luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng dụng môi trường plasma trong xử lý hạn chế cháy cho vải bông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Hường NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔI TRƯỜNG PLASMA TRONG XỬ LÝ HẠN CHẾ CHÁY CHO VẢI BÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ DỆT MAY Hà Nội – 2021 ii iii Trước hết, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Vũ Thị Hồng Khanh người hướng dẫn, động viên tận tâm truyền đạt cho tác giả kiến thức kinh nghiệm quý giá suốt trình học tập, nghiên cứu để tác giả hồn thành luận án Thứ hai, tác giả xin trân trọng cảm ơn Thầy Cô giáo thuộc Bộ môn Vật liệu Cơng nghệ Hóa dệt, Viện Dệt may - Da giầy Thời trang, Phòng đào tạo Bộ phận đào tạo sau Đại học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tiếp nhận tác giả làm Nghiên cứu sinh tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt thời gian học tập Tiếp đến tác giả xin cảm ơn lãnh đạo Trường Đại học Công nghiệp Dệt may Hà Nội (nơi tác giả công tác) tạo điều kiện thuận lợi suốt trình học tập Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Phịng thí nghiệm Hóa dệt, Trung tâm thí nghiệm Vật liệu Dệt may Da giầy, Viện vật lý kỹ thuật, đặc biệt nhóm nghiên cứu PGS.TS Đặng Đức Vượng Th.S Lê Cao Cường, Công ty CP thiết bị Ozone Bkidt, Trung tâm công nghệ Polyme – Compozit Giấy (TS Nguyễn Phạm Duy Linh), Viện kỹ thuật Hóa học, TS Phan Duy Nam - Viện Dệt may - Da giầy Thời trang, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phịng thí nghiệm Trọng điểm Vật liệu tiên tiến ứng dụng Phát triển xanh – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội, Viện Kỹ thuật nhiệt đới - Viện Hàn lâm KH&CN Việt nam, hỗ trợ tác giả thực số phân tích luận án Tác giả trân trọng cảm ơn nhà khoa học đồng ý nhận đánh giá luận án Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đồng nghiệp chia sẻ cơng việc giúp tác giả có nhiều thời gian tâm trí cho luận án Tác giả iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………… .ix DANH MỤC CÁC BẢNG……………………………………………………… xi DANH MỤC CÁC HÌNH…………………………………………………… ….xiv MỞ ĐẦU…………………………………………………………………… .xviii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu vải chế hạn chế cháy cho xenlulo 1.1.1 Giới thiệu vải 1.1.2 Cơ chế cháy xenlulo 1.1.3 Cơ chế hạn chế cháy cho xenlulo 1.2 Tổng quan chất hạn chế cháy cho 1.2.1 Phân loại chất hạn chế cháy 1.2.1.1 Chất hạn chế cháy vô 1.2.1.2 Chất hạn chế cháy chứa halogen 1.2.1.3 Chất hạn chế cháy chứa Nitơ 1.2.1.4 Chất hạn chế cháy chứa photpho (P) 1.2.2 Các chất hạn chế cháy bền cho xenlulo 1.2.2.1 Dẫn xuất Tetrakis (Hydroxymethyl) Phosphonium 1.2.2.2 N-Methyloldimethyl Phosphonopropioamide (Pyrovatex CP/ Pyrovatex CP New) 1.2.3 Kết luận chất hạn chế cháy cho vải .8 1.3 Tổng quan số phương pháp kiểm tra tính cháy vải 1.3.1 Phương pháp kiểm tra tính cháy theo hướng 45° 1.3.2 Phương pháp kiểm tra tính cháy theo hướng thẳng đứng 1.3.3 Phương pháp thử nghiệm giá trị LOI 1.3.4 Phương pháp đo nhiệt trọng (TGA) 1.4 Tổng quan cơng trình nghiên cứu hạn chế cháy cho vải bơng 10 1.4.1 Tổng quan cơng trình nghiên cứu hạn chế cháy cho vải phương pháp ngấm ép – sấy – gia nhiệt truyền thống 10 1.4.1.1 Một số nghiên cứu sử dụng nhóm chất N-Methyloldimethyl Phosphonopropioamide (MDPA) kết hợp với nhựa melamin 10 1.4.1.2 Một số nghiên cứu sử dụng nhóm chất MDPA kết hợp với chất liên kết ngang khơng có formalđehyt có formalđehyt thấp .11 1.4.1.3 Một số nghiên cứu xử lý hạn chế cháy cho vải sử dụng muối amoni 13 1.4.1.4 Một số nghiên cứu sử dụng dẫn xuất Piperazine, Triazinephosphonate xử lý hạn chế cháy cho vải 15 1.4.2 Tổng quan cơng trình nghiên cứu hạn chế cháy cho vải sử dụng phương pháp khác sol-gel, layer by layer 17 1.4.3 Tổng quan plasma số nghiên cứu xử lý hạn chế cháy cho vải bơng có ứng dụng công nghệ plasma 21 1.4.3.1 Khái quát plasma 21 1.4.3.2 Một số dạng phóng điện tạo plasma 21 1.4.3.3 Các dạng plasma xử lý vật liệu dệt 22 1.4.3.4 Sự tương tác plasma với bề mặt vật liệu 24 1.4.3.5 Ứng dụng plasma xử lý vật liệu dệt 25 1.4.3.6 Một số nghiên cứu ứng dụng plasma xử lý hạn chế cháy cho vải 28 v 1.4.4 Tổng kết nghiên cứu xử lý hạn chế cháy cho vải 34 1.5 Kết luận tổng quan 37 1.6 Định hướng nghiên cứu sở lý luận luận án 39 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42 2.1 Đối tượng nghiên cứu 42 2.1.1 Vải 42 2.1.2 Hóa chất 42 2.1.2.1 Chất hạn chế cháy 42 2.1.2.2 Chất LKN 43 2.1.2.3 Chất trợ 43 2.2 Nội dung nghiên cứu 43 2.2.1 Nghiên cứu xử lý hạn chế cháy cho vải phương pháp truyền thống ngấm ép - sấy - gia nhiệt 43 2.2.1.1 Nghiên cứu lựa chọn hóa chất hạn chế cháy chất liên kết ngang 44 2.2.1.2 Nghiên cứu công nghệ xử lý hạn chế cháy cho vải sử dụng tổ hợp hóa chất Pyrovatex CP New, Knittex FFRC chất ngấm .46 2.2.2 Nghiên cứu ứng dụng plasma quy trình xử lý hạn chế cháy cho vải bơng 49 2.2.2.1 Xác định thông số thiết bị plasma 49 2.2.2.2 Nghiên cứu ứng dụng plasma hoạt hóa (plasma 1) xử lý hạn chế cháy cho vải 49 2.2.2.3 Nghiên cứu ứng dụng plasma polyme hóa ghép (plasma 2) xử lý hạn chế cháy cho vải 52 2.2.2.4 Nghiên cứu kết hợp plasma plasma xử lý hạn chế cháy cho vải 52 2.2.2.5 Kết luận đánh giá lựa chọn quy trình ứng dụng plasma xử lý hoàn tất chậm cháy cho vải 55 2.2.3 Luận giải tác động plasma xử lý hạn chế cháy cho vải 55 2.3 Phương pháp nghiên cứu 56 2.3.1 Phương pháp tạo mẫu vải chậm cháy phịng thí nghiệm 56 2.3.1.1 Phương pháp tạo mẫu vải chậm cháy với chất hạn chế cháy DAHP 56 2.3.1.2 Phương pháp tạo mẫu vải chậm cháy với chất hạn chế cháy PR 57 2.3.2 Phương pháp xử lý plasma 57 2.3.2.1 Mô tả cấu tạo thiết bị plasma DBD 57 2.3.2.2 Phương pháp xử lý vải với Plasma 58 2.3.2.3 Phương pháp xử lý vải với Plasma 59 2.3.3 Phương pháp đánh giá tính cháy vải 59 2.3.3.1 Đánh giá tính cháy theo hướng 45° 