nghiên cứu phụ gia tăng cường độ bền của sơn

Ngày nay, sơn gốc nước acrylic đang được sử dụng nhiều trong lĩnh vực trang trí sơn nội ngoại thất, sơn phủ kết cấu, sơn lót chất nền, sơn bóng và hội họa, do khả năng hòa tan tốt trong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỤ GIA TĂNG CƯỜNG

ĐỘ BỀN CỦA SƠN

Sinh viên: Phùng Thị Hương

Mã số sinh viên: 19010083 Khóa: K13

Ngành: Công nghệ vật liệu Hệ: Đại học

Giảng viên hướng dẫn: TS Đỗ Thị Liên

Hà Nội – 2024

Copies for internal use only in Phenikaa University

Tóm tắt nội dung đồ án tốt nghiệp Cùng với sự phát triển của công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhu cầu sử dụng sơn ngày một tăng, với vai trò chủ yếu là bảo vệ về mặt vật liệu và trang trí trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, xây dựng, và đóng tàu Ngày nay, sơn gốc nước acrylic đang được sử dụng nhiều trong lĩnh vực trang trí (sơn nội ngoại thất, sơn phủ kết cấu, sơn lót chất nền, sơn bóng) và hội họa, do khả năng hòa tan tốt trong dung môi nước (an toàn sức khỏe) và khô rất nhanh, tạo màng kháng nước sau khô Ngoài các thành phần chính của sơn như chất tạo màng, dung môi, bột đột và bột màu thì chất phụ gia trong sơn chiếm một phần rất nhỏ (<5% khối lượng sơn), nhưng lại ảnh hưởng nhiều đến đặc tính bề mặt của sơn như chống co ngót biến dạng, chống nấm mốc, tính dẫn nhiệt, hay tăng độ cứng

bề mặt Trong nội dung đồ án tốt nghiệp này, em nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia bột nano ZnO đến độ cứng và độ bền của màng sơn acrylic trong nước Kết quả cho thấy sơn acrylic gốc nước với hàm lượng phụ gia ZnO 2% thể hiện khả năng bền kiềm sau 48 giờ tốt nhất và độ cứng cao nhất Ngoài ra, trong nghiên cứu này, mẫu sơn tốt nhất (2% ZnO) độ cứng tương đối của màng sơn (0,152) cao hơn nhiều so với sơn acrylic gốc nước thương mại (0,037) Về khả năng bền kiềm và bền nước của màng sơn, màng sơn có phụ gia ZnO có khả năng chịu kiềm sau 48h và chịu nước sau 72h, trong khi đó màng sơn thương mại chịu kiềm kém hơn khi so sánh cùng điều kiện (theo tiêu chuẩn ASTM-D4335) Sơn chứa phụ gia ZnO đạt tiêu chuẩn kỹ thuật của màng sơn thương mại, có khả năng ứng dụng trong thực tế cao

Tên đề tài: “Nghiên cứu phụ gia tăng cường độ bền của sơn”

Sinh viên: Phùng Thị Hương MSSV: 19010083 Ngày sinh: 08/04/2001

Khoa: Khoa học và Kỹ thuật vật liệu Ngành: Công nghệ vật liệu Giảng viên hướng dẫn: TS Đỗ Thị Liên

Copies for internal use only in Phenikaa University

Họ và tên tác giả đồ án/khoá luận: Phùng Thị Hương

Mã sinh viên: 19010083 Lớp: K13 Công Nghệ Vật Liệu (Polymer) Ngành: Công Nghệ Vật Liệu

Tôi đã thực hiện đồ án/khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu phụ gia tăng cường độ bền của sơn”

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn của TS Đỗ Thị Liên

Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa có tác giả khác công bố dưới bất kỳ hình thức nào Nếu phát hiện có bất kỳ hình thực gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

Hà Nội, ngày 27 tháng 05 năm 2024 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Đỗ Thị Liên, TS Vũ Ngọc Hùng, Khoa Công nghệ Sinh học, Hóa học & Kỹ thuật Môi trường và các thầy, cô trong Khoa Khoa học và Kỹ thuật vật liệu đã tạo điều điện, định hướng, phát triển nội dung nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này

Em xin gửi lời cảm ơn đến chị Nguyễn Hải Linh, trợ lý nghiên cứu, bạn Phạm

Bá Tuấn – K13, Khoa Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, em Lê Thị Huệ, sinh viên nghiên cứu khoa học lớp K15-KTHH, cùng các nghiên cứu viên, trợ lý nghiên cứu của nhóm nghiên cứu mạnh chuyển đổi và tích trữ năng lượng, đã nhiệt tình

hỗ trợ, giúp đỡ em trong quá trình làm khóa luận

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, những người luôn ở bên cạnh tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đề án tốt nghiệp

Với điều kiện về thời gian cũng như lượng kiến thức về đề tài rất rộng mà kinh nghiệm còn hạn chế của một sinh viên, khóa luận này không thể tránh được những thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để em có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này

Em xin trân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 27 tháng 05 năm 2024

Sinh viên thực hiện

Phùng Thị Hương

Copies for internal use only in Phenikaa University

DANH MỤC HÌNH ẢNH i

DANH MỤC BẢNG BIỂU iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iv

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Giới thiệu chung về sơn 3

1.1.1 Lịch sử phát triển 3

1.1.2 Khái quát về sơn 5

1.1.3 Thành phần cơ bản của sơn 6

1.1.4 Một số loại sơn cơ bản 11

1.2 Sơn gốc nước acrylic 12

1.2.1 Các loại sơn gốc nước acrylic 12

1.2.2 Ứng dụng của sơn gốc nước acrylic 12

1.3 Phụ gia cho sơn acrylic gốc nước 14

1.3.1 Phụ gia cơ bản (Phụ gia truyền thống) 14

1.3.2 Phụ gia đang được nghiên cứu để tăng độ bền cho màng sơn 15

1.4 Yêu cầu và chỉ tiêu đánh giá chất lượng của sơn 17

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

2.1 Thực nghiệm 18

2.1.1 Hóa chất 18

2.1.2 Dụng cụ, thiết bị 19

2.2 Quy trình chế tạo sơn 19

2.3 Phương pháp xác định cơ tính của sơn 22

2.3.1 Xác định độ nhớt 22

Copies for internal use only in Phenikaa University

2.3.3 Xác định độ bền nước 26

2.3.4 Xác định độ cứng tương đối 27

2.3.5 Xác định độ cứng sơn bằng bút chì 30

2.3.6 Xác định độ bền uốn 31

2.3.7 Xác định độ bền va đập 34

2.3.8 Xác định độ bám dính của màng sơn 35

2.3.9 Xác định độ dẫn nhiệt của màng sơn 37

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia nano ZnO đến độ cứng của màng sơn 41

3.2 Ảnh hưởng của phụ gia nano ZnO đến độ bền kiềm của màng sơn 44

3.3 Ảnh hưởng của phụ gia đến độ dẫn nhiệt của màng sơn 47

3.4 Các thông số kỹ thuật của sơn có phụ gia và sơn thương mại 48

KẾT LUẬN 51

Copies for internal use only in Phenikaa University

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các mốc phát triển công nghiệp sơn từ đầu thế kỷ thứ 20 đến cuối thế

kỷ thứ 20 4

Hình 1.2 Quá trình phát triển ngành công nghiệp sơn tại Việt Nam giai đoạn 1914-2008 5

Hình 1.3 Thị phần sử dụng các loại chất tạo màng cho sơn ở Mỹ 6

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chế tạo sơn nước từ nhựa acrylic 19

Hình 2.2 Máy trộn sơn sử dụng trong quy trình chế tạo sơn 20

Hình 2.3 Sự phụ thuộc của ứng suất trong và vận tốc dòng chảy (u) và khoảng cách giữa các lớp dòng chảy (y) 23

Hình 2.4 Nhớt kế Kerbs 24

Hình 2.5 Màng sơn sau khi khô (a) và (b) màng sơn ngâm trong dung dịch kiềm 26

Hình 2.6 Màng sơn sau khi khô (a) và (b) màng sơn ngâm trong nước 27

Hình 2.7 Thiết bị đo độ cứng tương đối bằng con lắc 29

Hình 2.8 Con lắc thực hiện xác định độ cứng màng sơn 30

Hình 2.9 Bộ dụng cụ bút chì đo độ cứng của sơn 31

Hình 2.10 Thiết bị đo độ bền uốn màng sơn 32

Hình 2.11 Hình ảnh đo độ bền uốn thực nghiệm của màng sơn 32

Hình 2.12 Thiết bị đo độ bền va đập của màng sơn 34

Hình 2.13 Thiết bị đo độ bám dính của màng sơn 35

Hình 2.14 Thao tác dao cắt thực hiện trên màng sơn 36

Hình 2.15 Sơ đồ thí nghiệm xác định độ dẫn của màng sơn 37

Hình 2.16 Thí nghiệm xác định độ dẫn của màng sơn trong thực tế 38

Hình 2.17 Máy ảnh hồng ngoại TESTO 875-1i 39

Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 2.18 Quá trình truyền nhiệt qua tường phẳng 2 lớp,  là hệ số dẫn nhiệt, 

là độ dày của lớp tường 40

Hình 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia ZnO đến độ cứng tương đối 41

Hình 3.2 Ảnh SEM thể hiện sự khuếch tán của hạt nano ZnO kích thước khác nhau vào cấu trúc lỗ trống của chất kết dính (PEO) 42

Hình 3.3 Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia ZnO đến độ nhớt của hỗn hợp sơn 43

Hình 3.4 So sánh vệt bút chì theo độ cứng của màng sơn 44

Hình 3.5 Kết quả vết xước của màng sơn sau khi test độ cứng bút chì 45

Hình 3 6 Ảnh hưởng hàm lượng ZnO đến độ bền kiềm của màng sơn 46

Hình 3.7 Ảnh hưởng hàm lượng ZnO đền độ dẫn nhiệt của màng sơn 47

Hình 3.8 Hình ảnh sơn của (a) mẫu thương mại và (b) mẫu tổng hợp 48

Copies for internal use only in Phenikaa University

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số loại bột màu sử dụng trong sơn 8

Bảng 1.2 Chức năng một số loại phụ gia và ví dụ 11

Bảng 1.3 So sánh ba loại sơn gốc nước acrylic 13

Bảng 2.1 Hóa chất chế tạo sơn gốc nước acrylic 18

Bảng 2.2 Công thức phối liệu khuấy sơn 20

Bảng 2.3 Phân loại độ bám dính theo kết quả thử 37

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của mẫu sơn tổng hợp có phụ gia ZnO với mẫu sơn thương mại 50

Copies for internal use only in Phenikaa University

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

3 American Society for Testing and

Copies for internal use only in Phenikaa University

MỞ ĐẦU

Lý do lựa chọn đề tài

Trong thời đại hiện đại, khi cuộc sống ngày càng phát triển, nhu cầu về sơn và chất phủ đã không ngừng tăng lên, đặc biệt là trong ngành xây dựng Sơn sử dụng trong xây dựng ngày nay sử dụng nhiều chất kết dính hữu cơ (nhựa alkyd, nhựa epoxy), việc sử dụng các dung môi hữu cơ trong quá trình thi công gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người Để giảm thiểu vấn đề này, sơn không sử dụng dung môi hữu cơ như sơn bột, sơn tĩnh điện hoặc chất tạo màng gốc nước đang được quan tâm và phát triển Trong số các chất tạo màng gốc nước, nhựa acrylic nhũ tương đang được sử dụng rộng rãi Các công thức sơn gốc nước sử dụng chất tạo màng nhựa acrylic có giá thành hợp lý và ít gây ô nhiễm môi trường Hiện nay, nhựa acrylic nhũ tương vẫn là đối tượng được quan tâm nghiên cứu và phát triển nhằm cải thiện tính chất của màng sơn, nhằm đáp ứng các yêu cầu thực tế Bên cạnh phát triển dòng sơn gốc nước acrylic, việc nghiên cứu các phụ gia làm tăng cường cơ tính bề mặt của màng sơn cũng thu hút được nhiều sự quan tâm, ví dụ như tăng độ cứng màng sơn, hay khả năng cách nhiệt cho các bức tường, Chính vì thế, trong đồ án tốt nghiệp này, em lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu phụ gia tăng cường độ bền của sơn”

Mục đích nghiên cứu

- Khảo sát hàm lượng phụ gia ZnO tối ưu cho sơn gốc nước acrylic

- Ảnh hưởng của phụ gia ZnO đến độ bền kiềm và độ cứng của màng sơn

- Khả năng ứng dụng thực tế của sơn có phụ gia ZnO

Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu về các yêu cầu cơ tính của màng sơn và ảnh hưởng của từng loại phụ gia sử dụng làm tăng cường cơ tính của màng sơn

- Quy trình tổng hợp sơn gốc nước acrylic

- Khảo sát hàm lượng phụ gia ZnO đến độ bền kiềm và độ cứng của màng sơn

Copies for internal use only in Phenikaa University

- So sánh, đối chiếu tính chất của màng sơn đã tổng hợp được với màng sơn thương mại, khả năng ứng dụng của sơn trong thực tế

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu đưa ra ảnh hưởng của phụ gia ZnO đến độ cứng và độ bền kiềm của màng màng sơn gốc nước acrylic

Ý nghĩa thực tiễn: Sơn có phụ gia ZnO sau khi đánh giá các tiêu chuẩn sơn, có tính chất cơ lý tốt hơn sơn thương mại, do đó có khả năng ứng dụng thực tế cao trong xây dựng như trang trí, sơn phủ bề mặt các công trình

Copies for internal use only in Phenikaa University

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu chung về sơn

1.1.1 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

Copies for internal use only in Phenikaa University

mốc quan trọng trong lịch sử phát triển ngành công nghiệp sơn được thể hiện trong Hình 1.1

Hình 1.1 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

Copies for internal use only in Phenikaa University

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, (Hình 1.2) 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

Hình 1.2 Quá trình phát triển ngành công nghiệp sơn tại Việt Nam giai đoạn

1914-2008 [2]

1.1.2 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]

Copies for internal use only in Phenikaa University

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,

1.1.3 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

Hình 1.3 Thị phần sử dụng các loại chất tạo màng cho sơn ở Mỹ [4]

Acrylic Vinylic Urethane Epoxy Alkyd Silane Polyester Amino PVC SBR Phenolic Cellulosic Các loại khác

Copies for internal use only in Phenikaa University

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

Copies for internal use only in Phenikaa University

b 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

Bảng 1.1 Một số loại bột màu sử dụng trong sơn

Trắng

Muội than Bột Grafit

Vàng Vàng chanh

Đỏ nâu

Đỏ cam Xanh lá cây Xanh lá cây Xanh dương

Nhóm 3 Bột

màu chất hữu cơ

Gốc màu AZO (-N=N-) Vàng cam, đỏ Gốc màu Phtalocyanin

(-C6H4(CN)2) Xanh dương, lá cây 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

Copies for internal use only in Phenikaa University

- 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

c Bột độn

Bột độn thường ở dạng chất bột màu trắng và khi phối với nhựa sơn thường có

độ che phủ ít hơn nhiều so với bột màu, tuy nhiên thường được dùng chung với bột màu trong sơn nhằm mục đích chính là giảm bớt giá thành sơn cũng như có tác dụng làm tăng tính lưu biến của sơn, giảm độ lắng đáy và làm tăng thêm độ bền cơ học của màng sơn

Bột độn là thành phần có chức năng làm tăng một số tính chất của sản phẩm như độ bóng, độ cứng hay độ mượt,…giúp việc thi công sơn trở nên dễ dàng và còn có thể giúp kiểm soát độ lắng của sơn Một số chất độn thường được các nhà sản xuất sử dụng cho sơn như: Carbonate, Kaolin Oxit titan, Talc…

Bột độn chủ yếu gồm các loại:

- Dạng oxit: ditaomit có nguồn gốc thiên nhiên với thành phần chủ yếu là SiO2 (90 – 95%) và các oxit khác Fe2O3, Al2O3, CaO ứng dụng cho sơn

gỗ, sơn nước, sơn chống cháy

- Dạng Cacbonat (bột đá) phổ biến là CaCO3 có nguồn gốc thiên nhiên

- Dạng Sunfat (bột đá nặng) là BaSO4 có nguồn gốc thiên nhiên và BaSO4

d Dung môi

Dung môi là thành phần cần thiết cho cả quá trình sản xuất và thi công sơn chiếm từ 10 - 30% giúp hòa tan bột màu và nhựa nhưng để điều chỉnh sự chảy, tốc độ bay hơi hoặc các đặc tính khác thì cần một chất lỏng mà không có tác động giống dung môi với chất rắn phân tán

Các loại dung môi thường được sử dụng

- Dung môi nước: cho sơn kiến trúc (nhà cửa), sơn lót điện li xe hơi và sơn công nghiệp gốc nước

- Dung môi Hydrocacbon mạch thẳng (white – spirit, shellsoll) chủ yếu cho sơn Alkyd béo, dung môi Hydrocacbon thơm (Xylen, Toluen) dùng cho sơn Acrylic nhiệt rắn, Epoxy…

- Dung môi Oxy hóa (MEK: MethylEtyl Keton, n-Butyl Acetate, Isopropanol,…) dùng cho sơn Vinyl, PU, Acrylic và dùng pha Thinner công nghiệp

e Chất phụ gia

Chất phụ gia là các chất có cấu tạo hóa học đặc biệt chiếm một lượng nhỏ trong thành phần sơn nhằm tăng cường chất lượng bảo vệ và trang trí của bề mặt sơn khi thi công Hiện nay do yêu cầu sơn phải đạt chất lượng cao, chất phụ gia được coi là thành phần cần thiết bổ sung cho cấu tạo sơn có ảnh hưởng chủ yếu đến các đặc tính của sơn như chống biến dạng, chống nấm mốc hoặc tăng khả năng chảy của sơn Việc sử dụng các chất phụ gia có thể làm thay đổi đặc tính của ba thành phần sơn: chất tạo màng, dung môi và bột màu Các loại phụ gia thường dùng và chức năng của nó được liệt kê trong bảng 1.2 Các chất phụ gia

cơ bản chủ yếu là tăng độ phân tán và thấm ướt, độ bóng bề mặt (thường là hợp chất polyisoxane, polyacrylate), chống tạo bọt (thường phát sinh trong quá trình nghiền pha sơn và quá trình thi công), chống lắng sơn, chống mốc, Bên cạnh các phụ gia truyền thống này, ngày nay, có rất nhiều nghiên cứu đưa các phụ gia vào làm cải tiến tính chất của sơn, làm tăng tính chất quang hóa, cơ lý của bề mặt

Copies for internal use only in Phenikaa University

chất nền đã phủ sơn như tính phản quang, tính cách nhiệt, chống tia cực tím UV,

Bảng 1.2 Chức năng một số loại phụ gia và ví dụ[5]

Chất tạo đặc

Tăng tính lưu biến và khả năng ứng dụng (ví dụ ngăn bột màu và chất độn bị lắng trong quá trình bảo

quản)

Dẫn xuất cellulose, copolyme acrylic, polyurethan và chất làm

- Sơn từ chất tạo màng gốc nước (Water based): nhựa Latex (nhũ tương), nhựa tan trong nước (Water reducible)

- Sơn từ chất tạo màng đặc biệt: sơn bột, sơn điện li, sơn đóng rắn bằng tia bức xạ UV,…

1.2 Sơn gốc nước acrylic

Sơn acrylic là loại sơn khô nhanh được làm từ bột màu lơ lửng trong nhũ tương polyme acrylic và chất làm dẻo, dầu silicon, chất khử bọt, chất ổn định hoặc xà phòng kim loại [6] Sơn acrylic có hai loại chính là sơn gốc nước (dung môi là nước) và sơn gốc dầu (dung môi là dầu-nhựa thiên nhiên như dầu mỏ, dầu béo, nhựa thông, nhựa đường) [7] [8] Ở sơn gốc dầu sau khi sơn, dung môi dầu khi ở ngoài không khí sẽ bị khô lại làm các phân tử màu sắc gắn kết chắc chắn trên mọi vật liệu Tuy nhiên, màng sơn này dễ bị oxy hóa dẫn đến khô cứng, giòn, rạn nứt do co ngót bề mặt Sơn acrylic đều có gốc nước sử dụng dung môi nước nhưng lại có khả năng chống nước sau khi khô Sơn gốc nước acrylic sau khi nước bốc hơi, những hạt phân tử sẽ chuyển hóa làm hỗn hợp thành phần trong sơn gắn kết lại với nhau, hình thành lên màng sơn Bề mặt màng sơn có độ đàn hồi, có tính kháng nước, dễ lau chùi, và ít bị oxy hóa nên độ bền màu cao 1.2.1 Các loại sơn gốc nước acrylic

Sơn gốc nước acrylic được chia làm ba loại chính: dạng nhũ tương trong nước, dạng keo nước, dạng khử nước (water-reducible) Tính chất của 3 loại sơn gốc nước này được thể hiện trong bảng 1.3

1.2.2 Ứng dụng của sơn gốc nước acrylic

Sơn acrylic là loại sơn khô nhanh được làm từ hỗn dịch chất màu polymer acrylic và chất làm dẻo, chất khử bọt, chất ổn định và hầu hết sơn acrylic có gốc nước nhưng trở nên kháng nước khi khô Sơn được đánh giá cao về độ phủ, khả năng bám dính tốt, màu sắc đa dạng nên chuyên dùng trong việc trang trí nhà ở, khu vui chơi giải trí, nghệ thuật cũng như được áp dụng làm đẹp, trang trí đồ sinh hoạt, nội thất

Copies for internal use only in Phenikaa University

- Lĩnh vực hội họa: sơn acrylic được sử dụng nhiều trong hội họa vì độ đa dạng về màu sắc, tính tiện dụng, khả năng khô nhanh, bám dính tốt, sơn lên màu rất đẹp và đặc biệt không gây độc hại cho người dùng

- Lĩnh vực công nghiệp: dung môi có trong sơn acrylic là isopropyl alcohol, đây là loại cồn lành tính và được ứng dụng cả trong dược phẩm cho nên rất an toàn đối với con người

