Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển các vật liệu thông minh, vật liệu sắct nhiệt (thermochromic materials) ngày càng được quan tâm do khả năng thay đổi màu sắc theo nhiệt độ, ứng dụng rộng rãi trong cảnh báo an toàn và kiểm soát nhiệt độ. Theo ước tính, việc ứng dụng vật liệu sắct nhiệt trong các hệ thống cảnh báo nhiệt độ có thể nâng cao hiệu quả giám sát và giảm thiểu rủi ro trong công nghiệp và đời sống. Luận văn tập trung phát triển và khảo sát tính chất của sơn sắct nhiệt dựa trên nhựa Epoxy hai thành phần, có khả năng thay đổi màu sắc ở ngưỡng nhiệt 60°C, phục vụ cho ứng dụng cảnh báo hư hỏng.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể gồm: thiết kế quy trình phân tán bột màu sắct nhiệt vào hệ nhựa Epoxy, tạo màng phủ đồng nhất có khả năng đổi màu ổn định; khảo sát các tính chất vật lý của màng sơn như độ bóng, độ cứng, độ bám dính, độ bền uốn; đánh giá khả năng đổi màu sau chu kỳ thay đổi nhiệt và lão hóa UV/humidity. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 01 đến tháng 07 năm 2020 tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi tập trung vào vật liệu sắct nhiệt Epoxy hai thành phần và các phụ gia hỗ trợ.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp vật liệu cảnh báo nhiệt độ có độ bền cao, khả năng đổi màu rõ rệt và ổn định sau nhiều chu kỳ sử dụng, góp phần nâng cao an toàn trong các quy trình công nghiệp và ứng dụng trong các thiết bị cảnh báo nhiệt độ thông minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về vật liệu sắct nhiệt và mô hình phân tán bột màu trong hệ nhựa Epoxy. Vật liệu sắct nhiệt là loại vật liệu có khả năng thay đổi màu sắc do sự biến đổi cấu trúc phân tử hoặc tinh thể khi nhiệt độ thay đổi, được mô tả qua các khái niệm như chuyển pha tinh thể, chuyển đổi cấu trúc phân tử, và hiệu ứng quang học. Sơn sắct nhiệt trong nghiên cứu sử dụng bột màu thermochromic có cấu trúc polymer melamine bao bọc hạt TiO2, với ngưỡng đổi màu ở 60°C.

Mô hình phân tán bột màu trong nhựa Epoxy được thực hiện theo phương pháp High Speed Dispersant với tốc độ 1000-1200 vòng/phút, sử dụng chất phân tán BYK P104S với tỷ lệ 4.17% khối lượng nhằm đảm bảo phân tán đồng đều, tránh hiện tượng kết tụ và tách lớp. Các khái niệm chính bao gồm: nhựa Epoxy hai thành phần (phần A gồm nhựa Epoxy Bisphenol A loại 1, phần B gồm chất đóng rắn Amide và xúc tác), bột màu thermochromic, chất phân tán, và các chỉ tiêu đánh giá màng phủ như độ bóng, độ cứng, độ bám dính, và khả năng đổi màu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu màng sơn được tạo thành từ hỗn hợp nhựa Epoxy hai thành phần và bột màu thermochromic, được phủ lên bề mặt thép tấm với độ dày màng khô khoảng 80 µm. Quy trình nghiên cứu gồm các bước: phân tán bột màu thermochromic và bột màu trắng TiO2 riêng biệt trong nhựa Epoxy bằng máy khuấy tốc độ cao; pha trộn hai bán thành phẩm với các tỷ lệ khác nhau để tạo phần A; chuẩn bị phần B với chất đóng rắn, xúc tác và dung môi; trộn phần A và B để tạo sản phẩm cuối cùng; phủ lên mẫu thử và để khô trong 7 ngày.

Phương pháp phân tích bao gồm: đo độ bóng (ASTM D523), độ cứng bút chì (pencil hardness), độ bám dính (ASTM D3359), độ uốn cong, độ dày màng (ASTM D1005), và khảo sát khả năng đổi màu theo không gian màu CIE LAB (ASTM D2244) ở nhiệt độ 60°C. Khả năng đổi màu được kiểm tra sau 100 chu kỳ thay đổi nhiệt và sau các chu kỳ lão hóa UV/humidity theo tiêu chuẩn ASTM G154. Cỡ mẫu nghiên cứu khoảng 6 mẫu với các tỷ lệ bột màu khác nhau, chọn mẫu tiêu biểu để phân tích chi tiết.

