Nghiên cứu khả năng gia tăng độ phồng nở của khoáng talc trên hệ lớp phủ chống cháy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC NGUYỄN THỊ NGỌC TÚ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIA TĂNG ĐỘ PHỒNG NỞ CỦA KHOÁNG TALC TRÊN HỆ LỚP PHỦ CHỐNG CHÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN VIỆN HOÁ HỌC NGUYỄN THỊ NGỌC TÚ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIA TĂNG ĐỘ PHỒNG NỞ CỦA KHOÁNG TALC TRÊN HỆ LỚP PHỦ CHỐNG CHÁY Chuyên ngành: Hóa lý thuyết Hóa lý Mã số: 60440119 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Ngô Kế Thế Hà Nội – năm 2015 LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Ngô Kế Thế, giao đề tài tận tình hướng dẫn em trình thực luận văn thạc sĩ khoa học Em xin gửi lời cảm ơn tới cô chú, anh chị bạn đồng nghiệp phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme Compozit nhiệt tình giúp đỡ em, tạo điều kiện thuận lợi trình thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn, thầy cô, bạn đồng nghiệp Khoa hóa, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Viện Hóa học giúp đỡ, động viên em trình hoàn thành luận văn Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Ngọc Tú MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng 1- TỔNG QUAN 1.1 Tầm quan trọng lớp phủ chống cháy 1.2 Cơ chế chống cháy 1.3 Lịch sử phát triển lớp phủ phồng nở 1.4 Thành phần lớp phủ chống cháy phồng nở 1.4.1 Chất chống cháy 10 1.4.1.1 Chất chống cháy chứa halogen 10 1.4.1.2.Chất chống cháy vô 10 1.4.2.Chất tạo màng 11 1.4.2.1.Nhựa epoxy 11 1.4.2.2 Đóng rắn amin 13 1.4.3.Chất độn 14 1.4.3.1 Ảnh hưởng chất độn bị gia nhiệt 14 1.4.3.2 Talc 15 1.4.5.3 Tầm quan trọng talc lớp phủ phồng nở 18 Chƣơng – THỰC NGHIỆM 20 2.1 Hóa chất: 20 2.1.1 Nhựa epoxy chất đóng rắn 20 2.1.2 Ammonium polyphotphate (APP) 20 2.1.3 Pentaerythritol (PER) 21 2.1.4 Melamine (MEL) 21 2.1.5 Titan dioxit (TiO2) 22 2.1.6 Axit boric ( H3BO3) 22 2.1.7 Talc (Mg3Si4O10 (OH)2) 23 2.1.8 Sericit 23 2.2 Phương pháp chế tạo mẫu 23 2.3 Phương pháp nghiên cứu 24 2.3.1 Nung mẫu 24 2.3.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 25 2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 25 2.3.4 Phương pháp phân tích nhiệt (TGA) 26 2.3.5 Khảo sát khả chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94 26 Chƣơng – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Quy trình chế tạo lớp phủ chậm cháy có chứa khoáng talc 29 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng khoáng talc đến khả chậm cháy lớp phủ phồng nở 31 3.2.1 Độ phồng nở 31 3.2.2 Tính chất nhiệt 35 3.2.3 Khảo sát khả chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94 40 3.2.4 Hình thái cấu trúc lớp than phủ 42 3.2.5 Thành phần lớp than phủ 43 3.3 Ảnh hưởng chất độn khoáng đến khả chậm cháy lớp phủ phồng nở 45 3.3.1 Độ phồng nở 45 3.3.2 Tính chất nhiệt 47 3.3.3 Khả chậm cháy 50 3.3.4 Hình thái học lớp than phủ 51 3.3.5 Thành phần lớp than phủ 52 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Tiêu chuẩn đánh giá tính chất chống cháy vật liệu theo UL 94 V 28 Bảng 3.1 Thành phần mẫu nghiên cứu 29 Bảng 3.2: Hình dạng lớp phủ trước sau nung mẫu 800oC theo hai phương pháp phân tán 30 Bảng 3.3 Thành phần mẫu lớp phủ với hàm lượng khoáng talc thay đổi 31 Bảng 3.4: Hình dạng lớp phủ trước sau nung mẫu 800oC với hàm lượng talc thay đổi 32 Bảng 3.5: Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng mẫu vật liệu 37 Bảng 3.6: Nhiệt độ phân hủy mạnh % khối lượng mẫu vật liệu 850oC 40 Bảng 3.7: Kết đo khả chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94 HB 41 Bảng 3.8 Thành phần mẫu lớp phủ với chất độn khoáng khác 45 Bảng 3.9: Hình dạng lớp phủ phồng nở trước sau nung mẫu 800°C thay đổi loại chất độn 46 Bảng 3.10 Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng mẫu vật liệu 48 Bảng 3.11 Nhiệt độ phân hủy mạnh % khối lượng lại mẫu vật liệu sau trình nâng nhiệt đến 850oC 49 Bảng 3.12: Kết đo khả chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94 mẫu 50 Bảng 3.13: Mẫu vật liệu sau thử nghiệm đo UL 94 51 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Tam giác cháy Emmon Hình 1.2: Mô hình polyme bảo vệ cách nhiệt cháy lớp bảo vệ (a) (b) có lớp bảo vệ Hình 1.3: Số lượng nghiên cứu có liên quan đến phồng nở Hình 1.4: Đường cong TG APP, PER, MEL lớp phủ phồng nở [17 ] 15 Hình 1.5: Cấu trúc khoáng vật talc 17 Hình 1.6: Talc kính hiển vi điện tử quét 17 Hình 1.7: Giản đồ phân tích nhiệt khoáng talc 18 Hình 2.1: Phân bố kích thước khoáng talc 23 Hình 2.2: Sơ đồ chế tạo lớp phủ phồng nở 24 Hình 2.3: Chu trình gia nhiệt đốt cháy mẫu 25 Hình 2.4: Sơ đồ thử nghiệm mẫu theo chuẩn UL 94 – HB 26 Hình 2.5: Sơ đồ thử nghiệm mẫu theo chuẩn UL 94 – V 27 Hình 3.1: Mức độ phồng nở mẫu lớp phủ với hàm lượng talc thay đổi 35 Hình 3.2: Giản đồ phân tích nhiệt APP, PER, MEL 36 Hình 3.3: Ảnh SEM mẫu lớp phủ D1 sau nung 800°C 42 Hình 3.4: Ảnh SEM mẫu lớp phủ D4 sau nung 800°C 42 Hình 3.5: Giản đồ nhiễu xạ tia X lớp than mẫu D1 43 Hình 3.6: Giản đồ nhiễu xạ tia X lớp than mẫu D4 44 Hình 3.7: Ảnh SEM mẫu lớp phủ sau nung 800°C 52 Hình 3.8: Phổ XRD mẫu lớp phủ không chứa khoáng talc 53 Hình 3.9: Phổ XRD mẫu lớp phủ D4-T2A 54 Hình.3.10: Phổ XRD mẫu lớp phủ D4-S 54 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nguyễn Thị Ngọc Tú MỞ ĐẦU Trong ngành xây dựng, thép vật liệu quan trọng bậc sử dụng hầu hết vị trí công trình Với ưu điểm tuyệt đối trọng lượng nhẹ, độ dẻo cao, dễ định hình, dễ thi công khả áp dụng giới hóa xây dựng vượt trội, vật liệu thép sử dụng giới Việt Nam từ nhiều năm Tuy nhiên, hạn chế lớn kết cấu thép khả chịu lực bị ảnh hưởng nhiệt độ Khi nhiệt độ đạt 550oC, kết cấu thép bắt đầu ổn định dẫn đến công trình bị phá hoại Yêu cầu bắt buộc với kết cấu thép phải bao bọc chống cháy, “mặc” cho kết cấu thép lớp “áo” bảo vệ trước nhiệt độ cao thời gian định, tạo hội để dập tắt đám cháy, thoát hiểm khỏi đám cháy an toàn Ở nước ta, năm gần có nhiều công trình lớn xây dựng nhà cao tầng, khu đô thị, trung tâm thương mại, cung hội nghị lớn Vì vậy, nhu cầu lớp phủ chống cháy cần thiết Tuy nhiên, việc nghiên cứu sản xuất lớp phủ chống cháy nước chưa đáp ứng yêu cầu, tất công trình sử dụng sơn chống cháy nhập ngoại Trữ lượng loại khoáng talc, sericit, bentonit… nước ta nhiều phong phú Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng loại bột khoáng có cấu trúc lớp để làm chất độn cho lớp phủ phồng nở hướng nghiên cứu rộng mở, cần thiết có ứng dụng thực tiễn Với mong muốn tiếp cận hướng nghiên cứu lĩnh vực này, em lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu khả gia tăng độ phồng nở khoáng talc hệ lớp phủ chống cháy” Mục tiêu đề tài: - Nghiên cứu ảnh hưởng phương pháp phân tán thành phần hệ lớp phủ chống