Nghiên cứu chế tạo tổ hợp nhựa PVC/CR sử dụng để sản xuất túi nâng dưới nước

Trong khuôn khổ đề tài cấp Nhà nước KC.02.06/16-20, nghiên cứu chế tạo loại vật liệu tráng từ tổ hợp nhựa PVC và cao su Chloroprene (CR) đã được thực hiện. Bài viết này trình bày một số kết quả nghiên cứu nêu trên bao gồm đơn pha chế vật liệu, số liệu đo đạc các thông số chính của tổ hợp nhựa đã được chế tạo.

Hóa học Kỹ thuật mơi trường NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO TỔ HỢP NHỰA PVC/CR SỬ DỤNG ĐỂ SẢN XUẤT TÚI NÂNG DƯỚI NƯỚC Trần Phương Chiến*, Lê Anh Kiên, Nguyễn Thành Nhân, Phạm Cơng Minh Tóm tắt: Túi nâng nước sử dụng công tác trục vớt, cứu hộ phát triển rộng rãi nhiều nước giới Vật liệu để chế tạo loại túi chủ yếu loại vải sợi nhân tạo tráng nhựa PVC hay PU tổ hợp loại nhựa khác Trong khuôn khổ đề tài cấp Nhà nước KC.02.06/16-20, nghiên cứu chế tạo loại vật liệu tráng từ tổ hợp nhựa PVC cao su Chloroprene (CR) thực Bài báo trình bày số kết nghiên cứu nêu bao gồm đơn pha chế vật liệu, số liệu đo đạc thơng số tổ hợp nhựa chế tạo Từ khóa: Polyme blend; Vải tráng phủ polyme; Túi nâng; Túi nâng nước ĐẶT VẤN ĐỀ Việt Nam có vùng biển rộng lớn, với hệ thống cảng biển, khu chuyển tải, đường thủy nội địa dày đặc điều kiện thuận lợi để phát triển ngành hàng hải Đi với gia tăng hoạt động hàng hải vấn đề tai nạn đường thủy diễn thường xuyên mức độ thiệt nghiêm trọng [1] Trong đó, cơng tác trục vớt cứu hộ Việt Nam tiến hành với phương tiện công nghệ truyền thống như: cần cẩu, công ten nơ thép, nên bị hạn chế lực thời gian Ngành trục vớt cứu hộ giới phát triển ứng dụng kỹ thuật thiết bị tiến tiến, phương pháp sử dụng túi nâng nước chứng minh tính tiện lợi hiệu Từ năm 2017 đến 2020, Viện Nhiệt đới môi trường chủ trì thực đề tài nghiên cứu cấp Quốc gia thuộc chương trình “Nghiên cứu ứng dụng phát triển công nghệ vật liệu mới” KC.02/16-20 Đề tài nghiên cứu, chế tạo thiết bị trục vớt cứu hộ đường thủy công nghệ túi nâng mềm nước Yêu cầu thiết bị chế tạo có sức nâng 50 tấn, độ sâu 20 – 30m Hình Phao nâng mềm nước Viện NĐMT nghiên cứu, chế tạo 178 T P Chiến, …, P C Minh, “Nghiên cứu chế tạo tổ hợp nhựa … túi nâng nước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Một nội dung quan trọng để chế tạo thiết bị vật liệu làm túi nâng Vật liệu chế tạo phải đáp ứng yêu cầu độ bền lý hóa, độ bền mơi trường, kín khí gọn nhẹ để thuận tiện trình vận hành Theo công nghệ nước giới, vật liệu chế tạo túi nâng có hai loại chính: vật liệu cao su (hoặc tổ hợp cao su) cốt sợi vật liệu vải tráng phủ nhựa (hoặc tổ hợp nhựa) - Các sản phẩm túi nâng cao su cốt sợi thường thiết kế với sức nâng lớn, chịu áp lực cao, thường có độ dày – 10mm gồm – lớp cốt vải chịu lực - Các loại vải tráng nhựa sử dụng chủ yếu để chế tạo túi nâng cứu hộ nhờ tính lý cao, gọn, nhẹ dễ gia công Vải cốt (base fabric) dệt từ nhiều loại sợi tổng hợp nylon, polyester kevlar Các loại nhựa tráng phủ sử dụng chủ yếu PVC, PU, cao su Butyl (copolymer isobutylene isoprene) [4, 5] Hình Vật liệu vải tráng phủ polyme Với yêu cầu khả chịu lực, sức nâng tính thuận tiện vận hành thiết bị, lựa chọn loại vật liệu vải tráng phủ polymer làm đối tượng nghiên cứu ứng dụng để chế tạo túi nâng Nghiên cứu tập trung giải vấn đề chính: đơn pha chế ngun liệu, quy trình cơng nghệ chế tạo, kiểm tra tính lý hóa vật liệu Polymer Blend sử dụng để tráng lên vải PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Yêu cầu kỹ thuật vật liệu chế tạo Sức căng vật liệu độ sâu Ho áp suất P tương ứng để làm căng phồng túi nâng đến thể tích thiết kế tính theo cơng thức sau: 1 P.d   Ho.d   d 2 Trong đó: T - Lực căng túi khí; P - Áp suất khí bơm vào túi (áp suất túi căng phồng); Ho - Độ sâu làm việc túi; d - Đường kính túi; ρ - Tỷ trọng nước (lấy trường hợp nước biển ρ =1,026) Sức căng yêu cầu kỹ thuật quan trọng làm sở để chế tạo vật liệu túi nâng Trong thành phần vật liệu, cốt vải thành phần chịu lực theo tính tốn sức căng Polymer Blend tráng phủ bên ngồi đóng vai trị kín khí, bền môi trường, bền va đập, cọ xát, gấp gãy trình vận hành lưu trữ Do vậy, vật liệu tráng phủ không yêu cầu nhiều khả chịu lực Vật liệu tráng phủ định hướng Polymer blend sở PVC – polymer thơng dụng, có nhiều tính ưu việc, dễ gia công tráng phủ lên vải Hỗn hợp polyme tráng phủ phải có tính lý tương đương PVC có độ dẻo dai, đàn hồi tốt PVC Theo đó, vật liệu Blend Polymer PVC với cao su CR lựa chọn phù hợp nghiên cứu chế tạo thử nghiệm Yêu cầu vật liệu Blend PVC/CR để tráng phủ lên vải polyester: T Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 179 Hóa học Kỹ thuật mơi trường TT Tính chất Đơn vị đo Tiêu chuẩn áp dụng Yêu cầu cần đạt PVC MPa TCVN 4509:2006 18 – 22 22.4 Độ bền kéo đứt Độ giãn dài đứt % TCVN 4509:2006 > 250 190 Độ giãn dư % TCVN 4509:2006 < 20 30 Độ cứng Shore A TCVN 15951:2007 60 - 70 70 Độ mài mòn cm3/1,61 kg Phương pháp AKRON < 1,0 1,15 Độ bền uốn gập x 1000 lần ISO 133-1983 > 170 > 120 Hệ số già hóa dung dịch nước muối 5% 70°C sau 72h % TCVN 2229-77 > 95 > 95 Hệ số già hóa sau 24h chiếu UV % ASTM-G154 > 95 > 95 10 Độ kháng xuyên thủng N ASTMD 4833 25 - 30 29 2.2 Nguyên vật liệu sử dụng - PolyvinylClorid (PVC) hãng SG-666TPC Vina sản xuất: + Chỉ số k = 65 đến 67; + Hàm lượng hạt < 75µm 90%; + Hàm lượng Clo = 56,4% - Cao su Chloroprene (CR) Baypren 110 Đức sản xuất: + Độ kết tinh trung bình, dạng miếng; + Độ nhớt money M 100°C 55 - MgO hãng Sae Kwang chemical, Hàn Quốc sản xuất: + Kích thc ht: 28ữ36àm; + Hm lng MgO: > 85% - Dầu đậu nành Epoxy hóa (ESO) Đài Loan sản xuất: + Đương lượng Epoxy: 260g/mol; + Khối lượng phân tử: 940 g/mol; + Chỉ số iod: < 5; + Chỉ số xà phịng hóa: 180 - Oxit Kẽm hãng Formosa Đài Loan sản xuất: + Kích thước hạt:< 2; + Hàm lượng ZnO: 99,5% - Phòng lão Cysorb UV-531 (2-hydroxy-4-n-octoxybenzophenone) hãng Ciba sản xuất - Phòng lão Unistab 117 Đài Loan sản xuất: + Tỷ trọng 30°C (ASTMD1475): 1,04 g/ml; 180 T P Chiến, …, P C Minh, “Nghiên cứu chế tạo tổ hợp nhựa … túi nâng nước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ + Độ nhớt 30°C: 50 cPs - Phòng lão 4020 hãng Mitsui chemicals inc sản xuất - Các loại hóa chất phụ gia khác mua Đức, Đài Loan Nhật 2.3 Thiết lập đơn pha chế polyme blend PVC/CR Trên sở đơn pha chế PVC nghiên cứu, ta phối trộn thêm cao su CR với hàm lượng khác để tạo polyme blend Trong phần khảo sát này, cố định yếu tố ảnh hưởng thay