LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển về kinh tế và sự tăng dân số ở các đô thị lớn, các công
trình như khách sạn, tòa nhà, khu chung cư được xây dựng ngày càng nhiều. Đi kèm
với việc phát triển về mật độ xây dựng, các vụ cháy lớn xảy ra tăng lên một cách rõ
rệt. Khi xảy ra cháy nổ những đồ dùng bằng xốp, gỗ, nhựa, vải là loại vật liệu dễ bắt
lửa nhất, sẽ sản sinh lượng nhiệt cao làm duy trì và phát triển đám cháy, ngoài ra
còn tạo ra lượng khói lớn gây ngạt khí và giảm tầm nhìn làm cho người bị nạn khó
thoát ra ngoài được. Với tình hình cháy nổ xảy ra ngày càng tăng như hiện nay, đặc
biệt thường xảy ra ở những tòa nhà cao tầng, các cửa hàng, siêu thị, quán xá, nhà
máy … cùng với công tác chữa cháy đang gặp rất nhiều khó khăn cả về người và
phương tiện, thì biện pháp cấp bách được đề cao là công tác phòng cháy, vì đó là
biện pháp tích cực, chủ động, cơ bản và hiệu quả nhất.
Theo thống kê của Cục Cảnh sát PCCC và CNCH, trong năm 2014 cả nước xảy
ra 2.375 vụ cháy (trong đó có 2.025 vụ cháy tại các cơ sở, nhà dân, phương tiện
giao thông và 350 vụ cháy rừng). Đặc biệt là ở các công trình nhà hàng karaoke,
quán bar thì lượng xốp cách nhiệt sử dụng nhiều, thêm nữa là hệ thống thiết bị điện
chằng chịt thì nguy cơ cháy là rất lớn và khả năng dập tắt đám cháy ở ngay giai
đoạn đầu của đám cháy là không cao do tính bắt cháy và lan cháy mạnh của xốp,
gỗ, vải. Qua các vụ cháy ở nhà hàng karaoke có thể nhận thấy khi lực lượng PCCC
có mặt thì đám cháy đã thiêu rụi toàn bộ các đồ đạc bên trong, gây nguy hiểm tới
tính mạng con người. Nguyên nhân chính gây ra tử vong cho con người trong các
vụ cháy là khí và khói. Do những tác hại nghiêm trọng gây ra mà từ lâu hỏa hoạn đã
được xếp vào một trong bốn đại họa của loài người. Vì vậy, việc sử dụng các vật
liệu chống cháy ở các địa điểm có nguy cơ cháy cao là rất cần thiết, đảm bảo
nguyên tắc phòng hơn tránh do các thiệt hại lớn mà cháy nổ gây ra.
Tuy việc phòng cháy triệt để là phải loại trừ được toàn bộ các nguồn gốc gây
cháy ra khỏi các hoạt động của con người, nhưng thực tế người ta vẫn chưa làm

được điều đó, vì đây là một vấn đề hết sức phức tạp, khó khăn. Nhiều vụ cháy xảy
ra do nguyên nhân ngoài khả năng khống chế của con người như: động đất, núi lửa,
1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

sét đánh… Vì thế, song song với công tác nghiên cứu giải quyết tận gốc các nguồn
gốc gây cháy và nổ, các nhà nghiên cứu đã và đang tiến hành sử dụng các vật liệu
chậm cháy trong các hoạt động của đời sống con người, nhằm hạn chế đến mức
thấp nhất hậu quả do các vụ cháy gây ra. Một trong số các vật liệu chậm cháy được
sử dụng phổ biến trên thế giới là sơn và màng phủ chậm cháy.
Trong lĩnh vực sơn phủ, bên cạnh vấn đề đảm bảo tính năng kỹ thuật của màng
phủ thì xu thế phát triển các sản phẩm hiện nay là phải đảm bảo tính thân thiện môi
trường cho sản phẩm. Việc sử dụng các lớp phủ bảo vệ trên cơ sở chất tạo màng hệ
nước ngày càng tăng do những quy định về phát thải hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
trong sơn (VOC). Sơn hệ nước là một trong những hệ sơn thông thường có hàm
lượng VOC thấp, cho phép sơn hệ nước có thể đáp ứng ngay cả những quy định
nghiêm ngặt nhất. Thông thường sơn hệ nước có mức VOC thấp hơn 150 g/l. Hiện
nay, sơn hệ nước chiếm khoảng 80% các loại sơn [1].
Với mục tiêu nghiên cứu chế tạo màng phủ chậm cháy thân thiện môi trường trên
cơ sở chất tạo màng hệ nước kết hợp với các tác nhân chống cháy có khả năng phủ
lên bề mặt sản phẩm dễ cháy như xốp polystyren nhằm cải thiện tính chất chậm
cháy của sản phẩm và không ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng, việc thực hiện
luận án “Nghiên cứu chế tạo màng phủ chậm cháy ứng dụng bảo vệ bề mặt vật liệu
xốp polystyren” là rất cần thiết.

2



LUẬN VĂN THẠC SĨ



VŨ NGỌC QUÍ

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu chế tạo và đưa ra được qui trình công nghệ chế tạo màng phủ chậm
cháy thân thiện môi trường để phủ lên bề mặt xốp Polystyren. Sản phẩm nghiên cứu
cần đạt được một số chỉ tiêu chất lượng như trong bảng sau:
Chỉ tiêu chất lượng cần đạt của dung dịch màng phủ chậm cháy
TT

Chỉ tiêu chất lượng

Đơn vị

Mức chất lượng

Tiêu chuẩn áp dụng

-

6÷8

TCVN 8826:2011


đo

1

Độ pH

2

Khối lượng riêng

g/ml

1,02 ÷ 1,24

ASTM D1475:2008

3

Thời gian khô:
- Khô bề mặt
- Khô hoàn toàn

Giờ

< 24
< 48

TCVN 2096:1993

4


Độ bám dính

Điểm

1

TCVN 2097:1993

-

25 ÷ 40

TCVN 2101:2008

o

5

Độ bóng, góc 60

6

Hàm lượng chất rắn

%

 25

TCVN 2093 - 1993


7

Hàm lượng VOCs

g/L

< 140

ISO 17895:2005

8

Khả năng chậm cháy
theo tiêu chuẩn UL 94

-

V1

UL 94:2010

9

Đặc tính cháy ngang

-

HBF


ISO 9772:2012

 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 Nghiên cứu lựa chọn hệ chất tạo màng để chế tạo màng phủ bảo vệ;
 Nghiên cứu lựa chọn các thành phần phụ gia chậm cháy;
 Nghiên cứu lựa chọn các thành phần phụ gia cải thiện tính chất màng phủ;
 Nghiên cứu lựa chọn các điều kiện công nghệ để phân tán các chất phụ gia
chậm cháy vào trong chất tạo màng;
 Nghiên cứu cấp phối chế tạo màng phủ;
 Nghiên cứu qui trình công nghệ chế tạo màng phủ;
 Ứng dụng thử nghiệm khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn ISO 9772:2012.

