CHLB ĐỨC – Polyurethane (PUR) (1) có mặt trong rất nhiều sản phẩm như nội thất bọc nệm, bọt xốp và vật liệu cách nhiệt, sơn sàn nhà, chất phủ bề mặt, và thậm chí cả ống thông dùng trong y tế. Tuy nhiên, quá trình sản xuất PUR lại cần có isocyanate (2), một chất độc hại. Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại viện Fraunhofer đã phát triển thành công một quy trình sản xuất thay thế.
(1) Polyurethane (viết tắt là PU hoặc PUR): là một loại polymer tổng hợp đa năng, được cấu tạo từ các liên kết urethane, tồn tại dưới nhiều dạng như bọt xốp, cao su, nhựa nhiệt dẻo, hay lớp phủ. PU nổi bật với độ bền cực cao, chịu mài mòn, đàn hồi tốt và khả năng chống thấm nước.
(2) Isocyanate: là một nhóm chất hoá học (một phần cấu trúc đặc biệt trong phân tử) chứa nitơ (N), carbon (C), và oxy (O) liên kết theo dạng tuyến tính, có khả năng phản ứng mạnh với nhiều chất khác, đặc biệt là các hợp chất chứa nhóm -OH hoặc -NH2.

Các hợp chất hóa học thuộc nhóm isocyanate vốn mang độc tính và có thể gây dị ứng hoặc hen suyễn. Dù vậy, chúng vẫn không thể thiếu đối với ngành công nghiệp hóa chất: vai trò chính của chúng là dùng để sản xuất PUR. Loại nhựa này rất linh hoạt và do đó được ứng dụng trong vô số sản phẩm. Mặc dù sản phẩm cuối cùng không còn chứa isocyanates, quá trình sản xuất vẫn đòi hỏi các biện pháp phòng ngừa an toàn đặc biệt nhằm bảo vệ con người và tránh các nguy cơ gây hại cho sức khỏe. Trong dự án “CO2NIPU” (polyurethane không chứa isocyanate, viết tắt là NIPU), các nhà nghiên cứu tại viện Fraunhofer lần đầu tiên đã thành công trong việc sản xuất polyurethane mà không cần sử dụng đến isocyanate.

Dicarbamate được dùng làm chất thay thế cho isocyanate
Để đạt được điều này, trưởng dự án Tiến sĩ Christoph Herfurth đến từ viện nghiên cứu polyme ứng dụng Fraunhofer (IAP – applied polymer research) cùng đội ngũ của mình đã thay thế isocyanate bằng dicarbamate (*), một chất vô hại. Quy trình cải tiến này giúp việc sản xuất nhựa trở nên đơn giản và an toàn hơn, đồng thời nhân viên không cần phải trải qua các khóa đào tạo đặc biệt để bảo vệ bản thân khỏi chất độc hại. Một ưu điểm khác là quy trình này tạo ra ít khí thải nhà kính hơn, do các nhà nghiên cứu đã tận dụng carbon dioxide để sản xuất dicarbamate. Ngoài ra, họ cũng đang phát triển các phương pháp tái chế nhằm tái sử dụng các vật liệu PUR đã qua sử dụng.
(*) Dicarbamate: là một hợp chất chứa hai nhóm carbamate (urethane) trong cùng một phân tử. Nhóm carbamate hình thành khi một isocynate phản ứng với một hợp chất có nhóm -OH, hoặc sử dụng CO2 để tạo ra carbamate (thông qua các quy trình trung gian).

Cấu trúc phân tử đồng nhất (giống hệt nhau)
Bên cạnh viện Fraunhofer IAP, dự án hợp tác CO2NIPU còn có sự tham gia của viện công nghệ hóa học Fraunhofer (ICT – Fraunhofer institute for chemical technologies), viện công nghệ sản xuất và nghiên cứu vật liệu tiên tiến Fraunhofer (IFAM – Fraunhofer institute for manufacturing technology and applied materials research), và viện công nghệ môi trường, an toàn và năng lượng Fraunhofer (UMSICHT – Fraunhofer institute for environmental, safety, and energy technology). Tiến sĩ Herfurth nhấn mạnh những ưu điểm của dự án mang tính đột phá này: “Polyurethane được tổng hợp từ dicarbamate có cấu trúc phân tử hoàn toàn đồng nhất với nhựa PUR truyền thống được làm từ isocyanate. Điều này cho phép nhóm nghiên cứu kế thừa những kiến thức chuyên môn sẵn có để đạt được các đặc tính vật liệu mong muốn cho sản phẩm cuối cùng hoặc ứng dụng thực tế.”

