TIỂU LUẬN vật LIỆU CÁCH NHIỆT và HOÀN THIỆN

Nghiên cứu khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo bọt vật lý cyclopentane từ 0% đến 25% đến trọng lượng riêng nớ tự do, thời gian phản ứng của R-PUF và các giá trị thời g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HKCH KHOA KHOA KĨ THUẬT XÂY DỰNG

_ @Mlso_

BK

TP.HCM

TIỂU LUẬN VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT VÀ HOÀN THIỆN

GVGD: PGS.TS NGUYÊN VĂN CHÁNH SVTH: TRÁN CHÍ NHÂN

MSSV: 1712449

TP.Hồ Chí Minh, ngày 17, tháng 11, năm 2020

ĐÈ TÀI: Vật Liệu Cách Nhiệt Xốp Cứng Polyurethane Sử Dụng Tác Nhân

Tạo Bọt Vật Lý Cyelopentane Thân Thiện Với Môi Trường

Là chất tạo bọt vật lý thế hệ mới cyclopentane có tính thân thiện với môi trường và

hoàn toàn không gây phá hủy tầng ôzôn (ODP = 0; GWP = 0,11) thay thế cho

HCFC-141b trong công thức chê tạo vật liệu xôp cứng polyurethane (R-PUF)

Nghiên cứu khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo bọt vật lý

cyclopentane từ 0% đến 25% đến trọng lượng riêng nớ tự do, thời gian phản ứng của R-PUF và các giá trị thời gian phản ứng (cream time, gel time, tack-free tme

và rise time) Hình thái và kích thước tế bào kín của các mẫu R-PUF với các hàm lượng cyclopentane tăng dần từ 0% đến 20% được quan sát bởi ảnh kính hiển vi quang học và biểu đồ phân bố kích thước tế bào kín được xác định bằng phần mềm

ET3 Ngoài ra, tính chất cơ lý độ ôn định kích thước và độ bền nén cũng được phân tích để đánh giá chất lượng của vật liệu cách nhiệt R-PUF nở trong khuôn sử dụng

tác nhân tạo bọt vật lý cyclopenfane

L_ Tông quan

Ngày nay, các tác động liên quan đến môi trường như trái đất đang ngày càng nóng

lên, tầng ôzôn bị suy giảm và biến đổi khí hậu dẫn đến thiên tai liên tiếp xảy ra

đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhân loại Nguyên nhân là do nhu cầu

phát triển của xã hội, con người đã phát thải vào khí quyên những khí thải gây ô

nhiễm như SO,, NO,, CH¿, và các chất thải độc hại khác thông qua những hoạt động sản xuất hăng ngày Trong đó, phải kế đến các chất tạo bọt vật lý sử dụng trong công nghiệp sản xuất polyurethane, đặc biệt là xốp cứng polyurethane (R- PUF) R-PUF được coi là vật liệu cách nhiệt tốt nhất hiện nay thường sử dụng rất nhiều trong công nghiệp và các công trình xây dựng như là biện pháp tối ưu để tiết

È0M0000600090101070007194)0100191) 1010111001 A0,

Đặc tính quan trọng của PUF là trong cấu trúc có hàm lượng bọt kín (chứa các khí

có hệ số dẫn nhiệt thấp) trên 90% Do đó, nó có độ cách nhiệt vượt trội hơn hẳn so

với các vật liệu cách nhiệt thông thường khác [4, Š]

Tuy nhiên, mối quan tâm lớn nhất trong công nghiệp sản xuất xốp cách nhiệt polyurethane (PU) là tìm ra chất tạo bọt vật lý thân thiện với môi trường mà vẫn

cho hiệu quả cao Loại chất tạo bọt vật lý đầu tiên được sử dụng trong công nghiệp

sản xuất R-PUF là các hợp chất chlorofluorocacbons (CFCs), điển hình là trichlorofluoromethane (CEC11) được sử dụng phố biến do khối lượng phân tử

