Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Sơn và chất phủ bề mặt đóng vai trò thiết yếu trong đời sống và kỹ thuật với hai chức năng cơ bản là bảo vệ vật liệu khỏi sự ăn mòn của môi trường và tạo giá trị thẩm mỹ cho các công trình, thiết bị. Trong thực tế xây dựng, phần lớn các loại sơn truyền thống sử dụng chất tạo màng hữu cơ như nhựa alkyd, epoxy hoặc polyacrylate hòa tan trong dung môi hữu cơ. Quá trình thi công các hệ sơn này giải phóng lượng lớn hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người.

Để khắc phục nhược điểm trên, xu hướng phát triển vật liệu phủ thân thiện với môi trường chuyển dịch mạnh mẽ sang các dòng sơn không dung môi, sơn bột hoặc sơn gốc nước. Trong nhóm chất tạo màng gốc nước, nhựa nhũ tương polyacrylate được ưu tiên ứng dụng nhờ giá thành hợp lý, tính năng tạo màng linh hoạt và hạn chế tối đa phát thải độc hại. Tuy nhiên, tại Việt Nam, phần lớn các công trình nghiên cứu và cơ sở sản xuất công nghiệp chỉ ứng dụng các hệ nhựa nhũ tương thương mại nhập khẩu sẵn có. Rất ít công trình thực hiện nghiên cứu tổng hợp copolymer acrylate trực tiếp từ các monomer ban đầu để chủ động kiểm soát cấu trúc phân tử, khảo sát tương quan giữa thành phần phối liệu với các tính chất lý hóa, và đối chiếu toàn diện với mẫu nhựa thương mại. Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài "Nghiên cứu chế tạo sơn trên cơ sở polyacrylates" đã được lựa chọn thực hiện.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đồ án bao gồm hai nội dung chính:

  1. Tổng hợp thành công nhựa acrylate bằng phản ứng trùng hợp nhũ tương theo cơ chế gốc tự do từ các monomer ban đầu, thu được sản phẩm có các tính chất tương đương với mẫu nhựa thương mại SB10HH nhằm định hướng ứng dụng cho sơn nước.
  2. Chế tạo hệ sơn nước trên cơ sở nhựa acrylate tổng hợp được; tiến hành đo đạc, đánh giá và so sánh các chỉ tiêu cơ lý của màng sơn này với màng sơn chế tạo từ nhựa acrylate thương mại.

Để hoàn thành hai mục đích trên, các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đặt ra như sau:

  1. Nghiên cứu quy trình công nghệ tổng hợp nhựa acrylate bằng phản ứng trùng hợp nhũ tương trong điều kiện phòng thí nghiệm.
  2. Xác định tỷ lệ thành phần copolymer thích hợp; khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng monomer Styrene và hàm lượng chất hoạt động bề mặt (chất nhũ hóa) đến độ nhớt và hàm rắn của sản phẩm nhựa.
  3. Phân tích, đặc trưng hóa cấu trúc và so sánh các tính chất hóa lý của nhựa acrylate tổng hợp với nhựa thương mại SB10HH.
  4. Xây dựng công thức và quy trình chế tạo sơn nước từ nhựa tổng hợp và nhựa thương mại; kiểm tra, đánh giá so sánh các chỉ tiêu cơ lý của hai màng sơn tương ứng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Nhựa nhũ tương polyacrylate tổng hợp từ hệ monomer bao gồm 2-ethylhexyl acrylate (2-EHA), methyl methacrylate (MMA), Styrene, axit acrylic, acrylamide; hệ sơn nước pha chế từ nhựa tổng hợp và màng sơn sau khi đóng rắn. Mẫu đối chứng là nhựa nhũ tương thương mại SB 10HH có xuất xứ từ Thổ Nhĩ Kỳ.
  • Phạm vi không gian: Toàn bộ quá trình tổng hợp hóa học, phối trộn sơn và kiểm tra tính chất vật liệu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hóa học (Khoa Công nghệ sinh học, Hóa học và Kỹ thuật Môi trường) và Phòng thí nghiệm Polymer – Composite (Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu), Trường Đại học Phenikaa.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được hoàn thành, bảo vệ trước Hội đồng chấm tốt nghiệp vào ngày 18 tháng 03 năm 2024 và hoàn tất giải trình chỉnh sửa vào ngày 02 tháng 04 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và cơ chế phản ứng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết về phản ứng trùng hợp gốc tự do và công nghệ trùng hợp nhũ tương dị thể:

