ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU
BỘ MÔN: VẬT LIỆU POLYMER&COMPOSITE

SEMILAR LÝ THUYẾT

PU NANOCOMPOSITE CHỐNG CHÁY

GVHD: TS HOÀNG THỊ ĐÔNG QUỲ
SVTH: VŨ VĂN KỲ - MSSV: 1019076

TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013.

1


MỤC LỤC
A. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU POLYURETHANE ..................................................... 4
I. Sơ lược về vật liệu polyurethane. ................................................................................. 4
1) Giới thiệu về vật liệu Polyurethane. ......................................................................... 4
2) Các tính chất của vật liệu Polyurethane. .................................................................. 4
II. Phân loại polyurethane. ............................................................................................... 5
1) PU màng. .................................................................................................................. 5
2) PU Xốp. .................................................................................................................... 5
3) Polyurethane nhiệt dẻo (TPU).................................................................................. 7
III. Nguyên liệu trong tổng hợp Polyurethane. ................................................................ 9
1) Polyol. ...................................................................................................................... 9
2) Isocyanate. .............................................................................................................. 10
3) Chất kéo dài mạch. ................................................................................................. 11
4) Chất xúc tác. ........................................................................................................... 12

5) Chất hoạt động bề mặt. .......................................................................................... 13
IV. Phản ứng tổng hợp Polyurethane............................................................................. 13
1) Phản ứng tổng hợp PU. .......................................................................................... 13
2) Các phản ứng phụ có thể xảy ra trong quá trình tổng hợp PU. .............................. 14
V. Các phương pháp tổng hợp Polyurethane. ................................................................ 18
1) Phương pháp có dung môi. .................................................................................... 18
VI. Khoáng sét Montmorillonite.................................................................................... 20
1) Sơ lược về khoáng sét Montmorillonite. ................................................................ 20
2) Cấu trúc của Montmorillonite. ............................................................................... 21
VII. Ứng dụng của PU. .................................................................................................. 22
B. NANOCOMPOSITE CHỐNG CHÁY. ....................................................................... 22
I) Quá trình cháy của polymer. ...................................................................................... 22
II) Cơ chế chống cháy của phụ gia. ............................................................................... 24

2


1) cơ chế vật lý. .......................................................................................................... 24
2) Cơ chế hóa học. ...................................................................................................... 24
III) Cơ chế chống cháy của Nanocomposite. ................................................................. 25
IV) Một số phương pháp kiểm tra khả năng chống cháy của vật liệu. .......................... 26
1) Phương pháp đo chỉ số giới hạn oxy (LOI). .......................................................... 26
2) Phương pháp UL-94. .............................................................................................. 27
3) Phương pháp nhiệt lượng hình nón. ....................................................................... 29
C. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ PU NANOCOMPOSITE CHỐNG CHÁY. ................. 30
D. KẾT LUẬN. ................................................................................................................. 56
E. TÀI LIỆU THAM KHẢO. ........................................................................................... 57

3



A. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU POLYURETHANE
I. Sơ lược về vật liệu polyurethane[1].
1) Giới thiệu về vật liệu Polyurethane.
Polyurethane(PU) là một loại vật liệu đa năng được sử dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực như sơn phủ, cách âm, cách nhiệt, các vật liệu xây dựng, nệm mút, mô cấy
ghép y sinh…
Phản ứng tạo PU đầu tiên được thực hiện vào năm 1937 bởi giáo sư Otto Bayer
sau đó được phát triển bởi các nhà hóa học tại DuPont và ICI. Thành phần chính để
tạo nên PU đó là isocyante và polyol. PU thường được tạo thành từ phản ứng trùng
hợp bậc giữa polyol và diisocyanate. Phản ứng xảy ra giữa nhóm isocyanate với “H”
linh động của polyol để tạo thành liên kết urethane.

