Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu tổng hợp amoni polyphotphat (APP), APP/Diatomit, APP/Bentonit và khảo sát ứng dụng làm chất chống cháy

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:132

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật hóa học "Nghiên cứu tổng hợp amoni polyphotphat (APP), APP/Diatomit, APP/Bentonit và khảo sát ứng dụng làm chất chống cháy" trình bày các nội dung chính sau: Phân tích, đánh giá, cải thiện khả năng chịu lửa, chống cháy cho một số vật liệu phổ biến (gỗ, giấy, thép…) được sử dụng trong nhà, công trình đồng thời làm chủ công nghệ sản xuất, chế tạo vật liệu ở Việt Nam, ứng dụng trong công tác phòng cháy chữa cháy có hiệu quả.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu tổng hợp amoni polyphotphat (APP), APP/Diatomit, APP/Bentonit và khảo sát ứng dụng làm chất chống cháy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------- TRẦN THỊ THỊNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP AMONI POLYPHOTPHAT (APP), APP/DIATOMIT, APP/BENTONIT VÀ KHẢO SÁT ỨNG DỤNG LÀM CHẤT CHỐNG CHÁY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội – 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------- TRẦN THỊ THỊNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP AMONI POLYPHOTPHAT (APP), APP/DIATOMIT, APP/BENTONIT VÀ KHẢO SÁT ỨNG DỤNG LÀM CHẤT CHỐNG CHÁY Ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 9520301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. LA THẾ VINH 2. TS. NGUYỄN QUANG BẮC Hà Nội – 2023
LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn hết sức tận tình và đầy nhiệt tâm của PGS. TS La Thế Vinh và TS Nguyễn Quang Bắc. Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy và gia đình. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Bộ môn Công nghệ các chất vô cơ- Viện Kỹ thuật hóa học – Đại học Bách khoa đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu trường Đại học Phòng cháy chữa cháy - Bộ Công an, cùng quý anh/chị/em đồng nghiệp gần xa đã tận tình giúp đỡ, động viên trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân những người đã luôn mong mỏi, động viên và tiếp sức để tôi có thể hoàn thành bản luận án này. Hà Nội, tháng 10/2023 Tác giả luận án Trần Thị Thịnh i
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS La Thế Vinh và TS Nguyễn Quang Bắc. Các số liệu trích dẫn đều có nguồn gốc từ các công trình, tạp chí uy tín, các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ luận án nào khác. Hà Nội, tháng 10/2023 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận án PGS. TS. La Thế Vinh TS. Nguyễn Quang Bắc Trần Thị Thịnh ii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ ii MỤC LỤC. .......................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.............................................................. viii DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................ ix DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ ............................................................................. x M ĐẦ .................................................................................................................. xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHÁY VÀ CHẤT CHỐNG CHÁY ..................... 1 1. 1. Tổng quan về cháy .............................................................................................. 1 1. 1. 1. Khái niệm về cháy ................................................................................. 1 1. 1. 2. Những yếu tố và điều kiện cần thiết cho sự cháy................................... 1 1. 1. 2. 1. Các yếu tố cần thiết cho sự cháy ........................................................ 1 1. 1. 2. 2. Điều kiện cần thiết cho sự cháy.......................................................... 1 1. 1. 3. Cơ chế bắt cháy ...................................................................................... 2 1. 1. 3. 1. Cơ chế nhiệt ........................................................................................ 2 1. 1. 3. 2. Cơ chế chuỗi ....................................................................................... 2 1. 1. 4. Sự phân hủy nhiệt và bắt cháy của chất cháy rắn................................... 4 1. 1. 4. 1. Sự phân huỷ nhiệt của chất cháy rắn .................................................. 4 1. 1. 4. 2. Sự bắt cháy và cháy của chất rắn ....................................................... 4 1. 1. 5. Một số vật liệu cần bảo vệ trong điều kiện cháy .................................... 5 1. 1. 5. 1. Gỗ [1] ................................................................................................. 