59 2.3.3.2 Đánh giá tính cháy theo hướng thẳng đứng 60 2.3.3.3 Phương pháp đo đặc tính lan truyền cháy có giới hạn vải 60 2.3.3.4 Đo giá trị LOI 60 2.3.4 Phương pháp đánh giá số tính chất đặc trưng khác vải trước sau xử lý hạn chế cháy 61 2.3.4.1 Phương pháp kiểm tra độ bền kéo đứt 61 2.3.4.2 Phương pháp kiểm tra độ bền xé rách vải 62 vi 2.3.4.3 Phương pháp xác định tính mao dẫn vải .63 2.3.4.4 Phương pháp kiểm tra hình thái bề mặt - SEM phân tích thành phần nguyên tử C, O, N, P - EDS 63 2.3.4.5 Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Furier (FTIR) 63 2.3.4.6 Phương pháp phân tích phổ quang điện tử tia X / X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 64 2.3.4.7 Phương pháp phân tích nhiệt trọng - TGA 64 2.3.4.8 Phương pháp xác định hàm lượng formalđehyt tự 64 2.3.5 Phương pháp xác định thông số công nghệ tối ưu 65 2.4 Kết luận chương 66 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 67 3.1 Nghiên cứu xử lý hạn chế cháy cho vải phương pháp truyền thống ngấm ép – sấy- gia nhiệt 67 3.1.1 Nghiên cứu lựa chọn hóa chất hạn chế cháy chất liên kết ngang xử lý hạn chế cháy cho vải 67 3.1.1.1 Kết nghiên cứu khảo sát quy trình xử lý hạn chế cháy với chất hạn chế cháy (DAHP) 67 3.1.1.2 Kết nghiên cứu khảo sát quy trình XLHCC với chất chậm cháy lựa chọn chất LKN 69 3.1.2 Kết nghiên cứu tối ưu hóa hàm lượng hóa chất xử lý hạn chế cháy cho vải phương pháp ngấm ép – sấy – gia nhiệt 75 3.1.2.1 Phân tích phù hợp mơ hình 75 3.1.2.2 Ý nghĩa thống kê hệ số mơ hình .76 3.1.2.3 Phân tích ảnh hưởng nồng độ PR K đến số thuộc tính vải sau XLHCC 77 3.1.2.4 Ảnh hưởng hàm lượng hóa chất đến thuộc tính cháy vải 78 3.1.2.5 Ảnh hưởng hàm lượng hóa chất đến độ bền kéo đứt vải 79 3.1.2.6 Ảnh hưởng hàm lượng hóa chất đến hàm lượng formalđehyt vải sau xử lý hoàn tất 80 3.1.2.7 Kết xác định điều kiện tối ưu hàm lượng PR K xử lý hạn chế cháy cho vải 80 3.1.3 Tối ưu hóa điều kiện gia nhiệt xử lý hạn chế cháy cho vải phương pháp ngấm ép – sấy – gia nhiệt 82 3.1.3.1 Ảnh hưởng điều kiện gia nhiệt đến tính hạn chế cháy, độ bền kéo đứt dư lượng formalđehyt vải sau xử lý 82 3.1.3.2 Kết số phân tích lý hóa hình thái vải trước sau xử lý 87 3.1.3.3 Kết xác định điều kiện gia nhiệt tối ưu XLHCC cho vải 91 3.2 Nghiên cứu ứng dụng plasma quy trình xử lý hạn chế cháy cho vải 93 3.2.1 Xác định thông số thiết bị plasma 93 3.2.2 Nghiên cứu ứng dụng plasma xử lý hạn chế cháy cho vải 94 3.2.2.1 Khảo sát ảnh hưởng đồng thời tốc độ vải cơng suất plasma đến số tính chất bề mặt vải 94 3.2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian tiền xử lý plasma đến số tính chất vải 97 vii 3.2.2.3 Kết nghiên cứu áp dụng Plasma XLHCC cho vải 101 3.2.2.4 Kết nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời nhiệt độ thời gian gia nhiệt quy trình XLHCC có sử dụng plasma 104 3.2.3 Nghiên cứu ứng dụng plasma polyme hóa ghép (plasma 2) xử lý hạn chế cháy cho vải 113 3.2.3.1 Ảnh hưởng thời gian plasma đến đặc tính cháy thay đổi bề mặt mẫu sau xử lý hạn chế cháy 113 3.2.3.2 Ảnh hưởng thời gian xử lý plasma đến độ bền kéo đứt vải 116 3.2.4 Nghiên cứu ứng dụng kết hợp plasma plasma xử lý hạn chế cháy cho vải 117 3.2.4.1 Nghiên cứu ứng dụng plasma hoạt hóa plasma polyme hóa XLHCC cho vải bơng 117 3.2.