Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu công nghệ tái chế xốp Polyurethane phế thải làm nguyên liệu để chế tạo vật liệu cách nhiệt (27/05/2025)

Ngày nay trước áp lực phải giải quyết nhiều vấn đề về ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu ở hầu hết các quốc gia trên thế giới đều đẩy mạnh việc thực hiện các giải pháp tái chế chất thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tiết kiệm năng lượng và tài nguyên thiên nhiên. Vật liệu nhựa nói chung và nhựa polyurethane (PU) nói riêng được loài người phát minh và sản xuất từ đầu thế kỷ 20, từ các sản phẩm của công nghiệp lọc hóa dầu, đang được sử dụng ngày càng nhiều do rất nhiều tính chất ưu việt, tiện lợi và giá thành thấp của các loại vật liệu này mang lại. Trong các loại vật liệu xốp nhựa thì xốp polyureathane đang được dùng làm vật liệu cách nhiệt rất phổ biến với nhu cầu rất lớn trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp ô tô, xây dựng, chế tạo các panel cách nhiệt, tủ lạnh, đường ống, kho lạnh, thùng xe tải lạnh, bồn chứa, container lạnh… Khối lượng các loại vật liệu xốp cách nhiệt đang có xu hướng ngày tăng theo sự phát triển kinh tế của nước ta. Tuy nhiên việc sử dụng xốp PU với số lượng lớn cũng kèm theo các vấn đề phải đối mặt, đó là lượng xốp PU phế thải cũng ngày càng tăng. Trong khi đó cho đến hiện nay tại Việt Nam chưa có một nghiên cứu nào về công nghệ tái chế xốp PU phế thải. Hầu hết xốp PU phế thải ở Việt Nam đang chỉ được xử lý bằng cách xay nhỏ rồi xuất ra nước ngoài với một số lượng ít (bao gồm xốp đế giày và một số loại PU dẻo), còn xốp PU cứng thì chỉ được chôn lấp hoặc thiêu hủy gây lãng phí tài nguyên đất và ô nhiễm môi trường. Đứng trước thực tế trên Viện Vật liệu Xây dựng triển khai đề tài Nghiên cứu công nghệ tái chế xốp Polyurethane phế thải làm nguyên liệu để chế tạo vật liệu cách nhiệt do TS. Mai Ngọc Tâm làm chủ nhiệm.

(1). Nhóm nghiên cứu đã tiến hành điều tra, khảo sát và thu thập số liệu về tình hình sản xuất, tiệu thụ xốp  Polyurethane ở Việt Nam, đánh giá tiềm năng phát sinh của xốp PU phế thải với số lượng hơn 3.000 tấn/năm và dự báo số liệu này đang tăng nhanh do việc sử dụng vật liệu xốp cách nhiệt ngày càng tăng. Tỉ lệ lượng xốp PU phế thải từ quá trình sản xuất nệm PU và nệm cũ chiếm (35,5%), sản xuất tấm cách nhiệt và tấm cách nhiệt cũ (23,6%), hoạt động tháo dỡ tủ lạnh (22,6%) và tháo dỡ  container lạnh (9,7%). Phần lớn PU phế thải được thu gom dưới dạng chất thải công nghiệp và sau đó được đốt hoặc chôn lấp mà không có sự kiểm soát chặt chẽ.

(2). Nghiên cứu công nghệ hóa lỏng, phân hủy xốp PU phế thải bằng phản ứng Glycolysis.

Với những kết quả đánh giá các tính chất của sản phẩm, khả năng hoà tan xốp và giá của nguyên liệu đầu vào, đề tài nhận thấy tác nhân EG có một số ưu điểm như giá thành rẻ, khả năng hoà tan xốp cũng khá nhanh, độ nhớt thấp, hiệu suất phản ứng cũng đạt giá trị cao. Vì vậy, trong đề tài này EG được chọn làm tác nhân phù hợp cho quá trình hoá lỏng xốp PU phế thải bằng phản ứng glycolysis. Khi tỉ lệ EG/xốp tăng tính chất của polyol thu được có tỷ trọng giảm từ 1,1504 đến 1,1332. Độ nhớt cũng giám nhanh đặc biệt từ tỉ lệ 1/1 đến 3/1( giám từ 250 đến 39 mPa.s). Về chỉ số hydroxyl tăng tuy nhiên trong những trường hợp tỉ lệ lớn hơn 1/1 thì chỉ số hydroxyl của hỗn hợp phản ứng còn có lượng lớn chỉ số hydroxyl của tác nhân EG dư.

