Chất phụ gia thấm ướt và phân tán trong sản xuất sơn và chống thấm màu

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG CHẤT PHỤ GIA THẤM ƯỚT VÀ PHÂN TÁN CHO SƠN (WETTING & DISPERSING ADDITIVES) 

 Sự phân bố đồng đều các hạt bột màu thể rắn trong dung dịch chất tạo màng sơn là yếu tố quan trọng nhất trong quá trình sản xuất sơn màu. Quá trình phân tán bột màu trong quá trình sản xuất sơn màu chia thành 3 giai đoạn khác nhau là: thấm ướt, nghiền và ổn định. Nếu quá trình phân tán 3 giai đoạn này không thực hiện tốt thì hàng loạt khiếm khuyết của sơn và màng sơn thi công có thể xảy ra, đó là:  Sự keo tụ bột màu.  Giảm độ bóng.  Không bền màu  Loang lổ và tách màu  Hiện tượng cấu trúc tổ ong Benard Cells  Đóng lắng  Màng sơn bị loang chảy (sagging)  Kém trơn láng bề mặt sơn 

4.2 TÁC DỤNG CỦA CHẤT PHỤ GIA THẤM ƯỚT VÀ PHÂN TÁN 

a. Có thể giải quyết các khiếm khuyết trên trong 3 giai đoạn phân tán bột màu sơn như sau:  

Ở giai đoạn 1: thấm ướt bột màu bằng dung dịch nhựa sơn. Dung dịch nhựa sơn sẽ thế chỗ cho hơi ẩm và không khí nằm trong bột màu, vì vậy cần đưa vào các chất phụ gia thấm ướt nhằm làm giảm sức căng bề mặt phân cách giữa bột màu và nhựa, đảm bảo bột được thấm ướt với nhựa sơn tạo thuận lợi cho giai đoạn nghiền kế tiếp. Các chất phụ gia thấm ướt có cấu tạo điển hình kiểu phân cực – không phân cực của các chất hoạt động bề mặt và có thể là các chất ionic hoặc non-ionic.  

Ở giai đoạn 2: nghiền bằng lực cơ học phá vỡ các tập hợp bột màu thành các phần tử nhỏ hơn (lý tưởng là thành các hạt bột màu có kích thước nguyên thủy), sơn có bột màu được nghiền đạt tới độ mịn theo yêu cầu.  

Ở giai đoạn 3: tiếp liền theo giai đoạn 2 là cần phải có các chất phụ gia phân tán nhằm tránh các hạt bột màu keo tụ trở lại. Các chất phụ gia phân tán hấp thụ trên bề mặt bột màu và luôn giữ cho chúng tách rời nhau ra bằng lực tĩnh điện hoặc lực án ngữ không gian (dạng bền hóa entropy), do đó không cho các hạt bột màu keo tụ trở lại. 

b. Yêu cầu đối với chất phụ gia thấm ướt và phân tán

 b.1 Yêu cầu chung: 

đối với cả hệ sơn gốc dung môi và gốc nước, các chất phụ gia thấm ướt và phân tán tấn công liên tục vào bề mặt bột màu và cần đạt yêu cầu phân tán bền vững. Muốn đạt yêu cầu này, các chất phụ gia phải chứa các nhóm chức có ái lực với bột màu. Các chất phụ gia có chứa nhóm acid liên kết tốt với các bột màu vô cơ và bột độn. Các chất phụ gia có chứa nhóm amino lại có tác dụng giống như mỏ neo gắn với các bột màu hữu cơ. 

b.2 Yêu cầu chất phụ gia thấm ướt và phân tán cho hệ sơn gốc nước: 

tác dụng làm bền theo cơ chế lực đẩy tĩnh điện. Chất phụ gia đặc trưng về mặt hóa học giống như chất đa điện ly, nghĩa là khi chúng hấp thụ vào bề mặt bột màu, chúng sẽ chuyển điện tích vào bột màu làm cho các hạt bột màu mang cùng loại điện tích và có tác dụng giảm mạnh sự keo tụ bột màu. Như vậy, trong hệ sơn gốc nước cần phải có 2 loại chất phụ gia thấm ướt và phân tán. Thường là các chất phụ gia:  

Dung dịch Copolymer Acrylic được trung hòa bởi các amin.  

Gốc acid béo, các ethoxylate gốc rượu và gốc vòng thơm.  

Các Polyacrylate và các muối Polyphosphate. 

 Dung dịch Copolymer Styrene Acrylic. 

b.3 Yêu cầu chất phụ gia thấm ướt và phân tán cho hệ sơn gốc dung môi: 

- Tác dụng làm bền bột màu theo cơ chế khác với hệ sơn gốc nước. Chất phụ gia phân tán có chứa các nhóm ái lực bột màu hoặc các nhóm mỏ neo. Các nhóm này tạo sự hấp phụ mạnh trên bề mặt bột màu, ngoài ra phân tử chất phân tán còn chứa một hoặc nhiều chuỗi mạch Hydrocarbon đâm xuyên từ bề mặt bột màu vào dung dịch nhựa chung quanh tạo hiệu ứng án ngữ không gian làm cho các hạt bột màu không thể keo tụ lại được. 

Với cấu tạo hóa học đặc biệt, nhóm mỏ neo phân cực ái nước và nhóm hydrocarbon kỵ nước không phân cực, các chất phụ gia phân tán này vừa có tác dụng án ngữ không gian, vừa có tác dụng thấm ướt bột màu. 

- Các chất phụ gia thấm ướt và phân tán dùng cho hệ sơn gốc dung môi thường là các chất sau đây:  Các chất kiểu acid, thường chứa nhiều nhóm chức tính acid được nối với khung kỵ nước.  

Các muối (trung hòa điện tích) của acid carbonic hoặc polycarbonic được trung hòa với các amine mạch dài.  Các Polymer non-ionic có gắn nhiều nhóm amine và các chuỗi mạch dài tan trong dung môi . 

- Sự phân loại các chất phụ gia thấm ướt và phân tán theo cấu tạo hóa học nói trên chưa phản ánh hiệu quả tác dụng riêng biệt đối với bột màu, vì vậy còn có cách phân loại theo tác dụng đặc biệt của loại chất phụ gia thấm ướt và phân tán, đó là: chất phụ gia chống keo tụ bột màu (Deflocculating Additives) và chất phụ gia kiểm soát sự keo tụ bột màu (Controlled Flocculating Additives). Sự phân loại này rõ ràng hơn và nhiều khi được đặt tên cho chất phụ gia (tuy nhiên, đối với hệ sơn gốc nước lại ít có ý nghĩa do bản chất làm bền bột màu là lực đẩy tĩnh điện) 

- Cụ thể như sau:  Ở chất phụ gia chống keo tụ: do bản chất hấp phụ trên bề mặt bột màu tạo hiệu ứng án ngữ không gian chống lại sự keo tụ (tuy nhiên, đồng thời lại dễ tạo ra sự đóng lắng bột màu) 

Chất phụ gia chống keo tụ chủ yếu dùng cho loại sơn phủ ngoài cùng (top coat) là loại sơn yêu cầu độ bóng cao, và phát huy hiệu quả của bột màu sử dụng ở mức cao nhất.  Ở chất phụ gia kiểm soát sự keo tụ: nếu các nhóm ái lực bột màu có sự định vị tại phần cuối của chuỗi mạch phân tử, thì sẽ phát huy tác dụng cầu nối giữa các hạt bột màu, kết quả là sụ keo tụ bột màu được kiểm soát. 

Chất phụ gia kiểm soát sự keo tụ có thể gây tác dụng làm giảm độ bóng nhưng do sơn sẽ đặc hơn nên cũng làm giảm sự loang chảy (sagging) màng sơn và ít bị đóng lắng. Thường chất phụ gia chống keo tụ dùng phối hợp với các chất phụ gia lưu biến để phát huy hiệu quả. 

b.4 Yêu cầu đặc biệt về chất phụ gia thấm ướt và phân tán đối với các bột màu hữu cơ 

Các bột màu hữu cơ khác với bột màu vô cơ ở chỗ bề mặt bột màu không phân cực, vì vậy rất khó hấp phụ trên bề mặt bột màu hữu cơ các chất thấm ướt và phân tán thông thường như đã nói trên, thêm vào nữa, các bột màu hữu cơ lại có diện tích bề mặt lớn hơn bột màu vô cơ làm cho sự hấp phụ các chất thấm ướt và phân tán không đầy đủ để phát huy tác dụng. 

Chất phụ gia thấm ướt và phân tán thế hệ mới là các polymer có tính chất siêu phân tán (hyperdispersants), so với các chất phụ gia Oligomer cổ điển, các chất phụ gia polymer có trọng lượng phân tử lớn hơn và nhiều nhóm hấp phụ bột màu hơn. 

Vì vậy, chúng rất dễ hấp phụ trên bề mặt bột màu hữu cơ và ngăn cản sự keo tụ bột màu, mặc dù diện tích bề mặt của bột màu hữu cơ lơn hơn bột màu vô cơ, nên cần nhiều chất phụ gia polymer hơn, nhưng do bản chất là các polymer có tính chất nhựa tạo màng nên không gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng màng sơn 

CÁC CHÚ Ý ĐẶC BIỆT VỀ SỬ DỤNG CHẤT PHỤ GIA THẤM ƯỚT VÀ PHÂN TÁN 

a. Hàm lượng sử dụng trong sơn: 

Phụ thuộc vào tổng lượng bột màu (bề mặt bột màu) có trong sơn.  

Với các chất phụ gia thấm ướt và phân tán cổ điển – có trọng lượng phân tử thấp, hàm lượng 0.5 – 2% với bột màu vô cơ và 1 – 1.5% với bột màu hữu cơ (% tính theo lượng bột màu). Thường sử dụng ở mức 0.1 - 1% tổng lượng sơn là thích hợp.  

Với các chất phụ gia thấm ướt và phân tán thế hệ mới kiểu polymer có trọng lượng phân tử cao hơn loại cổ điển cần dùng tỉ lệ cao hơn, cụ thể là: 

+ Với bột màu vô cơ: tỉ lệ dùng 1 – 10% lượng bột màu. 

+ Với bột màu hữu cơ: tỉ lệ dùng 10 – 30% lượng bột màu. 

+ Với bột màu rất mịn: tỉ lệ dùng 60 – 80% lượng bột màu. 

b. Thời điểm cho chất phụ gia vào sơn: 

Tốt nhất là ngay từ đầu nghiền chung: bột màu + dung môi + chất phụ gia, nhưng đó chỉ là theo lý thuyết. Thực tế, các chất phụ gia thấm ướt và phân tán được cho vào giai đoạn nghiền sơn, đôi khi chúng được cho thêm vào các giai đoạn sau nếu cần giải quyết hiện tượng flood/float của bột màu trong sơn. 

Các bột màu có thể nghiền riêng từng loại với chất thấm ướt và phân tán hoặc có thể nghiền phối hợp nhiều loại bột màu trong một mẻ nghiền cũng được. Cách hiệu quả cao nhất là sử dụng pha màu sơn bằng các paste màu đậm đặc. 

Vì khi chế tạo paste màu, các vấn đề về thấm ướt và phân tán, flood/float đã được giải quyết triệt để, khi pha vào để tạo màu sơn không bị ảnh hưởng nào bất lợi. 

c. Sự kết hợp với các chất phụ gia lưu biến: 

Về lý thuyết như đã nói ở phần trên, các chất phụ gia thấm ướt và phân tán gây ảnh hưởng đến độ lưu biến của màng sơn, theo kiểu thuận (năng lượng thuận SYNERGISTIC EFFECT), vì vậy trong thực tế thường dùng kết hợp chất phụ gia thấm ướt và phân tán với các chất phụ gia lưu biến. Vấn đề là chọn dùng kết hợp phụ thuộc vào yêu cầu chất lượng của màng sơn. 

d. Sự kết hợp với các chất phụ gia bề mặt gốc Silicone 

Là thuận lợi nhằm giải quyết hàng loạt các yếu tố gây ra từ hiệu ứng Benard (tổ ong, loang màu, tách màu, v.v…) 

KẾT LUẬN 

- Chất phụ gia thấm ướt (wetting) bột màu được đưa vào sơn nhằm làm giảm sức căng bề mặt phân cách giữa bột màu và nhựa, đảm bảo bột màu thấm ướt nhựa tạo thuận lợi cho giai đoạn nghiền sơn kế tiếp. 

- Chất phụ gia phân tán có tác dụng chống keo tụ các bột màu đã được nghiền, tách chúng ra bằng lực đẩy tĩnh điện hoặc hiệu ứng án ngữ không gian bởi các nhóm chức của chất phụ gia hấp phụ trê bề mặt bột màu (dạng bền hóa entropy). 

- Chất phụ gia thấm ướt và phân tán cho hệ sơn gốc nước có tác dụng làm bền phân tán bột màu theo cơ chế lực đẩy tĩnh điện của các dpg có bản chất hóa học của chất đa điện ly hấp phụ trên bề mặt bột màu.

 - Chất phụ gia thấm ướt và phân tán cho hệ sơn dung môi có tác dụng hiệu ứng án ngữ không gian của các nhóm chức ái lực bột màu hoặc mỏ neo của phân tử chất phụ gia hấp phụ trên bề mặt bột màu. 

Để phân loại rõ ràng hơn, chia ra thành chất phụ gia chống keo tụ bột màu (deflocculating additives) và chất phụ gia kiểm soát sự keo tụ bột màu (controlled flocculationg additives). 

Chất phụ gia thấm ướt và phân tán loại Polymer được sử dụng đặc biệt cho bột màu hữu cơ và cần dùng với tỉ lệ cao hơn các chất thấm ướt và phân tán cổ điển do diện tích bề mặt bột màu hữu cơ lớn hơn bột màu vô cơ nhưng không ảnh hưởng xấu đến chất lượng màng sơn. 

- Tỉ lệ dùng chất phụ gia thấm ướt và phân tán trong sơn cần qua thí nghiệm thực tế mà quyết định. Chất phụ gia thấm ướt và phân tán có thể dùng phối hợp tốt với các chất phụ gia lưu biến và hoạt động bề mặt (gốc Silicone)