Trong kỷ nguyên bảo vệ môi trường và sự chuyển đổi của ngành sơn, việc phát triển các loại sơn thân thiện với môi trường đã trở thành lựa chọn tất yếu của các doanh nghiệp. Tuy nhiên, sơn thân thiện với môi trường không chỉ giới hạn ở sơn gốc nước. Nếu các công ty vội vàng phát triển sơn gốc nước, tính đồng nhất của sản phẩm chắc chắn sẽ xảy ra. Ngoài sơn gốc nước, sơn có hàm lượng rắn cao, sơn không dung môi và sơn bột cũng là những lựa chọn thân thiện với môi trường và sẽ trở thành hướng phát triển chính cho ngành sơn. Theo một báo cáo nghiên cứu, khu vực Châu Á - Thái Bình Dương dự kiến sẽ có mức tăng trưởng cao nhất về cả giá trị và khối lượng của thị trường sơn bột từ năm 2017 đến năm 2022. Công nghệ sơn bột đang phát triển nhanh chóng để đáp ứng thị trường theo nhu cầu. Được thúc đẩy bởi các lực lượng thị trường, nghiên cứu về ứng dụng các vật liệu bột khác nhau trong sơn ngày càng trở nên quan trọng.
I. Tổng quan về sơn tĩnh điện
1. Giới thiệu về sơn tĩnh điện
Lớp phủ bột có nguồn gốc từ những năm 1950 như một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường với hàm lượng chất rắn 100% và không có hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC). Lớp phủ bột mang lại một số lợi thế: tiết kiệm năng lượng, giảm ô nhiễm, xử lý đơn giản, dễ tự động hóa công nghiệp và hiệu suất phủ tuyệt vời.
Lớp phủ bột được làm từ sự kết hợp của polyme, bột màu, chất độn và phụ gia. Vì chúng không giải phóng dung môi dễ bay hơi nên chúng thân thiện với môi trường và mang lại khả năng bảo vệ sinh thái vượt trội. Lớp phủ bột có thể tạo thành các lớp dày hơn chỉ trong một lần thi công, giúp tăng hiệu quả sản xuất. Chúng cũng mang lại các đặc tính cơ học tuyệt vời, khả năng chống ăn mòn hóa học và lớp hoàn thiện chất lượng cao. Sử dụng lớp phủ bột giúp tiết kiệm cả năng lượng và tài nguyên, với tỷ lệ sử dụng lên tới 99%. Các lớp phủ này an toàn khi sử dụng và hiệu quả về mặt kinh tế. Là một giải pháp không chứa dung môi, lớp phủ bột phù hợp với các nguyên tắc “bốn E” phổ biến trên toàn cầu: tiết kiệm, bảo vệ môi trường, hiệu quả và hiệu suất tuyệt vời.
2. Tổng quan về thị trường sơn tĩnh điện
Khi nhu cầu về thiết bị điện và xe hạng nhẹ tăng lên, nhu cầu về sơn tĩnh điện cũng tăng theo. Nhu cầu tăng từ cả ngành công nghiệp thiết bị đầu cuối của các nước phát triển và mới nổi đã góp phần vào sự tăng trưởng của thị trường sơn tĩnh điện. Theo công ty nghiên cứu thị trường Markets and Markets, thị trường sơn tĩnh điện toàn cầu dự kiến sẽ đạt $134,9 tỷ vào năm 2022, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 6,75% từ năm 2017 đến năm 2022.
Do một số yếu tố, đặc biệt là quá trình đô thị hóa nhanh chóng và sự phát triển của các ngành nhà ở, xây dựng và ô tô, nhu cầu về sơn tĩnh điện ở Trung Quốc đã tăng nhanh hơn bất kỳ quốc gia nào khác. Năm 2016, sản lượng ngành sơn tĩnh điện của Trung Quốc đạt 2,07 triệu tấn, trở thành thị trường sơn tĩnh điện lớn nhất toàn cầu.
