TIỂU LUẬN vật LIỆU CÁCH NHIỆT và HOÀN THIỆN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KĨ THUẬT XÂY DỰNG  TIỂU LUẬN VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT VÀ HOÀN THIỆN GVGD: PGS.TS NGUYỄN VĂN CHÁNH SVTH: TRẦN CHÍ NHÂN MSSV: 1712449 TP.Hồ Chí Minh, ngày 17 , tháng 11, năm 2020 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh ĐỀ TÀI: Vật Liệu Cách Nhiệt Xốp Cứng Polyurethane Sử Dụng Tác Nhân Tạo Bọt Vật Lý Cyclopentane Thân Thiện Với Môi Trường Là chất tạo bọt vật lý hệ cyclopentane có tính thân thiện với mơi trường hồn tồn khơng gây phá hủy tầng ôzôn (ODP = 0; GWP = 0,11) thay cho HCFC-141b công thức chế tạo vật liệu xốp cứng polyurethane (R-PUF) Nghiên cứu khảo sát đánh giá ảnh hưởng hàm lượng chất tạo bọt vật lý cyclopentane từ 0% đến 25% đến trọng lượng riêng nở tự do, thời gian phản ứng R-PUF giá trị thời gian phản ứng (cream time, gel time, tack-free time rise time) Hình thái kích thước tế bào kín mẫu R-PUF với hàm lượng cyclopentane tăng dần từ 0% đến 20% quan sát ảnh kính hiển vi quang học biểu đồ phân bố kích thước tế bào kín xác định phần mềm IT3 Ngồi ra, tính chất lý độ ổn định kích thước độ bền nén phân tích để đánh giá chất lượng vật liệu cách nhiệt R-PUF nở khuôn sử dụng tác nhân tạo bọt vật lý cyclopentane Tổng quan Ngày nay, tác động liên quan đến môi trường trái đất ngày nóng lên, tầng ôzôn bị suy giảm biến đổi khí hậu dẫn đến thiên tai liên tiếp xảy trở thành mối quan tâm hàng đầu nhân loại Nguyên nhân nhu cầu phát triển xã hội, người phát thải vào khí khí thải gây ô nhiễm SOx, NOx, CH4, chất thải độc hại khác thông qua hoạt động sản xuất ngày Trong đó, phải kể đến chất tạo bọt vật lý sử dụng công nghiệp sản xuất polyurethane, đặc biệt xốp cứng polyurethane (RPUF) R-PUF coi vật liệu cách nhiệt tốt thường sử dụng nhiều công nghiệp cơng trình xây dựng biện pháp tối ưu để tiết kiệm nguồn lượng [1, 2] R-PUF có mật độ liên kết ngang cao nên có độ cứng cao, độ mềm dẻo thấp phục hồi lại hoàn toàn sau bị nén [2, 3] Đặc tính quan trọng PUF cấu trúc có hàm lượng bọt kín (chứa khí có hệ số dẫn nhiệt thấp) 90% Do đó, có độ cách nhiệt vượt trội hẳn so với vật liệu cách nhiệt thông thường khác [4, 5] Tuy nhiên, mối quan tâm lớn công nghiệp sản xuất xốp cách nhiệt polyurethane (PU) tìm chất tạo bọt vật lý thân thiện với môi trường mà cho hiệu cao Loại chất tạo bọt vật lý sử dụng công nghiệp sản xuất R-PUF hợp chất chlorofluorocacbons (CFCs), điển hình trichlorofluoromethane (CFC11) sử dụng phổ biến khối lượng phân tử thấp, điểm sôi gần nhiệt độ phịng, khơng cháy, độc độ dẫn nhiệt thấp [6] Nhưng CFC11 xác định nguyên nhân gây nên suy giảm tầng ôzôn SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh với số suy giảm ôzôn (ozone depletion potential, ODP) xấp xỉ gây hiệu ứng nhà kính với số làm nóng trái đất (global warming potential, GWP) lên đến 4600, cao gấp hàng ngàn lần so với CO 2 [7, 8] Hợp chất thay cho CFC 11 sử dụng sau 1,1-dichloro-1-fluoroethane (HCFC-141b) [9] Tuy nhiên, với số ODP GWP 0,11 630, loại H-CFC góp phần vào q trình suy giảm tầng ơzơn tăng hiệu ứng nhà