đổi hàm lượng CR từ đến 40% so với PVC Bảng Đơn pha chế mẫu Polyme blend PVC/CR để khảo sát Hàm lượng (Phần khối lượng) Nguyên vật liệu PVC 100 CR (Baypren 110) Xi=0÷40 Dầu đậu nành Epoxy hóa 50 Acid Stearic (so với CR) ZnO (so với CR) MgO (so với CR) Nhựa thông (so với CR) Silica (SiO2) 40 (so với CR) Tetramethyl Thiuram Disulphide (TMTD) 0,5 (so với CR) Unistab 117 (ổn định nhiệt) Phòng lão 4020 (so với CR) Yasorb UV-531 0,5 Mẫu vật liệu sau cán trộn máy cán sau ép lưu hóa máy ép thủy lực 140 ± 5°C Vật liệu mẫu khảo sát tính chất lý, hóa để chọn hàm lượng CR thích hợp làm vật liệu tráng phủ 2.4 Quy trình cơng nghệ chế tạo polyme blend PVC/CR Quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu Blend PVC/CR mô tả ngắn gọn sau: Hỗn hợp PVC phụ gia trộn giờ, nhiệt độ hỗn hợp đạt tới 110oC cân mức nhiệt Quá trình trộn tiếp tục nhiệt độ để loại bỏ thành phần ẩm, vết dung môi, monomer,… Sau công đoạn này, hỗn hợp đưa sang máy luyện kín trộn với CR phụ gia cao su nhiệt độ 165oC thời gian phút Polyme Blend nhựa cao su PVC/CR lấy ra, cán xuất để ép lưu hóa tạo mẫu thử nghiệm tính chất lý hóa Đồng thời, polyme blend PVC/CR cán mỏng có thể, trải làm nguội cắt nhỏ Tiếp theo, mảnh blend PVC/CR hòa tan hỗn hợp dung môi (của xyclohexanon, MEK Toluen theo tỷ lệ 1:2:2) với hàm lượng chất rắn 20% để khảo sát tính chất khác Q trình hịa tan tiến hành Reaktor nhiệt độ 60oC, tốc độ khuấy 80 vịng/phút Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 181 Hóa học Kỹ thuật mơi trường Hình Sơ đồ quy trình cơng nghệ chế tạo polyme blend PVC/CR 2.5 Phương pháp kiểm tra tính chất vật liệu Một số thử nghiệm tính lý hóa quan trọng thực bao gồm: Độ bền kéo đứt (TCVN 4509:2006); Độ giãn dài đứt (TCVN 4509:2006); Độ giãn dư (TCVN 4509:2006); Độ cứng shore A (TCVN 1595-1:2007); Độ trương nở theo thể tích ngâm nước muối 5% 70°C sau 72h (TCVN 2752:1978); Độ mài mòn (P.P AKRON); Độ bền uốn gập (ISO 133-1983); Độ kháng xuyên thủng (ASTMD 4833); Hệ số già hóa dung dịch nước muối 5% 70°C sau 72h (TCVN 2229-77); Hệ số già hóa sau 24h chiếu UV (ASTM-G154) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đơn pha chế nguyên vật liệu Các mẫu Blend PVC/CR với hàm lượng CR khác khảo sát tính lý bản: Độ bền kéo đứt (MPa); Độ giãn dài đứt (%); Độ giãn dư (%); Độ cứng Shore A; Độ mài mòn (cm3/1,61kg); Độ bền uốn gập (x 1000 lần) Bảng Ảnh hưởng hàm lượng CR đến tính lý Blend PVC/CR Độ Độ bền Hàm Độ bền Độ giãn Độ giãn cứng Độ mài mòn uốn gập lượng kéo đứt dài dư (%) Shore (cm3/1,61kg) (x1.000 CR (%) (MPa) đứt (%) A lần) 14,5 240 21,0 68 0,981 109 17,8 260 19,1 68 0,952 120 10 18,2 280 18 67 0,925 140 15 19,1 310 15,6 65 0,875 160 20 19,7 320 14,1 65 0,810 195 182 T P Chiến, …, P C Minh, “Nghiên cứu chế tạo tổ hợp nhựa … túi nâng nước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 25 19,8 340 14,0 68 0,805 189 30 19,1 340 13,5 70 0,760 192 35 19,0 350 12,5 72 0,720 208 40 19,2 360 12,1 74 0,700 215 Từ kết đo cho thấy: Độ giãn dài đứt, độ bền uốn gập, khả chống mài mòn vật liệu tăng tăng hàm lượng CR Điều hợp lý độ đàn hồi, khả chống mài mòn CR tốt so với PVC, vậy, tăng hàm lượng CR vật liệu có tính tốt lên Độ bền kéo đứt