Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của Cục Cảnh sát PCCC và CNCH năm 2019, cả nước xảy ra khoảng 3.790 vụ cháy, gây thiệt hại tài sản ước tính lên tới 1.527 tỷ đồng và làm chết 85 người. Tình hình cháy nổ diễn biến phức tạp, đặc biệt tại các khu vực phát triển kinh tế nhanh, đô thị hóa cao như khu công nghiệp, nhà cao tầng. Trong bối cảnh đó, việc sử dụng vật liệu polyme và compozit trong xây dựng ngày càng phổ biến do tính tiện lợi và thẩm mỹ, tuy nhiên, đa số các loại nhựa này có tính dễ cháy cao, gây nguy hiểm khi xảy ra hỏa hoạn.

Xốp polyurethane (PU) cứng là vật liệu cách nhiệt, cách âm được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng nhờ trọng lượng nhẹ, độ dẫn nhiệt thấp và tính cơ học tốt. Tại Việt Nam, lượng nguyên liệu polyol và isocyanate nhập khẩu để sản xuất xốp PU lên tới hàng chục nghìn tấn mỗi năm, với giá trị sản phẩm xây dựng từ xốp PU đạt hàng nghìn tỷ đồng. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của xốp PU là tính dễ cháy và phát sinh khí độc khi cháy, gây nguy hiểm cho người sử dụng.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo vật liệu compozit chống cháy trên nền polyurethane thân thiện môi trường, có tính bền cơ học cao. Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng các phụ gia chống cháy như ammonium polyphosphate (APP), melamine cyanurate (MC), graphit giãn nở nhiệt (EG) và nanoclay hữu cơ để cải thiện khả năng chống cháy và tính chất cơ lý của xốp PU. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 2019-2020, với các phép thử tiêu chuẩn UL94, LOI và phân tích cơ lý nhằm đánh giá hiệu quả của các compozit.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng an toàn cháy nổ, góp phần giảm thiểu thiệt hại do cháy gây ra, đồng thời thúc đẩy ứng dụng vật liệu polyme chống cháy thân thiện môi trường trong ngành xây dựng và công nghiệp.

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:

  • Cơ chế chống cháy của vật liệu polyme: Bao gồm hoạt động trong pha khí (ức chế gốc tự do) và pha rắn (hình thành lớp than bảo vệ). Các phụ gia chống cháy hoạt động bằng cách tạo lớp than trương phồng hoặc giải phóng khí pha loãng oxy, làm giảm nhiệt độ và ngăn ngừa sự lan truyền ngọn lửa.

  • Lý thuyết về vật liệu compozit: Sự kết hợp giữa nền polyurethane và các phụ gia chống cháy như APP, MC, EG và nanoclay nhằm cải thiện tính chất chống cháy và cơ lý. Nanoclay tạo cấu trúc mạng "mê cung" làm chậm sự khuếch tán khí dễ cháy.

  • Khái niệm chính:

    • Polyurethane (PU): Vật liệu polyme đa dạng, có thể tổng hợp từ polyol và diisocyanate.
    • Phụ gia chống cháy (FR): Các hợp chất như ammonium polyphosphate, melamine cyanurate, graphit giãn nở nhiệt.
    • Chỉ số oxy giới hạn (LOI): Hàm lượng oxy tối thiểu duy trì sự cháy.
    • Thử nghiệm UL94: Phương pháp đánh giá khả năng chống cháy theo chiều ngang (HB) và chiều đứng (V).
    • Nanoclay: Vật liệu nano dạng lớp, cải thiện tính chất cơ lý và chống cháy.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu polyol SR650, isocyanate 4,4’-MDI, phụ gia chống cháy APP, MC, EG và nanoclay Cloisite 20A. Các mẫu compozit được tổng hợp tại phòng thí nghiệm Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

  • Phương pháp tổng hợp: Xốp PU và compozit được chế tạo theo phương pháp nở tự do, trộn polyol với chất trợ nở cyclopentane, phụ gia chống cháy, sau đó thêm isocyanate và khuấy đều. Mẫu được ủ ở 70°C trong 24 giờ để phản ứng hoàn tất.

  • Phân tích và đánh giá:

    • Thử nghiệm cháy UL94-HB (cháy ngang) và UL94-V (cháy đứng) theo tiêu chuẩn ASTM D 635-98 và ASTM D 3801.
    • Đo chỉ số oxy giới hạn (LOI) theo ASTM D2863.
    • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để đánh giá sự ổn định nhiệt.
    • Đo độ bền nén theo ISO 4898.
    • Đo độ dẫn nhiệt theo DIN EN 993-15.
    • Quan sát hình thái bề mặt bằng hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM).
    • Phân tích khả năng phân tán nanoclay bằng nhiễu xạ tia X (XRD).

