luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp amoni polyphotphat app appdiatomit appbentonit và khảo sát ứng dụng làm chất chống cháy

Đißu này đã đặt ra cho lĩnh vực vÃt liệu nhißu khó khăn, thách thāc trong việc nghiên cāu tìm ra các chất, phā gia có khÁ năng bÁo vệ chống cháy, làm chÃm cháy tốt nhằm kìm hãm sự phát t

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O

ĐẠI HàC BÁCH KHOA HÀ NàI -

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O

ĐẠI HàC BÁCH KHOA HÀ NàI -

TÂP THà H¯âNG DÀN KHOA HàC:

1 PGS TS LA TH¾ VINH 2 TS NGUYàN QUANG BÂC

Hà Nái – 2023

i

LỜI C¾M ¡N

LuÃn án đ°ÿc hoàn thành d°ãi sự h°ãng dÁn hết sāc tÃn tình và đầy nhiệt tâm cÿa PGS TS La Thế Vinh và TS Nguyễn Quang Bắc Em xin đ°ÿc bày tỏ lòng biết ¡n sâu sắc đến các thầy và gia đình

Tôi xin chân thành cÁm ¡n các thầy cô giáo Bá môn Công nghệ các chất vô c¡- Viện Kỹ thuÃt hóa hác – Đ¿i hác Bách khoa đã t¿o đißu kiện thuÃn lÿi cho tôi trong quá trình thực hiện luÃn án

Tôi xin gửi lßi cÁm ¡n đến Ban Giám hiệu tr°ßng Đ¿i hác Phòng cháy chữa cháy - Bá Công an, cùng quý anh/chß/em đồng nghiệp gần xa đã tÃn tình giúp đỡ, đáng viên trong suốt thßi gian hác tÃp và nghiên cāu

Cuối cùng, tôi xin dành tình cÁm đặc biệt đến gia đình, ng°ßi thân những ng°ßi đã luôn mong mỏi, đáng viên và tiếp sāc đá tôi có thá hoàn thành bÁn luÃn án này

Hà Nái, tháng 10/2023

Tác gi¿ luÁn án

TrÃn Thß Thßnh

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cāu cÿa riêng tôi d°ãi sự h°ãng dÁn cÿa PGS TS La Thế Vinh và TS Nguyễn Quang Bắc Các số liệu trích dÁn đßu có nguồn gốc từ các công trình, t¿p chí uy tín, các kết quÁ trong luÃn án là trung thực và ch°a từng đ°ÿc công bố trong bất kỳ luÃn án nào khác

1 1 1 Khái niệm vß cháy 1

1 1 2 Những yếu tố và đißu kiện cần thiết cho sự cháy 1

1 1 2 1 Các yếu tố cần thiết cho sự cháy 1

1 1 2 2 Đißu kiện cần thiết cho sự cháy 1

1 1 3 C¡ chế bắt cháy 2

1 1 3 1 C¡ chế nhiệt 2

1 1 3 2 C¡ chế chußi 2

1 1 4 Sự phân hÿy nhiệt và bắt cháy cÿa chất cháy rắn 4

1 1 4 1 Sự phân huỷ nhiệt cÿa chất cháy rắn 4

1 1 4 2 Sự bắt cháy và cháy cÿa chất rắn 4

1 1 5 Mát số vÃt liệu cần bÁo vệ trong đißu kiện cháy 5

1 2 1 Giãi thiệu vß chất chống cháy 14

1 2 2 Vai trò cÿa chất chống cháy trong vÃt liệu 15

1 2 3 Các c¡ chế chống cháy 15

1 2 3 1 C¡ chế vÃt lý 16

iv

1 2 3 2 C¡ chế hóa hác 17

1 2 4 Phân lo¿i các chất phā gia chống cháy 18

1 2 4 1 Hÿp chất halogen hữu c¡ 18

1 2 4 2 Hÿp chất chÃm cháy chāa phospho hữu c¡ 20

1 2 4 3 Hÿp chất chống cháy chāa nit¡ 21

1 2 4 4 Các chất chống cháy hệ vô c¡ 22

1 3 Tổng quan vß amoni polyphotphat, diatomit, bentonit 24

1 3 1 Amoni polyphotphat (APP) 24

1 3 1 1 Giãi thiệu vß APP 24

2 2 4 Ph°¡ng pháp chế t¿o giấy có đán APP, APP/phā gia 37

2 2.5 Ph°¡ng pháp chế t¿o giấy ngâm t¿m APP, APP/phā gia 38

2 2 6 Ph°¡ng pháp chế t¿o s¡n chāa phā gia, hßn hÿp phā gia 39

2 3 Các ph°¡ng pháp xác đßnh đặc tr°ng vÃt liệu 39

2 3 1 Ph°¡ng pháp nhiễu x¿ tia X (X-ray diffraction: XRD) 39

2 3 2 Ph°¡ng pháp kính hián vi điện tử quét SEM 40

2 3 3 Ph°¡ng pháp phổ hồng ngo¿i (FTIR) 41

v

2 3 4 Ph°¡ng pháp phân tích nhiệt (TG) 42

2 4 Ph°¡ng pháp thử cháy cÿa vÃt liệu 42

2 4 1 Thử cháy cho giấy 42

2 4 2 Thử cháy cho s¡n trên bß mặt gß, thép 43

CH¯¡NG 3 K¾T QU¾ VÀ TH¾O LUÀN 44

3 1 Nghiên cāu tổng hÿp phā gia APP 44

3 1 1 Ành h°áng cÿa tỷ lệ axit photphoric : Ure tãi đá tan cÿa APP 44

3 1 2 Ành h°áng cÿa thßi gian phÁn āng đến hiệu suất t¿o APP 45

3 1 3 Ành h°áng cÿa nhiệt đá phÁn āng đến màu sắc và hiệu suất t¿o APP 46 3 1 4 Ành h°áng cÿa nhiệt đá sấy tãi hiệu suất sÁn ph¿m 47

3 1 5 KhÁo sát mát số tính chất cÿa sÁn ph¿m APP 49

3 1 5 1 Xác đßnh các đặc tr°ng liên kết bằng phổ hồng ngo¿i FTIR 49

3 1 5 2 Nghiên cāu khÁ năng bßn nhiệt cÿa sÁn ph¿m APP tổng hÿp 49

3 1 5 3 KhÁo sát cấu trúc tinh thá cÿa sÁn ph¿m APP tổng hÿp 50

3 2 Tổng hÿp hệ phā gia APP/Bentonit và khÁo sát đặc tr°ng tính chất 51

3 2 1 Chế t¿o mÁu AB1 51

3 2 1 1 Ành h°áng cÿa tỷ lệ mol Bentonit: APP đến đá tan sÁn ph¿m 51

3 2 1 2 Ành h°áng cÿa nhiệt đá hấp phā tãi đá tan sÁn ph¿m 52

3 2 1 3 Ành h°áng cÿa thßi gian hấp phā đến hiệu suất t¿o sÁn ph¿m 53

3 2 1 4 Ành h°áng cÿa nhiệt đá sấy tãi hiệu suất t¿o AB1 54

3 2 2 Chế t¿o mÁu AB2 55

3 2 1 1 Ành h°áng cÿa tỷ lệ mol Bentonit: APP đến đá tan sÁn ph¿m 55

3 2 1 2 Ành h°áng cÿa thßi gian phÁn āng đến hiệu suất t¿o AB2 56

3 2 1 3 Ành h°áng cÿa nhiệt đá sấy tãi hiệu suất t¿o AB2 56

3 2 3 Phân tích đặc tr°ng liên kết bằng phổ hồng ngo¿i FTIR 57

vi

3 2 4 3 SÁn ph¿m AB2 61

3 2 5 KhÁo sát cấu trúc tinh thá cÿa AB1 và AB2 63

3 2 6 KhÁo sát hình thái hác bß mặt 64

3 3 KhÁo sát tính chất hệ phā gia APP/Diatomit 64

3 3 1 Chế t¿o mÁu AD1 64

3 3 1 1 Ành h°áng cÿa tỷ lệ mol Diatomit: APP đến đá tan sÁn ph¿m 64

3 3 1 2 Ành h°áng cÿa nhiệt đá hấp phā tãi đá tan sÁn ph¿m 65

3 2 1 3 Ành h°áng cÿa thßi gian hấp phā đến hiệu suất t¿o sÁn ph¿m 66

3 3 1 4 Ành h°áng cÿa nhiệt đá sấy tãi hiệu suất t¿o AD1 67

3 3 2 Chế t¿o mÁu AD2 68

3 3 1 1 Ành h°áng cÿa tỷ lệ mol Diatomit : APP đến đá tan sÁn ph¿m 68

3 2 2 3 Ành h°áng cÿa nhiệt đá sấy tãi hiệu suất t¿o AD2 69

3 2 2 4 Ành h°áng cÿa thßi gian sấy tãi hiệu suất t¿o AD2 70

3 3 3 Phân tích đặc tr°ng liên kết APP và Diatomit bằng phổ hồng ngo¿i FTIR 71

3 3 4 Xác đßnh đá bßn nhiệt cÿa APP/Diatomit 73

3 3 5 KhÁo sát hình thái hác bß mặt 75

3 4 Nghiên cāu mát số tính chất vÃt liệu chāa phā gia và hßn hÿp phā gia 76

3 4 1 Giấy chāa APP; APP/Diatomit; APP/Bentonit 76

3 4 1 1 Giấy đán phā gia 76

3 4 1 2 Giấy đ°ÿc phÿ APP lên bß mặt 81

3 4 2 Chế t¿o hệ s¡n chống cháy và khÁo sát mát số tính chất 83

3 4 2 1 Thành phần hệ s¡n chāa phā gia APP, AB2 83

3 4 2 2 KhÁo sát bß mặt lãp s¡n phÿ trên gß sau khi đốt 83

3 4 2 3 KhÁo sát bß mặt lãp s¡n phÿ trên thép tr°ãc và sau khi đốt 87

3 4 3 Xác đßnh đá bßn nhiệt cÿa mát số mÁu s¡n 89

3 4 3 1 MÁu s¡n không sử dāng phā gia chống cháy (MÁu 1 1) 89

3 4 3 2 MÁu s¡n chāa phā gia AB2 (MÁu 3 2b) 90

3 4 4 KhÁo sát hình thái hác bß mặt cÿa mÁu s¡n trên thép sau đốt 91

3 4 4 1 MÁu s¡n không sử dāng phā gia chống cháy (MÁu 1 1) 91

3 4 3 2 MÁu s¡n chāa phā gia AB2 (MÁu 3.2b) 91

K¾T LUÀN 93

vii

NHỮNG ĐÓNG GÓP MâI CþA LUÀN ÁN 94

DANH MþC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BÞ CþA LUÀN ÁN 95

TÀI LIâU THAM KH¾O 96

PHþ LþC 104

AD1 SÁn ph¿m APP/Diatomit chế t¿o theo ph°¡ng pháp trán c¡ hác AD2 SÁn ph¿m APP/Diatomit chế t¿o theo ph°¡ng pháp trùng hÿp t¿i chß AB1 SÁn ph¿m APP/Bentonit chế t¿o theo ph°¡ng pháp trán c¡ hác AB2 SÁn ph¿m APP/Bentonit chế t¿o theo ph°¡ng pháp trùng hÿp t¿i chß MMT Montmorillonite

PA6 nylon 6 NN Nguồn nhiệt

BÁng 3 2 Đißu kiện tối °u tổng hÿp sÁn ph¿m AB1 55

BÁng 3 3 Đißu kiện tối °u cho quá trình tổng hÿp sÁn ph¿m AB2 57

BÁng 3 4 Đißu kiện tối °u tổng hÿp sÁn ph¿m AB1 68

BÁng 3 5 Đißu kiện tối °u cho quá trình tổng hÿp sÁn ph¿m AD2 71

BÁng 3 6 Sự thay đổi khối l°ÿng cÿa các mÁu giấy chāa 25% phā gia khi đốt 80BÁng 3 7 Chißu dài còn l¿i cÿa các mÁu giấy phÿ APP sau khi đốt vãi các tỷ lệ pha loãng khác nhau 82

BÁng 3 8 Sự thay đổi cÿa các mÁu giấy phÿ AB2 vãi các tỷ lệ pha loãng khác nhau 82

BÁng 3 9 Thành phần hệ s¡n (có bổ sung n°ãc) 83

BÁng 3 10 Kết quÁ đốt các mÁu gß đ°ÿc s¡n phÿ sau khi đốt 86

BÁng 3 11 Kết quÁ đốt các mÁu thép đ°ÿc s¡n phÿ sau khi đốt 89

x

DANH MĀC CÁC HÌNH, Đà THÞ

Hình 1 1 Tam giác cháy 2

Hình 1 2 C°ßng đá thép giÁm theo nhiệt đá [3] 7

Hình 1.3 S¡ đồ ngăn ngừa và dÃp cháy[2] 11

Hình 1 4 C¡ chế làm mát cÿa nhôm hydroxit [6] 16

Hình 1 5 PhÁn āng pha khí [6] 17

Hình 1 6 PhÁn āng pha rắn [6] 18

Hình 1 7 Các chất chÃm cháy halogen phổ biến 20

Hình 1 8 Các chất chÃm cháy gốc phốt pho 20

Hình 1 9 Chất chống cháy chāa nit¡ 21

Hình 1 10 C¡ chế chống cháy cÿa amoni polyphotphat 23

Hình 1 11 Cấu trúc cÿa APP 24

Hình 1 12 Cấu trúc cÿa APP I 24

Hình 1 13 Cấu trúc cÿa APP II 25

Hình 2 1 S¡ đồ công nghệ tổng hÿp APP 35

Hình 2 2 S¡ đồ tổng hÿp APP/Diatomit (AD1) 36

Hình 2 3 S¡ đồ tổng hÿp APP/Diatomit (AD2) 36

Hình 2 4 S¡ đồ chế t¿o giấy đán phā gia chống cháy 38

Hình 2 5 S¡ đồ chế t¿o giấy ngâm t¿m phā gia chống cháy 38

Hình 2 6 S¡ đồ chế t¿o s¡n chāa phā gia chống cháy 39

Hình 2 7 Mô tÁ hình hác cÿa đßnh luÃt Bragg 40

Hình 3 1 Ành h°áng cÿa tỷ lệ mol cÿa axit photphoric và urê tãi đá tan cÿa APP 45

Hình 3 2 Ành h°áng cÿa thßi gian phÁn āng đến hiệu suất cÿa phÁn āng 45

Hình 3 3 SÁn ph¿m APP vãi các thßi gian phÁn āng khác nhau 46

Hình 3 4 Ành h°áng cÿa nhiệt đá phÁn āng đến hiệu suất t¿o APP 47

Hình 3 5 Ành h°áng cÿa nhiệt đá phÁn āng đến màu sắc sÁn ph¿m 47

Hình 3 6 Quan hệ giữa nhiệt đá sấy và hiệu suất t¿o sÁn ph¿m 48

Hình 3 7 Ành h°áng cÿa nhiệt đá sấy đến chất l°ÿng sÁn ph¿m APP 48

xi

Hình 3 8 Phổ FTIR cÿa APP tổng hÿp 49

Hình 3 9 Đ°ßng cong TG cÿa APP tổng hÿp 50

Hình 3 10 GiÁn đồ XRD cÿa APP tổng hÿp 51

Hình 3 11 Ành h°áng cÿa tỷ lệ mol Bentonit: APP đến đá tan sÁn ph¿m AB152Hình 3 12 Ành h°áng cÿa nhiệt đá hấp phā đến đá tan cÿa sÁn ph¿m AB1 52

Hình 3 14 Ành h°áng cÿa thßi gian sấy đến chất l°ÿng sÁn ph¿m AB1 54

Hình 3.15 Ành h°áng cÿa tỷ lệ mol đến đá tan cÿa sÁn ph¿m AB2 55

Hình 3 16 Ành h°áng cÿa thßi gian đến hiệu suất cÿa phÁn āng 56

Hình 3 17 Ành h°áng cÿa nhiệt đá đến hiệu suất cÿa phÁn āng 57

Hình 3 18 Phổ FTIR cÿa Bentonit 58

Hình 3 19 Phổ FTIR cÿa AB1 58

Hình 3.20 Phổ FTIR cÿa AB2 59

Hình 3.21 Chồng phổ FTIR cÿa AB1 và AB2 59

Hình 3 22 Đ°ßng cong TG cÿa Bentonit 60

Hình 3 23 Đ°ßng cong TG cÿa AB1 61

Hình 3 24 Đ°ßng cong TG cÿa AB2 62

Hình 3 25 Đ°ßng cong TG cÿa AB1 và AB2 62

Hình 3 26 Nhiễu x¿ XRD cÿa Bentonit 63

Hình 3 2 Nhiễu x¿ XRD cÿa AB1 và AB2 63

Hình 3 28 Ành SEM mÁu Bentonit và các sÁn ph¿m AB1 và AB2 64

Hình 3 29 Ành h°áng cÿa tỷ lệ mol Diatomit: APP đến đá tan sÁn ph¿m AD165Hình 3.30 Ành h°áng cÿa nhiệt đá hấp phā đến đá tan cÿa sÁn ph¿m AD1 66

Hình 3 31 Ành h°áng cÿa thßi gian hấp phā đến hiệu suất cÿa sÁn ph¿m AB166Hình 3.32 Ành h°áng cÿa nhiệt đá sấy đến hiệu suất t¿o AB2 67

Hình 3 33 Ành h°áng cÿa tỷ lệ khối l°ÿng đến đá tan cÿa sÁn ph¿m AB2 68

Hình 3 34 Ành h°áng cÿa thßi gian đến hiệu suất cÿa phÁn āng 69

Hình 3 35 Ành h°áng cÿa nhiệt đá sấy đến hiệu suất cÿa phÁn āng t¿o AD2 70Hình 3 36 Ành h°áng cÿa thßi gian sấy đến hiệu suất cÿa phÁn āng t¿o AD2 70Hình 3 37 Phổ FTIR cÿa Diatomit 72

Hình 3 38 Phổ FTIR cÿa AD1 72

xii

Hình 3 39 Phổ FTIR cÿa AD2 73

Hình 3 40 Phổ chồng FTIR cÿa APP, Diatomit, AD2 73

Hình 3 41 Đ°ßng cong TG cÿa Diatomit 74

Hình 3 42 Đ°ßng cong TG cÿa AD1 74

Hình 3 43 Đ°ßng cong TG cÿa AD2 75

Hình 3 44 Ành SEM mÁu AD2 76

Hình 3 45 Ành SEM mÁu giấy chāa APP 76

Hình 3.46 Ành SEM mÁu giấy chāa AB1 và AB2 77

Hình 3.47 Phổ FTIR cÿa mÁu giấy GAB1 (chāa AB1) và GAB2 (chāa AB2) 77Hình 3 48 Phổ chồng FTIR cÿa mÁu giấy GAB1 và GAB2 78

Hình 3.49 Nhiễu x¿ XRD cÿa mÁu giấy GAB1 (chāa AB1) 78

Hình 3.50 Nhiễu x¿ XRD cÿa mÁu giấy GAB2 (chāa AB2) 79

Hình 3.51 Nhiễu x¿ XRD cÿa AB2 và mÁu giấy chāa AB2 79

Hình 3.52 Các mÁu giấy chāa phā gia sau khi đốt 80

Hình 3.53 Ành SEM mÁu giấy 81

Hình 3 54 Bß mặt mÁu gß sau khi đốt 84

Hình 3 55 Bß mặt mÁu gß phÿ hệ s¡n chāa APP sau khi đốt 84

Hình 3.56 Bß mặt mÁu gß phÿ hệ s¡n chāa AB2 sau khi đốt 85

Hình 3 57 Bß mặt thép s¡n phÿ mÁu 1.1 (a)và 1.2 (b) tr°ãc và sau khi đốt 87

Hình 3 58 Bß mặt mÁu thép phÿ hệ s¡n chāa APP tr°ãc và sau khi đốt 88

Hình 3 59 Bß mặt mÁu thép phÿ hệ s¡n chāa AB2 tr°ãc và sau khi đốt 88

Hình 3 60 Phổ TG cÿa mÁu s¡n 1.1 89

Hình 3 61 Phổ TG cÿa mÁu s¡n 3.2b 90

Hình 3 62 Ành SEM cÿa mÁu s¡n 1.1 trên thép sau đốt 91

Hình 3 63 Ành SEM cÿa mÁu s¡n 3 2b trên thép sau đốt 92

xiii

M Đ

Ngày nay, tr°ãc yêu cầu phát trián cÿa nßn kinh tế, xã hái, quá trình công nghiệp hóa, hiện đ¿i hóa diễn ra ngày mát m¿nh mẽ Nhißu khu đô thß, khu công nghiệp, khu chế xuất trung tâm th°¡ng m¿i, nhà cao tầng đ°ÿc đầu t° xây dựng vãi mÃt đá cao Song song vãi đó là nguy c¡ cháy, nổ và tính chất phāc t¿p cÿa công tác phòng cháy chữa cháy cũng không ngừng gia tăng Số vā cháy, nổ lãn gây thiệt h¿i nghiêm tráng vß ng°ßi và tài sÁn tăng lên đáng ká Theo thống kê tình hình cháy, nổ trong 10 năm (2012 ÷ 2021) và 06 tháng đầu năm 2022, cÁ n°ãc đã xÁy ra 30 606 vā cháy Trong đó, mát số vā cháy lãn đián hình gây thiệt h¿i nghiệm tráng vß ng°ßi nh°: Vā cháy t¿i khu nhà x°áng trong ngách 56, ngõ 1 phố Đ¿i Linh, Trung Văn, Hà Nái, ngày 12/4/2019 làm 08 ng°ßi chết; Vā cháy t¿i chung c° Carina Plaza, QuÃn 8, TP Hồ Chí Minh, ngày 23/03/2018 làm 13 ng°ßi thiệt m¿ng, 60 ng°ßi bß th°¡ng và thiệt h¿i °ãc tính khoÁng 4 000 tỷ đồng; Vā cháy gần đây nhất gây thiệt h¿i nghiêm tráng vß ng°ßi là vā cháy t¿i quán karaoke An Phú, TP ThuÃn An, tỉnh Bình D°¡ng, ngày 06/9/2022 làm 32 ng°ßi tử vong và hàng chāc ng°ßi bß th°¡ng& Nguyên nhân trực tiếp dÁn đến các thiệt h¿i nghiêm tráng vß ng°ßi trong các vā cháy nêu trên đ°ÿc chỉ ra là do nhiệt đá, khói và khí đác đ°ÿc sinh ra từ quá trình cháy các chất cháy là hàng hóa, đồ dùng, vÃt dāng, nái thất trang trí cÿa công trình và đặc biệt nguy hiám là khi chúng đ°ÿc làm từ các vÃt liệu dễ cháy, dễ bắt lửa Vì vÃy, mát trong những nguyên tắc c¡ bÁn vß phòng cháy chữa cháy trong quá trình đầu t° xây dựng là phÁi sử dāng các vÃt liệu không cháy hoặc khó cháy và khÁ năng sinh khói, khí đác thấp Đißu này đã đặt ra cho lĩnh vực vÃt liệu nhißu khó khăn, thách thāc trong việc nghiên cāu tìm ra các chất, phā gia có khÁ năng bÁo vệ chống cháy, làm chÃm cháy tốt nhằm kìm hãm sự phát trián cÿa đám cháy cũng nh° đÁm bÁo tính toàn vẹn cho công trình, qua đó h¿n chế thiệt h¿i do các vā cháy gây ra Hiện nay, mát số lo¿i vÃt liệu chống cháy đ°ÿc sử dāng khá phổ biến trên thế giãi là s¡n và màng phÿ chống cháy đá cách ly vÃt liệu vãi nguồn cháy, tăng khÁ năng chßu lửa cho các kết cấu, cấu kiện xây dựng và các chi tiết trang trí, nái thất xây dựng khác trong nhà, công trình

Việt Nam và thế giãi đang sử dāng phā gia chống cháy đang tÃp trung 2 nhóm vÃt liệu: hÿp chất chống cháy gốc hữu c¡ nh°: chāa clo, brom, nh°: decabromodiphenyl

xiv

oxit (DECA), tetrabromobisphenol A (TBBA), hexabromocyclododecane (HBCD),

t¿o ra các khí đác trong quá trình cháy, nh°: Cl2, brom Ánh h°áng trực tiếp đến môi tr°ßng và tính m¿ng cÿa con ng°ßi Do đó, nhißu n°ãc trên thế giãi thế giãi khuyến cáo h¿n chế sử dāng Hệ chống cháy hay chÃm cháy từ các hÿp chất vô c¡ nh° hÿp chất chāa nito, photpho, nhôm hydroxit, borac, ngoài khÁ năng chống cháy tốt thì có tính thân thiện vãi môi tr°ßng và an toàn đối vãi con ng°ßi nên đ°ÿc nhißu n°ãc trên thế giãi °u tiên sử dāng

Xuất phát từ những vấn đß nêu trên Nghiên cāu sinh đã chán đß tài <Nghiên cứu

tổng hợp amoni polyphotphat (APP), APP/Diatomit, APP/Bentonit và khảo sát ứng dụng làm chất chống cháy= làm luÃn án tiến sĩ nhằm phân tích, đánh giá, cÁi thiện

khÁ năng chßu lửa, chống cháy cho mát số vÃt liệu phổ biến (gß, giấy, thép&) đ°ÿc sử dāng trong nhà, công trình đồng thßi làm chÿ công nghệ sÁn xuất, chế t¿o vÃt liệu á Việt Nam, āng dāng trong công tác Phòng cháy chữa cháy có hiệu quÁ

2 Nái dung cÿa nghiên cāu:

- Nghiên cāu tổng hÿp APP từ axit photphoric và ure - Nghiên cāu tổng hÿp hệ phā gia APP/bentonit - Nghiên cāu tổng hÿp hệ phā gia APP/diatomit

- Nghiên cāu chế t¿o các mÁu giấy chÃm cháy có chāa APP, APP/bentonit, APP/diatomit tổng hÿp đ°ÿc

- Nghiên cāu chế t¿o mÁu s¡n có chāa APP, APP/bentonit hÿp đ°ÿc và āng dāng chống cháy cho gß và thép

3 Ph°¢ng pháp nghiên cāu:

- Ph°¡ng pháp nghiên cāu cÿa luÃn án là nghiên cāu lý thuyết kết hÿp vãi thực nghiệm và các ph°¡ng pháp hóa lý hiện đ¿i đá chỉ rõ bÁn chất quá trình tổng hÿp vÃt liệu và đ°a ra tỷ lệ phối trán chế t¿o hệ phā gia, tỷ lệ phā gia đ°a và vÃt liệu cần bÁo vệ nâng cao khÁ năng chống cháy cÿa vÃt liệu dễ cháy

LuÃn án là công trình nghiên cāu c¡ bÁn có đßnh h°ãng āng dāng Các kết quÁ cÿa luÃn án đóng góp:

- Đ°a ra s¡ đồ tổng hÿp APP và hệ phā gia APP/bentonit; APP/diatomit

Kết luÃn

Chính vì vÃy cháy luôn luôn đ°ÿc con ng°ßi quan tâm nghiên cāu Cháy đ°ÿc đßnh nghĩa nh° sau:

Cháy là những phÁn āng hoá hác có toÁ nhiệt và phát sáng [1]

Hoặc: Sự cháy là quá trình biến đổi lý hóa sinh nhiệt phāc t¿p cÿa các thành phần trong hßn hÿp chất cháy vãi chất ôxy hóa thành sÁn ph¿m cháy [2]

- Chất cháy: Là những chất có khÁ năng tham gia phÁn āng cháy vãi chất ôxy hoá Chất cháy có thá là tài sÁn, vÃt chất xung quanh nh°: xăng, dầu, khí hoá lỏng, gß, giấy, vÁi, s¡n, nhựa, Chúng có thá tồn t¿i á các tr¿ng thái rắn, lỏng, khí

- Chất oxy hóa: chất ôxy hoá là những chất tham gia phÁn āng hoá hác vãi chất cháy đá t¿o nên sự cháy Chất ôxy hoá trong phÁn āng cháy có thá là ôxy nguyên chất, ôxy cÿa không khí, ôxy do các hÿp chất chāa ôxy bß phân huỷ, hoặc những chất ôxy hoá khác có khÁ năng ôxy hoá chất cháy nh°: các chất thuác nhóm halogen, H2SO4đặc Vãi các chất ôxy hóa khác nhau thì khÁ năng ôxy hóa cÿa chúng cũng khác nhau, tùy vào māc đá ho¿t đáng hóa hác cÿa chúng vãi chất cháy Đối vãi những chất ôxy hóa khi t°¡ng tác hóa hác hoặc bß nung nóng, va đÃp mà giÁi phóng ra ôxy tự do thì chúng có khÁ năng ôxy hóa rất m¿nh

- Nguồn nhiệt: Trong phÁn āng cháy nguồn nhiệt là nguồn cung cấp năng l°ÿng cho phÁn āng cháy xÁy ra Nguồn nhiệt cÿa sự cháy có thá là: ngán lửa cÿa những vÃt đang cháy; tia lửa ( tia lửa điện, tia lửa do ma sát, do va đÃp, ); vÃt thá đã đ°ÿc nung nóng; hoặc có thá là nhiệt cÿa các phÁn āng hoá hác, cÿa các quá trình vÃt lý ( nh° hấp phā, hoà tan, ); nhiệt cÿa các quá trình sinh hác (phân huỷ, lên men, ); và cũng có thá chính là nhiệt đá cÿa môi tr°ßng (tr°ßng hÿp tự cháy)

Khi đã có đÿ 3 yếu tố cần thiết cho sự cháy nói trên sự cháy chỉ xÁy ra khi có đÿ các đißu kiện kèm theo, đó là:

2

Chất cháy, chất ôxy hoá và nguồn nhiệt phÁi tiếp xúc trực tiếp vãi nhau Nếu không có sự tiếp xúc thì sẽ không có các t°¡ng tác hoá hác giữa chất cháy và chất ôxy hoá xÁy ra, và do đó sẽ không có phÁn āng cháy

Nồng đá cÿa chất cháy và chất ôxy hoá phÁi á trong ph¿m vi giãi h¿n nồng đá bốc cháy

Nguồn nhiệt phÁi nung nóng đ°ÿc hßn hÿp chất cháy và chất ôxy hoá - hßn hÿp cháy tãi mát nhiệt đá nhiệt đá tự bốc cháy cÿa hßn hÿp

3 yếu tố và các đißu kiện cần thiết cho sự cháy có thá minh ho¿ bằng s¡ đồ tam giác cháy

Lý thuyết tự bắt cháy theo c¡ cấu chußi do viện sỹ N N Xêmenôv[1] đ°a ra vào năm 1931 Khi mßi mát phần tử ho¿t đáng tham gia phÁn āng làm tách ra mát năng l°ÿng bằng E + Q (E- năng l°ÿng ho¿t hoá, Q – hiệu āng nhiệt cÿa phÁn āng) Năng l°ÿng đó truyßn trực tiếp cho mát hoặc vài phần tử trong số các phần tử phÁn āng, kích đáng chúng đến tr¿ng thái ho¿t đáng Nghĩa là t¿o ra các phần tử ho¿t đáng mãi

3

Theo lý thuyết phÁn āng chußi, quá trình trÁi qua các giai đo¿n sau:

Giai đoạn sinh mạch: Các phần tử chất cháy và chất ôxy hoá đ°ÿc ho¿t hoá nhß

năng l°ÿng tự thân, năng l°ÿng nhiệt, năng l°ÿng cÿa ánh sáng hoặc do va ch¿m vãi mát phần tử thā ba nào đó,& Kết quÁ là t¿o ra những phần tử ho¿t đáng (còn gái là tâm ho¿t đáng), những tâm ho¿t đáng này có khÁ năng tham gia vào các phÁn āng á giai đo¿n tiếp theo

Giai đoạn phát triển mạch: Nhß những tâm ho¿t đáng ban đầu mà phÁn āng tiếp

tāc phát trián và tái t¿o những tâm ho¿t đáng mãi PhÁn āng phát trián mát cách dây chuyßn, các tâm ho¿t đáng đ°ÿc tái t¿o nếu không có gì cÁn trá

Nếu từ mát tâm ho¿t đáng ban đầu khi phÁn āng chỉ tái t¿o mát tâm mãi thì phÁn āng là phÁn āng chußi không phân nhánh Nếu từ mát tâm ho¿t đáng ban đầu khi phÁn āng tái t¿o đ°ÿc hai hay nhißu tâm mãi thì phÁn āng là phÁn āng chußi phân nhánh Các phÁn āng cháy hầu hết là phÁn āng chußi phân nhánh, nên tốc đá cháy phát trián rất nhanh

Giai đoạn triệt mạch (hay đứt mạch): Do va ch¿m vãi các phần tử tr¡, do các

phÁn āng phā, & các tâm ho¿t đáng bß triệt tiêu, nghĩa là chúng chuyán thành các phần tử kém ho¿t đáng hoặc những phần tử ổn đßnh mất khÁ năng tham gia phÁn āng tiếp theo, m¿ch cÿa phÁn āng bß triệt tiêu Nếu c°ßng đá triệt m¿ch đÿ lãn thì phÁn āng sẽ bß ngừng l¿i

Sự phát trián cÿa phÁn āng chußi, khÁ năng bắt cháy cÿa hßn hÿp, tuỳ thuác vào tỷ lệ giữa phÁn āng phát trián m¿ch và đāt m¿ch Trong phÁn āng chußi không phân nhánh, tốc đá phÁn āng là không đổi Trong phÁn āng chußi phân nhánh, tốc đá phÁn āng tăng liên tāc, phÁn āng tự xúc tiến