RiônnđiệmGôi đẳgcrhiêtđ]âtplaonsajediônsaeháinff độc nen độ dâp øiàiôttntpôlZ8

1 SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449

với chỉ số suy giảm ôzôn (ozone depletion potential, ODP) xấp xỉ 1 và gây ra hiệu ứng nhà kính với chỉ số làm nóng trái đất (global warming potential, GWP) lên đến

4600, cao gấp hàng ngàn lần so với COa [7, 8] Hợp chất thay thế cho CEC 11 được sử dụng sau đó là 1,1-dichloro-I-ffuoroethane (HCFC-I41b) [9] Tuy nhiên,

với các chỉ số ODP và GWP lần lượt là 0,11 và 630, loại H-CFC này cũng góp

phân vào quá trình suy giảm tầng ôzôn và tăng hiệu ứng nhà kính đáng kế [10]

tạo bọi thay (hế hoàn toàn ©Ếg Và tân thiện với môi khường Cyớlopcntane với

các chỉ số ODP = 0 và GWP = I1 có thể thay thế được các loại tác nhân tạo bọt

CFCs, bên cạnh đó với khối lượng riêng tương đối thấp, cyelopentane hoàn toàn thích hợp làm tác nhân tạo bọt trong quá trình chế tạo PU cứng cho sản phẩm có độ xốp cao, tính cơ lý ôn định và độ bền nén cao [11, 12]

Cyclopentane như là một tác nhân tạo bọt thế hệ mới để chế tạo R-PUF thay thế

hoàn toàn CFCs, HCFC không gây tác động xấu đến môi trường Các yếu tô ảnh

hưởng đến quá trình chế tạo PU như hàm lượng chất tạo bọt vật lý cyclopenfane,

thời gian phản ứng của R-PUF (cream time, gel time, tack-free time và rise time)

và trong lượng riêng của foam nở tự do cũng được nghiên cứu

2.1 Hóa chất

Polyether Polyol HF-4IK (Asahi Glas), Polymecthylene phenyl 1socyanate Millionate MR-200 (Nippon), Cyclopentane (Merck, Đức), DABCO 33 Lv (33% Triethylenediamine/67%_ dipropyleneglycol, Hàn Quốc), Dimethylethanolamine (DMEA, Hàn Quốc), NIAX Silcone Ló900 (COIM ASIA PACIFIOC,

Tris(cloroethylphosphate) (TCEP, Meyer) và Nước cắt

2.2 Chế tạo vật liệu R-PUF

tuy trình chế tạo vật liệu R-PUF nở tự do và nở trong khuôn được mô tả trong

Đầu tiên, hỗn hợp polyol được tạo thành khi pha trộn các chất polyether polyol, nước, xúc tác DABCO 33Lv, DMEA, chất chống cháy TCEP và chất hoạt động bề mặt silicon theo tỉ lệ xác định Hỗn hợp poyol được khuấy trộn liên tục trong 30 phút trước khi cho cyclopentan vào theo tỷ lệ khối lượng cyclopentan/polyl từ 0 -

25% đề tạo thành hỗn hợp poly(propylene glycol) (PPG)

SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449

Hình 1: Quy trình chế tạo PUF trọng lượng riêng thấp sử

dụng tác nhân tạo bọt cyclopentane

| Polyether pboly oÌ |

Khuả

%

Polyel belnd

Hỗn hợp PPG

Đối với chế tạo R-PUF nở tự do, polymeric methylenediphenyl điIsocyanate (PMDI) và PPG được trộn trong ly PE trong khoảng 30 giây theo tỷ lệ xác định và sau đó cho hỗn hợp nở tự do ngoài không khí Các thông số về thời gian phản ứng bao gồm thời gian tạo kem (cream time), thời gian gel hóa (gel time), thời gian không dính (tack-free time), thời gian nở (rise time) và thời gian lưu hóa (curing

SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449

time) được quan sát và ghi lại Hình ảnh quan sát quá trình phản ứng được mô tả trong Hình 2A

Đối với quá trình chế tạo R-PUF nở trong khuôn, PMDI và PPG được trộn trong ly

PE trong khoảng 20 - 30 giây theo tý lệ xác định trước khi đồ nhanh vào khuôn nhôm (400 mm x 400 mm x 100 mm) hoặc khuôn nhựa (90 mm x 90 mm x 90

øHú) đãu@rcï@Ôioh;saoln vồ hôn oliãq@ôñáyd§ah.dhBnônCl¿dghát ÑnRÍUTh no độ

khuôn được xác định tỷ trọng, đánh giá hình thái bề mặt băng phương pháp FE-

SEM, kiểm tra độ bền nén và độ ồn định kích thước Hình ảnh quan sát quá trình

phản ứng được mô tả trong Hình 2B và 2C

SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449

Hình 2: Quy trình chế tạo vật liệu R-PUF (A) nỏ tự do, (B)

nổ trong khuôn nhụa kích thước 90 x 90 x 90 (mm) và (C)

nở trong khuôn nhôm kích thước 400 x 400 x 100 (mm)

lâm sacl

2.3 Thông số thời gian phản ứng của quá trình chế tạo R-PUF

- Thời gian tạo kem tính từ thời điểm khuấy trộn hỗn hợp PPG với PMDI đến khi

hôn hợp có dạng khôi kem Trong nhiêu trường hợp có thê dê dàng nhận thây sự thay đôi màu sắc của hôn hợp phản ứng

- Thời gian gel hóa tính từ thời điểm khuấy trộn đến khi hỗn hợp phản ứng bắt đầu

chuyên từ trạng thái lỏng sang răn Đên thời gian này thì phản ứng xem như đã xảy

SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449

ra được 50% Thời điểm gel hóa được xác định bằng cách nhúng que gỗ sâu vào khôi R-PUF khoảng I-2cm và thây có hiện tượng kéo sợi

- Thời gian không dính tính từ thời điểm khuây trộn đến khi chạm đầu ngón tay

hoặc que gỗ vào bê mặt R-PUF không thây dính sau thời gian gel hóa, tôc độ R-

PUF nở chậm dân

- Thời gian nở tính từ thời điểm khuấy trộn đến khi R-PUF hoàn toàn ngừng nở

- Thời gian lưu hóa hoàn toàn sau 24 giờ

- Thời gian phản ứng của toàn quá trình nở R-PUF phụ thuộc vào nhiệt độ của các chât phản ứng ban đâu và tôc độ khuây trộn

2.4 Thiết bị phân tích

Trọng lượng riêng nở tự do (Free Rise Density, FRD) tính theo công thức:

m FRD = W (kg/mỶ)

Trong đó, m (g) là khối lượng của mẫu hình chữ nhật tại lõi của khối foam; V (ml)

là thê tích mẫu chiếm chỗ khi nhúng ngập mẫu vào trong nước

Trọng lượng riêng nở trong khuôn (Overall Density, OD):

Tĩ

0D => 10£-3)(kg/m3)

Trong đó, m(g) là khối lượng của cả khối foam, V là thể tích của mẫu foam chính

là thê tích của khuôn (Vuuuôn mụa = 0,729.10-3(m), Viuuen mựa = 16.10-3(m)))

Hình thái và kích thước tế bào kín của vật liệu PUF dựa trên ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của các mẫu vật liệu được thực hiện trên máy S4800 (Nhật Bản) với điện thế nguồn 10kV, độ phóng đại 7000 và kính hiển vi quang học kỹ thuật số

Kích thước và sự phân bồ kích thước tế bào kín được tính bằng phần mềm IT3 dựa vào các hình ảnh thu được từ kính hiển vi quang học kỹ thuật số Độ bền nén của

các khối R-PUF đo theo tiêu chuẩn ASTM D 1621 và độ ổn định kích thước của

các khối R-PUF đo theo tiêu chuẩn ASTM D 2126-09

3 Kết quả và thảo luận

SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo bọt vật lý cyelopentane đến trọng lượng riêng và thời gian phản ứng của R-PUF được thể hiện trong Hình 3 và Hình 4 Khi tăng hàm lượng cyclopentane từ 0% đến 25% thì giá trị FRD giảm dần

