Trong xây dựng và bảo vệ vật liệu, sơn không chỉ tạo màu, hoàn thiện bề mặt mà còn góp phần bảo vệ vật liệu trước tác động của môi trường, duy trì độ bền công trình. Đối với các công trình ngoài trời, đặc biệt là kết cấu thép và công trình trong môi trường biển, yêu cầu đối với hệ sơn ngày càng cao khi vật liệu phải đồng thời chịu tác động của bức xạ mặt trời, nhiệt độ, độ ẩm, nước mưa, muối và những biến động thời tiết. Các yếu tố này thúc đẩy quá trình suy giảm tính chất lớp phủ, làm tăng nguy cơ ăn mòn và ảnh hưởng đến tuổi thọ khai thác của kết cấu.
Trong môi trường biển, bài toán bảo vệ vật liệu còn phức tạp hơn do hà, tảo và các sinh vật biển có thể phát triển, bám dính trên bề mặt kết cấu. Hiện tượng này làm thay đổi đặc tính bề mặt, gia tăng lực cản đối với tàu thuyền, tạo điều kiện cho quá trình ăn mòn và làm tăng chi phí bảo trì, bảo dưỡng. Thực tế đó đặt ra yêu cầu phát triển các hệ sơn đa chức năng, vừa chống ăn mòn, chống sinh vật biển, kháng khuẩn, vừa bền thời tiết và ổn định trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, GS.TS. Thái Hoàng và nhóm nghiên cứu tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới (nay là Viện Khoa học vật liệu) đã đề xuất và được Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phê duyệt nhiệm vụ “Phát triển nhóm nghiên cứu xuất sắc hạng I về chế tạo và biến tính một số chất phụ gia đặc biệt cho các hệ sơn chức năng” (mã số NCXS01.05/23-25). Sau 3 năm triển khai, nhiệm vụ đã được nghiệm thu và xếp loại A.
Nhiệm vụ tập trung chế tạo, biến tính các phụ gia vô cơ đặc biệt và xây dựng quy trình phát triển các hệ sơn chức năng phục vụ công trình xây dựng, công trình biển; đồng thời hướng tới hình thành nhóm nghiên cứu xuất sắc liên ngành, nâng cao năng lực nghiên cứu, phát triển công nghệ và đào tạo nhân lực trình độ cao.
GS.TS. Thái Hoàng (đứng giữa) cùng các thành viên nhóm nghiên cứu chế tạo các màng sơn đa chức năng trong phòng thí nghiệm
Chế tạo, biến tính phụ gia cho các hệ sơn đa chức năng
Một trong những kết quả nổi bật của nhiệm vụ là chế tạo thành công và biến tính hữu cơ nhiều loại phụ gia vô cơ kích thước nano, micro với các tính năng phù hợp cho sơn đa chức năng. Đây là khâu quan trọng để các phụ gia có cấu trúc, bề mặt phù hợp và phân tán đồng đều trong nền nhựa polymer, qua đó góp phần tạo nên hệ sơn đa lớp có tính chất cơ học tốt, chịu kiềm, phản xạ nhiệt, chống ăn mòn kim loại, kháng khuẩn, chống hà và bền thời tiết.
Trong số các vật liệu được phát triển, hydrotalcite - vật liệu vô cơ có cấu trúc dạng lớp - được nhóm nghiên cứu biến tính bằng các hợp chất chứa bạc và bạc - kẽm nhằm tạo khả năng kháng khuẩn cho hệ sơn. Kết quả cho thấy hạt hydrotalcite - bạc có kích thước khoảng 100 - 150 nm, hàm lượng bạc 9,3%, diện tích bề mặt riêng đạt 107 m²/g; hạt hydrotalcite - bạc - kẽm có kích thước khoảng 100 - 200 nm, tổng hàm lượng bạc và kẽm khoảng 13%, diện tích bề mặt riêng đạt 90 m²/g. Hai loại vật liệu này thể hiện hoạt tính kháng khuẩn cao đối với Escherichia coli, Staphylococcus aureus và Escherichia coli kháng ampicillin (E66).
Nhóm nghiên cứu đồng thời phát triển hướng tổng hợp xanh, sử dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên trong quá trình chế tạo vật liệu. Với hydrotalcite - bạc, dịch chiết lá chè vằng được sử dụng để hỗ trợ tạo các hạt bạc nano. Các hạt bạc có kích thước khoảng 15 - 30 nm, phân bố khá đồng đều trên nền hydrotalcite.