Trong ph¿m vi nghiên cāu vß tác đáng làm chÃm cháy và chống cháy cho các chất và vÃt liệu cần bÁo vệ á tr¿ng thái rắn Chất cháy rắn là vÃt liệu đ°ÿc sử dāng rất phổ biến trong lính vực sÁn xuất cũng nh° trong sinh ho¿t Hiện nay vãi sự phát trián cÿa khoa hác kỹ thuÃt, ngoài vÃt liệu rắn có nguồn gốc từ tự nhiên còn tồn t¿i rất nhißu vÃt liệu rắn tổng hÿp và chúng đ°ÿc sử dāng ráng rãi trên hầu hết các lĩnh vực

Vấn đß chống cháy cho các vÃt liệu tự nhiên cũng nh° các vÃt liệu nhân t¿o luôn đ°ÿc quan tâm, nh° vấn đß ngâm, t¿m chất chống cháy cho các vÃt liệu tự nhiên hoặc làm tăng khÁ năng chßu cháy cÿa các vÃt liệu nhân t¿o bằng cách pha chế thêm các thành phần chất khó cháy& Tuy nhiên vß c¡ bÁn chúng vÁn thuác nhóm các chất cháy Đó là mát trong các nguyên nhân trong thßi gian gần đây số l°ÿng các đám cháy chất rắn vÁn không ngừng tăng

4

Đa số các vÃt liệu rắn đßu cháy á chế đá cháy khuếch tán Sự biến đổi cÿa chất rắn thành sÁn ph¿m cháy á vùng cháy cũng giống nh° chất khí và chất lỏng xÁy ra do các phÁn āng hóa hác Vì vÃy vß nguyên tắc không có sự khác biệt vß c¡ chế cháy cÿa các chất á d¿ng khí, lỏng và đa số các chất cháy rắn đó là quá trình đồng thá, khuếch tán chuyán hóa chất cháy thành sÁn ph¿m cháy kèm theo tỏa nhiệt và phát sáng

Theo đặc điám cÿa quá trình cháy có thá chia chất cháy rắn (CCR) ra làm các lo¿i:

Mát số chất cháy rắn khi bß nung nóng sẽ chÁy lỏng sau đó bốc h¡i Khi sự nóng chÁy xÁy ra không phân hÿy chất ban đầu nh°: parafin, strarin hoặc có sự phân hÿy thành phần ban đầu nh° cao su tự nhiên, cao su nhân t¿o Quá trình cháy cÿa lo¿i CCR này đ°ÿc xem t°¡ng tự nh° quá trình cháy cÿa chất cháy lỏng Chỉ khác là giai đo¿n đầu tr°ãc khi cháy phÁi nung nóng nó đến nhiệt đá nóng chÁy và t¿o ra mát lãp lỏng trên bß mặt cÿa nó

Mát số chất cháy rắn khi bß nung nóng sẽ bß phân huỷ nhiệt ngay mà không qua giai đo¿n chÁy lỏng Trong số các chất này có mát số chất khi bß phân hÿy sẽ không t¿o ra các phần cặn rắn mà hóa h¡i hoàn toàn (thăng hoa) nh°: isotropin, naphtanin Mát số chất trong quá trình phân hÿy t¿o ra phần cặn rắn không cháy (tro) nh°: gß, giấy, than bùn Các sÁn ph¿m phân huỷ này gồm các chất khí hoặc h¡i thoát ra khỏi chất cháy rắn có thá t¿o ra hßn hÿp cháy và cháy

Mát số chất cháy rắn khi bß nung nóng không bß biến đổi tr¿ng thái, nh° sắt, than grafit,& nh°ng vÁn có thá bß cháy, sự cháy xÁy ra ngay trên bß mặt cÿa nó và đ°ÿc gái là cháy dß thá

Qua quá trình nghiên cāu đã chỉ ra rằng, đa số các chất cháy rắn quá trình phân hÿy nhiệt diễn ra rất phāc t¿p và phā thuác vào nhißu yếu tố khác nhau, nó phā thuác không chỉ vào bÁn chất chất cháy mà còn phā thuác vào nhiệt đá phân hÿy, vÃn tốc và thßi gian phân hÿy, kích thāc hình hác cÿa vÃt liệu phân hÿy [1]

Khi có sự tác dāng cÿa nguồn nhiệt đốt cháy, chất cháy rắn sẽ bß nung nóng Đầu tiên nếu chất cháy rắn có chāa ¿m, h¡i ¿m từ nó đ°ÿc thoát ra, sau đó khi đ¿t tãi nhiệt đá phân huỷ hoặc bốc h¡i, h¡i hoặc khí cháy phân huỷ cÿa chúng thoát ra trán lÁn vãi không khí đ¿t tãi giãi h¿n nồng đá bắt cháy thấp d°ãi tác dāng cÿa nguồn nhiệt sẽ bß

Nh° vÃy, khoÁng thßi gian cÿa quá trình bốc cháy bao gồm từ giai đo¿n nung nóng vÃt liệu ¿m, sấy, nung nóng vÃt liệu khô, sự khí hoá và giai đo¿n nung nóng cặn rắn cacbon trong tr°ßng hÿp xuất hiện sự cháy dß thá

Sau khi sự cháy xuất hiện, ngán lửa lan truyßn theo bß mặt cÿa chất rắn, sự truyßn do mát phần nhiệt thoát ra từ vùng cháy, nung nóng tiếp lãp bß mặt cÿa chất cháy rắn kß tiếp phía tr°ãc mặt lửa Sự truyßn nhiệt từ vùng ngán lửa đ°ÿc thực hiện bằng bāc x¿, đối l°u và dÁn nhiệt Tuỳ thuác vào đißu kiện cháy mà l°ÿng nhiệt toÁ ra, d¿ng truyßn nhiệt có thá khác nhau Đó là mát trong những nguyên nhân cÿa sự phā thuác vÃn tốc lan truyßn cÿa ngán lửa theo bß mặt chất cháy vào đißu kiện cháy

Gß là vÃt liệu đ°ÿc sử dāng phổ biến trong các há gia đình Gß là hßn hÿp cÿa nhißu chất, có cấu trúc và tính chất khác nhau Hÿp phần c¡ bÁn cÿa nó là bán xenlulôza, xenlulôza và lignin Tính trung bình thì thành phần cÿa gß bao gồm bán xenlulôza ( 25%), xenlulôza ( 50%) và lignin ( 25%) Vß thành phần nguyên tố, gß chāa  50% C,  6% H và  40% O Đá rßng cÿa các chất chiếm khoÁng 50 - 70% thá tích cÿa nó Những chất có trong thành phần cÿa gß có cấu trúc, đá bßn nhiệt khác nhau Kết quÁ phân tích nhiệt l°ÿng cÿa gß và các hÿp phần cÿa nó, bán xenluloza bß phân hÿy nhiệt á nhiệt đá 200 – 260oC, xenluloza bß phân hÿy nhiệt á 240 – 350 oC, trong khi lignin bß phân hÿy á nhiệt đá 280 – 500 oC Đá bßn nhiệt cÿa lignin là do cấu trúc cÿa nó có vòng th¡m nên bßn nhiệt h¡n so vãi cấu trúc vòng, nhánh cÿa bán xenluloza và xenluloza Do đó, gß tự nhiên có hàm l°ÿng bán xenluloza cao h¡n thì có khÁ năng bốc cháy dễ h¡n

Sự phân huỷ nhiệt cÿa gß bao gồm mát số giai đo¿n đặc tr°ng nh° sau:

- Khi nung nóng đến 120 – 150 oC kết thúc quá trình làm khô gß, nghĩa là kết thúc quá trình tách n°ãc vÃt lý

- Khi tiếp tāc nung nóng đến nhiệt đá 150 – 180 oC xÁy ra sự tách ¿m nái và ¿m liên kết hoá hác cùng vãi sự phân huỷ thành phần kém bßn nhiệt nhất cÿa gß (axit liminic) chÿ yếu làm thoát ra cacbonđioxit và n°ãc

6

- Khi tiếp tāc nung nóng gß đến nhiệt đá 250 oC xÁy ra sự phân huỷ cÿa gß chÿ yếu là bán xenluloza, làm thoát ra các chất khí nh°: CO, CH4, H2, CO2, H2O, Hßn hÿp khí t¿o thành này có khÁ năng bốc cháy bái nguồn bốc cháy à nhiệt đá đó có thá coi là nhiệt đá bốc cháy cÿa gß à nhiệt đá 280 – 300 oC bắt đầu tăng c°ßng phân huỷ nhiệt cÿa gß

- à nhiệt đá 350 – 450 oC xÁy ra sự phân huỷ m¿nh cÿa gß làm thoát ra chÿ yếu khối l°ÿng khí cháy 40% số l°ÿng lãn nhất có thá có Trong vùng phân huỷ đó số khí thoát ra bao gồm 25% H2 và 40% hydro cacbon không no Đặc tr°ng c¡ bÁn nhất trong vùng nhiệt đá này là sự tỏa nhiệt do các phÁn āng hoá hác thā cấp xÁy ra giữa các sÁn ph¿m phân huỷ nhiệt mãi sinh ra vãi nhau nh° axit hữu c¡, anđêhit, Trong các tài liệu nghiên cāu cho thấy, l°ÿng nhiệt tỏa ra chiếm khoÁng 5 – 6% nhiệt l°ÿng cháy thấp cÿa gß Đối vãi gß, nhiệt l°ÿng cháy thấp trung bình bằng 15 000 kJ/kg Nh° vÃy, hiệu āng nhiệt cÿa phÁn āng phân hÿy nhiệt bằng 750 – 900 kJ/kg

- à nhiệt đá 500 – 550 oC tốc đá phân huỷ nhiệt cÿa gß giÁm m¿nh Sự thoát chất bốc thực tế coi nh° dừng l¿i, bái vÃy sự phân huỷ nhiệt đã đ°ÿc coi là kết thúc trong khoÁng nhiệt đá này

- à nhiệt đá 600 oC sự phân huỷ nhiệt cÿa gß thành sÁn ph¿m khí và tro (cặn rắn) đ°ÿc kết thúc

Nh° vÃy, đá đÁm bÁo gß không thá bốc cháy đ°ÿc thì nhiệt đá cÿa gß phÁi thấp h¡n giá trß khoÁng 250 o

C [1]

Giấy đ°ÿc sÁn xuất từ bát gß nh° tre, nāa, bông, đay& và ngay cÁ nguồn giấy vān thu hồi (còn gái là s¡ sÿi tái sinh, hay thā cấp) Đó chính là nguồn s¡ sÿi xenlulo trong thực vÃt, hay tất cÁ nguyên liệu có chāa xenlulo Ngoài bát giấy (xenlulo), trong giấy còn có các phā gia nhằm tăng đá trắng, đá mßn, nhẵn, đá phÁn quang&[64]

Nhiệt đá tự cháy cÿa giấy là 184 oC, vÃn tốc cháy khối l°ÿng là 27,8 kg/m2 h, vÃn tốc cháy lan từ 0,3-0,4 m/phút Khi cháy 1 kg giấy sinh ra 3,12 m3 N2 0,833 m3 CO2, 0,73 m3 SO2 và 0,69 m3 H2O Nhiệt l°ÿng cháy thấp cÿa giấy là 13 408 kJ/kg KhÁ năng tự bốc cháy cÿa giấy cũng phā thuác vào thßi gian nguồn nhiệt tác đáng Vãi nhiệt l°ÿng 53 400 W/m2 tác đáng giấy sẽ tự bốc cháy sau thßi gian 3 giây, nhiệt l°ÿng 49100 W/ m2 tác đáng giấy sẽ tự bốc cháy trong khoÁng thßi gian 5 giây, nhiệt l°ÿng 35500 W/m2 tác đáng giấy sẽ tự bốc cháy sau thßi gian 7 giây So vãi quá trình cháy cÿa gß, quá trình cháy cÿa giấy có điám khác đó là:

- Giấy tồn t¿i d°ãi d¿ng chồng khi cháy có thá cháy âm ỉ

1 1 5 3 Thép

Thép kết cấu đã đ°ÿc sử dāng ráng rãi trong ngành xây dựng do tỷ lệ c°ßng đá trên tráng l°ÿng cao, đá dẻo cao, quy trình sÁn xuất và thßi gian thi công ngắn Tuy nhiên, khÁ năng chßu tÁi cÿa thép giÁm đáng ká trong đám cháy khi nhiệt đá cÿa nó v°ÿt quá 500 oC vì vÃy đe dáa đến tính m¿ng và tài sÁn cÿa con ng°ßi Do đó, việc bÁo vệ vÃt liệu thép khỏi lửa đã trá thành mát vấn đß quan tráng trong ngành xây dựng Khi tiếp xúc vãi lửa vÃt liệu thép trá nên yếu h¡n Đối vãi thép, c°ßng đá bắt đầu giÁm á nhiệt đá trên 300 oC và giÁm theo mát tốc đá ổn đßnh đến khoÁng 800 oC à nhiệt đá 550 oC kết cấu thép sẽ giữ l¿i 60% c°ßng đá á nhiệt đá phòng (xem hình 1 2)

Hình 1 2 C°ßng đá thép giÁm theo nhiệt đá [3]

Khi bß nung nóng, các đặc tính c¡ hác cÿa thép thay đổi đáng ká do 2 nguyên nhân sau:

- Nguyên nhân thā nhất: Khi bß nung nóng, thép ná ra làm cho khoÁng cách giữa các nguyên tử tăng lên, lực tác đáng t°¡ng hß giữa các nguyên tử giÁm xuống

8

- Nguyên nhân thā hai: Khi bß nung nóng, đáng năng tăng lên làm tăng tính c¡ đáng cÿa nguyên tử, t¿o đißu kiện dễ dàng h¡n cho việc hình thành khuyết tÃt cÿa m¿ng tinh thá Do vÃy tính đàn hồi và đá bßn cÿa thép giÁm xuống (các giá trß c, E , b giÁm) Trong tr¿ng thái bß nung nóng, cùng vãi sự suy giÁm vß tính đàn hồi và đá bßn thì tính dẻo cÿa thép l¿i tăng lên

D°ãi tác đáng cÿa nhiệt đá cao, giá trß āng suất giãi h¿n cÿa thép phā thuác vào thßi gian chất tÁi Mßi lo¿i thép đßu đ°ÿc đặc tr°ng bái mát nhiệt đá nhất đßnh, nếu v°ÿt quá nhiệt đá đó và d°ãi tác đáng cÿa tÁi tráng cố đßnh không đổi, biến d¿ng cÿa thép liên tāc thay đổi và bß rão thÃm chí á āng suất nhỏ h¡n giãi h¿n chÁy Các yếu tố chính đá xác đßnh giá trß và tốc đá rão là āng suất, nhiệt đá và thßi gian tác đáng cÿa các yếu tố đó Kết quÁ thực nghiệm đối vãi thép cán nóng cho thấy á nhiệt đá 500oC biến d¿ng rão tăng rất nhanh, āng suất tr°ãc cÿa thép hoàn toàn biến mất

Nh° vÃy lo¿i thép này khi bß nung nóng đến nhiệt đá 500 oC  550oC không chỉ giÁm đá bßn mà cũng tăng cÁ biến d¿ng rão Trong tr¿ng thái nóng, giãi h¿n chÁy cÿa thép liên tāc giÁm Khi nung nóng chúng đến 500oC  550oC cấu t¿o m¿ng tinh thá cÿa thép thay đổi, do vÃy đá bßn giÁm xuống, đá dẻo và biến d¿ng rão tăng lên

Nh° vÃy, có thá thấy giá trß nhiệt đá giãi h¿n đối vãi kết cấu thép nằm trong khoÁng từ 500oC  550oC Trong đißu kiện cháy, giá trß nhiệt đá thực tế sẽ lãn h¡n nhißu lần so vãi giá trß giãi h¿n trên, gây ra biến d¿ng cấu kiện thép chßu lực, sÃp đổ nhà và công trình

Căn cā theo TCVN 2622 – 1995, kết cấu thép khi không có bÁo vệ, có giãi h¿n chßu lửa nh° sau:

Thép không có bÁo vệ khi bß dầy cấu kiện nhỏ nhất là (mm)

Giãi h¿n chßu lửa

9

Thành phần c¡ bÁn cÿa các lo¿i s¡n gồm: Chất t¿o màng, bát màu, dung môi, phā gia, chất phā trÿ

Chất t¿o màng: Bao gồm dầu khô hoặc bán khô, nhựa thiên nhiên, nhựa tổng

hÿp Nó là thành phần chÿ yếu trong s¡n, quyết đßnh tính chất màng s¡n, th°ßng đ°ÿc gái là s¡n gốc Nhựa tổng hÿp có rất nhißu lo¿i, có quy mô sÁn xuất lãn, tính năng tốt, là c¡ sá cÿa s¡n hiện đ¿i Các nhựa tổng hÿp bao gồm: Nhựa phenol formaldehit, nhựa ankyd, nhựa epoxi, nhựa gốc amin, nhựa acrylat, nhựa polyeste, nhựa polyurethan, nhựa gốc vinylclo, nhựa gốc vinyl& Những lo¿i nhựa trên đ°ÿc pha chế thành s¡n đá đáp āng nhu cầu sử dāng trong mái lĩnh vực nh°: Chống gỉ, chßu khí hÃu, s¡n cao cấp, s¡n th°ßng&

Đối vãi s¡n chống cháy, s¡n chßu nhiệt, chất t¿o màng là polyme phosphat nhôm, thuỷ

tinh lỏng, alumino silicat và các biến tính cÿa nó

Bát màu: BÁn thân bát màu không thá hình thành màng s¡n nh°ng chúng tham

gia vãi chất t¿o màng làm cho màng s¡n có màu sắc hoặc có tính năng nào đó có thá làm thay đổi tính chất vÃt lý, hóa hác&cÿa màng s¡n Bát màu là chất rắn có đá h¿t rất nhỏ, không hòa tan trong dung môi Bát màu đ°ÿc mài nghißn vãi chất hóa dẻo, có tác dāng che phÿ bß mặt, chống xuyên thấu cÿa tia tử ngo¿i làm cho màng s¡n có màu, chßu n°ãc, chßu thßi tiết, nâng cao đá cāng, đá mài mòn, kéo dài tuổi thá cÿa màng s¡n& Thông th°ßng màng s¡n mỏng, bát màu dùng trong s¡n phÁi có tỷ tráng nhỏ, che phÿ bß mặt tốt, ổn đßnh, không bß biến màu& Theo phân lo¿i ng°ßi ta chia ra bát màu thiên nhiên hay tổng hÿp, bát màu hữu c¡ và vô c¡

Bát màu tự nhiên th°ßng là các lo¿i oxit vô c¡ đ°ÿc tìm thấy trong vỏ trái đất nh° các lo¿i oxit sắt d¿ng màu nâu đen, màu hung đỏ, màu đỏ, màu vàng và màu đen& Thông th°ßng thì bát màu tự nhiên bß nhiễm b¿n do các t¿p chất, nếu làm s¿ch sẽ rất phāc t¿p và không kinh tế Cho tãi nay ch°a có lo¿i chất màu hữu c¡ nào á d¿ng tự nhiên đ°ÿc āng dāng trong công nghiệp s¡n Các chất màu tổng hÿp th°ßng s¿ch h¡n các chất màu tự nhiên, màu sắc đẹp và t°¡i sáng h¡n, cấu trúc ổn đßnh và có thá khống chế đá t¿o ra chất màu vãi kích th°ãc h¿t mong muốn

Bát màu chiếm tỷ lệ khá lãn trong s¡n, thông th°ßng đāng thā hai sau dung môi tùy theo từng lo¿i s¡n Chất t¿o màu cho s¡n th°ßng là là những oxit, muối cÿa kim lo¿i, phāc chất á d¿ng bát mßn không tan hoặc tan trong n°ãc Chất màu có tác dāng không chỉ làm cho bß mặt s¡n đ°ÿc nhẵn và có màu sắc đẹp mà còn có Ánh h°áng nhißu đến

Dung môi hữu c¡ dùng cho s¡n là lo¿i dễ cháy, h¡i cÿa chúng khi bốc lên kết hÿp vãi không khí t¿o thành hßn hÿp khí dễ bắt cháy khi có nguồn nhiệt hoặc hoặc các tác nhân kích thích khác nh° tia lửa điện, hồ quang điện& Đa số các lo¿i dung môi hữu c¡ đßu đác đối vãi con ng°ßi, h¡i cÿa chúng có tác h¿i cho đ°ßng hô hấp, đ°ßng máu và tác dāng vào da gây bệnh ngoài da Ngoài ra, mát số lo¿i s¡n có dùng n°ãc làm dung môi nh° s¡n chống cháy, s¡n chßu nhiệt

Phā gia: Phā gia d¿ng bát th°ßng là các chất d¿ng bát không màu, không có tác

dāng che phÿ và nhuám màu, đ°ÿc dùng đá giÁm giá thành s¡n, cÁi thiện mát số tính chất cÿa s¡n, ví dā: bát tan, caolanh, CaCO3, SiO2, Al2O3, BaSO4&chúng đßu là các chất vô c¡, có tác dāng nâng cao tính năng c¡, lý, nhiệt, cÁi thiện tính l°u đáng, làm bằng phẳng và tăng tính th¿m thấu cũng nh° đá bóng cÿa màng s¡n Đối vãi s¡n chống cháy, th°ßng đ°a thêm phā gia chống cháy Phā gia đ°ÿc thêm vào th°ßng có chāa phospho tỷ lệ cao và bß phân huỷ d°ãi tác dāng cÿa nhiệt đá t¿o ra axit photphoric, đó là amoni polyphotphat, urephotphat, melamin photphat và diamoni photphat Trong đó polyphotphat có ch°a phần trăm photpho ho¿t tính cao nhất [5] Phā gia đ°a vào trong s¡n đá nâng cao tính năng và tính ổn đßnh cÿa lãp cách ly chống cháy Có thá đ°a vào các chất nh° kẽm borat, nhôm hydroxyt, antinmon oxyt

Chất phā trÿ gồm có: chất xúc tác, chất ổn đßnh, chất làm dẻo, chất làm trắng,

chất chống đóng cāc, chất tiêu bát, chất nhũ hóa&chúng đ°ÿc dùng chÿ yếu đá cÁi thiện tính năng nào đó cÿa s¡n, chúng có thá là chất vô c¡ hoặc hữu c¡ và đßu có điám chung là sử dāng l°ÿng ít, tác dāng rõ rệt, nâng cao chất l°ÿng màng s¡n

