CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. KHÁI NIỆM VỀ CÁC CHẤT CHỐNG CHÁY Các chất chống cháy (Flame retardants: FRs) là các hóa chất được thêm vào vật liệu dễ cháy để tăng khả năng chống cháy của chúng. Khi vật liệu tiếp xúc với một nguồn nhiệt nhỏ như thuốc lá, nến hoặc chập điện. Nếu vật liệu hoặc vật liệu lân cận đã bốc cháy, các chất chống cháy sẽ làm chậm sự bốc cháy và ngăn lửa lan sang các vật dụng khác.
Vì thuật ngữ "Các chất chống cháy" mô tả một chức năng và có một loạt các hóa chất khác nhau được sử dụng cho mục đích này. Thông thường các chất chống cháy được sử dụng kết hợp với các vật liệu trong quá trình sản xuất. Sự đa dạng của các sản phẩm các chất chống cháy là rất cần thiết, bởi vì các vật liệu và sản phẩm cần được an toàn cháy nổ rất khác nhau về bản chất và thành phần. Ví dụ, nhựa là vật liệu có một loạt các tính chất cơ học, hóa học rất tốt nhưng cháy.
Do đó, chúng cần phải được kết hợp với các chất chống cháy thích hợp để giữ lại chức năng chính của vật liệu và vẫn chống được cháy. Các chất chống cháy rất cần thiết để đảm bảo an toàn cháy nổ của một loạt các vật liệu như nhựa, mút cao su và sợi vật liệu cách nhiệt, mút cao su được sử dụng để sản xuất đồ nội thất, nệm, sản phẩm gỗ, hàng dệt may tự nhiên và nhân tạo, dùng trong các bộ phận của thiết bị điện, ô tô, máy bay và các cấu kiện xây dựng. VAI TRÒ CỦA CÁC CHẤT CHỐNG CHÁY TRONG ĐỜI SỐNG Từ những năm 1970, trên toàn cầu người ta đã sử dụng các chất chống cháy brom, clo và phosphate hữu cơ và các chất chống cháy vô cơ. Các nhà sản xuất thêm các hóa chất này vào một loạt các sản phẩm để tăng khả năng chống bắt lửa của chúng.
Mặc dù đã phát triển nhiều loại các chất chống cháy đối với hầu hết các polyme nhân tạo, nhưng các chất chống cháy halogen vẫn được sử dụng nhiều nhất. Việc sử dụng các chất chống cháy để thêm vào các vật liệu nhằm hạn chế quá trình cháy của sản phẩm và vật gia dụng đã được sử dụng một cách triệt để. Các chất 6 chống cháy được thêm vào các vật liệu sản xuất trong các lĩnh vực như chất dẻo, hàng dệt may, sản xuất thiết bị điện tử, vải dệt, nhựa polyme, trong ngành công nghiệp ô tô và bề mặt hoàn thiện, chất phủ. Các chất chống cháy được sử dụng rộng rãi ở nồng độ tương đối cao trong nhiều ứng dụng.
Hầu hết các trang thiết bị sử dụng trong nhà đều có sự hiện diện của các chất chống cháy. Các thiết bị gia dụng và văn phòng đều tiềm ẩn những nguy cơ cháy từ các vật liệu dễ cháy như các thiết bị điện, điện tử, các đồ dùng trong trong sinh hoạt (đồ đạc, ghế sofa, thảm, đồ chơi, tạp chí và sách báo .), đặc biệt là những thiết bị điện tử tốc độ xử lý cao với những vi mạch điện tử thu nhỏ, dẫn đến nguy cơ quá nhiệt cục bộ hoặc nguy cơ chập cháy điện. Các chất chống cháy có thể ngăn chặn sự gia tăng nguy cơ cháy từ sự gia tăng số người tiêu dùng với thiết bị điện tử trong nhà và văn phòng. Các chất chống cháy bảo vệ các vật liệu hiện đại như nhựa kỹ thuật, cách nhiệt xây dựng, bảng mạch và dây cáp dễ bắt lửa và lan truyền.
Năm 2008, Mỹ, châu Âu và châu Á tiêu thụ 1,8 triệu tấn các chất chống cháy, trị giá 4,20 - 4,25 tỷ USD. Năm 2010, châu Á Thái Bình Dương là thị trường lớn nhất về các chất chống cháy, chiếm 41 % nhu cầu toàn cầu, tiếp đến là Bắc Mỹ và Tây Âu[5]. Năm 2013, lượng các chất chống cháy tiêu thụ trên thế giới là hơn 2 triệu tấn. Lĩnh vực sử dụng các chất chống cháy nhiều nhất là lĩnh vực xây dựng, ví dụ các chất chống cháy rất cần cho các đường ống, dây điện và cáp được làm bằng chất dẻo[6].