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời thời gian plasma hoạt hóa thời gian plasma polyme hóa đến hiệu HCC cho vải .122 3.2.4.3 Tối ưu hóa hàm lượng hóa chất quy trình XLHCC cho vải ứng dụng công nghệ plasma 126 3.2.5 Đánh giá số tính chất vải trước sau xử lý chậm cháy điều kiện tối ưu so với yêu cầu tiêu chuẩn TCVN 6875: 2010 .133 3.3 Luận giải tác động plasma xử lý hạn chế cháy cho vải 134 3.3.1 Tác động plasma hoạt hóa 134 3.3.2 Tác động plasma polyme hóa ghép chất chậm cháy q trình XLHCC cho vải 135 3.4 Kết luận chương 136 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 140 TUYỂN TẬP CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ PHỤ LỤC viii AATCC AC AEDTMPA BTCA CCD CN-3 DAP DEAEP DEAEPN DEAMP DEMEP DHEU DMDHEU ISPA LbL PIGP TEPP TMPT TEOS TPN1 TPN3 x 129 TCVN 7421-1:2013, ISO 14184-1:2011, Vật liệu dệt - Xác định formalđehyt - Phần 1: Formalđehyt tự thủy phân (Phương pháp chiết nước) 130 C Stevens, B Smith (1970), Cross-Linking of Cotton Cellulose with Ethylene Urea Derivatives Having Varying Hydrogen-Bonding Capabilities: Part I: Effects on the Physical Properties and the Hydrogen-Bonded Structure, Textile Research Journal, Vol 40, (8), pp 749-760 131 Q Pengpeng, et al (2014), Application of Box-Behnken design with response surface methodology for modeling and optimizing ultrasonic oxidation of arsenite with H2O2, Open Chemistry, Vol 12, (2), pp 164-172 132 D Price, A Horrocks (2013), Combustion processes of textile fibres, in Handbook of Fire Resistant Textiles, Elsevier, pp 3-25 133 J.L Tie-Ling XING, Shi-Wei LI, Guo-Qiang CHEN (2012), Thermal properties of flame retardant cotton fabric grafted by dimethyl methacryloyloxyethyl phosphate, Thermal Science, Vol 16, (5), pp 1472-1475 134 S Yasin, et al (2017), An alternative for the end-of-life phase of flame retardant textile products: degradation of flame retardant and preliminary settings of energy valorization by gasification, BioResources, Vol 12, (3), pp 5196-5211 135 H Karahan, et al (2009), Effects of atmospheric pressure plasma treatments on certain properties of cotton fabrics, Fibres & Textiles in Eastern Europe, (2 (73)), pp 19-22 136 K Gotoh, A Yasukawa (2011), Atmospheric pressure plasma modification of polyester fabric for improvement of textile-specific properties, Textile research journal, Vol 81, (4), pp 368-378 137 Z Yang, et al (2012), A durable flame retardant for cellulosic fabrics, Polymer degradation and stability, Vol 97, (11), pp 2467-2472 138.N.Mengal, et al (2016), Citric acid based durable and sustainable flame retardant treatment for lyocell fabric, Carbohydrate polymers, Vol.153, pp.7888 139 C.