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
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC
Hà Nội - 2023
Công trình được hoàn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS La Thế Vinh
2. TS Nguyễn Quang Bắc
Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách Khoa Hà Nội họp tại Đại học
Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …… giờ, ngày …... tháng …... năm …..
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Đại học Bách khoa Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
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 tỉ 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
1
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.
Thành phần có tác dụng chống cháy trong sơn và vật liệu chống cháy là các phụ gia hoặc hỗn hợp phụ gia có tính chống cháy. Theo phân loại có hai nhóm phụ gia đang được sử dụng là nhóm hợp chất chống cháy gốc hữu cơ như: các chất có chứa clo, brom,.., và nhóm hợp chất vô cơ như: Al(OH)2, Mg(OH)2, hợp chất chứa N, P. Các chất chống cháy hữu cơ thường tạo ra các khí độc trong quá trình cháy, như: Cl2, Br2... 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 thiên 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.
2
- 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.
- 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.
. c c của uận 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
Chương 1: Tổng quan về cháy và chất chống cháy 1.1. Tổng quan về cháy
Cháy được định nghĩa như sau: Cháy là những phản ứng hoá học có toả nhiệt và phát sáng Hoặc: Sự cháy là quá trình biến đổi lý hóa sinh nhiệt 3
phức tạp của các thành phần trong hỗn hợp chất cháy với chất ô xy hóa thành sản phẩm cháy.
Các yếu tố cần thiết cho sự cháy, gồm 3 yếu tố: chất cháy, chất oxy
hoá và nguồn nhiệt. Cơ chế bắt cháy: Cơ chế nhiệt và Cơ chế chuỗi
Các phương pháp ngăn ngừa và hạn chế cháy bao gồm: Phương pháp làm lạnh: Phương pháp cách ly: Phương pháp làm giảm nồng độ các thành phần khí, hơi tham gia phản ứng cháy; Phương pháp kìm hãm hoá học phản ứng cháy: 1.2. Tổng quan về chất chống cháy
Chất chống cháy được định nghĩa là các tác nhân hóa học có thể chịu được ngọn lửa trực tiếp bằng cách ngăn chặn ngọn lửa xâm nhập vào vật liệu, kiểm soát sự lây lan của nó và thậm chí dập tắt hoàn toàn. Các cơ chế chống cháy: Cơ chế vật lý (Làm mát; Pha loãng; Hình thành lớp bảo vệ) và Cơ chế hóa học (Phản ứng trên pha khí; Phản ứng trong pha rắn). Phân loại các chất phụ gia chống cháy gồm 4 nhóm: Hợp chất halogen hữu cơ; Hợp chất chậm cháy chứa phospho hữu cơ; Hợp chất chống cháy chứa nitơ; Các chất chống cháy hệ vô cơ 1.3. Tổng quan về amoni polyphotphat, diatomit, bentonit
Amoni polyphotphat là một muối vô cơ của axit polyphotphat và amoniac. Chiều dài chuỗi (n) của hợp chất polyme này có thể thay đổi, phân nhánh và có thể lớn hơn 1000. Các chuối APP ngắn và tuyến tính (n<100) nhạy cảm với nước hơn và ít ổn định nhiệt hơn các APP có chuỗi dài hơn (n>1000), nên độ hòa tan trong nước rất thấp (<0.1g/100ml).
4
Hình 1.1. Sơ đồ cấ
Các phương pháp điều chế APP: Trung hòa polyphosphoric acid bằng ammonia.;Trung hòa acid phosphoric bằng ammonia sau đó thực hiện quá trình polyme hóa; Trung hòa acid phosphoric bằng urea sau đó thực hiện quá trình polyme hóa; Quá trình tổng hợp APP từ diamoni hydrogen photphat và melamine polyphotphat. 1.4. Một số nghiên cứu về APP, APP/phụ gia và khảo sát ứng dụng
Trên thế giới, việc nghiên cứu về APP, APP/phụ gia và ứng dụng trong vật liệu chống cháy đã diễn ra mạnh mẽ và đạt được những kết quả nhất định.
