KIẾN THỨC CHUYÊN MÔN VỀ CHẤT TRỢ TẠO MÀNG

Chất trợ tạo màng là phụ gia quan trọng trong số các loại hóa chất ngành sơn, đặc biệt với các dòng sơn gốc nước. Chất trợ tạo màng sẽ tối ưu hóa quá trình hình thành màng của nhũ tương nhựa trong những điều kiện ứng dụng nhất định.

Tại sao lại cần sử dụng Chất trợ tạo màng

Khác với các hệ thống sơn khác, chất kết dính dung môi trong sơn hệ nước là nhựa dạng nhũ tương. Cho nên quá trình hình thành màng của sơn nước khác hoàn toàn so với các loại sơn dung môi, epoxy… Quá trình khô tạo màng của sơn nước theo cơ chế lý tính, nên trong công thức sơn nước cần sử dụng đến chất trợ tạo màng.
Nhựa dạng nhũ tương bao gồm các hạt polymer được nhũ hóa trong nước, bề mặt chúng được bao bọc bởi chất phân tán giúp chúng phân bố ổn định chống lại sự kết tụ. Các hạt polymer là những hạt có dạng hình cầu có kích thước nhất định, chúng là những polymer mạch dài, và không thể trải qua phản ứng kéo dài chuỗi. Quá trình tạo màng của nhựa nhũ tương có thể được chia thành 3 bước chính:
– Giai đoạn cô đặc: Khi nước bay hơi dẫn đến giảm thể tích, các hạt polymer tiến lại gần nhau hơn.
– Giai đoạn nén chặt: Khi các hạt đã di chuyển lại gần nhau đến mức lực đẩy của chất nhũ hóa không còn tác dụng, khi đó dưới tác dụng của lực mao dẫn xảy ra tiếp xúc giữa các hạt polymer.
– Giai đoạn kết dính: Khi các hạt polymer tiếp xúc bị nén chặt, dưới tác động của lực mao dẫn chúng bắt buộc phải biến dạng cho đến khi đạt được 1 màng đồng nhất kết dính. Giai đoạn kết dính của quá trình tạo màng có thể bị ảnh hưởng bởi yếu tố chính, đó là độ cứng của hạt polymer, với những hạt polymer cứng thì khả năng biến dạng của chúng sẽ khó khăn hơn, khi khả năng chống biến dạng của polymer lớn hơn lực mao dẫn thì quá trình kết dính sẽ không thể hoàn thành. Vậy làm sao để xác định được đâu là loại nhựa có hạt polymer cứng hay hạt polymer mềm, đó chính là thông số về “nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh Tg“ của nhựa đó. Nhựa Tg càng cao thì khả năng tạo màng kết dính càng khó. Mỗi loại nhựa sẽ có 1 nhiệt độ giới hạn mà tại nhiệt độ đó lực mao dẫn sẽ lớn hơn khả năng chống biến dạng của polymer để tạo được màng đó chính là “nhiệt độ tạo màng tối thiểu MFFT”.
MFFT được xác định bằng Tg.
MFFT không được cao hơn nhiệt độ bề mặt thi công. Để giải quyết vấn đề này có 2 phương án thủ công:
• Chúng ta có thể sấy khô cưỡng bức bề mặt sao cho nhiệt độ bề mặt thi công lớn hơn MFFT, phương án này chỉ có thể thực hiện trong phòng thí nghiệm. Còn với những công trình thực tế thì không thể thực hiện, chúng ta phải đảm bảo sản phẩm có thể thi công được trong điều kiện phòng và điều kiện khắc nhiệt nhất.
• Lựa chọn sản phẩm có MFFT thấp, tuy nhiên với những sản phẩm MFFT thấp thì độ cứng của sản phẩm sẽ không thể đáp ứng được cho nhiều ứng dụng.