vật liệu tăng tăng hàm lượng CR đến khoảng 20% khối lượng, sau độ bền kéo đứt vật liệu thay đổi tăng CR Nguyên nhân tăng hàm lượng CR phân tử CR xen vào thay phần phân tử hóa dẻo (dầu đậu nành Epoxy hóa) tạo liên kết chặt chẽ với PVC chúng với Độ bền kéo đứt lớn hàm lượng CR khoảng 20 - 25%, sau đó, hàm lượng CR dù tăng độ bền kéo đứt vật liệu không thay đổi nhiều Độ cứng vật liệu có xu hướng tăng tăng hàm lượng CR điều lý giải độ cứng CR hàm lượng Silica, ZnO MgO tăng theo hàm lượng CR tăng Chính thành phần làm tăng độ cứng blend PVC/CR Từ kết khảo sát thấy, hàm lượng CR thích hợp 20% so với PVC Với thành phần CR vậy, vật liệu có tính lý tốt giá thành không cao giá CR gấp nhiều lần so với giá PVC Kết hợp với nghiên cứu khác phòng thí nghiệm, chế thử vật liệu xưởng khảo sát tính lý hóa quan trọng xây dựng đơn pha chế cho Blend PVC/CR có thành phần bảng (hàm lượng thành phần khác tính theo hàm lượng PVC) Bảng Đơn pha chế vật liệu Polyme blend Blend PVC/CR TT 10 11 12 Nguyên vật liệu PVC CR (Baypren 110) Dầu đậu nành Epoxy hóa Acid Stearic ZnO MgO Nhựa thơng Silica Tetramethyl thiuram Disulphide (TMTD) Unistab 117 Phịng lão 4020 Cyasorb UV-531 Hàm lượng (Phần khối lượng) 100,0 20,0 50,0 0,4 1,6 1,0 1,0 8,0 0,1 3,0 0,4 0,5 3.2 Kiểm tra tính chất vật liệu chế tạo Polyme Blend nhựa cao su PVC/CR trộn hợp cán xuất máy cán trục, tạo mẫu dạng mẫu dạng dung dịch dung môi MEK để thử nghiệm tính chất lý hóa Tính lý, hóa vật liệu Polyme Blend PVC/CR chế tạo thể qua bảng đây: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 183 Hóa học Kỹ thuật mơi trường Bảng Tính chất vật liệu Polyme Blend PVC/CR TT Tính chất MPa Tiêu chuẩn áp dụng TCVN 4509:2006 Kết PVC/CR 19,7 Đơn vị đo PVC Độ bền kéo đứt Độ giãn dài đứt % TCVN 4509:2006 320 190 Độ giãn dư % TCVN 4509:2006 14,1 30 Độ cứng Shore A 65 70 120 TCVN 2229-77 > 95 > 95 % ASTM-G154 > 95 > 95 N ASTMD 4833 26 29 Qua kết thử nghiệm so sánh với vật liệu PVC nhận thấy có số tính chất polyme blend PVC/CR phù hợp để sử dụng làm túi nâng trục vớt như: độ giãn dài đứt, độ giãn dư, độ mài mòn, độ bền uốn gập điều tăng Nguyên nhân có mặt cao su CR vật liệu trở nên dẻo dai, đàn hồi hơn, không bị cứng PVC Điều tốt phù hợp túi nâng, thiết bị thường xuyên thay đổi trạng thái thể tích, thực tế vận hành chịu nhiều tác động uốn gập, va đập, cọ xát Đồng thời polyme blend PVC/CR dẻo hơn, dễ chảy mềm, tráng lên vải polyester thấm tốt hơn, đảm độ kín khí cho vật liệu thiết bị túi nâng Mặt khác, có số tính chất giảm độ bền kéo, độ bền kháng đâm thủng, độ cứng, Tuy nhiên, mức độ giảm không nhiều Hơn nữa, tính chất lý nói vật liệu làm túi nâng điều vật liệu làm cốt chịu lực vải polyester đảm nhiệm, vật liệu tráng phủ chủ yếu đóng vai trị kín khí, bám dính tốt lên vải đảm bảo tính đàn hồi phù hợp vận hành Do vậy, số tính lý giảm so với PVC khơng ảnh hưởng nhiều tới tính chất vật liệu sau Các tính chất cần cải thiện độ dẻo dai, khả chảy, dàn trải, độ đàn hồi điều tăng theo mong muốn, đáp ứng yêu để tráng phủ lên vải làm vật liệu cho túi nâng trục vớt KẾT LUẬN Nghiên cứu xác định nguyên liệu để chế tạo Polyme Blend là: Polyvinyl Clorid (PVC) hãng SG-666TPC Vina sản xuất; Cao su