Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu cao su đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất lốp xe ô tô, chiếm hơn 2/3 lượng cao su thiên nhiên sử dụng. Theo báo cáo ngành, elastome chiếm khoảng 15-20% trong tổng sản phẩm polyme, với yêu cầu ngày càng cao về độ bền mài mòn và tính năng cơ lý. Tuy nhiên, các chất độn truyền thống như than đen, mặc dù có khả năng gia cường tốt, lại gây ô nhiễm môi trường và hạn chế về màu sắc sản phẩm. Trong bối cảnh đó, các chất độn nano như nanoclay và silica biến tính được nghiên cứu nhằm nâng cao độ bền mài mòn và cải thiện tính chất cơ lý của hỗn hợp cao su.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát ảnh hưởng của các chất độn nano, đặc biệt là nanoclay và silica biến tính, lên độ bền mài mòn của hỗn hợp cao su butadien-styren và cao su tự nhiên. Nghiên cứu tập trung vào việc xác định chế độ lưu hóa tối ưu, phương pháp trộn hợp, hàm lượng chất độn và ảnh hưởng của các chất biến tính silica lên tính chất cơ lý và độ bền mài mòn. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong giai đoạn 2004-2006, với các mẫu cao su được chế tạo và thử nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN và ASTM.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ chế tạo lốp ô tô "xanh", giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đồng thời nâng cao hiệu suất sử dụng và tuổi thọ sản phẩm. Các chỉ số như độ bền kéo, độ cứng shore A, độ mài mòn và độ trương nở được sử dụng làm thước đo đánh giá hiệu quả của các chất độn nano trong hỗn hợp cao su.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình gia cường lực cho cao su, bao gồm:

  • Thuyết động học của Smallwood và Guth: Mô hình này thiết lập mối quan hệ giữa nồng độ thể tích chất độn và độ cứng của hỗn hợp cao su. Công thức Guth mở rộng biểu diễn sự phụ thuộc của mô đun đàn hồi theo phần thể tích chất độn, giúp giải thích sự tăng cường tính chất cơ học khi tăng hàm lượng chất độn.

  • Lý thuyết biên độ biến dạng của Mullins: Giải thích ứng xử của vật liệu elastome gia cường ở độ biến dạng lớn, mô tả sự phụ thuộc của độ dãn dài hiệu dụng lên nồng độ thể tích chất độn.

Các khái niệm chính bao gồm: elastome, chất độn hoạt tính, mạng lưới không gian của cao su lưu hóa, liên kết ngang, độ bền mài mòn, độ cứng shore A, và độ trương nở trong dung môi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu cao su butadien-styren, cao su butadien, và cao su tự nhiên được phối hợp với các chất độn như than đen HAF, silica biến tính (GPMS, TESPT, EPMA), cacbon nanotube và nanoclay I.28E. Các mẫu được chế tạo bằng hai phương pháp trộn hợp chính:

  • Trộn trên máy luyện hở: Thực hiện sơ luyện cao su, phối hợp các thành phần theo quy trình chi tiết với thời gian từ 1 đến 28 phút, đảm bảo phân tán đồng đều các chất độn và phụ gia.

  • Trộn trên máy luyện kín có gia nhiệt: Tăng tốc độ trộn, cải thiện khả năng phân tán chất độn, giảm kích thước hạt, với thời gian trộn từ 1 đến 3 phút ở nhiệt độ 100°C và vận tốc trục quay 30-45 vòng/phút.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xác định độ bền kéo, độ dãn dài khi đứt, độ dãn dư theo tiêu chuẩn TCVN 4509-88 trên máy Instron với cỡ mẫu tối thiểu 5 mẫu mỗi phép đo.

  • Đo độ cứng shore A theo ASTM 2240A trên máy TECLOCK GS 790N.

  • Xác định độ mài mòn theo tiêu chuẩn DIN 35588 trên máy APGI với lực tỳ 2 kg trong 100 vòng quay.

  • Đo độ trương nở trong dung môi xylen theo TCVN 2752-78.

  • Quan sát cấu trúc bề mặt và mức độ phân tán chất độn bằng kính hiển vi điện tử quét SEM (JSM-6360, Nhật) với hiệu điện thế 15-20 kV.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong 2 năm, từ 2004 đến 2006, với các giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, chế tạo mẫu, thử nghiệm và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế độ lưu hóa tối ưu: Nhiệt độ lưu hóa 150°C và thời gian 35 phút được xác định là tối ưu cho hỗn hợp cao su butadien-styren, với độ bền kéo đạt 16,43 MPa và độ trương nở thấp nhất 202%, phản ánh mật độ khâu mạch cao nhất.