  • Cơ chế trùng hợp gốc tự do: Quá trình chuyển hóa các monomer có chứa liên kết đôi $C=C$ diễn ra qua ba giai đoạn kinh điển: khơi mào (phân hủy nhiệt chất khơi mào kali persulfate $K_2S_2O_8$ tạo gốc tự do sulfate mang điện âm), phát triển mạch (gốc tự do cộng hợp liên tiếp vào các phân tử monomer), và ngắt mạch (kết hợp hai gốc tự do hoặc chuyển mạch chuỗi).
  • Cơ chế trùng hợp nhũ tương: Hệ phản ứng gồm monomer không tan phân tán trong pha liên tục là nước dưới sự hỗ trợ của chất hoạt động bề mặt tạo thành các micelle. Dưới tác dụng của nhiệt độ ($75^\circ\text{C}$), chất khơi mào tan trong nước phân hủy sinh gốc tự do; monomer khuếch tán từ các giọt nhũ tương lớn vào bên trong micelle để tiến hành phản ứng polymer hóa, làm các micelle trương nở dần thành các hạt polymer ổn định dạng latex.
  • Thiết kế thành phần monomer: Vai trò của từng monomer trong cấu trúc mạch copolymer được xác định dựa trên đặc tính hóa học:
    • 2-ethylhexyl acrylate (2-EHA): Sở hữu mạch nhánh hydrocarbon dài, làm tăng độ mềm dẻo, tính đàn hồi, đồng thời cung cấp khả năng kháng nước và chống bám bẩn cho màng phủ.
    • Methyl methacrylate (MMA): Đóng vai trò tăng cường độ cứng cơ học, độ bền nhiệt và khả năng chống chịu thời tiết.
    • Styrene (S): Mang vòng thơm benzene sáu cạnh, giúp nâng cao độ cứng, độ bền va đập và độ bền kháng hóa chất của màng polymer.
    • Axit acrylic và Acrylamide: Bổ sung nhóm chức phân cực ($-COOH$, $-CONH_2$) với tỷ lệ nhỏ nhằm tăng cường độ ổn định của hệ nhũ tương, hỗ trợ khả năng phân tán trong nước và cải thiện độ bám dính của màng sơn lên bề mặt chất nền.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Quy trình tổng hợp nhựa nhũ tương: Sử dụng hệ thống phản ứng gồm bình cầu 4 cổ đặt trong bể điều nhiệt, trang bị máy khuấy cơ RW20 digital, ống sinh hàn xoắn và đường dẫn khí $N_2$. Môi trường phản ứng được đệm kiềm yếu bằng $NaHCO_3$, nhũ hóa bằng SDS trong nước, sục khí nitơ 15 phút để loại bỏ oxy hòa tan, sau đó nạp monomer và chất khơi mào ở $75^\circ\text{C}$ trong thời gian phản ứng 5 giờ.
  • Quy trình chế tạo sơn nước: Ứng dụng máy trộn sơn BGD 750/1 theo quy trình ba giai đoạn:
    1. Phân tán chất làm đặc hydroxyethyl cellulose (HEC 30B) trong nước, chỉnh pH bằng dung dịch $NH_3$ và bổ sung chất phá bọt.
    2. Phân tán bột màu ($TiO_2$) và bột độn ($CaCO_3$) cùng chất thấm ướt (PC418) ở tốc độ khuấy cao ($1000 - 1200\text{ vòng/phút}$) trong 30 phút để tạo hệ huyền phù đồng nhất, không vón cục.
    3. Phối trộn nhựa tạo màng (nhựa tổng hợp hoặc nhựa SB 10HH) cùng chất trợ tạo màng DN12 và phụ gia phá bọt ở tốc độ khuấy chậm để hoàn thiện dung dịch sơn.
  • Phương pháp phân tích hóa lý và kiểm tra cơ lý:
    • Phân tích cấu trúc và kích thước: Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) xác định các liên kết đặc trưng; phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) phân tích thành phần hóa học; phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS) đo kích thước và phân bố kích thước hạt latex.
    • Tính chất lưu biến và trạng thái: Đo độ nhớt động lực học (đơn vị cP); xác định khối lượng phân tử polymer thông qua độ nhớt bằng nhớt kế mao quản Ubbelohde; xác định tỷ lệ phần rắn (hàm rắn) bằng phương pháp sấy cân khối lượng.
    • Tính chất cơ lý màng sơn: Đo độ bền va đập bằng thiết bị thả bi rơi tự do; đo độ cứng tương đối bằng thiết bị con lắc; xác định độ cứng bề mặt bằng bộ vạch bút chì tiêu chuẩn; kiểm tra độ bền uốn màng sơn qua trục uốn hình trụ.

Nguồn gốc nguyên liệu và hóa chất

Tên hóa chất / Nguyên liệu Vai trò trong hệ Độ tinh khiết Nguồn gốc xuất xứ
2-Ethylhexyl acrylate (2-EHA) Monomer mạch mềm $> 99%$ Trung Quốc
Methyl methacrylate (MMA) Monomer mạch cứng $> 99%$ Trung Quốc
Styrene Monomer tăng cứng, kháng hóa chất $> 98%$ Trung Quốc
Axit acrylic Monomer chức năng $> 99%$ Trung Quốc
Acrylamide Monomer chức năng $> 98%$ Trung Quốc
Potassium peroxydisulfate ($K_2S_2O_8$) Chất khơi mào phản ứng $\ge 99,5%$ Trung Quốc
Sodium dodecyl sulfate (SDS) Chất hoạt động bề mặt anion $> 99%$ Ấn Độ
Natri hydrocarbonat ($NaHCO_3$) Chất đệm điều hòa pH hệ nhũ $\ge 99,5%$ Trung Quốc
Hydroxyethyl cellulose (HEC 30B) Phụ gia tạo đặc hệ sơn $> 99%$ Trung Quốc
Amoniac ($NH_3$) Phụ gia điều chỉnh pH sơn $> 99%$ Trung Quốc
Titan dioxide ($TiO_2$) Bột màu vô cơ tạo độ phủ $> 99%$ Trung Quốc
Canxi cacbonat ($CaCO_3$) Bột độn tăng cường thể tích $> 99%$ Trung Quốc
Chất thấm ướt PC418 Phụ gia phân tán màu $> 99%$ Ba Lan
Chất trợ tạo màng DN12 Phụ gia hỗ trợ đóng rắn $> 99%$ Ấn Độ
Phụ gia phá bọt to G2960 / nhỏ G1129 Khử bọt khí khi khuấy trộn $> 99%$ Anh
Nhựa nhũ tương SB 10HH Chất tạo màng thương mại đối chứng $> 99%$ Thổ Nhĩ Kỳ

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Phần mở đầu xác lập cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài. Tác giả chỉ ra sự cần thiết phải chuyển dịch từ các hệ sơn dung môi độc hại sang sơn nhũ tương gốc nước; phân tích khoảng trống thực nghiệm tại Việt Nam khi hầu hết các đơn vị sản xuất phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn nhựa nhũ tương thương mại nhập khẩu. Từ đó, tác giả công bố 2 mục tiêu, 4 nội dung nghiên cứu chính, đồng thời nêu rõ ý nghĩa khoa học trong việc bổ sung dữ liệu thực nghiệm cho họ vật liệu polyacrylate và ý nghĩa thực tiễn trong việc định hướng công nghệ chế tạo chất tạo màng nội địa.

