BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ VẬT LIỆU CHỐNG
DÍNH ỨNG DỤNG ĐỂ LOẠI BỎ HIỆN TƯỢNG KẾT
DÍNH HẠT URÊ TRÊN ĐÁY THÁP TẠO HẠT Chủ nhiệm đề tài : PGS.
TS. PHẠM THẾ TRINH
9584
NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT TRONG BÀI
EP : Epoxy
CĐR : Chất đóng rắn
CKM : Chất khơi mào
PDMS : Poly-Dimetyl – silan
TES : Tetraethoxy-silan
PVA : Polyvinyl ancol
PC : Polyme – compozit
CTA : Cát thạch anh
PEKN : Polyeste-không no
DDS : Dimetyl diclo silan
KLPT : Khối lượng phân tử
PTFE : Polytetrafloetylen (Teflon)
DTV : Dầu thực vật DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng Nội dung bảng Trang
Bảng 1.1 Một số nhựa epoxy và nhựa epoxy biến tính thương mại 11
Bảng 1.2 Tính chất cơ lý của sợi thuỷ tinh 13
Bảng 3.1 Điều kiện làm việc thông số kỹ thuật của tháp tạo hạt 30
Bảng 3.2 Ảnh hưởng của loại nhựa Epoxy đến hiệu suất chuyển hoá
tạo sản phẩm
33
49
Bảng 3.13 Chế thử vật liệu chống dính Urê 50
Bảng 3.14 Kết qu
ả thử treo mẫu lớn tại đáy tháp tạo hạt Urê (Công ty
Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc). So sánh với một số vật
liệu khác
51
Bảng 3.15 Dự tính giá thành (tính cho 1m
2
vật liệu chống dính) 55DANH MỤC HÌNH
Hình Nội dung hình Trang
Hình 1.1 Phản ứng biến tính nhựa epoxy với PDMS 10
Hình 1.2 Phản ứng tạo lưới của PDMS với TES 10
Hình 1.3 Mạch epoxy liên kết ngang với PDMS 10
Hình 1.4 Cấu trúc nhóm epoxy 11
Hình 1.5 Phản ứng biến tính của nhựa epoxy với Novolac 12
Hình 1.6 Vải thủy tinh bề mặt mỏng 15
Hình 1.7 Một số loại vải thủy tinh nhập khẩu của Trung Quốc. 16
Hình 1.8 Cấu trúc nhựa epoxy không biến tính 17
Hình 1.9 Ảnh SEM mặt cắt của m
ột tấm compozit epoxy-vải thủy tinh 17
Hình 3.1 Tháp tạo hạt Urê 29
Hình 3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng chất đóng rắn đến hiệu suất
chuyển hóa trong quá trình biến tính nhựa Epoxy với
PDMS
35
1.1.3 Ưu nhược điểm của các loại chất chống dính 5
1.1.4 Vai trò của chất chống dính 6
1.1.5 Yêu cầu đối với chất chống dính khi sử dụng vào thực tế công nghiệp 6
1.2 Tình hình nghiên cứu vật liệu chống dính trên thế giớ
i 7
1.3 Tình hình nghiên cứu vật liệu chống dính tại Việt Nam 8
1.4 Biến tính nhựa epoxy với PDMS, chế tạo lớp chống dính 9
1.5 Vật liệu polyme –compozit - lớp đệm cho hệ chống dính 11
1.5.1 Nhựa Epoxy 11
1.5.2 Vải thủy tinh 12
1.5.3 Vật liệu tổ hợp polyme – compozit cốt sợi thủy tinh 16
1.5.4 Các phương pháp chế tạo vật liệu compozit 17
1.6 Ứng dụng của chất chống dính 20
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM
22
2.1 Nguyên liệu, hoá chất 22
2.2 Thiết bị nghiên cứu 22
2.3 Phương pháp chế tạo mẫu vật liệu chống dính 23
2.3.1 Phương pháp chế tạo lớp chống dính 23
2.3.2 Phương pháp chế tạo lớp đệm( khung polyme – compozit) 24
2.3.3 Phương pháp chế tạo lớp lót (lớp bám dính) 25
2.3.4 Chế tạo hệ vật liệu chống dính hạt urê 25
2.3.5 Chế thử vật liệu chống dính 25
2.3.6 Treo mẫu tại đáy tháp tạo hạt, xác định khả năng chống bám dính củ
a hạt Urê 26
2.4 Các phương pháp phân tích tính chất cơ, lý của vật liệu polyme –
compozit cách nhiệt.
