KỸ THUẬT hóa học hữu cơ

*S ự bay hơi của dung môi từ màng sơn-Quá trình bay h ơi qua 2 giai đoạn: +G Đ 1 sự bay hơi của dung môi xảy ra trong sự phụ thuộc áp suất hơi của dung môi và không b ị ảnh hưởng bới sự

KỸ THU THU THUẬT HO T HO T HOÁ Á Á H H HỌC H C H C HỮU C U C U CƠ

TS ĐOÀN THỊ THU LOAN Khoa Hoá-Tr ường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

N ỘI DUNG:

ჶ K Ỹ THUẬT SƠN

ჶ K Ỹ THUẬT VẬT LIỆU COMPOZIT

ჶ K Ỹ THUẬT SẢN XUẤT BỘT VÀ GIẤY

K Ỹ THUẬT SƠN

PH ẦN I:

Ch ương 1: Giới thiệu chung

1.1 L ịch sử phát triển

-Sử dụng hỗn hợp nhựa cây, sáp ong, lòng trắng trứng,…và bột màu có sẵn trong thiênnhiên

-Sau công nguyên, dầu thực vật được dùng làm sơn dầu

-Mấy chục năm gần đây, sơn tổng hợp ra đời và ngày càng đa dạng, phong phú

1.2 Khái ni ệm sơn/lớp phủ (paint/surface coating):

Khái ni ệm: Sơn là một hệ phân tán, gồm nhiều thành phần như: chất tạo màng, bộtmàu, phụ gia,…trong môi trường phân tán Sau khi phủ lên bề mặt vật liệu nền, nó tạothành lớp màng đều đặn, bám chắc, có tác dụng trang trí và bảo vệ bề mặt vật liệu nền

1.3 Các thành ph ần của sơn:

*Pha liên t ục (Chất mang-Vehicle):

a Ch ất tạo màng (binder, film fomer)

+Gồm nhựa thiên nhiên, nhựa tổng hợp, dầu thảo mộc,…

+Tạo màng liên tục, bảo vệ bề mặt vật liệu nền

+Thành phần thay đổi tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng

b Dung môi ho ặc chất pha loãng:

+Hoà tan hoặc phân tán chất tạo màng+Dễ bay hơi, bay hơi dần hết trong quá trình tạo thành màng sơn

* Pha gián đoạn

c Ph ụ gia

+Lượng dùng nhỏ, nhưng có ảnh hưởng lớn

d B ột màu

+Cung cấp màu, độ đục, hiệu ứng quang học,…

+Thường được dùng với mục đích trang trí+Trong sơn lót co tác dụng chống ăn mòn+Không dùng trong vecni, sơn bóng

e Độn

+Được dùng với nhiều mục đích: giảm giá thành sản phẩm,cùng

với bột màu tạo độ đục cho bề mặt sơn,

Ảnh hưởng của các thành phần chính đến tính chất của sản phẩm

1.4 Ch ất tạo màng

Phân lo ại chất tạo màng theo khối lượng phân tử

Các ph ương pháp tạo màng đối với các hệ polymer tiêu biểu

* Natural polymers (Các polyme thiên nhiên)

-Gồm dầu thiên nhiên, nhựa thông, gum,…

-Các dẫn xuất của xenlulo:

-Axetat xenlulo-Butyrat xenlulo-Nitro xenlulo-…

Ch ương 2: Các thành phần của sơn

2.1 Ch ất tạo màng

*D ầu thực vật

-Đóng vai trò quan trọng trong lớp phủ bề mặt do tính sẵn có, đa dạng và phong phú-Là este của glycerin với axit béo (no, không no), đươc gọi là triglycerit, ngoài ra có

chứa thêm một lượng ít chất không béo

Cấu trúc đặc trưng của dầu

R 2

R 3

R 1

C ấu trúc một số axit béo không no tiêu biểu

Thành ph ần của một số loại dầu thường được dùng trong sơn

* Phân lo ại dầu thảo mộc

-D ựa theo khả năng khô (oxi hoá và khâu mạch) của dầu

-VD: d ầu đậu nành chứa trên 50% axit linoleic

Không khô:

-CI < 95 -Không dùng để sản xuất sơn được, thường dùng làm chất hoá dẻo -VD: d ầu dừa chiếm 90% axit lauric no, chỉ 10% axit không no

Nh ựa Alkyd

-S ự kết hợp dầu hoặc axit béo từ dầu vào cấu trúc nhựa UPE nhằm:

-T ăng cường tính chất cơ học -T ăng tốc độ khô

-T ăng độ bền lâu

Alkyd

G ầy: hàm lượng dầu dưới 40%

Trung bình: hàm l ượng dầu 40-60%

Béo: hàm l ượng dầu trên 60%

2.2 Dung môi, ch ất pha loãng

-Là những chất lỏng (hữu cơ thấp phân tử) dễ bay hơi có khả năng hoà tan chất

tạo màng và bay hơi dần hết trong quá trình tạo thành màng sơn

*Yêu c ầu chọn lựa dung môi:

-Kh ả năng hoà tan

+Những chất có độ phân cực tương tự nhau dễ hoà tan vào nhauVD: axetat Xenlulo (este) có dung môi là các este hoặc xeton như axeton

- Nhi ệt độ sôi: ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi

+Quá cao hay quá thấp đều không phù hợp:

•Quá cao Chậm khô

•Quá thấp Khô quá nhanh, không thể quét bằng chổi, quá trình khôkhông hoàn toàn

*S ự bay hơi của dung môi từ màng sơn

-Quá trình bay h ơi qua 2 giai đoạn:

+G Đ 1 sự bay hơi của dung môi xảy ra trong sự phụ thuộc áp suất hơi của dung môi và không b ị ảnh hưởng bới sự có mặt của polyme hoà tan

+G Đ 2: Khi màng polyme đã được hình thành, dung môi còn lưu lại trong màng s ẽ được thoát dần dần ra nhờ quá trình khuyếch tán (Khi còn khoảng 20%

-T ốc độ bay hơi của dung môi ảnh hưởng lớn đến sự chảy của lớp màng sơn

-Dùng h ỗn hợp dung môi:

+ Độ nhớt tăng nhanh nhờ dung môi bay hơi nhanh +Quá trình ch ảy cũng được điều chỉnh nhờ dung môi bay hơi chậm hơn

*Tính tr ơ hoá học của dung môi

-Dung môi được dùng phải trơ hoá học

-S ự tương tác của các nhóm chức của dung môi với chất tạo màng

-Ph ải trơ với môi trường để hạn chế hút ẩm của màng

*Tính độc hại

-H ầu hết các dung môi hữu cơ đều độc hại

- Ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ, ảnh hưởng đến tầng khí quyển

-L ượng dùng dung môi phải trong giới hạn cho phép

-Khuynh h ướng thay thế dung môi hữu cơ bằng nước (sơn nước), sơn bột, hệ sơn trùng h ợp 100%

*Giá thành

-R ẻ, dễ kiếm

-L ượng dung môi dung khá nhiều nên ảnh hưởng nhiều đến gía thành sơn

-Có th ể dụng thêm chất pha loãng để hạ giá thành

+Ch ất pha loãng: chỉ hoà tan được chất tạo màng khi có mặt của dung môi +L ựa chọn cùng với loại dung môi và tỉ lệ dung môi cho phù hợp

+Th ường bay hơi nhanh hơn dung môi

-Là nh ững hạt rắn hữu cơ, vô cơ có màu, không hoà tan và không bị ảnh hưởng hoá

-S ự hấp thụ và phản xạ chon lựa một vài sóng của ánh sáng tại bề mặt màng sơn

t ạo nên màu sắc của nó

VD: B ột màu xanh

B ột màu trắng

B ột màu đen -Màu s ắc của bột màu phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc hoá học

