Bạn có bao giờ thắc mắc tại sao trong điều kiện khắc nghiệt, mâm xe ô tô lại bền màu, khó bị trầy xước đến vậy? hay tại sao vỏ máy giặt lại có khả năng chống gỉ cực kì tốt? hay bạn có đặt ra câu hỏi công nghệ sơn nào có thể tạo nên những hiệu ứng sơn như bóng, mịn, mờ, nhăn, sần, cát… Nếu đó là thắc mắc của bạn thì sơn tĩnh điện chính là câu trả lời.
Khái niệm
Sơn tĩnh điện là loại sơn được phủ dưới dạng bột nhựa nhiệt và được gia nhiệt để đóng rắn (sử dụng nhiệt hoặc tia cực tím). Sơn tĩnh điện chủ yếu dùng để sơn cho kim loại, tuy nhiên với sự tiến bộ trong công nghệ sơn tĩnh điện mà ngày nay có thể dùng tia UV để sơn lên các bề mặt như nhựa, gỗ…
Phân loại sơn tĩnh điện
Khi nhắc đến sơn tĩnh điện thì thường hiểu đó là sơn bột tĩnh điện hay sơn tĩnh điện khô, nguyên nhân bởi sơn tĩnh điện khô phổ biến hơn rất nhiều sơn tĩnh điện ướt (1 trong 2 loại sơn tĩnh điện).
- Sơn tĩnh điện khô (tên tiếng anh là powder coating): sử dụng bột để sơn cho sắt, thép, inox. Không giống với các loại sơn thông thường dùng nước hoặc dung môi, đây cũng là lý do sơn tĩnh điện còn được gọi là sơn khô. Sơn tĩnh điện khô phân loại theo môi trường sử dụng đựa chia làm 2 loại
- Sơn tĩnh điện trong nhà
- Sơn tĩnh điện ngoài trời: có thêm khả năng chịu chịu thời tiết.
- Sơn tĩnh điện ướt: sử dụng dung môi để sơn cho gỗ, nhựa…
Phân loại bột sơn tĩnh điện
Có 3 loại bột sơn tĩnh điện chính: là nhựa nhiệt dẻo, nhựa nhiệt rắn và bột sơn tĩnh điện UV:
- Nhựa nhiệt dẻo: Loại bột này sẽ trực tiếp đóng rắn tạo thành lớp phủ trên bề mặt mà không trải qua quá trình biến đổi cấu trúc phân tử: (polyetylen, polypropylene, nylon, polyvinyclorua và nhựa nhiệt dẻo polyyeste)
- Nhựa nhiệt rắn: epoxy, hybrit, uretan polyester, acrylic, polyester triglycidyl isoxyanuric (TGIC)
- Khi bột nhiệt rắn tiếp xúc với nhiệt độ cao, bột bắt đầu nóng chảy và phản ứng hóa học bắt đầu xảy ra tạo thành polymer có khối lượng phân tử lớn cấu trúc như mạng lưới
- Quá trình lưu hóa này được gọi là liên kết chéo. Quá trình này cần được xảy ra trong 1 khoảng thời gian và nhiệt độ nhất định để quá trình lưu hóa hoàn tất và thiết lập các tính chất của lớp sơn
- Quá trình liên kết chéo này tạo ra 1 lớp màng vĩnh cửu chịu nhiệt và không bị tan chảy lại
- Bột sơn tĩnh điện UV (UV curable powder coatings):
- Loại bột sơn này có chứa chất quang điện hóa học, chất này phản ứng tức thì với tia UV tạo nên liên kết chéo hoặc đóng rắn
- Bột sẽ tan chảy trong 60 – 120 giây khi đạt đến nhiệt độ 110 – 130 độ C và nó sẽ đóng rắn ngay lập tức khi tiếp xúc với tia UV
- Công nghệ sử dụng tia UV này tiết kiệm và nhanh hơn sử dụng bột nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo.
- Phù hợp với các vật liệu nhạy cảm với nhiệt
Nguyên lý sơn tĩnh điện
Nguyên lý sơn tĩnh điện áp dụng nguyên lý điện tích và tính chất lý hóa của bột sơn nhựa nhiệt dẻo.
Bột sơn sau sau khi đi qua súng sơn được tích điện dương (+), còn vật cần sơn được treo tích điện âm (-). Theo nguyên lý điện tích trái dấu thì hút nhau nên lớp bột sơn (+) sẽ bám rất chắc lên vật cần sơn (-). Điện tích cùng dấu sẽ đẩy nhau nên mật độ bột sơn (-) khi súng phun ra và mật độ bột sơn (-) bám trên vật sẽ được phân bổ rất đều, không quá ít và không quá nhiều
Nhờ đặc tính lý hóa đặc biệt của bột sơn nhựa nhiệt dẻo mà sau khi nung nóng, bột sơn sẽ chảy ra và bám vào bề mặt sản phẩm tạo nên 1 lớp phủ có liên kết rất bền vững
Công nghệ sơn tĩnh điện
Lịch sử công nghệ sơn tĩnh điện
- Cuối những năm 1940 đến đầu 1950: Sơn tĩnh điện được bắt đầu nghiên cứu và phát triển. Ban đầu lớp phủ lên bề mặt kim loại có thành phần từ từ polymers hữu cơ được gia nhiệt bằng hình thức phun lửa.
- Đầu thập niên 1950, Bột sơn tĩnh điện đầu tiên có thành phần từ hợp chất hữu cơ (organic polymer) dạng bột được Tiến sĩ Erwin Gemmer thử nghiệm và áp dụng tại Châu Âu.
- Đến đầu năm 1950, tiến sĩ người Đức Erwin Gemmer đã phát triển quy trình sơn tĩnh điện áp dụng lò hơi tầng sôi. Phương pháp này nhanh hơn hiệu quả hơn cách phun bằng lửa.
- Từ năm 1958 trở đi công nghệ sơn tĩnh dùng lò hơi tầng sôi được áp dụng. Thời điểm đó các nhà sản xuất tại Mỹ đã lưu tâm đến nhưng họ chưa có đầy đủ trang thiết bị để thực hiện quy trình 1 cách chính xác, hiệu quả, tiết kiệm để áp dụng cho nhiều ngành công nghiệp
- Trong những năm 1960 đến 1970 xu hướng áp dụng kỹ công nghệ mới cùng sự quan tâm đến môi trường của xã hội. Điều này dẫn đến sự phát triển và thành công của phương pháp phun tĩnh điện
- Những năm 1960, phương pháp phun tĩnh điện hình thành.
- Với phương pháp này các bột sơn được tích điện sau đó được phun lên bề mặt vật được tiếp đất
- Bột sơn dính lên bề mặt vật bằng lực hút tĩnh điện, sau đó tan chảy và đóng rắn trong lò sấy
- Đến 1964, quy trình sơn tĩnh điện đã tương đối hoàn thiện và bắt thương mại rồi dần trở nên phổ biến.
- 1966 – 1973: Các loại bột sơn tĩnh điện có chủng loại nhựa là: Epoxy, Hybrid, Polyurethane, và TGIC được giới thiệu trên thị trường
- Đầu những năm 1970, sơn tĩnh điện phát triển nhanh và được sử dụng rộng rãi tại Châu Âu
- Đầu những năm 1980: phát triển nhanh và được sử dụng rộng rãi tại Bắc Mỹ, Nhật
- Giữa những năm 1980: phát triển nhanh và được sử dụng rộng rãi tại khu vực Viễn Đông (các quốc gia nằm dọc tây Thái Bình Dương và các quốc gia nằm dọc đông Ấn Độ Dương)
- 1985 – 1993: Nhiều loại bột sơn mới được giới thiệu trên thị trường
- Ngày nay sơn tĩnh điện đang chiếm hơn 15% tổng thị trường hoàn thiện công nghiệp
Quy trình Công nghệ sơn tĩnh điện ngày nay
Quy trình sản xuất bột sơn tĩnh điện
- Nguyên liệu:
- Chất tạo màng:là các hợp chất polymer khác nhau – thành phần chất tạo màng sẽ thay đổi để tạo ra những đặc tính khác nhau
- Bột độn
- Bột màu: sẽ được điều chỉnh để phù hợp với yêu cầu
- Chất làm đều màu
- Các chất phụ gia khác
- Trộn các bột nguyên liệu
- Nung nóng chảy hỗn hợp bột nguyên liệu
- Làm mát hỗn hợp nóng chảy
- Nghiền thành bột hỗn hợp nóng chảy sau khi đã nguội
Quy trình gia công phun sơn tĩnh điện
Quy trình phun sơn tĩnh điện ngày nay gồm 4 bước chính và được thực hiện bởi những thiết bị, công cụ hiện đại:
- Bước 1 – Xử lý bề mặt: giúp làm sạch bề mặt và tăng độ bám dính nhờ hệ thống bể hóa chất
- Bước 2 – Sấy khô sản phẩm trong là sấy: giúp tăng khả năng bám bột sơn
- Bước 3 – Phun sơn: Sản phẩm được phun trong buồng sơn với hệ thống thu hồi bột sơn cùng súng phun sơn chuyên dụng
- Bước 4 – Sấy Sơn: sản phẩm được sấy trong lò sấy. Lò sấy được cấp nhiệt bằng gas, dầu diesel, bếp hồng ngoại, với hệ thống quạt, điều hòa không khí giúp lớp sơn đồng đều, đạt chất lượng cao nhất
Ưu điểm sơn tĩnh điện
Kinh tế:
- Bột sơn tĩnh điện dư thừa sau quá trình sơn có thể thu hồi để tái sử dụng nên hiệu suất sử dụng sơn lên đến 98%.
