CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu chung về sơn 1. Lịch sử phát triển Sơn là một trong những vật liệu cơ bản ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và xây dựng nhằm bảo vệ bề mặt và nâng cao cơ tính của vật liệu. Ngoài ra, sơn công nghiệp còn mang lại tính thẩm mỹ cao do tạo ra đa dạng màu sắc và hoa văn ứng dụng trong trang trí.
Lịch sử phát triển sơn trên thế giới Trong lịch sử phát triển của loài người, sơn được sử dụng từ rất sớm. Cách đây khoảng hơn 40.000 năm trước, người tinh khôn đã sử dụng các quặng có màu đỏ và vàng, hematite, manganese oxide, và than (charcoal) dùng để điêu khắc và vẽ [1]. Đây có thể coi là loại sơn trang trí đầu tiên trong lịch sử loài người. Các loại sơn từ thuở sơ khai này chủ yếu được sử dụng để tạo nên các bức tranh phản ánh đời sống sinh hoạt hàng ngày trong các hang động hoặc phiến đá, nhiều bức tranh trong số đó còn tồn tại đến ngày nay.
Người Hy Lạp và La Mã đã biết sử dụng sơn dầu béo trong trang trí và bảo vệ bề mặt Từ những năm 600 trước công nguyên. Mãi đến thế kỷ 13 sau công nguyên, các nước khác của Châu Âu mới biết đến công nghệ sơn này. Vào cuối thế kỷ 18, nhu cầu về các loại sơn tăng nhanh thúc đẩy việc kinh doanh, sản xuất sơn và vecni. Cuộc cách mạng công nghiệp đã có tác động lớn tới sự phát triển của ngành sơn.
Sự gia tăng nhu cầu sử dụng sắt, thép cho mục đích xây dựng và kỹ thuật, sơn gốc chì và kẽm đã được sử dụng nhằm bảo vệ bề mặt khỏi ăn mòn hóa học do hình thành rỉ sét. Loại sơn đơn giản nhất dựa trên màu đỏ chì phân tán trong dầu hạt lanh là một trong những loại sơn lót chống ăn mòn tốt nhất cho kết cấu thép. Tuy nhiên, sơn gốc chì dần bị thay thế vì độc tính của chúng và những mối nguy hiểm kèm theo khi sử dụng chúng. Năm 1918, titanium dioxide (TiO2) đã được dùng để thay thế hoàn toàn chì.
Ngành công nghiệp sơn phát triển nhảy vọt khi xuất hiện trên thị trường các loại nhựa tổng hợp tạo màng sơn cùng với các loại bột màu hữu cơ chất lượng cao và nhất là sự xuất hiện của sản phẩm bột màu trắng titanium dioxide – bột màu chủ đạo, phản ánh sự phát triển của công nghiệp sơn màu. Các 4 mốc quan trọng trong lịch sử phát triển ngành công nghiệp sơn được thể hiện trong Hình 1. Các mốc phát triển công nghiệp sơn từ đầu thế kỷ thứ 20 đến cuối thế kỷ thứ 20 [2]. Lịch sử phát triển sơn tại Việt Nam Tại Việt Nam, cách đây 400 năm trước, cha ông ta đã biết cách chế tạo sơn trang trí bảo vệ cho các pho tượng thờ hay hoành phi câu đối được sơn son thếp vàng với việc sử dụng cây sơn mọc trong tự nhiên.
Các loại sơn này khá bền màu theo thời gian và còn duy trì đến ngày nay trong việc tạo ra các sản phẩm tranh sơn mài hay đồ sơn son thếp vàng. Bên cạnh đó, còn một số loại dầu béo đươc làm từ nhựa thông của cây thông ba lá hoăc dầu lai, dầu bóng được sử dụng để trang trí và bảo vệ cho chiếc nón lá hoặc các đồ vật nội ngoại thất. Tuy nhiên đây đa phần đây là các loại sơn tự nhiên trong dân gian và phục vụ cho nhu cầu trang trí nội thất là chủ yếu. Ngành công nghiệp sơn tại Việt Nam bắt đầu phát triển từ năm 1914, với sự xuất hiện của một số xưởng sơn dầu, trong đó nổi bật là công ty sơn Gecko của doanh nhân Nguyễn Sơn Hà.
Trong lịch sử phát triển, ngành sơn Việt Nam phát triển mạnh mẽ đầu những năm 1914-1975 với sự ra đời của các nhà máy sơn với dòng sản phẩm chính là sơn Alkyd, sơn dầu, một lượng nhỏ sơn Epoxy. Tuy nhiên do biến động sau chiến tranh thống nhất đất nước 1975, ngành công nghiệp 5 này rơi vào tình trạng phát triển trì trệ bởi nền kinh tế bao cấp giai đoạn 1976- 1989. Từ năm 1990, ngành sơn phát triển trở lại, cạnh tranh với các dòng sơn ngoại nhập danh tiếng như sơn Nippon, ICI, Jotun,. Trải qua quá trình nghiên cứu và phát triển, lịch sử ngành sơn ngày càng phát triển trong giai đoạn thế kỷ 20 đến nay với nhiều loại sơn khác nhau được sản xuất đi cùng với đó là các công nghệ sản xuất sơn được cải tiến giúp tăng hiệu quả bảo vệ, trang trí đồng thời giảm giá thành và an toàn hơn cho sức khỏe con người.
Trong đó hơn 75% sơn hiện nay là sơn gốc nước thay thế cho sơn gốc dầu với nhiều tính năng và chất lượng vượt trội hơn. Các công nghệ sơn hiện nay có thể kể đến như công nghệ đan chéo, công nghệ hybrid hay công nghệ sơn nano đang được ứng dụng và phát triển. Tính đến nay, Việt Nam có khoảng 600 doanh nghiệp kinh doanh và sản xuất sơn với tổng lượng sơn hàng năm đạt gần 250 triệu lít, trong đó sơn trang trí chiếm đa số với khoảng 180 triệu lít/năm. Quá trình phát triển ngành công nghiệp sơn tại Việt Nam giai đoạn 1914-2008 [2].
Khái quát về sơn Sơn là một hỗn hợp ở thể lỏng được phân bố trên bề mặt nền (theo, bê tổng, gỗ,.) và sẽ khô ở nhiệt độ thường hay nhiệt độ nâng cao để tạo thành màng rắn và mỏng [3]. 6 Mục đích sử dụng chính của sơn: - Bảo vệ bề mặt vật nền, chống lại độ ẩm cao, han gỉ, dầu mỡ, hóa chất,. - Biến tính bề mặt ngoài của nền để tạo màu sắc, độ bóng, trang trí, tính hiệu, làm nhẵn,. - Biến tính cơ lý bề mặt nền như điều chỉnh độ dẫn nhiệt, dẫn điện, chống bám vi khuẩn, phản xạ, hấp thụ âm thanh, chỉ thị nhiệt độ bằng màu,.
Thành phần cơ bản của sơn a. Chất tạo màng/ chất kết dính (binder) Chất tạo màng hay chất kết dính là những vật liệu tạo thành màng liên tục, chúng bám dính lên nền (substrate) là bề mặt cần được phủ, liên kết với các chất khác trong lớp phủ tạo thành màng có mặt ngoài đủ cứng [4]. Chất tạo màng thường là vật liệu polymer hữu cơ có khả năng hòa tan trong dung môi hữu cơ hoặc nước (Hình 1.3), chiếm 25 – 30% khối lượng trong sơn. Chất tạo màng quyết định nhiều tính chất của màng sơn như độ bám dính, độ bền cơ học, khả năng chịu thời tiết, chịu hóa chất, nước, nhiệt, hay xăng dầu.
Acrylic Vinylic Urethane Epoxy Alkyd Silane Polyester Amino PVC SBR Phenolic Cellulosic Các loại khác Hình 1. Thị phần sử dụng các loại chất tạo màng cho sơn ở Mỹ [4]. 7 Một số loại chất tạo màng Nhựa Alkyd là sản phẩm của phản ứng trùng ngưng giữa các rượu đa chức (glycerol, trimethylolpropane, và pentaerythritol) và acid hữu cơ (dicarboxylic acid hoặc anhydride như phthalic anhydride, và maleic anhydride). Nhựa alkyd có đặc tính bám dính tốt, mềm dẻo, khô được ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ cao nên được dùng nhiều trong màng phủ ứng dụng cho sơn trang trí bên ngoài nhà, sơn tường, sơn tầu biển và sơn kim loại và sử dụng trong công nghiệp (sơn lót, sơn lót sấy nóng, sơn men,.
Nhựa acrylic là sản phẩm trùng hợp của các monomer như acrylic acid, methacrylic acid, và acrylate monomer. Lĩnh vực sử dụng chính trong sơn tân trang xe hơi và sử dụng trong sản xuất sơn mực in dùng cho các bề mặt plastic, màng mềm,… Ngoài ra, loại sơn này cũng được sử dụng làm lớp phủ sơn sàn chống trượt, chống thấm cho ngói lợp và sơn phủ cho đồ gia dụng, nội thất. Nhựa epoxy là nhựa trong cấu trúc của chúng có ít nhất hai nhóm epoxy cho mỗi phân tử. Nhóm này có thể ở trong nhưng thường ở cuối mạch phân tử.
Do vòng epoxy có ba cạnh với độ căng lớn nên dễ phản ứng với nhiều chất, cho phép kéo dài mạch hay khâu mạch ngang mà không loại bỏ ra các phân tử nhỏ như nước. Kết quả là nhận được vật liệu có độ co ngót nhỏ hơn các loại nhựa nhiệt rắn khác [4]. Trên thị trường, nhựa epoxy thương mại thường chủ yếu là sản phẩm của bisphenol A và epychlorohydrin. Do sự đa dạng của các loại nhựa epoxy cùng với các chất đóng rắn khác nhau nên nhựa epoxy được sử dụng rất rộng trong các lĩnh vực.
Nó được sử dụng trong màng phủ công nghiệp,màng phủ epoxy-nhựa than đá, sơn lót epoxy giầu kẽm… Polyurethanes là polyester của carbamic acid, màng sơn bền, dễ lau sạch, thường dùng trong sơn hàng không vũ trụ. Ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như dùng sơn xe hơi cho lớp sơn phủ, dùng cho dầu bóng lót ván sơn gỗ, dùng cho sơn lót, đệm, phủ cho đồ gỗ nội thất do có độ chống mài mòn tốt, chống hóa chất, chống ăn mòn, và có thể thay đổi tính chất cơ học trong phạm vi rộng. Bột màu Bột màu chiếm từ 7% đến 40%, gồm có bột màu gốc, bột chống gỉ, bột màu bổ sung, là thành phần chính của sơn nhằm tạo nên màu sắc và độ che phủ của màng sơn. Một số loại bột màu sử dụng trong sơn Bột màu Màu sắc Al Nhũ bạc Nhóm 1.
Màu Cu Nhũ đồng kim loại Zn Xám xanh TiO2 ZnO Trắng PbCO3, Pb(OH)2 Muội than Bột Grafit Đen và xám Fe3O4 Nhóm 2. Màu MnO2 hợp chất vô cơ PbCrO4 Vàng ZnCrO4 Vàng chanh Fe2O3 Đỏ nâu PbMoO4 Đỏ cam Cr2O3 Xanh lá cây CoO.nZnO Xanh lá cây CoO.Al2O3 Xanh dương Gốc màu AZO (-N=N-) Vàng cam, đỏ Nhóm 3. Bột Gốc màu Phtalocyanin Xanh dương, lá cây màu chất hữu cơ (-C6H4(CN)2) Gốc màu Antrquinon Xanh dương Nguyên vật liệu tạo màu cho sơn thường ở dạng bột mịn và đa dạng về màu sắc trong đó phần lớn bột màu có độ phân tán cao trong môi trường phân tán (nước, dung môi hữu cơ, dung dịch chất tạo màng…). Bột màu được chia làm ba nhóm (Bảng 1.1): - Bột màu kim loại 9 - Bột màu hợp chất vô cơ (hay còn được gọi là màu tự nhiên) được tạo nên bằng cách nghiền mịn các vật liệu thiên nhiên.
Nhóm vật liệu này gồm có: đá phấn trắng, minium sắt màu nâu đất; nioni thiên nhiên khô có màu nâu hồng, than chì có màu xám. Loại màu này cho độ che phủ cao và khá bền màu. - Bột màu chất hữu cơ (hay còn gọi là màu tổng hợp) với những tone màu tươi sáng và đa dạng hơn. Tuy nhiên lại có độ bền màu thấp và độ che phủ cũng không cao bằng màu vô cơ.