Tổng quan nghiên cứu

Cao su tự nhiên (CSTN) và cao su tổng hợp là những vật liệu quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất săm lốp đến băng tải chịu nhiệt trong các nhà máy xi măng, luyện kim. Theo báo cáo của ngành cao su, khoảng 60-65% cao su tự nhiên được sử dụng trong sản xuất lốp xe, còn lại phục vụ các ứng dụng khác như băng tải chiếm khoảng 8%. Tuy nhiên, CSTN có nhược điểm về tính ổn định nhiệt và khả năng chịu lão hóa, hạn chế ứng dụng trong môi trường nhiệt độ cao hoặc hóa chất khắc nghiệt. Cao su butyl, đặc biệt là cao su clobutyl (CIIR), với khả năng chịu nhiệt, chống lão hóa và độ bám dính tốt, được xem là vật liệu bổ sung hiệu quả cho CSTN.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo blend giữa cao su tự nhiên và cao su butyl nhằm kết hợp ưu điểm của hai loại cao su này, tạo ra vật liệu có tính năng cơ lý tốt, bền nhiệt, chịu lão hóa và có độ kết dính cao với vải sợi, phù hợp cho ứng dụng chế tạo băng tải chịu nhiệt. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi các loại cao su tự nhiên SVR3L, cao su clobutyl 1240 và các chất trợ tương hợp, với quy trình trộn hợp và lưu hóa trên máy trộn kín tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội năm 2018. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên, giảm phụ thuộc vào cao su tổng hợp và phát triển vật liệu bền vững trong công nghiệp cao su kỹ thuật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về vật liệu polyme blend, trong đó blend là sự phối hợp hai hoặc nhiều polyme nhằm tối ưu hóa tính chất vật liệu. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết tương hợp polyme: Sự tương hợp giữa các polyme thành phần quyết định tính chất của blend. Các yếu tố ảnh hưởng gồm bản chất hóa học, cấu trúc phân tử, khối lượng phân tử, tỷ lệ thành phần và điều kiện gia công. Để tăng tương hợp, có thể sử dụng các chất trợ tương hợp như copolyme khối, hợp chất đa chức hoặc các phương pháp cơ hóa.

  • Lý thuyết lưu hóa cao su: Quá trình lưu hóa bằng lưu huỳnh và các chất xúc tiến ảnh hưởng đến cấu trúc mạng lưới polymer, từ đó quyết định tính chất cơ lý và nhiệt của vật liệu. Các thông số lưu hóa như thời gian lưu hóa tối ưu (T90), moment xoắn cực đại (MH) được sử dụng để đánh giá quá trình lưu hóa.

Các khái niệm chính bao gồm: cao su tự nhiên (NR), cao su clobutyl (CIIR), polyme blend, chất trợ tương hợp (compatibilizer), lưu hóa, tính chất cơ lý (độ bền kéo, độ giãn dài, độ bền xé), tính bền nhiệt và độ bám dính.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu cao su blend NR/CIIR được chế tạo tại phòng thí nghiệm Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Quy trình nghiên cứu gồm:

  • Chế tạo mẫu: Sử dụng máy trộn kín Labo Plastomill để sơ luyện và phối trộn các thành phần cao su, hóa chất, chất độn, xúc tiến và chất lưu hóa theo đơn phối liệu đã xác định. Hai phương pháp trộn hợp được áp dụng: hỗn luyện chéo (trộn riêng từng hợp phần rồi phối trộn) và hỗn luyện đồng thời (trộn đồng thời các thành phần).

  • Phân tích tính chất: Các tính chất cơ lý được xác định gồm độ bền kéo đứt, độ giãn dài khi đứt, độ bền xé, độ cứng, độ mài mòn, độ dãn dài dư và độ bám dính với sợi polyeste. Các phương pháp đo theo tiêu chuẩn TCVN và ASTM, sử dụng thiết bị Instron, máy đo độ cứng Shore A, máy đo độ mài mòn GT-7012D, và thiết bị đo độ bám dính tự động.

  • Khảo sát lưu biến: Sử dụng Rotorless Rheometer để xác định các thông số lưu hóa như ML, MH, T s1, T C90 nhằm kiểm soát quá trình lưu hóa và đánh giá khả năng chế biến.

  • Phân tích bền nhiệt: Thực hiện thử nghiệm lão hóa nhiệt ở 150°C trong tủ sấy với các thời gian khác nhau, đánh giá hệ số già hóa dựa trên độ bền kéo sau lão hóa. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) được dùng để xác định nhiệt độ bắt đầu phân hủy và tốc độ phân hủy.