Biểu đồ 1: Biến động sản lượng của ngành sơn tĩnh điện Trung Quốc từ năm 2009 đến năm 2016 (đơn vị: 10.000 tấn)
Về sản lượng, sơn bột hiện chiếm khoảng 11% trong tổng sản lượng sơn của Trung Quốc. Theo “Kế hoạch 5 năm lần thứ 13”, tổng sản lượng của ngành sơn dự kiến sẽ tăng lên khoảng 22 triệu tấn vào năm 2020. Trong số này, sơn tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường dự kiến sẽ chiếm 57% trong tổng sản lượng. Đến năm 2020, thị phần sơn bột dự kiến sẽ tăng lên khoảng 18%, với sản lượng khoảng 4 triệu tấn. Sự phát triển nhanh chóng của sơn bột chắc chắn sẽ thúc đẩy nhu cầu về chất độn bột tăng trưởng.
II. Phân tích ứng dụng của các vật liệu bột khác nhau trong sơn tĩnh điện
Chất độn trong lớp phủ không chỉ giúp giảm chi phí mà còn tăng cường đáng kể hiệu suất của sản phẩm lớp phủ. Ví dụ, chất độn có thể cải thiện khả năng chống mài mòn, chống trầy xước, chống ăn mòn và chống ẩm của lớp phủ. Chúng cũng giúp giảm độ võng của lớp phủ trong quá trình san phẳng nóng chảy.
Khi lựa chọn chất độn cho lớp phủ bột, các yếu tố như mật độ, hiệu suất phân tán, phân bố kích thước hạt và độ tinh khiết phải được xem xét. Nhìn chung, mật độ chất độn càng cao thì độ phủ của nó trong lớp phủ bột càng thấp. Các hạt lớn hơn có xu hướng phân tán tốt hơn các hạt nhỏ hơn. Chất độn phải trơ về mặt hóa học để tránh phản ứng với các thành phần khác của công thức bột, chẳng hạn như sắc tố và màu của nó phải càng trắng càng tốt. Các vật liệu bột thông thường được sử dụng trong lớp phủ bột bao gồm canxi cacbonat, bari sulfat, talc, bột mica, kaolin, silica và wollastonite.
1. Ứng dụng của Canxi Cacbonat trong Sơn Bột
Canxi cacbonat có hai dạng: canxi cacbonat nhẹ (canxi cacbonat kết tủa) và canxi cacbonat nặng. Bất kể loại nào, kích thước hạt của canxi cacbonat đều ảnh hưởng đáng kể đến độ bóng của lớp phủ. Tuy nhiên, canxi cacbonat thường không được khuyến khích sử dụng ngoài trời do khả năng chống chịu thời tiết kém hơn.
Trong lớp phủ bột, canxi cacbonat nặng có nhiều mục đích. Nó có thể thay thế một phần titanium dioxide và sắc tố màu, thay thế canxi cacbonat nhẹ và bari sunfat kết tủa, ngăn ngừa ăn mòn và hoạt động như một chất thay thế một phần cho sắc tố chống gỉ.
Khi sử dụng trong sơn kiến trúc nội thất, canxi cacbonat nặng có thể được sử dụng riêng hoặc kết hợp với bột talc. So với talc, canxi cacbonat giúp giảm tốc độ bột hóa, cải thiện khả năng giữ màu trong sơn màu sáng và tăng khả năng chống nấm mốc. Tuy nhiên, khả năng chống axit kém của nó hạn chế việc sử dụng trong lớp phủ ngoại thất.
Mặt khác, canxi cacbonat nhẹ có kích thước hạt nhỏ hơn, phân bố kích thước hạt hẹp hơn, hấp thụ dầu và độ sáng cao hơn. Nó đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu ứng làm mờ tối đa.
2. Ứng dụng của Bari Sunfat trong sơn tĩnh điện
Bari sulfat dùng trong lớp phủ có thể được phân loại thành hai loại: tự nhiên và tổng hợp. Dạng tự nhiên được gọi là bột barit, và dạng tổng hợp được gọi là bari sulfat kết tủa.
Trong sơn bột, bari sunfat kết tủa tăng cường độ phẳng và độ bóng của lớp phủ và có khả năng tương thích tốt với thuốc nhuộm. Nó giúp đạt được độ dày lớp phủ lý tưởng trong quá trình phun, đảm bảo tỷ lệ sơn bột cao.
