Nghiên cứu công nghệ vật liệu polyurethane (PU) dạng xốp ứng dụng trong công nghiệp xây dựng

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ : Nghiên cứu công nghệ vật liệu polyurethane (PU) dạng xốp ứng dụng trong công nghiệp xây dựng

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYURETAN (PU) DẠNG XỐP ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP XÂY DỰNG Chủ nhiệm đề tài : TS. MAI VĂN TIẾN 9018 Hà Nội-2011 VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYURETAN (PU) DẠNG XỐP ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP XÂY DỰNG Thực hiện theo Hợp đồng số:188.11.RDHD-KHCN ngày 5 tháng 5 năm 2011 giữa Bộ Công Thương và Viện Hóa Học Công nghiệp Việt Nam Cơ quan chủ trì: Chủ nhiệm đề tài VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM TS. MAI VĂN TIẾN Những người tham gia phối hợp: 1. PGS.TS. Phạm Thế Trinh 2. ThS. Nguyễn Hường Hảo 3. ThS. Lê Thị Thu Hà 4. CN. Hà Đại Phong 5. CN. Đoàn Thị Tư 6. CN. Lê Thị Hải Hà Nội - 2011 MỞ ĐẦU Hiện nay, vật liệu trên cơ sở polyuretan (PU) đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống xã hội, bởi vì chúng có đặc tính cách nhiệt, cách âm tốt, khả năng chịu lực cao, bền hóa chất, có khả năng chống ăn mòn, dễ gia công, dễ lắp đặt, dễ kết dính với loại vật liệu khác (như: tôn, nhôm, bê tông, nhựa….). Với khả năng cách nhiệt, cách âm t ốt, có độ cứng cao, đặc biệt là rất nhẹ (khối lượng riêng ở khoảng 20 ÷ 150 kg/m 3 ), nên rất thích hợp ứng dụng trong công nghiệp xây dựng dùng để làm tấm cách nhiệt chống nóng cho mái nhà, vách ngăn, vách tường Việt Nam là quốc gia có khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm, số ngày nắng nóng nhiều, việc chống nóng giảm nhiệt cho các tòa nhà cao tầng và khu vực nhà dân là rất cần thiết. Về mùa đông, các tấm cách nhiệt, vách tường cách nhiệt có tác dụng giữ cho căn phòng ấm áp. Vấn đề xây dựng nhà làm việc, nhà ở hiện nay đang có nhu c ầu rất lớn về vật liệu cho mục đích trên, ước tính khoảng 500.000-700.000 tấn/năm và ngày càng tăng. Ngoài ra, nhu cầu về vật liệu cách nhiệt, cách âm, chống cháy cho các ngành công nghiệp khác cũng rất lớn trong khi chúng ta vẫn đang phải nhập khẩu như: trong ngành công nghiệp lạnh, chế tạo các panel cách nhiệt, tủ lạnh thùng chứa đá, đường ống, kho lạnh, thùng xe tải lạnh, bồn chứa, container lạnh… Trong công nghiệp đóng tàu ta phải nhập các chi tiết làm vách cách nhiệt, chống cháy, panel cho các vách tàu, phao nổi, hầm lạnh chứa thực phẩm, ca nô cứu sinh…Do vậy, vấn đề nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu PU xốp là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn lớn. Trong những năm gần đây, nhiều nhà khoa học trong nước đã tiến hành nghiên cứu và tìm cách ứng dụng về vật liệu polyuretan xốp, tuy nhiên kết quả nghiên cứu còn rất hạn chế, các kết quả nghiên cứu mới dừng ở quy mô phòng thí nghiệm. Việc triển khai sản xuất những loại vật liệu đặc chủng này mới dừng ở giai đoạn sản xuất thử nghiệm, nên phạm vi sử dụng cũng như giá trị sản phẩm chưa được đánh giá một cách đúng mức. Với mục đích nhằm đưa ra công nghệ chế tạo vật liệu xốp trên cơ sở nhựa polyuretan (PU) để gia công thành vật liệu hữu ích, ứng dụng trong công nghiệp và đời sống, chúng tôi đã xây dựng đề tài “ Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu polyuretan (PU) dạng xốp ứng dụng trong công nghiệp xây dựng” và xác định các nội chính nghiên cứu như sau: - Lựa chọn nguyên liệu đầu thân thiện môi trường để chế tạo vật liệu PU xốp. - Nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện công nghệ đến quá trình chế tạo vật liệu PU xốp. - Nghiên cứu lựa chọn đơn phối liệu tối ư u để gia công chế tạo vật liệu PU xốp. - Phân tích tính chất cơ lý hóa của vật liệu PU xốp tạo thành. - Sản xuất thử PU xốp và gia công thử sản phẩm ứng dụng: vật liệu polyuretan xốp dạng tấm cứng kích cỡ khác nhau, sản phẩm định hình theo khuôn. MỤC LỤC Chương 1 - TỔNG QUAN………………………………………………… 1 1.1. Tình hình nghiên cứu PU xốp trên thế giới………………………………1 1.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng PU ở Việt Nam…… …… 1 1.3. Polyuretan (PU) xốp……………………………………………….…… 2 1.3.1. Giới thiệu chung về xốp polyme……………………………………….2 1.3.2. Phân loại xốp polyme………………………………………………… 3 1.3.3. Nguyên liệu chế tạo PU xốp……………………………………………3 1.3.3.1. Polyol…………………………………………………………………3 1.3.3.2. Izocyanat…………………………………………………………… 4 1.3.3.3. Các chất tạo xốp 9 1.3.3.4. Chất xúc tác và chất ổn định……………………… 11 1.3.3.5. Các chất phụ gia khác cho sản phẩm PU xốp………… 12 1.4. Cơ ch ế hình thành xốp PU 13 1.5. Các phương pháp sản xuất xốp……………………………………… 17 1.5.1. Gia công liên tục các loại xốp PU…………………………………….17 1.5.2. Sản xuất xốp theo mẻ (gián đoạn)…………………………………….18 1.5.3. Phun xốp 19 1.5.4. Đúc rót xốp có vỏ 19 1.6. Tính chất của PU xốp 20 1.7. Ứng dụng của PU xốp……………………… 21 CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM………………………… 23 2.1. Thiết bị, hóa chất…………………… … 23 2.1.1. Nguyên liệu hóa chất………………… 23 2.1.2. Thi ết bị sử dụng………………………… 23 2.2. Phương pháp nghiên cứu chế tạo PU xốp…………………… 24 2.2.1. Phương pháp chế tạo mẫu xốp PU………………………… 24 2.2.2. Các phương pháp xác định, phân tính, tính chất sản phẩm 24 CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…… 30 3.1. Lựa chọn và phân tích nguyên liệu đầu…………… 30 3.2. Ảnh hưởng các thành phần hỗn hợp phản ứng đến tính chất cơ lý của vật liệu PU xốp 32 3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng izoxyanat/polyol đến tính chất cơ lý của vật liệu PU xốp 32 3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo xốp đến tính chất cơ lý của vật liệu PU xốp 35 3.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hoạt động bề mặt polydimetylsilosan đến tính chất của vật liệu PU xốp 36 3.2.4. Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác đến tính chất cơ lý của vật liệu 38 3.3. Ảnh hưởng các điều kiện công nghệ đến tính chất cơ lý của vật liệu PU xốp 41 3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất cơ lý c ủa vật liệu PU xốp 41 3.3.2. Ảnh hưởng thời gian trộn hợp đến tính chất cơ lý của vật liệu PU xốp 42 3.3.3. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến tính chất cơ lý của vật liệu PU xốp 43 3.4. Điều kiện tối ưu tổng hợp vật liệu PU xốp 44 3.5. Đặc trưng cấu trúc, tính chất của PU xốp 45 3.5.1. Phổ hồng ngoại của vật liệu PU xốp 45 3.5.2. Tích chất nhiệt TGA của vật liệu PU xốp………… 46 3.5.3. Đặc trưng cấu trúc hình thái, tính chất xốp của vật liệu xốp PU 47 3.5.4. Độ dẫn nhiệt của PU xốp………… 48 3.5.5. Độ hấp thụ nước của vật liệu PU xốp………………… 49 3.5.6. Khả năng chịu hóa chất của sản phẩm PU xốp 49 3.6. Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu PU xốp………………… 50 3.7. So sánh tính chất sản phẩm xốp PU với một số sản phẩm xốp PU nhập khẩu hiện có trên thị trường……………………………………….51 3.8. Xây dựng giá thành sản phẩm 52 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ASTM : American standard test method CHĐBM: Chất hoạt động bề mặt DABCO: Diamin triethylen DSC: Phân tích nhiệt vi sai quét (Differential Scanning Calorimetry) HDI: Hexametylen diizocyanat HTPI: Telechelic hydroxyl cis-1,4-polyisoprene IPDI: Izophorone diizocyanat IR: Phổ hồng ngoại (Infraed Spectroscopy) ISO: International standard organization MDI: 4,4’- diphenyl meta diizocyanat MPDI: Meta - phenylen diizocyanat ODP: Độ phá hủy tầng ozon (Ozone Depleting) PCL: Poly ε-caprolacton PE: Polyetylen PKL: Phần khối lượng PP: Polypropylen PPG: Polypropylen glycol PS: Polystyren PU: Polyuretan PVC: Polyvinyl clorua SEM: Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscopy) TDI: Toluen Diizocyanat T g : Nhiệt độ hóa thủy tinh (Glass Transition Temperature) TGA: Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermo Gravimetric Analysist) TÓM TẮT NHIỆM VỤ Trên cơ sở tổng quan tài liệu, tham khảo patent nước ngoài về công nghệ chế tạo vật liệu polyuretan xốp, lựa chọn phương pháp nghiên cứu, tiến hành thực nghiệm, trong năm qua đề tài đã thu được những kết quả chính như sau: - Đề tài đã nghiên cứu lựa chọn được các loại nguyên liệu thích hợp và chế tạo thành công xốp cứng trên cơ sở nh ựa PU. Vật liệu PU tạo ra có cấu trúc xốp tổ ong ứng dụng làm vật liệu xây dựng có khả năng cách âm, cách nhiệt. - Đề tài đã tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các tỷ lệ thành phần đơn phối liệu và các điều kiện công nghệ đến quá trình chế tạo vật liệu PU xốp cứng. Từ đó lựa chọn ra đơn phối liệu tối ưu, để gia công chế tạo vật liệu PU xốp. - Sản phẩm PU xốp tạo ra có khối lượng riêng từ 40-45kg/m 3 , độ xốp 89%, độ bền kéo đứt 252KPa, độ bền nén 180KPa, độ hấp thụ nước cỡ 1,2%, hệ số dẫn nhiệt 0,022W/m.K, khả năng chịu môi trường hóa chất axit H 2 SO 4 10%, NaOH 10%, muối 10% và dung môi xylen. - Đã tạo ra hơn 10kg vật liệu PU. Đồng thời sử dụng các phương pháp ép, đổ khuôn trên các thiết bị chuyên dụng để chế thử hơn 10 mẫu tấm cứng PU xốp kích thước 30 x15x5 cm. Các sản phẩm được đo các tính năng cơ, lý, tính chất cách nhiệt , so sánh với các sản phẩm cùng loại hiện có trên thị trường có chất lượng tương, đáp ứng yêu cầu đặt ra. 1 Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1. Tình hình nghiên cứu PU xốp trên thế giới Tại các nước công nghiệp phát triển như: Mỹ, Đức, Trung Quốc, các nước Tây Âu, … việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu PU được thực hiện rất sớm từ những năm 30 của thể kỷ trước. Các ứng dụng thương mại đầu tiên của polyuretan là tạo ra vật liệu đàn hồi giống như cao su, sơn và chất kết dính, được phát triển mạnh vào các năm 1945÷1947, theo sau là xốp mềm vào năm 1953 và xốp cứng năm 1957 [1, 2]. Kể từ đó chúng đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực với số lượng ngày càng tăng, năm 2000 sản lượng tiêu thụ PU trên thế giới đạt khoảng trên 8 triệu tấn/ năm, thì năm 2009 con số này đã tăng lên trên 23 triệu tấn [3]. Đã có rất nhiề u sản phẩm được chế tạo từ vật liệu PU với chủng loại đa dạng như: xốp cứng, xốp mềm, xốp hấp thụ nước….và đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp ví như: vật liệu PU xốp cứng được ứng dụng làm vách ngăn, tấm trần cho các phòng họp lớn, nhà xưởng công nghiệp cần giảm tiếng ồn. Trong công nghiệp sản xuất ô tô, tàu hỏa, tàu thủy PU xốp được dùng làm tấm nóc trần, vách ngăn giữa các khoang ghế ngồi. Ngoài ra PU xốp cứng còn được sử dụng cho các công trình trong các nhà máy hóa chất hoặc công trình xây dựng ở khu vực biển và không khí biển bởi vì khả năng chống ăn mòn tốt, bền hóa chất. Ngoài ra vật liệu PU xốp còn được dùng làm đệm giường, ghế sa-lông, poster, đế giày dép, dụng cụ thể thao, sân thể thao…[4] 1.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng PU ở Việt Nam Tại Việt Nam, nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu PU không phải là mới, tuy nhiên việc nghiên cứu chế tạo triển khai và ứng dụng các sản phẩm chế tạo từ vật liệu này là hạn chế. Hầu hết các sản phẩm chế từ vật liệu PU và nguyên liệu để tạo ra chúng, hiện nay chúng ta vẫn đang phải nhập khẩu hầu như hoàn toàn. Trong nh ững năm gần đây, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu PU trong nước đã được quan tâm nhiều hơn, hiện tại một số cơ sở điển hình nghiên cứu về lĩnh vực này như: Trường Đại học Bách Khoa 2 HN, Đại học Quốc Gia TP.HCM, Viện Hóa Học, Viện Khoa Học Vật Liệu- Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam, Viện Khoa Học Công nghệ Giao Thông Vận Tải…và đã thu được các kết quả nhất định. - Gần đây nhất nhóm tác giả do TS. Nguyễn Thị Phương Phong chủ trì đã tiến hành : “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bạc trên polyuretan xốp nhằm xử lý nguồn nước uống nhiễm khuẩn” [5] . - Hay nhóm tác giả do Nguyễn thị Bích Thủy của Viện KHCN GTVT đã triển khai nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu chống thấm cho mặt cầu BT trên cơ sở nhựa polyuretan” [6]. - Tại trường Đại học KHTN-ĐHQGHN nhóm tác giả do GS.TS. Ngô Duy Cường đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng vật liệu PU với đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu màng phủ nanocompozit trên cơ sở polyuretan-epoxi” [7]. Tuy vậy v ấn đề nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu PU còn rất khiêm tốn. Việc nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu PU đặc biệt là PU xốp dạng tấm ứng dụng trong công nghiệp xây dựng hiện nay là cần thiết, góp phần giảm nhập khẩu, tiết kiệm ngoại tệ. 1.3. Polyuretan (PU) xốp 1.3.1. Giới thiệu chung về xốp polyme Xốp polyme bao gồm hai pha là pha rắn và pha khí. Pha rắn được tạ o thành bởi các nền polyme khác nhau, như polyme nhiệt dẻo, polyme nhiệt rắn, polyme vô cơ, polyme blend các loại , trong pha rắn có thể mang vật liệu độn có tính chất gia cường như sợi, bột thủy tinh, bột kim loại Pha khí được tạo thành từ các bóng khí. Các bóng khí được hình thành từ phản ứng hoặc quá trình bay hơi của các phân tử nhẹ như CO 2 , hơi nước hay các tác nhân tạo xốp được thêm vào trong quá trình chế tạo sản phẩm. Các tác nhân tạo xốp (bóng khí) thường là các hợp chất dễ bay hơi, hoặc các hợp chất dễ phân hủy để tạo thành các chất khí từ phản ứng hoặc nhiệt [8,9]. [...]... tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, tham khảo patent nước ngoài về công nghệ chế tạo vật liệu polyuretan (PU) xốp ứng dụng trong công nghiệp xây dựng và đời sống đã trình bày trên đây, chúng tôi rút ra một số định hướng nghiên cứu để đáp ứng mục tiêu của đề tài như sau: - Lựa chọn nguyên liệu đầu thân thiện môi trường để chế tạo vật liệu PU xốp - Nghiên cứu chế tạo vật liệu PU dạng xốp - Phân... glyxidyl allyl ete Hầu hết các hệ keo PU dùng rất nhiều trong công nghiệp sản xuất dày dép, may mặc, hàng tiêu dùng do tính chất ưu việt và dễ dàng sử dụng Vật liệu xốp PU có độ bền cơ lý cao, độ đàn hồi tốt, tùy thuộc vào loại vật liệu PU xốp mà ứng dụng trong các lĩnh vực chuyên dụng như [35]: + Xốp cứng (Rigid