Tải bản đầy đủ

VẬT LIỆU POLYURETAN (PU) xốp

TIỂU LUẬN

VẬT LIỆU POLYURETAN (PU) XỐP


TIỂU LUẬN MÔN HỌC

POLYURETAN XỐP

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

1

DANH SÁCH BẢNG

2

MỞ ĐẦU


3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

4

1.1

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

4

1.2

Polyuretan (PU) xốp

4

1.2.1.

Giới thiệu chung về xốp polymer

4

1.2.2.

Phân loại xốp polymer

5

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC, ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU XỐP
PU

6

2.1.

Nguyên liệu chế tạo PU xốp

6



2.1.1.

Polyol

6

2.1.2.

Izocyanat

6

2.1.3.

Các chất tạo xốp

9

2.1.4.

Chất phụ gia khác cho sản phẩm PU xốp

10

2.2.

Cơ chế hình thành PU xốp [5, 13]

11

2.3.

Các phương pháp sản xuất xốp

12

2.4.

Đặc trưng cấu trúc, tính chất của xốp PU

13

2.4.1.

Đặc trưng cấu trúc hình thái

13

2.4.2.

Tính chất cách âm của vật liệu PU xốp

14

2.4.3

Tính chất cách nhiệt của vật liệu PU xốp

15

2.4.4

Độ hấp thu nước của vật liệu PU xốp

17

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG
3.1.

Ứng dụng

3.1.1.

NHÓM 18

Cách âm và cách nhiệt [17]

18
18
18

GVHD: NGUYỄN VĂN DŨNG


TIỂU LUẬN MÔN HỌC
3.1.2.
3.2.

Ứng dụng vào vật liệu xây dựng [18]

Lợi ích kinh tế và môi trường

POLYURETAN XỐP
19
22

3.2.1

Kinh tế [19]

22

3.2.2

Môi trường

23

3.3.

Hướng phát triển tương lai

TÀI LIỆU THAM KHẢO

NHÓM 18

23
25

GVHD: NGUYỄN VĂN DŨNG


TIỂU LUẬN MÔN HỌC

POLYURETAN XỐP

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1: Cấu tạo của các chất hoạt động bề mặt

10

Hình 2: Cấu trúc phân tử polydimethyl siloxane

11

Hình 3: Trạng thái trước và sau khi hình thành bóng khí

11

Hình 4: Các giai đoạn hình thành xốp

12

Hình 5: Ảnh SEM các mẫu sản phẩm PU xốp

13

Hình 6: Hình biểu thị một mặt cắt ngang sơ đồ của vật liệu PU xốp [16]

14

Hình 7: Cơ chế truyền nhiệt trong bọt PU xốp

15

Hình 8: Độ dẫn nhiệt của vật liệu PU xốp theo chiều dày vật liệu

16

Hình 9: Độ hấp thụ nước của vật liệu PU xốp theo thời gian

17

Hình 10: Phun tường

18

Hình 11: Phun mái nhà

Hình 12: Phun bể chứa hóa chất

18

Hình 13: Cấu tạo gạch mát

19

Hình 14: Cấu tạo của tấm Panel làm từ xốp PU

20

Hình 15: Một sân trong nhà vừa được phủ vữa polyurethane

22

Hình 16: Quy trình sản xuất và tái chế PU xốp

22

NHÓM 18

4

GVHD: NGUYỄN VĂN DŨNG


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1: Một số chất tạo xốp vật lý và tính chất của chúng [12]

9

Bảng 2: Một số chất tạo xốp hoá học

10

Bảng 3: Bảng hệ số hút âm của một số vật liệu

15


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 v ật 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.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 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 LiệuViện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam,
Viện Khoa Học Công nghệ Giao Thông Vận Tải…và đã thu được các kết quả nhất định.
- 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” [1].
- 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”
[2].
- 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” [3].
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.
1.2 Polyuretan (PU) xốp
1.2.1. Giới thiệu chung về xốp polymer
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 [4,5].
1.2.2. Phân loại xốp polymer
Theo tính chất xốp, xốp polyme có thể phân loại như sau [5]:
- 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…


CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC, ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT
CỦA VẬT LIỆU XỐP PU
2.1.

