MỞ ĐẦU 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Do những tiềm năng to lớn của công nghệ nano, các quốc gia trên thế giới không ngừng đưa ra các chiến lược nhằm chú trọng đầu tư vào nghiên cứu và phát triển công nghệ nano. Trong đó, Mỹ là quốc gia đi đầu trong việc phát triển công nghệ nano.
Tại châu Âu, mỗi nước đều theo đuổi những chương trình phát triển công nghệ nano theo mục tiêu của riêng mình; và cả cấp độ EU, với một chương trình có nền tảng rộng rãi hơn. Tại châu Á, theo báo cáo của Chương trình Thông tin về công nghệ châu Á (ATIP) thì Nhật Bản là nước đầu tư mạnh cho công nghệ nano hàng đầu thế giới. Ngoài ra các nước châu Á khác như Trung Quốc, Ấn Độ, Hàn Quốc, Đài Loan, Thái Lan, … cũng đưa ra những kế hoạch dài hạn và những khoản đầu tư lớn cho việc nghiên cứu và phát triển đầu tư công nghệ nano ứng dụng cho các ngành khác nhau. Hiện nay, số lượng các công trình công bố về polymer/silica nanocomposite ngày càng tăng.
Những phát triển gần đây về việc chế tạo, đặc điểm, tính chất và ứng dụng của loại nanocomposite này đã được xem xét. Chủ yếu có ba phương pháp để chế tạo polymer/silica nanocomposite có thể được sử dụng là trộn đúc nóng chảy, quá trình sol gel và trùng hợp in-situ. Cả ba phương pháp này đã được nghiên cứu rộng rãi. Ngoài các tính chất của các thành phần cấu tử trong nanocomposite, mức độ phân tán của các hạt nano trong polymer và sự tương tác bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc gia cường hoặc hạn chế các tính chất chung của hệ.
Xu hướng cho thấy không có mô hình chung cho các tính chất của vật liệu polymer nanocomposite có thể được suy luận tổng quát. Tuy nhiên các tính chất của polymer/silica nanocomposite, nói chung là cao hơn hẳn với những polymer tinh khiết và polymer microcomposite. Polymer/silica nanocomposite nói chung và cao su composite nói riêng cũng được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Trong ngành cao su, ngành công nghiệp săm lốp chiếm gần 70% tổng sản lượng cao su styren butadiene (SBR), vì SBR có tính chất phù hợp, chống lão hóa tốt, thuộc tính nhiệt độ thấp và khả năng chịu mài mòn tốt.
Cao su styren-butadiene là một chất đồng trùng hợp styren (C6H5CH CH2) và butadiene (CH2 CH CH CH2), với nhiệt độ xấp xỉ -55 C. Silica kết tủa là loại 0 silica ưa được sử dụng, vì giá thấp và hòa trộn tốt hơn với vật liệu cao su. Màu trắng của silica và kích thước hạt nhỏ của chúng, làm tăng hiệu suất gia cố đáng kể và cung cấp cơ tính cao nhất cho các sản phẩm cao su. Sử dụng phổ biến của silica là cho lốp xe tải chịu lực kéo và chống ma sát thấp.
Hiệu quả của chất độn trên nền cao su phụ thuộc vào các yếu tố như kích thước hạt, hình dạng và tỉ lệ phân tán chất độn trong vật 6 Luan van liệu polymer. Kích thước hạt và cấu trúc tổng hợp phức tạp của silica kết tủa, cung cấp mức độ gia cố cao nhất đến cao su trong tất cả các chất độn màu trắng, dao động từ 1 đến 100 nm, có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học của các sản phẩm cao su. Các loại cao su được sử dụng nhiều trong nghiên cứu nanocomposite là cao su thiên nhiên (CSTN) [19] tiếp theo là cao su styren-butadiene (SBR) [20], cao su silicon [23], cao su nitrile hydroxyl butadiene (HNBR) và cao su etylen-propylen-dien monomer (EPDM). Đến năm 2010 đã có riêng một cuốn sách về vật liệu “Cao su nanocomposite” được xuất bản.
