MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Cao su thiên nhiên là nguồn tài nguyên thiên nhiên quan trọng của trái đất hiện tại. Nó là một vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp cao su vì nó có tính chất vật lý tuyệt vời nhƣ độ co dãn cao, độ bền kéo cao. Tuy nhiên cao su thiên nhiên cũng có một số tính chất không mong muốn nhƣ: chống mài mòn thấp, tính chất lão hóa kém, cũng nhƣ độ chịu dầu thấp, khả năng truyền nhiệt kém. Để khắc phục những hạn chế này, các nhà khoa học đã điều chỉnh đơn pha chế bằng cách pha trộn cao su tự nhiên với hợp chất khác.
Tuy nhiên, các quá trình này có thể không phải lúc nào cũng cải thiện đƣợc tính chất. Cao su thiên nhiên đƣợc xem là một nguồn tài nguyên tái tạo và thân thiện với môi trƣờng. Sự biến đổi hóa học đã trở thành một phƣơng pháp quan trọng để cải thiện tính chất của cao su tự nhiên và mở rộng phạm vi sử dụng của nó. Ngày nay, cao su chống rung, giảm chấn là những vật liệu vô cùng quan trọng để đảm bảo cho các loại máy móc, thiết bị hoạt động tốt không gây tiếng ồn, giảm sự hỏng hóc, duy trì khả khả năng làm việc máy móc hay để hỗ trợ và cô lập các cấu trúc thƣợng tầng từ rung động giao thông và chuyển động địa chấn.
Gần đây, chúng cũng đƣợc sử dụng làm hệ thống cách ly cơ sở để bảo vệ cấu trúc các hệ thống xây dựng trên quy mô lớn khỏi các trận động đất ở Nhật Bản, Hoa Kỳ và Trung Quốc[10], [16],[35]. Việt Nam là nƣớc xuất khẩu cao su tự nhiên lớn trên thế giới, tuy nhiên chỉ là cao su sơ chế có giá trị kinh tế thấp, chính vì vậy vẫn chƣa thể phát huy hết tiềm năng nguyên liệu cao su tự nhiên Việt Nam. Các sản phẩm cao su kỹ thuật có giá thành cao thì chúng ta vẫn phải nhập từ nƣớc ngoài. Từ thực tế đó, em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo cao su chống rung trên cơ sở cao su thiên nhiên” làm đề tài cho luận văn của mình.
1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về các vật liệu chống rung giảm chấn. Tuy nhiên chỉ có cao su là có khả năng chống rung và tắt rung ƣu việt nhất. Abdulhadi, Irbid[25]đã coi 1 khối cao su hình trụ có hệ số giảm chấn nhớt C eq là tƣơng đƣơng với 1 lò xo có độ cứng K và thông qua mô hình toán học đã xây dựng phƣơng trình dẫn nhiệt mô tả trƣờng nhiệt độ bên trong mẫu cao su. Sau khi tiến hành đo nhiệt độ các vị trí khác nhau trong mẫu cao su đã rất đã kết luận rằng mô hình toán học của cao su có độ tin cậy cao, và nhiều nhà khoa học đã sử dụng các mô hình toán học và công cụ mô phỏng để phân tích và kiểm soát rung động, phân tích phƣơng thức, theo dõi điều kiện và sửa đổi cấu trúc động[51],[27],[31],[41].
Tác giả David Frankovich cũng có quan điểm giống với M. Abdulhadi và ông đã xác định đƣợc công thức xác định hệ số đàn hồi K của vật liệu cao su có hình dạng khác nhau. Khả năng chống rung của vật liệu còn phụ thuộc vào hệ số hình dạng do cao su không bị nén, nên khi đặt tải trọng lên sẽ bị xô lệch cấu trúc[18]. Chung đã nghiên cứu về những vật liệu chống rung bằng kim loại, polyme, ceramic và compozit [17].
Các kết quả cho thấy cao su neoprene có khả năng tắt rung cao nhất (giá trị tan ) vƣợt trội nhƣng mô đun tích trữ và mô đun tổn hao của nó lại thuộc hàng thấp nhất. Năm 2011, Der-Ho Wu và Hsun-Heng Tsai [19] đã tìm ra phƣơng pháp chế tạo hệ cao su thiên nhiên phối hợp với cacbon nanotube đa tƣờng có khả năng chống rung cao. Đến năm 2014, Xun Lu, Xujun Li và Min Tian đã tạo ra đƣợc hỗn hợp cao su blend có khả năng giảm xóc chống rung trong dải nhiệt độ và tần số cao [49].Cũng trong năm 2011, nhóm tác giả Xing Zhou, Youyi Sun, Yong Jiang, Yaqing Liu, Guizhe Zhao[48]đã đƣa các hạt oxit sắt từ dƣới dạng nano vào trong 2 cao su tự nhiên. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự cải thiện độ bền kéo và từ tính bão hòa cao so với cao su tự nhiên.
Năm 2015, Choudhary và Kaur đã nghiên cứu vật liệu và ứng dụng chúng trong hệ nano chống rung thu đƣợc kết quả cao[15]. Điều này cho thấy rằng các nghiên cứu đa chiều liên quan đến vật liệu chống rung đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Năm 2017, Eunsoo Choi, Heejung Youn, Kyoungsoo Park, Jong-Su Jeon đã thử nghiệm độ rung của lò xo cao su nén trƣớc và bộ giảm chấn thông minh[21]. Hệ thống trên bao gồm vật liệu là cao su trên cơ sở polyuretan và cơ cấu thép.
Mô hình thử nghiệm này khẳng định có khả năng chống đƣợc động đất, mở ra một ý nghĩa to lớn trong lĩnh vực xây dựng. Tình hình nghiên cứu trong nước Đối với Việt Nam, việc nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu và sản phẩm cao su kỹ thuật trên cơ sở cao su thiên nhiên, cao su blend đã đƣợc thực hiện trong vài năm gần đây. Năm 2014, Phạm Nhƣ Hoàn đã [7] nghiên cứu thành công sản phẩm đệm chống rung trên cơ sở cao su butadiene nitril (NBR), làm việc trong điều kiện chịu nén liên tục. