MỞ ĐẦU Cà phê Việt Nam được bắt đầu vào năm 1857 bởi người Pháp, đây là một trong những ngành mang lại nhiều giá trị về mặt kinh tế cho nông nghiệp nước nhà. Theo thống kê vào quý 1 năm 2020, xuất khẩu cà phê đạt 489.2 nghìn tấn, trị giá 835. [1] Đồng thời, nhu cầu sử dụng cà phê tại Việt Nam cũng tăng cao thông qua các sản phẩm được chế biến từ hạt cà phê như: cà phê hòa tan, cà phê pha phin, cà phê uống liền, cà phê pha máy. Do việc tiêu thụ lượng cà phê lớn nhưng lại không có cách tận dụng và xử lý phế phẩm là bã cà phê nên sẽ phát sinh nhiều chất thải gây tác động đến môi trường.
Tuy nhiên, bã cà phê lại chứa một lượng lớn các hợp chất hữu cơ (axit béo, lignin, xenlulozo và các polisaccarit khác) và điều này có thể được khai thác để làm các sản phẩm có giá trị. Vì vậy, việc tìm kiếm, nghiên cứu, phát triển tạo ra hay ứng dụng những vật liệu mới, thân thiện với môi trường mà vẫn mang đến những công dụng thực tế cho đời sống con người là rất cần thiết. Thêm vào đó, ngành cao su là một trong những ngành trọng yếu của nền kinh tế Việt Nam, tạo ra được nhiều giá trị về mặt kinh tế và sản xuất ra các sản phẩm phục vụ cho đời sống của con người. Trong ngành chế biến cao su, ngoài thành phần chính là cao su thì còn sử dụng thêm những chất khác để có được những tính chất mà người sử dụng mong muốn.
Với nhu cầu sử dụng những chất thân thiện với môi trường, có tiềm năng cao để thay thế những chất độn truyền thống nhưng vẫn có giá thành thấp, không độc hại, có đặc tính cơ học phù hợp và tận dụng được những phế phẩm có sẵn thì bã cà phê là một sự lựa chọn. Hiện nay, đã có rất nhiều nghiên cứu về việc sử dụng bã cà phê làm phụ gia trong cao su được ra đời, nhằm mục đích tận dụng tối đa nguồn phế phẩm để thay thế phụ gia truyền thống. Các nghiên cứu cụ thể như: “Green Natural Rubber Foam filled with Spent Coffee Grounds” được nghiên cứu bởi Worawan Pechurai, Sitthinan Saengdian và Wanichaya Chairuen, tại Đại học Maejo, Chiangmai, Thái Lan đã sử dụng bã cà phê để dùng làm chất độn cho cao su tự nhiên. Nhóm đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của độn là bã cà phê đến cơ tính và tính chất nhiệt của cao su dạng foam.
“Use of water materials in rubber matrix” được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu từ Khoa Công nghệ công nghiệp xi ở Púchov tại Đại học Alexander Ducek, Cộng hòa Slovakia, nghiên cứu các đặc tính lưu biến và đặc điểm lưu hóa đối với loại cao su không lưu hóa cũng như tính cơ lý và tính chất động lực học của sản phẩm được lưu hóa. Sau khi tìm hiểu tài liệu, kết hợp với những kiến thức đã được trang bị, em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phế phẩm nông nghiệp (bã cà phê) làm phụ gia cho sản phẩm cao su” để nghiên cứu sự ảnh hưởng của bã cà phê đến cao su và ứng dụng để sản xuất sản phẩm cao su phục vụ cho đời sống. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu và ứng dụng được phế phẩm nông nghiệp (bã cà phê) làm phụ gia cho sản phẩm cao su. Sản phẩm đạt những yêu cầu: - Thay thế được các phụ gia truyền thống.
