VẬT LIỆU PHỦ - 2.2.3 Dầu tự nhiên cho chất phủ bề mặt

2.2.3 Dầu tự nhiên cho chất phủ bề mặt

Có nhiều bằng chứng cho thấy dầu thực vật và mỡ động vật là một trong số những chất kế dính đầu tiên được sử dụng cho sơn và chất phủ. Vì sự có sẵn của chúng trong tự nhiên và khả năng hình thành lớp màng liền mạch sau khi phủ lên bền mặt và phơi ngoài không khí, mà ở đó chúng bị oxi hóa, làm cho chúng rất hấp dẫn như là một vật liệu phủ thô từ thời tiền sử và qua các thời kỳ lịch sử. Với nhiều laoị resin có sẵn trong suốt và sau thế chiến thứ hai, việc sử dụng dầu như là chất kết dính riêng lẻ đã giảm bớt, nhưng chúng vẫn còn được sử dụng nhiều như là nguyên liệu thô cho nhiều loại resin tổng hợp như là resin alkyd, ester epoxy và uralkyd. Trong những năm gần đây với nhận thức ngày càng tăng về các vấn đề môi trường và nhu cầu về những loại chất phủ bền vững, nhiều loại resin hệ dầu tự nhiên đã trở lại như là một nguyên liệu xanh.

VẬT LIỆU PHỦ - 2.2.2 Nhựa đường

2.2.2 Nhựa đường

Nhựa đường là một loại resin hydrocarbon thô, nói chung được sản xuất như là sản phẩm phụ trong quá trình chưng cất dầu thô hay than đá. Dựa trên thành phần hóa học, nhựa được được phân loại là sản phẩm trên nền nhựa đường và hắc ín nhựa than. Chúng ta sẽ thảo luận ngắn gọn một số loại nhựa đường quan trọng được sử dụng trong chất phủ và các ngành công nghiệp có liên quan.

Nhựa đường là hỗn hợp resin hydrocarbon phức tạp với hàm lưỡng khác nhau của các chất paraffin, cycloparaffin, naphthene và nguyên liệu olefinic, tùy thuộc vào nguồn gốc của chúng. Asphalt có nhiều trong những hợp chất béo, trong khi dầu cốc lại là thành phần chính của những hợp chất thơm. Asphalt cũng có thê tan trong dung môi hydrocarbon béo trong khi dầu cốc thì có thể tan trong dung môi hydrocacbon thơm. Chúng có màu tối bởi vì sự hiện diện của carbon ở dạng keo. Tính chất quan trọng của chúng trong chất phủ là tính trơ hóa học, tính kỵ nước tuyệt vời, điện trở, tính che chắn và quan trọng nhất là chi phí thấp. Về mặt giới hạn, chúng có tính kháng UV kém và khuynh hướng tháo nước trong lớp phủ hệ dung môi và vì thế chúng bị hạn chế sử dụng trong các công trình chôn dưới đất, lớp phủ trong điều kiện nhúng hoặc không bị chiếu UV.

Asphalt dầu mỏ, có được như là chất bã trong quá trình chưng cất dầu thô asphaltic, được sử dụng trong những lớp phủ bảo vệ trong những công trình và đường ống dưới đất, lớp phủ cho mặt lát và những bãi đậu, lớp phủ mái lợp và cho mục đích chống thấm nước.

Dầu cốc có được từ sự chưng cất phân hũy than đá nhựa đường, được sử dụng rộng rãi trong những lớp phủ dày, nhiệt dẻo, có lớp phủ nóng và làm sơn lót cho đồ nôi thất cũng như là đường ống ngoại thất. Một ứng dụng quan trọng khác là với những chất kết dính tổng hợp khác bao gồm hệ epoxy – dầu cốc và ít gặp hơn là hệ polyurethane – dầu cốc cho công trình thép kỹ thuật tiếp xúc với nước, sỏi và trám ngược.

Hệ nhũ tương nhựa đường được sản xuất bằng cách nhũ tương hóa một loại asphalt hay một loại dầu cốc trong nước với sự kết hợp phù hợp của chất hoạt động bề mặt cùng với đất sét dạng keo. Sau khi phủ, nước bốc hơi, những hạt nhựa đường được nhũ tương hóa liên kết lại để hình thành một lớp màng liên tục. Dựa vào nước, những hệ như thế này rất có tiềm năm để phù hợp với những quy định về VOC.

Trong khi nhựa đường được sử dụng rộng rãi trong những chất phủ che lấp nhiều năm qua, việc sử dụng chúng đang giảm xuống trong những năm gần đây vìnhững vấn đề độc hại, đặc biệt là với dầu cốc.