từ 51,80 kg/mỶ xuống 25,85 kg/m° được thể hiện trong Hình 4 Sự thay đổi này có thê được giải thích là do hàm lượng cyclopentane sử dụng càng nhiều thì nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng càng giảm, làm cho lượng cyclopentane bị nhốt trong các tế

bào kín càng nhiều Do đó, thể tích của khối R-PUF tăng lên và làm chọ giá trị

FRD giảm xuông Quan sát hình dạng các mâu R-PUF nỡ tự do sau 48 giờ nhận thấy các mẫu foam bắt đầu xảy ra hiện tượng co rút kích thước ở hàm lượng cyclopentane trên 20% Ngoài ra, các giá trị thời gian phản ứng gồm cream time, gel time, tack-free time và rise time cũng tăng lên khi tăng hàm lượng chất tạo bọt cyclopentane Điều này có thể giải thích dựa trên phản ứng tạo foam polyurethane

là phản ứng tỏa nhiệt mạnh làm cho chất tạo bọt vật lý cyclopentane bay hơi Cyclopentane là tác nhân lạnh, khi càng tăng hàm lượng cyclopentane thì càng làm cho nhiệt độ của toàn bộ hỗn hợp phản ứng giảm xuống, do đó kéo dài thời gian phản ứng

SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449

Hình 3: Đồthị biểu diễn giá trị FRD theo tỉ lệ

cyclopentane/Polyol blend

0 '

ụ 10 20 30

Tỉ lệ cyclopentane/(Polyol blend)

SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449

Hình 4: Đồthị biểu diến thời gian phản ứng theo tỉ lệ

cyclopentane/Folyol blend

180

lá]

153 156 5

S, 120 ——H0——432 | T 10 Ì "

: ®% 100 - $ 95

Bí

= 50g

£ 60 -

20 +

ũ } W x 5 : x 5 — `

TỶ lệ cyclopenftane/Polyol blend

Hình thái và kích thước tế bào kín của các mẫu R-PUF với các hàm lượng

cyclopentane tăng dần từ 0% đến 20% được thê hiện qua Hình 5 Quan sát ảnh

kính hiển vi quang học và biểu đồ phân bồ kích thước tế bào kín của mẫu R-PUF

kúi tác hài biøtsäy<lenanttpe kháeenbue kừu0ãái đểnz70arnbấtp thâmn§£,tệ bào

nhân tạo bọt vật lý cyclopentane Kích thước tế bào ở các mẫu R-PUF đều phân bó

trong khoảng 50 - 250 tim, kích thước tế bào trung bình tăng dần từ 82,16tm ở

hàm lượng 0% cyclopentane đến 129,57 um ở hàm lượng 20% cyclopentane

SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449

Hình 5: Ảnh kính hiển vi quang học (thang đo 500 Lim)

và biểu đồ phân bố kích thước tế bào kín của R-PUF

t*œ cxcÌopeartfa it

tạ =4 146242 Tố

Kich thướt tế HN

Ð $B 160 1306 2390 Me

58 cyclgpentane

đa #121788,57

bì t8 ‡

4 Ƒ 1 " .x 1# 1U 130 70 Kkl@6 lich thước LỄ bào kim{nm]

10% £vclupenl he

dạ=9116+#31

tr H |I

\ 8= _ M Ñ Ñ —

ích thượy tỆ bào kim [te]

_1Ø%6 ydiopentane

| =Bf 30 >4, fl

5 T0U HO, 20) Me y8 EU to Sử vao

13% £Vtl0pe†anie

đạ F131sad.71

Kieh thu##e lế bả bím lJs mí |

3fIo c +ếlepenta re

th “291767

2l 1 118 Si 53 kiem

Tích thước: tế bải ø Re (Lamg)

Kết quả chế tạo vật liệu R-PUF nở trong khuôn nhựa được trình bày trong Bảng l

Mẫu R-PUF sử dụng hàm lượng chất tạo bọt vật lý HCFC 14Ib 25%, có trọng

lượng riêng toàn phân OD = 45,00 kg/mÌ đạt được các tính chât cơ lý của vật liệu

cách nhiệt PUF So sánh mâu MI và mâu M2 sử dụng 18% cyclopentane nhận thây

3 3

$ã3Ðsal21eioioivaauuvcớ gtatrdârkhăng tin 10E5.00d eo và #&662Ikg/@1.c6)bai

mẫu Do đó, mẫu M2 với hàm lượng cyclopentane 18% được dự đoán có thê thay

thế cho mẫu MI với hàm lượng HCFC 141b 25% mà vẫn đảm bảo được các tính

chất cơ lý của vật liệu cách nhiệt PU Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng cyclopentane

lên 20% (mẫu M3) thì giá trị OD giảm xuống còn 43,35 kg/mỶ và nhận thấy mẫu

foam bị co rút kích thước ở mặt trên của khối foam sau 7 ngày lưu mẫu Nguyên

nhân của hiện tượng co rút này có thê là do mẫu M3 có giá trị OD thấp hơn mẫu

M2 (43,35 kg/mÌ so với 45,62 kg/m)) nên không đảm bảo được tính chất cơ học

của foam

10 SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449

Bảng 1 Chế tạo các mẫu R-PUF nở trong khuơn 90 x 80 x 90(mm]

Cyclopentane ©D Quan sát Quan sát

TƠ | MERGDAMS 7 (0%) (Kg/m') sau 48 giờ Sau 7 ngày

M1 25 45,00 Khơng cò rút Khơng co rút

Tính chất cơ lý quan trọng đề đánh giá chất lượng của vật liệu cách nhiệt PU là độ

ồn định kích thước và độ bền nén, được phân tích tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu

chuẩn đo lường chất lượng 3 (Quatest 3) Kết quả phân tích được trình bày trong

Bảng 2 khá phù hợp với những dự đốn băng cảm quan của các mẫu foam nở trong

khuơn nhựa Độ bền nén 10% được đo theo tiêu chuẩn ASTM D 1621, mẫu M4 cĩ

độ bền nén 10% là 154 kPa được lựa chọn là mẫu chuẩn đề so sánh với các mẫu

cịn lại Mẫu M5 cĩ độ bền nén 10% là 146 kPa, thập hơn so với độ bền nén của

mẫu M4, mặc dù trọng lượng riêng của hai mẫu cĩ giá trị gần như nhau Giá trị độ

bền nén 10% của mẫu M6 với 20% cyclopentane tương đối thấp hơn so với mẫu

chuẩn (127 kPa so với 154 kPa) Độ ồn định kích thước đo theo tiêu chuẩn ASTM

mẫu foam do đạo ở "UGC tong vịng lẾ giờ đều Tất thấp CC Ð 10a), chứng Lơ các

mẫu xốp đều cĩ độ ổn định kích thước cao, foam co rút khơng đáng kể

Bảng 2 Chế tạo các mấu R-PUF nở trong khuơn 400 x 400 x 100(mm)

(%) (%) (KgmÐ | 10%(kPa) | kích thước

Nghiên cứu đã chế tạo thành cơng vật liệu R-PUF nở tự do cĩ trọng lượng riêng

thấp sử dụng chất tạo bọt vật lý cyclopenfane khơng phá hủy tầng ơzơn (ODP =0)

và tiềm năng làm nĩng trái đất thấp (GWP =1]) nhăm thay thế cho HCFC-141b

Khi tăng hàm lượng cyclopentane từ 0% đến 25% thì giá trị FRD giảm dần từ

51,80 kg/m3 xuống 25,85 kg/m3 Độ bền nén 10% được đo theo tiêu chuẩn ASTM

D 1621, mẫu R-PUF sử dụng tác nhân tạo bọt cyclopentance 18% đạt 146 kPa,

thấp hơn so với độ bên nén của mẫu R-PUF sử dụng tác nhân tạo bọt HCFC 14Ib

25%, mặc dù trọng lượng riêng của hai mẫu cĩ giá trị gần như nhau 45,84 và 45,35

11 SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449