Nghiên cứu gia cường lớp phủ polyme phồng nở bằng graphene Đa lớp và khoáng chất nhằm nâng cao khả năng bảo vệ chống cháy của vật liệu

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Với định hướng “Nghiên cứu gia cường lớp phủ polyme phồng nở bằng graphene đa lớp và khoáng chất nhằm nâng cao khả năng bảo vệ chống cháy của vật liệu.” luận v

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên cứu gia cường lớp phủ polyme phồng

nở bằng graphene đa lớp và khoáng chất nhằm nâng cao khả năng bảo vệ chống cháy

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên cứu gia cường lớp phủ polyme phồng

nở bằng graphene đa lớp và khoáng chất

nhằm nâng cao khả năng bảo vệ chống cháy

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Em xin gửi tới Ban Lãnh đạo nhà trường, các thầy cô Viện Kỹ thuật Hóa học - ĐH Bách Khoa Hà Nội lời chào cùng với lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn chân thành nhất

Trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp, Em xin gửi lời cảm ơn cô, TS Giang Thị Phương Ly, Đại học Bách khoa Hà Nội và TS Nguyễn Việt Dũng, Viện Khoa học Vật liệu đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em, cho em những nhận xét quý báu, những kiến thức bổ ích và sự nhiệt tình giúp em hoàn thành tốt luận văn này

Em xin cảm ơn tới tất cả những người đồng hành, hỗ trợ và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn Nhắc đến luận văn của em là một đề tài khá mới cũng như bản thân em đang còn ít kinh nghiệm nên sẽ không thể tránh khỏi những thiếu xót, em mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Với định hướng “Nghiên cứu gia cường lớp phủ polyme phồng nở bằng graphene đa

lớp và khoáng chất nhằm nâng cao khả năng bảo vệ chống cháy của vật liệu.” luận văn

đã trình bày thành năm chương lớn Phần thổng quan nêu bật được các nghiên cứu trong

và ngoài nước về vật liệu chống cháy, trong đó lớp phủ polyme phồng nở có nhiều ưu điểm và đang được triển khai nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi Chương 2 nêu rõ đối tượng

và các phương pháp nghiên cứu Phần thực nghiêm tiến hành chế tạo lớp phủ chống cháy phồng nở trên cơ sở hệ (APP:PER:MEL), chất tạo màu, phụ gia, chất độn Khảo sát ảnh hưởng nồng độ của các cấu tử trong thành phần đến khả năng phồng nở của lớp phủ, đặc biệt đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng các chất độn có nguồn gốc trong nước như Talc, Sericite, graphene Các kết quả được thảo luận trong chương 4 Chương 5 tổng hợp các kết quả đạt được của luận văn: Đã tổng hợp thành công lớp phủ phủ polyme phồng nở với khối lượng phân tử acrylic là 180.000g/mol, tỷ lệ APP:PER:MEL = 3:1:1 (tương ứng với hàm lượng APP = 39g, PER =13g, MEL= 13g) và TiO2=15g cho độ phồng nở cao nhất với 53.72 lần Thêm chất độn khoáng Talc (2.5%) cho độ phồng nở tăng, và đạt giá trị cao nhất là 59.56 lần Mẫu đã đạt được thử nghiệm chống cháy theo tiêu chuẩn TCVN 9311-1:2012 (ISO 834-1:1999), với độ dày lớp phủ la 700µm chống cháy trong khoảng 120 phút và đã có một công bố trên tạp chí Hóa học (Vietnam Journal

of Chemistry) Sau khi đưa graphene vào lớp phủ polyme phồng nở cho thấy khả năng chống ăn mòn được nâng cao Kết quả cho thấy ở hàm lượng 0.5% graphene cho khả năng chống xâm nhập của các tác nhân gây ăn mòn tốt nhất Bằng việc thay khoáng Talc bằng Sericite, ở hàm lượng 2.5% cho độ phồng nở cao nhất 57.39 lần

Học viên

Lê Văn Duẩn

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 Tổng quan 2

1.1 Khái niệm và phân loại lớp phủ chống cháy 2

1.2 Lớp phủ polyme phồng nở 6

1.2.1 Khái niệm 6

1.2.2 Phân loại 7

1.2.3 Thành phần của lớp phủ polyme phồng nở hữu cơ 7

1.3 Tình hình nghiên cứu hiện nay 19

CHƯƠNG 2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 24

2.1 Đối tượng nghiên cứu 24

2.1.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 24

2.1.2 Tiêu chuẩn lựa chọn 24

2.2 Những nội dung nghiên cứu 24

2.3 Các phương pháp nghiên cứu 24

2.3.1 Phương pháp chế tạo vật liệu 24

2.3.2 Phương pháp xác định đặc trưng, tính chất của lớp phủ polyme phồng nở 24 CHƯƠNG 3 Thực nghiệm 26

3.1 Hóa chất và Thiết bị 26

3.1.1 Hóa chất 26

3.1.2 Thiết bị 26

3.2 Phương pháp chế tạo mẫu 27

3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhựa Acrylic 28

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng APP, PER, MEL, TiO2 28

3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất độn Talc, Graphene, Sericite 30 3.3 Phương pháp nghiên cứu 31

3.3.1 Phương pháp nghiên cứu lớp phủ trước khi nung 31

3.3.2 Phương pháp nghiên cứu lớp phủ sau khi nung 33

CHƯƠNG 4 Kết quả và thảo luận 36

4.1 Nghiên cứu vai trò, ảnh hưởng các thành phần cơ bản trong hệ sơn chống cháy theo cơ chế phồng nở 36

4.1.1 Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chất kết dính đến độ phồng nở và độ cứng của lớp than hóa 36

4.1.2 Ảnh hưởng của Amoni polyphophat, Pentaerythritol, Melamine đến độ phồng nở và độ cứng của lớp than hóa 37

4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng Talc 41

4.2.1 Hình thái cấu trúc của lớp phủ khi thay đổi hàm lượng talc 42

4.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X 43

4.2.3 Tính chất nhiệt 43

4.2.4 Tính chất cơ lý của mẫu vật liệu sau khi nung 44

4.2.5 Đo khả năng bảo vệ cách nhiệt 45

4.2.6 Tổng trở điện hóa 45

4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của Graphene 46

4.3.1 Hình thái cấu trúc của lớp than có chứa graphene 47

4.3.2 Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X 47

4.3.3 Tính chất nhiệt 48

4.3.4 Tính chất cơ lý của mẫu vật liệu sau khi nung 49

4.3.5 Tổng trở điện hóa 49

4.3.6 Đo gia tốc thời tiết 50

4.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng sericite 52

4.4.1 Hình thái cấu trúc của lớp than chứa sericite 53

4.4.2 Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X 54

4.4.3 Tính chất nhiệt 54

4.4.4 Tính chất cơ lý của mẫu vật liệu sau khi nung 55

4.4.5 Đo gia tốc thời tiết 55

CHƯƠNG 5 Kết luận và kiến nghị 57

5.1 Kết luận 57

5.2 Kiến nghị 57

Công trình đã công bố 58

Tài liệu tham khảo 59

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Kết cấu thép được bọc bê tông chống cháy [5] 3

Hình 1.2 Kết cấu thép được bọc bằng thạch cao chống cháy [6] 1 Lõi thép; 2 Tấm thạch cao 3

Hình 1.3 Kết cấu thép được phun vữa chống cháy [6] 1 Lõi thép; 2 Vữa chống cháy 4

Hình 1.4 Kết cấu thép được phun lớp phủ chống cháy 5

Hình 1.5 Mẫu được phủ lớp polyme không phồng nở 5

Hình 1.6 Kết cấu thép được phủ lớp polyme phồng nở [10] 6

Hình 1.7 Số lượng các nghiên cứu có liên quan đến phồng nở [12] 6

Hình 1.8 Quá trình phân hủy amoni polyphotphat [14] 8

Hình 1.9 Phản ứng cacbon hóa hình thành lớp than [10] 8

Hình 1.10 Quá trình melamin bị phân hủy [15] 8

Hình 1.11 Quá trình phân hủy APP và phản ứng tạo thành lớp than [10] 9

Hình 1.12 Quá trình phồng rộp lớp polyme phồng nở chống cháy khi tiếp xúc với lửa 10

Hình 1.13 Đường cong TG của APP, PER, MEL và lớp phủ phồng nở [17] 10

Hình 1.14 Đường cong TGA của PP/APP được chức năng hóa silan [18] 11

Hình 1.15Cấu trúc tinh thể sericite 14

Hình 1.16 Ảnh SEM và ảnh phân bố kích thước hạt khoáng serecit 15

Hình 1.17 Cấu trúc tinh thể Talc 15

Hình 1.18 Ảnh SEM và ảnh phân bố kích thước hạt khoáng talc 16

Hình 1.19 Các dạng vật liệu cacbon cấu trúc nano [28] 17

Hình 1.20 Số bài báo cáo về graphene theo các năm 18

Hình 1.21 Ảnh SEM của mẫu vật liệu graphene 19

Hình 2.1 Quy trình chế tạo lớp phủ polyme phồng nở 27

Hình 2.2 Mẫu lớp phủ được chế tạo trên tấm thép 28

Hình 2.3 Thiết bị đo tổng trở điện hóa 31

Hình 2.4 Máy phân tích nhiệt TGA 31

Hình 2.5 Thiết bị đo gia tốc thời tiết 32

Hình 2.6 Thiết bị đo khả năng cách nhiệt của lớp phủ 32

Hình 2.7 Kính hiển vi điện tử quét FESEM (Hitachi S4800) 33

Hình 2.8 Máy đo nhiễu xạ tia X, EQUINOX 5000 33

Hình 2.9 Chu trình gia nhiệt đốt cháy mẫu 34

Hình 2.10 Ảnh tủ nung Nabertherm (Đức) 34

Hình 2.11 Ảnh xác định độ dày lớp phủ trước khi nung 34

Hình 2.12 Ảnh xác định độ dày lớp phủ sau khi nung 35

Hình 2.13 Thiết bị đo độ bền nén 35

Hình 2.14 Quá trình xác định độ cứng lớp than hóa 35

Hình 3.1 Giản đồ phân tích nhiệt của nhựa Acrylic 36

Hình 3.2 Độ cứng lớp than hóa sau khi nung 37

Hình 3.3 Giản đồ phân tích nhiệt APP, PER, MEL [39] 38

Hình 3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng APP tới độ phồng nở và độ cứng sau nung 38

Hình 3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng PER tới độ phồng nở và độ cứng sau nung 39

Hình 3.6 Ảnh hưởng của hàm lượng MEL tới độ phồng nở và độ cứng sau nung 40

Hình 3.7 Ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 tới độ phồng nở sau nung 40

Hình 3.8 Giản đồ phân tích nhiệt của khoáng Talc [39] 41

Hình 3.9 a) Ảnh của lớp than phồng nở sau khi đốt và b) Ảnh SEM của lớp than phồng nở sau khi đốt ở 800 oC 42

Hình 3.10 Giản đồ nhiễu xạ tia X không có và có thay đổi hàm lượng talc của lớp phủ phồng nở 43

Hình 3.11 a) Đường cong TG và b) DTG của lớp phủ phồng nở 44

Hình 3.12 Ảnh hưởng của hàm lượng Talc tới độ phồng nở và độ cứng sau nung 44

Hình 3.13 Biểu độ gia nhiệt của lò đốt và mẫu đốt 45

Hình 3.14 Phổ tổng trở của màng sơn ở hàm lượng 2.5% talc ngâm trong dung dịch NaCl 3.5% sau 1, 3, 7 ngày 46

Hình 3.15 Ảnh SEM của các lớp than phồng nở 47

Hình 3.16 Giản độ nhiễu xạ tia X của vật liệu polyme phồng nở chứa graphene 48

Hình 3.17 Đường cong phân tích nhiệt TG của lớp phủ polyme phồng nở chứa graphene 48

Hình 3.18 Ảnh hưởng của hàm lượng graphene tới độ phồng nở và độ cứng sau nung 49

Hình 3.19 Phổ tổng trở của màng sơn ở các hàm lượng graphene khác nhau ngâm trong dung dịch NaCl 3.5% sau 1, 3, 7 ngày 50

Hình 3.20 Lớp phủ polyme trước và sau khi thử nghiệm gia tốc thời tiết 51

Hình 3.21 Độ phồng nở của lớp phủ đã được gia tốc thời tiết sau khi nung 51

Hình 3.22 Quá trình khuếch tán môi trường ăn mòn qua lớp sơn bảo vệ có pigment đẳng hướng (A) và không đẳng hướng – mica (B) 52

Hình 3.23 Giản đồ phân tích nhiệt của khoáng sericite [46] 52

Hình 3.24 Ảnh SEM của mẫu không chứa khoáng Sericite và có khoáng Sericite 53

Hình 3.25 Giản độ nhiễu xạ tia X của vật liệu polyme phồng nở chứa Sericite 54Hình 3.26 Đường cong phân tích nhiệt TG của lớp phủ polyme phồng nở chứa Sericite 54Hình 3.27 Ảnh hưởng của hàm lượng sericite tới độ phồng nở và độ cứng sau nung 55Hình 3.28 Độ phồng nở của lớp phủ đã được gia tốc thời tiết sau khi nung 55

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của sericite nghiên cứu 14

Bảng 1.2 Hàm lượng các chất trong lớp phủ phồng nở [27] 17

Bảng 2.1 Bảng thành phần các nguyên vật liệu 26

Bảng 2.2 Các thiết bị được sử dụng 26

Bảng 2.3 Thành phần của lớp phủ polyme phồng nở 27

Bảng 2.4 Các loại nhựa acrylic khác nhau 28

Bảng 2.5 Hàm lượng thay đổi của các thành phần APP, PER, MEL và TiO2 29

Bảng 2.6 Hàm lượng khoáng Talc khác nhau 30

Bảng 2.7 Hàm lượng Graphene khác nhau 30

Bảng 2.8 Hàm lượng sericite khác nhau 30

Bảng 3.1 Thành phần của lớp phủ polyme phồng nở 36

Bảng 3.2 Độ phồng nở của các mẫu vật liệu với chất kết dính khác nhau 37

Bảng 3.3 Khảo sát hàm lượng khoáng Talc trong lớp phủ polyme phồng nở 41

Bảng 3.4 So sánh độ khả năng bảo vệ cách nhiệt của mẫu Tc2.5, với các kết quả đã được công bố 45

Bảng 3.5 Khảo sát hàm lượng graphene đa lớp 46

Bảng 3.6 Khảo sát hàm lượng Sericite 53

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

SEM Scanning electron microscope Hiển vi điện tử quét TGA Thermal Gravimetric Analysis Phân tích nhiệt trọng lượng DSC Differential scanning calorimetry Phân tích nhiệt vi sai

IFR Instrument flame retardant Chất chống cháy phồng nở

PCCC& CNCH Police Bureau of Fire Prevention,

Fighting and Rescue

Phòng cháy chữa cháy và cứu nạn cứu hộ

MỞ ĐẦU

Một trong những yêu cầu thiết yếu của các công trình xây dựng là đảm bảo

an toàn và phòng chống cháy nổ Rất nhiều vật liệu chống cháy ra đời với mục tiêu chịu được lửa, nhiệt độ cao trong thời gian dài, ngăn chặn việc lan rộng khu vực cháy Đa số các vật liệu được sử dụng hiện nay là bê tông, thạch cao, bông thủy tinh tuy nhiên, do thể tích lớn nên chúng chiếm nhiều diện tích sử dụng của công trình Lớp phủ chống cháy ra đời với mục đích tạo ra vật liệu chống cháy từ các vật liệu cơ bản vốn có của công trình, ít gây ảnh hưởng đến diện tích sử dụng Ưu điểm của lớp phủ chống cháy phồng nở là có thể ngăn nhiệt xâm nhập và ngọn lửa lan rộng Hơn nữa, nó không làm thay đổi các tính chất bên trong của vật liệu Lớp phủ được gắn trực tiếp vào vật liệu trong một khoảng thời gian dài và hoạt động khi có sự xuất hiện của nhiệt độ hoặc ngọn lửa Lớp phủ bên ngoài sẽ làm chậm quá trình truyền nhiệt đến cấu trúc bên trong bằng cách hình thành một lớp than hóa bảo vệ Quá trình tạo phồng nở và than hóa diễn ra liên tục, màng polyme sau khi đốt có chiều dày tăng lên gấp nhiều lần so với chiều dày ban đầu và có khả năng duy trì nhiệt độ bề mặt kết cấu thép (dưới lớp sơn) nhỏ hơn 450 oC trong một thời gian nhất định

Tuy nhiên, các nghiên cứu và sản xuất lớp phủ chống cháy trong nước chưa đáp ứng được yêu cầu, tất cả các công trình đều sử dụng sơn chống cháy nhập ngoại Trữ lượng các loại khoáng như talc, sericit,… ở nước ta nhiều và phong phú Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng các loại bột khoáng có cấu trúc lớp để làm chất độn cho lớp phủ phồng nở là một hướng nghiên cứu rộng mở, cần thiết và có ứng dụng thực tiễn

Với mong muốn tiếp cận hướng nghiên cứu trong lĩnh vực mới này, em đã

lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu gia cường lớp phủ polyme phồng nở bằng graphene

đa lớp và khoáng chất nhằm nâng cao khả năng bảo vệ chống cháy của vật liệu.”

Mục tiêu của đề tài

➢ Nghiên cứu gia cường lớp phủ polyme phồng nở bằng graphene đa lớp và khoáng chất nhằm nâng cao khả năng bảo vệ chống cháy của vật liệu

➢ Đánh giá hiệu quả bảo vệ chống cháy của graphene đa lớp và khoáng chất trong vật liệu polyme phồng nở

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm và phân loại lớp phủ chống cháy

Trên thế giới đã xảy ra những thảm họa cháy nổ nhà xưởng khủng khiếp cướp

đi hàng nghìn sinh mạng mỗi năm Trong số đó, có thể kể đến vụ cháy nhà máy dệt ở Karachi, Pakistan (2012), hậu quả của sự việc đau lòng này là gần 300 công nhân thiệt mạng cùng nhiều người khác bị thương [1] Hay vụ cháy nhà máy phụ tùng oto ở Giang Tô, Trung Quốc năm 2014, vụ cháy đã cướp đi sinh mạng của

146 công nhân, đồng thời làm 114 người khác bị thương [2]

Ở Việt Nam, theo báo cáo của Cục Cảnh sát PCCC và CNCH năm 2020, toàn quốc xảy ra 5454 vụ cháy làm chết 75 người, bị thương 144 người, thiệt hại tài sản 932,023 tỷ đồng và 1.411,7ha rừng Cháy lớn gây thiệt hại nghiêm trọng tập trung chủ yếu tại các nơi có tốc độ phát triển kinh tế và đô thị hóa nhanh, có nhiều khu công nghiệp, khu chế xuất, chợ, trung tâm thương mại, nhà cao tầng Nguyên nhân chủ yếu xảy ra là do sự cố hệ thống, thiết bị điện và sơ suất trong sử dụng nguồn lửa, nguồn nhiệt [3]

Việc sử dụng thép kết cấu cho các công trình nhà xưởng đã khá phổ biến từ nhiều năm, do những ưu điểm nó mang lại như: khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao, khó biến dạng trong quá trình sử dụng Kết cấu thép không bị cháy, tuy nhiên ở nhiệt độ trên 500 oC kết cấu thép bị mất tính ổn định và biến dạng, dẫn đến khả năng chịu lực suy giảm gây hư hỏng, sụp đổ công trình ảnh hưởng tới tài sản cũng như nguy hiểm đến tính mạng con người [4] Do đó, yêu cầu bắt buộc với kết cấu thép phải được gia tăng giới hạn chịu lửa bằng cách bọc hoặc phủ các lớp bảo

vệ chống cháy giúp chống chịu ảnh hưởng của môi trường nhiệt độ cao trên 1000oC trong một thời gian nhất định, tạo cơ hội để khống chế, dập tắt đám cháy Một số phương pháp thường được dùng để bảo vệ thép kết cấu là: Bọc bê tông, bọc thạch cao chống cháy, phun vữa chống cháy và phủ lớp phủ chống cháy

