Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến các chỉ số hóa học của dầu trẩu dùng chế tạo sơn truyền thống

Nội dung text: Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến các chỉ số hóa học của dầu trẩu dùng chế tạo sơn truyền thống

1. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT ĐẾN CÁC CHỈ SỐ HÓA HỌC CỦA DẦU TRẨU DÙNG CHẾ TẠO SƠN TRUYỀN THỐNG TS. TRẦN MINH ĐỨC, CN. HOÀNG NGỌC HIỆP, CN. NGUYỄN THỊ VÂN ANH Viện KHCN Xây dựng TS. ĐÀO THỊ NHUNG Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Tóm tắt: Nấu trẩu là công đoạn quan trọng trong béo không no như axit Ôlêic (12,5%), axit Êlêôstearic quy trình chế tạo sơn ta. Kỹ thuật nấu trẩu cổ truyền (80,0%), một số axit no (cỡ 5,0%), có chỉ số Iot 159 cần được đánh giá hiệu quả bằng phương pháp khoa – 163. Dầu lâu khô có chỉ số iot 95-130, còn dầu học. Nghiên cứu bước đầu cho thấy có thể nâng cao không khô có giá trị dưới 95. Trong quá trình trùng chất lượng dầu trẩu được gia nhiệt, kết quả nghiên hợp chỉ số Iot giảm đi; đây là thước đo mức độ trùng cứu được nêu trong bài báo này. hợp. Nhưng khi trị số này giảm thì dầu có thể trở thành lâu khô hoặc không khô. Ngoài ra chất lượng Trong khi chế tạo sơn truyền thống (sơn ta), dầu dùng làm sơn còn phụ thuộc vào một số chỉ số người thợ sơn thường phải sử dụng dầu trẩu pha với khác như: chỉ số xà phòng, chỉ số axit, Chỉ số xà nhựa sơn ta nhằm mục đích tạo độ bóng, độ sâu của phòng cho biết phân tử lượng trung bình của các axit màng sơn, độ tươi của mầu. Trước khi pha với nhựa béo tham gia thành phần dầu đem phân tích. Chỉ số sơn, dầu được đun nóng để đạt độ nhớt cần thiết. Có axit cho biết dầu bị ôxy hóa ở mức độ nào. thể người xưa không biết bản chất chuyển biến hóa học của dầu khi đun, song kinh nghiệm cho thấy dầu Với dầu trẩu chỉ số xà phòng là 188 – 197, chỉ số được đun có độ dai, độ bền (trẩu dai) hơn dầu trẩu axit là 0,5 – 2,0. Do có axit béo không no chiếm tỷ lệ sống (trẩu bở). Ngày nay khoa học cho biết là quá lớn trong thành phần nên dầu có đặc điểm của các trình gia nhiệt làm phản ứng trùng hợp các phân tử axit: cấu thành dầu trẩu khiến hoạt tính khi sử dụng giảm, Axit Ôlêic CH3(CH2)7CH = CH(CH2)7COOH tức mức bị ôxy hóa ngoài không khí thấp hơn, làm sơn có C18H34O2; chỉ số Iôt gần 90; nhiệt độ sôi khoảng độ bền khí hậu cao hơn, đồng thời tạo được màng 2850C (100mmHg); axit này chiếm cỡ 12,5% [1]; sơn trong và bóng. Nhưng do không biết điều khiển Axit Êlêôstearic CH3(CH2)3CH = CH – CH = CH – phản ứng trùng hợp này nên chế độ gia nhiệt trẩu của CH = CH(CH2)7COOH, tức C18H30O2; chỉ số iot 181,2; thợ sơn chưa hợp lý, dẫn đến hậu quả là màng sơn nhiệt độ sôi khoảng 2350C (12mmHg); axit này chiếm dễ suy thoái khi tiếp xúc nắng, mưa. Để cải thiện chất 80,0% [1]. lượng sơn và công nghệ sơn truyền thống, cần Các axit trên có đầy đủ các tính chất hóa học của nghiên cứu bản chất và xác định chế độ gia nhiệt hợp các axit không no như: kết hợp với halogen, rôđan, lý. Nghiên cứu này nhằm làm rõ chế độ gia nhiệt tác hyđrô hóa, Nhưng quan trọng nhất để chế sơn là động đến mức độ trùng hợp dầu trẩu? các khả năng trùng hợp và bị ôxy hóa. Phản ứng 1. Tổng quan nhiệt trùng hợp là giai đoạn đầu, hình thành các Dầu trẩu thuộc loại dầu khô (tức là tạo được lưỡng hợp, tam hợp do có sự phá vỡ các liên kết đôi. màng tốt, giống như dầu đay, dầu gai, ); nó khác với Giai đoạn sau gồm có các quá trình trùng hợp không các loại dầu bán khô (dầu đậu, dầu bông, dầu cẩm gian và có cả các phản ứng oxy hóa (trong khi dầu chướng, là khô chậm) và dầu không khô (dầu ve, khô). Tính chất của dầu trùng hợp có những biến đổi dầu dừa, dầu lạc, không tạo được màng trong điều quan trọng sau: kiện bình thường). Khả năng khô của dầu phụ thuộc - Độ nhớt tăng (nghề sơn ta đo bằng “kim”), khối vào bản chất hóa học (tính không no của axit béo cấu lượng riêng và khối lượng phân tử tăng. Việc tăng độ thành), được thể hiện qua chỉ số Iôt. Dầu khô là loại nhớt sẽ làm khó cho việc chế sơn – khó trộn nhựa dầu có chứa nhiều axit không no, có các nối đôi trong sơn với trẩu. Ngoài ra, trẩu luyện nhiệt sẽ có thời gian phân tử, có chỉ số Iôt từ 130 – 200. Tài liệu [1] cho tạo màng sơn lâu hơn – một vấn đề đối với thi công biết: dầu trẩu có trong thành phần chủ yếu là các axit sơn; 30 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014
2. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG - Chỉ số Iôt giảm do giảm số liên kết đôi – có thể hóa độ nhớt dầu được nâng cao (mức tăng độ nhớt dùng trị số này để đánh giá mức trùng hợp. Đồng thời tùy thuộc vào thời gian phản ứng); sự giảm số nối đôi làm giảm theo “hoạt tính” của dầu - Phương pháp nhiệt trùng hợp: gia nhiệt tới 290 – đối với không khí, làm cho dầu ổn định hơn. Nói cách 3000C (dưới 3100C) và giữ nhiệt đến khi tạo được độ khác: dầu bền khí hậu hơn; nhớt cần thiết. Kết quả dầu mau khô và màng bóng. - Chỉ số axit tăng do hình thành một lượng nhóm Tài liệu [2] cho biết: ở nhiệt độ dưới 2300C phản cacboxyl tự do trong môi trường – đây là điều kiện bất ứng trùng hợp xảy ra rất chậm. Trên nhiệt độ này thì lợi đối với chất lượng sơn; phản ứng tăng tốc theo chiều tăng nhiệt độ. Mức độ phản ứng sẽ tăng theo thời gian; ở 2820C trong 8 phút - Hình thành một số chất khác trong quá trình chuyển thành dạng keo, dầu bị đông đặc, không thể trùng hợp và tạo màng sơn – chúng là tạp chất. trộn với nhựa sơn ta khi chế sơn. Để nâng cao chất lượng sơn, rõ ràng cần giảm chỉ Trong công nghiệp dầu được nấu trong tháp số iôt, giảm chỉ số axit, giảm