Nghiên cứu chế tạo màng phủ chậm cháy ứng dụng bảo vệ bề mặt vật liệu xốp polystyren

LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ MỞ ĐẦU Cùng với phát triển kinh tế tăng dân số đô thị lớn, công trình khách sạn, tòa nhà, khu chung cư xây dựng ngày nhiều Đi kèm với việc phát triển mật độ xây dựng, vụ cháy lớn xảy tăng lên cách rõ rệt Khi xảy cháy nổ đồ dùng xốp, gỗ, nhựa, vải loại vật liệu dễ bắt lửa nhất, sản sinh lượng nhiệt cao làm trì phát triển đám cháy, tạo lượng khói lớn gây ngạt khí giảm tầm nhìn làm cho người bị nạn khó thoát Với tình hình cháy nổ xảy ngày tăng nay, đặc biệt thường xảy tòa nhà cao tầng, cửa hàng, siêu thị, quán xá, nhà máy … với công tác chữa cháy gặp nhiều khó khăn người phương tiện, biện pháp cấp bách đề cao công tác phòng cháy, biện pháp tích cực, chủ động, hiệu Theo thống kê Cục Cảnh sát PCCC CNCH, năm 2014 nước xảy 2.375 vụ cháy (trong có 2.025 vụ cháy sở, nhà dân, phương tiện giao thông 350 vụ cháy rừng) Đặc biệt công trình nhà hàng karaoke, quán bar lượng xốp cách nhiệt sử dụng nhiều, thêm hệ thống thiết bị điện chằng chịt nguy cháy lớn khả dập tắt đám cháy giai đoạn đầu đám cháy không cao tính bắt cháy lan cháy mạnh xốp, gỗ, vải Qua vụ cháy nhà hàng karaoke nhận thấy lực lượng PCCC có mặt đám cháy thiêu rụi toàn đồ đạc bên trong, gây nguy hiểm tới tính mạng người Nguyên nhân gây tử vong cho người vụ cháy khí khói Do tác hại nghiêm trọng gây mà từ lâu hỏa hoạn xếp vào bốn đại họa loài người Vì vậy, việc sử dụng vật liệu chống cháy địa điểm có nguy cháy cao cần thiết, đảm bảo nguyên tắc phòng tránh thiệt hại lớn mà cháy nổ gây Tuy việc phòng cháy triệt để phải loại trừ toàn nguồn gốc gây cháy khỏi hoạt động người, thực tế người ta chưa làm điều đó, vấn đề phức tạp, khó khăn Nhiều vụ cháy xảy nguyên nhân khả khống chế người như: động đất, núi lửa, LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ sét đánh… Vì thế, song song với công tác nghiên cứu giải tận gốc nguồn gốc gây cháy nổ, nhà nghiên cứu tiến hành sử dụng vật liệu chậm cháy hoạt động đời sống người, nhằm hạn chế đến mức thấp hậu vụ cháy gây Một số vật liệu chậm cháy sử dụng phổ biến giới sơn màng phủ chậm cháy Trong lĩnh vực sơn phủ, bên cạnh vấn đề đảm bảo tính kỹ thuật màng phủ xu phát triển sản phẩm phải đảm bảo tính thân thiện môi trường cho sản phẩm Việc sử dụng lớp phủ bảo vệ sở chất tạo màng hệ nước ngày tăng quy định phát thải hợp chất hữu dễ bay sơn (VOC) Sơn hệ nước hệ sơn thông thường có hàm lượng VOC thấp, cho phép sơn hệ nước đáp ứng quy định nghiêm ngặt Thông thường sơn hệ nước có mức VOC thấp 150 g/l Hiện nay, sơn hệ nước chiếm khoảng 80% loại sơn [1] Với mục tiêu nghiên cứu chế tạo màng phủ chậm cháy thân thiện môi trường sở chất tạo màng hệ nước kết hợp với tác nhân chống cháy có khả phủ lên bề mặt sản phẩm dễ cháy xốp polystyren nhằm cải thiện tính chất chậm cháy sản phẩm không ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng, việc thực luận án “Nghiên cứu chế tạo màng phủ chậm cháy ứng dụng bảo vệ bề mặt vật liệu xốp polystyren” cần thiết LUẬN VĂN THẠC SĨ  VŨ NGỌC QUÍ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu chế tạo đưa qui trình công nghệ chế tạo màng phủ chậm cháy thân thiện môi trường để phủ lên bề mặt xốp Polystyren Sản phẩm nghiên cứu cần đạt số tiêu chất lượng bảng sau: Chỉ tiêu chất lượng cần đạt dung dịch màng phủ chậm cháy TT Chỉ tiêu chất lượng Đơn vị Mức chất lượng Tiêu chuẩn áp dụng - 6÷8 TCVN 8826:2011 đo Độ pH Khối lượng riêng g/ml 1,02 ÷ 1,24 ASTM D1475:2008 Thời gian khô: - Khô bề mặt - Khô hoàn toàn Giờ < 24 < 48 TCVN 2096:1993 Độ bám dính Điểm TCVN 2097:1993 - 25 ÷ 40 TCVN 2101:2008 o Độ bóng, góc 60 Hàm lượng chất rắn %  25 TCVN 2093 - 1993 Hàm lượng VOCs g/L < 140 ISO 17895:2005 Khả chậm cháy theo tiêu chuẩn UL 94 - V1 UL 94:2010 Đặc tính cháy ngang - HBF ISO 9772:2012  NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  Nghiên cứu lựa chọn hệ chất tạo màng để chế tạo màng phủ bảo vệ;  Nghiên cứu lựa chọn thành phần phụ gia chậm cháy;  Nghiên cứu lựa chọn thành phần phụ gia cải thiện tính chất màng phủ;  Nghiên cứu lựa chọn điều kiện công nghệ để phân tán