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.