Một vật liệu khác được phát triển là đồng(I) oxit (Cu₂O) kết hợp với bạc. Thay vì tạo từng thành phần rồi mới kết hợp, nhóm sử dụng phương pháp tổng hợp xanh trực tiếp để Cu₂O và bạc hình thành, kết hợp trong cùng một quá trình. Vật liệu thu được có kích thước khoảng 100 - 200 nm, hàm lượng bạc đạt 32,8%. So với phương pháp gián tiếp hai bước, phương pháp trực tiếp cho vật liệu ổn định hơn và hiệu suất tổng hợp cao hơn. Sự kết hợp giữa Cu₂O và bạc cũng làm thay đổi đặc tính quang của vật liệu, thể hiện ở sự giảm năng lượng vùng cấm so với Cu₂O ban đầu, qua đó góp phần cải thiện khả năng hoạt động dưới ánh sáng và khả năng kháng khuẩn.
Đặc trưng và hình thái của vật liệu Cu₂O và Cu₂O/Ag: (a) khả năng hấp thụ ánh sáng; (b) cấu trúc tinh thể; (c, d) hình ảnh bề mặt và kích thước hạt; (e) thành phần nguyên tố; (f) sự phân bố các nguyên tố trong mẫu Cu₂O/Ag được tổng hợp theo phương pháp gián tiếp 2 bước
Nhóm nghiên cứu cũng điều chỉnh bề mặt vật liệu nhằm tăng khả năng tương thích với nền nhựa của hệ sơn. Kẽm oxit và nhôm oxit được biến tính bằng các tác nhân hữu cơ. Sau biến tính, các hạt nano kẽm oxit và nhôm oxit có kích thước khoảng 50 - 100 nm; lượng chất hữu cơ gắn trên bề mặt lần lượt đạt 3% và 3,91%, với góc tiếp xúc tương ứng 92° và 74°. Những thay đổi này giúp vật liệu phân tán tốt hơn trong nền nhựa, hạn chế kết tụ và góp phần tạo cấu trúc đồng đều cho lớp phủ.
Đáng chú ý, xỉ photpho vàng - chất thải rắn phát sinh trong quá trình sản xuất photpho vàng cũng được lựa chọn để phát triển thành phụ gia cho hệ sơn. Sau biến tính hữu cơ, xỉ có kích thước khoảng 1 - 12 µm, lượng tác nhân hữu cơ ghép trên bề mặt khoảng 1,15% và góc tiếp xúc đạt 95°. Việc biến tính xỉ photpho vàng góp phần cải thiện tính chất cơ học, độ bền thời tiết, khả năng chịu kiềm và phản xạ nhiệt của màng sơn, đồng thời mở ra hướng tận dụng chất thải công nghiệp và giảm chi phí sản xuất.
Từ phụ gia đến các hệ sơn có tiềm năng ứng dụng
Theo GS.TS. Thái Hoàng, trong lĩnh vực vật liệu trang trí nội - ngoại thất, lớp phủ bền kiềm sử dụng nhựa acrylic styren kết hợp xỉ photpho vàng biến tính hữu cơ có tính chất cơ học tốt, khả năng chịu kiềm cao, đáp ứng yêu cầu làm lớp sơn lót bảo vệ cho các công trình xây dựng công nghiệp, đặc biệt trong môi trường bê tông có tính kiềm mạnh. Đây là giải pháp sử dụng vật liệu, phụ gia có chi phí hợp lý và có tiềm năng thương mại hóa. Trong khi đó, hệ sơn acrylic nhũ tương chứa các phụ gia chức năng có khả năng chống nóng, kháng khuẩn và độ bền thời tiết cao, phù hợp với những công trình có yêu cầu về vệ sinh và điều kiện môi trường đặc thù như trường học, bệnh viện và công trình dân dụng.