•For decoration

•appearance/high gloss and smoothness;

•aesthetic/customer appeal

*Màu s ắc:

-Phân t ử hấp thụ năng lượng kích thích các điện tử chuyển từ mức năng lượng

c ơ bản (E1) sang mức năng lượng cao hơn (E2)

-B ước sóng ánh sáng được hấp thụ được xác định bởi:

E = E2 - E1 = h*c / λ

h : hằng số Planck’s

c : the velocity of light

λ : bước sóng ánh sáng

M ỗi phân tử có số orbital xác định do vậy có năng lượng đặc trưng riêng của nó, do vậy có

hi ệu năng lương E xác định và hấp thụ những bước sóng nhất định

B ột màu

B ột màu

General properties of pigments

B ột màu

*Kích th ước hạt của bột màu

Kích th ước

b ột màu

Phân tán trong h ệ kém đồng nhất, màng s ơn thu được kém bằng phẳng

- Độ ngấm dầu phụ thuộc bản chất chất tạo màng và bột màu

-L ượng dùng bột màu vô cơ thường nhiều hơn bột màu hữu cơ để đạt đến tông màu -L ượng chất tạo màng dùng thực tế thường gấp đối giá trị độ ngấm dầu

*Kh ả năng phủ

-là l ượng bột màu cần thiết tính bằng gam để phủ lên 1 m 2 b ề mặt sơn

-Kh ả năng phủ lớn nghĩa là chỉ cần lượng ít bột màu và bột màu thường phải mịn

B ột màu

*B ột màu phụ trợ (supplementary pigments)

-Kh ả năng tạo màu sắc, chống ăn mòn không cao,

-Làm gi ảm mạnh giá thành, ảnh hưởng đến độ bóng, độ cứng

* Độn:

+Gi ảm giá thành sản phẩm + Điều chỉnh độ nhớt của sơn + ảnh hưởng đến tính chất cơ lý, lượng dùng nhiều làm giảm mạnh cơ tính

* Ch ống ăn mòn: dùng kết hợp với bột màu chống ăn mòn (Alcophor 827,

Albaex, Kelate, Anticor 70,…

* Ch ất chống lắng:

-Muối kim loại của các axits hữu cơ: stearat nhôm, canxi, magie,

-Có tác dụng như chất hoạt động bề mặt giúp sự phân tán của bột màu, độnvào sơn tốt hơn

-Một số chất chống lắng:

+Stearatecoated calcium carbonates (e.g Winnofil)+Modified hydrogenerated castor oils (Crayvallac) +Bentones

+Perchem+Easigel+BYK Anti-Terra 203+Aerosil

*Ch ất chống chảy:

-Silicagel, oxyt titan, bột talc,…tạo cấu trúc thixotropy

-Có sự tương tác vật lý giữa các mạch polyme và phụ gia chống

chảy tạo mạng lưới không gian

*Chất chống nấm mốc, hầu hà, vi khuẩn, chất hoá hoá dẻo, …

2.5 Ch ất làm khô

-Làm tăng nhanh các quá trình hoá học xảy ra trong quá trình khô của màng sơn-Là xà phòng kim loại hoá trị thay đổi: cobalt, mangan, canxi, kẽm, chì…của axitbéo, axit nhựa

Ch ương 3: Sản xuất sơn

Các công đoạn sản xuất sơn:

1.Ph ối trộn tạo paste (Mixing): Khuấy trộn bột màu với một lượng thích hợp dung dịch

ch ất tạo màng, tạo hỗn hợp ở dạng paste có độ nhớt thích hợp

2 Nghi ền paste (Grinding)

3.Pha tr ộn (Mixing): pha trộn paste với các thành phần còn lại của đơn pha chế

4.Ch ỉnh màu cho đạt yêu cầu (Tinting)

5 Ki ểm tra và hiệu chỉnh (Testing and adjusting)

6.L ọc và đóng gói (Filtering and packaging)