Timeline nghiên cứu kéo dài 7 tháng, từ tháng 01 đến tháng 07 năm 2020, bao gồm giai đoạn thiết kế công thức, thực hiện thí nghiệm, phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng phân tán bột màu thermochromic trong nhựa Epoxy: Quá trình phân tán bằng máy khuấy tốc độ cao với chất phân tán BYK P104S đạt hiệu quả cao, tạo ra màng phủ đồng nhất, không có hiện tượng kết tụ hay tách lớp. Tỷ lệ bột màu thermochromic trong phần A dao động từ 1-5% theo khối lượng, phù hợp để tạo màng có khả năng đổi màu rõ rệt.

  2. Tính chất vật lý của màng sơn: Độ bóng của màng đạt khoảng 60-70 GU (Gloss Unit) theo ASTM D523, độ cứng bút chì đạt từ 3H đến 4H, độ bám dính đạt mức 4B theo ASTM D3359, và độ uốn cong màng không bị nứt gãy ở bán kính uốn 5 mm. So sánh với các mẫu không chứa bột màu thermochromic, các chỉ số này không giảm đáng kể, chứng tỏ việc thêm bột màu không ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất cơ lý của màng.

  3. Khả năng đổi màu theo nhiệt độ: Màng sơn đổi màu từ đỏ sang trắng khi nhiệt độ môi trường tăng trên 60°C, và trở lại màu đỏ khi nhiệt độ giảm xuống. Sau 100 chu kỳ thay đổi nhiệt, khả năng đổi màu vẫn duy trì trên 90% so với ban đầu, thể hiện tính ổn định cao của vật liệu.

  4. Độ bền lão hóa UV và độ ẩm: Sau 500 giờ lão hóa UV/humidity theo ASTM G154, màng sơn vẫn giữ được khả năng đổi màu và các tính chất vật lý cơ bản không thay đổi đáng kể, với sai số màu ΔE dưới 3, cho thấy vật liệu có độ bền cao trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân khả năng phân tán tốt của bột màu thermochromic là do sử dụng chất phân tán BYK P104S và phương pháp khuấy tốc độ cao, giúp bột màu phân bố đều trong nhựa Epoxy, tránh hiện tượng kết tụ gây giảm hiệu quả đổi màu. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về phân tán bột màu trong hệ nhựa polymer.

Tính chất vật lý của màng sơn được duy trì tốt nhờ sự tương thích giữa nhựa Epoxy DER 671-X75 và polyamid Ancamide 700 B75, cùng với việc sử dụng xúc tác tris-2,4,6-dimethylaminomethyl phenol giúp tăng cường phản ứng đóng rắn. So với các nghiên cứu về vật liệu sắct nhiệt khác, màng sơn này có ưu điểm về độ bền cơ học và khả năng bám dính trên bề mặt kim loại.

Khả năng đổi màu ổn định sau nhiều chu kỳ nhiệt và lão hóa UV/humidity chứng tỏ vật liệu phù hợp cho ứng dụng cảnh báo nhiệt độ trong công nghiệp, nơi yêu cầu độ bền và độ tin cậy cao. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thay đổi giá trị L* (độ sáng) trong không gian màu CIE LAB theo số chu kỳ nhiệt, và bảng tổng hợp các chỉ số cơ lý trước và sau lão hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ bột màu thermochromic: Đề nghị điều chỉnh tỷ lệ bột màu trong khoảng 3-5% để cân bằng giữa khả năng đổi màu và tính chất cơ lý của màng, nhằm đạt hiệu quả cảnh báo tối ưu trong vòng 6 tháng tới, do phòng thí nghiệm vật liệu thực hiện.

  2. Nâng cao độ bền cơ học của màng sơn: Khuyến nghị bổ sung các phụ gia tăng cường độ bám dính và độ cứng màng, như chất gia cường nano hoặc chất làm cứng, nhằm cải thiện độ bền trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, thực hiện trong 1 năm, phối hợp với phòng nghiên cứu vật liệu polymer.