chất phụ gia chậm cháy vào chất tạo màng;  Nghiên cứu cấp phối chế tạo màng phủ;  Nghiên cứu qui trình công nghệ chế tạo màng phủ;  Ứng dụng thử nghiệm khả chống cháy theo tiêu chuẩn ISO 9772:2012 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung trình cháy Diễn biến cháy vật liệu xác định điều kiện bên như: - Nhiệt độ - Nguồn cháy (cường độ cháy) - Nguồn cấp oxy - Độ dày lớp hình dạng phận cấu thành - Ảnh hưởng vật liệu đặt cạnh Các đặc tính nguyên nêu bên có ảnh hưởng lớn diễn biến cháy: - Nhiệt độ phân hủy (bắt đầu nhiệt phân) - Tính dễ bắt cháy (nhiệt độ tự bắt cháy chớp cháy) - Nhiệt cháy - Khả dẫn nhiệt - Xu hướng hình thành than - Dạng khí cháy phát sinh Quá trình cháy chia thành giai đoạn: - Đầu tiên, phản ứng nhiệt phân xuất pha ngưng tụ (nền rắn) - Sau trình oxi hóa sản phẩm nhiệt phân pha khí Bước trình cháy chất dẻo dạng rắn nhiệt phân vật liệu Ở lượng liên kết polyme mà nằm khoảng 200 tới 400 kJ.mol-1 bị vượt qua liên kết bị bẻ gẫy; lượng cho trình hấp thu nhiệt vào chất dẻo dạng rắn bẻ gãy liên kết cung cấp nguồn nhiệt bên (bức xạ lửa mở) lượng tỏa trình tự cháy vật liệu khác Trong pha rắn, nhiệt phân polymer tạo sản phẩm than hóa chất rắn trường hợp polyme nhiệt dẻo; nồng độ oxi thấp bề mặt phân chia pha khí/rắn, xảy trình cháy âm ỉ cháy tàn LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ Trong số trường hợp, khí cháy trình nhiệt phân pha khí trộn lẫn với oxi không khí bùng cháy tỏa nhiệt mạnh, nhiệt trình cháy phát sinh lượng bổ sung vào nhiệt phân bề mặt cháy tiến triển với lượng cung cấp từ bên Xuất cháy lan với nhiệt độ lên tới 12000 C pha khí khoảng 500 0C lớp mặt pha rắn (Bảng 1.1) Bảng 1.1: Quá trình cháy pha khí pha rắn Trạng thái đầu Pha khí Pha đặc Cân lượng Bắt đầu cháy Cháy lan Oxi không khí Khí cháy khí không cháy Oxi hóa cháy tới 1200 0C Polymer  Nhiệt Chất lỏng cháy Cháy tàn cháy phân 250 0C Hình thành nên cặn than âm ỉ 500 0C Thu nhiệt (-Q1) Tỏa nhiệt (+Q2) (Q2>Q1) Phản ứng pha khí đám cháy gồm phản ứng chuỗi mà bắt đầu với việc gốc tự phân tử giải phóng nhiệt phân polymer tiếp tục đẩy nhanh dù “nóng” “mãnh liệt” (phản ứng mạnh) làm gốc OH* H* sinh với số lượng lớn (nên gọi phản ứng phân nhánh với oxi): H* + O2  O* + OH* O* + H2  H* + OH* Các khí tự hình thành trình cháy yếu tố gây nguy hiểm tới người hít vào khói nóng độc hại gây nên thiếu khí oxi nguyên nhân gây tử vong Khí cacbon monooxit sản sinh nồng độ cao đám cháy yếu tố gây tử vong người [2] Cháy thường tượng xảy pha khí Quá trình cháy xảy gắn liền với chuyển động lưu chất, trao đổi nhiệt trao đổi chất không gian Nếu chất phản ứng rắn sản phẩm cháy khí Dưới tác dụng nhiệt độ cao số chất rắn bị thăng hoa, số khác chảy lỏng bay Do lửa xảy vật rắn nằm pha khí bao bọc vật liệu rắn [3] LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ Tam giác cháy Emman thường sử dụng để mô tả trình cháy thể hình 1.1, cho thấy điều kiện để cháy cần ba yếu tố [4]: Hình 1.1: Ba yếu tố trì cháy  Nhiên liệu: Những hợp chất dễ bay sinh từ giầu cacbon bị phân hủy nhiệt  Nguồn nhiệt: cung cấp trình oxy hóa tỏa nhiệt nhiên liệu không khí  Oxy: cung cấp không khí Đối với vật liệu rắn polyme tự nhiên tổng hợp bắt cháy tiếp xúc với nguồn nhiệt bên Về trình cháy polyme tự nhiên tổng hợp bao gồm giai đoạn: sấy, phân hủy, mồi lửa đốt cháy lan truyền Quá trình sấy việc gia nhiệt cho vật liệu nguồn nhiệt bên ngoài, điều làm tăng nhiệt độ phụ thuộc vào cường độ gia nhiệt nguồn nhiệt, độ dẫn nhiệt vật liệu, nhiệt dung riêng, nhiệt ẩn trình nóng chảy bay vật liệu Khi bị nung nóng đến giới hạn, vật liệu bắt đầu bị phân hủy nhiệt, nghĩa dần tính chất ban đầu liên kết yếu bắt đầu bị phá vỡ Các sản phẩm cháy bắt đầu hình thành, tỷ lệ phụ thuộc vào cường độ nhiệt bên ngoài, nhiệt độ phân hủy tỷ lệ phân hủy Nồng độ khí dễ cháy tăng dần lên đến đạt mức độ cho phép trình oxy hóa bền vững Nguồn mồi lửa khí LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ oxy hai yếu tố quan trọng trình bắt cháy Sau bắt cháy, trình đốt cháy trở nên tự lan truyền đủ nhiệt tạo xạ trở lại vật liệu để tiếp tục trình phân hủy Quá trình đốt cháy trình bị chi phối nhiều yếu tố tỷ lệ sinh nhiệt, tốc độ lan truyền, diện tích bề mặt, tỷ lệ phân hủy [5] Hình 1.2: Mô hình cháy vật rắn 1.2 Phân loại vật liệu cháy chế ngăn trình cháy 1.2.1 Phân loại vật liệu cháy Để so sánh đánh giá nguy cháy tiềm tàng vật liệu sử dụng xây dựng, đồ đạc (nội thất gỗ), vật liệu trang trí mục đích khác, hệ thống phân loại để đánh giá đặc tính tính dễ cháy, tính lan truyền lửa, v.v xây dựng Phụ thuộc vào quốc gia lĩnh vực sử dụng, có nhiều quy tắc phương pháp thử để phân loại vật liệu Ở Đức, quy định chống cháy xây dựng chia vật liêu xây dựng thành nhóm đặc tính cháy (DIN 4102): Nhóm A1 A2 (không cháy) áp dụng vật liệu có cấu tạo gồm thành phần vô cơ, nhóm B1 (bắt cháy thấp), B2 (bắt cháy trung bình) B3 (bắt cháy cao) Trong nhóm sau, vật liệu bao gồm thành phần dễ cháy (hữu cơ), nhóm bắt cháy thấp B1 B2 tốc độ cháy lan phải nằm mức cho phép vật liệu phải có đặc tính tự dập lửa sau loại bỏ nguồn nhiệt Các tổ hợp vật liệu xây dựng (được kết hợp từ vật liệu khác nhau) chia thành 05 nhóm bền với lửa, mà đặc trưng theo thời gian (tính phút) để LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ tổ hợp chịu với lửa tiêu chuẩn mà không đặc tính sử dụng (tốc độ F 60 gọi chậm cháy, F90 F120 chống cháy, F180 chống cháy cao) Vật liệu bắt cháy cao (nhóm B3) không sử dụng xây dựng, trừ chế tạo thành tổ hợp có tốc độ bắt cháy B2 tốt Các lớp phủ có chiều dày lên tới 0,5 mm vật liệu khoáng vô đặc cần tuân theo nguyên tắc định Vật liệu xây dựng nhóm B2 (như gỗ, polystyren, chất xảm khe) cho phép sử dụng nhiều hạng mục xây dựng, yêu cầu công trình cao tầng cần chặt chẽ chất lượng áp dụng phải đạt vật liệu nhóm B1 vật liệu (như lớp trát thô, ống PVC, ván sàn gỗ sồi) phần lớn yêu cầu Nhiều hạng mục (như giao thông, kỹ thuật điện, đồ nội thất, đồ trang trí) có yêu cầu riêng, quốc gia có nguyên tắc thử khác Một tiêu chuẩn quan trọng mà phương pháp thử sử dụng rộng rãi UL94V “Đánh giá khả bắt lửa Tổ chức phòng thí nghiệm an toàn (USA)”, mẫu treo tự trạng thái đứng, góc bên đặt đèn đốt Busen vòng 10 s sau phân loại nhóm vật liệu bắt cháy thông qua diễn biến cháy chúng: Thời gian cháy hoàn toàn Thời gian cháy tàn Cháy nhỏ giọt 94V-0 ≤5s ≤ 30 s Ko 94V-1 ≤ 25 s ≤ 60 s Ko 94V-2 ≤ 25 s ≤ 60 s Có Phụ thuộc hợp chất cấu thành nên, nhiều loại chất dẻo cần bổ xung chất chậm cháy giúp vật liệu chất dẻo có khả chống cháy Các phụ gia thông thường cải thiện hoàn toàn khả bắt cháy vật liệu (trừ trường hợp nguồn lửa yếu), có khả làm chậm tốc độ chống cháy lan, giúp làm chậm phát triển thành đám cháy lớn; điều giúp cho người bị nạn có hội để thoát hiểm tăng thêm thời gian cho đội cứu hỏa tới để dập ngăn chặn lửa [2] LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ 1.2.2 Cơ chế ngăn cháy Chất chậm cháy sử dụng loại phụ gia màng phủ; bị phân hủy nhiệt sản sinh hợp phần không cháy để làm chậm tốc độ lan truyền cháy, ức chế chặn trình cháy cách ngăn thành phần lửa phản ứng với cách chặn dòng oxi thổi phồng lớp bảo vệ Hàng năm, thiệt hại người tài sản có giá trị lớn đám cháy, biện pháp ngăn ngừa cháy quan trọng Một hệ chậm cháy hợp chất hỗn hợp phụ gia đưa vào vật liệu có tác dụng tăng cường khả kháng cháy cho vật liệu, có tác dụng ức chế, ngăn chặn trì hoãn phát sinh lửa nhằm ngăn chặn lây lan đám cháy Hệ chậm cháy thêm vào vật liệu trình sản xuất sản xuất gỗ nhân tạo, sản phẩm polyme, trình tạo hình sản phẩm sản xuất đồ dùng nhựa, đưa vào vật liệu hoàn thiện sơn màng phủ Một chất chậm cháy hiệu cần phải ngăn cản tối thiểu ba yếu tố đảm bảo cháy tam giác cháy Emman Do trình tự đốt cháy xảy hai pha khí pha rắn, nên việc sử dụng chất chậm cháy có tác dụng phá vỡ trình tự đốt cháy cách tác động đến trình vật lý hóa học xảy hai pha khí pha rắn Tùy theo tính chất, phụ gia chậm cháy tương tác hóa học vật lý thể rắn, lỏng khí Chúng can thiệp vào giai đoạn cụ thể trình đốt cháy [5] Cách thức làm chậm cháy gây nhiễu cho trình cháy, tùy phụ thuộc vào dạng chế chúng (vật lý hóa học) pha hoạt động (pha rắn khí) Bảng 1.2 đưa khái quát nguyên lý khác để ức chế cháy Bảng 1.2: Cách thức hoạt động chất chậm cháy Dạng hoạt động Vật lý Hóa học (A) Pha loãng khối cháy (B) Thu nhiệt