Nghiên cứu công nghệ và thiết kế chế tạo dây chuyền pilot sản xuất nhựa polyeste không no (PEKN) chịu bức xạ UV ứng dụng trong sản xuất đá nhân tạo gốc thạch anh
Polyeste không no (PEKN) là một trong những nhựa nhiệt rắn có tầm quan trọng đặc biệt, được sản xuất với khối lượng lớn, tính chất cơ lý của nhựa sau đóng rắn tương đối tốt trong khi giá thành thấp nên được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Đặc biệt trong công nghiệp, vật liệu compozit, nhựa PEKN là loại nhựa nền phổ biến nhất trong số các nhựa nền nhiệt rắn.
Ở Việt Nam, nhựa nền PEKN hiện đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp ô tô, đá nhân tạo, vật liệu compozit gia cường sợi thuỷ tinh, keo dán, chất bịt kín đóng rắn nhanh trong xây dựng, bồn chứa dân dụng và công nghiệp… Chỉ trong lĩnh vực đá nhân tạo, Tập đoàn Phenikaa hàng năm sản xuất 3 triệu m2 đá thạch anh cho thị trường xuất khẩu và trong nước, tạo ra trên 1.500 việc làm. Với công suất như vậy cần phải nhập khẩu tới 25.000 tấn PEKN để sản xuất, tương ứng với kim ngạch nhập khẩu trung bình 40 triệu USD (tính theo giá năm 2020). Ngoài Phenikaa, thị trường Việt Nam hàng năm cũng nhập khẩu lượng nhựa PEKN tương đương với khối lượng mà Phenikaa nhập khẩu.
Một trong những vấn đề tồn tại của đá nhân tạo khi sử dụng PEKN làm chất kết dính là khả năng chịu bức xạ UV và bền thời tiết. Đây chính là điểm hạn chế khả năng sử dụng của đá nhân tạo khi không dùng được cho các ứng dụng ngoài trời hoặc ở những khu vực có tia UV chiếu vào bề mặt đá, trong khi nhu cầu thị trường đá sử dụng ngoài trời còn lớn hơn nhiều so với nhu cầu trong nhà. Các loại nhựa PEKN nhập khẩu từ nước ngoài mặc dù là những loại nhựa PEKN có chất lượng tốt nhất nhưng không có khả năng chịu bức xạ UV và thời tiết, nhất là vùng nóng ẩm nhiệt đới. Nếu giải quyết được vấn đề công nghệ và tự sản xuất được ở Việt Nam loại nhựa PEKN chịu bức xạ UV và bền thời tiết, có thể tiết kiệm được nguồn ngoại tệ hàng trăm triệu USD/năm nhập khẩu, tạo thêm việc làm, đồng thời mở rộng thị trường tiêu thụ cho sản phẩm đá thạch anh, cả trong nước và xuất khẩu, đem lại lợi ích cho xã hội và nâng cao năng lực nghiên cứu chuyển giao của đội ngũ cán bộ khoa học công nghệ trong nước. Do đó, TS. Hồ Xuân Năng cùng nhóm nghiên cứu tại Công ty Cổ Phần Tập đoàn Phượng Hoàng Xanh A&A đã thực hiện “Nghiên cứu công nghệ và thiết kế chế tạo dây chuyền pilot sản xuất nhựa không no (PEKN) chịu bức xạ UV và bền thời tiết, ứng dụng trong sản xuất đá nhân tạo gốc thạch anh” với mục tiêu nghiên cứu tổng quan về công nghệ sản xuất nhựa PEKN chịu bức xạ UV và bền thời tiết, nhu cầu thị trường, tình hình cung cấp nguyên vật liệu đầu vào, giá thành và các vấn đề tồn tại cần giải quyết.
Polyeste không no (PEKN) là một trong những nhựa nhiệt rắn quan trọng, được sản xuất với khối lượng lớn, tính chất cơ lý của nhựa sau đóng rắn tương đối tốt trong khi giá thành khá thấp nên được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Lần đầu tiên Berzelius đã tổng hợp ra nhựa PEKN từ axit tactaric và glyxerin vào năm 1847, sau đó vào năm 1863 Loen đã điều chế được nhựa polyeste sucxinat từ etylenglycol và axit sucxinic. Vorlander lần đầu tiên tổng hợp được PEKN-glucol maleinat, nhưng tại thời điểm đó phát minh của ông chưa được chú ý. Vào khoảng năm 1916, trên thị trường xuất hiện vật liệu màng phủ cho gỗ và kim loại là PEKN đi từ anhydrit phtalic và glyxerin. Năm 1929, Carothers lần đầu tiên công bố tổng hợp PEKN với cấu trúc xác định. Trong các thí nghiệm của mình, Carothers đã sử dụng những kỹ thuật mà đến nay vẫn được sử dụng như phương pháp trùng ngưng qua hai giai đoạn: Giai đoạn đầu ở áp suất khí quyển, giai đoạn sau trong chân không và trong môi trường khí nitơ.
Vào năm 1937 Bradley, Kropa và Johnston đã ra một công bố hết sức quan trọng: PEKN có thể chuyển sang trạng thái không nóng chảy, không hòa tan với điều kiện trong mạch polyeste chứa nối đôi. Cũng khoảng thời gian này, người ta đã xác định rằng quá trình đóng rắn PEKN sẽ nhanh hơn khoảng 30 lần nếu kết hợp với monome không no. Chính nhờ những phát minh này mà PEKN đã được ứng dụng trong công nghiệp vào 1941. Và cũng thời gian này đã xuất hiện các loại nhựa PEKN thương mại trên thị trường. Tuy nhiên, nhựa PEKN sau đóng rắn rất giòn, chính vì thế đã thúc đẩy các nhà khoa học sử dụng phối hợp nhựa PEKN với vải, sợi, bột… làm chất gia cường.
Sau khi kết thúc thế chiến thứ hai, ngành công nghiệp đã tập trung phát triển hàng dân dụng: thuyền, xuồng, bồn chứa và vật liệu dùng cho các ngành chế tạo máy, xây dựng và giao thông vận tải. Vì thế, sản lượng nhựa PEKN tăng lên rất nhanh.
Khối lượng nhựa PEKN được sử dụng tăng trưởng liên tục trong những năm qua, và trong khoảng 20 năm gần đây, tốc độ tăng trưởng khoảng 5,5%. Năm 2012, nhu cầu về nhựa PEKN là khoảng hơn 4 triệu tấn, đến năm 2019 là hơn 6 triệu tấn và lượng PEKN sử dụng năm 2020 là khoảng 7 triệu tấn.
Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:
Ý nghĩa khoa học
Đã tối ưu công thức công thức phối liệu cho quá trình tổng hợp nhựa PEKN thể hiện qua tỷ lệ mol các thành phần DEG/DPG/EG/PG/AM/AP/AD/MHHPA/IAP, tỉ lệ HQ; PTSA. Bằng việc đưa cấu tử MHHPA và IAP vào thành phần nguyên liệu chính là đưa một đoạn mạch có cấu trúc bão hòa vào khung chính của đại phân tử còn gọi là biến tính, đã tạo ra một loại nhựa PEKN với các tính chất cơ, lý hoá tương tự và tốt hơn loại PEKN ban đầu nhưng có khả năng chịu bức xạ UV và bền thời tiết. Kết quả thử nghiệm trên nhựa nền và trên mẫu đá nhân tạo cho thấy nhựa PEKN thu được có khả năng chịu bức xạ UV và bền thời tiết vượt trội so với mẫu nhựa Eterset 2447 của hãng Eternal, Đài Loan.
Đã xây dựng và tối ưu chương trình nhiệt cho quá trình tổng hợp nhựa PEKN trên dây chuyền pilot công suất 1000 kg/mẻ. Theo đó, chương trình nhiệt bao gồm 5 giai đoạn nhiệt độ với tốc độ gia nhiệt ở các giá trị đã xác lập, làm cơ sở để xây dựng chương trình kiểm soát nhiệt độ tự động cho dây chuyền quy mô công nghiệp 25000 tấn/năm.
Ý nghĩa kinh tế và thực tiễn
Đã tính toán, thiết kế chế tạo và lắp đặt dây chuyền pilot sản xuất nhựa PEKN công suất 1000 kg/mẻ. Đã lập trình phần mềm tự động kiểm soát nhiệt độ theo chương trình nhiệt 5 giai đoạn như yêu cầu công nghệ.
Đã xây dựng quy trình công nghệ tổng hợp nhựa PEKN và tiến hành sản xuất trên dây chuyền pilot cho thấy quy trình tổng hợp có tính ổn định và độ trùng lặp giữa các mẻ cao
Đã tiến hành sản xuất 14 mẻ nhựa trên dây chuyền pilot, tương ứng với 17.064kg nhựa PEKN có khả năng chịu bức xạ UV và bền thời tiết. Dây chuyền pilot khi hoạt động ổn định, chất lượng nhựa PEKN giữa các mẻ đồng đều, do đó đủ cơ sở để thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa PEKN quy mô công nghiệp với công suất 25.000 tấn/năm.
Sản phẩm nhựa PEKN có các tính chất kỹ thuật, tính chất cơ lý đáp ứng với các yêu cầu để ứng dụng trong sản xuất đá nhân tạo gốc thạch anh. Đặc biệt khả năng chịu UV của nhựa PEKN-ĐT5219 vượt trội so với mẫu Eterset 2447 của hãng Eternal, Đài Loan.
Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 19425/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
https://vista.gov.vn/
