Nghiên cứu chế tạo mốp cứng Polyurethane tỷ trọng thấp sử dụng tác nhân tạo bọt không gây phá hủy tầng ozone
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đời sống con người cũng được nâng cao. Tuy nhiên, hàng loạt các vấn đề môi trường xảy ra như thủng tầng Ôzôn, ô nhiễm bầu khí quyển, hiệu ứng nhà kính… Một trong những vấn đề cấp bách nhất hiện nay của thế giới là tìm ra giải pháp và hạn chế lỗ thủng tầng ôzôn đang ngày càng nghiêm trọng.
Nguyên nhân chính làm thủng tầng ôzôn là các môi chất lạnh (hay còn gọi là chất tạo bọt vật lý) có chứa nguyên tố Clo sử dụng trong ngành công nghiệp điện - nhiệt lạnh. Những môi chất lạnh này còn góp phần tạo hiệu ứng nhà kính gây hiện tượng nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu. Hậu quả là thiên tai liên tục xảy ra với mức độ tàn phá ngày càng vượt xa khả năng chống chọi của loài người.
Theo nghiên cứu của các nhà khoa học thì nhu cầu năng lượng đến năm 2050 sẽ tăng lên đến 160%. Chính vì vậy, việc sử dụng vật liệu cách nhiệt vào các công trình xây dựng, nhà ở… được xem là biện pháp tối ưu để tiết kiệm nguồn năng lượng đang ngày cạn kiệt. Trong lĩnh vực vật liệu cách nhiệt Polyurethane (PU), chất tạo bọt vật lý hầu hết là các dung môi có nhiệt độ sôi thấp và không xảy ra phản ứng hóa học với bất kì thành phần hóa học nào của mốp cứng PU. Cơ chế tạo bọt của các hợp chất này là bay hơi nhờ vào nhiệt độ tỏa ra từ phản ứng tạo gel và phản ứng tạo bọt xảy ra trong quá trình hình thành mốp. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành nên cấu trúc tế bào kín và tính cách nhiệt của vật liệu mốp cứng PU.
Polyurethane là một loại polymer có chứa nhóm urethane (-NH-COO-) trong mạch phân tử, được hình thành từ phản ứng của nhóm hydroxyl (-OH) của phân tử polyol với nhóm cyanate của phân tử isocyanate. Cả polyol và isocyanate đều chứa số nhóm chức là hai hoặc nhiều hơn trên một mạch phân tử. Đa số các loại polyurethane đều là polymer nhiệt rắn.
Mốp Polyurethane được chế tạo từ hai thành phần hóa học chính là polyol và isocyanate, trong đó có sự tham gia của chất tạo bọt hóa học và chất tạo bọt vật lý. Tùy thuộc vào thành phần và số lượng nhóm chức, độ dài mạch phân tử, khối lượng phân tử của polyol và isocyanate, PUF có thể được chia ra thành ba loại chính: Mốp PU cứng, mốp PU mềm và mốp PU đàn hồi. Trong đó, mốp PU cứng được xem là vật liệu có hiệu quả cách nhiệt tốt nhất hiện nay.
Ở nước ta, hóa chất sản xuất lõi polyurethane và tole lạnh là nguyên vật liệu chủ yếu để sản xuất tấm Panel cách nhiệt Polyurethane chủ yếu nhập khẩu, chiếm 90% giá thành sản phẩm, dây chuyền công nghệ còn rời rạc nên giá thành sản phẩm cao, khó cạnh tranh với vật liệu cách nhiệt nhập khẩu khi nước ta gia nhập tổ chức thương mại thế giới WTO. Đồng thời, việc chuyển đổi chất tạo bọt từ HCFC-141b sang sử dụng thế hệ tạo bọt thứ ba HCs (cyclopentane) không gây ảnh hưởng đến tầng ozon và khả năng làm nóng trái đất thấp sẽ được tiến hành tại Việt Nam nhằm tuân thủ việc thực thi Nghị định thư Montreal. Cùng với việc thay đổi tác nhân tạo bọt HCFC- 141b, các nhà máy sản xuất vật liệu cách nhiệt PU ở Việt Nam phải thay thế chuyển đổi toàn bộ dây chuyền máy móc, thiết bị để phù hợp với quy trình công nghệ sản xuất mới, đảm bảo được tính an toàn về cháy, nổ, tác giả Nguyễn Thị Nhật Hằng, Trường Đại học Thủ Dầu Một đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo mốp cứng Polyurethane tỷ trọng thấp sử dụng tác nhân tạo bọt không gây phá hủy tầng ozone”.
Đề tài được thực hiện vào năm 2015 nhằm mục tiêu chế tạo thành công mốp cứng polyurethane có trọng lượng riêng nở tự do FRD (Free Rise Density) từ 25-30 kg/m3 và trọng lượng riêng toàn phần OD (Overall Density) từ 40 - 45 kg/m3 sử dụng tác nhân tạo bọt n-pentane và cyclopentane thay thế cho HCFC 141b. Kết quả nghiên cứu được ứng dụng làm vật liệu cách nhiệt phục vụ cho ngành thủy sản, dược phẩm, nông nghiệp...
Qua cách tiếp cận sử dụng đồng thời hai tác nhân tạo bọt hóa học và tạo bọt vật lý trong chế tạo mốp cứng PU trọng lượng riêng thấp. Thay thế tác nhân tạo bọt vật lý HCFC 141b trong chế tạo mốp cứng PU bằng tác nhân tạo bọt vật lý mới không gây phá hủy tầng ozone là n-pentane, cyclopentane và hỗn hợp n-pentane/cyclopentane. So sánh tỷ lệ sử dụng trong công thức, trọng lượng riêng, kích thước tế bào bọt kín và các tính chất cơ lý của mốp cứng PU khi sử dụng các tác nhân tạo bọt vật lý khác nhau.
Đề tài đã chế tạo thành công vật liệu cách nhiệt mốp cứng PU ở dạng nở tự do với các tác nhân tạo bọt vật lý hydrocacbon hoàn toàn không phá hủy tầng ôzôn (ODP=0) và khả năng làm nóng trái đất thấp (GWP=11) như: cyclopentane, n-pentane, hỗn hợp cyclopentane/n-pentane nhằm thay thế tác nhân tạo bọt HCFC-141b; vật liệu cách nhiệt mốp cứng PU ở dạng nở tự do có trọng lượng riêng FRD từ 25-30kg/m3 với các tác nhân tạo bọt vật lý hydrocacbon là cyclopentane, n-pentane, hỗn hợp cyclopentane/n-pentane nhằm thay thế tác nhân tạo bọt HCFC- 141b;
Xác định được hàm lượng của tác nhân tạo bọt hóa học (nước) và tác nhân tạo bọt vật lý (HCFC-141b, Cyclopentane, n-pentane, hỗn hợp cyclopentane/n-pentane) phù hợp để chế tạo vật liệu mốp cứng PU đáp ứng được các yêu cầu chất lượng của vật liệu cách nhiệt polyurethane;
Và chế tạo thành công vật liệu cách nhiệt mốp cứng polyurethane nở trong khuôn có trọng lượng riêng OD từ 40-45kg/m3 với các tác nhân tạo bọt vật lý hydrocacbon là cyclopentane, n-pentane, hỗn hợp cyclopentane/n-pentane có độ bền nén (134-138 kPa) và độ ổn định kích thước (<0.1%), đạt tiêu chuẩn chất lượng tấm panel cách nhiệt polyurethane…
Các kết quả thu được cho thấy: Trọng lượng riêng nở tự do giảm dần khi tăng hàm lượng tác nhân tạo bọt hóa học và tác nhân tạo bọt vật lý; thời gian phản ứng: cream time, gel time, tack free time, rise time giảm dần khi tăng hàm lượng tác nhân tạo bọt hóa học H2O và tăng dần khi tăng hàm lượng tác nhân tạo bọt vật lý; kích thước tế bào kín của mốp cứng PU thay đổi theo các loại tác nhân tạo bọt và hàm lượng tác nhân tạo bọt hóa học và vật lý, kích thước tế bào mốp cứng tăng khi tăng hàm lượng tác nhân tạo bọt hóa học và tạo bọt vật lý.
Ở cùng một trọng lượng riêng, độ bền nén của mốp cứng PU sử dụng tác nhân tạo bọt n-pentane lớn nhất (138 kPa) và mật độ mốp cứng phân bố chặt chẽ hơn so với HCFC-141b, cyclopentane hay hỗn hợp cyclopentane/n-pentane. Mốp cứng PU sử dụng 18% hỗn hợp cyclopentane/n-pentane (6/4) có độ bền nén (135 kPa) là lựa chọn thích hợp nhất để thay thế cho HCFC 141b vì có độ bền nén tương đương mẫu chuẩn (134kPa) và hiệu quả cách nhiệt cao.
Độ ổn định kích thước ở -100C trong vòng 48 giờ của các mẫu mốp cứng PU rất thấp (< 0,1%) chứng tỏ các mẫu mốp cứng đều có độ ổn định kích thước cao, đạt tiêu chuẩn chất lượng Tấm panel cách nhiệt polyurethane.
Tại thời điểm nghiên cứu. các nhà máy sản xuất mốp cứng cách nhiệt polyurethane ở Việt Nam đều đang sử dụng tác nhân tạo bọt vật lý HCFC-141b. Vì vậy, việc chuyển đổi sang sử dụng tác nhân tạo bọt mới hydrocacbon là yêu cầu cấp thiết của Việt Nam trong những năm sắp tới. Nghiên cứu chế tạo vật liệu mốp cứng cách nhiệt polyurethane sử dụng tác nhân tạo bọt n-pentane và cyclopentane thân thiện với môi trường là hoàn toàn mới tại Việt Nam cũng như các Công ty sản xuất tấm panel cách nhiệt polyurethane ở nước ta. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là nghiên cứu bước đầu trong công cuộc chuyển đổi sang sử dụng tác nhân tạo bọt mới hydrocacbon thay thế hoàn toàn cho HCFC 141b.
Thy Diễm