Bê tông chống cháy: Bê tông chống cháy là bê tông chịu nhiệt, chống cháy

gồm thành phần chính là xi măng chịu nhiệt, bột Samot nghiền và cao lanh Trong

đó, xi măng chịu nhiệt là xi măng có thành phần Al2O3 cao, chiếm từ khoảng 50% đến 80% tùy vào mức chịu nhiệt của từng loại

❖ Ưu điểm

- Thi công nhanh, giảm chi phí hoàn thiện bề mặt, nhân công, thiết bị

- Dễ dàng lấp đầy ván khuôn hẹp, cho phép chế tạo những cấu kiện mỏng, giúp giảm lượng bê tông, tăng chất lượng công trình

- Chịu nhiệt độ cao từ 1000 – 2000 oC tùy từng loại

- Tính năng kỹ thuật vượt trội

- Cường độ và độ ổn định cao khi gia nhiệt

Bên cạnh đó , việc thi công và quy trình lắp đặt rất khó khăn do liên quan đến một số chi tiết liên kết phức tạp [5]

Hình 1.1 Kết cấu thép được bọc bê tông chống cháy [5]

Thạch cao chuyên dụng chống cháy: Thạch cao là tinh thể bột với thành

phần chính là muối Canxi Sunfat ngậm 2 phân tử nước (CaSO4.2H2O) (21% khối lượng là nước và 79% khối lượng là thạch cao khan, và có khối lượng riêng từ 2.31 – 2.33 g/cm3) Hợp chất này hoàn toàn không có phản ứng hóa học ở nhiệt độ dưới

1200 oC Khi công trình xảy ra hỏa hoạn, đầu tiên các phân tử nước kết tinh sẽ hấp thụ nhiệt rồi được giải phóng ra dưới dạng hơi nước Đây là hiện tượng canxi hóa, chính quá trình hấp thụ nhiệt và giải phóng các phân tử nước này đã hạn chế sự truyền nhiệt từ mặt tiếp xúc trực tiếp với lửa sang mặt kia của tấm, tạo hiệu quả cách nhiệt cho tấm

- Thời gian thi công tấm thạch cao lâu hơn

Tuy nhiên, hình thức bọc chủ yếu của thạch cao là bọc hình hộp, tấm thạch cao chạy vòng quanh tiết diện theo một hình chữ nhật ngoại tiếp Do đó, gây tốn diện tích nhà xưởng so với các phương pháp phun, phủ [6]

Hình 1.2 Kết cấu thép được bọc bằng thạch cao chống cháy [6]

1 Lõi thép; 2 Tấm thạch cao

Vữa chống cháy: Vữa chống cháy có thành phần hóa học chính là các chất

khoáng tự nhiên, xi măng và các chất phụ gia hoạt tính, được thi công bằng phương pháp phun khô hoặc trát hoặc đổ ghép cốp pha Các phương pháp này thi công tương đối nhanh, lại không gặp phải những vấn đề khó khăn khi cố định các tấm panel, tấm tường, tấm sàn cứng xung quanh các chi tiết liên kết phức tạp Sau khi thi công, vữa chống cháy tạo nên một lớp phủ rắn, có khả năng chịu được sự tác động nhiệt của các đám cháy nhiên liệu có cường độ cao, đặc biệt là dạng lửa phun

❖ Ưu điểm

- Hiệu năng chống cháy cao

- Chi phí thi công khá thấp (so với các vật liệu chống cháy hiện nay)

- Thi công nhanh chóng và đạt hiệu quả cao

- Tuân thủ đầy đủ các tiêu chuẩn, quy chuẩn an toàn trên thế giới

- Không chứa Amiăng nên an toàn khi thi công và sử dụng

- Độ bám dính cực tốt trên nhiều loại bề mặt

- Tuổi thọ cao, dễ dàng sửa chữa vào bảo trì

❖ Nhược điểm phương pháp này là bề mặt kết cấu xù xì gây mất thẩm mỹ [6]

Hình 1.3 Kết cấu thép được phun vữa chống cháy [6]

1 Lõi thép; 2 Vữa chống cháy

Lớp phủ chống cháy (sơn chống cháy): là sản phẩm sơn phủ lên bề mặt vật

liệu cần phòng chống cháy nổ, tùy theo thời gian yêu cầu về thời gian chống cháy

có thể 90 phút – 120 phút hoặc 180 phút mà lựa chọn loại sơn và bề dày lớp sơn phù hợp

❖ Ưu điểm

- Rất dễ sử dụng, an toàn, không phức tạp

- Thời gian thi công nhanh và dễ dàng, không tốn thêm chi phí phát sinh

- Sơn trực tiếp lên sắt thép không cần sơn chống rỉ

- Ứng dụng được cả trong và ngoài trời

- Giá thành cạnh tranh

- Tính thẩm mỹ cao

❖ Nhược điểm

- Chưa phổ biến rộng rãi tại thị trường Việt Nam

- Là sản phẩm phòng chống nên không nhìn thấy tính hiệu quả ngay

- So với các giải pháp khác thì sơn chống cháy có giá thành cao hơn

Hình 1.4 Kết cấu thép được phun lớp phủ chống cháy

Lớp phủ chống cháy (Flame Retardant Coatings) được chia làm hai nhóm: lớp phủ không phồng nở (non-intumescent coatings) và lớp phủ phồng nở (intumescent coatings) [7]

- Lớp phủ chống cháy không phồng nở thường được sử dụng các hợp chất có

chứa nhóm halogen như là flo, clo, brom, và iot Sự xuất hiện của các thành phần này gây ức chế ngọn lửa lan truyền thông qua việc giải phóng các gốc

tự do Từ đó dập tắt triệt để ngọn lửa thay vì thổi than trong quá trình đốt cháy Tuy nhiên, các hợp chất chống cháy chứa halogen có nhược điểm là trong quá trình cháy chúng sinh ra nhiều khói và khí độc gây ăn mòn và ảnh hưởng đến môi trường Ngoài ra, nhiều FR halogen đã được chứng minh là khó phân hủy gây tích tụ sinh học Do các yêu cầu về các sản phẩm an toàn

và thân thiện với môi trường ngày càng cao nên các chất chống cháy halogen gần như đã bị cấm ở các quốc gia phát triển và một số quốc gia đang phát triển [7, 8]

Hình 1.5 Mẫu được phủ lớp polyme không phồng nở

- Lớp phủ chống cháy phồng nở được tạo nên từ 3 thành phần quan trọng: tác

nhân tạo axit, tác nhân tạo khí, và tác nhân cacbon hóa Khi có nguồn nhiệt,

ba thành phần hoạt động và chất kết dính sẽ nở ra và tạo thành một lớp than phồng nở giúp ngăn cản sự truyền nhiệt từ môi trường bên ngoài tới cấu trúc bên trong của vật liệu [9] Ưu điểm của phương pháp này là kết cấu vẫn giữ được hình dáng gốc, khả năng bảo vệ các chi tiết tốt, tuy nhiên giá thành cao

Hình 1.6 Kết cấu thép được phủ lớp polyme phồng nở [10]

Hiện nay, lớp phủ chống cháy phồng nở vẫn được xem là một trong những cách hiệu quả, thuận tiện và tiết kiệm chi phí nhất để bảo vệ vật liệu như là kim loại, polyme, sợi dệt và gỗ chống cháy [9] Là sản phẩm ứng dụng chính của nhóm sản phẩm polyme phồng nở, được sử dụng để bảo vệ khả năng chịu lực cho kết cấu thép trong các công trình xây dựng Tùy theo phân loại cấp độ của các công trình, bề mặt kết cấu thép sẽ được sơn lớp sơn chống cháy với các độ dầy khác nhau, giúp cho kết cấu chịu lực chính có khả năng chịu lửa với các khoảng thời gian khác nhau từ 30 đến 180 phút

Khái niệm phồng nở xuất hiện lần đầu tiên kể từ khi một bài báo mô tả một cách đầy đủ quá trình biến đổi trạng thái do nhiệt của nó được xuất bản những năm

1970 Khi xem xét hầu hết các tài liệu cho thấy khái niệm phồng nở chỉ được sử dụng rộng rãi để chỉ các polyme phồng nở hoặc sơn phồng nở chống cháy Vật liệu polyme phồng nở sau đó xuất hiện như một chủ đề được các nhà khoa học hết sức quan tâm, được chứng mình bằng số lượng bài báo và bằng sáng chế có liên quan đến chủ đề này (hình 1.5) [12]

Hình 1.7 Số lượng các nghiên cứu có liên quan đến phồng nở [12]

Trên hình 1.7 cho thấy từ năm 1970 – 1987 cho thấy số lượng nghiên cứu và

và bằng sáng chế còn rất ít (xấp xỉ nhau) Tuy nhiên, từ 1989 – 2007 cho thấy số lượng nghiên cứu ngày càng tăng lên rất nhiều so với bằng sáng chế Điều này chứng tỏ rằng đã có rất nhiều nhà khoa học đang quan tâm vào chủ đề này

1.2.2 Phân loại

Lớp phủ polyme phồng nở được chia làm hai loại chính đó là: lớp phủ phồng

nở vô cơ và lớp phủ phồng nở hữu cơ

Lớp phủ phồng nở vô cơ: Lớp phủ phồng nở vô cơ có nguồn gốc từ akali

silicat Chúng phồng lên khi tiếp xúc với lửa chủ yếu là do phản ứng hydrat hóa và khả năng tan chảy tạo thành lớp bọt than cứng rắn Một sản phẩm phủ vô cơ đã được báo cáo có chứa natri silicat, kali silicat và bột cacbua silic được phủ lên bề mặt, điển hình là nhôm phồng nở ở nhiệt độ cao và tạo thành than cách nhiệt và giữ lại cấu trúc này trong thời gian dài ở nhiệt độ lên tới 1000 oC Hầu hết silicat được ưu tiên sử dụng trong nội thất vì khả năng chống nước kém [10]