Bột barit chủ yếu được sử dụng trong sơn lót công nghiệp và lớp phủ trung gian ô tô đòi hỏi độ bền lớp phủ cao, khả năng làm đầy và tính trơ về mặt hóa học. Nó cũng được sử dụng trong lớp phủ trên cùng khi cần độ bóng cao hơn. Do có chỉ số khúc xạ cao (1,637), bột barit mịn có thể hoạt động như một chất tạo màu trắng trong mờ, khiến nó trở thành chất thay thế tuyệt vời cho một phần titanium dioxide trong lớp phủ.
3. Ứng dụng bột Mica trong sơn tĩnh điện
Bột mica được tạo thành từ các silicat phức hợp và có các hạt dạng vảy. Nó được đánh giá cao vì khả năng chịu nhiệt, chịu axit và kiềm tuyệt vời, và tác động của nó đến độ chảy của lớp phủ bột. Bột mica thường được sử dụng trong lớp phủ bột chịu nhiệt và cách điện và cũng có thể đóng vai trò là chất độn trong lớp phủ bột có kết cấu.
Trong số các loại mica khác nhau, sericit có cấu trúc hóa học tương tự như kaolin, và nó kết hợp các đặc tính của cả khoáng mica và khoáng sét. Ứng dụng của nó trong lớp phủ có thể cải thiện đáng kể khả năng chống chịu thời tiết và khả năng thấm nước, tăng cường độ bám dính và độ bền, đồng thời cải thiện vẻ ngoài tổng thể của lớp phủ. Ngoài ra, các hạt thuốc nhuộm có thể dễ dàng đi vào lớp xen kẽ dạng lưới của bột sericit, giúp màu sắc luôn tươi tắn theo thời gian. Bột sericit cũng thể hiện các đặc tính chống tảo và chống nấm mốc, khiến nó trở thành chất độn đa chức năng với tỷ lệ chi phí-hiệu suất tuyệt vời cho lớp phủ.
4. Ứng dụng bột Talcum trong sơn tĩnh điện
Bột talc, còn được gọi là silicat magiê ngậm nước, được nghiền trực tiếp từ quặng talc. Các hạt của nó là tinh thể hình kim có cảm giác nhờn, kết cấu mềm và độ mài mòn thấp. Talc có độ huyền phù và khả năng phân tán tốt, cũng như một số tính chất lưu biến, ảnh hưởng đáng kể đến độ lưu động nóng chảy của lớp phủ bột. Nó thường được sử dụng trong bột tạo kết cấu.
Talc là vật liệu tiết kiệm chi phí; tuy nhiên, nó có một số nhược điểm hạn chế việc sử dụng. Ví dụ, nó có tỷ lệ hấp thụ dầu cao và trong các ứng dụng yêu cầu hấp thụ dầu thấp, nó phải được kết hợp với các chất độn như bột barit, có khả năng hấp thụ dầu thấp. Ngoài ra, khả năng chống mài mòn của nó tương đối thấp, vì vậy phải thêm các chất độn khác khi cần khả năng chống mài mòn cao. Talc chứa các khoáng chất phi kim loại khác không phù hợp với lớp phủ ngoài trời yêu cầu khả năng chống chịu thời tiết cao, vì các khoáng chất tạp chất dễ phản ứng với axit (như mưa axit). Talc cũng có đặc tính làm mờ, có nghĩa là nó thường được tránh trong lớp phủ có độ bóng cao.
5. Ứng dụng của Silica trong sơn tĩnh điện
Thạch anh bột xốp, một loại silica, được công nhận về độ an toàn và được sử dụng rộng rãi trong sơn phủ bột, bao gồm sơn phủ chống cháy, sơn phủ chống thấm nước và sơn phủ chống ăn mòn. Chi phí thấp của thạch anh bột xốp cho phép nó giảm tổng chi phí của sơn phủ bột. Nó cũng thay thế bari sulfat, làm giảm hàm lượng bari hòa tan và giúp đáp ứng các tiêu chuẩn bảo vệ môi trường.
Ngoài ra, silica khói thường được sử dụng trong sơn bột như một chất làm lỏng và chống đóng cục. Silica khói là một chất tạo màu đa chức năng và là chất kiểm soát lưu biến hiệu quả trong sơn. Trong sơn lỏng, nó thực hiện các chức năng như làm đặc, tính lưu biến, chống chảy xệ và phủ mép. Trong sơn bột, nó tăng cường khả năng chảy của bột, ngăn ngừa sự kết tụ và hỗ trợ quá trình lưu hóa.
6. Ứng dụng của Kaolin trong sơn tĩnh điện
Kaolin được sử dụng trong sơn bột để cải thiện tính lưu biến và chống kết tủa. Kaolin nung, không ảnh hưởng đến tính chất lưu biến, cũng có thể tạo hiệu ứng làm mờ, tăng khả năng che phủ và cải thiện độ trắng, tương tự như bột talc.
Kaolin thường có khả năng hấp thụ nước cao, khiến nó không phù hợp để cải thiện tính lưu biến của lớp phủ hoặc để tạo lớp phủ kỵ nước. Kích thước hạt của kaolin dao động từ 0,2 đến 1 μm. Kaolin có hạt lớn hơn có khả năng hấp thụ nước thấp hơn và tạo hiệu ứng làm mờ tốt hơn, trong khi kaolin có hạt nhỏ hơn (dưới 1 μm) phù hợp cho lớp phủ bán bóng và lớp phủ nội thất.
Kaolin có thể được chia thành kaolin nung và kaolin rửa. Nhìn chung, kaolin nung có khả năng hấp thụ dầu, độ mờ đục, độ xốp, độ cứng và độ sáng cao hơn so với kaolin rửa.
7. Ứng dụng của các vi cầu thủy tinh rỗng trong sơn tĩnh điện
Vi cầu thủy tinh rỗng là loại bột hình cầu rỗng nhỏ có nhiều ưu điểm, bao gồm trọng lượng nhẹ, thể tích lớn, độ dẫn nhiệt thấp, cường độ nén cao, cách nhiệt, chống ăn mòn, không độc hại, khả năng phân tán tốt, tính lưu động và độ ổn định.
Trong lớp phủ bột, các vi cầu thủy tinh rỗng có vai trò sau:
1) Cách nhiệt: Bên trong các vi cầu thủy tinh rỗng được lấp đầy bằng chân không hoặc khí loãng, tạo ra sự khác biệt về mật độ và độ dẫn nhiệt với nhựa epoxy. Tính chất này mang lại cho chúng khả năng cách nhiệt tuyệt vời và làm cho chúng trở nên lý tưởng cho lớp phủ bột chịu nhiệt độ cao.
2) Cải thiện tính chất vật lý và cơ học: Các vi cầu này có thể làm tăng độ cứng và độ cứng của lớp phủ bột. Tuy nhiên, khả năng chống va đập có thể giảm, tùy thuộc vào cách xử lý bề mặt của các vi cầu. Các tác nhân kết dính thích hợp có thể làm giảm khả năng chống va đập này.
3) Hấp thụ dầu thấp: Tỷ lệ hấp thụ dầu của các vi cầu thủy tinh rỗng dao động từ 7 mg đến 50 mg trên 100g, tùy thuộc vào từng mẫu. Độ hấp thụ dầu thấp này làm tăng lượng chất độn trong sản phẩm, giúp giảm hiệu quả tổng chi phí.
8. Ứng dụng của Wollastonite trong sơn tĩnh điện
Thành phần chính của wollastonite là canxi silicat, có mật độ 2,9 g/cm³, chiết suất 1,63 và tỷ lệ hấp thụ dầu là 30-50%. Nó có cấu trúc giống như kim và độ sáng tuyệt vời.
Trong sơn bột, bột wollastonite tự nhiên thường được sử dụng. Nó được chế biến từ wollastonite tự nhiên và đóng vai trò là chất màu cơ thể có thể thay thế một phần chất màu trắng, tăng cường độ phủ và giảm chi phí của lớp phủ. Do có độ dẫn điện tốt, wollastonite thường được sử dụng trong sơn bột cách điện epoxy. Ngoài ra, cấu trúc giống như kim màu trắng của wollastonite cải thiện các đặc tính uốn và kéo của sơn bột.
