Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo một số vật liệu cấu trúc nano định hướng ứng dụng hấp phụ khí độc và làm phụ gia chống cháy cho nhựa hdpe

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - - NGUYỄN THỊ HẠNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG HẤP PHỤ KHÍ ĐỘC VÀ LÀM PHỤ GIA CHỐNG CHÁY CHO NHỰA HDPE LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội, 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - - NGUYỄN THỊ HẠNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG HẤP PHỤ KHÍ ĐỘC VÀ LÀM PHỤ GIA CHỐNG CHÁY CHO NHỰA HDPE LUẬN ÁN TIẾN SĨ HĨA HỌC Chun ngành: Hóa Vơ Mã số: 9.44.01.13 Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Văn Tuyến TS Hoàng Mai Hà Hà Nội, 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tơi hai thầy hướng dẫn cộng Các kết nghiên cứu không trùng lặp chưa công bố tài liệu khác Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tác giả luận án Nguyễn Thị Hạnh ii LỜI CẢM ƠN Với lòng chân thành biết ơn sâu sắc, xin trân trọng cảm ơn hai người thầy GS TS Nguyễn Văn Tuyến TS Hoàng Mai Hà, người hướng dẫn giàu kinh nghiệm định hướng khoa học tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình làm luận án Viện Hóa học Học viện Khoa học Cơng nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Khoa Hóa học - Học viện Khoa học Công nghệ truyền đạt cho kiến thức tảng suốt thời gian học tập Tôi xin cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hóa học tạo điều kiện cho học tập Tôi xin bày tỏ cảm kích đồng nghiệp Viện Hóa học, đặc biệt anh em Phịng Vật liệu tiên tiến, nơi tơi trực tiếp thực đề tài NCS, người chia sẻ, hỗ trợ công việc động viên suốt thời gian nghiên cứu học tập Tôi xin gửi lời cảm ơn tới người bạn dành cho tơi nhiều tình cảm u q, khích lệ góp ý chân thành thời gian làm NCS Cuối cùng, tơi xin bày tỏ tình yêu thương sâu lắng tới người thân gia đình, nguồn lượng để tơi hoàn thành luận án Dù cố gắng, nội dung Luận án không tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận ý kiến đóng góp q báu từ phía hội đồng, thầy cô anh chị em đồng nghiệp để luận án NCS hoàn thiện hơn! Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tác giả luận án Nguyễn Thị Hạnh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VII DANH MỤC HÌNH IX DANH MỤC BẢNG XIII MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Hóa học cháy 1.1.1 Điều kiện trì cháy nguyên tắc phòng cháy chữa cháy .4 1.1.2 Khói khí độc đám cháy 1.1.3 Bột chữa cháy triển vọng xử lý khói khí độc đám cháy 1.2 Vật liệu cấu trúc nano dùng xử lý khói khí độc 1.2.1 Vật liệu nano Fe3O4 11 1.2.2 Vật liệu nano ZnO 12 1.2.3 Vật liệu nano CaCO3 14 1.2.4 Vật liệu nano MgCO3 14 1.3 Vật liệu chống cháy chế chống cháy 15 1.3.1 Phân loại vật liệu chống cháy 15 1.3.2 Vật liệu chống cháy cấu trúc nano 18 1.3.3 Vật liệu chống cháy nano kẽm borate .19 1.4 Các phương pháp tổng hợp vật liệu vô cấu trúc nano 25 1.4.1 Phương pháp kết tủa 26 1.4.2 Phương pháp sol-gel 27 iv 1.4.3 Phương pháp vi sóng 27 1.4.4 Phương pháp phân hủy nhiệt 28 1.4.5 Phương pháp thủy nhiệt/ dung môi nhiệt 28 1.4.6 Phương pháp sử dụng môi trường nhũ tương vi nhũ tương 29 1.5 Tình hình nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano dùng hấp phụ khí độc phịng cháy chữa cháy Việt Nam 29 1.5.1 Tình hình nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano hấp phụ khí độc Việt Nam .30 1.5.2 Tình hình nghiên cứu vật liệu chống cháy cấu trúc nano Việt Nam 31 Tiểu kết Chương 32 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34 2.1 Hóa chất, dụng cụ thiết bị 34 2.1.1 Hóa chất 34 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 35 2.2 Tổng hợp vật liệu nano vô dùng hấp phụ khí độc đám cháy .35 2.2.1 Tổng hợp vật liệu nFe3O4 35 2.2.2 Tổng hợp vật liệu nZnO .36 2.2.3 Tổng hợp vật liệu nCaCO3 38 2.2.4 Tổng hợp vật liệu nMgCO3 39 2.2.4.1 Tổng hợp nMgCO3 theo phương pháp kết tủa 39 2.2.4.2 Tổng hợp nMgCO3 theo phương pháp thủy nhiệt 40 2.3 Tổng hợp vật liệu nano kẽm borate dùng làm chất độn chống cháy 42 2.3.1 Tổng hợp vật liệu nZB 42 2.3.2 Chế tạo composite HDPE chống cháy .43 2.4 Nghiên cứu đặc trưng đánh giá vật liệu .44 v 2.4.1 Các phương pháp đặc trưng vật liệu 44 2.4.2 Thí nghiệm đánh giá khả hấp phụ vật liệu nano .46 2.4.3 Thí nghiệm đánh giá khả chống cháy tính composite HDPE .47 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .50 3.1 Tổng hợp đặc trưng vật liệu cấu trúc nano dùng hấp phụ khí độc .50 3.1.1 Tổng hợp đặc trưng vật liệu nFe3O4 50 3.1.2 Tổng hợp đặc trưng vật liệu nZnO 53 3.1.3 Tổng hợp đặc trưng vật liệu nCaCO3 56 3.1.4 Tổng hợp đặc trưng vật liệu nMgCO3 61 Tiểu kết .70 3.2 Hiệu hấp phụ khí độc vật liệu nano 72 3.2.1 Hiệu hấp phụ khí độc nFe3O4 72 3.2.1.1 Hấp phụ khí NO2 nFe3O4 72 3.2.1.2 Hấp phụ khí SO2 nFe3O4 74 3.2.2 Hiệu hấp phụ khí độc vật liệu nZnO nZnO-SLS 75 3.2.2.1 Hấp phụ khí NO2 nZnO nZnO-SLS .75 3.2.2.2 Hấp phụ khí SO2 nZnO nZnO-SLS 77 3.2.2.3 Hấp phụ khí HCN nZnO nZnO-SLS 78 3.2.3 Hiệu hấp phụ khí độc vật liệu nCaCO3 .80 3.2.4 Hiệu hấp phụ khí độc nMgCO3 84 So sánh khả hấp phụ khí độc vật liệu 90 Tiểu kết .93 3.3 Tổng hợp vật liệu kẽm borate kích thước nano 93 3.3.1 Ảnh hưởng pH đến vật liệu nZB 93 vi 3.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến vật liệu nZB 97 3.3.3 Ảnh hưởng chất hoạt động bề mặt đến vật liệu nZB .100 Tiểu kết 105 3.4 Khả chống cháy tính composite HDPE phối trộn với tổ hợp chống cháy chứa nZB 105 3.4.1 Hiệu chống cháy composite HDPE 105 3.4.2 Cơ tính composite HDPE 108 Tiểu kết 110 KẾT LUẬN 112 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 113 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 PHỤ LỤC 131 vii DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AC Activated carbon Than hoạt tính AFM Atomic Force Microscopy Kính hiển vi lực nguyên tử APP Ammonium polyphosphate Amoni polyphotphat ATH Alumina trihydroxide Nhôm hydroxit BET Brunauer- Emmett- Teller Phương pháp đo diện tích bề mặt BET CCC Chất chống cháy CNTs Carbone nanotube Ống nano cacbon CP Commercial particles Các hạt thương phẩm CTAB Cetyl trimethylammonium bromide Cetyl trimetylamoni bromua CVD Chemical vapor deposition Lắng đọng hóa học DTA Differential thermal analysis Phân tích nhiệt vi sai EDTA Ethylenediaminetetraacetic Etylenediamintetraaxetic EG Expandable graphite Graphit giãn nở FE-SEM Field Emission Scanning Electron Microscopy Hiển vi điện tử quét phát xạ trường FT-IR Fourier transform Infrared Spectroscopy Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FTO Fluorine doped tin oxide Thiếc oxit pha tạp flo GO Graphene oxide Graphen oxit HDPE High density polyethylene PE tỉ trọng cao HRR Heat release rate Tốc độ giải phóng nhiệt LDH Layered double hydroxide Hydroxit lớp kép LDPE Low density polyethylene PE tỉ trọng thấp LOI Limiting Oxygen Index Chỉ số oxy tới hạn MDH Magnesium hydroxide Magie hydroxit MMT Montmorillonite Montmorillonit MP Microparticles Các hạt kích thước micro viii NC Nanocomposite Nanocomposite NM Nanomaterial Vật liệu nano NP Nanoparticles Hạt nano PE Polyethylene Polyetylen PEG Polyethylene glycol Polyetylen glycol PER Pentaerythritol Pentaerythritol PET Polyethylene terephatalate Polyetylen terephatalat PP Polypropylene Polypropylen PVA Polyvinyl alcohol Polyvinyl alcohol PVC Polyvinyl chloride Polyvinyl clorua RP Red phosphorous Photpho đỏ SLS Sodium lauryl sulfate Natri lauryl sulfat TEM Transmission Electron Microscopy Hiển vi điện tử truyền qua TGA Thermogravimetric Analysis Phân tích nhiệt trọng lượng TPR Temperature programmed Reduction Khử hóa theo chương trình nhiệt độ XPS X-ray photoelectron spectroscopy Phương pháp phổ quang điện tử tia X XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X ZB Zinc borate Kẽm borate Phụ lục 16 Giản đồ XRD mẫu MgCO3 (M14) tổng hợp từ MgCl2 phương pháp thủy nhiệt 18 giờ, tỉ lệ NaHCO3 : MgCl2 = 1,2 : Phụ lục 17 Giản đồ XRD mẫu MgCO3 (M15) tổng hợp phương pháp thủy nhiệt 24 từ Mg(CH3COO)2, tỉ lệ NaHCO3 : MgCl2 = 1,2 : Phụ lục 18 Phổ FT-IR mẫu nMgCO3 khơng có chất hoạt động bề mặt Phụ lục 19 Phổ FT-IR mẫu nMgCO3-Tw80 Phụ lục 20 Phổ FT-IR mẫu nMgCO3-PEG Phụ lục 21 Giản đồ XRD nZB tổng hợp 80 oC không chất hoạt động bề mặt Phụ lục 22 Giản đồ XRD mẫu nZB-SLS Phụ lục 23 Giản đồ XRD mẫu nZB-Tw80 Phụ lục 24 Giản đồ TGA-DTA mẫu nZB tổng hợp 80 oC Phụ lục 25 Giản đồ TGA-DTA mẫu nZB tổng hợp 100 oC 161 150 140 2565.78 130 120 2508.09cm-1 110 100 %T 1636.81cm-1 90 80 70 60 3050.82 500.62cm-1 573.94cm-1 1195.23cm-1 50 1463.95cm -1 40 30 3211.31cm-1 3462.13cm-1 c m -1 20 617.46cm-1 860.10cm-1 547.68cm-1 1063.73cm-1 808.37cm-1 1253.14cm-1 522.33cm-1 c m -1 937.75cm-1 675.15cm-1 660.29cm-1 954.74cm-1 1342.48cm-1 1170.53cm-1 1118.53cm-1 11 4000 3500 3000 2500 2000 1500 cm-1 Phụ lục 26 Phổ FT-IR mẫu nZB không chất hoạt động bề mặt 1000 753.96cm-1 500 450 101 100 98 96 94 2563.89 92 2509.41 %T 548.45cm-1 90 521.60cm-1 88 657.55cm-1 3462.83cm-1 795.62cm-1 86 1470.27 c m - 1187.78cm-1 3206.42cm-1 858.81cm-1 752.43cm-1 84 82 1411.76cm-1 1295.96cm-1 80 79 4000 3500 3000 2500 2000 cm-1 Phụ lục 27 Phổ FT-IR mẫu nZB-OA 1500 c m - 947.34cm-1 1000 500 400 101 100 98 2561.60 96 1633.33 2507.92cm-1 94 547.60cm-1 617.00cm-1 %T 92 659.63cm-1 521.82cm-1 806.60cm-1 90 1193.60cm-1 3046.64 1461.90 88 1252.85cm-1 86 859.25cm-1 3462.09cm-1 753.35cm-1 3210.78cm-1 84 1117.47cm-1 1063.80cm-1 82 956.57cm-1 1416.05cm-1 80 79 4000 3500 3000 2500 2000 cm-1 Phụ lục 28 Phổ FT-IR mẫu nZB-PEG 1500 c m - 1000 500 450 192 180 2093.29 160 2565.78 2507.86cm-1 140 %T 120 1629.15 100 80 3046.64 1170.81cm-1 60 1253.22cm-1 573.87cm-1 617.32cm-1 808.24cm-1 500.49cm-1 3461.96cm-1 1464.85cm-1 3210.73cm-1 1195.01cm-1 860.34cm-1 1063.75cm-1 40 547.64cm-1 522.37cm-1 938.00cm-1 660.03cm-1 954.58cm-1 674.98cm-1 1342.19cm-1 1118.02cm-1 754.09cm-1 9 c m -1 20 15 4000 1415.80cm-1 3500 3000 2500 2000 cm-1 Phụ lục 29 Phổ FT-IR mẫu nZB-SLS 1500 1000 500 450 101 100 98 1629.15 2561.60 96 2508.11cm-1 94 c m - 617.27cm-1 92 522.08cm-1 %T 807.62cm-1 674.96cm-1 90 1194.57cm-1 3046.64 88 1466.08 1252.97cm-1 860.49cm-1 86 753.87cm-1 3461.27cm-1 84 3210.21cm-1 1063.72cm-1 1342.52cm-1 1117.64cm-1 82 955.78cm-1 1415.98cm-1 80 79 4000 1296.80cm-1 3500 3000 2500 2000 cm-1 Phụ lục 30 Phổ FT-IR mẫu nZB-Tw80 1500 1000 500 450