5 1. 1. 5. 2. Giấy .................................................................................................... 6 1. 1. 5. 3. Thép .................................................................................................... 7 1. 1. 5. 4. Sơn ...................................................................................................... 9 1. 1. 6. Các biện pháp phòng ngừa và hạn chế cháy ........................................ 11 1. 2. Tổng quan về chất chống cháy .......................................................................... 14 1. 2. 1. Giới thiệu về chất chống cháy .............................................................. 14 1. 2. 2. Vai trò của chất chống cháy trong vật liệu ........................................... 15 1. 2. 3. Các cơ chế chống cháy ......................................................................... 15 1. 2. 3. 1. Cơ chế vật lý ..................................................................................... 16 iii
1. 2. 3. 2. Cơ chế hóa học ................................................................................. 17 1. 2. 4. Phân loại các chất phụ gia chống cháy................................................. 18 1. 2. 4. 1. Hợp chất halogen hữu cơ.................................................................. 18 1. 2. 4. 2. Hợp chất chậm cháy chứa phospho hữu cơ ...................................... 20 1. 2. 4. 3. Hợp chất chống cháy chứa nitơ ........................................................ 21 1. 2. 4. 4. Các chất chống cháy hệ vô cơ .......................................................... 22 1. 3. Tổng quan về amoni polyphotphat, diatomit, bentonit ..................................... 24 1. 3. 1. Amoni polyphotphat (APP) .................................................................. 24 1. 3. 1. 1. Giới thiệu về APP ............................................................................. 24 1. 3. 1. 2. Các phương pháp điều chế APP ....................................................... 27 1. 3. 1. 3. Ứng dụng của APP ........................................................................... 28 1. 3. 2. Diatomit ................................................................................................ 28 1. 3. 2. 1. Giới thiệu về Diatomit ...................................................................... 28 1. 3. 2. 2. Ứng dụng .......................................................................................... 29 1. 3. 3. Bentonit ................................................................................................ 29 1. 3. 3. 1. Giới thiệu về Bentonit ...................................................................... 29 1. 3. 3. 2. Ứng dụng .......................................................................................... 30 1. 4. Một số nghiên cứu về APP, APP/phụ gia và khảo sát ứng dụng làm chất chống cháy................................................................................................................................ 31 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....... 34 2. 1. Hóa chất ............................................................................................................ 34 2. 2. Phương pháp tổng hợp vật liệu ......................................................................... 35 2. 2. 1. Tổng hợp APP ...................................................................................... 35 2. 2. 2. Tổng hợp phụ gia APP/Diatomit .......................................................... 35 2. 2. 3. Tổng hợp phụ gia APP/Bentonit .......................................................... 36 2. 2. 4. Phương pháp chế tạo giấy có độn APP, APP/phụ gia .......................... 37 2. 2.5. Phương pháp chế tạo giấy ngâm tẩm APP, APP/phụ gia ...................... 38 2. 2. 6. Phương pháp chế tạo sơn chứa phụ gia, hỗn hợp phụ gia .................... 39 2. 3. Các phương pháp xác định đặc trưng vật liệu ................................................... 39 2. 3. 1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction: XRD)........................ 39 2. 3. 2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM ........................................ 40 2. 3. 3 Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) ................................................... 41 iv