26
2.4.1 Phương pháp xác định độ bền kéo đứt. 26
3.6 Xây dựng quy trình gia công chất chống dính lên bề mặt đáy tháp 53
3.7 Dự tính giá thành sản phẩm. 55
KẾT LUẬN
57
TÀI LIỆU THAM KHẢO
59
1
MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ thế giới là sự
xuất hiện ngày càng nhiều sản phẩm, vật liệu mới có chất lượng cao, không
ngừng đáp ứng nhu cầu ngành càng cao của nhân loại. Tuy đã được phát hiện và
sử dụng rất sớm vào đời sống và công nghiệp ngay từ những năm đầu của thế kỷ
20, song vật li
ệu chống dính mới thực sự được nghiên cứu và ứng dụng nhiều
vào các ngành công nghiệp trong vòng 50 năm trở lại đây [1]. Ngày nay vật liệu
chống dính đóng một vai trò quan trọng và không thể thiếu được trong sự phát
triển sản phẩm mới ở tất cả các ngành công nghiệp [2]. Nhu cầu về vật liệu
chống dính toàn thế giới là rất lớn, ước tính trên 50 triệu tấn/năm. Chúng được
sử d
ụng vào hầu hết các ngành công nghiệp như: chất chống dính khuôn trong
sản xuất thiết bị cơ khí, sản xuất chi tiết trong ngành điện; chất chống dính
khuôn lắp ráp cho các công trình xây dựng… Trong ngành chế tạo vật liệu,
chúng được sử dụng dưới dạng chất chống dính khuôn trong công nghệ đùn ép,
đùn thổi, lưu hóa, sản xuất lốp, săm, gioăng, đệm, gia công vật liệu polyme-
compozit (PC); gia công chất dẻo… và rất nhi
ều lĩnh vực khác [3].
- Chế tạo tổ hợp vật liệu chống dính cho Urê trên cơ sở nhựa nhiệt rắn
epoxy biến tính (tỷ
lệ các hợp phần, phụ gia chống dính, điều kiện công
nghệ: tổng hợp, biến tính …).
- Tối ưu và ổn định quy trình công nghệ chế tạo vật liệu chống dính.
- Lựa chọn công nghệ gia công lớp chống dính.
- Đánh giá khả năng chống dính đối với hạt Urê.
- Chế thử vật liệu chống dính: 20 kg.
- Triển khai ứng dụng thực tế. 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.
1.1. Chất chống dính.
1.1.1. Giới thiệu về chất chống dính:
Chất chống dính được hiểu bao gồm những chất, vật liệu hoặc hệ vật liệu
có khả năng ngăn ngừa hiện tượng kết dính của một loại vật liệu này lên bề mặt
tiếp xúc của một vật liệu khác.
4
Đối với những chất chống dính ở dạng past; nhưu sáp ong, sáp parafin hay
mỡ silicon, mỡ từ axit béo của dầu thực vật; nhũ tương các loại sáp… thường là
không có tác dụng chống dính tốt như các sản phẩm dạng lỏng. Khi bôi chúng
lên khuôn thường gặp khó khăn là không khẳng định được khuôn đã được phủ
kín hoàn toàn hay không?
Đối với vật liệu chống dính hoặc chất chống dính ở trạng thái rắn, thường thì
tr
ước đó chúng được gia công thành vật liệu có bề mặt phẳng hoặc thành khuôn
âm (như các khuôn cốpfa trong chế tạo bê tông hoặc khuôn âm để chế tạo tàu
thuyền, đồ chơi từ vật liệu PC ) [6] [7] [8].
