Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu polymer blend, đặc biệt là hỗn hợp cao su thiên nhiên (NR) với các loại cao su tổng hợp như nitril butadien (NBR) và dẫn xuất carboxyl hóa của nó (XNBR), đang ngày càng được quan tâm do khả năng kết hợp ưu điểm của từng loại cao su. Với mức tiêu thụ hàng năm khoảng 1,5 triệu tấn và tốc độ tăng trưởng 8-10% mỗi năm, vật liệu blend cao su đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp như kỹ thuật điện, chế tạo máy, hóa chất, và sản phẩm dân dụng. Cao su thiên nhiên có tính chất cơ lý vượt trội nhưng hạn chế về khả năng kháng dầu mỡ và dung môi phân cực, trong khi đó NBR và XNBR có khả năng kháng dầu tốt hơn nhưng cơ tính kém hơn NR. Do đó, việc phối trộn NR với XNBR nhằm nâng cao tính năng cơ lý, khả năng kháng dầu và độ bền nhiệt của vật liệu blend là mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu.

Luận văn tập trung khảo sát ảnh hưởng của phương pháp phối trộn, hàm lượng nanoclay I28, tỷ lệ thành phần cao su NR/XNBR và loại XNBR khác nhau đến các tính chất cơ lý, khả năng kháng dầu và độ bền lão hóa nhiệt của hỗn hợp blend. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM trong năm 2018, với mục tiêu tạo ra vật liệu cao su blend có tính năng phù hợp cho các sản phẩm kỹ thuật yêu cầu cao về bền dầu mỡ và chịu thời tiết. Kết quả nghiên cứu cung cấp số liệu tham khảo đáng tin cậy cho việc phát triển vật liệu cao su kỹ thuật tại Việt Nam, góp phần nâng cao giá trị sử dụng của nguồn nguyên liệu cao su thiên nhiên trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết tương hợp polyme blend: Sự tương hợp giữa các pha polyme quyết định tính chất cơ lý và hóa học của vật liệu blend. Các phương pháp xác định tương hợp bao gồm quan sát nhiệt độ thủy tinh hóa, kính hiển vi điện tử, và phân tích cơ nhiệt động.
  • Mô hình ảnh hưởng của nanoclay trong vật liệu composite: Nanoclay dạng montmorillonite biến tính hữu cơ (I28E) được sử dụng làm chất độn tăng cường, cải thiện tính chất cơ học và khả năng kháng hóa chất của cao su blend nhờ kích thước nano và tương tác phân tử.
  • Khái niệm lưu hóa cao su: Quá trình lưu hóa bằng lưu huỳnh và các chất xúc tiến (TMTD, CBS) tạo liên kết chéo giữa các mạch cao su, ảnh hưởng đến độ bền kéo, độ cứng và độ bền nhiệt của vật liệu.
  • Các khái niệm chính: Cao su thiên nhiên (NR), cao su nitril butadien (NBR), cao su nitril butadien carboxyl hóa (XNBR), nanoclay I28E, tính tương hợp, độ bền kéo, độ trương trong dung môi, độ bền lão hóa nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu gồm NR SVR CV50, NBR Krynac 4975F, XNBR của các hãng Yeishien và Zeon, nanoclay I28E, các phụ gia lưu hóa và hóa dẻo công nghiệp. Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm cơ lý, hóa học và phân tích cấu trúc vật liệu.
  • Phương pháp phân tích: Chế tạo vật liệu blend trên máy trộn kín MX500 và máy cán 2 trục, đánh giá tính chất cơ học (độ bền kéo, độ giãn dài, độ bền xé), đo độ trương trong các dung môi hữu cơ (Acetone, Xăng A95, dầu nhờn), khảo sát độ bền lão hóa nhiệt sau 72 giờ ở 100°C, quan sát cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích cơ nhiệt động (DMA).
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẫu blend được chế tạo với tỷ lệ NR/XNBR thay đổi (từ 100/0 đến 40/60), hàm lượng nanoclay I28E từ 0 đến 8 phr, và sử dụng hai loại XNBR khác nhau để so sánh. Mỗi điều kiện được lặp lại ít nhất ba lần để đảm bảo tính chính xác.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2018, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, chế tạo mẫu, thử nghiệm tính chất và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của phương pháp phối trộn và hàm lượng nanoclay I28E: Máy trộn kín tạo lực ma sát lớn giúp phân tán nanoclay hiệu quả hơn so với máy cán 2 trục. Khi hàm lượng nanoclay tăng từ 0 đến 8 phr, ứng suất kéo tại 100% và 300% tăng lần lượt khoảng 15% và 20%, độ bền xé tăng 18%, chứng tỏ nanoclay cải thiện đáng kể tính cơ học của hỗn hợp blend.

  2. Ảnh hưởng tỷ lệ thành phần NR/XNBR: Tỷ lệ NR/XNBR 60:40 cho tính chất cơ lý và khả năng kháng dầu tốt hơn so với tỷ lệ 50:50 hoặc 40:60. Độ bền kéo của mẫu 60:40 cao hơn khoảng 12% so với 50:50, trong khi độ trương trong dầu nhờn giảm 10%, cho thấy sự cân bằng tối ưu giữa cơ tính và kháng hóa chất.

  3. So sánh tính chất giữa NR/XNBR và NR/NBR: Hỗn hợp NR/XNBR có khả năng kháng dầu và dung môi hữu cơ tốt hơn NR/NBR khoảng 15-20%, tuy nhiên NR/NBR thể hiện độ bền lão hóa nhiệt cao hơn 10% sau 72 giờ thử nghiệm ở 100°C.

  4. Ảnh hưởng của loại XNBR khác nhau: XNBR loại 1 cho độ bền kéo và độ giãn dài cao hơn khoảng 8% so với XNBR loại 2, đồng thời có độ trương trong Acetone thấp hơn 5%, cho thấy sự khác biệt về cấu trúc hóa học ảnh hưởng đến tính chất vật liệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cải thiện tính chất cơ học khi sử dụng nanoclay I28E là do kích thước hạt nano giúp tăng diện tích tiếp xúc và tạo liên kết vật lý mạnh mẽ với ma trận cao su, đồng thời lực ma sát lớn trong máy trộn kín hỗ trợ phân tán đồng đều nanoclay. Tỷ lệ NR/XNBR 60:40 cân bằng giữa tính đàn hồi của NR và khả năng kháng dầu của XNBR, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của nhiều sản phẩm cao su kỹ thuật.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với báo cáo cho thấy blend NR/XNBR có ưu thế về kháng dầu và cơ tính so với NR/NBR, nhưng NR/NBR có lợi thế về độ bền nhiệt. Việc lựa chọn tỷ lệ và loại XNBR cần dựa trên yêu cầu cụ thể của sản phẩm cuối cùng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ ứng suất kéo, độ trương trong dung môi và đồ thị hệ số lão hóa nhiệt để minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình phối trộn: Sử dụng máy trộn kín với lực ma sát lớn để đảm bảo phân tán nanoclay đồng đều, nâng cao tính chất cơ học của vật liệu blend. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể: các nhà sản xuất cao su kỹ thuật.

  2. Điều chỉnh tỷ lệ NR/XNBR: Ưu tiên tỷ lệ 60:40 để đạt hiệu suất cơ lý và kháng dầu tối ưu, phù hợp cho các sản phẩm chịu dầu mỡ và môi trường khắc nghiệt. Thời gian áp dụng: ngay lập tức. Chủ thể: phòng nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

  3. Lựa chọn loại XNBR phù hợp: Ưu tiên sử dụng XNBR loại có độ bền kéo và độ giãn dài cao, đồng thời có khả năng kháng dung môi tốt để nâng cao chất lượng sản phẩm. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: nhà cung cấp nguyên liệu và kỹ sư vật liệu.

  4. Ứng dụng nanoclay I28E làm chất độn: Khuyến khích sử dụng nanoclay I28E với hàm lượng từ 4-8 phr để cải thiện tính năng cơ học và kháng hóa chất của cao su blend. Thời gian: 6-12 tháng. Chủ thể: nhà sản xuất và nhà nghiên cứu vật liệu.

  5. Nghiên cứu bổ sung về độ bền lão hóa nhiệt: Tiếp tục khảo sát các hệ blend NR/XNBR với các chất phụ gia chống lão hóa để nâng cao độ bền nhiệt, mở rộng ứng dụng trong môi trường nhiệt độ cao. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu cao su blend, giúp phát triển các đề tài liên quan đến polymer blend và composite.

  2. Doanh nghiệp sản xuất cao su kỹ thuật: Tham khảo để tối ưu hóa công thức phối trộn, nâng cao chất lượng sản phẩm, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất gioăng, đệm, ống chịu dầu và môi trường khắc nghiệt.

  3. Nhà cung cấp nguyên liệu cao su và phụ gia: Hiểu rõ ảnh hưởng của các loại cao su và nanoclay đến tính chất vật liệu, từ đó tư vấn và phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển công nghiệp vật liệu: Sử dụng kết quả nghiên cứu để định hướng phát triển ngành công nghiệp cao su kỹ thuật trong nước, thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới và nâng cao giá trị gia tăng cho nguồn nguyên liệu nội địa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải phối trộn NR với XNBR thay vì chỉ dùng NR hoặc NBR?
    Phối trộn NR với XNBR kết hợp ưu điểm cơ lý của NR và khả năng kháng dầu, kháng hóa chất của XNBR, khắc phục hạn chế riêng của từng loại cao su, tạo ra vật liệu có tính năng tổng hợp vượt trội.

  2. Nanoclay I28E có vai trò gì trong hỗn hợp blend?
    Nanoclay I28E làm chất độn nano giúp tăng cường tính cơ học, cải thiện khả năng kháng hóa chất và độ bền nhiệt của vật liệu blend nhờ kích thước hạt nhỏ và tương tác phân tử mạnh với ma trận cao su.

  3. Phương pháp phối trộn nào hiệu quả nhất để phân tán nanoclay?
    Máy trộn kín với lực ma sát lớn được chứng minh hiệu quả hơn máy cán 2 trục trong việc phân tán nanoclay đồng đều, từ đó nâng cao tính chất cơ học của vật liệu.

  4. Tỷ lệ NR/XNBR nào là tối ưu cho sản phẩm chịu dầu mỡ?
    Tỷ lệ NR/XNBR 60:40 được xác định là tối ưu, cân bằng giữa tính đàn hồi và khả năng kháng dầu, phù hợp cho nhiều ứng dụng kỹ thuật yêu cầu bền dầu mỡ.

  5. Làm thế nào để nâng cao độ bền lão hóa nhiệt của hỗn hợp blend?
    Có thể bổ sung các chất chống lão hóa như TMQ, điều chỉnh tỷ lệ thành phần và sử dụng các loại XNBR có tính năng bền nhiệt cao để cải thiện độ bền lão hóa nhiệt của vật liệu.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc chế tạo và khảo sát tính chất hỗn hợp cao su NR/XNBR với sự gia cường của nanoclay I28E, cho thấy sự cải thiện rõ rệt về tính cơ học và khả năng kháng dầu.
  • Tỷ lệ phối trộn NR/XNBR 60:40 được xác định là tối ưu cho các sản phẩm cao su kỹ thuật yêu cầu bền dầu và cơ lý tốt.
  • Phương pháp phối trộn bằng máy trộn kín với lực ma sát lớn giúp phân tán nanoclay hiệu quả hơn, nâng cao chất lượng vật liệu.
  • So sánh với NR/NBR, hỗn hợp NR/XNBR có ưu thế về kháng dầu và dung môi, trong khi NR/NBR bền nhiệt hơn, phù hợp với các điều kiện sử dụng khác nhau.
  • Đề xuất các giải pháp ứng dụng và nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao độ bền lão hóa nhiệt và mở rộng ứng dụng vật liệu blend trong công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm cao su kỹ thuật mới, đồng thời tiếp tục nghiên cứu bổ sung về tính bền nhiệt và khả năng tương thích của các loại XNBR khác nhau nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu blend.