Lizsheng Sha và Kefu Chen đã tiến hành tổng hợp APP được tổng hợp bằng cách đun nóng hỗn hợp axit photphoric và urê, và phụ gia chống cháy APP/diatomit được điều chế bằng hai phương pháp: trộn và trùng hợp tại chỗ . Giấy chống cháy được tạo ra bằng cách thêm hỗn hợp phụ gia đã chuẩn bị sẵn vào giấy. Cũng 2 tác giả này đã tiến hành tổng hợp hỗn hợp phụ gia APP/DE bằng quá trình trùng hợp tại chỗ đã được biến tính bằng chất liên kết silan (KH550) và được sử dụng làm chất độn để chuẩn bị giấy chống cháy. Và họ nhận thấy rằng giấy chứa hỗn hợp phụ gia APP/DE (10 %) đã biến tính có giá trị chỉ số oxy giới hạn LOI cao hơn và tốc độ giải phóng nhiệt cũng như tổn thất khối lượng thấp hơn ở cùng một lần trộn thêm phụ gia chống cháy.[46]
Fang Xu và cộng sự [47] đã nghiên cứu khả năng chống cháy của giấy bằng chất chống cháy APP, kết quả cho thấy chỉ số oxy giới hạn của giấy được độn phụ gia APP có thể tăng từ 19,1 lên 48,2%. Trong nghiên cứu của 2 tác giả Huifang Zhao và Lizheng Sha [37], hỗn hợp phụ gia APP/diatomit đã được biến đổi bằng chất liên kết amino silane (KH550) và được sử dụng để điều chế chất chống cháy cho giấy.
Nghiên cứu của Zhitian Liu và công sự [49] đã chỉ ra, sử dụng APP vi nang làm chất phụ gia chống cháy được coi là một chiến lược hiệu quả để bảo
5
vệ thép trong điều kiện cháy. Chang Lu và cộng sự [50] đã chỉ ra APP và đất sét được sử dụng để làm chậm cháy hỗn hợp polystyrene/nylon 6 (PS/PA6). Sự có mặt của APP và đất sét trong pha PA6 dẫn đến sự hình thành nhanh chóng của lớp than cháy bên trong, làm tăng khả năng chống cháy. Để cải thiện khả năng chống cháy của nanocomposite polyamide (PA6), J.B. Dahiya và cộng sự [51] đã sử dụng hỗn hợp phụ gia APP/bentonit để phát triển hệ thống chống cháy kết hợp dựa trên đất sét nano–phốt pho, với sự có mặt của APP sự than hoá tăng 20%. Chương 2. Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu 2.1 Hóa chất Một số hóa chất chính sử dụng trong quá trình tổng hợp APP, hỗn hợp phụ gia APP/phụ gia, và chế tạo vật liệu chống cháy, chậm cháy trong luận án: Axit photphoric loại PA của Công ty CP Bột giặt và Hóa chất Đức Giang; Urê của công ty Cổ phần Phân Đạm và Hóa Chất Hà Bắc, Diatomit, Bentonit, Giấy; Bột màu vô cơ chịu nhiệt của BKV; Thuỷ tinh lỏng, Và các hoá chất cần thiết khác. 2.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu 2.2.1. Tổng hợp APP
Luận án lựa chọn phương pháp tổng hợp APP theo phương pháp trung
hòa acid phosphoric bằng urea sau đó thực hiện quá trình polyme hóa.
Hình 2. 1. Sơ đồ công nghệ tổng hợp APP
6
2.2.2. Tổng hợp phụ gia APP/Diatomit; APP/Bentonit
Hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp APP/Diatomit (AD1)
Hình 2.3 Sơ đồ tổng hợp APP/Diatomit (AD2)
2.2.3. Chế tạo giấy chứa hỗn hợp phụ gia
Hình 2.4 Sơ đồ chế tạo giấy ngâm tẩm phụ gia chống cháy
Hình 2.5 Sơ đồ chế tạo giấy độn phụ gia chống cháy
7
2.2.4. Chế tạo sơn chứa phụ gia, hỗn hợp phụ gia
Hình 2.6 Sơ đồ chế tạ sơ ứa phụ gia chống cháy
2.2.5. Thử cháy cho giấy
Cắt từ các mẫu giấy các mảnh giấy có chiều dài là 7 cm và chiều rộng là 1 cm rồi đem cân xác định khối lượng ban đầu m1. Dùng bật lửa đốt và đo thời gian giấy cháy. Cuối cùng, cân khối lượng còn lại của giấy m2.
