Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu chế tạo sơn men bảo vệ kết cấu thép cho công trình và phương tiện giao thông vận tải

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Khoa công nghệ hóa học Bộ mơn cơng nghệ vật liệu polyme compozit ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài : Nghiên cứu chế tạo sơn men bảo vệ kết cấu thép cho cơng trình phương tiện giao thơng vận tải Giáo viên hướng dẫn : PGS TS Phan Thị Minh Ngọc ThS Nguyễn Thuý Hằng Sinh viên thực : Nguyễn Văn Nguyện Lớp : Cơng nghệ hóa lý_K51 Hà Nội 12/2010 Nguyễn Văn Nguyện lớp cơng nghệ hóa lý K _51 Page Mục lục trang 1)Lịch sử phát triển cuả sơn 05 1.1) Định nghĩa sơn 05 1.2) Phân loại sơn .06 1.3)Thành phần sơn .07 1.4) Cơ chế bảo vệ màng sơn 08 2)Sơn men .15 2.1) Chất tạo màng 15 2.1.1) Nhựa epoxy 16 2.1.1.1) Nhựa epoxyđian 16 2.1.1.2) Nhựa epoxy novolac (nhựa poly epoxy ) 18 2.1.1.3) Nhựa epoxy mạch thẳng 18 2.1.1.4) Nhựa epoxy este 18 2.1.1.5) Ứng dụng nhựa epoxy màng phủ 19 2.1.2) Nhựa ankyd 20 2.1.2.1) Biến tính ankyd axit béo .20 2.1.2.2) Biến tính ankyd dầu thực vật 21 2.1.3) Nhựa acrylic 23 2.1.3.1) Nguyên liệu đầu 23 2.1.3.2) Điều chế nhựa acrylic 23 2.1.3.3) Ứng dụng nhựa acrylic 24 2.1.3.4) Biến tính nhựa acrylic 25 Nguyễn Văn Nguyện lớp cơng nghệ hóa lý K _51 Page 2.1.4 ) Nhựa PU ( poly uretan ) 25 2.1.4.1) Nguyên liệu đầu 25 2.1.4.2) Phân loại màng phủ uretan 27 2.1.4.3) Màng phủ đóng rắn ẩm 29 2.1.5) Nhựa vinyl 29 2.1.5.1) Nhựa poly vinyl axetat ( PVAc ) 29 2.1.5.2) Nhựa poly vinyl ancol ( PVA ) .30 2.1.5.3) Nhựa poly vinyl fomat ( PVF ) .30 2.1.5.4) Nhựa poly butyral ( PVB ) 31 2.1.5.5) Nhựa poly clorua ( PVC ) .31 2.1.5.6) Đồng trùng hợp vinyl axetat vinyl clorua 32 2.1.5.7) Peclo vinyl ( poly vinyl clorua clo hóa ) .32 2.2) Dung môi .32 2.2.1) Yêu cầu dung môi 33 2.2.1.1) Khả hòa tan 33 2.2.1.2) Điểm sôi (nhiệt độ sôi ) 33 2.2.1.3) Tốc độ bay .33 2.2.1.4) Khả độc hại cháy nổ 34 2.2.1.5) Độ ổn định hóa học .34 2.2.1.6) Mùi mầu 34 2.2.1.7) Tỷ giá thành 34 2.2.2) Một số loại dung môi 35 Nguyễn Văn Nguyện lớp cơng nghệ hóa lý K _51 Page 2.3) Bột mầu chất độn 35 2.3.1)Bột mầu 35 2.3.1.1) Bột mầu vô .36 2.3.1.2) Bột mầu hữu .37 2.3.2) Chất độn .37 2.4) Chất hóa dỏe chất đóng rắn 37 2.4.1) Chất hóa dẻo 37 2.4.2) Chất đóng rắn (chát làm khô ) 38 2.5) Các chất phụ gia khác 39 2.5.1) Chất phụ gia làm đặc 39 2.5.2) Chất hoạt động bề mặt 40 2.5.3) Chất biến tính bề mặt 40 2.5.4) Các chất có hiệu đặc biệt .41 3) Hướng nghiên cứu tới 41 3.1) Chế tạo màng sơn men bán bóng 41 3.2) Nghiên cứu đánh