-k Poon, C.-w Kan (2016), Relationship between curing temperature and low stress mechanical properties of titanium dioxide catalyzed flame retardant finished cotton fabric, Fibers and polymers, Vol 17, (3), pp 380-388 140 B Ghimire, et al (2017), Improvement of wettability and absorbancy of textile using atmospheric pressure dielectric barrier discharge, AIP Advances, Vol 7, (8), pp 085213 141 P Pransilp, et al (2016), Surface modification of cotton fabrics by gas plasmas for color strength and adhesion by inkjet ink printing, Applied Surface Science, Vol 364, pp 208-220 142 S.E Ražić, et al (2017), Plasma effect on the chemical structure of cellulose fabric for modification of some functional properties, Procedia engineering, Vol 200, pp 333-340 143 K.V Rani, et al (2018), Plasma treatment on cotton fabrics to enhance the adhesion of Reduced Graphene Oxide for electro-conductive properties, Diamond and Related Materials, Vol 84, pp 77-85 144 N Inagaki (1996), Plasma surface modification and plasma polymerization, CRC Press 147 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyễn Thị Hường, Vũ Thị Hồng Khanh (2018), Khảo sát khả sử dụng diammonium hydrogen phosphate để xử lý hạn chế cháy cho vải bơng, Hội nghị khoa học tồn quốc dệt may-da giầy lần thứ nhất, ISBN: 978-604-924-374-5, Việt Nam Nguyen Thi Huong, Vu Thi Hong Khanh (2019), Study on contents of Pyrovatex CP New and Knittex FFRC in flame retardant treatment for cotton fabrics, Proceeding Indonesian Textile Conference (International Conference), ISBN: 978623-91916-0-3, Politeknik STTT Bandung, Indonesia Vu Thi Hong Khanh, Nguyen Thi Huong (2019), Influence of crosslinking agent on the effectiveness of flame retardant treatment for cotton fabric, Industria textile, vol 70, no Nguyen Thi Huong, Vu thi Hong Khanh (2019), Optimizing curing conditions in flame retardant treatment for cotton fabric, TEXTEH international conference proceedings, ISSN 2068-9101, Vol 9, Bucharest, Romania Nguyen Thi Huong, Vu thi Hong Khanh, Nguyen Pham Duy Linh (2019), Optimizing content of Pyrovatex CP New and Knittex FFRC in flame retardant treatment for cotton fabric, accepted for publication in issue 4/2021, Industria textile Huong Thi Nguyen, Khanh Thi Hong Vu, Ngo Ha Thanh, Phan Duy Nam (2020), Application of Plasma Activation in Flame-Retardant Treatment for Cotton Fabric, 12, 1575 Huong Thi Nguyen, Khanh Thi Hong Vu (2020), Chapter 17 Application of Atmospheric DBD Plasma for Surface Treatment of Cotton Fabric, in Book: Proceedings of the 2019 International Conference on “Physics, Mechanics of New Materials and Their Applications”, ISBN: 978-1-53618-255-2 PHỤ LỤC Phụ lục 0-0-450-107-180-90-0 0-0-450-107-180-120-0 0-0-450-107-180-90-30 0-0-450-107-180-120-30 