Nghiên cứu chế tạo sơn nước epoxy làm sơn lót bảo vệ công trình giao thông

TS. Nguyễn Thị Mai TS. Bùi Thị Mai Anh Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Hoàng Thị Tuyết Lan PGS. TS. Nguyễn Thị Bích Thủy

Tóm tắt: Việt Nam với khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm, mưa nhiều là những điều kiện thuận lợi cho sự ăn mòn phá hủy các công trình giao thông, do đó việc bảo vệ nâng cao tuổi thọ các công trình là nhiệm vụ hàng đầu. Một trong những biện pháp bảo vệ hữu hiệu là sử dụng lớp phủ, trong đó sơn nước đặc biệt quan trọng bởi nó là loại sơn không chứa dung môi hữu cơ, thân thiện với môi trường và người sử dụng. Trong công trình nghiên cứu này đã đưa ra được hàm lượng bột màu, bột độn tối ưu, được xác định thông qua tính chất cơ lý nhằm mục đích đưa ra hệ sơn tốt, đáp ứng chỉ tiêu kỹ thuật của sơn theo quy định trong ngành GTVT.

Từ khóa: Sơn nước epoxy.

Abtract: Tropical monsoon climate, hot and humid, rainy weather in Vietnam can easily cause corrosion, demolition  for constructions, therefore it is very important  to protect and incase the age of these structures. One of the effective measures for that it use of the coating in which the water paints is particularly important because this kind of paint does not contain organic solvents and environmentally friendly. This research project has given the content of pigments optimum fillers and which has been determined through physical properties to make good epoxy water paints coating system satisfying the specification as specified in Transport Sector.

Keywords: Water base epoxy.

1. Mở đầu

Sơn nước epoxy có khả năng bám dính rất tốt lên bề mặt bê tông, thép, gỗ và các loại vật liệu khác, rất thích hợp để làm lớp sơn lót bảo vệ các kết cấu công trình xây dựng nhằm mục đích chống thấm, chống ăn mòn, chống mài mòn và  chống rạn nứt.

Hệ sơn nước epoxy có nhiều ưu điểm nổi bật là:

- Chịu nước tốt;

- Bám dính trên bề mặt tốt;

- Tính bền cao;

- Chịu hóa chất tốt;

- Chịu và chạm cơ khí lớn;

- Hàm lượng chất bay hơi (VOC) thấp;

- Chịu nhiệt độ lên đến 120^oC (có thể cao hơn hoặc thấp hơn tùy loại).

Tuy nhiên, để có được màng sơn với tính chất cơ lý tốt thì việc lựa chọn phụ gia, bột màu, bột độn là rất cần thiết. Trong công trình nghiên cứu này đã khảo sát ảnh hưởng của phụ gia, bột màu, bột độn đến tính chất của màng sơn nước epoxy.

2. Thực nghiệm

2.1. Hóa chất

2.1.1. Chất tạo màng và đóng rắn

- Nhựa water-epoxy (MEW) của hãng Specialty Chemicals (Mỹ).

Độ nhớt ở 25^oC:11-15 Pa.s; khối lượng riêng: 1,16g/cm³; đương lượng epoxy: 185-192.

- Đóng rắn water epoxy (TEW) của hãng Cognis (Mỹ).

Độ nhớt ở 25^oC: 8,5-15Pa.s; khối lượng riêng: 1,09g/cm³; đương lượng: 225.

2.1.2. Phụ gia

- Phụ gia phân tán VXW 6208 (Cytec) là phụ gia phân tán và chống tạo bọt cho sơn hệ nước.

- Phụ gia chống tạo bọt loại Dispelair CF 204 (Cytec).

- Chất pha loãng Heloxy (Cognis).

2.1.3. Bột màu, bột độn

- Bột màu cromat kẽm, oxit sắt (Trung Quốc)

2.1.4. Dung môi

- Nước cất, cồn

2.2. Quy trình chế tạo

Quy trình công nghệ chế tạo sơn epoxy hệ nước thành phần A:

Hình 2.1: Quy trình chế tạo sơn nước Epoxy

 

 

2.3. Các phương pháp xác định tính chất cơ lý của màng sơn

- Độ bền va đập theo Tiêu chuẩn ASTM D 2794-93:2004;

- Độ bền uốn theo Tiêu chuẩn ISO 1519:2002;

- Độ cứng tương đối theo Tiêu chuẩn ISO 1522:2006;

- Độ bám dính, điểm theo Tiêu chuẩn ISO 2409:2007;

- Độ bền cào xước theo Tiêu chuẩn ISO 1518:2011;

- Độ bền ép dãn theo Tiêu chuẩn ISO 1520:2006.

