MỞ ĐẦU Cháy nổ là một vấn đề gây thiệt hại nghiêm trọng về người và của không chỉ ở Việt Nam mà khắp nơi trên thế giới, không loại trừ các nước phát triển. Theo thống kê của Hiệp hội phòng cháy chữa cháy quốc gia Hoa kỳ, trong giai đoạn 2015-2019, trung bình có khoảng 346.800 vụ cháy nhà làm thiệt mạng trên 2.600 người và bị thương trên 11.000 người mỗi năm [1]. Tại Việt Nam, theo Báo cáo sơ kết 5 năm thực hiện Nghị định 83/2017/NĐ-CP quy định công tác cứu nạn, cứu hộ của lực lượng phòng cháy chữa cháy, trong 5 năm từ (2017-2021), toàn quốc xảy ra 17.055 vụ cháy lớn, làm chết 433 người, bị thương 790 người, tài sản thiệt hại ước tính 7. Tình hình cháy nổ diễn biến phức tạp với tần suất ngày càng cao, tập trung nhiều tại các khu dân cư, chung cư cao tầng, khu công nghiệp, chợ, cơ sở sản xuất, đặc biệt là cơ sở kinh doanh karaoke.
Nhiều vụ cháy đặc biệt nghiêm trọng và thương tâm chính là lời nhắc nhở về công tác phòng ngừa, ứng phó với các sự cố cháy nổ để đảm bảo an toàn tính mạng và tài sản của người dân. Theo thống kê, phần lớn thương vong trong đám cháy là do ngạt khói và khí độc [3]. Vì vậy, nhu cầu về các loại vật liệu có khả năng giảm khói và khí độc sinh ra trong đám cháy là hết sức cấp thiết. Trong các tình huống chữa cháy khẩn cấp, yêu cầu đặt ra với vật liệu là vừa đạt hiệu quả loại bỏ chất độc, vừa dễ thao tác, dễ tiếp cận khu vực cháy.
Các loại bình chữa cháy thông dụng đã chứng minh khả năng tiếp cận vùng cháy và chữa cháy hiệu quả, tuy nhiên chưa có khả năng loại bỏ khí độc. Do đó, nếu có thể bổ sung thành phần đảm nhiệm chức năng giảm khói và khí độc vào các bình chữa cháy phổ thông sẽ mang lại ý nghĩa hết sức to lớn trong công tác phòng cháy và chữa cháy, giúp giảm thiểu thương vong cho người và vật nuôi. Một số oxit kim loại và muối vô cơ kích thước nanomet đã được biết đến với khả năng hấp phụ tốt các chất độc trong môi trường. Đây cũng là những vật liệu không đòi hỏi điều kiện bảo quản quá ngặt nghèo.
Việc kết hợp được vật liệu hấp phụ khí độc với các các chất chữa cháy hiện hữu sẽ vừa có ý nghĩa khoa học vừa có giá trị thực tiễn. Để hạn chế cháy nổ và hậu quả của cháy nổ, nhiều loại vật liệu có khả năng chống cháy đã được nghiên cứu sử dụng, ví dụ như các hợp chất chống cháy cơ halogel, các hợp chất chống cháy cơ photpho, các hợp chất chống cháy chứa nitơ, và các nanocomposite [4]. Việc sử dụng các chất chống cháy để hạn chế hỏa hoạn là rất 2 cần thiết, tuy nhiên cần lưu ý đến nguy cơ ảnh hưởng của chất chống cháy tới sức khỏe người dùng. Trước đây, phụ gia chống cháy chứa halogen được sử dụng nhiều do hiệu quả cao nhưng có khả năng gây độc nên đã bị hạn chế ở nhiều quốc gia phát triển [5].
Trong những thập niên gần đây, công nghệ nano đã có nhiều ứng dụng làm thay đổi đáng kể ngành phòng cháy chữa cháy. Với sự phát triển của công nghệ nano, người ta đã có thể tạo ra các vật liệu mới thân thiện môi trường, có tính năng chậm cháy mà vẫn giữ nguyên được các đặc tính ưu việt của vật liệu ban đầu như độ bền, nhẹ, mỏng. Chất độn nano trong lớp phủ chống cháy vừa giúp vật liệu có điểm bắt cháy cao hơn vừa hỗ trợ vật liệu chống lại các tác động của môi trường bên ngoài như bức xạ mặt trời, độ ẩm và cả vi khuẩn, từ đó giúp vật liệu vững chắc hơn trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Ứng dụng công nghệ nano vào các vật liệu sẵn có như gỗ, khoáng sét, gạch, vữa, vải cotton, bọt, giấy, hộp carton sẽ thu được các vật liệu xây dựng, vật liệu phủ, vật liệu gia dụng có khả năng chống cháy tốt hơn và tạo ra các công trình xây dựng an toàn hơn [5], [6].
Vật liệu chống cháy cấu trúc nano được cho là có tác dụng tương hỗ khi được kết hợp cùng nhau. Nghĩa là, khi hai chất chậm cháy cùng được thêm vào, tính năng chậm cháy của tổ hợp vật liệu sẽ tốt hơn tổng khả năng chậm cháy của hai chất đơn lẻ [7]. Một vấn đề trở ngại thường gặp trong thực tế là sự phân tán của các hạt nano trong vật liệu polyme. Trong quá trình cháy, trên bề mặt nanocomposite sẽ hình thành các bong bóng đóng vai trò rào cản vật lý làm chậm quá trình cháy.
Tuy nhiên, nếu bong bóng phát nổ sẽ làm bắn các hạt nano ra ngoài và vật liệu không còn được bao phủ hoàn toàn bởi các hạt nano chống cháy nữa. Khi đó khả năng cản trở sự truyền nhiệt và chuyển khối trong quá trình cháy sẽ suy giảm. Để giảm thiểu được rủi ro này, các hạt nano cần được phân tán đều khắp toàn bộ khối vật liệu [8], [9]. Do đó, cần tạo ra các hạt nano các đặc điểm phù hợp về kích thước, tính chất bề mặt có thể dễ dàng phân tán trong hệ polyme để giải quyết vấn đề này.
Xuất phát từ thực tiễn nêu trên, đồng thời để bắt kịp xu hướng của khoa học công nghệ thế giới về nghiên cứu chế tạo vật liệu phòng cháy và chữa cháy thân thiện môi trường, góp phần giảm thiểu thiệt hại đáng tiếc về người và của do cháy nổ, chúng tôi lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu chế tạo một số vật liệu cấu trúc nano 3 định hướng ứng dụng hấp phụ khí độc và làm phụ gia chống cháy cho nhựa HDPE” với mục tiêu và các nội dung cụ thể như sau. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu tổng hợp một số oxit và muối vô cơ kích thước nano gồm Fe3O4, ZnO, CaCO3, MgCO3 có khả năng dùng để loại bỏ khí độc trong đám cháy. - Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano kẽm borate có khả năng ứng dụng làm phụ gia chậm cháy cho vật liệu polyme. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu các quy trình tổng hợp vật liệu nano Fe3O4, ZnO, CaCO3, MgCO3 bằng các phương pháp phù hợp.
Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt đến đặc trưng vật liệu thông qua các phương pháp hóa lý tiên tiến như SEM, TEM, XRD, FT-IR, TGA-DTA - Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ của các vật liệu nano thu được đối với một số khí độc thường gặp trong đám cháy như khí NO2, SO2, HCN, và CO. - Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano kẽm borate nhằm sử dụng làm phụ gia chống cháy. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng sản phẩm gồm pH, nhiệt độ phản ứng và chất hoạt động bề mặt. - Nghiên cứu đánh giá khả năng phối hợp chống cháy của sản phẩm nano kẽm borate với các chất chống cháy khác trên composite HDPE.1 Hóa học sự cháy 1.1 Điều kiện duy trì sự cháy và nguyên tắc phòng cháy chữa cháy Theo định nghĩa của Richard L.