- Lĩnh vực điện tử: sơn Acrylic được dùng làm lớp sơn phủ để tăng độ bóng trên vỏ điện thoại hoặc sản xuất ốp lưng điện thoại và sơn âm tường

- Lĩnh vực thiết kế nội thất: sơn phủ Acrylic có màu sắc đa dạng, độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt lại chống ẩm nên được sử dụng rất nhiều trong các thiết

kế nội thất Nhất là tủ bếp, ván gỗ công nghiệp MDF, những loại nội thất sử dụng loại sơn này đang rất được ưa chuộng tại thị trường Việt Nam hiện nay

Bảng 1.3 So sánh ba loại sơn gốc nước acrylic [7]

Tính chất Sơn dạng nhũ Sơn dạng keo Sơn dạng khử nước

Tán xạ ánh sáng

Trong mờ Tán xạ ánh sáng

Trong suốt Không tán xạ ánh

Thấp, phụ thuộc vào chất tạo màng

1.3 Phụ gia cho sơn acrylic gốc nước

1.3.1 Phụ gia cơ bản (Phụ gia truyền thống)

Ngoài 3 thành phần chính của sơn là chất tạo màng, dung môi và bột màu trong sơn còn hàm lượng nhỏ phụ gia (1-2%) Các chất phụ gia này có ảnh hưởng đến tính chất màng sơn, trong đó các chất phụ gia thông dụng được sử dụng phổ biến trong sơn acrylic gốc nước đó là:

+ Chất phá bọt: bản chất của chất phá bọt được sử dụng trong sơn là loại bọt lớn (macro foam) phổ biến khi sản xuất sơn và bọt nhỏ (micro foam) sinh ra trong quá trình thi công sơn phổ biến bằng cọ quét, con lăn… Cả hai loại bọt này đều gây ảnh hưởng đến chất lượng màng sơn dọ bị sần sùi, lồi lõm, lỗ đinh trên mặt sơn khô Chất phá bọt phát huy bằng cách làm giảm sức căng bề mặt ở vùng xung quanh bọt khí, làm cho chúng kết lại với nhau tạo thành bọt lớn hơn, ít ổn định rồi vỡ [4]

+ Chất lưu biến (làm đặc): cần thiết cho sơn nhằm ổn định độ nhớt của sơn trong suốt quá trình sản xuất, thi công Phụ gia lưu biến cho sơn gốc nước thường sử dụng là thickener cellulose HEC (trọng lượng phân tử thấp) cho các loại sơn nước có độ nhớt Stormer 800 cP [9]

+ Chất điều chỉnh pH: một dung dịch đệm để trung hòa các tác nhân khiến độ

pH của cả hệ thay đổi, qua đó ổn định độ pH của sơn nước Chất điều chỉnh độ

pH thường sử dụng nhất là Amoniac (NH3) hoăc Poly Amine

Phần lớn chất điều chỉnh pH trong công thức sơn sẽ được cho vào trong giai đoạn nghiền nhằm tránh hiện tượng sốc pH có thể xảy ra với các thành phần trong sơn như nhựa và các loại phụ gia nhạy pH khác Khi cho chất ổn định pH vào hỗn hợp cần cho từ từ và cần phải sử dụng thiết bị đo độ pH để điều chỉnh lượng sử dụng cho phù hợp để pH đạt giá trị trong khoảng 8-10

+ Chất thấm ướt và phân tán: đưa vào công thức sơn nhằm làm giảm sức căng bề mặt phân cách giữa bột màu và nhựa, đảm bảo bột màu thấm ướt nhựa tạo thuận lợi cho giai đoạn nghiền kế tiếp Đối với hệ sơn nước có tác dụng làm bền phân

Copies for internal use only in Phenikaa University

tán bột màu theo cơ chế lực đẩy tĩnh điện có bản chất hóa học của chất đa điện ly hấp thụ trên bề mặt bột màu

+ Chất trợ tạo màng: chất kết dính dung môi trong sơn hệ nước là nhựa dạng nhũ tương cho nên quá trình hình thành màng của sơn nước khác hoàn toàn so với các loại sơn dung môi, epoxy… Nếu các loại sơn khác cơ chế tạo màng bằng quá trình oxi-hóa hay phản ứng hóa học thì trong sơn nước quá trình khô tạo màng diễn ra theo phương pháp lý tính hoàn toàn Chính vì quá trình khô tạo màng theo cơ chế lý tính này, nên trong công thức sơn nước cần sử dụng đến chất trợ tạo màng Chất trợ tạo màng được sử dụng sẽ khuếch tán vào các hạt polymer làm giảm Tg của chúng tạm thời giúp cho chất kết dính có thể tạo màng trong những điều kiện nhiệt độ hạ thấp, và sau khi tạo màng chúng bay hơi, trả lại độ cứng của chất kết dính, giúp cho sản phẩm có thể chịu được tải trọng cơ học, chịu mài mòn và những đặc tính cơ lý khác ở nhiệt độ môi trường thông thường [9]