III. Xu hướng phát triển của chất độn bột cho sơn tĩnh điện
1. Xử lý bề mặt của chất độn bột
Tất cả các chất độn phủ bột đều có tính phân cực, trong khi nhựa phủ bột cũng có tính phân cực cao. Điều này có thể dẫn đến khả năng tương thích kém giữa hai chất này, ảnh hưởng xấu đến quá trình xử lý và hiệu suất của lớp phủ. Để giải quyết vấn đề này, thường cần phải xử lý chất độn bột thông qua các phương pháp vật lý (như phủ bề mặt và hấp phụ) hoặc các phương pháp hóa học (như thay thế bề mặt, thủy phân, trùng hợp và ghép). Các phương pháp xử lý này giúp giảm đáng kể kích thước hạt của cốt liệu hoặc cải thiện tính lưu động của hệ thống, nâng cao hiệu suất xử lý, chất lượng bề mặt (như độ bóng và độ sáng màu) và độ bền cơ học của lớp phủ.
2. Vi hóa chất độn bột
Khi tỷ lệ nhựa phủ bột và chất độn không đổi, kích thước hạt của chất độn càng nhỏ thì hiệu suất bề mặt và tính chất cơ học của lớp phủ càng tốt. Nếu kích thước hạt chất độn giảm xuống phạm vi tương tự như titan dioxit (0,2-0,5 μm), các chất kết tụ trong công thức có thể được cô lập, tạo ra các trung tâm phân tán hiệu quả hơn và cải thiện khả năng che phủ của titan dioxit. Đây là nguyên lý phân tách không gian của chất độn siêu mịn. Tương tự như vậy, chất độn siêu mịn có thể làm giảm lượng sắc tố cần thiết, do đó cải thiện hiệu quả.
3. Công nghệ nano bột độn
Các vật liệu nano thường được sử dụng bao gồm nano-silicon dioxide, nano-titanium dioxide và nano-calcium carbonate. Các báo cáo chỉ ra rằng nano-titanium dioxide làm tăng độ trong suốt, tính chất cơ học và khả năng hấp thụ tia cực tím của lớp phủ. Nó đặc biệt hữu ích trong vecni ô tô, nơi nó cải thiện đáng kể khả năng chống chịu thời tiết của lớp phủ bột. Tuy nhiên, vì vật liệu nano là các hạt cực kỳ mịn có hoạt tính bề mặt cao nên chúng dễ bị kết tụ và kết bông. Do đó, xử lý bề mặt của chất độn nano, cùng với các phương pháp bổ sung thích hợp, thiết bị phân tán và số lượng tối ưu, là rất quan trọng đối với ứng dụng thành công của chúng trong lớp phủ bột. Khi thiết kế các công thức sơn bột, nên lựa chọn các chất độn khác nhau dựa trên các yêu cầu về hiệu suất sản phẩm để đạt được kết quả tốt nhất.
4. Chức năng hóa chất độn sơn tĩnh điện
Xu hướng phát triển cho lớp phủ bột chức năng tập trung vào việc cải thiện các tính chất vật lý, hóa học và cơ học của lớp phủ trong các khu vực cụ thể hoặc đưa ra các chức năng mới. Ví dụ, bột kaolin và wollastonite được sử dụng để tạo ra lớp phủ bột cách điện, giúp giảm chi phí đồng thời cải thiện khả năng cách điện. Nhôm hydroxit và magiê hydroxit có đặc tính chống cháy và có thể được sử dụng để sản xuất lớp phủ bột chống cháy. Các chất độn này cũng có thể kiểm soát lưu biến, cải thiện độ bám dính, điều chỉnh độ bóng và tăng khả năng che phủ. Do đó, trọng tâm của chất độn trong lớp phủ bột đang chuyển từ việc chỉ đơn giản là giảm chi phí sang kết hợp nhiều nghiên cứu chức năng hơn, phát triển các chất độn mới có hiệu suất tuyệt vời với chi phí thấp để đáp ứng nhu cầu ngày càng thay đổi của ngành công nghiệp sơn bột.
Phần kết luận
Sự tăng trưởng của bột thị trường sơn phủ phản ánh sự chuyển dịch rộng hơn sang các giải pháp sơn phủ thân thiện với môi trường và hiệu suất cao. Khi các ngành công nghiệp phấn đấu hướng đến tính bền vững, sơn phủ bột cung cấp một giải pháp thay thế hấp dẫn với những lợi thế đáng kể về hiệu quả năng lượng, hiệu quả về chi phí và tác động sinh thái. Với sự phát triển liên tục của các chất độn bột và công nghệ sơn phủ tiên tiến, tương lai của ngành công nghiệp này có vẻ đầy hứa hẹn.