VẬT LIỆU PHỦ - 2.2.1 Nhựa thông

2.2.1 Nhựa thông

Nhựa thông, cũng được gọi là colophony, và những chất dẫn xuất của nó là một trong số những loại resin quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi. Nhựa thông lấy được từ cây thông hoặc là bằng cách ra từ vết nứt của cây (được gọi là nhựa keo) hay bằng cách chiết tách dung dịch gỗ cây thông lâu năm (được gọi là nhựa gỗ). Cũng có thể lấy được nhựa thông như là một bán thành phẩm của ngành giấy, ở đó muối hòa tan của nhựa thông và và acid béo trong gỗ được hình thành như là bán thành phẩm. Bán thành phẩm này sau đó được chưng cất đế lấy acid béo và nhựa thông như là một chất bã (được biết như là nhựa dầu cao). Về mặt hóa học, nhựa thông là hỗn hợp của những acid monocarbonxylic (~90%) với thành phần chính là acid abietic và phần còn lại (~10%) là vật liệu tự nhiên như những hydrocarbon, terpene bị oxi hóa và những ester có thể xà phòng hóa như bên dưới:

Khi được gia nhiệt đến 150 độ C, acid abietic đồng phân hóa thành acid levopimaric. Acid abietic chưa bão hòa có thể bị phân hóa rồi, nhưng acid levopimaric có thể chịu đựng sự oxi hóa tốt hơn. Nhựa thông là chất rắn, giòn, có màu từ vàng nhạt tới nâu (điểm hóa mềm từ 70-80 độ C) có tính tan tốt trong dung môi béo và tương thích tốt với dầu tạo màng. Nhưng bởi vì hàm lượng acid cao, nó nhạy với nước và kiềm. Vì thế nhựa thông thường được biến tính hóa học để tăng điểm chảy mềm và hạ thấp tính acid. Sự biến tính quan trọng của nhựa thông liên quan đến việc hoặc là trung hòa nhóm acid với canxi oxide (vôi) hay kẽm oxide để tạo thành xà phòng canxi hay xà phòng kẽm, hoặc là ester hóa nó với rượu đa chức như là glycerol hay pentaerythritol để phát triển phân tử cần thiết để hình thành sản phẩm thường được gọi là nhựa ester. Nhóm acid carboxylic của nhựa thông bị cảm trở về mặt lập thể và vì thế yêu cầu một nhiệt độ cao để ester hóa, nhưng ở một khía cạnh khác, ester của nhựa thông có tình bền tốt hơn trước sự thủy phân.

Nhựa thông được biến tính maleic là một sản phẩm thương mại và được sử dụng rộng rãi như là một chất kết dính trong công nghiệp mực in. Acid levopimaric với liên kết đôi liên hợp của nó có thể trải qua một phản ứng Diels-Alder với maleic anhydric, acid maleic hoặc acid fumaric để cho ra một sản phẩm cộng nhựa thông được biến tính maleic, đây là một chất dẫn xuất của acid trycarboxylic. Sản phẩm cộng này sau đó phản ứng với rượu đa chức như là glycerol hay pentaerythritol để tạo thành resin maleic. Loại resin này đặc trưng bỡi màu sắc của chúng, điểm chảy cao, tính ổn định sáng được cải thiện, độ cứng tốt hơn và chống oxi hóa tốt hơn nhựa thông. Nhiều sản phẩm như thế này có sẵn dưới dạng thương mại, và chúng khác nhau chủ yếu ở điểm chảy mềm và hàm lượng hydroxyl.

Resin phenolic được biến tính nhựa thông, một dẫn xuất nhựa thông quan trọng khác được sử dụng trong công nghiệp phủ, được tạo ra từ phản ứng nhựa thông với một resin phenolic dưới dạng resole. Quy mô biến tính, loại nhựa phenolic được sử dụng và tỷ lệ formaldehyde đối với phenol (f:p)là những yếu tốt chính tạo ra các loại sản phẩm khác nhau.

ứng dụng chính của nhựa thông và những dẫn xuất của nó là trong mựa in, varnish nhựa cây và alkyd được biến tính để cải thiện độ cứng và sự khô vật lý.