Thử nghiệm hóa lỏng và biến tính xốp PU phế thải trên thiết bị 10 L.

Qua các kết quả thu được từ việc khảo sát các loại chất xúc tác, chúng tôi nhận thấy rằng khi sử dụng các loại chất xúc tác khác nhau dưới tác dụng của EG trên cùng một điều kiện phản ứng thì khả năng hoà tan xốp hay các tính chất sản phẩm là khác nhau. Trong đó, NaOH có hoạt tính mạnh, khả năng hoà tan xốp tốt nhất và các tính chất sản phẩm cũng vượt trội hơn chất xúc tác KOH. Như vậy, đề tài sẽ sử dụng NaOH làm chất xúc tác cho quá trình glycolysis để hoá lỏng xốp PU phế thải.

Qua các kết quả nghiên cứu khảo sát lựa chọn tác nhân, tỷ lê tác nhân/xốp, lựa chọn xúc tác và tỉ lệ sử dụng xúc tác/xốp, nhiệt độ và thời gian của phản ứng Glycolysis phân hủy xốp PU phế thải thành polyol tái sinh nhóm đề tài đề xuất điều kiện tối ưu thực hiện phản ứng như sau: phản ứng glycolysis sử dụng tác nhân EG, tỉ lệ EG/xốp = 1:1, chất xúc tác NaOH với hàm lượng 2%/ xốp, ở 198^oC trong 2 giờ.

3) Đã nghiên cứu phương pháp và đề xuất quy trình công nghệ lọc tinh chế sản phẩm của phản ứng Glycolysis.

Phương pháp loại bỏ các cặn không tan ra khỏi một chất lỏng rất đơn giản là lọc. Nhóm đề tài đã tiến hành lọc hỗn hợp phản ứng bằng phễu lọc chân không nóng ở nhiệt độ 70^oC; sử dụng giấy lọc polypropylene (PP) 1 lớp với kích thước lỗ vào khoảng 100 µm. Phương pháp lọc hút chân không dễ dàng thực hiện ở lượng nhỏ quy mô phòng thí nghiệm. Tuy nhiên nếu ở quy mô lớn hơn hoặc quy mô công nghiệp thì thường người ta sử dụng thiết bị lọc ép khung bản, khi đó hỗn hợp chất lỏng được bơm áp lực cao qua các bản lọc bằng vải bạt và cặn không tan sẽ bị giữ lại trong các bản lọc và dịch lọc được áp lực đẩy ra ngoài

4) Đã nghiên cứu biến tính polyol tái sinh thu được từ quá trình phân hủy xốp PU phế thải bằng dầu đậu nành epoxy hóa. Đã sản xuất được gần 120 kg Polyol tái sinh biến tính (MR-Polyol). Sản phẩm biến tính thu được có các chỉ tiêu ký thuật đạt yêu cầu: độ nhớt: 4750 cps, chỉ số Hydroxyl: 405 mgKOH/g, tỷ trọng: 1,0695 kg/m³. Các chỉ tiêu này gần giống với polyol thương mại. 

5) Đã nghiên cứu sử dụng polyol tái sinh biến tính để thay thế một phần polyol thương mại với tỉ lệ 40% để chế tạo xốp PU tái sinh mới làm vật liệu cách nhiệt. Vật liệu cách nhiệt mới có các tính chất gần giống với xốp từ Polyol thương mại với tỷ trọng 33,9 kg/m³, Độ dẫn nhiệt thấp 0,02339 W/K.m, Xốp có độ suy giảm truyền âm đạt STC 48.

6) Đã nghiên cứu chế tạo vật liệu xốp cách nhiệt từ thành phần nguyên liệu sử dụng polyol tái sinh và xây dựng quy trình công nghệ chế tạo xốp cách nhiệt ở dạng tấm và dạng phun.