kính đáng kể [10] Yêu cầu đặt cho ngành công nghiệp sản xuất PU phải sử dụng tác nhân tạo bọt thay hoàn toàn CFCs thân thiện với môi trường Cyclopentane với số ODP = GWP = 11 thay loại tác nhân tạo bọt CFCs, bên cạnh với khối lượng riêng tương đối thấp, cyclopentane hồn tồn thích hợp làm tác nhân tạo bọt trình chế tạo PU cứng cho sản phẩm có độ xốp cao, tính lý ổn định độ bền nén cao [11, 12] Cyclopentane tác nhân tạo bọt hệ để chế tạo R-PUF thay hồn tồn CFCs, HCFC khơng gây tác động xấu đến môi trường Các yếu tố ảnh hưởng đến trình chế tạo PU hàm lượng chất tạo bọt vật lý cyclopentane, thời gian phản ứng R-PUF (cream time, gel time, tack-free time rise time) trọng lượng riêng foam nở tự nghiên cứu Thực nghiệm 2.1 Hóa chất Polyether Polyol HF-41K (Asahi Glas), Polymethylene phenyl isocyanate Millionate MR-200 (Nippon), Cyclopentane (Merck, Đức), DABCO 33 Lv (33% Triethylenediamine/67% dipropyleneglycol, Hàn Quốc), Dimethylethanolamine (DMEA, Hàn Quốc), NIAX Silicone L6900 (COIM ASIA PACIFIC), Tris(cloroethylphosphate) (TCEP, Meyer) Nước cất 2.2 Chế tạo vật liệu R-PUF Quy trình chế tạo vật liệu R-PUF nở tự nở khuôn mô tả hình Đầu tiên, hỗn hợp polyol tạo thành pha trộn chất polyether polyol, nước, xúc tác DABCO 33Lv, DMEA, chất chống cháy TCEP chất hoạt động bề mặt silicon theo tỉ lệ xác định Hỗn hợp poyol khuấy trộn liên tục 30 phút trước cho cyclopentan vào theo tỷ lệ khối lượng cyclopentan/polyl từ 25% để tạo thành hỗn hợp poly(propylene glycol) (PPG) SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh Đối với chế tạo R-PUF nở tự do, polymeric methylenediphenyl diisocyanate (PMDI) PPG trộn ly PE khoảng 30 giây theo tỷ lệ xác định sau cho hỗn hợp nở tự ngồi khơng khí Các thơng số thời gian phản ứng bao gồm thời gian tạo kem (cream time), thời gian gel hóa (gel time), thời gian khơng dính (tack-free time), thời gian nở (rise time) thời gian lưu hóa (curing SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh time) quan sát ghi lại Hình ảnh quan sát trình phản ứng mơ tả Hình 2A Đối với q trình chế tạo R-PUF nở khuôn, PMDI PPG trộn ly PE khoảng 20 - 30 giây theo tỷ lệ xác định trước đổ nhanh vào khuôn nhôm (400 mm x 400 mm x 100 mm) khuôn nhựa (90 mm x 90 mm x 90 mm) vệ sinh bơi chất chống dính Khuôn để ổn định 45 phút nhiệt độ phịng sau tháo khn lấy sản phẩm Các khối R-PUF nở khuôn xác định tỷ trọng, đánh giá hình thái bề mặt phương pháp FESEM, kiểm tra độ bền nén độ ổn định kích thước Hình ảnh quan sát trình phản ứng mơ tả Hình 2B 2C SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hồn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh 2.3 Thơng số thời gian phản ứng trình chế tạo R-PUF - Thời gian tạo kem tính từ thời điểm khuấy trộn hỗn hợp PPG với PMDI đến hỗn hợp có dạng khối kem Trong nhiều trường hợp dễ dàng nhận thấy thay đổi màu sắc hỗn hợp phản ứng - Thời gian gel hóa tính từ thời điểm khuấy trộn đến hỗn hợp phản ứng bắt đầu chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn Đến thời gian phản ứng xem xảy SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh 50% Thời điểm gel