Đồ án Nghiên cứu chế tạo sơn men bảo vệ kết cấu thép cho công trình và phương tiện giao thông vận tải

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Khoa công nghệ hóa học Bộ môn công nghệ vật liệu polyme và compozit
ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài : Nghiên cứu chế tạo sơn men bảo vệ kết cấu thép cho công trình và phương tiện giao thông vận tải Giáo viên hướng dẫn : PGS. TS Phan Thị Minh Ngọc ThS Nguyễn Thuý Hằng Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Nguyện Lớp : Công nghệ hóa lý_K51 Hà Nội 12/2010 Mục lục trang 1)Lịch sử phát triển cuả sơn ...................................................................................05 1.1) Định nghĩa sơn..............................................................................................05 1.2) Phân loại sơn.................................................................................................06 1.3)Thành phần của sơn.......................................................................................07 1.4) Cơ chế bảo vệ của màng sơn........................................................................08 2)Sơn men...............................................................................................................15 2.1) Chất tạo màng..............................................................................................15 2.1.1) Nhựa epoxy............................................................................................16 2.1.1.1) Nhựa epoxyđian..............................................................................16 2.1.1.2) Nhựa epoxy novolac (nhựa poly epoxy )........................................18 2.1.1.3) Nhựa epoxy mạch thẳng..................................................................18 2.1.1.4) Nhựa epoxy este..............................................................................18 2.1.1.5) Ứng dụng nhựa epoxy trong màng phủ...........................................19 2.1.2) Nhựa ankyd............................................................................................20 2.1.2.1) Biến tính ankyd bằng axit béo.........................................................20 2.1.2.2) Biến tính ankyd bằng dầu thực vật..................................................21 2.1.3) Nhựa acrylic...........................................................................................23 2.1.3.1) Nguyên liệu đầu..............................................................................23 2.1.3.2) Điều chế nhựa acrylic.....................................................................23 2.1.3.3) Ứng dụng nhựa acrylic....................................................................24 2.1.3.4) Biến tính nhựa acrylic.....................................................................25 2.1.4 ) Nhựa PU ( poly uretan )........................................................................25 2.1.4.1) Nguyên liệu đầu..............................................................................25 2.1.4.2) Phân loại màng phủ uretan.............................................................27 2.1.4.3) Màng phủ đóng rắn ẩm...................................................................29 2.1.5) Nhựa vinyl.............................................................................................29 2.1.5.1) Nhựa poly vinyl axetat ( PVAc )....................................................29 2.1.5.2) Nhựa poly vinyl ancol ( PVA ).......................................................30 2.1.5.3) Nhựa poly vinyl