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về quá trình cháy
Diễn biến cháy của một vật liệu được xác định bởi các điều kiện bên ngoài như:
- Nhiệt độ
- Nguồn cháy (cường độ cháy)
- Nguồn cấp oxy
- Độ dày của lớp nền và hình dạng các bộ phận cấu thành
- Ảnh hưởng của các vật liệu đặt cạnh nhau
Các đặc tính nguyên bản như được nêu bên dưới cũng có ảnh hưởng lớn đối với
diễn biến cháy:
- Nhiệt độ phân hủy (bắt đầu nhiệt phân)

- Tính dễ bắt cháy (nhiệt độ tự bắt cháy và chớp cháy)
- Nhiệt cháy
- Khả năng dẫn nhiệt
- Xu hướng hình thành than
- Dạng của khí cháy phát sinh
Quá trình cháy có thể chia thành 2 giai đoạn:
- Đầu tiên, phản ứng nhiệt phân xuất hiện trong pha ngưng tụ (nền rắn)
- Sau đó là quá trình oxi hóa của các sản phẩm nhiệt phân trong pha khí.
Bước đầu tiên của quá trình cháy đối với chất dẻo dạng rắn là sự nhiệt phân của
vật liệu. Ở đó năng lượng liên kết của polyme mà nằm trong khoảng 200 tới 400
kJ.mol-1 đã bị vượt qua và liên kết bị bẻ gẫy; năng lượng cho quá trình hấp thu nhiệt
vào chất dẻo dạng rắn và bẻ gãy liên kết được cung cấp bởi nguồn nhiệt bên ngoài
(bức xạ hoặc ngọn lửa mở) hoặc bởi năng lượng tỏa ra của các quá trình tự cháy của
vật liệu khác.
Trong pha rắn, sự nhiệt phân của polymer tạo ra sản phẩm than hóa của các chất
rắn trong trường hợp của polyme nhiệt dẻo; nếu nồng độ oxi thấp ở bề mặt phân
chia pha khí/rắn, chỉ xảy ra quá trình cháy âm ỉ và cháy tàn.
4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

Trong một số trường hợp, khí cháy của quá trình nhiệt phân trong pha khí được
trộn lẫn với oxi trong không khí sẽ bùng cháy và tỏa nhiệt mạnh, nhiệt của quá trình
cháy sẽ phát sinh ra năng lượng bổ sung vào sự nhiệt phân của bề mặt nền và sự
cháy có thể tiến triển với năng lượng được cung cấp từ bên trong. Xuất hiện sự cháy
lan với nhiệt độ lên tới 12000 C trong pha khí và khoảng 500 0C trên lớp mặt của
pha rắn (Bảng 1.1)

Bảng 1.1: Quá trình cháy trong pha khí và pha rắn
Trạng thái đầu
Pha khí
Pha đặc
Cân bằng
năng lượng

Bắt đầu cháy

Cháy lan

Oxi trong
không khí

Khí cháy và khí không cháy

Oxi hóa và cháy
tới 1200 0C

Polymer  Nhiệt

Chất lỏng cháy

Cháy tàn và cháy

phân ở 250 0C

Hình thành nên các cặn than âm ỉ ở 500 0C
Thu nhiệt (-Q1)


Tỏa nhiệt (+Q2)
(Q2>Q1)

Phản ứng ở pha khí trong đám cháy gồm phản ứng chuỗi mà bắt đầu với việc gốc
tự do hoặc các phân tử được giải phóng bởi sự nhiệt phân của polymer và tiếp tục
đẩy nhanh dù rất “nóng” “mãnh liệt” (phản ứng mạnh) làm các gốc OH* và H*
được sinh ra với số lượng lớn (nên được gọi là phản ứng phân nhánh với oxi):
H* + O2  O* + OH*
O* + H2  H* + OH*
Các khí tự hình thành bởi quá trình cháy là yếu tố chính gây nguy hiểm nhất tới
con người bởi khi hít vào khói nóng và các độc hại sẽ gây nên sự thiếu khí oxi là
nguyên nhân chính gây tử vong. Khí cacbon monooxit được sản sinh ở nồng độ cao
trong mỗi đám cháy là yếu tố chính gây tử vong ở người [2].
Cháy thường là hiện tượng xảy ra trong pha khí. Quá trình cháy xảy ra gắn liền
với chuyển động của lưu chất, trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong không gian. Nếu
chất phản ứng là rắn thì sản phẩm cháy vẫn là khí. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao
một số chất rắn bị thăng hoa, một số khác chảy lỏng rồi bay hơi. Do đó ngọn lửa
xảy ra đối với vật rắn nằm trong pha khí bao bọc vật liệu rắn [3].
5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

Tam giác cháy Emman thường được sử dụng để mô tả quá trình cháy và được thể
hiện trong hình 1.1, cho thấy điều kiện để cháy cần ba yếu tố [4]:

Hình 1.1: Ba yếu tố duy trì sự cháy
 Nhiên liệu: Những hợp chất dễ bay hơi sinh ra từ nền giầu cacbon bị phân

hủy nhiệt
 Nguồn nhiệt: được cung cấp bởi quá trình oxy hóa tỏa nhiệt của nhiên liệu
và không khí
 Oxy: được cung cấp bởi không khí
Đối với vật liệu rắn như các polyme tự nhiên hoặc tổng hợp có thể bắt cháy khi
tiếp xúc với nguồn nhiệt bên ngoài. Về cơ bản quá trình cháy của một polyme tự
nhiên hoặc tổng hợp bao gồm 4 giai đoạn: sấy, phân hủy, mồi lửa đốt cháy và lan
truyền. Quá trình sấy là việc gia nhiệt cho vật liệu bằng một nguồn nhiệt bên ngoài,
điều này làm tăng nhiệt độ và phụ thuộc vào cường độ gia nhiệt của nguồn nhiệt, độ
dẫn nhiệt của vật liệu, nhiệt dung riêng, nhiệt ẩn của quá trình nóng chảy hoặc bay
hơi của vật liệu. Khi bị nung nóng đến một giới hạn, vật liệu bắt đầu bị phân hủy
nhiệt, nghĩa là nó mất dần tính chất ban đầu do các liên kết yếu bắt đầu bị phá vỡ.
Các sản phẩm cháy bắt đầu hình thành, tỷ lệ phụ thuộc vào cường độ nhiệt bên
ngoài, nhiệt độ phân hủy và tỷ lệ phân hủy. Nồng độ khí dễ cháy tăng dần lên đến
khi đạt một mức độ cho phép quá trình oxy hóa bền vững. Nguồn mồi lửa và khí
6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

oxy là hai yếu tố quan trọng trong bất kỳ quá trình bắt cháy nào. Sau khi bắt cháy,
quá trình đốt cháy trở nên tự lan truyền nếu đủ nhiệt tạo ra và bức xạ trở lại vật liệu
để tiếp tục quá trình phân hủy. Quá trình đốt cháy là quá trình bị chi phối bởi nhiều
yếu tố như tỷ lệ sinh nhiệt, tốc độ lan truyền, diện tích bề mặt, tỷ lệ phân hủy [5].

Hình 1.2: Mô hình cháy vật rắn

1.2. Phân loại vật liệu cháy và cơ chế ngăn quá trình cháy

1.2.1. Phân loại vật liệu cháy
Để có thể so sánh và đánh giá các nguy cơ cháy tiềm tàng của các vật liệu sử
dụng trong xây dựng, đồ đạc (nội thất gỗ), vật liệu trang trí và mục đích khác, hệ
thống phân loại để đánh giá các đặc tính như tính dễ cháy, tính lan truyền lửa, v.v.
đã được xây dựng.
Phụ thuộc vào từng quốc gia và lĩnh vực sử dụng, có nhiều quy tắc và phương
pháp thử để phân loại vật liệu. Ở Đức, các quy định về chống cháy trong xây dựng
chia vật liêu xây dựng thành 5 nhóm đặc tính cháy (DIN 4102): Nhóm A1 và A2
(không cháy) áp dụng đối với các vật liệu có cấu tạo gồm các thành phần vô cơ,
nhóm B1 (bắt cháy thấp), B2 (bắt cháy trung bình) và B3 (bắt cháy cao). Trong 3
nhóm sau, các vật liệu cơ bản có thể bao gồm các thành phần dễ cháy (hữu cơ),
nhưng đối với các nhóm bắt cháy thấp B1 và B2 tốc độ cháy lan phải nằm trong
mức cho phép và vật liệu phải có đặc tính tự dập lửa sau khi loại bỏ nguồn nhiệt.
Các tổ hợp vật liệu trong xây dựng (được kết hợp từ các vật liệu khác nhau) được
chia ra thành 05 nhóm bền với lửa, mà đặc trưng theo thời gian (tính bằng phút) để
7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

