Nghiên cứu gia cường lớp phủ polyme phồng nở Graphene chống cháy - Lê Văn Duẩn

Lớp phủ polyme phồng nở gia cường graphene và khoáng chất, giúp nâng cao khả năng chống cháy và chống ăn mòn hiệu quả cho các loại vật liệu.

• Tác giả: Lê Văn Duẩn
• Người hướng dẫn: TS. Giang Thị Phương Ly
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu gia cường lớp phủ polyme phồng nở bằng graphene đa lớp và khoáng chất nhằm nâng cao khả năng bảo vệ chống cháy của vật liệu.
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Lớp phủ polyme phồng nở Graphene Giải pháp chống cháy hiện đại

Lớp phủ polyme phồng nở graphene là công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực bảo vệ chống cháy và chống ăn mòn. Được phát triển từ nền tảng hóa học hiện đại, loại lớp phủ này kết hợp các thành phần chính như Amoni polyphosphat (APP), Pentaerythritol (PER) và Melamine (MEL) với graphene đa lớp để tạo ra một hệ thống bảo vệ toàn diện. Nghiên cứu từ Đại học Bách Khoa Hà Nội đã chứng minh hiệu quả của công nghệ này trong việc bảo vệ vật liệu khỏi cháy trong khoảng thời gian lên đến 120 phút. Graphene với tính chất cơ học vượt trội đã nâng cao đáng kể khả năng chống ăn mòn của lớp phủ, mở ra hướng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như xây dựng, ô tô và hàng hóa.

1.1. Khái niệm và vai trò của lớp phủ polyme phồng nở

Lớp phủ phồng nở là loại sơn chuyên dụng phát triển dựa trên cơ chế tạo lớp than bảo vệ khi tiếp xúc với nhiệt độ cao. Cơ chế hoạt động của nó dựa trên việc phồng nở và tạo thành một lớp than cách nhiệt, ngăn chặn sự truyền nhiệt và oxy tới bề mặt vật liệu bên dưới. Thành phần chính bao gồm chất kết dính acrylic, hệ APP:PER:MEL với tỷ lệ tối ưu 3:1:1, chất tạo màu TiO2 và các phụ gia khác. Công nghệ này đã được tiêu chuẩn hóa theo TCVN 9311-1:2012 (ISO 834-1:1999).

1.2. Ứng dụng graphene trong cải thiện hiệu suất chống ăn mòn

Graphene được tích hợp vào lớp phủ polyme nhằm nâng cao khả năng chống ăn mòn, một yêu cầu thiết yếu cho vật liệu trong môi trường khắc nghiệt. Tại nồng độ 0.5% graphene, lớp phủ đạt hiệu suất chống xâm nhập các tác nhân ăn mòn tốt nhất. Cấu trúc lưới của graphene tạo ra rào cản vật lý, cản trở sự di chuyển của các ion mất điện tích và phân tử nước, từ đó kéo dài tuổi thọ của lớp phủ và bảo vệ cơ chất bên dưới hiệu quả hơn.

II. Thành phần và cơ chế hoạt động của lớp phủ chống cháy

Lớp phủ chống cháy phồng nở được cấu thành từ nhiều thành phần có vai trò riêng biệt, tạo nên một hệ thống bảo vệ đa tầng. Hệ APP:PER:MEL = 3:1:1 là công thức tối ưu, với hàm lượng APP (39g), PER (13g), MEL (13g) và TiO2 (15g) cho độ phồng nở cao nhất đạt 53. Cơ chế hoạt động dựa trên sự phân hủy nhiệt của các thành phần này khi nhiệt độ tăng, tạo ra một lớp than rỗng xốp cách nhiệt. Khi bổ sung chất độn khoáng Talc ở hàm lượng 2.5%, độ phồng nở tăng lên 59, cải thiện đáng kể hiệu suất bảo vệ. Sự kết hợp giữa các thành phần này với graphene tạo ra một hệ thống đồng bộ, vừa chống cháy vừa chống ăn mòn.

2.1. Vai trò của các thành phần chính APP PER MEL

Hệ APP:PER:MEL được gọi là 'bộ ba vàng' trong công nghệ chống cháy phồng nở. Amoni polyphosphat (APP) đóng vai trò là nguồn axit, Pentaerythritol (PER) là tác nhân tạo thành than, và Melamine (MEL) cung cấp khí và giúp hình thành cấu trúc xốp. Khi nung nóng, các thành phần này tương tác để tạo ra lớp than bảo vệ, ngăn chặn sự lan truyền ngọn lửa và giảm tốc độ mất nhiệt của cơ chất.

2.2. Tác động của chất độn Talc và Sericite tới độ phồng nở

Talc và Sericite là các chất độn khoáng có nguồn gốc trong nước, giúp cải thiện độ phồng nở của lớp phủ. Talc ở hàm lượng 2.5% làm tăng độ phồng nở từ 53 lên 59, trong khi Sericite cũng ở hàm lượng 2.5% đạt độ phồng nở 57. Các chất độn này cung cấp khung xương khoáng, hỗ trợ giữ nguyên cấu trúc than vừa hình thành, tăng độ bền và hiệu suất cách nhiệt của lớp phủ.

III. Đặc tính chống ăn mòn của lớp phủ graphene

Khả năng chống ăn mòn là một yêu cầu quan trọng của lớp phủ polyme graphene, đặc biệt khi sử dụng trong môi trường ẩm ướt và có các tác nhân ăn mòn. Graphene được tích hợp vào lớp phủ tạo ra một rào cản vật lý hiệu quả, ngăn chặn sự xâm nhập của nước và các ion gây ăn mòn. Qua các phép đo tổng trở điện hóa, lớp phủ chứa 0.5% graphene cho kết quả chống xâm nhập tốt nhất, với khả năng duy trì tính toàn vẹn cơ học và điện hóa vượt trội. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Vietnam Journal of Chemistry, khẳng định giá trị khoa học của phát minh này. Lớp phủ này có thể được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp cần bảo vệ vật liệu khỏi cháy và ăn mòn đồng thời.

3.1. Cơ chế chống ăn mòn của graphene đa lớp

Graphene đa lớp hoạt động như một rào cản nanostructure, tạo ra đường đi phức tạp cho các phân tử nước và ion ăn mòn. Cấu trúc hai chiều của graphene, với các liên kết carbon mạnh, giúp cải thiện độ bền cơ học và khả năng chống nứt của lớp phủ. Tính dẫn điện của graphene cũng giúp cải thiện tính chất điện hóa, bảo vệ cơ chất từ quá trình oxy hóa và khử điện hóa gây ăn mòn.

3.2. Kết quả kiểm tra tổng trở điện hóa và khả năng bảo vệ cách nhiệt

Các phép đo tổng trở điện hóa cho thấy lớp phủ với 0.5% graphene có giá trị trở kháng cao nhất, chứng tỏ khả năng chống xâm nhập tối ưu. Độ bảo vệ cách nhiệt của lớp phủ được xác định thông qua các thử nghiệm theo tiêu chuẩn quốc tế, với độ dày 700µm đạt khả năng chống cháy trong 120 phút. Những chỉ số này cho thấy sự kết hợp hoàn hảo giữa chức năng chống cháy và chống ăn mòn trong lớp phủ graphene.

IV. Ứng dụng và triển vọng của lớp phủ polyme phồng nở graphene

Lớp phủ polyme phồng nở graphene mở ra nhiều triển vọng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp hiện đại. Với khả năng chống cháy đạt 120 phút theo tiêu chuẩn TCVN 9311-1:2012 và hiệu suất chống ăn mòn vượt trội, loại lớp phủ này phù hợp cho các ứng dụng trong xây dựng, đặc biệt là để bảo vệ các cấu trúc thép; trong ngành ô tô để bảo vệ các bộ phận chịu nhiệt; và trong công nghiệp hôn hợp chất để bảo vệ máy móc khỏi corrosion. Công thức tối ưu với Talc hoặc Sericite làm chất độn, kết hợp với graphene ở nồng độ 0.5%, đã được chứng minh là giải pháp bảo vệ hiệu quả. Nghiên cứu từ Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo cơ sở vững chắc để phát triển các sản phẩm tương tự, góp phần nâng cao chất lượng an toàn công nghiệp tại Việt Nam.

4.1. Ứng dụng trong các ngành công nghiệp chủ chốt

Lớp phủ chống cháy được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng để bảo vệ các cấu trúc thép khỏi sập đổ trong trường hợp cháy. Trong ngành ô tô, nó bảo vệ động cơ và các bộ phận chịu nhiệt. Lớp phủ chống ăn mòn với graphene được ứng dụng để bảo vệ thiết bị trong môi trường biển, nhà máy hóa chất, và các công trình cơ sở hạ tầng. Công thức tối ưu này có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu cụ thể của từng ngành.

4.2. Triển vọng phát triển và hướng nghiên cứu tương lai

Triển vọng phát triển của lớp phủ polyme graphene rất lớn, với tiềm năng tối ưu hóa thêm nồng độ graphene, khảo sát các chất độn khác, và kết hợp với các vật liệu nanostructure mới. Hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào giảm chi phí sản xuất, cải thiện tính thẩm mỹ, và phát triển các công thức thân thiện với môi trường. Việc mở rộng ứng dụng của công nghệ này sẽ góp phần nâng cao khả năng bảo vệ an toàn cho các công trình và sản phẩm công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Một trong những yêu cầu thiết yếu của các công trình xây dựng là đảm bảo an toàn và phòng chống cháy nổ. Rất nhiều vật liệu chống cháy ra đời với mục tiêu chịu được lửa, nhiệt độ cao trong thời gian dài, ngăn chặn việc lan rộng khu vực cháy. Đa số các vật liệu được sử dụng hiện nay là bê tông, thạch cao, bông thủy tinh. tuy nhiên, do thể tích lớn nên chúng chiếm nhiều diện tích sử dụng của công trình.

Lớp phủ chống cháy ra đời với mục đích tạo ra vật liệu chống cháy từ các vật liệu cơ bản vốn có của công trình, ít gây ảnh hưởng đến diện tích sử dụng. Ưu điểm của lớp phủ chống cháy phồng nở là có thể ngăn nhiệt xâm nhập và ngọn lửa lan rộng. Hơn nữa, nó không làm thay đổi các tính chất bên trong của vật liệu. Lớp phủ được gắn trực tiếp vào vật liệu trong một khoảng thời gian dài và hoạt động khi có sự xuất hiện của nhiệt độ hoặc ngọn lửa.

Lớp phủ bên ngoài sẽ làm chậm quá trình truyền nhiệt đến cấu trúc bên trong bằng cách hình thành một lớp than hóa bảo vệ. Quá trình tạo phồng nở và than hóa diễn ra liên tục, màng polyme sau khi đốt có chiều dày tăng lên gấp nhiều lần so với chiều dày ban đầu và có khả năng duy trì nhiệt độ bề mặt kết cấu thép (dưới lớp sơn) nhỏ hơn 450 oC trong một thời gian nhất định. Tuy nhiên, các nghiên cứu và sản xuất lớp phủ chống cháy trong nước chưa đáp ứng được yêu cầu, tất cả các công trình đều sử dụng sơn chống cháy nhập ngoại. Trữ lượng các loại khoáng như talc, sericit,… ở nước ta nhiều và phong phú.

Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng các loại bột khoáng có cấu trúc lớp để làm chất độn cho lớp phủ phồng nở là một hướng nghiên cứu rộng mở, cần thiết và có ứng dụng thực tiễn. Với mong muốn tiếp cận hướng nghiên cứu trong lĩnh vực mới này, em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu gia cường lớp phủ polyme phồng nở bằng graphene đa lớp và khoáng chất nhằm nâng cao khả năng bảo vệ chống cháy của vật liệu. Mục tiêu của đề tài ➢ Nghiên cứu gia cường lớp phủ polyme phồng nở bằng graphene đa lớp và khoáng chất nhằm nâng cao khả năng bảo vệ chống cháy của vật liệu. ➢ Đánh giá hiệu quả bảo vệ chống cháy của graphene đa lớp và khoáng chất trong vật liệu polyme phồng nở.1 Khái niệm và phân loại lớp phủ chống cháy Trên thế giới đã xảy ra những thảm họa cháy nổ nhà xưởng khủng khiếp cướp đi hàng nghìn sinh mạng mỗi năm.

Trong số đó, có thể kể đến vụ cháy nhà máy dệt ở Karachi, Pakistan (2012), hậu quả của sự việc đau lòng này là gần 300 công nhân thiệt mạng cùng nhiều người khác bị thương [1]. Hay vụ cháy nhà máy phụ tùng oto ở Giang Tô, Trung Quốc năm 2014, vụ cháy đã cướp đi sinh mạng của 146 công nhân, đồng thời làm 114 người khác bị thương [2]. Ở Việt Nam, theo báo cáo của Cục Cảnh sát PCCC và CNCH năm 2020, toàn quốc xảy ra 5454 vụ cháy làm chết 75 người, bị thương 144 người, thiệt hại tài sản 932,023 tỷ đồng và 1. Cháy lớn gây thiệt hại nghiêm trọng tập trung chủ yếu tại các nơi có tốc độ phát triển kinh tế và đô thị hóa nhanh, có nhiều khu công nghiệp, khu chế xuất, chợ, trung tâm thương mại, nhà cao tầng.