- Tính chất cơ lý được đảm bảo. - Dễ dàng ứng dụng được trong thực tế. - Tận dụng được tối đa lượng bã cà phê. - Có thể đáp ứng được các yêu cầu về độ cứng, mức độ lưu hóa cũng như tương thích tốt với cao su.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Cán trộn và nghiên cứu tính chất của cao su khi có độn là bã cà phê chưa xử lý và bã cà phê đã xử lý. - So sánh các tính chất của độn là bã cà phê với các loại độn truyền thống là CaCO3. Phương pháp nghiên cứu - Giai đoạn 1: Nghiên cứu lý thuyết tổng quan và lý thuyết thực nghiệm. - Giai đoạn 2: Xử lý cơ học bã cà phê và tách dầu.
- Giai đoạn 3: Cán trộn các đơn pha chế với hàm lượng bã cà phê khác nhau. - Giai đoạn 4: Khảo sát các tính chất của cao su dựa trên các phương pháp:chụp SEM, đo cơ tính, FTIR, hệ số lão hóa và tỷ lệ trương nở. - Giai đoạn 5: So sánh với các loại độn truyền thống là CaCO3. xii Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu đáp ứng của bã cà phê được sử dụng trong cao su với vai trò là độn.
Giúp bổ sung vào ngành khoa học vật liệu trong nước các nghiên cứu về độn cao su. Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu ứng dụng của bã cà phê được sử dụng là độn trong cao su giúp tận dụng được phế phẩm nông nghiệp xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Cao su thiên nhiên 1.1 Tổng quan về cao su thiên nhiên Ở thế kỉ XVI, cao su thiên nhiên đã được người Nam Mỹ sử dụng. Sau đó, cây cao su được trồng, phát triển mạnh ở khu vực Châu Á. Tuy nhiên, mãi tới năm 1839 vật liệu cao su mới được sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống.
Đây là mốc thời gian đánh dấu sự ra đời của quá trình lưu hóa cao su (cao su chuyển sang trạng thái đàn hồi). Cao su thiên nhiên được điều chế từ mủ của cây cao su trồng trong tự nhiên. Mủ cao su ở dạng nhũ tương, trong đó có 28% - 40% hạt cao su khô kích thước siêu nhỏ và chuyển động ở trạng thái Browner. Vào năm 1975, nhà khoa học Pháp Bouchardat chứng minh cao su thiên nhiên là một hỗn hợp polymer isoprene (C 5H8)n; những mạch polymer này có mạch carbon rất dài với những nhánh ngang tác dụng như cái móc.
Các mạch đó xoắn lẫn nhau, móc vào bằng những nhánh ngang mà không đứt khi kéo dãn, mạch carbon có xu hướng trở về dạng cũ, do đó sinh ra tính đàn hồi. Cao su thiên nhiên có thành phần hóa học chủ yếu là poly isopren chứa khoảng 94% đồng phân cis-1,4-polyisopren và 6% thành phần phi cao su như: protein, lipid, đường. Công thức cấu tạo của cao su thiên nhiên Về mặt cấu tạo hóa học của cao su tự nhiên là polyisopren – polyme của isopren. Mạch đại phân tử của cao su tự nhiên được hình thành từ các mắt xích isopren đồng phân cis 1 liên kết với nhau ở vị trí 1,4.
Cao su thiên nhiên dễ bị lưu hóa do sự hiện diện của một liên kết đôi trong mạch. Cao su sau khi lưu hóa sẽ có tính đàn hồi, độ bền cơ học cũng tốt hơn.1 Cơ cấu lập thể Sự hiện diện của các nối đôi ở chuỗi giúp phân tử có một đồng phân cis- trans: (đồng phân hình học) Hình 1. Đồng phân lập thể cis-trans của polyisoprene Các polyisoprene tổng hợp thu được gần đây cũng như hydrocarbon cao su thiên nhiên đều có cấu trúc dạng cis (cis - 1,4 - polyisoprene).2 Phân tử khối [2] Trị số có được trong việc xác định phân tử khối cao su rất biến thiên: ít nhất là 10.000, tùy theo quá trình xử lý. Ta cũng nên lưu ý tới các phương pháp dùng để đo phân tử khối.