- Khi phun sơn thì hiệu suất bám dính của bột sơn tĩnh điện đạt tới 60-70%. Đối với hình thức phun sơn thông thường hiệu suất chỉ đạt 30-40% trong khi nó khó thu hồi và tái sử dụng.
- Không cần sơn lót như sơn truyền thống
- Báo giá sơn tĩnh điện rất cạnh tranh so với sơn truyền thống
Đặc điểm gia công
- Quy trình gia công đơn giản nên không yêu cầu tay nghề cao.
- Tùy từng hệ thống sơn tĩnh điện mà quy trình sơn có thể bán tự động hoặc tự động có công suất lớn và tiết kiệm rất nhiều thời gian, chi phí nguyên vật liệu, công nhân, chi phí đào tạo công nhân, các nguồn lực khác.
- Vì dùng bột sơn nên dễ dàng có thể vệ sinh hệ thống, không như sơn truyền thống rất lem nhem sau khi sơn phải dùng dung môi mới có thể làm sạch.
- Lớp sơn đóng rắn nhanh hơn sơn truyền thống.
Đặc tính lớp sơn:
- Tuổi thọ lớp sơn có thể lên đến 15 – 20 năm
- Màu sắc và hiệu ứng bề mặt đa dạng chỉ thực hiện được ở sơn tĩnh điện (bóng, mờ, mịn, nhăn, cát…)
- Lớp sơn có khả năng chống va đập, uốn dẻo tốt
- Chống ăn mòn, bay màu, bong, tróc do tác động của hóa học và thời tiết (tia cực tím, UV, nóng, lạnh, mưa, gió, tuyết…)
- Nhiều đặc tính khác (tùy vào bột sơn) giúp nó linh hoạt hơn rất nhiều và hệ thống sơn.
- Do không sử dụng dung môi mà sơn tĩnh điện có thể tạo lớp phủ dày hơn và cũng không xảy ra hiện tượng sơn bị chảy xệ như sơn nước.
- Có thể phủ sơn dày hơn tức là sơn có thể che đi nhiều hơn những khuyết điểm trên sản phẩm
- Lớp sơn tĩnh điện đều màu hơn so với sơn nước. Do bột sơn được phun nhờ nguyên lý điện tích, mà mật độ bột sơn bay ra và bám vào luôn ổn định. Với sơn nước dùng chổi quét hay súng phun theo chiều ngang, dọc ít nhiều tổng thể màu sơn sẽ không đều
- Phổ màu của sơn tĩnh điện rộng hơn do khi nhiệt độ sấy giúp bột có thể bổ sung các chất tạo màu sáng trong bảng màu (bột oxit kim loại).
Môi trường và sức khỏe:
- Sơn tĩnh điện không chứa dung môi và thải ra ít các hợp chất dễ bay hơi (VOC) vào không khi, giúp bảo vệ sức khỏe, môi trường, tiết kiệm chi phí xử lý khí thải
- Sơn dạng bột nên không chứa các dung môi nên rất an toàn không lo cháy nổ, ảnh hưởng đến môi trường.
