Đang tải... (xem toàn văn)
Đề tài Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu polyme compozit (PC) trên cơ sở nhựa vinyl ester và sợi vải gia cường, ứng dụng chống ăn mòn các thiết bị hoá chất thuộc công trình nghiên cứu khoa học cấp bộ Nội dung gồm có
VIỆN HOÁ HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME-COMPOZIT (PC) TRÊN CƠ SỞ NHỰA VINYL- ESTER VÀ SỢI VẢI GIA CƯỜNG, ỨNG DỤNG CHỐNG ĂN MÒN CÁC THIẾT BỊ HOÁ CHẤT CNĐT : LÊ THỊ THU HÀ 9019 HÀ NỘI – 2011 1 MỞ ĐẦU Ngành công nghiệp hóa chất hiện nay có vai trò quan trọng trong công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa của nước ta. Việc đổi mới công nghệ tại các cơ sở đang sản xuất và vấn đề đầu tư xây dựng các nhà máy hóa chất mới có liên quan chặt chẽ và đòi hỏi những công nghệ sản xuất tiên tiến hơn. Đặc trưng của công nghiệp hóa chất là các dây chuyền sản xuất liên tục và rất phức tạp, các điều kiện phản ứng được khống chế nghiêm ngặt, môi trường hóa chất khắc nghiệt. Vì thế, để đáp ứng được năng suất cũng như đảm bảo an toàn cho quá trình sản xuất cần phải nghiên cứu ra những loại vật liệu đáp ứng được nhu cầu của ngành. Trước đây, ngành công nghiệp hóa chất cũng như các sản phẩm dùng cho mục đích chịu môi trường thường sử dụng loại thép không rỉ hoặc thép có bọc nhựa. Vào những 1950, bước đột phá quan trọng của ngành vật liệu compozit đó là sự xuất hiện nhựa epoxy và các sợi gia cường như polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu compozit nền nhựa nhiệt rắn đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, ngành hàng không, vũ trụ, quân sự… Tại Việt Nam, vật liệu compozit đã được nhiều các nhà khoa học tại các cơ sở nghiên cứu như trường đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam….nghiên cứu và chế tạo ra nhiều sản phẩm như xuồng cứu sinh, giải phân cách di động, biển báo giao thông…. Các loại sản phẩm compozit thường được nghiên cứu trên cơ sở nhựa epoxy, polyeste không no, vinyleste… , sợi gia cường và chất độn. Những loại sản phẩm này đã được nghiên cứu thử nghiệm và mục đích sử dụng chủ yếu là cho ngành dân dụng. Trên thị trường hiện nay, các công ty trong nước và nước ngoài sản xuất rất nhiều các sản phẩm dạng compozit như: thùng chứa nước sạch tanoval của Công ty Hoàng Anh compozit; sản phẩm ống sợi thủy tinh của Công ty Cổ phần Ống sợi Thủy tinh Nghi Sơn; vật liệu compozit lót sàn, nền cho các khu công nghiệp lớn của công ty Việt Quang chemical; bồn, bể, thùng (chứa nước thải, nước tẩy nhuộm, lưu trữ xăng dầu) của công ty Vinatank; sản phẩm của công ty Plasmate là các loại vật liệu có mã số 890-CSM600, 899-CSM900, 932-S2QD1200/PB có thể chống ăn mòn, chống lửa và chống đạn; ….Tuy nhiên các sản phẩm sản xuất trong nước đều sử dụng cho dân dụng và sử dụng nguyên liệu nhập ngoại, các sản phẩm cao cấp hơn thì nhập ngoại hoàn toàn nên giá thành rất cao. Vì vậy, đề tài ”Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu polyme – compozit (PC) trên cơ sở nhựa Vinyl – ester và sợi vải gia cường, ứng dụng chống ăn mòn các thiết bị hóa chất” là vấn đề cần thiết, có ý nghĩa ứng 2 dụng trong các dây chuyền sản xuất hóa chất cho ngành công nghiệp hóa chất nói