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 [6].
2.1.1. 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 [7]. 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 [ 8].
Kébir và cộng sự giới thiệu việc sử d ụng telechelic hydroxyl cis-1,4polyisopren (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 [9, 10].
2.1.2. Izocyanat
Izocyanat là các hợp chất chứa nhóm chức NCO, 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.
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 cyanat:

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:


* Izocyanat mạch vòng thơm:
Hơn 90% PU được sản xuất từ loại này dạng izocyanat nhân thơm chủ yếu sử dụng cho
loại PU xốp cứng, mềm, đàn hồi, kết dính ...
Điển hình cho loại izocyanat này là là 2,4 toluen diizocyanat và đồng phân của nó là 2,6
toluen dizocyanat (TDI).

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:

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 [11] 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. 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.
2.1.3. 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.
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: Một số chất tạo xốp vật lý và tính chất của chúng [12]

Các chất tạo xốp hoá học: là các hợp chất hoá học các chất này bị phân huỷ dưới tác
dụng của nhiệt độ trong quá trình gia công polyme hoặc hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo
thành dạng khí:


TIỂU LUẬN MÔN HỌC

POLYURETAN XỐP
Bảng 2: Một số chất tạo xốp hoá học

2.1.4. 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 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.

Hình 1: Cấu tạo của các chất hoạt động bề mặt

13
NHÓM 18

GVHD: NGUYỄN VĂN DŨNG


TIỂU LUẬN MÔN HỌC

POLYURETAN XỐP

Thường sử dụng những copolyme polydimethyl siloxane và polyoxyalkylen làm chất
hoạt động bề mặt.

Hình 2: Cấu trúc phân tử polydimethyl siloxane
+ Chất chống tia tử ngoại:
Có hai loại chất chống tia tử ngoại là chất hấp thụ tia tử ngoại và chất phản xạ tia tử
ngoại. Các chất này thường là các hợp chất amin.
+ Chất chống oxy hóa:
Những chất ngăn trở quá trình oxy hóa như 2,6 - ditertiary butyl - 4 - methylphenol
(BHT). Ngoài ra, chất chống oxy hóa còn có vai trò làm chậm ngọn lửa trong quá trình cháy.
2.2.

Cơ chế hình thành PU xốp [5, 13]

- 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.
- 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.

Hình 3: Trạng thái trước và sau khi hình thành bóng khí

- 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.
NHÓM 18

14

GVHD: NGUYỄN VĂN DŨNG


- 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 4 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 4: Các giai đoạn hình thành xốp
- 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.
2.3.

Các phương pháp sản xuất xốp
Có nhiều phương pháp để tạo ra xốp có cấu trúc đồng đều [5] 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.


2.4.

Đặc trưng cấu trúc, tính chất của xốp PU

2.4.1. Đặc trưng cấu trúc hình thái
Để xác định đặc trưng cấu trúc, tính chất xốp của vật liệu PU, chúng tôi tiến hành chụp
ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM). Ảnh SEM các mẫu PU xốp với các mẫu có tỷ lệ chất
HĐBM khác nhau.

Hình 5: Ảnh SEM các mẫu sản phẩm PU xốp
Kết quả phân tích SEM cho thấy hình thái đặc trưng của vật liệu PU tạo ra có cấu trúc
xốp tổ ong. Mật độ xốp, kích thước và tỷ lệ cấu trúc lỗ xốp đóng và mở của PU xốp phụ
thuộc vào tỷ lệ hàm lượng của chất HĐBM.


