Nghiên cứu chế tạo sơn epoxy chống ăn mòn sử dụng phụ gia ức chế ăn mòn nanoclay

Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
MỞ ĐẦU
Sơn, hay chất phủ bề mặt, là một loại vật liệu được dùng để trang trí mỹ thuật hoặc
bảo vệ các bề mặt vật liệu cần sơn. Tuy các loại sơn thô sơ đã được con người sử dụng từ
trên 25000 năm trước, ngành công nghiệp sơn chỉ mới thực sự phát triển từ cuối thế kỷ
18 do tác động của cách mạng khoa học kỹ thuật ở châu Âu. Một trong những ứng dụng
quan trọng của của sơn và màng phủ trong công nghiệp là bảo vệ các kết cấu kim loại,
đặc biệt là sắt và các hợp kim, khỏi sự ăn mòn của môi trường. Ở các nước công nghiệp
phát triển, chi phí bình quân cho công tác chống rỉ sét và ăn mòn kim loại thường rơi vào
khoảng 4% GDP hàng năm của quốc gia. Theo ước tính, nếu không có chi phí đó, hàng
năm sẽ có tới 10 - 15% lượng kim loại khai thác được bị ăn mòn, dẫn tới không sử dụng
được gây lãng phí lớn cho xã hội. Tuy nhiên, hiện nay ở nước ta thì chi phí dành cho
công tác này còn thấp, chủ yếu tập trung cho các phương pháp chống ăn mòn thông
thường nên nhiều công trình sau vài năm sử dụng đã xuống cấp gây mất an toàn cho
người sử dụng, làm tăng chi phí duy tu bảo dưỡng. Nguyên nhân của thực trạng này một
phần là do nước ta còn nghèo trong khi đa phần sơn chống ăn mòn hiện nay đều phải
nhập khẩu với giá thành đắt gây khó khăn cho nguồn vốn đầu tư ban đầu, bên cạnh đó
nhiều loại sơn nhập khẩu được thiết kế để sử dụng trong điều kiện của nước sở tại, khi
đưa sang Việt Nam gặp nhiều vấn đề không mong muốn do điều kiện thời tiết nóng ẩm,
nhiều nơi có phần khắc nghiệt, làm ảnh hưởng tới quá trình đưa màng sơn lên trên bề mặt
cần bảo vệ cũng như làm giảm đáng kể tuổi thọ của màng sơn.
Chất tạo màng sơn phổ biến và quan trọng bậc nhất hiện nay đó là nhựa epoxy, một
loại nhựa đã được nghiên cứu từ rất lâu, có ứng dụng rộng khắp trong các ngành công
nghiệp. Việc đóng rắn epoxy để tạo màng sơn ở nhiệt độ thường đóng vai trò quyết định
cho việc lựa chọn loại nhựa này làm chất tạo màng. Epoxy đóng rắn ở nhiệt độ thường,
thường sử dụng các chất đóng rắn polyamin mạch thẳng hoặc polyamit. Tuy nhiên khi
đóng rắn trong điều kiện độ ẩm cao thì phương pháp trên lại không hiệu quả vì polyamin
Trang 1
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
rất nhạy cảm với độ ẩm, đặc biệt là khí CO
2

, các amin chuyển hóa thành các muối
cacbamat, làm sơn bị mờ đục và có độ bám dính kém trên bề mặt ẩm ướt.
Một trong những phương pháp tăng tính chất cơ lý và tính bảo vệ chống ăn mòn là
bổ sung nanoclay vào màng sơn[28,29].
Cùng với su hướng trên công trình này: “Nghiên cứu chế tạo sơn epoxy chống ăn
mòn sử dụng phụ gia ức chế ăn mòn nanoclay”.
PHẦN I: TỔNG QUAN
Trang 2
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
I. ĂN MÒN KIM LOẠI [1]
1. Định nghĩa về sự ăn mòn kim loại và cơ chế của quá trình ăn mòn kim loại
Ăn mòn kim loại là sự phá hủy tự phát của kim loại gây ra bởi các quá trình hóa học
hoặc điện hóa học xảy ra trên bề mặt kim loại khi kim loại tiếp xúc trực tiếp với môi
trường bên ngoài. Đa phần các loại kim loại đều có thể bị ăn mòn dưới tác động của điều
kiện môi trường không quá khắc nghiệt, tuy nhiên dạng ăn mòn phổ biến nhất và gây
nhiều thiệt hại nhất cho con người chính là sự ăn mòn của sắt cùng các hợp kim của nó
mà đặc biệt là thép cacbon. Trong các dạng ăn mòn của sắt và thép, dạng có tác động tiêu
cực nhất là gỉ sắt đỏ Fe
2
O
3
.nH
2
O do nó tạo thành lớp gỉ không bền và xốp, không có khả
năng bảo vệ cho lớp vật liệu bên dưới khiến cho quá trình ăn mòn dễ dàng tiến sâu vào
trong lòng vật liệu gây phá hủy nhanh chóng kết cấu của vật liệu.
Cơ chế ăn mòn các loại kim loại khác nhau là khác nhau, phụ thuộc vào nhiều yếu tố
như bản chất hóa học của kim loại, thành phần hóa học của môi trường ăn mòn, điều kiện
nhiệt độ và áp suất của môi trường Tuy vậy, ta vẫn có thể chia cơ chế ăn mòn kim loại
thành hai dạng chính là ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa. Quá trình ăn mòn hóa học,

nói một cách đơn giản, là quá trình ăn mòn do phản ứng hóa học trực tiếp giữa kim loại
với các hợp chất hóa học có trong môi trường, chủ yếu xảy ra khi vật liệu tiếp xúc trực
tiếp với các chất có tính xâm thực trong môi trường khí hoặc chất lỏng không phân cực
như Cl
2
, O
2
, Br
2
dạng lỏng, lưu huỳnh nóng chảy, lưu huỳnh và các hợp chất gốc sunfua
lẫn trong nhiên liệu lỏng Hai hiện tượng ăn mòn hóa học phổ biến nhất là hiện tượng
oxy hóa kim loại dưới tác dụng của oxy không khí ở nhiệt độ cao và hiện tượng mất
cacbon ở thép cacbon. Hiện tượng mất cacbon ở thép cacbon xảy ra ở điều kiện thường
dưới tác động của một số hợp chất khác nhau, khiến cho một phần cacbon trên bề mặt vật
liệu đi vào môi trường tạo gradient nồng độ kéo cacbon bên trong vật liệu ra ngoài và tiếp
tục thoát ra môi trường, hậu quả là hàm lượng cacbon của khối vật liệu giảm, vật liệu bị
suy giảm độ cứng, độ chịu mài mòn và giới hạn đàn hồi.
Fe
3
C + 1/2 O
2
→ 3Fe + CO
Trang 3
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
Fe
3
C + CO
2
→ 3Fe + 2CO
Fe

