Nghiên cứu công nghệ vật liệu polyurethane (PU) dạng xốp ứng dụng trong công nghiệp xây dựng

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ : Nghiên cứu công nghệ vật liệu polyurethane (PU) dạng xốp ứng dụng trong công nghiệp xây dựng

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYURETAN (PU) DẠNG XỐP ỨNG DỤNG TRONG

CÔNG NGHIỆP XÂY DỰNG

VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYURETAN (PU) DẠNG XỐP ỨNG DỤNG TRONG

CÔNG NGHIỆP XÂY DỰNG

Thực hiện theo Hợp đồng số:188.11.RDHD-KHCN ngày 5 tháng 5 năm

2011 giữa Bộ Công Thương và Viện Hóa Học Công nghiệp Việt Nam

Cơ quan chủ trì: Chủ nhiệm đề tài

VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM TS MAI VĂN TIẾN

MỞ ĐẦU

Hiện nay, vật liệu trên cơ sở polyuretan (PU) đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống xã hội, bởi vì chúng có đặc tính 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….) Với khả năng cách nhiệt, cách âm tốt, có độ cứng cao, đặc biệt là rất nhẹ (khối lượng riêng ở khoảng 20 ÷ 150 kg/m3), nên rất thích hợp ứng dụng trong công nghiệp xây dựng dùng để làm tấm cách nhiệt chống nóng cho mái nhà, vách ngăn, vách tường Việt Nam là quốc gia

có khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm, số ngày nắng nóng nhiều, việc chống nóng giảm nhiệt cho các tòa nhà cao tầng và khu vực nhà dân là rất cần thiết Về mùa đông, các tấm cách nhiệt, vách tường cách nhiệt có tác dụng giữ cho căn phòng ấm áp Vấn đề xây dựng nhà làm việc, nhà ở hiện nay đang có nhu cầu rất lớn về vật liệu cho mục đích trên, ước tính khoảng 500.000-700.000 tấn/năm và ngày càng tăng

Ngoài ra, nhu cầu về vật liệu cách nhiệt, cách âm, chống cháy cho các ngành công nghiệp khác cũng rất lớn trong khi chúng ta vẫn đang phải nhập khẩu như: trong ngành công nghiệp lạnh, chế tạo các panel cách nhiệt, tủ lạnh thùng chứa đá, đường ống, kho lạnh, thùng xe tải lạnh, bồn chứa, container lạnh… Trong công nghiệp đóng tàu ta phải nhập các chi tiết làm vách cách nhiệt, chống cháy, panel cho các vách tàu, phao nổi, hầm lạnh chứa thực phẩm, ca nô cứu sinh…Do vậy, vấn đề nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu PU xốp là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn lớn

Trong những năm gần đây, nhiều nhà khoa học trong nước đã tiến hành nghiên cứu và tìm cách ứng dụng về vật liệu polyuretan xốp, tuy nhiên kết quả nghiên cứu còn rất hạn chế, các kết quả nghiên cứu mới dừng ở quy mô phòng thí nghiệm Việc triển khai sản xuất những loại vật liệu đặc chủng này mới dừng ở giai đoạn sản xuất thử nghiệm, nên phạm vi sử dụng cũng như giá trị sản phẩm chưa được đánh giá một cách đúng mức

Với mục đích nhằm đưa ra công nghệ chế tạo vật liệu xốp trên cơ sở nhựa polyuretan (PU) để gia công thành vật liệu hữu ích, ứng dụng trong công nghiệp và đời sống, chúng tôi đã xây dựng đề tài “ Nghiên cứu công nghệ chế

tạo vật liệu polyuretan (PU) dạng xốp ứng dụng trong công nghiệp xây dựng”

và xác định các nội chính nghiên cứu như sau:

- Lựa chọn nguyên liệu đầu thân thiện môi trường để chế tạo vật liệu PU xốp

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện công nghệ đến quá trình chế tạo vật liệu PU xốp

- Nghiên cứu lựa chọn đơn phối liệu tối ưu để gia công chế tạo vật liệu PU xốp

- Phân tích tính chất cơ lý hóa của vật liệu PU xốp tạo thành

- Sản xuất thử PU xốp và gia công thử sản phẩm ứng dụng: vật liệu polyuretan xốp dạng tấm cứng kích cỡ khác nhau, sản phẩm định hình theo khuôn

MỤC LỤC

Chương 1 - TỔNG QUAN……… 1

1.1 Tình hình nghiên cứu PU xốp trên thế giới………1

1.2 Tình hình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng PU ở Việt Nam…… …… 1

1.3 Polyuretan (PU) xốp……….…… 2

1.3.1 Giới thiệu chung về xốp polyme……….2

1.3.2 Phân loại xốp polyme……… 3

1.3.3 Nguyên liệu chế tạo PU xốp………3

1.3.3.1 Polyol………3

1.3.3.2 Izocyanat……… 4

1.3.3.3 Các chất tạo xốp 9

1.3.3.4 Chất xúc tác và chất ổn định……… 11

1.3.3.5 Các chất phụ gia khác cho sản phẩm PU xốp………… 12

1.4 Cơ chế hình thành xốp PU 13

1.5 Các phương pháp sản xuất xốp……… 17

1.5.1 Gia công liên tục các loại xốp PU……….17

1.5.2 Sản xuất xốp theo mẻ (gián đoạn)……….18

1.5.3 Phun xốp 19

1.5.4 Đúc rót xốp có vỏ 19

1.6 Tính chất của PU xốp 20

1.7 Ứng dụng của PU xốp……… 21

CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM……… 23

2.1 Thiết bị, hóa chất……… … 23

2.1.1 Nguyên liệu hóa chất……… 23

2.1.2 Thiết bị sử dụng……… 23

2.2 Phương pháp nghiên cứu chế tạo PU xốp……… 24

2.2.1 Phương pháp chế tạo mẫu xốp PU……… 24

2.2.2 Các phương pháp xác định, phân tính, tính chất sản phẩm 24

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…… 30

3.1 Lựa chọn và phân tích nguyên liệu đầu……… 30

3.2 Ảnh hưởng các thành phần hỗn hợp phản ứng đến tính chất cơ lý của

vật liệu PU xốp 32

3.2.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng izoxyanat/polyol đến tính chất cơ lý của vật liệu PU xốp 32

3.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo xốp đến tính chất cơ lý của vật liệu PU xốp 35

3.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng chất hoạt động bề mặt polydimetylsilosan đến tính chất của vật liệu PU xốp 36

3.2.4 Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác đến tính chất cơ lý của vật liệu 38

3.3 Ảnh hưởng các điều kiện công nghệ đến tính chất cơ lý của vật liệu PU xốp 41

3.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất cơ lý của vật liệu PU xốp 41

3.3.2 Ảnh hưởng thời gian trộn hợp đến tính chất cơ lý của vật liệu PU xốp 42

3.3.3 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến tính chất cơ lý của vật liệu PU xốp 43