giá chất lượng sơn men qua tính chất lý,đặc biệt khả bám dính với lớp phủ khác 42 3.3) Nghiên cứu công nghệ chế tạo sơn men phù hợp với lĩnh vực 42 3.3.1) Sơn men bóng,trong suốt,khơng mầu KL-1 42 3.3.2) Sơn bóng hệ nước phủ mầu cho gỗ,bịt vân gỗ T-13 43 3.3.3) Sơn phủ bóng cho gỗ W-3 44 4) Quy trình sản xuất sơn .45 Nguyễn Văn Nguyện lớp công nghệ hóa lý K _51 Page Tài liệu tham khảo 49 ) Lịch sử phát triển sơn Vào thời kỳ trước công nguyên,người Ai Cập cổ đại biết trang trí tường, hang hốc vật dụng sở chất kết dính lòng trắng trứng, sáp ong, nhựa trộn với bột màu thiên nhiên Vài ngàn năm sau người Trung Hoa phát dùng mủ sơn làm sơn phủ keo Trước sơn sản xuất từ loại thảo mộc như: dầu lanh, dầu trẩu, dầu gai, dầu dừa, dầu hướng dương, dầu ngô, dầu cao su, Các loại nhựa thiên nhiên như: nhựa cánh kiến, nhựa thông, bitum thiên nhiên, Các loại bột cao lanh, ỏi sắt Đến kỷ 20, với phát triển nhanh ngành hóa chất, công nghiệp sơn tổng hợp đời với phát triển mạnh, đặc biệt nước có cơng nghiệp hóa chất phat triển mạnh Tồn giới năm 1965 sản xuất khoản 10 triệu sơn, năm 1975 tăng lên 16 triệu Trong công nghiệp sơn người ta sử dụng 2700 loại nhựa làm chất tạo màng, 700 loại dầu, 2000 loại bột mầu, 1000 loại dung môi khoảng 600 chất phụ gia Trước đây, sơn dầu chiếm ưu công nghiệp chế tạo sơn Nhưng vòng 10 năm trở lại đây, sơn tổng hợp tiến lên chiếm ưu hàng đầu loại sơn 1.1 ) Định nghĩa sơn Trước số nhà nghiên cứu đưa vài khái niệm sau : Sơn huyền phù bột màu, chất độn dung dịch chất tạo màng với dung môi tương ứng (Liên Xô) Sơn tổ hợp lỏng chứa bột màu, phủ lên thành lớp mỏng tạo thành màng phủ không suốt (Mỹ) Nguyễn Văn Nguyện lớp cơng nghệ hóa lý K _51 Page Hai định nghĩa bao gồm loại sơn màu đục, men (pigment paint) Dạng vật liệu sơn không chứa bột màu gọi vec ni, dung dịch tạo màng dung mơi thích hợp Định nghĩa tổng quat:Sơn hệ phân tán gồm nhiều thành phần (chất tạo màng,chất màu, môi trường phân tán ).sau phủ nên bề mặt vật liệu tạo thành lớp màng đặn,bám chắc,bảo vệ trang trí bề mặt vật liệu cần sơn Như vậy,chức màng sơn trang trí bảo vệ vật liệu 1.2 ) Phân loại sơn : Có nhiều cách phân loại : -Căn vào chất tạo màng: +Sơn dầu túy:thành phần chất tạo màng có dầu thảo mộc,ít dùng khơng bền +Sơn dầu nhựa :thành phần chất tạo màng gồm dầu thảo mộc nhựa (thiên nhiên,nhân tạo ).Loại dùng phổ biến đời sống ngày dùng ngành kỹ thuật +Sơn tổng hợp :Chất tạo màng nhựa tổng hợp (gọi tên vào tên loại nhựa: ví dụ sơn epoxy,sơn alkyd, ) -Căn vào chât scuar môi trường phân tán : +Sơn dung môi:môi trường phân tán