tổ hợp đó có thể chịu được với ngọn lửa tiêu chuẩn mà không mất đi các đặc tính sử
dụng của nó. (tốc độ F 60 được gọi là chậm cháy, F90 và F120 là chống cháy, F180
là chống cháy cao).
Vật liệu bắt cháy cao (nhóm B3) có thể không được sử dụng trong xây dựng, trừ
khi được chế tạo thành các tổ hợp và có tốc độ bắt cháy B2 hoặc tốt hơn. Các lớp
phủ có chiều dày lên tới 0,5 mm trên nền các vật liệu khoáng vô cơ đặc chắc cần
tuân theo các nguyên tắc nhất định. Vật liệu xây dựng nhóm B2 (như gỗ,
polystyren, chất xảm khe) thì được cho phép sử dụng trong nhiều hạng mục xây

dựng, nhưng yêu cầu đối với công trình cao tầng thì cần chặt chẽ hơn và chất lượng
áp dụng phải đạt vật liệu nhóm B1 đối với các vật liệu đó (như lớp trát thô, ống
PVC, ván sàn bằng gỗ sồi) thì phần lớn được yêu cầu. Nhiều hạng mục (như giao
thông, kỹ thuật điện, đồ nội thất, đồ trang trí) có yêu cầu riêng, hầu như các quốc
gia đều có các nguyên tắc thử khác nhau. Một tiêu chuẩn quan trọng mà phương
pháp thử được sử dụng rộng rãi là UL94V “Đánh giá khả năng bắt lửa của Tổ chức
phòng thí nghiệm an toàn (USA)”, mẫu được treo tự do ở trạng thái đứng, góc bên
dưới đặt 1 đèn đốt Busen trong vòng 10 s và sau đó phân loại nhóm vật liệu bắt
cháy thông qua diễn biến cháy của chúng:
Thời gian cháy hoàn toàn

Thời gian cháy tàn

Cháy nhỏ giọt

94V-0

≤5s

≤ 30 s

Ko

94V-1

≤ 25 s

≤ 60 s

Ko


94V-2

≤ 25 s

≤ 60 s

Có

Phụ thuộc hợp chất cơ bản cấu thành nên, nhiều loại chất dẻo cần được bổ xung
các chất chậm cháy giúp vật liệu chất dẻo có khả năng chống cháy. Các phụ gia
thông thường không thể cải thiện hoàn toàn khả năng bắt cháy của vật liệu (trừ khi
trong trường hợp nguồn lửa rất yếu), nhưng có khả năng làm chậm tốc độ chống
cháy lan, giúp làm chậm sự phát triển thành 1 đám cháy lớn; điều này giúp cho
người bị nạn có cơ hội để thoát hiểm hoặc tăng thêm thời gian cho đội cứu hỏa tới
để dập và ngăn chặn ngọn lửa [2].
8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

1.2.2. Cơ chế ngăn cháy
Chất chậm cháy được sử dụng như một loại phụ gia trong màng phủ; khi bị phân
hủy bởi nhiệt sẽ sản sinh ra các hợp phần không cháy để làm chậm tốc độ lan truyền
cháy, ức chế hoặc chặn quá trình cháy bằng cách ngăn các thành phần trong ngọn
lửa phản ứng với nhau hoặc bằng cách chặn dòng oxi và thổi phồng các lớp bảo vệ.
Hàng năm, thiệt hại về người và các tài sản có giá trị là rất lớn do các đám cháy, vì
vậy các biện pháp ngăn ngừa cháy là rất quan trọng.

Một hệ chậm cháy là một hợp chất hoặc một hỗn hợp phụ gia được đưa vào vật
liệu có tác dụng tăng cường khả năng kháng cháy cho vật liệu, có tác dụng ức chế,
ngăn chặn hoặc trì hoãn sự phát sinh ngọn lửa nhằm ngăn chặn sự lây lan của đám
cháy. Hệ chậm cháy có thể được thêm vào vật liệu trong quá trình sản xuất như sản
xuất gỗ nhân tạo, các sản phẩm polyme, hoặc trong quá trình tạo hình sản phẩm như
sản xuất các đồ dùng bằng nhựa, hoặc đưa vào vật liệu hoàn thiện như sơn và màng
phủ. Một chất chậm cháy hiệu quả cần phải ngăn cản được tối thiểu một trong ba
yếu tố chính đảm bảo sự cháy trong tam giác cháy Emman. Do quá trình tự đốt cháy
xảy ra trên cả hai pha khí và pha rắn, nên việc sử dụng chất chậm cháy có tác dụng
phá vỡ quá trình tự đốt cháy bằng cách tác động đến quá trình vật lý và hóa học xảy
ra trong cả hai pha khí và pha rắn. Tùy theo tính chất, phụ gia chậm cháy có thể
tương tác hóa học hoặc vật lý ở thể rắn, lỏng hoặc khí. Chúng cũng có thể can thiệp
vào các giai đoạn cụ thể của quá trình đốt cháy [5].
Cách thức làm chậm cháy là gây nhiễu cho quá trình cháy, tùy phụ thuộc vào
dạng cơ chế của chúng (vật lý hoặc hóa học) và pha hoạt động (pha rắn hoặc khí).
Bảng 1.2 đưa ra khái quát các nguyên lý khác nhau để ức chế sự cháy.
Bảng 1.2: Cách thức hoạt động của chất chậm cháy
Dạng hoạt động
Vật lý
Hóa học
(A) Pha loãng khối cháy
(B) Thu nhiệt để phân hủy

×
×

(C) Hình thành các lớp than
(D) Giải phóng các gốc tự do

×


Nơi hoạt động
Pha khí
Pha đặc
×

×
×
9

×
×
×

×


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

1.2.2.1. Nguyên lý chung
 Tương tác vật lý: một số phụ gia chậm cháy có thể làm chậm quá trình
cháy bằng tương tác vật lý như: Bằng cách làm mát - là quá trình thu nhiệt bởi
những phụ gia đưa vào nhằm làm mát bề mặt vật liệu xuống nhiệt độ thấp hơn nhiệt
độ duy trì quá trình cháy. Hoặc, bằng cách tạo một lớp bảo vệ - là quá trình tạo lớp
bảo vệ rắn hoặc khí ngăn cản sự nhiệt phân vật liệu dễ cháy phát triển, loại trừ khí
oxy cần thiết cho quá trình đốt cháy đồng thời cản trở sự truyền nhiệt. Cuối cùng là
pha loãng - là quá trình kết hợp của các chất trơ (như chất độn) và các chất phụ gia
phân hủy tạo thành khí trơ làm loãng nhiên liệu trong pha rắn hoặc khí, dẫn đến hỗn

hợp khí cháy thấp hơn giới hạn cháy của hỗn hợp.
 Tương tác hóa học: Xảy ra một số phản ứng hóa học can thiệp vào quá
trình đốt cháy pha rắn hoặc khí. Đối với pha khí - các gốc tự do của quá trình đốt
cháy diễn ra trong pha khí bị gián đoạn do chất chậm cháy. Do đó các quá trình tỏa
nhiệt bị ngăn lại, vật liệu được làm mát xuống và việc cung cấp khí dễ cháy cũng bị
giảm thiểu dẫn đến quá trình cháy bị dập tắt. Đối với pha rắn có thể xảy ra hai loại
phản ứng. Thứ nhất sự bẻ gẫy của các polyme có thể được tăng tốc bằng tác nhân
chậm cháy gây ra sự chảy của polyme do đó tránh khỏi phạm vi ảnh hưởng của
ngọn lửa nên thoát khỏi nguy cơ cháy. Thứ hai, chất chậm cháy có thể sinh ra một
lớp các bon trên bề mặt vật liệu. Điều này có thể xảy ra thông qua sự khử nước của
tác nhân chậm cháy sinh ra liên kết đôi trong polyme tạo ra liên kết vòng hoặc liên
kết ngang trong lớp cacbon hóa.
Khả năng chậm cháy cũng có thể được cải thiện bằng cách sử dụng tác nhân
chậm cháy tạo ra một lớp màng hoặc một bề mặt có độ dẫn nhiệt thấp hoặc phản xạ
nhiệt cao, làm giảm tốc gia nhiệt đến vật liệu bảo vệ. Mặt khác cũng có thể được cải
thiện bằng cách sử dụng tác nhân chậm cháy có tác dụng tản nhiệt bằng cách ưu tiên
phân hủy ở nhiệt độ thấp. Có thể sử dụng một màng phủ trương phồng chậm cháy,
khi tiếp xúc với nhiệt màng phủ trương phồng tạo thành một bề mặt xốp có tính dẫn
nhiệt thấp. Có thể sử dụng những phụ gia làm thay đổi sự phân hủy hóa học của sản
phẩm, làm nồng độ khí cháy thấp dẫn đến ít tỏa nhiệt hơn và có thể dẫn đến làm tự
dập tắt ngọn lửa.
10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

Các tác nhân chậm cháy xảy ra trong cả hai pha như pha hơi (bằng cách can thiệp
vào quá trình oxy hóa thông qua việc loại bỏ các gốc tự do) và trong pha rắn (than

hóa hoặc quá trình phân hủy nhiệt). Tác nhân chậm cháy Phospho hoạt động chủ
yếu trong pha rắn bởi quá trình thúc đẩy than hóa bằng cách thông qua sự hình
thành của axit phosphoric và tác dụng làm giảm chất dễ bay hơi dễ cháy. Tuy nhiên,
một số bài báo chỉ ra rằng các hợp chất phospho hữu cơ cũng có thể hoạt động trong
pha khí của gốc tự do. Phụ gia gốc Antimon (tham gia trong hệ phụ gia halogen)
được cho là hoạt động tương tự như phụ gia hệ Phospho trong pha rắn và kết hợp
với halogen trong pha khí để loại bỏ gốc tự do cần thiết cho quá trình đốt cháy. Tác
nhân gốc Nitơ được biết đến để kết hợp với phụ gia chậm cháy Phospho và cũng là
một tác nhân chậm cháy riêng như trong polyamit và aminoplasts. Tác nhân brom
và clo tác động trong pha khí phản ứng với các gốc tự do [6].
1.2.2.2. Cơ chế của quá trình ngăn cháy
Pha loãng khối cháy
Sự có mặt của các chất độn vô cơ trong pha rắn làm giảm nồng độ của vật liệu
cháy vì vậy làm thấp đi “nhiệt trị” (lớn hơn thế năng của năng lượng cháy) của lớp
nền. Sự nhiệt phân của nền hoặc sự phân hủy nhiệt của chất độn trong pha rắn, như
là các phản ứng tự cháy và phát sinh khí trơ theo phương thức thông thường, giúp
pha loãng nồng độ chất cháy trong pha khí, vì vậy làm giảm năng lượng phát ra của
phản ứng cháy trong đám cháy.
Hỗn hợp trơ có tác dụng như lớp đệm của đám cháy, chúng nhận nhiệt độ để tiêu
hao 1 phần năng lượng của ngọn lửa, giúp chia nhỏ năng lượng từ đám cháy.
Các khí trơ tạo ra từ quá trình phân hủy trong pha rắn sẽ đi vào pha khí, có thể
hình thành nên 1 lớp bảo vệ ở mặt phân cách pha, vì thế giảm nồng độ của oxi và
thu hẹp phạm vi của quá trình cháy tàn và cháy âm ỉ - cũng có nghĩa là giảm năng
lượng giải phóng ra bên ngoài.
Nhiệt tỏa ra khi phân hủy
Cơ chế phản ứng ở lớp tiếp giáp và cân bằng năng lượng của quá trình cháy sẽ là
Pha rắn (nền) chứa các chất độn phân hủy dưới ảnh hưởng của nhiệt trong phản ứng
thu nhiệt đo đó tạo ra khí trơ như hơi nước.
11



LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

Năng lượng Qd sử dụng được lấy từ quá trình cháy; cái này thấp hơn lượng nhiệt
cháy Qc mà có thể đã được sử dụng để nhiệt phân lớp nền (quá trình tỏa nhiệt khác,
tiêu thụ Qp). Kết quả là ΔQ trong cân bằng năng lượng Qc - Qp - Qd = ΔQ thấp
xuống dưới 0, kéo theo lớp nền không thể duy trì quá trình cháy, vật liệu tuy dễ bắt
cháy nhưng sẽ tự dập tắt. Trong trường hợp này, ngọn lửa có thể lan chỉ nếu có
thêm năng lượng bên ngoài tiếp tục bổ xung thêm vào khối cháy.
Đại diện tiêu biểu của chất chậm cháy này là nhôm trihydroxit (ATH), nó sẽ sản
sinh ra nước và hấp thu nhiệt mạnh (Qd = 298 kJ.mol-1):
2Al(OH)3  Al2O3 + H2O ở 180 đến 200 0C
Hình thành than
Nếu lớp nền chứa các chất có xu hướng hình thành than, như hợp chất thơm hoặc
các chất hữu cơ có cấu trúc giàu liên kết đôi C=C hoặc các nhóm hydroxyl, phản
ứng cốc hóa có thể xuất hiện trên bề mặt của pha đặc thành lớp ngăn lửa. Lớp than
với tính cháy thấp, phủ lên lớp nền như cái chụp hoặc lớp phủ ngoài làm chậm cháy
hơn theo 2 cách: cản trở sự trao đổi nhiệt trên lớp nền và tạo rào chắn do vậy cản trở
quá trình nhiệt phân tiến vào lớp sâu hơn của nền và là màng chắn chuyển tiếp của
sản phẩm nhiệt phân từ pha đặc tới pha khí, vì vậy hạn chế cung cấp vật liệu cháy
vào trong ngọn lửa.
Hợp chất hữu cơ giàu nhóm hydroxyl, phản ứng than hóa xảy ra theo 2 bước:
Đầu tiên lớp nền chứa nhóm hydroxyl được loại nước bởi các axit xúc tác và liên
kết đôi C=C được hình thành:
Quá trình này chuyển đổi nhiệt phát ra thành các lớp liên kết ngang giàu cacbon.
Axit Photphoric và este photphoric trải qua các quá trình tương tự, để phân hủy
trong axit và tổ hợp nên liên kết đôi C=C:
Dẫn xuất Axit photphoric vì vậy được hình thành như tác nhân khử nước và có

thể rắn để tạo thành axit polyphotphoric, tạo thành thêm 1 lớp bảo vệ. Axit boric
hoạt động theo cách tương tự.
Phản ứng giải phóng ra các gốc tự do
Các hiệu ứng này tự xuất hiện trong đám cháy và đặc trưng bởi sự biến đổi các
bức xạ “nóng” trong đám cháy thành 1 cái “mát hơn” (ít phản ứng hơn).
12


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

Quá trình giải phóng các gốc tự do được sử dụng trong trường hợp của các gốc
Halogen (X*) mà được khử bởi tác động của nhiệt lên chất chậm cháy chứa trong
pha đặc; sự giải phóng đưa vào pha khí và phản ứng với các bức xạ “nóng” “hoạt
động” như H* và OH*, do đó loại bỏ các bức xạ gây nên phản ứng chuỗi:

Các gốc halogen “mát” “kém hoạt động” được hình thành như sản phẩm của
phản ứng giải phóng này được ổn định đủ để còn lại trong pha khí giúp không bắt
đầu các phản ứng dây chuyền khác cho tới khi chúng kết hợp lại với 1 cái khác (sự
va chạm với, ví như các hạt muội, sự có mặt của hạt thứ 3 này cần thiết để cung cấp
“hiệu ứng thành tường” để tán xạ các năng lượng va chạm và tránh sự phân hủy lại
của các gốc tự do đã được kết hợp), do đó sẽ khâu mạch phản ứng chuỗi.