Phần trăm độ giảm khối lượng của giấy trong quá trình cháy được sử dụng như thước đo sự chậm cháy của giấy [45]. Phương trình được sử dụng:
W = (ma – mb)/ma×100%
Đối với các mẫu giấy phủ phụ gia, hỗn hợp phụ gia chống cháy, tiến hành đốt bằng đén khò trong 20s. Khi dừng đốt, đo thời gian giấy tiếp tục cháy cho đến khi tắt hoàn toàn tiến hành đo chiều dài giấy chưa bị cháy. 2.2.6. Thử cháy cho sơn trên bề mặt gỗ, thép
8
Hình 2. 8. Sơ đồ th cháy cho vật liệu
Chương 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Nghiên cứu tổng hợp phụ gia APP
Điều kiện phản ứng tối ưu của phản ứng tổng hợp APP Phản ứng giữa axit photphoric và urê để tổng hợp APP được thực hiện
với:
Tỉ lệ mol H3PO4/urê Nhiệt độ phản ứng
Thời gian phản ứng
Nhiệt độ sấy
Thời gian sấy
1:1.8 1400C 15 phút 2000C 2h
Xác định dạng sản phẩm APP bằng phổ hồng ngoại FTIR: Những đỉnh hấp thụ này đặc trưng cho những đỉnh hấp thụ của APP-I [55], từ đó ta có thể khẳng định rằng sản phẩm APP tổng hợp là APP-I. Phổ FTIR của APP
Hình 3.8. Phổ FTIR c a APP tổng hợp 9
Trong cấu trúc phân tử của polyphotphat amoni, liên kết chéo của polyphosphoat gồm nhiều điểm phân nhánh, có các liên kết ion (-O-NH4+) ở phía cuối mỗi chuỗi polyphosphate và các liên kết (-P-O-P-) tại điểm phân nhánh. Điểm phân nhánh (-P-O-P-) không nhạy với sự tác động của nước. Trái lại, các liên kết ion (-O--NH4+) ở phía cuối của mỗi chuỗi polyphosphate dễ dàng bị phá vỡ và tan ra bởi sự tác động của nước, dẫn đến độ hòa tan của nó. Bởi vì APP-I là một cấu trúc của chuỗi polyphosphate tuyến tính, nên suy đoán rằng hầu hết các liên kết ion của nó (-O--NH4+) trong polyphosphat tuyến tính (APP-I) được phơi ra bên ngoài tinh thể, dẫn đến khả năng hòa tan trong nước của nó.
Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của sản phẩm APP: Trong khoảng nhiệt độ từ 200-500 oC, khối lượng của APP giảm mạnh khoảng 36.21%. Sự giảm khối lượng này được cho là do sự giải phóng H2O và NH3. Tuy nhiên sự phân hủy nhiệt này dẫn đến cấu trúc liên kết chéo O-P-O có độ ổn định nhiệt hơn [45]. Giai đoạn nhiệt phân quan trọng thứ hai xảy ra trong khoảng từ 500-800 oC, APP mất khoảng 65% khối lượng vào thời điểm nhiệt độ đạt 800 oC. Việc giảm khối lượng này do sự giải phóng axit photphoric, axit polyphotphoric và axit metaphotphoric khi phân hủy APP [60].
Hình 3.9 Đường cong TG c a APP Hình 3.10 G ả đồ XRD APP
10
Xác định cấu trúc tinh thể của sản phẩm APP: So với dữ liệu XRD tiêu chuẩn của APP [57], các đỉnh điểm nhiễu xạ đặc trưng của APP tổng hợp phù hợp với đỉnh của APP-I.
3.2. Tổng hợp hệ ph gia APP/Bentonit
Bảng 3.2 Đ ều kiện tố ư ổng hợp sản phẩm AB1
2:1
Tỷ lệ mol APP: Bentonie Nhiệt độ phản ứng (0C)
80
7
100
Thời gian phản ứng (phút) Nhiệt độ sấy (0C) Thời gian sấy (giờ)
3
Bảng 3.3 Đ ều kiện tố ư ổng hợp sản phẩm AB2
2:1
140
15
Tỉ lệ mol APP : Bentonit Nhiệt độ phản ứng (0C) Thời gian phản ứng (phút) Nhiệt độ sấy(0C)
200
Thời gian sấy (giờ)
2
Xác định đặc trưng liên kết của sản phẩm bằng phổ hồng ngoại FTIR:
Hình 3.19 Phổ FTIR c a AB1 Phổ FTIR của AB1 được biểu thị trong hình 3.19 có đỉnh hấp thụ đạt cực đại ở 3026.3 cm-1, 1060.85 cm-1 và 410.84 cm-1. Đỉnh hấp thụ 3026.3 cm-1 được cho là sự 11
hấp thụ của OH- Các đỉnh ở 1060cm-1 và ở đỉnh 410.84 cm-1 được cho là dao động
tương ứng được gán cho dao động phản đối xứng kéo dãn và rung động phản đối
Hình 3.20 Phổ FTIR c a AB2 AB2 tổng hợp có đỉnh hấp thụ cực đại ở 773.46 cm-1, 692.44 cm-1 và 621.08 cm-1. Đỉnh hấp thụ ở 773.46 cm-1 được cho là dao động của O=P-O, và đỉnh ở 692.44 cm-1 và 621.08 cm-1 có thể là dao động của –OH và O-P-O tương ứng. Những đỉnh hấp thụ này đặc trưng cho những đỉnh hấp thụ của APP-I [65], từ đó ta có thể xác nhận rằng 2 sản phẩm AB2 có chứa APP. Xác định độ bền nhiệt của sản phẩm AB1 và AB2:
xứng của Si-O. [60]
Hình 3.23 Đường cong TG c a AB1 Hình 3.24 Đường cong TG c a AB2
12
Hình 3.27. Phổ XRD của AB1 và AB2
Để hiểu rõ cấu trúc của APP trong AB1 và AB2 cần phân tích cấu trúc theo phương pháp XRD, đồng thời so sánh với các pic đặc trưng của AB1, AB2 và loại trừ các pic của benotnit. Hình 3.27 có thể thấy rằng cường độ đỉnh XRD cực đại xuất hiện trong khoảng ở các giá trị 14,7 o; 17 o , 20 o, 23 o. So với dữ liệu XRD đã công bố của APP[57] thì trong hỗn hợp thu được có sự có mặt của APP-I. Các pic của bentonit đều xuất hiện ở mẫu AB1, tuy nhiên ở mẫu AB2 chỉ xuất hiện một pic đặc trưng của bentonit, đó là pic 5.9 o. Qua kết quả phân tích trên có thể kết luận rằng sản phẩm AB2 được hấp phụ theo phương pháp trùng hợp tại chỗ sẽ bền nhiệt hơn, có khả năng bị phân hủy ở nhiệt độ cao hơn. 3.3. Khảo sát tính chất hệ phụ gia APP/Diatomit
Bả g 3. 4. Đ ều kiện tố ư ổng hợp Bả g 3. 5. Đ ều kiện tố ư q á
sản phẩm AB1 trình tổng hợp sản phẩm AD2
1:2 1 : 2
Tỷ lệ mol Diatomit : APP Nhiệt độ phản ứng (oC) 140 Tỷ lệ mol Diatomit : APP Nhiệt độ hấp phụ (oC) 80
Thời gian phản ứng (phút) 15 Thời gian hấp phụ (phút) 7
Nhiệt độ sấy(oC) 200 Nhiệt độ sấy (oC) 100
Thời gian sấy (giờ) 2 Thời gian sấy (giờ) 3
13
Phân tích phổ hồng ngoại FTIR: Diatomit
Hình 3.37 Phổ FTIR c a diatomit
Hình 3.39 Phổ FTIR c a AD 2
Hình 3.38 Phổ FTIR c a AD1 Trong hỗn hợp phụ gia AD1 và AD2 là sự hấp thụ của O=P-O, -OH và
O-P-O. Do đó hỗn hợp phụ gia 1 và 2 đều chứa một lượng APP nhất định.
Đường cong TG c a diatomit và hỗn hợp phụ gia: So với hỗn hợp phụ
gia, việc giảm trọng lượng trong trường hợp của APP nguyên chất ở cả hai giai đoạn là cao hơn do hàm lượng APP trong hỗn hợp phụ gia là thấp hơn của APP nguyên chất. Hơn nữa, đường cong TG của bột APP dốc hơn và sự phân hủy nhiệt ban đầu thấp hơn so với hỗn hợp phụ gia, cho thấy sự phân hủy nhiệt của các hỗn hợp phụ gia chậm cháy đã chậm hơn so với bột APP.
14
a) AD1 b) AD2
Hình 3.42, 3.43. Đường cong TG c a AD1 và AD2 Khảo sát hình thái học bề mặt: Hình 3.44 cho thấy các hạt APP phân bố khá đồng đều trên bề mặt của diatomit và cả trong các khe rỗng của diatomit
Hình 3.44. Ảnh SEM mẫu AD2.