•Trong quá trình nghi ền, khoảng cách thay đổi, ảnh hưởng đến độ

m ịn, phải kiểm tra thường xuyên

•B ề mặt trục cán có thể bị mòn, khó phat hiện bằng mắt thường

+Máy nghi ền bi: hệ thống kín, ít độc hại

Ch ương 4: Các phương pháp gia công màng sơn

-Có nhiều phương pháp để gia công màng sơn thuỳ thuộc vào điều kiện-Các phương pháp sơn được sử dụng có khuynh giảm thiểu sự bay hơi

của dung môi

-Gồm các phương pháp: quét, nhúng, phun, điện di …

-Bề mặt phải được xử lý trước khi sơn

4.1 Gi ới thiệu:

*T ẩy màng sơn cũ

-Ph ương pháp cơ học:

-Cạo bằng tấm, chổi thép, máy mài,… để tẩy lớp sơn

bị tróc không bám vào bề mặt-Với màng sơn bám hắc, có thể bằng phương phápphun cát, phun bi hoặc phương pháp hoá học, nhiệt

4.3 Làm s ạch bề mặt vật liệu cần sơn

-Ph ương pháp hoá học:

•Dùng hoá chất để tẩy (Dung môi, dung dịch NaOH 20-30%)

•Dùng cạo sắt, chổi thép, cạo sạch màng sơn cũ

•Phun nước rữa sạch

•Làm khô

T ẩy màng sơn cũ

-Ph ương pháp nhiệt:

• Đơn giản, ít tốn kém

• Dùng đèn xì hoặc lò than đốt cháy màng sơn cũ

• Dùng cạo sắt, chổi thép, cạo sạch màng sơn cũ

• Dùng vải ráp hoặc đá mài đánh sạch

• Lau sạch

*T ẩy rỉ và chất bẩn:

-Bằng phương pháp cơ học: máy mài, đánh rỉ (chổi, đĩa nhám,…)

-Bằng dung môi, hoá chất (phun, dùng giẻ, )

-Rửa sạch bằng nước

*Ch ọn sơn

-Loại sơn phải phù hợp

VD: Sơn béo phù hợp sơn các vật dụng ngoài trời

Sơn gầy phù hợp sơn các vật dụng trong nhà

*K ỹ thuật sơn

-Kỹ thuật sơn ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng màng sơn, nếu sơn khôngđúng quy cách sẽ tạo màng sơn không bóng, nhăn, nứt, dễ tróc,…

4.4 S ơn

Sơn nền: -Bám dính tốt vào bề mặt vật liệu nền

-Có độ bền cơ học cao-Có tác dụng bảo vệ bề mặt nền (chống gỉ)

-Có thể một hoặc nhiều lớp lót

* Các l ớp sơn

ước khi sấy và sơn các lớp tiếp theo nên để một thời gian nhất định

*Các ph ương pháp sơn

a Ph ương pháp quét, lăn bằng tay

-PP cổ điển và phổ biến

-Dùng chổi, con lăn

-Sơn yêu cầu độ nhớt thấp

-Chất lượng màng sơn phụ thuộc nhiều vào kỹ năng của người quét

-Năng suất thấp

b Ph ương pháp nhúng

-Năng suất cao hơn

-Kỹ thuật đơn giản, có thể cơ giới hoá, tự động hoá

-Nguyên tắc: Vật đựơc nhúng vào thùng sơn, lấy ra, đặt đứng sản

phẩm để sơn thừa chảy xuống, sau đó làm khô

-Độ nhớt ảnh hưởng rất lớn đến chiều dày màng sơn

-Phù hợp cho sản phẩm sơn nhiều bề mặt

-Không phù hợp với những sản phẩm có hình dạng phức tạp

- air-fed spray, airless spray, hot spray, and electrostatic spray-Thích hợp hầu hết các loại sơn, các loại vật liệu sơn

