Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, vật liệu polymer ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là vật liệu composite từ nhựa và sợi gia cường. Nhựa polyester không no (UPE) là một trong những loại nhựa phổ biến dùng trong composite nhờ các ưu điểm như cách điện tốt, chống ăn mòn, độ bền cơ học cao và độ trong suốt. Tuy nhiên, nhược điểm lớn của composite từ nhựa UPE là khả năng bắt cháy cao và sinh ra nhiều khói độc hại khi cháy, gây nguy hiểm trong các ứng dụng thực tế. Do đó, việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu composite có khả năng kháng cháy trên cơ sở nhựa UPE kết hợp với các phụ gia kháng cháy là rất cần thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu và chế tạo vật liệu composite từ nhựa polyester không no và sợi thủy tinh có khả năng kháng cháy dựa trên sự phối hợp của hai tác chất kháng cháy là diamonium hydrogen phosphate (DAP) và cao su clo hóa (CR). Mục tiêu cụ thể là phát triển composite có khả năng kháng cháy tốt, đồng thời đảm bảo tính chất cơ lý và khả năng gia công thuận lợi. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2022 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc giảm thiểu nguy cơ cháy nổ trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng, đồng thời nâng cao độ an toàn và tuổi thọ của vật liệu composite. Các chỉ số quan trọng được đánh giá bao gồm độ bền kéo, mô đun kéo, độ bền uốn, mô đun uốn và vận tốc cháy của composite theo tiêu chuẩn UL 94. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng vật liệu composite kháng cháy trong các ngành xây dựng, giao thông và hàng hải, đồng thời giảm thiểu tác hại của khí halogen sinh ra trong quá trình cháy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết cơ chế cháy và kháng cháy của polymer: Quá trình cháy polymer bao gồm pha khí, pha hỗn hợp và pha ngưng tụ. Khả năng cháy phụ thuộc vào sự tương tác giữa nhiệt, oxy và nhiên liệu. Các cơ chế kháng cháy bao gồm tạo lớp than bảo vệ (pha rắn), pha khí loãng oxy, hấp thụ nhiệt và giải phóng các chất ức chế cháy.

  • Mô hình phối hợp tác chất kháng cháy: Sự kết hợp giữa cao su clo hóa (CR) và diamonium hydrogen phosphate (DAP) tạo ra hiệu ứng kháng cháy kép. CR hoạt động dựa trên cơ chế ngưng tụ tạo pha khí halogen làm giảm nồng độ oxy, trong khi DAP phân hủy sinh NH3 và H2O tạo lớp rắn bảo vệ bề mặt, đồng thời kết hợp với halogen tạo muối amoni clorua giảm khí độc.

  • Khái niệm chính:

    • Nhựa polyester không no (UPE): polymer có nối đôi, dễ đóng rắn với styren, có tính chất cơ lý tốt nhưng dễ cháy.
    • Cao su clo hóa (CR): chất kháng cháy chứa halogen, giảm tốc độ cháy bằng cách tạo khí halogen.
    • Diamonium hydrogen phosphate (DAP): chất kháng cháy phi halogen, tạo lớp bảo vệ và khí pha loãng khi phân hủy nhiệt.
    • Độ nhớt Brookfield: chỉ số đo độ nhớt của hỗn hợp nhựa và phụ gia, ảnh hưởng đến khả năng gia công.
    • Tiêu chuẩn UL 94: phương pháp đánh giá khả năng kháng cháy của vật liệu composite.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu nhựa UPE của hãng Fullmark, cao su clo hóa CR của hãng SHENYU và DAP của hãng Niran. Các mẫu composite được chế tạo bằng phương pháp lăn tay với sợi thủy tinh làm gia cường.

  • Phương pháp phân tích:

    • Đánh giá độ phân tán của CR và DAP trong nhựa UPE bằng ảnh SEM và đo độ nhớt theo tiêu chuẩn ASTM D2393.
    • Đo nhiệt độ và thời gian đóng rắn hỗn hợp nhựa UPE/CR/DAP theo ASTM D2471.
    • Đánh giá tính chất cơ lý gồm độ bền kéo, mô đun kéo, độ bền uốn, mô đun uốn theo tiêu chuẩn ASTM D638 và ASTM D790.
    • Đánh giá khả năng kháng cháy bằng phương pháp đo vận tốc cháy theo tiêu chuẩn UL 94 (ASTM D635).