dung môi hữu +Sơn nước:môi trường phân tán nước +Sơn bột:khơng có mơi trường phân tán -Căn vào ứng dụng: +Sơn gỗ + Sơn kim loại Nguyễn Văn Nguyện lớp cơng nghệ hóa lý K _51 Page +Men tráng gốm sứ +Sơn chống hà +Sơn cách điện +Sơn chịu nhiệt +Sơn bền hóa chất +Sơn bền khí -Căn vào phương pháp sơn: +Sơn phun +Sơn tĩnh điện +Sơn tráng,mạ kim loại -Các dạng sơn đặc biệt khác: +Sơn dẫn điện +Sơn cảm quang +Sơn phát sáng 1.3 ) Thành phần sơn : Bao gồm thành phần sau: -Thành phần chính: +Chất tạo màng :là thành phần chủ yếu quan trọng nhát,quyết định tính chất màng sơn Chất tạo màng bao gồm:dầu thảo mộc,nhựa thiên nhiên,nhựa tổng hợp Đối với dầu thảo mộc có loại dầu khơ (dầu trẩu,dầu lanh )mới có khả tạo màng ( phân tử có nhiều nối đơi liên hợp) cịn loại dầu bán khô,và không khô dùng để biến tính nhựa tổng hợp dùng làm chát hóa dẻo Nguyễn Văn Nguyện lớp cơng nghệ hóa lý K _51 Page Nhựa thiên nhiên,nhựa tổng hợp biến tính đẻ thay đổi tính chất +Chất màu (bột màu,bột độn ) +Dung mơi +Các chất phụ gia:Chất hóa dẻo,chất làm khơ đóng rắn,chất ổn định.Ngồi cịn có chất đặc biệt chất diệt khuẩn,dẫn nhiệt,dẫn điện,chất phát sáng,cảm quang, 1.4 ) Cơ chế bảo vệ màng sơn Điều quan trọng sơn bảo vệ bề mặt sản phẩm ( đặc biệt kim loại ) Màng sơn mỏng hình thành bề mặt chi tiết cách li với mơi trường nước,khơng khí,ánh sáng mặt trời, mơi trường ăn mịn (như axit,kiềm ,muối ,SO2, )bảo vệ sản phẩm khơng bị ăn mịn.Nếu bề mặt có lớp màng cứng,có thể làm giảm va đập,ma sát sơn cịn tác dụng bảo vệ khí Trong cơng nghiệp sản xuất sơn chống rỉ, việc lên đơn cơng thức quy trình cơng nghệ sản xuất phù hợp phụ thuộc nhiều vào yếu tố môi trường nơi sử dụng, vùng mà vật liệu sơn phủ bảo vệ, chiến lược cách chống ăn mịn, tính ngun vật liệu sử dụng Hệ màng phủ sơn chống rỉ có chức bảo vệ bề mặt theo chế : Nguyễn Văn Nguyện lớp công nghệ hóa lý K _51 Page +Hiệu ứng cản có hệ màng phủ nhờ vào tính thấm khí, nước dẫn ion màng +Hiệu ứng ức chế q trình ăn mịn bề mặt nhờ vào q trình thụ động hóa bề mặt hệ màng phủ có khả chuyển hóa nhờ có mặt thành phần màu có tính ức chế màng phủ +Ngồi ra, cơng nghiệp, màng phủ kim loại, hữu cơ, vơ cịn dùng rộng rãi chế chống ăn mòn cách hy sinh thành phần kim loại hoạt động mạnh Thành phần kim loại phải tiếp xúc với bề mặt Một số so sánh chủng lọai sơn chống rỉ phân loại theo chức hoạt động theo chế bảo vệ chính: Nguyễn Văn Nguyện lớp cơng nghệ hóa lý K _51 Page A ) Ăn mịn mơi trường ẩm có nhiều ion: Khi bề mặt thép phơi môi trường ẩm mà khơng có bảo vệ, q trình ăn mịn điện hóa bề mặt diễn giải theo sơ đồ họa sau: Nguyễn Văn Nguyện lớp cơng nghệ hóa lý K _51 Page 10 +dạng tập hợp :dạng phân tách chúng khó,nên tranh shinhf thành dạng +dạng kết tụ :các hạt sơ cấp tụm lại,có thể vỡ q trình phân tán -Kích thước hạt phân bổ kích thước hạt:kích thước hạt đường kính trung bình hạt sơ cấp,hạt lớn nhanh lắng,hạt nhỏ khó phân tán -Chiết suất (chỉ số khúc xạ ) RI :chiết suất bột mầu môi trường phân tán khác xa độ đục lớn (bột độn chiết suát nhỏ nên độ đục nhỏ ) - Bản chất hóa học:bản chất hóa học,cấu trúc bột mầu quy định mầu sắc hấp thụ,phản xạ chonjlocj ánh sáng.Thường bột mầu vơ có chiết st cao nên tạo màu hiệu VD: -Bột mầu trắng ( TiO2,BaSO4 ) Tất bột mầu trắng có nguồn gốc vô cơ,dùng phổ biến TiO2 mầu sạch,bền hóa chất,dung mơi hữu bền nhiệt,độ đục lớn ( chiết suất cao nTiO2 =2.76 ) không độc ,trơ hóa học Ứng dụng để sơn đồ đựng thực phẩm,sơn đồ chơi trẻ em Nhược điểm :dễ bị phân hóa giá thành cao Oxit kẽm : dùng chất bộn độn,bột mầu xúc tiến q trình lưu hóa cao su,trạng thái tinh thể ZnO có khoảng trống (do kích thước Zn Oxy khác )tạo tính bán dẫn ZnO lưỡng tính ,với chất tạo màng độ axit thấp ZnO cải thiện trình thấm ướt bột mầu,phân tán bột mầu dễ hơn,tăng độ nhớt,giảm lắng,với chất tạo màng độ axit cao,sẽ gây đặc,gel cục -Bột mầu đen ( cacbon,grafit,Fe3O4 ) -Bột mang mầu khác :là oxit,hydroxyt vơ vơí ưu điểm chiết suất cao tạo độ đục lớn,rẻ tiền dễ kiếm ( oxit sắt không độc,đa rạng mầu sắc đỏ,nâu,vàng,dacam.CrO3 có mầu xanh .) Nguyễn Văn Nguyện lớp cơng nghệ hóa lý K _51 Page 38 2.3.1.2 ) Bột màu hữu : mầu sắc chấp nhận được,có giải dộng giá thành 2.3.2 ) Chất độn : bột mầu vơ có số khúc xạ ánh sáng thấp ( RI = 1,451,46 ) Tác dụng giống chất làm đặc,giảm xu hướng lắng bột mầu,tăng đặc tính chảy,quét,cơ học,giảm độ bóng,giảm giá thành sơn Vd chất độn dạng sunfat ( Ca thạch cao ),chát độn dạng cacbamat ( vơi sống ) 2.4 ) Chất hóa dẻo chất đóng rắn 2.4.1) Chất hóa dẻo Là chất làm tăng trì tính mềm dỏe màng sơn,nhất dối với chất tạo màng có tính giịn Có loại chất hóa dẻo : -chất hóa dẻo ngoại,có thể trộn học với chất tạo màng q trình tạo sơn -chất hóa dẻo nội,có thể phản ứng với chất tạo màng Đặc điểm: khối lượng phân tử nhỏ,dạng lỏng,khó bay hơi,trộn lẫn hồn tồn với chất tạo màng u cầu :khơng ảnh hưởng tới tính chất học,độ bền mầu sắc màng sơn,làm màng sơn đàn hồi đến mức tối đa VD +DBP ( butyl phtanat ) COOC4H9 COOC4H9 Ưu điểm trộn lẫn với nhiều chất tạo màng khác Nhược điểm dễ bay + DOP ( octyl phtanat ) COOC8H17 COOC8H17 Đặc điểm khó bay hơi,ổn định cao với nhiệt độ ánh sans Nguyễn Văn Nguyện