Nghiên cứu ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt đến tính chất cách nhiệt bức xạ của bột màu vô cơ trong vật liệu cách nhiệt phủ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐỖ QUANG THẮNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT ĐẾN
TÍNH CHẤT CÁCH NHIỆT BỨC XẠ
CỦA BỘT MÀU VÔ CƠ TRONG
VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT PHỦ
CHUYÊN NGÀNH:
MÃ SỐ:

HÓA VÔ CƠ
1 04 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. Tiến só Huỳnh Thị Kiều Xuân
2. Thạc só Nguyễn Hữu Khánh Hưng

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  2005


Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn:
Cô HUỲNH THỊ KIỀU XUÂN
Thầy NGUYỄN HỮU KHÁNH HƯNG
đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn này.

Các thầy cô trong Bộ môn Hóa Vô cơ đã truyền đạt kiến thức
và kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt quá trình học.


Mục lục

i

MỤC LỤC

MỤC LỤC.......................................................................................................i
MỞ ĐẦU........................................................................................................ 1
Chương 1 TỔNG QUAN ................................................................................ 3
1.1

Các quá trình truyền nhiệt trong tự nhiên [1], [7] .............................. 3

1.1.1

Truyền nhiệt theo cơ chế dẫn nhiệt ............................................... 3

1.1.2

Truyền nhiệt theo cơ chế đối lưu ................................................... 4

1.1.3

Truyền nhiệt theo cơ chế bức xạ .................................................... 4

1.2

Bản chất của bức xạ [2] ..................................................................... 4

1.3

Cách nhiệt .......................................................................................... 6

1.4

Bức xạ nhiệt [8], [3] ........................................................................... 7

1.4.1

Khái niệm về bức xạ nhiệt ............................................................. 7

1.4.2

Các đặc điểm của bức xạ nhiệt ...................................................... 8

1.4.3

Dòn g bức xạ Q ............................................................................... 8

1.4.4

Năng suất bức xạ E ........................................................................ 8

1.4.5

Cường độ bức xạ I ......................................................................... 9

1.4.6

Hệ số hấp thu, hệ số phản xạ và hệ số truyền qua ........................ 9

1.4.7

Vật xám ........................................................................................ 10

Đỗ Quang Thắng


Mục lục

1.4.8
1.5

ii

Độ đen  của vật .......................................................................... 10
Tính chất quang học của vật chất..................................................... 11

1.5.1

Sự hấp thu..................................................................................... 11

1.5.2

Sự phản xạ.................................................................................... 12

1.5.3

Tán xạ .......................................................................................... 13

1.5.4

Sự phát xạ của các chất................................................................ 15

1.6

Năng lượng bức xạ mặt trời ............................................................. 16

1.7

Sơn [4] .............................................................................................. 17

1.7.1

Thành phần của sơn...................................................................... 17

1.7.2

Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng màng sơn ................................. 17

1.8

Bột màu [4], [9] ................................................................................ 19

1.8.1

Khái niệm bột màu....................................................................... 19

1.8.2

Một số tính chất chính của bột màu ............................................. 20

1.8.3

Ảnh hưởng của hình dạng và kích thước hạt của bột màu đến
tính chất của màng sơn ................................................................. 20

1.8.4

Thành phần và tính chất của bột màu .......................................... 22

1.9

Chất hoạt động bề mặt [5], [6] ......................................................... 23

1.10 Vật liệu cách nhiệt bức xạ [8], [10] ................................................. 24
1.10.1 Vật liệu cách nhiệt bức xạ dạng màng mỏng .............................. 25
1.10.2 Vật liệu cách nhiệt bức xạ dạng bột ............................................ 25
1.11 Các sản phẩm vật liệu cách nhiệt bức xạ thương mại [11], [12] ..... 26
1.11.1 Gương lạnh ................................................................................... 26
1.11.2 Gương nóng .................................................................................. 26
1.11.3 Sơn phản nhiệt .............................................................................. 27
1.11.4 Vật liệu cách nhiệt phủ (roofing) ................................................. 28
Chương 2 THỰC NGHIỆM .......................................................................... 30
2.1

Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................ 30

2.2

Nội dung nghiên cứu ........................................................................ 31

2.3

Hóa chất – Thiết bị và dụng cụ ........................................................ 31

2.3.1

Hóa chất ....................................................................................... 31

Đỗ Quang Thắng


Mục lục

2.3.2
2.4

iii

Dụn g cụ và thiết bị: ...................................................................... 32
Phương pháp nghiên cứu .................................................................. 32

2.4.1

Phương pháp tạo mẫu ................................................................... 32

2.4.2

Phương pháp phân tích ................................................................. 34

2.4.3

Phương pháp phân tích ................................................................. 36

Chương 3 KẾT QUẢ và BIỆN LUẬN ......................................................... 38
3.1

Khảo sát độ hấp thu nhiệt của các mẫu bột màu trong môi
trường phân tán khi không thêm chất hoạt động bề mặt ................. 38

3.2

Khảo sát ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt Akopal đến độ
hấp thu nhiệt của các mẫu bột màu trong môi trường phân tán....... 43

3.3

Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất hoạt động bề mặt
Akopal đến độ hấp thu nhiệt của các mẫu bột màu trong môi
trường phân tán ................................................................................ 47

3.4

Khảo sát ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt khác nhau
đến độ hấp thu nhiệt của môi trường phân tán khi không có mặt

bột màu............................................................................................. 49

3.5

Khảo sát ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt khác nhau
đến độ hấp thu nhiệt của môi trường phân tán khi có mặt bột
màu ................................................................................................... 50

Chương 4 KẾT LUẬN.................................................................................. 53
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ......................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 55
PHỤ LỤC ..................................................................................................... 58
Phụ lục 1 Ản h chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) .............................. 58
Phụ lục 2 Công thức hóa học của các chất hoạt động bề mặt khảo sát... 59
Phụ lục 3 Ảnh chụp kính hiển vi quang học 60

Đỗ Quang Thắng


Mở đầu

1

MỞ ĐẦU

Bức xạ mặt trời là một dạng bức xạ nhiệt và là nguồn năng lượng
nuôi sống trái đất nhưng cũng đã gây ra một số tác hại đối với con
người, làm cho nhà cửa và môi trường xung quanh nóng dần lên, làm
tăng tốc độ phá hủy các công trình,… Đây là vấn đề được các nhà khoa
học hết sức quan tâm, và trong những thập niên gần đây, một mặt, họ

đã tìm cách tận dụng sức nóng của bức xạ mặt trời để tạo ra những
nguồn năng lượng mới thay thế những nguồn năng lượng gây ô nhiễm
môi trường và có nguy cơ cạn kiệt. Một mặt khác là họ đã không ngừng
tìm tòi, nghiên cứu, chế tạo ra những vật liệu cách nhiệt bức xạ có khả
năng phản xạ và phát xạ năng lượng bức xạ mặt trời trở lại vào bầu trời
nhằm tiết kiệm năng lượng, tăng tuổi thọ cũng như giảm khối lượng của
công trình, và giảm thiểu sự ô nhiễm không khí. So với vật liệu cách
nhiệt truyền thống, vật liệu cách nhiệt bức xạ là một cuộc cách mạng
về khoa học và công nghệ, mang lại rất nhiều lợi ích. Tuy nhiên giá

Đỗ Quang Thắng


Mở đầu

2

thành của các sản phẩm này vẫn còn đắt và đòi hỏi công nghệ cao
trong quá trình chế tạo.
Hiện nay vật liệu cách nhiệt bức xạ đã có mặt tại Việt Nam nhưng
hầu hết đều phải nhập từ nước ngoài. Nước ta nằm trong khu vực gần
xích đạo có tổng lượng bức xạ trung bình hàng năm vào loại cao trên
thế giới nên ánh sáng mặt trời khá gay gắt quanh năm. Do đó, việc tìm
ra các phương pháp để chế tạo các vật liệu cách nhiệt bức xạ khác
nhau với giá thành phù hợp đang là những vấn đề thiết yếu và cấp
bách.
Trong ln văn này, chúng tôi tiến hành khảo sát ban đầu khả
năng cách nhiệt bức xạ hồng ngoại của các bột màu oxid kim loại, kim
loại và muối được phân tán trong môi trường sơn và verni cùng với chất
hoạt động bề mặt.

Đỗ Quang Thắng


3

Chương 1
TỔNG QUAN

1.1

Các quá trình truyền nhiệt trong tự nhiên [1], [7]
Quá trình truyền nhiệt chỉ xảy ra theo một chiều trong đó nhiệt

được truyền từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp. Sự truyền
nhiệt này được thực hiện theo ba cách là dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ
nhiệt.

1.1.1

Truyền nhiệt theo cơ chế dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt năng giữa các nguyên tử hay phân tử

của một vật hoặc giữa các vật khi chúng tiếp xúc với nhau.
Đỗ Quang Thắng


4

Trong chất lỏng và chất khí, năng lượng được truyền bởi va chạm,

nghóa là các phân tử có nhiệt độ cao hơn chuyển động nhanh hơn va
chạm với các phân tử có nhiệt độ thấp hơn chuyển động chậm hơn cho
đến khi cân bằng nhiệt đựơc thiết lập. Do đó, các chất rắn bao giờ cũng
dẫn nhiệt tốt hơn là chất lỏng và chất khí.
1.1.2

Truyền nhiệt theo cơ chế đối lưu
Truyền nhiệt theo cơ chế đối lưu chỉ xảy ra khi môi trường truyền

nhiệt là lưu chất (chất lỏng và chất khí).
Cơ chế của quá trình này là các phân tử có nhiệt độ cao với động
năng lớn tập hợp hợp thành dòng chảy nhiệt và bị thay thế bởi dòng
chảy nhiệt có động năng nhỏ hơn.

1.1.3

Truyền nhiệt theo cơ chế bức xạ
Truyền nhiệt bức xạ là hiện tượng một vật nóng lên khi nhận được

năng lượng của bức xạ nhiệt. Trong các dạng truyền nhiệt thì truyền
nhiệt theo cơ chế bức xạ không cần môi trường truyền nhiệt. Năng
lïng truyền đi thông qua sóng điện từ (photon) và có thể truyền đi qua
khoảng cách lớn.
Truyền nhiệt theo cơ chế bức xạ liên quan mật thiết đến bản chất
vật lý và hóa học giữa các vật trao đổi nhiệt.

1.2

Bản chất của bức xạ [2]
Trong quang phổ học, tia khả kiến, tia tử ngoại, tia hồng ngoại, tia

rơnghen, sóng radio,… đều được chỉ bằng một thuật ngữ là bức xạ. Tia

Đỗ Quang Thaéng


5

khả kiến, tia hồng ngoại, tia tử ngoại,… đều là các dạng khác nhau của
bức xạ điện từ, chúng chỉ khác nhau về độ dài sóng (bước sóng).
Theo thuyết hạt, bức xạ gồm các “hạt năng lượng” gọi là photon
chuyển động với vận tốc ánh sáng. Các dạng bức xạ khác nhau thì khác
nhau về năng lượng h của các hạt photon. Năng lượng của bức xạ
không phải là liên tục mà gồm các lượng tử năng lượng nhỏ bé tỉ lệ với
tần số  của dao động điện từ và được tính bằng hệ thức Planck:
E = h = (hc)/
trong đó:

h

hằng số Planck, h = 6,626×10-34 Js

c

vận tốc ánh sáng, c = 3×108 m/s

Bức xạ chỉ gồm một loại photon có năng lượng như nhau được gọi
là bức xạ đơn sắc, bức xạ gồm nhiều loại photon có năng lượng khác
nhau được gọi là bức xạ đa sắc.
Trong kỹ thuật nhiệt, người ta chỉ khảo sát những bức xạ có hiệu

ứng nhiệt cao ở nhiệt độ thường. Đó là các bức xạ hồng ngoại, khả kiến
và một phần nhỏ thuộc vùng tử ngoại còn được gọi là bức xạ nhiệt.
Quá trình phát sinh cũng như truyền những tia đó được gọi là quá
trình bức xạ nhiệt. Sự trao đổi nhiệt bằng bức xạ có thể tiến hành ngay
cả khi giữa các vật đó là chân không. Các vùng bức xạ nhiệt được chỉ
ra trong Hình 1.

Đỗ Quang Thắng


6

Hình 1.1

1.3

Phổ sóng điện từ và vùng phổ bức xạ nhiệt

Cách nhiệt
Cách nhiệt về bản chất là ngược lại với truyền nhiệt cho nên để

cách nhiệt thì ta phải làm giảm các quá trình dẫn nhiệt, đối lưu và bức
xạ.
Đối với quá trình bức xạ, nhiệt năng của bức xạ được truyền cho
vật liệu bằng cách chuyển hoá năng lượng bức xạ thành năng lượng
kích thích điện tử khi bức xạ là tia tử ngoại hay khả kiến và nhất là
chuyển hóa thành năng lượng dao động của các tiểu phân đối với bức
xạ là tia hồng ngoại.
Như vậy, muốn cách nhiệt thì vật đó phải hấp thu tia nhiệt thấp
bằng cách phản xạ hay tán xạ ánh sáng tới. Các kim loại phản xạ cao

Đỗ Quang Thắng


7

do các điện tử tự do của chúng ngăn cản sự lan truyền của sóng điện từ.
Chính vì thế mà những kim loại dẫn điện càng tốt thì phản xạ càng cao.
Tính chất cách nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào bề mặt và sự
không hoàn hảo của khối vật liệu. Nếu một vật có bề mặt láng, vi cấu
trúc chặt chẽ, đồng nhất thì sự tán xạ thấp. Sự tán xạ còn tùy thuộc vào
chiết suất của chất đó do chiết suất bắt nguồn từ vi cấu trúc xốp, các
khuyết tật lỗ hổng, bụi bẩn,... và chiết suất còn liên quan đến mật độ
màng.
Chiết suất rất lớn của kim cương giải thích sự sán g chói của nó do
ánh sáng bị giam trong kim cương do hiện tượng phản xạ toàn phần.
Còn đối với thủy tinh pha lê là do ánh sáng bị phân tán mạnh ở trong
vật liệu pha lê.
Tuy nhiên, tùy thuộc vào từng vùng sóng mà vật liệu có độ hấp
thu ánh sán g khác nhau. Ví dụ độ hấp thu trong vùng sóng ngắn phụ
thuộc vào cấu trúc điện tử của vật liệu, trong vùng sóng dài phụ thuộc
vào sự dao động của mạng tinh thể, còn trong vùng sóng trung bình lại
phụ thuộc vào bản chất và độ tinh khiết của vật liệu.

1.4
1.4.1

Bức xạ nhiệt [8], [3]
Khái niệm về bức xạ nhiệt
Bức xạ nhiệt là quá trình trong đó vật tự phát ra bức xạ do được

nung nóng đến nhiệt độ cao. Trong quá trình này vật nhận nhiệt lượng
từ nguồn năng lượng nào đó và phát bức xạ vào môi trường.

Đỗ Quang Thắng


8

1.4.2 Các đặc điểm của bức xạ nhiệt
Trạng thái bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của vật. Bức
xạ nhiệt có tính cân bằng.

1.4.3

Dòng bức xạ Q
Dòng bức xạ Q là toàn bộ năng lượng bức xạ phát đi (hoặc nhận

được) từ một bề mặt diện tích F của vật theo mọi hướng của không gian
bán cầu trong một đơn vị thời gian ứng với toàn bộ bước sóng  = 0.
Như vậy dòng bức xạ Q có thứ nguyên là W.
Nếu năng lượng bức xạ chỉ tính cho một khoảng hẹp của bước
sóng từ  đến  + d thì bức xạ đó gọi là bức xạ đơn sắc và dòng bức
xạ tương ứng được gọi là dòng bức xạ đơn sắc Q.

1.4.4

Năng suất bức xạ E
Năng suất bức xạ E là dòng bức xạ ứng với 1 đơn vị diện tích của

bề mặt bức xạ.

E = dQ/dF, W/m2
Nếu năng suất bức xạ chỉ do một vật bức xạ ra ngoài thì ta có
năng suất bức xạ riêng. Năng suất bức xạ riêng của một vật phụ thuộc
vào bản thân vật và nhiệt độ của vật. Nhiệt độ của vật càng cao thì
năng suất bức xạ riêng của vật càng lớn. Ngược lại, nếu năng suất bức
xạ tính cho năng lượng bức xạ từ tất cả các vật xung quanh đến một vật
ta có năng suất bức xạ tới Et.

Đỗ Quang Thắng


9

1.4.5

Cường độ bức xạ I
Cường độ bức xạ I là năng suất bức xạ ứng với một khoảng hẹp

của bước sóng d:
I = dE/d, W/m3
1.4.6

Hệ số hấp thu, hệ số phản xạ và hệ số truyền qua
Giả sử năng suất bức xạ tới Et của tất cả các vật xung quanh đến

được vật đang xét. Trong trường hợp tổng quát, vật đó sẽ hấp thu một
lượng năng lượng EA, phản xạ lại một lượng ER và phần còn lại truyền
qua vật ED. Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:
Et = EA + ER +ED
Khi đó, ta gọi:

Hệ số hấp thu

A = EA/Et

Hệ số phản xạ

R = ER/Et

Hệ số truyền qua

D = ED/Et

Ta luôn có đẳng thức:

A+R+D=1

Vật có A = 1 hay R = D = 0 là vật đen tuyệt đối có khả năng hấp
thu toàn bộ năng lượng bức xạ tới. Vật có R = 1 hay A = D = 0 gọi là
vật trắng tuyệt đối có khả năng phản xạ toàn bộ bức xạ tới. Vật có D =
1 hay A = R = 0 là vật trong suốt tuyệt đối cho phép toàn bộ năng lượng
bức xạ tới truyền qua.
Trong thực tế, không tồn tại các vật đen tuyệt đối, trắng tuyệt đối
hay trong suốt tuyệt đối. Trong kỹ thuật, người ta xem các chất khí hai
nguyên tử như oxy, nitrogen,… là vật trong suốt tuyệt đối.

Đỗ Quang Thắng


10

Các chất lỏng và vật rắn có D = 0 hay A + R = 1 được gọi là vật
đục. Điều này có nghóa là với vật đục, nếu hấp thu kém thì phản xạ tốt
và ngược lại.

1- Vật đen tuyệt đối, 2- Kim loại, 3- Chất điện môi, 4- Vật xám
Hình 1.2

1.4.7

Sự phân bố phổ năng lượng bức xạ (a) và độ đen (b) của
các vật khác nhau

Vật xám
Nếu gọi I0 là cường độ bức xạ của vật đen tuyệt đối thì vật xám

là những vật có I < I0. Như vậy, các vật xám có đường cong cường độ
bức xạ tuy có độ lớn khác nhau nhưng hoàn toàn có hình dạng như
đường cong cường độ bức xạ của vật đen tuyệt đối. Trong kỹ thuật, tất
cả các vật đều được xem là vật xám.
1.4.8

Độ đen  của vật
Nếu gọi E và E0 là năng suất bức xạ của vật xám và vật đen tuyệt

đối tương ứng ở cùng một nhiệt độ thì độ đen của vật xám còn được gọi
là hệ số phát xạ được định nghóa bởi tỷ số:
 = E /E0
Đỗ Quang Thắng

11

Như vậy, độ đen của vật đen tuyệt đối là 0 = 1.
Các vật xám có độ đen  < 1 và phụ thuộc vào nhiệt độ, trạng thái
bề mặt và bản chất của vật.

1.5

Tính chất quang học của vật chất
Vật chất không chỉ có khả năng hấp thu bức xạ mà còn có khả

năng phản xạ hoặc tán xạ các tia bức xạ chiếu tới nó.

1.5.1

Sự hấp thu
Hiện tượng hấp thu ánh sáng xảy ra khi bước sóng tia tới nhỏ hơn

khoảng trống trong vật làm cho ánh sáng đi xuyên qua vật. Trong quá
trình xuyên qua tia sáng bị giảm bớt năng lượng do va chạm với các
phân tử vật chất.
Photon bị môi trường hấp thu theo định luật Beers:
I = I0×e –kx
Trong đó:

I, I0 cường độ tia ló và tia tới
k

hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào bản chất chất hấp thu và tần

số bức xạ
x

số mol chất nghiên cứu đặt trên đường đi của bức xạ

Phân tử không thể hấp thu bức xạ một cách hỗn loạn mà chỉ hấp
thu những bức xạ tương ứng chính xác với biến thiên giữa các mức
năng lượng của chúng. Ngoài ra, để phân tử hấp thu năng lượng khi
tương tác với bức xạ điện từ cần phải có một điều kiện nữa làøsự
chuyển mức năng lượng trong phân tử nhất thiết phải kèm theo sự thay

Đỗ Quang Thắng


12

đổi của các trung tâm điện tích trong phân tử, tức là có sự thay đổi phân
bố điện tích trong phân tử.

Hình 1.3

Các quá trình tương tác giữa bức xạ và bề mặt rắn

Khi hấp thu bức xạ, phân tử chuyển electron từ trạng thái cơ bản
lên trạng thái kích thích. Năng lượng mà phân tử thu được khi hấp thu
bức xạ không được giữ lâu mãi. Thời gian phân tử giữ năn g lượng hấp
thu chỉ vào khoảng 10-3-10-8s.
Sự va chạm giữa các phân tử dẫn tới việc phân bố lại năng lượng
giữa chúng. Do đó, năng lượng “dư” mà phân tử có được do hấp thu bức
xạ có thể được chuyển thành năng lượng quay, năng lượng dao động và

năng lượng chuyển động tịnh tiến của các phân tử khác theo nguyên
tắc phân bố đều. Một phần năng lượng hấp thu sẽ được vật phát xạ trở
lại vào môi trường.

1.5.2

Sự phản xạ
Trong quá trình phản xạ, ánh sáng chiếu tới không bị hấp thu mà

bị phản xạ lại với góc tới bằng góc phản xạ. Hiện tượng này xảy ra đối
với các vật có bề mặt sáng bóng, cứng và cấu trúc của tinh thể đặc sít.

Đỗ Quang Thaéng


13

Sự phản xạ của một bề mặt rắn nhẵn hoàn toàn đối với một tia tới bình
thường tuân theo công thức Fresnel:
R

(n  1) 2  K 2
(n  1) 2  K 2

Phần lớn thuỷ tinh và gốm có K « 1 nên sự phản xạ thường liên
quan đến n. Ví dụ như thuỷ tinh chì silicat (còn được gọi là pha lê) với
chiết suất khoảng 2,6 sẽ phản xạ khoảng 20% ánh sáng tới; còn loại
thuỷ tinh natri-calci đặc trưng có n là 1,5 chỉ phản xạ khoảng 4%.
Khi có sự cộng hưởng gần hay n tăng đột ngột thì sẽ xảy ra sự
phản xạ. Như vậy phản xạ chọn lọc là một hiện tượng của sự cộng

hưởng, xảy ra mạnh tại các bước sóng gần với tần số của các điện tích
liên kết trong vật chất, được gọi là cộng hưởng gần. Vật chất sẽ không
truyền tia sáng của các bước sóng này mà thay vào đó là sự phản xạ
mạnh.
Trong quá trình hấp thụ, ánh sáng được biến đổi thành nhiệt xảy ra
tại các tần số cao hay thấp hơn do biên độ dao động lớn của các điện
tích.

1.5.3

Tán xạ
Hiện tượng tán xạ là hiện tượng ánh sáng tới bị phản xạ ra mọi

hướng khi có một chùm bức xạ chiếu tới một bề mặt vật rắn. Nguyên
nhân của sự tán xạ ánh sáng là do các môi trường rắn, lỏng hay khí mà
ánh sáng truyền qua không đồng nhất về mặt quang học, nghóa là chiết
suất của môi trường thay đổi từ điểm này sang điểm khác.

Đỗ Quang Thắng


14

Sự không đồng nhất về mặt quang học của chất rắn là do sự không
hoàn hảo khối và sự gồ ghề của bề mặt. Sự không hoàn hảo khối như
vậy bắt nguồn từ các biên giới hạt, vi cấu trúc xốp, lỗ hổng, bụi bẩn,…
có trong chất rắn. Có hai loại tán xạ là tán xạ Reyleigh và tán xạ
Raman.

a. Tán xạ Reyleigh

Tán xạ Reyleigh là quá trình tán xạ trong đó tia tán xạ không thay
đổi bước sóng và được gọi là quá trình tán xạ đàn hồi. Bản chất của
quá trình này bao gồm sự hấp thu tia bức xạ tới của phân tử và sau đó
phát xạ lại tia bức xạ có cùng bước sóng như tia tới. Quá trình này được
khảo sát đầu tiên bởi Rayleigh.

Hình 1.4

Quá trình tán xạ Rayleigh

b. Tán xạ Raman
Tán xạ Raman là quá trình tán xạ trong đó tia tán xạ có bước sóng
khác với bước sóng của tia tới và được gọi là quá trình tán xạ không
đàn hồi. Khác với tán xạ Reyleigh, do ảnh hưởng của chuyển động

Đỗ Quang Thaéng


15

nhiệt, bước sóng của tia tán xạ có thể tăn g hay giảm tương ứng với dao
động nhiệt của nguyên tử trong chất rắn đó.
Tuy nhiên, sự tán xạ Raman của bức xạ đối với chất rắn xảy ra ở
mức độ không đáng kể, cao nhất cũng chỉ khoảng 10% và thông thường
cường độ chỉ bằng khoảng 1/10 so với cường độ của tán xạ Reyleigh.

Hình 1.5

1.5.4

Quá trình tán xạ Raman

Sự phát xạ của các chất
Quá trình phát xạ xảy ra trên mọi bề mặt của một chất bất kỳ. Ở

một nhiệt độ đã cho, lượng năng lượng phát xạ của các chất phụ thuộc
vào bản chất mỗi chất và đạt cực đại ở vật đen tuyệt đối. Tổng năng
lượng một vật phát xạ được tính theo phương trình sau:
E = T4
trong đó:



hằng số Stefan–Boltzmann,  = 5,669 ×10-8 W/m2.K4

T

nhiệt độ tuyệt đối của vật, 0C

Đỗ Quang Thắng


16

Người ta định nghóa độ phát xạ  là tỉ số giữa năng lượng phát xạ
từ bề mặt của vật với năng lượng phát ra từ bề mặt vật đen ở cùng
nhiệt độ.

1.6

Năng lượng bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt trời là một dạng bức xạ nhiệt có sự phân bố bước sóng

riêng biệt. Cường độ của nó phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, mùa và
góc của các tia bức xạ tới mặt đất. Trong đó, năng lượng mang bởi bức
xạ tử ngoại chiếm 3%, năng lượng mang bởi bức xạ khả kiến chiếm
40% và phần còn lại là bức xạ hồng ngoại chiếm 57% tổng số năng
lượng của bức xạ mặt trời truyền đến trái đất.

Hình 1.6

Đỗ Quang Thắng

Phổ năng lượng của bức xạ mặt trời


17

1.7

Sơn [4]

1.7.1

Thành phần của sơn
Sơn chủ yếu chứa nhựa hoặc dầu chưng luyện, có chất màu hoặc

không có chất màu. Khi sơn lên bề mặt sản phẩm ta được lớp màng
mỏng bám lên bề mặt, có tác dụng cách li với môi trường khí quyển
bảo vệ và làm đẹp sản phẩm.

Thành phần của sơn bao gồm chất tạo màng, bột màu, bột độn
(extenders), hợp phần lỏng, chất làm khô và phụ gia.

1.7.2

Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng màng sơn

a. Màu sắc
Màu sắc của sơn biểu hiện thành phần bột màu cần thiết cho từng
loại màu sơn. Màu sắc phải đồng đều, giữ được bền lâu, chống nhiệt độ
cao, độ ẩm, nước, môi trường hóa chất và bức xạ nhiệt.

b. Độ nhớt
Sơn là một dung dịch lỏng, cần phải có độ nhớt cần thiết để bảo
đảm độ bám dính tốt, dễ quét và dễ phun.

c. Độ che phủ
Độ phủ kín (không để ánh sáng lọt qua) của sơn khi khô trên bề
mặt sản phẩm được tính bằng số gam bột màu cần thiết để phủ kín một
mét vuông. Độ che phủ càng tốt khi số gam bột màu cần để phủ kín
càng ít.

Đỗ Quang Thắng


18

d. Thời gian khô
Phụ thuộc vào cấu tạo của sản phẩm dày hay mỏng, phức tạp hay
đơn giản, địa điểm sơn ở nơi thoáng gió hay kín gió, nơi có nhiều ánh

nắng hay có nhiều bóng râm; phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm ở môi
trường đang sơn. Do vậy, thời gian khô phải bảo đảm sao cho ở bất cứ
môi trường nào sản phẩm được sơn cũng không được khô nhanh quá
hoặc chậm quá. Nếu khô nhanh quá màng sơn dễ bị nứt rạn hoặc bị
nhăn, khó quét, khó phun. Ngược lại nếu khô chậm quá, màng sơn sẽ bị
chảy, độ bóng kém, dễ bị bụi bẩn bám vào.

e. Độ cứng của màng sơn
Chất lượng sơn tốt thì màng sơn có độ cứng cao, tiêu chuẩn để xác
định độ cứng của màng sơn là so sánh với độ cứng của kính.

f. Độ bền va đập
Đối với các loại sơn dùng để sơn các động cơ, máy móc, có độ
rung động lớn, màng sơn cần thiết phải chịu đựng được lực rung động
đó. Tiêu chuẩn này đánh giá độ bám dính của màng sơn. Độ bền va
đập được tính bằng kg lực tác dụng trên 1 cm2 mà màng sơn chịu đựng.

g. Độ bền chịu lực uốn và đàn hồi
Màng sơn luôn chịu tác dụng của khí quyển, tác dụng của độ ẩm,
độ nóng và độ lạnh. Do đó màng sơn đòi hỏi phải có độ co giãn thích
hợp mỗi khi phải chịu đựng nhiệt độ nóng, lạnh lớn hoặc nhiệt độ biến

Đỗ Quang Thắng


19

đổi đột ngột để không bị phá vỡ, rạn nứt đồng thời vẫn phải bảo đảm
được độ cứng.

h. Độ bám dính của màng sơn
Đây là tiêu chuẩn cơ bản để đánh giá chất lượng của sơn vì nó ảnh
hưởng đến tuổi thọ của màng sơn. Độ bám dính còn phải được duy trì
trong môi trường ẩm, bền trong nước, bền nhiệt, bền trong hóa chất,
xăng, dầu, mỡ, nước biển,…

1.8

Bột màu [4], [9]

1.8.1

Khái niệm bột màu
Bột màu là thành phần quan trọng tạo màu cho màng sơn; bột màu

là chất rắn có kích thước hạt hạt rất nhỏ, không hòa tan trong dung môi.
Bột màu được nghiền đồng đều với chất làm dẻo, có tác dụng che phủ
bề mặt, chống xuyên thấu của tia tử ngoại làm cho màng sơn có màu,
chịu nước, chịu nhiệt, nâng cao độ cứng, độ mài mòn, kéo dài tuổi thọ
của màng sơn,… Vì màng sơn mỏng nên bột màu dùng trong sơn phải
có tỷ trọng nhẹ, che phủ bề mặt tốt, tính chất ổn định, không biến
màu,…
Bột màu dùng trong sơn thường là chất vô cơ không hòa tan trong
nước, bao gồm một số kim loại, phi kim loại, oxid, hợp chất lưu huỳnh
và muối, có khi là chất hữu cơ không hòa tan trong nước. Người ta cũng
sử dụng thuốc nhuộm hữu cơ hòa tan trong nước hoặc trong dung môi
để tạo màu cho màng sơn.

Đỗ Quang Thắng

20

1.8.2

Một số tính chất chính của bột màu

1. Năng lực thể hiện màu: Năng lực thể hiện màu mạnh hay yếu của
chất màu khi nó hỗn hợp với các chất màu khác.
2. Độ che phủ: Độ che phủ của chất màu là khả năng che phủ lớp nền,
làm cho lớp nền không bị lộ ra qua màng sơn.
3. Tính chống ăn mòn điện hóa: Lớp sơn lót cần có tính chống gỉ.
Những kim loại như bột nhôm, bột kẽm có tác dụng bảo vệ điện hóa
một số kim loại, ZnCrO4 có tác dụng thụ động hóa, đề phòng kim
loại bị ăn mòn.
4. Bột hóa: Một số chất màu trong màng sơn, đặc biệt là các chất màu
trắng như TiO2, sau một thời gian nhất định có thể hình thành lớp bột
trên bề mặt mà khi xóa đi sẽ để lại vết. Hiện tượng như trên được
gọi là sự bột hóa của sơn.
Ngoài những tính chất trên còn có các tính chất khác như độ phân
tán, độ hòa tan chịu nhiệt, chịu mốc, chịu ăn mòn hóa học,…
1.8.3

Ảnh hưởng của hình dạng và kích thước hạt của bột màu
đến tính chất của màng sơn

a. Ảnh hưởng của kích thước hạt
Hạt bột màu càng mịn thì chất lượng của màng sơn càng tốt. Kích
thước hạt tốt nhất nằm trong khoảng 0,510m; nếu kích thước hạt <
0,51m thì độ phủ kém, có nghóa là tốn nhiều dầu sơn. Kích thước lớn

đến một giới hạn nào đó có thể vừa giảm được lượng dầu sơn, vừa tăng
phẩm chất của màng sơn, ví dụ tăng sức chịu đựng với tác dụng của khí
quyển. Song khi kích thước hạt quá lớn thì lớp màng sơn lại không chắc
và không phẳng.

b. Ảnh hưởng của hình dạng hạt

Đỗ Quang Thaéng