Hình P1.1 Hình ảnh phổ EDS mẫu sau xử lý (0-0-450-107-180-90-0, 0-0450-107-180-120-0) sau 30 chu kỳ giặt (0-0-450-107-180-90-30, 0-0-450-107180-12030) điều kiện gia nhiệt khác Phụ lục (a) 90-0-450-107-160-120 (b) 90-0-450-107-170-60 (c) 90-0-450-107-170-90 (d) 90-0-450-107-170-120 (e) 90-0-450-107-180-60 (f) 90-0-450-107-180-90 Hình P2.1: Hình ảnh SEM độ phóng đại 4000 lần mẫu sau xử lý Plasma 90 s gia nhiệt điều kiện khác (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình P2.2: Hình ảnh phân bố nguyên tử N, P ảnh phổ hấp thụ nguyên tử nguyên tố có mẫu vải (a) 90-0-450-107-160 120; (b) 90-0-450-107-170-60; (c) 90-0-450-107-170-90; (d) 90-0450-107-170- 120; (e) 90-0-450-107-180- 60; (f) 90-0-450-107-18090 Phụ lục (a) (b) (c) (d) (e) Hình P3.1 Phổ EDS phân bố nguyên tử N, P vải sau XLHCC với plasma có gia nhiệt khơng gia nhiệt: (a) 0-60-450-107-0-0, (b) 0-120-450-107-0-0, (c) 0-180450-107-0-0, (d) 0-90-450-107-180-114, (e) 0-180-450-107-180-114 Phụ lục (a)Co (b)0-90-450-107-160-90 (c)0-180-450-107-160-90 (d)45-0-450-107-160-90 (b)45-90-450-107-160-90 (c)45-180-450-107-160-90 (e)90-0-450-107-160-90 (f)90-90-450-107-160-90 (d)90-180-450-107-160-90 Hình P4.1: Hình ảnh SEM độ phóng đại 2000 lần mẫu xử lý điều kiện thời gian plasma plasma khác Co 45-0-0-0-0-0 90-0-0-0-0-0 0-0-450-107-160-90 0-90-450-107-160-90 0-180-450-107-160-90 45-0-450-107-160-90 45-90-450-107-160-90 45-180-450-107-160-90 90-0-450-107-160-90 90-90-450-107-160-90 90-180-450-107-160-90 Hình P4.2 Hình ảnh phân bố nguyên tử N, P ảnh phổ EDS mẫu vải sau xử lý với plasma plasma khác Phụ lục (a)Co (b) 30-79-350-100-160-90 (b) 30-79-350-120-160-90 (c) 30-79-400-80-160-90 (c) 30-79-400-100-160-90 (d) 30-79-400-120-160-90 (e) 30-79-450-80-160-90 (f) 30-79-450-100-160-90 (d) 30-79-450-120-160-90 Hình P5.1 Hình ảnh SEM độ phóng đại 2000 lần mẫu sau XLHCC với plasma hàm lượng hóa chất khác 10 (a) (b) (c) (d) (e) 11 (f) (g) (h) (i) (k) Hình P5.2: Hình ảnh phân bố nguyên tử N, P ảnh phổ EDS mẫu vải sau xử lý plasma hàm lượng hóa chất khác nhau:(a) Co; (b) 30-79-350-80-160-90; (c) 30-79350-100-160-90; (d) 30-79-350-120-160-90; (e) 30-79-400-80-160-90; (f) 30-79-400100-160-90; (g) 30-79-400-120-160-90; (h) 30-79-450-80-160-90; (i) 30-79-450-100160-90; (k) 30-79-450-120-160-90 12 ... Nghiên cứu ứng dụng plasma quy trình xử lý hạn chế cháy cho vải bông: Xác định thông số thiết bị plasma Nghiên cứu ứng dụng plasma hoạt hóa (plasma 1) xử lý hạn chế cháy cho vải Nghiên cứu ứng dụng. .. plasma polyme hóa ghép chất chậm cháy (plasma 2) xử lý hạn chế cháy cho vải Nghiên cứu áp dụng kết hợp plasma plasma xử lý hạn chế cháy cho vải V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Nội dung nghiên. .. bị plasma 49 2.2.2.2 Nghiên cứu ứng dụng plasma hoạt hóa (plasma 1) xử lý hạn chế cháy cho vải 49 2.2.2.3 Nghiên cứu ứng dụng plasma polyme hóa ghép (plasma 2) xử lý hạn chế cháy