Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp và khoa học vật liệu hiện đại, việc nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu polymer blend ngày càng được quan tâm nhằm đáp ứng yêu cầu sản xuất với tính năng ưu việt và chi phí hợp lý. Cao su nitril butadien (NBR) và cao su ethylen propylene dien monomer (EPDM) là hai loại cao su có tính chất khác biệt về phân cực, được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chịu tác động của môi trường hóa học và cơ học. Theo ước tính, việc phối trộn hai loại cao su này với các chất hóa dẻo và chất tương hợp nhằm cải thiện tính chất cơ lý, khả năng kháng dung môi và độ bền chịu thời tiết là một hướng nghiên cứu thiết thực và có ý nghĩa kinh tế xã hội lớn.

Luận văn tập trung khảo sát ảnh hưởng của các chất hóa dẻo DOP, chất tương hợp PE-g-MA và MA-F50 đến tính chất của hỗn hợp cao su NBR-EPDM với các tỷ lệ thành phần khác nhau, đặc biệt là tỷ lệ NBR/EPDM 80:20 được xác định cho hiệu suất cơ lý và kháng dung môi tốt nhất. Nghiên cứu được thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2021, với mục tiêu xây dựng cơ sở khoa học cho việc sản xuất vật liệu cao su blend có tính bền cơ học, kháng dung môi và chịu lão hóa tốt, phục vụ cho các ứng dụng kỹ thuật cao cấp như sản xuất gioăng, phớt, linh kiện chịu dầu và môi trường khắc nghiệt.

Các chỉ số đánh giá bao gồm độ bền kéo, độ giãn dài, độ bền xé, khả năng kháng dung môi MEK và xăng, cùng với phân tích cấu trúc vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ hồng ngoại (FTIR). Kết quả nghiên cứu cung cấp dữ liệu định lượng và định tính quan trọng, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và ứng dụng vật liệu cao su blend trong công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu polymer blend, trong đó:

  • Khái niệm polymer blend: Vật liệu được cấu tạo từ hai hoặc nhiều loại polymer khác nhau, có thể hòa tan hoàn toàn, bán hòa tan hoặc không hòa tan, ảnh hưởng đến tính chất cơ lý và hóa học của sản phẩm cuối cùng.

  • Tính chất phân cực của cao su: NBR là cao su phân cực nhờ nhóm nitril, trong khi EPDM là cao su không phân cực, điều này ảnh hưởng đến khả năng tương hợp và phân tán pha trong hỗn hợp.

  • Vai trò của chất tương hợp (compatibilizer): PE-g-MA và MA-F50 là các chất tương hợp có khả năng cải thiện sự liên kết giữa các pha polymer phân cực và không phân cực, từ đó nâng cao tính đồng nhất và tính chất cơ lý của blend.

  • Ảnh hưởng của chất hóa dẻo (plasticizer): DOP được sử dụng để làm mềm cao su, tăng khả năng gia công và cải thiện tính linh hoạt của vật liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: tính tương hợp pha, cấu trúc hình thái vật liệu blend, cơ chế liên kết chéo và ảnh hưởng của các chất phụ gia đến tính chất vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm thu thập từ các mẫu cao su blend được pha trộn với tỷ lệ NBR/EPDM khác nhau (100/0, 80/20, 60/40, 40/60, 20/80, 0/100) cùng với các thành phần phụ gia như ZnO, acid stearic, chất chống lão hóa 6-PPD, than N330, DOP, paraffin, CBS, PE-g-MA và MA-F50.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích cơ lý: Đo độ bền kéo, độ giãn dài, độ bền xé theo tiêu chuẩn ASTM D 4857-91 và TCVN 2229-77.

  • Phân tích cấu trúc: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát phân tán pha và cấu trúc bề mặt vật liệu; phổ hồng ngoại (FTIR) để xác định liên kết hóa học và tương tác giữa các thành phần.

  • Phân tích nhiệt: Sử dụng phương pháp DSC để xác định nhiệt độ chuyển thủy tinh và các đặc tính nhiệt khác.

  • Thời gian nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2021 tại phòng thí nghiệm chuyên ngành kỹ thuật vật liệu của Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

Cỡ mẫu được lựa chọn phù hợp với từng tỷ lệ pha trộn, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả. Phương pháp chọn mẫu theo phương pháp ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm giảm thiểu sai số. Các phép thử được lặp lại ít nhất ba lần để đảm bảo tính chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tỷ lệ pha trộn NBR/EPDM 80:20 cho tính chất cơ lý tối ưu
    Mẫu blend NBR/EPDM với tỷ lệ 80:20 đạt độ bền kéo cao nhất, khoảng 15 MPa, vượt trội so với các tỷ lệ khác. Độ giãn dài đạt khoảng 400%, trong khi các tỷ lệ khác dao động từ 250-350%. Độ bền xé cũng cao hơn khoảng 20% so với mẫu 60:40 và 40:60.

  2. Ảnh hưởng của chất tương hợp PE-g-MA và MA-F50
    Việc bổ sung PE-g-MA và MA-F50 làm tăng tính đồng nhất của hỗn hợp, giảm ma sát và lực cản trong quá trình trộn. Mẫu có chất tương hợp cho thấy độ bền kéo tăng thêm khoảng 10%, đồng thời cải thiện khả năng kháng dung môi, đặc biệt với dung môi xăng.

  3. Khả năng kháng dung môi khác biệt theo tỷ lệ pha trộn
    Mẫu 80:20 có khả năng kháng dung môi xăng tốt nhất, giảm khối lượng chỉ khoảng 5% sau 48 giờ ngâm, trong khi mẫu cùng tỷ lệ lại giảm khối lượng đến 12% khi ngâm trong MEK. Điều này cho thấy sự khác biệt về tính tương thích và cấu trúc pha ảnh hưởng đến khả năng kháng dung môi.

  4. Phân tích cấu trúc bằng SEM và FTIR
    Hình ảnh SEM cho thấy sự phân tán tốt của pha EPDM trong ma trận NBR ở tỷ lệ 80:20, với kích thước hạt pha nhỏ và phân bố đều. Phổ FTIR xác nhận sự tương tác hóa học giữa các pha và chất tương hợp, thể hiện qua các đỉnh hấp thụ đặc trưng ở vùng 1441,9 cm⁻¹ và 1462,5 cm⁻¹, tương ứng với liên kết giữa cao su và nanosilica.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả trên xuất phát từ tính chất phân cực khác biệt giữa NBR và EPDM, trong đó NBR có tính phân cực cao hơn nhờ nhóm nitril, còn EPDM là cao su không phân cực, bão hòa. Việc sử dụng chất tương hợp PE-g-MA và MA-F50 giúp cải thiện sự liên kết giữa hai pha, giảm ma sát và tăng khả năng phân tán, từ đó nâng cao tính chất cơ lý và kháng dung môi.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với báo cáo của một số công trình nghiên cứu cho thấy tỷ lệ pha trộn 80:20 là tối ưu cho các ứng dụng yêu cầu độ bền và kháng dung môi cao. Việc giảm khả năng kháng dung môi MEK ở tỷ lệ này có thể do cấu trúc pha và sự tương tác hóa học kém bền vững với dung môi phân cực mạnh.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ bền kéo, độ giãn dài và khối lượng giảm sau ngâm dung môi, cùng bảng phân tích FTIR và ảnh SEM minh họa cấu trúc vật liệu. Những kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế vật liệu cao su blend phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và môi trường sử dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỷ lệ pha trộn NBR/EPDM ở 80:20
    Khuyến nghị áp dụng tỷ lệ này trong sản xuất để đạt hiệu suất cơ lý và kháng dung môi tốt nhất, đặc biệt cho các sản phẩm chịu dầu và môi trường hóa chất.

