1.3 Lợi ích khi dùng phụ gia chậm cháy Trang 13 quá trình cháy, một số vai trò của các chất chậm cháy có thể được thể hiện bởi:- Làm chậm khả năng phân hủy và bắt cháy của vật liệu, -
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
- PHAN XUÂN TRANG
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG PHỦ CHỐNG CHÁY TRÊN CÁC VẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS TS LA THẾ VINH
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng bi t ơn đặế c bi t sâu s c đ n PGS.TS La Th ệ ắ ế ế Vinh
đã t n tình hưậ ớng d n và t o m i đi u kiện thuậ ợẫ ạ ọ ề n l i cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn
Tôi xin chân thành cám ơn cơ s đào tở ạo, Trường Đạ ọi h c Bách Khoa
Hà Nội, đã tạo điều ki n thu n l i v th i gian và cơ s v t ch t giúp tôi ệ ậ ợ ề ờ ở ậ ấhoàn thành được lu n văn này ậ
Tôi xin cám ơn Lãnh đạo Vi n Kỹệ thu t Hóa h c, các quý th y cô ậ ọ ầtrong Viện Kỹ thuật Hóa học trong bộ môn Công nghệ các ch t Vô cơấ đã giúp đỡ và đ ng viên tôi trong quá trình thực hiệ ềộ n đ tài lu n văn ậ
Tôi xin ảm ơn gia đình, các anh chị em học c viên đã động viên và tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo và Thủ trư ng đơn v ở ịViện Hóa học - Môi trường quân sự/BTL Hóa học đã tạo mọi điều kiện về thời gian cũng như cơ sở ậ v t chất, lời động viên trong su t quá trình thố ực hiện luận văn
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và nhóm nghiên cứu Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ
rõ nguồn gốc
Tác giả luận văn
Phan Xuân Trang
Trang 5MỤC LỤC
Trang
1.1 Quá trình cháy và điều kiện xảy ra quá trình cháy 11
1.3 Lợi ích khi dùng phụ gia chậm cháy 12
1.5 Phân loại các chất phụ gia chậm cháy 15
1.5.2 Hợp chất chậm cháy chứa phospho hữu cơ 18
1.5.3 Hợp chất chậm cháy chứa nitơ 19
1.5.4 Các chất chậm cháy hệ vô cơ 19 1.6 Tổng quan về tình hình cháy nổ tại Việt Nam 22
1.6.2 Các nguyên nhân gây cháy, nổ phổ biến hiện nay 23
1.6.3 Các phương pháp phòng chống cháy nổ hữu hiệu nhất hiện nay
24
1.7.1 Một số nghiên cứu về màng phủ chống cháy trên thế giới 25 1.7.2 Một số nghiên cứu về màng phủ chống cháy tại Việt Nam 27
1.8 Cấu trúcphân tử của một số vật liệu dễ bắt cháy 30
1.8.2 Cellulose ( xét vật liệu điển hình là cotton) 30
3.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tạo APP 42
3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của thể tích axit H3PO4 tham gia
Trang 6liệu APP tổng hợp
3.3.1 Thành phần hóa học của vật liệu APP tổng hợp được 45
3.3.2 Tính chất của vật liệu APP tổng hợp được 45
3.3.3 Cấu trúc của vật liệu APP tổng hợp được 48
3.3.4 Nhóm chức của vật liệu APP tổng hợp được 50 3.4 Nghiên cứu ứng dụng APP trong chế tạo màng phủ chống cháy 52 3.5 Tạo lớp màng phủ chống cháy và khảo sát khả năng chống cháy của màng phủ
53
3.5.2 Kết quả thử cháy theo chiều thẳng đứng 54
Trang 7Hình 3 Cơ chế chậm cháy của tác nhân halogen 16
Hình 4 Sự tạo thành các gốc tự do trong quá trình cháy của etan 17
Hình 5 Cơ chế tác dụng của tác nhân chậm cháy nhôm hydroxit 20
Hình 6 Sơ đồ cấu trúc phân tử của amoni polyphosphat 21
Hình 7 Cơ chế chậm cháy tác nhân amoni polyphosphate 22
Hình 8 Thực nghiệm đốt cháy hơn 10000C vật liệu phủ sơn chống
cháy nano vỏ làm từ vỏ trấu
28
Hình 9 Bên phải là gỗ phủ sơn chống cháy công nghệ nano vỏ trấu
bị đốt hơn 1 giờ vẫn không thủng Bên trái là gỗ phủ sơn chống cháy
của Đức bị đốt sau 22 phút
29
Hình 10 Phân loại vải sợi theo thành phần hóa học 30
Hình 14 Phương pháp đốt theo chiều ngang – đánh giá mức HB 36
Hình 15 Phương pháp thử đánh giá mức V-0, V 1, V- -2 37
Hình 16 Các thông số thực nghiệm chủ yếu khi thử nghiệm đánh giá
tốc độ cháy của mẫu theo các mức V-0, V 1, V- -2
Hình 20 Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của mẫu phụ gia chậm cháy 49
Hình 21 Giản đồ nhiễu xạ tia X của APP I theo Watanabe, M., và