2. 3. 4 Phương pháp phân tích nhiệt (TG) ........................................................ 42 2. 4. Phương pháp thử cháy của vật liệu ................................................................... 42 2. 4. 1. Thử cháy cho giấy ................................................................................ 42 2. 4. 2. Thử cháy cho sơn trên bề mặt gỗ, thép ................................................ 43 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................. 44 3. 1. Nghiên cứu tổng hợp phụ gia APP.................................................................... 44 3. 1. 1. Ảnh hưởng của tỷ lệ axit photphoric : Ure tới độ tan của APP ........... 44 3. 1. 2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất tạo APP.................. 45 3. 1. 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến màu sắc và hiệu suất tạo APP 46 3. 1. 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy tới hiệu suất sản phẩm ............................ 47 3. 1. 5 Khảo sát một số tính chất của sản phẩm APP ....................................... 49 3. 1. 5. 1. Xác định các đặc trưng liên kết bằng phổ hồng ngoại FTIR............ 49 3. 1. 5. 2. Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của sản phẩm APP tổng hợp ......... 49 3. 1. 5. 3. Khảo sát cấu trúc tinh thể của sản phẩm APP tổng hợp .................. 50 3. 2. Tổng hợp hệ phụ gia APP/Bentonit và khảo sát đặc trưng tính chất ................ 51 3. 2. 1. Chế tạo mẫu AB1 ................................................................................. 51 3. 2. 1. 1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Bentonit: APP đến độ tan sản phẩm ........ 51 3. 2. 1. 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ hấp phụ tới độ tan sản phẩm ..................... 52 3. 2. 1. 3. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất tạo sản phẩm ........ 53 3. 2. 1. 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy tới hiệu suất tạo AB1 .......................... 54 3. 2. 2. Chế tạo mẫu AB2 ................................................................................. 55 3. 2. 1. 1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Bentonit: APP đến độ tan sản phẩm ........ 55 3. 2. 1. 2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất tạo AB2 ............. 56 3. 2. 1. 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy tới hiệu suất tạo AB2 .......................... 56 3. 2. 3. Phân tích đặc trưng liên kết bằng phổ hồng ngoại FTIR ..................... 57 3. 2. 3. 1. Bentonit ............................................................................................ 57 3. 2. 3. 2. Sản phẩm AB1.................................................................................. 58 3. 2. 3. 3. Sản phẩm AB2.................................................................................. 58 3. 2. 4. Xác định độ bền nhiệt của APP/Bentonit ............................................. 60 3. 2. 4. 1. Bentonit ............................................................................................ 60 3. 2. 4. 2. Sản phẩm AB1.................................................................................. 60 v
3. 2. 4. 3. Sản phẩm AB2.................................................................................. 61 3. 2. 5. Khảo sát cấu trúc tinh thể của AB1 và AB2 ........................................ 63 3. 2. 6. Khảo sát hình thái học bề mặt .............................................................. 64 3. 3. Khảo sát tính chất hệ phụ gia APP/Diatomit .................................................... 64 3. 3. 1. Chế tạo mẫu AD1 ................................................................................. 64 3. 3. 1. 1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Diatomit: APP đến độ tan sản phẩm ....... 64 3. 3. 1. 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ hấp phụ tới độ tan sản phẩm ..................... 65 3. 2. 1. 3. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất tạo sản phẩm ........ 66 3. 3. 1. 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy tới hiệu suất tạo AD1 ......................... 67 3. 3. 2. Chế tạo mẫu AD2 ................................................................................. 68 3. 3. 1. 1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Diatomit : APP đến độ tan sản phẩm ...... 68 3. 2. 2. 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy tới hiệu suất tạo AD2 ......................... 69 3. 2. 2. 4. Ảnh hưởng của thời gian sấy tới hiệu suất tạo AD2 ........................ 70 3. 3. 3. Phân tích đặc trưng liên kết APP và Diatomit bằng phổ hồng ngoại FTIR .................................................................................................... 71 3. 3. 4. Xác định độ bền nhiệt của APP/Diatomit ............................................ 73 3. 3. 5. Khảo sát hình thái học bề mặt .............................................................. 75 3. 