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2022, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, thử nghiệm phân tán và đóng rắn, đánh giá tính chất cơ lý và khả năng kháng cháy.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẫu composite được chế tạo với hàm lượng CR tối đa 10% và DAP tối đa 30% để đảm bảo độ phân tán tốt và tính chất cơ lý phù hợp. Mỗi phép thử được thực hiện ít nhất 3 lần để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng phân tán của CR và DAP trong nhựa UPE:

    • Ở hàm lượng 10% CR, độ nhớt hỗn hợp tăng vừa phải, đảm bảo khả năng gia công. Ảnh SEM cho thấy CR phân tán đồng đều trong nhựa UPE.
    • Ở hàm lượng 30% DAP, độ nhớt tăng đáng kể nhưng vẫn trong giới hạn cho phép. DAP được nghiền nhỏ và phân tán tốt, kích thước hạt chủ yếu trong khoảng 90-210 µm.
    • Khi phối hợp CR 10% và DAP 30%, độ nhớt hỗn hợp tăng cao hơn so với từng thành phần riêng lẻ, tuy nhiên vẫn đảm bảo khả năng đóng rắn và gia công composite.

  2. Khả năng đóng rắn của hỗn hợp UPE/CR/DAP:

    • Nhiệt độ gel hóa và thời gian đóng rắn của hỗn hợp tăng nhẹ khi thêm CR và DAP, nhưng vẫn phù hợp với quy trình sản xuất composite.
    • Nhiệt độ tối đa trong quá trình đóng rắn đạt khoảng 120-130°C, thời gian gel hóa trung bình khoảng 15-20 phút tùy tỷ lệ phụ gia.

  3. Tính chất cơ lý của composite UPE/CR/DAP/sợi thủy tinh:

    • Composite với 10% CR và 10% dung môi Styren Monomer có độ bền kéo đạt khoảng 65 MPa, mô đun kéo 3100 MPa, tương đương với composite UPE truyền thống.
    • Độ bền uốn và mô đun uốn cũng duy trì ở mức cao, khoảng 100 MPa và 3500 MPa tương ứng.
    • Việc bổ sung DAP ở mức 10-20% giúp tăng khả năng kháng cháy mà không làm giảm đáng kể tính chất cơ lý.

  4. Khả năng kháng cháy:

    • Composite UPE/CR/DAP có vận tốc cháy thấp hơn so với composite UPE truyền thống, vận tốc cháy giảm xuống dưới 40 mm/phút theo tiêu chuẩn UL 94.
    • Mẫu composite với 20% DAP không có dấu hiệu cháy sau khi ngừng đốt trong 30 giây, đạt tiêu chuẩn kháng cháy loại 1 hoặc 2.
    • Sự phối hợp giữa CR và DAP giúp giảm lượng khí halogen độc hại sinh ra trong quá trình cháy nhờ tạo muối amoni clorua.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc phối hợp CR và DAP trong nhựa UPE tạo ra composite có khả năng kháng cháy vượt trội so với composite truyền thống chỉ sử dụng UPE. Độ nhớt của hỗn hợp tăng nhưng vẫn trong giới hạn cho phép, đảm bảo khả năng gia công bằng phương pháp lăn tay. Ảnh SEM minh họa sự phân tán đồng đều của các phụ gia, góp phần duy trì tính chất cơ lý tốt.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng riêng lẻ CR hoặc DAP, sự kết hợp này vừa giảm vận tốc cháy, vừa hạn chế khí halogen độc hại, đồng thời giữ được độ bền kéo và uốn tương đương. Các biểu đồ so sánh độ nhớt, nhiệt độ đóng rắn, độ bền cơ lý và vận tốc cháy minh họa rõ sự cải thiện đồng thời về tính chất cơ học và kháng cháy.

Điều này phù hợp với các lý thuyết về cơ chế kháng cháy pha khí và pha rắn, khi CR tạo khí halogen làm loãng oxy, còn DAP tạo lớp than bảo vệ và khí NH3 pha loãng. Sự tương tác giữa hai tác chất này tạo hiệu ứng cộng hưởng, nâng cao hiệu quả kháng cháy mà không làm suy giảm tính chất cơ lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ phối hợp CR và DAP

    • Đề xuất sử dụng CR dưới 10% và DAP từ 10-20% để cân bằng giữa khả năng kháng cháy và tính chất cơ lý.
    • Thời gian thực hiện: 6 tháng tiếp theo.
    • Chủ thể thực hiện: Bộ môn Công nghệ Vật liệu, phối hợp với phòng thí nghiệm Polymer và Composite.

  2. Nâng cao quy trình gia công composite

    • Áp dụng phương pháp nghiền bi và khuấy trộn tốc độ cao để đảm bảo phân tán đồng đều các phụ gia trong nhựa UPE.
    • Giảm độ nhớt hỗn hợp bằng cách bổ sung dung môi Styren Monomer phù hợp (khoảng 10%).
    • Thời gian thực hiện: 3 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm và nhà sản xuất composite.

  3. Đánh giá tác động môi trường và an toàn sức khỏe

    • Nghiên cứu lượng khí halogen và khí độc sinh ra trong quá trình cháy composite để đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
    • Thời gian thực hiện: 6 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Trung tâm nghiên cứu môi trường và an toàn lao động.

