- Là thành phần không thể thiếu trong véc ni, sơn, chất tạo màng đem đến cho các vật liệu này khả năng tạo màng và đóng vai trò quyết định đối với các tính chất của màng tạo thành các tí
Trang 1KỸ THUẬT TẠO MÀNG VÀ SƠN
1.3 Các khái niệm
Chất tạo màng là các chất, khi được tạo lớp mỏng, có khả năng khô, tạo màng liên tục, bám dính trên bề mặt cần phủ và bảo vệ hay đem đến cho bề mặt những tính chất nhất định
- Là hợp chất polyme hay các dạng tiền thân (monome, oligome…), chuyển thành màng sơn trong quá trình khô
- Là thành phần không thể thiếu trong véc ni, sơn, chất tạo màng đem đến cho các vật liệu này khả năng tạo màng và đóng vai trò quyết định đối với các tính chất của màng tạo thành (các tính chất cơ lý, độ bền hóa chất, bền thời tiết v.v…)
Các màng tạo thành từ các chất tạo màng thường trong suốt, không màu hay có màu vàng, nâu Màng bitum không trong suốt, có màu đen, là một ngoại lệ
Chất pha loãng (dung môi hữu cơ, nước, monome pha loãng hoạt tính), phụ gia, xúc tác hay chất khơi mào, chất đóng rắn hữu cơ v.v…
Véc ni là các hệ đồng thể của chất tạo màng và chất pha loãng
Sơn là hệ dị thể, là véc ni có thêm bột màu và có thể có thêm phụ gia và chất độn vô cơ
1.4 Phân loại và thành phần
• Phân loại
- Loại màng phủ: Véc ni, sơn, polyme compozit
- Thành phần và hàm lượng chất pha loãng: Dung môi hữu cơ (chiếm 60 – 70%), nước (chiếm 15 – 20%), hàm gốc cao, bột
- Biến đổi hóa học khi tạo màng: Biến đổi và không biến đổi
- Bản chất chất tạo màng chính: Alkyd, epoxy, polyuretan, acrylat…
- Chức năng: Bền khí quyển ( nước, dầu, hóa chất, nhiệt…),cách điện, lót, đệm, phủ…, trang trí, bảo vệ
- Lĩnh vực, đối tượng: Công nghiệp, xây dựng, đồ gỗ, ô tô,sửa chữa…
- Phương pháp gia công: Tĩnh điện, điện di, khâu mạch quang…
• Thành phần
Chất tạo màng
- Là thành phần chính của sơn, chiếm 25 – 30% sơn, quyết định mọi tính chất cơ
lý hóa của màng sơn
- Yêu cầu: có tính chất bám dính, độ bền cơ học, độ bóng cao, nhanh khô…
- Là hợp chất polyme hay các dạng tiền thân (monome, oligome…) sẽ chuyển thành màng sơn trong quá trình khô
- Chất tạo màng có tác dụng dính kết các hợp phần khác tạo nên lớp che phủ bám chắc lên bề mặt khi khô
Trang 2- Chất tạo màng từ trạng thái lỏng chuyển sang trạng thái rắn tạo thành màng sơn
theo qui luật:
+) Sự bay hơi dung môi
+) Sự oxy hóa
+) Sự polyme hóa
Một số loại sơn thông dụng
nhà, ngoài trời
Khô chậm, tính năng cơ khí thấp, không thể mài, đánh bóng
2 Sơn thiên nhiên Khô nhanh, sơn gầy, cứng,
dễ đánh bóng, sơn béo dẻo, chịu khí hậu tốt
Sơn gầy chịu khí hậu kém Sơn béo không thể đánh bóng
formaldehit Màng cứng, chịu nước, chịu ăn mòn hóa học và cách điện Dễ biến mầu, màng sơn giòn
4 Sơn bitum Chịu nước, chịu axit, cách
điện
Mầu đen, không thể chế tạo sơn mầu, chịu ánh sáng yếu
6 Sơn gốc amin Độ cứng cao, bóng, chịu
nhiệt, chịu kiềm, bám chắc tốt
Ở nhiệt độ cao đóng rắn, màng sơn sấy giòn
7 Sơn gốc nitro Khô nhanh, chịu dầu, chịu
mài mòn, chịu khí hậu tốt Dễ cháy, không chịu ánh sáng, không chịu nhiệt
8 Sơn nitrocenlulozo Chịu khí hậu tốt, chịu ánh
sáng, chịu kiềm
Bám chắc yếu, chịu ẩm yếu
9 Sơn clovinyl Chịu khí hậu tốt, chịu ăn