Và để khắc phục các vấn đề nêu trên, Chất trợ tạo màng chính là đáp án để xử lý các vấn đề này. Chất trợ tạo màng được sử dụng sẽ khuếch tán vào các hạt polymer làm giảm Tg của chúng tạm thời giúp cho chất kết dính có thể tạo màng trong những điều kiện nhiệt độ hạ thấp, và sau khi tạo màng chúng bay hơi, trả lại độ cứng của chất kết dính, giúp cho sản phẩm có thể chịu được tải trọng cơ học, chịu mài mòn và những đặc tính cơ lý khác ở nhiệt độ môi trường thông thường.

Đặc điểm chính của Chất trợ tạo màng – Coalescing Agent.

Để đảm báo tính hiệu quả của chất trợ tạo màng cần đáp ứng 3 đặc điểm sau:
• Khả năng khuếch tán, phân bố của nó vào hệ nhũ tương.
• Khả năng làm mềm polymer/ giảm MFFT.
• Tốc độ bay hơi của nó ra khỏi màng sơn.
➢ Một chất trợ tạo màng không thể khuếch tán hoàn toàn vào các khối polymer, nhưng nó được phân bố giữa polymer và nước. Khả năng phân bố đều hay không phụ thuộc vào tính phân cực của polymer và khả năng hòa tan với nước của chất trợ tạo màng.
➢ Nhiệm vụ quan trọng nhất của chất trợ tạo màng đó là giảm MFFT của polymer, nó giúp cho sản phẩm có thể thi công trong điều kiện nhiệt độ thấp. Tuy nhiên 1 chất trợ tạo màng tốt không đơn giản chỉ là giảm MFFT tốt là
được mà còn liên quan đến sự khuếch tán xen kẽ, kích thích sự trương nở của polyme gia tăng thể tích của nó, tạo sự khuếch tán xen kẽ lẫn nhau, làm tăng cường độ bền và đặc tính khác của màng.
➢ Đặc tính của chất trợ tạo màng là tốc độ bay hơi. Tốc độ bay hơi rời khỏi màng càng nhanh thì màng sẽ cứng càng nhanh, giúp hạn chế khả năng bám bụi tăng cường khản năng cơ lý nhanh. Tuy nhiên CA vẫn cần có trong bước cuối cùng của quá trình tạo màng, để đảm bảo MFFT đã được giảm đến mức đủ và màng không bị nứt. Một chất trợ tạo màng tối ưu là chất có tốc độ bay hơi nhanh nhưng chậm hơn nước. Điều này là một trong những đòi hỏi rất khó khăn đối với chất trợ tạo màng, và lựa chọn chất trợ tạo màng.

Các loại chất trợ tạo màng và phân loại.

