Cơ chế chống cháy
Hiểu rõ cơ chế hoạt động của các chất chống cháy là rất quan trọng Tam giác cháy của Emmon là mô hình lý tưởng để giải thích chu trình cháy, như được minh họa trong hình 1.1 Để xảy ra sự cháy ban đầu, cần ba yếu tố chính: nguồn nhiệt, nhiên liệu và ôxy trong không khí, nhằm duy trì sự liên tục và phát triển của ngọn lửa.
Hình 1.1: Tam giác cháy của Emmon
Quá trình phát triển ngọn lửa thuận lợi hơn khi tăng dòng nhiệt hoặc cung cấp không khí, tuy nhiên, gió quá mạnh có thể làm mất nhiệt và ảnh hưởng đến sự phát triển của ngọn lửa Khói từ đám cháy không chỉ gây thiệt hại tài sản mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người Để giảm thiểu tính dễ bắt cháy trong các đám cháy nhỏ, thường sử dụng chất làm chậm cháy, nhưng điều này có thể làm tăng nồng độ và độc tính của khói Mặc dù vật liệu chống cháy có thể cháy ít mãnh liệt hơn, nhưng tốc độ cháy giảm lại thường đi kèm với nồng độ khói cao hơn do quá trình cháy không hoàn toàn.
Nhiên liệu Hỗn hợp Không khí đốt cháy không hoàn toàn làm tăng tỉ lệ CO/CO 2 và tăng những tiềm năng độc hại của khói [10,25]
Cơ chế hoạt động của các chất phụ gia chống cháy có thể được hiểu qua hai phương diện chính: cơ chế vật lý và cơ chế hóa học, diễn ra trong cả pha rắn và pha khí Thực tế, quá trình chống cháy là một hiện tượng phức tạp, liên quan đến nhiều phản ứng đồng thời ở cả hai cơ chế này.
Cơ chế chống cháy gồm 3 dạng sau:
Chất chống cháy tạo thành một lớp bảo vệ bằng cách ngăn chặn oxy tiếp xúc với bề mặt chất cháy, đồng thời chặn các sản phẩm phân hủy do nhiệt thoát ra Nhờ đó, chúng hình thành một bức tường trên bề mặt chất cháy, cản trở sự thâm nhập của oxy từ bên ngoài và ngăn chặn sự thoát ra của các sản phẩm cháy từ bên trong.
Hình 1.2: Mô hình polyme bảo vệ cách nhiệt khi cháy không có lớp bảo vệ (a) và (b) có lớp bảo vệ
Hiệu ứng pha loãng là hiện tượng mà các sản phẩm phân hủy trong vùng cháy bị pha loãng nhờ sự tác động của chất chống cháy Khi bị nhiệt, chất chống cháy sinh ra các khí không cháy ở nhiệt độ bắt lửa của vật liệu cháy Sự hiện diện của các khí này trong vùng lửa giúp giảm thiểu hoặc pha loãng các sản phẩm cháy từ chất cháy.
Hiệu ứng làm lạnh trong quá trình phân hủy chất chống cháy có thể thu nhiệt, giúp giảm nhiệt độ của polyme xuống dưới mức cần thiết để duy trì sự cháy Hiện tượng này chủ yếu xảy ra với các chất chống cháy dạng hidroxit kim loại.
Cơ chế hóa học: a) Pha khí:
Chất chống cháy và các sản phẩm phân hủy của chúng có khả năng ngăn chặn hoạt động của các gốc tự do trong quá trình đốt cháy ở pha khí Nhờ đó, quá trình tỏa nhiệt bị hạn chế, giúp giảm nhiệt độ của polyme và làm giảm hoặc ngăn chặn hoàn toàn nguồn khí dễ cháy.
Dưới tác dụng của nhiệt, quá trình khử nước diễn ra, dẫn đến hình thành các liên kết đôi trong polyme Qua các quá trình vòng hóa và tạo liên kết ngang, một lớp than cacbon được hình thành trên bề mặt polyme.
