Chất đóng rắn là gì? Vai trò của chất đóng rắn trong keo

Trong ngành công nghiệp hiện đại. Keo dán đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, sản xuất ô tô; điện tử và thậm chí cả y tế. Một yếu tố không thể thiếu để keo phát huy hiệu quả chính là chất đóng rắn. Vậy chất đóng rắn là gì? Vai trò và ứng dụng của nó trong keo dán như thế nào? Hãy cùng tìm hiểu chi tiết qua bài viết dưới đây.

I. Chất đóng rắn là gì?

Chất đóng rắn (tiếng Anh: curing agent) là các hợp chất hóa học được sử dụng để kích hoạt hoặc thúc đẩy quá trình chuyển đổi keo hoặc nhựa từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Quá trình này, gọi là đóng rắn. Giúp tạo ra các liên kết hóa học giữa các phân tử; mang lại độ bền, khả năng chịu lực và các đặc tính cơ lý khác cho vật liệu.

II. Các loại chất đóng rắn phổ biến

1. Chất đóng rắn amin

Phổ biến trong keo epoxy.

Amin (NH₂) phản ứng với nhóm epoxy (C-O-C) để tạo liên kết ngang trong cấu trúc polymer; làm tăng độ cứng và bền bỉ.

Có nhiều loại amin được sử dụng. Bao gồm amin béo (aliphatic amines), amin vòng (cycloaliphatic amines), amin thơm (aromatic amines) và amin biến tính (amine adducts).

Vi dụ:

• Diethylenetriamine (DETA): Một amin béo mạch thẳng phổ biến, được sử dụng trong nhiều ứng dụng epoxy.
• Triethylenetetramine (TETA): Một amin béo mạch thẳng khác, có thời gian đóng rắn chậm hơn DETA.
• Isophoronediamine (IPDA): Một amin vòng; được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ bền và khả năng chịu va đập tốt.
• Amin biến tính (Amine adducts): Sản phẩm của phản ứng giữa amin và epoxy hoặc các chất khác. Giúp cải thiện tính chất như độ nhớt, thời gian đóng rắn, khả năng tương thích,…

Công thức phản ứng (đơn giản hóa): R-NH₂ + Epoxy → R-NH-CH₂-CH(OH)-R’. (Trong đó R và R’ là các nhóm hữu cơ)

Cơ chế đóng rắn amin bậc một của nhựa epoxy: (a) thông qua amin bậc một; (b) thông qua amin bậc hai; (c) thông qua nhóm hydroxyl được tạo ra từ phản ứng (a) và (b); và (d) thông qua phản ứng este hóa amin.

2. Chất đóng rắn anhydride

Sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu khả năng chịu nhiệt và cách nhiệt cao, thường thấy trong ngành điện tử hoặc công nghiệp ô tô.

Có nhiều loại anhydride khác nhau, bao gồm anhydride thơm (aromatic anhydrides), anhydride cycloaliphatic (cycloaliphatic anhydrides) và anhydride aliphatic (aliphatic anhydrides).

Ví dụ:

• Methyltetrahydrophthalic anhydride (MTHPA): Một anhydride cycloaliphatic phổ biến, được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu khả năng chịu nhiệt tốt.
• Hexahydrophthalic anhydride (HHPA): Một anhydride cycloaliphatic khác, có tính chất tương tự MTHPA.

Công thức phản ứng (đơn giản hóa): Anhydride + Epoxy → Ester

Cơ chế phản ứng đóng rắn của nhựa epoxy: (1) các anhydride được mở vòng và phản ứng với các nhóm hydroxyl trong nhựa epoxy để tạo thành các monoeste chứa axit cacboxylic; (2) axit cacboxylic phản ứng với nhóm epoxy để tạo thành các nhóm hydroxyl mới; (3) hydroxyl tạo ra ở bước trước phản ứng với nhóm epoxy để tạo thành hydroxyl mới và hydroxyl tạo ra cũng phản ứng thêm với nhóm anhydride để tạo thành axit cacboxylic.

3. Chất đóng rắn polyurethane

Là kết quả của phản ứng giữa nhóm isocyanate (NCO) và hydroxyl (OH). Được sử dụng nhiều trong keo dán gỗ, bê tông, và các vật liệu xây dựng khác.

Ví dụ:

Diphenylmethane diisocyanate (MDI): Một diisocyanate thơm được sử dụng rộng rãi trong sản xuất polyurethane.

Toluene diisocyanate (TDI): Một diisocyanate thơm khác, cũng được sử dụng phổ biến.

Hexamethylene diisocyanate (HDI): Một diisocyanate aliphatic, được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu khả năng chống tia UV tốt.

Công thức phản ứng (đơn giản hóa): R-NCO + R’-OH → R-NH-COO-R’ (Urethane)

4. Chất đóng rắn UV

Dành riêng cho các loại keo hoặc nhựa cần đóng rắn dưới ánh sáng tia cực tím (UV). Phổ biến trong ngành công nghiệp điện tử, in ấn và y tế.

Ví dụ:

Benzophenone: Một chất khởi đầu phản ứng quang hóa(photoinitiator) phổ biến, hấp thụ ánh sáng UV và tạo ra các gốc tự do.