4. Nghiên cứu một số tính chất vật liệu chứa phụ gia và hỗn hợp phụ gia ........... 76 3. 4. 1. Giấy chứa APP; APP/Diatomit; APP/Bentonit .................................... 76 3. 4. 1. 1. Giấy độn phụ gia .............................................................................. 76 3. 4. 1. 2. Giấy được phủ APP lên bề mặt ........................................................ 81 3. 4. 2. Chế tạo hệ sơn chống cháy và khảo sát một số tính chất ..................... 83 3. 4. 2. 1. Thành phần hệ sơn chứa phụ gia APP, AB2 .................................... 83 3. 4. 2. 2. Khảo sát bề mặt lớp sơn phủ trên gỗ sau khi đốt ............................. 83 3. 4. 2. 3. Khảo sát bề mặt lớp sơn phủ trên thép trước và sau khi đốt ............ 87 3. 4. 3. Xác định độ bền nhiệt của một số mẫu sơn .......................................... 89 3. 4. 3. 1. Mẫu sơn không sử dụng phụ gia chống cháy (Mẫu 1. 1) ................. 89 3. 4. 3. 2. Mẫu sơn chứa phụ gia AB2 (Mẫu 3. 2b) .......................................... 90 3. 4. 4. Khảo sát hình thái học bề mặt của mẫu sơn trên thép sau đốt ............. 91 3. 4. 4. 1. Mẫu sơn không sử dụng phụ gia chống cháy (Mẫu 1. 1) ................. 91 3. 4. 3. 2. Mẫu sơn chứa phụ gia AB2 (Mẫu 3.2b) ........................................... 91 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 93 vi
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ........................................................... 94 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................... 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 96 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 104 vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT APP Amoni polyphotphat DE Diatomit CCR Chất cháy rắn DAP Diamoni hydrogen photphat ATH Nhôm trihydrat PE Polyethylene PP Polypropylene PMMA Poly Methyl Methacrylate MAP Monoamoniphotphat MPP Melaminepolyphotphat CP Clorinated parafin PER Pentaerithriol AD1 Sản phẩm APP/Diatomit chế tạo theo phương pháp trộn cơ học AD2 Sản phẩm APP/Diatomit chế tạo theo phương pháp trùng hợp tại chỗ AB1 Sản phẩm APP/Bentonit chế tạo theo phương pháp trộn cơ học AB2 Sản phẩm APP/Bentonit chế tạo theo phương pháp trùng hợp tại chỗ MMT Montmorillonite PS polystyrene PA6 nylon 6 NN Nguồn nhiệt CC Chất cháy viii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1. Giới hạn chịu lửa của thép không có bảo vệ [4] .................................. 8 Bảng 2. 1. Một số hóa chất chính được sử dụng ................................................. 34 Bảng 3. 1: Sự thay đổi khối lượng và hiệu suất của phản ứng của các mẫu sau khi sấy ở nhiệt độ khác nhau............................................................. 54 Bảng 3. 2. Điều kiện tối ưu tổng hợp sản phẩm AB1 ......................................... 55 Bảng 3. 3. Điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp sản phẩm AB2 ................... 57 Bảng 3. 4. Điều kiện tối ưu tổng hợp sản phẩm AB1 ......................................... 68 Bảng 3. 5. Điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp sản phẩm AD2 ................... 71 Bảng 3. 6. Sự thay đổi khối lượng của các mẫu giấy chứa 25% phụ gia khi đốt 80 Bảng 3. 7. Chiều dài còn lại của các mẫu giấy phủ APP sau khi đốt với các tỷ lệ pha loãng khác nhau.......................................................................... 82 Bảng 3. 8 Sự thay đổi của các mẫu giấy phủ AB2 với các tỷ lệ pha loãng khác nhau ................................................................................................... 82 Bảng 3. 9. Thành phần hệ sơn (có bổ sung nước)............................................... 83 Bảng 3. 10. Kết quả đốt các mẫu gỗ được sơn phủ sau khi đốt .......................... 86 Bảng 3. 11. Kết quả đốt các mẫu thép được sơn phủ sau khi đốt ....................... 89 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ Hình 1. 1. Tam giác cháy ...................................................................................... 2 Hình 1. 2. Cường độ thép giảm theo nhiệt độ [3] ................................................. 7 Hình 1.3. Sơ đồ ngăn ngừa và dập cháy[2] ......................................................... 11 Hình 1. 4. Cơ chế làm mát của nhôm hydroxit [6] ............................................. 16 Hình 1. 5. Phản ứng pha khí [6] .......................................................................... 17 Hình 1. 6 Phản ứng pha rắn [6] ........................................................................... 18 Hình 1. 7. Các chất chậm cháy halogen phổ biến ............................................... 20 Hình 1. 8. Các chất chậm cháy gốc phốt pho ..................................................... 20 Hình 1. 9. Chất chống cháy chứa nitơ ................................................................. 21 Hình 1. 10. Cơ chế chống cháy của amoni polyphotphat ................................... 23 Hình 1. 11. Cấu trúc của APP ............................................................................. 24 Hình 1. 12. Cấu trúc của APP I ........................................................................... 24 Hình 1. 13. Cấu trúc của APP II.......................................................................... 25 Hình 2. 1. Sơ đồ công nghệ tổng hợp APP ......................................................... 35 Hình 2. 2. Sơ đồ tổng hợp APP/Diatomit (AD1) ................................................ 36 Hình 2. 3. Sơ đồ tổng hợp APP/Diatomit (AD2) ................................................ 36 Hình 2. 4. Sơ đồ chế tạo giấy độn phụ gia chống cháy ....................................... 38 Hình 2. 5. Sơ đồ chế tạo giấy ngâm tẩm phụ gia chống cháy ............................. 38 Hình 2. 6. Sơ đồ chế tạo sơn chứa phụ gia chống cháy ...................................... 39 Hình 2. 7. Mô tả hình học của định luật Bragg ................................................... 40 Hình 3. 1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol của axit photphoric và urê tới độ tan của APP ................................................................................................... 45 Hình 3. 2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất của phản ứng ....... 45 Hình 3. 3. Sản phẩm APP với các thời gian phản ứng khác nhau ...................... 46 Hình 3. 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất tạo APP ................ 47 Hình 3. 5. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến màu sắc sản phẩm ................ 47 Hình 3. 6. Quan hệ giữa nhiệt độ sấy và hiệu suất tạo sản phẩm ....................... 48 Hình 3. 7. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến chất lượng sản phẩm APP ............. 48 x
Hình 3. 8. Phổ FTIR của APP tổng hợp .............................................................. 49 Hình 3. 9. Đường cong TG của APP tổng hợp ................................................... 50 Hình 3. 10. Giản đồ XRD của APP tổng hợp ..................................................... 51 Hình 3. 11. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Bentonit: APP đến độ tan sản phẩm AB152 Hình 3. 12. Ảnh hưởng của nhiệt độ hấp phụ đến độ tan của sản phẩm AB1 .... 52 Hình 3. 14. Ảnh hưởng của thời gian sấy đến chất lượng sản phẩm AB1.......... 54 Hình 3.15. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol đến độ tan của sản phẩm AB2 ................. 55 Hình 3. 16. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất của phản ứng ..................... 56 Hình 3. 17. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất của phản ứng ...................... 57 Hình 3. 18. Phổ FTIR của Bentonit..................................................................... 58 Hình 3. 19. Phổ FTIR của AB1 ........................................................................... 58 Hình 3.20. Phổ FTIR của AB2 ............................................................................ 59 Hình 3.21. Chồng phổ FTIR của AB1 và AB2 ................................................... 59 Hình 3. 22. Đường cong TG của Bentonit .......................................................... 60 Hình 3. 23. Đường cong TG của AB1 ................................................................ 61 Hình 3. 24. Đường cong TG của AB2 ................................................................ 62 Hình 3. 25. Đường cong TG của AB1 và AB2 ................................................... 62 Hình 3. 26. Nhiễu xạ XRD của Bentonit ............................................................ 63 Hình 3. 2 . Nhiễu xạ XRD của AB1 và AB2 ..................................................... 63 Hình 3. 28. Ảnh SEM mẫu Bentonit và các sản phẩm AB1 và AB2 ................ 64 Hình 3. 29. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Diatomit: APP đến độ tan sản phẩm AD165 Hình 3.30. Ảnh hưởng của nhiệt độ hấp phụ đến độ tan của sản phẩm AD1 ..... 66 Hình 3. 31. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất của sản phẩm AB166 Hình 3.32. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến hiệu suất tạo AB2 ......................... 67 Hình 3. 33. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng đến độ tan của sản phẩm AB2 ..... 68 Hình 3. 34. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất của phản ứng ..................... 69 Hình 3. 35. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến hiệu suất của phản ứng tạo AD2 . 70 Hình 3. 36. Ảnh hưởng của thời gian sấy đến hiệu suất của phản ứng tạo AD2 70 Hình 3. 37. Phổ FTIR của Diatomit .................................................................... 72 Hình 3. 38. Phổ FTIR của AD1........................................................................... 72 xi
Hình 3. 39. Phổ FTIR của AD2........................................................................... 73 Hình 3. 40. Phổ chồng FTIR của APP, Diatomit, AD2 ...................................... 73 Hình 3. 41. Đường cong TG của Diatomit .......................................................... 74 Hình 3. 42. Đường cong TG của AD1 ................................................................ 74 Hình 3. 43. Đường cong TG của AD2 ................................................................ 75 Hình 3. 44. Ảnh SEM mẫu AD2 ......................................................................... 76 Hình 3. 45. Ảnh SEM mẫu giấy chứa APP ........................................................ 76 Hình 3.46. Ảnh SEM mẫu giấy chứa AB1 và AB2 ............................................ 77 Hình 3.47. Phổ FTIR của mẫu giấy GAB1 (chứa AB1) và GAB2 (chứa AB2). 77 Hình 3. 48. Phổ chồng FTIR của mẫu giấy GAB1 và GAB2 ............................. 78 Hình 3.49. Nhiễu xạ XRD của mẫu giấy GAB1 (chứa AB1) ............................. 78 Hình 3.50. Nhiễu xạ XRD của mẫu giấy GAB2 (chứa AB2) ............................. 79 Hình 3.51. Nhiễu xạ XRD của AB2 và mẫu giấy chứa AB2.............................. 79 Hình 3.52. Các mẫu giấy chứa phụ gia sau khi đốt ............................................ 80 Hình 3.53. Ảnh SEM mẫu giấy ........................................................................... 81 Hình 3. 54. Bề mặt mẫu gỗ sau khi đốt ............................................................... 84 Hình 3. 55. Bề mặt mẫu gỗ phủ hệ sơn chứa APP sau khi đốt ........................... 84 Hình 3.56. Bề mặt mẫu gỗ phủ hệ sơn chứa AB2 sau khi đốt ............................ 85 Hình 3. 57. Bề mặt thép sơn phủ mẫu 1.1 (a)và 1.2 (b) trước và sau khi đốt ..... 87 Hình 3. 58. Bề mặt mẫu thép phủ hệ sơn chứa APP trước và sau khi đốt .......... 88 Hình 3. 59. Bề mặt mẫu thép phủ hệ sơn chứa AB2 trước và sau khi đốt.......... 88 Hình 3. 60. Phổ TG của mẫu sơn 1.1 .................................................................. 89 Hình 3. 61. Phổ TG của mẫu sơn 3.2b ................................................................ 90 Hình 3. 62. Ảnh SEM của mẫu sơn 1.1 trên thép sau đốt ................................... 91 Hình 3. 63 Ảnh SEM của mẫu sơn 3. 2b trên thép sau đốt ................................. 92 xii
M Đ 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Ngày nay, trước yêu cầu phát triển của nền kinh tế, xã hội, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa diễn ra ngày một mạnh mẽ. Nhiều khu đô thị, khu công nghiệp, khu chế xuất. . . trung tâm thương mại, nhà cao tầng được đầu tư xây dựng với mật độ cao. Song song với đó là nguy cơ cháy, nổ và tính chất phức tạp của công tác phòng cháy chữa cháy cũng không ngừng gia tăng. Số vụ cháy, nổ lớn gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản tăng lên đáng kể. Theo thống kê tình hình cháy, nổ trong 10 năm (2012 ÷ 2021) và 06 tháng đầu năm 2022, cả nước đã xảy ra 30. 606 vụ cháy. Trong đó, một số vụ cháy lớn điển hình gây thiệt hại nghiệm trọng về người như: Vụ cháy tại khu nhà xưởng trong ngách 56, ngõ 1 phố Đại Linh, Trung Văn, Hà Nội, ngày 12/4/2019 làm 08 người chết; Vụ cháy tại chung cư Carina Plaza, Quận 8, TP Hồ Chí Minh, ngày 23/03/2018 làm 13 người thiệt mạng, 60 người bị thương và thiệt hại ước tính khoảng 4. 000 tỷ đồng; Vụ cháy gần đây nhất gây thiệt hại nghiêm trọng về người là vụ cháy tại quán karaoke An Phú, TP. Thuận An, tỉnh Bình Dương, ngày 06/9/2022 làm 32 người tử vong và hàng chục người bị thương… Nguyên nhân trực tiếp dẫn đến các thiệt hại nghiêm trọng về người trong các vụ cháy nêu trên được chỉ ra là do nhiệt độ, khói và khí độc được sinh ra từ quá trình cháy các chất cháy là hàng hóa, đồ dùng, vật dụng, nội thất trang trí của công trình. . . và đặc biệt nguy hiểm là khi chúng được làm từ các vật liệu dễ cháy, dễ bắt lửa. Vì vậy, một trong những nguyên tắc cơ bản về phòng cháy chữa cháy trong quá trình đầu tư xây dựng là phải sử dụng các vật liệu không cháy hoặc khó cháy và khả năng sinh khói, khí độc thấp. Điều này đã đặt ra cho lĩnh vực vật liệu nhiều khó khăn, thách thức trong việc nghiên cứu tìm ra các chất, phụ gia có khả năng bảo vệ chống cháy, làm chậm cháy tốt nhằm kìm hãm sự phát triển của đám cháy cũng như đảm bảo tính toàn vẹn cho công trình, qua đó hạn chế thiệt hại do các vụ cháy gây ra. Hiện nay, một số loại vật liệu chống cháy được sử dụng khá phổ biến trên thế giới là sơn và màng phủ chống cháy để cách ly vật liệu với nguồn cháy, tăng khả năng chịu lửa cho các kết cấu, cấu kiện xây dựng và các chi tiết trang trí, nội thất xây dựng khác trong nhà, công trình. Việt Nam và thế giới đang sử dụng phụ gia chống cháy đang tập trung 2 nhóm vật liệu: hợp chất chống cháy gốc hữu cơ như: chứa clo, brom, như: decabromodiphenyl xiii
oxit (DECA), tetrabromobisphenol A (TBBA), hexabromocyclododecane (HBCD), TBBA-bis-(2,3-dibromopropyl ete)…. . và vật liệu vô cơ. Các vật liệu hữu cơ thường tạo ra các khí độc trong quá trình cháy, như: Cl2, brom . . ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường và tính mạng của con người. Do đó, nhiều nước trên thế giới thế giới khuyến cáo hạn chế sử dụng. Hệ chống cháy hay chậm cháy từ các hợp chất vô cơ như hợp chất chứa nito, photpho, nhôm hydroxit, borac,. . . ngoài khả năng chống cháy tốt thì có tính thân thiện với môi trường và an toàn đối với con người nên được nhiều nước trên thế giới ưu tiên sử dụng. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên Nghiên cứu sinh đã chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp amoni polyphotphat (APP), APP/Diatomit, APP/Bentonit và khảo sát ứng dụng làm chất chống cháy” làm luận án tiến sĩ nhằm phân tích, đánh giá, cải thiện khả năng chịu lửa, chống cháy cho một số vật liệu phổ biến (gỗ, giấy, thép…) được sử dụng trong nhà, công trình đồng thời làm chủ công nghệ sản xuất, chế tạo vật liệu ở Việt Nam, ứng dụng trong công tác Phòng cháy chữa cháy có hiệu quả. 2. Nội dung của nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng hợp APP từ axit photphoric và ure. - Nghiên cứu tổng hợp hệ phụ gia APP/bentonit. - Nghiên cứu tổng hợp hệ phụ gia APP/diatomit. - Nghiên cứu chế tạo các mẫu giấy chậm cháy có chứa APP, APP/bentonit, APP/diatomit tổng hợp được. - Nghiên cứu chế tạo mẫu sơn có chứa APP, APP/bentonit hợp được và ứng dụng chống cháy cho gỗ và thép. 3. Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm và các phương pháp hóa lý hiện đại để chỉ rõ bản chất quá trình tổng hợp vật liệu và đưa ra tỷ lệ phối trộn chế tạo hệ phụ gia, tỷ lệ phụ gia đưa và vật liệu cần bảo vệ nâng cao khả năng chống cháy của vật liệu dễ cháy 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: Luận án là công trình nghiên cứu cơ bản có định hướng ứng dụng. Các kết quả của luận án đóng góp: - Đưa ra sơ đồ tổng hợp APP và hệ phụ gia APP/bentonit; APP/diatomit. xiv
- Đưa ra sơ đồ chế tạo các mẫu giấy và sơn chậm cháy ứng dụng phụ gia chống cháy tổng hợp được, đánh giá khả năng chống cháy của vật liệu giấy, sơn. 5. B c c của luận án: Luận án bao gồm ba chương và các phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, danh mục đã công bố của luận án. Cụ thể các chương gồm: Chương 1. Tổng quan về cháy và chất chống cháy. Chương 2. Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả và thảo luận Kết luận xv
CHƯƠNG 1: TỔNG Q AN VỀ CHÁY VÀ CHẤT CHỐNG CHÁY 1. 1. Tổng quan về cháy 1. 1. 1. Khái niệm về cháy Sự cháy đã được biết đến từ rất lâu, nhờ vậy mà xã hội loài người chuyển sang một bước ngoặt văn minh mới. Ứng dụng của sự cháy mang lại lợi ích vô cùng to lớn cho con người, song ngược lại khi không khống chế được nó, nó trở thành mối hiểm hoạ nguy hiểm cho con người. Chính vì vậy cháy luôn luôn được con người quan tâm nghiên cứu. Cháy được định nghĩa như sau: Cháy là những phản ứng hoá học có toả nhiệt và phát sáng [1]. Hoặc: Sự cháy là quá trình biến đổi lý hóa sinh nhiệt phức tạp của các thành phần trong hỗn hợp chất cháy với chất ôxy hóa thành sản phẩm cháy [2]. 1. 1. 2. Những yếu tố và điều kiện cần thiết cho sự cháy 1. 1. 2. 1. Các yếu tố cần thiết cho sự cháy - Chất cháy: Là những chất có khả năng tham gia phản ứng cháy với chất ôxy hoá. Chất cháy có thể là tài sản, vật chất xung quanh như: xăng, dầu, khí hoá lỏng, gỗ, giấy, vải, sơn, nhựa,. . . Chúng có thể tồn tại ở các trạng thái rắn, lỏng, khí. - Chất oxy hóa: chất ôxy hoá là những chất tham gia phản ứng hoá học với chất cháy để tạo nên sự cháy. Chất ôxy hoá trong phản ứng cháy có thể là ôxy nguyên chất, ôxy của không khí, ôxy do các hợp chất chứa ôxy bị phân huỷ, hoặc những chất ôxy hoá khác có khả năng ôxy hoá chất cháy như: các chất thuộc nhóm halogen, H2SO4 đặc. Với các chất ôxy hóa khác nhau thì khả năng ôxy hóa của chúng cũng khác nhau, tùy vào mức độ hoạt động hóa học của chúng với chất cháy. Đối với những chất ôxy hóa khi tương tác hóa học hoặc bị nung nóng, va đập mà giải phóng ra ôxy tự do thì chúng có khả năng ôxy hóa rất mạnh. - Nguồn nhiệt: Trong phản ứng cháy nguồn nhiệt là nguồn cung cấp năng lượng cho phản ứng cháy xảy ra. Nguồn nhiệt của sự cháy có thể là: ngọn lửa của những vật đang cháy; tia lửa ( tia lửa điện, tia lửa do ma sát, do va đập,. . . ); vật thể đã được nung nóng; hoặc có thể là nhiệt của các phản ứng hoá học, của các quá trình vật lý ( như hấp phụ, hoà tan,. . . ); nhiệt của các quá trình sinh học (phân huỷ, lên men,. . . ); và cũng có thể chính là nhiệt độ của môi trường (trường hợp tự cháy). 1. 1. 2. 2. Điều kiện cần thiết cho sự cháy. Khi đã có đủ 3 yếu tố cần thiết cho sự cháy nói trên sự cháy chỉ xảy ra khi có đủ các điều kiện kèm theo, đó là: 1