Hình 1: phản ứng tạo liên kết urethane
2) Các tính chất của vật liệu Polyurethane.
Tùy thuộc vào từng trường hợp mà PU thể hiện các tính chất khác nhau. Một số
tính chất đặc trưng như:
- Khả năng chống mài mòn cao.
- Độ đàn hồi lớn và khoảng nhiệt độ ứng dụng rộng.
- Có khả năng kháng dầu mỡ và nhiều loại dung môi khác nhau.
- Có khả năng chịu đựng thời tiết khắc nghiệt và chịu đựng được các tia bức
xạ từ ánh sáng mặt trời.
- Khả năng dãn dài và độ bền cơ học cao.

4


- Có khả năng phân hủy sinh học, khá nhạy với sự tấn công của vi khuẩn
và nấm mốc.
II. Phân loại polyurethane.

1) PU màng.
PU màng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực sơn phủ như: lớp phủ kim loại,
sơn tàu biển, sơn phủ các phương tiện, bê tông, sử dụng trong y tế[2]. Để tạo màng
PU có thể thực hiện bằng 3 phương pháp:
- PU phun một thành phần: Hầu hết các trường hợp dựa vào sự khâu mạng diễn
ra bởi phản ứng của hơi nước trong không khí với prepolyme để hình thành polyme
rắn. Khí cacbon dioxit được tạo thành trong suốt phản ứng này được thoát ra ngoài
không khí hoặc được giữ lại bằng các chất độn trong hệ thống phản ứng. Loại
này được dùng làm vật liệu chống thấm nước và sơn PU một lớp phủ.
- Polyurethane phun xịt hai thành phần được sử dụng để sản xuất sơn và lớp phủ
chống hóa chất. Polyurethane có thể tan trong một vài dung môi để dễ dàng trong
quá trình phun xịt. Polyurethane ngày càng trở nên rất quan trọng trong lĩnh vực
này của thị trường vì vận tốc kết mạng của chúng rất nhanh.
- Latex: Polyurethane đã kết mạng hoàn toàn được tạo thành trong latex, và việc
loại bỏ môi trường huyền phù tạo thành lớp film. Loại này được dùng để tạo nên
những chi tiết được phủ mỏng như các vật ngăn ẩm và các chất kết dính. Áp lực
bảo vệ môi trường trong việc giảm thiểu hàm lượng hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
(VoC) đã dẫn đến sự quan tâm ngày càng lớn trong lĩnh vực này.
2) PU Xốp[1].
PU xốp được sử dụng nhiều nhất trong các loại PU(chiếm đến 80% tổng sản
lượng PU), vì chúng có độ đàn hồi cao và nhiều tính chất cơ lý tốt[1].
PU xốp có thể phân thành hai loại chính là: PU xốp cứng và PU xốp mềm. Dưới
đây là bảng thành phần của xốp cứng và xốp mềm.

5


Sự khác biệt cơ bản nhất giữa xốp cứng và xốp mềm đó là ở thành phần
isocyanate cấu tạo nên xốp. Trong khi xốp cứng thường được tổng hợp từ MDI thì
xốp mềm lại được tổng hợp từ TDI chính vì sự khác biệt cơ bản đó đã dẫn tới các

ứng dụng khác nhau của hai loại PU xốp. Trong khi PU xốp cứng được sử dụng để
sản xuất các tấm ngăn trong các công trình xây dựng, làm công nghệ cách nhiệt
trong tủ lạnh, làm vật liệu cách ly trên tường và trần nhà, ngoài ra chúng cũng
được ứng dụng trong một số các chi tiết của ngành công nghiệp sản xuất ô tô.
Còn PU xốp mềm PU xốp mềm thường được dùng làm đồ gia dụng như nệm, gối,
tấm lót thảm…
Có hai phương pháp để tổng hợp PU xốp:
 Phương pháp vật lý: Sử dụng chất tạo bọt vật lý (chất không phản ứng
với các monome và có nhiệt độ sôi thấp như: propane, butane, pentane,
fluorocarbon…) vào phản ứng, phản ứng tạo liên kết urethane giữa
polyol và isocyanate là phản ứng tỏa nhiệt và chính quá trình khuếch tán
của lượng nhiệt này đã hình thành các lỗ xốp trong lòng polyme.
 Phương pháp hóa học: Sử dụng chất tạo bọt hóa học (chất phản ứng với
monome isocyanate tạo thành khí CO2 thông thường người ta hay sử
dụng nước, ngoài ra còn có thể dùng các axit hữu cơ. Song song với phản
ứng tạo khí CO2, phản ứng polyme hóa vẫn tiếp diễn, quá trình tạo PU
xốp được mô tả thông qua hai phản ứng sau:

6


Isocyanate + polyol

polyme (1)

Isocyanate + H2O

CO2

(2)


PU xốp được tổng hợp trong quá trình này sẽ có những tính chất tốt nếu
hai phản ứng trên diễn ra ở cùng một tốc độ.Nếu phản ứng polyme
hóa xảy ra nhanh hơn thì polyme hình thành sẽ có trọng lượng phân tử
cao, mức độ tạo xốp thấp.Còn nếu phản ứng thứ hai diễn ra nhanh hơn,
bọt xốp phát triển quá nhiều sẽ dẫn đến phá vỡ cấu trúc vật liệu.Chính
vì vậy quá trình gia công cần được kiểm soát để khi quá trình tạo bọt kết
thúc thì quá trình polyme hóa cũng hoàn thành.
3) Polyurethane nhiệt dẻo (TPU).
TPU là một copolyme khối mạch thẳng bao gồm các phân đoạn cứng và mềm.
Các phân đoạn cứng là nơi tập trung nhiều đơn vị tái lặp của monomer isocyanate,
chúng tạo liên kết hydrogen với nhau để tạo nên tínhcứng cho vật liệu. Còn phần
mềm là những vùng tập trung nhiều đơn vị tái lặp của monomer polyol, chúng có
dạng mạch thẳng, mềm dẻo và linh động, từ đó góp phần tạo nên tính mềm dẻo cho
PU[1], [3], [4], [5].

Hình 2: những phản ứng xảy ra trong tổng hợp TPU[1].

7


Hình 3: cấu trúc của TPU[3].
Ngoài ra tính chất của TPU còn bị chi phối bởi các yếu tố như:
Cấu trúc của polyol.
Loại tác chất diisocyanate.
Loại chất kéo dài mạch.
Tỷ lệ NCO/OH.
Nồng độ phân đoạn mềm.
Trọng lượng phân tử của polyol.
Chất độn.

Việc gắn kết xen kẽ các phân đoạn cứng xen lẫn các phân đoạn mềm đã tạo nên
tính chất đàn hồi cho TPU. Khi tác dụng lực lên TPU, một phần những phân đoạn
mềm linh động bị giải xoắn, kéo căng ra và những phân đoạn cứng thì định hướng
thẳng hàng theo hướng kéo. Các phân đoạn cứng đã ngăn chặn dòng chảy nhựa tự
do của các phân đoạn mềm linh động cao từ đó tạo ra tính cơ lý cao cho TPU.
Ngoài những đặc tính nổi bật như khả năng đàn hồi tốt, độ trong suốt cao, TPU
còn có khả năng kháng dầu, mỡ và kháng mài mòn cao. Với những tính chất ưu
việt như thế thì TPU thường được ứng dụng làm trong các vật liệu bọc cáp, ống dẫn,

8


lớp bọc sợi dệt, đế giày, các chi tiết ôtô…, ngoài ra TPU còn ứng dụng trong lĩnh
vực y sinh…
Một hạn chế của nhựa TPU là khả năng hút ẩm rất cao trong quá trình lưu trữ.
Khi phản ứng với nước chúng sinh ra khí cacbonic, tạo bọt khí trong quá trình gia
công. Vì thế, cần phải sấy thật kỹ trước khi sử dụng và có cách bảo quản tốt thì
chất lượng của nhựa cũng như sản phẩm mới được đảm bảo có tính chất cao.
III. Nguyên liệu trong tổng hợp Polyurethane.
Quá trình

tổng hợp PU đòi hỏi

phải có tối thiểu hai tác chất chính là

isocyanates và polyols, ngoài ra những đặc tính riêng của sản phẩm PU còn được
khống chế trong quá trình gia công bằng cách thêm vào các chất phụ gia khác như
chất xúc tác, chất hoạt động bề mặt, chất tạo xốp, chất nối dài mạch, chất chống
cháy...
1) Polyol.

Đặc điểm chung của polyol là chúng có các nhóm đầu và cuối mạch là các
nhóm alcohol “OH”, trọng lượng phân tử của polyol thường cao hơn nhiều so với
trọng lượng phân tử của polyisocyanate và thường dao động từ 400 tới 7000[6].
Hầu hết các polyols được phân loại thành hai dạng chủ yếu là polyether polyols
và polyester polyols[6]. Được miêu tả trong bảng sau:

9


Bảng 3: Một số polyol thường dùng trong tổng hợp PU.
Các loại

Polyol thường

Tính chất

Polyol

Cấu trúc

dùng
Khả năng kháng

Polyether

thủy phân cao, có

polyol

khả năng chống


HO-(R-O)n-

giảm cấp bởi các

R-OH

vi sinh vật, nấm
mốc.

Độ

linh

Polytetramethylen
oxide (PTMO)

Polypropylen
oxide (PPO)

hoạt cao…

Polyester

có tính chất cơ lý

polyol

cao,


HO-RCO-(O- kháng

khả

năng

Polyethylen
adipate (PEA)

nhiệt,

R-CO)n-O-R-

kháng dầu tôt, độ

OH

bền xé cao. Tuy
nhiên dễ bị thủy

Polytetramethylen
adipate (PTMA)

phân

2) Isocyanate.
Isocyanate là hợp chất quan trọng nhất trong sản xuất PU. Chúng là hợp chất
đặc trưng bởi nhóm “NCO”, nhóm này có hoạt tính mạnh với nhóm “OH”. Muốn
sản xuất PU thì hợp chất isocyanate phải có ít nhất hai nhóm chức.
Hai loại hợp chất isocyanate có cấu trúc vòng thơm quan trọng nhất để sản

xuất ra PU đó là toluene diisocyanate (TDI) và diphenylmethane diisocyanate

10


(MDI). Tuy nhiên TDI dễ bay hơi ở nhiệt độ thường, độc tính cao, gây ra nhiều vấn
đề ô nhiễm cho môi trường nên hiện nay MDI thường được sử dụng phổ biến
hơn. Ngoài ra còn một số isocyanate dạng hợp chất béo khác. Dưới đây là một số
isocyanate thường dùng trong tổng hợp PU.
Bảng 4: Một số isocyanate thường dùng trong tổng hợp PU[1], [6].
Loại

Tên hợp chất

Cấu trúc

2,6-, 2,4-toluen diisocyanate
(TDI)
Dạng vòng thơm
4,4’-methylendiphenyl
diisocyante (MDI)
1,6-hexamethylen diisocyante
(HDI)
Dạng hợp chất béo
4,4’-dicyclohexylmethane
diisocyanate (HMDI)

3) Chất kéo dài mạch.
Là chất có trọng lượng phân tử lượng thấp bao gồm hai nhóm chính là các hợp
chất hydroxyl và hợp chất amine. Các hợp chất amin hai chức được sử dụng với

các prepolyme bắt nguồn từ MDI, còn các hợp chất diol được sử dụng với các
prepolyme được tổng hợp từ TDI [6]. Dưới đây là một số chất nối dài mạch thường
được dùng trong tổng hợp PU.

11


Bảng 5: Một số chất kéo dài mạch thường dùng trong tổng hợp PU.
Tên

Cấu trúc

Ethylen glycol
1,4-butadiol
1,6-hexandiol
Ethylen diamine

4) Chất xúc tác.
Chất xúc tác dùng trong tổng hợp PU có tác dụng hỗ trợ cho phản ứng tạo liên
kết urethane giữa isocyanate với polyols hoặc cho phản

ứng tạo bọt giữa

isocyanate và nước.
Xúc tác cần dùng là bazơ như amin tam cấp(như DABCO) giúp hỗ trợ truyền
proton hoặc acid lewis( như thiếc cacboxylat) tạo phức với nhóm cacbonyl làm tăng
tính thân điện tử của nhóm isocyanate.

Hình 4: Diazobicylo [2.2.2]octan (DABCO).


12


Hình 5: Dimethylciclohexylamine

Hình 6: Dimethyl ethanolmine.

5) Chất hoạt động bề mặt.
Thường

tồn

tại

dưới

dạng

copolymer

khối

polydimethylsiloxane-

polyoxyalkylene, silicone dầu và các hợp chất hữu cơ khác.Trong sản xuất PU xốp
thì chất hoạt động bề mặt có vai trò điều chỉnh kích thước các lỗ xốp, ổn định cấu
trúc các lỗ xốp này và giảm thiểu các khuyết tật lỗ trống trên bề mặt vật liệu. Còn
đối với các loại PU khác thì các chất hoạt động bề mặt được sử dụng như các chất
phá bọt, ngăn chặn các khuyết tật bề mặt cũng như các vi bọt trong lòng và trên bề
mặt vật liệu.

IV. Phản ứng tổng hợp Polyurethane.
1) Phản ứng tổng hợp PU.
Polyurethane là sản phẩm của quá trình trùng hợp bậc giữa diisocyanate và
polyol. Phản ứng xảy ra giữa một phân tử chứa nhóm isocyanate và một phân tử
chứa nhóm hydroxyl để tạo ra liên kết urethane.

Hình 7: Phản ứng tạo nhóm urethane[7].

13


Để tạo được polyurethane thì ta phải tiến hành phản ứng giữa phân tử chứa hai
nhóm isocyanate với phân tử chứa hai nhóm hydroxyl. Các liên kết urethane có tác
dụng liên kết các phân tử polyisocyanate với phân tử polyol để tạo polymer dây dài.

Hình 8: Phản ứng tạo polyurethane.
Phản ứng cơ bản của polyurethane là sự cộng hợp giữa một hợp chất có “H”
linh động với một hợp chất isocyanate với cơ chế là vòng sáu trung tâm. Trong đó
một proton từ hợp chất có chứa H linh động được chuyển qua nitơ của hợp chất
isocyanate[7]. Phản ứng này được xúc tác bởi đôi điện tử tự do của nitơ trên
urethane hoặc amin hoặc acid lewis và thường được xúc tác bởi các hợp chất
diamine và diol. Dưới đây là cơ chế để tạo liên kết urethane.

Hình 9: Cơ chế tạo liên kết urethane[7].
2) Các phản ứng phụ có thể xảy ra trong quá trình tổng hợp PU.
a) Phản ứng với hợp chất có chứa “H” linh động.

14



Isocyanate là một chất có hoạt tính mạnh với các hợp chất có chứa hydro linh
động, do đó hợp chất nào chứa hydro linh động thì đều có khả năng phản ứng với
isocyanate.
Nước: Phản ứng của isocyanate với nước tạo thành urea và khí CO2. Phản ứng
này làm cho PU bị xốp và mất tính linh hoạt trong sản phẩm. Khi isocyanate phản
ứng với H2O ban đầu phản ứng sẽ tạo ra acid carbamic. Sau đó acid này bị phân
hủy thành amine và khí CO2. Amine này có khả năng quay lại phản ứng với các
isocyante khác để tạo nên hợp chất urea. Dưới đây là minh họa phản ứng của
isocyante với H2O.

Hình 10: Phản ứng của isocyanate với H2O[6].
Amine: Phản ứng của amine với isocyante với amine tạo thành urea. Phản ứng
giữa amine nhất cấp và isocyanate ở nhiệt độ phòng khi không có chất xúc tác
thường xảy ra rất nhanh. Amine bậc ba không cho phản ứng với isocyanate vì
không có “H” linh động.

15


Hình 11: Phản ứng của amine với isocyanate.
Acid carboxylic: Acid carboxylic phản ứng với isocyanate tạo thành anhydric
carbamipue sau đó anhydric này bị phân hủy(do không bền) để tạo thành amide.

Hình 12: phản ứng của acid carboxylic với isocyanate[1].
b) Phản ứng khâu mạng.
Do liên kết N-H của urethane và urea còn hoạt tính[1], [6], [8] chúng có thể tạo
liên kết với NCO để tạo thành “allophan” và Biure.

16



Hình 13: Phản ứng khâu mạng của isocyante.
c) Phản ứng tự trùng hợp isocyanate.
Bản thân tác chất isocyanates dễ xảy ra các phản ứng dime hóa, trime hóa và
polyme hóa ngay tại nhiệt độ thường theo các phản ứng[1],[6], [7], [8].

Hình 14: Phản ứng dime hóa của isocyanate.

Hình 15: Phản ứng trime hóa của isocyanate.

17


Hình 16: Phản ứng polymer hóa của isocyanate.
V. Các phương pháp tổng hợp Polyurethane.
1) Phương pháp có dung môi.
Dung môi trong phương pháp này được dùng nhằm làm giảm độ nhớt và thúc
đấy quá trình polymer hóa xảy ra ở nhiệt độ thấp. Quá trình tổng hợp gồm 2 bước:
Đầu tiên prepolymer được tạo thành từ polyol và diisocyante dư dẫn tới sự hình
thành của nhóm isocyante cuối mạch. Sau đó chuỗi được tiến hành nối dài mạch
bằng các tác nhân kéo dài mạch(thường dùng là diol hoặc diamin) nhằm làm tăng
trọng lượng phân tử. Quy trình thực hiện thường được thực hiện trong bình cầu
thủy tinh ba cổ và được minh họa bởi hình sau:

Hình 17: Minh họa tổng hợp PU bằng phương pháp có dung môi[3].
Quá trình phản ứng thường được thực hiện trong môi trường khí nitơ trơ để tránh
hơi ẩm và khí oxy(do isocyante dễ dàng phản ứng với hơi nước tạo ra ure và khí CO2).

18



Ngoài ra quá trình khuấy trộn hiệu quả là rất quan trọng nhằm đảm bảo tính thống nhất
của phản ứng và để sản phẩm có độ đa phân tán thấp(đồng đều về mặt phân tử lượng),
đặc biệt là giai đoạn khi cho chất kéo dài mạch vào. Quá trình phản ứng bao gồm các
tác chất diisocyanate, polyol, chất kéo dài mạch. Quy trình cụ thể được thực hiện như
sau:
Đầu tiên bình cầu được sấy khô và rút chân không. Sau đó cho isocyante và polyol
vào bình cầu rồi tiến hành polymer hóa ở 70oC đến 80oC trong khoảng 2-3 giờ. Sau đó
cho dung môi, dung môi này sẽ làm giảm đáng kể độ nhớt của phản ứng đồng thời
nhiệt độ phản ứng giảm xuống ở 40-60oC. Lúc này chất kéo dài mạch được thêm vào
từ từ đồng thời độ nhớt của hệ tăng lên đáng kể do đó ta phải khuấy đều và mạnh. Phản
ứng được xem là kết thúc khi có độ nhớt không đổi hoặc xác định chỉ số isocyanate còn
lại.
Ưu điểm: Kiểm soát phản ứng tương đối dễ dàng tuy nhiên phương pháp này ít
được áp dụng trong công nghiệp vì có chi phí cao, quy trình phức tạp và gặp nhiều khó
khăn trong việc sử dụng và thu hồi dung môi.
2) Phương pháp không dung môi.
Đây là phương pháp được dùng phổ biến trong công nghiệp hiện nay. Quá trình
tổng hợp có thể tiến hành bằng quá trình một bước hoặc hai bước. Quy trình thực hiện
thường được minh họa như hình sau.