chung. Mục tiêu của đề tài là tạo ra công nghệ chế tạo vật liệu polyme – compozit trên cơ sở nhựa vinyl – este và sợi vải gia cường, ứng dụng để bọc lót bảo vệ thiết bị ngành công nghiệp hóa chất. Từ mục tiêu trên, đề tài được thực hiện với những nội dung sau: - Tổng hợp nhựa vinyl – este. Phân tích tính chất của nhựa. - Lựa chọn loại vải gia cường (chất liệu, độ dày, kích thước lỗ vải…) - Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme – compozit trên cơ sở nhựa vinyl – este và sợi vải lựa chọn. - Tối ưu hóa các điều kiện chế tạo mẫu (tỷ lệ các thành phần, điều kiện công nghệ chế tạo). - Sản xuất thử 50m 2 . - Thử nghiệm sản phẩm ở điều kiện thực tế và đánh giá chất lượng sản phẩm. - Đề xuất phương án sản xuất quy mô pilot. 3 PHẦN 1: TỔNG QUAN 1. 1.Các phương pháp tổng hợp nhựa vinyleste. 1.1.1. Nhựa vinyl este trên cơ sở nhựa epoxy sử dụng chất xúc tác là muối amin bậc bốn. Để kết hợp những ưu điểm của nhựa epoxy như tính năng cơ lý, khả năng chịu nhiệt tốt, quá trình thao tác đơn giản với khả năng đóng rắn nhanh, giá thành rẻ của nhựa polyeste, Siva.P cùng cộng sự … đã nghiên cứu tổng hợp ra loại nhựa vinyleste. Ảnh hưởng của styren và α-metyl styren đến quá trình đóng rắn của loại nhựa tổng hợp cũng đã được nghiên cứu. Nhựa vinyleste được tổng hợp từ methacrylic axit và nhựa epoxy có cấu tạo như sau: Hình 1.1: Cấu trúc của nhựa vinyl este đã tổng hợp Nghiên cứu cho thấy nhựa vinyl este tổng hợp có độ bền cơ, lý, hóa cao phù hợp để chế tạo tấm compozit với sợi thủy tinh gia cường. Các tác giả đã nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ gel hóa và thời gian đối với 5 loại nhựa vinyleste tổng hợp được (A, B, C, D, E). Kết quả là tại nhiệt độ tạo gel càng cao thì thời gian tạo gel càng ngắn. Lượng dung môi sử dụng ảnh hưởng đến thời gian đóng rắn và đỉnh tỏa nhiệt của nhựa tổng hợp. Nghiên cứu với dung môi là styren cho thấy, khi tăng hàm lượng từ 30–50 % phần trọng lượng nhựa thì thời gian gel hóa giảm từ 18 phút xuống 11 phút, đỉnh tỏa nhiệt tăng từ 56 0 C lên đến 80 0 C. Khi sử dụng α-methyl styren cùng với nhựa vinyl este đã styren hóa cho thấy, thời gian gel hóa bị chậm lại rất nhiều và nhiệt độ ở đỉnh tỏa nhiệt giảm. Với lượng α- methyl styren sử dụng là 10% trọng lượng và styren 40% nhựa thời gian gel hóa là hơn 8 giờ, đỉnh tỏa nhiệt không xác định. 4 Thời gian (phút) Hình 1.2: Đỉnh gel hóa của nhựa vinyl este với hàm lượng % styren khác nhau. Nghiên cứu cho thấy loại nhựa vinyleste phù hợp cho việc chế tạo sản phẩm vật liệu polyme compozit cách nhiệt, chịu môi trường [1]. 1.1.2. Nhựa vinyl este trên cơ sở poly(etylen terephlata) thải. Người ta cũng tiến hành tổng hợp nhựa vinyleste đi từ Poly(etylen terepthalat) (PET) theo các bước sau: -Bước 1: Depolyme hóa PET với sự có mặt một lượng dư tetraetylen glycol (TEG); có sử dụng mangan acetat làm xúc tác. -Bước 2: Phản ứng giữa oligome tạo thành với epichlohydrin để tạo thành nhựa epoxy; sử dụng xúc tác NaOH. -Bước 3: Nhựa vinyleste được tạo thành bởi phản ứng giữa các nhóm epoxid nối mạch với AA hoặc MAA. Chu trình phản ứng xảy ra như sau: 5 Hình 1.3: Phản ứng tổng hợp nhựa vinyl este [2] 6 1.1.3. Nhựa vinyl