Cho tới nay, hướng nghiên cứu này vẫn đang được quan tâm với nhiều công trình công bố mỗi năm. Tình hình nghiên cứu trong nước Riêng ở Việt Nam, hướng nghiên cứu vật liệu polymer nanocomposite cũng được nhiều nhà khoa học quan tâm. Các phụ gia nano hay được sử dụng nghiên cứu là nanoclay, nanosilica, ống nano carbon,… Tác giả Đặng Việt Hưng [2] đã nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite trên cơ sở cao su tự nhiên và chất độn nano-silica bằng hai phương pháp là trộn đúc nóng chảy và trộn huyền phù. Trong hai phương pháp trên thì phương pháp trộn huyền phù cho kích thước hạt silica phân tán ở kích thước 30 -100nm.
Lê Văn Thụ [3] đã gắn thành công dodexylamin (DDA) và 3- amino propyltrietoxy silan (ATS) lên bề mặt ống nano carbon đa vách (MWCNT) và ứng dụng chúng trong chế tạo vật liệu nanocomposite vải carbon/MWCNT/epoxy; hay Nguyễn Thị Thái [4] đã thực hiện thành công quá trình hữu cơ hóa bề mặt CNT bằng quá trình oxi hóa gắn nhóm -COOH từ đó nghiên cứu các vật liệu nanocomposite trên cơ sở CSTN/PP, CSTN/SBR, CSTN/EPDM, CSTN/BR. Tiếp theo đó, các tác giả Trần Hải Ninh và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của cao su thiên nhiên epoxy hóa tới tính chất của vật liệu cao su thiên nhiên nanosilica composite [5]. Tuy nhiên những kết quả nghiên cứu về lĩnh vực này cho tới nay cũng chỉ dừng lại ở kết quả nghiên cứu, chưa có triển khai tiếp tục ở quy mô lớn hơn vào thực tế. Từ những nội dung trên, cho thấy vật liệu polymer nanocomposite nói chung và butadiene nanocomposite trên cơ sở cao su gia cường bằng nanosilica- một loại vật liệu mới có tiềm năng ứng dụng to lớn.
Tuy nhiên, cho đến nay trên thế giới và đặc biệt ở Việt Nam vẫn chưa có nhiều ứng dụng của vật liệu này trong thực tế. Vì vậy vấn đề nghiên cứu, chế tạo, kiểm nghiệm tính chất và ứng dụng của vật liệu cao su thiên nhiên/ nanosilica composite đang là lĩnh vực nghiên cứu còn rộng mở và hứa hẹn tương lai tốt đẹp cho những ứng dụng công nghệ cao của loại vật liệu này. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là nước có nền văn minh lúa nước lâu đời và khí hậu nước ta nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa. Tất cả những điều kiện thuận lợi đó giúp nước ta trở thành 7 Luan van nước xuất khẩu gạo lớn và luôn nằm trong top những nước xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới.
Giai đoạn 2001-2007: Bình quân xuất khẩu đạt 4,18 triệu tấn/ năm. Năm 2010: đạt 6,75 triệu tấn/ năm. Năm 2011: đạt 7 triệu tấn. Năm 2012: đạt 7,7 triệu tấn/ năm.
Năm 2013: giảm còn 6 triệu tấn/ năm. Năm 2014: giảm còn 4,4 triệu tấn/ năm. Và vào năm gần nhất, Theo Bộ Công Thương, xuất khẩu gạo của Việt Nam trong 11 tháng năm 2017 đạt 5,52 triệu tấn, với trị giá 2,49 tỷ USD, tăng 24,1% về lượng và 24,9% về giá trị so với cùng kỳ năm 2016. Nhìn chung, sản lượng xuất khẩu mỗi năm đều rất lớn và chưa tính sản lượng trong nước.