Hình 6: Hình biểu thị một mặt cắt ngang sơ đồ của vật liệu PU xốp [16]
2.4.2. Tính chất cách âm của vật liệu PU xốp
Vật liệu hấp thụ xốp PU là chất rắn chứa các hốc, kênh hoặc kẽ với cấu trúc rỗng khoảng
90% chứa không khí. Khi sóng âm chạm vào bề mặt vật liệu, một bộ phận năng lượng âm
thanh bị phản xạ, một bộ phận khác bị hút vào bên trong vật liệu. có ba hiện tượng vật lý
chính liên quan đến sự hấp thụ âm thanh của vật liệu xốp PU. Cơ chế đầu tiên là tổn thất ma
sát của các phân tử không khí; một sóng âm gây ra dao động ở vị trí của các hạt không khí:
các phân tử không khí tương tác với cửa sổ tế bào (cell window) hoặc các sợi của vật liệu hấp
thụ PU và xảy ra hiện tượng ma sát, gây mất năng lượng (ma sát hơi làm tăng nhiệt độ không
khí và vật liệu). Một cơ chế thứ hai liên quan đến trao đổi nhiệt; sóng âm tạo ra dao động áp
suất trong không khí; trong trường tự do, đây là quá trình đoạn nhiệt, được thổi phồng lên
trên ranh giới sự hiện diện của vật liệu hấp thụ (với tỷ lệ bề mặt lớn so với thể tích) gây ra sự
trao đổi nhiệt giữa không khí và các vật liệu xung quanh. Sự biến đổi không còn là quá trình
đoạn nhiệt và chuyển sang sự biến đổi đẳng nhiệt, gây ra sự mất năng lượng trong sóng âm
thanh. Điều này có thể xảy ra chủ yếu ở tần số thấp, trong đó có nhiều thời gian hơn trong
một chu kỳ trao đổi nhiệt (ở tần số cao, sự trao đổi nhiệt trở nên nhỏ đến mức có thể bỏ qua).
Cơ chế thứ ba liên quan đến tổn thất bên trong của vật liệu âm thanh chịu các dao động cơ
học cưỡng bức do áp suất âm gây ra: điều này chủ yếu đúng đối với vật liệu xốp tế bào kín,
được lưu trữ trong vật liệu xốp dạng sợi và tế bào mở, hiệu quả này rất thấp rằng nó thường
có thể bị bỏ qua. Mút xốp có hiệu suất hấp thụ âm thanh trong dải âm tần rộng, đặc biệt ở tần
số trung bình cao. Do đó khi phần lớn các năng lượng âm thanh đi vào trong vật liệu (bị hút
hoặc xuyên qua) còn năng lượng phản xạ rất nhỏ, chứng tỏ vật liệu có tính năng hút âm tốt.
Mút xốp có hiệu suất hấp thụ âm thanh trong dải âm tần rộng, đặc biệt ở tần số trung bình


cao. Theo bảng số liệu ta thấy hệ số hút của xốp có giá trị từ 0.5 đến 0.9 trong tần số từ 125
Hz đến 4000 Hz. Vậy xốp PU có khả năng hút âm tốt nên được ứng dụng rộng rãi trong đời
sống. [14]

Bảng 3: Bảng hệ số hút âm của một số vật liệu
2.4.3

Tính chất cách nhiệt của vật liệu PU xốp
Từ rất lâu người ta đã biết cách nhiệt. Trước khi biết đến sóng điện từ và bức xạ nhiệt,

cách nhiệt được hiểu là chống dẫn nhiệt. Do đó, nhiệm vụ cơ bản của các vật liệu cách nhiệt
truyền thống là ngăn chặn quá trình dẫn dẫn nhiệt.
Nguyên lý hoạt động của loại vật liệu xốp này là cấu trúc rỗng chứa 90% không khí, mà
không khí là chất dẫn nhiệt rất kém, vì thế chống lại quá trình dẫn nhiệt rất tốt. Hơn nữa,
không khí trong các vật liệu này không duy chuyển. Vì thế, các vật liệu này cũng ngăn chặn
truyền nhiệt do đối lưu. [15]

Hình 7: Cơ chế truyền nhiệt trong bọt PU xốp


Độ dẫn nhiệt của sản phẩm PU xốp được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C518. Các
mẫu PU xốp được cắt theo kích thước chiều dài và rộng không đôi, nhưng thay đổi về chiều
dày của mẫu, độ dẫn nhiệt của các mẫu PU xốp được thể hiện trên hình 8.

