Nghiên cứu, ứng dụng vật liệu cấu trúc nano chế tạo nanocompozit chống cháy trên nền polyuretan, polycacbonnat-acrylonitril butadien styren hướng tới sử dụng trong dân dụng

Ngày đăng:13-11-2020 (220 lượt xem )

Hiện nay, vật liệu xốp polyurethan (PU) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống do chúng có các đặc tính nổi bật như cách nhiệt, cách âm tốt, khả năng chịu lực cao, bền hóa chất, có khả năng chống ăn mòn, dễ gia công, dễ lắp đặt, dễ kết dính với loại vật liệu khác như tôn, nhôm, bê tông, nhựa.... Tuy nhiên, loại vật liệu này rất dễ bén lửa, bùng phát rất nhanh, một khi đã cháy thì rất khó dập tắt vì hiện tượng cháy ngầm trong lỗ xốp có sẵn khí oxi . Nguy hiểm hơn, hai vật liệu xốp PU và nhựa PC-ABS khi cháy thải ra rất nhiều khói đen và khí độc.

Xuất phát từ vấn đề trên, nhóm học sinh Lê Ngọc Minh; Nguyễn Bảo Trung - Lớp 12A1, trường THPT Việt Yên số 1 đã nghiên cứu, tìm hiểu và tham khảo các kênh thông tin và các tài liệu đã được công bố, từ đó đưa ra ý tưởng bổ sung phụ gia chống cháy vào trong nền PU, nền PC-ABS để tăng khả năng chống cháy của vật liệu nhưng đồng thời cũng không làm giảm cơ tính của chúng. Hai em đã nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu, ứng dụng vật liệu cấu trúc nano chế tạo nanocompozit chống cháy trên nền polyurethan, polycacbonat - acrylonitril butadien styren hướng tới sử dụng trong dân dụng. Sản phẩm đạt giải Nhì Cuộc thi Sáng tạo thanh, thiếu niên nhi đồng cấp tỉnh lần thứ 16, năm 2020.

 Tính mới, tính sáng tạo:

Trong quy trình chế tạo nano graphen đa lớp (GnP) sử dụng các phương pháp sốc nhiệt, siêu âm đầu cực kết hợp quá trình nghiền bi sử dụng chất trợ nghiền là muối NaCl. Đây là điểm mới đạt được của nghiên cứu do kết hợp các phương pháp nhằm tối ưu quá trình bóc tách lớp tạo vật liệu GnP. Đã nghiên cứu áp dụng graphit giãn nở nhiệt (EG-1) tổ hợp với nano kẽm borat ZB để làm phụ gia chống cháy trên nền PU. Tìm được tỉ lệ tối ưu giữa EG-1, ZB trên nền PU cho khả năng chống cháy tuyệt vời và cơ tính đảm bảo. Nghiên cứu phối hợp graphen đa lớp GnP, nhôm hidroxit  ATH, nano kẽm borat  ZB để làm chất chống cháy trên nền PC-ABS. Tìm được tỉ lệ tối ưu giữa GnP, ATH, ZB trên nền PC-ABS cho khả năng chống cháy cao, là vật liệu tự tắt cháy khi có hỏa hoạn.

Thực nghiệm chế tạo xốp polyurethan chống cháy và nhựa PC-ABS chống cháy

Quá trình thực nghiệm gồm các bước như trong sơ đồ 1:

Chế tạo các vật liệu cấu trúc nano dùng làm phụ gia chống cháy

 Chế tạo vật liệu nano kẽm borat 2ZnO.3B2O3.3,5H2O

 

  Sơ đồ 2. Quy trình tổng hợp nano kẽm borat 2ZnO.3B2O3.3,5H2O

     Nano kẽm borat công thức 2ZnO.3B2O3.3,5H2O được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa giữa H3BO3, Na2B4O7 và Zn(NO3)2 ở nhiệt độ cao. Quá trình tổng hợp nano kẽm borat được thực hiện như sau: Cho 4,96g axit boric (H3BO3), 3,82g natri tetraborat decahydrat (Na2B4O7.10H2O), 27ml nước cất và 0,7g chất hoạt động bề mặt (CHĐBM) tween 80 vào một bình cầu ba 3 cổ 250ml. Sau đó, hỗn hợp được khuấy và gia nhiệt tới 90oC có hồi lưu (hỗn hợp A). 11,9 g Zn(NO3)2.6H2O hòa tan trong 3 ml nước cất và được nhỏ từ từ dung dịch vào hỗn hợp A, xuất hiện kết tủa màu trắng. Phản ứng tiếp tục được thực hiện trong vòng 5h. Sản phẩm thu được có màu trắng được đem lọc, rửa nhiều lần với etanol và nước cất để loại bỏ các chất chưa phản ứng, chất hoạt động bề mặt dư, cuối cùng mẫu được sấy qua đêm ở 80oC rồi nghiền mịn để thu được bột trắng nano kẽm borat (ZB).