lớp cơng nghệ hóa lý K _51 Page 39 +Parafin clo hóa:tăng tính dẻo màng sơn,chống cháy có cl 2.4.2 ) Chất đóng rắn ( chất làm khơ ) Có tác dụng tăng nhanh q trình đóng rắn màng sơn,chất đóng rắn làm tăng nhanh tốc độ khơ cứng màng sơn gốc dầu,dầu nhựa,sơn gốc tổng hợp biến tính dầu ( sơn alkyd,epoxy, ) Trước chất làm khô chủ yếu làm xà phịng chì,cobal,mangan axit béo dầu lanh axit nhựa :chất làm khô linoleat,chất làm khơ resinat.Hiện nayconf có xà phịng số axit hữu dùng làm chất làm khô ( chất làm khơ xà phịng kim loại nặng axit hữu ) Yêu cầu quan trọng với chất làm khơ phải trì độ hịa tan tốt ổn định dung dịch,kết hợp tốt với chất tạo màng Chất làm khô linoleat,resinat tallat ddieuf chế từ axit có khả bị oxi hóa nên có khuynh hướng thay đổi theo thời gian Những chất làm khô naphtenat octoat điều chế từ axit hữu no khơng bị oxi hóa nên ổn định -chất làm khơ linoleat điều chế từ axit hỗn hợp dàu lanh -chất làm khô resinat điều chế từ axit nhựa thiên nhiên -chất làm khô naphtenat điều chế từ axit naphtenic sản phẩm trình tinh luyện dầu mỏ Cơ chế làm khô: 2(RCOO)2Mn + O2 2(ROO)2Mn4+O Khơng có chất làm khơ : 120h đến 125h sơn khơ Khi có Mn Pb Pb + Mn Pb + Mn+ Co 2Mn(ROO)2 + 2-O- t= 12h t= 26h t= 7,5h t= 6h VD:Chất làm khô Pb 32%, Co 10%, Mn 10%, Ca 5%, cho sơn Alkyd Nguyễn Văn Nguyện lớp cơng nghệ hóa lý K _51 Page 40 2.5 ) Các chất phụ gia khác Các chất phụ gia thành phần khơng thể thiếu sơn ,có ảnh hưởng chủ yếu đến đặc tính khác sơn,.Khi thêm lượng nhỏ vào vật liệu màng phủ cải thiện biến đổi đặc tính màng phủ vật liêu sơn trình sản xuất ,lưu kho ( bảo quản ),hoặc vận chuyển,hoặc sử dụng Thường phụ gia đưa vào thành phần sơn lớn 5%,tỉ lệ trung bình phụ gia đơn công thức sơn thường từ 1-1,5% khối lượng sơn.Trong cơng thức phối hợp nhieeufchaats phụ gia ( tổng chất phụ gia phải nhỏ %) Phân loại chất phụ gia theo chức 2.5.1 )Chất phụ gia làm đặc Đưa vào trước giai đoạn nghiền nhằm tăng độ nhớt ,tạo đặc tính lưu biến cần thiết (tăng độ nhớt nhằm chống lại lắng hạt bột mầu nặng,tác động đến tính chẩy,lỏng,chống lắng dễ quét ) -Chất làm đặc vô cơ: Gồm clay hữu ( orgaro clay )là họ khoáng tự nhiên tan tốt nước VD đất sét trắng.Hiệu làm đặc tốc độ trượt nhỏ,tác dụng tăng độ nhớt (do có liên kết hydro với môi trường sơn)nên chống lắng bột mầu để yên Còn khuấy ,tác động lực làm liên kết hydro bị phá hủy,độ nhớt giảm,dễ quét Ưu điểm:chống xa lawngskhi bảo quản,chống chảy xệ lớp sơn Nhược điểm :khả chảy tạo phẳng (do tỷ lệ nghịch với độ nhớt ) -Chất làm đặc hữu Sử dụng cho hệ sơn:sơn nước sơn dung môi + Với