I. Giới thiệu về vật liệu polyme nanocompozit và cao su nanocompozit
Vật liệu polyme nanocompozit là sự kết hợp giữa pha nền polyme và pha gia cường có kích thước nanomet (dưới 100 nm). Cao su nanocompozit là một trường hợp đặc biệt của polyme nanocompozit, với pha nền là cao su hoặc cao su blend. Vật liệu này kết hợp ưu điểm của vật liệu vô cơ (độ cứng, bền nhiệt) và polyme hữu cơ (linh hoạt, dễ gia công). Than đen và ống nano cacbon (CNT) là hai chất gia cường phổ biến, giúp cải thiện tính chất cơ học và độ bền của vật liệu.
1.1. Phân loại và đặc điểm
Vật liệu cao su nanocompozit được phân loại dựa trên số chiều có kích thước nanomet của chất gia cường. Than đen và CNT thuộc nhóm có hai chiều nanomet. Đặc điểm nổi bật là khả năng phân tán tốt trong pha nền, tạo liên kết mạnh, cải thiện độ bền và tính chất nhiệt. Cao su blend NBR/PVC kết hợp ưu điểm của NBR (bền dầu mỡ) và PVC (bền cơ học), tạo ra vật liệu đa dụng.
1.2. Ưu điểm và ứng dụng
Vật liệu polyme nanocompozit có ưu điểm vượt trội so với vật liệu truyền thống, nhờ kích thước nano của chất gia cường. Than đen và CNT giúp tăng độ bền kéo, độ cứng, và khả năng chịu mài mòn. Cao su blend NBR/PVC được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt trong sản xuất sản phẩm cao su kỹ thuật.
II. Phương pháp chế tạo và nghiên cứu
Có ba phương pháp chính để chế tạo polyme nanocompozit: trộn hợp, sol-gel, và trùng hợp in-situ. Than đen và CNT được phối trộn vào cao su blend NBR/PVC để cải thiện tính chất cơ học và độ bền nhiệt. Quá trình nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng chất gia cường đến độ bền kéo, độ dãn dài, và độ cứng của vật liệu.
2.1. Phương pháp trộn hợp
Phương pháp trộn hợp là cách đơn giản nhất để kết hợp than đen và CNT vào cao su blend NBR/PVC. Quá trình này đòi hỏi sự phân tán đồng đều của chất gia cường trong pha nền. Than đen với kích thước hạt nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt, cải thiện tính chất cơ học. CNT với cấu trúc ống nano độc đáo giúp tăng độ bền và khả năng dẫn điện.
2.2. Phương pháp sol gel và in situ
Phương pháp sol-gel dựa trên quá trình thủy phân và trùng ngưng, tạo ra vật liệu lai tạo hữu cơ-vô cơ. Phương pháp trùng hợp in-situ cho phép phân tán CNT vào monome trước khi trùng hợp, tạo ra vật liệu có tính chất nhiệt và cơ học vượt trội. Cả hai phương pháp đều được áp dụng để nghiên cứu cao su blend NBR/PVC.
III. Kết quả và thảo luận
Nghiên cứu cho thấy, than đen và CNT có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học của cao su blend NBR/PVC. Hàm lượng than đen tăng làm tăng độ bền kéo và độ cứng, trong khi CNT giúp cải thiện độ dãn dài và khả năng chịu mài mòn. Kết quả phân tích TGA và FESEM cho thấy sự phân tán đồng đều của chất gia cường trong pha nền, đảm bảo độ bền nhiệt và cấu trúc hình thái ổn định.
3.1. Ảnh hưởng của than đen
Hàm lượng than đen tăng từ 25% đến 50% làm tăng độ bền kéo từ 15 MPa lên 20 MPa và độ cứng từ 60 Shore A lên 80 Shore A. Tuy nhiên, độ dãn dài giảm từ 300% xuống 200%, cho thấy sự đánh đổi giữa độ bền và độ linh hoạt của vật liệu.
3.2. Ảnh hưởng của ống nano cacbon
Khi thay thế một phần than đen bằng CNT, độ dãn dài tăng từ 200% lên 250%, và độ mài mòn giảm 30%. CNT cũng giúp cải thiện tính chất điện và dẫn nhiệt, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các sản phẩm cao su kỹ thuật đòi hỏi độ bền và tính năng đa dụng.
IV. Ứng dụng và kết luận
Nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng của cao su blend NBR/PVC gia cường bằng than đen và CNT trong công nghiệp. Vật liệu này có tính chất cơ học vượt trội, độ bền nhiệt cao, và khả năng chịu môi trường khắc nghiệt. CNT đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng đòi hỏi tính chất điện và dẫn nhiệt. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới cho công nghệ vật liệu và ứng dụng công nghiệp.
4.1. Ứng dụng công nghiệp
Cao su blend NBR/PVC gia cường bằng than đen và CNT được ứng dụng trong sản xuất ống dẫn, vỏ bọc cáp, và các sản phẩm cao su kỹ thuật khác. Tính chất cơ học và độ bền nhiệt của vật liệu đáp ứng yêu cầu khắt khe của các ngành công nghiệp hiện đại.
4.2. Kết luận và hướng phát triển
Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của việc kết hợp than đen và CNT trong cao su blend NBR/PVC. Hướng phát triển tiếp theo là tối ưu hóa hàm lượng chất gia cường và nghiên cứu các phụ gia nano khác để cải thiện tính năng và ứng dụng của vật liệu.