19


Hình 18: Tổng hợp PU bằng phương pháp không dung môi[3].
Với phương pháp một bước các monomer polyol, diisocyante, chất kéo dài
mạch được phối trộn cùng một lúc sau đó tiến hành quá trình polymer hóa để thu
được sản phẩm cuối cùng. Đối với phương pháp hai bước prepolymer của polyol và
diisocyante được tạo thành trước. Sau đó chất kéo dài mạch được thêm vào rồi tiến
hành quá trình polymer hóa. Khi độ nhớt của sản phẩm đạt tới độ nhất định, PU

được mang ra khỏi hệ phản ứng và được tiến hành khâu mạng ở nhiệt độ cao. Trong
cả phương pháp một bước và hai bước phản ứng thường được xúc tiến thông qua
các chất xúc tác và đều được thực hiện trong môi trường không dung môi dưới điều
kiện khuấy trộn mạnh. Phương pháp một bước thường dùng để tổng hợp copolymer
ngẫu nhiên còn phương pháp hai bước thường được tổng hợp trong công nghiệp với
số lượng lớn.
VI. Khoáng sét Montmorillonite.
1) Sơ lược về khoáng sét Montmorillonite.
Montmorillonite là một trong những vật liệu gia cường hữu hiệu cho vật liệu do
nó có những tính chất đặc trưng quan trọng như:
 Diện tích riêng của bề mặt đất sét lớn.
 Tỷ trọng lớn.
 Khả năng trao đổi ion(CEC) cao nên dễ dàng biến tính.

20


 Tỉ lệ co cao nên đất sét dễ dàng được biến tính.
…
Chính vì những tính chất đặc trưng như trên mà Montmorillonite thường được
sử dụng để làm pha gia cường cho vật nanocomposite nói chung và vật liệu PU
nanocomposite riêng.
2) Cấu trúc của Montmorillonite.

Hình 19: cấu trúc của Montmorillonite.
MMT có cấu trúc lớp 2:1. Cấu trúc tinh thể của MMT gồm hai mạng tứ diện
SiO4 và xen giữa là một mạng bát diện MeO6 (với Me = Al, Mg). Giữa các lớp cấu
trúc là các cation trao đổi và nước hydrat hoá. Trong mạng cấu trúc của MMT
thường xảy ra sự thay thế các cation. Ở mạng bát diện Al3+ bị thay thế bằng Mg2+,
còn ở mạng tứ diện Si4+bị thay thế bởi Al3+hoặc Fe3+. Sự thay thế trên được gọi là

sự thay thế đồng hình và làm cho bề mặt tinh thể MMT xuất hiện điện tích âm. Các
điện tích âm này được trung hòa bằng các cation (Na+, K+, Ca2+, Li+…) nằm giữa
hai phiến sét. Các cation này dễ bị hydrat hóa khi tiếp xúc với nước và dễ dàng
được thay thế bằng các cation khác. Chiều dày của một lớp cấu trúc là 9,6 Ao đối
với trạng thái khô. Khi hấp thụ nước thì khoảng cách giữa lớp cấu trúc tăng lên

21


khoảng 15-20Ao. Khoảng cách này còn có thể tăng lên đến 30Ao khi các cation trao
đổi được thay thế bằng các ion vô cơ phân cực, các phức cơ kim, các phân tử hữu
cơ.
VII. Ứng dụng của PU.
Hiện nay PU được ứng dụng rộng khắp trong mọi lĩnh vực của đời sống hằng
ngày.Ngoài ra nó cũng có vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp như
sản xuất ôtô, xe đông lạnh, đóng tàu biển và đồng thời nó cũng có mặt trong các
tiện nghi trong gia đình như tủ lạnh, ghế nệm, đế giày, vật liệu cách nhiệt…

Hình 20: Các ứng dụng của PU.
B. NANOCOMPOSITE CHỐNG CHÁY.
I) Quá trình cháy của polymer.
Quá trình cháy của polyme là sự kết hợp giữa nhiệt, nhiên liệu và khí oxy. Dưới
tác dụng của nhiệt độ quá trình nhiệt phân polyme diễn ra tạo thành các chất khí dễ

