Giao trình công nghệ sản xuất sơn

Sơn và chất phủ bề mặt

Muc luc

1


Sơn và chất phủ bề mặt

1. Tổng quan:
1.1. Lịch sử phát triển[1]:
Người nguyên thủy đã tạo ra sơn lần đầu tiên vào khoảng 25.000 năm trước.Họ đã lấy cảm hứng
từ việc tạo hình thành các bức tường đá trong hang động của mình để phác thảo và tô màu các
hình dạng của các loài động vật bị săn bắn.Phân tích hóa học của bức tranh hang động được phát
hiện tại Altamira (Tây Ban Nha) và Lascaux (Pháp) cho thấy các chất màu chính được sử dụng
dựa trên sắt và mangan oxit. Ba màu sắc cơ bản được tìm thấy trong hầu hết các bức tranh hang
động, cụ thể là đen, đỏ và vàng. Các màu này có được xuất phát từ gỗ bị cháy, cacbonat sắt màu
vàng và đá phấn.Tuyệt nhiên, không tìm thấy sự xuất hiện của chất màu trắng (sắc tố phổ biến
nhất sử dụng ngày nay).
Những chất màuđã được nghiền thành bột mịn trộn với nước, tủy xương, mỡ động vật, lòng
trắng trứng, hoặcđường thực vật để tạo thành các loại sơn.Những loại sơn có độ bền rất kém vì
hầu như chỉ giúp cho sơn bám lại trên tường.
Người Ai Cập phát triển nghệ thuật sơn đáng kể trong khoảng thời gian khoảng năm 3000-600
BC với đa dạng hơn. Bên cạnh đó người La Mã và người Hy Lạp cũng đã tìm ra những cách mới
để phát triển sơn.( paint and surface coating ).Thuật ngữ “sơn” và “lớp phủ bề mặt” thường được
hoán đổi cho nhau.Bề mặt lớp phủ là mô tả tổng quát khi phủ vật liệu nào đó thành một lớp
mỏng trên một bề mặt.
Cuộc cách mạng công nghiệp sơn đã mở ra những hướng đi tích cực nhằm phục vụ cho nhu cầu
phát triển của xã hội. Cuộc cách mạng kỹ thuật của thế giới đã tác động thúc đẩy phát triển
ngành công nghiệp sơn từ thế kỷ 18,nguyên liệu chế tạo sơn chủ yếu là từ các loại dầu thiên
nhiên và bột màu vô cơ chất lượng thấp nên chất lượng sơn vẫn chưa cao. Ngành công nghiệp

sơn chỉ có thể phát triển nhảy vọt khi xuất hiện trên thị trường các loại nhựa tổng hợp tạo màng
sơn cùng với các loại bột màu hữu cơ chất lượng cao và nhất là sự xuất hiện của sản phẩm bột
màu trắng đioxit titan (TiO2) là loại bột màu chủ đạo, phản ánh sự phát triển của công nghiệp sơn
màu. Các mốc phát triển công nghiệp sơn (được khởi đầu từ thế kỷ 20 đến cuối thế kỷ 20) có thể
được phản ánh như sau:
Bảng 1.1. Các loại sơn được phát triển theo thời gian
Thời gian (năm)
1923
1924
1928
1930
1933
1934
1936

Phát triển nhựa
nhựa Nitrocellulose, alkyd
Bột màu TiO2
Nhựa Phenol tan trong dầu béo
Nhựa Amino Urea Formaldehyde
Nhựa Vinyl Clorua đồng trùng hợp
Nhựa nhũ tương trong gốc dầu
Nhựa Acrylic nhiệt rắn
2


Sơn và chất phủ bề mặt

1937
1939

1944
1947
1950
1955
1958
1960
1962
1963

Nhựa Polyurethan
Nhựa Amino melamin Formaldehyde
Sơn gốc Silicone
Nhựa Epoxy
Nhựa PVA và Acrylic laquer
Sơn bột tĩnh điện
Sơn xe hơi gốc Acrylic laquer
Sơn công nghiệp gốc nước
Sơn điện di kiểu Anode
Sơn đóng rắn bằng tia EB và UV

Ở Việt Nam, cha ông ta từ gần 400 năm trước đã biết dùng sơn ta từ cây sơn mọc tự nhiên chế
biến thành sơn trang trí và bảo vệ cho chất lượng gỗ của các pho tượng thờ, các tấm hoành phi
câu đối. Lớp sơn bảo vệ này chất lượng hầu như không thay đổi sau hàng trăm năm sử dụng,
đến nay vẫn được coi là nguyên liệu chất lượng cao dùng cho ngành tranh sơn mài được ưa
chuộng cả trong và ngoài nước hoặc một số loại dầu béo như: dầu chẩu và dầu lai hoặc nhựa
thông từ cây thông ba lá mọc tự nhiên tại Việt Nam.
Thách thức của ngành công nghiệp sơn trong tương lai là phải tìm được giải pháp cân bằng giữa
một bên là sức ép về chi phí của năng lượng, nguyên liệu và đáp ứng quy định luật an toàn môi
trường của chính phủ với một bên là yêu cầu của thị trường là chất sơn phải hoàn hảo với giá cả
tốt nhất. Các thách thức này sẽ tạo ra nhiều cơ hội cho ngành sơn công nghiệp thế giới nghiên

cứu và triển khai các giải pháp công nghệ mới, nguyên liệu mới và sản phẩm mới đó chắc chắn
cũng là tác động tích cực đối với sự phát triển hơn nữa của ngành công nghiệp này[2].
1.2. Ứng dụng:
Bảo vệ bề mặt và cấu trúc bên trong của vật liệu được phủ, bảo vệ vật liệu tránh được các tác
động xấu từ mội trường như sự oxi hóa, hơi ẩm , các vi sinh vật tồn tại sẵn trong môi trường. đối
với các phương tiện vận tải biển thì đòi hỏi sơn phải kháng được nấm mốc, chống hà, cũng có
khả năng phát quang trong bóng tối , kháng được các loại hóa chất , cách nhiệt ,…….
Về mặt thẩm mĩ, sự đa dạng trong màu sắc của sơn đáp ứng được ý thích của từng người trong
việc trang trí nhà cửa, đồ nội thất ,các vật dụng cần thiết trong gia đình,thiết bị. Yếu tố thiết yếu
khác là màng phủ phải đảm bảo sức khỏe của người sử dụng , thân thiện với môi trường.

3


Sơn và chất phủ bề mặt

Hình 2.1 Hình ảnh khái quát thành phần của lớp phủ và cách hình thành màng sơn [3]

2. Các thành phần cơ bản của sơn.
2.1 Binder and polymer:
2.1.1 Polymer tự nhiên [39]
Ban đầu polymer tự nhiên đã được sử dụng như là các chất phủ bề mặt được dựa trên các loại
dầu tự nhiên, gôm, và nhựa,có tính đàn hồi khi kết hợp với nhau. Các loại dầu chất béo trung tính
tìm thấy tự nhiên vẫn được sử dụng đáng kể trong alkyds dầu và được sử dụng ở mức độ thấp
hơn trong các sản phẩm acid béo biến tính như este, nhựa epoxy. Việc sử dụng khác sản phẩm tự
nhiên đã giảm đi một lượng nhỏ, do một phần hạn chế ở điều kiện sẵn có, nhưng một số loại
nhựa tự nhiên vẫn được sử dụng trong thành phần nhựa dầu.

Hình 2.1.1.2 Sản xuất dầu cọ [54]
4

Sơn và chất phủ bề mặt

Các sản phẩm tự nhiên được biền tính từ xen-lu-lô, ở đây ta nói đến chất 'nitrocellulose', đó là
chất kết dính lớn vẫn thường được sử dụng.
Nitrocellulose, chính xác là cellulose nitrat, thu được bằng cách nitrat cellulose một cách cẩn
thận theo các điều kiện quy định, đồng thời kiểm soát số lượng của sự giảm cấp của chuỗi và
mức độ của nitrat hóa của các nhóm hydroxyl của cellulose. Phản ứng nitrat hóa trong Este của
cellulose cũng có thể được thực hiện, và các cellulose ester hỗn hợp butyrate acetate được sử
dụng như một phụ gia nhựa, đặc biệt là đối với sơn acrylic.
Các dẫn xuất Cellulose như hydroxy ethyl cellulose và các muối của carboxy methyl cellulose
cũng tìm thấy sử dụng như là chất keo bảo vệ trong các phản ứng trùng hợp nhũ tương các
monome nhóm vinyl.

Hình.2.1.1.2 Phản ứng nitrat hóa cellulose [40]
2.1.2 Dầu và axit béo [41]
Dầu và các axit béo có nguồn gốc từ thực vật vẫn đóng một vai trò quan trọng trong bề mặt lớp
phủ ngày hôm nay vì tính sẵn có của nó và là một nguồn tài nguyên có thể tái tạo. Loại dầu này
là este glycerol hỗn hợp của chuỗi dài (thường CIS) monocarboxylic axit được gọi là axit béo,
các loại dầu chưa tinh chế cũng chứa axit béo tự do, lecithin và các thành phần khác. Các loại
dầu hữu ích trong lớp phủ bao gồm dầu hạt lanh, dầu đậu nành đậu, dầu dừa,...
Nhiều quốc gia sẽ tìm thấy một số ứng dụng cho các loại dầu bản địa.Khi lien kết hóa học vào
trong nhựa, dầu đóng góp một vai trò linh hoạt, và với các loại dầu, liên kết oxy hóa tiềm năng,
một trong những mối quan hệ thích hợp trong khai thác sơn.Cần phải nói thêm rằng trong tìm
kiếm một giải pháp thay thế tổng hợp cho các loại dầu thô, chỉ có allyl ete đã được tìm thấy và
được tiếp cận, sở hữu những tính chất tương tự và hữu ích.
Dầu được phân loại như sấy khô, bán khô, hoặc không làm khô, và điều này có liên quan đến
tính chất của dầu chưa biến tính, tùy thuộc vào trạng thái của riêng nó, có khả năng oxy hóa và
khâu mạng. Việc này có liên quan trực tiếp liên quan đến nồng độ của các axit béo khác nhau

chứa trong cấu trúc của dầu.

5


Sơn và chất phủ bề mặt

Hình 2.1.2 Cấu trúc của dầu tự nhiên [42]

Bảng 2.1.2Thành phần dầu chính được sử dụng trong chất phủ bề mặt [43]

2.1.3 Oleoresinous media [44]
Nhựa dầu được sản xuất bằng cách nung nóng một hoặc hai loại dầu tự nhiên hoặc một số loại
dầu tổng hợp lại với nhau. Trong quá trình này, nhựa hòa tan hoặc phân tán trong phần dầu của
nhựa.

6


Sơn và chất phủ bề mặt

Hình 2.1.3 Oleoresinous Synthetic Fiber Vamished Silk [45]
Nhựa dầu là loại sản phẩm có thể là cơ bản nhất được sử dụng đầu tiên trong ngành công nghiệp
sơn phủ. Quy trình sản xuất bao gồm nung nóng các loại nhựa với nhau cho đến khi sản phẩm trở
nên rõ ràng (có thể là thử nghiệm bằng cách làm lạnh một mẫu của vật liệu trên một tấm lạnh) và
đạt các yêu cầu về độ nhớt. Nhiệt độ thường được sử dụng để các liên kết có thể xảy ra là khoảng
240°C hoặc cao hơn, và hiệu suất tốt nhất thường thu được khi nhựa được thực hiện gần điểm gel
hóa. Phản ứng gần điểm kết thúc có thể được thực hiện nhanh chóng.Sau khi đạt được điểm kết
thúc sản phẩm có thể được làm lạnh.
Nhựa dầu tiếp tục được sử dụng cho một số ứng dụng, mặc dù nó có sự cạnh tranh của nhựa

alkyds và nhựa tổng hợp khác với công dụng khác đa dạng hơn. Nhựa dầu vẫn có lợi thế trong
lĩnh vực sơn vecni, sơn mài, sơn lót, sơn tĩnh diện và sơn tàu và còn lại sử dụng trong mực in...
2.1.4 Alkyl resins [46]
Alkyl resins là một trong những ứng dụng đầu tiên của loại polyme tổng hợp trên bề mặt công
nghệ lớp phủ, nó đã thành công trong việc kết hợp hai hay nhiều loại dầu có nguồn gốc từ axit
béo thành một cấu trúc polymer polyester.

Hình 3.1.4.1 Sự hình thành monoglycerride [47]
Lợi ích của việc kết hợp này là tăng cường các tính chất cơ học, tăng tốc độ làm khô và độ bền
của lớp phủ. Dầu alkyd dài, có thể tùy chọn pha trộn với alkyds khác để tăng độ dai hoặc thay
7


Sơn và chất phủ bề mặt

đổi độ RHE- ology, alkyl resins vẫn là nhựa chính được sử dụng trong dung môi lớp phủ. Ứng
dụng của nó gần đây đã mở rộng thành chất có độ rắn cao hơn và sử dụng ở dạng nhũ tương.Để
sản xuất ra các sản phẩm thân thiện với môi trường. Dầu alkyds ngắn vẫn được sử dụng trong
ngành công nghiệp nói chung, chúng được kết hợp với nhựa melamine, nhựa formaldehyde.
Dưới đây là quá trình tổng hợp polymer glycerol alkyl.

Hình 2.1.4.2 Sự hình thành polymer glycerol alkyd [48]
2.1.5 Polyester resins [49]
Trong hóa học, nhựa polyester bao gồm polyeste bão hòa, polyester không bão hòa, và alkyd.
Các polyeste không bão hòa có chứa nhóm vinyl chưa bão hòa, mà thường nhất là nhựa maleic
có chứa một phần hoặc toàn bộ monomer vinyl hoặc acrylic. Nhựa Polyester thường được tổng
hợp bằng phản ứng di-hydrid hoặc polyhydrid rượu và di-acids hoặc tri-acids cơ bản hoặc
anhydrit, và được pha loãng với dung môi bình thường. Phần lớn được áp dụng cho cả polyester
bão hòa và chưa bão hòa.Việc sử dụng của các mono acids cơ bản cũng không bị loại trừ từ định
nghĩa của polyester. Đó là một thuận lợi để gọi một polyester có chứa nhóm lauric hoặc stearic

của một acid alkyd, polyeste có chứa chuỗi chỉ ngắn hơn axit béo, bao gồm cả trọng lượng phân
tử thấp hơn nhánh tổng hợp axit béo, và axit thơm mono cơ bản, chẳng hạn như axit benzoic.

8


Sơn và chất phủ bề mặt

Hình 2.1.5.1 Nhựa polyester [50]
Polyeste có thể được hình thành ở cả trọng lượng phân tử thấp để sử dụng trong các chất rắn có
kết cấu cao, và trọng lượng phân tử cao hơn, và có thể là cả hai nhóm hydroxy và các acid chức
năng. Kể từ khi họ loại trừ dầu rẻ hơn hoặc các thành phần acid béo của các alkyd và để bình
thường về bản chất các loại đắt tiền hơn, nhiều nỗ lực để tạo ra nguyên liệu nhằm khai thác
những hiệu suất cao hơn có khả năng xảy ra, nỗ lực cho sự phát triển của nguyên liệu mới, Cuối
cùng polyester mới cũng được tạo thành và có ứng dụng cao hơn.
Trong việc lựa chọn polyester mới, có ba yếu tố ảnh hưởng đến độ bền.Cả hai yếu tố về không
gian và nhóm chức lân cận hoặc 'anchimeric' hiệu ứng ảnh hưởng đến sức đề kháng thủy phân
[SI. Các sự vắng mặt của các nguyên tử hydro vào các phiên bản beta nguyên tử cacbon nhóm
hydroxyl và nhóm tiếp theo; ester là một yếu tố chính xác định sức đề kháng của liên kết este với
phá vỡ dưới ảnh hưởng của nhiệt hoặc bức xạ. Những yêu cầu này được đáp ứng polyols như
1,4-cyclohexane dimethanol (CHDM) và 2,2,4-trimethyl-1, 3 - pentane diol (TMPD), nơi một
lượng hydro beta giảm hoặc bị cản trở, và trong các vật liệu như trimethylol propane (TMP),
neopentyl glycol (NPG), hydroxy hydroxypivalyl pivalate (HPHP), và 2-butyl-2-etyl propan diol
(BEPD) (Hình 2.1.5.2).

9


Sơn và chất phủ bề mặt

Hình 2.1.5.2 Cấu trúc điển hình của polyol ở vị trí beta cản trở đến nhóm OH [51]
2.1.6 Acrylic polymers [52]
Polyme acrylic được sử dụng rộng rãi do các tính chất tuyệt vời của nó, bởi tính kháng hóa chất
và kháng thời tiết. Acrylic là từ chung để chỉ các polymer có chứa các este acrylat và
methacrylate trong cấu trúc của chúng cùng với nhóm vinyl của các hợp chất không bão hòa. Cả
hai hệ thống nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn có thể hình thành bao gồm các monome có nhóm
chức năng để cung cấp cho các phản ứng khâu mạng của cấu trúc polymer ban đầu. Vinyl /
acrylic có khả năngtrùng hợp đặc biệt linh hoạt, trong đó khả năng là rộng hơn trong ngưng tụ
trùng hợp, kiểm soát cấu trúc polymer và trong việc đưa ra các tính năng đặc biệt, ví dụ, bằng
cách sử dụng các giai đoạn thay đổi sau sự hình thành ban đầu

10


Sơn và chất phủ bề mặt

Hình 2.1.6 Polyme acrylic [53]

11


Sơn và chất phủ bề mặt

2.1.7 Phenol formaldehyde resins[4]:

Hình 2.1.7.1 Phản ứng tạo phenol formaldehyde[26]

Hình 2.7.1.2 Hình ảnh về hạt nhựa phenol formaldehyde.[27]

12

Sơn và chất phủ bề mặt

Hình 2.7.1.3. Ứng dụng nhựa phenol formaldehyde làm ván ép[28]
Phản ứng của formaldehydevớiphenoltạo racácloại nhựa. Hai loại chính được sản xuất rộng rãi là
novolac ( nhựa nhiệt dẻo) và resol (nhựa nhiệt rắn), tùy vào lượng dư phenol hoặc formaldehyde
và xúc tác mà tạo sản phẩm là dạng novolac hay resol. Nhựa novolac và resol ít dùng làm sơn vì
cấu trúc của chúng khó hòa tan trong hydrocacbon và không trộn được với dầu thực vật.
Nhựa phenol được sử dụng rộng rãi chỉ khi nó được biến tính: nhựa phenol 100 % (nhựa phenol
có nhóm thế para), nhựa phenol folaldehyde biến tính.
Nhựa phenol 100 % (với nhóm thế alkyl): nhựa tan trong hydrocacbon mạch thẳng và
hydrocacbon thơm, trộn được với dầu, kích thước nhóm thế càng lớn càng dễ trộn nhưng độ
cứng của nhựa giảm đi.
Nhựa phenol folaldehyde biến tính: biến tính bằng nhựa thông, bằng rượu, bằng dấu thực vật.
Nhựa sau khi biến tính cho màng sơn có độ đàn hồi tương đối, bền với dung môi, thời tiết vì vậy
thường được dùng sản xuất sơn men bền với xăng dầu, sơn đồ hộp chịu acid.
2.1.8 Nhựa epoxy[5]:
Nhóm epoxy hoặc oxirane được dùng để tổng hợp nhựa và khâu mạng tốt. nhựa epoxy là sản
phẩm của epichlorhydrin và Bisphenol A. Nhựa epoxy thường kết hợp với nhựa formaldehyde
melamine (MF), với alkyds tạo thành epoxy alkyds ( nhóm epoxy biến tính và nhóm alkyds biến
tính khâu mạng hình thành mạng không gian). Ví dụ: nhựa epoxy + nhựa PF tạo thành lớp phủ
không hòa tan, trọng lượng phân tử cao, kháng hóa chất tốt, phù hợp làm vỏ hộp thực phẩm, chất
phủ cho thùng chứa hóa chất.
Nhựa epoxy thường sử dụng phổ biến khi kết hợp cùng với Bis phenol A tạo ra sản phẩm có đặc
tính nổi bật như: kháng hoa chất tốt (liên kết C-C và ete ổn định trong mạch chính), độ cứng và
ổn định nhiệt tốt ( cấu trúc vòng thơm ), nhựa epoxy thơm có màu vàng tạo màu trong sơn lót
chống ăn mòn.

13

Sơn và chất phủ bề mặt

Hình 2.1.8.1. Cấu trúc phổ biến của DGEBA[30]
Nhựa epoxy cũng được sử dụng cùng với polyamine và polyamit, sự kết hợp này giúp cho màng
có khả năng kháng hóa chất tốt, độ cứng, chịu mài mòn, mềm dẻo và độ bám dính tốt.
Nhóm epoxy có khả năng khâu mạng tốt và linh hoạt, phổ biến là phản ứng với các polyamide,
phản ứng xảy ra theo cơ chế đầu đuôi và xảy ra ở nhiệt độ phòng.
Sơn epoxy có các đặc tinh tốt như: khả năng bám dính tốt, các nhóm thế nằm xa nhau giúp cho
mạch linh động, co dãn tốt, độ bền cơ học cao (cấu trúc mạng không gian), ổn định hóa học cao
do liên kết – C-O-C-.

Hình 3.1.8.2.Ứng dụng Vecni cao cấp làm từ epoxy phủ lên bề mặt gỗ[30]
2.1.9 Nhựa vinyl[6]:
Nhựa vinyl là thuật ngữ dùng để chỉ polymer và copolymer của vinyl clorua. Vinyl clorua có
màu sắc tốt, chịu được thời tiết và kháng hóa chất tốt, độ nhớt cao, tuy nó là một chất gây ung
thư và độc tính cao nhưng nhựa vinyl vẫn được sử dụng rộng rãi trong các lớp phủ. Người ta
thường dùng nhựa polyvinyl clorua trong phân tán chất hóa dẻo( plastisol) và có thêm chất pha
loãng là các hydrocacbon thơm( organosol).

14


Sơn và chất phủ bề mặt

Hình 2.1.9.1 Cấu trúc nhựa vinyl
Nhựa perclovinyl hình thành từ việc clo hóa nhựa PVC ( hàm lượng clo khoảng 62%) nhựa
perclovinyl hòa tan tốt trong các chất hữu cơ khác như aceton, acetat, ứng dụng trong sơn do có
đặc tính tốt như độ thấm nước thấp, chất béo, acid, kiềm và chống cháy, nhưng cũng cần chú ý

nhựa perclovinyl có độ bám dính và bền nhiệt kém ( > 600 C).
Ngoài ra còn có nhựa đồng trùng hợp của vinyl clorua và vinyl acetate (PVA): có độ ổn định hóa
học tốt dùng trong công nghiệp hàng hải,tàu thuyền tiếp xúc nhiều với nước biển.

Hình 2.9.1.2.Cấu trúc nhựa vinyl acetate

Hình 2.9.1.3.Gạch làm từ nhựa vinyl [23]
2.1.10 Nhựa Silicone[7]:
Liên kết Si-O và Si-C đặc biệt ổn định, giúp cho nhựa silicone bán hữu cơ bền về mặt phân hủy
nhiệt và quá trình oxy hóa

15


Sơn và chất phủ bề mặt

Hình 2.1.10.1 Cấu trúc không gian nhựa silicone[31]

Trên đây là khâu mạng giữa các mạch polymer, phản ứng khâu mạng xảy ra thông qua các nhóm
–OH, loại bỏ nước để hình thành.Chất xúc tác không cần cho phản ứng này.Biến tính silicone
thường là 15- 40% cao hơn so với biến tính alkyd, polyester, acrylic, sự biến tính này ứng dụng
cho sản phẩm đòi hỏi có khả năng chịu nhiệt cao và độ bền tốt.

Hình 2.1.10.2.Sơn phủ silicone chống phóng điện cho vật liệu sứ[29]
2.1.11 Lớp phủ rắn[8]:
Một lớp phủ rắn điển hình thường có nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) và trọng lượng phân tử cao, để
tạo thành màng phủ hạn chế sự khâu mạng quá nhiều đòi hỏi cần phải có chất pha loãng để đảm
bảo đạt được độ nhớt cần thiết.

16

Sơn và chất phủ bề mặt

Paul Flory đã chứng minh độ nhớt ở nhiệt độ chảy giảm khi độ đa phân tán giảm về giá trịn cân
bằng dù bậc polymer hóa không đổi. điều cần thiết là tạo ra chất phủ màng hàm lượng chất rắn
cao là giảm trọng lượng phân tử và cả độ đa phân tán.
Chất kết dính lý tưởng cho lớp phủ hàm lượng chất rắn cao có trọng lượng phân tử thấp, các
oligomers có độ linh động cao (độ đa phân tán thấp) tham gia khâu mạng để có cùng một Tg
đồng thời phải giảm được sự tương tác giữa các prepolymer (do sự hiện diện của nhóm phân
cực), sự khâu mạng này cũng cải thiện phần nào tính chất cơ lý của lớp phủ.
Lớp phủ rắn thường có mạch tương đối ngắn, khó hình thành các precursor, mạch linh động, độ
đàn hồi không cao.Bên cạnh đó lớp phủ rắn có độ độc hại cao (trọng lượng phân tử giảm xuống
300-500 dễ hấp thụ qua da) và ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất trong cơ thể.
Một số lớp phủ rắn như : polyester và acrylic

2.1.11.1.Một số ví dụ về lớp phủ rắn[24]
2.1.12 Sơn nước[9]:
Sơn nước hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong đời sống.Sơn nước dùng dung môi cơ bản là
nước, với sự tiến bộ khoa học kỹ thuật đã nghiên cứu và phát triển sơn nước có tính chất hóa học
tương đương như sơn dung môi, có nhiều ưu điểm nổi bật.
Các loại nhựa như alkyd, acrylic latex, epoxy, acrylic/epoxy hybrid, polyurethane, polyester và
nhựa khác có thể dùng đề sản xuất sơn nước, nhựa acrylic là phổ biến nhất cho lớp phủ ngoài
cùng, nhựa epoxy este và nhựa alkyd tan dùng trong sơn các thiết bị xe hơi
Sơn nước tổng hợp từ hệ: hệ nhũ tương (water-emulsion), hệ tan trong nước(water-soluble), hệ
nhựa khử nước (water-reducible)

17

Sơn và chất phủ bề mặt

Hình 2.1.12. Ba hệ tổng hợp tạo thành sơn nước[32]
Sơn nước có tính chất tốt như độ cứng, độ mềm dẻo và khả năng chống ăn mòn. còn có thể đạt
độ bóng cao và khả năng tuyệt vời về mức chịu ẩm cũng như chịu dung môi.
Sơn hệ nhũ tương: có các polymer nhũ tương là hạt cầu nằm riêng rẽ phân tán trong nước, các
hạt này có khả năng làm tăng trọng lượng phân tử mà không làm ảnh hưởng đến độ nhớt của sơn.
Nhờ vậy mà hệ nhũ tương có đặc tính nổi bật hơn các hệ khác là: tính dẻo dai, chịu hóa chất,
chịu nước, hàm lượng chất rắn cao nhất cũng có thể ứng dụng được, để tăng khả năng chịu dung
môi và kháng hóa chất có thể dùng phản ứng nhiệt rắn. Sơn phủ hệ nhũ tương ứng dụng trong
các thiết bị cao cấp như sơn trên xe hơi, các thiết bị máy móc,…
Hệ tan trong nước: chứa các hạt cầu phân tán trong nước ( kích thước hạt nhỏ hơn so với hệ nhũ
tương), các hạt này khả năng trương lên trong nước ( keo phân tán). Độ hòa tan tùy thuộc vào
thành phần cấu tạo trong sơn. Hệ sơn tan trong nước có độ bóng cao, dẻo dai, chịu nước, độ bền
cao và dễ thi công vì vậy có ứng dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp.
Sơn khử bằng nước: chứa polymer đồng trùng hợp bởi các phản ứng trùng hợp xảy ra trong các
dung môi hữu cơ có thể trộn với nước ( như cồn, este), độ nhớt và tính chất của hệ sơn này phụ
thuộc vào trọng lượng phân tử của sơn. Sơn khử bằng nước có độ bóng, độ trong cao, phân tán
và thấm ướt màu tốt.
Sơn nước có ưu điểm là hàm lượng dung môi bay hơi (VOC) thấp¸ mức VOC thấp dưới 2
pound/gallon (238 g/lit), vì màng sơn tạo thành bằng cách bay hơi nước, thể hiện tính thân thiện
môi trường. Sơn nước có thể thích ứng trên nhiều bề mặt như kim loại, gỗ, thủy tinh,…Sơn nước
có thể tự khô ngoài không khí hoặc sấy khô.
Nhược điểm: vì làm khô bằng không khí nên thời gian làm khô phụ thuộc nhiều vào độ ẩm, mức
độ chiếu sáng ngoài môi trường,….

18


Sơn và chất phủ bề mặt

3.Chất tạo màu[10]:

Hình 3.1. Chất màu
3.1. Định nghĩa[11]:
Từ “chất màu“ bắt nguồn từ tiếng Latinh pigmentum – pingere ( đã được công nhận bởi các nhà
sản xuất bột màu Hiệp hội Mỹ). Chất màu thường có cấu trúc dạng hạt có nhiều màu sắc, chất
hữu cơ hoặc vô cơ.
Đa số chất màu có dạng bột chảy, dạng bụi hạt nhỏ,… nhiều dạng khác phụ thuộc vào yêu cầu
của khách hang.
Sử dụng chất màu chủ yếu là nâng cao tính thẩm mỹ của người tiêu dùng, ví dụ như muốn có sản
phẩm đục , trong, màu sắc phát quang, từ màu sắc tạo nên một không gian thư giãn thoải mái cho
người sử dụng. Ngoài ra chất màu còn có ảnh hưởng không nhỏ đến việc hấp thụ bức xạ tử ngoại
có hại, cải thiện tính kháng thời tiết của vật liệu.
3.1.1.Ngoại quang:
Các chất màu thể hiện chủ yếu là màu sắc và độ mờ đục cho sản phẩm, công nghệ sơn phải đảm
bảo là các chất màu vẫn cung cấp được các tính chất vật lý tốt như độ bền màu ánh sáng, kháng
hóa chất, kháng thời tiết cho vật liệu.
3.1.2. Màu sắc của chất màu:
Màu sắc phụ thuộc vào cấu trúc hóa học của nó. Sự hấp thu chọn lọc và phản ánh của các bước
sóng khác nhau sẽ cho ra những màu sắc khác nhau.
Một phân tử có vân đạo riêng và có năng lượng riêng, khi các phân tử chất màu hấp thụ bức xạ
điện từ từ một phần của quang phổ. Hấp thụ này kích thích các điện tử chuyển từ từ trạng thái cơ
bản có năng lượng E1 chuyển lênmộtquỹ đạo có năng lượng E2 cao hơn. Năng lượng mà các
phân tử chất màu hấp thụ được xác định như sau:
E = E2-E1=hcλ

19

Sơn và chất phủ bề mặt

Các phân tử chất màu chỉ hấp thụ ánh sáng ở những bước sóng nhất định. Các bước sóng không
được hấp thụ sẽ thể hiện màu sắc đó trên bề mặt lớp phủ.
3.1.3. Độbền của chất màu:
Cấu trúc hóa học của chất màu quyết định độ bền của nó.Chất màu hữu cơ, độ bền màu phụ
thuộc độ liên kết trong phân tử, phân tử có độ liên kết càng cao thì độ bền càng lớn, việc thêm
vào các nhóm thế, các hợp chất vòng trong phân tử cũng giúptăng độ bền của chất màu hữu
cơ.Chất màu vô cơ: kim loại của nó có 2 trạng thái hóa trị nên có độ bền màu cao còn các chất
màu khác có cấu trúc là các cation nằm trong mạng tinh thể nên sự thể hiện độ bền màu kém.

Hình 3.1.3.1Cấu trúc tinh thể TiO2[33]
Chất màu có kích thước hạt nhỏ có độ bền màu cao hơn vì vậy các nhà sản xuất có thể làm giảm
kích thước của các hạt bằng cách ngăn chặn sự phát triển của các tinh thể trong quá trình tổng
hợp.
3.1.4. Không hòa tan:
Chất màu phải được đảm bảo không bị hòa tan trong thành phần khác của sơn, không được phản
ứng với bất kỳ thành phần khác (chẳng hạn như tác nhân khâu mạng) và không thay đổi tính chất
ngay ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên thưc tế là chất màu (vô cơ và hữu cơ) vẫn có thể hòa tan trong
dung môi ở khi có điều kiện thích hợp, các ứng dụng sự hòa tan của chất màu trong dung môi
như:
1. Blooming:
Chất màu hòa tan trong dung môi hoặc sơn khô, khi dung môi trên bề mặt bốc hơi thì các tinh thể
dạng bột mịn xuất hiện trên bề mặt lớp phủ giống như hiện tượng “nở hoa”. Thay đổi nhiệt độ độ
ngột, độ ẩm kém làm cho hiện tượng blooming xuất hiện rõ ràng hơn.

20


Sơn và chất phủ bề mặt

Hình 3.1.4.1 Hiện tượng Blooming[34]
2. Plate out:
Hiện tượng plate out xảy ra tương tự như blooming nhưng, xuất hiện ở các lớp phủ bột.khi bề
mặt chất màu không đủ độ ẩm. Chỉ cần lau qua bể mặt thì hiện tượng này sẽ không xuất hiện lại
3.Bleeding:
Hiện tượng xảy ra khi phủ một màng sơn mới lên màng sơn cũ mà màu sắc của hai màng phủ
khác nhau, dễ nhận thấy hiện tượng bleeding là khi phủ lên màng sơn màu trắng lớp sơn mới
màu đỏ, chất màu đỏ sẽ hòa tan vào trong chất màu trắng dẫn đến sự xuất hiện của màu sắc trung
gian, không còn giữ được màu sắc như ban đầu của lớp phủ.

21


Sơn và chất phủ bề mặt

Hình 3.1.4.3. Hiện tượng Bleeding[35]
4. Recrystallization:
Qua quá trình va chạm nhiệt được tạo ra, hòa tan một phần chất màu nhưng chất màu vẫn thể
hiện độ phản quang tốt. Sau một thời gian hòa tan, chất màu bắt đầu kết tinh lại với nhau làm
mất đi độ phản quang màu như lúc đầu.Nếu như trong sơn có chứa hai chất màu trở lên thì hiện
tượng kết tinh lại càng nổi bật hơn.

3.1.5. Độ mờ - độ trong:
Độ mờ và độ trong của lớp phủ phụ thuộc khả năng hấp thụ và phân tán ánh sáng của chất màu,
độ dày của vật liệu, sự tập trung của chất màu trên bề mặt. Đánh giá độ mờ hay trong của lớp
phủ thông qua chỉ số khúc xạ RI (khả năng bẻ cong đường đi của tia sáng) thể hiện cấu trúc tinh
thể đồng nhất trên bề mặt.
Ví dụ: chất màu vô cơ thường có chỉ số khúc xạ cao, độ mờ đục của chất màu vô cơ cao. Còn
chất màu hữu cơ có chỉ số khúc xạ thấp và độ trong cao.

Để có thể thay đổi độ trong hay mờ dựa vào việc thay đổi kích thước hạt bột màu. Khi kích
thước các hạt càng tăng thì khả năng tán xạ ánh sáng tăng lên đến tối đa thì bắt đầu giảm.
Bảng 3.1.5.1. Chỉ số khúc xạ của một số chất màu

22


Sơn và chất phủ bề mặt

Hình 3.1.5.2 Ảnh hưởng của kích thước hạt đến khả năng phân tán ánh sáng
Các chất màu vô cơ luôn có kích thước hạt phù hợp để đạt được độ mờ cần thiết. Việc phát triển
bột màu hữu cơ có kích thước hạt lớn hơn, vượt ra khỏi độ mờ tối đa, để kết hợp với độ trong và
độ bền ánh sáng tạo ra hiện tượng gọi là “ siêu độ trong”. Để sản xuất các hạt chất màu trong thì
sử dụng các kỹ thuật để thu hẹp kích thước phân bố các hạt, điểu chỉnh nhiệt độ, áp suất và sau
đó kiểm soát trong quá trình kết tinh lại.
Ví dụ: các chất màu hữu cơ có kích thước hạt khoảng 0,1micromet đến 0,5 micromet, chất màu
vô cơ có thể lớn hơn nhiều. Vì vậy các nhà sản xuất titanium dioxide thường giảm kích thước
của các hạt chất màu xuống khoảng 0,25 picromet để tăngđộ mờ.
Độ trong có được là do sự hình thành lớp phủ ngăn cản sự phát triển của của các tinh thể. Sự
phân tán các hạt màu phân chia từng cụm hạt màu, phân tán tốt sẽ tạo ra được kích thước các hạt
nhỏ và độ trong cũng tăng lên. Quá trình phân tán phụ thuộc vào dung môi, áp suất, nhiệt độ vá
quá trình kết tinh lại.

23


Sơn và chất phủ bề mặt

Các sản phẩm được sử dụng phổ biến nhất cho lớp phủ này là các dẫn xuất của colophon(là cặn
rắn của sự chưng cất dầu thông, có thành phần hoá học chủ yếu là axit abietic C 19H29COOH (80 90%)hoặc rosin(Rosin là một sản phẩm tự nhiên,có thành phần chính là axit abietic).

3.1.6. Độ bền màu:
Đối với các loại sơn chống ăn mòn, bột màulà một thành phần cơ bản, thường xuyên cung cấp
bảo vệ hóa học bề mặt. Bột màu hỗ trợ việc tạo lớp phủ, độ đàn hồi, tăng tuổi thọ của màng sơn.
Điều này cũng sẽ phụ thuộc vào việc màng sơn đủ dày, một yếu tố có thể bị ảnh hưởng bởi chất
màu.
3.1.7. Ổn định nhiệt:
Rất ít chất màu làm suy giảm nhiệt độ khi kết hợp với lớp phủ, một số chất màu sẽ thay đổi sự
chuyển màu vì độ hòa tan nhiều hơn khi nhiệt độ tăng lên vì vậy, ổn định nhiệt của chất màu hữu
cơ liên quan chủ yếu đến độ bền dung môi.
Bột màu với một cấu trúc tinh thể cao pha thường nhiệt ổn định hơn chất màu có cấu trúc đa
hình. Chất màu vô cơ có sự ổn định nhiệt cao do cấu trúc tinh thể, nhưng oxit sắt màu vàng là
ngoại lệ vì các tinh thể mất nước khi ở nhiệt độ cao.
3.2. Phânloại chất màu:
3.2.1 Chất màu thiên nhiên và chất màu tổng hợp:
Chất màu thiên nhiên được tìm thấy trong lớp vỏ trái đất có cấu trúc tinh thể bất kỳ, chất màu có
thể lẫn các tạp chất như SiO2, kích thước các hạt tiểu phân không đồng đều.
Chất màu tổng hợp trải qua quá trình tinh chế tạo thành sẽ có sự đồng đều trong kích thước hạt
tiểu phân, cấu trúc tinh thể theo yêu cầu mong muốn và sản phẩm chất màu có độ tinh khiết hơn.
3.2.2 Chất màu hữu cơ và chất màu vô cơ[12]:
Chất màu vô cơ có một lịch sử lâu dài, di tíchđể lại trên bức tranh hang động cho thấy các chất
màu vô cơ đã có khoảng 30.000 năm tuổi. Các chất màu vô cơ có sẵn trong tự nhiên nhưng ngày
nay các nhà sản xuất cũng đã và đang tổng hợp nhiểu chất màu vô cơ hơn để đa dạng hóa dải
màu sắc của chất màu vô cơ.
Chất màu hữu cơ thực sự chỉ được biết đến từ những năm đầu của thế kỷ XX.Chúng có nguồn
gốc từ nhiên liệu hóa thạch thường là dầu. Hiện nay có nhiều chất màu hữu cơ được lắng trên
nền chất vô cơ ( nhóm hydroxyl) những chất màu này được gọi là hồ và được sử dụng trong các
màu sắc từ thời trung cổ(ví dụ như hồ madder hồ và đỏ thẫm).
3.3. Danh pháp:
Một số bột màu được gọi bằng tên gọi thông thường, đôi khi kết hợp với loại chất hóa học (ví dụ
như toluidine đỏ), nguồn gốc của chúng (ví dụ như Phổ màu xanh), hoặc tên gốc thương mại

(nhà sản xuất thích hợp, tên chung chung).

24


Sơn và chất phủ bề mặt

3.4. Các loại chất màu:
3.4.1. Chất màu hữu cơ :
Chất màu hữu cơ có nguồn nguyên liệu được lấy từ chưng cất dầu mỏ, các hydrocacbon thơm.
Chất màu hữu cơ có tầm quan trọng khi ứng dụng việc sử dụng chất màu hữu cơ đã hạn chế được
việc sử dụng một số chất màu vô cơ có chứa kim loại nặng.Chất màu hữu cơ được tổng hợp
vàsau đó sấy khôđể tạo thànhbột. Bộtlà sự keo tụ của các hạt màu. Sự phá vỡvàkết hợp củachất
màu trong sơn(sự phân tán) là rất quan trọngbởivìđiều đó xác địnhngoại quang ánh sáng và tính
chấtmàng của lớpsơnmàu. Dạng phân tán bột màu ứng dụng chosơnxây dựng.
Bột màu hữu cơ cóhấp thụ ánh sángcaovà tán xạnăng lượng thấp, dẫn đến sự suy giảm tính chất
quang nhiệt của màng phủ. Các chất màu nên đượcổn định nhiệtbởinó có thểphải chịusự tăng
nhiệt độtrongquá trình phân tán, sấy khô, hoặc trong sử dụng.
Kháng hóa chấtcũng làquantrọng nếuaxit hoặcbazơđược sử dụnglàm chất xúc tác, khi lớp phủ bị
thấm khí công nghiệp(SO, NO2), các chất màu phảikháng hóa chất đối vớinhững chất khí này để
tránh ảnh hưởng đến độ bền màu của chất màu.
Trongsơnkhôcác chất màu có thể phản ứngvới các thành phầnkhác của sơn. Điềucó thể dẫn
đếnnhững thay đổi vềsắc tốhoặc liên kết ngang. Sự thay đổitrong mật độliên kết ngangcó thể ảnh
hưởng đếncác tính chất củalớp phủ.
3.4.2. Chất màu Azo:
Chiếm 70 % của chất màu hữu cơ, cấu trúc truyền thống luôn được giả định là cấu trúc azo, đặc
trưng bởi nhóm -N = N-. Chất màu azo có thể được chia thành chất màu monoazo và diazo.
1. Chất màu monoazo:
Cấu trúc đơn giản hơn và có xu hướng kém ổn định trong dung môi. Đơn giản nhất là các sắc tố
0-naphthol đại diện bởi CI chất màu Red 3 (toluidine màu đỏ), sự ổn định nhiệt kém, trong khi

độ
bền
màu
ánh
sáng
khác
nhau
từ
kém
đến
rất
tốt.
Phức tạp hơn là các sắc tố arylamide màu đỏ, có một vòng benzen bổ sung kèm theo một liên kết
carbonamide (-CONH-) b-naphthol. Trọng lượng phân tử cao hơn, vòng benzene cho phép khả
năng nâng cao tính kháng dung môi và dải màu thể hiện nhiều hơn (từ màu da cam sang màu
tím).
2. Chất màu diazo: chia thành hai nhóm
Các sắc tố riiarylitie tạo thành nhóm lớn hơn, chủ yếu dựa trên 3,3dichlorobenzidine.Độ bền màu
ánh sáng thấp (công nghiệp in), sức đề kháng tốt cho dung môi.
Các nhóm khác: hai phân tử chất màu monoazo có chứa một nhóm axit liên kết với nhau bằng
cách ngưng tụ với một diamin. Trọng lượng phân tử cao hơn,cộng với hai nhóm carbonamide
hình thành bởi phản ứng ngưng tụ, làm cho tính kháng dung môi và nhiệt độcao, độ bền màu ánh
25