cháy - Nghiên cứu ảnh hưởng khoáng talc đến độ phồng nở hệ lớp phủ chống cháy - Nghiên cứu ảnh hưởng loại khoáng đến độ phồng nở hệ lớp phủ chống cháy Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Lớp K23-Hóa lý thuyết Hóa lý Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nguyễn Thị Ngọc Tú Chƣơng 1- TỔNG QUAN Tầm quan trọng lớp phủ chống cháy 1.1 Năm 2006, Hoa Kì tổn thất 11,3 tỉ USD tài sản, 16400 người bị thương, 3334 người thiệt mạng cháy [11] Mặc dù số liệu thiệt hại cháy chưa thống kê đầy đủ [7], đảm bảo chắn thiệt hại cháy xảy quốc gia hành tinh tăng không thay đổi so sánh với năm trước Ở Việt Nam, theo thống kê Bộ Công An, 10 năm trở lại đây, nước xảy 16767 vụ cháy nhà máy, xí nghiệp, kho tàng, quan, trường học, bệnh viện, nhà dân, làm chết 688 người, bị thương 1848 người, tài sản thiê ̣t ̣i ước tính trị giá 4187 tỉ đồng Trung bình năm xảy 1677 vụ cháy , nổ , làm chết bị thương 254 người (chết khoảng 60 người năm), thiệt hại tài sản trị giá 419 tỉ đồng, trung bình ngày xảy vụ cháy, làm chết bị thương người Theo số liệu từ Ban đạo tuần lễ Quốc gia an toàn vệ sinh lao động - phòng chống cháy nổ, năm 2012, xảy 1751 vụ cháy làm 73 người chết, 136 người bị thương, thiệt hại tài sản trị giá 1114 tỉ đồng Về mặt khoa học, cháy trình phân hủy oxy hóa - nhiệt vật liệu, điều có nghĩa chuyển hóa cácbon chất dễ cháy khác thành CO2 nước Bảo vệ vật liệu kim loại chống cháy trở thành vấn đề quan trọng công nghiệp xây dựng [24] Khi có đám cháy xảy ra, để ngăn cản đổ sập cấu trúc tòa nhà quan trọng để đảm bảo an toàn di tản người khỏi tòa nhà, yêu cầu quy định xây dựng nhiều quốc gia Một báo cáo thức thảm kịch ngày 11 tháng Hoa Kì cho khoảng thời gian tòa nhà thẳng đứng sau bị hai máy bay chở khách đâm trúng làm ngạc nhiên hầu hết nhà quan sát, bao gồm kỹ sư có kinh nghiệm Điều khẳng định sức chịu đựng minh chứng cho việc xây dựng tốt chắn cứu mạng sống nhiều người tòa nhà Do đó, phòng cháy chữa cháy trang bị tòa nhà cần thiết Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Lớp K23-Hóa lý thuyết Hóa lý Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nguyễn Thị Ngọc Tú TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Văn Hạnh, Nguyễn Thị Thanh Huyền (2004) Một số kết thí nghiệm thăm dò sơ khả tuyển mẫu tan vùng Phú Thọ Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Trần Văn Trị (chủ biên) (2000), Tài nguyên khoáng sản Việt Nam, Cục Địa chất Khoáng sản Việt Nam, tr 214 Trần Văn Trị & Vũ Khúc (chủ biên) (2009), Địa chất Tài nguyên Việt Nam, NXB Khoa học Tự nhiên Công nghệ, tr 589 Tiếng Anh AB Dubois (1986, February 3) ed.Fire and Smoke :Understanding the hazards Washington, DC: National Academy Press AF Grand (1987) Proc International SAMPE Symp , Volume 42, pp.1062 - 1070 Almeras X, Le Bras M, Poutch F, Bourbigot S, Marosi G, Anna P (2003) “Effect of fillers on fire retardancy of intumescent polypropylene blends,”Macromolecular Symposium vol 198, pp 35–447 (7th European Symposium on Polymer Blends) Available:http://www.genevaassociation.org/affiliated_organizations/WFSC aspx, retrieved on 1st March 2011 C.A Harper.