11

Từ s¡ đồ này, nếu thiếu mát trong các c¿nh cÿa tam giác thì quá trình cháy không thá tồn t¿i, hay nếu cắt bỏ bất kỳ mát đỉnh nào cÿa tam giác thì quá trình cháy cũng không thá tồn t¿i Nếu trong tam giác cháy ta lo¿i bỏ đi đỉnh - chất cháy, tāc là ta đã đ°a chất cháy ra khỏi vùng cháy hay nói cách khác là đã cách ly chất cháy, nh° vÃy đám cháy đ°¡ng nhiên sẽ tự tắt Nếu nh° cách ly chất ô xy hóa, tāc là ngăn chặn không cho không khí xâm nhÃp vào vùng cháy, thì quá trình cháy khuếch tán sẽ tự tắt Quá trình cháy cũng sẽ bß tắt nếu ta cách ly nguồn gây Từ những yếu tố và đißu kiện cháy cháy cho thấy có thá áp dāng các ph°¡ng pháp đá ngăn ngừa h¿n chế và dÃp cháy Hoặc có thá lo¿i bỏ nguồn nhiệt, hoặc lo¿i trừ sự tiếp xúc giữa các yếu tố cÿa sự cháy, Các ph°¡ng pháp ngăn ngừa và h¿n chế cháy bao gồm:

Ph°¡ng pháp làm l¿nh: BÁn chất cÿa ph°¡ng pháp làm l¿nh là hấp thā nhiệt cÿa vùng phÁn āng xuống thấp h¡n giá trß nhiệt đá tắt dần; và hấp thā nhiệt cÿa chất cháy xuống thấp h¡n nhiệt đá bốc cháy cÿa nó Đá ngăn ngừa và dÃp cháy bằng ph°¡ng pháp làm l¿nh cần phÁi làm cho tốc đá thoát nhiệt từ vùng phÁn āng cháy vào môi tr°ßng xung quanh lãn h¡n tốc đá sinh nhiệt cÿa các phÁn āng cháy và tốc đá hấp thā nhiệt cÿa bÁn thân chất cháy Tốc đá làm l¿nh bß mặt chất cháy chÿ yếu phā thuác bái diện tích bß mặt cÿa chất chữa cháy tiếp xúc vãi bß mặt chất cháy và hiệu số nhiệt đá giữa bß mặt chất cháy vãi chất chữa cháy cũng nh° khÁ năng hấp thā nhiệt cÿa chất chữa cháy

Ph°¡ng pháp cách ly: BÁn chất cÿa các ph°¡ng pháp cách ly là ngăn cách sự tiếp xúc giữa các phần tử chất cháy và chất ôxy hoá á vùng phÁn āng cháy Sự cháy chỉ xÁy ra khi có đầy đÿ các đißu kiện cần và đißu kiện đÿ Mát trong những đißu kiện cần

NN

Hình 1.3 S¡ đồ ngăn ngừa và dÃp cháy[2]

12

đó là có sự tiếp xúc trực tiếp giữa các phần tử chất cháy và chất ôxy hoá Muốn ngăn ngừa và dÃp tắt đám cháy có thá thực hiện các ph°¡ng pháp cách ly không cho vÃt liệu cháy và chất ôxy hoá tiếp xúc vãi nhau Đối vãi việc ngăn ngừa cháy, ph°¡ng pháp t¿o lãp màng cách ly trên bß mặt vÃt liệu có thá đ¿t đ°ÿc đá ngăn cách hoàn toàn sự tiếp xúc cÿa ôxy và vÃt liệu cháy, đồng thßi lãp màng ngăn cách này còn có khÁ năng ngăn cách dòng nhiệt tác đáng đến bß mặt vÃt liệu cháy Trong chữa cháy, các ph°¡ng pháp cách ly có thá đ°ÿc sử dāng đá dÃp tắt hầu hết các d¿ng đám cháy

Ph°¡ng pháp làm giÁm nồng đá các thành phần khí, h¡i tham gia phÁn āng cháy: BÁn chất cÿa các ph°¡ng pháp giÁm nồng đá các chất tham gia phÁn āng cháy là làm cho nồng đá cÿa các chất khí, h¡i tham gia phÁn āng cháy giÁm xuống thấp h¡n giãi h¿n nồng đá bốc cháy thấp cÿa chúng Khi giÁm nồng đá các thành phần tham gia phÁn āng cháy trong mát đ¡n vß thá tích vùng phÁn āng sẽ t°¡ng đ°¡ng vãi sự giÁm số lần va đÃp hiệu quÁ giữa chất cháy d¿ng khí, h¡i và chất ôxy hoá trong thá tích đó, đißu đó sẽ dÁn đến giÁm số phÁn āng diễn ra trong thá tích vùng phÁn āng Hay nói cách khác là giÁm tốc đá phÁn āng và tốc đá sinh nhiệt á vùng phÁn āng Và kết quÁ là làm giÁm nhiệt đá cÿa vùng phÁn āng cháy xuống thấp h¡n nhiệt đá tắt dần Đá giÁm nồng đá các chất tham gia phÁn āng phÁn āng có thá thực hiện bằng cách thay đổi tỷ lệ giữa chất cháy và chất ôxy hoá hoặc giữ nguyên tỷ lệ mà giÁm nồng đá thành phần cÿa chúng bằng cách đ°a thêm vào vùng cháy mát chất tr¡ Trên thực tế, đối vãi vÃt liệu cháy rắn, khi giÁm tốc đá và nhiệt đá nung nóng đồng nghĩa vãi việc giÁm c°ßng đá sinh các sÁn ph¿m trung gian d¿ng h¡i, khí nên cũng sẽ làm giÁm nồng đá chất cháy d¿ng h¡i, khí

Ph°¡ng pháp kìm hãm hoá hác phÁn āng cháy: BÁn chất cÿa ph°¡ng pháp kìm hãm hoá hác phÁn āng cháy là làm mất khÁ năng ho¿t hoá các tâm ho¿t đáng cÿa phÁn āng cháy chußi Từ lý thuyết cháy cho thấy trong quá trình chuyán hoá các thành phần hßn hÿp cháy thành sÁn ph¿m cháy phÁi trÁi qua các sÁn ph¿m trung gian Các sÁn ph¿m trung gian bao gồm các gốc và các nguyên tử có năng l°ÿng kích ho¿t, các gốc và các nguyên tử này đ°ÿc gái là các tâm ho¿t đáng cÿa phÁn āng cháy Khi phun vào vùng cháy các chất có tác dāng trung hoà các tâm ho¿t đáng thì phÁn āng cháy chußi sẽ đāt Tác đáng trung hoà các tâm ho¿t đáng càng m¿nh thì hiệu suất tác đáng kìm hãm cÿa các chất kìm hãm tãi phÁn āng cháy càng cao

Bên c¿nh đó, mát ph°¡ng pháp đ°ÿc áp dāng là tăng giá trß nhiệt đá tự bốc cháy cÿa vÃt liệu, tăng khÁ năng chống cháy cho vÃt liệu bằng cách ngâm, trán thêm các chất chống cháy hoặc s¡n phÿ bên ngoài vÃt liệu bằng các lo¿i s¡n, màng phÿ chống

13

cháy Ví dā, đối vãi xăng, đá làm giÁm nguy c¡ cháy nổ, có thá trán thêm mát số chất chống nổ sãm

Các ph°¡ng thāc bÁo vệ chống cháy cho vÃt liệu đ°ÿc sử dāng nh°:

Sử dāng hệ thống bác tấm vÃt liệu ngăn cháy: đây là biện pháp khá °u việt, ốp bên ngoài các cấu kiện bằng các vÃt liệu cách nhiệt có hệ số truyßn nhiệt thấp Sử dāng tấm cách nhiệt có thành phần peclit, amiang, vecmiculit,&sử dāng tấm cách nhiệt bằng th¿ch cao khan có cốt liệu là bông thuỷ tinh,&

Sử dāng s¡n phÿ tr°¡ng ná: sử dāng vÃt liệu "Intumescent" (có xuất xā từ tiếng Pháp có nghĩa là tr°¡ng ná hay phình to ra), nó có khÁ năng tr°¡ng ná vß kích th°ãc khi tiếp xúc vãi sāc nóng hoặc vãi mát nhiệt đá nào đó Khi có cháy, lãp phÿ Intumescent sẽ có phÁn āng tr°¡ng phồng và sẽ t¿o ra mát lãp vÃt liệu giống nh° than bao bác và cách nhiệt cho kết cấu à vào khoÁng 200 oC, trong vÃt liệu sẽ có phÁn āng hoá hác giữa các hÿp chất cacbon và axít khoáng và t¿o ra mát lãp "than" Đây là mát phÁn āng hoá hác thu nhiệt vì vÃy làm giÁm năng l°ÿng nhiệt cÿa vùng cháy, đồng thßi hình thành nên mát hßn hÿp chất cacbon ho¿t tính có khÁ năng chßu nhiệt trên bß mặt cÿa vÃt liệu đ°ÿc s¡n phÿ Mặt khác, lãp "than" này có khÁ năng giãn ná tăng kích th°ãc á đißu kiện nhiệt đá cao, nó có thá tăng khoÁng 50 lần so vãi kích th°ãc ban đầu Việc truyßn nhiệt qua lãp s¡n phÿ rất chÃm nên đã ngăn chặn đ°ÿc sự lan truyßn nhiệt đá và nh° vÃy có thá bÁo vệ cấu kiện không bß đốt nóng trong khoÁng thßi gian cā thá

Sử dāng chất ngăn cháy là vÃt liệu kết dính nhằm bít kín khe há trong các kết cấu xây dựng chống cháy

Phun xi măng chßu nhiệt chống cháy bao quanh kết cấu thép

Sử dāng vÃt liệu trát chống cháy nh°: supe photphat (supe photphat 0%, n°ãc 30%), hßn hÿp vôi-đất sét (vôi bát 4%, đất sét 4%, muối ăn 11%, n°ãc 11%)

Sử dāng các hoá chất ngâm t¿m chống cháy: Ngâm t¿m mát số hoá chất lên bß mặt vÃt liệu nh° dung dßch có thành phần: dung dßch diamoni photphat (NH4)2HPO4 -20%; amoni sunphat (NH4)2SO4 - 5%; dầu hoÁ làm xúc tác -3%; n°ãc - 72% Hoặc ngâm t¿m theo chißu sâu thực hiện d°ãi áp suất cao sử dāng dung dßch có thành phần diamoni photphat (NH4)2HPO4 -7,5%; amoni sunphat (NH4)2SO4 - 7,5%; florua natri NaF - 2%; n°ãc - 83% Muối amoni có tác dāng làm giÁm nhiệt đá hoá than, bái vÃy giai đo¿n đầu cÿa quá trình cháy lãp than đ°ÿc t¿o trên bß mặt vÃt liệu làm giÁm l°ÿng khí cháy thoát ra ngoài và giÁm nhiệt l°ÿng cháy

14

Chất chống cháy đ°ÿc đßnh nghĩa là các tác nhân hóa hác có thá chßu đ°ÿc ngán lửa trực tiếp bằng cách ngăn chặn ngán lửa xâm nhÃp vào vÃt liệu, kiám soát sự lây lan cÿa nó và thÃm chí dÃp tắt hoàn toàn [6,7]

Những vÃt liệu này có thá đ°ÿc thêm vào trong hoặc sau khi chế t¿o sÁn ph¿m đá bÁo vệ chống cháy Sự phát trián cÿa chất chống cháy cho phép sử dāng an toàn các lo¿i vÁi gây ra hành vi dễ cháy bằng cách giÁm tính dễ cháy và giÁm tốc đá cháy Các hÿp chất cÿa phốt pho, nit¡, clo, brom, boron và antimon là những hÿp chất đ°ÿc sử dāng ráng rãi nhất đá làm chÃm ngán lửa [8-16] Nhißu vÃt liệu có đặc tính chống cháy đã đ°ÿc biết đến trong nhißu thế kỷ Việc sử dāng chất chống cháy sãm nhất là cÿa các nßn văn minh ph°¡ng Đông, đặc biệt là bái ng°ßi Ai CÃp và Trung Quốc KhoÁng 3000 năm tr°ãc, ng°ßi Ai CÃp cổ đ¿i đã ngâm cỏ và sÃy trong n°ãc bián tr°ãc khi há sử dāng nó đá lÿp mái, vì vÃy khi cỏ và sÃy khô, muối khoáng sẽ kết tinh và ho¿t đáng nh° mát chất chống cháy Ng°ßi Ai CÃp và Trung Quốc cũng sử dāng phèn và giấm đá s¡n gß trong đßn thß đá bÁo vệ há khỏi lửa [17-20] Những nß lực đầu tiên đá sử dāng chất chống cháy cÿa các nßn văn minh ph°¡ng Tây là bái quân đái cÿa Đế chế La Mã khi há bao vây thành phố Piraeus khoÁng 87-86 tr°ãc Công nguyên Quân đái La Mã đã s¡n các tháp bao vây làm bằng gß vãi hßn hÿp phèn, giấm và đất sét đá bÁo vệ nó khỏi bß đốt cháy bái hỏa lực cÿa những ng°ßi bÁo vệ thành phố Ng°ßi La Mã đã phát trián hßn hÿp chống cháy từ những gì ng°ßi Ai CÃp cổ đ¿i sử dāng Mặc dù các nßn văn minh cổ đ¿i không có thiết bß cần thiết đá phân tích các thành phần cÿa các vÃt liệu này, nh°ng há chú ý đến bÁn chất cÿa các chất này ho¿t đáng nh° chất làm chÃm quá trình cháy

Việc phát hiện ra các đặc tính chống cháy cÿa các vÃt liệu này là thông qua sự trùng hÿp ngÁu nhiên Tuy nhiên, há chắc chắn đã tiến hành mát số thí nghiệm thực tế, ngay cÁ khi còn s¡ khai, đá chāng minh hiệu quÁ cÿa các vÃt liệu này trong phòng cháy chữa cháy, ngoài việc tìm kiếm các vÃt liệu khác có cùng tính chất ThÃt vÃy, đißu này dÁn đến sự phát trián cÿa các thiết bß thử nghiệm đá phát hiện các vÃt liệu này [21]

Mát hệ chống cháy là mát hÿp chất hoặc mát hßn hÿp phā gia đ°ÿc đ°a vào vÃt liệu có tác dāng tăng c°ßng khÁ năng kháng cháy cho vÃt liệu, có tác dāng āc chế, ngăn chặn hoặc trì hoãn sự phát sinh ngán lửa nhằm ngăn chặn sự lây lan cÿa đám cháy Hệ chống cháy có thá đ°ÿc thêm vào vÃt liệu trong quá trình sÁn xuất nh° sÁn

15

xuất gß nhân t¿o, các sÁn ph¿m polyme, hoặc trong quá trình t¿o hình sÁn ph¿m nh° sÁn xuất các đồ dùng bằng nhựa, hoặc đ°a vào vÃt liệu hoàn thiện nh° s¡n và màng phÿ Mát chất chống cháy hiệu quÁ cần phÁi ngăn cÁn đ°ÿc tối thiáu mát trong ba yếu tố chính duy trì sự cháy trong tam giác cháy

Do quá trình tự đốt cháy xÁy ra trên cÁ hai pha khí và pha cô đặc, nên việc sử dāng chất chống cháy có tác dāng phá vỡ quá trình tự đốt cháy bằng cách tác đáng đến quá trình vÃt lý và hóa hác xÁy ra trong cÁ hai pha khí và pha cô đặc Tùy theo tính chất, phā gia chống cháy có thá t°¡ng tác hóa hác hoặc vÃt lý á thá rắn, lỏng hoặc khí, thông qua các quá trình hóa hác phāc t¿p nhằm cắt đāt hoặc h¿n chế việc duy trì sự cháy Chúng cũng có thá can thiệp vào các giai đo¿n cā thá cÿa quá trình đốt cháy

Đá khắc phāc tính kém bßn nhiệt hay khÁ năng dễ bắt cháy cÿa các vÃt liệu, việc sử dāng các chất chống cháy đã mang l¿i những hiệu quÁ tích cực làm giÁm thiáu nguy c¡ cháy cÿa các vÃt liệu hay công trình đến māc có thá Các chất chống cháy đ°ÿc đ°a vào các vÃt liệu nhằm h¿n chế quá trình cháy, mát số vai trò cÿa các chất chống cháy có thá đ°ÿc thá hiện bái [58,59]:

Làm chÃm khÁ năng phân hÿy và bắt cháy cÿa vÃt liệu, GiÁm khÁ năng sinh ra khói,

GiÁm đá đác h¿i cÿa khói, GiÁm nhiệt đá cÿa ngán lửa,

GiÁm khÁ năng khuếch tán cÿa oxy vào vùng cháy

Khi nhiệt đá tăng cao, có thá t¿o ra các khí không duy trì sự cháy nh° CO2, hay H2O& sÁn ph¿m cÿa quá trình phân hÿy nhiệt cÿa các chất phā gia chống cháy

Kéo dài thßi gian thoát khỏi môi tr°ßng cháy cho con ng°ßi và các sinh vÃt Làm giÁm khÁ năng lan ráng cÿa ngán lửa

Chất chống cháy có tác dāng āc chế thÃm chí ngăn chặn quá trình lan cÿa đám cháy Tùy theo bÁn chất cÿa các chất chống cháy và chất nßn mà chất chống cháy có thá ho¿t đáng theo c¡ chế hóa hác, nghĩa là liên quan đến các quá trình hóa hác, hay theo c¡ chế vÃt lý, hoặc đồng thßi cÁ hai c¡ chế này trên pha rắn, pha lỏng, hay pha khí Dù ho¿t đáng theo c¡ chế nào thì chất chống cháy cũng cÁn trá quá trình cháy trong những giai đo¿n cā thá nào đó cÿa quá trình, ví dā nh°, quá trình phân hÿy nhiệt, quá trình bốc cháy hay quá trình lan ráng cÿa ngán lửa Mát số nét c¡ bÁn cÿa các c¡ chế này đ°ÿc mô tÁ vắn tắt nh° sau:

Hình 1 4 C¡ chế làm mát cÿa nhôm hydroxit [6]

Pha loãng

Mát số chất phā gia, cùng vãi các tác nhân trong vÃt liệu, nhất là các chất tr¡, khi phân hÿy có thá t¿o ra các tác nhân không duy trì sự cháy và do đó có tác dāng pha loãng tác nhân cháy trong pha rắn, và pha khí, do vÃy, khÁ năng bốc cháy cÿa hßn hÿp khí t¿o thành giÁm đi rõ rệt

Khi nhiệt đá tăng lên, các chất chống cháy góp phần vào việc hình thành mát lãp màng bao bác trên bß mặt vÃt liệu Trong nhißu tr°ßng hÿp, bÁn thân các chất phā gia có thá hình thành màng này do sự chÁy lỏng cÿa chúng á nhiệt đá cao, hoặc các chất này có thá t°¡ng tác vãi mát số thành phần trong vÃt liệu nßn đá t¿o thành màng lỏng Vai trò chÿ đ¿o cÿa lãp màng này là ngăn cÁn quá trình khuếch tán cÿa các nhân cháy lên vÃt liệu, làm cách ly vÃt liệu vãi nguồn oxy, làm giÁm hàm l°ÿng oxy cần thiết cho quá trình cháy Quá trình hình thành màng lỏng th°ßng là quá trình thu nhiệt, do đó khi hình thành màng lỏng bß mặt vÃt liệu sẽ đ°ÿc làm mát đáng ká Ngoài ra, mát số màng bÁo vệ th°ßng có đá dÁn nhiệt thấp làm giÁm sự truyßn nhiệt từ nguồn nhiệt lên vÃt liêu

17

Vai trò cÿa các chất chống cháy là gây ra, hoặc xúc tác cho các phÁn āng hóa hác có tác dāng làm cÁn trá quá trình cháy cÿa vÃt liệu Tác dāng làm chống cháy cÿa các tác nhân theo c¡ chế hóa hác có thá thá hiện á các phÁn āng hóa hác xÁy ra trong pha rắn hay trong pha khí

Các phā gia chống cháy ho¿t đáng trong pha khí sẽ ngăn cÁn các ho¿t đáng t¿o ra sự cháy, ví dā nh° ngăn cÁn quá trình hình thành các gốc tự do hình thành trong pha khí do quá trình cháy gây nên Trong quá trình cháy, các vÃt liệu t°¡ng tác vãi oxy và các tác nhân gây cháy t¿o ra các gốc tự do cÿa oxy, hydroxyl và hydro& Các chất chống cháy sẽ t°¡ng tác vãi các gốc tự do này đá t¿o ra các tiáu phân ít ho¿t đáng h¡n Chính vì vÃy, việc cung cấp các tác nhân gây cháy sẽ giÁm xuống, ngăn cÁn quá trình tỏa nhiệt tiếp tāc, nhiệt đá cÿa hệ sẽ không tăng lên, hoặc thÃm chí giÁm xuống, và cuối cùng quá trình cháy đ°ÿc khống chế hay ngăn chặn [24,25]

Hình 1 5 PhÁn āng pha khí [6]

Mát số chất chống cháy có thá là tác nhân thúc đ¿y quá trình hình thành lãp carbon bao phÿ trên bß mặt vÃt liệu, hoặc quá trình phân hÿy nhiệt Đißu này hoàn toàn có thá xÁy ra vì khi bß phân hÿy nhiệt, các phÁn āng dehydrat hóa cÿa các lo¿i carbon hydrat

18

(ví dā nh° gß hay mát số polyme) có thá t¿o thành lãp carbon, sự có mặt cÿa các chất phā gia chống cháy sẽ thúc đ¿y quá trình than hóa này [25,26-28]

Hình 1 6 PhÁn āng pha rắn [6]

Việc sử dāng các tác nhân chống cháy đã đ°ÿc thực hiện từ lâu, và các chất chống cháy có thá đ°ÿc chia thành các nhóm sau: Hÿp chất halogen hữu c¡; Hÿp chất chống cháy hữu c¡ chāa photpho; Hÿp chất chống cháy chāa nit¡, và hÿp chất chống cháy vô c¡ [29-32]

Mát số hÿp chất hữu c¡ có chāa halogen đ°ÿc sử dāng làm phā gia chống cháy, chÿ yếu bao gồm các hydrocarbon m¿ch thẳng, và hydrocarbon m¿ch vòng

Trong nhóm halogen, Br tỏ ra thích hÿp nhất trong vai trò làm chất phā gia chống cháy, làm giÁm quá trình phân hÿy nhiệt cÿa vÃt liệu Theo đó, hydrobromic (HBr) đ°ÿc giÁi phóng á nhiệt đá thấp, do vÃy, mÃt đá cÿa nó rất lãn trong vùng cháy Trong khi đó, phā gia chống cháy chāa Cl phân hÿy giÁi phóng HCl á nhiệt đá cao h¡n, do vÃy hàm l°ÿng cÿa nó thấp h¡n so vãi Br Do đó, hiệu quÁ làm chống cháy cÿa Cl th°ßng thấp h¡n cÿa Br

Gốc tự do có thá đ°ÿc hình thành trong quá trình cháy và nó là yếu tố chính quyết đßnh đến sự duy trì quá trình cháy

Tác dāng làm chÃm cháy cÿa các hÿp chất chāa halogen đ°ÿc thực hiện chÿ yếu bằng cách can thiệp vào các phÁn āng dây chuyßn t¿o gốc tự do Trong nhißu tr°ßng hÿp, các phÁn āng dây chuyßn t¿o ra các gốc tự do, và có thá mát năng l°ÿng rất lãn Các gốc tự do này cũng nh° năng l°ÿng cÿa các phÁn āng dây chuyßn có thá bß triệt

Vãi X là Br hoặc Cl; R là gốc hydrocarbon

Các gốc halogen phÁn āng vãi các hydrocarbon t¿o thành HX t°¡ng āng RH + X* = R* + HX

HX t¿o ra sẽ cÁn trá phÁn āng t¿o ra gốc tự do duy trì sự cháy, H và OH do tham gia mát số phÁn āng:

HX + H* = H2 + X* HX + OH* = H2O + X*

Năng l°ÿng rất lãn đ°ÿc t¿o thành trong phÁn āng dây chuyßn t¿o ra gốc tự do H , và OH bß hấp thā khi các gốc tự do này phÁn āng vãi HX t¿o ra gốc X có năng l°ÿng thấp h¡n

Quá trình tái sinh cÿa HX đ°ÿc duy trì khi gốc tự do X phÁn āng vãi gốc hydrocarbon

Các hÿp chất halogen đ°ÿc sử dāng phổ biến nhất là:

-Tetrabromobisphenol A (TBBPA) là chất chống cháy halogen đ°ÿc sử dāng ráng rãi nhất, nó có tác dāng nh° mát chất chống cháy phÁn āng, đặc biệt vãi nhựa epoxy - Polybromodiphenylethe (PBDE) là hÿp chất chống cháy đ°ÿc sử dāng ráng rãi thā hai Tuy nhiên trong quá trình cháy, penta- và octa- brommodiphenylethe đ°ÿc cho là những tißn chất có thá cÿa dioxin vì vÃy chúng không đ°ÿc sử dāng mà chỉ có deca- brommodiphenylethe đ°ÿc sử dāng vãi số l°ÿng h¿n chế ngoài các n°ãc Châu

- Hexabromocyclododecan (HBCD) là chất chống cháy halogen béo m¿ch vòng

- Tetrabromophthalic anhydride (TBPA) đ°ÿc sử dāng làm phā gia chống cháy trong các polyeste không no và nó cũng đ°ÿc sử dāng đá làm nguyên liệu trong đißu chế các chất chống cháy khác

20

Tuy nhiên hiện nay các chất chÃm cháy có chāa halogen ngày càng bß h¿n chế sử dāng do vÁn còn giÁi phóng chất đác h¿i trong quá trình cháy [78,81]

à nhiệt đá cao, các chất này có thá bß phân hÿy t¿o thành axit photphoric [34] và hình thành lãp màng bÁo vệ bao phÿ trên bß mặt vÃt liệu Hiệu āng đó thá hiện rõ nhất trong các vÃt liệu có chāa nhißu oxy nh° cellulose, bông, gß hay mát số lo¿i nhựa

- Màng lỏng đó có thá tiếp tāc đ°ÿc hình thành vãi sự tham gia cÿa cÿa mát số chất khác sinh ra khi bß nhiệt phân cùng vãi axit photphoric

Các chất chống cháy chāa nit¡ khi gặp nguồn nhiệt t¿o ra các phÁn āng phân hÿy thu nhiệt, giÁm nhiệt đá trên bß mặt vÃt liệu Ngoài ra, quá trình phân hÿy trong pha rắn t¿o ra các khí không cháy (khí tr¡) đi vào pha khí làm giÁm nồng đá cÿa khí cháy Thêm vào đó, quá trình phân hÿy cũng hình thành mát lãp than trên bß mặt vÃt liệu, ngăn cÁn sự tiếp xúc cÿa nguồn nhiệt và oxi đến bß mặt vÃt liệu [80]

Trong số các hÿp chất chống cháy chāa nit¡, sÁn ph¿m th°¡ng m¿i đ°ÿc sử dāng phổ biến nhất là amoni polyphotphat (APP), melamine cyanurate, borate melamine và melamine polyphosphate (MPP) Cấu trúc hóa hác cÿa mát số th°¡ng m¿i đ°ÿc thá hiện trong hình d°ãi

APP phân hÿy khi tiếp xúc vãi lửa hoặc nhiệt t¿o thành amoniac, axit polyphotphoric và oxit photpho Khi có mặt cÿa mát chất cho cacbon nh° polyol, mát lãp bao phÿ tr°¡ng phồng đ°ÿc hình thành thông qua các chất trung gian là este photphoric Các āng dāng chính cÿa APP là lãp phÿ cho thép, gß và làm phā gia trong nhựa polyeste không no, epoxit, polyurethan và polyolefin

22

Melamine phosphate bao gồm melamine orthophosphate (1:1 muối melamin và axit photphoric), dimelamin orthophotphat (2:1), dimelamin pyrophotphat, melamin pyrophotphat, và melamin polyphotphat (MMP) Trong đó, MPP là chất chống cháy phổ biến nhất cho polyme Sự phân hÿy thu nhiệt cÿa MPP t¿o ra ammonia, các hÿp chất nit¡ khác và polyphotphoric axit; sau đó khử n°ãc cÿa polyme đá hình thành than [33]

¯u điám cÿa các chất chống cháy chāa nit¡ là có đác tính thấp, thân thiện vãi môi tr°ßng, ít t¿p chất ngo¿i lai và quá trình cháy t¿o ra ít khói Tuy nhiên, các hÿp chất chāa nit¡ có thá giÁi phóng ra HCN và NOx trong quá trình cháy, phā thuác vào đißu kiện cháy

Mát số hÿp chất vô c¡ có thá phù hÿp đá làm phā gia chống cháy cho các vÃt liệu Thông th°ßng chúng là các chất có nhiệt đá phân hÿy trong khoÁng từ 150oC đến 500°C Không giống nh° các chất hữu c¡, các chất vô v¡ không bß bay h¡i d°ãi tác dāng cÿa nhiệt, thay vào đó, chúng bß phân hÿy nhiệt và có thá t¿o ra các khí không duy trì sự cháy nh° CO2 hay h¡i n°ãc Các khí không duy trì sự cháy này có tác dāng pha loãng các gốc tự do hình thành trong quá trình cháy, và ngăn cÁn sự thâm nhÃp cÿa oxy đến bß mặt vÃt liệu, từ đó ngăn cÁn quá trình cháy diễn ra Thêm vào đó, quá trình phân hÿy cÿa các chất vô c¡ là các quá trình thu nhiệt, do vÃy sự phân hÿy kèm theo là quá trình làm giÁm nhiệt đá cÿa vÃt liệu, làm cho quá trình cháy đ°ÿc h¿n chế hoặc lo¿i bỏ Mát số chất chống cháy hệ vô c¡ phổ biến bao gồm: borax, nhôm hydroxit, magie hydroxit, amoni polyphotphat&[35]

- Hÿp chất borax hay axit boric

Hiệu āng chống cháy cÿa các chất này chÿ yếu tác dāng trên pha đông đặc C¡ chế chống cháy cÿa chúng là các quá trình thu nhiệt, từng b°ãc giÁi phóng h¡i n°ãc và hình thành màng lỏng bao phÿ bß mặt vÃt liệu, ngăn cÁn quá trình khuếch tán cÿa oxy vào trong vÃt liệu, và giÁm thiáu sự phát sinh khói trong quá trình cháy cũng nh° sự truyßn nhiệt từ môi tr°ßng lên vÃt liệu Hệ chống cháy t°¡ng đối phổ biến là hßn hÿp kẽm borate và axit boric (2 nO 3B2O3 3,5H2O) có tác dāng chÃm cháy tốt cho vÃt liệu PVC [75]

- Nhôm hydroxit

Trong các phā gia chống cháy hệ vô c¡, nhôm hydroxit đ°ÿc sử dāng ráng rãi nhất do giá thành rẻ và khÁ năng t°¡ng thích vãi nhißu lo¿i nhựa

23

Nhôm hydroxit phân hÿy á nhiệt đá khoÁng từ 180 C tãi 200 C, t¿o thành 66% Al2O3, và 34% H2O và thu mát l°ÿng nhiệt lãn Chính vì vÃy, nhôm hydroxit là mát trong những chất phā gia chống cháy hiệu quÁ

2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O – 298 kJ/mol

H¡i n°ãc sinh ra từ phÁn āng có tác dāng pha loãng gốc tự do sinh ra trong quá trình cháy cÿa vÃt liệu, từ đó ngăn cÁn quá trình cháy xÁy ra Đồng thßi Al2O3 t¿o thành lãp màng cách nhiệt [35,74]

- Magie hydroxit

Tác dāng chống cháy cÿa magie hydroxit t°¡ng tự nh° đối vãi nhôm hydroxit, ngo¿i trừ quá trình nhiệt phân cÿa nó xÁy ra á nhiệt đá cao h¡n, từ 300 C đến 330 C

Mg(OH)2 = MgO + H2O – 200 kJ/mol

Chính vì vÃy, magie hydroxide chÿ yếu đ°ÿc sử dāng làm chất phā gia chống cháy cho nhựa yêu cầu nhiệt đá cao h¡n, ví dā nh° polyporpylen[73,76]

- Amoni polyphotphat (APP)

Amoni polyphotphat là muối vô c¡ cÿa axit polyphotphoric và amoniac, có công thāc tổng quát d¿ng (NH4PO3)n vãi chißu dài m¿ch có thá thay đổi trong ph¿m vi ráng; n có thá cao h¡n 1000 Những chußi có m¿ch ngắn n<100 (d¿ng APP I), nh¿y cÁm vãi n°ãc và ít ổn đßnh h¡n so vãi những m¿ch phân tử dài h¡n n>1000 (d¿ng APP II)

Sự phân hÿy nhiệt cÿa APP t¿o thành các nhóm hydroxyl có tính axit tự do, đối vãi những vÃt liệu có phân tử oxy và nit¡, axit photphoric xúc tác cho phÁn āng đá vÃt liệu than hóa hình thành lãp bÁo vệ; vãi những vÃt liệu không tự hóa than, APP có thá thay đổi c¡ chế phân hÿy nhiệt cÿa polyme

Hình 1 10 C¡ chế chống cháy cÿa amoni polyphotphat

Tác dāng làm chÃm cháy cÿa APP đ°ÿc thực hiện bằng cách can thiệp vào các phÁn āng dây chuyßn t¿o gốc tự do Các phÁn āng dây chuyßn t¿o ra các gốc tự do, và có thá sinh ra mát năng l°ÿng rất lãn Các gốc tự do này cũng nh° năng l°ÿng cÿa các phÁn āng dây chuyßn có thá bß triệt tiêu do sự có mặt cÿa các chất phā gia chÃm cháy Tác dāng āc chế phÁn āng cháy cÿa APP có thá đ°ÿc miêu tÁ nh° sau[46]: