Nghiên cứu công nghệ tạo ván laminated veneer lumber (LVL) chậm cháy từ chất chống cháy amôniphốtphát

Trong công tác phòng cháy và chữa cháy, thì phòng cháy bao giờ cũngphải là chủ yếu, vì đó là biện pháp tích cực chủ động, cơ bản và hiệu quả nhất.Tuy biết rằng, muốn phòng cháy triệt để

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS Tr ần Văn Chứ

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Tính cấp thiết của đề tài.

Cháy và quá trình cháy là một hiện tượng vật lý, hoá học phức tạp cóthể xuất phát từ tự nhiên hoặc do con người tạo ra, hiện tượng này đã đượccon người lợi dụng, sử dụng vào các mục đích khác nhau từ rất lâu Quá trìnhcháy sinh ra nhiệt năng, từ nhiệt năng có thể chuyển hoá thành cơ năng, điệnnăng…

Hoả hoạn là một khái niệm về sự cháy ngoài ý muốn của con người nóluôn là mối đe doạ thường xuyên đối với đời sống con người Mỗi khi có hoảhoạn xảy ra, đều để lại những hậu quả khủng khiếp, gây thiệt hại về người vàcủa cải vật chất Từ lâu hoả hoạn đã được xếp vào một trong tứ đại hoạ củaloài người “Thuỷ, Hoả, Đạo, Tặc”

Trong công tác phòng cháy và chữa cháy, thì phòng cháy bao giờ cũngphải là chủ yếu, vì đó là biện pháp tích cực chủ động, cơ bản và hiệu quả nhất.Tuy biết rằng, muốn phòng cháy triệt để phải loại trừ được toàn bộ các nguồngốc gây cháy ra khỏi các hoạt động của con người, nhưng thực tế người ta vẫnchưa làm được điều đó, vì đây là một vấn đề hết sức phức tạp, khó khăn.Nhiều vụ cháy đã xảy ra do những nguyên nhân ngoài khả năng khống chếcủa con người như: động đất, núi lửa, sét đánh…

Gỗ và sản phẩm từ gỗ ngày càng được con người sử dụng gia tăng cả

về số lượng và chất lượng theo đà tiến bộ của xã hội Để đáp ứng nhu cầu sửdụng, nhiều quốc gia đã chuyển hướng mục tiêu từ sử dụng gỗ rừng tự nhiên

và sản phẩm xẻ sang gỗ mọc nhanh rừng trồng và sản phẩm ván nhân tạo

Những năm gần đây, ván nhân tạo đang dần là loại vật liệu góp phầnthay thế gỗ tự nhiên và được sử dụng rộng rãi trong đồ mộc, trong xây dựng,kiến trúc

Ván LVL (laminated veneer lumber) là một trong những loại ván có

nhiều ưu điểm: có khả năng chịu nén ép, mô đun đàn hồi và độ bền uốn tĩnhcao hơn so với ván xẻ dùng làm nguyên liệu, nâng cao khả năng sử dụng vàcải thiện độ bền kết cấu thông qua việc hạn chế đến mức thấp nhất sự ảnhhưởng của các khuyết tật tự nhiên của gỗ Các sản phẩm LVL có ưu điểm làchiều dài lớn hơn nhờ vào quá trình ép liên tục, đồng thời có thể tạo ra chiềurộng lớn theo ý muốn Ván LVL về cơ bản giống như ván dán có cấu trúc ván

ép lớp là sự sắp xếp các lớp ván mỏng theo một hướng nhất định, với chất kếtdính nhằm tổ chức lại cấu trúc của gỗ

Ván LVL là một loại vật liệu mới có khả năng bắt lửa và cháy tương tựnhư các vật liệu khác và được xếp vào loại các vật liệu dễ cháy Gần đây đã

có nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này và có các kết quả nhất định

Tuy nhiên, khi dùng hoá chất chống cháy cho ván LVL , chúng ta cầnchú ý đến sự ảnh hưởng của hoá chất chống cháy đến tính năng kỹ thuật củakeo dán (khả năng hoà tan, độ bền liên kết, độ pH của hỗn hợp, …), đến tínhchất vật lý, cơ học của ván LVL (đặc biệt khả năng hút nước của ván, độ bềnliên kết của ván…, các thông số chế độ ép (đặc biệt nhiệt độ và thời gian ép)

Chúng ta mong muốn đạt hiệu quả chống cháy cao, nhưng các tính chấtvật lý, cơ học khác của ván LVL không bị ảnh hưởng hoặc có ảnh hưởng thìvẫn phải nằm trong giới hạn cho phép

Vì vậy, với mục đích nghiên cứu tạo ra và sử dụng một hợp chất chốngcháy hữu cơ dùng cho ván LVL để tạo ra một loại ván LVL chậm cháy dùngtrong xây dựng và đồ mộc (trên cơ sở các loại hoá chất chống cháy và cácphương pháp xử lý chống cháy được lựa chọn) góp phần vpào công tác phòngchống cháy, đề tài:

“Nghiên cứu công nghệ tạo ván Laminated Veneer Lumber (LVL)

ch ậm cháy từ chất chống cháy Amôniphốtphát”

Đề tài được thực hiện trong khung khổ của một luận án tốt nghiệp bậc caohọc nhằm khảo sát một trong những biện pháp phòng cháy hiệu quả cho mộtloại vật liệu mới.

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Về mặt khoa học: Luận án sẽ tổng hợp các vấn đề cốt yếu về lý thuyếtchống cháy cho ván LVL

Nghiên cứu tạo ra ván LVL chậm cháy với các trang thiết bị và điều kiệntại Việt Nam Qua các nội dung cơ bản sau:

- Quá trình cháy của gỗ và sản phẩm gỗ, các phương pháp chống cháy chován LVL chậm cháy, các chất phụ gia chống cháy

- Các vấn đề về kỹ thuật khi tạo ván LVL chậm cháy như: ảnh hưởng củacác chất chống cháy đến các tính năng của keo dán, ảnh hưởng của tỷ lệ chấtchống cháy đến các chỉ tiêu chất lượng của ván LVL

- Về mặt ý nghĩa thực tiễn: sự thành công của đề tài sẽ là một trong những

cơ sở lý luận để các nhà nghiên cứu, sản xuất, sử dụng vật liệu LVL thamkhảo lựa chọn, góp phần vào mục tiêu hạn chế thiệt hại do hoả hoạn gây ra

Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 1.1 Lịch sử nghiên cứu về chống cháy cho ván LVL

1.1.1 Trên thế giới

Lịch sử phát triển về chống cháy cho gỗ, sản phẩm gỗ nói chung và chován LVL nói riêng bắt đầu từ năm 1907 Lúc đó, người ta cho MgO, MgCl2,MgBr2 vào trong các loại ván Do có thành phần halozen thể hiện tính chốngcháy rõ rệt và ngay lập tức được các nhà sản xuất chấp nhận [1,Tr.4]

Năm 1940, các công trình nghiên cứu hãng “Bankroft” đã công bố một sốchất chống cháy vô cơ, như: chất chống cháy muối bazơ Các sáng chế củaZ.A.Rogovin cùng các cộng tác viên đã tạo ra các chất chống cháy hữu cơ,như: cloparaphin [1,Tr.4]

Năm 1953, Anon đã đưa ra một số chất chống cháy vô cơ, như: chấtchống cháy nhóm Bo, hợp chất kim loại

Năm 1960, S.M.Gorxin đã công bố các chất chống cháy vô cơ, như:chất chống cháy hệ P-N, nhóm halozen [1, Tr.4]

Tất cả các chất chống cháy nêu trên đều có khả năng chống cháy cho

gỗ và ván LVL Tuy nhiên, các chất chống cháy này có tính tan trong nướccao, dễ tan trong nước, dễ bị rửa trôi khi sử dụng ngoài trời Ngoài ra, phảnứng của chất chống cháy hệ P-N là phản ứng tỏa nhiệt, không có lợi cho việcchống cháy

Để khắc phục những nhược điểm trên, vào những năm 1970 đến 1980,các nhà khoa học Liên Xô (cũ) đã tạo ra chất chống cháy Acid photphoric đa

tụ Chất được tạo ra do các phản ứng của urea, mêlamin với acid photphoric(H3PO4), chúng được sử dụng nhiều để xử lý chống cháy cho các loại vải, vándăm, ván sợi, ván LVL [1, Tr.4]

Từ những năm 1970 trở lại đây, đã phát triển một loại tụ hợp hệ P-Nmới, dung dịch chống cháy tụ hợp Amoniphotphat (gọi tắt là APP) có côngthức phân tử (NH4)n+2PnO3n+1 Đây là một loại hợp chất dạng bột màu trắng,thành phần hữu hiệu P2O5 chiếm trên 65%, hàm lượng N trên 12%, có khảnăng chống cháy tốt, khả năng tan trong nước là 0.1-6%, tính chống rửa trôicao, làm cho bề mặt xử lý sạch, không có hiện tượng nhớp nháp [2,Tr.337].

Vào những năm 1970, các nhà khoa học Trung Quốc đã tạo ra các loạikeo kí hiệu là: U.D.PF, MDPM, H3PO4.PFAC, H3BO3.MFAC có khả năngchống cháy

Hiện nay, chất chống cháy có chứa photpho đang được ưa chuộng trongván dăm, ván sợi, ván LVL Lượng hóa chất chứa photpho trên thế giới hiệnnay có khoảng 20 tỷ tấn [1, Tr.5] Theo các nguồn khác đưa ra photpho đượcxác định trong 1000 tỷ tấn tương đương với 130 tỷ tấn photpho Điều đó đảmbảo cho việc sản xuất các sản phẩm hóa học trong một số thế kỷ Ở Nga, Mỹ

và Maroc đang sản xuất một lượng lớn photpho cung cấp cho thế giới

1.1.2 Trong nước

Ở Việt Nam, về phòng chống cháy cho vật liệu có khả năng cháy nóichung đã được các nhà khoa học của trường Đại học Phòng Cháy Chữa Cháy,Cục Phòng Cháy Chữa Cháy và Viện An Toàn Lao Động nghiên cứu Tuynhiên, mục đích của các công trình nghiên cứu đó chủ yếu là chữa cháy Cònviệc phòng chống cháy cho gỗ và sản phẩm từ gỗ thì rất ít có các công trìnhnghiên cứu, đặc biệt là ván LVL

Ở trường Đại học Lâm Nghiệp đã có một số công trình nghiên cứu vềphòng chống cháy cho gỗ của PGS TS Hoàng Thúc Đệ, TS Nguyễn CảnhMão trong quá trình sấy gỗ và hóa lâm sản Điều đáng chú ý nhất, trongnhững năm gần đây (1995-2003) đã có một số công trình nghiên cứu tạo vándăm chậm cháy như: đề tài tiến sỹ của PGS Trần Văn Chứ và một số đề tài

có liên quan đến chất chống cháy và ảnh hưởng của một số chất chống cháyđến khả năng trang sức, độ bền, khả năng chống cháy của ván dăm, ván sợi,ván LVL, như :

1 Trần Quang Khải (2001), Đánh giá sự ảnh hưởng của các tỷ lệ chất

chống cháy đến chỉ tiêu chất lượng trang sức và tính chất vật lý cơ học của

ván dăm khi sơn P-U lên bề mặt ván dăm chậm cháy từ H 3 BO 3 và

Na 2 B 4 O 7 10H 2 O.

2 Trần Văn Toản (2003), Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất ép, thời

gian ép tới một số tính chất cơ bản của ván LVL tạo ra từ Keo lai.

3 Nguyễn Minh Ngọc (2003), Đánh giá sự ảnh hưởng của một số đơn

pha chế chống cháy đến chất lượng trang sức dán phủ ván lạng gỗ lên ván

dăm.

4 Vương Văn Tiệp (2003), Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất ép, lượng chất chống cháy đến chất lượng ván dăm chống cháy.

5 Nguyễn Thị Hương Giang (2004), Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng

độ, thời gian tẩm hóa chất B-B đến độ bền và khả năng chống cháy của ván

LVL.

Tuy nhiên, đối với hóa chất chống cháy được tạo ra từ Urea và H3PO4

là một loại hóa chất mới nên hiện nay chưa có công trình nào nghiên cứu vềviệc tạo ra và sử dụng chúng để chống cháy cho ván LVL Vì vậy, để tạo ramột loại nhựa có khả năng chống cháy, chống rửa trôi tốt, có giá phù hợpdùng để chống cháy cho các loại ván trên, đề tài nghiên cứu này phần nào giảiquyết được vấn đề đó

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu tạo ra một loại chất chống cháy hữu cơ (Amoniphotpho)dùng cho ván LVL, có khả năng chống cháy tốt, chống rửa trôi tốt, giá cả phùhợp và có quy trình đơn giản

- Đánh giá được khả năng chậm cháy của ván LVL khi sử dụng hóachất chống cháy Amoniphotphat.

1.3 Nội dung nghiên cứu

- Tiến hành tạo nhựa Amoniphotphat dùng cho ván LVL chống cháy

- Đánh giá chất lượng chất chống cháy của ván LVL sau khi chống cháy

- Tiến hành tạo ván LVL chậm cháy

- Kiểm tra chất lượng ván LVL chậm cháy

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu để thực hiện các mục tiêu trên là kế thừa,nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để kiểm chứng

1.4.1 Phương pháp thừa kế các tài liệu

Để nghiên cứu tạo ra chất chậm cháy (UP) dùng cho ván LVL chốngcháy, tôi đã thừa kế một số tài liệu về chống cháy cho gỗ và sản phẩm từ gỗcủa TS Trần Văn Chứ và Trần Tuấn Nghĩa Ngoài ra, còn một số các đề tàicủa sinh viên có liên quan

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Trong đề tài này, tôi tiến hành nghiên cứu về lý thuyết chất chống cháy,tạo nhựa và một số vấn đề liên quan đến chống cháy cho ván LVL

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

a Các bước tiến hành tạo nhựa Amoniphotpho (UP)

- Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu, thiết bị để tạo nhựa

- Bước 2: Tạo nhựa UP

- Bước 3: Kiểm tra chất lượng nhựa UP

- Bước 4: Tạo ván LVL chậm cháy

- Bước 5: Kiểm tra chất lượng ván LVL chậm cháy

b Phương pháp kiểm tra chất lượng của nhựa Amôniphotphat

Để đánh giá chất lượng của nhựa tạo ra, cần tiến hành kiểm tra một sốchỉ tiêu kỹ thuật cơ bản sau:

- Hàm lượng khô

- Độ pH, độ nhớt

- Tỷ trọng

- Độ hoà tan

Các chỉ tiêu này được kiểm tra theo tiêu chuẩn GB/ T4897/77

c Kiểm tra chất lượng ván LVL chậm cháy

Để kiểm định nhựa UP trên ván LVL chống cháy, cần tiến hành kiểmtra các tính chất của ván như:

- Kh ả năng trương nở chiều dày ván.

Khả năng trương nở chiều dầy ván LVL được kiểm tra theo tiêu chuẩnCSN- 490110, với kích thước mẫu thử là: 25 x 25 x t(mm)

- Kh ối lượng thể tích.

Để kiểm tra khối lượng thể tích ván được kiểm tra theo tiêu chuẩnUDC-919, GB 9846.11- 88

Kích thước mẫu là: 50 x 50 x t (mm)

- Cường độ kéo trượt màng keo.

Cường độ kéo trượt màng keo được kiểm tra theo tiêu chuẩn JAS –

11152 (1993), với kích thước mẫu thử là 35 x 25 x t (mm)

- Môdul đàn hồi mặt ván

Độ bền uốn tĩnh được kiểm tra theo tiêu chuẩn: JAS S-1115.2

- Kh ả năng chống cháy của ván LVL

Khả năng chống cháy của ván LVL được kiểm tra theo tiêu chuẩnASTM – E69 –50 của Mỹ và được đánh giá qua chỉ tiêu về tỷ lệ tổn thất khốilượng của ván, với kích thước mẫu thử là 150 x 35 x t (mm)

+ Độ pH của dung dịch chống cháy

+ Độ pH của dung dịch chống cháy và keo

+ Độ hòa tan

+ Tỷ trọng

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết chung về chất chống cháy

2.1.1 Yêu cầu đối với chất chống cháy trong ván LVL

Chất chống cháy cho gỗ và các sản phẩm từ gỗ cần đảm bảo các yêu

cầu sau:

+ Khả năng chống cháy tốt, hiệu quả chống cháy cao (phải ngăn được

cháy lan toả, cháy phát sáng và cháy không phát sáng)

+ Tính ổn định hoá học cao, khả năng phong hoá tốt, không độc hại, không cótính kích thích đối với con người và gia súc, không gây ô nhiễm môi trường Khicháy tạo thành khói ít, khói có độ độc thấp, không có tính kích thích

+ Ngăn cản được nguồn cháy có ngọn lửa và hạn chế cháy có khói

+ Không ăn mòn đối với gỗ và kim loại, khó rửa trôi

+ Không ảnh hưởng lớn đến độ bền và khả năng chống ẩm của sản phẩm.+ Không ảnh hưởng đến khả năng liên kết của thành phần tạo gỗ và cácsản phẩm từ gỗ, không ảnh hưởng đến quá trình trang sức lên bề mặt sản phẩm

+ Pha chế đơn giản, nguồn gốc phong phú, dễ tìm kiếm, giá thành rẻ và

sử dụng tiện lợi [1,tr 36]

+ Không được là nguồn gốc cho sự phá hoại của nấm mốc [2, tr 335]

Một số loại hóa chất chống cháy đơn lẻ rất khó đáp ứng được các yêu

cầu trên Vì vậy, trong phòng chống cháy người ta thường dùng hỗn hợp các

chất

2.1.2 Phân loại chất chống cháy

Chất chống cháy được phân thành 2 loại sau:

a Chất chống cháy vô cơ

Chất chống cháy hệ P-N Gồm có:

b Các loại keo có khả năng chống cháy

Gồm có:U-F, M-F, U-M-F, P-F, U-P-F Các loại keo này đều có tínhchống cháy nhất định [1,Tr.37]

c Chất chống cháy hữu cơ

Gồm có: Cloparafin (các sản phẩm chứa clo của các hydrocarbon có10:30 nguyên tử carbon); tetrametynolfoclorua (HOCH2)4PCl (sản phẩm của

PH3, formadehyde và NH4Cl; tri (Ox-cloetyl)-photphat [(ClCH2CH2O)3PO],focfazen (là các chất có các liên kết hoặc thẳng với các nhóm P-N Các cấu tửcủa các chế phẩm chống cháy Dixianiamid (C2H4N4) Các chất photphat hữu

cơ được tạo khi cho urea, melamin, Dixianiamid phản ứng với acid photphoric [1,Tr.37]

Các chất photphat được tạo ra khi cho ure đa tụ với các acid photphoricđược dùng rất nhiều trong sản xuất ván dăm, ván sơi

d Chất chống cháy dạng màng

Gồm có: màng sơn, màng giấy tẩm keo (phenolic, melamin vv), cáctấm cách nhiệt… [1, Tr.38]

về cơ chế chống cháy Song các cơ chế đó đều có những điểm chưa hoànthiện Đến năm 1982, theo đánh giá của nhiều nhà khoa học thì cơ chế chốngcháy của F.C Browe là hoàn thiện nhất [1, tr.6,7] Cơ chế chống cháy đóđược mô tả theo sơ đồ sau:

Hình 2.1 Sơ đồ cơ chế chống cháy của F.C Browe [1, tr.7].

Tách nước, carbon hoá

Cơ chế ngăn

cản cháy bề mặt

Tác dụng hoáhọc

Tác dụng vật lý

Tác dụng hóahọc

Tác dụng vật lý

Ngăn chặn phản ứng nốimạch

Ngăncáchnhiệt

g 2 Cơ

Sở LýThuyết

Tác dụng chephủTác dụng nhiệt

Thu nhiệtTruyềnnhiệt

Kết hợp liên kết gốchydro

2.2 Một số vấn đề liên quan đến chống cháy cho ván LVL

2.2.1 Nguyên tắc hình thành ván LVL

Ván LVL là một loại ván dán đặc biệt có chiều dày ván mỏng lớn, cóthể sản xuất được ở cùng một cấp chiều dày hoặc nhiều cấp chiều dày khácnhau Chiều dày ván mỏng dùng cho ván LVL lớn hơn chiều dày ván mỏngdùng cho ván dán thông thường [3, Tr.11]

Nguyên tắc hình thành ván LVL như sau:

- Các lớp ván mỏng xếp song song với nhau theo chiều thớ gỗ

- Hai lớp ván mỏng kế tiếp nhau có cùng một mặt (hoặc cùng mặt tráihoặc cùng mặt phải)

- Chiều dày ván mỏng thông thường là bằng nhau ở tất cả các lớp trêncùng một tấm ván Tuy nhiên, trong trường hợp đặc biệt, chiều dày ván mỏng

có thể tăng dần từ ngoài vào trong theo nguyên tắc đối xứng

Trong đó, dạng cháy có ngọn lửa và cháy lan toả dễ gây nguy hiểm Do

đó, để xử lý chống cháy tạo ván LVL chậm cháy chủ yếu là ngăn chặn haihiện tượng cháy này [3,Tr.16]

Quá trình cháy của vật liệu có sợi và ván LVL cần có 4 điều kiện cơ bản sau:+ Chất có thể cháy

+ Nhiệt lượng cháy

+ Lượng khí cung cấp

+ Phản ứng dây chuyền cháy

Thiếu một trong các điều kiện trên thì quá trình cháy không thể duy trìđược Vì vậy, để triệt tiêu hoặc giảm bớt các điều kiện cháy trên, ta có thể sửdụng các tác dụng vật lý hoặc tác dụng hoá học nhằm ngăn cản quá trình cháyxảy ra [3,Tr,17].

a Tác dụng vật lý

1- Tác d ụng che phủ

Khi có sự cháy xảy ra, ở dưới nhiệt độ nhiệt phân của ván, chất chốngcháy nóng chảy, tạo bọt và phủ một lớp “men” lên trên bề mặt ván, hạn chế sựphát sinh của khí ra ngoài, ngăn cản sự tiếp xúc của ôxy với nhiệt lượng cháy,làm chậm quá trình nhiệt phân của các phân tử gỗ trong ván [3,Tr.18]

Các hoá chất có cơ chế loại này: H3BO3, Na2B4O7.10H2O, Na2CrO7,ZnCl2, glycol, glyxerin, NH3 vv

2- Tác d ụng hạn chế nhiệt gây cháy.

+ Cách nhiệt: Khi ván cháy, các chất chống cháy có hệ số truyền nhiệtthấp Do đó, nó có tác dụng ngăn cách nhiệt vào bên trong, ngăn chặn sự tăngnhiệt trong sợi nhiệt bị toả ra ngoài làm giảm nhiệt độ gây cháy và ngăn cảnnước hoá hơi trong ván [3,Tr,18]

+ Hút nhiệt: Quá trình nóng chảy và phân giải của hoá chất chống cháyđều là các phản ứng thu nhiệt Khi quá trình cháy xảy ra, các chất chống cháythu nhiệt, ngăn cản nhiệt độ hỗn hợp cháy đạt đến nhiệt độ phân giải, ngăncản quá trình giải phóng nước thấm và quá trình hóa hơi của nước trong vậtliệu [3, Tr.18]

+ Truyền nhiệt: Khi ván cháy, các chất chống cháy làm tăng tính dẫnnhiệt của ván, làm cho bề mặt ván toả nhiệt nhanh hơn quá trình cấp nhiệt củanguồn cháy Nhiệt lượng cấp cho quá trình cháy sẽ được truyền dẫn, lan toảrất nhanh và khống chế nhiệt độ tăng lên, làm cho quá trình cháy không thểduy trì được [3, Tr.18]

b Tác dụng làm loãng khí có thể gây cháy

1-Loãng khí có th ể gây cháy

Chất chống cháy phân giải khi ván LVL cháy tạo ra các khí không cháy.Các khí này làm loãng nồng độ của hỗn hợp khí gây cháy, làm giảm nhiệt độngọn lửa và như vậy quá trình cháy sẽ chậm lại

Các khí không cháy như: CO2, Hơi nước, CO, NH3, HX (HCl, HBr, HI), [1,Tr.35]

2-Kh ống chế cháy dạng lan truyền

Các chất chống cháy phân giải hoặc hoá hơi tạo ra các chất hoạt độngmạnh Các chất hoạt động mạnh này làm cho quá trình nối mạch các phản ứngcháy trong ngọn lửa bị dừng lại

Các chất có tác dụng khống chế cháy dạng lan truyền là: Halozen, Kimloại kiềm, kiềm thổ, vv [3,Tr.18]

c Tác dụng hoá học

1-Tác d ụng mất nước hoá than

Khi ván LVL cháy, nhiệt độ tăng lên, chất chống cháy hình thành axithoặc bazơ làm cellulose mất nước, hoá than Lớp than này có tác dụng ngăncản quá trình cháy tiếp theo Sở dĩ như vậy là do tỷ suất dẫn nhiệt, truyềnnhiệt, toả nhiệt của than thấp, tỷ nhiệt cao, có thể dựa vào tác dụng vật lý cuảchúng làm tăng tốc độ khống chế cháy Trong ván LVL các chất hoá than cókết cấu tế bào nhiều lỗ có tác dụng cách nhiệt tốt [1,Tr.35]

Cơ chế hình thành than như sau:

(C6H10O5)n 6n C + 5n H2O

2- Tác d ụng liên kết hydro

Khi cháy, chất chống cháy hình thành cầu nối giữa các thành phần trong

gỗ hoặc các liên kết hydro ngăn cản quá trình nhiệt phân

T0C

- Có khả năng chống rửa trôi và biến tính tốt.

- Không làm ảnh hưởng đến khả năng dàn dính của keo trong quá trình ép

- Quy trình đơn giản

Hoá chất chống cháy dùng trong đề tài này là sản phẩm được tạo ra từphản ứng trùng hợp giữa acid photphoric(H3PO4) và Urea(NH2CONH2) Chấtchống cháy này được dùng nhiều nhất trong sản xuất ván chậm cháy nóichung và ván LVL nói riêng Chúng có khả năng ngăn chặn cả cháy có ngọnlửa và cháy lan toả

Qua việc nghiên cứu về thành phần chất chống cháy trên cơ sở acidphotphoric và urea, cho thấy mỗi cấu tử đều có một chức năng xác định nhưsau: H3PO4 làm thay đổi đặc tính phân giải nhiệt theo hướng cháy đến cùng,urea làm giảm sự phá huỷ của acid lên gỗ, [4,Tr.95] Acid photphoric là mộtcấu tử chính để giảm độ cháy [4,Tr.96] do có tỷ lệ P2O5 Hàm lượng P2O5 cótrong acid photphoric là 72,4% [5,Tr.180]

H3PO4 trong ván LVL có thể tồn tại ở 2 dạng: dạng tự do và dạng liênkết với celullose Nếu ở dạng liên kết acid photphoric có tác dụng làm dẻo vàphotphat hoá celullose tạo ra các mối liên kết ngang giữa các phần tửcelullose [1,Tr.43] H3PO4và UREA trong và tạo ra các liên kết:

Celullose - chất chống cháy - P - OH

OH NH3

OCelullose - chất chống cháy - P – O- Celullose

Urea có khả năng chống cháy tốt Khi có cháy xảy ra, chúng thu nhiệtcủa nguồn cháy, nóng chảy hình thành lớp bao phủ dạng thuỷ tinh, giải phóngkhí trơ Các khí trơ này làm loãng khí dễ cháy, chống lại cháy có ngọn lửa vàcháy lan toả [1,Tr.43] Phản ứng phân giải nhiệt của chúng như sau:

Khả năng chống cháy rất tốt của hợp chất photpho hoá trị 5 là ngăn chặnquá trình cháy âm ỉ nhờ các phản ứng các phản ứng oxy hoá trong sự hiện hữucủa acid photphoric [1,Tr.43]:

2.2.4 Các phương pháp xử lý chống cháy cho ván LVL

Ván LVL khi chưa xử lý hoá chất chống cháy, chậm cháy đều có thểcháy Vì vậy, muốn phòng cháy, chống cháy cho ván LVL cần có các biện

pháp nâng cao tính chịu nhiệt cho ván LVL hoặc cách ly ván với nguồn nhiệtgây cháy bằng vật liệu bảo vệ trung gian Biện pháp thường dùng có hiệu quảnhất hiện nay là dùng hoá chất chống cháy để xử lý cho ván.

a Xử lý chống cháy cho sản phẩm ván LVL

1-Ngâm t ẩm chất chống cháy

Phương pháp này có 3 cách: Phương pháp tẩm mao mạch (đưa dung dịchchất chống cháy lên bề mặt ván LVL), tẩm khuếch tán (ngâm trong dung dịchchất chống cháy) và tẩm áp lực

+ Ưu điểm: Chất chống cháy không bị tổn thất trong qúa trình sấy ván,thiết bị ngâm tẩm đơn giản

+ Nhược điểm: Lượng thuốc thấm vào ván có hạn và không ổn định, khảnăng chống không cháy cao, chất chống cháy có thể làm giảm độ bền của ván,làm xấu màu sắc của ván và ảnh hưởng đến công đoạn trang sức Sau khingâm tẩm phải thêm công đoạn sấy làm tăng công suất của máy móc và thiết

bị [1, Tr.44]

2-Ph ủ bề mặt ván LVL bằng các màng chất chống cháy

Màng chất chống cháy được sử dụng để phủ lên bề mặt ván LVL là cácloại màng sơn, keo (P-F, U-F, U-M-F, )

+ Ưu điểm: Đơn giản, dễ được các nhà sản xuấtt chấp nhận

+ Nhược điểm: Lớp màng ngăn cản các chất bay hơi dễ cháy thoát rangoài, tạo điều kiện cho quá trình cháy tiếp theo Mặt khác, khi cháy sinh ranội ứng suất, làm màng phủ nứt, các chất khí hình thành trong quá trình nhiệtphân tạo ra áp lực, có thể phá huỷ lớp màng phủ Vì vậy, phương pháp nàychỉ có thể kéo dài thời gian bắt đầu phân giải nhiệt mà không làm thay đổi bảnchất của quá trình phân giải nhiệt [1,Tr.45]

3- Phương pháp ép nhiệt

Cách 1: Trải đều chất chống cháy dạng bột lên bề mặt ván LVL.

Sau đó, tiến hành ép nhiệt Dưới tác động của nhiệt độ, áp suất, chấtchống cháy nóng chảy và thấm vào trong ván.

+ Ưu điểm: Ván không bị phá huỷ do dung môi

+ Nhược điểm: Làm giảm độ bền của ván do ảnh hưởng của áp suất épđến các liên kết trong ván LVL và làm bề mặt ván trương nở Nếu xử lý épnhiệt một lần, mức độ chống cháy không đạt yêu cầu, ta cần phải ép nhiệtnhiều lần, mức độ ảnh hưởng càng lớn Mặt khác, chất chống cháy dạng bộtkhó giữ lại trên bề mặt ván và nếu trải không đều sẽ ảnh hưởng đến khả năngliên kết của ván [1,Tr.46]

Cách 2: Phun chất chống cháy dạng lỏng lên bề mặt ván LVL, tiến hành

ép nhiệt để chất chống cháy thấm vào trong ván

+ Ưu điểm: Khả năng thấm chất chống cháy tốt hơn, mức độ ảnh hưởngđến tính chất vật lý, cơ học của ván rất ít

+ Nhược điểm: Khi ép nhiệt dễ tạo bọt trên bề mặt ván làm giảm hiệuquả chống cháy [3, Tr.21]

4- Phương pháp phun quét chất chống cháy

Các chất chống cháy dùng trong phương pháp này thường là các chấthữu cơ hoặc các chất vô cơ kết hợp cùng với các loại keo dán [3,Tr.21]

+ Ưu điểm: Đơn giản, dễ thực hiện

+ Nhược điểm: Khả năng chống rửa trôi của chất chống cháy kém

b Xử lý chất chống cháy cho ván mỏng

1-Phun ch ất chống cháy trước khi tráng keo

Tiến hành trộn keo riêng và trộn chất chống cháy riêng Sau đó, phundung dịch chất chống cháy vào ván mỏng đã được sấy khô Sau khi phun chấtchống cháy khoảng 10  15 phút thì tiến hành phun keo Phương pháp này dễthực hiện và khả năng chống cháy tốt [3,Tr.21]

2- Phương pháp xử lý ván mỏng

Ngâm ván mỏng trong dung dịch chất chống cháy Chất chống cháy sẽthấm đều vào trong ván Sau đó, sấy ván đến độ ẩm theo yêu cầu của côngnghệ thì tiến hành phun keo

+ Ưu điểm: Sự ảnh hưởng của nước, chất chống cháy đến tính chất vật

lý, cơ học của ván rất ít, hiệu quả chống cháy cao

+ Nhược điểm: Một số chất chống cháy sẽ bị phân giải khi tiến hành sấyván mỏng đã được ngâm tẩm, chất chống cháy sẽ bị hao tổn làm giảm khảnăng chống cháy, tăng phụ tải máy sấy

Nếu dùng chất chống cháy có tính kiềm hoặc axít mạnh, nó sẽ làm giảm

độ bền của ván, ảnh hưởng xấu đến độ pH của ván mỏng, tăng khả năng hút

ẩm, chất chống cháy khó thấm vào trong ván, ăn mòn thiết bị

Nếu dùng chất chống cháy dạng lỏng thì quá trình thấm chất chống cháyvào ván khó khống chế, gây tổn thất và gây ô nhiễm môi trường

Vì vậy, phương pháp này chỉ ứng dụng cho những chất chống cháy mangtính bazơ yếu hoặc trung tính [3,Tr.22]

3-Cho ch ất chống cháy vào trong mạng phân tử keo U-F, P-F, M-F

Trong quá trình điều chế các loại keo, ta cho chất chống cháy vào Cácchất chống cháy sẽ liên kết vào mạng phân tử của keo dán