Tinh chỉnh đặc tính vật liệu bằng hệ thống mô-đun
Các nhà nghiên cứu đã phát triển quy trình tổng hợp polyurethane từ dicarbamate sâu hơn, nhằm hướng đến tính khả thi trong quy mô công nghiệp. Các loại hóa chất khác nhau được pha trộn theo tỷ lệ cụ thể để tạo ra những đặc tính như mong muốn. Chất kéo dài chuỗi (chain extenders) (*) giúp liên kết chéo các nhóm phân tử, mang lại đặc tính đàn hồi hoặc bám dính. Polymer diol giúp làm mềm nhựa, trong khi dicarbamate, được sử dụng để thay thế isocyanate, sẽ khởi động quá trình phản ứng hóa học. Sau khi trộn đều, các hóa chất này được nung chảy và khuấy ở nhiệt độ từ 180 đến 190 độ C. Sau khi để nguội, các chuyên gia sẽ tiến hành kiểm tra các đặc tính như độ bền kéo hoặc độ đàn hồi.
(*) Chain extenders: là các hợp chất hóa học có trọng lượng phân tử thấp, được sử dụng trong quá trình tổng hợp polymer (như polyurethane) để liên kết các đoạn mạch polymer ngắn lại với nhau, tạo thành một chuỗi phân tử dài và bền vững hơn.

Giảm thiểu chất thải và hạn chế sự biến động về chất lượng
Isocyanate có hoạt tính rất cao, đó là lý do tại sao các polyurethane truyền thống thường hình thành chỉ trong vài phút. Khi sử dụng dicarbamate có hoạt tính thấp hơn, quá trình này mất từ sáu đến tám giờ, nhưng nhờ vậy quy trình lại dễ dàng giám sát và kiểm soát hơn nhiều. Điều này giúp giảm thiểu lượng phế phẩm và hạn chế sự biến động về chất lượng trong quá trình sản xuất.

Nền kinh tế tuần hoàn cho ngành công nghiệp nhựa
Dicarbamate được sản xuất tại đơn vị đối tác của dự án là viện Fraunhofer UMSICHT bằng quy trình áp suất cao. Ở áp suất 50 bar, methanol và khí nhà kính CO2 được tổng hợp với diamine để tạo thành dicarbamate. Trong khi đó, viện Fraunhofer ICT phát triển các quy trình tái chế cho các polyurethane đã qua sử dụng như từ bọt xốp cũ, để sau đó tái chế thành các sản phẩm PUR mới. Tiến sĩ Herfurth nói rằng: “Bằng cách này, nhóm nghiên cứu góp phần vào mục tiêu xây dựng một nền kinh tế tuần hoàn bền vững và không phát thải khí nhà kính.” 

Những ứng dụng đầu tiên
Đối với ứng dụng đầu tiên, các nhà nghiên cứu tại viện Fraunhofer hướng tới việc sản xuất ống thông tương thích sinh học trong lĩnh vực công nghệ y tế. Viện Fraunhofer IFAM tận dụng hệ thống mô-đun linh hoạt này để phát triển các loại chất kết dính dùng cho việc gắn kim tiêm vào ống dẫn.

NIPU từ Schkopau
Công nghệ sản xuất polyurethane không chứa isocyanate giờ đây đã có thể ứng dụng ở quy mô công nghiệp. Tiến sĩ Herfurth chia sẻ: “Nhóm nghiên cứu đã có thể sản xuất vài kilôgam NIPU tại nhà máy thử nghiệm. Trong bước tiếp theo, vài trăm kilôgam NIPU có thể được sản xuất tại trung tâm nhà máy thí điểm Fraunhofer tổng hợp và xử lý polyme (PAZ – Fraunhofer pilot plant center for polymer synthesis and processing) ở vùng Schkopau (tại miền trung nước Đức).”

Để xem các tin bài khác về “Polyurethane”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Hannover Messe

Lưu ý: 

Để xem và khai thác hiệu quả nội dung của video clip nói trên (từ YouTube/ một dịch vụ của Google), Quý vị có thể thực hiện các bước sau:
1. Nếu tốc độ internet nhanh, có thể mở chế độ xem toàn màn hình bằng cách nhấn vào khung [ ] tại góc phải (phía dưới góc phải của video)
2. Chọn chế độ hình ảnh tốt nhất của đoạn video, hãy click vào hình bánh xe răng cưa và chọn chất lượng cao hơn (hoặc HD) theo ý muốn
3. Để hiển thị nội dung phụ đề, nhấn vào nút biểu tượng phụ đề [cc]. Một số video không có chức năng này sẽ không có biểu tượng phụ đề.
4. Quý vị có thể nghe hiểu tiếng Anh và có nhu cầu chia sẻ thông tin đến cộng đồng, hãy hỗ trợ techMAG biên dịch nội dung video và gửi cho chúng tôi để có cơ hội đăng thông tin lên technologyMag.net