Hình 8: Độ dẫn nhiệt của vật liệu PU xốp theo chiều dày vật liệu
Từ hình trên ta thấy độ dẫn nhiệt của vật liệu giảm dần từ 0,029W/m.K xuống
0,018W/m.K ứng với chiều dày mẫu tăng dần từ 10mm lên 80mm. Nguyên nhân là do độ dẫn
nhiệt phụ thuộc vào sự truyền nhiệt của các khí ở lỗ xốp. Khi mẫu càng dày càng cản trở sự
truyền nhiệt của vật liệu, do đó độ dẫn nhiệt càng giảm. Vì vậy, tùy theo mục đích sử dụng
mà người ta chọn độ dày thích hợp cho vật liệu. Độ dẫn nhiệt của sản phẩm PU khoảng
0,022W/m.K.
Bên cạnh chức năng cách nhiệt, xốp PU cũng là một loại vật liệu chống cháy:
Khi tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa nhỏ, xốp cách nhiệt không bắt lửa mà bề mặt của
chúng cacbon hóa ngay lập tức tạo thành một lớp vỏ màu đen ngăn không cho oxi thâm nhập
vào. Nồng độ oxi giảm dần làm tốc độ phản ứng chậm lại và ngọn lửa giảm dần.
Khi tiếp xúc với ngọn lửa lớn và nhiệt độ cao đột ngột, ngọn lửa bùng lên giây lát rồi
tắt ngay lập tức, không phát ra tia lửa.
Xốp chống cháy đáp ứng các tiêu chuẩn sau mà không cần bất kì chất chống cháy phụ
gia nào:
 Tiêu chuẩn vật liệu có độ dễ cháy thấp DIN4102-1, Class B1.
 Tiêu chuẩn vật liệu chống cháy caoUL84-V0.
 Tiêu chuẩn xác thực chống cháy của BS 6853, NF F16-101, DIN5510.


 Tiêu chuẩn vật liệu dễ cháy GB/T8624-2006, loại B (không bắt lửa).
2.4.4

Độ hấp thu nước của vật liệu PU xốp
Độ hấp thụ nước của vật liệu PU xốp được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D570-98.

Mẫu thí nghiệm được cắt theo kích thước tiêu chuẩn. Sau đó ngâm mẫu vào nước cất và để ở
điều kiện phòng. Sau một khoảng thời gian nhất định mẫu được lấy ra lau khô nước bằng vải
bông sạch, mẫu được sấy khô cho đến khối lượng không đổi, sau đó làm nguội trong bình hút
ẩm rồi xác định khối lượng của mẫu trên cân phân tích Kern 770 của Đức. Độ hấp thụ của
mẫu đo được biểu diễn trên hình 9.

Hình 9: Độ hấp thụ nước của vật liệu PU xốp theo thời gian
Kết quả thu được cho thấy: Độ hấp thụ nước của vật liệu PU tăng nhanh trong khoảng
thời gian từ 1 đến 10 ngày, độ hấp thụ nước tăng từ 0,4% lên 1,15% sau đó tăng chậm và dần
ổn định (tức là độ hấp thụ nước đạt tới trạng thái bão hòa) sau khoảng thời gian trên 15 ngày,
độ hấp thụ nước vào khoảng 1,2%. Kết quả thu được cho thấy độ hấp thụ nước của xốp PU là
thấp, thỏa mãn yêu cầu làm vật liệu ứng dụng trong các ngành xây dựng.