tạp chất và cũng cần chú chưng luyện với thiết bị hiện đại. Mức độ trùng hợp ý đến tốc độ khô sơn. cao nhất thường đạt 80% [1]. Theo phương pháp chế tạo sơn truyền thống, dầu trẩu được đun đến hết Trong sơn công nghiệp có một nhóm sơn có nước (hết bong bóng to) thì cho nhẹ lửa (liu riu) vừa nguồn gốc thực vật – sơn từ dầu trẩu và tùng hương. đun vừa khuấy cho đến khi đạt độ nhớt cần thiết. Dầu trẩu là một trong số các loại dầu có ít tạp chất Theo đó dầu này được trùng hợp một phần, một phần nên có thể dùng trực tiếp. Có 2 phương pháp luyện (chính) được oxy hóa. Vấn đề cần nghiên cứu là khả dầu trong công nghiệp [2]: năng trùng hợp trong trường hợp gia nhiệt dầu trẩu - Phương pháp ôxy hóa: gia nhiệt dầu đến nhiệt cần như thế nào: 0 độ dưới 150 C và thổi không khí (hoặc khí oxy) vào Xét trên ví dụ axit Êlêôstearic – thành phần chính dầu. Kết quả: nhờ một phần trùng hợp, một phần ôxy của dầu trẩu: 1 2 3 4 5 6 CH3 - (CH2)3 -CH = CH - CH = CH - CH = CH - (CH2)7 - COOH Trong khi gia nhiệt có một vài sơ đồ phản ứng trùng hợp xảy ra [4]: Phản ứng trùng hợp xảy ra ở nối đôi theo kiểu biệt lập: to n C C C C n có 2 sơ đồ là: - Phản ứng trùng hợp xảy ra do liên hợp 1,4: to n C C C C C C C C n - Phản ứng trùng hợp xảy ra do liên hợp 1,6: to n C C C C C C C C C C C C n Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 31
3. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG Quá trình trùng hợp là tổ hợp tất cả các sản phẩm trên với xác suất khác nhau, tùy theo điều kiện phản ứng. Nếu vẫn tiếp tục gia nhiệt cho dầu trẩu thì xảy ra quá trình trùng hợp không gian, tạo thành mạng lưới 3 chiều, dung dịch trẩu sẽ tăng độ nhớt; đến một lúc nào đó các nối đôi còn rất ít thì dung dịch sẽ bị đông đặc. Tạo mạng lưới từ nối đôi ở vị trí biệt lập của 2 phân tử khác nhau: C C C C to C C C C Tạo mạng lưới từ nối đôi do tổ hợp cả 2 trường hợp trên (liên hợp, biệt lập): C C C C o o t t C C C C C C C C C C C C C C C C C C to C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C to to C C C C C C C C C C C C Như vậy không thể trùng hợp hết nối đôi, vì luôn thể do cấu trúc rẽ nhánh các mạch trong phân tử khác tồn tại liên kết -C=C-, và do dịch bị đông đặc khiến nhau, có số liên kết đôi khác nhau. Sản phẩm nào có khả năng tiếp xúc để tham gia phản ứng của các ít liên kết đôi trong phân tử hơn thì bền với tác nhân phân tử bị giảm đi. Các mẫu có độ nhớt khác nhau có ôxy hóa hơn, do đó bền với khí hậu. 32 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014
4. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG Do quá trình trùng hợp xảy ra không hoàn toàn, (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, vi sinh vật, ), các liên kết các liên kết đôi còn lại tiếp tục tham gia phản ứng tại đôi bị ôxy hóa, phân tử axit cấu thành dầu trẩu bị cắt màng sơn. Trong quá trình khô màng sơn, dưới tác mạch và lão hóa, xuất hiện nhóm OH làm giảm tính động của các tác nhân trong môi trường tự nhiên chịu nước – làm màng sơn kém bền: O O O2 O2 C C C C C O + C O to to (hʋ) Andehyd hay Xeton Oxide (hʋ) VVii sinhsin hvậ tv ât C O + C O Enzim OH OH Trong phân tử dầu trẩu còn có nhóm - COOH, nhiệt theo phương pháp truyền thống (đun trong nồi nên phân tử có khả năng hòa tan vào trong nước, hấp gốm, mở nắp, đạt độ nhớt 1 – 2 kim thì dừng), các thụ nước vào mạng lưới và giữ lại trong mạng lưới, mẫu A, B, C (bảng 1) có thời gian gia nhiệt khác làm trương nở phân tử. nhau, mẫu A ít nhất, mẫu C lâu nhất). Tiêu chuẩn thử và kết quả thử trình bày trong bảng 2. Phương pháp nấu trẩu truyền thống luôn tạo ra sản phẩm kém bền [3], chứng tỏ mức trùng hợp chưa Đợt 2: Sử dụng dầu trẩu sống thương nghiệp, với cao, màng sơn khô do cơ chế oxy hóa là chính. mục đích kiểm tra tác động của phương pháp gia Nghiên cứu bước đầu xác định khả năng trùng hợp nhiệt mới. Trong nghiên cứu chọn phương pháp gia theo cách gia nhiệt truyền thống và theo chế độ gia nhiệt tới nhiệt độ tối đa cho phép và thời gian lưu giữ nhiệt khác. dầu trẩu ở nhiệt độ cao kéo dài. Tuy nhiên, nếu gia nhiệt liên tục cho nhiệt độ cao lên thì dầu dễ bị keo 2. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm đặc. Được biết [1]: nhiệt độ càng cao thì thời gian giữ Đợt 1: Sử dụng dầu trẩu sống với mục đích kiểm được dầu lỏng càng ngắn; phản ứng trùng hợp càng tra hiệu quả gia nhiệt theo cách truyền thống; gia kém. Bảng 1 [1] cho thấy điều này: Bảng 1. Sự phụ thuộc thời gian không đông dầu vào nhiệt độ nấu dầu trẩu Nhiệt độ, 0C 250 268 285 310 Thời gian giữ nhiệt mà dầu chưa đặc 27’15” 13’30” 7’25” 3’10” Để giải quyết vấn đề thời gian luyện không đông đạt đến 3000C thì cho hạ nhiệt nhanh (để nồi ra ngoài đặc, tài liệu trên đã đề xuất chế độ nấu lặp nhiệt, tức bếp); là nâng đến 2500C và hạ nhiệt dần theo chu kỳ: Mẫu 3: Đun giống mẫu 1, song đun thêm 1 chu kỳ 0 0 0 0 0 250 C 200 C 250 C 200 C 230 C (đến 2400C) để đạt độ nhớt 2 kim; Các mẫu được chế tạo như sau (số hiệu mẫu tương Mẫu 4: Dầu trẩu được đun lặp nhiệt đến độ đặc 3 0 ứng cột N mẫu trong bảng 3): kim nhưng nhiệt độ cao nhất chỉ đến 2600C. Mẫu 1: Dầu trẩu sống (chuẩn); Các mẫu được kiểm tra chỉ số Iôt và chỉ số axit theo các tiêu chuẩn: Mẫu 2: Dầu trẩu chín được đun lặp nhiệt đến TCVN 6127: 2010. Dầu mỡ động vật và thực vật – 0 0 0 0 0 300 C như sau 300 C 200 C 280 C 200 C Xác định chỉ số axit và độ axit; 2600C để nguội đến nhiệt độ phòng. Độ nhớt đo TCVN 6122 : 2010. Dầu mỡ động vật và thực vật được 1 kim (theo cách đo cổ truyền). Chú ý: mẫu vừa – Xác định chỉ số Iôt. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 33
5. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG Song song với các thí nghiệm phân tích trong (32 – 35)0C tại Huế). Kết quả các mẫu được trình bày bảng 2 đã tiến hành kiểm tra thời gian khô màng trẩu trong mục 3. theo cách thức truyền thống: quét dầu (trong thí 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận nghiệm đợt 2) lên thanh tre thành lớp mỏng và quan sát tốc độ khô tạo màng (mùa hè, nhiệt độ trung bình 3.1 Ảnh hưởng đến mức độ trùng hợp Bảng 2. Kết quả kiểm tra dầu trẩu sống và dầu trẩu chín theo các chỉ số chính Mẫu STT Chỉ tiêu thí nghiệm Tiêu chuẩn thử Dầu trẩu Dầu trẩu Dầu trẩu Dầu trẩu sống chín A chín B chín C Chỉ số axit 1 TCVN 6127 : 1996 9,31 7,94 7,70 7,12 (mg KOH/g) Chỉ số xà phòng 2 TCVN 6126 : 1996 188 193 192 196 (mg KOH/g) Chỉ số Iot 3 TCVN 6122 : 1996 155,6 116,1 119,2 113,6 (g I2/100g) Thời gian khô 4 TCVN 2096 : 1993 1 – 2 2 – 3 2 – 3 4 – 5 (ngày đêm) Tỷ trọng dầu 5 TCVN 2691 : 1978 0,97 1,10 1,00 1,15 tại 250C Kết quả từ bảng 2 cho thấy: điều này cũng thuận lợi cho các phản ứng ôxy hóa - Gia nhiệt (nấu) trẩu theo cách truyền thống chỉ trong khi gia nhiệt); hạ được chỉ số Iot xuống đến mức 110g I2/100g Thực tế điều tra [3] cho thấy sơn kém bền, nhất là (155,6 xuống còn 113,6), chỉ số axit từ 9,31 xuống sơn có nhiều dầu trẩu được gia nhiệt theo cách 7,12; truyền thống. Do đó cần tìm cách nâng cao mức trùng - Thời gian khô của dầu trẩu tăng từ 1 – 2 ngày hợp. (trẩu sống) lên 4 – 5 ngày; Kết quả từ bảng 3 được thực hiện phân tích tại - Chỉ số axit giảm do đun hở nắp nồi nên lượng LAS XD – 578 thuộc Phân Viện KHCN Xây dựng nhóm axit COOH thoát đi vào không khí (tuy nhiên Miền Trung – Viện KHCN Xây dựng, Bộ Xây dựng. Bảng 3. Chỉ số Iôt và axit của dầu trẩu qua các chế độ gia nhiệt khác nhau N0 mẫu Chế độ gia nhiệt Chỉ số Iôt Chỉ số axit 1 Dầu trẩu sống (loại thương mại – cô nhẹ sẵn) 131 26,8 2 Trẩu chín đun lặp nhiệt tới 3000C, độ đặc 1 kim 108 18,3 3 Trẩu chín đun lặp nhiệt tới 3000C, độ đặc 2 kim 51,4 18,2 4 Trẩu chín đun lặp nhiệt tới 2600C, độ đặc 3 kim 95 12,7 5* Dầu trẩu sống 26,6 6* Dầu trẩu chín 18,1 Ghi chú: * Phân tích làm tại Khoa Hóa học – Đại - Mức giảm chỉ số Iot ít phụ thuộc vào độ đặc đạt học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội; được mà chủ yếu phụ thuộc vào chế độ gia nhiệt, tức cũng tại thí nghiệm này cho chỉ số xà phòng (trẩu nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt. Chỉ số Iôt giảm từ 108 chín) là 276 và còn cho biết phân tử lượng sau khi xuống 51,4 khi tăng thời gian gia nhiệt với độ đặc trùng hợp đã tăng lên (276 so với 188 – 197). tăng từ 1 kim lên 2 kim. Trong khi đó gia nhiệt ở nhiệt 0 Nhận xét bảng 3: độ thấp hơn (260 C – mẫu 4), mặc