  4. Ứng dụng và chuyển giao công nghệ

    • Triển khai sản xuất thử nghiệm composite kháng cháy tại các doanh nghiệp vật liệu xây dựng và giao thông.
    • Đào tạo kỹ thuật viên và công nhân về quy trình sản xuất và kiểm tra chất lượng.
    • Thời gian thực hiện: 12 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Trường Đại học Bách Khoa, doanh nghiệp liên kết.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành Kỹ thuật vật liệu

    • Lợi ích: Cập nhật kiến thức về vật liệu composite kháng cháy, phương pháp phối hợp phụ gia và kỹ thuật đánh giá vật liệu.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu mới hoặc giảng dạy chuyên đề về vật liệu polymer.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu composite và xây dựng

    • Lợi ích: Áp dụng công nghệ chế tạo composite kháng cháy, nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng tiêu chuẩn an toàn cháy nổ.
    • Use case: Sản xuất vật liệu composite cho ngành xây dựng, giao thông, hàng hải.

  3. Cơ quan quản lý và kiểm định chất lượng vật liệu

    • Lợi ích: Tham khảo tiêu chuẩn đánh giá khả năng kháng cháy và tính chất cơ lý của composite, phục vụ công tác kiểm tra, cấp phép.
    • Use case: Xây dựng quy chuẩn kỹ thuật và tiêu chuẩn quốc gia về vật liệu composite.

  4. Sinh viên ngành Kỹ thuật vật liệu và Hóa học polymer

    • Lợi ích: Học tập quy trình nghiên cứu khoa học, phương pháp thí nghiệm và phân tích dữ liệu thực tế.
    • Use case: Tham khảo luận văn để hoàn thiện đề tài tốt nghiệp hoặc luận văn thạc sĩ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải phối hợp hai tác chất kháng cháy CR và DAP trong composite?
    Phối hợp CR và DAP tận dụng cơ chế kháng cháy pha khí của CR và pha rắn của DAP, giúp giảm vận tốc cháy và lượng khí halogen độc hại. Ví dụ, DAP tạo lớp than bảo vệ và khí NH3 pha loãng oxy, trong khi CR tạo khí halogen làm giảm oxy vùng cháy.

  2. Độ nhớt của hỗn hợp nhựa UPE/CR/DAP ảnh hưởng thế nào đến gia công composite?
    Độ nhớt tăng khi thêm CR và DAP, có thể gây khó khăn trong gia công lăn tay. Tuy nhiên, bổ sung dung môi Styren Monomer khoảng 10% giúp giảm độ nhớt, cải thiện khả năng phân tán và gia công.

  3. Composite nghiên cứu có đáp ứng tiêu chuẩn kháng cháy nào?
    Composite đạt tiêu chuẩn UL 94-HB với vận tốc cháy dưới 40 mm/phút, một số mẫu không cháy lan sau khi ngừng đốt trong 30 giây, đạt loại 1 hoặc 2 theo tiêu chuẩn ASTM D635.

  4. Khả năng cơ lý của composite có bị ảnh hưởng khi thêm phụ gia kháng cháy không?
    Khi sử dụng hàm lượng CR dưới 10% và DAP dưới 20%, composite vẫn giữ được độ bền kéo khoảng 65 MPa và mô đun kéo 3100 MPa, tương đương composite UPE truyền thống, đảm bảo tính ứng dụng.

  5. Có thể ứng dụng composite này trong những lĩnh vực nào?
    Composite phù hợp cho ngành xây dựng, giao thông, hàng hải và các ứng dụng đòi hỏi vật liệu kháng cháy cao. Ví dụ, làm vách ngăn, tấm lót, lớp phủ bảo vệ trong các công trình có yêu cầu an toàn cháy nổ.

Kết luận

  • Composite từ nhựa polyester không no phối hợp cao su clo hóa và diamonium hydrogen phosphate có khả năng kháng cháy vượt trội, vận tốc cháy giảm dưới 40 mm/phút theo tiêu chuẩn UL 94.
  • Sự phối hợp CR và DAP tạo hiệu ứng kháng cháy kép, vừa giảm lượng khí halogen độc hại vừa tạo lớp bảo vệ bề mặt vật liệu.
  • Composite duy trì tính chất cơ lý tốt với độ bền kéo khoảng 65 MPa và mô đun kéo 3100 MPa, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp.
  • Quy trình gia công bằng phương pháp nghiền bi và lăn tay với bổ sung dung môi Styren Monomer giúp cải thiện độ nhớt và khả năng phân tán phụ gia.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu composite kháng cháy thân thiện môi trường, an toàn sức khỏe và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế mũi nhọn.

Hành động tiếp theo: Triển khai thử nghiệm sản xuất quy mô lớn, đánh giá tác động môi trường và chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp sản xuất vật liệu composite. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp liên hệ để hợp tác phát triển sản phẩm.