  • Quan sát cấu trúc: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát cấu trúc bề mặt và sự phân bố pha trong blend.

Cỡ mẫu trung bình cho mỗi phép đo là 3-5 mẫu, lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên tính chất vật liệu và mục tiêu nghiên cứu. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2018 với các giai đoạn chuẩn bị, chế tạo mẫu, đo đạc và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng hàm lượng lưu huỳnh đến cao su clobutyl: Khi tăng hàm lượng lưu huỳnh từ 0,5 đến 1 phần khối lượng, thời gian lưu hóa giảm từ 25 phút xuống còn 16 phút, sau đó tăng nhẹ khi hàm lượng lưu huỳnh vượt quá 1,5%. Độ bền kéo của cao su clobutyl giảm từ 17,29 MPa xuống 15,83 MPa khi tăng lưu huỳnh từ 1 đến 2,5%, trong khi độ giãn dài đạt tối đa 589,7% ở 1 phần lưu huỳnh.

  2. Ảnh hưởng tỷ lệ cao su clobutyl trong blend NR/CIIR: Khi tăng hàm lượng CIIR trong blend, độ bền kéo giảm nhẹ nhưng độ bền xé và độ cứng tăng lên. Ví dụ, độ bền xé tăng khoảng 15% khi hàm lượng CIIR tăng từ 20% lên 40%. Độ mài mòn giảm đáng kể, cải thiện khả năng chịu mài mòn của blend.

  3. Tác động của chất trợ tương hợp epoxy hóa cao su tự nhiên (ENR): Thêm ENR làm tăng độ bám dính của blend với mành polyeste lên đến 25%, đồng thời cải thiện hệ số lão hóa nhiệt, giảm suy giảm độ bền kéo sau lão hóa khoảng 10% so với blend không có ENR.

  4. Phương pháp trộn hợp: Hỗn luyện đồng thời cho kết quả blend có tính đồng nhất cao hơn, với moment xoắn MH tăng 12% so với phương pháp hỗn luyện chéo, cho thấy mạng lưới lưu hóa chắc chắn hơn và tính chất cơ lý tốt hơn.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy việc điều chỉnh hàm lượng lưu huỳnh trong cao su clobutyl ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình lưu hóa và tính chất cơ lý, phù hợp với lý thuyết lưu hóa cao su. Sự giảm độ bền kéo khi tăng lưu huỳnh vượt mức tối ưu có thể do mạng lưới lưu hóa quá dày gây giòn vật liệu.

Tỷ lệ phối trộn cao su clobutyl trong blend ảnh hưởng đến cân bằng giữa tính bền kéo và độ cứng, phù hợp với mục tiêu tạo vật liệu băng tải chịu nhiệt có độ bền cơ học và khả năng chống mài mòn cao. Việc sử dụng chất trợ tương hợp ENR giúp tăng tương hợp giữa các pha, cải thiện độ bám dính và khả năng chịu lão hóa, đồng thời giảm hiện tượng phân lớp trong băng tải.

Phương pháp hỗn luyện đồng thời tối ưu hơn về mặt cấu trúc vi mô và tính chất vật liệu, phù hợp cho sản xuất công nghiệp. Các kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trong ngành cao su blend, đồng thời mở rộng ứng dụng blend NR/CIIR trong sản xuất băng tải chịu nhiệt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng lưu huỳnh và thời gian lưu hóa, biểu đồ so sánh tính chất cơ lý của blend theo tỷ lệ CIIR, và hình ảnh SEM minh họa cấu trúc bề mặt blend với và không có chất trợ tương hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hàm lượng lưu huỳnh trong cao su clobutyl: Khuyến nghị sử dụng hàm lượng lưu huỳnh khoảng 1 phần khối lượng để đạt thời gian lưu hóa ngắn và tính chất cơ lý tối ưu, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

  2. Điều chỉnh tỷ lệ phối trộn NR/CIIR: Đề xuất tỷ lệ CIIR trong blend từ 20-40% để cân bằng giữa độ bền kéo, độ cứng và khả năng chống mài mòn, phù hợp với yêu cầu băng tải chịu nhiệt trong các nhà máy xi măng, luyện kim.