các cộng sự
50
Hình 22 Phổ hồng ngoại của chất phụ gia chậm cháy tổng hợp được 51
Trang 8Bảng 6 Ảnh hưởng của khối lượng ure đến hiệu suất tạo thành APP 43
Bảng 7 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất tạo thành
APP
44
Trang 9MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đâycác vụ cháy ở mức độ lớn nhỏ không giảm
đi mà có xu hướng tăng lên ở nước ta Những vụ cháy liên quan đến nhà cao tầng, chợ, trung tâm thương mại, khu chung cư có chiều hướng gia tăng lên cả về số lượng các vụ hỏa hoạn và mức độ nghiêm trọng, cũng như thiệt hại do nó gây nên cả về tính mạng con người và của cải Ví dụ như vụ cháy trung tâm thương mại thành phố Hải Dương (15/9/2013) ước tính thiệt hại 500 tỷ đồng, vụ cháy chợ Quảng Ngãi (9/2/2012) gây thiệt hại hơn
200 tỷ đồng; vụ cháy chợ Lớn (16/12/2006) gây thiệt hại gần 200 tỷ đồng Hay gần đây nhất là vụ cháy tầng hầm chung cư CT4 khu đô thị Xa La (11/10/2015), đã có gần 300 xe gắn máy bị thi u rụi hoàn toàn ê
Nguyên nhân chính gây ra tử vong cho con người trong các vụ cháy lànhiệt độ, khí và khói Do những tác hại nghiêm trọng gây ra mà từ lâu hỏa hoạn đã được xếp vào một trong bốn đại họa của loài người
Khi xảy ra cháy nổ những đồ dùng bằng giấy, gỗ, nhựa, vải là loại vật liệu dễ bắt lửa nhất, sẽ sản sinh lượng nhiệt cao làm duy trì và phát triển đám cháy, ngoài ra còn tạo ra lượng khói lớn gây ngạt khí và giảm tầm nhìn làm cho người bị nạn khó thoát ra ngoài được Với tình hình cháy nổ xảy ra ngày càng tăng như hiện nay, đặc biệt thường xảy ra ở những tòa nhà cao tầng, các cửa hàng, siêu thị, … cùng với công tác chữa cháy đang gặp rất nhiều khó khăn cả về người và phương tiện, thì biện pháp cấp bách được đề cao là công tác phòng cháy, vì đó là biện pháp tích cực chủ động,
cơ bản và hiệu quả nhất Tuy việc phòng cháy triệt để là phải loại trừ được toàn bộ các nguồn gốc gây cháy ra khỏi các hoạt động của con người, nhưng thực tế người ta vẫn chưa làm được điều đó, vì đây là một vấn đề hết sức phức tạp, khó khăn Vì thế, song song với công tác nghiên cứu giải quyết tận gốc các nguồn gốc gây cháy và nổ, thì các các biện pháp nhằm hạn chế và giảm thiểu các quá trình cháy bằng việc sử dụng các vật liệu
Trang 10chậm cháy trong các hoạt động của đời sống con người, nhằm hạn chế đến mức thấp nhất hậu quả do các vụ cháy gây ra Một trong số các vật liệu chậm cháy được sử dụng phổ biến trên thế giới là sơn và màng phủ chậm cháy nhằm cách ly vật liệu với nguồn cháy và giảm thiểu các quá trình duy trì sự cháy
Trong cuộc sống hàng ngày, thường sử dụng các vật liệu có khả năng bắt cháy cao nên các sự cố về cháy nổ ở mức độ lớn nhỏ khác nhau chiếm con số không nhỏ do đó gây thiệt hại cả người và của, làm cho sinh hoạt vàsản xuất bị biến động Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo cácmàng phủ chốngcháy trên các vật liệu dễ bắt cháy sử dụng được trong cả sản xuất và trong dân dụng sẽ có ý nghĩa to lớn về mặtkinh tế cũng như hiệu quả xã hội Với
ý nghĩa và tâm quan trọng như vậy, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chế
tạo màng phủ chống cháy tr ên các vật liệu dễ bắt cháy” với mục tiêu nghiên cứu chế tạo màng phủ chậm cháy thân thiện môi trường có khả năng phủ lên bề mặt các sản phẩm dễ bắt cháy như giấy, gỗ, nhựa, xốp nhằm cải thiện tính chất chống cháy của sản phẩm và không ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng
Trang 11PHẦN I TỔNG QUAN 1.1 Quá trình cháy và điều kiện xảy ra quá trình cháy
Quá trình cháy xảy ra gắn liền với chuyển động của lưu chất, trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong không gian Nếu chất phản ứng là rắn thì sản phẩm cháy vẫn là khí Dưới tác dụng của nhiệt độ cao một số chất rắn bị phân hủy, một số khác chảy lỏng rồi bay hơi Do đó ngọn lửa xảy ra đối với vật rắn nằm trong pha khí bao bọc vật liệu rắn
Tam giác cháy thường được sử dụng để mô tả quá trình cháy và được thể hiện trong hình 1, cho thấy điều kiện để cháy cần ba yếu tố:
Trang 12phẩm phân hủy bắt đầu hình thành Nồng độ khí dễ cháy tăng dần lên đến khi đạt một mức độ cho phép quá trình oxy hóa xảy ra Nguồn mồi lửa và khí oxy là hai yếu tố quan trọng trong bất kỳ quá trình bắt cháy nào Sau khi bắt cháy, quá trình đốt cháy trở nên tự lan truyền nếu đủ nhiệt tạo ra và bức xạ trở lại vật liệu để tiếp tục quá trình phân hủy Quá trình đốt cháy là quá trình bị chi phối bởi nhiều yếu tố như tỷ lệ sinh nhiệt, tốc độ lan truyền
bề mặt, diện tích bề mặt, quá trình khuếch tán của các chất…
1.2 Khái niệm về chất chậm cháy[1,2]
Một hệ chậm cháy là một hợp chất hoặc một hỗn hợp phụ gia được đưa vào vật liệu có tác dụng tăng cường khả năng kháng cháy cho vật liệu,
có tác dụng ức chế, ngăn chặn hoặc trì hoãn sự phát sinh ngọn lửa nhằm ngăn chặn sự lây lan của đám cháy Hệ chậm cháy có thể được thêm vào vật liệu trong quá trình sản xuất như sản xuất gỗ nhân tạo, các sản phẩm polyme, hoặc trong quá trình tạo hình sản phẩm như sản xuất các đồ dùng bằng nhựa, hoặc đưa vào vật liệu hoàn thiện như sơn và màng phủ Một chất chậm cháy hiệu quả cần phải ngăn cản được tối thiểu một trong ba yếu
tố chính duy trì sự cháy trong tam giác cháy Do quá trình tự đốt cháy xảy
ra trên cả hai pha khí và pha cô đặc, nên việc sử dụng chất chậm cháy có tác dụng phá vỡ quá trình tự đốt cháy bằng cách tác động đến quá trình vật
lý và hóa học xảy ra trong cả hai pha khí và pha cô đặc Tùy theo tính chất, phụ gia chậm cháy có thể tương tác hóa học hoặc vật lý ở thể rắn, lỏng hoặc khí, thông qua các quá trình hóa học phức tạp nhằm cắt đứt hoặc hạn chế việc duy trì sự cháy Chúng cũng có thể can thiệp vào các giai đoạn cụ thể của quá trình đốt cháy
1.3 Lợi ích khi dùng phụ gia chậm cháy
Để khắc phục tính kém bền nhiệt hay khă năng dễ bắt cháy của các vật liệu, việc sử dụng các tác nhân chậm cháy đã mang lại những hiệu quả
Trang 13quá trình cháy, một số vai trò của các chất chậm cháy có thể được thể hiện bởi:
- Làm chậm khả năng phân hủy và bắt cháy của vật liệu,
- Giảm khả năng sinh ra khói
- Giảm độ độc hại của khói
- Giảm nhiệt độ của ngọn lửa
- Giảm khả năng khuếch tán của oxy vào vùng cháy
- Khi nhiệt độ lên cao, có thể tạo ra các khí không duy trì sự cháy như
CO2, hay H2O… sản phẩm của quá trình phân hủy nhiệt của các chất phụ gia chậm cháy
- Kéo dài thời gian thoát khỏi môi trường cháy cho con người và các sinh vật
- Làm giảm khả năng lan rộng của ngọn lửa,
Trang 14cháy hay quá trình lan rộng của ngọn lửa Một số nét cơ bản của các cơ chế này được mô tả vắn tắt như sau:
Trang 151.4.2 Cơ chế hóa học
Vai trò của các chất chậm cháy là gây ra, hoặc xúc tác cho các phản ứng hóa học có tác dụng làm cản trở quá trình cháy của vật liệu Tác dụng làm chậm cháy của các tác nhân theo cơ chế hóa học có thể thể hiện ở các phản ứng hóa học có thể xảy ra trong pha rắn hay trong pha khí
Phản ứng trên pha khí
Các phụ gia chậm cháy hoạt động trong pha khí sẽ ngăn cản các hoạt động tạo ra sự cháy, ví dụ như ngăn cản quá trình hình thành các gốc tự do hình thành trong pha khí do quá trình cháy gây nên Trong quá trình cháy, các vật liệu tương tác với oxy và các tác nhân gây cháy tạo ra các gốc tự do của oxy, hydroxyl và hydro… Các chất chậm cháy sẽ tương tác với các gốc
tự do này để tạo ra các tiểu phân ít hoạt động hơn Chính vì vậy, việc cung cấp các tác nhân gây cháy sẽ giảm xuống, ngăn cản quá trình tỏa nhiệt tiếp tục, nhiệt độ của hệ sẽ không tăng lên, hoặc thậm chí giảm xuống, và cuối cùng quá trình cháy được khống chế hay ngăn chặn
Phản ứng trong pha rắn
Một số chất chậm cháy có thể là tác nhân thúc đẩy quá trình hình thành lớp carbon bao phủ trên bề mặt vật liệu, hoặc quá trình phân hủy nhiệt Điều này hoàn toàn có thể xảy ra vì khi bị phân hủy nhiệt, các phản ứng dehydrat hóa của các loại carbon hydrat (ví dụ như gỗ hay một số polyme) có thể tạo thành lớp carbon, sự có mặt của các chất phụ gia chậm cháy sẽ thúc đẩy quá trình than hóa này
1.5 Phân loại các chất phụ gia chậm cháy[1-4]
Việc sử dụng các tác nhân chậm cháy đã được thực hiện từ lâu, và các chất chậm cháy có thể được chia thành các nhóm sau: Hợp chất halogen hữu cơ; Hợp chất chậm cháy hữu cơ chứa phosphor; Hợp chất chậm cháy chứa nitơ, và một số chất vô cơ
Trang 161.5.1 Hợp chất halogen hữu cơ
Một số hợp chất hữu cơ có chứa halogen được sử dụng làm phụ gia chậm cháy, chủ yếu bao gồm các hydrocarbon mạch thẳng, và hydrocarbon mạch vòng
Trong nhóm halogen, Br tỏ ra thích hợp nhất trong vai trò làm chất phụ gia chậm cháy, làm giảm quá trình phân hủy nhiệt của vật liệu Theo
đó, hydrobromic, HBr được giải phóng ở nhiệt độ thấp, do vậy, mật độ của
nó rất lớn trong vùng cháy Trong khi đó, phụ gia chậm cháy chứa Cl phân hủy giải phóng HCl ở nhiệt độ cao hơn, do vậy hàm lượng của nó thấp hơn
so với Br Do đó, hiệu quả làm chậm cháy của Cl thường thấp hơn của Br
Khi không có tác nhân chậm cháy Khi có tác nhân chậm cháy halogen
Hình 3 Cơ chế chậm cháy của tác nhân halogen
Gốc tự do có thể được hình thành trong quá trình cháy và nó là yếu tố chính quyết định đến sự duy trì quá trình cháy Hình dưới đây mô tả sự tạo thành các gốc tự do trong quá trình cháy của etan (C2H6)
Trang 17Hình 4 Sự tạo thành các gốc tự do trong quá trình cháy của etan[1]Tác dụng làm chậm cháy của các hợp chất chứa halogen được thực hiện chủ yếu bằng cách can thiệp vào các phản ứng dây chuyền tạo gốc tự
do Trong nhiều trường hợp, các phản ứng dây chuyền tạo ra các gốc tự do,
và có thể một năng lượng rất lớn Các gốc tự do này cũng như năng lượng của các phản ứng dây chuyền có thể bị triệt tiêu do sự có mặt của các chất phụ gia chậm cháy Tác dụng của các chất chậm cháy có thể được miêu tả bởi một số quá trình như sau:
Ban đầu là sự phân hủy của các chất phụ gia
RX = R* + X*
Với X là Br hoặc Cl; R là gốc hydrocarbon
Các gốc halogen phản ứng với các hydrocarbon tạo thành HX tương ứng
RH + X* = R* + HX
HX tạo ra sẽ cản trở phản ứng tạo ra gốc tự do duy trì sự cháy, H* và OH* do tham gia một số phản ứng:
HX + H* = H2 + X*
Trang 18HX + OH* = H2O + X*
Năng lượng rất lớn được tạo thành trong phản ứng dây chuyền tạo ra gốc tự do H*, và OH* bị hấp thụ khi các gốc tự do này phản ứng với HX tạo ra gốc X* có năng lượng thấp hơn
Quá trình tái sinh của HX được duy trì khi gốc tự do X* phản ứng với gốc hydrocarbon
RH + X* = R* + HX
Những chất chậm cháy có chứa halogen có khă năng ngăn cản sự sinh thành của các gốc tự do hoạt động H* và OH*, và tạo ra các gốc ít hoạt động hơn
Với khă năng gài bẫy gốc tự do cao và khả năng phâ hủy ở nhiệt độ n thấp, chất chậm cháy có chứa halogen đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, và trên nhiều loại vật liệu khác nhau
Tuy nhiên, với những tiêu chuẩn đối với chất phụ gia chậm cháy hiện nay, các chất chậm cháy có chứa halogen ngày càng bị hạn chế sử dụng do vẫn còn giải phóng chất độc hại trong quá trình cháy
1.5.2 Hợp chất chậm cháy chứa phospho hữu cơ
Các chất chậm cháy chứa phospho có tác dụng chậm cháy trong pha khí, hay pha rắn, hoặc đồng thời cả hai pha Tuy vậy, tác dụng chậm cháy của nó chủ yếu thể hiện trên pha rắn
Ở nhiệt độ cao, các chất này có thể bị phân hủy tạo thành axit phosphoric và hình thành lớp màng bảo vệ bao phủ trên bề mặt vật liệu Hiệu ứng đó thể hiện rõ nhất trong các vật liệu có chứa nhiều oxy như cellulose, bông, gỗ hay một số loại nhựa
Những quá trình sau đây có thể xảy ra trong pha đông đặc khi có mặt của các chất phụ gia chậm cháy:
- Axit phosphoric sinh ra tạo thành màng lỏng bao phủ lên bề mặt vật
Trang 19- Màng lỏng đó có thể tiếp tục được hình thành với sự tham gia của của một số chất khác sinh ra khi bị nhiệt phân cùng với axit phosphoric
1.5.3 Hợp chất chậm cháy chứa nitơ
Hợp chất chậm cháy chứa nitơ là một trong những hợp chất chậm cháy quan trọng không chứa halogen được sử dụng rộng rãi trong các vật liệu như polyme hay nhựa, bởi khă năng ngăn cản sự tạo thành khói trong quá trình phân hủy cũng như không phát sinh ra khí độc hại Tuy nhiên so với các chất khác, các chất chậm cháy chứa nitơ được sử dụng còn rất hạn chế, và chủ yếu tập trung vào một số hệ polyme có chứa ni tơ như polyurethanes, polyamides, PVC, polyolefins và trong một số hệ sơn
Trong số những chất chậm cháy có chứa nitơ được sử dụng thì một số chất như melamine, melamine cyanurate, các muối của melamine, guanidine được sử dụng phổ biến hơn Bên cạnh đó, một số dẫn xuất của melamine còn được sử dụng kết hợp với các chất chậm cháy có chứa phospho ví dụ như trong nhựa nhiệt rắn
1.5.4 Các chất chậm cháy hệ vô cơ
Một số hợp chất vô cơ có thể phù hợp để làm phụ gia chậm cháy cho các vật liệu Thông thường chúng là các chất có nhiệt độ phân hủy trong khoảng từ 150 đến 500 Không giống như các chất hữu cơ, các chất vô °C
vơ không bị bay hơi dưới tác dụng của nhiệt, thay vào đó, chúng bị phân hủy nhiệt và có thể tạo ra các khí không duy trì sự cháy như CO2, hay hơi nước Các khí không duy trì sự cháy này có tác dụng pha loãng các gốc tự
do hình thành trong quá trình cháy, và ngăn cản sự thâm nhập của oxy đến
bề mặt vật liệu, từ đó ngăn cản quá trình cháy diễn ra Thêm vào đó, quá trình phân hủy của các chât vô cơ là các quá trình thu nhiệt, do vậy sự phân hủy kèm theo là quá trình làm giảm nhiệt độ của vật liệu, làm cho quá trình cháy được hạn chế hoặc loại bỏ Một số chất chậm cháy hệ vô cơ phổ biến bao gồm: borax, nhôm hydroxide, magie hydroxide, amoni polyphosphate…
Trang 20- Hợp chất borax hay axit boric
Hiệu ứng chậm cháy của các chất này chủ yếu tác dụng trên pha đông đặc Cơ chế chậm cháy của chúng là các quá trình thu nhiệt, từng bước giải phóng hơi nước và hình thành màng lỏng bao phủ bề mặt vật liệu, ngăn cản quá trình khuếch tán của oxy vào trong vật liệu, và giảm thiểu sự phát sinh khói trong quá trình cháy cũng như sự truyền nhiệt từ môi trường lên vật liệu Hệ chậm cháy tương đối phổ biến là hỗn hợp kẽm borate và axit boric (2ZnO.3B2O3.3,5H2O) có tác dụng chậm cháy tốt cho vật liệu PVC
- Nhôm hydroxide
Trong các phụ gia chậm cháy hệ vô cơ, nhôm hydroxide được sử dụng rộng rãi nhất do giá thành rẻ và khả năng tương thích với nhiều loại nhựaNhôm hydroxide phân hủy ở nhiệt độ khoảng từ 180°C tới 200°C, tạo thành 66% Al2O3 và 34% H2O đồng thời thu một lượng nhiệt lớn Chính vì vậy, nhôm hydroxide là một trong những chất phụ gia chậm cháy hiệu quả 2Al(OH)3= Al2O3 3H+ 2O - 298 kJ/mol
Hơi nước sinh ra từ phản ứng có tác dụng pha loãng gốc tự do sinh ra trong quá trình cháy của vật liệu, từ đó ngăn cản quá trình cháy xảy ra
Hình 5 Cơ chế tác dụng của tác nhân chậm cháy nhôm hydroxit
- Magie hydroxide
Trang 21Tác dụng chậm cháy của magie hydroxide tương tự như đối với nhôm hydroxide nhưng quá trình nhiệt phân của nó xảy ra ở nhiệt độ cao hơn, từ 300°C đến 330°C
Mg(OH)2 = MgO + H2O – 200 kJ/molChính vì vậy, magie hydroxide chủ yếu được sử dụng làm chất phụ gia chậm cháy cho nhựa yêu cầu nhiệt độ cao hơn, ví dụ như polyporpylene
- Amoni polyphosphate (APP)
Amoni polyphosphat là muối vô cơ của axit polyphosphoric và amoniac, có công thức tổng quát dạng (NH4PO3)n với chiều dài mạch có thể thay đổi trong phạm vi rộng; n có thể cao hơn 1000 Những chuỗi có mạch ngắn n<100 (dạng APP I), nhạy cảm với nước và ít ổn định hơn so với những mạch phân tử dài hơn n>1000 (dạng APP II)
Hình 6 Sơ đồ ấ c u trúc phân tử của amoni polyphosphat
Sự phân hủy nhiệt của APP tạo thành các nhóm hydroxyl có tính axit
tự do, đối với những vật liệu có phân tử oxy và nitơ, axit phosphoric xúc tác cho phản ứng để vật liệu tự tạo than hình thành lớp bảo vệ, với những vật liệu không tự hóa than, APP có thể thay đổi cơ chế phân hủy nhiệt của polyme
Trang 22Hình 7 Cơ chế ậ ch m cháy tác nhân amoni polyphosphate
1.6 Tổng quan về tình hình cháy nổ tại Việt Nam
1.6.1 Tình hình cháy, nổ tại Việt Nam
Năm 2016, tình hình cháy, nổ trên cả nước có nhiều diễn biến phức tạp, khó lường Theo thống kê, cả nước đã xảy ra 3006 vụ cháy, trong đó:
23 vụ nổ làm chết 7 người, bị thương 48 người, thiệt hại về tài sản khoảng 1,4 tỷ đồng
Qua phân tích,tình hình cháy, nổ gây thiệt hại nghiêm trọng về người
và tài sản tập trung chủ yếu cháy nhà dân, nhà liền kề (1290 vụ ~ 42,9%)
và một số loại hình cơ sở có nguy hiểm về cháy, nổ gồm: Khu công nghiệp, chung cư, cơ sở cho thuê mặt bằng để kinh doanh, ngoài ra năm 2016 nổi lên tình hình cháy tại cơ sở kinh doanh dịch vụ vui chơi, giải trí như vũ
Trang 231.6.2 Các nguyên nhân gây cháy, nổ phổ biến hiện nay
• Cháy do nhiệ ột đ cao đ s c đ t cháy m t s ch t như que diêm, dăm ủ ứ ố ộ ố ấbào, gỗ khi hàn hơi, hàn điện, …
• Nguyên nhân tự ố b c cháy: g thông 250, gi y 184, v i s i hoá h c ỗ ấ ả ợ ọ
180
• Cháy do tác dụng c a hoá ch t, do ph n ng hóa h c: m t vài ch t ủ ấ ả ứ ọ ộ ấnào đó khi tác dụng với nhau sẽ gây ra hi n tư ng cháy ệ ợ
• Cháy do điện: khi ch t cách đi n b hư h ng, do quá t i hay ng n ấ ệ ị ỏ ả ắ
mạch chập đi n, dòng đi n tăng cao gây nóng dây dệ ệ ẫn, do hồ quang
đi n sinh ra khi đóng c u dao điệ ầ ện, khi cháy cầu chì, chạm mach, …
• Cháy do ma sát tĩnh điện c a các v t th ch t cháy v i nhau, như ma ủ ậ ể ấ ớsát mài, …
• Cháy do tia bứ ạc x : tia n ng m t tr i khi ti p xúc vớắ ặ ờ ế i nh ng h n h p ữ ỗ ợcháy, nắng rọi qua những tấm thủy tinh lồi có thể ộ h i tụ ứ s c nóng tạo thành nguồn
• Cháy do sét đánh, tia lửa sét
• Cháy do áp suất thay đ i đổ ột ng t: trư ng h p này d gây n hơn gây ộ ờ ợ ễ ổcháy Khi đ nưổ ớc ngu i vào nư c kim lo i nóng chảy gây nổ; vì khi ộ ớ ạ
nước nguộ ặi g p nhiệ ột đ cao s b c hơi, t c khẽ ố ứ ắc kéo theo tăng áp suất gây nổ VD: Chất pH3 bình thường không gây n khi có oxy, ổnhưng khi hạ áp su t xu ng l i gây ra nổ ấ ố ạ
• Cháy nổ trong công nghi p: trong công nghi p hay dùng các thiệ ệ ết bị
có nhiệ ột đ cao như lò đ t, lò nung, các đư ng ống dẫố ờ n khí cháy, các
b ể chứa nhiên liệu dễ cháy gặp lửa hay tia ử l a điện có thể gây cháy,
n ổ
Các vụ cháy do ch p đi n chi m đ n kho ng 70% Trong các đám ậ ệ ế ế ảcháy, ng n lọ ửa ban đầu chỉ ấ r t nhỏ, bởi có các vật liệu dễ ắ b t cháy như vải, xốp, giấy nên ngọn lửa lan nhanh chóng trên phạm vi rộng, hình thành những đám cháy r t lớấ n gây thiệt h i vạ ề ngư i và của ờ
Trang 241.6.3 Các phương pháp phòng chống cháy nổ hữu hiệu nhất hiện nay
• Nên che chắn cẩn thận khi dùng các thiết bị hàn có tình trạng phóng tia lửa điện
• Không dùng lửa để kiểm tra các thiết bị chứa chất dễ cháy như bình gas trong bếp, xăng dầu trong bình hoặc những nơi có nguy cơ gây cháy
• Tắt bếp, thiết bị điện khi ngừng sử dụng, không nên làm việc này và việc kia cùng lúc vì dễ dẫn đến tình trạng quên tắt thiết bị
• Sử dụng thiết bị điện đúng công suất để đảm bảo sự an toàn cho chính bạn và những người xung quanh
• Không lưu trữ những chất dễ gây cháy nổ khi không được phép của
cơ quan có chức năng Phải đảm bảo đúng tiêu chuẩn phòng cháy của cơ quan chức năng khi được phép lưu trữ
• Khi có cháy, cần ngắt các thiết bị điện trong gia đình qua công tắc điện tổng bằng gậy, chất cách điện
• Sử dụng bình chữa cháy gần nhất để dập tắt các đám lửa nhỏ không liên quan đến xăng, dầu…
• Tuyệt đối không sử dụng nước để dập lửa phát ra từ xăng, dầu vì các chất trên nhẹ hơn nước nên sẽ khiến ngọn lửa nhanh chóng lan rộng, khó khống chế
Thành phần nguyên liệu trong chế tạo các sản phẩm sơn chống cháy
có rất nhiều nhưng cùng chung qu chế hoạt động Một số nguyên liệu phổ y
Trang 251.7.1 Một số nghiên cứu về màng phủ chống cháy trên thế giới
Màng phủ nano thủy tinh lỏng trong suốt
Công nghệ màng phủ nano thuỷ tinh lỏng là công nghệ phun một lớp chất lỏng không độc, không màu trong suốt giống như thuỷ tinh lên trên
bề mặt cần phủ và tạo thành lớp màng bảo vệ siêu mỏng Lớp màng mỏng
có độ dày từ 15÷30 phân tử (nhỏ hơn khoảng 500 lần so với chiều dày tóc con người) Ở dải kích cỡ nano này (10-6mm), màng nano thuỷ tinh lỏng tạo ra những lớp màng đàn hồi không nhìn thấy, giống như tính chất của vật liệu thuỷ tinh đẩy lùi tất cả các chất bám vào từ chất lỏng tới bụi, và thậm chí cả vi khuẩn Ngoài ra, màng vật liệu này còn bền nhiệt, axit, tia
UV, có thể thở, an toàn với thực phẩm, thân thiện với môi trường Do vậy, màng phủ nano thuỷ tinh lỏng đang được nghiên cứu ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực
Công nghệ màng phủ kích cỡ nano có những tính chất khác thường,
ưu việt, tốt hơn rất nhiều so với công nghệ màng phủ kích cỡ micro, macro Do đó, màng phủ nano thuỷ tinh lỏng là loại màng phủ đa tính năng, có thể bảo vệ hầu hết trên tất cả các bề mặt vật liệu Thành phần chủ yếu của dung dịch thuỷ tinh lỏng gồm hạt nano SiO2 được phân tán đều và lưu giữ trong dung môi nước hoặc etanol Các hạt nano SiO2được chế tạo từ công nghệ sol gel hoặc chiết tách từ cát -thạch anh Trong dung dịch thuỷ tinh lỏng không có chất kết dính polyme
và phụ gia hoá học, khi phun lên trên các bề mặt vật liệu thì các hạt nano SiO2 polyme hoá nhanh tại nhiệt độ phòng trong khoảng nửa giờ và bám dính lên trên bề mặt nhờ lực liên kết lượng tử (hoặc liên kết Vander-Vaal) Các hạt nano SiO2 phân tán đều trong dung môi nước được sử dụng thích hợp để phun bảo vệ bề mặt như đá, gỗ, vải Ngược lại, những hạt nano SiO2 phân tán trong dung môi cồn thường sử dụng để phun bảo vệ các bề mặt kim loại, thuỷ tinh và những bề mặt vật liệu đã được sơn phủ trước đó Hầu hết các bề mặt vật liệu đều có thể được bảo vệ bằng công
Trang 26nghệ màng phủ nano thuỷ tinh lỏng, ngoại trừ nilon và các bề mặt không bám Tất cả các bề mặt cần phải được làm sạch trước khi phun lớp màng nano thuỷ tinh lỏng.
Màng phủ có thể chịu được nhiệt độ từ -1500C tới 4500C Do đó, sử dụng được trong lò vi sóng, máy giặt, tủ lạnh
Lớp phủ chống cháy cho gỗ bằng nhựa nhiệt dẻo, alumin trihydrat và sợi thủy tinh
Các phương pháp chữa cháy bằng gỗ thông thường sử dụng các chế phẩm ăn mòn như là tri ammonium phosphate, rượu polyhydric và các chất -
có tính bào mòn Khi tiếp xúc với ngọn lửa, phosphate amoni phân hủy, hấp thụ nhiệt để giảm nhiệt độ của mặt hàng tráng Thông thường, khí thải
ra từ các lớp phủ ngoài đang bị nhiễm độc
Polyme halogen hóa cũng được sử dụng làm chất chống cháy Brom
và clo được sử dụng phổ biến nhất trong các loại polyme epoxy, polyeste
và nhựa vinyl Ngoài ra, các chất vô cơ như kẽm borat và oxit antimon được thêm vào để làm giảm khả năng dễ cháy của lớp phủ Cũng như các lớp phủ ngoài, các lớp phủ polymer halogen hóa này cũng thải ra khí độc cao Khả năng kháng cháy của các chất nền gỗ cũng đã đạt được ở một mức độ nào đó bằng cách áp dụng áp suất gỗ bằng silicat, phosphate và borat Khả năng chống cháy đạt được với các phương pháp xử lý này không hoàn toàn vĩnh cửu do vật liệu bị mất trên bề mặt khi chịu được thời tiết, và sự mất mát này đặc biệt cấp tính với lớp phủ được xử lý bề mặt mà thiếu độ bền vĩnh cửu của lớp phủ đã ngâm tẩm.Ngoài ra, độc tính của các sản phẩm phân hủy có thể là một vấn đề với các chất chống cháy
Alumina trihydrate là chất liệu lý tưởng để đạt được chất chống cháy
vì nó thải hơi nước ra khi được làm nóng ở nhiệt độ khoảng 280 độ F Sự
Trang 27Lớp phủ chống cháy cho vật liệu lignocellulosic
Vật liệu Lignocellulosic, chủ yếu bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin, rất dễ cháy Các vật liệu này bao gồm gỗ cứng, ván ép ván ép, gỗ xẻ song song, sợi gỗ, ván ép, ván MDF, ván ép, ván dăm, ván trượt theo định hướng (OSB) và rơm Vì vậy, nghiên cứu tạo lớp phủ chống cháy cho vật liệu lignocellulosic là rất cần thiết
Lớp phủ của sáng chế này tốt bao gồm các hạt than chì có thể mở rộng, vật liệu hấp thụ rắn, chất kết dính polymer, vật liệu carbonific, chất thổi và dung môi Trong phương án được ưu tiên, các hạt than chì có thể
mở rộng bao gồm từ khoảng 20 đến khoảng 95% trọng lượng của lượng kết hợp các hạt graphit có thể giãn nở và vật liệu hấp thụ rắn Chất kết dính polymer bao gồm từ 5 đến 50% trọng lượng của lượng kết hợp của chất kết dính polyme, các hạt than chì có thể giãn nở, và vật liệu hấp thụ rắn
Các hạt than chì có thể giãn nở nhiệt có đặc tính chống cháy hiệu quả
và giảm đáng kể mật độ khói và thời gian tự dập tắt của chất kết dính polymeric được bảo dưỡng mà không ảnh hưởng bất lợi đến các tính chất vật lý của các chế phẩm phủ Các hạt than chì có thể giãn nở được nhiệt độ
và có nhiệt độ khởi động từ khoảng 130°C đến khoảng 500°C Các hạt trải qua sự giãn nở khi tiếp xúc với nhiệt và ngọn lửa Cụ thể hơn, thể tích của các hạt này có thể tăng đến hơn 80 lần lượng thể tích ban đầu của chúng chỉ trong vài giây
1.7.2 Một số nghiên cứu về màng phủ chống cháy tại Việt Nam
Sơn nano chống cháy, chống đạn từ vỏ trấu
Từ vỏ trấu, PGS TS Nguyễn Thị Hòe Chủ tịch Tập đoàn sơn Kova - - -
đã chiết xuất thành công nguyên liệu nano, ứng dụng vào sản xuất nhiều dòng sơn độc đáo như: Sơn tự làm sạch, sơn đá nghệ thuật, sơn kháng khuẩn, sơn chống cháy và thậm chí là sơn chống đạn Đây là loại sơn
Trang 28chống cháy hệ nước, sử dụng công nghệ nano từ vỏ trấu đầu tiên trên thế giới.
Vỏ trấu được phân tích rồi xay ra, trộn với compozit thành từng tấm lợp, sau đó bắt đầu nghiên cứu tách silicat nano từ trấu để sản xuất sơn cao cấp
Sản phẩm silicat nano từ vỏ trấu có giá trị lớn gấp trăm lần so với trấu, được dùng cho nhiều lĩnh vực như sơn, chống thấm, mỹ phẩm, dược phẩm, vi tính Vỏ trấu chiếm từ 20 50% lượng nguyên liệu trong- các sản phẩm sơn của Kova Bằng việc biến tính colloidal được tổng hợp từ - silicat nano - để ứng dụng vào lĩnh vực chất phủ, sơn nano từ vỏ trấu có chất lượng thậm chí cao hơn các vật liệu khác về độ bóng, độ cứng của màng sơn, khả năng chịu nhiệt, chống thấm, chống bám bụi, rêu mốc
Hình 8 Thực nghiệm đốt cháy hơn 10000C vật liệu phủ sơn chống cháy
nano vỏ làm từ vỏ trấu
Được tạo bằng công nghệ nano, dòng sơn này có hàm lượng chất hữu
cơ bay hơi rất thấp, khả năng chịu nhiệt khoảng 1000o C trong vòng 6 giờ, gấp 3 lần bình thường Khi tiếp xúc lửa, sơn sẽ phồng lên tạo nên một bề
Trang 29Thử nghiệm cho thấy chất lượng sơn còn vượt trội hơn các sản phẩm cùng loại của nước ngoài như Singapore, đặc biệt là Đức, một nước đang dẫn đầu về công nghệ sơn chống cháy trên thế giới.
Hình Bên phải là gỗ phủ sơn chống cháy công nghệ nano vỏ trấu bị đốt 9
hơn 1 giờ vẫn không thủng Bên trái là gỗ phủ sơn chống cháy của Đức bị đốt sau 22 phút
Nghiên cứu và sản xuất ván ghép thanh chậm cháy từ gỗ thông và cao su
Ngày nay, nhu cầu sử dụng gỗ và các sản phẩm từ gỗ rất cao Gỗ có rất nhiều ưu điểm để thỏa mãn những nhu cầu cần thiết cho đời sống con người như: Gỗ có màu sắc, vân thớ đẹp, dễ nhuộm màu và dễ trang sức tạo hoa văn bề mặt; cách điện, cách nhiệt, ngăn âm tốt, nhiệt giãn nở bé; nhẹ, khối lượng thể tích trung bình từ 0,5-0,7g/cm3 nên rất thuận tiện cho việc vận chuyển nhất là vận chuyển thủy; gỗ mềm nên có thể dùng máy móc, công cụ để cưa xẻ, khoan bào, tách chẻ với vận tốc cao; dễ phân ly bằng hóa chất dùng để sản xuất giấy và tơ nhân tạo Gỗ là vật liệu tốt và đẹp nhưng dễ cháy Do đó, việc tìm ra biện pháp để ngăn chặn khả năng cháy
và bắt lửa nhanh của gỗ là rất quan trọng