  2. Sử dụng chất tương hợp PE-g-MA hoặc MA-F50 kết hợp với DOP
    Đề xuất bổ sung các chất này nhằm cải thiện tính đồng nhất và giảm ma sát trong quá trình trộn, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng. Thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng đầu tiên của quy trình sản xuất.

  3. Kiểm soát chất lượng nguyên liệu và quy trình trộn
    Đề nghị xây dựng quy trình kiểm soát chặt chẽ về cỡ hạt, nhiệt độ và thời gian trộn để đảm bảo phân tán pha tốt, giảm thiểu ma sát sinh nhiệt gây lão hóa vật liệu.

  4. Nghiên cứu thêm về khả năng kháng dung môi MEK
    Khuyến nghị thực hiện các nghiên cứu bổ sung nhằm cải thiện khả năng kháng dung môi MEK, có thể thông qua điều chỉnh thành phần hoặc bổ sung chất phụ gia mới. Thời gian nghiên cứu dự kiến 12 tháng.

Các giải pháp trên cần được phối hợp thực hiện bởi bộ phận nghiên cứu phát triển, sản xuất và kiểm soát chất lượng nhằm đảm bảo hiệu quả và tính khả thi trong thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật vật liệu
    Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm quý giá về vật liệu cao su blend, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất cao su kỹ thuật
    Các công ty sản xuất gioăng, phớt, linh kiện chịu dầu và môi trường hóa chất có thể áp dụng kết quả để cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và giảm chi phí.

  3. Chuyên gia phát triển sản phẩm và kỹ sư công nghệ
    Thông tin về ảnh hưởng của chất tương hợp và chất hóa dẻo giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và lựa chọn nguyên liệu phù hợp.

  4. Cơ quan quản lý và kiểm định chất lượng vật liệu
    Cung cấp tiêu chuẩn tham khảo về tính chất cơ lý và kháng dung môi của vật liệu cao su blend, phục vụ công tác đánh giá và cấp phép sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn tỷ lệ NBR/EPDM 80:20 là tối ưu?
    Vì tỷ lệ này cho độ bền kéo cao nhất khoảng 15 MPa và độ giãn dài đến 400%, đồng thời kháng dung môi xăng tốt hơn các tỷ lệ khác, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.

  2. Chất tương hợp PE-g-MA và MA-F50 có vai trò gì?
    Chúng cải thiện sự liên kết giữa pha phân cực và không phân cực, giúp phân tán đồng đều, giảm ma sát và tăng tính bền cơ học của vật liệu.

  3. Tại sao khả năng kháng dung môi MEK lại thấp hơn?
    Do MEK là dung môi phân cực mạnh, có thể phá vỡ liên kết giữa các pha trong blend, đặc biệt ở tỷ lệ 80:20, làm giảm khả năng kháng dung môi.

  4. Phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu được sử dụng là gì?
    Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát cấu trúc bề mặt và phổ hồng ngoại (FTIR) để xác định các liên kết hóa học và tương tác giữa các thành phần.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất thực tế không?
    Có, kết quả cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để doanh nghiệp tối ưu hóa công thức và quy trình sản xuất vật liệu cao su blend chất lượng cao.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định tỷ lệ pha trộn NBR/EPDM 80:20 là tối ưu cho tính chất cơ lý và kháng dung môi xăng.
  • Chất tương hợp PE-g-MA và MA-F50 cùng với chất hóa dẻo DOP đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính đồng nhất và hiệu suất vật liệu.
  • Khả năng kháng dung môi MEK cần được nghiên cứu thêm để nâng cao hiệu quả sử dụng trong môi trường hóa chất đa dạng.
  • Phương pháp phân tích SEM và FTIR cung cấp bằng chứng rõ ràng về cấu trúc và tương tác pha trong vật liệu blend.
  • Đề xuất các giải pháp ứng dụng và nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện công nghệ sản xuất vật liệu cao su blend chất lượng cao.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai các đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và mở rộng ứng dụng vật liệu trong công nghiệp hiện đại.