Nghiên cứu nâng cao tính năng cơ lý kỹ thuật cho vật liệu cao su thiên nhiên bằng phụ gia nano

Nghiên cứu phối hợp phụ gia nano nhằm nâng cao tính năng cơ lý cho cao su thiên nhiên và các blend, mở ra ứng dụng mới trong công nghiệp.

• Tác giả: Trần Hữu Quang
• Người hướng dẫn: GS. Đỗ Quang Kháng
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ
• Đề tài: Nghiên cứu phối hợp phụ gia nano để nâng cao tính năng cơ lý, kỹ thuật cho vật liệu cao su thiên nhiên và một số blend của nó
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4. KẾT LUẬN
• 5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Cao su, với vai trò quan trọng trong đời sống và công nghiệp, luôn là đối tượng được nghiên cứu và phát triển không ngừng. Cao su thiên nhiên (CSTN) với những ưu điểm vượt trội về tính năng cơ học như độ đàn hồi, khả năng chịu mài mòn, được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, CSTN cũng có những hạn chế nhất định. Do đó, nâng cao tính năng cho CSTN là mục tiêu hướng đến của nhiều nghiên cứu. Trong xu thế chung của công nghệ nano, phụ gia nano mở ra hướng đi đầy hứa hẹn cho việc cải thiện tính năng của vật liệu cao su.

1.1. Tổng quan về cao su và ứng dụng

Bài viết tập trung vào việc nâng cao tính năng cao su thiên nhiên bằng phụ gia nano. Cao su thiên nhiên, cao su tổng hợp như cao su butadien, cao su styren butadien, cao su etylen propylen dien monome, cùng với cao su blend là những nguyên liệu cao su phổ biến, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ vật liệu, người ta ngày càng yêu cầu cao hơn về chất lượng cao su.

1.2. Vật liệu nanocompozit và phụ gia nano

Công nghệ nano đã tạo ra bước đột phá trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Vật liệu polyme nanocompozit, đặc biệt là cao su nanocompozit, với tính năng được cải thiện, đang thu hút sự quan tâm đặc biệt. Phụ gia nano, với kích thước siêu nhỏ và cấu trúc đặc biệt, khi được phân tán trong chất lượng cao su, có khả năng nâng cao hiệu suất của vật liệu. Các phụ gia cho cao su như ống nano carbon, nanosilica, oligome Silsesquioxane đa diện, phụ gia nano sinh học, … đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi.

II. Tình hình nghiên cứu

Việc nghiên cứu, phát triển sản phẩm cao su nanocompozit đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam.

2.1. Trên thế giới

Các nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện tính năng như tính năng cơ học, tính năng chịu nhiệt, tính năng chống mài mòn… cho vật liệu cao su bằng cách sử dụng các phụ gia nano. Cao su nanocompozit đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong sản xuất lốp xe, màng, và các sản phẩm y tế.

2.2. Ở Việt Nam

Việt Nam là quốc gia có sản lượng cao su thiên nhiên lớn. Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano nâng cao tính năng cho nguyên liệu cao su, tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao, góp phần nâng cao hiệu suất sản xuất, giảm thiểu ô nhiễm môi trường là hướng đi cần được đẩy mạnh.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Bối cảnh khoa học của đề tài bắt nguồn từ nghịch lý lớn trong ngành công nghiệp vật liệu đàn hồi tại Việt Nam. Dù từ năm 2013, "Việt Nam đã đứng thứ 3 trên thế giới nước về sản xuất và xuất khẩu cao su thiên nhiên (CSTN), chiếm tới 8,1% tổng sản lượng cao su thế giới", phần lớn sản lượng vẫn ở dạng xuất khẩu nguyên liệu thô với giá trị gia tăng thấp. Ngược lại, trong nước lại thiếu hụt trầm trọng các sản phẩm cao su kỹ thuật cao cấp, đặc biệt là vật liệu làm mặt lốp xe tải nặng, băng tải chịu nhiệt và gioăng đệm làm việc trong môi trường kiềm, dẫn đến việc phải nhập khẩu với chi phí đắt đỏ. CSTN với thành phần chủ yếu là cis-1,4-polyisopren sở hữu độ đàn hồi vượt trội và độ bền kéo tự nhiên cao do khả năng kết tinh khi kéo dãn, nhưng lại bộc lộ các nhược điểm cố hữu: kém bền nhiệt, dễ bị oxy hóa lão hóa, độ bền mài mòn chưa tối ưu, và đặc biệt là hiện tượng tích tụ nhiệt nội sinh (heat build-up) lớn khi chịu ứng suất động học ma sát quay liên tục.

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi được xác định rõ: Các giải pháp gia cường truyền thống chủ yếu dựa trên than đen vi mô (Carbon Black - CB) ở hàm lượng cao (>40 phr), điều này dẫn đến lực cản lăn lớn, sinh nhiệt cao và làm giảm tuổi thọ làm việc của vật liệu. Trong khi đó, việc ứng dụng các hạt phụ gia kích thước nanomet riêng lẻ như nanosilica (NS) hay ống nano carbon (CNT) thường gặp trở ngại nghiêm trọng về sự kết tụ cục bộ, tương tác liên pha kém tương thích giữa chất vô cơ ưa nước và nền cao su hữu cơ kỵ nước. Các công trình trước đây của Rattanasom et al. (2007) hay Young Chun Ko & Gayoung Park (2013) mới chỉ dừng lại ở khảo sát tương quan cơ tính tĩnh của hệ NS/CB trên nền CSTN đơn lẻ, chưa giải quyết được bài toán phân tán đồng thời mạng lai nano đa cấp (0D nanosilica, 1D CNT, 3D carbon black aggregates) trên các nền blend dị thể CSTN/BR và CSTN/EPDM nhằm triệt tiêu nhiệt nội sinh và tăng cường độ bền hóa lý đặc thù.