- Tại những hệ thống sơn tĩnh điện bán tự động và tự động, bột sơn tĩnh điện rơi ra được thu hồi ngay và ngay cả đối với hệ thống thủ công thì quá trình thu hồi sơn rất dễ nên sơn rất khó có thể bay ra ngoài môi trường và gây ô nhiễm không khí và nước như hình thức phun sơn truyền thống
- Dù là cách sơn như thế nào thì người công nhân cũng cần được trang bị mặt nạ để bảo vệ. Đối với hệ thống sơn tĩnh điện bán tự động thì bột sơn thợ phun đứng ở ngoài buồng phun nên bột sau khi rơi được thu hồi luôn. Đối với hệ thống tự động thì sức khỏe công nhân được đảm bảo
Nhược điểm sơn tĩnh điện
- Chi phí lắp đặt dây chuyền sơn tĩnh điện đắt hơn nhiều hình thức phun sơn truyền thống.
- Phun sơn tĩnh điện 1 phần vẫn có giá cao hơn 1 chút sơn truyền thống nhưng bù lại chất lượng lại cao hơn rất nhiều
- Sơn tĩnh điện đa phần xử lý bề mặt sản phẩm bằng hóa chất nên cần phải được xử lý nghiêm ngặt nước thải trước khi xả ra môi trường
- Không thể pha màu như sơn nước truyền thống. Pha các bột màu sơn tĩnh điện sẽ tạo ra các lốm đốm màu và không mượt mà như sơn nước.
- Với hình thức sơn tĩnh điện sử dụng bột nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo cần phải làm nóng vật lên đến 200 độ C, chỉ có thể sơn trên kim loại.
Ứng dụng sơn tĩnh điện
Lớp sơn tĩnh điện có nhiều ưu điểm nổi bật để sơn phủ bảo vệ các bề mặt kim loại trong nhiều điều kiện khác nhau, bởi vậy sơn tĩnh điện đang được ứng dụng trong rất nhiều ngành nghề để bảo vệ thép, gang, nhôm, thép mạ kẽm, magie, nhôm, kẽm, đồng thau….
Những tiến bộ trong công nghệ sơn tĩnh điện ngày nay đã có thể ủ sơn bằng tia UV với nhiệt độ thấp và nhanh hơn rất nhiều. Đây là phương pháp phù hợp để sơn lên những vật liệu nhạy cảm với nhiệt như nhựa, thủy tinh, gỗ…
Về thẩm mỹ, sơn tĩnh điện rất đa dạng về màu sắc, đa dạng hiệu ứng bề mặt như bóng, mịn, mờ, sần, cát…Bởi ưu điểm này sơn tĩnh điện được ứng dụng để sơn phủ làm đẹp, trang trí cho sản phẩm. Các ngành ứng dụng tính thẩm mỹ của sơn tĩnh điện có thể kể đến như kiến trúc, trang trí, nội ngoại thất, đồ gia dụng, vỏ hay khung của nhiều sản phẩm.
Về độ bền, sơn tĩnh điện có khả năng chống va đập, uốn dẻo, bong tróc, bay màu, chống ăn mòn hóa chất… bởi vậy lớp sơn này có tuổi thọ có thể lên đến 15 – 20 năm. Bởi ưu điểm này sơn tĩnh điện được ứng dụng để sơn phủ bảo vệ sản phẩm trong những điều kiện khắc nghiệt khác nhau đó có thể là môi trường hóa chất, môi trường thời tiết cực đoan… Các ngành ứng dụng độ bền của sơn tĩnh điện có thể kể đến như thiết bị các ngành công nghiệp, ngành hàng hải, hàng không sản phẩm ngoại thất, vỏ, khung của nhiều thiết bị sản phẩm…
- Ngành ngoại thất: cửa nhôm kính, hàng rào, cửa cổng, cửa ra vào cửa sổ, cột đèn, lan can, cầu thang, xích đu, biển báo
- Ngành nội thất: bàn, ghế, cầu thang, các đồ decor, cửa ra vào, cửa sổ
- Ngành ô tô, xe máy: khung xe, mâm xe, vỏ xe
- Ngành gia dụng: giá kệ đựng đồ, giá kệ treo đồ, vỏ tủ lạnh, vỏ máy giặt, cục nóng lạnh điều hòa, lò vi sóng, khung võng kim loại…
- Thiết bị ngành công nghiệp: vỏ tủ điện, vỏ máy móc
- Các sản phẩm khác: máy móc tập gym, gậy chơi gôn, xe trượt tuyết, thiết bị thể thao, trang thiết bị quân sự