hóa xác định cách nhúng que gỗ sâu vào khối R-PUF khoảng 1-2cm thấy có tượng kéo sợi - Thời gian khơng dính tính từ thời điểm khuấy trộn đến chạm đầu ngón tay que gỗ vào bề mặt R-PUF khơng thấy dính sau thời gian gel hóa, tốc độ RPUF nở chậm dần - Thời gian nở tính từ thời điểm khuấy trộn đến R-PUF hoàn toàn ngừng nở - Thời gian lưu hóa hồn tồn sau 24 - Thời gian phản ứng tồn q trình nở R-PUF phụ thuộc vào nhiệt độ chất phản ứng ban đầu tốc độ khuấy trộn 2.4 Thiết bị phân tích Trọng lượng riêng nở tự (Free Rise Density, FRD) tính theo cơng thức: Trong đó, m (g) khối lượng mẫu hình chữ nhật lõi khối foam; V (ml) thể tích mẫu chiếm chỗ nhúng ngập mẫu vào nước Trọng lượng riêng nở khn (Overall Density, OD): Trong đó, m(g) khối lượng khối foam, V thể tích mẫu foam thể tích khn (Vkhn nhựa = 0,729.10-3(m3), Vkhn nhựa = 16.10-3(m3)) Hình thái kích thước tế bào kín vật liệu PUF dựa ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) mẫu vật liệu thực máy S4800 (Nhật Bản) với điện nguồn 10kV, độ phóng đại 7000 kính hiển vi quang học kỹ thuật số Kích thước phân bố kích thước tế bào kín tính phần mềm IT3 dựa vào hình ảnh thu từ kính hiển vi quang học kỹ thuật số Độ bền nén khối R-PUF đo theo tiêu chuẩn ASTM D 1621 độ ổn định kích thước khối R-PUF đo theo tiêu chuẩn ASTM D 2126-09 Kết thảo luận SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh Kết khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất tạo bọt vật lý cyclopentane đến trọng lượng riêng thời gian phản ứng R-PUF thể Hình Hình Khi tăng hàm lượng cyclopentane từ 0% đến 25% giá trị FRD giảm dần từ 51,80 kg/m3 xuống 25,85 kg/m3 được thể Hình Sự thay đổi giải thích hàm lượng cyclopentane sử dụng nhiều nhiệt độ hỗn hợp phản ứng giảm, làm cho lượng cyclopentane bị nhốt tế bào kín nhiều Do đó, thể tích khối R-PUF tăng lên làm cho giá trị FRD giảm xuống Quan sát hình dạng mẫu R-PUF nở tự sau 48 nhận thấy mẫu foam bắt đầu xảy tượng co rút kích thước hàm lượng cyclopentane 20% Ngồi ra, giá trị thời gian phản ứng gồm cream time, gel time, tack-free time rise time tăng lên tăng hàm lượng chất tạo bọt cyclopentane Điều giải thích dựa phản ứng tạo foam polyurethane phản ứng tỏa nhiệt mạnh làm cho chất tạo bọt vật lý cyclopentane bay Cyclopentane tác nhân lạnh, tăng hàm lượng cyclopentane làm cho nhiệt độ toàn hỗn hợp phản ứng giảm xuống, kéo dài thời gian phản ứng SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh Hình thái kích thước tế bào kín mẫu R-PUF với hàm lượng cyclopentane tăng dần từ 0% đến 20% thể qua Hình Quan sát ảnh kính hiển vi quang học biểu đồ phân bố kích thước tế bào kín mẫu R-PUF với hàm lượng cyclopentane khác từ 0% đến 20% nhận thấy tế bào kín có dạng hình cầu kích thước tế bào kín tăng dần tăng hàm lượng tác nhân tạo bọt vật lý cyclopentane Kích thước tế bào mẫu R-PUF phân bố khoảng 50 - 250 µm, kích thước tế bào trung bình tăng dần từ 82,16µm hàm lượng 0% cyclopentane đến 129,57 µm hàm lượng 20% cyclopentane SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh Kết chế tạo vật liệu R-PUF nở khn nhựa trình bày Bảng Mẫu R-PUF sử dụng