  2. Ảnh hưởng phối hợp cao su butadien và butadien-styren: Khi bổ sung 30% cao su butadien vào cao su butadien-styren, độ bền kéo tăng từ 16,43 MPa lên 19,83 MPa, độ bền mài mòn cải thiện rõ rệt với giá trị giảm từ 0,0652 g xuống 0,0363 g (giảm gần 45%).

  3. Tác động của các chất độn nano: So sánh các chất độn với hàm lượng 10 phần trọng lượng, cacbon nanotube và nanoclay I.28E cho độ cứng shore A lần lượt là 51,76 và 46, độ mài mòn lần lượt 0,0305 g và 0,0335 g, tốt hơn so với than đen HAF (48,57 shore A, 0,035 g) và silica biến tính GPMS (45 shore A, 0,055 g).

  4. Phương pháp chế tạo và vận tốc trộn ảnh hưởng đến phân tán nanoclay: Phương pháp trộn cơ học với vận tốc 100 vòng/phút trong 15 phút cho phân tán nanoclay tốt nhất, giảm kích thước hạt và tăng độ bền mài mòn lên đến 37% so với trộn 4 phút.

  5. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay: Khi hàm lượng nanoclay tăng đến 4 phần trọng lượng, độ mài mòn giảm tối đa, sau đó tăng nhẹ do hiện tượng kết tụ. Độ cứng shore A tăng dần theo hàm lượng nanoclay, từ khoảng 46 đến 48 shore A.

  6. Silica biến tính và tính chất hỗn hợp cao su tự nhiên: Silica biến tính bằng TESPT cho độ bền kéo cao nhất 15,57 MPa, gấp đôi so với GPMS và hơn 2,5 lần so với mẫu không độn. Độ mài mòn thấp nhất 0,0993 g và độ trương nở thấp nhất 366,51%, cho thấy mật độ khâu mạch cao và liên kết tốt giữa silica và cao su.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc lựa chọn chế độ lưu hóa phù hợp là yếu tố quyết định đến tính chất cơ lý của hỗn hợp cao su, đồng thời phối hợp cao su butadien với butadien-styren giúp cải thiện đáng kể độ bền kéo và độ bền mài mòn. Các chất độn nano như cacbon nanotube và nanoclay I.28E thể hiện ưu thế vượt trội so với than đen và silica truyền thống nhờ cấu trúc tinh thể và khả năng phân tán tốt hơn, làm tăng độ cứng và giảm độ mài mòn.

Phương pháp trộn cơ học với vận tốc cao giúp phá vỡ cấu trúc tập hợp của nanoclay, tạo điều kiện cho sự phân tán đồng đều trong pha cao su, từ đó nâng cao tính chất cơ học và độ bền mài mòn. Tuy nhiên, thời gian trộn quá dài có thể gây hiện tượng cắt mạch, làm giảm tính chất vật liệu.

Silica biến tính bằng TESPT không chỉ đóng vai trò chất biến tính bề mặt mà còn tham gia vào quá trình lưu hóa nhờ nhóm lưu huỳnh trong phân tử, tạo liên kết chặt chẽ với cao su, làm tăng mật độ khâu mạch và cải thiện tính chất cơ lý. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của silan trong công nghệ chế tạo lốp "xanh".

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của độ mài mòn và độ cứng theo hàm lượng nanoclay, cũng như ảnh SEM minh họa mức độ phân tán các chất độn trong hỗn hợp cao su.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng chế độ lưu hóa tối ưu: Khuyến nghị sử dụng nhiệt độ lưu hóa 150°C và thời gian 35 phút trong sản xuất hỗn hợp cao su butadien-styren để đạt hiệu suất cơ lý và độ bền mài mòn cao nhất. Chủ thể thực hiện: các nhà máy sản xuất cao su và lốp xe. Thời gian áp dụng: ngay lập tức.

  2. Phối hợp cao su butadien và butadien-styren: Khuyến khích phối hợp 30-50% cao su butadien trong hỗn hợp để nâng cao độ bền kéo và giảm độ mài mòn, giúp tăng tuổi thọ sản phẩm. Chủ thể thực hiện: bộ phận nghiên cứu và phát triển sản phẩm. Timeline: 6-12 tháng để điều chỉnh công thức.

  3. Sử dụng nanoclay làm chất độn gia cường: Ưu tiên sử dụng nanoclay I.28E với hàm lượng khoảng 4 phần trọng lượng, chế tạo bằng phương pháp trộn cơ học với vận tốc 100 vòng/phút và thời gian 15 phút để tối ưu phân tán và tính chất vật liệu. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật sản xuất và phòng thí nghiệm. Timeline: 3-6 tháng thử nghiệm và triển khai.

  4. Ứng dụng silica biến tính TESPT trong cao su tự nhiên: Khuyến nghị sử dụng silica biến tính TESPT để thay thế một phần than đen, nâng cao tính chất cơ lý và giảm ô nhiễm môi trường trong sản xuất lốp xe. Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất vật liệu và doanh nghiệp lốp xe. Timeline: 12 tháng để chuyển đổi công nghệ.

  5. Đào tạo và nâng cao kỹ thuật trộn hợp: Tổ chức đào tạo kỹ thuật trộn hợp trên máy luyện kín và máy luyện hở, tập trung vào kiểm soát vận tốc và thời gian trộn để đảm bảo phân tán chất độn hiệu quả. Chủ thể thực hiện: phòng kỹ thuật và đào tạo. Timeline: 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ vật liệu và hóa học: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về vật liệu cao su và chất độn nano, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất cao su và lốp xe: Tham khảo để cải tiến công thức phối liệu, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tác động môi trường.

  3. Chuyên gia kỹ thuật và quản lý sản xuất: Áp dụng các quy trình trộn hợp và lưu hóa tối ưu, nâng cao hiệu quả sản xuất và kiểm soát chất lượng.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển công nghiệp vật liệu: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ xanh, thúc đẩy ứng dụng vật liệu nano trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nanoclay có ưu điểm gì so với than đen trong gia cường cao su?
    Nanoclay có cấu trúc lớp mỏng, dễ phân tán khi trộn hợp đúng kỹ thuật, giúp tăng độ bền mài mòn và độ cứng mà không gây ô nhiễm môi trường như than đen. Ví dụ, nanoclay I.28E giảm độ mài mòn đến 37% so với trộn ngắn.

  2. Tại sao phải biến tính silica trước khi sử dụng trong cao su?
    Silica có bề mặt chứa nhóm silanol gây hút ẩm và làm giảm tốc độ lưu hóa. Biến tính silica bằng silan như TESPT giúp tăng khả năng tương thích với cao su, cải thiện độ bền kéo và giảm độ trương nở, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Phương pháp trộn hợp nào hiệu quả nhất cho phân tán nanoclay?
    Phương pháp trộn cơ học trên máy luyện kín với vận tốc 100 vòng/phút và thời gian 15 phút được chứng minh là tối ưu, giúp phá vỡ cấu trúc tập hợp nanoclay, phân tán đồng đều và nâng cao tính chất cơ lý.

  4. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay lên tính chất cao su như thế nào?
    Khi hàm lượng nanoclay tăng đến 4 phần trọng lượng, độ mài mòn giảm tối đa, độ cứng tăng dần. Tuy nhiên, vượt quá 10 phần trọng lượng, hiện tượng kết tụ xảy ra làm giảm hiệu quả gia cường.

  5. Làm thế nào để xác định chế độ lưu hóa tối ưu cho hỗn hợp cao su?
    Sử dụng máy đo tốc độ lưu hóa (curometer) khảo sát biên độ biến dạng theo thời gian ở các nhiệt độ khác nhau, kết hợp đo tính chất cơ lý và độ trương nở để chọn nhiệt độ và thời gian lưu hóa cho hiệu suất tốt nhất.

Kết luận

  • Nhiệt độ lưu hóa 150°C và thời gian 35 phút là chế độ tối ưu cho hỗn hợp cao su butadien-styren, đảm bảo độ bền kéo và mật độ khâu mạch cao.
  • Phối hợp cao su butadien với butadien-styren cải thiện đáng kể độ bền kéo và giảm độ mài mòn, nâng cao tuổi thọ sản phẩm.
  • Nanoclay I.28E và cacbon nanotube là các chất độn nano hiệu quả, giúp tăng độ cứng và giảm độ mài mòn so với than đen và silica truyền thống.
  • Silica biến tính TESPT nâng cao tính chất cơ lý của cao su tự nhiên nhờ khả năng liên kết tốt và tham gia lưu hóa.
  • Phương pháp trộn cơ học với vận tốc và thời gian phù hợp là yếu tố then chốt để đạt được phân tán chất độn tối ưu và tính chất vật liệu vượt trội.

Next steps: Triển khai ứng dụng các kết quả nghiên cứu trong sản xuất thực tế, mở rộng nghiên cứu về các loại chất độn nano mới và tối ưu hóa quy trình gia công.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong ngành cao su nên phối hợp để phát triển công nghệ vật liệu xanh, nâng cao chất lượng sản phẩm và bảo vệ môi trường.