fomat ( PVF ).......................................................30 2.1.5.4) Nhựa poly butyral ( PVB )..............................................................31 2.1.5.5) Nhựa poly clorua ( PVC )...............................................................31 2.1.5.6) Đồng trùng hợp vinyl axetat và vinyl clorua..................................32 2.1.5.7) Peclo vinyl ( poly vinyl clorua clo hóa ).........................................32 2.2) Dung môi.......................................................................................................32 2.2.1) Yêu cầu đối với dung môi......................................................................33 2.2.1.1) Khả năng hòa tan ............................................................................33 2.2.1.2) Điểm sôi (nhiệt độ sôi )...................................................................33 2.2.1.3) Tốc độ bay hơi.................................................................................33 2.2.1.4) Khả năng độc hại và cháy nổ..........................................................34 2.2.1.5) Độ ổn định hóa học.........................................................................34 2.2.1.6) Mùi và mầu......................................................................................34 2.2.1.7) Tỷ trong và giá thành......................................................................34 2.2.2) Một số loại dung môi.............................................................................35 2.3) Bột mầu và chất độn......................................................................................35 2.3.1)Bột mầu...................................................................................................35 2.3.1.1) Bột mầu vô cơ.................................................................................36 2.3.1.2) Bột mầu hữu cơ...............................................................................37 2.3.2) Chất độn.................................................................................................37 2.4) Chất hóa dỏe và chất đóng rắn......................................................................37 2.4.1) Chất hóa dẻo...........................................................................................37 2.4.2) Chất đóng rắn (chát làm khô )................................................................38 2.5) Các chất phụ gia khác....................................................................................39 2.5.1) Chất phụ gia làm đặc..............................................................................39 2.5.2) Chất hoạt động bề mặt............................................................................40 2.5.3) Chất biến tính bề mặt.............................................................................40 2.5.4) Các chất có hiệu quả đặc biệt.................................................................41 3) Hướng nghiên cứu sắp tới...................................................................................41 3.1) Chế tạo màng sơn men bán bóng..................................................................41 3.2) Nghiên cứu đánh giá chất lượng sơn men qua tính chất cơ lý,đặc biệt là khả năng bám dính với các lớp phủ khác nhau...................42 3.3) Nghiên cứu công nghệ chế tạo sơn men phù hợp với từng lĩnh vực.............42 3.3.1) Sơn men bóng,trong suốt,không mầu KL-1...........................................42 3.3.2) Sơn bóng hệ nước phủ mầu cho gỗ,bịt vân gỗ T-13..............................43 3.3.3) Sơn phủ bóng cho gỗ W-3......................................................................44 4) Quy trình sản xuất sơn.........................................................................................45 Tài liệu tham khảo...................................................................................................49 1 ) Lịch sử phát triển của sơn Vào thời kỳ trước công nguyên,người Ai Cập cổ đại đã biết trang trí tường, hang hốc mình ở và các vật dụng trên cơ sở chất kết dính là lòng trắng trứng, sáp ong, nhựa cây trộn với bột màu thiên nhiên. Vài ngàn năm sau đó người Trung Hoa đã phát hiện và dùng mủ cây sơn làm sơn phủ và keo. Trước đây sơn được sản xuất từ các loại thảo mộc như: dầu lanh, dầu trẩu, dầu gai, dầu dừa, dầu hướng dương, dầu ngô, dầu cao su,... Các loại nhựa thiên nhiên như: nhựa cánh kiến, nhựa thông, bitum thiên nhiên,... Các loại bột như cao lanh, ỏi sắt. Đến thế kỷ 20, cùng với sự phát triển nhanh của ngành hóa chất, công nghiệp sơn tổng hợp ra đời với sự phát triển mạnh, đặc biệt là ở những nước có công nghiệp hóa chất phat triển mạnh. Toàn thế giới năm 1965 sản xuất khoản 10 triệu tấn sơn, năm 1975 tăng lên 16 triệu tấn. Trong công nghiệp sơn hiện nay người ta sử dụng 2700 loại nhựa làm chất tạo màng, 700 loại dầu, 2000 loại bột mầu, 1000 loại dung môi và khoảng 600 chất phụ gia. Trước đây, sơn dầu chiếm ưu thế trong công nghiệp chế tạo sơn. Nhưng trong vòng 10 năm trở lại đây, sơn tổng hợp đã tiến lên chiếm ưu thế hàng đầu trong các loại sơn. ) Định nghĩa sơn. Trước đây một số nhà nghiên cứu đã đưa ra một vài khái niệm sau : Sơn là huyền phù của bột màu, chất độn trong dung dịch chất tạo màng với dung môi tương ứng (Liên Xô). Sơn là tổ hợp lỏng chứa bột màu, khi phủ lên nền thành lớp mỏng sẽ tạo thành màng phủ không trong suốt (Mỹ). Hai định nghĩa này bao gồm các loại sơn màu đục, men (pigment paint) Dạng vật liệu sơn không chứa bột màu gọi là vec ni, là dung dịch tạo màng trong dung môi thích hợp. Định nghĩa tổng quat:Sơn là hệ phân tán gồm nhiều thành phần (chất tạo màng,chất màu,...trong môi trường phân tán ).sau khi phủ nên bề mặt vật liệu nền nó tạo thành lớp màng đều đặn,bám chắc,bảo vệ và trang trí bề mặt vật liệu cần sơn. Như vậy,chức năng của màng sơn là trang trí và bảo vệ vật liệu nền. 1.2 ) Phân loại sơn : Có rất nhiều cách phân loại : -Căn cứ vào chất tạo màng: +Sơn dầu thuần túy:thành phần chất tạo màng chỉ có dầu thảo mộc,ít dùng do không bền. +Sơn dầu nhựa :thành phần chất tạo màng gồm dầu thảo mộc và nhựa (thiên nhiên,nhân tạo ).Loại này được dùng phổ biến trong đời sống hằng ngày nhưng ít dùng trong các ngành kỹ thuật. +Sơn tổng hợp :Chất tạo màng là nhựa tổng hợp (gọi tên căn cứ vào tên của các loại nhựa: ví dụ sơn epoxy,sơn alkyd,...) -Căn cứ vào bản chât scuar môi trường phân tán : +Sơn dung môi:môi trường phân tán là dung môi hữu cơ +Sơn nước:môi trường phân tán là nước +Sơn bột:không có môi trường phân tán -Căn cứ vào ứng dụng: +Sơn gỗ + Sơn kim loại +Men tráng gốm sứ +Sơn chống hà +Sơn cách điện +Sơn chịu nhiệt +Sơn bền hóa chất +Sơn bền khí quyển -Căn cứ vào phương pháp sơn: +Sơn phun +Sơn tĩnh điện +Sơn tráng,mạ kim loại -Các dạng sơn đặc biệt khác: +Sơn dẫn điện +Sơn cảm quang +Sơn phát sáng 1.3 ) Thành phần của sơn : Bao gồm các thành phần sau: -Thành phần chính: +Chất tạo màng :là thành phần chủ yếu quan trọng nhát,quyết định các tính chất của màng sơn Chất tạo màng bao gồm:dầu thảo mộc,nhựa thiên nhiên,nhựa tổng hợp Đối với dầu thảo mộc thì chỉ có những loại dầu khô (dầu trẩu,dầu lanh )mới có khả năng tạo màng ( do trong phân tử có nhiều nối đôi liên hợp) còn các loại dầu bán khô,và không khô dùng để biến tính nhựa tổng hợp dùng làm chát hóa dẻo Nhựa thiên nhiên,nhựa tổng hợp được biến tính đẻ thay đổi tính chất +Chất màu (bột màu,bột độn ) +Dung môi +Các chất phụ gia:Chất hóa dẻo,chất làm khô đóng rắn,chất ổn định.Ngoài ra còn có những chất đặc biệt như chất diệt khuẩn,dẫn nhiệt,dẫn điện,chất phát sáng,cảm quang,... 1.4 ) Cơ chế bảo vệ của màng sơn Điều quan trọng nhất của sơn là bảo vệ bề mặt sản phẩm ( đặc biệt là kim loại ) Màng sơn mỏng hình thành trên bề mặt chi tiết cách li với môi trường như nước,không khí,ánh sáng mặt trời, và môi trường ăn mòn (như axit,kiềm ,muối ,SO2,...)bảo vệ được sản phẩm không bị ăn mòn.Nếu như bề mặt có lớp màng cứng,có thể làm giảm sự va đập,ma sát do đó sơn còn tác dụng bảo vệ cơ khí. Trong công nghiệp sản xuất sơn chống rỉ, việc lên đơn công thức và quy trình công nghệ sản xuất phù hợp phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố môi trường nơi sử dụng, vùng nền mà vật liệu sơn phủ sẽ bảo vệ, chiến lược và cách chống ăn mòn, tính năng nguyên vật liệu sử dụng... Hệ màng phủ trong sơn chống rỉ có chức năng bảo vệ bề mặt nền theo một trong các cơ chế :
+Hiệu ứng cản có được trong hệ màng phủ nhờ vào tính thấm khí, nước và dẫn ion kém của màng. +Hiệu ứng ức chế quá trình ăn mòn bề mặt nền nhờ vào quá trình thụ động hóa bề mặt nền bởi hệ màng phủ có khả năng chuyển hóa hoặc nhờ sự có mặt các thành phần màu có tính ức chế trong màng phủ. +Ngoài ra, trong công nghiệp, các màng phủ kim loại, hữu cơ, vô cơ còn dùng rộng rãi cơ chế chống ăn mòn bằng cách hy sinh thành phần kim loại hoạt động mạnh hơn. Thành phần kim loại này phải đang tiếp xúc với bề mặt nền. Một số so sánh về các chủng lọai sơn chống rỉ được phân loại theo chức năng hoạt động theo 3 cơ chế bảo vệ chính: 
A ) Ăn mòn trong môi trường ẩm và có nhiều ion: Khi bề mặt thép phơi ra trong môi trường ẩm mà không có sự bảo vệ, quá trình ăn mòn điện hóa trên bề mặt được diễn giải theo sơ đồ mình họa sau:
 Việc lựa chọn một công thức và quy trình phù hợp cho sơn chống rỉ cần phải cân nhắc và lựa chọn theo các yếu tố quan trọng như sau:
 Không phải hệ màng phủ nào cũng phục vụ tốt trong mọi môi trường. Từng loại môi trường có hệ màng phủ phù hợp riêng. Ba loại môi trường chính thường thấy trong các ứng dụng được lưu ý đến như sau:
B)Sơn giàu kẽm Là một loại sơn chống rỉ dùng kẽm như kim loại thay thế cho kim loại nền (thường là sắt thép) có quá trình hoạt động bảo vệ nền như sau:

Sau đó :
 Với sơn chống rỉ có tính cản tốt, đường dẫn ion gây ăn mòn bề mặt nền thường có tổng chiều dài lớn hơn rất nhiều so với sơn không có tính cản. Một so sánh dưới đây giúp hình dung được nguyên lý thú vị này:  Sơn không có tính cản:
Sơn có tính cản:
C) Sơn chống rỉ có chất tạo màng gốc vô cơ (thường là từ silicate) dùng bụi kẽm làm thành một hổn hợp có tác dụng ức chế hữu hiệu sự tấn công các ion của chất gây ăn mòn. Cấu tạo của màng sơn loại này như sau:
2) Sơn men -Thành phần cơ bản: Trên cơ bản nhựa epoxy,alkyt,PU (poli Urethane),acrylic,vinyl -Sử dụng: Dùng để bảo vệ công trình hàng hải, hệ thống máy móc xa bờ, nền các cao ốc…v v những nơi cần được trang trí bảo vệ cũng như chịu được môi trường hóa chất. -Đặc điểm: + Sơn phủ cao cấp dùng trong xây dựng cho bề mặt láng bóng, chịu hóa chất và mài mòn.+Độ bóng và màu sắc không bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài.+Khả năng chống ăn mòn và va đập cao.+Có thể phủ thêm lớp sơn mới nếu cần thiết.+Chịu nhiệt độ đến 100oC.+Nhanh khô 2.1 ) Chất tạo màng Chất tạo màng là một pha liên tục trong một màng sơn,quyết định chủ yếu đặc tính bảo vệ và các đặc tính cơ học chung của màng ( ngoài ra các đặc tính cũng bị ảnh hưởng bởi bản chất bột màu cũng như mức độ khuếch tán bột màu trong chất tạo màng và thể tích bột màu trong đó) Có thể phân biệt các chất tạo màng như sau: -Chất tạo màng thiên nhiên: dâù thực vật,nhựa thiên nhiên,... -Chất tạo màng bán tổng hợp :các dẫn xuất hóa học của polimer thiên nhiên (cao su,...) -Chất tạo màng tổ hợp 2.1.1 ) Nhựa epoxy Nhựa epoxy là sản phẩm đa tụ từ hợp chất chưa nhóm epoxy CH2− CH− CH2− O haytừ hợp chất có khả năng tạo thành nhóm epoxy Là một trong những chất tạo màng quan trọng nhất trong công nghệ sơn Có ba phương pháp cơ bản sử dụng để tổng hợp nhựa epxy -Phản ứng của các chất cho proton với epiclohyđrin CH2− CH− CH2−Cl O -Epoxy hóa các hợp chất không no -Trùng hợp hoặc đồng trùng hợp các hợp chất không no chứa nhóm epoxy 2.1.1.1 ) Nhựa epoxyđian Là một loại nhựa quan trọng nhất và phổ biến nhất,sử dụng trong màng phủ,được tổng hợp từ Bis phenol A (BPA,đi phenol propan ) với epiclohyđrin Bis phenol A + Epiclohyđrin Epoxyđian CH3 HO− − C− −OH + H2C −CH−CH2−Cl CH3 O CH3 HO− − C− − O − CH2 −CH−CH2−Cl CH3 O CH3 +NaOH HO− − C− − O−CH2−CH − CH2 -NaCl –H2O CH3 O CH3 H−−O− − C− −O−CH2−CH−CH2− −O CH3 OH n CH3 CH2−CH−H2C−O− −C− O CH3 2.1.1.2 ) Nhựa epoxy novolac (nhựa polyepoxy ) Được tạo thành từ novolac và epoxy O−CH2−CH−CH2 O−CH2−CH−CH2 O−CH2−CH−CH2 O O O CH2 CH2 n 2.1.1.3 ) Nhựa epoxy mạch thẳng Là loại glixerin ete 2 hay 3 nhóm chức,nhiên liệu đầu để tổng hợp : đi etylen glycol glixerin ( hoặc etylen glicol tri etylen glycol glixerin ) với epiclohyđrin Gần giống cấu trúc nhựa epoxylđian ,nhưng có khối lượng phân tử thường thấp hơn và hàm lượng nhóm epoxy cao hơn 2.1.1.4 ) Nhựa epoxy este Chính là sản phẩm của phản ứng giữa nhựa epoxy và các axit béo đơn chức.Phổ biến nhất là nhựa đi từ epoxy có khối lượng phân tử 800-1600 Những axit béo hay sử dụng là từ dầu khô và dầu bán khô (dầu trẩu,dầu lanh.chứ a liên kết đôi,ba liên hợp ).Ngoài ra có thể sử dụng nhựa thông,chủ yếu là axit abietic. Qúa trình tổng hợp xẩy ra : CH2− CH− + RCOOH −CH−CH2−OCOR O OH −CH2−CH−CH2− + RCOOH −CH2−CH−CH2 − + H2O OH OCOR Nếu có 2 nhóm epoxy CH2− CH− CH−CH − CH2 +RCOOH O OH O CH2 − CH – CH – CH − CH2 epoxy không hoàn toàn OCOR OH OH OH OCOR Tiếp tục phản ứng với axit Epoxy biến tính với anhyđrich maneic ( AM )hay với anhyđrich phtarich (AP ) để tan trong nước 2.1.1.5 ) Ứng dụng nhựa epoxy trong màng phủ Sử dụng nhiều và đa dạng,trong nhiều lĩnh vực khác nhau. A ) Màng phủ bảo vệ công nghiệp Hệ nhựa epoxy đóng rắn nguội được sử dụng nhiều nhất cho các hệ ăn mòn,từ trung bình đến khắc nghiệt. Thường là nhựa epoxy lỏng được hòa tan trong dung môi,chất pha loãng,... Chất đóng rắn thường sử dụng là poliamin mạch thẳng (DETA,TETA,PEPA),poli amit amin,màng phủ thu được có độ bền đối với dung môi hóa học,bền mài mòn,bám dính tốt Màng phủ epoxy đóng rắn bằng amin sử dụng sơn máy bay,tầu thủy B ) Màng phủ epoxy nhựa than đá Phối hợp nhựa than đá với epoxy tạo nên cho sơn có lớp màng độ dầy lớn,hàm rắn cao ( thường sử dụng cho lớp sơn trung gian để tạo độ dầy ) Bền với nước,nước mưa,hoa shocj,tương đối bền với xăng dầu và các hiđrocacbon khác ( nhưng không sử dụng được với các dung môi đặc thơm,hoặc dung môi có cực,vì khi đó than đá sẽ bị hòa tan ) C ) Sơn lót epoxy giầu Zn Được sử dụng làm sơn lót cho kết cấu bằng thép ở biển hoặc cầu,cống ( nhờ có độ bám dính tốt ).