Chất cháy, chất ôxy hoá và nguồn nhiệt phải tiếp xúc trực tiếp với nhau. Nếu không có sự tiếp xúc thì sẽ không có các tương tác hoá học giữa chất cháy và chất ôxy hoá xảy ra, và do đó sẽ không có phản ứng cháy. Nồng độ của chất cháy và chất ôxy hoá phải ở trong phạm vi giới hạn nồng độ bốc cháy. Nguồn nhiệt phải nung nóng được hỗn hợp chất cháy và chất ôxy hoá - hỗn hợp cháy tới một nhiệt độ nhiệt độ tự bốc cháy của hỗn hợp. 3 yếu tố và các điều kiện cần thiết cho sự cháy có thể minh hoạ bằng sơ đồ tam giác cháy. Nguồn nhiệt Không khí Nhiên liệu Hình 1. 1. Tam giác cháy 1. 1. 3. Cơ chế bắt cháy 1. 1. 3. 1. Cơ chế nhiệt Nhiệt làm tốc độ phản ứng ôxy hoá tăng lên và trong mối quan hệ biến đổi của nhiệt do phản ứng toả ra và nhiệt truyền đi trong quá trình ôxy hoá đó của hỗn hợp làm xuất hiện ngọn lửa (nhiệt tỏa ra từ các phản ứng của hỗn hợp cháy q+ lớn hơn lượng nhiệt mất mát từ hỗn hợp ra môi trường xung quanh q- , nhiệt độ trong hỗn hợp tăng lên làm xuất hiện sự cháy). Theo cơ cấu bắt cháy nhiệt thì lượng nhiệt do phản ứng toả ra là nguyên nhân gây ra quá trình tự bắt cháy của hỗn hợp. 1. 1. 3. 2. Cơ chế chuỗi Lý thuyết tự bắt cháy theo cơ cấu chuỗi do viện sỹ N. N. Xêmenôv[1] đưa ra vào năm 1931. Khi mỗi một phần tử hoạt động tham gia phản ứng làm tách ra một năng lượng bằng E + Q (E- năng lượng hoạt hoá, Q – hiệu ứng nhiệt của phản ứng). Năng lượng đó truyền trực tiếp cho một hoặc vài phần tử trong số các phần tử phản ứng, kích động chúng đến trạng thái hoạt động. Nghĩa là tạo ra các phần tử hoạt động mới. 2
Theo lý thuyết phản ứng chuỗi, quá trình trải qua các giai đoạn sau: Giai đoạn sinh mạch: Các phần tử chất cháy và chất ôxy hoá được hoạt hoá nhờ năng lượng tự thân, năng lượng nhiệt, năng lượng của ánh sáng hoặc do va chạm với một phần tử thứ ba nào đó,… Kết quả là tạo ra những phần tử hoạt động (còn gọi là tâm hoạt động), những tâm hoạt động này có khả năng tham gia vào các phản ứng ở giai đoạn tiếp theo. Giai đoạn phát triển mạch: Nhờ những tâm hoạt động ban đầu mà phản ứng tiếp tục phát triển và tái tạo những tâm hoạt động mới. Phản ứng phát triển một cách dây chuyền, các tâm hoạt động được tái tạo nếu không có gì cản trở. Nếu từ một tâm hoạt động ban đầu khi phản ứng chỉ tái tạo một tâm mới thì phản ứng là phản ứng chuỗi không phân nhánh. Nếu từ một tâm hoạt động ban đầu khi phản ứng tái tạo được hai hay nhiều tâm mới thì phản ứng là phản ứng chuỗi phân nhánh. Các phản ứng cháy hầu hết là phản ứng chuỗi phân nhánh, nên tốc độ cháy phát triển rất nhanh. Giai đoạn triệt mạch (hay đứt mạch): Do va chạm với các phần tử trơ, do các phản ứng phụ, … các tâm hoạt động bị triệt tiêu, nghĩa là chúng chuyển thành các phần tử kém hoạt động hoặc những phần tử ổn định mất khả năng tham gia phản ứng tiếp theo, mạch của phản ứng bị triệt tiêu. Nếu cường độ triệt mạch đủ lớn thì phản ứng sẽ bị ngừng lại. Sự phát triển của phản ứng chuỗi, khả năng bắt cháy của hỗn hợp, tuỳ thuộc vào tỷ lệ giữa phản ứng phát triển mạch và đứt mạch. Trong phản ứng chuỗi không phân nhánh, tốc độ phản ứng là không đổi. Trong phản ứng chuỗi phân nhánh, tốc độ phản ứng tăng liên tục, phản ứng tự xúc tiến. Trong phạm vi nghiên cứu về tác động làm chậm cháy và chống cháy cho các chất và vật liệu cần bảo vệ ở trạng thái rắn. Chất cháy rắn là vật liệu được sử dụng rất phổ biến trong lính vực sản xuất cũng như trong sinh hoạt. Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngoài vật liệu rắn có nguồn gốc từ tự nhiên còn tồn tại rất nhiều vật liệu rắn tổng hợp và chúng được sử dụng rộng rãi trên hầu hết các lĩnh vực. Vấn đề chống cháy cho các vật liệu tự nhiên cũng như các vật liệu nhân tạo luôn được quan tâm, như vấn đề ngâm, tẩm chất chống cháy cho các vật liệu tự nhiên hoặc làm tăng khả năng chịu cháy của các vật liệu nhân tạo bằng cách pha chế thêm các thành phần chất khó cháy…. Tuy nhiên về cơ bản chúng vẫn thuộc nhóm các chất cháy. Đó là một trong các nguyên nhân trong thời gian gần đây số lượng các đám cháy chất rắn vẫn không ngừng tăng. 3