mòn hóa học, nước và dầu
Bám chắc yếu, không thể đánh bóng, chịu nhiệt kém
mài mòn và chịu ăn mòn hóa học
Chịu dung môi, chịu nhiệt kém, không chịu ánh sáng
12 Sơn polieste Hàm lượng chất rắn cao,
chịu nhiệt, chịu mài mòn, các điện
Bám chắc yếu
cách điện
Chịu ánh sáng yếu
14 Sơn polyurethane Chịu mài mòn tốt, chịu nước,
chịu ăn mòn hóa học, cách nhiệt, cách điện
Màng sơn dễ tạo bọt, tạo bột, chuyển vàng
khí, không biến mầu, cách
Chịu xăng kém,giòn
Trang 3điênh, chịu nước, khó lão hóa
+) Tạo được dung dịch có độ nhớt thích hợp
+) Tốc độ bay hơi theo yêu cầu và tạo nên màng sơn có tính chất tối ưu
+) Có mùi chấp nhận được
+) Độ độc thấp
+) Giá phải chăng
Sử dụng hai hay nhiều dung môi để màng sơn có chất lượng cao
- Chất pha loãng không có khả năng hòa tan chất tạo màng nhưng giúp cho quá trình
hòa tan với dung môi thực
Chất hóa dẻo
- Là chất làm tăng và duy trì tính mềm dẻo của màng sơn
- Yêu cầu:
+) Là chất lỏng, khó bay hơi và trộn lẫn hoàn toàn với chất tạo màng
+) Ảnh hưởng tối thiểu đến độ chảy mềm của màng nhưng làm cho màng đàn hồi tối
Trang 4- Bột mầu tạo mầu cho màng sơn, mang tính chất bảo vệ và trang trí cho bề mặt của sơn Có thể là hợp chất vô cơ hay hữu cơ.
- Một số thông số kỹ thuật:
+) Độ ngấm dầu
+) Cường lực mầu
+) Độ phủ
+) Kích thước, sức căng bề mặt, hệ số khuếch tán…
- Phân loại: theo mầu sắc, theo tính năng kỹ thuật, theo thành phần hóa học
• Bột mầu vô cơ:
- Mầu trắng: TiO2, ZnO, ZnS, 2PbCO3.Pb(OH)3…
- Mầu vàng: PbCrO4.nPbO, nZnO.CrO3.2nH2O, Fe(OH)3 …
- Mầu đỏ: CdS.nCdSe, Pb3O4…
- Mầu xanh: Cr2O3…
- Mầu tím: Co(PO4)2…
• Bột mầu kim loại
- Bột nhũ nhôm: chống oxy hóa, chịu nhiệt…
• Chất thấm ướt và phân tán bột mầu:
Trang 5- Mục đích: phân tán đồng đều các hạt bột mầu và bột độn trong môi trường sơn lỏng
+) Ngăn cản hoặc làm giảm sự tạo lỗ, mắt cá và sần vỏ cam trên màng sơn
+) Tăng cường các tính chất phân tán và dàn chảy của màng sơn
+) Ngăn cản bọt khí và tối thiểu khả năng làm ẩm bề mặt vật liệu
- Chất dàn chảy là polyacrylat, polysiloxane…
• Chất chống tạo bọt:
- Ngăn cản sự tạo bọt hoặc bong bóng trong quá trình sản xuất và sử dụng sơn
• Chất chống mốc, nấm, hà:
- Chất chống mốc: các hợp chất phenol, formaldehyt
- Chất chống nấm: bari metaborat, thiếc hữu cơ, diticacbamat…
- Chất chống hà: Cu2O, tributyl oxit thiếc, thủy ngân oxit…
Bài 2 Cơ sở hóa lý của quá trình tạo màng
3.1 Hiểu biết chung về sự tạo màng
• Quá trình tạo màng phủ
- Xử lý bề mặt
- Đưa vật liệu màng phủ lên bề mặt
- Vật liệu màng phủ tạo màng ướt trên bề mặt
- Màng ướt chuyển hóa thành màng khô
- Ổn định cấu trúc và tính chất của màng khô
• Cơ chế quá trình tạo màng:
- Khi sơn khô, chất tạo màng từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn tạo thành màng sơn theo qui luật:
Trang 6+) Sự bay hơi của dung môi: màng sơn được tạo thành do quá trình bay hơi dung môi, không xẩy ra quá trình biến đổi hóa học Sơn loại này được gọi là sơn khô nhanh
+) Sự oxy hóa: sự tạo màng xẩy ra nhờ quá trình biến đổi hóa lý ngay trong màng sơn
do sự hấp thụ một lượng oxy trong không khí
+) Sự polyme hóa: sự tạo thành màng sơn do xẩy ra phản ứng polyme hóa giữa các thành phần có trong sơn
Phân loại lớp phủ theo khả năng biến đổi hóa học trong quá trình tạo màng
- Khả năng biến đổi hóa học của lớp phủ do chất tạo màng quyết định
- Các chất tạo màng được phân được phân loại theo khả năng chuyển hóa thành polyme mạng lưới không gian ba chiều
Các chất tạo màng không biến đổi
+ Nhóm 1: Các sản phẩm thấp phân tử như nhựa thông và nhiều nhựa thực vật khác, các este của nhựa thông, cánh kiến, các muối của kim loại với axit béo và nhựa thông v.v…+ Nhóm 2: Các sản phẩm đa tụ thấp phân tử như nhựa phenol focmandehyt loại novolac v.v…
Nhóm 3: Các sản phẩm trùng hợp dạng chuỗi cao phân tử như một số loại nhựa flo, nhựa acrylic, các este xenlulo
+ Nhóm 4: Các sản phẩm thấp phân tử như dầu thực vật, oliph trên cơ sở dầu thực vật
→ Sơn dầu: thành phần chủ yếu là các axit béo không no (yêu cầu có chỉ số iot cao → mức độ không no cao → màng có khả năng khô nhanh) Quá trình tạo màng xẩy ra phản ứng trùng hợp kết hợp oxy hóa tạo mạng lưới không gian 3 chiều (chiếm 80%) tạo màng sơn vững chắc
Trang 7→ Sơn dầu tùng hương: chứa 5 loại axit C20H3002 có chứa nhóm COOH và liên kết đôi
→ xẩy ra phản ứng trùng ngưng và đa tụ tạo mạng lưới không gian 3 chiều
→ Sơn ta: bản thân nhựa là chất tạo màng, cũng chứa các liên kết đôi trong mạch Có thể pha với dầu trẩu, tùng hương
2 2
2 2
OH
COOR
O C
O
CH
CH OH
OH ( 3 1)H O
3.2 Sự tạo màng xảy ra không có sự chuyển biến hóa học
• Tạo màng
- Màng nóng chảy chuyển thành màng khô khi nhiệt độ giảm
- Màng lỏng có dung môi chuyển thành màng khô do bay hơi dung môi
• Tính chất của màng do cấu trúc của chất tạo màng quyết định (KLPT, cấu trúc trên mạch và trong mạch)
• Nguyên lý và tốc độ bay hơi:
+) Khi phun sơn: dung môi bay hơi chiếm khoảng 25 – 35%
+) Màng sơn ở trạng thái lưu động: tổng lượng dung môi bay hơi 35 – 75% Tốc độ bay hơi ở giai đoạn này giảm thì cải thiện được tính lưu động và tính biến trắng
+) Màng sơn ổ định: tổng lượng dung môi bay hơi 75 – 90% giảm tốc độ bay hơi của giai đoạn này làm tăng khả năng chống biến trắng và tăng độ bóng bề mặt
+) Màng sơn đã khô: lượng dung môi bay hơi chiếm 10% Tốc độ bay hơi ảnh hưởng đến độ cứng kết màng sơn Bay hơi càng nhanh càng tốt
Trang 81 Màng sơn chảy: lớp sơn
trên bề mặt bị chảy xuống
tạo nên độ dày của lớp sơn
không đồng đều
- Sơn quá dầy
- Dung dịch sơn quá loãng
- Điều chỉnh độ dày màng sơn
- Điều chỉnh dung môi
2 Màng sơn dàn kém: màng
sơn có những vết gân mờ,
đậm làm cho bề mặt sơn
không dàn đều
- Độ nhớt của sơn quá cao
- Bề mặt sơn khô nhanh, độ bám quá cao
- Lớp sơn dưới khô chưa tốt
- Sự chênh lệch nhiệt độ giữa vật được sơn và sơn quá lớn
- Vệ sinh sạch sẽ bề mặt cần sơn
- Chú ý nhiệt độ khu vực buồng sơn
- Điều chỉnh dung môi và chất dàn
4 Sần vỏ cam: màng sơn
không dàn đều, bề mặt bị
gợn sần trông như vỏ cam
- Độ nhớt sơn quá cao
- Tốc độ của súng phun quá nhanh, khoảng cách súng và bề mặt vật sơn quá gần
- Điều chỉnh dung môi
- Điều chỉnh kỹ thuật phun sơn
- Tăng lượng phụ gia dàn trải
5 Nổi bọt: bọt phát sinh khi
sơn không biến mất mà
đọng lại trên bề mặt sơn
tạo thành những mảng
phồng rộp như bong bóng.
- Sơn kén nước
- Bề mặt có nhiều lỗ nhỏ
- Dung môi có điểm sôi quá thấp
- Dùng dung môi có điểm sôi cao
- Thêm phụ gia khử bọt vào sơn
- Nên sơn thành nhiều lớp sơn mỏng
6 Loang mầu: là hiện tượng
đổi màu theo vùng của lớp
sơn.
- Sự khác nhau trong tỉ trọng kích thước bột mầu
- Lớp sơn bên dưới bị hòa tan nên lớp trên
- Điều chỉnh phụ gia
- Điều chỉnh dung môi: mạnh hơn và bay hơi nhanh hơn
7 Bề mặt sơn đục mờ: màng
sơn mờ không bóng, bề
mật màng bị đục trắng
- Dung môi bay hơi quá nhanh
- Gia công vào những ngày ẩm ướt
- Điều chỉnh dung môi
- Không gia công vào những ngày ẩm ướt
3.3 Sự tạo màng xảy ra do chuyển biến hóa học
• Quá trình tạo màng xảy ra do các phản ứng
Trang 9của các hợp phần (chất tạo màng, tác nhân, monome…) như trùng hợp, đa tụ…, dẫn đến tạo mạng lưới không gian ba chiều (khâu mạch hay đóng rắn).
• Việc khâu mạch được chứng minh trực tiếp
bằng độ trương và gián tiếp bằng nhiều tính chất khác như độ cứng tương đối và nhiều tính chất cơ lý khác
Khâu mạch bằng phản ứng của liên kết đôi
- Khâu mạch bằng phản ứng của nhóm hydroxyl
-Khâu mạch bằng phản ứng của nhóm epoxy
Bài 3 Một số loại sơn thông dụng
3.1 Sơn nitroxenlulo
- Sơn Nitrocellulose (C6H7O2(NO3)3) là hệ sơn dựa trên chất tạo màng Nitro Cellulose có trộn hợp với một loại chất tạo màng khác như: acrylic, alkyd, urea formaldehyde…
C6H7O2(OH)3 + 3HNO3 C6H7O2(NO3)3 + 3H2O
- Sơn NitroCellulose là loại sơn khô vật lý, sau khi được gia công, màng sơn sẽ khô nhờ sự bay hơi của dung môi mà không có phản ứng hóa học nào xảy ra
- Sơn Nitro cellulose hay được dùng để sơn trên nhiều loại bề mặt vật liệu như: sắt thép, nhựa, gỗ
- Phân loại: theo hàm lượng N và độ nhớt: Có hai loại NC chủ yếu được dùng trong thương mại là RS (11,89-12,5%) và SS (10,7-11,2%)
- Tính chất:
+) Khô nhanh
+) Màng sơn cứng, chịu ma sát
+) Mầu sắc đồng đều, bóng
+) Chịu ăn mòn hóa học
+) Kém bền với ánh sáng và nhiệt độ, chịu ẩm ướt kém
Đơn phối liệu:
Trang 10Nhựa AC 20 - 40
• Qui trình sản xuất sơn ACNC gồm 4 giai đoạn chính:
- Giai đoạn muối ủ (sức căng bề mặt, độ nhớt, tốc độ khuấy, thời gian)
- Giai đoạn nghiền cán
- Giai đoạn pha mầu
- Giai đoạn đóng sản phẩm
1 Màng sơn chảy: lớp sơn
trên bề mặt bị chảy xuống
tạo nên độ dày của lớp sơn
không đồng đều
- Sơn quá dầy
- Dung dịch sơn quá loãng
- Điều chỉnh độ dày màng sơn
- Điều chỉnh dung môi
2 Màng sơn dàn kém: màng
sơn có những vết gân mờ,
đậm làm cho bề mặt sơn
không dàn đều
- Độ nhớt của sơn quá cao
- Bề mặt sơn khô nhanh, độ bám quá cao
- Lớp sơn dưới khô chưa tốt
- Sự chênh lệch nhiệt độ giữa vật được sơn và sơn quá lớn
- Vệ sinh sạch sẽ bề mặt cần sơn
- Chú ý nhiệt độ khu vực buồng sơn
- Điều chỉnh dung môi và chất dàn
4 Sần vỏ cam: màng sơn
không dàn đều, bề mặt bị
gợn sần trông như vỏ cam
- Độ nhớt sơn quá cao
- Tốc độ của súng phun quá nhanh, khoảng cách súng
và bề mặt vật sơn quá gần
- Điều chỉnh dung môi
- Điều chỉnh kỹ thuật phun sơn
- Tăng lượng phụ gia dàn trải
5 Nổi bọt: bọt phát sinh khi
sơn không biến mất mà
đọng lại trên bề mặt sơn
- Dùng dung môi có điểm sôi cao
- Thêm phụ gia khử bọt vào sơn
- Nên sơn thành nhiều lớp sơn mỏng
6 Loang mầu: là hiện tượng
đổi màu theo vùng của lớp
sơn.