hàm lượng chất tạo bọt vật lý HCFC 141b 25%, có trọng lượng riêng tồn phần OD = 45,00 kg/m3 đạt tính chất lý vật liệu cách nhiệt PUF So sánh mẫu M1 mẫu M2 sử dụng 18% cyclopentane nhận thấy OD hai mẫu có giá trị gần (45,00 kg/m 3 và 45,62 kg/m3) Quan sát sau 48 sau ngày không thấy tượng co rút kích thước hai mẫu Do đó, mẫu M2 với hàm lượng cyclopentane 18% dự đoán thay cho mẫu M1 với hàm lượng HCFC 141b 25% mà đảm bảo tính chất lý vật liệu cách nhiệt PU Tuy nhiên, tăng hàm lượng cyclopentane lên 20% (mẫu M3) giá trị OD giảm xuống cịn 43,35 kg/m 3 và nhận thấy mẫu foam bị co rút kích thước mặt khối foam sau ngày lưu mẫu Nguyên nhân tượng co rút mẫu M3 có giá trị OD thấp mẫu M2 (43,35 kg/m3 so với 45,62 kg/m3) nên không đảm bảo tính chất học foam 10 SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hồn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh Tính chất lý quan trọng để đánh giá chất lượng vật liệu cách nhiệt PU độ ổn định kích thước độ bền nén, phân tích Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn đo lường chất lượng (Quatest 3) Kết phân tích trình bày Bảng phù hợp với dự đoán cảm quan mẫu foam nở khuôn nhựa Độ bền nén 10% đo theo tiêu chuẩn ASTM D 1621, mẫu M4 có độ bền nén 10% 154 kPa lựa chọn mẫu chuẩn để so sánh với mẫu cịn lại Mẫu M5 có độ bền nén 10% 146 kPa, thấp so với độ bền nén mẫu M4, trọng lượng riêng hai mẫu có giá trị gần Giá trị độ bền nén 10% mẫu M6 với 20% cyclopentane tương đối thấp so với mẫu chuẩn (127 kPa so với 154 kPa) Độ ổn định kích thước đo theo tiêu chuẩn ASTM D 2126 nhiệt độ -10oC vòng 48 Giá trị độ ổn định kích thước mẫu foam đo đạc -10oC vòng 48 thấp (< 0,1%), chứng tỏ mẫu xốp có độ ổn định kích thước cao, foam co rút khơng đáng kể Kết luận Nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu R-PUF nở tự có trọng lượng riêng thấp sử dụng chất tạo bọt vật lý cyclopentane không phá hủy tầng ôzôn (ODP = 0) tiềm làm nóng trái đất thấp (GWP =11) nhằm thay cho HCFC-141b Khi tăng hàm lượng cyclopentane từ 0% đến 25% giá trị FRD giảm dần từ 51,80 kg/m3 xuống 25,85 kg/m3 Độ bền nén 10% đo theo tiêu chuẩn ASTM D 1621, mẫu R-PUF sử dụng tác nhân tạo bọt cyclopentance 18% đạt 146 kPa, thấp so với độ bền nén mẫu R-PUF sử dụng tác nhân tạo bọt HCFC 141b 25%, trọng lượng riêng hai mẫu có giá trị gần 45,84 45,35 11 SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh kg/m3 Độ ổn định kích thước mẫu R-PUF sử dụng cyclopentane thay cho HCFC-141b làm chất tạo bọt vật lý đo đạc -10 oC vịng 48 có độ ổn định kích thước cao, foam co rút khơng đáng kể đạt tiêu chuẩn chất lượng panel cách nhiệt polyurethane 12 SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449 ... SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh.. .Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh ĐỀ TÀI: Vật Liệu Cách Nhiệt Xốp Cứng Polyurethane Sử Dụng Tác Nhân Tạo Bọt Vật Lý Cyclopentane Thân Thiện Với Môi... Nhân _ 1712449 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh Kết chế tạo vật liệu R-PUF nở khn nhựa trình bày Bảng Mẫu R-PUF sử dụng hàm lượng chất tạo bọt vật lý HCFC 141b