Chế tạo vật liệu nano graphen đa lớp, graphit giãn nở nhiệt

Vật liệu graphen đa lớp được chế tạo bằng phương pháp sốc nhiệt kết hợp siêu âm đầu cực và nghiền bi sử dụng chất trợ nghiền. Trong quá trình chế tạo GnP thu được EG-1 sau bước đầu tiên khi oxi hóa bột graphit bằng chất oxi hóa mạnh H2O2, H2SO4 đặc.

Sơ đồ 3. Sơ đồ quy trình tổng hợp nano graphen đa lớp và graphit giãn nở nhiệt

  Chế tạo sản phẩm chống cháy trên nền PU và PC-ABS

 Chế tạo sản phẩm chống cháy trên nền polyurethan

Bọt cứng PU được tổng hợp theo phương pháp nở tự do một bước với hai thành phần chính là polyol và isocyanate, ngoài ra, còn có sự có mặt của chất chống cháy nano kẽm borat (ZB) và graphit giãn nở nhiệt (EG-1). Quy trình tổng hợp compozit chống cháy trên nền PU được thực hiện theo sơ đồ 4.

 

  Sơ đồ 4. Quy trình tổng hợp compozit chống cháy trên nền PU

 Các chất chống cháy cấu trúc nano ZB và EG-1 được sấy qua đêm ở 80oC trước khi sử dụng. Polyol được làm lạnh xuống dưới 10oC trước khi thực hiện thí nghiệm để tránh sự bay hơi của chất trợ nở C5 khi thao tác. Các chất chống cháy được phân tán vào polyol trước khi thêm MDI. Kết thúc quá trình thu được các compozit trên nền PU dạng bọt xốp cứng. Bọt PU được chuẩn bị các mẫu theo các kích thước tiêu chuẩn của các phép đo nghiên cứu tính chất của vật liệu.

Chế tạo vật liệu nhựa PC-ABS chống cháy

- Hỗn hợp GnP, nhôm hydroxit Al(OH)3 (ATH) và ZB được trộn với tổ hợp nhựa PC-ABS, tỉ lệ trộn PC : ABS = 80 : 20 về khối lượng, trong máy trộn kín Brabender.

- Nhựa PC-ABS được làm nóng chảy trong 4 phút, với tốc độ 50 vòng/phút ở nhiệt độ 200oC .

- Hỗn hợp GnP, ATH và ZB với tỉ lệ khác nhau sau đó được thêm vào nhựa PC-ABS và trộn trong 10 phút. Mẫu hỗn hợp thu được sau quá trình trộn nóng chảy được ép nóng ở 210oC trong 7 phút để thu được mẫu.

Sơ đồ 5. Quy trình tổng hợp compozit chống cháy trên nền PC-ABS

Khả năng áp dụng thực tế

Qua quá trình nghiên cứu, thử nghiệm theo các tiêu chuẩn chống cháy cao nhất đo cháy UL94-V theo tiêu chuẩn tiêu chuẩn ASTM D 3801; UL94-HB (Horizontal Burning test) theo các tiêu chuẩn ASTM D 635; Chỉ số oxy giới hạn (LOI) theo tiêu chuẩn ASTM D 2863 cho thấy các sản phẩm xốp PU chống cháy và nhựa PC-ABS chống cháy có khả năng chống cháy tuyệt vời, là các vật liệu tự tắt cháy khi xảy ra hỏa hoạn.

- Nanocompozit trên nền polyurethan có khả năng chống cháy có ý nghĩa kinh tế xã hội và tiềm năng ứng dụng lớn thay thế cho các sản phẩm vách ngăn, tấm lợp cách nhiệt, cách âm trên nền polyurethan dễ cháy hiện đang được sử dụng rộng rãi trong hộ gia đình, nhà hàng, khách sạn, nhà kho…  

- Nacompozit trên nền PC-ABS có khả năng chống cháy ứng dụng làm ổ điện, phích cắm, vỏ hộp công tơ, hộp biến áp, hộp điện, vỏ máy tính, máy in, vỏ của các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác. Đây là những sản phẩm có nhu cầu lớn trên thị trường. Do các thiết bị này thường xuyên tiếp xúc với nguồn lửa hoặc chập điện, việc nâng cao khả năng chống cháy của chúng sẽ hạn chế được rất nhiều nguy cơ cháy nổ trong các khu dân cư, khu công nghiệp…

Nguyễn Thị Kim Dung

Các tin tức khác:

DANH MỤC
Liên hiệp hội đón nhận Huân chương Lao động hạng Ba
Slide
Ban Chấp hành khóa IV ra mắt Đại hội
Slide
GS. TSKH Đặng Vũ Minh - Chủ tịch Liên hiệp hội Việt Nam phát biểu chỉ đạo Đại hội
Slide
Chủ tịch UBND tỉnh tặng bằng khen cho các cá nhân tiêu biểu
Slide
LIÊN KẾT WEBSITE
Thống kê truy cập
  Số người online:  5
  Hôm nay:  362
  Tháng này:  1595
  Tổng số truy cập:  1257553