3.4. Nghiên cứu một số tính chất vật liệu chứa phụ gia và hỗn hợp phụ gia Giấy độn phụ gia
15
Bảng 3.6. Sự đổi khố ượng c a các mẫu giấy khác nhau
Các mẫu giấy chứa phụ gia Khối lượng ban Khối lượng còn lại của Khối lượng giấy mất đi Thời gian cháy của giấy (s) đầu (g) giấy (g) (%)
16.26 0.1152 0.0012 98.96 Giấy thường
37.29 0.17 0.032 81.17 Diatomit (25%)
26.38 0.14 0.027 80.71 APP (25%)
26.99 0.13 0.036 74.61 AD1 (25%)
28.83 0.13 0.042 67.69 AD2 (25%)
34 0,13 0,0364 72 AB1 (25%)
Hình 3. 46. Ảnh SEM mẫu giấy chứa AB1 và AB2
Giấy độn phụ gia AB2 hiệu quả chậm cháy là tốt nhất. Bởi vì APP được hấp thụ bởi diatomit, bentonit có thể phân hủy ở nhiệt độ cao tạo ra axit photphoric thúc đẩy sự mất nước và quá trình cacbon hóa của giấy và cắt đứt sự lan rộng của ngọn lửa và nhiệt. Hơn nữa, axit polyphotphoric rắn hay polymetaphotphat có thể được tạo ra ở nhiệt độ cao, cùng với sự thoát ra của khí NH3, hơi nước, và các khí không cháy khác, pha loãng không khí và làm chậm sự cháy. Đồng thời, các phản ứng chấm dứt gốc tự do có thể xảy ra ở nhiệt độ cao [45]. Quá trình này có thể mô tả theo các phương trình như sau:
H3PO4 → HPO2 + PO· + 5OH·
34.05 0,14 0,049 65 AB2 (25%)
16
PO· + H·→ HPO· HPO·+ H· → H2 + PO· PO· + OH· → ·HPO· + O·
Các phản ứng trên lấy được gốc tự do của H.,OH. và ngăn chặn sự cháy
[61], dẫn đến tác dụng chậm cháy của hỗn hợp phụ gia.
Giấy được phủ AB2 lên bề mặt
Bảng 3.7. Chiều dài còn lại c a các mẫu giấy ph APP s k đốt với các tỉ lệ pha loãng khác nhau
Thể tích 20 30 40 50 60 70 80 90 100 nước cất (ml)
20 20 20 20 20 20 20 20 20 Thời gian cháy (s)
Bảng 3.8 Sự đổi c a các mẫu giấy ph AB2 với các tỉ lệ pha
Chiều dài 6 6 5 4.7 4.4 4 1.8 1.5 1.2 còn lại của tờ giấy (cm)
loãng khác nhau
Thể tích nước 20 30 40 50 60 70 80 90 100 cất (ml)
Thời gian cháy 20 20 20 20 20 20 20 20 20 (s)
6,4 6,3 6,2 6,1 5,8 5,7 4,7 4,6 4,5 Chiều dài còn lại của tờ giấy (cm)
17
a. Mẫu giấy không chứa phụ gia
b. Mẫu giấy phủ AB2
Hình 3.53. Ảnh SEM mẫu giấy
Các mẫu phủ phụ gia AB2 cho kết quả rất tốt. Khi bỏ ngọn lửa ra khỏi bề mặt giấy thì ngọn lửa lập tức bị tắt, chiều dài của giấy bị đốt cháy cũng nhỏ hơn so với mẫu phủ APP ở cùng tỷ lệ hoà tan APP. Điều này được giải thích do mẫu phụ gia APP/bentonit có khả năng chậm cháy tốt hơn so với APP.
3.4.2. Chế tạo hệ sơn chống cháy và khảo sát một số
tính chất Trong quá trình đốt, tiến hành đo nhiệt độ bề mặt phía sau của mẫu bằng cách sử
dụng máy đo nhiệt độ để xác định được lớp phủ nào có khả năng ngăn cản nhiệt
Bảng 3.9. Thành phần hệ sơ (có bổ s g ước)
lớn nhất.