1.3.2 Phụ gia đang được nghiên cứu để tăng độ bền cho màng sơn

 Bột ZnO (Kẽm oxide)

ZnO ở điều kiện thường có dạng bột trắng mịn, khi nung trên 300oC, nó chuyển sang màu vàng, khối lượng riêng 5,606 g/cm3, không tan trong nước, không mùi tuy nhiên ZnO rất dễ tan trong dung dịch axit và tan được trong dung dịch kiềm Sơn có chứa bột oxit kẽm từ lâu đã được sử dụng làm lớp phủ chống

ăn mòn kim loại với tính chất đặc biệt là khả năng chống bức xạ cực tím Shailesh K Dhoke và cộng sự (Khoa Khoa học vật liệu và kỹ thuật luyện kim, Viện công nghệ Ấn Độ) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt ZnO kích thước nhỏ hơn 50 nm trong sơn phủ composite gốc nước polyurethane [10] Với hàm lượng 0.1% ZnO, kết quả nghiên cứu cho thấy màng sơn được tăng cường khả năng chống ăn mòn, chống tia UV, độ cứng của màng được cải thiện Sự có mặt của nano ZnO không ảnh hưởng đến độ trong quang học của lớp phủ, thay vào

đó các hạt nano còn có khả năng tăng độ bền của polyme, giảm lão hóa Bên cạnh đó, ZnO cũng là một trong những phụ gia bảo vệ của màng sơn khỏi môi trường (chất ăn mòn trong không khí, nước) Theo như nghiên cứu của Amir

Copies for internal use only in Phenikaa University

Mostafaei và Farzad Nasirpouri [11], sử dụng ZnO dạng ống nano có khả năng ngăn cản quá trình ăn mòn và ngăn cản sự xâm nhập của phân tử nước vào màng sơn, bảo vệ bề mặt sơn

 Bột CeO2 (Cerium oxide)

Bột CeO2 là bột có màu trắng hoặc vàng nhạt, ở kích thước nano, hạt mang nhiều tính chất vật lý và hóa học đặc biệt được ứng dụng trong công nghiệp như sản xuất chất xúc tác và chất bán dẫn Hiện nay, bột CeO2 đang được nghiên cứa làm phụ gia cho sơn, bảo vệ vật nền khỏi chất ăn mòn Bột nano CeO2 (0,5-1%) kích thước 2 nm trong sơn gốc nước acrylic có khả năng giảm tốc độ ăn mòn của màng sơn phủ bề mặt kim loại, bột nano CeO2 (2-3%) cải thiện tính chất vật lý bảo vệ màng sơn [12]

 Bột GO (Graphene oxide) và bột carbon

GO là vật liệu có cấu trúc hai chiều, các nguyên tử carbon lai hóa sp2 Vật liệu này có diện tích bề mặt riêng lớn (có thể đạt được 2600 m2/g), độ dẫn điện tốt, và

độ truyền quang cao Do vậy, vật liệu này có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như vật liệu xúc tác hấp phụ, siêu dẫn, siêu tụ, và vật liệu dự trữ năng lượng như pin Bởi những đặc tính trên, GO có thể sử dụng làm phụ gia cho sơn để tăng tính chất vật lý của màng sơn như tính dẫn điện, dẫn nhiệt Ngoài ra với các dạng thù hình khác nhau, phụ gia này còn làm tăng tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn cho màng sơn GO dạng tấm nano có khả năng làm tăng tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn của màng sơn acrylic, có khả năng bền trong môi trường nước biển và dung dich acid hữu cơ trong 30 ngày [13]

Phụ gia carbon dạng ống nano có khả năng chống ăn mòn cho màng sơn gốc nước acrylic và tăng độ dẫn ion của màng sơn, theo như nghiên cứu của Dongdong Song và cộng sự [14], vật liệu này làm tăng khả năng bám dính bề mặt vật nền và làm giảm độ xốp của màng sơn, mở rộng khả năng dẫn ion trong màng Nghiên cứu này chỉ ra rằng khả năng khuếch tán và hấp thụ phân tử nước trong màng sơn có chứa phụ ra ống nano carbon (hàm lượng 1%) chậm hơn so với màng sơn không chứa phụ gia và độ dẫn điện tăng lên ba lần

Copies for internal use only in Phenikaa University

1.4 Yêu cầu và chỉ tiêu đánh giá chất lượng của sơn

Chỉ tiêu và yêu cầu đánh giá chất lượng của sơn được liệt kê trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật sơn [3] [15]

Chỉ tiêu Đơn vị Tiêu chuẩn Giá trị tiêu chuẩn Màu sắc Màu trắng sáng TCVN 8652:2020 Như mẫu chuẩn

48 giờ màng sơn không bong tróc, phồng rộp

Độ bền nước màng

72 giờ màng sơn không bong tróc, phồng rộp

Copies for internal use only in Phenikaa University

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Thực nghiệm

2.1.1 Hóa chất

Đồ án tốt nghiệp được tiến hành tại phòng thí nghiệm B2-304, B2-303, và phòng thí nghiệm Polymer – composite, thuộc Khoa Công nghệ sinh học, Hóa học và Kỹ thuật Môi trường, trường Đại học Phenikaa Các hóa chất sử dụng để chế tạo sơn được liệt kê trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Hóa chất chế tạo sơn gốc nước acrylic

Tên hóa chất Khối lượng phân tử

(g/mol)

Độ tinh khiết (%) Nguồn gốc

Chất điều chỉnh pH NH3 - > 99 Trung Quốc Canxi cacbonat 100,09 > 99 Trung Quốc

Copies for internal use only in Phenikaa University

2.2 Quy trình chế tạo sơn

Quy trình chế tạo sơn được tiến hành theo công thức tham khảo trong giáo trình “Sơn và các lớp phủ bề mặt” [4] Quy trình chế tạo sơn được thể hiện trong hình 2.1, sử dụng máy trộn sơn BGD 750/1 để phân tán thành phần sơn trong dung môi (hình 2.2) Công thức phối trộn sơn được ghi lại trong bảng 2.2

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chế tạo sơn nước từ nhựa acrylic

Bước 1 Trước tiên nạp hỗn hợp dung dịch gồm dung môi nước và chất tạo đặc HEC vào trong máy khuấy phân tán với tốc độ khuấy 1000 – 1200 vòng/phút Duy trì ở tốc độ khuấy này cho đến khi chất tạo đặc HEC phân tán hết

và tạo thành dung dịch keo trong suốt rồi thêm từ từ chất điều chỉnh pH (dung

Copies for internal use only in Phenikaa University

dịch NH3) sao cho đạt pH = 9 Trong quá trình đó bổ sung thêm chất phá bọt to/kim và bột ZnO (1/2 khối lượng phụ gia cần dùng) tiếp tục khuấy phân tán trong 30 phút để hỗn hợp được đồng nhất

Bước 2 Phân tán bột màu, bột độn: Sau khi hỗn hợp trên được phân tán hết thêm vào đó chất thấm ướt, bột độn CaCO3, bột màu TiO2 và tiếp tục khuấy với tốc độ 1200 - 1500 vòng/phút trong thời gian 1 giờ để phân tán bột màu

Bước 3 Phân tán chất tạo màng vào hỗn hợp tạo sơn: Quá trình phản ứng phân tán hết bột màu ta sẽ thêm vào đó thành phần nhựa, chất tạo màng cùng với chất bọt to/nhỏ và phụ gia ZnO còn lại và tiếp tục khuấy thêm 30 phút với tốc độ

800 vòng/ phút nữa sao cho hỗn hợp được đồng nhất với nhau

Lưu ý các quá trình xảy ra trong khi phối trộn sơn:

- Quá trình thấm ướt và hòa tan hoàn toàn các chất trong dung môi

- Quá trình nghiền và phá vỡ hạt trong nguyên liệu đầu (nếu có)

- Quá trình phân tán tốt các nguyên liệu vào dung môi, đảm bảo sơn thành phầm có độ mịn, đồng đều cao

Hình 2.2 Máy trộn sơn sử dụng trong quy trình chế tạo sơn

Copies for internal use only in Phenikaa University

Bảng 2.2 Công thức phối liệu khuấy sơn

lượng (%)

Khối lượng (g) Bước 1 Phân tán bột HEC

Thời gian khuấy: 30 phút

Bước 2 Phân tán bột độn và TiO2

Thời gian khuấy: 1 giờ

Tốc độ khuấy: 1200-1500 vòng/phút

Bước 3 Phân tán nhựa

Thời gian khuấy: 30 phút