TIỂU LUẬN vật LIỆU CÁCH NHIỆT và HOÀN THIỆN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM
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. NGUN VĂN CHÁNH
SVTH:

TRÁN CHÍ NHÂN

MSSV:

1712449
TP.Hồ Chí Minh, ngày 17, tháng 11, năm 2020


Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt và hoàn thiện

HD: PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh

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 mơi trường và

hồn tồn khơng gây phá hủy tầng ơzơn (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. Ngồi 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 ơzơn 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
động
trong
PUF).
nhiều

như SO,, NO,, CH¿, và các chất thải độc hại khác thông qua những hoạt
sản xuất hăng ngày. Trong đó, phải kế đến các chất tạo bọt vật lý sử dụng

công nghiệp sản xuất polyurethane, đặc biệt là xốp cứng polyurethane (RR-PUF được coi là vật liệu cách nhiệt tốt nhất hiện nay thường sử dụng rất
trong công nghiệp và các cơng 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

RiơnnđiệmGơi đẳgcrhiêtđ]âtplaonsajediơnsaeháinff độc nen độ dâp øiàiơttntpơlZ8
1
SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449


Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt và hoàn thiện

HD: PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh

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 ơzơn và tăng hiệu ứng nhà kính đáng kế [10].

tạo bọi thay (hế hồn tồn ©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 hồn tồn
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

hồn tồn CFCs, HCFC khơng 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 mơ tả trong
Ìn
.

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


Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt và hoàn thiện

HD: PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh

Hình 1: Quy trình chế tạo PUF trọng lượng riêng thấp sử
dụng tác nhân tạo bọt cyclopentane
| Polyether pboly

DABCO.DMEA

Khuả

|

by 20”

%

Polyel belnd
Khy 157

Cyclapentane

Hỗn hợp PPG

|

PMDI

|

Khuẩy 20-30s
ÀƯ tự da

PUF củng

Àở trong khuôn

PUF cúng

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 ngồi khơng khí. Các thơng số về thời gian phản ứng
bao gồm thời gian tạo kem (cream time), thời gian gel hóa (gel time), thời gian
khơng dính (tack-free time), thời gian nở (rise time) và thời gian lưu hóa (curing

SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449


Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt và hoàn thiện

HD: PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh

time) được quan sát và ghi lại. Hình ảnh quan sát q trình phản ứng được mơ 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@Ơioh;saoln
vồ hơn oliãq@ơđáyd§ah.dhBnơnCl¿dghát ĐnRÍUTh

no độ

khn được xác định tỷ trọng, đánh giá hình thái bề mặt băng phương pháp FESEM, kiểm tra độ bền nén và độ ồn định kích thước. Hình ảnh quan sát q trình

phản ứng được mơ tả trong Hình 2B và 2C.

SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449


Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt và hoàn thiện

HD: PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh

Hình 2: Quy trình chế tạo vật liệu R-PUF (A) nỏ tự do, (B)
nổ trong khn nhụa kích thước 90 x 90 x 90 (mm) và (C)
nở trong khn nhơm kích thước 400 x 400 x 100 (mm)

Klmơưn được
lâm sacl

PPG+PMDI

PUF đangnỏ

Vật liệu PUF

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
hơn hợp có dạng khơi 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


Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt và hoàn thiện

HD: PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh

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 khơng dính tính từ thời điểm khy trộn đến khi chạm đầu ngón tay
hoặc que gỗ vào bê mặt R-PUF khơng thây dính sau thời gian gel hóa, tơc độ RPUF nở chậm dân.

- Thời gian nở tính từ thời điểm khuấy trộn đến khi R-PUF hoàn toàn ngừng nở.
- Thời gian lưu hóa hồn tồn sau 24 giờ.
- Thời gian phản ứng của tồn q trình nở R-PUF phụ thuộc vào nhiệt độ của các
chât phản ứng ban đâu và tơc độ khy trộn.

2.4. Thiết bị phân tích
Trọng lượng riêng nở tự do (Free Rise Density, FRD) tính theo cơng 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 khn (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 khn (Vuun 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


Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt và hoàn thiện

HD: PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh

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 xng. 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%. Ngồi 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 tồn bộ hỗn hợp phản ứng giảm xuống, do đó kéo dài thời gian
phản ứng.

SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449


Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt và hoàn thiện

HD: PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh

Hình 3: Đồthị biểu diễn giá trị FRD theo tỉ lệ
cyclopentane/Polyol blend

=,

1777

0
ụ

10

20

Tỉ lệ cyclopentane/(Polyol blend)

SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449

25.85

'
30


Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt và hoàn thiện

HD: PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh

Hình 4: Đồthị biểu diến thời gian phản ứng theo tỉ lệ
cyclopentane/Folyol blend
180

Ì

140

--

l?6

S,. 120

——H0——432

|

:®%

-

100

=Bí 50g
£

95

$

TT

lẾ

ly

160

tong

153

156

ï

i

T

10

Ì

lá]

5ỉ
Ị

12

"

60 40

-

20

+

ũ

}

:

W

x

5

:

x

5

1

_

1». .'..,

.—.

22

EM

T‹ck-rec tac

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

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

`

25


HD: PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh

Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt và hồn thiện

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
_1Ø%6 ydiopentane

=4 146242 Tố

|

=Bf 30 >4, fl

a

m bị

tạ

E8

'Fđnm ai

t#

t*œ cxcÌopeartfa
it

Ð

$B 160 1306 2390 Me

5 T0U HO, 20) Me
y8 EU to Sử vao

Kich thướt tế HN

13% £Vtl0pe†anie

[ủn snàt.

58 cyclgpentane
đa #121788,57

đạ
-

bì

¡1

ấy

{

t8‡
4

Ƒ__1.

".

li

.x

1#
1U 130 70
lich thước
LỄ bào

———=
ù

Kkl@6
kim{nm]

1

lSÀ

lữ

—_m

mg

2đ

T5

_— —
kEnem

3fIo c +ếlepenta
re

dạ=9116+#31

H

KẾ:

Kieh thu##e lế bả bím lJs mí |

10% £vclupenl he

th “291767

|I

tr
:

F131sad.71

lhaă.

\

8=

_ M Đ
&

#ủ

lÚỦ

Đ

—
HắU 2Ù

2l

i6:

1

118

ích thượy tỆ bào kim [te]

Kết quả chế tạo vật liệu R-PUF nở trong khn 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 tồn 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 đốn 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 khơng đảm bảo được tính chất cơ học
của foam.

10
SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449

Si

53 kiem

Tích thước: tế bải
ø Re (Lamg)


HD: PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh

Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt và hoàn thiện

Bảng 1. Chế tạo các mẫu R-PUF nở trong khn 90 x 80 x 90(mm]
TƠ | MERGDAMS
M1

Cyclopentane
7 (0%)

25

M2
M3

18
20

©D
(Kg/m')

Quan sát

sau 48 giờ

Quan sát
Sau 7 ngày

45,00

Khơng cò rút

Khơng co rút

45,02
43,35

Khơng co rút
Khơng co rút

Khơng co rút
Co mặt trên

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 đoán băng cảm quan của các mẫu foam nở trong
khuôn nhựa. Độ bền nén 10% được đo theo tiêu chuẩn ASTM D 1621, mẫu M4 có

độ bền nén 10% là 154 kPa được lựa chọn là mẫu chuẩn đề so sánh với các mẫu
còn lại. Mẫu M5 có độ
mẫu M4, mặc dù trọng

bền nén 10% của mẫu
chuẩn (127 kPa so với

bền nén 10% là 146 kPa, thập hơn so với độ bền nén của
lượng riêng của hai mẫu có giá trị gần như nhau. Giá trị độ
M6 với 20% cyclopentane tương đối thấp hơn so với mẫu
154 kPa). Độ ồn định kích thước đo theo tiêu chuẩn ASTM

mẫu foam do đạo ở "UGC tong vòng lẾ giờ đều Tất thấp CC Ð 10a), chứngLô các
mẫu xốp đều có độ ổn định kích thước cao, foam co rút không đáng kể.

Bảng 2. Chế tạo các mấu R-PUF nở trong khuôn 400 x 400 x 100(mm)
ty
M4

HCFC 141b | Cyclopentane

(%)
25

(%)

OD

Độ bần nén | Độ ổn định

(KgmÐ | 10%(kPa) | kích thước
45,345

Nghiên cứu đã chế tạo thành cơng vật liệu R-PUF nở tự do

thấp sử dụng chất tạo bọt vật lý cyclopenfane khơng phá hủy
và tiềm năng làm nóng trái đất thấp (GWP =1]) nhăm thay
Khi tăng hàm lượng cyclopentane từ 0% đến 25% thì giá

154

<0,1%

có trọng lượng riêng
tầng ơzơn (ODP =0)
thế cho HCFC-141b.
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 có giá trị gần như nhau 45,84 và 45,35
11
SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449


Tiểu luận Vật liệu cách nhiệt và hoàn thiện

HD: PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh

kg/mỶ. Độ ồn định kích thước của các mẫu R-PUF sử dụng cyclopentane thay thế
cho HCFC-141b làm chất tạo bọt vật lý đo đạc ở -10°C trong vòng 48 giờ đều có
độ ơn định kích thước cao, foam co rút không đáng kế và đạt tiêu chuẩn chất lượng
tắm panel cách nhiệt polyurethane.

12
SVTH: Trần Chí Nhân _ 1712449