LỖI THƯỜNG GẶP KHI PHÂN TÁN BỘT MÀU KHÔNG TỐT

Một số lỗi thường gặp khi phân tán bột màu không tốt

MỘT SỐ LỖI THƯỜNG GẶP KHI PHÂN TÁN BỘT MÀU KHÔNG TỐT
A. Kiến Thức Chung:

Một trong các bước quan trọng trong quá trình sản xuất các loại sơn màu chính là sự phân bố đồng nhất của các hạt bột màu rắn trong dung dịch chất tạo màng lỏng. Nếu giai đoạn nghiền không tối ưu có thể hình thành nhiều khuyết tật cho sơn như:

• Keo tụ
• Không bền màu/biến đổi màu, tách màu, hình thành tế bào Bénard, lắng màu
• Có thể ảnh hưởng xấu đến các tính chất dòng chảy của hệ sơn như tính chất chảy và độ láng mặt.

Một số hình ảnh về khuyết tật được minh hoạ ở hình 1, 2, 3, 4, 5

 

Hình 1: Cấu trúc tế bào Bénard (màu xanh Phthalocyanine và titan dioxide) 

 

   Hình 2: Sự giảm độ bóng khi các hạt bị keo tụ 

 

Hình 3: Sự tách màu

Các bột màu trong một hỗn hợp bột màu tách biệt với nhau. 

Bột màu đỏ hữu cơ và titian dioxide, sự tách màu được quan sát bằng cách test rub-out. 

 

 

Hình 4: Hiện tượng lắng dễ xảy ra do các hạt bột màu lớn (bị keo tụ), các hạt này có xu hướng dễ lắng hơn 

 

Hình 5: Màng sơn bị chảy khi phun dày

 

Phần tiếp theo sẽ tìm hiểu sâu hơn về quá trình phân tán bột màu, phụ gia phân tán và thấm ướt.

Trước hết, cần phân biệt các loại tụ màu: Agglomerates và Flocculates (Keo tụ và Kết tụ)

• Các loại bột màu thường được thêm vào trong sơn dưới dạng khô. Các bột màu này thường không tồn tại ở dạng các hạt đơn, mà chúng là một tập hợp nhiều hạt đơn, hay còn gọi là kết tụ. Giữa các hạt kết tụ có các khoảng không chứa không khí và hơi ẩm. Trong đó các hạt bột màu đơn tiếp xúc với nhau dọc theo các cạnh và các góc của chúng. Lực tương tác giữa các hạt là tương đối nhỏ nên có thể bị phá vỡ bằng những thiết bị phân tán phổ biến. Khi phân tán bột màu, các tập hợp bột màu bị phá vỡ bởi lực va đập và lực cắt, lý tưởng nhất là các hạt bị phá vỡ thành các hạt đơn như ban đầu.
   
• Trong quá trình nghiền, năng lượng được cung cấp vào hệ sơn, các hạt bột màu được phá vỡ thành các hạt nhỏ, cho diện tích bề mặt lớn hơn tiếp xúc với dung dịch chất tạo màng. Sau đó hệ sơn thường sẽ có xu hướng chuyển từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái năng lượng thấp trước đó, điều này có nghĩa là các bột màu đơn đã được phá vỡ có xu hướng kết hợp lại với nhau thành các cấu trúc lớn được gọi là keo tụ. Điều này làm giảm độ bền màu, độ bóng và tính lưu biến bị thay đổi. Về mặt cấu trúc, keo tụ tương tự như kết tụ, tuy nhiên khoảng trống giữa các hạt bột màu đã được điền đầy bằng dung dịch chất tạo màng thay vì không khí và hơi ẩm.
   

B. Thảo Luận:
Quá trình phân tán bột màu có thể chia thành 3 bước sau:

• Bước 1 (Thấm ướt): tất cả không khí và hơi ẩm ở bề mặt bột màu bị dịch chuyển và sau đó được thay thế bằng dung dịch chất tạo màng. Dung dịch chất tạo màng thấm ướt các hạt bột màu. Bề mặt tiếp xúc giữa pha rắn/khí (bột màu/không khí) được chuyển thành bề mặt tiếp xúc giữa pha rắn/lỏng (bột màu/ dung dịch chất tạo màng). Để làm điều này, dung dịch chất tạo màng phải xâm nhập vào các không gian hở của các hạt bột màu kết tụ.
• Bước 2 (Nghiền): thông qua năng lượng cơ học (lực va đập, lực cắt), các phần kết tụ bột màu bị phá vỡ và tạo thành các hạt nhỏ hơn.
• Bước 3 (Ổn định): việc phân tán bột màu phải được ổn định để ngăn ngừa sự hình thành các tập hợp keo tụ không kiểm soát được. Để ổn định chúng thì phải giữ các hạt bột màu riêng lẻ ở khoảng cách thích hợp để chúng không thể tụ lại.