3.4 Điều kiện tối ưu tổng hợp vật liệu PU xốp 44

3.5 Đặc trưng cấu trúc, tính chất của PU xốp 45

3.5.1 Phổ hồng ngoại của vật liệu PU xốp 45

3.5.2 Tích chất nhiệt TGA của vật liệu PU xốp………… 46

3.5.3 Đặc trưng cấu trúc hình thái, tính chất xốp của vật liệu xốp PU 47

3.5.4 Độ dẫn nhiệt của PU xốp………… 48

3.5.5 Độ hấp thụ nước của vật liệu PU xốp……… 49

3.5.6 Khả năng chịu hóa chất của sản phẩm PU xốp 49

3.6 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu PU xốp……… 50

3.7 So sánh tính chất sản phẩm xốp PU với một số sản phẩm xốp PU nhập khẩu hiện có trên thị trường……….51

3.8 Xây dựng giá thành sản phẩm 52

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ASTM : American standard test method

CHĐBM: Chất hoạt động bề mặt

DABCO: Diamin triethylen

DSC: Phân tích nhiệt vi sai quét (Differential Scanning Calorimetry)

HDI: Hexametylen diizocyanat

HTPI: Telechelic hydroxyl cis-1,4-polyisoprene

IPDI: Izophorone diizocyanat

IR: Phổ hồng ngoại (Infraed Spectroscopy)

ISO: International standard organization

MDI: 4,4’- diphenyl meta diizocyanat

MPDI: Meta - phenylen diizocyanat

ODP: Độ phá hủy tầng ozon (Ozone Depleting)

TDI: Toluen Diizocyanat

Tg: Nhiệt độ hóa thủy tinh (Glass Transition Temperature)

TGA: Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermo Gravimetric Analysist)

TÓM TẮT NHIỆM VỤ

Trên cơ sở tổng quan tài liệu, tham khảo patent nước ngoài về công nghệ chế tạo vật liệu polyuretan xốp, lựa chọn phương pháp nghiên cứu, tiến hành thực nghiệm, trong năm qua đề tài đã thu được những kết quả chính như sau:

- Đề tài đã nghiên cứu lựa chọn được các loại nguyên liệu thích hợp và chế tạo thành công xốp cứng trên cơ sở nhựa PU Vật liệu PU tạo ra có cấu trúc xốp tổ ong ứng dụng làm vật liệu xây dựng có khả năng cách âm, cách nhiệt

- Đề tài đã tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các tỷ lệ thành phần đơn phối liệu và các điều kiện công nghệ đến quá trình chế tạo vật liệu PU xốp cứng

Từ đó lựa chọn ra đơn phối liệu tối ưu, để gia công chế tạo vật liệu PU xốp

- Sản phẩm PU xốp tạo ra có khối lượng riêng từ 40-45kg/m3, độ xốp 89%, độ bền kéo đứt 252KPa, độ bền nén 180KPa, độ hấp thụ nước cỡ 1,2%, hệ số dẫn nhiệt 0,022W/m.K, khả năng chịu môi trường hóa chất axit H2SO4 10%, NaOH 10%, muối 10% và dung môi xylen

- Đã tạo ra hơn 10kg vật liệu PU Đồng thời sử dụng các phương pháp ép, đổ khuôn trên các thiết bị chuyên dụng để chế thử hơn 10 mẫu tấm cứng PU xốp kích thước 30 x15x5 cm Các sản phẩm được đo các tính năng cơ, lý, tính chất cách nhiệt , so sánh với các sản phẩm cùng loại hiện có trên thị trường

có chất lượng tương, đáp ứng yêu cầu đặt ra

Chương 1 - TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu PU xốp trên thế giới

Tại các nước công nghiệp phát triển như: Mỹ, Đức, Trung Quốc, các nước Tây Âu, … việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu PU được thực hiện rất sớm từ những năm 30 của thể kỷ trước Các ứng dụng thương mại đầu tiên của polyuretan là tạo ra vật liệu đàn hồi giống như cao su, sơn và chất kết dính, được phát triển mạnh vào các năm 1945÷1947, theo sau là xốp mềm vào năm 1953 và xốp cứng năm 1957 [1, 2] Kể từ đó chúng đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực với số lượng ngày càng tăng, năm 2000 sản lượng tiêu thụ PU trên thế giới đạt khoảng trên 8 triệu tấn/ năm, thì năm 2009 con số này đã tăng lên trên 23 triệu tấn [3] Đã có rất nhiều sản phẩm được chế tạo từ vật liệu PU với chủng loại đa dạng như: xốp cứng, xốp mềm, xốp hấp thụ nước….và đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp ví như: vật liệu PU xốp cứng được ứng dụng làm vách ngăn, tấm trần cho các phòng họp lớn, nhà xưởng công nghiệp cần giảm tiếng ồn Trong công nghiệp sản xuất ô

tô, tàu hỏa, tàu thủy PU xốp được dùng làm tấm nóc trần, vách ngăn giữa các khoang ghế ngồi Ngoài ra PU xốp cứng còn được sử dụng cho các công trình trong các nhà máy hóa chất hoặc công trình xây dựng ở khu vực biển và không khí biển bởi vì khả năng chống ăn mòn tốt, bền hóa chất Ngoài ra vật liệu PU xốp còn được dùng làm đệm giường, ghế sa-lông, poster, đế giày dép, dụng cụ thể thao, sân thể thao…[4]

1.2 Tình hình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng PU ở Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu PU không phải là mới, tuy nhiên việc nghiên cứu chế tạo triển khai và ứng dụng các sản phẩm chế tạo từ vật liệu này là hạn chế Hầu hết các sản phẩm chế từ vật liệu PU và nguyên liệu để tạo ra chúng, hiện nay chúng ta vẫn đang phải nhập khẩu hầu như hoàn toàn Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu PU trong nước đã được quan tâm nhiều hơn, hiện tại một số cơ

sở điển hình nghiên cứu về lĩnh vực này như: Trường Đại học Bách Khoa

HN, Đại học Quốc Gia TP.HCM, Viện Hóa Học, Viện Khoa Học Vật Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam, Viện Khoa Học Công nghệ Giao Thông Vận Tải…và đã thu được các kết quả nhất định

Liệu Gần đây nhất nhóm tác giả do TS Nguyễn Thị Phương Phong chủ trì

đã tiến hành : “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bạc trên polyuretan xốp nhằm xử lý nguồn nước uống nhiễm khuẩn” [5]

- Hay nhóm tác giả do Nguyễn thị Bích Thủy của Viện KHCN GTVT

đã triển khai nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu chống thấm cho mặt cầu BT trên cơ sở nhựa polyuretan” [6]

- Tại trường Đại học KHTN-ĐHQGHN nhóm tác giả do GS.TS Ngô Duy Cường đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng vật liệu PU với đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu màng phủ nanocompozit trên cơ sở polyuretan-epoxi” [7]

Tuy vậy vấn đề nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu PU còn rất khiêm tốn Việc nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu PU đặc biệt là PU xốp dạng tấm ứng dụng trong công nghiệp xây dựng hiện nay là cần thiết, góp phần giảm nhập khẩu, tiết kiệm ngoại tệ

1.3 Polyuretan (PU) xốp

1.3.1 Giới thiệu chung về xốp polyme

Xốp polyme bao gồm hai pha là pha rắn và pha khí Pha rắn được tạo thành bởi các nền polyme khác nhau, như polyme nhiệt dẻo, polyme nhiệt rắn, polyme vô cơ, polyme blend các loại , trong pha rắn có thể mang vật liệu độn có tính chất gia cường như sợi, bột thủy tinh, bột kim loại Pha khí được tạo thành từ các bóng khí Các bóng khí được hình thành từ phản ứng hoặc quá trình bay hơi của các phân tử nhẹ như CO2, hơi nước hay các tác nhân tạo xốp được thêm vào trong quá trình chế tạo sản phẩm Các tác nhân tạo xốp (bóng khí) thường là các hợp chất dễ bay hơi, hoặc các hợp chất dễ phân hủy để tạo thành các chất khí từ phản ứng hoặc nhiệt [8,9]

1.3.2 Phân loại xốp polyme

Theo tính chất xốp, xốp polyme có thể phân loại như sau [9]:

- Phân loại theo cấu trúc: xốp polyme có 2 dạng là xốp có cấu trúc

đều đặn, xốp có vỏ đặc trong lõi xốp Loại xốp thứ nhất có cấu trúc các khoảng trống xốp có kích thước đều nhau, còn lại thứ hai là loại xốp có vỏ đặc, bên trong có cấu tạo xốp dạng tổ ong, mật độ tăng dần từ trong ra ngoài, kích thước của xốp tạo ra càng nhỏ lại Ngoài ra theo cấu trúc có thể phân loại thành xốp có cấu trúc kín, hở và hỗn hợp Xốp có mặt kín là loại xốp mà trong

đó các pha được sắp xếp riêng biệt, không có các mối liên hệ nào với nhau Xốp có cấu trúc hở thì nhân tố nối các pha lại với nhau là không khí Xốp có cấu trúc hỗn hợp là xốp có sự sắp xếp lẫn lộn cả mặt kín và hở Để tạo ra các cấu trúc xốp khác nhau, người ta sử dụng các phương pháp vật lý, hóa học theo mục đích sử dụng, ví dụ như xốp có vỏ đặc thì độ cách nhiệt cao hơn, nhưng xốp có cấu tạo hở thì độ cách âm tốt hơn

- Phân loại theo độ cứng: độ cứng hay mềm của xốp phụ thuộc vào

nhiều yếu tố như nhiệt độ hóa thủy tinh (Tg) cao hoặc thấp hơn nhiệt độ phòng, bản chất của vật liệu tạo nên pha rắn, độ kết tinh, mật độ tạo liên kết ngang Trong các polyme xốp cứng có đặc điểm độ đàn hồi nhỏ như xốp PS, PVC (cứng) còn xốp mềm có độ đàn hồi lớn hơn như PU (mềm), xốp PE…

1.3.3 Nguyên liệu chế tạo PU xốp

Thành phần chính và quan trọng nhất để tạo nên polyuretan xốp là các polyol và izocyanat, ngoài ra trong tổ hợp chế tạo PU xốp còn có các loại nguyên liệu khác như: chất tạo xốp, chất xúc tác, chất hoạt động bề mặt, phụ gia chống oxi hóa, chống cháy, chất tạo mầu… tùy thuộc vào loại xốp PU và mục đích ứng dụng [10]

1.3.3.1 Polyol

Polyol là các oligome hay các polyme chứa ít nhất hai nhóm hydroxyl

(-OH) Polyol thương mại có khối lượng phân tử và chỉ số hydroxyl thay đổi trong phạm vi rộng Hiện tại có khoảng 450 loại polyol được ứng dụng trong

tổng hợp PU [11] Ngoài polyol khâu mạch, trong thành phần polyol có thể còn có chất kéo dài mạch Polyol mạch ngắn như glycol, polyol mạch dài như triblock copolyme etylen oxit/propylene oxit/etylen oxit (EO/PO/EO)

Polyol có vai trò quan trọng ảnh hưởng tới cấu trúc và tính chất của polyuretan tạo thành Sự linh động của polyol dẫn tới sự linh động cho sản phẩm polyuretan như có thể thay đổi độ chịu kéo, độ chịu va đập, khả năng chịu nhiệt độ thấp, hạ nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg)… Các thuộc tính của polyuretan sẽ khác đi khi sử dụng các polyol khác nhau đặc biệt là khi sử dụng các polyol có cấu trúc đối xứng cao

Ảnh hưởng của polyol tới cấu trúc và tính chất của polyuretan được Ako và Kennedy nghiên cứu và chỉ ra rằng các polyol càng có nhiều nhóm hydroxyl

sẽ cho độ bền kéo cao hơn, độ đàn hồi và độ thấm nước thấp nhưng độ ổn định không khí cao [ 12]

Kébir và cộng sự giới thiệu việc sử dụng telechelic hydroxyl polyisopren (HTPI) trong tổng hợp của Polyuretan Ảnh hưởng của trọng lượng phân tử, cũng như cấu trúc hóa học của polyuretan đến các quá trình hydro hóa, epoxy hóa, đến tính chất nhiệt của chúng…đã được khảo sát Nghiên cứu tính cơ nhiệt của chúng cho thấy tính đàn hồi của vật liệu giảm với sự giảm trọng lượng phân tử của HTPI hoặc với sự gia tăng hàm lượng epoxy và nâng cao quá trình truyền nhiệt [13, 14 ]

cis-1,4-1.3.3.2 Izocyanat:

Izocyanat là các hợp chất chứa nhóm chức NCO có thể tổng hợp dựa trên phản ứng tổng quát sau [ 9, 15]:

R2S2O4 + 2KCN → 2 R-NCO + K2S2O4

Hiện nay để tổng hợp ra các hợp chất cyanat, sử dụng nhiều phương pháp khác nhau dựa trên phản ứng của các hợp chất amin và phosgen

H2N - R - NH2 + 2HCl → ClH H2N - R - NH2.HCl

HCl H2N - R - NH2.Cl + ClOCl → OCN - R' - NCO + HCl

Tùy thuộc vào nguyên liệu có thể tạo ra sản phẩm di, tricyanat Tuy nhiên, sản phẩm thông dụng nhất là diizocyanat với 2 nhóm cyanat ở đầu mạch và cuối mạch Các loại diizocyanat phổ biến để chế tạo PU có thể ở dạng thẳng hoặc dạng vòng Phổ biến nhất là toluen diizocyanat (TDI); 1,6 hexametylen diizocyanat (HDI); 4,4’- diphenyl meta diizocyanat (MDI); izophorone diizocyanat (IPDI); para- phenyl diizocynat (PPDI)

Các hỗn hợp izocyanat có khả năng phản ứng với các hợp chất có chứa

H linh động, mà tiêu biểu là H20 để tạo ra amin và CO2, phản ứng với amin tạo ra ure

Các diizocyanat có khả năng phản ứng mạnh với các chất chứa H linh động theo mức độ giảm dần sau: amin thẳng > amin thơm > H2O > rượu bậc 1

> rượu bậc 2 > rượu bậc III > phenol > axit > amit

Những phản ứng này rất quan trọng trong việc sản xuất và biến tính polyizocyanat Sản phẩm xốp được tạo ra từ sự liên kết của uretan phản ứng với hệ - NCO, -H2O Sự tạo xốp này xảy ra do quá trình giải phóng CO2 và nhóm ure đồng thời được tạo thành bằng phản ứng cộng:

Phản ứng giữa các nhóm izocyanat rất quan trọng, xúc tác đặc biệt sử dụng cho phản ứng là photphin PH3, axetat

Biến tính cyanat tạo adduct: nhằm làm giảm độ độc cũng như họat tính

của các izocyanat Bên cạnh đó chúng còn làm tăng một số tính chất: khả năng chịu nhiệt, bền với môi trường, tính chất cơ lý cao Các sản phẩm này thường dùng để chế tạo các loại xốp

Một số loại diizocyanat quan trọng trong tổng hợp PU xốp

*Izocyanat mạch vòng no và mạch thẳng:

N-izocyanat hexylamino cacboxyl

1,6 Hecxametylen diizocyanat (HDI)

Trong quá trình tổng hợp, sự phân tách đồng phân 2,3 TDI là cần thiết bởi sự có mặt của nó có thể làm ảnh hưởng xấu đến quá trình tổng hợp PU TDI là một chất lỏng không mầu, nhiệt độ sôi 1200C tại 100 mmHg

4,4' - diphenyl metha diizocyanat (MDI) nguyên chất là nguyên liệu quan trọng trong sản xuất PU MDI ở dạng rắn , nóng chảy ở 370C và có xu hướng dime hóa ở nhiệt độ phòng Công thức cấu tạo của MDI:

4,4' - diphenyl meta diizocyanat (MDI) Một số diizocyanat thơm khác cũng được sử dụng để tổng hợp PU nhưng không được sử dụng rộng rãi bằng TDI và MDI Công thức cấu tạo của chúng:

1,5- diizocyanat naphtalen para - phenylen diizocyanat (PPDI)

Meta - phenylen diizocyanat (MPDI) 1-Clo- 2,4 - phenylen diizocyanat

3,3': dimethoxy - 4,4' - bisphenylene diisocynat

4,4' - bis (2 - methyl izocyanatophenyl) metan

Izocyanat là thành phần chính chủ yếu để tạo nên các liên kết polyurethan và ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm tạo thành Với sự đối xứng tăng của monome izocyanat, sẽ làm tăng tính kết tinh, làm giảm sự tách pha, tăng độ cứng, tăng độ bền kéo và mô đun đàn hồi Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng cấu trúc izocyanat ảnh hưởng tới cấu trúc và tính chất polyuretan Lee và cộng sự [16] đã nghiên cứu tác dụng của các loại diizocyanat lên thuộc tính của vật liệu polyuretan khi tiến hành tổng hợp polyuretan từ 1,4-butandiol với các diizocyanat khác nhau như (MDI, TDI, IPDI, HMDI và HDI) Các dữ liệu

từ kết quả phân tích DSC và DMA cho thấy rằng các quá trình chuyển đổi nhiệt bị ảnh hưởng đáng kể bởi cấu trúc của diizocyanat Polyuretan tạo ra, có thể là polyuretan cứng hoặc polyuretan mềm hoặc là sự trộn lẫn cả hai Cấu trúc izocyanat cũng ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học MDI cho độ bền kéo và độ bền xé cao nhất trong khi IPDI là thấp nhất

Javni và các cộng sự [17,18 ] nghiên cứu ảnh hưởng của izocyanat khác nhau lên tính chất của polyuretan chế tạo từ dầu đậu nành Họ chỉ ra rằng tính chất của polyuretan đậu nành phụ thuộc vào mật độ tạo liên kết ngang và cấu trúc của izocyanat Triizocyanat thơm cho mật độ khâu mạch cao nhất, độ bền kéo cao, nhưng độ dãn dài thấp nhất, các polyuretan bị trương trong toluene Polyuretan với cấu trúc vòng thơm và cyclodiizocyanat cho các giá trị về tính chất cơ lý nằm giữa tính chất của các polyuretan hai nhóm chức mạch thẳng Kébir và cộng sự [14] đã nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc và hàm lượng của izocyanat khác nhau tới tính chất của polyuretan tạo thành Kết quả chỉ ra rằng cấu trúc diizocyanat (TDI, MDI, H12-MDI) không có ảnh hưởng đáng

kể đến các thuộc tính của polyuretan Tuy nhiên, I-IPDI chỉ ra mật độ liên kết cao hơn và các đoạn mạch cứng cao hơn Tuy vậy, với sự gia tăng của tỷ lệ đương lượng izocyanat/ hydroxyl (NCO] / [OH] = 1,75) (I-IPDI), sẽ tăng tính đàn hồi và giảm tối đa mođun kéo Độ ổn định nhiệt tùy thuộc vào cấu trúc izocyanat được quan sát thấy: PU (TDI) < PU (H12-MDI) < PU (I-IPDI)

PU tổng hợp từ izocyanat thơm dễ bị hóa vàng khi phơi ra ngoài ánh sáng Sự hình thành mầu có thể là kết quả của sự oxy hóa của những nhóm amino và sự oxy hóa của những amin được giải phóng trong quá trình tổng hợp tại nhiệt độ 150 - 2150C

1.3.3.3 Các chất tạo xốp

Trong quá trình sản xuất, cấu trúc của PU xốp được tạo nên bởi chất tạo

xốp Các chất tạo xốp ở nhiệt độ xác định sẽ chuyển sang trạng thái khí hoặc

là trong phản ứng hoá học tạo chất ở trạng thái khí

- Dựa trên quá trình tạo xốp chất dẻo có thể chia thành 3 nhóm:

+ Được tạo xốp trong trạng thái dàn nhớt: PS

+ Được tạo xốp trong trạng thái nóng chảy: PF, PE, PVC

+ Quá trình tạo xốp tiến hành từ trạng thái chất lỏng được xuất phát trong quá trình phản ứng hoá học: PU, PF, EP

* Xốp chất dẻo có hai nhóm lớn:

- Xốp hoá học

- Xốp vật lý

Trong quá trình tạo xốp người ta còn định lượng thêm các chất ổn định

và chất tạo mầm vào chất dẻo cần tạo xốp, mục đích là để ngăn cản sự co lại của xốp được tạo ra hay là sẽ tạo được cấu trúc xốp mịn màng hơn

* Các chất tạo xốp vật lý: sử dụng một số loại hợp chất dạng lỏng, có nhiệt độ sôi thấp, trong quá trình gia công, thì hiệu ứng nhiệt của phản ứng hoặc nhiệt cung cấp từ bên ngoài làm cho các hợp chất này bay hơi vật lý

Bảng 1.1 Một số chất tạo xốp vật lý và tính chất của chúng [19]

STT Chất tạo xốp

vật lý

Công thức cấu tạo

Khối lượng phân tử, g/mol

Nhiệt

độ sôi,

o C

Độ dẫn nhiệt, mW/m.K

ODP (độ phá hủy tầng ozon)

Bảng 1.2 Một số chất tạo xốp hoá học

TT

Chất khơi mào

Khoảng nhiệt độ phân huỷ trong chất dẻo ( 0 C)

Lượng khí được hình thành (ml/g)

1 N, N dimetyl N, N dinitro 90 - 105 126

2 N,N dinitrozo pentametylen

3 Toluen sunfonic semickahazid 225 - 235 146

Hiện nay, các nước trên thế giới đang hướng tới việc cắt giảm và dừng hẳn các chất gây phá hủy tầng ozon như CFC, HCFC, do đó từ đầu thế kỷ 21 các nước tập trung nghiên cứu chế tạo PU xốp sử dụng các chất tạo xốp thân thiện với môi trường như: HFC 365mfc, HFC 245fa và nước [20, 21] Nước dùng làm chất tạo xốp sẽ cho bọt sớm nhất, ở nhiệt độ thấp, nước phản ứng với izocyanat tạo axit cacbamic và ngay lập tức phân hủy thành amin và CO2 Trong khi đó HFC365mfc cho phản ứng chậm nhất Nước cho bọt xốp có cấu trúc lỗ rỗng nhất, tỷ trọng thấp nhất, độ bền nén thấp và nhiệt độ hóa thủy tinh cao nhất và sự ổn định kích thước ở nhiệt độ cao Do ảnh hưởng của lỗ xốp và tính dẫn nhiệt lớn của CO2 nên xốp tạo bởi nước có tính dẫn nhiệt cao nhất Mặt khác HFC 365mfc cho kích thước lỗ xốp nhỏ nhất, tỷ trọng xốp lớn nhất,

độ bền nén cao nhất, trong khi đó HFC 245fa cho giá trị trung gian và tính dẫn nhiệt thấp nhất [21, 22, 23,] Nước là chất tạo xốp không độc, rất thân

thiện với môi trường, tuy nhiên khi sử dụng phản ứng tạo CO2 phân tán nhanh phá vỡ thành lỗ [24,25,26] Nghiên cứu động học quá trình hình thành PU xốp cũng cho thấy sự hình thành xốp phụ thuộc vào tốc độ phản ứng thổi và phản ứng tạo gel [27, 28]

1.3.3.4 Chất xúc tác và chất ổn định

Tốc độ phản ứng hình thành polyuretan xốp không chỉ phụ thuộc hàm lượng tỷ lệ thành phần nguyên liệu đầu, tốc độ thổi tạo xốp mà còn phụ thuộc vào hàm lượng chất xúc tác như: xúc tác amin và xúc tác thiếc [28,29]

Xúc tác của phản ứng tổng hợp PU là những bazơ hữu cơ và một số

hợp chất cơ kim

Trong số các loại xúc tác, amin bậc 3 và những hợp chất cơ kim (chủ yếu là những dẫn xuất của thiếc) được sử dụng rộng rãi nhất, đặc biệt là amin bậc 3 Những chất xúc tác không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng, sự lan truyền của phản ứng theo dây chuyền mà còn ảnh hưởng tới khả năng khâu mạch của PU, từ đó ảnh hưởng tới các đặc tính của PU tạo ra Một chức năng quan trọng khác của xúc tác là giúp cho phản ứng xảy ra hoàn toàn dẫn tới khả năng khâu mạch thích hợp cho PU tạo ra Amin bậc 3 là chất xúc tác

có hiệu quả cao đối với phản ứng izocyanat - hydroxyl và izocyanat - nước Nói chung, tính bazơ tăng trong các hợp chất amin bậc 3 tăng cường họat tính của xúc tác cho phản ứng tổng hợp PU Tuy nhiên trong trường hợp của diamin triethylen (DABCO), hoạt tính xúc tác lại được tăng cường bởi cấu trúc hóa lập thể Sự thế điện tử làm tăng cường họat tính của xúc tác

Xúc tác trên cơ sở hợp chất cơ kim của thiếc cũng được sử dụng, nó có mùi nhẹ, với nồng độ thấp, phản ứng vẫn có thể diễn ra với tốc độ cao Một số xúc tác loại này được sử dụng phối hợp với những hàm lượng nhỏ của chất chống oxy hoá như axit tartaric Một số loại hợp chất cơ kim của thiếc hay được sử dụng trong tổng hợp PU:

Thiếc (II) octoat, oleat thiếc (II) dilaurat, dibutyl dilaurat, Sn - 2 etyl hexanoat:

Do các hợp chất izocyanat có khả năng phản ứng rất cao ở nhiệt độ thường Trong quá trình bảo quản hoặc sử dụng để điều chỉnh tốc độ phản ứng, người

ta có thể sử dụng các tác nhân khoá mạch như: phenol, cresol, caprolactam, metyletyl xeton,…Các hợp chất này tác dụng với izocyanat tạo aduct có khả năng ổn định ở nhiệt độ thường Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, chúng lại được

giải phóng và phản ứng vẫn tiếp tục xảy ra

1.3.3.5 Các chất phụ gia khác cho sản phẩm PU xốp

Tùy vào mục đích sử dụng mà trong quá trình chế tạo PU xốp có thể có thêm một số các phụ khác như sau:

+ Chất hoạt động bề mặt

Những chất hoạt động bề mặt silicon có khả năng giảm sức căng bề mặt

và nhũ hoá thành phần không thích hợp trong hỗn hợp Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt đến sự hình thành xốp, đến hình thái cấu trúc lỗ xốp, sức căng bề mặt, đến tính chất nhiệt và độ bền cơ học của vật liệu đã được khảo sát [30] cho thấy: thời gian tạo kem, thời gian gel, thời gian không dính tăng;

tỷ trọng xốp và sức căng bề mặt giảm nhanh, kích thước lỗ xốp và độ dẫn nhiệt giảm [31]

Thường sử dụng những copolyme polydimethyl siloxane và polyoxyalkylen làm chất hoạt động bề mặt [32]

Những chất hoạt động bề mặt với mối liên kết Si - O - C là những chất

có khả năng thủy phân, trừ những mối liên kết Si- C không có khả năng thủy phân

Vài copolyme silicon có gắn alkyl trong mạch không có khả năng thủy phân cũng được sử dụng như những chất hoạt động bề mặt đặc biệt

Trong quá trình tạo xốp xảy ra hai quá trình, quá trình tạo liên kết uretan và quá trình tạo dạng xốp

Vai trò của chất xúc tác là đẩy nhanh quá trình tạo liên kết uretan, còn chất hoạt động bề mặt tạo cho xốp có hình dạng, cấu trúc (cấu trúc kín, cấu trúc hở, cấu trúc hỗn hợp), kích thước xốp thích hợp

1.4 Cơ chế hình thành xốp PU [9, 33]

- Các polyol và izocyanat ban đầu có khối lượng và độ nhớt thấp, dịch chuyển qua lại trên các thành bóng khí yếu hình thành trong quá trình tạo xốp Những thành bóng như vậy dễ bị vỡ và khí thoát ra Vì thế cần tăng tính đàn hồi và độ bền của thành bóng, nhờ sự tăng khối lượng phân tử của polyme

- Cơ chế hình thành bóng khí xẩy ra trong khoảng vài giây, qúa trình này giống như tạo khí trong khi đun sôi chất lỏng Khí hình thành trong quá trình phản ứng, hoặc quá trình bay hơi nhờ thêm tác nhân tạo xốp, tan một phần trong khối polyme Khi đạt đến giới hạn độ tan, tức là khi khí tạo ra vượt quá khả năng tan (bão hòa), khí thừa sẽ hình thành bóng khí

- Trạng thái ban đầu khi hình thành bóng khí gọi là hình thành nhân Số bóng khí sẽ tùy thuộc vào số nhân có mặt trong hệ Sự hình thành nhân có thể

là đồng nhất hoặc không đồng nhất (trong trường hợp có các nhân khác) Nhân bóng thường là một lượng nhỏ khí trong các kẽ nứt hoặc chỗ gồ ghề trên bề mặt chất rắn hoặc hạt chất lỏng, trong trường hợp nhân không đồng nhất Bắt đầu quá trình hình thành xốp đặc trưng bằng sự hình thành một lượng lớn nhân Chúng gây nên hiện tượng phản xạ ánh sáng tạo cho khối chất có màu trắng (tạo kem) mà chưa tăng thể tích đáng kể

- Trạng thái tiếp theo là bóng khí tăng lên nhờ thu được khí thoát ra, làm tăng thể tích của hỗn hợp xốp Trạng thái này gọi là nở xốp (foam rise) Độ bền của quá trình bong bóng lớn lên phụ thuộc vào sức căng bề mặt Nếu sức căng bề mặt quá lớn làm cho không hình thành các nhân, chỉ một lượng nhỏ các bong bóng lớn lên, và hình dạng sẽ thon ra theo chiều lớn của bóng Người ta không mong muốn những xốp như vậy vì chúng có tính chất cơ lý bất đẳng hướng

- Điều chỉnh bong bóng lớn lên bằng cách thêm chất hoạt động bề mặt (thường dùng copolyme silicon) Chúng làm giảm sức căng bề mặt và có thể chia các bóng khí ra nhỏ hơn, đều hơn Quá trình này được trợ giúp bằng việc trộn mạnh

- Xốp nở (phụ thuộc vào sự phân tán khí vào các bóng) hoàn thành khi quá trình polyme hóa quá điểm gel, mạng lưới polyme mở rộng từ đầu này tới đầu kia Nồng độ khí trong khối biến đổi theo thời gian

Hình 1.1 mô tả 3 vùng đặc trưng của ba trạng thái hình thành xốp; vùng I tạo nhân (phản ứng làm trắng khối nhưng không tăng thể tích, đặc trưng cho thời gian tạo kem-Cream time); vùng II và III tương ứng với sự nở xốp

Hình 1.1 Các giai đoạn hình thành xốp

Hình trên có thể giải thích như sau: khí tạo ra trong quá trình tạo xốp hòa tan vào trong polyme cho đến khi đạt giới hạn bão hòa Tốc độ hình thành nhân Vn = 0 Sự hình thành nhân không xảy ra ở trạng thái quá bão hòa thấp (Vn = 0) nhưng sẽ bắt đầu ở trạng thái quá bão hòa cao hơn và sẽ tăng tốc cho đến khi đạt tốc độ cực đại (Vn = µ) Khi quá trình tạo nhân hoàn thành, nồng

độ khí trong polyme sẽ giảm do sự khuếch tán khí vào các bóng tăng lên Nồng độ khí trong polyme sẽ giảm theo thời gian cho tới khi đạt giới hạn bão hòa

- Các thông số kỹ thuật đặc trưng cho quá trình tạo xốp là thời gian tạo kem (Cream time), thời gian nở (rise time) và thời gian gel (gel time) Thời gian tạo kem biến đổi trong khoảng 0,001 đến 30 giây, thời gian nở trong khoảng 20 đến 120 giây Thời gian tạo gel được đo bằng cách nhúng đũa thủy tinh vào trong khối xốp Trước khi polyme gel hóa, nó nhầy và dễ dàng kéo thành sợi dài

* Quá trình hình thành xốp PU: Quá trình hình thành xốp PU trải qua hàng

loạt các giai đoạn sau đây:

- Pha chế thành phần và khuấy trộn xốp Các thành phần hóa học được pha

chế (thường bằng thiết bị định chuẩn) theo lượng và tỷ lệ thích hợp và được

khuấy trộn với nhau (trong đầu trộn của máy (mixing head) hoặc trong bình chứa đối với trường hợp trộn tay (hand-mixing)) Trong quá trình khuấy trộn, một lượng nhỏ bóng khí hình thành trong khối chất lỏng Trong trường hợp máy đổ xốp, một lượng nhỏ khí được bơm vào trong buồng trộn

- Thời gian tạo kem (Cream time) Sau một khoảng thời gian ngắn, các khí trợ

nở (CO2 hay các chất trợ nở khác) bắt đầu khuyếch tán vào trong và làm tăng lượng bóng khí nhỏ trong khối chất, hiện tượng giống như khối kem Thời gian bắt đầu trộn đến khi khối chất chuyển thành kem gọi là thời gian tạo kem, thường khoảng 6 – 15 giây đối với xốp mềm (xốp cứng thường thời gian tạo kem lâu hơn)

- Nở (Rising) Khi các khí thổi được tạo ra nhiều hơn, hỗn hợp xốp tiếp tục nở

và trở nên nhớt hơn trong khi quá trình polyme hóa vẫn tiếp tục xẩy ra trong pha lỏng Tổng số bóng khí giữ nguyên không đổi trong quá trình nở xốp Để

ổn định xốp và ngăn được các bóng khí kết khối lại với nhau, người ta sử dụng các chất hoạt động bề mặt

- Nở hoàn toàn (Full rise) Khoảng 100 – 200 giây sau khi trộn, phản ứng thổi

dừng lại còn phản ứng gel hóa tiếp tục Kiến trúc của tế bào chứa đầy khí dần dần vững chắc hơn, thành mỏng của chúng có thể không giữ áp suất khí lâu hơn Khi nở hoàn toàn, những thành mỏng này vỡ ra và các khí được giải phóng (xì hơi) cuối cùng xốp được gel hóa phù hợp và đủ mạnh để giữ khối xốp ổn định Thời gian từ khi bắt đầu đến nở hoàn toàn (đến lúc xì hơi) được gọi là thời gian nở (rise time)

- Gel hóa (Gelling) Phản ứng gel hóa (hay polyme hóa) tiếp tục cho đến khi

đạt được thời gian gọi là thời gian gel hóa (Gel time) (thường 20 – 120 giây sau thời gian nở) khi khối xốp đó được gel hóa Để kiểm tra khối xốp đó được gel hóa hay chưa, dùng que gỗ nhúng đi nhúng lại sâu khoàng 2 – 4 cm vào khối xốp cho đến khi cảm thấy sự đàn hồi Khi lớp da bên ngoài khối xốp không dính khi chạm đầu ngón tay vào tức là đó đạt đến thời gian không dính

(tack free time) Mặc dù thời gian gel hóa thường xảy ra sau thời gian nở khi sản xuất xốp mềm, nhưng nó có thể là ngược lại đối với xốp cứng

- Lưu hóa (Curing).Chỉ xẩy ra đối với xốp mềm, khối xốp sau đó được

chuyển vào khu vực lưu hóa khoảng ít nhất 24 giờ để cho phản ứng gel hóa (hay polyme hóa) xảy ra hoàn toàn

1.5 Các phương pháp sản xuất xốp

Có nhiều phương pháp để tạo ra xốp có cấu trúc đồng đều [9] như:

- Quá trình tạo xốp liên tục để gia công các tấm, các khối

- Phủ xốp và đúc vật thể rỗng, chủ yếu sử dụng cho cách nhiệt, cách âm

- Phun xốp chất dẻo lên vật liệu cốt

Trong số các quá trình tạo xốp được tiến hành bằng phản ứng hoá học thì quá trình gia công tạo xốp có ý nghĩa nhất là quá trình gia công xốp từ PU

1.5.1 Gia công liên tục các loại xốp PU

Bằng quá trình gia công liên tục ta có thể sản xuất cả loại xốp mềm và xốp cứng Nguyên liệu ban đầu của quá trình sản xuất xốp là izocyanat, polyol và chất tạo xốp Các chất này trộn lẫn với nhau bằng máy trộn phù hợp, sau đó rải đều trên băng tải Sau khi được rải đều trên băng tải, tuỳ thuộc vào nhiệt độ các thành phần phản ứng với nhau, đồng thời khí được sinh ra

do phản ứng Quá trình tạo xốp có thể giới hạn bằng băng chạy Sau khi làm nguội, xốp được cắt thành từng sản phẩm theo kích thước nhất định

Mặt cắt ngang được giới hạn nhờ các băng chạy có thể đạt tới 2 x 1 m Trong quá trình sản xuất xốp có mặt cắt ngang lớn hơn, vấn đề chủ yếu là nhiệt độ, bởi vì nhiệt độ cao, cấu trúc xốp sẽ bị phá vỡ

Quá trình gia công liên tục ta có thể gia công xốp có cấu trúc tầng kẹp bằng sử dụng hai lớp sợi dây ở cả hai mặt Khả năng bám dính tốt của PU sẽ đảm bảo cho mối liên hệ giữa xốp và sợi dây

1.5.2 Sản xuất xốp theo mẻ (gián đoạn)

Phương pháp gián đoạn cũng giống như phương pháp liên tục, phương pháp nay tạo ra các sản phẩm ứng dụng trong xây dựng, các kết cấu kẹp tầng, các tấm…

Các sản phẩm định hình PU cứng hoặc mềm luôn được sản xuất bằng phương pháp gián đoạn Cách gia công có thể phân biệt bởi quá trình sản xuất nóng hoặc quá trình sản xuất nguội

- Đối với quá trình sản xuất nóng: sản phẩm sau khi được tạo xốp được giữ trong trạng thái nóng (có nhiệt) trước khi đưa nó ra khỏi khuôn

- Đối với quá trình sản xuất nguội: vật liệu được đóng rắn không cần gia nhiệt Phương pháp sau có lợi hơn vì thời gian giữ sản phẩm trong khuôn ngắn hơn và khuôn có thể chế tạo bằng gỗ, hoặc chất dẻo

Khi sản xuất các sản phẩm định hình, hỗn hợp đã được trộn đều vào khuôn, sau khi đóng khuôn quá trình tạo xốp bắt đầu

Thành phần ban đầu của hỗn hợp ảnh hưởng nhiều đến tính chất của vật liệu xốp Quá trình sản xuất xốp kinh tế hơn nếu ta gia công bằng nhiều khuôn

vì chu trình sản xuất tương đối dài Chu trình bao gồm các bước sau:

- Phủ vật liệu chống dính lên bề mặt tạo hình của khuôn

- Đổ hỗn hợp nguyên liệu vào khuôn

Lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất của xốp PU cứng là sản xuất các vách ngăn, lớp tường bên trong dùng cho cách nhiệt, cách âm

1.5.3 Phun xốp

Phương pháp này chủ yếu được sử dụng khi quá trình tạo xốp cần phải thực hiện tại chỗ Phương pháp này cũng chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp xây dựng, giao thông để tạo lớp cách nhiệt, cách âm,…

Để tạo xốp tại chỗ người ta đã sản xuất ra thiết bị tạo xốp có thể vận chuyển và mang đi được (tất nhiên với kích thước sao cho dùng tay cũng thuận lợi) Trong các máy loại này các hỗn hợp trộn có khả năng phản ứng nhờ áp lực được phun qua vòi phun ra ngoài, sau đó được làm xốp lên và các hỗn hợp này đòi hỏi phải có lượng không khí phù hợp cho quá trình tạo xốp [34]

Máy phun xốp PT120M là một trong các loại thiết bị chuyên dụng sử dụng trong công nghệ sản xuất các sản phẩm bằng vật liệu xốp PU, loại vật liệu nhẹ, có nhiều đặc tính tốt về cách âm, cách nhiệt, chống rung động hiện đang được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các sản phẩm trần, vách, sàn, các vật nổi.v.v hoặc được phun phủ trực tiếp lên bề mặt trần vỏ ô tô, tàu thuyền

Để đúc xốp PU có vỏ, nguyên liệu ban đầu là diizocyanat, polyol các chất phụ gia, chất tạo xốp được trộn hợp với nhau một cách phù hợp rồi được

đổ vào khuôn Dưới tác dụng của nhiệt được sản sinh trong quá trình phản ứng, tuỳ thuộc vào chất tạo xốp được sử dụng là khí monofluor-trichlor metan

hoặc khí trifluor-trichlor etan, quá trình tạo xốp diễn ra trong trạng thái nóng chảy Bằng áp lực 3-6 bar, người ta đúc trong khuôn tạo ra xốp có mật độ thích hợp Tỷ lệ cấu trúc lõi và vỏ phụ thuộc vào áp lực sử dụng, vào nhiệt độ của khuôn

Mức độ tạo mang lưới không gian trong trường hợp này sẽ quyết định tới tính chất cơ học của xốp mà ta có thể điều chỉnh bằng tỷ lệ giữa poliol va diizocyanat Khối lượng chất tạo xốp và trọng lượng mỗi mẻ quyết định tới mật độ xốp và sự tăng của mật độ xốp

Một trong những nhược điểm của xốp PU là nó có thể bị hoá vàng, do

đó thường chỉ sử dụng các sản phẩm có màu tối, các sản phẩm có màu sáng hơn thì tốt nhất nên phủ lớp vecni

1.6 Tính chất của PU xốp

Khối lượng phân tử và bản chất hóa học của tiền polymer (prepolyme) đóng vai trò quyết định nhiều đến tính chất của PU Khối lượng phân tử của prepolyme nhỏ, thì tính chất cơ lý giống như nhựa nhiệt rắn, còn khi khối lượng phân tử prepolyme lớn hơn thì sản phẩm nhận được có tính chất đàn hồi giống như cao su

Các sản phẩm chế tạo từ polyuretan thường có độ bền cơ học cao, khả năng chống mài mòn rất tốt cao hơn hẳn so với các loại cao su khác từ 3 ÷6 lần Với sản phẩm là cao su uretan có modun đàn hồi rất rộng (E = 3-60Mpa),

độ cứng biến thiên trong khoảng lớn (từ 50 shore A đến 70 shore A) khi chưa tạo mạng không gian, thì prepolyme uretan dễ tan trong các dung môi phân cực (xeton, este ), khi tạo mạng không gian thì prepolyme bền trong dung môi mạch thẳng (xăng, dầu mỡ bôi trơn ), dung môi thơm (toluen, xylen )

và đặc biệt là vật liệu PU bền tia tử ngoại ánh sáng, ozon

PU trong lĩnh vực sử dụng dưới dạng cao su PU (elastome) thì có nhược điểm do cấu trúc không gian điều hoà cao, độ phân cực lớn, nên mức

độ đàn hồi không lớn, có xu hướng bị thủy phân dưới tác dụng của môi trường nước nóng, axit, kiềm [35]

1.7 Ứng dụng của PU xốp

PU được ứng dụng khá phổ biến ở nhiều lĩnh vực, trong các sản phẩm

cao su PU để sản xuất các loại gioăng, phớt, cho các thiết bị nén khí, thủy lực, tấm đệm giảm xóc, gối đỡ chịu lực (đòi hỏi chịu ảnh hưởng của môi trường,

độ trương nở nhẹ và chịu mài mòn tốt) Ngoài ra, cao su PU được ứng dụng nhiều trong sản xuất lốp đặc chủng chuyên dụng, đế dày dép, lô của máy in,

lô xay xát, băng tải

Trong lĩnh vực sơn và keo, thì PU được dùng phổ biến trong công nghiệp với tính năng bền môi trường, độ bám dính tốt, độ bóng cao Keo PU

có tính năng bám dính rất tốt lên nền vật liệu cao su, nhựa, xốp, gỗ, kim loại,

da, thủy tinh nên hệ keo này ngày càng được ưa dùng cho mối dán mềm mại, dẻo dai, chịu ứng suất trượt và bóc đều tốt Ở Châu Âu, một trong những hãng sản xuất được biết đến nhiều nhất là Bayer (Đức), hệ keo dán quan trọng cao su lên nền kim loại là keo PU có tên thương mại là Desmodur R Loại keo tương tự của Nga là keo Leykonat được chế tạo từ dung dịch 20% triphenylmetan izocyanat trong dicloetan Keo dán có tên thương mại là Adipren - L (gồm thành phần chính là TDI và polyglycol) hòa tan trong glyxidyl allyl ete Hầu hết các hệ keo PU dùng rất nhiều trong công nghiệp sản xuất dày dép, may mặc, hàng tiêu dùng do tính chất ưu việt và dễ dàng sử dụng

Vật liệu xốp PU có độ bền cơ lý cao, độ đàn hồi tốt, tùy thuộc vào loại vật liệu PU xốp mà ứng dụng trong các lĩnh vực chuyên dụng như [35]:

- Đóng gói (những đồ dễ vỡ, quý, sau khi bọc lớp nilon thì có thể phun

PU vào giúp vận chuyển không bị hỏng hóc, rơi vỡ)

- Đồ nội thất

+ Xốp mềm (Flexible foam)

- Đồ nội thất, bao gồm cả nệm giường (ghế sofar ), lọc khí

- Ghế xe hơi, yên xe máy, ghế máy bay, ghế xe lửa

- Lựa chọn nguyên liệu đầu thân thiện môi trường để chế tạo vật liệu PU xốp

- Nghiên cứu chế tạo vật liệu PU dạng xốp

- Phân tích tính chất cơ lý, hóa của vật liệu PU xốp tạo thành

- So sánh với các sản phẩm sẵn có trên thị trường

- Chế thử PU xốp và gia công thử sản phẩm ứng dụng, sơ bộ tính giá thành sản phẩm

Từ những định hướng trên, đề tài đã tổ chức thực nghiệm và triển khai nghiên cứu Kết quả được trình bày trong chương 2 và chương 3

CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM

2.1 Thiết bị, hóa chất

2.1.1 Nguyên liệu hóa chất:

- Metylen diphenyl diizocyanat (MDI) dạng bột trắng, tỷ trọng 1,23 g/cm3, nóng chảy 40oC hãng sản xuất DOW, Nhật

- Polypropylen glycol (PPG): chất lỏng có màu trắng đục, nhiệt độ sôi 187,4oC của Trung Quốc

- Chất tạo xốp: HFC 365 mfc dạng lỏng của hãng ARKEMA (Mỹ)

- Chất xúc tác: amin bậc 3 (TEGO AMIN 33) của hãng Evonik (Đức) và xúc tác izo octoat thiếc (II) KOSMOS 29 của Bỉ

- Chất hoạt động bề mặt : polydimetylsilicon (Tegostab B8110 EN002) của Đức

- Phụ gia các loại

2.1.2 Thiết bị sử dụng

1 Máy khuấy đũa, khuấy từ tốc độ 200-3000v/p (Nhật)

2 Máy ép thuỷ lực Carver, áp lực 15 ÷ 30 tấn (Mỹ)

3 Máy cán mẫu: Toyoseiky (Nhật)

4 Máy chụp phổ IR: Bruker- Tensor (Đức)

5 Phân tích nhiệt Perkin Elmer-Moldel Pyris Sapphire (Nhật)

6 Đo tính chất cơ lý: thiết bị Instron - 5582 (Mỹ)

7 Tủ sấy Heraeus (Đức)

8 Cân phân tích Kern 770 (Đức), độ chính xác đến 10-4g

9 Kính hiển vi điện quét Jeol- JMS 6360LV (Nhật)

10 Các thiết bị chuyên dụng phòng thí nghiệm khác (ống đong, cốc, bình định mức, pipet, khuôn ép mẫu …)

2.2 Phương pháp nghiên cứu chế tạo PU xốp

2.2.1 Phương pháp chế tạo mẫu xốp PU

Vật liệu xốp PU được chế tạo trên cơ sở phản ứng tạo liên kết polyuretan

từ polyol với diisocyanat với sự có mặt của chất tạo xốp, chất xúc tác amin bậc ba, xúc tác octoat thiếc và các loại phụ gia khác như chất hoạt động bề mặt Mẫu xốp PU được tạo ra theo phương pháp đổ khuôn

Tiến hành thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các tỷ lệ thành phần, ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian ….đến tính chất cơ lý của vật liệu, xác định đơn phối liệu chế tạo vật liệu PU xốp tối ưu

Các bước tiến hành:

- Lắp khuôn

- Chống dính cho khuôn, gia nhiệt cho khuôn ở nhiệt độ 40 0C

- Tiến hành cân nguyên liệu, hóa chất theo tỷ lệ đơn phối liệu lựa chọn vào 2 cốc riêng biệt Một cốc đựng MDI, cốc còn lại chứa hỗn hợp polyol và các hóa chất khác

- Tiến hành khuấy trộn kỹ hỗn hợp cốc thứ hai Sau đó, rót MDI từ cốc một và cốc thứ hai vào cốc thứ ba, tiến hành trộn kỹ hỗn hợp trong cốc thứ 3 bằng máy khuấy với các tốc độ khuấy khác nhau

- Sau khi hỗn hợp đã được trộn đều, đổ nhanh hỗn hợp vừa khuấy trộn vào khuôn, rồi đóng khuôn

- Tiếp tục gia nhiệt cho khuôn ở nhiệt độ 40 0C trong thời gian 10 phút

- Tháo khuôn tách thu sản phẩm