Người ta thường thực hiện xác định phân tử khối ở những phần có được qua chiết rút cao su bằng dung môi, tránh oxygen hiện hữu. Trị số trung bình tìm thấy ở phần tan nhất là vào khoảng 50.000, trong lúc trị số phân tử khối trung bình tìm thấy cao hơn 200.000 là ở những phần khuếch tán chậm nhất. Thí nghiệm cán cao su (có sự phân cắt phân tử do oxygen gây ra) đã làm cho phân tử khối cao su hạ thấp xuống 25.000; một quá trình cán trộn mạnh hơn hay sự oxy hóa mạnh hơn, phân tử khối hạ xuống tới 10.000 và có thể là kém hơn nữa.2 Tính chất vật lý của cao su thiên nhiên 1.1 Tính chất vật lý [2] Ở nhiệt độ thấp, nó có cấu trúc tinh thể. Cao su thiên nhiên kết tinh với vận tốc nhanh nhất ở -25°C, tinh thể nóng chảy ở 40°C.
Một số thông số của cao su thiên nhiên Khối lượng riêng (kg/m³) 913 Nhiệt độ hóa thủy tinh (Tg): -70°C Hệ số dãn nở thể tích (dm³/°C) −4 656×10 Nhiệt dẫn riêng (w/m°K) 0,14 Nhiệt dung riêng (kJ/kg°K) 1,88 Nửa chu kỳ kết tinh ở -25°C (giờ) 2÷4 Điện trở riêng của cao su thiên nhiên 5.1012 Cao su tự nhiên tan tốt trong các dung môi hữu cơ mạch thẳng, mạch vòng và CCl4. Tuy nhiên, nó không tan trong rượu và xetôn.2 Độ co giãn và đàn hồi Đây là một đặc tính nổi bật của cao su. Xét về vi mô, độ co giãn chính là kết quả của sự sắp xếp các phân tử cao su theo các chuỗi xoắn, nhăn. Khi lực kéo tác động các chuỗi này giãn thẳng và trở về trạng thái ban đầu bằng lực kéo của các liên kết giữa các phân tử cao su.
Độ co giãn này bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, giảm khi nhiệt độ thấp và tăng khi nhiệt độ cao tuy nhiên có giới hạn. Có một đặc tính không mong muốn trong ở đây đó là độ “kết tinh”, đó chính là sự “đông cứng” của các liên kết phân tử, dẫn đến cao su không thể trở về hình dạng ban đầu. 3 Để khắc phục nhược điểm này người ta thực hiện lưu hóa cao su tạo ra liên kết di- và polysulfide giữa các chuỗi, điều này giới hạn tự do, thắt chặt các chuỗi cao su nhanh hơn, do đó làm tăng độ đàn hồi, làm cho cao su cứng hơn và ít giãn hơn.3 Tính chất hóa học 1.1 Phản ứng cộng [2] - Cộng hydrogen Về phản ứng trực tiếp của hydrogen với cao su đã được nhiều người nghiên cứu. Người ta thường hòa tan cao su vào một dung môi và lọc sạch các chất bẩn thiên nhiên để tránh 0 chúng bị phân hủy.
Tổng quát, phải nung nóng nhiều giờ ở nhiệt độ khá cao (150 C đến 0 280 C) dưới áp lực khí hydrogen mạnh, có một tỉ lệ lớn chất xúc tác hiện diện (Pt, Ni). Nhưng ta có thể nói khó mà ngăn cản được phản ứng hủy và phản ứng đồng hoàn xảy ra cùng một lượt và chỉ là ở các điều kiện hoàn toàn đặc biệt ta mới có thể có được cao su hydrogen hóa vẫn còn có phân tử khối lớn, từ 80. Trong trường hợp này, ta có chất thể đặc, vẫn còn giống cao su và có tính đàn hồi; do cấu trúc paraffinic của nó, chúng chịu được oxy hóa và không thể lưu hóa được nữa.