1.3. Tiềm năng ứng dụng và xu thế phát triển màng chậm cháy trên thế giới
1.3.1. Tiềm năng ứng dụng
Chất chậm cháy được sử dụng trong vật liệu xây dựng và các sản phẩm nhằm
đáp ứng những quy định và quy chuẩn về an toàn cháy nổ của mỗi quốc gia. Nó
ngăn chặn và làm chậm sự lây lan ngọn lửa và kéo dài thời gian thoát hiểm cho
người bị nạn khi phát hiện cháy. Trong kết quả nghiên cứu của Hiệp hội phòng

cháy chữa cháy quốc gia Mỹ được công bố năm 2011 cho thấy, nhóm người có
nguy cơ tử vong cao nhất trong các vụ cháy là trẻ em dưới 5 tuổi và người già trên
65 tuổi [6].

13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

Hình 1.3: Thời gian thoát hiểm khi không sử dụng và sử dụng chậm cháy
Do đó, phụ gia chậm cháy được sử dụng để tăng ngưỡng nhiệt độ đốt cháy của
vật liệu, giảm tỷ lệ vật liệu cháy, giảm thiểu sự lây lan của ngọn lửa (hình 1.3). Ba
loại vật liệu chính đòi hỏi cần bảo vệ chậm cháy bao gồm:
 Dây và cáp điện: Cấu trúc hiện đại ngày nay chứa một lượng lớn dây và
cáp điện từ điện thoại, máy tính đến hệ thống sưởi ấm, điều hòa và thang máy. Thiết
bị điện và thông tin liên lạc cung cấp cho các phòng khác nhau của một tòa nhà
thường được đi kèm với nhau và có thể chạy theo chiều dọc từ tầng trệt đến tầng
thượng, và thường nằm sâu bên trong tường của tòa nhà, nó có khả năng tăng nguy
cơ cháy do chập điện và các sự cố liên quan. Nếu một dây cháy nó có khả năng ảnh
hưởng đến tất cả những dây xung quanh. Ngoài ra, dây và cáp điện nằm ẩn trong
tường nên không thể dễ dàng kiểm tra một cách thường xuyên. Để giảm nguy cơ
cháy điện, các nhà xây dựng sử dụng vật liệu cách nhiệt bằng nhựa là loại vật liệu
rất dễ cháy, được xử lý hoặc phủ bảo vệ bằng chất chống cháy tạo lớp bảo vệ dây
và cáp điện.
 Vật liệu cách nhiệt: Hầu hết các chủ nhà đều biết những lợi ích của vật
liệu cách nhiệt mang lại. Ngoài việc duy trì nhiệt độ theo mong muốn, việc sử dụng
các vật liệu cách nhiệt trong nhà, văn phòng và các tòa nhà công cộng là điều rất
quan trọng bởi vì nó làm giảm chi phí năng lượng và liên quan tới các chính sách sử

dụng năng lượng hiệu quả và vấn đề môi trường của mỗi quốc gia. Trong số các vật
liệu cách nhiệt trên thị trường, tấm xốp polystyrene và xốp cứng polyurethane là
14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

những vật liệu được sử dụng rộng rãi trong việc xây dựng do chi phí thấp và hiệu
quả cách nhiệt cao. Những tấm xốp cách nhiệt có thể được sử dụng để bảo vệ hầu
hết các vùng của một tòa nhà, bao gồm cả tường, trần tầng hầm, trần nhà, mái nhà.
Những tấm xốp cách âm, cách nhiệt được sử dụng ở những nơi công cộng như các
câu lạc bộ đêm, nhà hát. Trong khi xốp cách nhiệt cho phép các nhà xây dựng đáp
ứng yêu cầu về sử dụng năng lượng hiệu quả, thì họ cũng phải đối mặt với nguy cơ
cháy rất cao. Do đó để phù hợp với các tiêu chuẩn an toàn phòng cháy chứa cháy,
chất chậm cháy có thể được sử dụng đưa vào xốp trong quá trình sản xuất hoặc sử
dụng màng phủ chậm cháy để giúp đáp ứng các yêu cầu này. Tăng cơ hội sơ tán
người ra khỏi một tòa nhà và thoát nạn trong các vụ tai nạn liên quan tới hỏa hoạn.
 Vật liệu kết cấu: Một loạt kết cấu trong nhà, văn phòng và các tòa nhà
công cộng bao gồm vật liệu như kết cấu gỗ, thép, nếu như không được bảo vệ, sẽ là
một mối nguy hiểm cháy cao nếu chúng tiếp xúc với một nguồn lửa mồi. Ở một
nhiệt độ nhất định, kết cấu thép có thể bị mất khả năng chịu trọng lượng, và có thể
gẫy hoặc sụp đổ, gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với sự toàn vẹn của cấu
trúc một tòa nhà. Trong trường hợp hỏa hoạn, lớp phủ chậm cháy được áp dụng cho
thép giúp ngăn chặn điều này xảy ra bởi khả năng cách nhiệt của lớp màng phủ với
kim loại tạo ra.
1.3.2. Xu thế phát triển

Hình 1.4: Biểu đồ tỷ lệ cơ cấu sử dụng phụ gia chậm cháy toàn cầu năm 2007


15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

Theo những kết quả nghiên cứu thị trường về phụ gia chậm cháy tại các thị
trường Mỹ, Châu Âu, và Châu Á vào năm 2007 thì tổng sản lượng khoảng 1,8 triệu
tấn có giá trị khoảng 4,2 tỷ USD (năm 2011 là 4,8 tỷ USD), với tỷ lệ các hệ phụ gia
như hình 1.4 và hình 1.5. Theo đó thị trường chiếm tỷ trọng lớn là hệ phụ gia hệ
halogen và antimo oxit tập trung chủ yếu tiêu thụ tại thị trường Châu Á, trong đó
chủ yếu là hai thị trường lớn là Trung Quốc và Ấn độ [7].

Hình 1.5: Biểu đồ cơ cấu phụ gia chậm cháy toàn cầu theo khu vực năm 2007
Nhu cầu thế giới đối với phụ gia chậm cháy được dự báo sẽ tăng hơn 6 % mỗi
năm lên 2,2 triệu tấn vào năm 2014, theo nghiên cứu về ngành công nghiệp chậm
cháy thế giới, được xuất bản bởi tập đoàn Freedonia. Khu vực Châu Á / Thái Bình
Dương sẽ tiếp tục là thị trường lớn nhất và phát triển nhanh nhất về chất chậm cháy,
chiếm 49 % nhu cầu thế giới vào năm 2014, tiếp theo là Bắc Mỹ (23%), Tây Âu
(19%), và các khu vực khác (9%). Ngoài triển vọng kinh tế được cải thiện, nhu cầu
về chậm cháy cũng sẽ được hưởng lợi từ xu hướng, hướng tới các tiêu chuẩn
nghiêm ngặt hơn về an toàn cháy nổ, đặc biệt là ở các nước đang phát triển, và việc
sử dụng ngày càng tăng của các sản phẩm nhựa thay vì các vật liệu khó cháy.
Những lo ngại về tác động môi trường và sức khỏe có thể gây tổn hại đến nhu cầu
của chất chậm cháy halogen hóa đã bắt đầu gây ra một sự thay đổi đáng kể trong cơ
16



LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

cấu sản phẩm. Nhóm hệ chậm cháy hydroxit kim loại là sản phẩm chậm cháy có
khối lượng bán hàng đầu trong năm 2011, hình 1.6 [8].