Nguyên nhân chủ yếu xảy ra là do sự cố hệ thống, thiết bị điện và sơ suất trong sử dụng nguồn lửa, nguồn nhiệt [3]. Việc sử dụng thép kết cấu cho các công trình nhà xưởng đã khá phổ biến từ nhiều năm, do những ưu điểm nó mang lại như: khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao, khó biến dạng trong quá trình sử dụng. Kết cấu thép không bị cháy, tuy nhiên ở nhiệt độ trên 500 oC kết cấu thép bị mất tính ổn định và biến dạng, dẫn đến khả năng chịu lực suy giảm gây hư hỏng, sụp đổ công trình ảnh hưởng tới tài sản cũng như nguy hiểm đến tính mạng con người [4]. Do đó, yêu cầu bắt buộc với kết cấu thép phải được gia tăng giới hạn chịu lửa bằng cách bọc hoặc phủ các lớp bảo vệ chống cháy giúp chống chịu ảnh hưởng của môi trường nhiệt độ cao trên 1000oC trong một thời gian nhất định, tạo cơ hội để khống chế, dập tắt đám cháy.

Một số phương pháp thường được dùng để bảo vệ thép kết cấu là: Bọc bê tông, bọc thạch cao chống cháy, phun vữa chống cháy và phủ lớp phủ chống cháy. Bê tông chống cháy: Bê tông chống cháy là bê tông chịu nhiệt, chống cháy gồm thành phần chính là xi măng chịu nhiệt, bột Samot nghiền và cao lanh. Trong đó, xi măng chịu nhiệt là xi măng có thành phần Al2O3 cao, chiếm từ khoảng 50% đến 80% tùy vào mức chịu nhiệt của từng loại. ❖ Ưu điểm - Thi công nhanh, giảm chi phí hoàn thiện bề mặt, nhân công, thiết bị.

- Dễ dàng lấp đầy ván khuôn hẹp, cho phép chế tạo những cấu kiện mỏng, giúp giảm lượng bê tông, tăng chất lượng công trình. - Chịu nhiệt độ cao từ 1000 – 2000 oC tùy từng loại. - Tính năng kỹ thuật vượt trội. - Cường độ và độ ổn định cao khi gia nhiệt.

❖ Nhược điểm - Bê tông chống cháy hoạt động càng tốt thì càng dễ thấm. - Khả năng chống ăn mòn kém - Giá thành của bê tông chống cháy đắt hơn bê tông thông thường. 2 Bên cạnh đó , việc thi công và quy trình lắp đặt rất khó khăn do liên quan đến một số chi tiết liên kết phức tạp [5].1 Kết cấu thép được bọc bê tông chống cháy [5]. Thạch cao chuyên dụng chống cháy: Thạch cao là tinh thể bột với thành phần chính là muối Canxi Sunfat ngậm 2 phân tử nước (CaSO4.2H2O) (21% khối lượng là nước và 79% khối lượng là thạch cao khan, và có khối lượng riêng từ 2.

Hợp chất này hoàn toàn không có phản ứng hóa học ở nhiệt độ dưới 1200 oC. Khi công trình xảy ra hỏa hoạn, đầu tiên các phân tử nước kết tinh sẽ hấp thụ nhiệt rồi được giải phóng ra dưới dạng hơi nước. Đây là hiện tượng canxi hóa, chính quá trình hấp thụ nhiệt và giải phóng các phân tử nước này đã hạn chế sự truyền nhiệt từ mặt tiếp xúc trực tiếp với lửa sang mặt kia của tấm, tạo hiệu quả cách nhiệt cho tấm. ❖ Ưu điểm - Được thiết kế đa dạng theo thời gian chống cháy.

- Tăng khả năng chịu nhiệt ❖ Nhược điểm - Giá thành khá cao - Thời gian thi công tấm thạch cao lâu hơn. Tuy nhiên, hình thức bọc chủ yếu của thạch cao là bọc hình hộp, tấm thạch cao chạy vòng quanh tiết diện theo một hình chữ nhật ngoại tiếp. Do đó, gây tốn diện tích nhà xưởng so với các phương pháp phun, phủ [6].2 Kết cấu thép được bọc bằng thạch cao chống cháy [6]. Tấm thạch cao.