  3. Sử dụng chất trợ tương hợp epoxy hóa (ENR): Khuyến khích bổ sung ENR với hàm lượng thích hợp để tăng độ bám dính với mành polyeste và cải thiện khả năng chịu lão hóa nhiệt, kéo dài tuổi thọ băng tải.

  4. Áp dụng phương pháp hỗn luyện đồng thời: Khuyến nghị sử dụng phương pháp trộn hợp đồng thời trên máy trộn kín để đảm bảo tính đồng nhất và chất lượng blend, giảm thiểu khuyết tật sản phẩm.

  5. Thời gian lưu hóa và điều kiện gia công: Cần kiểm soát thời gian lưu hóa theo công thức kinh nghiệm (T lưu hóa = (độ dày sản phẩm/2) + T C90) và duy trì nhiệt độ lưu hóa ổn định để đảm bảo mạng lưới polymer phát triển tối ưu.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 6-12 tháng tiếp theo bởi các nhà sản xuất cao su kỹ thuật và các trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme nhằm ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư vật liệu cao su: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp chế tạo blend NR/CIIR, giúp phát triển vật liệu cao su kỹ thuật mới với tính năng cải tiến.

  2. Doanh nghiệp sản xuất băng tải và sản phẩm cao su kỹ thuật: Thông tin về công thức phối trộn, quy trình lưu hóa và tính chất vật liệu hỗ trợ tối ưu hóa sản phẩm băng tải chịu nhiệt, nâng cao chất lượng và tuổi thọ.

  3. Các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ polyme: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về tương hợp polyme, chất trợ tương hợp và phương pháp trộn hợp, phục vụ nghiên cứu phát triển vật liệu blend đa dạng.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật hóa học, vật liệu: Tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình nghiên cứu, phương pháp phân tích tính chất vật liệu và ứng dụng thực tế trong ngành cao su.

Câu hỏi thường gặp

  1. Blend cao su NR/CIIR có ưu điểm gì so với cao su đơn thành phần?
    Blend kết hợp ưu điểm của cao su tự nhiên về độ bền kéo và cao su clobutyl về khả năng chịu nhiệt, chống lão hóa, giúp sản phẩm bền hơn trong môi trường khắc nghiệt.

  2. Tại sao cần sử dụng chất trợ tương hợp epoxy hóa (ENR)?
    ENR giúp tăng tương hợp giữa các pha cao su, cải thiện độ bám dính với mành polyeste và tăng khả năng chịu lão hóa nhiệt, từ đó nâng cao tuổi thọ sản phẩm.

  3. Phương pháp trộn hợp nào hiệu quả hơn?
    Phương pháp hỗn luyện đồng thời cho tính đồng nhất cao hơn, mạng lưới lưu hóa chắc chắn hơn, cải thiện tính chất cơ lý so với phương pháp hỗn luyện chéo.

  4. Làm thế nào để xác định thời gian lưu hóa tối ưu?
    Dựa vào đường cong lưu hóa trên thiết bị Rheometer, thời gian T C90 được dùng làm thời gian lưu hóa tối ưu, kết hợp với độ dày sản phẩm theo công thức kinh nghiệm.

  5. Blend NR/CIIR có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Blend phù hợp cho sản xuất băng tải chịu nhiệt, ống chịu nhiệt, lớp lót trong lốp xe, và các sản phẩm cao su kỹ thuật yêu cầu độ bền nhiệt và cơ lý cao.

Kết luận

  • Đã nghiên cứu thành công chế tạo blend giữa cao su tự nhiên và cao su clobutyl với các tính chất cơ lý và bền nhiệt cải tiến.
  • Xác định hàm lượng lưu huỳnh tối ưu cho cao su clobutyl là khoảng 1 phần khối lượng để đạt hiệu quả lưu hóa tốt nhất.
  • Tỷ lệ phối trộn CIIR từ 20-40% trong blend giúp cân bằng tính chất cơ lý và khả năng chống mài mòn.
  • Chất trợ tương hợp epoxy hóa (ENR) nâng cao độ bám dính và khả năng chịu lão hóa nhiệt của blend.
  • Phương pháp hỗn luyện đồng thời được khuyến nghị áp dụng trong sản xuất để đảm bảo chất lượng vật liệu.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm sản xuất quy mô pilot và đánh giá hiệu quả sử dụng trong điều kiện thực tế. Các nhà sản xuất và nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả để phát triển sản phẩm băng tải chịu nhiệt chất lượng cao, góp phần nâng cao giá trị ngành công nghiệp cao su kỹ thuật trong nước.