Hình 1.6: Biểu đồ tỷ lệ cơ cấu phụ gia chậm cháy toàn cầu năm 2011
Theo thống kê năm 2012 thị trường hệ chậm cháy không chứa tác nhân halogen
vẫn chủ yếu là thị trường Bắc Mỹ chiếm 41,8%, tiếp theo là Châu Âu và Châu
Á/Thái Bình Dương tương ứng là 33,3% và 22,5%. Trong đó hydroxit kim loại
được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực xây dựng và thiết bị điện chiếm hơn 70%
tổng nhu cầu thị trường năm 2012. Theo các chuyên gia phân tích hệ chậm cháy
trên cơ sở phospho hữu cơ sẽ có tốc độ tăng trưởng cao nhất là 7,7% trong giai đoạn
2012-2018 do những lợi ích của nó trong lĩnh vực vật liệu xây dựng, sơn và màng
phủ đem lại [9].

1.4. Tình hình nghiên cứu và sử dụng màng phủ chậm cháy
1.4.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng màng phủ chậm cháy trên thế giới
Từ rất sớm con người đã biết sử dụng hóa chất để xử lý chậm cháy các vật
liệu dễ cháy. Người Trung Quốc cổ đại đã sử dụng phèn và dấm để ngâm tẩm gỗ
sau đó phủ lên một lớp đất sét để làm chậm và giảm bớt sự lây lan ngọn lửa.
Người Ai Cập, 3000 năm trước đã sử dụng nước biển để ngâm, tẩm vào cỏ hoặc
lau sậy trước khi sử dụng làm mái nhà do những muối khoáng có trong nước
biển sẽ kết tinh lại trong quá trình khô có tác dụng như một tác nhân chậm cháy.
17


LUẬN VĂN THẠC SĨ


VŨ NGỌC QUÍ

Người La mã từ những năm 200 trước công nguyên đã sử dụng hỗn hợp phèn và
giấm (Kali Aluminum Sunphat KAl(SO 4)2.12H2O hoặc Amoni Aluminum
Sulphat NH4Al(SO4)2.12H2O) để phủ và ngâm tẩm gỗ [10].
Năm 1638 Nikolas Sabbattini đề xuất một loại sơn chứa đất sét hoặc thạch cao để
phủ lên nhà hát ở Ý, và năm 1820 Fuchs đã sử dụng nattri silicat để phủ lên gỗ
trong nhà hát Munich [10].
Bằng sáng chế đầu tiên về vật liệu chậm cháy được công bố đầu tiên tại Anh
được cấp cho Obadiah Wyld vào năm 1735, ông đã sử dụng hỗn hợp phèn, sắt
sunphat và muối borat để giảm khả năng cháy cho vải dệt được sử dụng cho nhà hát
và các công trình công cộng. Năm 1783 phèn được sử dụng để giảm khả năng cháy
cho khinh khí cầu [11].
Trong chiến tranh thế giới thứ hai, các vải bạt quân đội sử dụng ngoài trời được
phủ bằng chất kết dính có chứa parafin clo hóa và một oxit kim loại được sử dụng
phổ biến là antimo oxit. Từ những năm 1900 nhiều hóa chất vô cơ khác trên cơ sở
các hợp chất silicat, sunphat, borat, photphat của kẽm, thiếc và canxi cũng đã được
sử dụng làm tác nhân chậm cháy trong xử lý vải sợi [12].
Trong những báo cáo từ những năm 1930 đến năm 1935, các nhà nghiên cứu tại
Phòng thí nghiệm Sản phẩm rừng USDA (Mỹ) đã nghiên cứu khoảng 130 công thức
xử lý chậm cháy của các hợp chất vô cơ khác nhau. Họ nhận thấy rằng diamino
photphat có hiệu quả nhất để giảm sự lây lan ngọn lửa và monoamino photphat,
amino clorua, amino sunphat, kẽm borat và kẽm clorua cũng là những hợp chất rất
hoạt động [13].
Hầu hết các sản phẩm và phụ gia chậm cháy sử dụng đã được phát minh từ
những năm 1950 đến năm 1980 [14]. Từ thời điểm đó, nhiều hệ sản phẩm mới đã
được phát minh và phát triển nhanh chóng góp phần vào sự phát triển các ngành
công nghiệp vật liệu, công nghiệp dệt may... Những hóa chất chậm cháy được phát
triển trong giai đoạn này chủ yếu là những sản phẩm trên cơ sở gốc halogen. Năm
1976, sau khi nhiều người dân ở Michigan ăn phải thịt bò nhiễm độc, sau đó các nhà

khoa học đã tìm thấy Polychlorinated (PCBs) and polybrominated biphenyls (PBBs)
là những hóa chất được sử dụng làm chất chậm cháy, dầu làm mát và bôi trơn được
18


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

sử dụng phổ biến tại thời điểm đó. Nó có thể tích tụ trong môi trường và gây nguy
hại đến sức khỏe con người, do đó nó đã bị ngừng sản xuất và bị cấm sử dụng. Hợp
chất chậm cháy trên cơ sở clo là Tris(1,3-dichloro-2-propyl) phosphate (TDCCP)
cũng được cấm sử dụng từ năm 1977 sau khi các nghiên cứu về ung thư có liên
quan tới hợp chất này được công bố [15].
Năm 1980, các nhà khoa học đã tìm ra một loại phụ gia chậm cháy mới, là một
hợp chất hữu cơ trên cơ sở hỗn hợp của guanyl ure phosphat (GUP - được tạo ra từ
phản ứng của dicyandiamide với axit phosphoric) với axit boric. Từ đó một số các
phụ gia chậm cháy mới được nghiên cứu và phát triển trên cơ sở amoni phosphat và
một số phụ gia khác [13]. Theo các nghiên cứu của các nhà khoa học, những hợp
chất halogen tham gia vào phản ứng cháy sẽ tạo thành một lớp bảo vệ và ngăn chặn
sự lây lan ngọn lửa, tuy nhiên sản phẩm cháy của nó lại rất độc hại và là nguồn phát
sinh khí dễ cháy. Những Chất vô cơ như Nhôm trihydrat khi tham gia vào phản ứng
cháy sẽ tạo nước hoặc chất khí làm mát có tác dụng làm loãng mật độ khí dễ cháy.
Những hợp chất trên cơ sở Phospho tạo thành lớp than hóa có tác dụng ức chế quá
trình nhiệt phân đồng thời giảm năng lượng cháy. Những hợp chất này là những
thành phần không gây nguy hại cho con người và được quan tâm nghiên cứu cho
đến ngày nay.
Màng phủ chậm cháy trương phồng đầu tiên được đưa ra trong năm 1970 [16].
Nó cung cấp một lớp bảo vệ dày với ngọn lửa bằng quá trình phân hủy tại nhiệt độ
cao tạo thành một lớp than cách nhiệt. Màng phủ trương phồng bao gồm hỗn hợp

của pentaerythritol và melamine trong nền Polymer ở nhiệt độ thấp và sẽ trương nở
khi bị phân hủy nhiệt tạo thành một lớp than cách nhiệt tại nhiệt độ khoảng 280350oC. Lớp than này sẽ hoạt động như rào cản nhiệt và ngăn cản nhiệt cháy truyền
đến nền vật liệu được bảo vệ [17].
Từ những năm 1990, cùng với xu hướng không sử dụng phụ gia chậm cháy gốc
halogen trên thế giới nhằm đảm bảo an toàn cho con người và môi trường, việc sử
dụng những hệ phụ gia chậm cháy trên cơ sở gốc vô cơ và phosphate được gia tăng
nhanh chóng. Cùng với sự phát triển đó những nghiên cứu về các sản phẩm chậm
cháy cũng được chuyển hướng và tập trung vào các hệ chậm cháy trương phồng [18].
19


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

Bằng sáng chế của Feipeng Liu năm 2000 về màng phủ chậm cháy trương phồng
cho các sản phẩm gỗ sử dụng bột than chì trương nở với hàm lượng từ 20-95% khối
lượng thành phần rắn. Nhựa nền sử dụng là nhựa phenol formaldehyde từ 5-50%
khối lượng hợp phần. Kết quả nghiên cứu cho thấy hạt than chì trương nở do nhiệt
làm tăng hiệu quả chậm cháy cho vật liệu phủ, đồng thời làm giảm đáng kể hàm
lượng khói và thời gian dập tắt ngọn lửa của nhựa nền polyme mà không ảnh hưởng
xấu đến tính chất vật lý của các thành phần lớp phủ. Khả năng trương nở nhiệt của
hạt than chì bắt đầu từ nhiệt độ khoảng 130oC đến 500oC, và có khả năng trương nở
đáng kể khi tiếp xúc với nhiệt và lửa. Đặc biệt, thể tích có thể tăng đến 80 lần thể
tích ban đầu khi tiếp xúc trong vài giây [19].
Năm 2009, Chou và cộng sự công bố màng phủ chậm cháy trương phồng sử
dụng để phủ lên vật liệu gỗ trên cơ sở bột than chì nhân tạo và khoáng Sericit
(Al4(OH)4(Kal-Si3O10)2). Màng phủ trương phồng được nghiên cứu chứa 19,8% phụ
gia chậm cháy, 15% phụ gia tạo nước, 18% phụ gia nở xốp, 7,2% nhựa kết dính và
40% dung môi. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi hàm lượng khoáng Sericit lớn hơn

75% phần phụ gia chậm cháy thu được khả năng kháng cháy cao nhất trong yêu cầu
kháng cháy của Đài Loan CNS 7614 [20].
Năm 2010, Guojian Wang và cộng sự đã công bố loại phụ gia chậm cháy mới
trên cơ sở than chì trương nở được biến tính bởi polyethylen glycol (MEG). Loại
phụ gia này được sử dụng cho màng phủ trương phồng hệ nước nhằm cải thiện khả
năng chống oxy hóa của lớp than hóa chậm cháy trong màng phủ trương phồng.
Đồng thời do được biến tính bằng polyethylen glycol, hệ phụ gia chậm cháy mới
này có thể dễ dàng phân tán đồng đều trong hệ sơn nước do đó lớp than bảo vệ sẽ
đồng đều làm tăng hiệu quả khả năng ngăn cháy cho màng phủ [21].
Năm 2012, Guo-Qiang và cộng sự đã chế tạo màng phủ trương phồng chậm cháy
trên cơ sở sử dụng kết hợp các tác nhân axit hóa amonium polyphosphate - APP, tác
nhân cacbon hóa pentaerythritol - PER, và tác nhân nở melamine được trộn hợp
trong nhựa nền Polyme. Khi màng phủ tiếp xúc với nhiệt, một lượng lớn nhiệt
20


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

lượng bị hấp thụ bởi màng phủ và nhiệt độ được gia tăng nhanh chóng. Khi đạt tới
nhiệt độ tới hạn của màng phủ, nền polyme bị chảy tạo thành dạng lỏng nhớt. Tác
nhân axit hóa trong màng phủ sẽ bị phân hủy nhiệt ở nhiệt độ từ 100-250oC, phản
ứng với tác nhân cacbon hóa tạo lớp than. Tại nhiệt độ 280-350oC, tác nhân nở
trong màng phủ bị phân hủy giải phóng một lượng lớn khí làm nở lớp than tạo một
lớp than trương phồng giúp ngăn cách nhiệt lượng đám cháy tiếp xúc với vật liệu
nền được bảo vệ [22].
Năm 2013, một hướng nghiên cứu mới về màng phủ chậm cháy lai tạo hữu cơ vô cơ đã được công bố trên cơ sở hệ sol silica biến tính bằng  - methaacryloxy
propyl trimethoxy silan (MPS), được tổng hợp bằng phương pháp solgel xúc tác
axit. Tiếp theo dung môi được chiết xuất bằng chưng cất chân không. Sau đó ổn

định hệ sol bằng cách tăng hàm lượng MPS và pha loãng bằng dung dịch
tripropylen glycol diacrylat (TPGDA). Sol phân tán được trộn hợp với màng hữu
cơ đóng rắn bằng UV tạo ra màng phủ lai tạo hữu cơ- vô cơ, cải thiện được tính
chất bảo vệ nhanh chóng và hiệu quả trong thử nghiệm cháy theo phương pháp
UL-94 [23].
1.4.2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng màng phủ chậm cháy tại Việt Nam
Những nghiên cứu về vật liệu chống cháy và chậm cháy ở Việt Nam chủ yếu
hiện nay là sử dụng các tác nhân chống cháy trộn hợp vào vật liệu trong quá trình
sản xuất để bảo vệ vật liệu. Năm 2006, tác giả Phan Duy Hưng đã nghiên cứu chế
tạo ván gỗ ép chậm cháy sử dụng hỗn hợp axit boric (H3BO3) và muối borat
(Na2B4O7.10H2O) được pha trộn với tỷ lệ 1:1. Hỗn hợp được trộn hợp cùng hỗn
hợp keo dán sử dụng làm chất kết dính chế tạo ván gỗ ép. Kết quả thử chống cháy
sản phẩm được tiến hành theo phương pháp ASTM E69 -1988 thông qua chỉ tiêu tỷ
lệ tổn thất khối lượng. Kết quả thử nghiệm cho thấy, ván gỗ ép sử dụng tác nhân
chống cháy cho khả năng chống cháy khá tốt, tỷ lệ tổn thất khối lượng bằng ½ so
với mẫu đối chứng, bằng ¼ so với mẫu gỗ tự nhiên, và vẫn đảm bảo được các tính
chất cơ lý của sản phẩm [24].
21


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

Năm 2012, tác giả Võ Thành Phong - Viện khoa học Vật liệu đã thành công
trong việc chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu polyme compozit có chứa tổ hợp
chất chống cháy trên cơ sở hợp chất chứa Brom và photpho. Kết quả nghiên cứu của
nhóm tác giả cho thấy vật liệu polyme compozit trên cơ sở polyeste không no chứa
hỗn hợp 2% P và 6% Br cho mức chống cháy V-0, kết quả được xác định theo tiêu
chuẩn UL-94 [25].