  3. Phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp: Đề xuất xây dựng quy trình sản xuất sơn thermochromic Epoxy hai thành phần với kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt, đảm bảo tính đồng nhất và ổn định sản phẩm, trong vòng 18 tháng, phối hợp với doanh nghiệp sản xuất sơn.

  4. Mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác: Khuyến nghị nghiên cứu ứng dụng vật liệu sơn thermochromic trong bao bì thực phẩm, thiết bị điện tử và xây dựng để cảnh báo nhiệt độ, với mục tiêu phát triển sản phẩm đa dạng trong 2 năm tới, do nhóm nghiên cứu và đối tác công nghiệp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành vật liệu polymer và hóa học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu sắct nhiệt, quy trình phân tán bột màu và đánh giá tính chất vật lý của màng phủ, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất sơn và vật liệu phủ: Thông tin về công thức, quy trình sản xuất và đánh giá chất lượng giúp doanh nghiệp cải tiến sản phẩm sơn cảnh báo nhiệt độ, nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường.

  3. Chuyên gia trong lĩnh vực an toàn công nghiệp và thiết bị cảnh báo: Nghiên cứu cung cấp giải pháp vật liệu cảnh báo nhiệt độ hiệu quả, giúp thiết kế hệ thống cảnh báo an toàn trong các nhà máy, kho chứa và thiết bị điện.

  4. Cơ quan quản lý và kiểm định chất lượng vật liệu: Kết quả nghiên cứu và phương pháp đánh giá vật liệu hỗ trợ công tác kiểm định, chứng nhận sản phẩm vật liệu sắct nhiệt đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật và an toàn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu sắct nhiệt là gì và ứng dụng ra sao?
    Vật liệu sắct nhiệt là loại vật liệu có khả năng thay đổi màu sắc khi nhiệt độ thay đổi, thường dùng trong cảnh báo nhiệt độ, bao bì thực phẩm, kính thông minh. Ví dụ, sơn thermochromic đổi màu khi nhiệt độ vượt ngưỡng 60°C để cảnh báo nguy hiểm.

  2. Tại sao chọn nhựa Epoxy hai thành phần làm nền cho sơn thermochromic?
    Nhựa Epoxy hai thành phần có độ bền cơ học cao, khả năng bám dính tốt trên nhiều bề mặt, và dễ dàng phối trộn với các phụ gia như bột màu thermochromic, giúp tạo màng phủ đồng nhất và ổn định.

  3. Phương pháp phân tán bột màu thermochromic trong nhựa Epoxy như thế nào?
    Sử dụng máy khuấy tốc độ cao (1000-1200 vòng/phút) kết hợp chất phân tán BYK P104S giúp bột màu phân bố đều, tránh kết tụ, đảm bảo màng phủ có khả năng đổi màu rõ rệt và đồng nhất.

  4. Khả năng đổi màu của màng sơn sau nhiều chu kỳ nhiệt có bền không?
    Theo kết quả nghiên cứu, màng sơn vẫn giữ khả năng đổi màu trên 90% sau 100 chu kỳ thay đổi nhiệt độ, chứng tỏ tính ổn định và độ bền cao phù hợp cho ứng dụng thực tế.

  5. Màng sơn thermochromic có chịu được điều kiện lão hóa UV và độ ẩm không?
    Sau 500 giờ lão hóa UV/humidity theo tiêu chuẩn ASTM G154, màng sơn vẫn duy trì tính chất vật lý và khả năng đổi màu với sai số màu ΔE dưới 3, cho thấy độ bền cao trong môi trường khắc nghiệt.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công quy trình phân tán bột màu thermochromic vào nhựa Epoxy hai thành phần, tạo màng phủ đồng nhất, ổn định.
  • Màng sơn có khả năng đổi màu rõ rệt ở ngưỡng nhiệt 60°C, đổi màu từ đỏ sang trắng và ngược lại.
  • Tính chất vật lý của màng như độ bóng, độ cứng, độ bám dính được duy trì tốt sau khi thêm bột màu.
  • Khả năng đổi màu và tính chất vật lý được giữ ổn định sau 100 chu kỳ nhiệt và 500 giờ lão hóa UV/humidity.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu công thức, nâng cao độ bền cơ học và phát triển quy trình sản xuất công nghiệp trong các giai đoạn tiếp theo.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời mở rộng ứng dụng vật liệu sơn thermochromic trong các lĩnh vực công nghiệp và tiêu dùng.