Thành phần
Mẫu Alumino Alumino Cao lanh Bột màu APP AB2 Nước silicate I silicate II
Mẫu 1.1 84% 5.1% 10.2% - - 0.7% -
Mẫu 1.2 - 84% 5.1% 10.2% - - 0.7%
Mẫu 79.6% 5.1% 10.2% 5.1% - - - 2.1a
Mẫu - 79.6% 5.1% 10.2% 5.1% - - 2.1b
Mẫu 79.6% - 5.1% 7.2% 6.7% - 1.4%
18
2.2a
Mẫu - 79.6% 5.1% 7.2% 6.7% - 1.4% 2.2b
Mẫu 74.8% - 3.6% 10.2% 5.1% 6.3% - 3.1a
- 74.8% 3.6% 10.2% 5.1% 6.3% - Mẫu 3.1b
Mẫu 74.8% - 3.6% 7.2% 7.2% 7,2% - 3.2a
Bảng 3.10. Kết quả đốt các mẫu gỗ đượ sơ s k đốt
Mẫu - 74.8% 3.6% 7.2% 7.2% 7,2% - 3.2b
Thời gian Nhiệt độ ặc điểm bề mặt sơn sau khi đ t Mẫu bắt cháy, phút
mặt sau tấm gỗ, oC 560 3 Mẫu 1.1 Không có sự nở phồng của lớp phủ, dễ bị bong ra khỏi bề mặt gỗ
Mẫu 3 560 Không có sự nở phồng của lớp phủ, 1.2 dễ bị bong ra khỏi bề mặt gỗ
Mẫu 5 505 Có sự nở phồng, lớp phồng này 2.1a nhanh vỡ
7 495 Mẫu 2.1b Có sự nở phồng nhỏ nhưng chắc chắn hơn mẫu 2.1a
Mẫu 6 480 Có sự nở phồng, lớp phồng này 2.2a nhanh vỡ
Mẫu 8 470 Có lớp phồng, bề mặt cứng, khó vỡ 2.2b
12 490 Có lớp phồng, bề mặt cứng, khó vỡ Mẫu 3.1a
Mẫu 12 470 Có lớp phồng, bề mặt cứng, khó vỡ 3.1b
19
14 460 Có lớp phồng, bề mặt cứng, khó vỡ Mẫu 3.2a
Bảng 3.11. Kết quả đốt các mẫ é đượ sơ s k đốt
Mẫu 14 450 Có lớp phồng nhỏ, kích thước hạt 3.2b phồng nhỏ, liên kết chặt chẽ, khó vỡ
ặc điểm bề mặt sơn sau khi đ t Thời gian đ t, giờ Mẫu
2 Nhiệt độ mặt sau tấm thép, oC 495 Không nhận thấy sự nở phồng của
lớp phủ, dễ bị bong ra khỏi bề mặt Mẫu 1.1 thép
2 485 Không nhận thấy sự nở phồng của
Mẫu 1.2 lớp phủ, dễ bị bong ra khỏi bề mặt thép
Mẫu 2 450 Xuất hiện lớp phồng nhẹ của lớp phủ, 2.1a dễ vỡ
2 445 Mẫu 2.1b Xuất hiện lớp phồng nhẹ của lớp phủ, dễ vỡ
2 430 Mẫu 2.2a Xuất hiện lớp phồng nhẹ của lớp phủ, lớp phồng khó vỡ hơn
Mẫu 2 425 Xuất hiện lớp phồng nhẹ của lớp phủ, 2.2b lớp phồng khó vỡ hơn
2 415 Lớp phủ phồng và bị đen hoàn toàn, lớp phồng tách ra khỏi bề mặt tấm Mẫu 3.1a thép, mỏng và dễ vỡ
2 405 Lớp phủ phồng và bị đen hoàn toàn, lớp phồng tách ra khỏi bề mặt tấm Mẫu 3.1b thép, mỏng và dễ vỡ
Mẫu 2 390 Lớp phủ chỉ hơi bị nứt trên bề mặt, 3.2a không bị vỡ
2 380 Mẫu 3.2b Lớp phủ chỉ hơi bị nứt trên bề mặt, không bị vỡ
20
Xác định độ bền nhiệt của mẫu sơn bằng phương pháp phân tích nhiệt TG của mẫu sơn 3.2b.
Hình 3.61 Phổ TG của mẫu sơn 3.2b
Sự giảm khối lượng mẫu là do ra sự bay hơi của H2O và quá trình nhiệt phân của AB2 làm giải phóng của NH3 và H2O gây nên sự giảm trọng lượng của mẫu. Giai đoạn ở nhiệt độ từ 200 oC - 900 oC khối lượng giảm đi ít hơn so với giai đoạn trước (chỉ giảm khoảng 5%) .Ở giai đoạn này vẫn tiếp tục diễn ra quá trình nhiệt phân AB2 nhưng đã được cải thiện hơn rất nhiều nhờ có lượng phụ gia AB2 khiến cho lớp phủ giữ được ở trên bề mặt thép với lượng lớn và lâu hơn tạo nên hiệu quả chống cháy cao.
21
Hình 3.63. Ảnh SEM của mẫu sơn 3.2b trên thép sau đốt
Khi sử dụng mẫu sơn 3.2, sau khi đốt lớp sơn đã tạo thành một màng có cấu trúc đặc khít, các phần tử liên kết với nhau chặt chẽ, trên bề mặt lớp sơn sau đốt nhận thấy một phần của lớp màng bị vỡ nhưng không đáng kể nên trọng lượng của mẫu giảm đi rất ít, khiến cho nó được giữ lại trên bề mặt thép rồi che phủ và cản nhiệt một cách hiệu quả cho tấm thép.
Từ các kết quả trên, nhận thấy hỗn hợp phụ gia AB2 có tác dụng làm chậm quá trình bắt cháy của gỗ, đáp ứng được yêu cầu làm kéo dài thời gian bắt lửa của gỗ phục vụ cho công tác khác trong PCCC: tăng thời gian thoát nạn, giảm tốc độ lan truyền của ngọn lửa.
22
KẾT LUẬN
1. Nghiên cứu tổng hợp APP từ axit photphoric và ure và cho thấy với tỉ lệ mol axit photphoric : urê là 1:1.8, tại các điều kiện nhiệt độ phản ứng tại 1400C, nhiệt độ sấy tại 2000C, thời gian phản ứng trong 15 phút là điều kiện tối ưu và cho sản phẩm APP loại I. Sản phẩm APP thu được ở dạng bột mịn màu trắng.
2. Đã tổng hợp và đưa ra điều kiện tối ưu để tổng hợp được hỗn hợp phụ gia APP/Diatomit bằng hai phương pháp là: trộn cơ học và trùng hợp tại chỗ.
3. Đã tổng hợp và đưa ra điều kiện tối ưu để tổng hợp được hỗn hợp phụ gia APP/Bentonit bằng hai phương pháp là: trộn cơ học và trùng hợp tại chỗ.
4. Đã chế tạo mẫu giấy có chứa hỗn hợp phụ gia APP; APP/Diatomit ;
APP/bentonit và mẫu giấy có phủ APP; APP/Diatomit ; APP/bentonit.
5. Đã chế tạo được mẫu giấy có độn phụ gia APP và mẫu giấy có ngâm tẩm APP APP/Diatomit ; APP/bentonit. Đã khảo sát khả năng chậm cháy của các mẫu giấy này. Kết quả cho thấy giấy phủ APP/bentonit được chế tạo theo phương pháp trùng hợp tại chỗ chậm cháy tốt nhất so với các giấy có độn và phủ phụ gia khác kể trên.
6. Đã nghiên cứu ứng dụng APP/Bentonit để chế tạo sơn chống cháy: Đưa ra được công thức chế tạo hệ sơn mang lại hiệu quả chống cháy cao, cụ thể: Dung dịch alumino silicate loại II 74.8%, Cao lanh 3.6%, Bột màu 7.2%, AB2 7.2% (Bentonit hấp phụ APP theo phương pháp trùng hợp tại chỗ) và H2O 7.2%
23
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
1. Trong nghiên cứu tổng hợp vật liệu, đã khẳng định được phương pháp tổng hợp phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm, với việc sử dụng các nguyên liệu thông thường, dễ dàng bảo quản hơn các nguyên liệu theo phương pháp khác để được chỉ ra.
2. Tổng hợp thành công phụ gia APP trong điều kiện Việt Nam, tổng hợp thành công 2 hỗn hợp phụ gia chậm cháy APP/bentonit, APP/diatomit cho vật liệu dễ bắt cháy: giấy và ứng dụng trong sơn để bảo vệ chậm cháy cho gỗ và bảo vệ kết cấu cho thép.
3. Lựa chọn tỉ lệ phối liệu của chất nền và hỗn hợp phụ gia phù hợp cho
vật liệu giấy, sơn bảo vệ cho gỗ và thép.
