Nghiên cứu tổng hợp nhựa Alkyd từ dầu đỗ tương làm nguyên liệu sản xuất sơn

Đinh Văn Nam, Hoàng Văn Hoan, Đinh Văn Kha, Dương Thị Hằng

Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam

Abstract

Alkyd resins modified with vegetable oils has a lot of advantages such as natural drying, high physico – mechanical strength, being compatible with most other alkyd resins and low cost price. In this paper, we have researched the technology to produce high quality alkyd resin modified with soybean oil for domestic paint manufacture.

1. Mở đầu

Nhựa alkyd được sử dụng làm chất tạo màng cho sơn phủ bảo vệ khoảng 60 năm trở lại đây [1] vì chúng có những ưu điểm phổ biến như:

– Khả năng hòa tan tốt trong các loại dung môi phổ biến, giá thành thấp.

– Tính đa dụng: có khả năng ứng dụng rộng nhất trong các loại nhựa sử dụng làm chất tạo màng cho sơn phủ và có khả năng tương hợp với hầu hết các loại chất tạo màng khác.

2. Nội dung nghiên cứu

– Nghiên cứu xây dựng và hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất nhựa alkyd từ dầu đỗ tương theo phương pháp ancol phân quy mô phòng thí nghiệm.

– Phân tích chất lượng nhựa alkyd theo các tiêu chuẩn TCVN và tiêu chuẩn quốc tế tương đương.

– Sử dụng các đơn phối liệu khác nhau để điều chỉnh chất lượng sản phẩm phù hợp cho từng mục đích ứng dụng cụ thể.

– Thử nghiệm sản phẩm nhựa alkyd để pha sơn.

3. Kết quả nghiên cứu

3.1. Lựa chọn nguyên liệu và hóa chất

– Dầu đỗ tương: của nhà máy dầu ăn Cái Lân;

– Alcol đa chức: pentaerythritol của hãng SamYang chemical Co., Ltd Hàn Quốc;

– Axit đa chức: anhdritphtalic của hãng Kawasaki Kasei Co., Ltd của Nhật, ngoài ra còn sử dụng một số hóa chất công nghiệp và tinh khiết khác.

3.2. Phương pháp nghiên cứu

– Tổng hợp nhựa alkyd theo phương pháp alcol phân trên thiết bị phản ứng đa ngưng tụ trong môi trường khí trơ.

– Phân tích các tiêu chuẩn chất lượng của nguyên liệu và sản phẩm TCVN-2003 và ISO-1992 [2].

3.3. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng alcol phân

Theo tính toán lý thuyết nhựa alkyd với hàm lượng dầu đỗ tương 60%, tỷ lệ đương lượng nhóm OH/COOH trong đơn phối liệu là 1,24 [3].

a. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng alcol phân

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng được đánh giá bằng độ hòa tan của sản phẩm trong etanol theo tỷ lệ nhựa : alcol là 1 : 3.

Bảng 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng alcol phân

Từ kết quả ở bảng 1 cho thấy:

– Khi nhiệt độ phản ứng ≤ 210⁰C sau 5 giờ phản ứng hầu như không xảy ra.

– Từ 210-230^oC phản ứng xảy ra rất chậm.

– Nhiệt độ tốt nhất cho phản ứng 240-245⁰C.

b. Lựa chọn xúc tác cho phản ứng alcol phân

Khảo sát 2 loại xúc tác phổ biến là PbO và LiOH cho kết quả sau:

– Nhiệt độ phản ứng: PbO (235-240⁰C), LiOH (240-245^oC).

– Thời gian phản ứng: hai loại xúc tác như nhau (3,5-4,0 giờ).

– Sử dụng LiOH cho sản phẩm sáng màu hơn PbO. Sản phẩm thu được thân thiện với môi trường hơn vì không có hoàn nguyên Pb kim loại.

Với những kết quả trên chúng tôi đã lựa chọn xúc tác là LiOH.

c. Khảo sát tỷ lệ xúc tác đến thời gian phản ứng alcol phân

Tiến hành phản ứng ở nhiệt độ 240⁰C, đánh giá thời điểm kết thúc phản ứng là khi sản phẩm tan hoàn toàn trong etanol theo tỷ lệ 1/3 phần khối lượng.

Bảng 2. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đến phản ứng alcol phân

Từ kết quả ở bảng 2 cho thấy thời gian của phản ứng được rút ngắn nếu tăng dần lượng xúc tác, khi tỷ lệ xúc tác ≥ 0,04% thời gian phản ứng không thay đổi. Như vậy, chọn điều kiện cho phản ứng alcol phân là: nhiệt độ phản ứng 240^oC, lượng xúc tác LiOH 0,04%, thời gian thực hiện phản ứng là 3,5h.

3.4. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng phản ứng este hóa

a. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng este đến tính chất của nhựa alkyd

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên phản ứng. Sau 5 giờ phản ứng, xác định sự thay đổi chỉ số độ nhớt và trị số axit của sản phẩm.

Bảng 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến tính chất của sản phẩm

Từ kết quả trên cho thấy nhiệt độ phản ứng este tốt nhất là 230-235⁰C.

b. Ảnh hưởng của hàm lượng dầu đỗ tương đến tính chất của nhựa alkyd

Bảng 4. Ảnh hưởng của hàm lượng dầu đỗ tương đến tính chất nhựa alkyd

Từ kết quả ở bảng 4 chỉ ra rằng, khi hàm lượng dầu đỗ tương tăng:

– Độ bóng của nhựa giảm liên tục; thời gian khô của nhựa tăng liên tục.

– Độ bền va đập của nhựa đạt cực đại là 45 kg.cm khi hàm lượng dầu 60%.

– Khi hàm lượng dầu ≥ 55% độ bền uốn đạt cực đại 1mm.

Từ kết quả trên có thể lựa chọn đơn phối liệu cho phù hợp với tính chất của sản phẩm thu được.

3.5. Nghiên quy trình công nghệ sản xuất nhựa alkyd từ dầu đỗ tương

a. Đơn phối liệu tổng hợp nhựa alkyd đỗ tương

Từ các kết quả nghiên cứu thiết lập đơn phối liệu để sản xuất nhựa alkyd  có hàm lượng dầu đỗ tương 60% (hàm lượng chất không bay hơi 80%).

Bảng 5. Đơn phối liệu tổng hợp nhựa alkyd đỗ tương

b. Quy trình công nghệ sản xuất nhựa alkyd đỗ tương

Qua quá trình nghiên cứu đã xác lập được quy trình công nghệ sản xuất nhựa alkyd đỗ tương làm nguyên liệu pha sơn đạt chất lượng ổn định trên thiết bị 50 lít/mẻ như sau.

Mô tả quy trình:

Bước 1. Nạp liệu: Bơm dầu đỗ tương vào bình phản ứng, nâng nhiệt độ phản ứng lên đến 70^oC, cho alcol đa chức và xúc tác vào. Bật máy khuấy liên tục với tốc độ 100÷150 vòng/phút.

Bước 2. Gia nhiệt tới nhiệt độ 240-245⁰C, tốc độ gia nhiệt 4-5⁰C/phút.

Bước 3. Kiểm tra alcol phân: Khi đạt nhiệt độ phản ứng 240⁰C, sau 1 giờ kiểm tra độ hòa tan của sản phẩm trong etanol lần đầu, lặp lại cứ sau 15 phút. Kết thúc khi sản phẩm tan hoàn toàn trong etanol với tỷ lệ 1:3 (kl).

Bước 4. Nạp xylen hồi lưu: Hạ nhiệt độ phản ứng xuống 180⁰C thì bắt đầu nạp axit đa chức (trong suốt quá trình bật máy khuấy liên tục). Tiếp tục hạ nhiệt độ xuống 150⁰C thì nạp xylen.

Bước 5. Este hóa: Nâng nhiệt độ phản ứng đến 230-235⁰C, khi phản ứng được 2 giờ thì đo độ nhớt và chỉ số axit lần đầu, sau đó cứ 15 phút lại đo một lần. Khi chỉ số axit và độ nhớt đạt yêu cầu dừng phản ứng.

Bước 6. Hòa tan: Làm mát khối phản ứng xuống nhiệt độ 180⁰C, hòa tan sản phẩm bằng xăng pha sơn.

Với quy trình công nghệ trên đã cho sản phẩm nhựa alkyd đỗ tương có chỉ tiêu kỹ thuật được chỉ ra ở bảng 6.

Bảng 6. Chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm

Từ bảng 6 cho thấy: Tất cả các chỉ tiêu kỹ thuật của nhựa alkyd tổng hợp được đều đạt yêu cầu kỹ thuật để làm chất tạo màng cho hệ sơn phủ bảo vệ.

4. Địa chỉ áp dụng

Đã sản xuất thử nghiệm tại phòng Nghiên cứu phát triển, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam.

5. Kết luận

– Đã nghiên cứu lựa chọn được xúc tác cho quá trình alcol phân là LiOH với hàm lượng 0,035- 0,04% khối lượng thay thế xúc tác truyền thống là PbO.

– Đã xác lập được đơn phối liệu và quy trình công nghệ với quy mô 50 lít/mẻ để sản xuất nhựa alkyd đỗ tương có hàm lượng dầu từ 55-65% khối lượng để tạo ra sản phẩm có chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp cho từng lĩnh vực ứng dụng cụ thể.

Tài liệu tham khảo

1. Nguyễn Việt Bắc, 2004, Vật liệu sơn màng – Giáo trình cao học, Trung tâm KHKT & CNQS.
2. Bộ tiêu chuẩn chất lượng sơn, 2003, Tổng cục Đo lường và Chất lượng.
3. Dr.P.Olding Ph.D.BA and G.Hayward C.Chem.M.R.S.C, 2006, Resins forsurface coatings, Vol 1, 2, London.
4. G.F.Payne, 1980, Organic coatings technology, J.Wiley NY, Vol 1, 2.