Trong chuỗi năm bài đăng trên blog này, chúng tôi sẽ giới thiệu các phương pháp phân tích giúp bạn hiểu tường tận hơn về sơn và chất phủ ở khía cạnh cấu trúc nano. Bài thứ hai sẽ nói về phương pháp mà không nhà pha chế sơn nào không dùng tới – phân tích pha tinh thể bằng Nhiễu xạ tia X (XRD).

Kể từ khi được nhà bác học Rontgen tìm ra vào năm 1895, tia X đã được ứng dụng rất nhiều trong ngành vật lý, hóa học và khoa học vật liệu. Thực tế, chúng tôi đã giới thiệu kỹ thuật huỳnh quang tia X (XRF) trong phân tích thành phần nguyên tố ở cái bài trước đây. Mặc dù dựa trên cùng một cách thức là chiếu xạ mẫu bằng tia X, người anh em XRD hoạt động theo một cách thức hơi khác và cung cấp những thông tin hoàn toàn khác biệt.

Sử dụng XRD trong phân tích pha tinh thể

Nguyên lý hoạt động của XRD là chiếu xạ vào vật liệu có cấu trúc tinh thể bằng một tia X đơn sắc rồi sau đó đo cường độ của tia X này theo góc tán xạ từ mẫu vào đầu dò. Ngược lại với kỹ thuật phân tích nguyên tố bằng XRF, (trong đó các nguyên tố khác nhau trong mẫu sẽ cho ra các phổ huỳnh quang tia X đặc thù), trong XRD, tia X chỉ bị phản xạ khi gặp sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tố có trong mạng tinh thể. Nếu số lượng tinh thể đủ nhiều, các tia X phản xạ này sẽ cộng hưởng với nhau để cho ra một nhiễu xạ đồ (diffraction pattern) đặc trưng cho từng mạng tinh thể.

Nhiễu xạ độ sẽ cung cấp thông tin về thành phần nguyên tố tạo nên vật liệu đó cũng như cấu trúc tinh thể của chúng -  cả hai thông tin này được gọi chung là “pha” (phase). Đối với tinh thể lớn thì nhiễu xạ đồ rất rõ và nó sẽ cho chúng ta nhiều thông tin về cấu trúc nội tại của tinh thể, trong khi với tinh thể nhỏ hơn (như tinh thể nano), thì sự giao thoa tín hiệu rất yếu, do đó ta chỉ thu được tán xạ đồ (scattering pattern). Tuy nhiên, tán xạ đồ này có thể cung cấp thông tin về kích thước và hình dạng của tinh thể nano cũng như các phân lớp nano.

Trong quá khứ, bạn phải xử lý nhiễu xạ đồ và tán xạ đồ thông qua tính toán bằng tay cùng với việc sử dụng hàng loạt công thức toán học mà đa số mọi người đầu không thích thú, bây giờ thì chúng ta không còn phải lo lắng nữa do đã có máy tính tự làm hết.

Điều này có nghĩa là bây giờ bạn chỉ cần sắp xếp mẫu tuần tự cho máy phân tích và tính toán tự động, sau đó chờ hệ thống mang lại thông tin về mẫu của mình – bao gồm thành phần nguyên tố, sự phân bố của các pha, các đặc tính về tinh thể, thông tin về màng film hay kích thước nano, cũng như chi tiết về ứng suất, định hướng tinh thể có chủ đích, bề dày lớp phủ và rất nhiều thông tin hữu ích khác.

Về lượng thông tin có được chỉ từ việc dùng một kỹ thuật phân tích duy nhất, điều này là vô cùng ấn tượng. Nhưng thực tế thì XRD hữu ích như thế nào đối với lĩnh vực chế tạo sơn và chất tráng phủ?

Kỹ thuật XRD được sử dụng để làm gì trong ngành công nghiệp sơn?

Kiểm tra hóa chất tinh khiết

Chúng tôi cũng không cần phải nói lại về tầm quan trọng của các thành phần hóa học có trong công thức pha chế sơn quyết định đến chất lượng sản phẩm như thế nào. Vì vậy mà không có gì ngạc nhiên khi một trong những ừng dụng phổ biến nhất của XRD trong ngành sơn và chất phủ là kiểm tra độ tinh khiết của nguyên vật liệu đầu vào.