Theo Ceresana thị trường các chất chống cháy đang tăng lên do các tiêu chuẩn an toàn về việc sử dụng các chất chống cháy ngày càng tăng trên toàn thế giới [7]. Giống như nhiều sản phẩm và dịch vụ, việc sử dụng các chất chống cháy phụ thuộc hoàn toàn vào các lợi ích và chi phí tổng thể cho xã hội. ❖ Lợi ích của việc sử dụng các chất chống cháy 7 - Số lượng các đám cháy được ngăn ngừa hoặc giảm mức độ nghiêm trọng của đám cháy, số lượng đám cháy nhỏ hơn và diễn ra chậm hơn với sự tắt lửa sớm. Kết quả giảm tổn thất về tài sản, thương tích và thương vong do hoả hoạn.
Mặc dù thương tích và tử vong do hỏa hoạn có thể tương đối nhỏ so với các nguyên nhân khác nhưng hậu quả đối với cá nhân, cộng đồng và doanh nghiệp có thể rất nghiêm trọng khi xảy ra hỏa hoạn, do đó cả xã hội đều phải có ý thức về phòng ngừa và giảm thiểu hỏa hoạn. - Giảm thiểu ô nhiễm môi trường do ngăn ngừa hoặc hạn chế hỏa hoạn. - Cải thiện khả năng chống cháy của các polyme để mở rộng phạm vi ứng dụng an toàn, do đó giảm chi phí và tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển cải tiến các sản phẩm và ứng dụng. ❖ Những bất lợi của việc sử dụng các chất chống cháy - Một số các chất chống cháy phụ gia thoát ra khỏi các sản phẩm hoặc sử dụng quá nhiều trong quá trình sản xuất các sản phẩm.
Sau đó nó có thể được đi vào vào môi trường không khí trong nhà, gây nên sự phơi nhiễm cho người sống tại đó, một số trường hợp, chúng đã được phân tán rộng rãi vào trong môi trường ngoài trời, thậm chí tập trung ở các vùng sâu vùng xa như vùng Bắc Cực [7]. Việc thoát ra và phân tán vào môi trường của một số chất chống cháy có hoạt tính sinh học và độc tính đối với con người và hệ sinh thái giành được mối quan tâm lớn. - Một số hệ thống chống cháy có thể có một số tác dụng có lợi trên một số khía cạnh của hoạt động hỏa hoạn, nhưng chúng cũng có thể làm tăng sự phát tán các chất độc hại khi các sản phẩm chống cháy bị đốt trong hỏa hoạn, do đó gây ra các tác động tiêu cực đến sức khỏe con người hoặc môi trường. CHẤT CHỐNG CHÁY BROM, ỨNG DỤNG Chất chống cháy brom (BFR) là các hợp chất brom hữu cơ có tác dụng ức chế hóa học đối với quá trình đốt cháy và có xu hướng giảm tính dễ cháy của các sản phẩm có chứa chúng.
Các chất chống cháy hóa học rất đa dạng và chiếm ưu thế, 8 chiếm khoảng 19,7% thị trường. Chúng được ứng dụng hiệu quả trong các sản phẩm nhựa, dệt may, điện tử, xây dựng và đồ nội thất. Các hợp chất polybrominated diphenylethers (PBDEs) được coi là một nhóm quan trọng trong các hợp chất chống cháy, chúng được sản xuất với sản lượng lớn và được sử dụng rộng rãi trong nhiều sản phẩm hàng ngày, giúp cho các thiết bị vật dụng không dễ dàng bị cháy hoặc bị cháy chậm hơn trong hỏa hoạn. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các nghiên cứu đã cho rằng PBDE là chất gây ô nhiễm đáng kể trong môi trường sống trong nhà và gây nên những ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng.
PBDE có 10 nguyên tử brom gắn với phân tử diphenylether, trọng lượng phân tử cao và độ bền nhiệt cao.Họ PBDE bao gồm 209 chất đồng đẳng, các sản phẩm thương mại thường là hỗn hợp của một số các chất đồng đẳng này. Ứng dụng chính của PBDE là trong polyme styrenic, polyolefin polyeste, nylons và hàng dệt may. Các hợp chất này thường có mặt trong thành phần các chất phụ gia, và được trộn với các chất tạo dẻo, tạo bọt tuy nhiên không có sự hình thành các liên kết hóa học, chính vì vậy mà các chất chống cháy này có khả năng khuếch tán ra khỏi sản phẩm bám vào các hạt bụi và xâm nhập vào môi trường không khí, gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người [8]. OctaBDE thương mại (còn được gọi là "Octabrom") là một hỗn hợp kỹ thuật của các đồng loại PBDE khác nhau có trung bình 7,2 đến 7,7 nguyên tử brôm cho mỗi phân tử của diphenyl ether.