+ Ưu điểm: Khả năng chống rửa trôi của ván cao, màu sắc đẹp, giá thành

rẻ, ít ảnh hưởng đến độ bền của ván, không ăn mòn thiết bị

+ Nhược điểm: Hiệu quả chống cháy không ổn định [1,Tr.47]

4- Phương pháp trộn chất chống cháy vào dung dịch keo

Đầu tiên, hoà chất chống cháy vào nước Sau đó, trộn dung dịch chấtchống cháy vào keo dán Sau khi trộn đều hai dung dịch, tiến hành phun hỗnhợp keo và chất chống cháy vào ván mỏng

+Ưu điểm: Hiệu quả chống cháy cao, đơn giản, đầu tư nhỏ, không cầnthay đổi công nghệ đã có, không cần thiết bị mới, chất chống cháy phân bốđều trong ván mỏng và có khả năng chống rửa trôi tốt.

Hiện nay, phương pháp này đang là một trong những phương pháp đượcứng dụng nhiều nhất Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi chất chống cháyphải có khả năng hoà trộn tốt cùng keo dán và các chất phụ gia khác

+ Nhược điểm: Đưa vào ván mỏng một lượng nước lớn, gây khó khăncho quá trình ép nhiệt, chất chống cháy có thể ảnh hưởng đến độ pH của keodán (làm cho keo đóng rắn sớm, vón cục, ), ảnh hưởng đến các tính chất vạt

Tiêu chu ẩn kiểm tra ASTM E69 - 50 [1, tr.55].

Phương pháp kiểm tra bằng “ống lửa” được mô tả như sau: Mẫu vánLVL có kích thước dài x rộng x dày = 150 x 35 x dày (mm), độ ẩm 12%được đặt vào trong ống sắt (kích thước ống sắt: đường kính 50mm, chiều dài

165 mm) Mẫu ván thò ra ngoài ống sắt về phía dưới 5mm Phía sát đáy ốngsắt có đặt gương quan sát quá trình cháy của ván LVL Mẫu ván LVL treo vàodây nối với cân điện tử

Đèn dùng để đốt cháy mẫu thử là đèn cồn hoặc đèn hơi Khi đốt cháymẫu, tim ngọn lửa phải đúng vào đoạn cuối của mẫu thử (cách 10mm) Nếudùng đèn cồn thì thời gian đốt là 2,5 phút, đèn hơi thì thời gian đốt là 2 phút

Khi hết thời gian đốt, tắt nguồn lửa Qua gương quan sát tình hình cháy củamẫu thử, dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian mẫu bén lửa, cháy có ngọn lửa

và cháy có khói

Qua cân điện tử, có thể đo được tổn thất khối lượng trong quá trình cháycủa ván, khối lượng mẫu trước khi đốt và sau khi đốt

Chỉ tiêu tổn thất khối lượng mẫu còn được kiểm tra bằng phương pháp

“hộp gốm” Phương pháp này, mẫu có kích thước rộng x dài x dày = 70 x 140

x dày (mm) được đặt nghiêng một góc 350 so với phương nằm ngang Phíadưới mẫu (cách 20mm) đặt đèn cồn Thời gian đốt cháy là 150 giây

Đối với những mẫu có kích thước nhỏ (20 x 10 x 5mm) được thử nghiệmbằng nhiệt lượng xung (nhiệt lượng tạo ra khi cháy 10cm3 ankol biến tính)theo phương pháp OC [1, tr.55]

2.3 Lý thuyết về tạo nhựa U-P

2.3.1 Phản ứng trùng hợp giữa urea với H 3 PO 4

Urea phản ứng với acid photphoric tạo ra chế phẩm dùng để chống cháycho ván LVL trong quá trình ép nóng [5,Tr.46]

Với mục đích loại bỏ việc thuỷ phân urea thì phản ứng cần được tiếnhành trong môi trường không có nước hoặc với một lượng nước cực tiểu chứatrong acid photphoric [4,Tr.182]

Khả năng phản ứng của nó tăng theo sự tăng của mức độ trùng hợp.Việctạo thành poly photphat được đề xuất theo sơ đồ sau:

Quá trình theo sơ đồ này diễn ra với sự tạo thành amoniac và xác xuấtlớn nhất tạo thành polyphotphat Trong đó: X-NH4, n - mức độ trùng hợp.tương ứng với NH4 Đồng thời, trong sơ đồ trên có thể có phản ứng dẫn tớiviệc tạo thành poliphotphat amoniac:

Khi xử lý thành phần chống cháy trên cơ sở acid photphoric và urea đãnhận đựơc tỷ lệ của các cấu tử theo sơ đồ (1) là:1:1,5 Thành phần được tạo ranhư sau: Các cấu tử được đưa vào thiết bị phản ứng và đun nóng lên, phảnứng trùng hợp được thực hiện khi đạt tới nhiệt độ nóng chảy của urea(132oC) Trong quá trình trùng hợp độ pH tăng đột ngột và NH3, CO2 bị phânchia [4,Tr.183].