7) Nghiên cứu chế tạo xốp PU từ MR-polyol

Khối lượng riêng của xốp PU từ hỗn hợp polyol TM và Polyol tái sinh (33,9 kg/m3) lớn hơn của xốp PU đi từ polyol thương mại (32 kg/m3). Theo quan sát,xốp PU tái sinh thu được tuy có màu sậm hơn nhưng có hình thái mịn không kém so với xốp PU nguyên sinh; và tương đối “cứng” hơn. Thậm chí theo dõi sau 24h tạo xốp thì tấm xốp PU tái sinh có độ co ngót thấp hơn so với tấm xốp PU nguyên sinh. Điều này càng chứng tỏ độ đặc, độ cứng và ổn định của xốp PU tái sinh cao hơn. Do đó kết quả này phản ánh đúng thực tế quan sát tại thời điểm ngay sau tạo xốp và để ổn định sau 24h; Xốp PU từ polyol tái sinh có các tính chất cơ lý (độ bền nén), khả năng cách nhiệt (độ dẫn nhiệt) và khả năng cách âm (độ cách âm) vượt trội hơn so với xốp PU nguyên sinh đi từ polyol thương mại. Lý do chính được giải thích tương tự như vừa nêu. Xốp tái sinh tạo thành đủ mịn như xốp nguyên sinh; đặc, cứng và ổn định hơn xốp nguyên sinh. Do đó độ bền nén của xốp PU có sử dụng polyol tái sinh sẽ cao hơn (0,24 MPa).  Đặc biệt, khi theo dõi sau 24h tạo xốp và nhận thấy độ co ngót của tấm xốp PU tái sinh thấp hơn của xốp PU nguyên sinh chứng tỏ hàm lượng closed-cell trong xốp PU tái sinh có khả năng nhỉnh hơn ở xốp nguyên sinh. Chính các closedcell trong cấu trúc xốp đã cản trở khả năng dẫn nhiệt của vật liệu.Nhờ đó, giá trị độ dẫn nhiệt của xốp PU có một phần polyol tái sinh sẽ nhỏ hơn (0,02339W/m.K so với 0,02398 W/m.K).

(8) Nghiên cứu chế tạo vật liệu cách nhiệt từ MR-polyol

Đề tài đã chế tạo vật liệu cách nhiệt dạng tấm theo sơ đồ sản xuất thủ công với tấm panel có kích thước 100 x 40 x 5 cm (dài x rộng x dày). Nhóm nghiên cứu sử dụng công thức tỉ lệ thành phần nguyên liệu đã được xác định trong mục 3.7.1 (0) tỉ lệ MR-polyol/VN440 là 4/6 (tỉ lệ về khối lượng). Đề tài đã tính toán tỉ lệ nguyên liệu cho 01 mẻ trộn để đổ khuôn kích thước (100x40x5) là 1,74 kg được ghi ở 0, hình ảnh chế tạo tấm panel cách nhiệt được mô tả

Đề tài đã kiểm tra khả năng tạo xốp của hỗn hợp polyol BL12 và RM-polyol (tỉ lệ 6/4) các kết quả cho thấy rằng các chỉ số về thời gian tạo kem, thời gian tạo gel và khối lượng riêng của hỗn hợp polyol và của riêng polyol BL12 khá như nhau. Như vậy hỗn hợp polyol BL12 và polyol tái sinh có khả năng tạo xốp như nguyên liệu chỉ sử dụng polyol thương mại BL12. 

Đề tài đã thử nghiệm phun xốp PU cách nhiệt cho mái một công trình xây dựng với các thông số sau:  Diện tích mái phun xốp PU 285 m²; Độ dày lớp xốp: trung bình 5 cm; Lớp phủ bề ngoài (top coat): sơn PU 2 thành phần. Mục đích là để trang trí hoàn thiện và bảo vệ lớp xốp PU; Sau khi phun phủ xốp đề tài đánh giá hiệu quả cách nhiệt. Qua các kết quả đo đạc sự chênh lệch nhiệt độ của mái tôn đã phun xốp cách nhiệt cho thấy lớp xốp PU cho hiệu quả cách nhiệt cao. Chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt bên trên và bên dưới của lớp xốp ở điều kiện trời nắng to là từ 24 đến 39^oC so với mái đối chứng không phun xốp chỉ có từ 9 đến 13^oC.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu dự án tại Trung tâm Thông tin và Truyền thông Hải Phòng./.