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 1 cung cấp tổng quan lý thuyết hệ thống về công nghệ vật liệu phủ và các quá trình polymer hóa:

  • Cấu trúc sơn: Phân tích chi tiết 5 cấu phần cơ bản cấu thành sơn gồm chất tạo màng (nhựa polymer), bột màu (vô cơ như $TiO_2, ZnO, Fe_2O_3$ và hữu cơ azo, phthalocyanine), bột độn ($CaCO_3, BaSO_4, Talc$), dung môi (đặc biệt là nước) và các hệ phụ gia chuyên dụng (phá bọt, tạo đặc, ổn định quang HALS, diệt khuẩn).
  • Hóa học chất tạo màng Acrylate: Trình bày cấu tạo hóa học của axit acrylic, axit methacrylic và các dẫn xuất ester. Điểm qua các công trình biến tính nhựa acrylate trong và ngoài nước (như nghiên cứu bổ sung aerogel silica của Sara Karami, Siamak Motahari; bổ sung nano $MgO$ của Denisa Steinerová; nghiên cứu biến tính nano $TiO_2, ZrO_2$ của Đào Phi Hùng hay phối hợp thủy tinh lỏng của Nguyễn Thế Hữu).
  • Kỹ thuật trùng hợp: So sánh ưu nhược điểm của 4 phương pháp trùng hợp công nghiệp: trùng hợp khối, dung dịch, huyền phù và nhũ tương. Khẳng định phương pháp trùng hợp nhũ tương theo cơ chế gốc tự do là tối ưu nhất cho sản xuất nhựa gốc nước nhờ khả năng phân tán nhiệt tốt, tốc độ phản ứng cao, không sử dụng dung môi độc hại và dễ tạo phân tử lượng lớn.
  • Phân loại chất hoạt động bề mặt: Phân tích 4 nhóm chất hoạt động bề mặt (anion, cation, không ion và zwitterionic). Lựa chọn chất hoạt động bề mặt anion SDS nhờ hiệu quả tạo micelle và độ bền phân tán cao.
  • Thị trường vật liệu phủ: Phân tích dữ liệu thị trường sơn toàn cầu (định giá 170,90 tỷ USD năm 2022, dự kiến đạt 251,75 tỷ USD năm 2032 với tốc độ tăng trưởng 4%) và thị trường Việt Nam (tổng sản lượng đạt xấp xỉ 250 triệu lít/năm, trong đó sơn trang trí chiếm 65%; khối doanh nghiệp FDI chiếm trên 65% thị phần với hơn 600 doanh nghiệp đang cạnh tranh).

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết hóa chất, hệ thống máy móc và quy trình các bước tiến hành:

  • Thiết bị phản ứng và phối trộn: Trình bày cấu hình thiết bị phản ứng gồm máy khuấy cơ RW20, bình cầu 4 cổ, sinh hàn xoắn, bể ổn nhiệt và máy trộn sơn tốc độ cao BGD 750/1.
  • Quy trình tổng hợp nhựa: Thiết lập quy trình 3 giai đoạn: tạo hệ nhũ SDS trong nước kết hợp đệm $NaHCO_3$; phối trộn hệ monomer gồm 2-EHA, MMA, Styrene, axit acrylic, acrylamide; tiến hành phản ứng trùng hợp ở nhiệt độ ổn định $75^\circ\text{C}$ trong 5 giờ dưới luồng khí bảo vệ $N_2$ và nhỏ giọt dung dịch chất khơi mào $K_2S_2O_8$.
  • Quy trình gia công sơn nước: Xây dựng quy trình phối liệu 3 giai đoạn chi tiết: phân tán chất tạo đặc HEC 30B ($35,3%$ nước, $0,3%$ HEC, $0,1%$ $NH_3$, khuấy 30 phút ở tốc độ 1000–1200 rpm); nghiền phân tán bột màu $TiO_2$ ($13,5%$), bột độn $CaCO_3$ ($19,5%$), chất thấm ướt ($0,4%$) và chất phá bọt to ($0,1%$); sau đó giảm tốc độ khuấy để phối trộn chất tạo màng ($28%$), chất trợ tạo màng DN12 ($1,1%$), phụ gia phá bọt nhỏ ($0,2%$) và nước hoàn thiện ($1,6%$).
  • Phương pháp khảo sát: Thiết lập quy trình vận hành nhớt kế Ubbelohde đo thời gian chảy dung dịch polymer ở các nồng độ pha loãng để ngoại suy độ nhớt đặc trưng $[\eta]$ và tính khối lượng phân tử; đo phổ FTIR ghi nhận dao động hóa học; đo DLS xác định phân bố hạt nhũ tương; đo độ cứng con lắc, độ cứng vạch bút chì, độ bền va đập và độ bền uốn theo tiêu chuẩn kiểm nghiệm màng sơn.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm thu được và thảo luận bản chất lý hóa:

  • Khảo sát mẫu nhựa thương mại SB 10HH: Xác định các thông số kỹ thuật chuẩn của mẫu đối chứng (độ nhớt, hàm rắn, cấu trúc phổ hồng ngoại FTIR, phổ NMR, kích thước hạt trung bình qua DLS) để làm mốc đối sánh.
  • Ảnh hưởng của hàm lượng Styrene: Khảo sát sự thay đổi tỷ lệ monomer Styrene trong hỗn hợp phản ứng đến tính chất nhũ tương. Khi tăng hàm lượng Styrene từ mức thấp lên đến $30%$ khối lượng, độ nhớt và hàm rắn của hệ nhũ tương biến thiên theo chiều hướng tăng dần và tiệm cận với chỉ số của mẫu thương mại. Mẫu copolymer chứa $30%$ Styrene (ký hiệu S-30) cho trạng thái phân tán đồng đều và các thông số ổn định nhất.
  • Ảnh hưởng của hàm lượng SDS: Đánh giá nồng độ chất nhũ hóa SDS đối với độ bền hệ nhũ, độ nhớt và hàm lượng phần rắn. Kết quả thực nghiệm xác định khi hàm lượng SDS đạt $5%$ khối lượng so với tổng monomer, hệ nhũ đạt trạng thái cân bằng micelle tối ưu, hạn chế hiện tượng keo tụ hạt và duy trì hàm rắn cao.
  • Đặc trưng hóa cấu trúc nhựa tổng hợp:
    • Phổ FTIR: Nhựa tổng hợp xuất hiện các vạch hấp thụ đặc trưng của nhóm carbonyl ester ($C=O$), liên kết $C-O-C$, dao động biến dạng của nhóm methyl/methylene và các vạch hấp thụ vòng thơm của Styrene, chứng minh phản ứng đồng trùng hợp xảy ra hoàn toàn, không còn tồn dư liên kết đôi chưa phản ứng.
    • Kích thước hạt DLS: Kích thước hạt nhựa tổng hợp phân bố đồng đều trong pha nước, tương đương với kích thước hạt của hệ latex SB 10HH.
    • Khối lượng phân tử: Xác định sự phụ thuộc tuyến tính của độ nhớt rút gọn vào nồng độ thông qua nhớt kế Ubbelohde, xác nhận mẫu S-30 đạt khối lượng phân tử lớn phù hợp cho yêu cầu tạo màng.
  • Đánh giá chất lượng màng sơn nước: Tiến hành pha chế song song hai mẫu sơn nước từ nhựa tổng hợp S-30 và nhựa thương mại SB 10HH theo cùng một đơn phối liệu. Màng sơn từ nhựa tổng hợp đạt các chỉ tiêu cơ lý vượt trội về khả năng chịu ngoại lực.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng chính

Nghiên cứu đã chế tạo thành công mẫu nhựa copolymer polyacrylate nhũ tương tối ưu (mẫu S-30) và hệ sơn nước tương ứng với các thông số kỹ thuật được xác định bằng thực nghiệm:

  • Công thức phối liệu tối ưu của nhựa tổng hợp:
    • Thành phần monomer: $40%\text{ 2-EHA}$, $30%\text{ Styrene}$, $30%\text{ MMA}$ (bổ sung một lượng nhỏ axit acrylic và acrylamide làm monomer chức năng).
    • Tỷ lệ chất hoạt động bề mặt: $5%\text{ SDS}$ so với khối lượng monomer.
    • Hệ khơi mào: Kali persulfate ($K_2S_2O_8$) kết hợp đệm $NaHCO_3$.
    • Điều kiện phản ứng: Nhiệt độ $75^\circ\text{C}$, thời gian 5 giờ, khuấy liên tục dưới môi trường khí nitơ.
  • Chỉ tiêu hóa lý của nhựa tổng hợp tối ưu:
    • Độ nhớt động học: $209\text{ cP}$.
    • Hàm lượng chất rắn (hàm rắn): $45,3%$.
    • Tính chất dung dịch nhũ tương: Dạng lỏng trắng sữa đồng nhất, kích thước hạt đồng đều, các pic hấp thụ trên phổ FTIR và NMR tương thích hoàn toàn với cấu trúc copolymer dự kiến.
  • So sánh tính chất cơ lý màng sơn:
Chỉ tiêu cơ lý kiểm tra Màng sơn từ nhựa tổng hợp (S-30) Màng sơn từ nhựa thương mại (SB 10HH)
Độ nhớt nhựa nền $209\text{ cP}$ Mức tương đương chuẩn công nghiệp
Hàm lượng phần rắn nhựa $45,3%$ Xấp xỉ $45 - 50%$
Độ cứng tương đối (con lắc) Xấp xỉ mẫu thương mại Đạt chuẩn màng sơn phủ
Độ cứng bề mặt (vạch bút chì) Tương đương mẫu thương mại Đạt yêu cầu kỹ thuật
Độ bền uốn màng sơn Màng sơn mềm dẻo, không nứt gãy Không nứt gãy trên trục uốn
Độ bền va đập Cao hơn so với mẫu thương mại Mức trung bình chuẩn thương mại

Giải pháp và đề xuất kỹ thuật của tác giả

  • Đề xuất quy trình công nghệ 3 bước đồng bộ khép kín từ tổng hợp vật liệu polymer gốc nước đến gia công màng sơn phủ kiến trúc, không sử dụng dung môi hữu cơ.
  • Đưa ra giải pháp cân bằng tỷ lệ giữa monomer dẻo (2-EHA) và monomer cứng (Styrene, MMA), khắc phục hiện tượng màng sơn bị giòn nứt hoặc quá mềm dính khi thi công.
  • Ứng dụng kỹ thuật ổn định hệ nhũ bằng cách phối hợp SDS với muối đệm $NaHCO_3$, ngăn ngừa hiện tượng phân tầng và keo tụ sớm của hạt polymer trong quá trình lưu trữ.

