Chất phụ gia hoạt động bề mặt trong sản xuất sơn và chống thấm màu

1.GIỚI THIỆU CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

Thông thường, bề mặt màng sơn trong và sau khi thi công có nhiều khiếm khuyết (defects) làm bất lợi cho chất lượng trang trí và bảo vệ của sơn & chống thấm màu

Các khiếm khuyết đó là:

 - Không thấm ướt tốt với bề mặt vật sơn và chống thấm màu

- Tạo hố lồi lõm.

- Tạo vết màu loang lổ không đồng đều (kiểu cấu trúc tổ ong tế bào Benard). 

- Không dàn trải tốt tạo độ sần sùi da cam. 

- Nhạy cảm bắt bụi làm mờ màng sơn, v.v… 

Nguyên nhân chủ yếu gây ra các khiếm khuyết bề mặt sơn nói trên là do sức căng bề mặt khác nhau của các thành phần nguyên liệu khác nhau có trong sơn (chủ yếu là độ bay hơi của dung môi hoặc phản ứng kết mạng của sơn 2 thành phần A/B) hoặc do yếu tố thi công sơn như phun quá mạnh, các hạt bụi bẩn có trong không khí, bề mặt vật sơn không sạch, v.v…

Muốn ngăn ngừa các khiếm khuyết do sức căng bề mặt phải dung chất phụ gia hoạt động bề mặt. Về cơ bản sử dụng 2 loại chất phụ gia gốc Polysiloxane hoặc Polyacrylate là chất phụ gia hoạt động bề mặt. 

2.NHỮNG HIỂU BIẾT CẦN THIẾT VỀ TÁC DỤNG CỦA CÁC CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 

a. Tác dụng thấm ướt bề mặt vật sơn (SUBSTRATE-WETTING)

 Sự thấm ướt bề mặt vật sơn phụ thuộc cơ bản vào sức căng bề mặt của sơn và sức căng tới hạn (Critical) của bề mặt vật sơn. Theo nguyên tắc chung, sức căng bề mặt vật sơn phải thấp hơn hoặc ít nhất tương đương với sức căng bề mặt vật sơn thì sơn mới bám dính. (Chú ý: các bề mặt vật sơn có sức căng thấp như chất dẻo, có bề mặt dính bẩn dầu mỡ - là các bề mặt rất khó bám sơn do rất khó thấm ướt). 

Dựa theo nguyên tắc này, thấy rằng sơn gốc nước do có sức căng bề mặt cao hơn sơn gốc dung môi, vì vậy thường sơn gốc nước phải sử dụng chất phụ gia hoạt động bề mặt có tác dụng làm giảm rõ rệt sức căng bề mặt (là phụ gia gốc Silicone) mới bảo đảm có độ bám dính tốt vào bề mặt vật sơn. 

b. Tác dụng chống lại khiếm khuyết màng sơn do kém dàn trải, cấu trúc tổ ong Benard, loang lổ và tách màu, bắt bụi không khí (anti Benard cell, anti-flooding, anti-floating, seameless = anti-draft sensitivity, leveling, slip, v.v…) 

b.1 Cấu trúc tổ ong Benard Cell tạo thành trên màng sơn là do trong quá trình khô hoặc đóng rắn của màng sơn có sự chuyển dịch không có trật tự các thành phần sơn từ các lớp bên dưới của màng sơn khô lâu phía trên bề mặt màng sơn này, sự khác nhau về tỉ trọng, nhiệt độ và đặc biệt là sức căng bề mặt của các thành phần này tạo nên cấu trúc Benard Cell, và từ đó để lại hậu quả trên màng sơn khô các hiện tượng tách màu và loang màu, kém dàn trải và làm mờ mặt sơn (do hút bụi không khí). 

b.2 Tác dụng của chất phụ gia bề mặt gốc Slicone chống lại các khiếm khuyết trên, cụ thể như sau: làm cho sức căng bề mặt của sơn ổn định ở giá trị tương đối thấp, do đó loại bỏ sự chênh lệch sức căng bề mặt của các thành phần sơn khác nhau và ngăn cản được sự tạo thành cấu trúc Benard Cell. 

Chú ý rằng để loại trừ hiện tượng loang màu chất phụ gia bề mặt gốc Silicone cần phải có sự trợ giúp của chất phụ gia thấm ướt và phân tán bột màu làm bột màu được chuyển dịch đồng đều hơn cùng với các thành phần khác của sơn, ngoài ra cũng cần chú ý để phát huy tác dụng kiểm soát sự dàn trải của màng sơn, cần chọn lựa đúng chất phụ gia bề mặt Silicone dùng cho kiểm soát độ dàn trải (Surface Flow-control = SFC) ứng với sức căng bề mặt cao hơn tạo cấu trúc lượn song dài hơn. Với tác dụng chống sự bắt bụi không khí làm mờ màng sơn thì hầu như tất cả các loại chất phụ gia bề mặt gốc Silicone đều phát huy tác dụng.

 * Tác dụng của chất phụ gia bề mặt gốc Polyacrylate: chủ yếu cải thiện độ dàn trải. Các chất phụ gia Polyacrylate có mức độ phân cực khác nhau được chọn dùng khác nhau thích hợp cho từng loại sơn, thường độ phân cực cao thích hợp với hệ sơn gốc nước. 

* Để phát huy đầy đủ tác dụng của phụ gia hoạt động bề mặt, người ta thường phối hợp cả 2 chất phụ gia bề mặt gốc Silicone và Polyacrylate. 

c. Tác dụng chống lại sự tạo lồi lõm và tăng độ trơn láng (anti-cratering and improve the slip properties) của chất phụ gia bề mặt, còn có tên gọi chung là chất phụ gia láng phẳng bề mặt LEVELLING ADDITIVES.

 c.1 Nguyên nhân gây ra sự lồi lõm màng sơn là do có các giọt sơn dư ra từ vòi phun, cọ quét, con lăn nhiễu lên mặt sơn còn ướt làm có sự chênh lệch về sức căng bề mặt, cũng do bề mặt vật sơn không sạch hoặc có các hạt bụi bẩn rơi vào màng sơn còn ướt. Chất phụ gia bề mặt gốc Silicone làm hạ thấp sức căng bề mặt màng sơn (thấp hơn, sức căng bề mặt tạo nên do các tác động nói trên) tạo độ an toàn cho màng sơn có độ leveling. Trong khi đó chất phụ gia gốc Polyacrylate lại có tác dụng yếu hơn nhiều nên ít được sử dụng. 

c.2 Bề mặt màng sơn không trơn láng (non-slip), khi gặp một lực cọ sát rất nhẹ dễ bị sọc đo trầy xước, hoặc dễ bám bụi, khó chùi rửa cho sạch. 

Các khiếm khuyết này (non-slip) đều do nguyên nhân sức căng bề mặt không được kiểm soát gây ra. Chất phụ gia bề mặt gốc silicone có tác dụng làm tăng tính trơn láng (Slip), tuy nhiên hiệu quả tác dụng của nó tùy thuộc vào cấu tạo hóa học và hàm lượng sử dụng trong sơn (ví dụ Polysiloxane có nhiều nhóm Dimethyl có kết quả tốt hơn, trong khi đó, Methyl Alkyl Polysiloxane lại ít có tác dụng “Slip”) 

Các Polysiloxane phụ gia hoạt động bề mặt có thể sử dụng dưới dạng mạch Polyether nhằm làm tăng độ tương hợp với sơn hoặc mạch Polyester nhằm tăng độ bền nhiệt dùng cho sơn sấy. 

Hiệu ứng đối với độ bám giữa các lớp sơn của các chất phụ gia bề mặt gốc Silicone:  

• Hàm lượng sử dụng trong sơn: hàm lượng quá cao sẽ làm giảm độ bám dính giữa các lớp sơn. Vì lượng dư quá cao của silicone còn nằm lại ở lớp sơn trước sẽ thành vào lớp sơn sau, sơn lên lớp trước và làm giảm độ bám dính giữa 2 lớp sơn. Vì vậy, trước khi sử dụng chất phụ gia bề mặt trong sơn, phải thí nghiệm và hàm lượng sử dụng cho thích hợp.  

• Khoảng nhiệt độ sấy của sơn sấy nếu vượt quá độ bền nhiệt của chất phụ gia gốc silicone sẽ làm giảm độ bám dính giữa các lớp sơn. Ví dụ: Polysiloxane mạch Polyether bị phân hủy ở nhiệt độ 1400C - 1500C / 2800 F – 3000 F; Polysiloxane mạch Polyester lại bền tới nhiệt độ 2200C – 2500C / 4300 F – 4800 F. Vì vậy, khi dùng sơn sấy, chất phụ gia bề mặt cần chọn loại bền ở nhiệt độ cao.