foam): - Dùng để cách nhiệt trong xây dựng (panel cách nhiệt), tủ lạnh, thiết bị làm lạnh,... khối - Phủ xốp và đúc vật thể rỗng, chủ yếu sử dụng cho cách nhiệt, cách âm - Phun xốp chất dẻo lên vật liệu cốt Trong số các quá trình tạo xốp được tiến hành bằng phản ứng hoá học thì quá trình gia công tạo xốp có ý nghĩa nhất là quá trình gia công xốp từ PU 1.5.1 Gia công liên tục các loại xốp PU Bằng quá trình gia công liên tục ta có thể sản xuất cả loại xốp mềm và xốp cứng Nguyên liệu ban đầu của quá...1.3.2 Phân loại xốp polyme Theo tính chất xốp, xốp polyme có thể phân loại như sau [9]: - Phân loại theo cấu trúc: xốp polyme có 2 dạng là xốp có cấu trúc đều đặn, xốp có vỏ đặc trong lõi xốp Loại xốp thứ nhất có cấu trúc các khoảng trống xốp có kích thước đều nhau, còn lại thứ hai là loại xốp có vỏ đặc, bên trong có cấu tạo xốp dạng tổ ong, mật độ tăng dần từ trong ra ngoài, kích thước của xốp tạo ra càng... gia công được các sản phẩm có kích thước khác nhau 18 Lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất của xốp PU cứng là sản xuất các vách ngăn, lớp tường bên trong dùng cho cách nhiệt, cách âm 1.5.3 Phun xốp Phương pháp này chủ yếu được sử dụng khi quá trình tạo xốp cần phải thực hiện tại chỗ Phương pháp này cũng chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp xây dựng, giao thông để tạo lớp cách nhiệt, cách âm,… Để tạo xốp. .. tạo được cấu trúc xốp mịn màng hơn * Các chất tạo xốp vật lý: sử dụng một số loại hợp chất dạng lỏng, có nhiệt độ sôi thấp, trong quá trình gia công, thì hiệu ứng nhiệt của phản ứng hoặc nhiệt cung cấp từ bên ngoài làm cho các hợp chất này bay hơi vật lý Bảng 1.1 Một số chất tạo xốp vật lý và tính chất của chúng [19] Chất tạo xốp STT vật lý Khối Nhiệt lượng độ sôi, phân tử, o C g/mol Công thức cấu tạo... bằng vật liệu xốp PU, loại vật liệu nhẹ, có nhiều đặc tính tốt về cách âm, cách nhiệt, chống rung động hiện đang được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các sản phẩm trần, vách, sàn, các vật nổi.v.v hoặc được phun phủ trực tiếp lên bề mặt trần vỏ ô tô, tàu thuyền 1.5.4 Đúc rót xốp có vỏ Xốp có vỏ là loại có cấu trúc vỏ dày đặc, không xốp, còn cấu trúc ruột được tạo xốp Xốp có vỏ thực chất là loại xốp. .. dụ như xốp có vỏ đặc thì độ cách nhiệt cao hơn, nhưng xốp có cấu tạo hở thì độ cách âm tốt hơn - Phân loại theo độ cứng: độ cứng hay mềm của xốp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ hóa thủy tinh (Tg) cao hoặc thấp hơn nhiệt độ phòng, bản chất của vật liệu tạo nên pha rắn, độ kết tinh, mật độ tạo liên kết ngang Trong các polyme xốp cứng có đặc điểm độ đàn hồi nhỏ như xốp PS, PVC (cứng) còn xốp mềm... nhớt: PS + Được tạo xốp trong trạng thái nóng chảy: PF, PE, PVC + Quá trình tạo xốp tiến hành từ trạng thái chất lỏng được xuất phát trong quá trình phản ứng hoá học: PU, PF, EP * Xốp chất dẻo có hai nhóm lớn: - Xốp hoá học - Xốp vật lý Trong quá trình tạo xốp người ta còn định lượng thêm các chất ổn định và chất tạo mầm vào chất dẻo cần tạo xốp, mục đích là để ngăn cản sự co lại của xốp được tạo ra hay... phóng trong quá trình tổng hợp tại nhiệt độ 150 - 2150C 8 1.3.3.3 Các chất tạo xốp Trong quá trình sản xuất, cấu trúc của PU xốp được tạo nên bởi chất tạo xốp Các chất tạo xốp ở nhiệt độ xác định sẽ chuyển sang trạng thái khí hoặc là trong phản ứng hoá học tạo chất ở trạng thái khí - Dựa trên quá trình tạo xốp chất dẻo có thể chia thành 3 nhóm: + Được tạo xốp trong trạng thái dàn nhớt: PS + Được tạo xốp