dù độ đặc đạt 3 - Chỉ số Iot giảm sâu ở các mẫu 3 và 4 (sâu hơn kim song chỉ số Iôt chỉ đạt 95 (thấp hơn mẫu 3: được 0 các mẫu ở bảng 2), chứng tỏ mức độ trùng hợp đã gia nhiệt đến 300 C đạt độ nhớt 2 kim). Có thể thấy 0 được nâng cao hơn khi tăng nhiệt độ và kéo dài thời nhiệt độ trên 260 C có giá trị quyết định. Vì vậy cần 0 gian gia nhiệt (dầu trẩu được gia nhiệt theo cách gia nhiệt đến nhiệt độ 300 C và giữ nhiệt lâu để đạt truyền thống thường chỉ đến dưới 2000 - 220 0C); độ nhớt cao (tùy theo yêu cầu chế sơn). 34 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014
6. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG - Về chỉ số axit: do đun có khuấy và có giai đoạn hoàn thiện hơn nữa bán thành phẩm của sơn ta – để hở nắp (để khuấy, đo) nên các gốc cacboxyl tự do trẩu chín. thoát đi, nhất là mẫu số 4 do đun lâu nên trị số axit 4. Kết luận và kiến nghị nhỏ. - Cách gia nhiệt dầu trẩu theo truyền thống chưa 3.2 Ảnh hưởng đến tốc độ khô của màng dầu đảm bảo chất lượng trẩu chín, cụ thể là mức độ trùng Việc giảm chỉ số Iot xuống mức dầu bán khô (có hợp chưa cao, dẫn đến màng sơn kém bền khí hậu; mẫu đến mức dầu không khô) cho thấy vấn đề có liên - Chế độ gia nhiệt cần hợp lý để dầu trẩu không bị quan đến thông số công nghệ của việc sơn. Thời gian đông đặc, đồng thời đảm bảo nâng nhiệt độ đến khô của sơn sẽ lâu nếu cô dầu trẩu theo hướng tăng 3000C và giữ dầu ở nhiệt độ cao hợp lý lâu dài; mức trùng hợp - Cần nghiên cứu đánh giá, hoàn thiện chất lượng - Mẫu 1: Dầu trẩu sống khô sau 1 ngày đêm, gia nhiệt dầu trẩu, nhất là thời gian khô của màng màng trẩu đục, bở (bấm móng tay ngập đứt màng và sơn. đẩy ra bột); TÀI LIỆU THAM KHẢO - Mẫu 2: Màng khô sau 9 ngày đêm, trong, đọng giọt và nhăn ở mép mẫu (chỗ nhăn vẫn mềm do dày); 1. Hội phổ biến khoa học và kỹ thuật Việt Nam. Những hiểu biết cơ bản về sơn, NXB Khoa học, Hà Nội, 1962. - Mẫu 3: Thời gian khô trên 30 ngày, mành trong, dai; 2. NGUYỄN VĂN LỘC, Kỹ thuật sơn, NXB Giáo dục Hà Nội, 1999. - Mẫu 4: Thời gian khô 20 ngày, màng trong, dai. 3. TRẦN MINH ĐỨC và các ctv, Tổng kết quy trình kỹ Rõ ràng, nâng cao nhiệt độ là cần thiết; song cần thuật chế tạo và thi công các loại sơn truyền thống, Báo có biện pháp khống chế, không để dầu bị đặc. Ngoài cáo tổng kết công nghệ đề tài cấp Viện, Viện KHCN ra còn phải xét đến khả năng khô của màng sơn khi Xây dựng, Hà Nội, 2012. nấu trẩu lâu. Bên cạnh đó, việc gia nhiệt hở nắp để 4. THÁI DOÃN TỈNH, Cơ sở hóa hữu cơ, NXB Khoa học khuấy tuy giảm được chỉ số axit nhưng dầu nhận & Kỹ thuật, Hà Nội, 2001. được không hoàn toàn là trùng hợp mà có cả các sản phẩm ôxy hóa. Vì vậy, cần tiếp tục nghiên cứu để Ngày nhận bài sửa:13/11/2014. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 35