Đóng góp mới của đề án

  1. Xác lập thành công quy trình công nghệ và đơn phối liệu tối ưu ($40%\text{ 2-EHA} : 30%\text{ Styrene} : 30%\text{ MMA}$ với $5%\text{ SDS}$) để tổng hợp nhựa copolymer polyacrylate bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương gốc tự do, bổ sung dữ liệu thực nghiệm chi tiết cho quá trình polymer hóa hệ monomer đa cấu tử tại Việt Nam.
  2. Sản phẩm nhựa tổng hợp đạt các chỉ số hóa lý tương đương với mẫu thương mại nhập ngoại SB 10HH (độ nhớt $209\text{ cP}$, hàm rắn $45,3%$). Đặc biệt, màng sơn nước pha chế từ hệ nhựa này thể hiện độ bền va đập vượt trội hơn so với màng sơn sử dụng nhựa thương mại trong khi vẫn duy trì độ cứng bề mặt tương đương.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu chỉ được tiến hành ở quy mô mẻ phòng thí nghiệm (bình phản ứng thể tích nhỏ, khuấy cơ gián đoạn), chưa khảo sát động học truyền nhiệt và dòng chảy khi phóng đại quy mô bán công nghiệp.
  • Thành phần phối liệu khảo sát tập trung chủ yếu vào việc thay đổi hàm lượng Styrene và SDS; tỷ lệ tương đối giữa các monomer còn lại (2-EHA và MMA) chưa được mở rộng khảo sát ở nhiều dải tỷ lệ khác nhau.
  • Các phép thử màng sơn mới tập trung vào các chỉ tiêu cơ lý ngắn hạn (va đập, uốn, độ cứng bút chì, độ cứng con lắc); đồ án chưa thực hiện các thử nghiệm độ bền thời tiết gia tốc, độ bền chu kỳ nhiệt ẩm, khả năng kháng kiềm hóa học và khả năng kháng mài mòn lâu dài.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng quy mô tổng hợp nhũ tương trên hệ pilot (dung tích 10–50 lít) nhằm đánh giá độ ổn định của quá trình truyền nhiệt và độ lặp lại của kích thước hạt latex.
  • Nghiên cứu biến tính màng sơn bằng cách đưa thêm các hạt nano vô cơ (như nano $TiO_2, ZnO, SiO_2$ hoặc $MgO$) trực tiếp trong quá trình trùng hợp nhũ tương để tăng cường tính năng chống nóng, kháng khuẩn và tự làm sạch.
  • Khảo sát bổ sung các họ chất hoạt động bề mặt phản ứng (surfmer) hoặc chất hoạt động bề mặt không ion kết hợp để nâng cao hơn nữa độ bền hóa học và tính ổn định chống đông tụ của màng sơn trong môi trường khắc nghiệt.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng tài liệu

  • Sinh viên và học viên cao học: Chuyên ngành Công nghệ vật liệu, Vật liệu Polymer – Composite, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Hóa dầu và Vật liệu xây dựng.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D): Các chuyên viên kỹ thuật tại các nhà máy, viện nghiên cứu chuyên về sơn phủ kiến trúc, keo dán gốc nước và chất phân tán polymer.

Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật

  • Toàn bộ bảng đơn phối liệu thực nghiệm pha chế dung dịch sơn nước 3 giai đoạn (chi tiết tỷ lệ phần trăm khối lượng và hàm lượng phụ gia HEC, $TiO_2, CaCO_3$, chất thấm ướt, chất phá bọt to/nhỏ).
  • Quy trình lắp đặt hệ thống phản ứng trùng hợp nhũ tương có kiểm soát môi trường trơ ($N_2$) và kỹ thuật nạp mẫu monomer chậm ở nhiệt độ $75^\circ\text{C}$.
  • Phương pháp phân tích và xử lý số liệu độ nhớt mao quản Ubbelohde để xác định khối lượng phân tử phân đoạn polymer, cùng các thông số đối sánh trực tiếp với sản phẩm thương mại SB 10HH.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lựa chọn hệ monomer kết hợp giữa 2-EHA, MMA và Styrene?

Sự kết hợp ba monomer này nhằm tối ưu hóa tính năng cơ lý tương hỗ của màng polymer:

  • 2-EHA đóng vai trò là monomer dẻo với mạch hydrocarbon dài, hạ nhiệt độ chuyển thủy tinh ($T_g$), tăng độ dẻo dai, tính đàn hồi và cung cấp khả năng kháng nước.
  • MMA đóng vai trò monomer cứng, cung cấp độ bền thời tiết, tăng độ cứng và độ bóng bề mặt.
  • Styrene với vòng benzene cứng cáp giúp gia tăng khả năng chịu va đập cơ học, nâng cao độ bền kháng hóa chất và giảm giá thành nguyên liệu. Tỷ lệ tối ưu $40%$ 2-EHA, $30%$ Styrene và $30%$ MMA tạo ra màng sơn vừa có độ cứng tốt vừa có độ đàn hồi cao.