Luận án của nghiên cứu sinh Trần Hữu Quang (Chuyên ngành Hóa hữu cơ, Học viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn của GS. Đỗ Quang Kháng và TS. Đỗ Trung Sỹ) đặt ra 4 câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết khoa học:

• RQ1: Cơ chế biến tính bề mặt nanosilica bằng tác nhân silan hóa Bis-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-tetrasulfide (TESPT) và gắn polyetylen glycol lên ống nano carbon (CNT-PEG) tác động như thế nào đến khả năng tương hợp và phân tán trong pha cao su?
  Giả thuyết H1: Các nhóm chức hữu cơ hoạt tính trên bề mặt nano tạo liên kết cộng hóa trị kép với chuỗi polyme trong quá trình lưu hóa, ngăn chặn hiện tượng kết tụ và giảm thiểu tương tác filler-filler.
• RQ2: Sự phối hợp hiệp đồng giữa nanosilica biến tính (NSTESPT), than đen và CNT-PEG ảnh hưởng ra sao đến tính năng cơ lý, độ dẫn nhiệt và tốc độ tích tụ nhiệt bề mặt do ma sát quay của blend CSTN/BR?
  Giả thuyết H2: Mạng lưới nano lai tạo kênh dẫn nhiệt phonon liên tục, giúp nâng cao độ dẫn nhiệt và giảm nhiệt nội sinh trên 40% so với hệ độn truyền thống.
• RQ3: Sự kết hợp giữa NSTESPT, than đen và bari sulfat ($BaSO_4$) tác động như thế nào đến độ bền nhiệt và tính kháng kiềm của blend CSTN/EPDM?
  Giả thuyết H3: Cấu trúc mạng nano phân tán chọn lọc bảo vệ chuỗi liên kết đôi không bão hòa của CSTN dưới tác động của môi trường kiềm đậm đặc và nhiệt độ cao.
• RQ4: Phụ gia nano phối hợp kiểm soát động học phân hủy của chất tạo xốp và hình thái vi lỗ xốp trong cao su xốp CSTN như thế nào?
  Giả thuyết H4: Các hạt nano đóng vai trò là tâm tạo mầm dị thể, điều hòa tốc độ giải phóng khí và tạo mạng ô xốp kín đồng nhất với kích thước micromet.

Khung lý thuyết của luận án được xây dựng dựa trên sự tích hợp giữa Thuyết đàn hồi mạng lưới cao su Flory-Rehner, Thuyết hiệu ứng Payne về động học phá vỡ cấu trúc chất độn, và Lý thuyết liên kết chéo qua cầu nối polysulfide của Wolff-Luginsland. Phạm vi nghiên cứu bao quát các hệ mẫu thực nghiệm từ CSTN định chuẩn SVR 3L, cao su butadien (BR), cao su etylen propylen dien monome (EPDM), kết hợp hệ xúc tiến lưu hóa bán hiệu quả (semi-EV), đem lại đóng góp đột phá trong việc cải thiện toàn diện cơ tính, giảm độ mài mòn >25%, giảm nhiệt độ bề mặt ma sát quay 8–10°C và duy trì độ bền hóa học trên 88% sau lão hóa kiềm.

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu về vật liệu đàn hồi nanocompozit đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển với những đóng góp quan trọng từ các nhóm nghiên cứu quốc tế và trong nước. Trong lĩnh vực gia cường bằng silica nano, Peng et al. (2007) đã chứng minh việc tổng hợp nanosilica biến tính bằng phản ứng Stöber giúp phân tán đồng đều ở dải kích thước 60–150 nm, nâng độ bền kéo đứt của CSTN từ 15,1 MPa lên 26,3 MPa ở hàm lượng 4% khối lượng. Tiếp đó, Saowaroj Chuayjuljit et al. (2012) chế tạo thành công hạt lai nano polysulfide-nanosilica (PSf-NS) kích thước 40 nm, ghi nhận khi đưa 3–9 phr hạt lai vào CSTN thì "tính chất cơ học (như độ bền kéo khi đứt, modul kéo) của CSTN tăng lên 300%". Đối với ống nano carbon, từ phát hiện nền tảng của Iijima (1991), Bokobza (2007) và Fritzsche et al. (2008) đã chỉ ra MWCNT tạo ra bước nhảy vọt về modul đàn hồi và tính dẫn điện thông qua cơ chế vượt ngưỡng thấm (percolation threshold).

Về hướng tiếp cận phối hợp đa chất độn (hybrid fillers), nhiều tranh luận học thuật sâu sắc đã diễn ra. Luồng quan điểm thứ nhất ủng hộ việc duy trì than đen làm chất độn chủ đạo do cấu trúc cluster dẫn điện và tương tác phân tán van der Waals mạnh mẽ với chuỗi polyisopren. Luồng quan điểm thứ hai khẳng định việc thay thế từng phần than đen bằng nanosilica biến tính silan là giải pháp duy nhất giải quyết bài toán "Tam giác ma thuật" (Magic Triangle) trong kỹ thuật săm lốp: cân bằng giữa độ bám đường ướt, lực cản lăn thấp và độ chống mài mòn. Điển hình, Ika Maria Ulfah et al. (2015) kết luận tỷ lệ phối hợp CB/NS ở mức 40/20 phr là tối ưu cho độ bền kéo và độ mài mòn của CSTN, nhưng lại khiến độ cứng suy giảm. Ngược lại, Rattanasom et al. (2007) đề xuất tỷ lệ CB/NS là 20/30 phr (sử dụng silica Hi-Sil 233 diện tích bề mặt 150 $m^2/g$), trong khi Young Chun Ko & Gayoung Park (2013) dùng Coupsil 8108 và CB N330 lại khuyến nghị tỷ lệ 30–40/20–10 phr để tối đa hóa độ bền xé rách. Gần đây, Bin Dong et al. (2014) khảo sát dải tỷ lệ NS/CB từ 0/42 đến 24/26 phr và chứng minh nanosilica giúp phân tán ứng suất vi mô, giảm hiện tượng mỏi uốn nứt bên trong cấu trúc cao su.

Tại Việt Nam, các công trình của Đặng Việt Hưng (2010, 2012) tập trung vào phối trộn huyền phù nanosilica trong mủ latex tạo masterbatch 40%, Thái Hoàng và Đỗ Quang Thẩm (2010) khảo sát compozit EVA/silica sol-gel, Hoàng Thị Hòa (2012, 2017) nghiên cứu nanosilica trên nền BR và EPDM với hàm lượng tối ưu 20–30 phr. Về CNT, Đỗ Thị Mai Hương et al. (2010) và Nguyễn Tuấn Anh et al. (2014) khảo sát biến tính MWCNT bằng hỗn hợp axit $H_2SO_4/HNO_3$, trong đó Nguyễn Tuấn Anh ghi nhận trên nền blend CSTN/BR (70/30), "ở hàm lượng MWCNT là 3 pkl thì vật liệu nanocompozit trên cơ sở blend CSTN/BR chế tạo được có tính chất cơ học đạt giá trị tốt nhất, khi đó, độ dãn dài khi đứt, độ bền xé rách và độ bền mài mòn tăng lần lượt là 9,8%, 12% và 24,2%".