Tuve [10], cháy là một quá trình oxy hóa tự duy trì nhanh chóng kèm theo sự phát triển của nhiệt và ánh sáng với các cường độ khác nhau. Khoa học phòng cháy chữa cháy từ hơn 100 năm trước đã công nhận quá trình cháy gồm ba yếu tố cơ bản là nhiên liệu, oxy và nhiệt, trong đó, nhiên liệu cháy có thể là chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí. Tuy nhiên, thông qua các nghiên cứu về phòng cháy và chữa cháy gần đây, người ta thêm yếu tố cần thiết thứ tư là phản ứng hóa học dây chuyền trong quá trình đốt cháy nhiên liệu, kèm theo sự tạo thành vô hạn các gốc tự do HO*, H*, R*. Vì vậy, gần đây, sơ đồ cháy dạng tam giác cổ điển được chuyển thành sơ đồ hình tháp tứ diện với yếu tố mới là phản ứng dây chuyền như trong Hình 1.
Đôi khi, chất oxy hóa trong đám cháy không phải là oxy trong không khí mà có thể là các chất oxy hóa giàu oxy như muối nitrat, clorat và peroxit. Sơ đồ tam giác cổ điển (trái) và sơ đồ tứ diện (phải) về sự cháy [11] Ý nghĩa của sơ đồ tứ diện này là, nếu có mặt đồng thời cả bốn yếu tố cơ bản ở tỉ lượng nhất định thì sẽ dẫn đến sự cháy. Đây cũng chính là nguyên lý của thực hành phòng cháy và chữa cháy, khi loại bỏ một trong các yếu tố cơ bản này, sự cháy sẽ không được duy trì. Loại bỏ nhiệt: Để loại bỏ nhiệt của đám cháy, người ta phải dùng chất chữa cháy có khả năng hấp thụ nhiệt hoặc hoạt động như một bộ trao đổi nhiệt.
Do có nhiệt dung lớn, nước thường được dùng cho mục đích này. 5 Loại bỏ nhiên liệu: Phương pháp này chỉ có thể áp dụng được với một số đám cháy nhiên liệu lỏng hoặc khí khi người ta có thể chủ động khóa van ống dẫn nhiên liệu. Trong phần lớn các vụ hỏa hoạn, biện pháp này gần như không khả thi. Loại bỏ oxy: Trong hầu hết các trường hợp, nồng độ oxy trong khí quyển (21%) là đủ để duy trì sự đốt cháy.
Việc loại bỏ oxy hoặc không khí trong các đám cháy lớn có thể được thực hiện bằng cách ngăn cách oxy khỏi nhiên liệu bởi một loại khí trơ như CO2, nitơ hoặc hơi nước. Ngắt mạch phản ứng dây chuyền: Các chất chữa cháy khô và halogen được cho là có khả năng làm gián đoạn hoặc liên kết với các gốc tự do hình thành trong quá trình đốt nhiên liệu, từ đó ngăn cản chúng tiếp tục phản ứng dây chuyền.2 Khói và khí độc trong đám cháy Số liệu thống kê cho thấy, thương vong trong các đám cháy lớn chủ yếu do khói và khí độc vì nó sẽ làm giảm tầm nhìn, gây ngạt và gây độc chứ không hẳn do bị bỏng [12]. Đa số các trường hợp tử vong do hỏa hoạn xảy ra tại nhà dân, nơi ít được quản lý hơn các tòa nhà lớn hoặc phương tiện giao thông công cộng [13]. Các đám cháy trong nhà nhanh chóng chuyển từ đủ oxy sang thiếu oxy, đồ vật không bị đốt cháy hoàn toàn và do đó tạo ra khối lượng khói thải lớn hơn.
Nồng độ CO và HCN tăng theo cấp số từ 10 - 50 khi thiếu oxy. Các khí ngạt này gây độc cấp tính nguy hiểm hơn nhiều so với việc thiếu oxy và khiến các tình trạng mất kiểm soát tiến triển nhanh chóng [3]. Ngoài khí CO và HCN gây độc cấp tính, trong khói đám cháy còn chứa những chất gây độc mãn tính, gây ung thư. So với các vật liệu tự nhiên (gỗ, bông, len, da, v.