  • Cỡ mẫu: Mỗi loại compozit được tổng hợp với các hàm lượng phụ gia khác nhau (5-25% khối lượng), với ít nhất 5 mẫu thử cho mỗi phép đo để đảm bảo độ tin cậy.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2019-2020, bao gồm tổng hợp mẫu, thử nghiệm tính chất chống cháy và cơ lý, phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng chống cháy của compozit PUF:

    • Mẫu PUF tinh khiết có tốc độ cháy ngang lên tới 500 mm/phút, không đạt phân loại UL94-HB.
    • Các compozit chứa phụ gia APP, MC, EG đều đạt phân loại UL94-HB với chỉ 5% khối lượng phụ gia.
    • Theo thử nghiệm UL94-V, compozit MC/PUF và EG/PUF đạt phân loại V-0 với 15% phụ gia, trong khi APP/PUF cần tới 25%.
    • Giá trị LOI tăng theo hàm lượng phụ gia, với compozit EG/PUF đạt LOI 30,1% ở 25% phụ gia, vượt trội so với MC/PUF (24,1%) và APP/PUF (23,7%).

  2. Ảnh hưởng của phụ gia đến tính chất cơ lý:

    • Độ bền nén của compozit giảm nhẹ khi tăng hàm lượng phụ gia, tuy nhiên compozit EG/PUF duy trì độ bền tốt hơn so với APP/PUF và MC/PUF.
    • Độ dẫn nhiệt của compozit EG/PUF giảm nhẹ, giữ được khả năng cách nhiệt tốt.

  3. Hiệu quả của nanoclay trong nanocompozit clay/EG/PUF:

    • Nanoclay phân tán tốt trong nền PU, tạo cấu trúc mạng làm tăng độ bền nén lên khoảng 15% so với compozit EG/PUF không có nanoclay.
    • Nanocompozit có sự ổn định nhiệt cao hơn, giảm tốc độ phân hủy trong TGA.
    • Khả năng chống cháy được cải thiện, với giá trị LOI tăng thêm khoảng 2-3% so với compozit EG/PUF.

  4. Quan sát hình thái bề mặt:

    • Ảnh SEM cho thấy lớp than trương phồng dày và liên tục trên bề mặt compozit EG/PUF sau cháy, tạo rào cản vật lý hiệu quả.
    • Lớp than của compozit APP/PUF có cấu trúc giòn, dễ bị đứt gãy khi cháy.
    • Nanoclay giúp tăng cường cấu trúc lớp than, làm tăng tính bền vững của lớp bảo vệ.

Thảo luận kết quả

Khả năng chống cháy vượt trội của compozit EG/PUF được giải thích bởi cơ chế giãn nở mạnh của graphit giãn nở nhiệt khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, tạo thành lớp than cacbon có thể tích lớn, ngăn cản sự truyền nhiệt và oxy vào bên trong vật liệu. Điều này được minh họa qua ảnh SEM, cho thấy các lớp cacbon tách rời và giãn nở hàng trăm lần so với kích thước ban đầu.

Phụ gia MC và APP hoạt động chủ yếu qua cơ chế phân hủy thu nhiệt giải phóng khí NH3 và tạo lớp than trương phồng, tuy nhiên lớp than của APP có cấu trúc kém bền hơn, dẫn đến hiệu quả bảo vệ thấp hơn. Kết quả LOI và UL94-V phản ánh rõ sự khác biệt này.

Việc bổ sung nanoclay hữu cơ vào compozit EG/PUF không chỉ cải thiện tính cơ lý mà còn tăng cường khả năng chống cháy nhờ tạo ra cấu trúc mạng "mê cung" làm chậm sự khuếch tán khí dễ cháy và tăng độ bền của lớp than bảo vệ. Kết quả TGA cho thấy nanocompozit có sự ổn định nhiệt cao hơn, phù hợp với yêu cầu sử dụng trong xây dựng.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đồng với các báo cáo về hiệu quả của EG và nanoclay trong việc cải thiện tính chống cháy của xốp PU. Nghiên cứu cũng khẳng định xu hướng sử dụng phụ gia chống cháy phi-halogen thân thiện môi trường, phù hợp với các quy định pháp luật về an toàn cháy nổ và bảo vệ sức khỏe người dùng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng compozit EG/PUF trong xây dựng:

    • Khuyến nghị sử dụng compozit chứa 15-20% EG để đạt hiệu quả chống cháy cao, đồng thời duy trì tính cơ lý và cách nhiệt.
    • Thời gian triển khai: 1-2 năm để thử nghiệm và đưa vào sản xuất quy mô công nghiệp.
    • Chủ thể thực hiện: Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và các viện nghiên cứu.

  2. Phát triển nanocompozit clay/EG/PUF:

    • Tăng cường nghiên cứu và ứng dụng nanoclay hữu cơ nhằm cải thiện tính bền cơ học và chống cháy.
    • Thời gian: 2-3 năm để hoàn thiện công nghệ và đánh giá thực tế.
    • Chủ thể: Viện nghiên cứu vật liệu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ cao.