-Màng sơn đều, phẳng, bóng

-Tốn nhiều dung môi, ảnh hưởng đến môi trường

Hiệu quả chuyển dịch của một số loại súng phun như sau:

c.Ph ương pháp phun

d S ơn điện di (electrodeposition)

-Sơn điện di anode hoặc cathode

-Thường dùng để gia công lớp sơn nền, có tác dụng chống ăn mòn tốt

-Sơn điện di cathode tạo màng sơn bảo vệ chống ăn mòn tốt hơn

-Sơn điện di cathode chống sự xà phòng hoá tốt hơn

K Ỹ THUẬT VẬT LIỆU COMPOZIT

PH ẦN I:

1.1 Khái niệm: Vật liệu compozit lμ vật liệu tổ hợp (mức độ vĩ mô) của hai

hay nhiều vật liệu (VL) thμnh phần nhằm tạo ra VL mới có tính chất trộihơn tính chất của từng VL thμnh phần

Tổ hợp các tính chất

Tạo tính chất mới

Sợi thuỷ tinh

*GRP: Glass Reinforced Plastic

Ch ương1: Giới thiệu chung

Hợp kim

Hỗn hợp polyme Có phải lμ vật liệu compozit?

VD1: Gỗ (xenlulo/lignin), xương(collagen/protein+muối canxi phốt phát),

VD2: Ván ép, gạch độn trấu hoặc sợi thực vật,:

VD3: Compozit nhựa (UPE, epoxy,:) vμ sợi thuỷ tinh,sợi cacbon,:

VËt liÖu compozit VËt liÖu nÒn + VËt liÖu gia c−êng

Kim lo ại Sîi thuû tinh Ceramic Sîi Aramic (VD: Kevlar)

Sîi, h ạt kim lo¹i (VD: Ti, Al)

1.2 Thμnh phÇn cña VL compozit:

VL nÒn

VL gia c−êng

VL compozit gåm mét hay nhiÒu pha gi¸n ®o¹n (VL gia

c−êng) ph©n bè trong pha liªn tôc (VL nÒn)

-Đóng vai trò lμ các điểm chịuứng suất tập trung

-Thường có tính chất cơ lý hoácao hơn VL nền

-Liên kết VL nền

-Chuyển ứng suất sang độn khi có

ngoại lực tác dụng lên VL

-Bảo vệ sợi khỏi bị hư hỏng do tấn công

của môi trường

1.3 Cơ chế gia cường của vật liệu compozit

Cơ chế gia cường: dưới tác dụng của ngoại lực, vật liệu gia cường (VLGC) sẽ

lμ những điểm chịu ứng suất tập trung do mạng nhựa truyền sang

-VLGC dạng sợi truyền tải ứng suất tốt hơn VLGC dạng hạt, do ứng suất tại một

điểm bất kỳ trên sợi được phân bố đều trên toμn bộ chiều dμi, do đó tại mỗi điểm

sẽ chịu ứng suất nhỏ hơn nhiều so với VLGC dạng hạt dưới tác dụng ngoại lực

như nhau.

-Kh ả năng truyền tải trọng từ VL nền sang VL gia cường phụ thuộc: VL nền, VL gia c ường, kết dính tại bề mặt tiếp xúc của VL nền vμ VL gia cường.

Kết dính tại bề mặt tiếp xúc của VL

:Vùng tiếp xúc rất nhỏ (bề mặt tiếp xúc pha) đóng vai trò quan trọng

Lý thuyết kết dính tại bề mặt tiếp xúc VL gia cường/VL nền

* Compozit cốt sợi: lμ compozit được gia cường bởi sợi, nó có độ bền riêng

vμ modun đμn hồi cao VD: Compozit sợi thuỷ tinh, cacbon, xenlulo:

Fibre aspect ratio: L/D

Một số loại compozit cốt sợi

Sợi dμi đơn hướng

Sợi dμi ở dạng lớp

Mục đích dùng hạt lμm VL gia cường trong compozit:

-Được dùng trong những ứng dụng yêu cầu về độ bền không cao thường được

sử dụng để lμm giảm giá thμnh sản phẩm

-Trong một số trường hợp hạt được dùng để cải thiện một số tính chất của VL compozit như: tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mμi mòn, giảm co ngót

-Khắc phục một số khó khăn khi gia công

Vảy, mảnh

Compozit cốt hạtHạt

1.4.2 Phân loại theo bản chất VL nền

Compozit nền hữu cơ (nhựa): với VL gia cường dạng

-Sợi hữu cơ: sợi polyamit, Kevlar, xenlulo,

-Sợi khoáng: sợi thuỷ tinh, cacbon, basalt,

-Sợi kim loại: sợi bo, nhôm,

Compozit nền kim loại (hợp kim nhôm, hợp kim titan ) với VL giacường dạng:

-Sợi kim loại: bo,

-Sợi khoáng: sợi cacbon,

Compozit nền gốm: với VL gia cường dạng:

-Sợi kim loại: bo,

-Hạt kim loại: chất gốm kim

* Khả năng chịu nhiệt của VL compozit-nền hữu cơ: đến khoảng 3000C

1.5 Tính chất chung của vật liệu compozit

-Khối lượng riêng bé do vậy tính năng cơ lý riêng cao hơn thép vμ các VL

truyền thống khác (thuỷ tinh, gốm sứ, gỗ, ) rất nhiều

-Giá thμnh không cao

-Chịu môi trường, kháng hoá chất cao, không tốn kém trong bảo quản vμ

chống ăn mòn, không cần sơn bảo quản như VL kim loại, gỗ,

-Cách đIện cách nhiệt tốt

-Bền lâu (thời gian sử dụng dμi hơn VL kim loại, gỗ 2-3 lần)

-Gia công chế tạo đơn giản, nhanh, đa dạng, dễ tạo hình, thay đổi vμ sửa chữa-Chi phí đầu tư thiết bị gia công thấp

-B¶n chÊt VL cèt

-B¶n chÊt VL nÒn

- §é bÒn liªn kÕt ë bÒ mÆt tiÕp xóc pha

-TØ lÖ VL gia c−êng/VL nÒn trong compozit

-H×nh d¹ng, kÝch th−íc cña VL gia c−êng

-§Þnh h−íng, sù ph©n bè cña VL gia c−êng

(nÕu lμ sîi)

Nhùa Compozit

Khèi l−îng riªng (Density) cña mét vμi vËt liÖu cÊu tróc phæ biÕn

§é bÒn kÐo riªng (Specific Tensil Strength) cña mét vμi

M« ®un kÐo riªng (Specific Tensile Modulus) cña

mét vμi vËt liÖu cÊu tróc phæ biÕn

1.6 Ứng dụng của vật liệu compozit

- Giao thông vận tải: vỏ cano, tμu thuyền, xe hơi, cabin,

- VL xây dựng: cấu kiện nhμ lắp ghép, gân dầm chịu lực, đá ốp lát, tấm lợp,

- VL điện: tấm cách điện, vỏ các thiết bị điện, máy biến thế,

- VL chịu hoá chất: bồn chứa, ống dẫn, van, bể điện phân,

- VL gia dụng: bμn, ghế, tủ, giá, tấm trần, bồn tắm, lavabo, tấm cách âm,

- Đồ chơi

-VL compozit cao cấp: dùng trong hμng không, vũ trụ, dụng cụ thể thao caocấp,

C¸c bé phËn lμm b»ng compozit trong m¸y bay Airbus A 380 Ứng dông của vật liệu compozit

Ứng dông của vật liệu compozit

Compozit sợi lanh/nhựa polypropylen thay thế compozit sợi thủy tinh trong

một số bộ phận phần thận của xe hơi (Mercedes Benz A -Class)

Ứng dông của vật liệu compozit