Lớp phủ phồng nở hữu cơ: là lớp phủ phồng nở dạng màng mỏng và dựa trên

chất xúc tác axit, ví dụ, amoni polyphosphate (APP), chất tạo than, pentaerythritol (PER) và chất tạo xốp, melamine (MEL) trong chất kết dính gốc nước hoặc dung môi Những loại lớp phủ này ổn định thời tiết và chịu nước hơn so với lớp phủ gốc akali silicat Chúng được các kiến trúc sư và nhà thiết kế ưa chuộng để chống cháy thụ động cho các kết cấu khung thép vì chúng mang lại lớp hoàn thiện không làm mất đi vẻ ngoài của kết cấu thép lộ ra như trong trường hợp lớp phủ xi măng (vữa chống cháy Ngày nay, chúng ngày càng được sử dụng nhiều ở các sân bay hiện đại, các tòa nhà chọc trời, khu liên hợp thể thao, trung tâm mua sắm, khách sạn và những nơi khác, đồng thời cho phép kiến trúc sư tạo ra và thiết kế các yếu tố bằng

chính thép [10]

1.2.3 Thành phần của lớp phủ polyme phồng nở hữu cơ

Thành phần chính của một hệ chống cháy phồng nở bao gồm: tác nhân tạo axit, tác nhân cacbon hóa và tác nhân tạo khí Ngoài ra, trong hệ phồng nở chống cháy còn có một số thành phần quan trọng khác như chất tạo màng và các chất phụ gia khác [10]

1.2.3.1 Tác nhân tạo axit (APP)

Tác nhân tạo axit là loại hợp chất có chứa photpho tỷ lệ cao và bị phân hủy dưới tác dụng của nhiệt để tạo ra axit polyphotphoric Đó là các hợp chất như amoni polyphotphat, urephotphat, melamin photphat và điamoni photphat Trong tất cả các chất này thì amoni polyphotphat (APP) là nguồn axit được nghiên cứu

và sử dụng rộng dãi nhiều nhất [10, 13] Tuy nhiên, độ nhạy của nước và khả năng tương thích kém với chất kết dính là một số hạn chế của nó Tính chất của amoni polyphotphat phụ thuộc vào số lượng đơn vị monome và mức độ phân nhánh APP được chia làm 2 họ chính là APP tinh thể loại I (APP I) và APP tinh thể loại II (APP II) APP I có đơn vị photphat thường thấp hơn 100 là một chuỗi thẳng với nhiệt độ phân hủy thấp hơn khoảng 150 oC và có khả năng hòa tan trong nước cao hơn APP II với số đơn vị photphat cao hơn 1000 có cấu trúc phân nhánh và trọng

lượng phân tử cao hơn nhiều so với APP I, độ bền nhiệt của APP (II) cao hơn với nhiệt độ phân hủy xấp xỉ 300 oC và ít hòa tan trong nước hơn APP (I) Do đó APP (II) thường được lựa chọn sử dụng làm tác nhân tạo axit trong lớp phủ polyme phồng nở Ở nhiệt độ lớn hơn 250 oC, APP phân hủy thành axit polyphotphoric và giải phóng NH3 [10].

Hình 1.8 Quá trình phân hủy amoni polyphotphat [14]

1.2.3.2 Tác nhân cacbon hóa (PER)

Tác nhân cacbon hóa là một hợp chất hóa học khi phản ứng với axit polyphotphoric sinh ra ở trên sẽ tạo thành một lượng lớn cacbon Loại than dạng bọt này sẽ tạo ra một lớp cách ly không bắt cháy Các vật liệu thường dùng là pentaerylthitol, dipentaerylthitol, tripentaerylthitol, đường và tinh bột [13] Pentarylthitol là chất tạo than được báo cáo nhiều nhất khi kết hợp với APP như là một nguồn axit trong việc hình thành lớp than Với điểm nóng chảy thấp hơn, nó

có lợi trong quá trình phồng nở sớm Tuy nhiên, do khả năng hòa tan trong nước của nó dẫn đến việc hạn chế sử dụng cho các ứng dụng bền thời tiết Dipentaerylthitol và tripentaerylthitol mặc dù đắt hơn nhưng ít bị hòa tan hơn Bên cạnh đó, nhiệt độ nóng chảy của diphentaerylthitol và triphentaerylthitol cao hơn cho thấy khả năng chống gió và chống nứt than ở nhiệt độ cao tốt hơn [10]

Hình 1.9 Phản ứng cacbon hóa hình thành lớp than [10]

1.2.3.3 Tác nhân tạo khí (MEL)

Tác nhân tạo khí là khi phân hủy sẽ tạo ra một lượng lớn khí Tác nhân tạo khí thường được sử dụng là các hợp chất melamin (MEL) Ở nhiệt độ trên 300oC, melamin bị phân hủy sinh ra khí amoniac và tạo thành melam, melem và melon Quá trình này làm cho lớp phủ phồng nở [10]

Hình 1.10 Quá trình melamin bị phân hủy [15]

Melamine, ngoài vai trò là tác nhân thổi, còn tương tác với amoni polyphosphat Chứng minh rằng khi đun nóng, melamine trải qua quá trình ngưng

tụ với giải phóng amoniac và tạo thành các sản phẩm không hòa tan

Melamine thăng hoa và amoniac là nhiên liệu kém và chất ức chế ngọn lửa

và hoạt động như chất làm chậm cháy trong pha khí Melamine phosphate được hình thành do sự tương tác của melamine với amoni polyphosphate cũng hoạt động như một nguồn axit

Ngoài ra, các hợp chất phốt pho khác nhau của melamine như phosphat, pyrophosphat và polyphosphat là những chất chống cháy hữu ích Ngoài nguồn axit, chúng cũng được dùng như tác nhân tạo khí trong hệ phồng nở Urê cũng có thể hoạt động như tác nhân tạo khí nhưng được chứng minh là làm giảm độ phồng

nở trong hệ APP-PER do lượng khí phát sinh trong quá trình phân hủy ít hơn Dicyandiamide và guanidine cũng có thể là một tác nhân tạo khí hữu ích cùng với melamine trong các hệ phồng nở [10]

Sự tương tác giữa tác nhân tạo axit – tác nhân các bon hóa – tác nhân tạo khí

Lớp phủ polyme phồng nở được gắn trực tiếp vào vật liệu trong một khoảng thời gian dài và hoạt động khi có sự xuất hiện của ngọn lửa hoặc nguồn nhiệt Khi nhiệt độ trên 250 oC, APP bị phân hủy thành axit polyphotphoric và NH3 Tiếp theo, axit polyphotphoric sẽ phản ứng với tác nhân cacbon hóa tạo thành các phân đoạn polyme kết thúc bằng nhóm -C=CH2, chúng sẽ phân hủy và tạo thành than ở nhiệt độ cao Toàn bộ quá trình được thể hiện trên hình 1.9 [10] Tác nhân tạo khí MEL bị phân hủy và giải phóng khí, các khí này làm cho lớp phủ sủi lên, sau đó tạo ra nhiều bọt và cuối cùng lớp phủ phồng nở lên gấp nhiều lần so với thể tích ban đầu

Hình 1.11 Quá trình phân hủy APP và phản ứng tạo thành lớp than [10]

Camino đã nghiên cứu chi tiết sự phân hủy của APP APP mất ammoniac

và nước khi bị làm nóng Tuy nhiên ở nhiệt độ cao hơn, các liên kết ngang xảy ra thông qua cấu trúc P-O-P và P-N-P Phản ứng xảy ra với sự gián đoạn của cấu trúc chuỗi của polyphotphat với sự loại bỏ ammoniac, nước và sự giải phóng axit photphoric Axit photphoric sau đó phản ứng với pentarythitol tạo thành các este axit photphoric mạch vòng cũng hoạt động như tác nhân tạo khí Trong quá trình này, melamin và axit photphoric cũng kết hợp để tạo thành melamin polyphotphat

và dipolyphotphat và hơn thế nữa axit polyphotphoric khử nước thành photpho pentoxit Quá trình phồng rộp lớp polyme phồng nở chống cháy khi tiếp xúc với lửa được thể hiện trên hình 1.10 [16]

Hình 1.12 Quá trình phồng rộp lớp polyme phồng nở chống cháy khi tiếp xúc với lửa

Jun-wei Gu và cộng sự đã chế tạo lớp phủ chậm cháy phồng nở sử dụng nhựa polyeste không no và nhựa epoxy làm chất kết dính, tác nhân tạo axit là amoni polyphotphat (APP), tác nhân tạo khí là melamin (MEL), tác nhân cacbon là pentaerythritol (PER) (APP/PER/MEL = 8:3:5) và graphite trương nở được sử dụng như tác nhân trợ giúp cho lớp phủ chậm cháy, lớp phủ có bổ sung thêm titan dioxit (TiO2) TGA và DSC được sử dụng để phân tích quá trình phân hủy nhiệt (hình 1.11) [17]

Hình 1.13 Đường cong TG của APP, PER, MEL và lớp phủ phồng nở [17]

Hình 1.11 cho thấy việc mất khối lượng của amoniac là 290-500 oC do APP

bị phân hủy giải phóng khí NH3 và H2O PER bắt đầu phân hủy ở 277 oC trong khi MEL phân hủy 100% ở khoảng dưới 370 oC và giải phóng khí amoniac Amoniac giải phóng từ MEL có thể pha loãng nồng độ oxi, thổi vào than và hình thành lớp than phồng nở Lớp phủ bắt đầu mất khoảng 54% khối lượng ở 230-510 oC Lớp phủ nóng chảy và bắt đầu giải phóng NH3, H2O và axit polyphotphoric và tạo thành lớp phủ bảo vệ ổn định nhiệt ở nhiệt độ cao hơn

Kien-Sin Lim và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng APP đến tính chất nhiệt của hệ vật liệu chống cháy PP/APP được chức năng hóa silan Kết quả cho thấy rằng, nhiệt độ phân hủy của PP/APP cao hơn một chút so với nhiệt

độ phân hủy của PP nguyên chất, nhiệt độ phân hủy khoảng 264 oC và kết thúc ở khoảng 445 oC Ở nhiệt độ 445oC, vật liệu PP/APP vẫn còn khối lượng chưa phân hủy cao hơn với thứ tự tăng lần lượt là 8%, 11%, 13%, 15%, 17%, 20% Ở hàm lượng 20% APP có tỷ lệ còn lại cao nhất là 82% Từ đường cong TGA có thể suy

ra rằng việc tăng phần trăm trọng lượng của APP sẽ làm tăng nhiệt độ phân hủy của hỗn hợp [18]

Hình 1.14 Đường cong TGA của PP/APP được chức năng hóa silan [18]

1.2.3.4 Chất tạo màng

Chất tạo màng là chất kết dính, liên kết các phụ gia và các tác nhân chống cháy Dưới tác dụng của nhiệt và lửa, chất tạo màng sẽ chảy ra và cho phép phản ứng phồng nở xảy ra trong pha lỏng [10] Các chất kết dính đã được sử dụng là cao

su clo hóa, latex polyvinyl axetat, latex etylen vinyl axetat, acrylonitril, latex axetat, epoxy, polyurethan, v v [13] Việc lựa chọn chất kết dính cũng phụ thuộc vào môi trường làm việc sao cho lớp phủ có độ bền tốt nhất

Nhiều nghiên cứu khác nhau đã báo cáo về vai trò của chất kết dính trong các công thức phồng nở Các chất kết dính, bên cạnh việc cung cấp hiệu suất bảo

vệ đặc trưng, cũng phải phân hủy trong cùng một phạm vi nhiệt độ như các chất phụ gia chống cháy phồng nở khác của hệ để tạo ra sự phồng nở, dẫn đến than cháy Mặt khác, nó phải có độ nhớt nóng chảy không quá thấp là nguyên nhân làm cho lớp than bị sụt xuống trong quá trình phồng nở, cũng như không quá cao để ngăn chặn sự giãn nở của bọt Polyme nóng chảy phải có độ nhớt sao cho các khí thoát ra trong quá trình bốc hơi phải được chứa bên trong nó, tạo thành các bọt than Một số chất kết dính cũng hỗ trợ quá trình hình thành lớp than Chúng có sự tương tác đồng thời với amoni polyphosphat và tạo ra lớp than ổn định nhiệt hơn

Một loạt các loại nhựa cao phân tử có thể được sử dụng làm chất kết dính trong các lớp phủ phồng nở Việc lựa chọn chất kết dính cũng phụ thuộc vào môi trường hoạt động mà lớp phủ tiếp xúc và độ bền dự kiến của nó Acrylics hệ nước được sử dụng hầu hết ở các vị trí khô ráo, bên trong do khả năng ngăn chặn hơi

ẩm thẩm thấu qua màng sơn kém Acrylic hệ dung môi có thể sử dụng được ở các

vị trí bên trong hoặc bên ngoài vì khả năng ngăn chặn hơi ẩm thẩm thấu tốt hơn, tuy nhiên vẫn phải có mái che do khả năng chịu thời tiết kém Trong khi đó, sơn epoxy được sử dụng ở bất kỳ vị trí nào có khả năng chịu thời tiết cao và hiệu quả bảo vệ được mong đợi Mặt khác, nhựa nhiệt dẻo có đặc tính tạo than tốt so với nhựa nhiệt rắn, hơn nữa do khả năng thi công, hiệu quả về chi phí và thân thiện với môi trường, nên nhựa acrylic nhiệt dẻo vẫn được ưa chuộng hơn trong lớp phủ phồng nở [10]

Nhựa Acrylic nhiệt dẻo là các polymer acrylic được trùng hợp trực tiếp trong một dung môi thích hợp như Toluene, Xylene hoặc Methyl Ethyl Ketone và tạo màng bằng cơ chế vật lý (bay hơi dung môi) Chúng không cần phải được oxy hóa hoặc tạo liên kết ngang để tạo màng

Vì Acrylic nhiệt dẻo không hình thành màng theo cơ chế tạo liên kết ngang nên khái niệm độ nhớt và khả năng điều khiển độ nhớt của chất tạo màng như một cách để kiểm soát các tính chất và điều này rất quan trọng trong việc thiết kế lớp phủ polyme phồng nở Do đó, thông số thứ hai chi phối các tính chất màng của nhựa Acrylic nhiệt dẻo là khối lượng phân tử trung bình

Đối với lớp phủ polyme phồng nở cần phải tính toán kĩ lưỡng khối lượng phân tử trung bình Nếu khối lượng phân tử quá cao, khi ở trạng chảy mềm tạo ra

độ nhớt cao và cản trở sự giãn nở của bọt khí do sức căng bề mặt lớn, và cũng không được quá thấp, khi đó hỗn hợp chảy mềm sẽ bị chảy trôi khỏi bề mặt cấu trúc vật liệu

1.2.3.5 Chất tạo màu

Một loạt các chất tạo màu được sử dụng trong hệ phồng nở Ngoài vai trò của chúng như là một thành phần đặc trưng trong lớp phủ, chúng còn có tác dụng cải thiện hiệu suất chống cháy của lớp phủ Việc sử dụng TiO2 được báo cáo trong rất nhiều hệ phồng nở Nó được sử dụng không chỉ là chất tạo màu trắng mà còn cho thấy sự tương tác với các thành phần phồng nở Lớp phủ phồng nở chứa TiO2

thường cho thấy sự hình thành mở rộng bọt than màu trắng ở bên ngoài bề mặt, chủ yếu là titan pyrophotphat và là kết quả của sự tương tác của APP với TiO2 Horacek đề suất rằng sự hình thành của titan pyrophotphat là do phản ứng của P2O5

với TiO2 trong lớp phủ bên ngoài Li báo cáo rằng khả năng chống cháy của lớp phủ cũng phụ thuộc cả vào kích thước hạt và các dạng tinh thể [10] Zhenyu wang

và cộng sự đã nghiên cứu tính chất nhiệt của nano-TiO2 trong lớp phủ chống cháy, Người ta chứng minh rằng nano-TiO2 giúp tăng cường tính ổn định nhiệt, chống oxy hóa và chống cháy của polyme acrylic và lớp phủ chống cháy và tốt hơn so với các hạt TiO2 nói chung [19]

1.2.3.6 Chất phụ gia, chất độn

Các nghiên cứu sử dụng hệ polyme phồng nở cơ bản chứa amoni polyphotphat, pentaerythiritol và melamin đều cho thấy rằng lớp than hóa phồng

nở thường xốp, mềm và không duy trì được khả năng cách nhiệt lâu dài Theo đó,

để cải thiện khả năng chống cháy của lớp phủ phồng nở, các chất phụ gia, chất độn

đã được nghiên cứu sử dụng

Chất phụ gia: được thêm vào trong lớp phủ để nâng cao hiệu quả và tính ổn định của lớp bọt than cách ly, có thể đưa vào lớp phủ các chất như axit boric Nó được biết đến làm tăng hiệu suất bảo vệ chống cháy của lớp phủ phồng nở Axit boric bị phân hủy, giải phóng nước ở nhiệt độ 100-140 oC và tạo thành axit metaboric Ở nhiệt độ cao hơn, phản ứng khử nước tiếp tục xảy ra và tạo thành axit boron Tương tác của hợp chất boron với các thành phần phồng nở dẫn đến sự hình thành lớp thủy tinh trên bề mặt lớp than phồng nở [10]

Các chất độn như magie hydroxit (Mg(OH2)) được báo cáo là làm tăng độ bền liên kết với bề mặt kim loại do khả năng bám dính bề mặt hiệu quả của nó Việc bổ sung chất độn vô cơ giúp gia cường lớp than, cải thiện hiệu suất chống cháy, duy trì nó trong thời gian dài hơn Một số chất độn vô cơ phản ứng với APP hoặc với các sản phẩm phân hủy của nó và dẫn đến sự hình thành các hợp chất photphat ổn định nhiệt giúp duy trì tính nguyên vẹn của than

Chất độn trơ như zirconium silicat giúp gia cường than Nó cũng được báo cáo rằng việc bổ sung nó dẫn đến sự gia tăng lượng than dư và giải phóng các sản phẩm ít khí hơn

Sợi chịu lửa như alumin và silica làm tăng độ bền của than dư và cũng cải thiện hiệu suất bảo vệ chống cháy trong thời gian dài hơn Việc bổ sung nepheline syenit trong công thức đã được báo cáo để tăng hiệu suất chống lại các đám cháy nhiên liệu ở nhiệt độ cao Thủy tinh tổng hợp cũng đã cho thấy được tăng hiệu suất của lớp phủ phồng nở Việc kết hợp các chất độn thủy tinh dẫn đến ổn định than, giảm mật độ khói thải ra và chỉ số độc tính của chúng Koo và cộng sự kết hợp và

so sánh sợi gốm nhiệt độ cao và khoáng chất trong hệ phồng nở epoxy gốc nước Sợi gốm nhiệt độ cao dễ kết hợp hơn so với khoáng chất và tăng cường độ bền của than Các công thức với alumin, cacbon, thủy tinh và sợi aramid được chứng minh

là làm tăng độ bền của than Việc sử dụng wollastonite, đất sét cao lanh, alumin, cũng được báo cáo Sự kết hợp của chất độn dẫn đến tạo bọt đều và cải thiện độ bám dính Tính sẵn có dễ dàng và tính năng chống cháy tốt của alumin làm cho nó trở thành một lựa chọn tốt Các loại chất độn vô cơ khác nhau được kết hợp vào lớp phủ phồng nở được chứng minh là có sự khác biệt đáng kể về tỷ lệ phồng nở, hình thái than và hiệu suất cách nhiệt Người ta thấy rằng độ nhớt nóng chảy cao

do sự kết hợp của các chất độn vô cơ cản trở các chuỗi polyme quay và giãn ra và ảnh hưởng đến hành vi phồng nở dẫn đến tỷ lệ phồng nở thấp hơn và hiệu suất cháy kém [10]

Ngoài các thành phần chất phụ gia và chất độn đã được nêu ở trên, các nghiên cứu vẫn đang được tiếp tục để đưa vào trong thành phần các chất phụ gia nhằm tăng cường khả năng cách nhiệt, độ bền của lớp than hóa hay đơn giản tạo màu sắc và giảm giá thành của sản phẩm

Gần đây, nhiệt quét vi sai (DSC) và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) đã được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu quá trình phân hủy và hiệu ứng nhiệt của chất độn khoáng Những thay đổi trong quá trình phân hủy nhiệt thường được ghi nhận

sự có mặt của nhiều chất độn ở trong nhựa nhiệt dẻo cũng có thể là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động của chất độn chậm cháy Hầu như tất cả các tài liệu nghiên cứu đã mô tả về sự phân hủy nhiệt của các chất phụ gia và chất độn được sử dụng trong các polyme Graphite trương nở (expandable graphite) [20], các hạt Mg(OH)2 kích thước nano [21], zeolite dạng 4A [22], các chất độn thủy tinh [23] và axit silicotungstic (SiW12) [24] đều tạo ra lớp than hóa có cấu trúc micro bền vững Tuy nhiên, các chất độn nói trên chưa đạt được cải thiện như kỳ vọng về khả năng cách nhiệt cho lớp than hóa trong khi hầu hết chúng đều làm tăng giá thành sản phẩm

Các nghiên cứu ứng dụng các loại chất độn khoáng như khoáng talc hay mica (sericit) trong vật liệu polyme phồng nở cũng đã được đề cập

a) Sericit (KAl 2 (OH) 2 (AlSi 3 O 10 ))

Sericit có công thức hóa học KAl2(OH)2(AlSi3O10) là khoáng vật tự nhiên, trong đó hàm lượng oxit silic chiếm thành phần chủ yếu Cùng với các đặc trưng

về hình dạng, khoáng vật này ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực Sericit trong các vật liệu polyme đã có nhiều ảnh hưởng tích cực đến các tính chất của vật liệu

Sericit thuộc nhóm mica muscovit – một trong hai loại khoáng chủ yếu của nhóm mica được đặc trưng bởi hình dạng phiến, dẹt và có thể bóc tách dễ dàng Điều này cho phép có thể phân chia hay bóc tách thành các hạt có tỷ lệ bề mặt cao

từ mỏng đến rất mỏng, bền chắc và mềm dẻo Hình dạng dẹt độc đáo của sericit rất có lợi khi đưa chúng vào trong các vật liệu khác nhau Cấu trúc sericit dạng phiến sẽ hỗ trợ dễ dàng nhất việc hình thành lớp rào cản nhiệt, tạo những lỗ trống

để cách lý sự truyền nhiệt giữa môi trường và vật liệu nền, nâng cao khả năng phồng nở Chuen-Shii Chou và cộng sự cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng chất sericite và kết quả cho thấy hiệu quả chống cháy được cải thiện [25]

Sericit có màu sáng, chính điều này cũng làm tăng lợi thế sử dụng của sericit trong các ứng dụng mang mầu Có thể thêm các chất mầu vào vật liệu có chứa sericit để tạo ra các vật liệu có màu [26]

Hình 1.15Cấu trúc tinh thể sericite

Tại Việt Nam, khoáng sericite được tập trung nhiều ở các mỏ khoáng sản như: Quảng Trị, Quảng Ninh, khu vực Tây nguyên, Nghệ An, Hà Tĩnh… Trong

đó phát hiện mỏ Sơn bình, Hà Tĩnh có trữ lượng tài nguyên khá lớn Một số thành phần chủ yếu trong của sericite được thông báo trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của sericite nghiên cứu

Thành phần Hàm lượng (%) SiO2

Al2O3

Fe2O3

FeO

51,4 33,73 0,05 0,04

K2O

Na2O MgO Mất khi nung

Độ ẩm

Độ trắng

0,27 8,16 0,84 0,21 4,8 1,0

> 80%

Hình dạng và phân bố kích thước hạt của sericite được thể hiện trên hình 1.16 Độ phân bố tương đối tập trung và hạt có kích thước chủ yếu nằm trong vùng

10 µm

Hình 1.16 Ảnh SEM và ảnh phân bố kích thước hạt khoáng serecit

b) Khoáng talc (Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 )

Bột talc là một loại khoáng chất có sẵn trong tự nhiên Bột talc có tên gọi hóa học là hydrous magnesium silicate và có công thức hóa học là Mg3Si4O16(OH)2

với tỷ lệ MgO: 31,9%, SiO2: 63,4% và H2O: 4,7% Trong tự nhiên, quặng talc thường chứa các tạp chất như FeO, Al2O3, Na2O, K2O, CaO hàm lượng các tạp chất thường chứa vài phần trăm

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-O2-/hyđroxyl nằm kẹp giữa 2 lớp tứ diện SiO2

Hình 1.17 Cấu trúc tinh thể Talc

Theo thống kê của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ năm 2012, Trữ lượng talc trên toàn thế giới vào khoảng 1,136 tỉ tấn Trong đó, tập trung nhiều ở một số

quốc gia như Trung Quốc, Hoa Kỳ, Brazil, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc Trong

đó, Trung Quốc có trữa lượng lớn lên tới 2000 triệu tấn chiếm khoảng 22% trữ lượng Talc trên toàn thế giới, tiếp theo đó là Nhật Bản, Brazil, Hoa Kỳ, Ấn Độ, Hàn Quốc, với trữ lượng lần lượt là 360 triệu, 420 triệu, 615 triệu, 650 triệu, và

Khoáng talc có nguồn gốc từ Thu Ngạc, Thanh Sơn Sơn, tỉnh Phú Thọ với thành phần phần chủ yếu là các oxit kim loại trong đó SiO2 chiếm 61,8% và MgO chiếm 28,5% Phân bố kích thước hạt khoáng talc được thể hiện ở hình 1.18 Kích thước trung bình là 6,56 μm với Q90 = 15,875 μm

Hình 1.18 Ảnh SEM và ảnh phân bố kích thước hạt khoáng talc

Talc (Mg3Si4O10(OH)2) được sử dụng như một chất độn trong lớp phủ phồng nở vì nó có nhiệt độ nóng chảy cao hơn khoảng 1300 oC mà có thể chịu được nhiệt độ cao hơn Talc cũng là chất độn silicat một lớp có thể hình thành lớp bảo vệ để bảo vệ chất nền nằm dưới Lý do chọn talc như một chất độn trương phồng là vì sự thích hợp của chúng trong việc chống cháy, kết quả từ khả năng cải thiện đáng kể việc ổn định nhiệt của chúng và khả năng tự chữa cháy của nền polyme khi chúng được kết hợp Cấu trúc lớp talc sẽ hỗ trợ dễ dàng nhất việc hình thành lớp rào cản nhiệt, tạo những lỗ trống để cách ly sự truyền nhiệt giữa môi trường và vật liệu nền, nâng cao khả năng phồng nở Ngoài ra, còn ngăn cản sự khuếch tán của sản phẩm khí thoát ra vào vùng cháy, cũng như sự khuếch tán khí oxi vào bề mặt vật liệu nền Một số nhà nghiên cứu đã khảo sát ứng dụng bột talc trong polyme nhiệt dẻo, Almeras (2003) đã phát hiện ra rằng talc đã phát triển một lớp bảo vệ trên chất nền hỗn hợp của polypropylene/amoni polyphotphat/polyamide-6 Clerc (2005) kết hợp talc trong hỗn hợp magie hydroxit/ethylene-vinyl acetate (MH/EVA) để cải thiện đặc tính chống cháy của hỗn hợp này Ảnh hưởng của khoáng talc đến khả năng chống cháy, chống thấm nước và phân hủy nhiệt trong lớp phủ phồng nở cũng đã được nghiên cứu bởi H Hazwani Dzulkafli và cộng sự [27] với hàm lượng các chất được thể hiện như trên bảng 1.1, kết quả cho thấy rằng các yếu tố trên cũng được cải thiện rõ rệt

Bảng 1.2 Hàm lượng các chất trong lớp phủ phồng nở [27]

Một tính chất quan trọng khác giúp vật liệu polyme hay lớp phủ giảm tốc

độ lão hóa, tăng thời gian sử dụng là khả năng chống lại tác động của tia cực tím

UV (Ultraviolet) Các ứng dụng vật liệu nano trong lớp phủ hiện nay có thể được

kể đến như các hạt nano của SiO2; TiO2; ZnO; Al2O3; và ZnS Trong số này, các hạt nano TiO2 và ZnO được sử dụng như các tác nhân chống tia UV Mặc dù cải thiện khả năng chịu thời tiết, các vật liệu nano này lại tạo ra các gốc tự do do tính chất quang xúc tác của chúng Bên cạnh đó, khả năng ngăn cản khí và nước thấp

là những yếu tố vẫn còn đang được nghiên cứu cải thiện

Gần đây, graphen được quan tâm nghiên cứu bởi sự thân thiện với môi trường, tỷ trọng thấp và độ bền cao cũng đã được đưa vào ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu polyme chống cháy Việc sử dụng graphene trong các lớp phủ chống cháy hứa hẹn mang đến những thay đổi trong quá trình hình thành lớp than hóa phồng

nở, đặc biệt, sự có mặt của graphene với cấu trúc dạng vảy độc đáo sẽ mang lại khả năng bền thời tiết của lớp phủ, chống lại quá trình lão hóa do tác động của tia

Hình 1.19 Các dạng vật liệu cacbon cấu trúc nano [28]

Vật liệu graphene có cấu tạo bao gồm một hoặc vài lớp nguyên tử cacbon liên kết với nhau ở dạng lưới hình lục giác bằng liên kết sp2 với các tính chất ưu việt như: tính chất cơ học, tính chất điện, tính chất nhiệt tốt Từ đó vật liệu này đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trên thế giới bởi các đặc tính vượt trội của nó Từ 2004 số bài báo cáo về graphene trên các tạp chí hàn lâm gia tăng đột biến đạt gần 2.500 bài trong năm 2009 và vẫn tiếp tục gia tăng (Hình 1.16)

Hình 1.20 Số bài báo cáo về graphene theo các năm

Hiện nay, có nhiều phương pháp để chế tạo Graphene như:

• Phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi

Phương pháp tách cơ học với nguyên tắc phá hủy lực liên kết Van Der Waals tương đối yếu giữa các lớp graphit để tách thành các lớp mỏng một vài đơn lớp cácbon sẽ thu được Graphen Hạn chế của phương pháp này là chất lượng màng không đồng đều nên ảnh hưởng tính chất điện tử của màng, đồng thời không tạo thành màng Graphen diện tích lớn

Phương pháp epitaxy được thực hiện trong điều kiện chân không siêu cao hoặc môi trường khí Argon nên ưu điểm của phương pháp này tạo ra đơn lớp Graphen có độ sạch, độ tinh khiết cao nhưng chi phí cơ sở vật chất cao và sự tương tác mạnh mẽ giữa Graphen và SiC làm cho nó khó trong việc chuyển lên bề mặt khác và do hệ số dãn nở nhiệt khác nhau cũng ảnh hưởng đến phép đo về điện

Phương pháp tách hóa học sử dụng axit mạnh oxi hóa để chèn các phân tử oxi vào khoảng giữa các lớp graphit Sự oxi hóa đủ mạnh tạo ra đơn lớp Graphen

Ưu điểm của phương pháp này, sản xuất lớp Graphen với số lượng đủ lớn, có thể sản xuất dưới dạng quy mô công nghiệp nhưng chất lượng màng không cao, không thể tạo ra tấm Graphen với kích thước lớn

Phương pháp tách mở ống nano cácbon có ưu điểm như độ tinh khiết của Graphen cao do không lẫn bất kỳ lượng dung môi dư thừa nào, quy trình thực hiện nhanh tạo ra một lượng sản phẩm lớn các vật liệu Graphen trong một lần thực hiện Nhưng nhược điểm của phương pháp này cần phải có vật liệu đầu vào là các ống nano cácbon đã được điều chế hoặc mua thương mại với giá thành khá cao

Do đó tùy thuộc vào mỗi ứng dụng đòi hỏi số lượng, thông số của vật liệu

và chủng loại graphene khác nhau từ đó để lựa chọn phương pháp chế tạo

Tại Trung tâm Ứng dụng và Triển khai Công nghệ, Viện Khoa học Vật liệu,

đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu Graphene có chiều dày < 5nm, kích thước (dia): ~ 0.5 được chế tạo từ thanh graphite (Highly ordered pyrolytic graphite – HOPG, 99.99% (Sigma Aldrich), sử dụng phương pháp phóng điện trong dung môi (hình 1.21)

Hình 1.21 Ảnh SEM của mẫu vật liệu graphene.

Ứng dụng Graphene trong lĩnh vực vật liệu polyme chống cháy

Trong lĩnh vực vật liệu polyme chống cháy, graphene được sử dụng như một chất gia cường để tăng cường khoảng nhiệt độ hoạt động của vật liệu yếu tố giúp graphene được chú ý trong lĩnh vực này là khả năng ổn định nhiệt đến mức đáng kinh ngạc, ngay cả ở nhiệt độ cao đến 2126 oC trong môi trường chân không Vật liệu graphene khi được đưa vào polyme sẽ giúp cải thiện đặc trưng chống cháy như: độ ổn định nhiệt, ức chế khói, giảm chỉ số oxi tới hạn (LOI); và đặc biệt khả năng tăng cường độ ổn định của lớp than hóa Một trong những nghiên cứu tiên phong sử dụng graphene như một phụ gia cho vật liệu chống cháy được báo cáo bới Wang và cộng sự cho biết rằng sự có mặt của graphene đã làm giảm quá trình oxi hóa vật liệu Các lớp phủ có graphene có sự cải thiện tính chất cao hơn khi so sánh với các lớp phủ sử dụng graphite trương nở, graphit oxit, hay graphite oxit được chức năng hóa trong việc giảm tốc độ giải phóng nhiệt (PHRR) Tăng cường

độ ổn định lớp than hóa hay ức chế phát sinh khói là đặc tính nổi trội giúp graphene

có nhiều tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu polyme phồng nở chống cháy

1.3 Tình hình nghiên cứu hiện nay

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Năm 2006 Guoxin Li và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của EG và MoSi2

đến sự phân hủy nhiệt của lớp phủ phồng nở với hệ cơ bản (APP-PER-MEL) Kết quả đã chỉ ra rằng khi thêm thành phần các chất vào, thời gian chống cháy được

kéo dài và tỷ lệ lớp than được hình thành cũng tăng lên rõ rệt Phân tích XPS cho thấy hiệu suất chống oxi hóa của lớp phủ được cải thiên và hình ảnh SEM cho thấy một sự kết hợp tốt thu được thông qua một lớp lai gốm do MoSi2 tạo ra được phủ trên bề mặt lớp than dạng tổ ong [30]

Zhenyu Wang và cộng sự đã nghiên cứu Ảnh hưởng của hạt nano đến việc cải thiện đặc tính chống cháy và chống lão hóa của lớp phủ chống cháy (2006) Lớp phủ nano chống cháy đã được điều chế bằng cách thêm nano hydroxit kép (nano-LDH) và titan dioxide (nano-TiO2) nanomet vào lớp phủ amoni polyphosphate-pentaerythritol-melamine (APP–PER–MEL) Kết quả phân tích nhiệt DTA và TG cho thấy rằng quá trình phân hủy nhiệt của nano-LDH ở 310–

430 °C rất hữu ích cho sự hình thành than của hệ thống APP–PER–MEL ở 300–

440 °C Kết quả XRD và SEM cho thấy sự phân hủy nhiệt của nano-LDH dẫn đến

sự hình thành cấu trúc nano xen kẽ của than và các oxit kim loại hỗn hợp (Al2O3

và MgAl2O4) Cấu trúc nano xen kẽ có thể cải thiện đặc tính chống oxy hóa của cấu trúc than Lão hóa nhanh ảnh hưởng xấu đến hoạt động hóa học và tương tác của ammonium polyphosphate, pentaerythritol và melamine trong lớp phủ APP–PER–MEL truyền thống, trong khi chất chống cháy trong lớp phủ nano vẫn có tương tác rất tốt ngay cả sau khi lão hóa nhanh hơn 500 giờ Nano-TiO2 có thể cải thiện đáng kể đặc tính chống lão hóa của lớp phủ chống cháy nhờ khả năng ngăn chặn tia cực tím tuyệt vời của nó và mạng lưới có kích thước nano được hình thành bởi các hạt nano phân tán đồng đều có thể tăng cường khả năng chống ẩm của lớp phủ trong điều kiện thời tiết tự nhiên [31]

Trong một nghiên cứu khác của Zhenyu Wang (2006) Ảnh hưởng của expandable graphite (EG) đến khả năng chống cháy và chống nước của lớp phủ chống cháy (hệ chống cháy APP-MEL-PER) Kết quả cho thấy đặc tính chống oxy hóa và chống cháy của lớp phủ chứa EG tốt hơn so với lớp phủ APP–PER–MEL đặc tính cơ học và chống cháy của lớp phủ APP–PER– MEL bị hư hại nghiêm trọng khi ngâm trong nước, trong khi lớp phủ có chứa 8,5% EG có thể duy trì khả năng chống cháy tốt ngay cả sau khi ngâm trong nước 500 giờ [20]

Jun-wei Gu và các cộng sự (2007) đã nghiên cứu chế tạo và phân tích cơ chế chống cháy của chất kết dính Lớp phủ chống cháy phồng nở được điều chế bằng nhựa polyester không no và nhựa epoxy làm nhựa hai thành phần, amoni polyphosphate (APP) làm nguồn axit, melamine (MEL) làm chất thổi và pentaerythritol (PER) làm tác nhân cacbon Kết quả cho thấy lớp phủ như vậy có đặc tính hóa lý tuyệt vời Khi độ dày lớp phủ trên nền gỗ đạt 2,0 mm thì giới hạn chịu lửa có thể lên tới 210 phút [17]

J.M Tomasi và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt nano graphene (GNP) đến khả năng chống lão hóa thủy nhiệt của nhựa epoxy cycloaliphatic (CE) Các mẫu CE được chế tạo với các hàm lượng GNP khác nhau và tiếp xúc với nhiệt

độ và độ ẩm cao cho các mức thời gian khác nhau lên đến 400 giờ Các kết quả đo

độ uốn và thử nghiệm động lực- cơ học chỉ ra rằng việc thêm GNP cải thiện không đáng kể về độ cứng và nhiệt độ chuyển thủy tinh cho tất cả các cấp độ lão hóa, trong khi độ bền được cải thiện cho thời gian lão hóa dưới 400 giờ

Chuen-Shii Chou và các cộng sự (2009) đã chuẩn bị và mô tả đặc tính của lớp phủ chống cháy với chất chống cháy mới là (1) mesophase graphite powder (MGP); (2) sericite; (3) mesophase graphite powder kết hợp với sericite cũng cho thấy khả năng chống cháy được cải thiện [32]

Lijie Qu và cộng sự [33] đã nghiên cứu sự tương thích của vật liệu graphen lai ghép nhóm chức năng cyclophosphazene để cải thiện khả năng chống cháy cho epoxy Để tạo ra các tương tác bề mặt hiệu quả giữa chất chống cháy gốc graphene

và nhựa nền epoxy (EP), cyclophosphazene được tổng hợp bằng phản ứng hóa học với các nhóm amin và ghép trên graphene oxit (GO) để điều chế tấm nano fGO chống cháy cho vật liệu nano EP fGO thu được cho thấy khả năng tương thích tốt

và vật liệu tổng hợp với độ ổn định nhiệt và tính chất cơ lý được cải thiện Với hàm lượng thấp 1,0 wt.% fGO được thêm vào vật liệu nano EP đã làm giảm rõ rệt đỉnh của tốc độ tỏa nhiệt, tổng lượng tỏa nhiệt và tổng lượng khói tạo ra lần lượt

là 49,0%, 21,1% và 51,9% Các lớp than và các sản phẩm dễ bay hơi bị ức chế cho thấy sự hình thành các cấu trúc than bảo vệ có nguồn gốc từ bộ lọc nano fGO Các

cơ chế chống cháy đã được nghiên cứu và gán cho các hiệu ứng trong các pha ngưng tụ và khí từ các thành phần graphene biến tính bằng phosphazene

H Hazwani Dzulkafli và các cộng sự (2017) đã nghiên cứu ảnh hưởng của bột talc đến khả năng chống cháy, phân hủy nhiệt và khả năng chịu nước của lớp phủ phồng nở Kết quả cho thấy 20% bột talc đã tăng cường khả năng che chắn nhiệt và ghi lại nhiệt độ bề mặt là 75°C sau 100 phút thử lửa Phân tích các nhóm chức năng của than đã xác nhận sự hiện diện của các hợp chất nhiệt độ cao và hiệu suất nhiệt được nâng cao của lớp phủ Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) cho thấy việc bổ sung 20% bột talc làm tăng khối lượng còn lại của than lên 55,55% Kết quả thử nghiệm cắt lớp phủ cho thấy bột talc cũng cải thiện độ bám dính của lớp phủ phồng với nền thép và độ bền cắt cao nhất quan sát được là 7 MPa đối với công thức chứa 20% bột talc Thử nghiệm ngâm trong nước được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D870-15 và kết quả cho thấy khả năng chịu nước cao hơn được ghi nhận đối với công thức chứa 10% bột talc trong công thức đối chứng [27]

Tình hình nghiên cứu trong nước

Nhóm tác giả Hoàng Thị Đông Quỳ và cộng sự [34, 35] của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM đã sử dụng phụ gia chống cháy phi halogen TPP (Triphenyl photphat) ứng dụng vào các loại vật liệu trên cơ sở polyeste không no đồng thời nghiên cứu tính chất chống cháy của phụ gia này trên các nhựa nền PE

và PP nhằm cải thiện và nâng cao khả năng chống cháy của vật liệu, hạn chế tác hại đến môi trường Kết quả cho thấy, polyeste không no tái chế khi trộn với TPP, hiệu quả chống cháy đã phần nào được cải thiện Quá trình phân hủy nhiệt của TPP đóng góp vào quá trình tạo thành lớp than trên bề mặt nhựa đóng vai trò ngăn chặn

sự tỏa nhiệt và ngăn cản ngọn lửa tiếp tục lan truyền hoặc tạo ra các gốc tự do bắt các tâm hoạt động sinh ra trong quá trình cháy, nhiệt lượng cung cấp cho quá trình cháy giảm, quá trình cháy sẽ bị dập tắt Mẫu UPtc/TPP đạt được kết quả chống cháy tối đa là UL94 V-1 với hàm lượng 25% TPP thêm vào Khi trộn TPP vào nhựa PE và PP, kết quả chống cháy có sự cải thiện rõ rệt Nhựa có xu hướng ổn

định và bền nhiệt hơn Khi hàm lượng TPP tăng, thời gian cháy của mẫu giảm và với hàm lượng TPP từ 20% trở lên, thời gian cháy đều nhỏ hơn 10 giây Tuy nhiên, mẫu chảy nhỏ giọt khi cháy nên chỉ được xếp vào chuẩn UL94 V-2 Từ các phân tích UL94, TGA, cho thấy cơ chế chống cháy của TPP khi phối trộn vào nhựa UP tái chế và PP có thể xảy ra ở cả trong pha rắn hay pha khí

Trong nghiên cứu về sơn chống cháy theo cơ chế phồng nở, nhóm nghiên cứu của PGS TS Tô Thị Xuân Hằng, Viện Kĩ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam đã nghiên cứu chế tạo các hệ sơn chống cháy không chứa halogen với sự có mặt của phụ gia nano [36] Đề tài đã chế tạo được hệ sơn chống cháy trên cơ sở epoxy và hỗn hợp amonipolyphotphat, pentaerythritol và melamin với sự có mặt của nano clay và nano hydrotalcit Khả năng chống cháy của mẫu vật liệu đạt cấp độ V0 theo tiêu chuẩn UL94 Các hệ sơn nghiên cứu đã được thử nghiệm bảo vệ chống cháy cho nhà xưởng tại Công ty Cổ phần Hóa chất Sơn Hà Nội

Cũng theo hướng ứng dụng dụng các hạt nano trong sơn chống cháy, PGS

TS Nguyễn Thị Hòe đến từ tập đoàn sơn Kova đã sử dụng các hạt nano silica được chế tạo từ vỏ trấu sử dụng trong sơn chống cháy phồng nở Sản phẩm của công ty

có thời gian chống cháy đạt tới thời gian chịu lửa 180 phút [37]

Trong giai đoạn 2010 đến 2012, phòng nghiên cứu vật liệu polyme và compozit, Viện Khoa học vật liệu đã chủ trì đề tài cấp nhà nước về khai thác, chế biến khoáng chất talc vùng Phú Thọ làm nguyên liệu cho ngành sản xuất polyme Kết quả của đề tài đã tạo ra được loại vật liệu khoáng có chất lượng cao có thể ứng dụng trong lĩnh vực chất độn polyme [38] Talc (một khoáng vật silicat lớp của magie hydrat, có công thức là Mg3Si4O10(OH)2) có độ bền nhiệt đến trên 1200 oC Khi ứng dụng khả năng bền nhiệt này của khoáng talc trong sơn chống cháy, nhóm nghiên cứu của ThS Nguyễn Việt Dũng đã nhận thấy rằng sự có mặt của khoáng talc giúp cho khả năng cách nhiệt của lớp than hóa cao hơn, thời gian duy trì khả năng cách nhiệt cũng được kéo dài hơn so với với hệ sơn không chứa bột khoáng talc

Mặc dù đã có rất nhiều nghiên cứu về hệ sơn chống cháy phồng nở, tuy nhiên vẫn chưa có công bố nào trong nước về nghiên cứu liên quan đến vật liệu chống cháy phồng nở có chứa graphene

- Bên cạnh đó, vấn đề về khả năng chống lại các tác nhân gây ăn mòn kém,

dễ gây phồng rộp, bong tróc trong một khoảng thời gian dài ngoài môi trường

- Cùng với đó là các giải pháp nhằm gia tăng tuổi thọ, giúp cho thời gian phòng và chống cháy của vật liệu cho các công trình được kéo dài

Do đó, việc tăng cường các tính chất sản phẩm như: nâng cao hiệu suất chống cháy, tăng khả năng chống lại tác nhân gây ăn mòn trong khoảng thời gian dài, gia tăng tuổi thọ và giảm giá thành của sản phẩm là một trong những yếu tố hết sức quan trọng Và để phục vụ cho mục đích đó, các loại chất độn như khoáng Talc, Sericite, Graphene ở trong nước đã được đưa vào nghiên cứu trong đề tài này

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Các loại chất như khoáng Talc, Sericite, Graphene ở trong nước được nghiên cứu làm chất độn trong lớp phủ polyme phồng nở

2.1.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu

- Thời gian nghiên cứu: từ 03/2021 – 09/2023

- Địa điểm nghiên cứu: Đại học Bách khoa Hà Nội và Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

2.1.2 Tiêu chuẩn lựa chọn

- Kích thước hạt trung bình của khoáng Talc: 15µm

- Kích thước hạt trung bình của khoáng Sericite: 10 µm

- Kích thước của Graphene: chiều dày: 0.5 µm, kích thước 5nm

2.2 Những nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng phân tử chất kết dính đến lớp phủ polyme phồng nở

Nội dung 2: Nghiên cứu xác định tỷ lệ tối ưu các thành phần cơ bản trong hệ vật liệu polyme phồng nở (APP, PER, MEL, TiO2)

Nội dung 3: Nghiên cứu lớp phủ polyme phồng nở có chứa khoáng Talc

Nội dung 4: Nghiên cứu lớp phủ polyme phồng nở chứa graphene và khoáng Talc Nội dung 5: Nghiên cứu lớp phủ polyme phồng nở có chứa khoáng Sericite

2.3 Các phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp chế tạo vật liệu

Các mẫu vật liệu polyme phồng nở được chế tạo bằng phương pháp khuấy trộn tốc độ cao 1500 vòng/phút trong dung môi xylene giữa các thành phần: nhựa nền Acrylic, các chất phụ gia chống cháy phồng nở (APP, PER, MEL, TiO2) và các chất độn khoáng Talc, Sericite, Graphene gia cường

2.3.2 Phương pháp xác định đặc trưng, tính chất của lớp phủ polyme phồng nở

2.3.2.1 Phương pháp nghiên cứu lớp phủ trước khi nung

- Phương pháp TGA để xác định các quá trình hiệu ứng nhiệt của các vật liệu cấu thành cũng như sản phẩm lớp phủ polyme phồng nở

- Xác định khả năng bảo vệ cách nhiệt theo tiêu chuẩn TCVN 9311-1:2012 (ISO 834-1:1999)

- Phương pháp đo tổng trở điện hóa để xác định khả năng chống lại sự xâm nhập của các tác nhân gây ăn mòn

- Phương pháp đo gia tốc thời tiết để xác định tuổi thọ của lớp phủ polyme phồng nở

2.3.2.2 Phương pháp nghiên cứu lớp phủ sau khi nung

- Phương pháp nung ở nhiệt độ cao (800°C - 1100°C) để xác định độ phồng

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM 3.1 Hóa chất và Thiết bị

3.1.1 Hóa chất

Bảng 3.1 Bảng thành phần các nguyên vật liệu

Tên Thương mại

5 Titan dioxit TiO2 Trung Quốc 1825

Máy khuấy cơ IKA RW 20

Digital Đức Chế tạo mẫu

4

Thiết bị đo kéo nén Gotech

AI-700M Đài loan Đo độ bền

lớp than