3
C + H
2
O → 3Fe + CO + H
2
Ngược lại, quá trình ăn mòn điện hoá là quá trình ăn mòn gây ra bởi sự không đồng
đều của các thành phần bên trong vật liệu dẫn đến một số vùng trên bề mặt trở thành anot
trong khi các vùng khác trở thành catot, sự phân vùng này tạo điều kiện cho sự ăn mòn
điện hóa xảy ra khi vật liệu tiếp xúc với hơi ẩm trong không khí hoặc các dung dịch có
tính dẫn điện. Xét ví dụ về sự ăn mòn điện hóa thông dụng nhất là sự ăn mòn tạo gỉ sắt đỏ
của thép cacbon thông thường trong môi trường khí quyển, khi đó sắt sẽ đóng vai trò anot
còn cacbon sẽ đóng vai trò catot và sự ăn mòn xảy ra dưới sự có mặt của hơi ẩm.
2H
2
O → 2H
+
+ 2OHˉ
Tại anot: Fe → Fe
2+
+ 2eˉ
Tại catot: 2H
+
+ 2eˉ → H
2
hoặc O
2
+ 2H
2
O + 4eˉ → 4OHˉ
Phản ứng tổng thể của quá trình là:

2Fe + O
2
+ H
2
O → 2Fe
2+
+ 4OHˉ
Sau đó, dưới sự oxy hóa của oxy không khí, hydroxit sắt (II) bị oxy hóa thành gỉ sắt
đỏ:
4Fe(OH)
2
+ 2O
2
→ 2Fe
2
O
3
.H
2
O + H
2
O
2. Phân loại các quá trình ăn mòn kim loại
Có nhiều cách để phân loại các quá trình ăn mòn kim loại dựa trên các tiêu chí khác
nhau, trong đó có các tiêu chí thông dụng sau đây:
 Theo cơ chế của sự ăn mòn: Ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa.
 Theo điều kiện của quá trình ăn mòn: Ăn mòn trong khí quyển, ăn mòn trong khí
nóng, ăn mòn trong dung môi, ăn mòn do tiếp xúc, ăn mòn do dòng điện dò
Trang 4
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit

 Theo đặc trưng của dạng ăn mòn: Ăn mòn toàn bộ và ăn mòn cục bộ.
3. Các phương pháp chống ăn mòn kim loại
Dựa theo các đặc điểm của quá trình ăn mòn kim loại, người ta đã phát triển được
một số phương pháp chống ăn mòn kim loại phổ biến sau:
 Điều chỉnh điều kiện môi trường: Sử dụng các thiết bị, máy móc nhằm điều chỉnh
các thông số của môi trường sử dụng như nhiệt độ, độ ẩm nhằm hạn chế sự ăn
mòn kim loại. Đây là một phương pháp khá đơn giản và rẻ tiền nếu yêu cầu không
quá cao, tuy nhiên tác dụng thu được thường không cao và không áp dụng được
cho điều kiện nhúng chìm, để thu được tác dụng tốt thì chi phí lại rất cao.
 Sử dụng các loại hợp kim chống ăn mòn: Đưa một số loại kim loại có tính chống
ăn mòn vào vật liệu nhằm làm tăng khả chống ăn mòn của vật liệu. Đây là một
phương pháp tiện dụng và cho hiệu quả cao, tuy nhiên hợp kim thu được thường
khó gia công và có giá thành cao hơn nhiều so với vật liệu thông thường.
 Phương pháp bảo vệ điện hóa: Sử dụng một kim loại có tính khử mạnh, thường là
kẽm, làm vật hi sinh chịu ăn mòn để bảo vệ vật liệu kim loại khác. Đây là một
phương pháp đơn giản và tiện dụng, cho hiệu quả cao nhưng yêu cầu tính toán lắp
đặt ban đầu chính xác và có sự kiểm tra bảo dưỡng thường xuyên, thường chỉ áp
dụng cho các công trình nhúng chìm trong nước.
 Phương pháp che phủ bề mặt: Phủ lên bề mặt kim loại một lớp vật liệu khác như
sơn, dầu mỡ, chất dẻo hoặc một kim loại khác nhằm ngăn cách vật liệu với môi
trường. Đây là một phương pháp tiện dụng và rẻ tiền, cho sự bảo vệ toàn diện
nhưng yêu cầu phải được thực hiện theo đứng một số quy trình nhất định để đạt
được hiệu quả mong muốn và khá nhạy cảm với các khuyết tật, do vậy cần phân
tích cẩn thận trước khi sử dụng.
4. Cơ chế bảo vệ kim loại của màng sơn
Trang 5
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
Màng sơn, do là một loại tác nhân che phủ bề mặt, có tác dụng bảo vệ cơ bản là tạo
thành một lớp màng ngăn cách giữa bề mặt vật liệu và các tác nhân gây ăn mòn của môi
trường. Trên thực tế, tất cả các loại màng sơn đều ít nhiều thể hiện khả năng bảo vệ này,

tuy nhiên nếu xét một màng sơn đơn với độ dày bình thường thì tác dụng bảo vệ này là
không đáng kể do nó không thể ngăn cản hoàn toàn các tác nhân xâm thực di chuyển qua
để tiếp xúc với bề mặt vật liệu, đặc biệt là các tác nhân có kích thước bé như O
2
hay ẩm
trong không khí. Tuy nhiên, trong trường hợp ăn mòn điện hóa, các màng sơn không chỉ
đóng vai trò là một lớp ngăn cách đơn thuần mà chúng còn đóng vai trò là một điện trở,
ngăn cản sự dịch chuyển của ionkim loại như Fe
2+
thoát ra khỏi bề mặt vật liệu, do đó cản
trở quá trình ăn mòn điện hóa của vật liệu. Hai tác dụng bảo vệ này của màng sơn phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như:
 Bản chất của chất tạo màng: Các chất tạo màng có khả năng tạo thành cấu trúc đặc
khít có khả năng ngăn cản tốt sự dịch chuyển của các phân tử chất qua nó, tuy
nhiên cấu trúc càng đặc khít thì lớp màng tạo thành lại càng có xu hướng giòn, dễ
bị phá hủy gây mất khả năng bảo vệ. Bên cạnh đó, bản chất của chất tạo màng còn
ảnh hưởng tới khả năng bám dính của màng sơn lên trên bề mặt cần bảo vệ, ảnh
hưởng nhiều tới khả năng bảo vệ của màng sơn.
 Các thành phần phụ gia, chất độn, bột màu: Sự hiện diện của các thành phần này
trong màng sơn có thể giúp làm tăng khả năng cản trở của màng sơn.
 Độ dày của lớp màng sơn: Màng sơn càng dày càng có khả năng cản trở tốt, tuy
nhiên khi độ dày màng sơn tăng thì chi phí cũng tăng theo, đồng thời nhiều yếu tố
kỹ thuật khác cũng bị ảnh hưởng.
 Bề mặt cần bảo vệ: Mức độ sạch sẽ của bề mặt cần bảo vệ cũng như độ ẩm của
môi trường khi tiến hành sơn đóng vai trò quan trọng tới khả năng bám dính của
màng sơn lên trên bề mặt cần bảo vệ, do vậy ảnh hưởng nhiều tới khả năng bảo vệ
của màng sơn.
Trang 6
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
Bên cạnh hai khả năng bảo vệ chung nói trên, một màng sơn còn có thể cung cấp các

khả năng bảo vệ khác phụ thuộc vào thành phần của sơn, bao gồm:
 Sử dụng một kim loại khác có tính khử mạnh đóng vai trò anot thay thế cho kim
loại cần bảo vệ. Trong công nghệ sơn và màng phủ, bột kẽm là một loại bột màu
có khả năng bảo vệ điện hóa rất tốt, được ứng dụng nhiều trong sơn chống ăn mòn.
Bột kẽm kim loại có tác dụng như một anot thay thế, đóng vai trò chất hi sinh cho
bề mặt kim loại cần bảo vệ. Sản phẩm ăn mòn của kẽm tạo thành một lớp bảo vệ
thứ cấp giúp ngăn chặn các tác nhân ăn mòn từ môi trường đi qua lớp màng, giúp
duy trì lâu dài khả năng bảo vệ của bột kẽm. Bên cạnh bột kẽm, người ta còn có
thể sử dụng bột nhôm, tuy nhiên tác dụng bảo vệ điện hóa của nó chỉ thực sự đáng
kể khi lớp màng sơn bị tổn thương.
 Sử dụng các loại bột màu có tác dụng làm dày thêm hoặc hoàn thiện lớp màng oxit
trên bề mặt cần bảo vệ, giúp bảo vệ bề mặt này khỏi các tác nhân ăn mòn điện hóa.
Chúng có thể là các loại bột màu thụ động chỉ có tác dụng che phủ đơn thuần như
TiO
2
hay Fe
2
O
3
, hoặc các loại bột màu thụ động hóa có khả năng tạo muối không
tan với ion kim loại sinh ra do quá trình điện hóa như kẽm photphat, kẽm cromat
hay kẽm molybdat.
II. SƠN EPOXY [2]
Sơn là một hệ gồm có nhiều thành phần: chất tạo màng, chất đóng rắn (với hệ sơn hai
thành phần), bột màu và bột độn, dung môi, phụ gia.[10]
II.1 NHỰA EPOXY
Nhựa epoxy là một nhóm các hợp chất cao phân tử có chứa nhiều hơn một nhóm thế
epoxy trên mạch đại phân tử. Ngoài tên epoxy, nhóm thế này còn có các tên gọi khác như
nhóm epoxit, nhóm oxiran hay nhóm ethoxylin. Nhóm epoxy là một nhóm thế có độ hoạt
Trang 7

Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
động hóa học rất cao mà nguyên nhân là do sức căng lớn của liên kết vòng ba cạnh cũng
như độ phân cực của liên kết C–O cộng hóa trị:
Một cách chặt chẽ, nhựa epoxy chỉ được dùng để chỉ các oligome hay các monome
chứa các nhóm epoxy chưa khâu mạch. Tuy nhiên, trên thực tế, nhựa epoxy còn được
dùng để chỉ các hệ epoxy đã đóng rắn, là các hệ bao gồm các đại phân tử có phân tử có
phân tử khối lớn, chứa rất ít hoặc hoàn toàn không chứa nhóm epoxy.
Đa phần các loại nhựa epoxy thương phẩm đều được tổng hợp từ phản ứng cộng hợp
tách loại hydro clorua giữa epiclohydrin với một hợp chất chứa ít nhất hai nguyên tử
hydro linh động. Các sản phẩm nhựa epoxy tổng hợp từ epiclohydrin còn được gọi là các
loại nhựa epoxy nhóm glycidyl. Monome cùng tham gia phản ứng với epiclohydrin có
thể là các amino phenol, các monoamin và diamin, các imit và amit dị vòng, các diol và
polyol mạch thẳng, các axit béo không no, các hợp chất đa nhân phenol, Trong số đó,
nhựa epoxy của bisphenol A, hay nhựa diglycidyl ete của bisphenol A – nhựa DGEBA,
được sử dụng rộng rãi nhất, chiếm tới hơn 75% thị phần nhựa epoxy do giá cả phải chăng
và tính chất đáp ứng tốt các yêu cầu sử dụng.
Trang 8
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
Bên cạnh đó, nhựa epoxy còn có thể được tổng hợp thông qua phản ứng epoxy hóa
các hợp chất dien sử dụng các loại peraxit.
Nhựa epoxy khi chưa đóng rắn là loại nhựa nhiệt dẻo không màu hoặc có màu vàng
sáng. tuỳ vào khối lượng phân tử mà có thể tồn tại ở các dạng :
- Lỏng : Khối lượng phân tử M nhỏ hơn 450
- Đặc : khối lượng phân tử M từ 450 đến 800
- Rắn : Khối lượng phân tử M lớn hơn 800
Nhựa epoxy tan tốt trong các dung môi hữu cơ như : xeton, hydrocacbon clo hoá,
dioxan, axetat… nhưng không tan trong các hydrocacbon mạch thẳng (xăng, white
spirit…). Là phân tử có cực nên nhựa epoxy có khả năng phối trộn tốt với các loại nhựa
khác như phenol – fomandehyt, polyeste, polysunfit…
Nhựa epoxy có hai nhóm chức hoạt động là nhóm epoxy và nhóm hydroxyl. Tuỳ khối

lượng phân tử mà nhóm chức nào sẽ chiếm ưu thế. Nhựa epoxy có khối lượng phân tử
thấp ( M<1200) nhóm epoxy chiếm ưu thế, nhựa có khối lượng phân tử lớn ( M>3000)
nhóm hydroxyl chiếm ưu thế. Vòng epoxy có tính phân cực và sức căng vòng lớn, do đó
nó dễ dàng bị phá vỡ và tham gia vào nhiều loại phải ứng, đặc biệt với các tác nhân
nucleophil. Đối với các tác nhân electrophil, phản ứng xảy ra khi có mặt xúc tác proton,
nhóm hydroxyl hoạt động kém hơn nhóm epoxy nên phản ứng phải tiến hành trong điều
kiện nhiệt độ cao hoặc có xúc tác.
Các thông số quan trọng của nhựa epoxy
- Hàm lượng nhóm epoxy ( HLE) : Trọng lượng nhóm epoxy có trong 100g nhựa.
- Đương lượng nhóm epoxy (DLE): Lượng nhựa tính theo gam chứa 1 đương lượng
oxy epoxy.
- Giá trị epoxy (GTE): Số đương lượng oxy epoxy có trong 100g nhựa.
Hàm lượng oxy epoxy
GTE =
Trang 9
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
16
Hàm lượng oxy epoxy =
.16
43
HLE
- Quan hệ giữa các thông số:
DLE=
100
GTE
HLE =
100.43
DLE
- Khối lượng phân tử nhóm epoxy : 43
Nhựa epoxy có độ cứng, tuổi thọ, độ bền hoá học, cơ học cao, khả năng chịu nhiệt độ

cao tốt hơn nhiều loại nhựa nhiệt rắn khác nên được ứng dụng trong các loại sơn, màng
phủ chất lượng cao, keo dán, lót trong các loại bể chứa, tàu thuyền, làm bảng điện…
Nhựa epoxy sau khi đóng rắn có nhiều đặc tính tốt nổi bật như: khả năng bám dính tốt
với nhiều loại vật liệu, bền hoá học, bền cơ học, độ bền nhiệt, cách điện cao. Tính chất
của sản phẩm epoxy phụ thuộc vào việc sử dụng chất đóng rắn, do đó việc lựa chọn chất
đóng rắn cho nhựa epoxy cần phải giải quyết tuỳ theo từng trường hợp cụ thể. [11, 12]
II.1.2 Các thông số chính của nhựa epoxy chưa đóng rắn
Trên thực tế, các loại epoxy thương phẩm không chỉ chứa một thành phần epoxy mà
còn chứa nhiều chất khác như các loại phụ gia, chất độn Do vậy, việc xác định các
thông số của nhựa epoxy là hết sức quan trọng để xác định loại nhựa epoxy phù hợp cho
từng ứng dụng cũng như quá trình gia công cho loại nhựa đó. Việc sử dụng các thông số
khác nhau phải phù hợp với từng loại nhựa khác nhau nhằm đánh giá tốt nhất tính chất
cũng như khả năng gia công của loại nhựa đó.
 Đương lượng epoxy: Đương lượng epoxy EEW là một trong những thông số quan trọng
nhất của nhựa epoxy, được định nghĩa là số gram nhựa epoxy chứa 1 gram gốc epoxy.
Thông số này được sử dụng để tính toán lượng chất đóng rắn phù hợp trong quá trình
đóng rắn dựa trên cơ sở phản ứng với gốc epoxy.
Trang 10
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
 Độ nhớt: Độ nhớt cũng là một thông số hết sức quan trọng của nhựa epoxy. Nếu độ nhớt
của nhựa quá cao thì sẽ gây khó khăn trong quá trình gia công trộn hợp, ngược lại nếu độ
nhớt quá thấp thì lại có thể gây ảnh hưởng tới tính chất sử dụng sau đóng rắn trong một
số ứng dụng.
 Đương lượng este hóa: Đương lượng este hóa là một chỉ số quan trọng để xác định
lượng chất đóng rắn phù hợp khi đóng rắn trên cơ sở chất đóng rắn có khả năng tác dụng
với gốc hydroxyl. Nó được định nghĩa là số gram nhựa có thể được este hóa bởi 1 mol
axit đơn chức.
II.1.3 Đóng rắn nhựa epoxy
Ngoại trừ các loại nhựa epoxy cao phân tử, các loại nhựa epoxy thông thường để có
thể sử dụng được cần phải trải qua quá trình đóng rắn để chuyển từ các loại nhựa nhiệt

dẻo thành các loại nhựa nhiệt rắn không nóng chảy, không hòa tan với cấu trúc mạng ba
chiều. Việc lựa chọn chất đóng rắn có ảnh hưởng không nhỏ tới các tính chất sau này của
nhựa epoxy đã đóng rắn do nó ảnh hưởng tới bản chất và mật độ của cấu trúc không gian
bên trong nhựa.
Như đã đề cập, nhựa epoxy chưa đóng rắn có chứa hai gốc hoạt động hóa học là gốc
epoxy và gốc hydroxyl. Đối với những loại nhựa epoxy mạch rất ngắn như nhựa epoxy
lỏng quá trình đóng rắn chủ yếu dựa trên phản ứng của gốc epoxy. Tuy nhiên, khi phân tử
khối tăng lên, hàm lượng nhóm epoxy sẽ có xu hướng giảm đi trong khi hàm lượng nhóm
hydroxyl lại có xu hướng tăng lên, người ta có thể đóng rắn nhựa epoxy dựa trên phản
ứng của cả gốc hydroxyl lẫn gốc epoxy hoặc chỉ dựa trên phản ứng của một gốc tùy theo
yêu cầu của sản phẩm.
Nhóm epoxy là một nhóm có độ hoạt động hóa học rất cao mà nguyên nhân là do sức
căng lớn của liên kết vòng ba cạnh cũng như độ phân cực của liên kết C–O. Do vậy, có
thể có hai phương pháp để đóng rắn nhựa epoxy dựa trên cơ sở phản ứng của gốc epoxy:
Sử dụng chất xúc tác cho phản ứng trùng hợp nhựa epoxy và sử dụng tác nhân kết hợp
Trang 11
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
trực tiếp vào mạch phân tử epoxy. Các chất đóng rắn xúc tác thường không được sử dụng
để đóng rắn trục tiếp nhựa epoxy mà được sử dụng để tăng tốc cho phản ứng đóng rắn
của chất đóng rắn cộng hợp, khi đó người ta gọi chúng là các chất xúc tiến. Các phản ứng
đóng rắn có thể là phản ứng của tác nhân electrophil tấn công vào nguyên tử oxy hoặc
của tác nhân nucleophil tấn công vào nguyên tử cacbon. Các loại nhựa epoxy thơm và
nhựa epoxy brom hóa thường có xu hướng tác dụng với tác nhân nucleophil trong khi các
loại nhựa epoxy mạch thẳng lại thiên về phản ứng với tác nhân electrophil. Bên cạnh đó,
tốc độ phản ứng đóng rắn của epoxy thơm tăng cao trong môi trường pH cao trong khi
nhựa epoxy mạch thẳng lại đóng rắn nhanh trong môi trương pH thấp. Dựa vào những
điều trên, người ta có thể quyết định loại chất đóng rắn và môi trường đóng rắn thích hợp
cho từng loại nhựa epoxy nhất định.
II.1.3.1 Đóng rắn bằng amin
Nhựa epoxy có thể được đóng rắn dựa trên phản ứng giữa nhóm epoxy với hydro linh

động trên nhóm amin bậc 1 hoặc bậc 2. Theo ghi nhận, có trên 50% lượng nhựa epoxy tại
Mỹ được đóng rắn bằng amin, trong đó các chất đóng rắn nhóm amin đa chức mạch
thẳng được sử dụng nhiều nhất do có độ nhớt thấp, giá thành rẻ, ít tạo màu cho sản phẩm
và đóng rắn được ở nhiệt độ thường. Tuy nhiên, chúng cũng có nhược điểm là dễ hút ẩm
và có độc tính, thời gian lưu ngắn và tỏa nhiều nhiệt khi đóng rắn, sản phẩm thu được có
khả năng chịu nhiệt kém. Do vậy, trong nhiều trường hợp, người ta phải tiến hành biến
tính các amin mạch thẳng trước khi sử dụng để đóng rắn.
Trang 12
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
Bên cạnh đó, để đáp ứng các yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể, người ta còn có thể
đóng rắn nhựa epoxy bằng amin thơm hoặc amin mạch vòng. Những chất này có ưu điểm
là thời gian lưu cao hơn, giúp tăng cường một số tính chất của sản phẩm sau đóng rắn.
Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là giá thành cao, ngoài ra các amin thơm còn khá độc,
yêu cầu đóng rắn ở nhiệt độ cao và khó trộn hợp với nhựa do ở dạng rắn.
II.1.3.2 Đóng rắn bằng axit
Bên cạnh chất đóng rắn amin, chất đóng rắn axit hữu cơ cũng là một nhóm chất đóng
rắn phổ biến, được sử dụng để đóng rắn cho trên 36% lượng nhựa epoxy tại Mỹ, đối với
nhựa epoxy dùng trong vật liệu compozit kết cấu thì tỷ lệ này đạt 70%. Các chất đóng rắn
axit thường là các axit hữu cơ đa chức cùng các anhydrit của chúng, quá trình đóng rắn
dựa trên phản ứng của gốc cacboxylic với gốc epoxy hoặc gốc hydroxyl.
Các chất đóng rắn axit có ưu điểm là rẻ, không độc hại, cho sản phẩm có độ bền uốn
tốt và chịu thời tiết. Trong gia công compozit, người ta thường sử dụng chất đóng rắn
anhydrit mà không dùng chất đóng rắn axit đa chức do chất đóng rắn anhydrit giúp tăng
các tính chất cơ – nhiệt – điện của vật liệu trong khi sản phẩm đóng rắn bằng axit đa chức
thường kém bền hóa chất. Bên cạnh đó, chất đóng rắn anhydrit còn có ưu điểm là độ nhớt
thấp, ít gây biến màu sản phẩm, sản phẩm ít bị co ngót và quá trình đóng rắn ít tỏa nhiệt.
Nhược điểm lớn nhất của chất đóng rắn anhydrit là yêu cầu nhiệt độ đóng rắn cao hoặc
Trang 13
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
phải sử dụng thêm xúc tác nếu đóng rắn ở nhiệt độ không cao (< 200

0
C) và thời gian
đóng rắn dài.
II.1.4 Ảnh hưởng của quá trình đóng rắn đến tính chất của nhựa epoxy
Quá trình đóng rắn là một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng tới tính chất của nhựa
sau đóng rắn. Một trong những phương pháp hữu hiệu để xác định quá trình đóng rắn
thích hợp là sử dụng biểu đồ Thời gian – Nhiệt độ – Trạng thái như biểu diễn dưới đây:
Trang 14
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
 T
g
nhựa là nhiệt độ hóa thủy tinh của nhựa chưa đóng rắn. Dưới nhiệt độ này nhựa
chưa đóng rắn ở trạng thái thủy tinh, do đó phản ứng đóng rắn gần như không thể
xảy ra.
 T
g
nhựa đóng rắn là nhiệt độ tương ứng với giao điểm của đường hóa thủy tinh
với đường đóng rắn. Dưới nhiệt độ này, nhựa sẽ hóa thủy tinh trước khi xảy ra
đóng rắn, do vậy phản ứng đóng rắn xảy ra rất khó khăn.
 T
g
∞ là nhiệt độ hóa thủy tinh của nhựa đã đóng rắn hoàn toàn. Dưới nhiệt độ này,
nhựa sẽ hóa thủy tinh trước khi quá trình đóng rắn diễn ra hoàn toàn, do vậy nhựa
sẽ không được đóng rắn hoàn toàn.
Trang 15
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
 Vùng thủy tinh chưa đóng rắn là vùng mà nhựa bị hóa thủy tinh trước khi quá
trình đóng rắn có thể xảy ra làm cản trở quá trình đóng rắn, do vậy nhựa gần như
hoàn toàn ở dạng chưa đóng rắn trong trạng thái thủy tinh.
 Vùng lỏng là vùng nhựa chưa đóng rắn ở trạng thái lỏng. Trong vùng này đa phần

là nhựa chưa đóng rắn có độ nhớt thấp, do vậy phản ứng đóng rắn có thể xảy ra dễ
dàng với tốc độ đóng rắn cao, tuân theo quy luật động học nhất định.
 Vùng cao su là vùng độ nhớt bắt đầu tăng cao khiến cho quá trình đóng rắn diễn ra
khó khăn hơn, tốc độ đóng rắn giảm dần, có sự cạnh tranh giữa phản ứng động học
và phản ứng hỗn loạn. Nếu nhiệt độ đóng rắn trong vùng này thấp hơn T
g
∞ thì
quá trình đóng sẽ bị dừng lại trước khi sản phẩm được đóng rắn hoàn toàn, tuy
nhiên sự dừng này có thể bị loại bỏ nếu tăng nhiệt độ đóng rắn lên trên T
g
∞. Cũng
cần chú ý rằng trong vùng cao su có chứa vùng phân hủy, do đó cần tránh việc
đóng rắn ở nhiệt độ cao trong thời gian quá dài.
 Vùng thủy tinh đóng rắn là vùng mà hệ đóng rắn đã chuyển sang trạng thái thủy
tinh do độ nhớt tăng cao, quá trình đóng rắn xảy ra hỗn loạn với tốc độ giảm nhanh
tới khi ngừng hẳn và không thể đảo ngược.
Việc hiểu rõ quá trình đóng rắn là rất quan trọng do quá trình đóng rắn không hoàn
thiện có thể ảnh hưởng trực tiếp tới nhiều tính chất sử dụng của vật liệu mà đặc biệt là
tính chất nhiệt, đồng thời có khả năng tạo thành các khuyết tật trong lòng sản phẩm, tạo
thành ứng suất nội gây phá hủy vật liệu trong quá trình sử dụng.
II.2 SƠN EPOXY
II.2.1 Ứng dụng của nhựa epoxy trong lĩnh vực sơn và màng phủ [2]
Ứng dụng trong sơn và màng phủ là ứng dụng chiếm tỷ trọng tiêu thụ nhựa epoxy
cao nhất trong số các ứng dụng của nhựa epoxy do nhựa epoxy có khả năng đóng rắn để
tạo thành lớp màng phủ liên tục bám dính tốt trên nhiều loại vật liệu, cung cấp cho vật
Trang 16
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
liệu khả năng chịu hóa chất và chịu ăn mòn tốt. Tuy nhiên, sơn epoxy có nhược điểm là
khả năng chịu tia UV kém, dễ bị ngả vàng và tạo phấn khi tiếp xúc lâu dài với môi
trường. Sơn epoxy thường được cung cấp dưới các dạng sau:

 Sơn dung môi truyền thống: Chứa hàm lượng rắn dưới 60% thể tích, ưu điểm là
sử dụng được những thiết bị gia công có sẵn, sơn khô và đóng rắn nhanh ở nhiệt
độ thường, cho lớp màng phủ có tính chất tốt, tuy nhiên nhược điểm là sử dụng
nhiều dung môi nên không thân thiện với môi trường.
 Sơn dung môi có hàm lượng rắn cao: Chứa hàm lượng rắn 60 - 85% thể tích, chủ
yếu sử dụng nhựa epoxy khối lượng phân tử thấp, ưu điểm nổi bật là khả năng tạo
màng phủ tốt, tuy nhiên cần phải sử dụng các biện pháp làm giảm độ nhớt của sơn.
 Sơn không dung môi: Sử dụng nhựa epoxy có khối lượng phân tử và độ nhớt
thấp, ưu điểm là giá thành thấp hơn, thân thiện hơn với môi trường, lớp màng tạo
thành ít khuyết tật hơn với khả năng chịu nhiệt, chịu hóa chất tốt. Nhược điểm cơ
bản của chúng là độ nhớt cao, khó tạo thành các lớp màng mỏng, màng phủ có tính
nhạy ẩm, chịu va đập kém, kém mềm dẻo và thời gian lưu ngắn.
 Sơn nhũ tương: Sử dụng nhựa epoxy khối lượng phân tử thấp phân tán trong
nước, có độ nhớt thấp, không độc hại nhưng giá thành cao, đóng rắn chậm trong
điều kiện nhiệt độ thường và độ ẩm cao, dễ bị chảy nhanh bất thường và yêu cầu
thiết bị gia công bằng thép không gỉ đắt tiền.
 Sơn bột: Sử dụng nhựa epoxy khối lượng phân tử trung bình hoặc nhựa epoxy
đóng rắn bằng nhóm hydroxyl, sản phẩm có độ bám dính tốt, khả năng chịu hóa
chất, ăn mòn và ma sát tốt. Sơn epoxy bột có thể đóng rắn ở điều kiện nhiệt độ
khoảng 150
o
C, cho lớp màng từ mỏng (30 - 40 μm) tới dày (50 - 150 μm) với độ
bao phủ tốt và khả năng thu hồi lượng vật liệu dư cao.
Do những tính chất đặc biệt cũng như khả năng sử dụng đa dạng, sơn epoxy được sử
dụng trong nhiều lĩnh vực trong đó nổi bật là:
Trang 17
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
 Sơn hàng hải và sơn thiết bị công nghiệp: Khả năng chịu hóa chất, chịu ăn mòn
và chịu ma sát tốt của màng phủ epoxy đã khiến cho màng phủ epoxy được sử
dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng hải và thiết bị công nghiệp do giúp kéo dài thời

gian giữa các lần bảo trì, tiết kiệm không nhỏ chi phí do không hoạt động của các
loại tàu thuyền, máy móc. Nhược điểm chính của sơn loại này là khả năng chịu
thời tiết không cao, do đó cần có các phương pháp để bảo vệ lớp sơn chống lại tác
động tiêu cực từ thời tiết.
 Sơn kim loại: Dùng để sơn lên kim loại trong nhiều thiết bị dân dụng cũng như
các chai, hộp đựng thực phẩm và đồ uống, chủ yếu sử dụng epoxy khối lượng
phân tử trung bình và chất đóng rắn oligome - polyme do yêu cầu khả năng chịu
hóa chất, dung môi, nhiệt và ăn mòn cao, bám dính tốt lên bề mặt kim loại, độ
mềm dẻo cao mà lại không gây ảnh hưởng tới những thứ chứa bên trong như thực
phẩm hay nước uống.
 Sơn xe hơi: Chủ yếu được sử dụng làm sơn lót hoặc sơn bên nội thất do khả năng
chịu tia UV kém.
II.2.2 Các thành phần chính của sơn epoxy
1. Chất tạo màng [2]
Mục đích chính của chất tạo màng là tạo thành một lớp màng liên tục bám dính trên
bề mặt cần bảo vệ, vừa có tác dụng bảo vệ vừa có tác dụng giữ các thành phần khác nằm
trong lớp màng sơn. Chất tạo màng cho sơn epoxy là nhựa epoxy đã được đóng rắn. Ở
đây ta xét chất tạo màng epoxy SER trong dung dịch đóng rắn bằng amin mạch thẳng và
polyamit. Nhựa epoxy SER khi đóng rắn cho mật độ khâu mạng lớn, độ dài giữa các vị
trí khâu mạng nhỏ, do vậy có độ cứng cao, độ bền kéo lớn, độ bền hóa chất tốt, khả năng
bám dính rất tốt nhưng lại khá giòn và kém bền va đập. Việc sử dụng chất đóng rắn amin
mạch thẳng và polyamit cho khả năng đóng rắn ở nhiệt độ thường thích hợp cho ứng
dụng sơn, tuy nhiên lại làm giảm khả năng chịu nhiệt cho lớp màng sơn. Các loại amin
Trang 18
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
mạch thẳng có độ nhớt thấp, giá rẻ và ít gây biến màu cho lớp màng sơn, tuy nhiên lại có
tính hút ẩm và tính độc hại, cho thời gian lưu ngắn và tỏa nhiệt mạnh khi đóng rắn, đồng
thời có ngưỡng sử tới hạn. Ngược lại, các loại polyamit lại có độ nhớt cao, giá thành cao
và có thể gây biến màu cho lớp màng sơn, tuy vậy lại khó bay hơi và ít độc hại, cho thời
gian lưu tốt và quá trình đóng rắn diễn ra êm dịu, đồng thời giúp bổ sung độ mềm dẻo

cho lớp màng sơn. Do đó, trong ứng dụng sơn, việc sử dụng kết hợp hai loại chất đóng
rắn amin mạch thẳng và polyamit là một giải pháp tốt để thu được công thức sơn với tính
chất tối ưu. Bên cạnh đó, sơn epoxy còn có nhược điểm là khả năng chịu tia UV kém, dễ
bị ngả vàng và tạo phấn khi tiếp xúc lâu dài với môi trường.
2. Bột màu [3]
Mục đích chính của bột màu là tạo màu cho lớp màng sơn, tuy nhiên nhiều loại bột
màu còn được sử dụng nhằm tăng tính chất cơ - lý cũng như khả năng bảo vệ của màng
sơn, đặc biệt là khả năng bảo vệ kim loại. Dựa vào tác dụng bảo vệ kim loại, có thể chia
bột màu ra làm 3 nhóm:
 Các loại bột màu thụ động, bao gồm bột than đen, bột màu trắng TiO
2
hay bột
màu đỏ Fe
2
O
3
Những loại bột màu này không có tác dụng bảo vệ đặc biệt ngoại
trừ khả năng làm tăng tính chống thấm khí cho lớp màng sơn. Bên cạnh khả năng
tạo màu, những loại bột màu này còn có thể làm tăng một số tính chất khác của
màng sơn như khả năng chịu tia UV, khả năng bền hóa chất hay khả năng chống
mài mòn
 Các loại bột màu bảo vệ hóa học, chủ yếu là bột kẽm kim loại. Bột kẽm kim loại
có tác dụng như một anot thay thế, đóng vai trò chất hi sinh cho bề mặt kim loại
cần bảo vệ. Sản phẩm ăn mòn của kẽm tạo thành một lớp bảo vệ thứ cấp giúp ngăn
chặn các tác nhân ăn mòn từ môi trường đi qua lớp màng, giúp duy trì lâu dài khả
năng bảo vệ của bột kẽm. Bên cạnh bột kẽm, người ta còn có thể sử dụng bột
nhôm, tuy nhiên tác dụng bảo vệ điện hóa của nó chỉ thực sự đáng kể khi lớp màng
sơn bị tổn thương.
Trang 19
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit

 Các loại bột màu bảo vệ thụ động hóa bề mặt kim loại, chủ yếu là các loại muối
kẽm như kẽm photphat, kẽm cromat hay kẽm molybdat Những loại bột màu này
có khả năng điện ly tạo thành ion khi màng sơn bị nước xâm nhập, các anion tạo
thành đi tới bề mặt kim loại tạo muối không tan làm thụ động hóa bề mặt kim loại,
giúp bảo vệ bề mặt kim loại khỏi sự ăn mòn điện hóa. Một nhược điểm của các
loại bột màu này là đa phần đều có độc tính nhất định, đặc biệt là kẽm cromat.
 Một số tính chất kỹ thuật của bột màu.
• Khả năng che phủ
Là khả năng bột màu tạo ra một lớp phủ không trong suốt, khả năng che phủ là lượng
bột màu cần thiết để che phủ cho một đơn vị diện tích bề mặt được phủ, có đơn vị là
g/m
2
. Khả năng che phủ càng lớn thì lượng bột màu cần dùng càng ít. Khả năng che phủ
của bột màu phụ thuộc vào kích cỡ bột màu, lượng hạt bột màu trong chất tạo màng. Do
đó, độ phủ phụ thuộc vào mức độ phân tán của bột màu trong chất tạo màng.
Lượng bột màu trong sơn được xác định bằng nồng độ thể tích bột màu:
V
p
PVC = x 100% (%)
V
p
+ V
b
Trong đó: PVC: nồng độ thể tích bột màu (%).
V
p
: thể tích bột màu, bột độn (cm
3
).
V

b
: thể tích chất tạo màng, hóa dẻo, phụ gia (cm
3
).
• Độ ngấm dầu
Là lượng dầu sơn được tính bằng gam dùng để ngấm ướt 100g bột màu tạo thành bột
nhão, độ ngấm dầu của bột màu càng bé càng tốn ít dầu sơn. Trong thực tế, lượng dầu
sơn cần thiết để pha sơn thường dùng gấp đôi độ ngấm dầu của bột màu sử dụng.
• Kích thước hạt.
Trang 20
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
Là một yếu tố quan trọng đặc trưng cho sự tán xạ ánh sáng của bột màu. Tuy nhiên
cũng sẽ có một giới hạn, không thể giảm kích thước hạt đến vô hạn. Mặt khác, sự tán xạ
ánh sáng cũng còn phụ thuộc vào nồng độ thể tích bột màu.
3. Bột độn [4]
Khác với các loại bột màu, các loại bột độn có chỉ số khúc xạ xấp xỉ chỉ số khúc xạ
của chất tạo màng, do vậy không làm ảnh hưởng tới các tính chất quang học như màu sắc
của lớp màng sơn. Bột độn được sử dụng nhằm mục đích chính là giảm giá thành cho sản
phẩm sơn, bên cạnh đó còn có thể ảnh hưởng tới một số tính chất khác của lớp màng sơn.
Hai loại bột độn thông dụng nhất trong ứng dụng sơn và màng phủ là bột BaSO
4
và bột
Talc.
• Bột BaSO
4
có tỷ trọng khoảng 4,1 g/cm
3
và chỉ số khúc xạ 1,64. Bột BaSO
4

có thể
thu được từ khoáng barit có trong tự nhiên với lượng tạp chất lên tới 10% hoặc từ
quá trình tổng hợp kết tủa với độ đồng đều và độ tinh khiết cao. Bột BaSO
4
có ưu
điểm là giá thành rẻ, không gây ảnh hưởng tới màu sắc của màng sơn, hoàn toàn
trơ với kiềm và axit, khả năng chống chịu thời tiết và ánh sáng tuyệt vời.
• Bột Talc là một loại bột độn thu được từ khoáng vật trong tự nhiên với tỷ trọng
khoảng 2,8 g/cm
3
và kích thước hạt khoảng 10 - 40 μm. Một đặc tính nổi bật của
bột Talc là cấu trúc bao gồm các lớp tinh thể dạng đĩa dễ dàng trượt lên nhau tạo
cho bột Talc độ cứng thấp và khả năng làm suy yếu cấu trúc của lớp màng sơn,
chuyển sự phá hủy tại bề mặt liên kết sơn - nền thành sự phá hủy bên trong lòng
lớp màng sơn. Bên cạnh đó, bột Talc rất trơ hóa học, rất kỵ nước nhưng lại ưa dầu,
do đó dễ dàng phân tán trong các hệ sơn dung môi và làm tăng tính chống thấm
khí cũng như chống thấm nước cho màng sơn. Cũng như bột BaSO
4
khoáng vật,
bột Talc có thể chứa một số tạp chất, chủ yếu là khoáng clorit và dolomit.
4. Phụ gia
4.1. Phụ gia phân tán [4, 13]
Trang 21
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
Phụ gia phân tán là loại phụ gia có tác dụng giúp tăng sự phân tán của bột độn và bột
màu vào hệ dung môi - chất tạo màng. Chúng thường là các hợp chất phân đoạn với các
đoạn ưa nước và kỵ nước xen kẽ nhau giúp liên kết các phần tử có tính chất đối nghịch
nhau trong hệ sơn mà thông dụng nhất là các copolyme block với khối lượng phân tử và
thành phần các block xác định. Các loại phụ gia phân tán tiêu biểu là polyglycol ete, axit
béo etoxy hóa và các loại polyuretan phân đoạn.

Trong quá trình chế tạo sơn cần chú ý để đạt được sự phân tán đồng đều của hỗn hợp
bột độn và bột màu trong môi trường sơn lỏng. Để phân tán đồng đều phải nghiền các cục
bột màu bị vón và thấm ướt đồng đều từng hạt bột màu với môi trường sơn lỏng. Để làm
ướt bề mặt sơn, các bọt khí và nước hấp thụ trên bề mặt của bột màu phải được thay thế
bằng môi trường sơn. Trên thực tế, bề mặt của bột màu khác nhau về khả năng thấm ướt.
Một số dễ dàng thấm ướt với nước đó là những chất ưa nước. Các bề mặt khác chỉ thấm
rất ít với nước nhưng lại thấm dễ với dầu đó là những hợp chất ưa dầu. Nhìn chung đại đa
số loại bột độn và bột màu là những chất ưa dầu. Tuy nhiên trong thực tế có nhiều bột
màu- môi trường rất khó phân tán ví dụ: bột màu hữu cơ trong nước, trong các loại nhũ
tương, than đen trong sơn dung môi…
Quá trình thấm ướt có thể tiến hành dễ dàng hơn bằng cách đưa vào những chất phân
tán bột màu hay còn gọi là những chất hoạt tính bề mặt. Các chất hoạt tính bề mặt là
những chất hữu cơ có chứa các nhóm có cực (ưa nước) và không cực (kị nước, ưa dầu).
Có nhiều giai đoạn xảy ra trong quá trình phân tán bột màu. Có thể phân quá trình
này thành 3 bước như sau:
• Bước 1: Thấm ướt bột màu. Tất cả khí và hơi ẩm trên bề mặt bột màu được
thay thế bởi dung dịch nhựa. Tương tác bề mặt rắn – khí giữa bột màu và khí được
thay thế bởi tương tác rắn – lỏng giữa bột màu và dung dịch nhựa. Dung dịch nhựa
phải thấm ướt toàn bộ không gian giữa các hạt bột màu.
Trang 22
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
• Bước 2: Phân tán bột màu. Nhờ năng lượng cơ học (va chạm hoặc lực cắt),
các khối bột màu kết tụ phá vỡ và giảm kích thước.
• Bước 3: Ổn định phân tán. Các hạt bột màu sau khi phân tán cần được ổn
định để ngăn chặn sự kết tụ không mong muốn. Các hạt bột màu cần được giữ
khoảng cách phù hợp với nhau để chúng không thể tạo được kết tụ. Trong hầu hết
các ứng dụng, sự ổn định mong muốn là sự phân tách của các hạt bột màu, tuy
nhiên trong một số trường hợp, sự ổn định thu được nhờ kết tụ có điều chỉnh.
Bước 1 và bước 3 chịu ảnh hưởng của phụ gia. Các loại phụ gia thấm ướt xúc tiến
quá trình thấm ướt bột màu bởi nhựa, các loại phụ gia phân tán ổn định sự phân tán bột

màu. Thông thường các phụ gia có cả chức năng thấm ướt lẫn ổn định phân tán bột màu.
Sự thấm ướt bột màu của dung dịch nhựa bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố: bán kính
mao quản trong các khối bột màu, độ nhớt dung dịch nhựa, sức căng bề mặt của nhựa,
góc tiếp xúc giữa nhựa và bột màu. Phụ gia thấm ướt là những chất có khả năng làm giảm
góc tiếp xúc giữa bột màu và dung dịch nhựa và kết quả là làm tăng tốc quá trình thấm
ướt của nhựa vào trong cấu trúc của hạt bột màu. Đặc trưng của các chất này là cấu trúc
hoạt động bề mặt của chúng. Đó là sự kết hợp của một phần phân cực- ái nước với một
phần không phân cực – kị nước. Về mặt hoá học, các loại phụ gia thấm ướt được chia
thành loại ion và phi ion.
Phụ gia phân tán hấp thụ lên bề mặt bột màu và duy trì khoảng cách thích hợp
giữa các hạt bột màu nhờ hiệu ứng đẩy tĩmh điện hoặc cản trở không gian, do đó giảm xu
hướng kết tụ của bột màu.
Hiệu ứng đẩy tĩnh điện: Các hạt bột màu trong sơn lỏng mang điện tích trên bề
mặt. Qua việc sử dụng phụ gia, điện tích có thể tăng và hơn nữa các hạt bột màu được
tích điện cùng dấu. Các cặp ion tập chung sát bề mặt hạt bột màu (trong pha lỏng) tạo
thành một lớp điện tích kép. Độ ổn định tăng theo chiều dày lớp điện tích kép. Cơ chế ổn
định nhờ lực đẩy tĩnh điện đặc biệt hữu ích đối với hệ nhũ tương. Về hoá học, các phụ gia
Trang 23
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
này là những chất điện ly khối lượng phân tử cao có chứa nhiều điện tích tại các nhánh.
Do cấu trúc hoá học, các phụ gia phân tán này cũng thể hiện tính chất thấm ướt, do đó
trên thực tế không cần kết hợp chúng với các phụ gia thấm ướt khác.
Hiệu ứng cản trở không gian: Các phụ gia phân tán kiểu cản trở không gian có cấu
trúc đặc trưng. Thứ nhất, tất cả các phụ gia loại này đều chứa một hay nhiều nhóm ái lực
– nhóm kết dính mà tạo ra sự hấp phụ bền lên bề mặt hạt bột màu. Thứ hai, tất cả các phụ
gia chứa các mạch hydrocacbon tương hợp nhựa. Sau khi phụ gia được hấp phụ trên bề
mặt bột màu, các chuỗi này duỗi ra, hướng vào dung dịch nhựa xung quanh. Lớp hấp phụ
phân tử của phụ gia với các mạch nhô ra được gọi là hiệu ứng cản trở không gian. Hiệu
ứng ổn định trên được tăng thêm bởi tương tác của các segment trong phân tử của phụ gia
và nhựa theo cách làm tăng lớp bao quanh hạt bột màu. Cơ chế ổn định này xảy ra trong

các hệ dung môi. Với cấu trúc đặc biệt bao gồm sự kết hợp của các nhóm ái bột màu
(phân cực) và các nhóm tương hợp nhựa (không phân cực), các phụ gia này cũng thể hiện
tính chất hoạt động bề mặt, hay nói một cách khác là chúng không chỉ ổn định phân tán
bột màu, mà chúng còn có chức năng của phụ gia thấm ướt.
Một số loại phụ gia phân tán thường được sử dụng
o Texaphor: phụ gia phân tán của Đức
o Disperbyk: Phụ gia phân tán của hãng BYK của Đức
o Anti-Terra: Phụ gia phân tán của hãng BYK của Đức
4.2. Phụ gia cải thiện sự thấm ướt bề mặt [4]
Tùy thuộc vào loại sơn và điều kiện sử dụng, sức căng bề mặt có thể sinh ra trên bề
mặt phân cách sơn - nền gây cản trở sự chảy của sơn chưa khâu mạng trên nền. Để khắc
phục điều này, người ta cần phải bổ sung các chất phụ gia hoạt động bề mặt nhằm cải
thiện sự thấm ướt bề mặt mà thông dụng nhất là polyacrylat và polysiloxan cũng như các
hợp chất polysiloxan biến tính. Khi cần tăng khả năng thấm ướt trên các bề mặt cần sơn
Trang 24
Đồ án chuyên ngành kỹ sư polyme và compozit
chứa nhiều tạp chất, phụ gia nhóm florin được sử dụng nhằm tăng cường khả năng thấm
ướt để bù lại sức căng bề mặt sinh ra bởi tạp chất.
4.3. Phụ gia lưu biến [4]
Tính lưu biến là một tính chất quan trọng của hỗn hợp sơn. Khi lưu kho, hỗn hợp sơn
cần phải có độ nhớt cao để chống lắng còn khi sử dụng, hỗn hợp sơn lại cần phải có độ
nhớt thấp để có thể đạt được quá trình tối ưu, tuy nhiên khi đã được đưa lên bề mặt nền,
hỗn hợp sơn lại cần phải có độ nhớt đủ lớn để không bị chảy dọc trên bề mặt nền. Những
điều trên có thể đạt được nhờ tính xúc biến và tính giả dẻo của hỗn hợp sơn, các loại phụ
gia lưu biến có tác dụng điều chỉnh những tính chất đó của hỗn hợp sơn. Những phụ gia
lưu biến thông dụng cho sơn bao gồm các loại nhựa polyuretan, polyure và polyacrylat
biến tính, axit silicic dạng khói, bentonit, laponit, các loại xenlulo biến tính mà đặc biệt là
xenlulo ete Tính xúc biến của hỗn hợp sơn được thể hiện ở chỗ khi bị tác dụng một
ngoại lực, độ nhớt của hỗn hợp giảm dần tỷ lệ với ngoại lực đó, sau đó khi không chịu tác
dụng của ngoại lực nữa thì độ nhớt của hỗn hợp lại tăng dần tới một giá trị thấp hơn so

với giá trị độ nhớt ban đầu. Sự thay đổi độ nhớt này của hỗn hợp sơn cần phải được điều
chỉnh một cách hợp lý nhằm đáp ứng yêu cầu đối với từng giai đoạn của quá trình sơn.
4.4. Phụ gia phá bọt [5]
Sự tạo bọt xảy ra khi các bọt khí thâm nhập vào hỗn hợp sơn, được thấm ướt và ổn
định tốt tương tự các thành phần bột màu - bột độn, tạo thành các khuyết tật trên lớp
màng sơn sau khi khâu mạng. Sự tạo bọt này thường xảy ra ở các hỗn hợp sơn nước hơn
là các hỗn hợp sơn dung môi, bọt này được ổn định nhờ sự có mặt của các loại phụ gia
hoạt động bề mặt có trong thành phần sơn. Các chất phá bọt là các chất có sức căng bề
mặt thấp, có tác dụng làm giảm tính ổn định của lớp màng bảo vệ bọt khiến cho bọt bị
phá hủy như các loaị dầu silicon và dầu khoáng.
Trang 25