  3. Thay thế phụ gia halogen bằng phụ gia phi-halogen:

    • Khuyến khích sử dụng APP, MC và EG thay thế các chất chống cháy halogen nhằm giảm phát thải khí độc hại.
    • Thời gian: Triển khai ngay trong các quy trình sản xuất hiện tại.
    • Chủ thể: Nhà sản xuất vật liệu và cơ quan quản lý môi trường.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn và quy định về vật liệu chống cháy:

    • Đề xuất ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu compozit chống cháy trên nền PU phù hợp với điều kiện Việt Nam.
    • Thời gian: 1-2 năm phối hợp với Bộ Xây dựng và Bộ Khoa học Công nghệ.
    • Chủ thể: Cơ quan quản lý nhà nước, viện nghiên cứu và hiệp hội ngành nghề.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng:

    • Lợi ích: Áp dụng công nghệ chế tạo compozit chống cháy hiệu quả, nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng tiêu chuẩn an toàn cháy nổ.
    • Use case: Sản xuất tấm cách nhiệt, vách ngăn chống cháy cho công trình dân dụng và công nghiệp.

  2. Viện nghiên cứu và trường đại học:

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp tổng hợp, đánh giá tính chất vật liệu compozit chống cháy, phát triển nghiên cứu tiếp theo.
    • Use case: Nghiên cứu vật liệu polyme thân thiện môi trường, phát triển vật liệu nano ứng dụng trong chống cháy.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước về an toàn cháy nổ và xây dựng:

    • Lợi ích: Cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về vật liệu chống cháy trong xây dựng.
    • Use case: Ban hành quy chuẩn kỹ thuật, kiểm soát chất lượng vật liệu xây dựng.

  4. Chuyên gia và kỹ sư trong ngành công nghiệp polyme và vật liệu compozit:

    • Lợi ích: Nắm bắt xu hướng sử dụng phụ gia chống cháy phi-halogen, công nghệ chế tạo compozit mới.
    • Use case: Thiết kế sản phẩm mới, cải tiến công nghệ sản xuất vật liệu chống cháy.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phụ gia chống cháy nào hiệu quả nhất cho xốp polyurethane?
    Phụ gia graphit giãn nở nhiệt (EG) cho hiệu quả chống cháy vượt trội với giá trị LOI lên tới 30% ở 25% hàm lượng, nhờ khả năng giãn nở tạo lớp than bảo vệ dày và bền. MC và APP cũng cải thiện khả năng chống cháy nhưng hiệu quả thấp hơn.

  2. Việc bổ sung nanoclay có ảnh hưởng thế nào đến tính chất vật liệu?
    Nanoclay hữu cơ giúp tăng độ bền nén khoảng 15%, cải thiện sự ổn định nhiệt và khả năng chống cháy nhờ tạo cấu trúc mạng làm chậm sự khuếch tán khí dễ cháy, đồng thời tăng cường độ bền của lớp than bảo vệ.

  3. Các phương pháp thử nghiệm chống cháy được sử dụng trong nghiên cứu là gì?
    Nghiên cứu sử dụng tiêu chuẩn UL94-HB (cháy ngang), UL94-V (cháy đứng) và chỉ số oxy giới hạn (LOI) theo ASTM để đánh giá khả năng chống cháy của các mẫu compozit.

  4. Tại sao các chất chống cháy halogen không được khuyến khích sử dụng?
    Chất chống cháy halogen tuy hiệu quả nhưng sinh ra nhiều khói và khí độc khi cháy, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Nhiều quốc gia đã cấm sử dụng các chất này.

  5. Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu này vào sản xuất công nghiệp không?
    Có thể. Với quy trình tổng hợp đơn giản, nguyên liệu sẵn có và hiệu quả chống cháy cao, compozit EG/PUF và nanocompozit clay/EG/PUF có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất vật liệu xây dựng chống cháy.

Kết luận

  • Xốp polyurethane tinh khiết có tính dễ cháy cao, không đạt tiêu chuẩn chống cháy UL94-HB và UL94-V.
  • Phụ gia graphit giãn nở nhiệt (EG) cải thiện đáng kể khả năng chống cháy, đạt phân loại UL94-V0 với 15% hàm lượng và giá trị LOI lên tới 30%.
  • Phụ gia melamine cyanurate (MC) và ammonium polyphosphate (APP) cũng nâng cao khả năng chống cháy nhưng hiệu quả thấp hơn EG.
  • Bổ sung nanoclay hữu cơ vào compozit EG/PUF giúp tăng cường tính cơ lý và khả năng chống cháy nhờ cấu trúc mạng nano và lớp than bền vững.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu compozit chống cháy thân thiện môi trường, phù hợp ứng dụng trong xây dựng và công nghiệp.

Next steps: Triển khai thử nghiệm sản xuất quy mô lớn, đánh giá hiệu quả thực tế và hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật. Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu được khuyến khích hợp tác phát triển sản phẩm.

Để nâng cao an toàn cháy nổ trong xây dựng, hãy ưu tiên sử dụng vật liệu compozit chống cháy trên nền polyurethane có phụ gia phi-halogen và nanoclay, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến công nghệ vật liệu mới.