Đặt vấn đề Trong sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ở thời điểm hiện tại và tương lai, vật liệu polymer đang dần thay thế các vật liệu truyền thống bởi những ưu điểm vượt trội mà nó có được. Trong số đó thì vật liệu composite từ nhựa và sợi gia cường đang dần chiếm ưu thế từ các ứng dụng trong đời sống cho tới các ngành công nghiệp. Với các tính chất tốt như là cách điện, tốc độ bay hơi thấp, chống ăn mòn tốt với nhiều môi trường, độ trong cao, có độ bền cơ học tốt thì nhựa polyester không no (UPE) rất thích hợp cho các ứng dụng composite. Tuy nhiên nhược điểm lớn của composite từ nhựa UPE lại là khả năng bắt cháy cao và sinh ra nhiều khói trong khi cháy, do đó để hạn chế sự cháy cũng như các khí độc thì cần thêm vào các phụ gia để có thể kháng lại sự cháy của vật liệu.
Cao su Clo hóa (CR) là một chất kháng cháy khá phổ biến, dựa trên cơ chế ngưng tụ tạo pha khí trên bề mặt vật liệu, để làm giảm sự tiếp xúc của oxygen với bề mặt cháy qua đó ngăn cản sự cháy. Mặt khác, trong quá trình cháy cao su CR sẽ tạo ra khí nhóm halogen, đây được coi là chất khí có thể gây độc với cơ thể con người, do đó cần thêm một phụ gia kháng cháy khác để ngăn cản sự hình thành halogen trong khi cháy. Diamonium hydrogen Phosphate (DAP) cũng là một chất kháng cháy tốt. Khi bị phân hủy nhiệt sẽ cho ra sản phẩm NH3 và H2O, tạo hiệu ứng pha loãng và hình thành lớp rắn NH3 và H2O trên bề mặt polymer ngăn chặn nhiệt và oxygen tiếp xúc.
Thêm vào đó là sự kết hợp của halogen (trong cao su CR) và amoni (trong DAP) tạo muối amoni clorua sẽ làm giảm thiểu lượng Halogen gây hại thoát ra. Hằng năm, trên thế giới và trong nước ta có rất nhiều vụ hỏa hoạn xảy ra gây nhiều thiệt hại cho con người cũng như tài sản. Do đó việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu composite từ nhựa polyester không no và sợi thủy tinh có khả năng kháng cháy 1 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành trên cơ sở Diamonium Hydrogen Phosphate (DAP) và cao su Clo hóa (CR) là rất cần thiết và cần được nghiên cứu. Ý tưởng khoa học Năm 2004, một bài viết về vấn đề kháng cháy trong nhựa polyester không no và nhựa vinyl, cho thấy khi các sản phẩm nhựa polyester có chứa halogen thì có hiệu quả khả năng kháng cháy cao hơn hẳn.
Bài viết được đăng trên tạp chí Journal of Fire Sciences do các tác giả Edward D. Weil và Sergei V. Levchik đồng sáng tác. [9] Tháng 1 năm 2008, Edward D.
Levchik đã công bố trên tạp chí Journal of Fire Sciences viết về sự hữu ích của việc đưa hợp chất halogen vào trong polyolefin để cải thiện khả năng kháng cháy. [10] Năm 2012, K Subramaniam, A Das, L Häußler, C Harnisch có công trình nghiên cứu cải thiện khả năng kháng cháy của các hợp chất cao su Polycloroprene với MWCNTs biến tính ionic được đăng trên tập chí Polymer Degradation and Stability vào tháng 5 năm 2012 do đồng tác giả. [11] Tình hình nghiên cứu trong nước vẫn chưa đề cập đến về việc kháng cháy của nhựa UPE trên cơ sở DAP và CR, nhưng nhóm nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Đắc Thành thuộc trường đại học Bách Khoa TpHCM đã có những nghiên cứu về sự kháng cháy này như: Luận văn nghiên cứu khả năng kháng cháy của Diammonium hydrogen phosphate ứng dụng trong composite UPE và sợi thủy tinh của sinh viên Trương Thiên Ngọc, giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Đắc Thành. Khi sử dụng chất kháng cháy DAP với hàm lượng 10% mẫu có cải thiện đáng kể so với mẫu composite UPE, ngọn lửa không cháy lan ra sau 30 giây đốt mà tắt trong 25mm đánh dấu đầu tiên với thời gian cháy trung bình 2 phút 17 giây.