Đứng đầu danh sách để kiểm tra là titanium dioxide hay TiO2, được sử dụng để pha chế màu cho sản phẩm sơn nhờ vào đặc tính mờ đục và màu trắng của nó. Tuy nhiên, trong thiên nhiên nó lại có hai dạng thù hình, anatase và rutile, mà chất thứ hai thường được ưa chuộng hơn do có chỉ số khúc xạ cao hơn. Thật may mắn là việc xác định tỷ lệ thành phần hai khoáng này là công việc rất dễ đối với XRD, cho phép nhà sản xuất đảm bảo rằng nguồn cung cấp nguyên liệu của họ không bị sai lệch so với những gì họ mong muốn (việc dùng XRD trong phân tích này là tuân thủ theo tiêu chuẩn ASTM D3720).

Tinh chỉnh chất lượng màu sắc

Ngoài việc đơn giản là kiểm tra nguồn nguyên liệu, XRD còn rất hiệu quả trong nghiên cứu chuyên sâu trong phòng thí nghiệm pha chế, bằng cách xem xét kỹ hơn về đặc tính tạo màu của từng thành phần tham gia.

Thí dụ, việc sử dụng nhiều pha oxít sắt khác nhau trong công thức pha chế giúp mang lại sự phân cấp màu sắc rất quan trọng để đạt được sự cân bằng độ bền màu cùng sắc thái của thành phẩm. Trãi qua nhiều năm kinh nghiệm trong ứng dụng và sản xuất, có rất nhiều hợp chất tạo màu được hiểu rõ cả về bản chất tự nhiên lẫn thành phần vô cơ và hữu cơ trong đó – hoặc có thể là một hỗn hợp của chúng – đó là yếu tố mấu chốt để có thể đạt được một màu sắc đạt chuẩn có tính tái lập và lâu bền.

Chất độn cũng là một thành phần đa dạng để lựa chọn, chúng có thể là khoáng chất hay hữu cơ có giá thành thấp hơn thành phần tạo màu chính nhưng có đóng góp hiệu quả vào chất lượng màu sắc thành phẩm. Kiểm soát độ tinh khiết của chất độn là quan trọng, phân tích pha là kỹ thuật thường dùng để định danh và phân tích sàng lọc độ ổn định của khoáng chất.

(Nhân tiện thì phần về màu sắc sẽ được tập trung chi tiết hơn trong bài blog kế tiếp, khi chúng tôi sẽ nói về yếu tố ảnh hưởng của kích thước và hình dạng hạt)

Sơn thông minh

Cuối cùng nhưng chắc chắn không kém phần quan trọng trong bài đánh giá ngắn này về ứng dụng của XRD đó là “lớp phủ thông minh”. Đây là những lớp phủ có khả năng phản ứng với tác động bên ngoài -  thí dụ như chúng thay đổi độ khúc xạ theo nhiệt độ hay điện trường. Chức năng “thông minh” của chúng nằm trong các hạt tinh thể tạo sắc tố, mà cũng cần được kiểm soát phân tích như với các chất tạo màu đã trình bày ở trên.

Nhưng cho dù chúng mang những đặc tính thú vị như thế, sơn thông minh cơ bản vẫn là sơn, cho nên chúng vẫn được nghiên cứ bằng các kỹ thuật tương tự. Một lần nữa, XRD có vai trò lớn, bởi vì nó vượt trội trong việc cung cấp thông tin cấu trúc nano trên bề mặt và các lớp phủ đa tinh thể. Thí dụ, phân tích XRD trên lớp phim mỏng tráng phủ có thể cho chúng ta thông tin về ứng suất dư (residual stresses), định hướng chủ đích (preferred orientation), bề dày lớp tráng phủ và các khía cạnh khác của cấu trúc tế vi bề mặt – tất cả đều rất cần thiết để biết lớp phủ của bạn hoạt động như thế nào và có liệu nó có còn “thông minh” hay không.

XRD – Kỹ trhuật phân tích chuyên sâu cấu trúc tinh thể

Tất cả các thí dụ trên cho thấy tầm quan trọng ngày càng tăng của XRD trong lãnh vực nghiên cứu và ứng dụng sơn. Điều này đặc biệt đúng với đòi hỏi ngày càng cao từ nhà cung cấp và nhu cầu ngày càng tăng về sơn thông minh buộc các nhà sản xuất phải tìm hiểu thấu đáo điều gì đang xảy ra bên trong lớp phủ ở khía cạnh nano.

Tóm lại, với tư cách một người dành phần lớn sự nghiệp làm việc với XRD, không có gì ngạc nhiên khi nghe tôi nói điều này – nếu chỉ cho phép dùng một kỹ thuật phân tích duy nhất trong lãnh vực sơn và chất tráng phủ, thì đó phải là XRD!

Tham khảo giải pháp phân tích toàn diện trong ngành sơn và chất phủ bề mặt

1. Thiết bị XRD từ Malvern Panalytical

2. Thiết bị XRF từ Malvern Panalytical