Các đồng đẳng chiếm ưu thế trong octaBDE thương mại là những chất của heptabromodiphenyl ether và octaBDE. Thuật ngữ octaBDE đơn thuần đề cập đến các đồng phân của ete octabromodiphenyl (PBDE 194–205); và BDE-203 (2,2 ’, 3,4,4’, 5,5 ’, 6-octabromodiphenyl ether). Nồng độ của PBDE trong không khí và bụi trong nhà nói chung cao hơn so với nồngđộ ở ngoài trời bởi vì chúng được sử dụng rộng rãi trong các vật dụng và thiết bị trong nhà [9;10].Với mật độ xuất hiện dày đặc trong nhà, cùng với khoảng 9 không trong nhà thường là nhỏ, kéo theo sự luân chuyển không khí yếu hơn nên nồng độ PBDEs trong bụi trong nhà cao hơn gấp nhiều lần so với bụi ngoài trời. Hơn nữa, sự lưu thông không khí yếu hơn trong nhà cũng làm tăng lượng chất, lắng đọng các hạt và do đó PBDE có nhiều khả năng được hấp phụ lên bề mặt các vật liệu khác và tồn dư lâu hơn trong không khí [11;12].
NHÓM CHẤT CHỐNG CHÁY DIPHENYL POLYBROMINATED (PBDEs) Trong nghiên cứu này chúng tôi tập trung nghiên cứu xây dựng phương pháp chiết tách nhóm chất chống cháy gốc Brom là nhóm diphenyl polybrominated (PBDEs) bao gồm 13 đồng đằng của chất chống cháy PBDE là BDE-28, 47, 99, 100, 153, 154, 183, 196, 197, 203, 206, 207, và 209 (bảng 1.1: Danh sách các chất phân tích Đồng đẳng Hợp chất Di-BDEs BDE-15 Tri-BDEs BDE-28 Tetra-BDEs BDE-47 Penta-BDEs BDE-99, -100 Hexa-BDEs BDE-153, -154 Hepta-BDEs BDE-183 Octa-BDEs BDE-196, -197-203 Nona-BDEs BDE-206, -207 Deca-BDE BDE-209 Tính chất hóa lý của PBDEs phân tích được liệt kê trong bảng 1.2: Tính chất hóa lý của các chất PBDE phân tích Tên Công thức Tên gọi Khối Điểm Bề phân tử lượng chẩy ngoài phân tử (g/mol) BDE-28 C12H7Br3O 2,4,4′-TriBDE, 2,4,4′- 406.5 °C Rắn Tribromodiphenyl ether 10 BDE-47 C12H6Br4O 2,2′,4,4′-TetraBDE, 485.5 °C Rắn 2,2′,4,4′- Tetrabromodiphenyl ether BDE-99 C12H5Br5O 2,2′,4,4′,5-PentaBDE, 564.69 -5 °C Rắn 2,2′,4,4′,5- Pentabromodiphenyl ether BDE-100 C12H5Br5O 2,2′,4,4′,6-PentaBDE, 564.69 97-98 °C Rắn 2,2′,4,4′,6- Pentabromodiphenyl ether BDE-153 C12H4Br6O 2,2′,4,4′,5,5′-HexaBDE, 643.6 °C Rắn 2,2′,4,4′,5,5′- Hexabromodiphenyl ether BDE-154 C12H4Br6O 2,2′,4,4′,5,6′- 643.58 142-143 °C Rắn Hexabromodiphenyl ether BDE-183 C12H3Br7O 2,2′,3,4,4′,5′,6-HeptaBDE, 722.48 2,2′,3,4,4′,5′,6- Heptabromodiphenyl ether BDE-196 C12H2Br8O 2,2′,3,3′,4,4′,5,6′-octa- 801.379 bromodiphenyl ether BDE-197 C12H2Br8O 2,2′,3,3′,4,4′,6,6′-octa- 801.379 bromodiphenyl ether BDE-203 C12H2Br8O 2,2',3,4,4',5,5',6- 801.379 Octabromodiphenyl ether BDE-206 C12HBr9O 2,2′,3,3′,4,4′,5,5′,6- 880.275 NonaBDE, 2,2′,3,3′,4,4′,5,5′,6- Nonabromodiphenyl ether BDE-207 C12HBr9O 2,2′,3,3′,4,4′,5,6,6′- 880.275 NonaBDE, 2,2′,3,3′,4,4′,5,6,6′- Nonabromodiphenyl ether BDE-209 C12Br10O Decabromodiphenyl ether, 959.17 294-296 °C Trắng, Decabromodiphenyl oxide vàng nhạt BDE-28 BDE-47 BDE-99 BDE-100 11 BDE-153 BDE-154 BDE-183 BDE-196 BDE-197 BDE-203 BDE-206 BDE-207 BDE-209 Hình 1.