So với các mẫu 10% hàm lượng DAP trong trường hợp chỉ nghiền bi hợp chất kháng cháy DAP và khuấy cao tốc ta thu được kết quả thời gian cháy trong 25mm đầu tiên ít hơn. Có thể lý giải là nhựa UPE và chất kháng cháy DAP được hòa trộn tốt hơn các hạt bột kháng cháy phân tán đều hơn trong hỗn hợp nhựa dẫn đến khả năng kháng cháy tốt hơn. Kết quả tốt nhất 2 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành thu được khi sử dụng hàm lượng kháng cháy 20% DAP các mẫu composite đều không có dấu hiệu của sự cháy sau khi ngừng đốt trong 30 giây. Nhưng với hàm lưọng 20% DAP thì độ bền cơ lý không tốt bằng hàm lượng 10% DAP.
Kết luận là mẫu composite UPE – sợi thủy tinh với 10% kháng cháy DAP trong trường hợp nghiền bi cả hỗn hợp DAP và nhựa UPE trong 8h là tối ưu nhất. Nó vừa đảm bảo tính chất cơ lý không bị quá thấp và vừa tăng được thêm khả năng kháng cháy cho composite UPE – sợi thủy tinh. [17] Luận văn nghiên cứu khả năng kháng cháy của cao su clo hóa CR ứng dụng trong composite UPE và sợi thủy tinh của sinh viên Nguyễn Hà Thiện Duyên, giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Đắc Thành cho kết luận là: Mẫu chứa hàm lượng cao su clo hóa 2.5%, 5% có độ nhớt phù hợp để gia công composite. Tạo ra vật liệu composite có độ bên kéo, modules kéo, độ bền uốn và modules uốn tương đối tốt, tương đương với vật liệu composite nhựa UPE.
Về khả năng kháng cháy, các mẫu này có vận tốc cháy của ngọn lửa thấp, thấp hơn vật liệu composite nhựa UPE. Mẫu chứa hàm lượng cao su clo hóa 2.5% được hòa tan thêm 10% dung môi Styren Monomer có độ nhớt thấp thích hợp lăn tay composite, tạo ra vật liệu composite có độ bền kéo, modules kéo, độ bền uốn, modules uốn cao hơn mẫu không pha thêm dung môi và tương đương với độ bền kéo, modules kéo, độ bền uốn và modules uốn của composite nhựa UPE. Về khả năng kháng cháy, tuy vận tốc cháy cao hơn vận tốc cháy của composite không pha thêm dung môi nhưng nó vẫn đảm bảo khả năng kháng cháy. [18] Hạn chế tồn tại trong lĩnh vực này đó là vật liệu composite kháng cháy tạo ra thường gặp nhiều trở ngại từ quy trình chế tạo đến tính chất của sản phẩm tạo thành.
Độ nhớt của hỗn hơp nhựa và phụ gia thường rất cao, có những phụ gia kháng cháy rất khó hòa tan vào trong hỗn hợp nhựa. Độ nhớt cao cũng như độ tương hợp của phụ gia kháng cháy trong hỗn hợp nhựa khiến cho khả năng gia công composite bằng phương pháp lăn tay gặp rất nhiều khó khăn. Không chỉ khó khăn trong gia công, tính tương hợp của các thành phần trong composite không tốt dẫn đến không thể tạo thành khối composite đồng nhất, tính chất tấm composite tạo thành kém hơn tấm composite 3 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành thông thường. Vì vậy, giải quyết vấn đề gia công composite kháng cháy và tính chất sản phẩm tạo thành là rất cần thiết.
