TIỂU LUẬN vật LIỆU CÁCH NHIỆT và HOÀN THIỆN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KĨ THUẬT X Y DỰNG -— ^S^Q^D ' TIỂU LUẬN VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT VÀ HOÀN THIỆN GVGD: PGS.TS NGUYỄN VẪN CHẢNH SVTH: TRẦN CHÍ NHẰN MSSV: 1712449 TP.Hồ Chí Minh, ngày 17, tháng 11, năm 2020 Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt hoàn thiện SVTH: Trần Chí Nhân 1712449 HD: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh 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 [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 ôzôn 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 hồn tồn CFCs thân thiện với mơi 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 hoàn toàn CFCs, HCFC không 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 khn mơ 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 thông 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 khn, 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 Khn 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 q trình phản ứng mơ tả Hình 2B 2C SVTH: Trần Chí Nhân 1712449 Hình 2: Quy trình chê'tạo vật liệu R-PUF (A) nở tự do, (B) nở khn nhựa kích thước 90 X 90 X 90 (miìi) (C) nở khn nhơm kích thước 400 X 400 X100 (mm) (A) PPG PPG + PMDI Thời gian tạo kan PUF nị Khn lãm 2.3 Thông 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 - 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 không 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: ni , _ FRD — -ự (kg/m3) - - 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 khuôn (Overall Density, OD): - 1711 - OD = — X 10(-3)(kg/7?i3) Trong đó, m(g) khối lượng khối foam, V thể tích mẫu foam thể tích khn (Vkhn nhựa = 0,729.10-3(m3), V khn 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 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 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% Ngoài 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 - - Hình 3: Đơ' biểu diên giá tạ FRD theo tỉ lệ cyclopentane/Polyol blend - 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 gm, kích thước tế bào trung bình tăng dần từ 82,16gm hàm lượng 0% cyclopentane đến 129,57 gm hàm lượng 20% cyclopentane - Kết chế tạo vật liệu R-PUF nở khn nhựa trình bày Bảng Mầu 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 mầu M1 mầu M2 sử dụng 18% cyclopentane nhận thấy OD hai mầu có giá trị gần (45,00 kg/m3 45,62 kg/m3) Quan sát sau 48 sau ngày không thấy tượng co rút kích thước hai mầu Do đó, mầu M2 với hàm lượng cyclopentane 18% dự đốn thay cho mầu M1 với hàm lượng HCFC 141b 25% mà vần đảm bảo tính chất lý vật liệu cách nhiệt PU Tuy nhiên, tăng hàm lượng cyclopentane lên 20% (mầu M3) giá trị OD giảm xuống cịn 43,35 kg/m3 nhận thấy mầu foam bị co rút kích thước mặt khối foam sau ngày lưu mầu Nguyên nhân tượng co rút mầu M3 có giá trị OD thấp mầu M2 (43,35 kg/m3 so với 45,62 kg/m3) nên khơng đảm bảo tính chất học foam Bảng Chế tạo mâu R-PUF nở khuôn 90 X 90 X 90(mm) - TN M1 M2 M3 - HCF C 141 b - 25 - - Cỵclopent ane (%) 18 - - 20 - - OD (Kg/m3) 45,00 - - 45,62 - - - 43,35 - Quan sát sau 48 Không co rút Không co rút Không co rút - Quan sát sau ngày Khơng co rút Khơng co - rútCo mặt 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 - Bảng Chế tạo mâu R-PUF nỏ khuôn 400 X 400 X 100(mm) TN M4 M5 M6 HCFC - Cyclope - 141 b - (%) 25 - ntane - (%) OD - (Kg/m3) Độ - Độ ổn nén định - 45,35 10% (kPa) 154 kích thước -