Các bước 1 (thấm ướt) và 3 (ổn định) có thể được tối ưu hóa bằng các loại phụ gia. Các loại phụ gia thấm ướt đẩy nhanh quá trình thấm ướt các hạt bột màu kết tụ khi sử dụng chất tạo màng. Các phụ gia phân tán cải thiện sự ổn định của quá trình phân tán bột màu. Một số loại phụ gia tương tự có thể vừa thấm ướt vừa phân tán. Các loại phụ gia này thường sẽ không giúp ích gì trong bước 2. Điều quan trọng ở đây là lực cơ học phải đủ lớn để phá vỡ các hạt bột màu kết tụ và thời gian ổn định phải lâu dài.

a/ Phụ gia thấm ướt:

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thấm ướt bột màu. Tuy nhiên yếu tố đơn giản và hiệu quả nhất khi tác động là làm giảm sức căng bề mặt của dung dịch chất tạo màng. Thực tế, phụ gia thấm ướt được sử dụng để làm giảm sức căng bề mặt của pha lỏng để thấm ướt tốt các hạt bột màu rắn. Do đó, tăng tốc độ lan chảy của pha lỏng vào các cấu trúc kết tụ.

Đặc trưng cho các chất này là cấu trúc chất hoạt động bề mặt của chúng: các thành phần cấu trúc phân cực (ưa nước) cùng với các yếu tố cấu trúc không phân cực (kỵ nước) được kết hợp trong một phân tử. Từ góc độ hóa học, các chất phụ gia thấm ướt có thể được phân loại: ion hoặc không ion - tùy theo mắc xích phân cực được kết hợp vào phân tử. Theo quy luật, mắc xích không phân cực được biểu thị bằng các chuỗi hydrocacbon.

b/ Phụ gia phân tán:

Phụ gia phân tán được sử dụng để ổn định trạng thái đạt được sau khi nghiền bột màu (sự phân bố đồng đều của các hạt bột màu trong dung dịch chất tạo màng) trong một thời gian dài để ngăn chặn sự keo tụ của các hạt bột màu. Thường sử dụng các lực đẩy giữa các hạt để ổn định một hệ sơn chống lại sự keo tụ.

Các phụ gia phân tán hấp phụ lên trên bề mặt bột màu và tạo lực đẩy lớn giữa các hạt bột màu. Điều này giữ cho các hạt ở khoảng cách xa và giảm xu hướng kết tụ không kiểm soát. Trong thực tế, điều này diễn ra theo cơ chế ổn định điện tích và/hoặc ổn định không gian.

Cơ chế ổn định điện tích và không gian đã được thảo luận ở phần  trước, quý bạn đọc có thể tham khảo ở link tại đây: 

Về nguyên tắc, cơ chế ổn định điện tích có thể hoạt động trong dung môi hữu cơ, tuy nhiên điện tích bề mặt thấp hơn nhiều, tức là độ dày của lớp điện tích kép giảm đáng kể và thường không đủ hiệu quả để ngăn chặn quá trình keo tụ trong đa số các trường hợp.

Phân loại cấu trúc của phụ gia phân tán theo cơ chế:

b1. Cơ chế ổn định điện tích:

• Theo cơ chế này thì phụ gia phân tán ảnh hưởng đáng kể đến điện tích bề mặt của các hạt bột màu, giúp tạo ra một điện tích mạnh mang lại thế đẩy cao và bằng cách này khử keo tụ. Các loại polyelectrolyte đặc biệt thích hợp như các phụ gia phân tán hoạt động theo cách này. Cấu trúc polymer của chúng cho phép chúng hấp phụ dễ dàng và bền trên bề mặt bột màu, và vô số các nhóm ion của chúng mang lại điện tích bề mặt đáng kể.
   
• Phân tán gốc polyelectrolyte là những phụ gia phân tán tinh khiết và hầu như không có tính chất thấm ướt bột màu. Do đó, để cải thiện khả năng thấm ướt bột màu, chúng nên được kết hợp với phụ gia thấm ướt thích hợp.

b2. Cơ chế ổn định không gian:

• Trong cơ chế ổn định không gian, các phụ gia phân tán có chứa 2 cấu trúc điển hình như sau: thứ nhất, chúng có chứa một hoặc nhiều nhóm có ái lực với bột màu (phân cực) – các nhóm này có tác dụng liên kết phụ gia lên trên bề mặt bột màu. Thứ hai là chứa các đoạn mạch polymer tương thích với chất tạo màng (ít phân cực), sau khi hấp phụ lên bề mặt bột màu thì chúng nhô ra càng xa càng tốt từ bột màu vào dung dịch chất tạo màng xung quanh.
   
• Các phụ gia polymer có cấu trúc kể trên thì có thể thể hiện các tính chất hoạt động bề mặt nhất định. Nói cách khác, chúng không chỉ ổn định sự phân tán bột màu bằng cơ chế cản trở không gian, mà còn có chức năng như các phụ gia thấm ướt. Do đó không cần thiết phải thêm một lượng phụ gia thấm ướt khi sử dụng các loại phụ gia này.

 

Bài viết được lược dịch theo tài liệu Wetting and dispersing additives của BYK