1.1.2. Phân loại các chất chống dính:
a. Phân loại theo hệ dung môi:
- Các chất chống dính sử dụng nước.
- Các chất chống dính sử dụng dung môi.
b. Phân loại theo thành phần pha.
- Chất chất dính chứa Silicon.
- Chất chống dính không chứa Silicon.
c. Phân loạ
i theo nguồn gốc.
- Chất chống dính nguồn gốc dầu khoáng: nếu trong trường hợp dầu khoáng
chưa biến tính, nói chung ít được sử dụng.
- Chất chống dính có nguồn gốc dầu khoáng có phụ gia: loại này hiện đang
xuất hiện lượng lớn, chủ yếu trên thị trường.
- Chất chống dính nguồn gốc thực vật: Loại này chủ yếu từ Este axit béo của
dầu thực vật, song r
ất bị hạn chế phạm vi sử dụng.
- Chất chống dính dạng sáp, mỡ lên khuôn: thường dùng cho những ứng
dụng đặc biệt.
d. Phân loại theo nhu cầu ngành công nghiệp:
trong khi tách khuôn.
b. Chất chống dính chứa dung môi:
- Ưu điểm:
+ Là chất lỏng nên rất dễ phun.
+ Có được lớp màng chống dính mỏng hơn bằng việc điều chỉnh dung môi.
+ Có khả năng giữ mặt khuôn luôn sạch.
+ Mức độ tiêu hao thấp.
- Nhược điểm:
+ Dễ cháy, dễ bắt lửa, có mùi.
+ Bảo quản tốn kém, phức tạp.
6
+ Cần thời gian bay hơi trước khi vật phẩm hình thành.
c. Chất chống dính dạng nhũ tương trong nước.
- Ưu điểm:
+ Nguyên liệu sử dụng thân thiện với da (dầu este, rượu béo).
+ Nước thay cho vị trí dung môi.
+ Nhũ tương trắng, lỏng; vì vậy dễ phun.
+ Màng chống dính mỏng qua việc làm bay hơi nước.
+ Không cháy, không có mùi khó chịu.
+ Không phải chú ý đặc biệt khi bảo quản.
+ Có khả năng phân hủy sinh học.
- Nh
ược điểm:
+ Khó khăn khi tách khuôn khi muốn có sản phẩm đẹp.
1.1.4. Vai trò của chất chống dính.
Chất chống dính có vai trò đặc biệt trong sản xuất các sản phẩm công
nghiệp ở quy mô lớn. Trong sản xuất vật liệu theo khuôn đúc; như gia công chất
dẻo các loại hình sản phẩm …, như sản xuất sản phẩm vật liệu polyme-
compozit… nhằm tăng sản lượng sản xuất công nghiệp, hạ
giá thành sản phẩm.
1.2. Tình hình nghiên cứu vật liệu chống dính trên thế giới.
Vật liệu chống dính đã được các nhà khoa học trên thế giới ứng dụng
ngay từ những năm đầu của thể kỷ 20. Song phải đến những năm 60 trở lại đây,
các công trình nghiên cứu về loại vật liệu này mới được triển khai mạnh mẽ, đặc
biệt là ở Mỹ, Đức, Pháp, Ý, Ấn Độ và gần đây là Hàn Quốc và Trung Quốc. Sở
dĩ có sự phát triển mạnh mẽ như vậy là do nhu cầu về sản phẩm công nghiệp
ngày một tăng. Vật liệu chống dính không thể thiếu được trong các quy trình
công nghệ chế tạo những sản phẩm đó. Đặc bi
ệt hướng phát triển vật liệu mới -
vật liệu polyme-compozit với polyme nền là các nhựa nhiệt rắn dạng epoxy,
vinyleste, polyeste không no, nhựa Phenolic… [9] [10] [11], gia cường bằng sợi
thủy tinh và các loại vải bền cơ cao hơn khác, được phát triển rất mạnh mẽ, đã
cho ra hàng trăm ngàn chủng loại sản phẩm có giá trị trong công nghiệp và đời
sống. Chính vì vậy, đi theo nó là nhu cầu về chất chống dính, vật liệu chống
dính tương ứng được đẩy lên đáng kể.