để phân hủy × × (C) Hình thành lớp than (D) Giải phóng gốc tự × Nơi hoạt động Pha khí Pha đặc × × × × × × × LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ 1.2.2.1 Nguyên lý chung  Tương tác vật lý: số phụ gia chậm cháy làm chậm trình cháy tương tác vật lý như: Bằng cách làm mát - trình thu nhiệt phụ gia đưa vào nhằm làm mát bề mặt vật liệu xuống nhiệt độ thấp nhiệt độ trì trình cháy Hoặc, cách tạo lớp bảo vệ - trình tạo lớp bảo vệ rắn khí ngăn cản nhiệt phân vật liệu dễ cháy phát triển, loại trừ khí oxy cần thiết cho trình đốt cháy đồng thời cản trở truyền nhiệt Cuối pha loãng - trình kết hợp chất trơ (như chất độn) chất phụ gia phân hủy tạo thành khí trơ làm loãng nhiên liệu pha rắn khí, dẫn đến hỗn hợp khí cháy thấp giới hạn cháy hỗn hợp  Tương tác hóa học: Xảy số phản ứng hóa học can thiệp vào trình đốt cháy pha rắn khí Đối với pha khí - gốc tự trình đốt cháy diễn pha khí bị gián đoạn chất chậm cháy Do trình tỏa nhiệt bị ngăn lại, vật liệu làm mát xuống việc cung cấp khí dễ cháy bị giảm thiểu dẫn đến trình cháy bị dập tắt Đối với pha rắn xảy hai loại phản ứng Thứ bẻ gẫy polyme tăng tốc tác nhân chậm cháy gây chảy polyme tránh khỏi phạm vi ảnh hưởng lửa nên thoát khỏi nguy cháy Thứ hai, chất chậm cháy sinh lớp bon bề mặt vật liệu Điều xảy thông qua khử nước tác nhân chậm cháy sinh liên kết đôi polyme tạo liên kết vòng liên kết ngang lớp cacbon hóa Khả chậm cháy cải thiện cách sử dụng tác nhân chậm cháy tạo lớp màng bề mặt có độ dẫn nhiệt thấp phản xạ nhiệt cao, làm giảm tốc gia nhiệt đến vật liệu bảo vệ Mặt khác cải thiện cách sử dụng tác nhân chậm cháy có tác dụng tản nhiệt cách ưu tiên phân hủy nhiệt độ thấp Có thể sử dụng màng phủ trương phồng chậm cháy, tiếp xúc với nhiệt màng phủ trương phồng tạo thành bề mặt xốp có tính dẫn nhiệt thấp Có thể sử dụng phụ gia làm thay đổi phân hủy hóa học sản phẩm, làm nồng độ khí cháy thấp dẫn đến tỏa nhiệt dẫn đến làm tự dập tắt lửa 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ mặt Việc sử dụng phụ gia hoạt động bề mặt Propylen Glycol- PG để cải thiện độ dàn trải, độ trơn láng bề mặt sơn Đồng thời tác nhân cải thiện tính ổn định chống đóng băng tan giá Trong hệ chất tạo màng nghiên cứu, bột phụ gia chậm cháy phân bố hệ chất tạo màng phải đồng để tăng khả ngăn cháy toàn màng phủ Tuy nhiên trình tạo màng diễn nhờ liên kết tạo màng chất kết dính tạo màng xảy chậm xảy khoảng nhiệt độ định, loại nhựa có giới hạn tạo màng khác Với loại nhựa định kéo màng nhiệt độ lớn nhiệt độ tới hạn màng không hình thành, mà tạo lớp bột không kết dính với Do đó, để mở rộng giới hạn tạo màng cải thiện phân bố đồng phụ gia sử dụng phụ gia hỗ trợ tạo màng Texanol Ngoài ra, việc sử dụng công nghệ khuấy tốc độ cao, phân tán hệ rắn vào lỏng thường kéo theo khí vào hệ màng phủ, sinh bọt khí làm ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt màng quét Do đó, để khắc phục tượng này, sử dụng phụ gia phá bọt DELSIPOL-PA/120 Tiến hành nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ loại phụ gia trên, với thông số ban đầu sau: Khối lượng mẫu thử 500g Pha dung dịch với tỷ lệ chất tạo màng:nước = 30:70 Giữ nguyên tỷ lệ pha bột tác nhân chậm cháy APP:ME:PER = 60:20:20 Sử dụng chất tạo màng EMULTEX 8200 với tỷ lệ 18/82 Tốc độ khuấy 1600 vòng/phút, thời gian khuấy 60 phút 3.3.1 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phụ gia PG Nghiên cứu độ tổn hao khối lượng sau cháy quan sát ngoại quan bề mặt màng phủ bề mặt mẫu thử với thay đổi tỷ lệ sử dụng phụ gia PG 0%, 2,0%, 2,5%, 3,0%, 3,5%, 4,0%, 4,5%, 5,0% , 5,5% so với dung dịch chất tạo màng 63 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ Bảng 3.7: Thử nghiệm xác định tỷ lệ phụ gia PG Mẫu Tỷ lệ phụ gia, Độ tổn hao khối Đánh giá ngoại quan màng % lƣợng sau cháy, % TCVN 8653-1:2012 PG-P0 35.4 Khó quét, màng không đồng PG-P1 2.0 34.5 Dễ quét, màng khô có lỗ co PG-P2 2.5 35.1 Dễ quét, màng phủ không đồng PG-P3 3.0 Dễ quét, màng phủ đồng đều, 33.9 có vết loang PG-P4 3.5 Dễ quét, màng đồng đều, 33.5 có vết loang PG-P5 4.0 34.0 Dễ quét, màng đồng PG-P6 4.5 33.8 Dễ quét, màng đồng PG-P7 5.0 33.6 Dễ quét, màng đồng PG-P8 5.5 33.2 Dễ quét, màng đồng Bảng 3.7 cho thấy, phụ gia PG không làm thay đổi nhiều khả chậm cháy hệ phụ gia, cải thiện rõ rệt khả quét, độ dàn trải độ đồng màng phủ Hình 3.6 cho thấy độ đồng bề mặt màng phủ tăng lên rõ rệt tăng hàm lượng phụ gia PG Hàm lượng phụ gia PG 4,0% đảm bảo bề mặt màng phủ đồng đều, trình thi công dễ dàng Hình 3.6: Mẫu thử đánh giá ngoại quan màng quét 64 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ Nhằm đảm bảo tính kinh tế sản phẩm, lựa chọn tỷ lệ phụ gia PG 4,0% so với khối lượng dung dịch chất tạo màng cho nghiên cứu 3.3.2 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phụ gia Texanol Nghiên cứu ảnh hưởng độ tổn hao khối lượng sau thử cháy thay đổi hàm lượng Texanol từ 0% đến 2,0% Không thay đổi thông số ban đầu, sử dụng hàm lượng phụ gia PG 4,0%, kết thử nghiệm Bảng 3.8 Bảng 3.8: Thử nghiệm xác định tỷ lệ phụ gia Texanol Tỷ lệ phụ gia, Độ tổn hao khối Đánh giá ngoại quan % lƣợng sau cháy, % màng khô PG-T0 0.0 34,0 PG-T1 0.2 33.6 PG-T2 0.4 33.5 PG-T3 0.6 33.2 PG-T4 0.8 32.8 PG-T5 1.0 32.9 PG-T6 1.2 33.1 PG-T7 1.4 33.5 PG-T8 1.6 33.7 PG-T9 1.8 34.1 Mẫu Màng rạn Màng không rạn Màng đàn hồi Kết nghiên cứu cho thấy phụ gia Texanol không làm ảnh hưởng đến khả làm chậm cháy hệ chất tạo màng nghiên cứu, làm tăng tính đàn hồi màng Trên sở tìm hiểu chế hình thành màng đề tài nhận thấy: Nhũ tương Polyme tồn giọt vật liệu rắn nhỏ phân tán nước Trên vật liệu xốp, nước phụ gia hỗ trợ tạo màng hòa tan nước di chuyển vào bề mặt vật liệu xốp Lượng nước giảm trình khô màng, hạt latex tiến gần nằm xít Khi lực đẩy bề mặt giọt để giữ hạt tách không còn, hệ nhũ tương bị phá vỡ, tạo thành lớp màng rắn Nếu hạt nhũ tương đủ mềm, chúng hợp hệ nhũ bị phá vỡ hình thành lớp 65 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ màng Nếu hạt thô, trình hợp không xảy lớp phủ bị nứt, tạo vảy bị nát vụn Phụ gia Texanol có tác dụng chất hóa dẻo tạm thời cho màng polymer Chức Texanol làm mềm polymer giai đoạn hợp hạt nhũ tạo màng liên tục Để đảm bảo tính kinh tế sản phẩm, lựa chọn tỷ lệ phụ gia Texanol sử dụng 0,8% khối lượng dung dịch chất tạo màng cho nghiên cứu 3.3.3 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phụ gia phá bọt DELSIPOL-PA/120 Nghiên cứu ảnh hưởng độ tổn hao khối lượng sau thử cháy ngoại quan bề mặt màng phủ sau trộn hợp thay đổi tỷ lệ sử dụng phụ gia phá bọt DELSIPOLPA/120 từ 0% đến 1,4% Không thay đổi thông số ban đầu, sử dụng hàm lượng phụ gia PG 4,0%, hàm lượng phụ gia Texanol 0,8% Kết nghiên cứu trình bày Bảng 3.9 Bảng 3.9: Thử nghiệm xác định tỷ lệ phụ gia phá bọt DELSIPOL-PA/120 Mẫu Tỷ lệ phụ Độ tổn hao khối lƣợng Ngoại quan dung dịch gia, % sau cháy, % sau trộn PG-D0 0.0 32.8 Nhiều bọt PG-D1 0.2 32.8 Nhiều bọt PG-D2 0.4 33.0 Ít bọt PG-D3 0.6 33.9 Rất bọt PG- 0.8 32.9 Không bọt sau phút PG-N5 1.0 34.1 Không bọt sau phút PG-D6 1.2 32.3 Không bọt sau phút PG-D7 1.4 34.5 Không bọt sau phút D4 66 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ Hình 3.7: Mẫu thử đánh giá ngoại quan tỷ lệ sử dụng phụ gia phá bọt Từ kết nghiên cứu cho thấy, phụ gia phá bọt không làm thay đổi đáng kể đến tính kháng cháy màng phủ Hình 3.7 nhận thấy, hàm lượng phụ gia phá bọt 0,8%, bề mặt dung dịch gần bọt Để đảm bảo tính kinh tế sản phẩm, lựa chọn tỷ lệ phụ gia phá bọt sử dụng 0,8% khối lượng dung dịch cho nghiên cứu Nhận xét: Từ kết nghiên cứu lựa chọn chất tạo màng EMULTEX 8200 với tỷ lệ bột tác nhân chậm cháy/ dung dịch chất tạo màng 18/82 để đảm bảo độ màng sau khô Đã lựa chọn thông số công nghệ tốc độ khuấy 1600 vòng/phút thời gian trộn 60 phút Ngoài ra, nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ loại phụ gia cải thiện tính chất màng phủ phụ gia cải thiện độ dàn trải PG với tỷ lệ 0,4%, phụ gia hỗ trợ tạo màng Texanol 0,8% phụ gia phá bọt DELSIPOL-PA/120 0,8% đảm bảo tính chất thi công, bề mặt ngoại quan màng đạt tiêu chuẩn mục tiêu đề 3.4 Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo màng phủ Trong trình thử nghiệm thấy rằng, giai đoạn phân tán chất hệ phụ gia giai đoạn có yếu tố quan trọng việc hình thành màng phủ tạo ổn định cho hệ Do cần phải tiến hành phân tán hệ phụ gia theo quy trình khác để tìm quy trình tối ưu nhất, tạo cho sản phẩm nghiên cứu có độ ổn định cao 67 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ + Quy trình 1: Hình 3.8 Hình 3.8: Sơ đồ quy trình nghiên cứu Định lượng nước chất tạo màng Điều chỉnh tốc độ khuấy 600 vòng/phút, phút, đưa hỗn hợp tác nhân chậm cháy định lượng vào cốc khuấy Sau đưa toàn hỗn hợp vào, điều chỉnh tốc độ khuấy lên 1600 vòng/phút để phân tán tạo huyền phù 45 phút Sau đó, đưa hỗn hợp chất phụ gia cải thiện tính chất màng định lượng vào khuấy hỗn hợp Kết thúc thời gian khuấy tạo hệ, điều chỉnh tốc độ khuấy xuống 300 vòng/phút vòng 10 phút, cuối thu hỗn hợp màng phủ, ký hiệu M1 + Quy trình 2: Hình 3.9 Hình 3.9: Sơ đồ quy trình nghiên cứu Định lượng nước chất tạo màng, điều chỉnh tốc độ khuấy 600 vòng/phút, phút Phân tán hỗn hợp phụ gia cải thiện chất tạo màng với dung dịch chất tạo màng với tốc độ 600 vòng/phút 10 phút Sau định lượng thành phần tác nhân chậm cháy, tiến hành đưa toàn lượng tác nhân vào Khuấy phân tán tốc độ 1600 vòng/phút, 45 phút Kết thúc trình phân tán thu hỗn hợp chất màng phủ, ký hiệu M2 + Quy trình 3: Hình 3.10 Hình 3.10: Sơ đồ quy trình nghiên cứu 68 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ Định lượng phụ gia PER khuấy phân tán môi trường nước tốc độ khuấy khoảng 600 vòng/phút thùng khuấy 10 phút Định lượng phụ gia Melamin APP khuấy phân tán phụ gia PER hòa tan nước tốc độ 600 vòng/phút 10 phút Sau kết thúc thời gian khuấy phân tán hệ phụ gia chậm cháy, tiến hành định lượng chất tạo màng cho vào thùng khuấy tăng dần tốc độ lên 1600 vòng/phút, khuấy với thời gian 30 phút Sau cho toàn phụ gia cải thiện tính chất màng vào Kết thúc thời gian khuấy, hạ tốc độ khuấy xuống 300 vòng/phút 10 phút, cuối thu hỗn hợp sản phẩm đồng nhất, ký hiệu M3 Các mẫu M1, M2, M3 lưu ổn định khoảng thời gian ngày Kết thúc thời gian ổn định mẫu, tiến hành xác định độ suy giảm khối lượng sau cháy mẫu M1, M2 M3 Kết đo mẫu thể Bảng 3.10: Bảng 3.10: Thử nghiệm xác định ảnh hưởng quy trình công nghệ STT Mẫu Độ tổn hao khối lƣợng sau cháy, % M1 26.2 M2 24.7 M3 22.2 Từ kết nghiên cứu quy trình thấy rằng, mẫu M1, M2 hệ phụ gia chậm cháy phân tán không đồng Có thể nhận thấy phân tán hệ phụ gia vào chất tạo màng trước, phụ gia khó phân tán chất tạo màng có độ nhớt cao, khó hòa tan PER phụ gia dễ vón cục, không phân tán đồng Vì thế, lựa chọn quy trình để chế tạo hệ màng phủ nghiên cứu [36] 3.5 Đánh giá chất lƣợng sản phẩm chế tạo phòng thí nghiệm Để đánh giá cách toàn diện yếu tố ảnh hưởng trình bày phần hệ màng phủ nghiên cứu, tiến hành sản xuất quy mô phòng thí nghiệm lượng sản phẩm 10 kg Cấp phối hệ màng phủ thể Bảng 3.11: 69 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ Bảng 3.11: Cấp phối chế tạo màng phủ mẻ 10kg STT Vật liệu Tỷ lệ (%) Hàm lƣợng (g) Chất tạo màng EMULTEX 8200 24,108 2.410,8 Phụ gia PG 0,0984 9,84 Phụ gia Texanol 0,1968 19,68 Phụ gia phá bọt 0,1968 19,68 Dung môi nước pha loãng 57,400 5.740,0 Phụ gia Amonium polyphosphat 10,800 1.080,0 Phụ gia Pentaerythritol 3,600 360,0 Phụ gia Melamin 3,600 360,0 100 10.000 Tổng Thực chế tạo theo quy trình chế tạo lựa chọn thu sản phẩm đồng Sau thời gian để ổn định sản phẩm, tiến hành kiểm tra số tính chất sản phẩm, kết thể Bảng 3.12: Bảng 3.12: Chỉ tiêu chất lượng màng phủ chế tạo TT Chỉ tiêu Độ pH Khối lượng riêng Đơn vị Mức chất lƣợng Màng phủ đo Đăng ký - 6-8 g/ml 1,02÷1,24 1,11 Giờ < 24 1h45’ < 48 11h15’ Phƣơng pháp thử chế tạo TCVN 8826:2011 ASTM D1475:2008 Thời gian khô: - Khô bề mặt - Khô hoàn toàn TCVN 2096:1993 Độ bám dính Điểm 1 TCVN 2097:1993 Độ bóng, 60o - 25÷40 32 TCVN 2101:2008 Hàm lượng chất rắn %  25 40 TCVN 2093 - 1993 Hàm lượng VOCs g/L < 140 60 ISO 17895:2005 - V1 V0 UL 94:2010 - HBF HBF ISO 9772:2012 Khả chậm cháy theo tiêu chuẩn UL 94 Đặc tính cháy ngang 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ 3.6 Hình ảnh SEM bề mặt lớp than hình thành sau tiếp xúc với lửa Trước tiên, so sánh bề mặt mẫu có phủ lớp chống cháy chưa phủ thể hình 3.11 với độ phóng đại 100 lần Có thể nhận thấy bề mặt mẫu sau phủ có liên tục lớp màng, che lấp cấu trúc rỗng lớp xốp bên Hình 3.11: Ảnh SEM bề mặt mẫu xốp chưa phủ mẫu có phủ lớp màng chậm cháy nghiên cứu - độ phóng đại 100 lần Để có sở giải thích chế chậm cháy màng phủ tiếp xúc với lửa, sử dụng kính hiển vi điện tử quét để quan sát lớp than hình thành bề mặt mẫu thử sau cháy Kết thể Hình 3.12 : Hình 3.12: Ảnh SEM bề mặt mẫu xốp không phủ sau cháy bề mặt mẫu xốp có phủ lớp màng chậm cháy sau cháy - độ phóng đại 2.500 lần 71 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ Khả bảo vệ vật liệu màng phủ phụ thuộc nhiều vào tính chất vật lý, hóa học cấu trúc lớp than bảo vệ hình thành sau màng phủ tiếp xúc với lửa Từ kết hình SEM chụp bề mặt lớp than trương phồng nhận thấy cấu trúc lớp than trương phồng có chiều hướng đặc đồng Nó có nhiều cấu trúc lỗ kín nhỏ bọt xốp cấu trúc lớp than hóa màng phủ nghiên cứu Nó giải thích cho chế phản ứng nước PER tạo than chế tạo khí hợp chất Melamin khoảng nhiệt độ phù hợp Hơn nữa, lớp trương phồng có cấu trúc lỗ xốp nhỏ nên tạo hiệu cách nhiệt cao cho vật liệu bảo vệ Hình 3.13 hình chụp SEM có độ phóng đại 50.000 lần cho thấy hình ảnh cấu trúc lớp bọt xốp nhỏ tạo thành lớp than hóa trương phồng cách rõ nét Lớp than xốp có cấu trúc lỗ xốp nhỏ tạo thành lớp màng cản nhiệt ngăn không cho nhiệt lượng từ lửa tiếp xúc với vật liệu bảo vệ Ngoài có tác dụng ngăn cản oxy tiếp xúc với vật liệu vật liệu không sản sinh lửa làm giảm khả lây lan đám cháy cách đáng kể xẩy hỏa hoạn Hình 3.13: Ảnh SEM bề mặt mẫu xốp không phủ sau cháy bề mặt mẫu xốp có phủ lớp màng chậm cháy sau cháy - độ phóng đại 50.000 lần 72 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ Hình 3.14: Thử cháy với mẫu xốp EPS a) không phủ; b) phủ chất chậm cháy Hình ảnh thử nghiệm khả chống cháy sản phẩm xốp EPS chưa phủ có phủ lớp màng phủ chậm cháy nghiên cứu (hình 3.14) 73 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ KẾT LUẬN - Đã nghiên cứu chế tạo màng phủ chậm cháy thân thiện môi trường với điều kiện tối ưu thu sau: + Hàm lượng Chất tạo màng Emultex 8200 24,11%; + Hàm lượng tác nhân axit hóa APP 10,80%; + Hàm lượng tác nhân than hóa PER 3,60%; + Hàm lượng tác nhân nở phồng ME 3,60%; + Hàm lượng phụ gia cải thiện tính chất màng PG, Texanol phụ gia phá bọt 0,0984%, 0,1968% 0,1968% + Điều kiện công nghệ tốc độ khuấy 1600 vòng/phút, thời gian khuấy 60 phút - Các tiêu kỹ thuật sản phẩm màng phủ nghiên cứu đạt mức chất lượng đề ra, hai tiêu quan trọng tính chậm cháy hàm lượng VOC vượt mức đặt ban đầu - Đã ứng dụng sản phẩm lên sản phẩm xốp cách nhiệt xốp EPS, PU, PS,… kết thử nghiệm mẫu xốp phủ màng phủ chậm cháy đạt mức HBF yêu cầu xốp chống cháy theo tiêu chuẩn ISO 9772:2012 74 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.paintquality.com/going-green/paint-types/water-solvent.html [2] Johan H Bieleman, “Additives for Coatings” [3] Nguyễn Sỹ Mão, “Lý thuyết Thiết bị Cháy”, Nhà Xuất KH&KT Hà Nội, 2002 [4] Sutker, “Flame retardants”, Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol A11, p 123-140, 1988 [5] Troitzsch, “International plastics flammability handbook: Principles, regulations, testing and approval”, Hanser Publishers, 1990 [6] Ulsamer AG, Osterberg RE, & McLauglin J Jr, “Flame-retardant chemicals in textilex”, Clin Toxicol, pp 101-131, 1980 [7] Walter M Summerville, “Reducing fire and life safety risks for Kernersville’s senior citizens”, Kernerville Fire rescue Department, 2011 [8] Alexander B.Morgan, Charles A Wilkie, Gordon L Nelson, “Fire and Polymers VI: New advances in flame retardant Chemistry and Science”, ACS Division of Polymeric Materials: Science and Engineering, 2012 [9] Transparency Market Research, “Non-Halogenated Flame Retardants Market for Polymers - Global Industry Analysis, Size, Share, Growth and Forecast, 20122018”, 2013 [10] Raymond R Hindersinn, “Historical Aspects of Polymer Fire Retardance”, Fire and Polymers, Chapter 7, pp 87-96, 1990 [11] J Randall Lawson, “A History of Fire Testing”, NIST Technical Note 1628, pp 11-12, 2009 [12] A R Horrocks & D Price, “Fire retardant materials”, Woodhead Publishing Limited, 2001 [13] J Burley, J Evans and J Youngquist, “Protection of wood from fire”, Encyclopedia of Forest Science, McIntyre, C.R, pp 1238-1288, 2004 [14] A.R Horrocks, B.K Kandola, P.J Davies, S Zhang and S.A Padbury, “Development in Flame Retardant Textiles”, Polymer Degradation and Stability, No 88,pp 3-12, 2005 75 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ [15] Hawthorne, Nieland, Eads, “Flame retardants and their risks”, U.S Environmental Protection Agency, 2012 [16] S Bourbigot, S Duquesne, “Fire Retardant Polymers: Recent Developments and Opportunities”, Journal of Materials Chemistry, No 17, pp 2283-2300, 2007 [17] Bourbigot S, Duquesne S, Leroy JM, “Modeling of heat transfer of a polypropylene-based intumescent system during combustion”, Journal of Fire Sciences, Vol 17, pp 42-56, 1999 [18] Miller, “Intumescents, FR efficiency pace flame retardant gain”, Plastic World, pp 44-59, 1996 [19] Liu F, “Fire retardant coating composition US Patent 6.084.008”, US Patent 6.084.008, 2000 [20] Lambourne, R.; Strivens, T.A “Paint and Surface Coatings - Theory and Practice”, Woodhead Publishing, 1999 [21] Guojian Wang, Jiayun Yang, “Influences of expandable graphite modified by polyethylene glycol on fire protection of waterborne intumescent fire resistive coating”, Fire Science Reviews, 2010 [22] Guo-Qiang Li, Guo-Biao Lou, “Assess the Fire Resistance of Intumescent Coatings by Equivalent Constant Thermal Resistance”, Surface & Coatings Technology, 48, pp 529-546, 2012 [23] Dan Shang, Xiaoying Sun, Jianzhong Hang, Luijiang Jin, “Preparation and stability of silica sol/TPGDA dispersions and its application in the UV-curable hybrid coatings for fire protection”, Journal of Sol-Gel Science and Technology, Volume 67, Issue 1, pp 39-49, 2013 [24] Phan Duy Hưng, “Nghiên cứu chế tạo ván LVL chậm cháy”, Tạp chí Nông nghiệp Phát triển Nông thôn, pp 102-103, 2006 [25] http://baocongthuong.com.vn/san-pham-moi/30477/trien-vong-tu-cong-nghe- che-tao-vat-lieu-composite.htm#.Uy1rRKh_tlw [26] Nguyễn Đức Thành, Vũ Đình Thịnh, Nguyễn Xuân Hiên, “Nghiên cứu xử lý chậm cháy cho gỗ Bạch đàn trắng dung dịch Natri silicat”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Lâm nghiệp, 2012 76 LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ NGỌC QUÍ [27] Phạm văn Chương, Nguyễn Văn Định, “Ảnh hưởng xử lý hỗn hợp Borat Axit boric đến khả chậm cháy số tính chất học gỗ Bạch Đàn”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Lâm nghiệp, Số 4, pp 60-66, 2013 [28] http://vietbao.vn/Phong-su/Nguoi-dot-nha- chong-chay/20129284/262/ [29] http://www.kovapaint.com/vn/san-pham/Son-chong-chay.html [30] W.R Zeng, W.K Chow and B Yao, “CHEMICAL KINETICS AND MECHANISM OF POLYSTYRENE THERMAL DECOMPOSITION” State Key Laboratory of Fire Science [31] Brown, Clement R “Determination of the Ignition Temperature of Solid Materials”, Fuel 14, 1935 [32] Weil, Edward D, “Mechanisms of phosphorous based flame retardants”, Proceedings of the FRCA conference in Orlando, Florida, 1992 [33] Gilman, J.W and Kashiwagi, “Intumescent flame retardant”, a Biweekly capsule newsletter highlighting NIST activities, research and service - Fire Science, 1997 [34] Camino G., Costa L., Martinasso G., “Intumescent Fire retardant Systems”, Polymer Degradation and Stability, 23, 359-376, 1989 [35] UL 94: 2010 Standard for Safety, Test for Flammability of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances, Underwritters Laboratories Inc, 2010 [36] Lê Cao Chiến, Vũ Ngọc Quí, “Nghiên cứu chế tạo màng phủ chậm cháy thân thiện môi trường ứng dụng bảo vệ bề mặt kết cấu gỗ”, 2014 77 ... chỏy thõn thin mụi trng s dng bo v cỏc kt cu hoc sn phm xp polystyren 1.5 C ch ca quỏ trỡnh phõn hy nhit Polystyren 1.5.1 Gii thiu v Polystyren 1.5.1.1 Tớnh cht ca monome Styren Tớnh cht vt lý... d chỏy nh xp polystyren nhm ci thin tớnh cht chm chỏy ca sn phm v khụng nh hng n sc khe ngi s dng, vic thc hin lun ỏn Nghiờn cu ch to mng ph chm chỏy ng dng bo v b mt vt liu xp polystyren l rt... nn cỏc vt liu khoỏng vụ c c chc cn tuõn theo cỏc nguyờn tc nht nh Vt liu xõy dng nhúm B2 (nh g, polystyren, cht xm khe) thỡ c cho phộp s dng nhiu hng mc xõy dng, nhng yờu cu i vi cụng trỡnh cao