sơn nước:CMC (cacboxy metyl xenlulo ) , tinh bột,xenlulo ( dạng este,êt ),acrylic.Chất làm đặc kết hợp HEUR (hydro phobically modified ethoxylated urethane ),HASE (hydro phobically modified alkali swellable emusions ) Nguyễn Văn Nguyện lớp công nghệ hóa lý K _51 Page 41 + Với sơn dung mơi : độ nhớt định từ chất tạo màng Dầu ve khử nước,poly amit,sunphonat 2.5.2) Chất hoạt động bề mặt Chất thấm ướt ,phân tán Chất phá bọt Chất tăng độ bám dính 2.5.3 ) Chất biến tính bề mặt Liên quan đến đặc tính chảy,gồm chất trượt làm đầy.Ảnh hưởng trực tiếp đến bề mặt màng sơn ( tác dụng đến đặc tính học quang học ) Phụ gia tawngtinhs làm trượt bề mặt làm đầy bề mặt giúp trống xước,làm bề mặt bóng,tránh trầy xước.Sử dụng chất bơi trơn tạo lớp màng mỏng hai bề mặt , phân cách bề mặt Chất làm đày lấp đầy lỗ rỗ bề mặt sơn 2.5.4 ) Các chất có hiệu đặc biệt Chất chống tạo váng,chất ổn định ánh sáng,chất ức chế ăn mòn,chát chống mốc,nấm ,cơn trùng, chất chống cháy,chất quang hóa, 3) Hướng nghiên cứu tới 3.1) Chế tạo sơn men bán bóng Sơn men chịu mài mịn hóa chất KL5N Bóng mờ, màu trắng KL-5N: Là loại sơn ngồi trời, hai thành phần, hệ nước sở chất tạo màng Epoxy biến tính Urethane dẫn xuất Silicon-298, chống tia cực tím, chịu mưa nắng, mài mịn, va đập nước mặn Nguyễn Văn Nguyện lớp cơng nghệ hóa lý K _51 Page 42 KL-5N: Có cấu trúc mang nhiều nhóm chức biểu đặc tính màng sơn phù hợp điều kiện, nhóm chức OH cho khả bám dính tốt, gốc R cho khả co giãn, vòng no cho khả chịu tia cực tím bền va đập, nhóm chức biểu thị tính kháng nước tuyệt vời Nhờ yếu tố nên KL5N có bề mặt cứng lớp men cho độ bền 10 năm xi măng KL-5N:Có độ bóng khác từ khơng bóng,đến bán bóng bóng tùy theo khơng gian kiến trúc nhu cầu sử dụng KL-5N: Sử dụng để sơn trời cho sàn, nơi lại, sân thượng, khu vui chơi, công viên, bể bơi, khu vực giao thông, bãi đỗ xe…, trang trí cho cơng trình kiến trúc đặc biệt với nhiều màu sắc, tạo bề mặt nhẵn bóng, đẹp men tạo thành hoa văn giống đá tự nhiên KL-5N: Có thể sơn lên Epoxy nguyên chất, đảm bảo lớp Epoxy PU bình thường khơng bị phấn hố, bạc màu tác động tia cực tím KL-5N: Dùng để sơn lên kim loại như  sắt, thép, nhôm…, sơn lên gỗ ngồi trời, bảo vệ gỗ khơng mối mọt, khơng bị nước mưa xâm thực, sử dụng loại    KL5N suốt để giữ vân gỗ, bảo vệ gỗ… KL-5N: Có 1010 màu, tuỳ lựa chọn Thành phần: Trên sở chất tạo màng hệ Epoxy biến tính Urethane dẫn xuất Silicon-298, Titan Oxit, chất phụ gia hoạt tính chất bổ trợ Thơng số kỹ thuật : Tên tiêu Kết quả: Màu sắc: Màu trắng Độ nhớt đo BZ-4 25 ± 0.20C, (giây): 38 ± Độ mịn, (mm):