VẬT LIỆU PHỦ - 2.2 Chất kết dính tự nhiên

2.2 Chất kết dính tự nhiên

Theo ISO 4618/3, resin tự nhiên được định nghĩa như là resin được làm từ nguồn gốc động vật hay thực vật. Resin tự nhiên đã từng được sử dụng trong chất phủ trong một thời gian dài. Trong thời gian gần đây, mặc dù resin tổng hợp tiên tiến đã thay thế những loại vật liệu này, nhưng một số resin tự nhiên vẫn giữ được vai trò của chúng trong một số ứng dụng đặc biệt như chất biến tính. Dựa trên nguồn gốc, các chất này này được phân loại thành resin mới, resin hóa thạch và resin hóa thạch-mới. Resin mới thường thường lấy được từ vết nứt của những loại cây, trong khi resin hóa thạch là những thành phần bị chôn vùi dưới đất qua những thời gian địa chất. Nói chung resin tự nhiên có MW thấp hơn so với nhiều loại resin tổng hợp được sử dụng trong chất phủ, và về mặt hóa học, chúng là hỗn hợp của những hợp chất dạng vòng và những hợp chất thơm. Ứng dụng của chúng trong chất phủ bị giới hạn trong những năm gần đây, vì vậy chúng ta sẽ thảo luận ngắn gọn một số loại resin tự nhiên quan trọng.

VẬT LIỆU PHỦ - 2.1.3 Những yêu cầu đối với resin và chất kết dính

2.1.3 Những yêu cầu đối với resin và chất kết dính

Vai trò cơ bản của sơn và chất phủ là để đạt được ngoại quan mong muốn và bảo vệ bề mặt trước sự phá hủy của môi trường trong suốt vòng đời sản phẩm. Sơn và chất phủ được sử dụng cho rất nhiều ứng dụng, và vì thế môi trường hoạt động và mức độ bảo vệ mong muốn thay đổi trong một khoảng rộng. Từ việc resin và chất kết dính là yếu tố thực tế hình thành màng phủ, việc lựa chọn công thức đúng đắn là rất quan trọng. Phụ thuộc vào những yêu cầu của màng khô, người ta sẽ đưa ra yêu cầu cho resin. Nói chung resin và chất kết dính được sử dụng cho chất phỉ nên có các tính chất sau:

1/ Có MW cao hay có khả năng lưu hóa sau khi phủ

2/ Có thể hòa tan được trong dung môi hoặc phân tán được trong nước để thuận tiện hình thành công thức, sản xuất và phủ

3/ Có thể hình thành một màng liên tục, bám dính và đều sau khi phủ

4/ Cần có tính chất vật lý, cơ-nhiệt và quang học mong muốn sau khi phủ

5/ Có sự tương tính lớn với nhiều loại resin, chất lưu hóa, phụ gia, dung môi và nước

6/ Có tuổi thọ tốt trong điều kiện lưu trữ bình thường

7/ Có ít VOC hay không có VOC trong quá trình sản xuất và sử dụng

8/ Có thể cho ra những loại sơn và chất phủ phù hợp với các yêu cầu luật định

9/ Nên được làm từ các nguồn nguyên liệu ổn định

10/ Có giá cạnh tranh

VẬT LIỆU PHỦ - 2.1.2 Polymer nhiệt dẻo và polymer nhiệt rắn

2.1.2 Polymer nhiệt dẻo và polymer nhiệt rắn

Resin là những vật liệu polymer có khả năng hình thành lớp màng sau khi phủ.  Đối với sự hình thành lớp màng tốt, resin có MW cao là cần thiết. Nói chung, trong công nghiệp sơn và chất phủ, có hai loại resin được sử dụng.

(1) Polymer có MW cao có khả năng hình thành lớp màng sau khi phủ mà không cần phản ứng hóa học

(2) Polymer có MW thấp yều cầu một phản ứng hóa học sau khi phủ để tăng MW và trở nên có khả năng hình thành lớp màng

Hai cơ chế hình thành lớp phủ này tạo thành cơ sở để phân loại. Nói chung tất cả các resin và vì thế là tất cả các lớp phủ được phân thành hai loại riêng biệt, resin nhiệt dẻo và resin nhiệt rắn.

Resin nhiệt dẻo là những polymer có MW cao có thể hình thành lớp màng mà không cần phản ứng hóa học trong suốt hoặc sau khi hình thành lớp màng. Resin nhiệt dẻo về cơ bản là những polymer phân nhánh. Sự hình thành lớp màng dựa trên những polymer này liên quan đến sự bay hơi của dung môi. Lớp màng khô của những polymer này cơ bản là một đống những phân tử polymer vô định hình chồng chất lên nhau, và tương tác với nhau bằng lực Van der Waals. Độ chồng chất và sự tương tác vật lý là đủ mạnh để mang lại một số tính chất hữu dụng, nhưng nói chung vẫn còn thiếu những tính chất cơ học mong muốn và tính bền với dung môi. Vì độ nhớt của dung dịch polymer phụ thuộc vào MW, những polymer nhiệt dẻo có MW cao sẽ có độ nhớt dung dịch cao hơn. Điều này yêu cầu một lượng lớn dung môi trong lớp phủ để giảm độ nhớt tới mức có thể chấp nhận được. Tuy nhiên latex nhựa nhiệt dẻo (hệ phân tán của nhựa nhiệt dẻo trong nước) có thể tạo thành chất phủ mà không cần sử dụng dung môi. Những hệ này rất phổ biến và hình thành nên một mạng chính của chất phủ hệ nước ngày nay.