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG
3.1. Ứng dụng


3.1.1. Cách âm và cách nhiệt [17]
 Polyuretan phun dạng keo bọt cách nhiệt cho nhà ở, nhà máy, bệnh viện, khách sạn,
kho lạnh, công trình chăn nuôi, trang trại gia cầm, xây dựng tạm thời, và các bể chứa,
bồn lưu nhiệt v/v.

Hình 10: Phun tường

Hình 11: Phun mái nhà

Hình 12: Phun bể chứa hóa chất
 Ứng dụng cách nhiệt cho thiết bị điện tử: là đóng gói, niêm phong cách nhiệt linh kiện
vi điện tử, dây cáp ngầm, bo mạch.
 Ứng dụng cách nhiệt cho thiết bị dân dụng: Bọt cứng trong hệ thống cách nhiệt tủ
lạnh, tủ đông.

3.1.2. Ứng dụng vào vật liệu xây dựng [18]


 Gạch mát


Gạch mát được cấu tạo bởi lõi PU (Polyurethane) ở giữa và lớp xi măng đặc chủng ở hai mặt
sản phẩm

Hình 13: Cấu tạo gạch mát
-

Tính năng: Gạch mát có trọng lượng siêu nhẹ (cụ thể là: gạch mát 20mm
1kg/m2, gạch mát 30mm ≈ 1.4kg/m2, gạch mát 40mm ≈ 1.8kg/m2, Gạch mát 50mm
≈ 2.2kg/m2) cho phép giảm tối đa đến 49% tải trọng tường và nền móng nhà, giảm từ
22,7% – 36,4% khối xây so với vật liệu xây dựng truyền thống và giảm cả chi phí về
kết cấu công trình nếu thay thế tường chống nóng truyền thống từ 220mm trở lên bằng
tường truyền thống 110mm + Gạch mát. Do tính năng nhẹ và dễ cắt ghép nên giúp
thời gian thi công nhanh và tiết kiệm chi phí nhân công lớn.

-

Khả năng chống biến dạng: Gạch mát nhẹ nhưng rất cứng rắn ngay cả khi ở độ dày
mỏng và tỷ trọng thấp do có tính cơ lý tốt về ứng suất bền, mức độ dão và có độ bền
nén, ngay cả sau 50 năm sử dụng vẫn duy trì tốt tỷ suất truyền dẫn nhiệt và độ bền
vững cho công trình. Khi chịu tải ứng dụng nhất định, gạch mát không bị vỡ cấu trúc
hay rạn nứt, đứt đoạn …vì gạch mát được sản xuất theo tiêu chuẩn quốc tế về liên kết
đồng bộ các thành phần và quá trình tạo bọt; áp dụng tốc độ phản ứng thành phần để
đảm bảo tính ổn định của kích thước. Gạch mát có tính ổn định tạo tấm cao nên có thể
hỗ trợ hiệu quả cho các bức tường được xây dựng bằng các vật liệu kém chất lượng,
được sử dụng bền vững và luôn duy trì tốt tỷ suất dẫn nhiệt nhờ cấu trúc khe kín và
khả năng chống lại các tác động bên ngoài như độ ẩm xâm nhập hoặc không khí
chuyển động

 Panel [18]
-

Panel này là một trong những loại vật liệu xây dựng phổ biến nhất hiện nay bởi cấu
trúc nhẹ nhàn nhưng chắc chắn. Panel được coi là chuyên dụng dành cho các công
trình có nền móng yếu, các công trình đòi hỏi thời gian thi công nhanh.

-

Panel được cấu tạo bởi 3 lớp: lớp trên và lớp dưới được làm từ tôn mạ màu hợp kim
nhôm kẽm có độ dày trung bình từ 0.4mm-0.6mm, lớp giữa là polyurethane xốp.


Hình 14: Cấu tạo của tấm Panel làm từ xốp PU
-

Tính năng:
+ Panel PU chống nóng, chống ồn, chống thấm và chịu nhiệt tốt.
+ Xốp pu có khả năng chống cháy lan hiệu quả.
+ Tấm Sandwich pu lắp đặt nhanh chóng, thi công dễ dàng.
+ Độ bền cao, có tính thẩm mỹ, an toàn cho sức khỏe
+ Vật liệu tiết kiệm chi phí xây dựng, móng rút ngắn thời gian thi công, nghiệm thu
nhanh
+ Thay đổi dễ dàng ngay cả sau khi lắp đặt thi công panel.
+ Thân thiện với môi trường, không chứa chất độc hại, ngay cả với thực phẩm.

 Vữa Polyuretan
Hợp chất vữa polyurethane có cấu trúc như xi măng, mật độ liên kết-chéo, không độc,
không hại, có tính trơ với hóa chất và hiện nay được ứng dụng nhiều nơi và ngày càng hiệu
quả. Bởi sự đột biến nhiệt độ với khoảng chênh lớn, nên nền polyurethane rất lý tưởng cho
các xưởng giết mổ, nhà máy sản xuất sữa/thịt/cá, nhà máy rượu bia, các nhà máy sản xuất
thực phẩm, nhà máy dược. Những nền trong những điều kiện khắc nghiệt như có phương tiện
vận chuyển nặng hoạt động, nhiều hóa chất hay nước cũng được ứng dụng giải pháp này.
Lớp vữa polyurethane làm việc rất tốt trong những môi trường khắc nghiệt, nhưng không
phải tất cả các khu vực bên trong nhà máy đều phải dùng đến nó. Vữa epoxy được sử dụng
phổ biến vẫn được đánh giá cao ở các khu vực có vật liệu xây dựng phù hợp, nhưng với
những yêu cầu cao về chất lượng nền thì lớp phủ PU vẫn là lựa chọn thích hợp.


Khi phủ PU không cần thiết phải phủ lớp lót, điều này làm giảm thời gian thi công đáng
kể, gần một nữa thời gian. Do vữa epoxy rất nặng mùi, nên khi thi công phải làm tốt công tác
thông gió nhất là các khu vực sản xuất thịt/cá hay sản phẩm từ sữa, và thường là sử dụng quạt
để thông gió. Riêng với vữa PU có mùi rất thấp và không có rủi ro với những sản phẩm thực
phẩm.
Vữa polyurethane đạt được hai điều sau đây: Thứ nhất, nó giảm thời gian thi công
xuống gần một nửa so với epoxy, nên cho phép việc thi công và đông kết nhanh. Thứ hai, nó
đã chịu đựng được các thử nghiệm kiểm tra với môi trường cực kỳ khắc nghiệt như gia nhiệt,
thay đổi nhiệt độ đột ngột với biên độ lớn, chịu tải nặng, tác động lực lớn, tác động của hóa
chất có nồng độ cao nhờ cấu trúc tạo bọt. Với những công trình có yêu cầu cao để đưa nhanh
nhà máy vào hoạt động, việc phủ lớp vữa polyurethane có thể thực hiện khi bê tông còn ướt,
chứ không phải chờ 28 ngày để bê tông đông kết hoàn toàn.
Hiện nay, nhu cầu sử dụng lớp vữa phủ polyurethane tăng cao hơn bao giờ hết bởi vì nó
có thể được thi công rất nhanh trên lớp nền bê tông cũ hoặc mới. Polyurethane có tính bền
chắc cao và có mùi thấp nên được ứng dụng nhiều trong những khu vực sản xuất thực phẩm,
giảm thiểu tối đa thời gian ngừng hoạt động sản xuất để sửa chữa hay thi công.

Hình 15: Một sân trong nhà vừa được phủ vữa polyurethane
3.2. Lợi ích kinh tế và môi trường
3.2.1

Kinh tế [19]

Tại EU, khoảng 50 triệu Kwh năng lượng được lưu thông qua việc sử dụng vật liệu
cách nhiệt polyurethane. Đồng thời, polyurethane bảo vệ hoặc tăng mức sống trên toàn thế


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×