Những năm gần đây ngoài việc ứng dụng những chất chống dính truyền
thống từ dầu parafin, sáp ong, dầu Silicon, với những cái tên thương mại như
LUSIN
®
, LUSIN
®
ALRRO, OL 151, SIKA
®
810, SIKA
®
815, SIKA
®
-TR1,
SIKA
®
sâu trong vòng 20 năm trở lại đây [21,22,23,24]. Một loạt những tính chất cơ
,
nhiệt, hình thái bề mặt, tính kỵ nước, khả năng chống dính được đặc biệt quan
tâm [25, 26].
1.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu chống dính tại Việt Nam.
Từ nhiều năm nay, ở trong nước, không có cơ sở trường Viện nào tổ chức
nghiên cứu về vật liệu chống dính. Chưa có một công trình nào được công bố
cho đến thời điểm này. Nguyên nhân là do: Công nghệ chế tạo vật liệu theo
khuôn đúc ở nước ta còn kém phát triển. Toàn bộ chủng loại chất chống dính
được nhập hoàn toàn từ nước ngoài về và các doanh nghiệp sử dụng theo chỉ
dẫn. Sản phẩm có mặt trên thị trường chủ yếu là các loại chất chống dính trên cơ
9
sở dầu parafin, sáp parafin, dầu Silicon và mỡ silicon… được nhập chủ yếu từ
Nga, Đức và Trung Quốc. Hiện sản phẩm dầu Silicon của Trung Quốc được bán
rộng khắp, tuy nhiên chất lượng thấp hơn của các hãng khác trên thế giới.
Hiện tại, trong lĩnh vực xây dựng ở nước ta có sử dụng nhiều chất chống
dính cho việc chống dính Cốpfa dạng nhựa và tấm tôn. Mức độ sử d
ụng đang ở
mức độ thấp (cỡ 10.000 tấn chất chống dính/năm). Còn lại, ở các lĩnh vực công
nghiệp khác (như gia công chất dẻo, vật liệu polyme – compozit, gia công cao
su, gia công sành sứ, công nghiệp chế biến gỗ) đang có mức tiêu thụ rất ít, đôi
khi chỉ sử dụng đến chất chống dính dạng bột (Bột tal, BaSO
4
…)
Tình hình sử dụng chất chống dính ở nước ta còn đang ở mức độ thấp.
Tuy vậy trong vài chục năm tới cùng với tốc độ phát triển của công nghệ chế tạo
vật liệu và các ngành công nghiệp khác (cơ khí, điện, xây dựng) chắc chắn nhu
cầu về vật liệu chống dính sẽ tăng đáng kể. Cũng theo đó, những nhiệm vụ
nghiên cứu về
chất chống dính và vật liệu chống dính sẽ được quan tâm và đẩy
OH
C
CH
3
CH
3
OCH
2
CCH
2
O
n
HO
Si
CH
3
O
H
m
OH
O
n
C
CH
3
CH
3
OCH
2
CCH
Đồng thời, PDMS cũng tạo lưới với TES theo phương trình
Hình 1.2. Phản ứng tạo lưới của PDMS với TES
Mạch epoxy được liên kết ngang với PDMS theo cấu trúc sau:
Hình 1.3. Mạch epoxy liên kết ngang với PDMS
CH
3
O
H
11
1.5. Vật liệu polyme –compozit - lớp đệm cho hệ chống dính.
1.5.1. Nhựa Epoxy.
Nhựa epoxy là loại nhựa có nhiều đặc tính tốt như khả năng bám dính
cao, có khả năng chịu hóa chất tốt, vì vậy nó có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp và đời sống. Loại nhựa này được biết đến vào năm 1927 và chúng
được sản xuất theo một quy trình tổng hợp ổn định vào năm 1936 tại Mỹ do tiến
sĩ
S.O.Greenlee (Mỹ) và tiến sĩ Pierre Castan (Thụy sĩ). Ngày nay, ba hãng sản
xuất lớn trên toàn cầu là Hexion, the Dow Chemical company và Huntsman
Corporation’S Advanced Material business Unit. Hình 1.4 giới thiệu cấu trúc
nhóm epoxy:
CH
2
CH
O
Hình 1.4. Cấu trúc nhóm epoxy
Nhựa epoxy được điều chế từ epiclohydrin và bisphenol A bằng phản ứng
đem đến là khi trộn hợp với bột bạc, cho ra sản phẩm có tính dẫn điện cao, khi gia
cường với các loại sợi như sợi cacbon, sợi thủy tinh tạo ra những tấm compozit có
độ bền cơ lý cao, còn khi biến tính với nhự
a novolac cho ra một sản phẩm nhựa
có khả năng chịu nhiệt, chịu môi trường và có khả năng bám dính cao hơn nhựa
epoxy thông thường.
OH
OH
O
CH
2
CH
2
OH
CH
2
CH
CH
2
O
CH
2
CH
2
O
O
CH
2
13
Các nhóm sợi được sử dụng làm gia cường cho vật liệu compozit phổ biến
gồm: nhóm sợi khoáng chất: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm…; nhóm sợi
tổng hợp ổn định nhiệt: sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil.
Các nhóm sợi khác ít phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy,
sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa, ; sợi gốc khoáng chất: sợi Ami
ăng, sợi
Silic, ; sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron, ), sợi polyamit, ; sợi
kim loại: thép, đồng, nhôm,
Vải thủy tinh là loại vải rất hay được sử dụng làm vật liệu gia cường cho
vật liệu compozit do có kết cấu đa dạng. Sản phẩm compozit có gia cường bằng
sợi vải thủy tinh thì sản phẩm được cải thiện nhiều về tính năng cơ, lý…
Ưu điểm của s
ợi thuỷ tinh là nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với các tác động
hoá sinh, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn điện thấp. Sợi thuỷ tinh có hai dạng điển
hình: sợi dài (dạng chỉ) và sợi ngắn. Thông thường chúng có dạng hình tròn,
ngoài ra cũng gặp sợi thuỷ tinh có thiết diện ngang hình tam giác, hình vuông,
hình lục giác
Công nghệ để sản xuất tất cả các loại sợi thuỷ tinh là kéo sợi từ dung dị
ch
nóng chảy. Có ba phương pháp chính để sản xuất ra sợi thuỷ tinh: kéo sợi từ
dung dịch nóng chảy qua khuôn, kéo sợi từ những phôi thuỷ tinh được sấy nóng,
nhận được các sợi ngắn từ các tia dung dịch nóng chảy bằng cách thổi không
khí, hơi
Sợi thuỷ tinh nhận được dưới dạng sản phẩm sợi thô, thường được dùng
để xoắn bện thành chỉ, dệt thành vải cho các công đoạn gia công tiếp theo.
Nh
ững sợi thô thường được chuốt qua parafin có bổ xung thêm một số phụ gia
khác để tăng độ kết dính giữa polyme với chúng.
Bảng 1.2. Tính chất cơ lý của sợi thuỷ tinh
1724
3033 Modun đàn hồi kéo E
1
+
,
MPa ở 22
0
C
85,5 72,4 69,0
Hệ số dãn nở nhiệt, α.10
6
5,6 5,0 7,2
Hệ số dẫn nhiệt λ
(W/mK)
10,4
Nhiệt độ nóng chảy,
0
C
841 749
Sợi thuỷ tinh có ưu điểm nổi trội là giá thành rẻ, chúng được sử dụng rộng
rãi trong sản xuất vật liệu PC, để chế tạo các tàu tải trọng nhỏ, thuyền, xuồng,
canô, thuyền buồm thể thao, thân vỏ ô tô, các ống dẫn dầu … và rất nhiều các
+Tiêu chuẩn của Anh “BS4994”
(Thiết kế và xây dựng các thùng, bình chứa lớn trên cơ sở chất dẻo gia cường)
+Tiêu chuẩn của Mỹ “ASME/ANSI RPT-1-1989”
(Thiết bị chống ăn mòn trên cơ sở nhựa nhiệt rắn
được gia cường).