Đối với xử lý chậm cháy cho gỗ tại Việt Nam cũng đã có hai công trình nghiên
cứu được công bố. Năm 2012, tác giả Nguyễn Đức Thành và cộng sự đã nghiên cứu
xử lý Gỗ Bạch đàn trắng (Eucalyptus camaldulensis Dehnh.), là một trong số loại
gỗ rừng trồng được sử dụng phổ biến trong công trình xây dựng, giao thông, khai
thác hầm mỏ, đồ mộc,… . bằng dung dịch Na2SiO3ở các cấp nồng độ 10%, 15% ,
20%, 25% đã làm tăng khả năng chậm cháy cho gỗ và đưa gỗ Bạch đàn trắng từ vật
liệu dễ cháy thành vật liệu khó bắt lửa, có khả năng ngăn cản cháy phát sáng (cháy
có ngọn lửa) và cháy lan tỏa [26].
Năm 2013, tác giả Nguyễn Văn Chương và cộng sự đã công bố nghiên cứu xử
lý gỗ Bạch Đàn bằng hỗn hợp Natri Borat và axit boric [27]. Cả hai đề tài nghiên
cứu chậm cháy này đều là những nghiên cứu xử lý gỗ nguyên liệu trước khi đưa
vào sử dụng. Và tiến hành bằng biện pháp ngâm tẩm gỗ trong các dung dịch chậm
cháy lựa chọn.
Sơn và màng phủ chống cháy, chậm cháy được bắt đầu quan tâm từ những năm
2004, khi một nhà “khoa học bình dân” - ông Nguyễn Văn Thanh (Thành Phố Hồ
Chí Minh), được mệnh danh là “thần chống cháy” bởi một công bố trong lĩnh vực
chống cháy gây sửng sốt dư luận. Ông đã chế tạo ra được một dung dịch chống
cháy dùng để tẩm lên vật liệu nhằm giảm thiểu khả năng bắt cháy của sản phẩm
[28]. Tuy nhiên, từ đó tới nay sản phẩm của ông cũng chưa được phát triển thành
thương hiệu trên thị trường sơn nội địa.
Cuối năm 2013, Sơn Kova đã cho ra đời dòng Sơn chống cháy trương phồng
trên cơ sở sử dụng nano trấu. Đây là loại sơn phủ trương phồng hệ nước được ứng
dụng để ngăn cháy cho các sản phẩm kết cấu thép. Có khả năng chịu được nhiệt
độ 800-1300oC và đã thu hút được nhiều sự chú ý của dư luận [29].
22


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ


Hiện nay, chưa có một công trình nghiên cứu một cách đầy đủ và được công bố
nào về sơn và màng phủ chậm cháy ở Việt Nam. Đặc biệt trong lĩnh vực màng phủ
chậm cháy thân thiện môi trường ứng dụng cho các sản phẩm vật liệu gỗ.
Trên thị trường sơn chậm cháy Việt Nam hiện nay chủ yếu là các sản phẩm nước
ngoài như: Nullifire® (Anh), HR-Prof (Anh), Flame Control (Mỹ), Rhenocoll
(Đức), Hillti (Mỹ), NoFire (Mỹ)…, Các sản phẩm sơn chống cháy, chậm cháy tại
Việt Nam chủ yếu sử dụng trên cửa để tạo ra các sản phẩm cửa chống cháy cao cấp.
Một số các công trình chủ yếu là các tòa nhà, khách sạn sử dụng loại cửa được phủ
sơn chậm cháy như: Khách sạn JW Marriott Hà Nội, Parkson - Keangnam,
Vietsopetro Vũng Tàu, Tòa nhà VNPT, Khách sạn Mường Thanh, Chung cư Yên
Hòa, Chung cư La khê,…
Với tình hình cháy nổ xảy ra ngày càng tăng như hiện nay, đặc biệt thường xảy ra
ở những tòa nhà cao tầng, các cửa hàng, siêu thị, … cộng với công tác chữa cháy
đang gặp rất nhiều khó khăn về cả người và phương tiện, thì nhu cầu về các loại sơn
và màng phủ chậm cháy ở nước ta sẽ ngày càng cao. Hầu như chưa có công trình
nghiên cứu nào công bố ở Việt Nam chế tạo loại sơn này. Đặc biệt là sơn và màng
phủ chậm cháy thân thiện môi trường sử dụng để bảo vệ các kết cấu hoặc sản phẩm
xốp polystyren.

1.5. Cơ chế của quá trình phân hủy nhiệt Polystyren
1.5.1. Giới thiệu về Polystyren
1.5.1.1. Tính chất của monome Styren
Tính chất vật lý :
g/cm3

0,90458

Chiết suất ở 250c




1,54389

Độ nhớt ở 250c

cp

0,75

Nhiệt độ sôi

o

145,2

Nhiệt độ nóng chảy

o

-30,6

Nhiệt độ bùng cháy

o

31,0

Nhiệt độ bắt lửa


o

34,0

Nhiệt độ bay hơi

o

86,9

Tỷ trọng

C
C
C
C
C

23


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

Nhiệt cháy

Cal/g

10,04


Nhiệt trùng hợp

Cal/g

168,0

Tỷ nhiệt ở 25o C

Cal/g.độ

0,407

Giới hạn nổ trong không khí

%V

1,1-6,1

Độ co sau khi trùng hợp

%V

17,0

1.5.1.2. Cấu tạo của PS
PS có cấu tạo vô định hình, khi kéo các phân tử có xu hướng định hướng lại theo
chiều tác dụng lực và làm tăng độ bền theo hướng kéo.
Phân tử PS có nhánh và nhánh nhiều hay ít phụ thuộc vào phương pháp trùng hợp,
điều kiện và mức độ trùng hợp. Phân nhánh xẩy ra là do phản ứng chuyển mạch

giữa các gốc đang phát triển và các phân tử polyme tạo thành.
PS có thể có các dạng cấu trúc của mạch đại phân tử, đó là các dạng cấu trúc:
+ Isotactic: Là loại cấu trúc mà nhóm phenyl phân bố đều đặn về một phía của mạch
các bon. Loại cấu trúc này tạo ra PS tinh thể.
+ Atactic: Là loại cấu trúc mà nhóm phenyl phân bố lộn xộn không có trật tự về hai
phía của mạch các bon. Loại cấu trúc này tạo ra PS vô định hình.
+ Syndiotactic: Là loại cấu trúc mà nhóm phenyl phân bố xen kẽ về hai phía của
mạch các bon. Loại cấu trúc này tạo ra PS vô định hình.

H

C

H

C

H

C

H

C

H

C

H


H
H

H

C

H

C

H
H
H

H

H

C

H

H

C

H


H

C

H

H

C

H

C

H

C

H

H

C

H

H

C


H

C

C

Syndiotactic

24

H

C

H

C

H

C

H

C

H

C


H

C

H

H

Isotactic

C

H

C
C

H

H

C

H

H

C

H


H

C

H

C

H

Atactic


LUẬN VĂN THẠC SĨ

VŨ NGỌC QUÍ

1.5.1.3. Tính chất PS
PS là loại vật liệu cứng, giòn, trong suốt, không có mùi vị, cháy cho ngọn lửa không
ổn định. Tính chất kỹ thuật của PS do phương pháp trùng hợp và điều kiện tiến
hành trùng hợp quyết định, như:
+ Mức độ trùng hợp.
+ Lượng monome còn lại.
+ Độ đồng đều trọng lượng phân tử.
+ Độ phân nhánh của sản phẩm.
Theo các phương pháp trùng hợp khác nhau khối lượng phân tử của polystyren
cũng khác nhau :
+ Trùng hợp khối


: Mtb =50.000 - 120.000 (đvc).

+ Trùng hợp nhũ tương

: Mtb =70.000 - 120.000 (đvc).

* Độ hòa tan và trọng lượng phân tử
Styren hòa tan trong cacbua hydro thơm, cacbua hydro clo hóa, ete, xeton, sulphua
cacbon và piridin, không hòa tan vào cacbuahydro no mạch thẳng, rượu bậc thấp,
ete, phenol, axit axetic và nước.
Trọng lượng phân tử của polystyren được xác định bằng phương pháp độ nhớt theo
công thức sau :
[ŋ ] =K*.Má.[1.2-212]
Trong đó :
ç

: Độ nhớt của dung dịch.

M

: Khối lượng phân tử của polyme.

K,á

: Hằng số phụ thuộc vào điều kiện phản ứng .
K=2,4.10-5
á =0,77

* Tính chất cơ học
Phụ thuộc rất nhiều vào trọng lượng phân tử trung bình. Nhựa PS có độ bền va đập

thấp, độ bền kéo nén nhỏ, khi trọng lượng phân tử trung bình tăng thì độ bền nhiệt,
nhiệt độ chảy mềm tăng nhưng khả năng chịu va đập giảm.
25