este trên cơ sở diglycidyl ete của bisphenol A với axit metacrylic. Phản ứng tổng hợp nhựa vinyl este trên cơ sở diglycidyl ete của bisphenol A với axit metacrylic có sử dụng xúc tác loại amin (nhóm imido) hoặc chất crom càng cua (cromium diisopropyl salicylat) đã được nghiên cứu tại Pháp. Một lượng diglycidyl ete của bisphenol A cùng với hydroquinon được đưa vào bình phản ứng thủy tinh 3 cổ 1 lít, hỗn hợp được khuấy đều và nâng nhiệt độ lên 100 0 C. Sau xúc tác được đưa vào một lượng vừa đủ, phản ứng duy trì tiếp tục trong vòng 3 giờ. Quá trình phản ứng phụ thuộc vào việc xác định nhóm epoxy ở từng thời điểm khác nhau của phản ứng. Sản phẩm cuối có màu xanh lá cây nhạt với loại xúc tác là cromium diisopropyl salicylat và có màu hổ phách đối với chất xúc tác loại amin. Hình 1.4: Phản ứng tổng hợp nhựa vinyl este trên cơ sở nhựa diglycidyl ete của bisphenol A với axit metacrylic. 7 Qua quá trình tổng hợp nhựa vinyl este với hai loại xúc tác các nhà nghiên cứu đã đưa ra kết luận: phản ứng tổng hợp nhựa vinyl este trên cơ sở nhựa diglycidyl ete của bisphenol A với axit metacrylic có sử dụng xúc tác là cromium diisopropyl salicylat xảy ra nhanh hơn phản ứng sử dụng xúc tác là amin. Sản phẩm có khả năng làm chất nền cho vật liệu polyme compozit chống ăn mòn cho các thiết bị hóa chất [3]. 1.1.4. Nhựa vinyl este trên cơ sở dầu đậu nành. Nhựa vinyl este tổng hợp từ dầu đậu nành epoxi hóa với axit metacrylic ở nhiệt độ 130 0 C đã được nghiên cứu tại khoa Công nghệ Vật liệu – Đại học Bách khoa- Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai đã được sử dụng trong nghiên cứu để đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào metyl etyl keton peroxit (MEKP) và chất xúc tiến Co 2+ khác nhau đến khả năng đóng rắn của nhựa vinyl este đã tổng hợp. Nhựa vinyl este này cũng được khảo sát đóng rắn ở nhiệt độ phòng. Trong trường hợp này, lượng monome chưa tham gia phản ứng của nhựa cũng được xác định trên thiết bị đo nhiệt vi sai quét (Differential Scanning Calorimetry – DSC). Qua quá trình tổng hợp, khảo sát khả năng đóng rắn của nhựa và tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyl este nhóm đề tài đã đưa ra kết luận: + Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyl este bền hóa chất, chịu môi trường ăn mòn hóa học tốt, phù hợp để sản xuất vật liệu compozit chống ăn mòn hóa chất. + Nhựa đóng rắn ở nhiệt độ phòng (có mặt chất xúc tác và chất xúc tiến) [4]. 1.1.5. Nhựa vinyl este epoxy trên cơ sở nhựa epoxy epikot 828. Với mục đích tạo ra loại vật liệu polyeste không no mới có khả năng chịu kiềm tốt, tính chất cơ lý cao, khả năng thấm sợi tốt, các nhà khoa học trường đại học Bách khoa đã nghiên cứu loại nhựa vinyl este epoxy. Loại nhựa này được tổng hợp từ nhựa epoxy lỏng (epikot 828) và axit metacrylic, có sử dụng xúc tác. Phản ứng mở vòng nhóm epoxy bằng axit cacboxylic không no có nối đôi đầu mạch diễn ra như sau: Hình 1.5: Phản ứng mở vòng nhóm epoxy bằng axit cacboxylic không no. 8 Dưới xúc tác của amin bậc ba cơ chế phản ứng xảy ra theo cơ chế sau: - Phản ứng theo cơ chế 1: Amin bậc ba sẽ hoạt hóa nhóm axit tạo thành anion axit và anion này sẽ tấn công vào các nhóm epoxy ở đầu mạch. Hình 1.6: Phản ứng tổng hợp nhựa vinyleste trên cơ sở nhựa epoxy và axit cacboxylic không no có nối đôi ở đầu mạch theo cơ chế 1. - Phản ứng theo cơ chế 2: Amin bậc ba hoạt hóa nhóm epoxy tạo thành anion alkoxit trước, anion này tiếp tục tác dụng với axit. Hình 1.7: Phản ứng tổng hợp nhựa vinyleste trên cơ sở nhựa epoxy và axit cacboxylic không no có nối đôi ở đầu mạch theo cơ chế 2. Sản phẩm là một loại nhựa vinyl este epoxy có màu vàng sáng, trong. Nhựa có độ nhớt cao ở nhiệt độ thường và độ nhớt sẽ giảm khi tăng nhiệt độ hay tăng hàm lượng monome tương hợp. Khác với nhựa polyeste không no thương phẩm, nhựa vinyl este epoxy có khả năng tương hợp rất cao với styren và tạo ra khả năng dễ điều chỉnh độ nhớt của hệ nhựa thuận lợi khi gia công. Mật độ liên kết ngang của nhựa tổng hợp này phù hợp với yêu cầu để chế tạo vật liệu compozit chịu ăn mòn hóa chất [5]. 9 1.2. Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste. 1.2.1.Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste có gia cường bằng sợi thủy tinh. Các nhà nghiên cứu Ấn Độ đã nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhưa vinyleste được gia cường bằng sợi thủy tinh. Các tấm mẫu vật liệu PC chế tạo ra được phân tích cấu trúc bề mặt. Hình 1.8 trình bày ảnh SEM của mẫu vật liệu PC dạng tấm được chế tạo từ nhựa vinyleste với sợi thuỷ tinh dạng rối. Hình 1.8: Ảnh SEM cho thấy sợi bị kéo ra của một tấm compozit vinyleste-vải thủy tinh Độ bền va đập của các mẫu vật liệu PC được xác định bằng thiết bị con lắc, mô tả trong hình 1.9 dưới đây: Hình 1.9: Sơ đồ thiết bị con lắc. h: con lắc tay búa (một cái búa hình trụ); vật mẫu S [...]... loại vật liệu này [18] Từ những tài liệu tham khảo trên, nhóm đề tài chọn nghiên cứu tổng hợp nhựa vinyleste trên cơ sở nhựa epoxy và chế tạo vật liệu polyme compozit (PC) trên cơ sở nhựa vinyleste cùng với vải sợi thủy tinh, ứng dụng chống ăn mòn các thiết bị hóa chất theo phương pháp lăn ép bằng tay 25 PHẦN 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị 2.1.1 Nguyên liệu, hóa chất: - Nhựa epoxy:... Năng lượng (MPa) bẻ gãy (J) va đập (kJ/m2) 1.2.3 Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste gia cường bằng sợi thủy tinh và sử dụng chất độn vô cơ Usman.A.S và Rorathia.M.C thuộc hải quân Mỹ đã nghiên cứu vật liệu compozit trên cơ sở các loại nhựa như vinyleste, epoxy và phenolic có gia cường bằng sợi thủy tinh và các chất độn vô cơ 12 Các tấm vật liệu được nghiên cứu trên cơ sở: nhưa vinyleste /sợi. .. loại vật liệu khác nhau Đây là loại vật liệu mới có tính năng kế thừa các đặc tính của vật liệu cấu thành Vật liệu compozit là sự kết hợp của các vật liệu nhằm phát huy các ưu điểm về tính năng kỹ thuật của các vật liệu cấu thành Vật liệu này có khả năng chịu lực và độ cứng trên trọng lượng lớn, là loại vật liệu nhẹ so với các loại vật liệu truyền thống khác Đây là loại vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng. .. trong các ngành công nghệ cao như công nghệ vũ trụ Vật liệu compozit thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và giới khoa học trong và ngoài nước, được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam và trên thế giới 1.6.1 .Trên thế giới Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu compozit đã được nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến Việc nghiên cứu và áp dụng thành 23 công vật liệu này... trong công nghệ sản xuất thiết bị phục vụ ngành hàng hải [8] 1.2.2 Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste có gia cường bằng sợi đay Vật liệu compozit trên cơ sở nhưa vinyleste được gia cường bằng sợi đay đã được nghiên cứu Các sợi đay đã được xử lý qua dung dịch NaOH 5% sau 0, 2, 4, 6 và 8 giờ ở 300C 11 Hình 1.13: Sự phân tán của sợi đay trong nhựa vinyleste a, sợi đay thô; b, sợi đay đã được sử lý... cường đã được đặt vào trong khuôn trước khi nhựa nền được bơm vào Hình dạng của vật liệu compozit đã tạo hình trước, bằng cách cho các vải sợi gia cường vào khuôn định hình Hình 1.19.Khuôn chế tạo vật liệu compozit theo phương pháp bơm nhựa vào khuôn Ưu điểm của phương pháp này là vải sợi gia cường có thể sử dụng ở cả dạng sợi ngắn và sợi dài liên tục 21 Tiêu chuẩn của các loại vải sợi này phải đảm... liệu gia cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước… Các loại sợi gia cường có tầm quan trọng đặc biệt, làm cho vật liệu polyme compozit có độ bền cơ lý cao đồng thời tăng độ chịu nhiệt, chịu lửa, cải thiện hệ số giãn nở, chịu mài mòn và cách điện Các nhóm sợi được sử dụng làm gia cường cho vật liệu compozit phổ biến gồm: nhóm sợi khoáng chất: sợi. .. vào trong việc ghép răng thưa, các ngành thiết bị giáo dục, bàn ghế, các giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu, các sân vận động và các trung tâm văn hoá Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu Compozit vào các lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện Vật liệu composite trong... thấy, độ phân tán của sợi đay sau khi đã được xử lý bằng dung dịch NaOH 5% trong nhựa vinyleste tốt hơn khi chưa xử lý Các tính năng độ bền của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste cũng được cải thiện khi sử dụng sợi đay đã qua xử lý để gia cường [9] Bảng 1.2: Đặc tính cơ học của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste – sợi đay thô và đã qua xử lý Độ bền Tỉ lệ sợi Kiểu sợi (%) (đã xử lý-giờ)... mỏng Vải thủy tinh bề mặt mỏng phù hợp với công nghệ lăn ép tay Các chất liên kết trên cơ sở styren-acrylic giúp cho vải này có thể tương thích với tất cả các loại nhựa như vinyl este, polyeste và nhựa epoxy Bên cạnh đó, các vải thủy tinh dạng mỏng, mịn còn dùng để sửa chữa các vết nứt vỡ trên tường bằng cách sử dụng như vật liệu gia cường cho các hệ sơn trên tường trong và ngoài nhà, nơi mà các rạn . VIỆN HOÁ HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME-COMPOZIT (PC) TRÊN CƠ SỞ NHỰA VINYL- ESTER VÀ SỢI VẢI GIA CƯỜNG, ỨNG DỤNG. tài là tạo ra công nghệ chế tạo vật liệu polyme – compozit trên cơ sở nhựa vinyl – este và sợi vải gia cường, ứng dụng để bọc lót bảo vệ thiết bị ngành công nghiệp hóa chất. Từ mục tiêu trên, . 1.2. Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste. 1.2.1 .Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste có gia cường bằng sợi thủy tinh. Các nhà nghiên cứu Ấn Độ đã nghiên cứu chế tạo vật liệu