2. Vai trò của việc sục khí Nitơ ($N_2$) trong 15 phút trước khi tiến hành phản ứng là gì?

Phản ứng tổng hợp nhựa acrylate diễn ra theo cơ chế gốc tự do. Khí oxy ($O_2$) hòa tan trong môi trường nước là một tác nhân ức chế gốc tự do rất mạnh; $O_2$ sẽ phản ứng với các gốc tự do hoạt động để tạo thành gốc peroxy kém hoạt động, làm kéo dài thời gian cảm ứng hoặc dập tắt hoàn toàn phản ứng trùng hợp. Việc sục khí $N_2$ liên tục trong 15 phút có tác dụng đuổi triệt để khí oxy ra khỏi bình phản ứng, đảm bảo gốc tự do sinh ra từ $K_2S_2O_8$ phản ứng thuận lợi với liên kết đôi của monomer.

3. Mẫu nhựa acrylate tổng hợp tối ưu đạt được các thông số kỹ thuật nào so với mẫu thương mại SB 10HH?

Mẫu nhựa tối ưu mang ký hiệu S-30 (tổng hợp từ $40%$ 2-EHA, $30%$ Styrene, $30%$ MMA với $5%$ SDS) đạt các thông số:

  • Độ nhớt: $209\text{ cP}$.
  • Hàm lượng chất rắn: $45,3%$. Các chỉ số này nằm sát với tiêu chuẩn của mẫu nhựa thương mại SB 10HH. Khi đem gia công thành màng sơn nước, mẫu S-30 cho độ cứng tương đương nhưng độ bền va đập lại vượt trội hơn so với mẫu sơn dùng nhựa thương mại.

4. Quy trình chế tạo sơn nước từ nhựa acrylate gồm những giai đoạn nào?

Quy trình phối trộn sơn nước sử dụng máy khuấy BGD 750/1 được thực hiện qua 3 giai đoạn:

  1. Giai đoạn 1 (Phân tán HEC): Hòa tan chất tạo đặc HEC 30B vào nước, thêm dung dịch $NH_3$ điều chỉnh pH đến khi hỗn hợp trong suốt, thêm chất phá bọt to G2960.
  2. Giai đoạn 2 (Phân tán bột màu, bột độn): Cho bột màu $TiO_2$, bột độn $CaCO_3$ và chất thấm ướt PC418 vào hỗn hợp, khuấy tốc độ cao ($1000 - 1200\text{ rpm}$) trong 30 phút để tạo hệ huyền phù mịn, không vón.
  3. Giai đoạn 3 (Hoàn thiện sơn): Hạ tốc độ khuấy, đổ từ từ nhựa acrylate tạo màng (nhựa S-30 hoặc SB 10HH), chất trợ tạo màng DN12, bổ sung chất phá bọt nhỏ G1129 và nước để hoàn tất dung dịch sơn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phạm Bá Tuấn đã thiết lập thành công quy trình công nghệ tổng hợp nhựa nhũ tương copolymer polyacrylate trực tiếp từ các monomer ban đầu (2-EHA, MMA, Styrene, axit acrylic, acrylamide) bằng phản ứng trùng hợp gốc tự do ở $75^\circ\text{C}$ với hệ khơi mào $K_2S_2O_8$ và chất nhũ hóa SDS. Với công thức phối liệu tối ưu chứa $30%$ Styrene và $5%$ SDS, sản phẩm nhựa thu được có độ nhớt đạt $209\text{ cP}$ và hàm lượng chất rắn $45,3%$, tiệm cận với các thông số của nhựa thương mại nhập khẩu SB 10HH. Hệ sơn nước chế tạo từ nguồn nhựa tổng hợp này đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật màng phủ, trong đó độ bền va đập thể hiện ưu thế vượt trội so với mẫu đối chứng thương mại, khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao trong lĩnh vực sản xuất sơn kiến trúc thân thiện với môi trường.