2.3.2 Một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình trùng hợp Urea với H 3 PO 4

Quá trình trùng hợp giữa urea với H3PO4phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố,như: tỷ lệ mol của các cấu tử phản ứng (U: P), tốc độ phản ứng, nhiệt độ phảnứng, chất xúc tác, thời gian trùng hợp, chất lượng của nguyên liệu và nồng độcủa các chất phản ứng,

Tỷ lệ mol U:P là một yếu tố quan trọng bậc nhất quyết định đến kết cấu vàtính chất của sản phẩm trùng hợp Nếu tỷ lệ mol U:P không chính xác sẽ ảnhhưởng đến khả năng trùng hợp, độ nhớt, tốc độ đóng rắn, dễ xảy ra các phảnứng phụ, chiều dài mạch và khối lượng phân tử poliphotphat Đặc biệt là nếu

dư H3PO4 thì quá trình đóng rắn xảy ra nhanh và độ nhớt của dung dịch lớn

Do đó, tỷ lệ U:P phải thật chính xác Theo sơ đồ (1) tỷ lệ mol U:P là: 1 : 1.5

Chiều dài mạch và khối lượng phân tử poliphotphat phụ thuộc vào tốc

độ phản ứng cơ bản của quá trình, nghĩa là: chiều dài mạch và khối lượngphân tử poly photphat tăng lên khi tốc độ phát triển mạch lớn hơn tốc độ đứtmạch (Vp> Vđ)

Tốc độ của phản ứng trùng hợp cũng như tốc độ của các phản ứng hoáhọc khác tăng theo nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng thích hợp sẽ làm thúc đẩy cácphản ứng cơ bản của quá trình trùng hợp, làm cho việc tách các chất khí đơngiản (NH3, CO2) dễ dàng và tạo ra những poly photphat có trọng lượng lớnhơn Tuy nhiên, nếu tăng nhiệt độ quá cao sẽ làm cho khối lượng phân tử polyphotphat giảm (do Vp < Vđ) và tạo ra những sản phẩm trùng hợp có khối

lượng phân tử không đồng đều Khi đạt tới nhiệt độ nóng chảy của urea(132oC), phản ứng trùng hợp sẽ xảy ra.

Trong quá trình trùng hợp giữa H3PO4 và Urea có thể dùng chất xúc táclàm tăng tốc độ phản ứng, rút ngắn thời gian trùng hợp và điều chỉnh độ pHcủa dung dịch Tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với nồng độ của các chất phảnứng Do đó, nếu nồng độ tăng thì tốc độ phản ứng và khối lượng phân tử tăng.Thời gian trùng hợp ảnh hưởng trực tiếp tới các đặc tính của sản phẩm.Sản phẩm được tạo ra có những đặc tính phụ thuộc vào thời gian trùng hợp

Như vậy, để tạo ra một loại nhựa chống cháy có chất lượng tốt dùngcho ván LVL thì trong quá trình trùng hợp cần phải khống chế chặt chẽ cácyếu tố trên

Chương 3 THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Quá trình công nghệ sản xuất ván LVL chậm cháy

Quá trình công nghệ sản xuất ván LVL chậm cháy với hóa chấtAmoniphotpho được trình bày ở hình 3.1

Hình 3.1 Quá trình công nghệ sản xuất ván LVL chậm cháy

3.2 Các bước tiến hành thí nghiệm

3.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu

a Hoá chất

Các hoá chất dùng trong đề tài đều được mua tại Công ty TNHH HoáHọc Ứng Dụng – Hà Nội do Trung Quốc sản xuất

1- Urea ( NH 2 CONH 2 )

- Công thức cấu tạo

- Urea có một số tính chất cơ bản sau:

mỏng

Sấy vánmỏng

Hoá

chất

Tạo nhựaU- P

Kiểm trachấtlượng

Pha chế dungdịch keo+CCC

Trángkeo

Xếpván

ép nhiệtKiểm tra SP

Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của Urea

Nhiệt độ Nóng chảy

oC (Tnc )

Nhiệt nóng chảy,KJm/g (Qnc )

Nhiệt hình thành,KJm/mol (Qht )

Nhiệt lượng cháy KJm/mol (Qc )

20oC 50oC 100oC

Bảng 3.2: Hàm lượng của các chất có trong urea

NH2CONH2, % Cl, % SO4, % NH3, % Fe, % Pb, % C2H5N3O2, %

 99 0.0003 0.001 0.005 0.0002 0.0002 0.2

2-Acid photphoric ( H 3 PO 4 )

- Công thức cấu tạo:

- Acid photphoric có một số tính chất cơ bản sau:

+ Là một acid yếu

+ Ở dạng lỏng, không màu, tan nhiều trong nước, trung hoà với kiềm

Bảng 3.3: Các thông số kỹ thuật của H 3 PO 4

Mức

acid

Khối lượng phân tử

g (M )

Tỷ trọng ở T= 43oC,

g (d)

Lượng tan trong nước ở 20oC g/100gH2O (Kt)

Khối lượng thể tích kg/m3 (  )

Bảng 3.5: Các thông số kỹ thuật của NaOH.

Khối lượng phân tử, g

( M )

Tỷ trọng, g ( d )

Nhiệtđộ nóngchảy,oC

( Tnc)

Nhiệt độ sôi,oC (Ts)

Cl (%)

N (%)

PO4(%)

SiO3(%)

Al (%)

K (%)

Ca (%)

Fe (%)

 96  0.005 0.005 0.005 0.001 0.001 0.01 0.002 0.05 0.01 0.003

b Gỗ Bồ đề

- Gỗ Bồ đề có tên khoa học Styrax tonkinensis Rierre phân bố tự nhiên

ở Indonesia, Lào, Malaysia Ở Việt Nam phân bố chủ yếu từ miền núi TâyBắc đến phía tây Thanh Hoá, Nghệ An

- Địa điểm chặt cây: Huyện Thanh Sơn – Tỉnh Phú Thọ

- Đặc điểm cấu tạo của gỗ Bồ đề

+ Ngoại quan: Cây Bồ đề có vỏ màu xám nâu, mềm, có mùi chua.+ Cấu tạo của gỗ Bồ đề: Gỗ có màu trắng phớt hồng, gỗ giác, gỗ lõikhông phân biệt, vòng năm rõ, gỗ sớm gỗ muộn không phân biệt, mạch phântán tụ hợp đơn kép, đường kính mạch gỗ trung bình từ 100 – 200m Tế bào