Ngoài ra, Halogen tồn tại trong các phụ gia kháng cháy tuy có hiệu quả cao trong việc giảm tốc độ cháy hoặc dập tắt đóm lửa phát sinh. Nhưng ngày nay một số khuyến cáo về y học cho thấy, lượng Halogen thoát ra trong quá trình cháy cũng là một phần nguyên nhân (tuy là không lớn) dẫn đến những tổn hại cho cơ thể người. Do đó, việc giảm lượng dùng Halogen hoặc dùng biện pháp khử lượng Halogen này là hướng nghiên cứu quan trọng. Hướng giải quyết: Sử dụng tác chất kháng cháy gốc Halogen là Cao su Clo hóa, tác chất này có thể được hòa tan vào trong hệ nhựa polyester không no, độ nhớt hệ nhựa tăng không nhiều, đồng thời đảm bảo tính tương hợp trong cả hệ nhựa và giữa nhựa và sợi thủy tinh.
Ngoài ra, cao su clo hóa còn bổ sung khả năng chịu va đập, vốn là một khuyết điểm của vật liệu composite. Tại Việt Nam, cao su clo hóa hiện khá phổ biến. Sử dụng tác chất kháng cháy DAP mang lại những hiệu ứng quan trọng. Đầu tiên sử dụng thêm tác chất này đồng nghĩa với việc giảm thiểu lượng Halogen sử dụng trong composite.
Không chỉ vậy, DAP khi bị cháy sẽ tạo một lớp vật chất rắn bám trên bề mặt vật cháy ngăn cản sự cháy giảm lượng khí sinh ra khi cháy. Quan trọng hơn, khi bị cháy, tác chất này còn sinh ra khí NH2, có tác dụng bắt các nhóm Halogen như Cl2, HCl giảm thiểu lượng Halogen gây hại thoát ra. Nghiên cứu sử dụng phối hợp hai loại Cao su Clo hóa và DAP trong composite nhựa polyester không no chưa từng được đề cập đến trong nghiên cứu nào. Hiện nay, tại Việt Nam, vật liệu composite kháng cháy tuy đã được một số nghiên cứu đưa ra, tuy nhiên hiệu quả và khả năng ứng dụng lại chưa mạnh mẽ.
Khảo sát nghiên cứu lượng dùng phối hợp Cao su Clo hóa và DAP mang đến hiệu quả tối ưu vừa đảm bảo tính chất cơ lý vừa đảm bảo tính kháng cháy của vật liệu (khả năng kháng cháy ở đây được hiểu là khả năng giảm vận tốc cháy, giảm khả năng lan truyền 4 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành sự cháy tối đa có thể). Qua đó có thể ứng dụng vật liệu composite kháng cháy vào thực tiễn sản xuất phục vụ xã hội. Tính cấp thiết và tính mới Trước hết, việc chế tạo và sử dụng vật liệu composite kháng cháy là nhu cầu lớn của xã hội. Những công trình xây dựng, giao thông, gia dụng được xây dựng và chế tạo mới cần đảm bảo tính năng sử dụng cao cũng như an toàn cháy nổ.
Nghiên cứu và ứng dụng vật liệu composite kháng cháy vô cùng cần thiết cho đất nước có nền nhiệt độ trung bình cao và đang phát triển như ở Việt Nam. Để tiến lên hội nhập cùng thế giới, việc nghiên cứu về vật liệu composite kháng cháy là cần thiết. Vì hiện hay, tại các nước tiên tiến đều đặt ra yêu cầu vật liệu composite trong các lĩnh vực xây dựng, giao thông, hàng hải, dân dụng… phải đảm bảo tính kháng cháy. Nghiên cứu vấn đề này giúp ta tiếp cận và thích ứng được với sự phát triển của thế giới.
Ngoài ra, về mặt ý nghĩa khoa học nghiên cứu khắc phục các vấn đề gia công composite kháng cháy, khả năng tương hợp của các tác chất kháng cháy, đảm bảo tính chất cơ lý composite và khắc phục lượng Halogen gây hại trong hệ composite kháng cháy là rất cấp thiết. Giải quyết những vấn đề này giúp nâng cao khả năng sử dụng mở rộng lĩnh vực ứng dụng vật liệu composite trong đời sống. Góp phần phát triển các ngành kinh tế mũi nhọn như thương mại, xây dựng, giao thông.