Cơ chế tạo lớp phủ bảo vệ phồng nở đặc biệt giúp giảm sự hình thành các chất dễ cháy khi polyme bị cháy, đồng thời tạo ra lớp than dày hơn Lớp bảo vệ này có hai tác dụng chính: ngăn chặn sự tiếp xúc của oxi với bề mặt polyme và tạo ra một lớp cách nhiệt hiệu quả.
Lịch sử phát triển của lớp phủ phồng nở
Hệ thống chống cháy phồng nở được phát triển chủ yếu cho các ứng dụng trong lĩnh vực lớp phủ, giúp bảo vệ vật liệu khỏi tác động của lửa Nó không chỉ ngăn chặn sự lan truyền của ngọn lửa mà còn không tương tác hóa học với các hợp chất dễ bay hơi hoặc vật liệu phản ứng, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc phát triển sự phồng lên.
Vandersall là người đầu tiên báo cáo về sự phát triển phồng nở, sau đó được Kay và cộng sự đề cập Tramm và cộng sự đã phát minh ra lớp phủ phồng nở chống cháy vào năm 1938 và được cấp bằng sáng chế Năm 1948, Olsen và Bechle lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ "phồng nở" Từ 1948 đến 1950, Jones và cộng sự đã thảo luận về các thành phần của hệ thống phồng nở, xác định hai loại hợp chất chính: carbonific, đóng vai trò là nguồn carbon để tạo thành lớp than, và spumific, gây ra hiện tượng tạo bọt.
Khái niệm phồng nở, mặc dù đã được giới thiệu lần đầu tiên vào những năm 1970, vẫn tiếp tục thu hút sự chú ý trong nghiên cứu, chủ yếu liên quan đến các polyme và sơn chậm cháy Sự phát triển của khái niệm này được thể hiện qua số lượng bài báo và bằng sáng chế ngày càng tăng, cho thấy tầm quan trọng và ứng dụng của phồng nở trong các lĩnh vực khác nhau.
Hình 1.3: Số lượng các nghiên cứu có liên quan đến phồng nở
Thành phần của lớp phủ chống cháy phồng nở
Chất chống cháy
1 Các chất chống cháy có chứa các nguyên tố halogen như brom, clo hay dạng kết hợp halogen/antimony
2 Các halogen này có tác dụng dập tắt gốc tự do sinh ra trong quá trình vật liệu cháy, làm giảm khả năng cháy của vật liệu
3 Các chất chống cháy chứa halogen có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, đến môi trường nên thường hạn chế sử dụng
1.4.1.2.Chất chống cháy vô cơ
Chất chống cháy vô cơ không bay hơi khi gặp nhiệt, chúng phân hủy một phần và phát ra khí không cháy như nước và carbon dioxide, giúp làm loãng hỗn hợp khí dễ cháy Đồng thời, chúng tạo ra lớp bảo vệ cho bề mặt polyme, ngăn chặn sự tấn công của oxy và nhiệt Lớp than bảo vệ này được hình thành ở nhiệt độ phân hủy polyme, bảo vệ vật liệu bên trong khỏi các tác động có hại.
Một số hợp chất vô cơ thường được dùng để chống cháy cho vật liệu như: Al(OH)3, Al(NO3)3, Mg(OH)2, hợp chất của B, P…
Lớp phủ phồng nở trong nghiên cứu này sử dụng chất chống cháy chứa phốtpho, được coi là thân thiện với môi trường do tạo ra khói và khí ít độc hại hơn so với hợp chất chứa halogen Chất chống cháy dựa vào phốtpho chủ yếu hoạt động trong giai đoạn
H 3 BO 3 H 2 O+ HBO 2 2HBO 2 H 2 O + B 2 O 3 đoạn ngưng tụ pha và phát sinh như là kết quả của nhiệt phát ra của axit polyphotphoric
Amoni poly photphat (APP) mất NH3 và nước qua nhiều giai đoạn, dẫn đến việc hình thành axit polyphotphoric liên kết ngang Hoạt động nhiệt của APP phức tạp và phụ thuộc vào việc NH3 có bị giữ lại hay không Ngay cả trong các ứng dụng hạn chế lửa, NH3 vẫn có thể tạo ra liên kết hóa học, tạo ra vật liệu giống như ceramic Nghiên cứu của nhóm Turin và Taylor, Sale tại Manchester cho thấy sự giải phóng NH3 và nước từ APP liên quan đến phản ứng phức tạp, bao gồm cả phản ứng khâu mạng hình thành liên kết P-O-P Trong quá trình tạo phồng nở, APP có thể phản ứng với các chất phốtpho như pentaerythritol và với amin như melamin, có khả năng hình thành cấu trúc muối melamin với các nhóm axit photpho Phân tích nhiệt học cho thấy melamin photphat và polyphotphat ổn định nhiệt hơn so với APP.
Chất tạo màng
Nhựa epoxy là một loại nhựa được ưa chuộng trong các ứng dụng như sơn chống ăn mòn, keo dán và vật liệu compozit Phát hiện quan trọng về nhựa epoxy được thực hiện vào năm 1909 bởi nhà hóa học Nga Prileschajew, khi ông tìm ra phản ứng giữa các olefin và peraxit benzoic để tạo ra hợp chất epoxy.
Năm 1934, nhà hóa học Đức Schlack đã tổng hợp các poly glyxidyl ete từ Bisphenol A và epichlohydrin, tạo ra một loại nhựa có khả năng đóng rắn với một đương lượng amin, nhưng ông chưa nhận ra hết giá trị của phát minh này Đến năm 1938, Pierre Castan công bố bằng sáng chế mô tả phương pháp chế tạo polyglyxidylete từ Bisphenol A và epichlohydrin, đồng thời phát hiện ra rằng nhựa này có độ bám dính tuyệt vời với nhiều loại vật liệu sau khi được đóng rắn bằng anhydrit phthalic.
Trong 25 năm vừa qua, sản lượng nhựa epoxy trên toàn thế giới tăng nhanh (khoảng 30.000 tấn/năm) và trong thời gian gần đây đạt trên 1 triệu tấn/năm Khoảng 1/4 số lượng đó sử dụng làm chất kết dính để sản xuất vật liệu polyme compozit có độ bền cao nhưng chủ yếu vẫn là sản xuất màng phủ
Nhựa epoxy dựa trên diphenyl propan (Bisphenol A) và epyclohydrin là loại nhựa phổ biến nhất hiện nay Loại nhựa này được tạo ra từ phản ứng trùng ngưng giữa Bisphenol A và epyclohydrin, thông qua quá trình kết hợp nối tiếp giữa nhóm epoxy và nhóm hydroxylphenol Quá trình này cũng bao gồm việc tái tạo nhóm epoxy nhờ khử clohydro, dẫn đến việc hình thành nhựa với công thức chung: n.
CH 2 O n = 0÷ 200 tùy thuộc vào điều kiện tiến hành phản ứng
Phản ứng tạo nhựa epoxy xảy ra theo 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Nhóm hydroxyl của diphenylol propan kết hợp với nhóm epoxy của epyclohydrin trong môi trường kiềm
2 NaOH Đây là phản ứng tỏa nhiệt: Q= 17,09 Kcal/ mol
Giai đoạn 2: Clohydrin glycol hình thành với nhóm hydroxyl ở vị trí thứ 2 so với nguyên tử clo Cấu trúc này cho phép clohydro dễ dàng tách ra, tạo thành nhóm epoxy mới thông qua cơ chế nucleophilic của halogen bằng ion alcogolat.
Phản ứng thu nhiệt: Q= -28,09 Kcal/mol
Glyxidyl ete Bisphenol A nhờ có nhóm epoxy sẽ phản ứng tiếp với nhóm hydroxyl của diphenylol propan:
CH CH 2 O CH 2 O R O CH 2 CH
CH CH 2 O CH 2 O R O CH 2 CH
CH 3 Hợp chất trung gian này tiếp tục phản ứng với nhau để tạo thành nhựa epoxy có công thức tổng quát như trên
Khối lượng phân tử của nhựa epoxy thay đổi từ 300 đến 18.000, phụ thuộc vào tỉ lệ mol giữa epichlorohydrin (ECH) và diphenylol propan (DPP), cũng như các yếu tố như nhiệt độ, thời gian phản ứng và nồng độ NaOH sử dụng.
Nhựa epoxy có thể được đóng rắn qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phản ứng trùng hợp và phản ứng cộng hợp với amin và axit Đối với sơn epoxy không dung môi, chất đóng rắn cần có độ nhớt thấp và khả năng đóng rắn ở nhiệt độ thường Do đó, các hợp chất amin thường được sử dụng làm chất đóng rắn cho hệ sơn epoxy không dung môi.
Amin là các hợp chất chứa nhóm amin, bao gồm amin mạch thẳng, thơm, vòng, dị vòng và các sản phẩm biến tính như oligoamit amin có nhóm amin cuối mạch Hầu hết các chất amin có khả năng đóng rắn tất cả các loại nhựa epoxy, ngoại trừ epoxy este do thiếu nhóm epoxy.
Nhóm epoxy của nhựa epoxy mạch vòng no có khả năng phản ứng rất yếu với nhóm amin
Chất đóng rắn amin có khả năng hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ 0 đến 150 độ C Tuy nhiên, khi thực hiện quá trình đóng rắn ở nhiệt độ thấp từ 0 đến 20 độ C, một số loại chất đóng rắn amin cần bổ sung thêm các chất xúc tác như rượu, phenol và axit cacboxilic để đảm bảo hiệu suất cao.
Chất độn
Gần đây, phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) đã trở thành công cụ quan trọng trong nghiên cứu sự phân hủy nhiệt và phá vỡ thu nhiệt của chất độn khoáng Sự hiện diện của nhiều chất độn trong nhựa nhiệt dẻo có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của chất độn chống cháy Nhiều tài liệu nghiên cứu đã tập trung vào quá trình phân hủy nhiệt của các phụ gia và chất độn trong polyme Một nghiên cứu tiêu biểu của Wei Gu et al đã phát triển lớp phủ chống cháy phồng nở từ nhựa polyester không no và nhựa epoxy, sử dụng amoni polyphốtphát (APP) làm nguồn tạo axit, melamine (MEL) làm tác nhân tạo khí, và pentaerythritol (PER) cùng graphite mở rộng như tác nhân hiệp đồng, kết hợp với titan đioxit (TiO2) TGA và DSC đã được áp dụng để phân tích sự phân hủy nhiệt của các phụ gia này.
Hình 1.4: Đường cong TG của APP, PER, MEL và lớp phủ phồng nở [17 ]
Hình 1.4 minh họa đường cong TG của APP, PER, MEL và lớp phủ phồng nở, cho thấy APP mất khối lượng trong khoảng 290-500 °C, kèm theo sự giải phóng khí NH3 và H2O PER bắt đầu phân hủy ở 277 °C, trong khi MEL phân hủy ở 370 °C và cũng giải phóng amoniac Amoniac từ MEL có khả năng làm loãng nồng độ O2, từ đó thổi vào than và hình thành lớp than phồng nở.
[17] Lớp phủ bắt đầu mất khoảng 54% khối lượng ở 230-510 0 C, giải phóng NH 3 ,
H 2 O và axit polyphôtphoric và tạo thành lớp phủ bảo vệ ổn định nhiệt ở nhiệt độ cao hơn
Trong nghiên cứu này, talc được lựa chọn làm chất độn trong lớp phủ phồng nở nhờ khả năng chống cháy và cải thiện ổn định nhiệt Sự kết hợp này giúp tăng cường khả năng tự chữa cháy của nền polyme Cấu trúc lớp phủ tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành lớp rào cản nhiệt, giúp cách ly sự truyền nhiệt giữa môi trường và vật liệu nền, từ đó nâng cao khả năng phồng nở Hơn nữa, lớp phủ còn ngăn chặn sự khuếch tán khí thoát ra vào vùng cháy và khí oxy vào bề mặt vật liệu nền.
Bột talc, một khoáng chất tự nhiên, có tên hóa học là hydrous magnesium silicate với công thức Mg3Si4O16(OH)2, chứa các thành phần chính là MgO (31,9%), SiO2 (63,4%) và H2O (4,7%) Trong tự nhiên, quặng talc thường có tạp chất như FeO, Al2O3, Na2O, K2O, và CaO, với hàm lượng tạp chất thường chỉ vài phần trăm Đặc biệt, oxit kim loại nhóm d, nhất là FeO, có thể gây màu cho talc; vì vậy, khi sử dụng talc trong sản xuất gốm sứ hoặc vật liệu chịu lửa, người ta thường chọn loại có hàm lượng FeO thấp Màu sắc của talc thường là xanh sáng, trắng hoặc xanh xám, trong khi loại có hàm lượng FeO cao hơn có thể có màu trắng ngà hoặc phớt hồng.
Talc hình thành từ quá trình biến đổi nhiệt dịch của đá giàu magie, đá silicat trầm tích và đá cacbonat magie Ngoài talc, quá trình này còn tạo ra các khoáng chất khác.
Mg 3 [Si 4 O 10 (OH) 2 ] thì còn có các khoáng như: dolomit Mg.Ca(CO 3 ) 2 ; manhezit MgCO 3 ; serpentin 4MgO.2SiO 2 2H 2 O; actinolit Ca 2 Fe 5 [Si 4 O 11 ] 2 (OH) 2 ; manhetit
Khoáng chất talc có cấu trúc tinh thể và có cấu trúc lớp
Cấu trúc lớp cơ bản của talc được tạo thành từ lớp bát diện Mg-O 2 -/hyđroxyl nằm kẹp giữa 2 lớp tứ diện SiO 2
Talc có cấu trúc tinh thể hệ mặt nghiêng, dạng đối xứng 2/m (L2PC) Mỗi ô mạng cấu trúc chứa 4 phân tử Nhóm không gian C2/C; a0 = 5,26; b0 = 9,10; C0 18,81; b = 100°; a : b : c = 0,578 : 1 : 2,067
Hình 1.5: Cấu trúc khoáng vật talc
Hình 1.6: Talc dưới kính hiển vi điện tử quét
Tinh thể talc có hình dạng vẩy, thường tập hợp thành các lá, vẩy hoặc khối sít đặc Cấu trúc talc bao gồm ba lớp với liên kết phân tử giữa các lớp Lớp bát diện Mg(OH)2O4 nằm giữa hai lớp tứ diện Si4O10 Các phiến talc liên kết với nhau bằng lực Van Der Waals, khiến chúng dễ dàng tách rời.
Talc có khả năng bền nhiệt, không mất khối lượng khi nung tới gần 800°C, và sau khi nung ở 1000°C, khối lượng còn lại đạt trên 95% Điều này chứng tỏ talc có điểm chảy rất cao Việc sử dụng talc làm chất độn không chỉ giúp lớp phủ có khả năng chống oxi hóa tốt mà còn tăng cường khả năng chậm cháy của lớp phủ.
Ở nhiệt độ từ 830ºC đến 1100ºC, khoáng talc bị phân hủy cấu trúc tinh thể, giải phóng nước và hình thành enstatite (MgSiO3), sau đó chuyển hóa thành protoenstatit và silic đioxit vô định hình.
Mg3[(OH)2Si4O10] 3(MgO.SiO2) + SiO2 +H2O
Quá trình này tạo nước và silicat bền vững ở trên 1200 ºC Chính vì vậy mà talc có thể tăng cường khả năng chống cháy cho hệ lớp phủ
1.4.5.3 Tầm quan trọng của talc trong lớp phủ phồng nở
Nghiên cứu về ứng dụng bột talc trong các công trình khoa học chủ yếu tập trung vào polyme nhiệt dẻo như copolyme etylen vinyl axetat (EVA) và polyamide-6 (PA6) Levchick và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng talc ảnh hưởng đến tính dễ cháy của PA-6 được chống cháy bằng amonium polyphotphat (APP) Trong một nghiên cứu khác, họ phát hiện hàm lượng còn lại khi phân tích nhiệt TGA tăng gấp đôi khi kết hợp talc và APP, so với khi sử dụng riêng lẻ Sự kết hợp này đã giúp tăng cường độ bám dính của than, đạt tiêu chuẩn V-0 theo phương pháp UL-94.
Silicat lớp kích cỡ micron như talc có thể thay thế một phần hydroxit kim loại, từ đó cải thiện đặc tính làm chậm cháy của EVA Nghiên cứu của Clerc và cộng sự chỉ ra rằng việc sử dụng bốn loại talc với chỉ số tách lớp và diện tích bề mặt cao hơn trong blend MH/EVA mang lại đặc tính cháy tốt hơn Các khoáng vật phồng nở và lớp hóa than được hình thành, tương tự như thành phần phồng nở với APP, tạo ra hiệu ứng che chắn trong khối vật liệu biến đổi, ngay cả khi hàm lượng talc thấp.
Nghiên cứu của Almeras và cộng sự cho thấy, chất độn như canxi cacbonat và talc ảnh hưởng khác nhau đến tính chất chống cháy của hệ polypropylene/amoni polyphotphat/polyamide-6 (PP/APP/PA6) Cụ thể, talc làm tăng môđun Young và giảm độ dãn dài khi đứt, trong khi canxi cacbonat cũng giảm độ dãn dài nhưng không cải thiện môđun Young Talc cải thiện khả năng chống cháy nhờ tạo thành lớp gốm bảo vệ trên bề mặt, ngược lại, canxi cacbonat làm giảm khả năng này do phản ứng với APP.
THỰC NGHIỆM
Hóa chất
2.1.1 Nhựa epoxy và chất đóng rắn:
Nhựa epoxy Epikote 828, được sản xuất từ nhựa bisphenol A và epichlorohydrin, có độ nhớt trung bình và không chứa chất pha loãng Với khả năng làm ướt và chống lắng tốt, Epikote 828 sở hữu độ bền cơ học cao cùng khả năng kháng hóa chất tốt khi đóng rắn.
Số nhóm epoxy mmol/kg 5260 – 5420 Độ nhớt (25 o C) Pa.s 12 – 14
Chất đóng rắn kingcure 367, một loại cycloaliphatic polyamine, được sử dụng cho lớp phủ ít dung môi Sản phẩm này nổi bật với độ ổn định màu tốt và tạo ra màng phủ có độ bóng cao, mang lại hiệu quả vượt trội trong ứng dụng.
Trạng thái Lỏng, màu vàng sáng Độ nhớt (25 o C) 100 – 400 mPa.s
Amoni poly phốt phát ((NH4PO3)n), sản phẩm AP 422 từ Clariant, là muối của axit polyphotphoric và amoni Chất này có đặc tính pH dao động từ 5.5 đến 7.5, phù hợp cho nhiều ứng dụng trong nông nghiệp và công nghiệp.
Khả năng tan trong nước Lớn nhất 0.5%(w/w) Kớch thước hạt trung bỡnh < 50 àm Độ bám dính 100 MPa
- Pentaerythritol (C5H12O4) được cung cấp từ hãng Perstorp (Singapore) Đặc tính Mô tả
Nhiê ̣t đô ̣ nóng chảy 262 o C
- Melamin (C 3 H 6 N 6 ) đươ ̣c cung cấp từ công ty TNHH Er Sheng (Trung Quốc) Đặc tính Mô tả
Màu sắc Trắng Độ tinh khiết 99,98% pH 7,5 – 9,5 Điểm nóng chảy 345 o C
TiO2, với màu trắng và chỉ số khúc xạ cao, được sử dụng rộng rãi như một chất màu Sản phẩm này có mặt trên thị trường với nhiều nguồn gốc khác nhau, mang lại tính năng vượt trội cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp.
Trọng lượng phân tử 79.87 g/mol
Trạng thái Bô ̣t trắng Điểm nóng chảy 1825°C
2.1.6 Axit boric ( H 3 BO 3 ) Đặc tính Mô tả
Trọng lượng phân tử 61,83 g/mol
Trạng thái Bô ̣t trắng Điểm nóng chảy 170,9 °C
Khoáng talc được khai thác từ Thu Ngạc, Tân Sơn, tỉnh Phú Thọ, chủ yếu bao gồm các oxit kim loại, trong đó SiO2 chiếm 61,8% và MgO chiếm 28,5% Kích thước hạt khoáng talc có kích thước trung bình là 6,56 μm, với Q90 là 15,875 μm, như thể hiện trong hình 2.1.
Hình 2.1: Phân bố kích thước khoáng talc 2.1.8 Sericit
Khoáng sericit, sản phẩm nghiên cứu cấp nhà nước tại Viện Khoa học Vật liệu, chủ yếu bao gồm oxit silic và oxit nhôm Kích thước hạt của khoáng sericit tương đối đồng đều, chủ yếu tập trung trong khoảng 10 µm.
Phương pháp chế tạo mẫu
Chế tạo lớp phủ theo sơ đồ:
Hình 2.2: Sơ đồ chế tạo lớp phủ phồng nở
Phân tán các thành phần của hệ lớp phủ được thực hiện theo 2 phương pháp:
1- Nghiền bi: Các thành phần chống cháy và phồng nở APP, PER, MEL,
H3BO3, TiO2 và bột talc cùng các phụ gia khác được phân tán vào dung dịch epoxy để tạo màng Hỗn hợp này được ủ qua đêm và sau đó nghiền trong cối nghiền bi bằng sứ trong 8 giờ.
2- Nghiền hạt ngọc: Các thành phần chống cháy và phồng nở APP, PER,
MEL, TiO2 và bột talc được nghiền riêng trong cối nghiền bi bằng sứ trong 4 giờ Sau đó, các thành phần này được phân tán cùng với các phụ gia khác trong dung dịch chất tạo màng epoxy bằng máy nghiền bi hạt ngọc.
- Sau khi phân tán các thành phần của hệ lớp phủ vào dung dịch chất tạo màng epoxy, tiến hành đóng rắn lớp phủ ở nhiệt độ phòng.
Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Nung mẫu Để khảo sát độ phồng nở của lớp phủ chống cháy, 5 mẫu của lớp phủ phồng nở được nung với chu trình gia nhiệt theo sơ đồ mô tả trên hình 2.3 Nhiệt độ được duy tri ở 50 o C trong 15 phút sau đó được tăng lên đến 800 o C và duy tri tại nhiệt độ
APP PER MEL TiO 2 Talc
Epoxy lớp phủ phồng nở là một chất đóng rắn hiệu quả, cần khoảng 30 phút để đốt cháy hoàn toàn các mẫu Sau khi quá trình này kết thúc, mẫu cần được làm nguội trong khoảng 30 phút để tránh tình trạng nứt vỡ.
Hình 2.3: Chu trình gia nhiệt đốt cháy mẫu
- Các mẫu lớp phủ chống cháy được nung tại:
Phòng Kỹ thuật điện – viện Kỹ thuật Nhiệt đới
Phòng Vật liệu vô cơ – khoa Hóa học, trường đại học Khoa học Tự nhiên
2.3.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Cấu trúc hình thái của vật liệu được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) tại:
Phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện Khoa Học Vật liệu
Trung tâm Đánh giá hư hỏng vật liệu, Viện Khoa học vật liệu
2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Thành phần của vật liệu được nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên máy SIEMENS D500 của phòng Nhiễu xạ tia X, viện Khoa học Vật liệu
2.3.4 Phương pháp phân tích nhiệt (TGA)
Tính chất nhiệt của vật liệu được phân tích thông qua phương pháp nhiệt trọng lượng TGA, sử dụng thiết bị NETZSCH STA 409 PC/PG tại Viện Hóa học vật liệu, thuộc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự.
2.3.5 Khảo sát khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94
Tiêu chuẩn UL 94 được sử dụng để đánh giá tính dễ bốc cháy của các vật liệu Dựa vào mức độ dễ cháy, vật liệu có thể được phân loại thành các nhóm khác nhau như HB, V-0, V-1, V-2, 5VA và 5VB.
Hình 2.4: Sơ đồ thử nghiệm mẫu theo chuẩn UL 94 – HB
Mẫu thớ nghiệm có kích thước 1,25 cm x 12,5 cm được kẹp nằm ngang, nghiêng 45 độ trên thanh thẳng đứng Đánh dấu hai vạch ở vị trí 2,5 cm và 10 cm Đốt mẫu trong 30 giây hoặc cho đến khi cháy đến vạch 2,5 cm, sau đó bắt đầu tính thời gian cháy Ghi lại thời gian cháy từ vạch 2,5 cm đến 10 cm nếu mẫu tiếp tục cháy sau khi dập tắt ngọn lửa Nếu không, ghi lại thời gian và độ dài mẫu bị đốt giữa hai vạch Mẫu vật liệu có chiều dày nhỏ hơn 3 mm sẽ đạt tiêu chí UL 94 HB nếu tốc độ cháy nhỏ hơn 76 mm/phút hoặc dừng cháy trước vạch 10 cm Mỗi loại mẫu được đo 5 lần để tính giá trị trung bình.
Mẫu được kẹp theo chiều dọc và ngọn lửa đặt phía dưới của mẫu như hình dưới
Hình 2.5: Sơ đồ thử nghiệm mẫu theo chuẩn UL 94 – V
Cách kiểm tra này được phân thành ba mức tiêu chuẩn: 94 V-0, 94 V-1 và 94 V-2 Mẫu thí nghiệm được đặt thẳng đứng với một miếng bông cotton bên dưới Sau khi đốt mẫu trong 10 giây bằng ngọn lửa mồi, thời gian cháy đến khi tắt được ghi nhận là t1 Ngọn lửa sau đó được di chuyển ra xa 130 cm Nếu có tàn than dư sau khi tắt cháy lần hai, thời gian cháy của tàn than được ghi lại là t3 Các kết quả quan trọng cần được ghi chép đầy đủ.
- Khoảng thời gian của quá trình cháy sau khi đốt lần 1, t1
- Khoảng thời gian của quá trình cháy sau khi đốt lần 2, t2
- Khoảng thời gian của tàn than tiếp tục hồng sau khi đốt lần 2, t3
- Dù ngọn lửa cháy yếu thì bông vẫn đặt ở dưới mẫu thí nghiệm
- Dù mẫu có thể cháy lên trên cái kẹp giữ mẫu hay không thì vẫn phải ghi lại
Tiêu chuẩn đánh giá tính chất chống cháy của vật liệu theo UL 94V được thể hiện trong bảng 2.1
Bảng 2.1: Tiêu chuẩn đánh giá tính chất chống cháy của vật liệu theo UL 94 V Điều kiện tiêu chuẩn cho các loại 94 V 94V-0 94V-1 94 V-2
Thời gian cháy cho mỗi mẫu, t1 hoặc t2