Vì vậy, lượng trấu phế thải mỗi năm cũng rất lớn. Trấu có từ lúa gạo - là phế thải nông nghiệp. Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là silic đioxit (SiO2) vô định hình có hoạt tính hóa học rất cao, đây là nguyên liệu để sản xuất, tổng hợp rất nhiều sản phẩm có giá trị và có nhiều tính chất quý giá như các chất phụ gia trong công nghiệp xi măng, một số loại aerogel, zeolit, silicagel, SiO2 là một hợp chất hóa học còn có tên gọi khác là silica. Silica là chất độn trong vật liệu composite và có kích thước nanomet.
Bên cạnh đó, năm 2013, Việt Nam đã vươn lên đứng thứ ba về sản lượng cao su thiên nhiên (CSTN). Năm 2017, Việt Nam tiếp tục duy trì vị trí này với sản lượng 1.700 tấn trên diện tích 971.600 ha và xuất khẩu 1.000 tấn đến hơn 80 thị trường, chiếm thị phần thế giới khoảng 12%, chỉ sau Thái Lan (38%) và Indonesia (27%). Bên cạnh đó, cao su thiên nhiên là loại vật liệu polime có cơ tính tốt và vô cùng quan trọng trong đời sống - kỹ thuật như làm lốp xe, nệm, … Nhưng cũng tồn tại một vài nhược điểm như khả năng chống dầu, chịu nhiệt kém. Ngoài ra, butadiene là hóa chất công nghiệp được sử dụng trong sản xuất cao su tổng hợp.
Butadiene được sản xuất như sản phẩm phụ trong quá trình crăcking bằng hơi nước để sản xuất etylen và olefin. Đây là khí có hoạt tính cao, dễ cháy và không màu, có mùi thơm dịu. Butadiene dễ bị polyme hóa dưới tác động của oxy, nó dễ tan trong rượu và ete. Butadiene là tiền chất trong quá trình sản xuất nhiều nguyên liệu và hóa chất khác.
Những dẫn xuất chính của butadiene là acrylonitril butadiene styren và cao su styren butadiene. Những dẫn xuất này được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô để sản xuất lốp và các chi tiết khác. Butadiene là nguyên liệu then chốt trong sản xuất nhiều nguyên liệu và hóa chất khác nhau, được sử dụng rộng rãi tại nhiều ngành công nghiệp như xây dựng, sản xuất xe ô tô, dụng cụ thiết bị y tế và hàng hóa tiêu dùng. Composite là loại vật liệu được tổng hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau với mục đích tạo nên một loại vật liệu mới ưu việt hơn và bền hơn so với các loại vật liệu ban đầu.
Cao su butadiene nanosilica composite là loại vật liệu có những tính chất độc đáo và khả năng ứng dụng to lớn. Nó là loại vật liệu nanocomposite với vật liệu 8 Luan van nền là cao su butadiene và chất gia cường là bột nanosilica có cơ tính cao hơn so với cao su butadiene. Với nguồn nguyên liệu dồi dào trong nước là trấu dùng để chế tạo vật liệu nanosilica. Để cải thiện tính chất của cao su thiên nhiên nhằm khắc phục được một số nhược điểm trong cơ tính và nâng cao khả năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu vỏ trấu gần như phế thải nên tôi chọn nghiên cứu đề tài: “Chế tạo vật liệu nanosilica và nghiên cứu ảnh hưởng gia cường của nó trong composite nền cao su thiên nhiên”.
Việc nghiên cứu điều chế vật liệu cao su thiên nhiên/ nanosilica composite sẽ tăng cao được cơ tính của cao su thuần khiết, đồng thời bảo vệ được môi trường thông qua việc điều chế nanosilica từ vỏ trấu. Mục tiêu nghiên cứu Nanosilica hay “silica siêu mịn” được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau như một chất phụ gia, chất xúc tác hỗ trợ, hóa dầu, chất tẩy trắng, mực in, chất làm đặc kim loại mềm, chất đánh bóng, chất đột cách nhiệt, mỹ phẩm cao cấp, phun vật liệu, y học và bảo vệ môi trường. Việc nghiên cứu điều chế nanosilica và tìm hiểu ứng dụng của nó sẽ giúp nâng cao giá trị sử dụng của vỏ trấu, giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường và có thể tăng thêm thu nhập cho người dân.