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.