- Sự khác nhau trong tỉ trọng kích thước bột mầu
- Lớp sơn bên dưới bị hòa tan nên lớp trên
- Điều chỉnh phụ gia
- Điều chỉnh dung môi: mạnh hơn và bay hơi nhanh hơn
Trang 11- Điều chỉnh dung môi.
- Không gia công vào những ngày
ẩm ướt
3.2 Sơn alkyd
- Chất tạo màng sử dụng trong sơn alkyd là nhựa alkyd, nhựa alkyd là sản phẩm
polyeste được tổng hợp trên cơ sở phản ứng đa tụ giữa alcol đa chức và axit đa
chức biến tính dầu thảo mộc có độ béo khác nhau
- Nhựa alkyd chỉ được sử dụng trong công nghiệp sơn sau khi biến tính
- Quá trình biến tính thường với dầu thực vật (dầu cám, dầu dừa) hay axit béo của
dầu thực vật, hoặc nhựa styren
Hàm lượng dầu hay axit béo trong nhựa alkyd ảnh hưởng đến tính chất quan trọng như
quá trình khô, màu sắc, độ bóng, độ bền, độ cứng, tính chịu nhiệt, thời gian sử dụng của
màng sơn
Dựa vào hàm lượng dầu (còn gọi là độ béo của nhựa alkyd), chia alkyd làm ba loại:
Loại nhựa alkyd % dầu
Trang 12C C O O
O n
CH
OH OH CH
2 2
2 2
n
n
CH CH CH
2 2
OH COOR
O C
O
O CH CH
CH OH
OH
( 3 1)H O
- Phương pháp 2 giai đoạn:
+) Giai đoạn ancol phân:
240000C -
O
n n+
+
1
1 CH
OH
CH 2
COOR
CH 2 CH
1
O
O C
O C O
1
O
H 2 n
• Nguyên liệu tổng hợp:
- Dầu thảo mộc:
+) Dầu khô (dầu lanh, dầu trẩu): chỉ số Iot = 150 – 200
+) Dầu bán khô (dầu hạt cao su, dầu đậu tương, hạt hướng dương, dầu vứng): chỉ số Iot
= 120 – 150
Trang 13+) Dầu không khô (dầu dừa, dầu lạc, dầu cám…): chỉ số Iot = 70 – 120
- Phân loại theo tính năng khô và chất tạo màng:
- Hệ 1 hợp phần trên cơ sở nhựa polyurethan biến tính dầu, biến tính alkyd:
- Hệ 1 hợp phần đóng rắn bằng hơi ẩm: gồm hợp chất isocyanate và polyol (polyete hoặc polyeste) Nhóm NCO phản ứng với hơi ẩm rồi tiếp tục phản ứng với các nhóm NCO khác:
R-NCO + H2O → RNHCOOH → RNH2 + CO2
R-NCO + R’-NH2 → R-NH-CO-NH-R’
- Hệ 1 hợp phần với nhóm NCO được che chắn: gồm hợp chất isocyanate có nhóm NCO được che chắn và polyol hoặc polyamin, khi nhiệt độ cao phản ứng đóng rắn mới xẩy ra:
R-NH-CO-BL + R’-OH → R-NH-CO-R’ + BLOH
- Hệ 2 hợp phần với chất tạo màng có chứa polyizocyanat và polyol đóng rắn ở nhiệt độ thường:
R-NCO + R’-OH → R-NH-CO-O-R’
+) Tính chất màng sơn phụ thuộc vào: chất đóng rắn, gốc nhựa (polyol) và tỷ lệ chất đóng rắn/gốc nhựa:
VD: Nếu polyol trên cơ sở polyete thì bền hóa chất cao, ứng dụng trong sơn lót Trong khi sử dụng polyeste thì khả năng chịu thời tiết tốt hơn
- Hệ 2 hợp phần dựa trên polyizocyanat kết hợp với nhóm amin:
• Ứng dụng: vecny, sơn chống rỉ, sơn lót, đệm, sơn phủ, sơn sàn, matit…
• Phân loại sơn epoxy
- Sơn epoxy 2 thành phần:
+) Nhựa epoxy: