CÁC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYURETHANES

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ POLYURETHANES3 Lịch sử hình thành1.1.Khái niệm về Polyurethanes41.2.Tính chất của Polyurethanes61.2.1.Tính chất cách nhiệt1.2.2.Độ bền1.2.3.Khả năng gia công1.2.4.Độ kết dính1.2.5.Tính tương hợp1.2.6.Độ bền trong điều kiện sử dụng1.2.7.Sự lão hóa1.2.8.Khả năng hấp thụ nước1.2.9.Tính chống cháy1.2.10.Tính nhẹ1.2.11.Tính chịu hóa chất1.3.Các dạng Polyurethanes91.3.1.Dạng sợi1.3.2.Dạng màng1.3.3.Dạng đổ khuôn1.3.4.Dạng nhiệt dẻo1.3.5.Dạng bọt1.3.6.Dạng cán được1.4.Những ứng dụng của Polyurethanes121.4.1.Ứng dụng trong quần áo vào trang bị thể thao1.4.2.Ứng dụng trong gia đình và các ứng dụng thường nhật khác1.4.3.Ứng dụng trong ngành điện tử1.4.4.Ứng dụng trong ngành y tế1.4.5.Ứng dụng trong phương tiện vận chuyển1.4.6.Ứng dụng trong xây dựng và công trình dân dụng1.4.7.Những ứng dụng công nghiệp khác1.5.Nguyên liệu để sản xuất Polyurethanes

MỤC LỤC Trang Chương 1: TỔNG QUAN VỀ POLYURETHANES Lịch sử hình thành 1.1 Khái niệm Polyurethanes 1.2 Tính chất Polyurethanes 1.2.1 Tính chất cách nhiệt 1.2.2 Độ bền 1.2.3 Khả gia công 1.2.4 Độ kết dính 1.2.5 Tính tương hợp 1.2.6 Độ bền điều kiện sử dụng 1.2.7 Sự lão hóa 1.2.8 Khả hấp thụ nước 1.2.9 Tính chống cháy 1.2.10 Tính nhẹ 1.2.11 Tính chịu hóa chất 1.3 Các dạng Polyurethanes 1.3.1 Dạng sợi 1.3.2 Dạng màng 1.3.3 Dạng đổ khuôn 1.3.4 Dạng nhiệt dẻo 1.3.5 Dạng bọt 1.3.6 Dạng cán 1.4 Những ứng dụng Polyurethanes 12 1.4.1 Ứng dụng quần áo vào trang bị thể thao 1.4.2 Ứng dụng gia đình ứng dụng thường nhật khác 1.4.3 Ứng dụng ngành điện tử 1.4.4 Ứng dụng ngành y tế 1.4.5 Ứng dụng phương tiện vận chuyển 1.4.6 Ứng dụng xây dựng công trình dân dụng 1.4.7 Những ứng dụng công nghiệp khác 1.5 Nguyên liệu để sản xuất Polyurethanes Trang 18 Chương 2: TỔNG HỢP ISO CYANAT 2.1 Tính chất hóa học 2.2 Sản xuất isocyanat 18 2.3 2.4 Tính độc hại 19 Tổng hợp Toluene Diisocyanate (TDI) 20 2.4.1 Nitrohóa toluene thành dinitro toluene 2.4.2 Khử dinitro toluene thành tolylene diamin 2.4.3.Phosgen hóa tolylene diamin thành TDI 2.4.4.Tổng hợp Diphenylmethane – 4,4’-diisocyanate (MDI) 2.4.5.Ph ản ứng ng ưng t ụ c formandehyt v ới anilin thành metylen diphenyldiamin 2.4.6.Phosgen hóa poliamin thành MDI Chương 3: TỔNG HỢP POLYOL 28 Chương 4: CÁC CNSX POLYURETHANES 4.1 Phương pháp sản xuất polyurethane gián tiếp 33 4.1.1 Prepolyme 33 4.1.2 Ưu điểm trình 4.1.3 Sơ đồ hệ thống 4.1.4 Quy trình sản xuất 4.2 Sản xuất polyurethane quy trình giai đoạn (one – shot) 4.2.1 Đầu trộn trình sản xuất polyurethane 4.2.2 Quá trình sản xuất sử dụng đầu trộn áp suất cao 38 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ POLYURETHANES Lịch Sử Phát triển Polyurethanes Hóa học polyurethane dựa tảng vào năm 1849 Wurtz Hofmann lần báo cáo phản ứng gi ữa isocyanate hợp chất hydroxy Nhưng năm 1937 Otto Bayer cộng phòng thí nghiệm I.G Farnen, Đức, tìm ứng dụng thương mại dựa phản ứng hexamethylene diisocyanate butanediol, sản phẩm có tính chất lý tương tự nylon (polyamides), ngày s dụng để làm sợi cho bàn chải Sự thiếu trầm trọng nguyên vật liệu chiến tranh giới II (1937 – 1945) giúp đẩy mạnh phát triển nguyên liệu polyurethane cho ngành sợi, sơn mút xốp Tuy nhiên phát triển mạnh mẽ lĩnh vực xảy vào năm 1950 người ta tìm nguyên liệu Toluene diisocyanate (TDI) polyester polyol để sản xuất mút mềm Đức Sự nhảy vọt thực vào năm 1957 có nhiều loại polyether polyols (poly ete) cho vào công thức mút xốp Chúng giá cạnh tranh h ơn mà mút tạo có tính chất lý tốt sản phẩm từ polyester polyol (poly este) Sự phát triển mạnh mẽ nhờ vào nhu cầu lớn mạnh từ thị trường Châu Âu, Mỹ Nhật Bản Ngày polyurethane đứng hàng thứ tổng l ượng tiêu thụ loại polymer, với khoảng 6% thị trường tiêu thụ Phần ứng dụng lớn urethane mút xốp mềm (khoảng 44%), mút cứng (khoảng 28%), lại 28% cho ứng dụng sơn, keo dán, gioăng phớt dạng PU đàn hồi (số liệu thị phần ứng dụng khác tùy theo vùng, nước, khu vực) Không giống polymer khác polyethylene, polystyrene hay polyvinyl chloride … tạo nên từ monomer ethylene, styrene hay vinyl chloride (vinyl clorua) , polyurethane không tạo nên từ đơn vị urethane theo cách thông th ường mà dựa phản ứng từ polyhydroxy polyether polyol với isocyanate Nói ngắn gọn polyurethane polymer chứa nhóm liên kết (-NH-CO-O-) Đặc trưng sản xuất sử dụng polyurethane có th ể tạo loại mút từ mềm đến mềm hay mút cứng bán cứng dạng đàn hồi Chúng tạo dạng khối lớn hay đ ổ vào khuôn có hình dạng kích th ước khác 1.1 KHÁI NIỆM VỀ POLYURETHANE Polyurethane thường gọi tắt PU Polyurethane th ực chất sản phẩm trình trùng hợp bậc (trùng ng ưng) polyisocyanates OCN-R-NCO polyalcohols (polyols) HO-ROH Người ta lợi dụng đặc tính nhạy cảm nhóm chức isocyanate với H linh động để tạo nên liên kết urethane (liên kết nhóm isocyanate với H linh động alcohol) Phản ứng tạo liên kết urethane phân tử chứa nhóm isocyanate với phân tử chứa nhóm alcohol họa sau O R1 N C O H O R2 R1 N C O H O R2 R1 N C O R2 H Hình 1: Cách thức hình thành liên kết urethane Trong trường hợp phản ứng phân t ch ứa nhóm isocynate với phân tử chứa nhóm alcohol, liên kết urethane có tác dụng chất keo kết dính nối phân t polyisocyanate với polyol để tạo dây polymer dài Phản ứng tạo polyurethane minh họa sau Hình 2: Phản ứng tạo Polyurethane Một cách thật đơn giản, ta hình dung tới hình ảnh polyurethane sản phẩm việc “nắm tay nhau” c phân tử có nhóm chức isocyanate phân tử có nhóm ch ức alcohol Vậy polyurethane hình thành với nguyên liệu chính: Đó Polyisocyanates với Polyols Ngoài ra, tất nhiên phải có thêm chất xúc tác, phụ gia quy mô sản xuất công nghi ệp Ở khu vực Bắc Mỹ, người ta gọi thành phần chứa isocyanate thành phần A, thành phần chứa nhóm alcohol pha sẵn với xúc tác, phụ gia gọi thành phần B Ở Châu Âu, người ta gọi ngược lại, thành phần A polyol với xúc tác, phụ gia, thành phần B chứa isocyanate Bài báo cáo dùng quy ước Bắc Mỹ Từ ta nói tới trường hợp phản ứng đơn giản nh ất đ ể tạo Polyurethane diols diisocyanates (tức phân tử chứa nhóm alcohol phân tử chứa nhóm isocyanate) Nh ưng nguyên tắc thành phần A chứa nhiều nhóm isocyanate phân tử thành phần B ch ứa nhiều nhóm alcohol phân tử , lúc sản phẩm Polyurethane có khâu mạng Trong báo cáo, đề c ập đến phản ứng diisocyanate với diol 1.2 TÍNH CHẤT CỦA POLYURETHANE Polyurethane cách nhiệt (Mút polyurethane cứng - rigid foam) sử dụng nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhờ có tính chất vật lý, học tối ưu Phổ biến sử dụng sản xuất panel (dùng kho lạnh), sản xuất mút cách nhiệt tủ lạnh, bình nóng lạnh chạy điện, bình nóng lạnh lượng mặt trời, dùng đ ể phủ hầm tàu đánh cá, cách nhiệt đường ống hay thiết bị tr ữ lạnh khác nói chung 1.2.1.Tính chất cách nhiệt: PU foam cứng (mút PU cứng) có độ dẫn nhiệt thấp so với hầu hết vật liệu cách nhiệt khác có, (xem bảng so sánh bên dưới) nhờ sử dụng làm vật liệu giữ nhiệt cách nhiệt môi trường làm lạnh hay trữ lạnh Cách nhiệt hiệu cho hầu hết công trình xây d ựng, c ả lĩnh vực xây dựng dân dụng (nhà cửa, nhà container ) công trình ứng dụng đặc biệt 1.2.2.Độ bền: Foam PU cứng có độ bền nén độ bền biến dạng cao, kết h ợp với vật liệu phủ lên bề mặt (mặt nhựa, thép ) cho độ bền lớn gấp nhiều lần, phù hợp cho ứng dụng 1.2.3.Khả gia công: Mút Polyurethane cứng sản xuất liên tục không liên tục nhà máy, khuấy trộn thủ công phun máy phun tay bơm trực tiếp vào ứng dụng mong muốn Thực tế vật liệu cách nhiệt có đặc tính sản xuất linh hoạt đến vậy! 1.2.4.Độ kết dính: Trong khoảng thời gian trình trộn lưu hóa sau cùng, mút cứng polyurethane có độ kết dính vô lớn, nh cho phép gắn kết hiệu với nhiều loại bề mặt công trình xây dựng (mặt xi măng, gỗ, composite, nhựa, kim loại ) Độ kết dính thường mạnh độ bền kéo độ bền biến dạng mút 1.2.5.Tính tương hợp: Rigid PU foam (mút PU foam) kết hợp với hầu hết vật liệu làm bề mặt thông thường giấy, kim loại, sợi thủy tinh, thép, nhôm, vữa, gỗ ép nhựa đường Điều giúp cho dễ dàng sản xuất loại panel có kiểu bề mặt khác (ví dụ lợp cách nhiệt - tôn xốp: mặt tôn, mặt nhựa PVC) Điều cho phép mút pu sử dụng khâu hoàn thiện công trình xây dựng giống vữa sơn để làm hàng rào ngăn ẩm, ngăn ồn cách nhiệt điều kiện môi trường ẩm ướt, có tiếng ồn môi trường chịu nhiệt 1.2.6.Độ bền điều kiện sử dụng: Mút PU cứng sử dụng điều kiện nhiệt độ kh ắc nghiệt từ - 200 độ C đến + 100 độ C 1.2.7.Sự lão hóa: Có tăng giá trị dẫn nhiệt theo thời gian mút PU không phủ bề mặt (tức khả cách nhiệt giảm theo th ời gian độ truyền nhiệt tăng lên) Sự tăng giá trị độ dẫn nhiệt giảm mút cứng phủ lên bề mặt vật liệu phù h ợp thép, nhôm hay loại bề mặt nhựa loại bề m ặt khác Sự phủ bề mặt giúp hạn chế khuếch tán không khí vào tế bào mút gây tăng độ truyền nhiệt 1.2.8.Khả hấp thụ nước: Mút polyurethane cứng có độ thấm khí thấp, công trình xây dựng kết hợp thêm với vật liệu giúp ngăn xâm nhập ẩm màng phim (film) polyethylene hay màng phim nhôm, vừa có tác dụng bảo vệ bề mặt, vừa có chức trang trí 1.2.9.Tính chống cháy: Giống tất vật liệu xây dựng gốc hữu khác-gỗ, giấy, nhựa, sơn- mút PU cứng dễ cháy, nhiên khả tốc độ cháy điều chỉnh để phù hợp cho ứng dụng xây dựng Khả cháy panel giảm đáng k ể vật liệu phủ bề mặt, ví dụ bề mặt tôn thép Hiệu chống cháy tốt thực đ ược cách sử dụng mút PU cứng hay mút polyisocyanurate (PIR) có gia cường sợi thủy tinh hay kết cấu mạng lưới có tính chất nóng chảy nhiệt độ cao Mút PU cứng thường dùng có độ dày th ấp h ơn vật liệu cách nhiệt khác, nhiệt độ hay lượng cần cho cháy thấp so với vật liệu khác dày h ơn 1.2.10.Tính nhẹ: Tại tỷ trọng 30kg/m3, thể tích polyurethane mút PU cứng khoảng 3% 97 phần trăm lại khối mút khí bị giữ tế bào mút giúp cho có tính truyền nhiệt thấp Tính nhẹ mút khía cạnh quan trọng vấn đ ề vận chuyển, thao tác lắp đặt dễ dàng 1.2.11.Tính chịu hóa chất: Mút PU cứng chịu hóa chất xuất sắc nhiều loại hóa chất, dung môi dầu 1.3 CÁC DẠNG POLYURETHANE Polyurethane sản xuất với khác biệt lớn thành phần hóa học Sử dụng kỹ thuật phối trộn khác nhau, sản xuất polyurethane với tính chất khác Các nhóm bao gồm: - Dạng sợi 10 CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP POLYOL Polyol hợp chất hữu có chứa từ nhóm hydroxyl (-OH) tr nên Polyol có vai trò quan trọng công nghiệp hóa chất công nghi ệp thực phẩm Polyol chứa H linh động mạch thẳng có trọng lượng phân tử từ 400 đến 7000 Trọng lượng phân tử chung polyol ảnh h ưởng tới đ ộ đàn hồi độ cứng sản phẩm cuối Có hai nhóm c polyol sử dụng công nghiệp sản xuất polyurethane polyethers polyeste, polyether polyol ngày chiếm 90% lượng polyol sử dụng Tính chất vật lý hóa học polyol ph ụ thuộc ph ần l ớn vào y ếu tố: Loại alkene oxide sử dụng Thứ tự cộng hợp alkene oxide sử dụng (nếu sử dụng nhiều alkene oxide) Nhóm chức chất khởi đầu Chất khởi đầu chứa nguyên tử hydrogen (H) hoạt động Số nguyên tử hydrogen hoạt động chất khởi đầu số chức hoạt động 30 Các oxit hữu để sản xuất polyether polyol epoxide có chứa vòng ether Các ô xít hữu sử dụng để sản xuất polyether polyol th ường alkene oxide là: Các diol từ polyether tạo nên phần diol quan tr ọng đ ược dùng để sản xuất polyurethane Quy trình tạo thành thông th ường b ằng trình trùng hợp monome expoxide tương ứng Ph ản ứng c ộng 31 alkene oxide với chất khởi đầu xảy điều kiện có m ặt c xúc tác, thường base mạnh (ba zơ mạnh) Nếu chất khởi đầu sử dụng có hai chức, thí dụ, ethylene glycol hay propylene glycol, sản ph ẩm (hỗn hợp sản phẩm) chứa hai chức polyol hay diol Nếu chất khởi đầu chứa ba chức glycerine, c ộng v ới alkene oxide tạo chuỗi tuyến tính theo ba hướng Sản ph ẩm phản ứng dạng triol (chứa ba nhóm OH) Các glycol loại polyether tạo polyurethane không bền dai nh polyurethane tạo từ glycol loại polyester, chúng có tính ổn định thủy phân tốt Polyol chuẩn nhóm polytetramethylene glycol (PTMEG), tạo nên hợp chất polyurethane có tính ch ất học vật lý bật so với hợp chất polyurethane tạo thành t polypropylene glycol (PPG) PTMEG tạo polyurethane có nh ững tính chất học tốt giảm mài mòn xuống thấp Các prepolyme d ựa polypropylene ether glycol (PPG) có tính chất mài mòn c 32 học tốt không vật liệu tạo thành từ PTMEG Nh ững c ải tiến tính vật liệu PPG thực cách gi ới h ạn chuỗi propylene glycol ethylene oxide PPG biến tính có tính t ốt dễ gia công Các polyether giới thi ệu th ị trường Do chúng dựa polypropylene glycol nên có nh ững tính ch ất t ốt hơn, đặc biệt loại có khối lượng phân tử lớn Lo ại polyether Acclaim tạo thành cách dùng xúc tác alkoxyl hóa tạo nên vật liệu có hàm lượng diol cao nhiều Trong đó, PPG có khối l ượng phân tử lớn tạo thành cách dùng xúc tác KOH có nhiều m ạch chứa nhóm hydroxyl thay hai nhóm Điều giới h ạn nhiều kéo dài mạch sau Hàm lượng nhóm hydoxyl diol có khối lượng phân tử khoảng 2000 giảm từ 6% xuống 1% mole dùng quy trình sản xuất này, diol có khối lượng phân tử 4000, hàm lượng nhóm hydoxyl giảm từ 33% xuống 2% mole Polyol cho mút khối mềm Polyol cho mút khối mềm chủ yếu triol (ba nhóm ch ức) có kh ối lượng đương lượng nằm khoảng 500 đến 2500 Cũng có th ể s d ụng hỗn hợp triol diol với điều kiện lượng nhóm ch ức trung bình không bé 2,5 Các polyol poly (oxypropylen) triol v ới kh ối oxyethylene (-CH2-CH2-O-) chiếm khoảng đến 20% khối lượng Polyol cho mút khối đàn hồi cao mút đổ khuôn Là polyol đầu bịt E.O có phân tử lượng đ ương l ượng kho ảng t 1500 đến 2100 Polyol cho mút cứng Polyol cho mút cứng thường có số nhóm chức cao ( > 3) có phân t lượng đương lượng nhỏ 200 Cần sử dụng polyol có số nhóm ch ức cao mút cứng cần lượng liên kết ngang lớn Sản xuất polyether-polyol 33 Thiết bị phản ứng có lớp vỏ kép, vận chuy ển h n ước đ ể làm nóng trước glycerin xúc tác tới nhiệt độ 120-140°C , propylen oxide đ ược đ ưa vào với tốc độ kiểm soát, trì áp suất 350 kPa đ ược ều ch ỉnh theo tiến trình phản ứng Nhiệt sinh trình phản ứng đ ược lo ại bỏ cách lưu thông nước lớp vỏ kép Việc bổ sung epoxide kéo dài khoảng 12h, phản ứng tiến hành tiếp tục khoảng 1h Nước thu từ lò phản ứng hoạt động môi tr ường tr lưu giữ áp suất chân không cao (6-7 kPa) Ở 100°C, áp su ất riêng ph ần thấp 1kPa có lợi cho việc loại bỏ hợp chất nhẹ Một số ch ất dùng để làm polyol bổ sung: than hoạt tính để tẩy trắng, đất sét axit để trung hòa xút, phụ gia cho trình lọc Sản ph ẩm đ ược lưu trữ tank, môi trường khí trơ khoảng 75°C Thiết bị s dụng thép không gỉ 34 CHƯƠNG 4: CÁC CNSX POLYURETHANE Theo Hepburn (1982) từ thành ph ần c hóa ch ất ph ụ thêm vào, có hai quy trình để sản xuất polyurethane: quy trình s ản xuất gián tiếp (tạo thành prepolyme trước xong tạo thành polyurethane), quy trình sản xuất giai đoạn (one – shot) tr ực tiếp t ạo thành polyurethane 4.1 Phương pháp sản xuất polyurethane gián ti ếp 4.1.1 Prepolyme Prepolyme hình thành phản ứng diisocyanate dư với polyol Một nhóm isocyanate (NCO) phản ứng với nhóm hydroxyl (OH) polyol Một nhóm isocyanate phản ứng với nhóm OH thứ hai Một đặc điểm quan trọng phản ứng sản phẩm phụ hình thành Sản phẩm tạo thành có nhóm isocyanate hai đầu với liên kết urethane Prepolyme phản ứng với diol diamin để kéo dài mạch tạo sản phẩm thương mại Những prepolyme phát triển ban đầu không ổn định, tiêu bi ểu prepolyme Bayer Vulkalon Vulkalon tạo thành từ naphthalen diisocyanat (NDI) polyol loại polyeste (chủ yếu polyetylen adipat 35 hỗn hợp polyetylen polypropylen adipat), sau dùng 1,4 butan diol (BDO) để kéo dài mạch prepolyme.(1) Sau đó, người ta nhận thấy dùng toluen diisocyanat (TDI) ho ặc metylen diisocyanat (MDI) thay NDI tạo thành prepolyme ổn định hơn, tồn trữ lâu Phản ứng tạo prepolyme dùng d diisocyanat có tính axit chút để giảm phản ứng phụ Prepolyme thường sản xuất với tỷ lệ mol diisocyanate/polyol 2/1 Nếu tỷ lệ lớn nhiều (ví dụ, 4/1), sản phẩm tạo thành đ ược gọi quasiprepolymer Ở giai đoạn tiếp theo, chiều dài chuỗi tăng nhóm hydroxyl ph ản ứng với nhóm NCO cuối prepolymer hình thành Chuỗi tiếp tục kéo dài phản ứng nhóm hydroxyl với hai phân tử diisocyanate nhóm NCO từ chuỗi prepolymer khác Tỷ số NCO/ OH tăng từ lên 2,75 làm nh ững tính ch ất v ật lý nh đ ộ bền kéo xé, modun, độ cứng, độ chịu ép nén, độ tưng nảy tăng lên Ti ếp theo, ta dùng diol amin hai chức để kéo dài mạch polyurethane 36 4.1.2 Ưu điểm trình Dễ dàng sản xuất: Việc chuẩn bị prepolyme cho phép sản xuất polyurethane nhà sản xuất nhỏ, không dùng nhiều vốn đầu tư để sản xuất vật liệu từ nguyên vật liệu Ít isocyanate bay hơi: Isocyanate chất độc với c th ể ng ười Vì isocyanate nơi làm việc kiểm soát chặt chẽ nh sử dụng công nghệ prepolyme Trong sản xuất thương mại prepolyme, diisocyanate luân chuyển hệ thống khép kín prepolymer tách bỏ hầu hết diisocyanate dư Điều khiển dễ dàng: Việc điều khiển nhiệt độ phản ứng th ời gian bổ sung polyol tạo sản phẩm có chất lượng đồng nh giảm sản phẩm phụ như: allophanate, biuret, trime Lấy nhiệt tỏa hiệu quả: Phản ứng tạo nh ựa polyurethane tỏa nhiệt, nhiệt gây co rút, biến dạng sản phẩm Thiết bị phản ứng có s dụng làm lạnh gián tiếp để tách nhiệt từ phản ứng, làm sản phẩm co rút 37 4.1.3 Sơ đồ hệ thống Hình 1: Sơ đồ hệ thống sản xuất Prepolyme Lò phản ứng cấu tạo từ lớp thép không gỉ chịu điều kiện có tính axit nhẹ Vết axit clohydric có mặt isocyanat số dung môi Bên thiết bị gắn cuộn dậy đốt nóng vỏ để trao đổi nhiệt Năp thiết bị tháo rời không Nếu tháo rời được, việc vệ sinh dễ dàng việc trì điều kiện làm việc áp suất dư áp suất chân không khó khăn Năp thi ết bị bao gồm cổng như: - Cổng nạp liệu (isocyanat, polyol, xúc tác, phụ gia) 38 - Cổng nạp khí N2 Van xả áp Hút chân không Áp kế Cổng hồi lưu Cửa quan sát Trục quay cánh khuấy Việc khuấy trộn vật liệu quan trọng, trộn nhanh hiệu cần thiết phép phản ứng để tiến hành cách xác Tốc độ khuấy trộn không lớn để dòng khí xâm nhập vào s ản ph ẩm, cần phải loại bỏ khí giai đoạn sau Hầu hết hệ thống polyurethane có xu hướng bám vào bề mặt thiết bị Cánh khuấy dạng m ỏ neo cung cấp chuyển động sâu rộng giúp ngăn ngừa l ớp nh ớt hình thành bề mặt thiết bị, chất gây giảm hệ số truyền nhiệt số lượng sản phẩm thu Các prepolymer tích tụ độ nhớt chiều dài chuỗi tăng có xu hướng treo lên tường lò phản ứng Nhiệt tường làm tăng tốc độ phản ứng làm tăng tốc độ phản ứng độ nhớt độ nhớt lò phản ứng nói chung 30 4000 MPa.s nhiệt độ khoảng 900C Nitơ sử dụng để ngăn chặn hấp thu độ ẩm ngăn chặn trình oxy hóa sản phẩm Để tránh có ẩm sản phẩm, khí N2 sử dụng phải khí khô Các nguồn để cung cấp khí N bao gồm: - Từ bình khí nén Từ nito lỏng Thu trực tiếp từ không khí Nhiệt độ lò phản ứng cần phải kiểm soát cho số bước quan trọng phản ứng: - Lò phản ứng cần phải nâng đến nhiệt độ bắt đầu Các isocyanate cần đun nóng đến nhiệt độ ban đầu Làm mát lò phản ứng nhiệt độ tăng cao Hút chân không lò phản ứng phục vụ ba mục đích chính: 39 - Loại bỏ ẩm từ lò phản ứng Loại bỏ isocyanate sau mẻ hoàn thành Loại bỏ khí prepolyme Giảm áp suất lò phản ứng làm giảm nhiệt độ sôi chất không phản ứng Làm việc áp suất chân không để ngăn chặn chất tạo bọt tránh tiếp xúc trực tiếp isocyanat với bơm 4.1.4 Quy trình sản xuất Một quy trình sản xuất polyurethane gián tiếp thông th ường tr ải qua bước sau: - Nâng nhiệt độ nguyên liệu thiết bị phản ứng lên nhiệt đ ộ - bắt đầu phản ứng Kiểm tra van Nạp khí N2 vào thiết bị Nạp isocyanat kiểm tra độ axit thiết bị Từ từ thêm polyol vào khoảng đến Nếu nhiệt độ tăng nhanh, phải giảm ngừng cấp polyol Khi - nhiệt độ tăng 850C, ngừng cấp polyol tiến hành làm mát Khi cấp hết polyol, từ từ tăng nhiệt độ tới nhiệt độ cuối giữ cho - phản ứng xảy Hút chân không để giảm lượng isocyanat khí Khi sản phẩm đạt yêu cầu tháo vệ sinh thiết bị phản ứng 4.2 Sản xuất polyurethane quy trình giai đoạn (one – shot) Trong quy trình này, thành phần diol, diisocyanat, ch ất kéo dài mạch hóa chất khác chất xúc tác, chất màu tr ộn l ẫn lúc Vì thế, việc sử dụng xúc tác, điều chỉnh nhiệt độ nguyên liệu phải cẩn thận để phản ứng tạo prepolyme xảy trước, tiếp sau phản ứng kéo dài mạch Vì hai phản ứng tạo polyme kéo dài m ạch tỏa nhi ệt nên nhi ệt tổng hai phản ứng lớn, phải lấy khỏi thiết bị không gây co rút, biến dạng sản phẩm Hạn chế quy trình r ất khó 40 kiểm soát nhiệt độ tỏa nhiều có nhiều nguyên liệu tham gia lúc điều chỉnh tỷ lệ thành phần nguyên liệu ban đầu (2) 4.2.1 Đầu trộn trình sản xuất polyurethane Phần quan trọng công nghệ Polyurethane nằm đầu tr ộn, nguyên liệu polyurethane khác phối trộn trước cho vào khuôn hay băng tải Tùy theo mục đích sản xuất dây chuy ền mà loại đầu trộn khác lựa chọn để sử dụng nh loại có đầu nhỏ nhẹ để dùng trường hợp vào hốc dọc theo trục ống thép để tạo đường ống có lớp phủ polyurehtan tỷ trọng cao Thực tế có loại đầu trộn phun xốp polyurethane dùng cho thiết b ị áp suất cao áp suất thấp Cơ có hai loại đầu trộn: đầu trộn áp suất cao đầu trộn áp suất thấp Đầu trộn áp thấp khuấy thành phần hóa chất học (dùng cánh khuấy) Ưu điểm thi ết bị giá thành thấp Thiết bị thường dùng cho nh ững sản ph ẩm nhỏ, thiết bị cho phép khoảng độ nhớt hóa chất r ộng Kết thúc trình phun, cần phải sử dụng dung môi để rửa đ ầu tr ộn N ếu độ nhớt polyol sử dụng không lớn có th ể sử dụng thiết bị áp suất cao với công nghệ “khuấy trộn va chạm” (impingement mixing) Tất nhiên độ nhớt điều chỉnh nhiệt độ Với thiết bị áp suất cao này, hai hay nhiều thành phần bơm vào buồng trộn tốc độ cao, chúng va chạm hỗn loạn vào Ưu điểm thiết bị chúng cho phép định chuẩn (tỷ lệ phối trộn) xác, trình th ực nhanh, giảm thiểu hao phí không cần dùng dung môi r ửa sau phun Hiện thiết bị áp suất cao thống lĩnh thị tr ường (5) Sơ đồ sản xuất sử dụng đầu trộn áp suất thấp(3) 41 11: Bình chứa polyol 13: Bình chứa isocynat 15: Bình chứa phụ gia, xúc tác 12, 14, 16: Bơm 10: Đầu trộn Hình 2: Sơ đồ hệ thống sản xuất polyurethane one – shot áp suất thấp Isocyanat chứa tank chứa 13 bơm đưa t ới đ ầu tr ộn áp su ất thấp10 Tương tự với polyol đưa từ tank chưa 11 tới đầu trộn bơm 12, chất phụ tra, chất trợ, xúc tác đ ược đ ưa t bình 15 qua bơm 16 tới đầu trộn Các dạng đầu trộn sử dụng là: Hình 3: Đầu trộn áp suất thấp 42 Hình 4: Sơ đồ đầu vào nguyên liệu đầu trộn Các loại đầu trộn hoạt động theo nguyên lý c bản: lo ại nguyên liệu theo đường khác vào đầu trộn, trộn v ới phun Sự khác biệt đầu trộn nằm việc sử dụng tác nhân khuấy trộn Ở hình a, nguyên liệu khuấy cánh khu 20, đầu trộn hình b sử dụng dòng không khí thổi vào liên tục để khu trộn nguyên liệu Hình c sử dụng phương pháp với cánh khuấy 31 đường dẫn không khí 32 nhằm tăng hiệu trình Đ ường vào nguyên liệu đặt theo cách tùy theo m ục đích sử dụng hình Quá trình hoạt động gián đoạn, sau chu kỳ ph ải ng ưng ho ạt đ ộng để vệ sinh đầu trộn dung môi để tránh tắc nghẽn vòi phun Vi ệc r ửa vòi phun tự động cách thiết lập máy tính r ửa tay 4.2.2 Quá trình sản xuất sử dụng đầu trộn áp suất cao(5) Đầu trộn Khuấy trộn Xả áp Máy nén Bình chứa polyol Thiết bị gia nhiệt Bơm nguyên liệu Thiết bị làm mát Bình chưa isocyanat Hình 5: Sơ đồ hệ thống sản xuất polyurethane one – shot áp suất cao 43 Quy trình sản xuất áp suất cao tương tự nh áp suất th ấp nh ưng nguyên liệu bơm áp suất cao từ bể chứa, qua thiết bị trao đổi nhiệt vào đầu trộn Một phần nguyên liệu chưa sử dụng h ổi lưu lại bình chứa sản phẩm Tại đầu trộn nguyên liệu áp suất cao va đập v ới sau phun mà không cần sử dụng cánh khuấy hay không khí Hình 6: Nguyên tắc hoạt động đầu trộn Đầu trộn sau bơm không cần rửa dung môi mà có th ể tiếp tục sử dụng 44