Nhựa nhiệt rắn là một loại resin quan trọng khác, là những vật liệu polymer mà chúng cần phải trải qua một vài phản ứng hóa học sau khi phủ để hình thành lớp màng. Những phản ứng hóa học này, được gọi là phản ứng liên kết chéo hay phản ứng lưu hóa, về cơ bản là kết nối các chuỗi polymer nhỏ để tăng MW và hình thành một cấu trúc mạng polymer hay polymer được lưu hóa. Vì thế cấu trúc của polymer trong hệ nhiệt rắn, không giống như hệ nhiệt dẻo, tạo thành những lớp màng bền vững và chịu được sự tác độ hóa học và tác động của dung môi. Nói chung chất kết dính của chất phủ nhiệt rắn được cấu tạo từ resin có MW thấp với những nhóm chức hoạt động và một tác nhân hình thành sự lưu hóa (chất lưu hóa). Sau khi tạo ra lớp phủ, dưới những điều kiện phản ứng phù hợp, chất lưu hóa sẽ phản ứng với những nhóm chức của resin để hình thành màng khô. Một số resin nhiệt rắn có những nhóm chức có khả năng tự phản ứng lưu hóa hoặc phản ứng lưu hóa với những thành phần có trong không khí như là hơi ẩm hoặc khí oxy mà không cần tác nhân lưu hóa. Vì thế tính chất của lớp màng được hình thành từ resin nhiệt dẻo và nhiệt rắn về cơ bản là khác nhau và có những ứng dụng khác nhau tùy theo mục đích sử dụng cuối cùng.

VẬT LIỆU PHỦ - 2.1.1 Giới thiệu về polymer

2. Chất kết dính

2.1 Giới thiệu

2.1.1 Giới thiệu về polymer

Chất kết dính hay chất tạo màng được mô tả như là một trong những thành phần quan trọng nhất của sơn và chất phủ. Chất kết dính về cơ bản là vật liệu polyme và vì thế việc trình bày một số khái niệm và những định nghĩa có liên quan đến polymer sẽ rất hữu ích trong việc hiểu những loại chất kết dính khác nhau được sử dụng trong sơn và chất phủ.

Hiểu đơn hgiản, polymer là một phân tử khổng lồ. Không giống như các phân tử như nước, benzoic acid và glucose, polymer là những phân tử lớn có cấu trúc dạng chuỗi. Cấu trúc chuỗi dài này được hình thành bởi sự liên kết của các phần tử nhỏ được gọi là monomer. Quá trình hóa học liên kết các monomer với nhau để hình thành cấu trúc dạng chuỗi là một phản ứng được gọi là trùng hợp - polimerization.

Cần lưu ý là trong một phản ứng polymerization, có rất nhiều chuỗi polymer được hình thành, và những chuỗi này không giống nhau về kích thước và độ dài. Số lượng phần tử monomer trung bình trong một mẫu polymer được biết như là độ trùng hợp - DP. Tương tự, khối lượng phân tử MW của một mẫu polymer được tính bằng cách lấy trung bình các MW của những chuỗi riêng lẻ - Mn. Mn có thể tính bằng cách nhân DP với MW của một cầu trúc (phần tử) đơn vị được lặp lại.

Phụ thuộc vào loại polymer và quá trình polymerization, Mn có thể từ vài ngàn đến vài trăm ngàn grams/mole. Polymer có giá trị Mn thấp, khoảng vài ngàn grams/mole, thường được xem như là oligomers. Rất nhiều polymer có sẵn trong tự nhiên hoặc được tổng hợp bởi những cơ thể sống và tất cả được gọi là polymer tự nhiên. Trong khi đó những polyme được hình thành từ monomer bằng phản ứng polymerization được gọi là polymer nhân tạo hay tổng hợp. Cả polymer tự nhiên và polymer tổng hợp đều được sử dụng trong sơn và chất phủ. Trong công nghiệp sơn và chất phủ, thuật ngữ resin thì thường được dùng để chỉ vật liệu polymer. Polymer, resin và chất kết dính đều có thể được sử dụng thay thế cho nhau.