Với hệ sơn nền nhựa epoxy, các phụ gia biến tính hữu cơ giúp tăng độ bền cơ học, độ bám dính và khả năng bảo vệ chống ăn mòn thép. Đối với môi trường nước biển, nơi kết cấu thép chịu đồng thời tác động của độ muối cao, biến động nhiệt độ, thủy động lực, vi sinh vật biển và hà bám, nhóm đã phát triển hệ sơn bảo vệ chống ăn mòn thép, kháng vi khuẩn biển và chống hà trên nền polysiloxan và vinyl este, sử dụng các phụ gia nano kẽm oxit, nhôm oxit, hydrotalcite - bạc, hydrotalcite - bạc - kẽm, Cu₂O và Cu₂O - bạc. Kết quả thử nghiệm trực tiếp trong nước biển tự nhiên tại Vụng Oản, Hạ Long, Quảng Ninh cho thấy lớp phủ trên bề mặt thép có khả năng kháng vi khuẩn biển như Pseudomonas stutzeri B27 và vi khuẩn khử sulfat, đồng thời ức chế hà bám trên bề mặt trong 18 - 24 tháng.
Nhóm nghiên cứu kiểm tra hệ sơn kháng khuẩn, chống hà được thử nghiệm tự nhiên trên tàu mô hình tại vùng biển Vụng Oản, Hạ Long, Quảng Ninh
Nhóm nghiên cứu đã xây dựng 2 quy trình công nghệ: sản xuất sơn phủ acrylic nhũ tương chứa các phụ gia đặc biệt ở quy mô 100 kg/mẻ; chế tạo sơn chống hà cho kết cấu thép công trình biển trên nền polysiloxan và vinyl este nhiệt dẻo ở quy mô 150 kg/mẻ. Các sản phẩm đáp ứng yêu cầu về tính chất, chất lượng theo TCVN 8652:2020 đối với sơn nhũ tương và TCVN 8789:2011 đối với sơn gốc dung môi.
Theo GS.TS. Thái Hoàng, giá trị của nhiệm vụ không chỉ nằm ở các kết quả khoa học, công nghệ mà còn ở quá trình hình thành và phát triển đội ngũ nghiên cứu. Trong ba năm, nhóm từng bước xây dựng năng lực nghiên cứu liên ngành, tạo điều kiện để các nhà khoa học trẻ trực tiếp tham gia chế tạo, biến tính vật liệu và phụ gia, phát triển công nghệ, thử nghiệm sản phẩm trong các điều kiện sử dụng khác nhau. Đây là nền tảng để tiếp tục phát triển nhóm nghiên cứu theo hướng chuyên sâu, liên ngành, tiệm cận trình độ quốc tế và hình thành đội ngũ kế cận trong lĩnh vực vật liệu, sơn đa chức năng.
GS.TS. Nguyễn Văn Tuyến, Chủ tịch Hội đồng nghiệm thu nhiệm vụ cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, ghi nhận kết quả của nhiệm vụ trên cả ba phương diện: khoa học, công nghệ và đào tạo. Nhiệm vụ đã công bố 17 bài báo trên các tạp chí quốc tế thuộc danh mục SCIE (4 bài Q1, 8 bài Q2, 5 bài Q3 với IF>2), 3 bài báo trên các tạp chí trong nước (VAST1, thuộc danh mục WoS, Scopus, Q4); được cấp một bằng độc quyền sáng chế và có 3 đơn đăng ký sáng chế được chấp nhận hợp lệ. Nhiệm vụ cũng góp phần đào tạo 2 tiến sĩ và 3 thạc sĩ, trong đó một tiến sĩ và 2 thạc sĩ đã được cấp bằng. Từ kết quả nghiên cứu, nhóm đã biên soạn và xuất bản sách chuyên khảo “Sơn kháng khuẩn” do Thái Hoàng chủ biên, Đào Phi Hùng, Nhà Xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, năm 2025. Cuốn sách cung cấp kiến thức về sơn kháng khuẩn, từ thành phần, công nghệ sản xuất đến phương pháp thử nghiệm và đánh giá sản phẩm.
Bìa cuốn sách chuyên khảo Sơn kháng khuẩn
Theo đánh giá của Hội đồng nghiệm thu, việc phát triển kết quả nghiên cứu đến quy mô sản xuất thử và thử nghiệm trong môi trường thực tế cho thấy khả năng chuyển hóa kết quả của nhiệm vụ thành các sản phẩm có tiềm năng ứng dụng. Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu cần đẩy mạnh hợp tác với doanh nghiệp sản xuất và sử dụng sơn đa chức năng, chất lượng cao, tiếp tục hoàn thiện sản phẩm với chi phí hợp lý, đáp ứng nhu cầu thực tiễn.