3. Kết quả và thảo luận

Qua nghiên cứu tổng quan các loại sơn trên cơ sở chất tạo màng epoxy, đề tài đã lựa chọn loại sơn nghiên cứu có hàm lượng % theo khối lượng: Chất tạo màng khoảng 36%, bột màu và bột độn khoảng 38%, dung môi khoảng 22% và phụ gia khoảng 4% để tiến hành nghiên cứu.

3.1. Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ nhựa và đóng rắn thích hợp

Đã tiến hành khảo sát quá trình đóng rắn của hệ chất tạo màng sơn nước epoxy với thành phần A (chất đóng rắn TEW) và thành phần B (gồm nhựa water epoxy MEW: 7,5 phần khối lượng (PKL), chất pha loãng 2,5 PKL) thông qua xác định hàm lượng phần gel, với tỷ lệ thay đổi là: Thành phần A/thành phần B = 100: 6; 100: 8; 100: 10; 100: 12 PKL. Kết quả được thể hiện qua Hình 3.1.

Hình 3.1: Quá trình đóng rắn của hệ sơn nước epoxy

 

Trong đó:

M1 - Tỷ lệ thành phần A/thành phần B = 100 : 6;

M2 - Tỷ lệ thành phần A/thành phần B = 100 : 8;

M3 - Tỷ lệ thành phần A/thành phần B = 100 : 10;

M4 - Tỷ lệ thành phần A/thành phần B = 100 : 12.

Từ Hình 3.1 cho thấy, khi thay đổi hàm lượng thành phần B thay đổi 6: 8: 10: 12 PKL so với 100 PKL thành phần A, vận tốc của quá trình đóng rắn trong 10 giờ đầu thay đổi không đáng kể. Tuy nhiên, thời gian đóng rắn hoàn toàn với tỷ lệ thành phần A/thành phần B là 100/6 PKL với 6 PKL kéo dài gần 100 giờ, với tỷ lệ thành phần A/thành phần B là 100/8 PKL thời gian đóng rắn hoàn toàn là 60 giờ. Khi tăng tỷ lệ thành phần A/thành phần B lên 100/10 PKL thời gian đóng rắn hoàn toàn 40 giờ. Khi tăng tỷ lệ thành phần A/thành phần B lên 100/12 PKL thời gian đóng rắn hoàn toàn rút ngắn không đáng kể. Do đó, tỷ lệ thành phần A/thành phần B là 100/10 PKL được lựa chọn cho nghiên cứu.

3.2. Nghiên cứu lựa chọn công thức tối ưu chế tạo sơn lót chống ăn mòn trên cơ sở nhựa water epoxy MEW với chất rắn TEW

 Theo kết quả mục 3.1, đã thiết lập công thức chế tạo sơn theo thành phần sơn A/B để tìm công thức tối ưu cho chế tạo sơn lót chống ăn mòn.

Cụ thể công thức nghiên cứu lựa chọn như sau:

 

3.2.1. Ảnh hưởng của bột màu đến tính chất cơ lý của màng sơn lót

Hệ sơn bao gồm hai pha: Pha liên tục và pha phân tán. Pha liên tục là chất tạo màng và một số cấu tử không bay hơi khác như: Chất hóa dẻo, phụ gia… Tính chất của các polyme chứa các hạt (bột màu hay bột độn) được quyết định bởi đặc trưng cấu trúc của chúng, mà trước hết là phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích giữa pha phân tán và pha liên tục, có nghĩa là giữa bột màu và chất tạo màng.

Thông thường, tỷ lệ này được thể hiện qua nồng độ thể tích (NĐTT) bột màu mà đúng hơn phải là hàm lượng thể tích bột màu. NĐTT bột màu tối ưu là tỷ lệ giữa bột màu và chất tạo màng mà ở đó tính chất cơ lý của màng phủ là tốt nhất. Bột màu cromat thuộc nhóm bột màu ức chế ăn mòn, có cơ chế hoạt động chống ăn mòn hóa học và điện hóa. Hệ bột màu cromat kẽm - ô-xít sắt cho sơn nước epoxy đã được ứng dụng rộng rãi để bảo vệ các kết cấu thép [1].

Trong công trình nghiên cứu này đã khảo sát ảnh hưởng của hệ bột màu cromat kẽm - ô-xít sắt trong sơn nước epoxy; đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ bột màu cromat kẽm - ô-xít sắt với các tỷ lệ thay đổi là: 35/65; 30/70; 50/50 ở NĐTT bột màu là 28%. Kết quả được thể hiện qua Bảng 3.1:

Bảng 3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ bột màu cromat kẽm - ô-xit sắt đến tính chất cơ lý của màng sơn^*

 *Chiều dày màng sơn 55 ± 5 µm

Các kết quả trên Bảng 3.1 cho thấy, ở tỷ lệ bột màu cromat kẽm - ô-xit sắt 35:65 cho tính chất cơ lý là tốt nhất: Độ bền va đập 8 inch.pound, độ bền ép dãn 7,4mm, độ bền uốn 2mm, độ bền cào xước 12N, độ bám dính điểm là 1 và độ thẩm thấu hơi nước là thấp nhất (0,5 x10^-3 g/cm².h). Ở các tỷ lệ bột màu cromat kẽm cao và thấp hơn 35 PKL, thì các tính chất cơ lý của màng sơn đều bị suy giảm và độ thẩm thấu hơi nước đều cao hơn so với màng sơn với 35PKL cromat kẽm. Do đó, tỷ lệ bột màu cromat kẽm và oxit sắt 35:65 là thích hợp cho hệ sơn nước epoxy.