Có hai loại phản ứng polymerization cơ bản như sau:

Polymerization chuỗi (polymerization cộng – trùng hợp)

Trong quá trình này, những polymer có MW cao được hìn t hành bằng sự liên kết hóa học giữa những monomer thông qua một phản ứng polymerization rất nhanh. Quá trình này yêu cầu một hợp chất để khơi màu phản ứng, như là những gốc hay ion tự do. Một khi đã bắt đầu, các monomer sẽ kết hợp để hình thành một chuỗi tăng dần các monomer đơn vị, được gọi là giai đoạn lan truyền. Những chuỗi đang lan truyền này kết thúc bằng một số nhánh khác nhau. Bên dưới mô tả sự polymerization của methyl metharylate thành poly (methyl methacrylate) bằng sự polymerization chuỗi. Hầu hết các polymer được sử dụng trong sơn và chất phủ được tổng hợp theo quá trình này là polymer acrylic và vinyl.

Polymerization từng bước (polymerization ngưng tụ - trùng ngưng)

Trong kiểu polymerization này, những mononer với ít nhất hai nhóm chức được sử dụng, và liên kết giữa những monomer được hình thành bằng phản ứng giữa những nhóm chức, nói chung là sẽ tạo ra những sản phẩm có MW thấp như là nước. MW cúa polymer phát triển theo từng bước với tốc độ chậm hơn so với polymerization chuỗi. Loại polymerization này không tạo ra một polymer có MW cao.

VẬT LIỆU PHỦ - 1.3.4 Dung môi

1.3.4 Dung môi

Dung môi cơ bản được sử dụng để kiểm soát độ nhớt của chất phủ. Chúng là những hợp chất bay hơi sẽ bốc hơi khỏi lớp màng ướt. dung môi cũng ảnh hưởng nhiều đến dòng chảy và độ phẳng, thời gian khô, độ bóng. Rất nhiều dung môi là những loại chất hữu cơ bay hơi VOC, chúng gây nguy hại đến sức khỏe con người và môi trường. Trải qua nhiều thập kỷ, những quốc gia phát triển đã có những nổ lực đáng kể để giảm việc sử dụng các chất VOC. Chất phủ hệ nước sử dụng nước để thay thế dung môi hữu cơ, đã phát triển mạnh mẽ so với các chất phủ hệ dung môi – là một chất phủ điển hình trong rất nhiều ứng dụng.

VẬT LIỆU PHỦ - 1.3.3 Chất phụ gia

1.3.3 Chất phụ gia

Để dễ sản xuất, lưu trữ, sử dụng và để cải thiện tuổi thọ và chức năng, người ta thêm một số chất phụ gia đặc biệt vào sơn. Phụ gia là những hợp chất được thêm vào với số lượng nhỏ (lên tới 5% khối lượng) nhưng về cơ bản có thể cải thiện hoặc biến đổi những tính chất của chất phủ. Những hợp chất này có thể là những chất thấm ướt hoặc những hệ phân tán, giúp chất tạo màu phân tán đều trong chất phủ, giảm thời gian khô, ổn định UV, điều chỉnh tính lưu biến, tăng thời gian bảo quản… Chủng loại và khối lượng thêm vào được chọn lựa một cách cẩn thận, vì chúng có thể gây ra một kết quả không lường được nếu sử dụng không phù hợp. Để đạt được những kết quả thành công, người làm công thức chất phủ phải có kiến thức rất tốt về vai trò của các chất phụ gia và sự tương tác của chúng với các thành phần khác có trong chất phủ.

VẬT LIỆU PHỦ - 1.3.2 Chất tạo màu

1.3.2 Chất tạo màu

Chất tạo màu là những hạt mịn không tan có màu hoặc màu trắng, những chất này có chỉ số khúc xạ cao, thường là lớn hơn 1.70. Chất tạo màu khi được phân tán đều trong nhựa tạo thành màu và tính che lấp của màng khô. Vì thế màu và tính che lấp là những chức năng cơ bản của chất tạo màu. Thêm vào đó, một vài loại chất tạo màu còn có những chức năng khác như chống ăn mòn, bền dưới tia UV và chống bám dính. Chất tạo màu cũng được sử dụng để kiểm soát tính lưu biến, tuổi thọ ngoài trời và tính chất cơ học của màng khô. Chất tạo màu có độ phản xạ ánh sáng cao và kích thước và hình dạng đặc trưng thường được sử dụng cho những lớp phủ có tác dụng đặc biệt. Chất tạo màu được phân loại dựa trên nguồn gốc của chúng, tự nhiên hoặc tổng hợp, hoặc dựa trên chức năng, vô cơ, hữu cơ, kim loại hoặc chất tạo màu có hiệu ứng đặc biệt.