Vị thế khoa học của luận án được xác lập bằng việc giải quyết các mâu thuẫn tồn tại trong y văn:

1. Vượt qua giới hạn phân tách pha của blend dị thể CSTN/BR (75/25) và CSTN/EPDM (60/40) thông qua việc thiết lập mạng lưới lai ba chiều kết hợp $0D\text{ }NSTESPT + 1D\text{ }CNT\text{-}PEG + 3D\text{ }CB$.
2. Không chỉ đánh giá các chỉ tiêu kéo đứt tĩnh học mà tập trung trực diện vào động thái sinh nhiệt nội sinh dưới ma sát quay liên tục ($18,4^\circ\text{C} \rightarrow 8,7^\circ\text{C}$) và độ dẫn nhiệt định lượng ($W/m\cdot K$).
3. Thiết lập hệ vật liệu chịu nhiệt, bền kiềm hóa chất trên nền CSTN/EPDM bằng cách thay thế một phần than đen bằng phụ gia khoáng vô cơ trơ $BaSO_4$ phối hợp NSTESPT, bảo toàn cơ tính sau lão hóa ăn mòn.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng và làm sâu sắc thêm mô hình gia cường mạng lưới của Kraus và Thuyết liên kết cộng hóa trị liên pha Wolff-Luginsland. Trong hệ nanosilica truyền thống, sự hiện diện của các nhóm silanol (-Si-OH) tự do trên bề mặt hạt tạo ra tương tác hút tĩnh điện lưỡng cực mạnh giữa các hạt ($filler-filler\text{ interaction}$), gây ra hiệu ứng Payne rõ rệt (suy giảm mạnh modul động học $G'$ khi tăng biên độ biến dạng). Bằng việc sử dụng tác nhân kết nối silan lưỡng chức TESPT ($Bis\text{-}[3\text{-(triethoxysilyl)-propyl]-tetrasulfide}$), luận án chứng minh cơ chế silan hóa hai giai đoạn: phản ứng sơ cấp gắn nhóm triethoxysilyl lên bề mặt silica giải phóng ethanol ($C_2H_5OH$), và phản ứng thứ cấp liên kết nhóm tetrasulfide ($–S_4–$) trực tiếp vào mạch đại phân tử cis-1,4-polyisopren và polybutadien trong quá trình lưu hóa nhiệt.

Phát hiện này mở rộng lý thuyết mạng lưới đàn hồi: mạng liên kết hóa lý lai ($hybrid\text{ crosslink network}$) không chỉ bao gồm các cầu nối lưu huỳnh $C-S_x-C$ thông thường giữa các mạch polyme mà còn bao gồm các điểm nút mạng cộng hóa trị bền vững $Silica-O-Si-CH_2CH_2CH_2-S_x-Polymer$. Cấu trúc mạng kép này phân tán ứng suất tập trung cực bộ, ngăn cản sự phát triển của vết nứt tế vi dưới tác động cơ học chu kỳ.

Mô hình phân bố chất độn chọn lọc trong hệ blend không tương hợp CSTN/BR và CSTN/EPDM cũng được làm sáng tỏ. Dưới tác động của thông số hòa tan Hansen và độ nhớt nóng chảy, các hạt NSTESPT và CB có xu hướng phân bố ưu tiên tại pha liên tục CSTN, trong khi CNT-PEG với chuỗi mạch hữu cơ tương thích phân bố tại vùng ranh giới pha (interface), đóng vai trò như các "cầu nối cơ học nano", làm giảm sức căng bề mặt pha và tăng cường độ bám dính liên pha giữa hai chất đàn hồi có độ phân cực và tốc độ lưu hóa khác biệt.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của nghiên cứu được xây dựng trên sự tích hợp đa chiều của ba trụ cột lý thuyết:

1. Lý thuyết tương tác hạt - nền (Guth-Gold & Smallwood model mở rộng): Giải thích sự gia tăng modul đàn hồi và độ bền kéo thông qua hệ số hình học và tương tác bám dính bề mặt của hệ độn phối hợp.
2. Lý thuyết dẫn nhiệt và tiêu tán năng lượng dao động mạng (Phonon scattering theory): Luận giải cơ chế truyền dẫn nhiệt nhanh qua mạng lưới 1D CNT-PEG liên kết với các cụm 3D than đen, triệt tiêu sự tích lũy nhiệt ma sát nội sinh sinh ra do ma sát trượt giữa các phân đoạn mạch cao su.
3. Động học phân hủy chất tạo xốp và cân bằng áp suất khí hóa (Nucleation & Growth kinetics): Mô hình hóa quá trình tạo cấu trúc xốp vi mô kín từ chất tạo xốp dinitrosopentamethylenetetramine (TXC/DPT), trong đó các hạt nano đóng vai trò là tâm kết tụ mầm khí đồng đều trước khi mạng lưới cao su đạt độ lưu hóa $t_{90}$.

Điều kiện biên (boundary conditions) của khung phân tích được xác định rõ: Áp dụng cho các hệ cao su lưu hóa bằng hệ lưu huỳnh/xúc tiến sulphenamide trong dải nhiệt độ ép khuôn $143–150^\circ\text{C}$, áp suất định hình $10–15\text{ MPa}$, và dải làm việc thực tế của vật liệu từ $-40^\circ\text{C}$ đến $150^\circ\text{C}$.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu tuân thủ chặt chẽ triết lý thực nghiệm thực chứng (Positivism), tiếp cận theo quy trình khoa học vật liệu đa cấp: Tổng hợp/biến tính phụ gia nano $\rightarrow$ Thiết kế đơn phối liệu $\rightarrow$ Trộn hợp động học nóng chảy $\rightarrow$ Khảo sát động học lưu hóa $\rightarrow$ Định hình ép nhiệt $\rightarrow$ Phân tích cấu trúc hình thái học và đặc tính cơ nhiệt, môi trường.

Thiết kế thực nghiệm đa yếu tố khảo sát chính xác các biến số độc lập:

• Hàm lượng nanosilica biến tính TESPT: 0, 3, 5, 8, 10, 12, 15 phr (phần khối lượng trên 100 phần cao su).
• Hàm lượng than đen (CB N220/N330): 0, 15, 20, 25, 30 phr.
• Hàm lượng ống nano carbon chức hóa PEG (CNT-PEG): 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,2 phr.
• Tỷ lệ blend polymer: CSTN/BR (100/0, 75/25, 50/50), CSTN/EPDM (80/20, 60/40, 50/50).
• Hàm lượng phụ gia trơ Bari sulfat ($BaSO_4$): 5, 10, 15, 20 phr thay thế một phần than đen.
• Chủng loại và hàm lượng chất tạo xốp: OBSH, ADC, TXC (DPT) từ 2 đến 8 phr; khảo sát thời gian lưu hóa từ 4 đến 14 phút.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình công nghệ chế tạo được chuẩn hóa theo các tiêu chuẩn quốc tế và TCVN nghiêm ngặt:

• Biến tính MWCNT: Ống nano carbon đa tường được xử lý oxy hóa bề mặt bằng dung dịch $HNO_3\text{ 63%}$ ở $80^\circ\text{C}$ trong 6 giờ để gắn nhóm cacboxyl (–COOH), sau đó cho phản ứng ester hóa với Polyethylene glycol (PEG-400) nhằm tạo lớp vỏ bọc phân tán hữu cơ (CNT-PEG), hạn chế phá hủy cấu trúc ống $sp^2$ nội tại.
• Biến tính Nanosilica: Hạt nanosilica (kích thước trung bình 20–40 nm, diện tích bề mặt $200\text{ }m^2/g$) được phân tán trong hỗn hợp cồn/nước ($EtOH/H_2O$ tỷ lệ 9:1 thể tích), bổ sung 8% khối lượng tác nhân TESPT (Si69), khuấy hồi lưu ở $75^\circ\text{C}$ trong 4 giờ, sấy chân không ở $80^\circ\text{C}$ trong 12 giờ.
• Kỹ thuật trộn luyện: Sử dụng máy trộn kín thí nghiệm Haake PolyLab kết hợp máy cán hở hai trục ($Two\text{-}roll\text{ mill}$) đường kính trục 160 mm, tỷ tốc 1:1,25, nhiệt độ làm mát trục duy trì $50\pm 5^\circ\text{C}$. Thứ tự nạp phối liệu tuân thủ nghiêm ngặt: Cao su thô (nhai mềm 2 phút) $\rightarrow$ Hỗn hợp phụ gia phân tán ($ZnO$, Axit stearic, phòng lão TMQ) $\rightarrow$ Phụ gia nano (NSTESPT/CNT-PEG) $\rightarrow$ Than đen CB $\rightarrow$ Hệ xúc tiến (CBS/TMTD/DPG) $\rightarrow$ Lưu huỳnh (S).
• Đo động học lưu hóa: Thực hiện trên máy đo lưu hóa đĩa dao động Rotorless Rheometer (MDR-2000) tại $145^\circ\text{C}$ hoặc $150^\circ\text{C}$ để xác định chính xác mômen xoắn cực tiểu ($M_L$), mômen cực đại ($M_H$), thời gian tiền lưu hóa ($t_{10}$) và thời gian lưu hóa tối ưu ($t_{90}$).
• Khảo sát đặc tính cơ học và môi trường:
  • Độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt, modul kéo đo theo tiêu chuẩn TCVN 4509:2006 (tương đương ISO 37) trên máy kéo nén vạn năng Zwick/Roell Z010 với tốc độ kéo 500 mm/phút.
  • Độ cứng Shore A đo theo TCVN 1595-1:2007 (ISO 7619-1).
  • Độ mài mòn đo theo tiêu chuẩn TCVN 1594:2006 (ISO 4649) trên máy mài mòn tang quay DIN.
  • Thử nghiệm già hóa nhiệt môi trường trong tủ sấy tuần hoàn khí nóng ở $70^\circ\text{C}$ và $100^\circ\text{C}$ trong 72 giờ theo ISO 188.
  • Thử nghiệm độ bền hóa chất kiềm: Ngâm mẫu trong dung dịch $NaOH\text{ 10%}$ và $20%$ ở $27\pm 2^\circ\text{C}$ trong 72 giờ liên tục.
  • Khảo sát nhiệt độ phát sinh do ma sát và chuyển động quay trên thiết bị chuyên dụng đo biến thiên nhiệt độ bề mặt mẫu thử nghiệm theo thời gian ma sát liên tục.
  • Đo độ dẫn nhiệt ($W/m\cdot K$) trên thiết bị TCi Thermal Conductivity Analyzer.

Data và phân tích

Thiết bị phân tích hóa lý hiện đại bảo đảm độ tin cậy của cấu trúc vật liệu:

• FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy): Máy quang phổ hồng ngoại Nicolet 6700 ghi nhận dải hấp thụ đặc trưng của liên kết siloxane $Si-O-Si$ tại $1080\text{ }cm^{-1}$, liên kết $C-H$ béo tại $2920\text{ }cm^{-1}$, $2850\text{ }cm^{-1}$ khẳng định sự biến tính hóa học thành công của TESPT trên silica và PEG trên CNT.
• TGA (Thermogravimetric Analysis): Máy phân tích nhiệt trọng trường Q50 (TA Instruments), quét từ $30^\circ\text{C}$ đến $800^\circ\text{C}$ với tốc độ gia nhiệt $10^\circ\text{C/phút}$ trong môi trường khí Nitơ. Kết quả chứng minh "năng lượng hồi phục hoạt hóa đạt đến 125,8 KJ/mol (so với 90,1 KJ/mol của CSTN)" nguyên bản.
• FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy): Kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ Hitachi S-4800 chụp hình thái bề mặt gãy của mẫu sau khi phá hủy trong nitơ lỏng, cho thấy sự phân tán đồng đều không kết tụ của các hạt NSTESPT và mạng liên kết vi mô của CNT-PEG trong nền cao su.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Hiệu ứng gia cường tương hỗ vượt bậc của hệ NSTESPT/CB trên CSTN: Việc thay thế một phần than đen bằng nanosilica biến tính silan tạo ra bước nhảy vọt về cơ tính. Khi phối hợp 10 phr NSTESPT với 25 phr CB, độ bền kéo đứt của vật liệu đạt giá trị $28,6\text{ MPa}$ (tăng 89,4% so với mẫu CSTN không độn và cao hơn 18,2% so với mẫu chỉ độn 35 phr CB đơn lẻ), độ dãn dài khi đứt đạt $580%$, và độ bền mài mòn thể tích giảm từ $185\text{ }mm^3$ xuống còn $92\text{ }mm^3$.
2. Triệt tiêu nhiệt nội sinh và tăng độ dẫn nhiệt trong blend CSTN/BR (75/25): Sự phối hợp giữa 12 phr NSTESPT, 25 phr CB và 0,6–1,2 phr CNT-PEG giúp độ dẫn nhiệt của vật liệu tăng từ $0,182\text{ }W/m\cdot K$ lên $0,315\text{ }W/m\cdot K$ ở $80^\circ\text{C}$. Dưới tác động của chuyển động quay ma sát tải trọng cao, nhiệt độ bề mặt mẫu chỉ tăng $8,7^\circ\text{C}$ (so với mức tăng $18,4^\circ\text{C}$ của mẫu đối chứng không có phụ gia nano). Đây là phát hiện đột phá chứng minh mạng lai nano giải phóng năng lượng ma sát tức thời, ngăn ngừa hiện tượng nổ lốp và rạn nứt cấu trúc mặt lốp.
3. Cơ chế chịu nhiệt và bền kiềm siêu việt của blend CSTN/EPDM (60/40): Hệ nanocompozit CSTN/EPDM gia cường 10 phr NSTESPT, 20 phr CB kết hợp 10 phr $BaSO_4$ thể hiện khả năng kháng hóa chất kiềm tuyệt hảo. Sau 72 giờ ngâm trong dung dịch kiềm $NaOH$, độ bền kéo đứt duy trì đạt $91,4%$ (so với mẫu CSTN thuần thục bị trương nở phân hủy chỉ còn giữ được $<45%$ cơ tính), khối lượng mẫu biến thiên $<1,2%$, đồng thời nhiệt độ bắt đầu phân hủy nhiệt TGA nâng lên $378^\circ\text{C}$.
4. Kiểm soát vi cấu trúc xốp kín của cao su xốp CSTN: Khảo sát cho thấy phụ gia tạo xốp TXC (DPT) ở hàm lượng 5 phr với thời gian lưu hóa 8 phút ở $145^\circ\text{C}$ tạo ra cấu trúc lỗ xốp kín đồng đều nhất, đường kính trung bình $110\pm 15\text{ }\mu m$. Khi gia cường đồng thời 5 phr NSTESPT và 10 phr CB, độ biến dạng dư sau nén của vật liệu xốp giảm $38,5%$ trong khi khối lượng riêng giảm về mức $0,38\text{ }g/cm^3$, đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe cho vật liệu lốp đặc không bơm hơi và gioăng cách nhiệt.

Implications đa chiều

• Về mặt học thuật và lý thuyết: Cung cấp bằng chứng thực nghiệm trực tiếp khẳng định lý thuyết truyền dẫn phonon qua mạng lưới nano liên pha trong vật liệu đàn hồi đa cấu tử. Mở rộng hiểu biết về hiện tượng trễ đàn hồi (hysteresis loss) và động thái viscoelastic của polyme blend.
• Về mặt công nghệ và sản xuất: Cung cấp bộ công thức đơn phối liệu và thông số công nghệ ép định hình chuẩn xác cho các nhà máy sản xuất cao su kỹ thuật, cho phép sản xuất trực tiếp trên dây chuyền thiết bị trộn hở và ép nhiệt sẵn có mà không cần đầu tư thay đổi toàn bộ công nghệ.
• Về mặt kinh tế - xã hội và chính sách: Mở ra giải pháp chiến lược nâng cao giá trị tài nguyên cao su thiên nhiên Việt Nam, hỗ trợ lộ trình phát triển ngành công nghiệp phụ trợ ô tô quốc gia và giảm thiểu rác thải săm lốp nhờ kéo dài chu kỳ sống của sản phẩm.

Limitations và Future Research

Nghiên cứu thẳng thắn thừa nhận 4 hạn chế khoa học:

1. Quy trình phân tán CNT-PEG và nanosilica mới được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm (mẻ trộn 1–2 kg), chưa đánh giá toàn diện động học truyền nhiệt và mức độ đồng nhất trên máy luyện kín liên tục công suất công nghiệp lớn (>50 kg/mẻ).
2. Chưa thực hiện khảo sát độ mỏi động học siêu chu kỳ ($>10^7$ chu kỳ rung nén) và thử nghiệm thực tế lắp ráp lốp xe chạy đường trường (on-road operational testing) dưới các điều kiện thời tiết phức tạp.
3. Chi phí sản xuất của tác nhân biến tính silan TESPT và ống nano carbon MWCNT tinh khiết còn tương đối cao, tạo rào cản giá thành đối với các dòng sản phẩm cao su dân dụng phổ thông.
4. Động thái tái sinh và phân hủy sinh học cuối vòng đời của vật liệu nanocompozit đa cấu tử chứa mạng lưới liên kết ngang cộng hóa trị nano chưa được khảo sát chi tiết.

Chương trình nghiên cứu tiếp theo định hướng 5 nội dung:

• Phát triển chất trợ tương hợp sinh học có nguồn gốc từ dầu thực vật epoxit hóa (như dầu đậu nành epoxit hóa, dầu trấu) nhằm thay thế một phần silan tổng hợp.
• Ứng dụng công nghệ nano cellulose và nano silica trích ly từ tro trấu nông nghiệp Việt Nam để hạ giá thành nguyên liệu.
• Mở rộng khảo sát vật liệu compozit dẫn điện tự cảm biến biến dạng (self-sensing piezoresistive rubber) ứng dụng cho lốp xe thông minh.
• Thiết lập mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) dự báo chính xác trường nhiệt và trường ứng suất mỏi của khối lốp cao su nanocompozit.
• Nghiên cứu công nghệ lưu hóa vi sóng (microwave vulcanization) liên tục nhằm tối ưu hóa năng lượng và chất lượng liên kết mạng.

Tác động và ảnh hưởng

Công trình luận án mang lại những tác động sâu rộng trên nhiều bình diện:

• Tác động học thuật: Định hình chuẩn mực nghiên cứu mới trong lĩnh vực polyme nanocompozit tại Việt Nam, đóng góp 06 bài báo khoa học trên các tạp chí chuyên ngành uy tín thuộc danh mục VAST2, Scopus và Kỷ yếu hội nghị khoa học quốc tế.
• Chuyển giao công nghệ công nghiệp: Kết quả nghiên cứu của luận án đã được liên kết thử nghiệm công nghệ chế tạo sản phẩm mặt lốp và gioăng cao su kỹ thuật tại Công ty TNHH Cao su Kỹ thuật Hoàn Cầu (Hải Dương), chứng minh tính khả thi tuyệt đối khi đưa vào thực tiễn sản xuất công nghiệp.
• Lợi ích kinh tế và môi trường: Vật liệu mặt lốp chế tạo từ blend CSTN/BR nanocompozit giúp giảm lực cản lăn của lốp xe, ước tính tiết kiệm 3–5% mức tiêu thụ nhiên liệu của phương tiện vận tải và giảm lượng bụi cao su mài mòn phát tán ra môi trường đô thị.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và Giảng viên đại học: Tiếp cận hệ thống dữ liệu thực nghiệm toàn diện, phương pháp luận biến tính hóa học bề mặt nano và khung lý thuyết mạng lai đàn hồi tiên tiến.
• Bộ phận R&D tại các tập đoàn sản xuất săm lốp (DRC, Casumina, SRC): Tiếp nhận các đơn phối liệu tối ưu hóa đã được thực nghiệm kiểm chứng để ứng dụng nâng cấp dòng sản phẩm lốp tải nặng radial và lốp xe máy cao cấp.
• Doanh nghiệp sản xuất cao su kỹ thuật công nghiệp: Ứng dụng công thức blend CSTN/EPDM nanocompozit chịu kiềm, chịu nhiệt để chế tạo băng tải khai khoáng, gioăng đệm nắp bồn chứa hóa chất thay thế hàng nhập khẩu.
• Cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Công Thương, Tập đoàn Công nghiệp Cao su Việt Nam): Có thêm cơ sở khoa học định lượng vững chắc để xây dựng chiến lược phát triển chuỗi giá trị chế biến sâu sản phẩm cao su quốc gia.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì?
Đóng góp độc đáo nhất là việc xây dựng thành công mô hình mạng lưới gia cường lai đa cấp ($Hybrid\text{ Multi-scale Network}$) trên nền blend dị thể CSTN/BR và CSTN/EPDM. Luận án đã mở rộng Thuyết Payne và Thuyết Kraus bằng việc chứng minh rằng sự kết hợp đồng thời giữa các hạt silica nano 0D được chức hóa silan hóa $Si-O-Si-S_x$ với cấu trúc 1D của CNT-PEG không chỉ gia cường cơ tính đơn thuần mà còn tạo ra cơ chế "kênh phonon liên tục", giải quyết triệt để mâu thuẫn giữa độ cứng, độ dãn dài và khả năng tiêu tán nhiệt nội sinh do ma sát.

2. Đổi mới phương pháp luận so với các nghiên cứu tiền nhiệm?
So với các nghiên cứu của Hoàng Thị Hòa (2012) chỉ dùng NS trên BR đơn lẻ, hay Nguyễn Tuấn Anh et al. (2014) khảo sát MWCNT chưa qua bọc PEG trên CSTN/BR 70/30, luận án đã đổi mới toàn diện: (a) Biến tính kép chọn lọc (silan hóa TESPT cho NS và ester hóa PEG cho CNT); (b) Ứng dụng phương pháp trộn kín hai giai đoạn kiểm soát nhiệt độ động học chặt chẽ; (c) Lần đầu tiên thiết lập quy trình đo thực nghiệm nhiệt độ bề mặt phát sinh do ma sát quay động học liên tục kết hợp đo độ dẫn nhiệt tuyệt đối ($W/m\cdot K$).

3. Phát hiện bất ngờ nhất từ dữ liệu thực nghiệm là gì?
Phát hiện bất ngờ nhất là sự sụt giảm phi tuyến tính của nhiệt độ tích tụ bề mặt khi bổ sung hàm lượng rất nhỏ CNT-PEG (chỉ từ 0,6 đến 1,2 phr) vào hệ blend CSTN/BR đã có sẵn NSTESPT và than đen. Mức tăng nhiệt độ giảm đột ngột từ $18,4^\circ\text{C}$ xuống còn $8,7^\circ\text{C}$ (giảm hơn 52%) mà không làm suy giảm độ dãn dài khi đứt của vật liệu – một hiện tượng chưa từng đạt được khi chỉ tăng đơn thuần hàm lượng than đen hoặc nanosilica.

4. Luận án có cung cấp đầy đủ quy trình lặp lại thực nghiệm (Replication protocol)?
Toàn bộ quy trình thực nghiệm được mô tả chi tiết với độ lặp lại cao: từ thông số nồng độ dung dịch biến tính hóa học, tỷ lệ phối liệu chính xác theo đơn vị phr, giản đồ nhiệt độ - thời gian trộn luyện trên máy cán hai trục, cho đến chế độ lưu hóa ép nhiệt thủy lực ($145^\circ\text{C}$, $15\text{ MPa}$, thời gian $t_{90}$ xác định từ đường cong lưu hóa MDR). Bất kỳ phòng thí nghiệm vật liệu polyme tiêu chuẩn nào cũng có thể tái lập chính xác các kết quả này.

5. Lộ trình nghiên cứu 10 năm được phác thảo như thế nào?
Lộ trình 10 năm tập trung vào 3 giai đoạn: (1) 2022–2025: Hoàn thiện công nghệ masterbatch nano quy mô bán công nghiệp và thử nghiệm lốp thực địa; (2) 2026–2028: Xanh hóa phụ gia bằng silica sinh học từ vỏ trấu và chất tương hợp dầu thực vật epoxit hóa; (3) 2029–2032: Phát triển vật liệu cao su thông minh tích hợp mạng nano dẫn điện phục vụ công nghiệp lốp xe tự hành và hàng không vũ trụ.

Kết luận

1. Làm chủ thành công quy trình công nghệ biến tính bề mặt nanosilica bằng hợp chất silan TESPT và chức hóa ống nano carbon gắn polyetylen glycol (CNT-PEG), tạo tiền đề quyết định cho sự phân tán đồng đều phụ gia vô cơ trong nền cao su kỵ nước.
2. Xác lập đơn phối liệu tối ưu cho vật liệu nanocompozit trên cơ sở CSTN với 10 phr NSTESPT kết hợp 25 phr than đen, đạt độ bền kéo đứt $28,6\text{ MPa}$, cải thiện vượt trội khả năng chống già hóa nhiệt và giảm độ mài mòn 50%.
3. Chế tạo thành công vật liệu blend nanocompozit CSTN/BR (75/25) gia cường hệ lai NSTESPT (12 phr) / CB (25 phr) / CNT-PEG (0,6–1,2 phr), nâng cao độ dẫn nhiệt lên $0,315\text{ }W/m\cdot K$ và cắt giảm hơn 52% mức tăng nhiệt độ bề mặt do ma sát quay, tạo giải pháp đột phá cho sản xuất mặt lốp ô tô chất lượng cao.
4. Chế tạo thành công vật liệu cao su chịu nhiệt, bền kiềm trên cơ sở blend CSTN/EPDM (60/40) phối hợp NSTESPT, CB và $BaSO_4$, duy trì trên 91% cơ tính sau 72 giờ ngâm trong dung dịch kiềm đậm đặc và nâng nhiệt độ phân hủy TGA lên $378^\circ\text{C}$.
5. Thiết lập công nghệ chế tạo cao su xốp CSTN vi mô sử dụng phụ gia tạo xốp TXC (5 phr) gia cường phối hợp 5 phr NSTESPT và 10 phr CB, đạt cấu trúc xốp kín đồng nhất với độ biến dạng dư sau nén giảm 38,5%, định hướng ứng dụng xuất sắc cho lốp đặc không bơm hơi và vật liệu cách nhiệt, giảm chấn kỹ thuật cao.
6. Mở ra bước tiến mô hình hóa mới (paradigm shift) cho ngành công nghệ cao su Việt Nam: chuyển dịch từ phương thức gia cường đơn chất vi mô truyền thống sang thiết kế mạng liên kết nano đa cấp thông minh, khẳng định vị thế khoa học và tiềm năng ứng dụng thực tiễn to lớn của công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phần mở đầu: Nêu tính cấp thiết của đề tài luận án, khái quát chung về các mục đích và nội dung nghiên cứu. Tổng quan: Tổng quan về những kiến thức và tài liệu nghiên cứu liên quan đến các đối tượng nghiên cứu của luận án. Vật liệu và Phương pháp nghiên cứu: Trình bày khái quát các vật liệu, phương pháp thực hiện để thu được kết quả nghiên cứu. Kết quả và thảo luận: Trình bày những kết quả nghiên cứu và những luận giải về các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu, thực hiện nội dung luận án.

Đánh giá về những kết quả nghiên cứu chính đã đạt được Các đóng góp mới của luận án. Tài liệu tham khảo. Là các tài liệu đã sử dụng để tham khảo trong quá trình thực hiện luận án Phụ lục. Các kết quả thu được khác đã không được nêu trong Chương 3 của luận án.

Giới thiệu chung về vật liệu cao su, cao su blend, cao su nanocompozit Cao su là một từ phổ thông và khá dễ hiểu để chỉ vật liệu có tính đàn hồi. Dựa theo đặc tính này của cao su, trong các từ điển người ta định nghĩa: cao su là một loại vật liệu sau khi bị kéo căng do tác dụng của ngoại lực, có khả năng nhanh chóng trở về trạng thái ban đầu. Theo định nghĩa này, cao su bao hàm tất cả các loại vật liệu có tính đàn hồi gồm một số nhựa tự nhiên khác và một số polyme tổng hợp như polyme của styren butadien, nitril butadien,… Trong tiếng Đức cũng như trong tiếng Pháp có hai từ riêng biệt là cao su chưa được lưu hoá (Kautschuk) và cao su đã được lưu hoá (Gummie) mới là chất đàn hồi [1]. Song trong công nghiệp cũng như trong thực tế, người ta vẫn dùng chung từ cao su cho cả vật liệu thô ban đầu cũng như cao su đã lưu hoá.

Như vậy, điều này không hoàn toàn nhất quán với định nghĩa về cao su trong các từ điển cũng như trong tiêu chuẩn của Mỹ. Cao su thiên nhiên Cao su thiên nhiên (CSTN) là một loại polyme thiên nhiên với thành phần hóa học là polyisopren, được trích ly từ nhựa cây cao su (Hevea brasiliensis), một loại cây được trồng ở các vùng cận nhiệt đới và nhiệt đới. Vì vậy, người ta cũng có thể định nghĩa “Polyisopren được trích ly từ cây Hevea brasiliensis được gọi là cao su thiên nhiên”. Ngoài cây Hevea brasiliensis, polyisopren còn được tìm thấy trong nhựa một số cây Asclepias spp.

và cây Taraxacum spp. Cây Hevea brasiliensis có nguồn gốc phát triển trong các khu rừng nhiệt đới của Brazil, ngày nay chúng đã phát triển rộng rãi ở nhiều vùng nhiệt đới, đặc biệt là các vùng Đông Nam Châu Á và một số nước ở Mỹ Latinh và Châu Phi…[1]. Thành phần chủ yếu của CSTN được tách ra từ cây Hevea brasiliensis là cis-1,4-polyisopren (hình 1.1) và khoảng 6% là thành phần không phải là cao su, chủ yếu là protein [2, 3]. Công thức phân tử của CSTN [2, 3] 5 CSTN có cấu trúc tinh thể khi ở nhiệt độ thấp, kết tinh với tốc độ nhanh nhất ở -25℃, CSTN tan tốt trong các loại dung môi như CCl4, dung môi hữu cơ dạng mạch vòng và mạch thẳng.

CSTN tinh thể nóng chảy ở 40℃. Các đặc trưng về tính chất vật lý, cơ học của CSTN được đưa ra trong bảng 1.1 dưới đây: Bảng 1. Các đặc trưng về tính chất vật lý, cơ học của CSTN [3, 4] CSTN có đặc tính nổi bật và cũng là ưu điểm lớn nhất đó là độ đàn hồi cao, chịu được tác động cơ học, chịu lạnh tốt. Do vậy CSTN được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt do bản chất CSTN không và ít độc tính nên thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm và y học.

Ngoài ra, CSTN có khả năng tự phân hủy, tỷ lệ tái chế cao và đây cũng là yếu tố quan trọng có thể giúp giảm lượng rác thải gây ô nhiễm môi trường, góp phần không nhỏ vào bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, những nhược điểm như kém bền dầu mỡ và dung môi, dễ bị lão hóa nhiệt, lão hóa do thời tiết và chịu tia UV (tia cực tím) kém đã hạn chế các ứng dụng của CSTN. Cao su tổng hợp Cao su tổng hợp (CSTH) là chất đàn hồi được chế tạo từ than đá hoặc dầu mỏ có những tính năng cơ lý và đặc trưng nổi trội như: bền trong môi trường và thời tiết, bền dầu mỡ,… (tùy từng loại). Chính vì vậy, người ta đã gần như thay thế CSTN bằng CSTH trong rất nhiều ứng dụng bởi các ưu điểm của chúng.

Một số CSTH thông dụng như: Cao su butadien, Cao su butyl, Cao su cloropren, Cao su fluor, Cao su isopren, Cao su nitril butadien, Cao su silicon, Cao su styren butadien, Cao su nhiệt dẻo… 1. Cao su butadien Cao su butadien (BR) hay polybutadien được cấu tạo thành từ But-1,3-dien, loại dien liên hợp (Hình 1. Phân tử But-1,3-dien [1] Khi các dien được trùng hợp, một polyme bao gồm các liên kết đôi trong mạch chính sẽ được tạo ra. Cấu hình của các liên kết đôi và các nhóm đính vào liên kết đôi có thể là (a) cis-1,4; (b) trans-1,4 và (c) vinyl (hay sự kết hợp 1,2) (hình 1.

Các dạng cấu hình của phân tử cao su butadien [1] BR thể hiện khả năng chịu mài mòn và tính đàn hồi tuyệt vời, tuy nhiên với tính đàn hồi cao lại là nhược điểm khi khả năng bám mặt đường của lốp xe rất kém, nhất là ở đường ướt, do đó đã hạn chế khi chỉ sử dụng riêng lẻ loại cao su này. Phần lớn BR phải được sử dụng phối hợp với các loại cao su khác, chẳng như CSTN, cao su styren butadien (SBR) để làm lốp xe. BR có tác dụng làm giảm 7 1. Cao su styren butadien Hình 1.

Phương trình phản ứng tổng hợp SBR [1] So với CSTN, SBR thể hiện tính đàn hồi thấp hơn nhiều, vì thế khi nén hay uốn thì SBR sẽ phát sinh một lượng nhiệt nội sinh lớn, điểm này đã phần nào hạn chế SBR khi sử dụng vào làm các loại lốp xe có tải trọng lớn, nhưng là lại có thể được sử dụng vào làm mặt lốp xe tải nhỏ, do SBR có hiện tượng trễ đàn hồi cao tạo khả năng bám mặt đường ướt tốt, kết hợp với tính chịu mài mòn cao. SBR không chịu được các dung môi có chứa nhóm halogen hay các hydrocarbon thơm và khả năng kháng dầu kém. Do có nhóm không bão hòa (không no) trên mạch chính phân tử, dẫn đến dễ có độ loang nứt cao, do vậy SBR cần được bảo vệ để chống lại các tác động từ oxy, ozon và tia tử ngoại (UV – Ultraviolet) [5]. SBR được sử dụng chủ yếu trong làm lốp xe hơi và xe tải nhỏ; trong các ứng dụng khác, SBR thường được phối trộn với CSTN và cao su butadien để tạo ra các blend.

Ngoài ra, SBR cũng được sử dụng để làm các loại ống cao su, băng tải, để bọc các trục lăn, các sản phẩm cao su đúc làm đế giày. Cao su etylen propylen dien monome Cao su EPDM (ethylene propylene diene monomer (M-class)) là một loại CSTH, được tổng hợp từ etylen với propylen và monome thứ ba dien (hình 1. Không phải tất cả các phân tử etylen và propylen được sắp xếp theo một trật tự nối tiếp nhất định, mà trong đó có những đoạn nhỏ chỉ có etylen và/hoặc propylen. Ngoài ra, không chỉ có những đoạn mạch thẳng mà còn có các mạch nhánh, đó là những dien được thêm vào để giúp cho quá trình lưu hóa bằng lưu huỳnh.

8 Các nhóm – dien thường sử dụng trong cao su EPDM là etyliden norbornen (ENB) (chủ yếu), dicyclopentadien (DCPD), và hexadien (HD) Hình 1. Cao su etylen propylen dien monome [6] Tính chất của EPDM thường phụ thuộc vào số lượng các liên kết đôi không bão hòa của monome dien (monome thứ ba), cấu trúc của chuỗi polyme và sự phân bố của dien trong mạch đại phân tử (mạch chính). Cao su EPDM có tính chịu nhiệt rất tốt, với biên độ nhiệt có thể dao động trong khoảng -50°C - 150°C. EPDM được sử dụng nhiều cho các sản phẩm gioăng đệm làm kín trong công nghiệp như các loại gasket cao su, gioăng nắp bồn,… Tính chất đặc trưng của EPDM đó là khả năng chịu được rất tốt với các loại kiềm loãng, axit loãng, hơi nước, tác động của ánh sáng mặt trời và ozon, thời tiết, bền trong môi trường nhiệt độ cao.

EPDM là một chất đàn hồi bền, phù hợp làm chất cách điện, được sử dụng cho dây đai, máy rung, bộ thu nhiệt của bảng điều khiển năng lượng mặt trời và bao quanh nón loa. Tuy nhiên, EPDM không phù hợp với các bộ phận cứng như bánh răng, trục và dầm kết cấu. Do EPDM không bền trong các loại xăng và dầu mỏ, dung môi hydrogen hóa và các hydrocarbon, do đó không nên sử dụng EPDM cho các thiết bị cao su kỹ thuật làm việc trong các môi trường có các dung môi này. Cao su blend Cao su blend: Cho tới nay, chưa có định nghĩa chính xác nào về vật liệu cao su blend mà mới chỉ có một vài định nghĩa chung cho vật liệu polyme blend.

Tuy 9 nhiên trên cơ sở những kiến thức thu thập được có thể hiểu rằng: Vật liệu cao su blend là vật liệu có tính chất như cao su đã lưu hóa, được cấu thành từ hai hoặc nhiều cao su hoặc cao su với nhựa nhiệt dẻo. Thông qua đó có thể tối ưu về mặt tính năng cơ lý và giá thành cho mục đích sử dụng nhất định [1]. Bắt đầu từ nửa cuối của thế kỷ 20 và đặc biệt từ khoảng những năm 70 của thế kỷ XX trở lại đây, việc chế tạo và ứng dụng các loại cao su blend từ CSTN, CSTH hoặc nhựa nhiệt dẻo với mức tăng trưởng đạt trên 10%/năm (trong khi đó, gần đây, tốc độ tăng trưởng của vật liệu polyme mới chỉ đạt 5-6 %/năm). Vật liệu này có một số ưu thế cơ bản so với các loại vật liệu cao su truyền thống, đó là: 1.

Vật liệu polyme nanocompozit và cao su nanocompozit 10 Hình 1. Một số phụ gia kích thước nano sử dụng để gia cường trong chế tạo vật liệu polyme nanocompozit [7] 11 1. Phụ gia nano trong chế tạo vật liệu cao su nanocompozit 1. Than đen Than đen (CB - Carbon black) là một loại nano carbon quan trọng được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp polyme cũng như cao su.

Than đen gần như là carbon nguyên tố tinh khiết và đã được sử dụng hiệu quả làm phụ gia gia cường cho polyme và cao su. Nó thường bao gồm các hạt carbon kích thước nhỏ hơn 100 nm.