(2004) Handbook of Building Materials For Fire Protection: Mcgraw Hill Camino G, Rene Delobel „Fire retardancy of polymeric materials” Marcel Dekker, Inc 270 Madison Avenue, New York, NY 10016 10 Camino, G., Costa, L and Trossarelli, L (1985) Study of the Mechanism of Intumescence in Fire Retardant Polymers: Part V –Mechanism of Formation of Gaseous Products in the ThermalDegradation of Ammonium Polyphosphate,Polymer Degradation andStability, 12: 203–211 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Lớp K23-Hóa lý thuyết Hóa lý Luận văn Thạc sỹ Khoa học 11 Nguyễn Thị Ngọc Tú Fire Statistic- National Fire Prevention Association(2006) Available: http:// www.nfpa.org / category list= Research%20 & 20 Reports/Fine %20 Statistic G Jones, S Soll (1948) US Patent 2, 452, 054 12 GE Hartzell (1997) In: AE Cote, ed Fire Protection Handbook 18 th ed Quincy, MA: National Fire Protection Association, Sec 4, Chapter 13 H Tramm, C Clar, P Kuhnel, W Schuff (1938) US Patent 2, 106, 938 14 HL Vandersall (1971) “Intumescent coating system,their development and chemistry,” Journal Fire Flammability, vol 2, pp 97-140 15 Howard W Emmons (1981) “The growth of fire science” Fire Safety Journal, volume 3,( issue 3), pp 95-106 16 J.Wang, Y.Chen (2005) “Flame-retardant Mechanism Resulting from an Intumescent System,” Journal of Fire Sciences vol.23, pp.55 17 Jun-wei Gu , Guang-cheng Zhang, Shan-l Dong, Qiu-yu Zhang, Jie Kong (2007) “Study on intumescent preparation and fire retardant mechanism analysis of flame-retardant coatings,” Surface Coating Technology.vol.201, pp.7835 18 JW Olsen, CW Bechle (1948) US Patent 2, 442, 706 19 Kruppa J., Twilt L., Wesche J., Cooke G Fire protection of structural steel work Commission of the European Communities, [Report] EUR (1998) (EUR 17987), 1-137 CODEN: CECED9 ISSN: 1018-5593 CAN 129:43718 AN 1998:341614 20 L.Clerc, L.Ferry, E.Lerroy, and J.M Lopez-Cuesta (2005) “Influence of talc physical properties on the fire retarding copolymer/magnesium hydroxide/talc composites,” behaviour Poly Deg of EVA Stability vol 91, pp 2140-2145 21 Levchik GF, Levchik SV, Lesnikovich AI (1996) Polymer Degradation Stability vol 54, pp 361 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Lớp K23-Hóa lý thuyết Hóa lý Luận văn Thạc sỹ Khoa học 22 Nguyễn Thị Ngọc Tú M Kay, AF Price, I Lavery (1979) A review of intumescent materials, with emphasis on melamine formulation J Fire Retardant Chemistry vol.6, pp 69-79 23 M Jimenez, S Duquensne, S Bourbigot Intumescent fire protective coating: Toward a better understanding of their mechanism of action Thermochimica Acta, 2006, 449, 16-26 24 M Jimenez, S Duquesne, S Bourbigot (2005) Modelling of heat transfers on a steel plate “First approach in presence of intumescent coating” Proceedings of the COMSOL Multiphysics User's Conference, Paris 25 MM Hirschler (1993) ed Carbon Monoxide and human Lethality: Fire and Non-Fire Studies London: Elsevier Applied Science 26 Peter Dufton (2003) “Market report Flame retardants for plastic” Rapra Technology Limited, Shawbury, Shrewbury, Shropshire, SY4 4NR, UK 27 S Bourbigot, M Le Bras, S Duquesne, M Rochery (2004) Macromoecular Material Engineering volume 289, (Issue 99), pp 499-51 28 Taylor, A.P and Sale, F.R (1992) Thermal Analysis of Intumescent Coatings,Polymers Paint Colours Journal, 182(4301): 1222–1225 29 Taylor, A.P and Sale, F.R (1993) Thermoanalytical Studies of Intumescent Systems, Macromolecular Chemistry, Macromolecular Symposia, 74: 85–93 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Lớp K23-Hóa lý thuyết Hóa lý