3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ thể tích bột màu đến tính chất cơ lý của màng sơn lót

Trên cơ sở tỷ lệ bột màu cromat kẽm: Ô-xit sắt thích hợp nhận được, đã tiến hành khảo sát tính chất cơ lý màng sơn nước epoxy với các nồng độ thể tích bột màu khác nhau nhằm xác định nồng độ thể tích bột màu tối ưu; đã tiến hành chế tạo 5 hệ bột màu với các nồng độ thể tích bột màu khác nhau: 25; 28; 30; 32% đến tính chất cơ lý của màng sơn.

Kết quả được thể hiện qua Bảng 3.2 sau:

Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ thể tích bột màu đến tính chất cơ lý của màng sơn

 

*Chiều dày màng sơn 55 ± 5µm

Từ Bảng 3.2 nhận thấy, khi nồng độ thể tích bột màu tăng từ 25% đến 30% tính chất cơ lý của màng sơn tăng. Đặc biệt, ở nồng độ thể tích bột màu là 28% tính chất cơ lý tăng rõ rệt: Độ bền va đập tăng hơn 23,4%, độ bền ép dãn tăng 31,6%, độ thẩm thấu hơi nước giảm 10%. Khi nồng độ thể tích bột màu tăng lên 32% tính chất cơ lý của màng sơn giảm đáng kể, độ thẩm thấu hơi nước tăng đột ngột so với tính chất cơ lý của màng sơn ở nồng độ thể tích bột màu  là 28%. Do đó, nồng độ thể tích bột màu của hệ bột màu cromat kẽm - ô-xít sắt tối ưu là 28%. Ở nồng độ thể tích bột màu này, màng sơn có tính chất cơ lý tốt nhất.

Từ đó tìm ra được công thức của sơn nước Epoxy chống ăn mòn với thành phần A/B đưa ra tại Bảng 3.3 dưới đây.

Bảng 3.3. Thành phần của sơn lót chống ăn mòn epoxy hệ nước lựa chọn

 

3.3. Đánh giá khả năng bảo vệ của hệ sơn lót bảo vệ kết cấu thép trên cơ sở nhựa epoxy hệ nước đã nghiên cứu thông qua tính chất cơ lý

 

Đánh giá tính cơ lý của hệ sơn lót chế tạo theo công thức tối ưu.

4. Kết luận

- Quá trình đóng rắn của sơn nước epoxy với tỷ lệ đóng rắn/nhựa là 100/10 PKL;

- Đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của bột màu, bột độn đến tính chất cơ lý của màng sơn, cho màng sơn tính chất cơ lý tốt nhất:

+ Tỷ lệ cromat kẽm/ô-xit sắt là 35/65 PKL với nồng độ thể tích bột màu 28%;

+ Hàm lượng phụ gia phân tán VXW 6208 là 0,6% so với tổng khối lượng bột màu, bột độn;

+ Hàm lượng chất pha loãng H1 là 2,5 PKL.

- Đã đánh giá chất lượng sơn nghiên cứu thông qua tính cơ lý của màng sơn. Kết quả cho thấy màng sơn nghiên cứu đạt và vượt yêu cầu trong TCVN 8789:2011.

Tài liệu tham khảo

[1]. A. Noomen (1989), The chemistry and physics of low-emission coatings - Part 2: Water-borne two- pack coatings,  Progress in organic coatings, 17.

[2]. Clayton A.May, Yoshio Tanaka (1988), Epoxy resin, Chemistry and Technology Marcel Dekker, Inc, New york and Basel, chapter 4.

[3]. Nguyễn Thị Bích Thủy và cộng sự (2008), Nghiên cứu chế tạo một số hệ sơn chất lượng cao, không dung môi hữu cơ, sử dụng bảo vệ kết cấu, công trình khu vực biển, ven biển, Viện chuyên ngành Vật liệu Xây dựng và Bảo vệ Công trình, Viện KH & CN GTVT.

[4]. US patent 4073762.

[5]. US patent 5604269.

[6]. US patent 4246146.

[7]. US patent 4197389.

[8]. http://www.us.lanxess.com.

[9]. TCVN 8789:2011.

[10]. TCVN 8790:2011.

[11]. TCVN 8785:2011.

[12]. TCVN 2099:2007.