+Tiêu chuẩn của Đức: DIN12116 (axit cấp 1), DIN52322: kiềm cấp 2 và
DIN12111: nước cấp
3.
1.5.2.2. Vải thủy tinh dạng mỏng, mịn cho công nghệ tạo khuôn.
Vải thủy tinh bề mặt mỏng cho công nghệ tạo khuôn, được sử dụng để tạo
ra bề mặt có nhiều nhựa được gia cường đối với các sản phẩm composite gia
cường bằng vải thủy tinh theo phương pháp lăn ép bằng tay hoặc kỹ thuật ép
khuôn nóng/nguội.
Vải thủy tinh bề mặt mỏng, mịn này thường là m
ềm, cho phép tạo hình
theo từng đường nét trên khuôn mẫu sản phẩm, chẳng hạn như làm ván lướt
sóng, các thuyền nhỏ, đồ nội thất và nắp thùng cho xe ô tô [9,10]
Vải thủy tinh bề mặt mỏng, mịn cho công nghệ tạo khuôn đảm bảo một bề
mặt có chất lượng cao, chống ăn mòn, kéo dài tuổi thọ cho sản phẩm. Chúng đáp
ứng được các tiêu chuẩn: tiêu chuẩn của Anh “BS4994” (Thiết kế và xây dựng
16
các thùng, bình chứa lớn trên cơ sở chất dẻo gia cường) và tiêu chuẩn của Mỹ
“ASME/ANSI RPT-1-1989”.
Khối lượng của loại vải này từ 22 – 40g/m
2
; chiều dày từ 0,02 – 0,05
mm; đường kính sợi 16µm, phù hợp dùng trong công nghệ ép khuôn nóng hoặc
khuôn nguội.
1.5.2.3. Vải thủy tinh dạng mỏng, mịn cho công nghệ quấn sợi.
Vải thủy tinh bề mặt mỏng, mịn cho công nghệ quấn sợi được phục vụ
Vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh
có tính năng bền cơ cao, đồng thời lại có khả năng cách nhiệt, bền thời tiết tốt
[11].
Theo Bộ quốc phòng và trung tâm nghiên cứu vũ trụ NASA (Mỹ), hiện
nay, các chi tiết kết cấu từ vật liệu compozit epoxy - sợi gia cường, chiếm bình
quân 1000 pound (453,6 kg) trong một máy bay chiến đấu. Hãng Boeing cũng sử
dụng v
ật liệu compozit từ nhựa Epoxy để thay thế một số chi tiết kết cấu chịu lực
trong các máy bay Boeing đời mới 757, 767. Hình 1.9. Ảnh SEM mặt cắt của một tấm compozit epoxy-vải thủy tinh
1.5.4. Các phương pháp chế tạo vật liệu compozit
Hiện nay, có nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu compozit. Mỗi
phương pháp sản xuất lại có các đặc thù riêng liên quan đến chất lượng của sản
phẩm tạo thành.
Các phương pháp gia công chế tạo vật liệu compozit gồm:
- Phương pháp lăn ép bằng tay.
- Phươ
ng pháp phun trên khuôn.
- Phương pháp ép khuôn.
- Phương pháp RTM.
18
- Phương pháp đúc-kéo.
- Phương pháp quấn sợi.
- Phương pháp chân không.
- Phương pháp khuếch tán nhựa.
a. Phương pháp lăn ép bằng tay
Phương pháp lăn ép bằng tay vật liệu compozit là một phương pháp cơ bản.
Vật liệu compzit được chế tạo bằng cách đặt từng lớp vải gia cường lên bề mặt
ẩm sản xuất bằng các phương pháp gia
công khác.
Copyright: Tài liệu đại học ©