22


cháy. Khi nồng độ oxy và các chất khí dễ cháy đạt đến một tỉ lệ nhất định thì
polyme sẽ cháy. Quá trình cháy được miêu tả như hình sau:


Hình 21: chu trình cháy của polymer[9].
Một số phản ứng sinh ra nhiệt trong quá trình cháy:
H2 + O2



2H2O

+ 58,3 Kcal

C + O2



2CO

+ 26,4 Kcal

2CO + O2



2CO2

+94,5 Kcal

Các gốc tự do sinh ra trong quá trình cháy của polyme là:
H* + O2




O* + HO*

O* + H2



H* + OH*

HO* + CO



CO2 + H*

Ba yếu tố chính để duy trì sự cháy là sự hình thành gốc tự do, ôxy trong không
khí và lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cháy. Do đó để ngăn cản quá trình cháy
thì ta cần giải quyết triệt để các vần đề sau:

23


 Ức chế các phản ứng ôxy hóa sinh ra gốc tự do hoặc tác động vào các gốc tự
do này để tạo ra các chất ít hoạt động góp phần ngăn cản sự cháy.
 Làm giảm nhiệt độ vùng cháy và ngăn cản sự truyền nhiệt khi cháy.
 Ngăn cản sự trao đổi khí ôxy giữa vùng cháy và môi trường ngoài.
II) Cơ chế chống cháy của phụ gia[9].
1) cơ chế vật lý.
 Tạo thành lớp bảo vệ: Các phụ gia chống cháy đã hình thành một lớp than
bảo vệ trên bề mặt polyme. Lớp than này ngăn cản ôxy tiếp xúc với bề mặt

polyme và ngăn không cho các chất dễ cháy thoát ra ngoài trong suốt quá trình
cháy.
 Hiệu ứng pha loãng: Các chất chống cháy dưới tác dụng của nhiệt độ cháy
của polyme bị phân hủy thành những chất khí không bắt cháy. Các chất khí này sẽ
giúp pha loãng các sản phẩm sinh ra trong quá trình cháy của polyme ở pha rắn và
pha khí.
 Hiệu ứng làm lạnh: Quá trình phân hủy nhiệt của các chất chống cháy có thể
là quá trình thu nhiệt, nhờ đó là giảm nhiệt độ của polyme xuống dưới lượng nhiệt
cần cung cấp cho quá trình cháy, dẫn đến đám cháy bị dập tắt.
2) Cơ chế hóa học.
 Phản ứng trên pha khí: Các phụ gia chống cháy bị phân hủy nhiệt sẽ tạo ra
các chất hoặc gốc tự do có khả năng bắt các gốc tự do sinh ra trong quá trình cháy,
tạo thành các chất ít hoạt động hơn. Từ đó làm giảm lượng chất khí dễ cháy, ngăn
cản quá trình tỏa nhiệt và quá trình cháy của polyme bị dập tắt.
 Phản ứng trên pha rắn: Trong quá trình cháy, các phụ gia chống cháy phân
hủy nhiệt tạo thành một lớp than bảo vệ trên bề mặt polyme, từ đó ngăn cản sự

24


thoát ra của các chất khí dễ cháy và ngăn không cho bề mặt polyme tiếp tục bị
đốt nóng.
III) Cơ chế chống cháy của Nanocomposite.

Hình 22: Cơ chế chống cháy của nanocomposite[9].
Cơ chế chống cháy của PU nanocomposite nói riêng và của nanocomposite nói
chung là tạo thành lớp bảo vệ trên bề mặt vật liệu. Mẫu được đốt nóng cùng với sự
kết hợp của oxy không khí sẽ sinh ra những phân lớp silicat, trong lớp silicat này có
những nhóm “OH”, đóng vai trò là tác nhân tạo thành lớp than bảo vệ. Chúng có
thể liên kết lại với nhau hoặc có thể phản ứng với polyme tạo thành lớp vô cơ trên

bề mặt, ngăn cản sự cháy của vật liệu. Nhưng ảnh hưởng của quá trình này là không

25