3 Vữa chống cháy: Vữa chống cháy có thành phần hóa học chính là các chất khoáng tự nhiên, xi măng và các chất phụ gia hoạt tính, được thi công bằng phương pháp phun khô hoặc trát hoặc đổ ghép cốp pha. Các phương pháp này thi công tương đối nhanh, lại không gặp phải những vấn đề khó khăn khi cố định các tấm panel, tấm tường, tấm sàn cứng xung quanh các chi tiết liên kết phức tạp. Sau khi thi công, vữa chống cháy tạo nên một lớp phủ rắn, có khả năng chịu được sự tác động nhiệt của các đám cháy nhiên liệu có cường độ cao, đặc biệt là dạng lửa phun. ❖ Ưu điểm - Hiệu năng chống cháy cao.

- Chi phí thi công khá thấp (so với các vật liệu chống cháy hiện nay) - Thi công nhanh chóng và đạt hiệu quả cao. - Tuân thủ đầy đủ các tiêu chuẩn, quy chuẩn an toàn trên thế giới. - Không chứa Amiăng nên an toàn khi thi công và sử dụng. - Độ bám dính cực tốt trên nhiều loại bề mặt - Tuổi thọ cao, dễ dàng sửa chữa vào bảo trì.

❖ Nhược điểm phương pháp này là bề mặt kết cấu xù xì gây mất thẩm mỹ [6].3 Kết cấu thép được phun vữa chống cháy [6]. Vữa chống cháy. Lớp phủ chống cháy (sơn chống cháy): là sản phẩm sơn phủ lên bề mặt vật liệu cần phòng chống cháy nổ, tùy theo thời gian yêu cầu về thời gian chống cháy có thể 90 phút – 120 phút hoặc 180 phút mà lựa chọn loại sơn và bề dày lớp sơn phù hợp. ❖ Ưu điểm - Rất dễ sử dụng, an toàn, không phức tạp.

- Thời gian thi công nhanh và dễ dàng, không tốn thêm chi phí phát sinh. - Sơn trực tiếp lên sắt thép không cần sơn chống rỉ. - Ứng dụng được cả trong và ngoài trời. - Giá thành cạnh tranh.

- Tính thẩm mỹ cao. ❖ Nhược điểm - Chưa phổ biến rộng rãi tại thị trường Việt Nam. - Là sản phẩm phòng chống nên không nhìn thấy tính hiệu quả ngay. - So với các giải pháp khác thì sơn chống cháy có giá thành cao hơn.4 Kết cấu thép được phun lớp phủ chống cháy.

Lớp phủ chống cháy (Flame Retardant Coatings) được chia làm hai nhóm: lớp phủ không phồng nở (non-intumescent coatings) và lớp phủ phồng nở (intumescent coatings) [7]. - Lớp phủ chống cháy không phồng nở thường được sử dụng các hợp chất có chứa nhóm halogen như là flo, clo, brom, và iot. Sự xuất hiện của các thành phần này gây ức chế ngọn lửa lan truyền thông qua việc giải phóng các gốc tự do. Từ đó dập tắt triệt để ngọn lửa thay vì thổi than trong quá trình đốt cháy.

Tuy nhiên, các hợp chất chống cháy chứa halogen có nhược điểm là trong quá trình cháy chúng sinh ra nhiều khói và khí độc gây ăn mòn và ảnh hưởng đến môi trường. Ngoài ra, nhiều FR halogen đã được chứng minh là khó phân hủy gây tích tụ sinh học. Do các yêu cầu về các sản phẩm an toàn và thân thiện với môi trường ngày càng cao nên các chất chống cháy halogen gần như đã bị cấm ở các quốc gia phát triển và một số quốc gia đang phát triển [7, 8].5 Mẫu được phủ lớp polyme không phồng nở. - Lớp phủ chống cháy phồng nở được tạo nên từ 3 thành phần quan trọng: tác nhân tạo axit, tác nhân tạo khí, và tác nhân cacbon hóa.

Khi có nguồn nhiệt, ba thành phần hoạt động và chất kết dính sẽ nở ra và tạo thành một lớp than phồng nở giúp ngăn cản sự truyền nhiệt từ môi trường bên ngoài tới cấu trúc bên trong của vật liệu [9].