Phenylketone: Một loại photoinitiator khác, có tính chất tương tự benzophenone.

Có nhiều loại photoinitiator khác nhau, được phân loại dựa trên cơ chế hoạt động (gốc tự do, cation) và khả năng hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau.

Quá trình đóng rắn UV dựa trên việc photoinitiator hấp thụ ánh sáng UV và tạo ra các gốc tự do, kích hoạt phản ứng trùng hợp.

III. Vai trò của chất đóng rắn trong keo dán

Chất đóng rắn là một trong những yếu tố quyết định tính năng và hiệu quả của keo dán. Dưới đây là những vai trò chính mà chất đóng rắn đảm nhiệm:

• Tăng khả năng kết dính:
  • Quá trình đóng rắn giúp keo chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn, tạo ra độ bám dính cao giữa các bề mặt vật liệu. Đảm bảo tính ổn định lâu dài, tránh tình trạng bong tróc trong môi trường khắc nghiệt.
• Cải thiện tính cơ học:
  • Sau khi đóng rắn, keo đạt được độ cứng và khả năng chịu lực vượt trội, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cao trong công nghiệp. Ví dụ, keo epoxy đóng rắn bằng amin có thể đạt độ bền kéo rất cao.
• Chịu nhiệt và hóa chất tốt hơn:
  • Một số chất đóng rắn như anhydride hoặc amin giúp tăng khả năng chịu nhiệt và chống lại tác động của các dung môi, hóa chất. Điều này đặc biệt quan trọng trong ngành điện tử hoặc xây dựng.
• Đáp ứng đa dạng ứng dụng:
  • Mỗi loại chất đóng rắn có thể được điều chỉnh để phù hợp với các mục đích khác nhau, từ kết dính gỗ, nhựa đến bê tông hoặc kim loại.
• Thời gian đóng rắn linh hoạt:
  • Một số loại chất đóng rắn cho phép kiểm soát thời gian đông kết, giúp thuận tiện hơn trong các quy trình thi công hoặc sản xuất.

IV. Ứng dụng quan trọng của chất đóng rắn trong keo dán

Chất đóng rắn không chỉ được sử dụng để cải thiện chất lượng keo mà còn mở ra nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau:

• Xây dựng:
  • Keo dán gạch, bê tông và các vật liệu xây dựng thường sử dụng chất đóng rắn để tăng độ bền và khả năng chịu lực. Ví dụ như: Keo epoxy biến tính amin thường được sử dụng làm keo dán gạch nhờ khả năng bám dính tốt và chịu được môi trường ẩm ướt. Keo polyurethane được dùng để dán gỗ, ván ép trong xây dựng nội thất.
• Công nghiệp ô tô:
  • Chất đóng rắn trong keo epoxy hoặc polyurethane được dùng để liên kết các bộ phận kim loại, nhựa trong xe hơi, đảm bảo độ an toàn và tuổi thọ lâu dài. Ví dụ, keo epoxy được dùng để dán các tấm panel composite.
• Điện tử:
  • Các chất đóng rắn UV thường được dùng trong sản xuất linh kiện điện tử, bảo vệ mạch điện khỏi tác động của môi trường. Ví dụ, chúng được dùng để phủ bảo vệ bảng mạch in (PCB).
• Y tế:
  • Chất đóng rắn sinh học đang được nghiên cứu để ứng dụng trong lĩnh vực y khoa, đặc biệt là sản xuất dụng cụ và thiết bị cấy ghép.
• Sản phẩm tiêu dùng:
  • Nhiều sản phẩm như đồ nội thất, giày dép, hoặc đồ chơi sử dụng keo có chất đóng rắn để đảm bảo độ bền và tính thẩm mỹ.

V. Lựa chọn loại keo với chất đóng rắn phù hợp cho từng ứng dụng

Khi lựa chọn keo cần cân nhắc các yếu tố sau:

• Loại keo sử dụng: Keo epoxy, polyurethane hay acrylic đều yêu cầu chất đóng rắn tương thích.
• Điều kiện môi trường: Nhiệt độ, độ ẩm, và các yếu tố bên ngoài có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của chất đóng rắn.
• Thời gian đông kết: Đáp ứng yêu cầu của quy trình thi công hoặc sản xuất.
• Tính an toàn: Một số chất đóng rắn có thể gây kích ứng da hoặc độc hại nếu không được sử dụng đúng cách.
• Giá thành: Cần cân nhắc giữa hiệu suất và chi phí.
• Khả năng gia công: Độ nhớt và thời gian đóng rắn ảnh hưởng đến khả năng gia công của keo.
• Yêu cầu về an toàn và môi trường: Lựa chọn các chất đóng rắn ít độc hại và thân thiện với môi trường.

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, các loại chất đóng rắn ngày càng được cải tiến để thân thiện với môi trường hơn, hiệu quả hơn và an toàn hơn. Các chất đóng rắn gốc sinh học hoặc chất đóng rắn không dung môi (solvent-free) đang trở thành xu hướng, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường mà vẫn đảm bảo hiệu suất cao.

Xem thêm: Giải mã chi tiết cơ chế đóng rắn keo silicone