VẬT LIỆU PHỦ - 1.3.1 Nhựa hay chất kết dính

1.3.1 Nhựa hay chất kết dính

Nhựa (chất tạo màng hay chất kết dính) là thành phần quan trọng nhất của chất phủ, vì vậy nhiều tính chất quan trọng của của màng phủ như là độ cứng, độ bám dính, độ bền hóa học và bền dung môi, tuổi thọ về cơ bản đều phụ thuộc vào bản chất của nhựa được sử dụng. Sau khi phủ, nhựa tạo thành một lớp màng bằng một số cơ chế vật lý và/hoặc hóa học trong quá trình khô. Thuật ngữ chất kết dính thường được sử dụng để chỉ nhựa từ việc nó kết dính các hạt chất tạo màu trong màng khô. Nhựa được sử dụng cho sơn và lớp phủ là những vật liệu polymer với khả năng tạo màng. Nhựa kiểm soát hầu hết các tính chất vật lý, hóa học và cơ học của lớp phủ. Trong khi có hàng trăm loại polymer được thương mại hóa, chỉ có một vài loại chất được sử dụng như là chất kết dính vì một số yêu cầu đặc biệt.

VẬT LIỆU PHỦ - 1.3 Cấu tạo của sơn và chất phủ

1.3  Cấu tạo của sơn và chất phủ

Chúng ta biết chức năng cơ bản của sơn và chất phủ và và trò của chúng trong việc làm tăng giá trị và bảo vệ những sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng. Hãy xem sơn và chất phủ được cấu tạo như thế nào. Nói chung sơn và chất phủ là hỗn hợp lỏng được phủ lên bề mặt sản phẩm bằng cách cọ, con lăn hoặc bằng cách phun. Hỗn hợp này được cung cấp ở nhiều dạng khác nhau, giống nước hoặc giống dung môi, độ nhớt thấp hoặc sệt như bột nhão, có thể phun hoặc có thể quét… để áp ứng được nhu cầu công nghệ sử dụng. Nhưng hiểu đơn giản chất phủ là hỗn hợp lỏng được trải đều ra trên bề mặt sản phẩm tạo thành một màng ướt, mỏng và đều, lớp màng này khi khô sẽ chuyển thành một màng cứng và bám chặt vào sản phẩm. Sự chuyển đổi này được thực hiện thông quan quá trình khô hóa học hoặc quá trình sấy vật lý. Bản chất của lớp phim được hình thành phụ thuộc vào thành phần sơn và khác nhau về tính chất như là trong hoặc đục, bóng hoặc mờ, cứng hoặc mềm.

Nhìn vào sự đang dạng của những loại chất phủ, không khỏi ngạc nhiên khi cũng có rất nhiều loại chất phủ với thành phần khác nhau. Tất cả các chất phủ phải có một thành phần nhất định hình thành nên lớp sơn. Những thành phần hình thành nên lớp sơn về cơ bản là vật liệu polymer, được gọi là nhựa hoặc chất kết dính. Nhựa và chất kết dính có khả năng hình thành một lớp màng trong suốt và bám dính, nhưng chúng không thể che hoặc làm mất màu bề mặt mà chúng phủ lên. Chất tạo màu là những hạt mịn không tan, có màu hoặc màu trắng, có khả năng mang lại màu sắc và có khả năng che phủ khi được phân tán. Nói chung sơn hoặc chất phủ được tạo thành từ chất tạo màu phân tán trong chất kết dính dạng keo, được giảm độ nhớt tới mức có thể áp dụng về mặt công nghệ bằng dung môi, hoặc đôi khi là nước. Vai trò của dung môi cơ bản là cung cấp một độ nhớt phù hợp cho hỗn hợn nhựa và chất tạo màu để có thể sử dụng nhằm tạo ra một một lớp màng mỏng đồng đều bằng những thiết bị như là súng phun. Để kiểm soát một số tính chất của lớp phủ như là độ nhớt, thời gian khô, độ che lấp, tính ổn định lưu trữ và khả năng dễ ứng dụng, một số hợp chất hóa học đặc biệt trước thêm vào hỗn hợp chất phủ, một lượng rất nhỏ. Những chất này được biết đến với vai trò là chất phụ gia. Một chât phủ điển hình thường được thêm một vài loại phụ gia để cải thiện hoặc điều chỉnh nhưng tính chất riêng. Nói chung tất cả các thành thành phần của chất phủ được phân loại thành 4 nhóm nguyên liệu chính sau:

1/ Nhựa hoặc chất kết dính

2/ Chất tạo màu

3/ Chất phụ gia

4/ Dung môi

VẬT LIỆU PHỦ - 1.2 Khía cạnh lịch sử

1.2  Khía cạnh lịch sử

Người ta đã tìm thấy sơn được sử dụng từ thời tiền sử. Thông qua tự nhiên, con người hình thành những ý nghĩ về thẩm mỹ và có những bằng chứng chắc chắn cho thấy con người đã sử dụng một số loại sơn để trang trí cho nơi ở của họ hoặc chính cơ thể của họ. Nền văn minh Hy Lạp và La Mã (từ 4000 năm trước CN) đã sử dụng sơn để trang trí những công trình, tượng đài và nhiều thứ khác. Những loại sơn này được tạo thành từ nhựa cây, mỡ động vật, tinh bột, sáp ong, than củi và một số loại khoáng và đất sét. Rất lâu sau đó, khoảng 1000 năm sau CN, Rodgerus von Helmershausen, được biết đến là Theophilus, lần đầu tiên mô tả về những lớp phủ và đưa ra những công thức chi tiết trong cuốn sách mang tên Schedula Diversarium Artium. Những lớp phủ này về cơ bản làm từ dầu của hạt lanh và nhựa tự nhiên (hổ phách), mà không sử dụng bất cứ chất dễ bay hơi nào thì chúng không có sẵn. Nghệ thuật chiết nhựa từ cây thông được biết đến vào thế kỷ thứ 10, và nguồi ta tin rằng nhựa thông được sử dụng lần đầu tiên như là một loại dung môi để làm giảm độ nhớt của hỗn hợp chất phủ vào đầu thế kỷ 15. Đây là một dấu ấn quan trọng trong lịch sử của chất phủ. Bới vì một mặt, việc sử dụng dung môi bay hơi mở rộng nhanh chóng việc ứng dụng của lớp phủ. Mặc khác đây được xem như là sự khởi đầu của của kỷ nguyên với đầy những vấn nạn môi trường. Sự phát triển của lớp phủ bằng công nghệ được gọi là “nấu sơn” (gia nhiệt nhựa tự nhiên với dầu lanh) vẫn được tiếp tục, và tới trước thế kỷ 17 đã có rất nhiều loại lớp phủ sử dụng nhựa tự nhiên, dầu lanh và chất dễ bay hơi.

Cuộc cách mạng công nghiệp vào thế kỷ 18 đã mang đến một nhu cầu khủng khiếp đối với các chất phủ. Các lớp phủ giờ đây được sử dụng để bảo vệ sắt trong các công trình và nhiều sản phẩm. Đó là cả một khoảng thời gian dài để lớp phủ bắt đầu chuyển từ vai trò trang trí sang vai trò bảo vệ. Thâm chỉ tới thế kỷ 19, ngoại trừ một số loại chất tạo màu, tất cả các loại lớp phủ đều có nguồn gốc từ tự nhiên. Điều thú vị là sau sự bùn nổ mạnh mẽ của những vật liệu được tổng hợp từ dầu mỏ trong hơn một thế kỷ, người ta bắt đầu quay trở lại với những vật liệu có nguồn gốc tự nhiên.

Những dây chuyền sản xuất liên tục của Henry Ford trong thế kỷ 20 cho thấy công nghệ sơn ở quy mô công nghiệp, với các yêu cầu như sấy khô nhanh hơn, lớp phủ bền hơn và quy trình phủ nhanh hơn. Điều này dẫn đến sự phát triển của hệ sơn dựa trên Cellulose và thay thế quá trình sơn bằng cọ bằng quá trình sơn phun. Năm 1907 sau thành công trong việc tổng hợp nhựa đầu tiên – nhựa Phenol Formaldehiyde, sự phát triển nhanh chóng của các loại polymer tổng hợp khác như là nhựa Vinyl, Urea, Alkyds, Acrylic, Polyurethanes, Melamine, Epoxy, đặc biệt trong suốt và sau thế chiến thứ 2, đã mang lại rất nhiều lọa chất kết dính cho lớp phủ. Năm 1919 Titanium dioxide, nguyên liệu chính cho những lớp phủ hiện đại, được thương mại hóa lần đầu tiên. Rất nhiều loại chất tạo màu tổng hợp, cả hữu cơ và vô cơ, cũng được thương mai hóa trong khoảng thời gian này.

Với sự công nghiệp hóa liên tục và nhu cầu của lớp phủ cho rất nhều loại ứng dụng, nền công nghiệp này đã chứng kiến một sự tăng trường nhu cầu đều đặn. Tuy nhiên cần phải nói là đến giữa thế kỷ 20, tất cả những lớp phủ gần như đều dựa trên những hệ dung môi. Trước năm 1960 một số quy định đã được đưa ra nhằm hạn chế việc sử dụng các chất độc hai hoặc là hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs) trong các lớp phủ. Việc sử dụng các lớp phủ với hàm lượng lớn các chất VOC gây tác động nguy hại đến sự an toàn, sức khỏe và môi trường. Những lo ngại này tạo ra nhu cầu về những quy định cho sơn và lớp phủ. Những lo ngại ngày càng tăng về an toàn, sức khỏe và môi trường cùng với sự xác lập của các đại lý và những quy định của các nước phát triển đã báo trước một kỷ nguyên mới cho ngành sơn và phủ. Những nguyên liệu độc hại như chì và chrome đã bị hạn chế và giới hạn việc sử dụng các chất VOCs cho sơn và chất phủ đã được ban hành trong suốt những năm 1960 và sau đó. Những quy định này ngày càng khắt khe và những người làm công thức chất phủ đã được yêu cầu tìm ra những chất phủ mới thỏa mãn yêu cầu của khách hàng trong khi vẫn tuân thủ các yêu cầu pháp luật và có phi phí hợp lý. Để đạt được việc giảm hàm lượng VOCs, có ba cách tiếp cận quan trọng đã được đưa ra:

1/  Các chất phủ với hàm lượng chất rắn cao, những hợp chất này về cơ bản là thuộc về hệ dung môi nhưng đã giảm sử dụng một lượng lớn dung môi (có thể bằng cách sử dụng chất kết dính có độ nhớt thấp)

2/  Các chất phủ hệ nước, bằng cách thay thế những dung môi chính (VOCs) bằng nước

3/  Các chất phủ dạng bột, có thể hạn chế chất bay hơi và tạo ra lớp phủ bằng một mịn

Những cách tiếp cận này yêu cầu những loại nguyên liệu mới và cũng yêu cầu công nghệ lưu hóa mới để có thể khô nhanh hơn. Công nghệ làm khô bằng bức xạ UV đã nhanh chóng phát triển. Công nghệ này có thể làm khô rất nhanh với những loại chất phủ mới. Tất cả những cách tiếp cận đã đề cập trên đã phát triển thành những công nghệ chất phủ hiện đại ngày nay. Bởi vì những yêu cầu đa dạng của các sản phẩm dựa trên những công nghệ này của cả khác hàng và các nhà làm luật đã tạo nên một hệ thống nguyên liệu phủ phong phú chưa từng có.

Những nguyên liệu phủ ngày nay được tạo thành từ nhiều chất tạo màu vô cơ, hữa cơ và những chất tạo màu có hiệu ứng đặc biệt, cả ở dạng khô và ở dạng hệ phân tán trong nước. Chất tạo keo và chất kết dính đều được dùng với những dung dịch truyền thống như dung môi hữu cơ và cả những hệ phân tán lỏng tiên tiến khác với những cỡ hạt và hình thái khác nhau. Những sự phát triển trên cũng là hệ quả của sự tìm ra nhiều chất phụ gia đặc biệt cho các hệ nước, hệ bột, hệ UV.

Giống như nhiều lĩnh vực khác trong ngành công nghệ vật liệu, việc sử dụng vật liệu nano trong công thức của những loại sơn và chất phủ tiên tiến cũng là một xu hướng rất hứa hẹn. Chất tạo màu và bột trám kích thước nano, hệ phân tán nano polymer và phụ gia nano hiện tại cũng đã được thương mại hóa và rất nhiều sản phẩm như thế này đang trong giai đoạn phát triển. Một thách thức quan trọng khác cho ngành công nghiệp chất phủ trong những năm gần đây là yêu cầu về nguyên liệu “xanh” để giảm tác động đến môi trường. Với sự nhân thức tăng dần và thị hiếu tiêu dùng cho những nguyên liệu xanh hơn và dựa trên vật liệu sinh học, những nhà nghiên cức và các nhà công nghiệp đang cố gắng cung cấp những nguyên liệu này với mức giá phải chăng mà không cần phải thay đổi chức năng cúa chúng. Tương lai của ngành chất phủ dường như sẽ được nâng cao, đa chức năng và ít sử dụng carbon đáng để và vì thể sẽ bền vững hơn.