Chloroprene (CR) Baypren 110 Đức sản xuất Đơn pha chế xây dựng sở đơn pha chế vật liệu PVC thay đổi hàm lượng cao su CR Kết nghiên cứu cho thấy, với hàm lượng CR 20% Polyme blend PVC/CR có tính lý hóa tốt nhất, đáp ứng u cầu để tráng phủ lên vật liệu cốt vải Polyester, ứng dụng làm túi nâng trục vớt cứu hộ Kết nghiên cứu polyme blend PVC/CR để tráng phủ lên vải polyester có ý nghĩa quan trọng, góp phần 184 T P Chiến, …, P C Minh, “Nghiên cứu chế tạo tổ hợp nhựa … túi nâng nước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ chế tạo thành công vật liệu vải tráng phủ polyme ứng dụng sản xuất túi nâng trục vớt cứu hộ Việc chế tạo thành công túi nâng giúp tăng hiệu quả, giảm chi phí công tác trục vớt, cứu hộ tàu thuyền, VKTBKT quân gặp cố Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn tài trợ kinh phí chương trình “Nghiên cứu ứng dụng phát triển cơng nghệ vật liệu mới” KC.02/16-20 - Bộ KHCN, giúp đỡ ý tưởng phương pháp nghiên cứu chuyên gia Nguyễn Thành Nhân cộng Viện Nhiệt đới môi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Giao thông Vận tải, “Báo cáo thống kê tai nạn hàng hải”, Cục hàng hải Việt Nam, CV số 3040/CHHVN- AT&ANHH, pp - 10 [2] R H Burgess, “Manufacturing and Processing of PVC”, London (1986), pp 56 - 61 [3] E Rokaszewski, “Chlorowane polymery”, Wroclaw (1971), pp 32 - 53 [4] Bernd-J, “Polymer-blend”, Carl Hanser Verlag Muenchen (1990), pp 40 - 45 [5] J W Automarine, “Underwater lifting bag manual”, (2005), pp - 14 ABSTRACT STUDY ON MANUFACTURE OF PVC/CR BLEND USED IN PRODUCTION OF UNDERWATER LIFTING BAGS Underwater lifting bags used in salvage and rescue work are widely developed in many countries around the world The materials used to make these bags are mainly synthetic fabrics coated with PVC, PU or different types of polymer blends Within the framework of state level project KC.02.06/16-20, a study on manufacturing coated materials from a blend of PVC and Chloroprene Rubber (CR) has been carried out In this paper, some results of the mentioned study including the blending ratio, measurement data of the main parameters of the manufactured blend are presented Keywords: Polyme blend; Fabrics coated with polyme; Lifting bag; Underwater lifting bag Nhận ngày 19 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 20 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng năm 2020 Địa chỉ: Viện Nhiệt đới môi trường/ Viện Khoa học Công nghệ quân *Email: phuongchien@mail.ru Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 185 ... Minh, ? ?Nghiên cứu chế tạo tổ hợp nhựa … túi nâng nước. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ chế tạo thành công vật liệu vải tráng phủ polyme ứng dụng sản xuất túi nâng trục vớt cứu hộ Việc chế tạo thành... Chiến, …, P C Minh, ? ?Nghiên cứu chế tạo tổ hợp nhựa … túi nâng nước. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ + Độ nhớt 30°C: 50 cPs - Phòng lão 4020 hãng Mitsui chemicals inc sản xuất - Các loại hóa chất... Theo cơng nghệ nước giới, vật liệu chế tạo túi nâng có hai loại chính: vật liệu cao su (hoặc tổ hợp cao su) cốt sợi vật liệu vải tráng phủ nhựa (hoặc tổ hợp nhựa) - Các sản phẩm túi nâng cao su