Các chất trợ tạo màng chủ yếu đi từ những gốc hóa học sau:
ADE-adipic diesters.
BZ1-white spirit, free of aromatics.
BZ2- white spirit, containing aromatics.
DEB- diethylene glycol butyl ether (butyl diglycol).
DMP- dimethyl phthalate.
DPB- dipropylene glycol butyl ether.
EB- ethylene glycol butyl ether (butyl glycol).
EPH- ethylene glycol phenyl ether.
HPE- hydroxypropyl ethylhexanoate.
NMP- N-methylpyrrolidone.
PB- propylene glycol butyl ether.
PPH- propylene glycol phenyl ether.
TPiB- 3-hydroxy-2,2,4-trimethylpentylisobutyrate.
Với mỗi loại chất trợ tạo màng sẽ có những đặc điểm tính năng khác nhau, chúng ta có thể phân loại chất trợ tạo màng theo hiệu quả chúng đem lại:
• Các tác nhân không ảnh hưởng nhiều đến quá trình hình thành màng như tốc độ bay hơi của nước, hay thời gian khô của màng.
• Chất tạo màng thúc đẩy quá trình kết dính lẫn nhau của các hạt polymer, và sự biến dạng của các hạt polymer.
• Chất tạo màng tác nhân kết dính tốt, hỗ trợ sự hợp nhất chắc chắn của các polymer bằng cách làm cho quá trình khuếch tán xen kẽ diễn ra dễ dàng hơn.
Chúng ta cũng có thể phân loại chúng theo bản chất hóa học chất trợ tạo màng sẽ có 2 loại:
• Chất trợ tạo màng đi từ những Hydrocarbon gốc
• Chất trợ tạo màng phân cực có các nhóm chức như alcohol, ete, este, keto, hoặc sự kết hợp giữa các gốc trên.
Chất trợ tạo màng đi từ Hydrocarbon gốc có đặc điểm khuếch tán rất mạnh vào các hạt polymer, chúng có khả năng làm giảm MFFT làm mềm polymer rất tốt, tuy nhiên chúng kém hiệu quả trong quá trình tạo màng. Khi sử dụng chúng sẽ gây vẩn đục màng và giảm độ bóng. Với ưu điểm về giá thành chúng thường được dung kết hợp với chất trợ tạo màng phân cực như rượu ete.
Chất trợ tạo màng phân cực đi từ este, chúng có lịch sử lâu đời, với khả năng hạ thấp MFFT tốt bên cạnh đó tương thích dễ dàng với các loại nhựa, tính ổn định cao ngay cả trong môi trường PH cao của sơn. Nhóm này bao gồm các chất như TPiB, ADE, DMP, HPE,…Tuy nhiên khả năng bay hơi của chúng khá là chậm nên ảnh hưởng đến độ cứng ban đầu của màng sơn, và mùi của chúng cũng là vấn đề đối với sơn nội thất.

Những lưu ý khi sử dụng chất trợ tạo màng

➢ Chất trợ tạo màng có thể ảnh hưởng đến độ nhớt, tăng độ nhớt giúp tăng độ dày màng.
➢ Chất trợ tạo màng ảnh hưởng đến độ HLP của sản phẩm.
➢ Khi cho chất trợ tạo màng có thể xảy ra phản ứng sốc khiến chúng kết tụ hoàn toàn, khi cho chất trợ tạo màng cần cho từ từ và khuấy đều, có thể pha loãng với nước, hoặc chất ưa nước, đối với chất trợ tạo màng không tan trong nước ta có thể pha loãng bằng thấm ướt.
➢ Sau khi cho chất trợ tạo màng nên để ổn định 24 h để đảm bảo tính ổn định. Lựa chọn chất trợ tạo màng
Tổng kết lại để lựa chọ chất trợ tạo màng tốt chúng ta cần quan tâm đến những tiêu chí sau:
• Giảm MFFT tốt.
• Bay hơi nhanh khỏi màng, dễ thấm nước
• Tương thích tốt
• Ổn định với quá trình thủy phân
• Mùi thấp
• Không tác động tiêu cực đến màng film
• Giá cả tốt
Bên cạnh đó khi lựa chọn chất trợ tạo màng chúng ta cần đánh giá sẽ sử dụng chất trợ tạo màng vào công thức như thế nào? Bao nhiêu % PVC? Nhựa chúng ta sử dụng MFFT bao nhiêu? để lựa chọ chất trợ tạo màng phù hợp, tối ưu chi phí và tối đa chất lượng.
Các sản phẩm trợ tạo màng mà HD đang phân phối Hiện tại HD đang phân phối các trợ tạo màng sau:
CS-12: Là trợ tạo màng gốc TPiB sản xuất tại Nhật Bản, công thức hóa học
C12H24O3.
CS-12 có những ưu điểm sau:
• CS-12 đem lại khả năng giảm MFFT tốt.
• Ổn định thủy phân tốt.
• Dễ dàng tương thích với nhiều loại nhựa trên thị trường.
• Tính ổn định màu cao.
• Độ bóng sản phẩm tốt.
• Khả năng khuếch tán xen kẽ tốt tối ưu quá trình tạo màng.
• Đề xuất sử dụng cho sản phẩm MFFT từ thấp đến cao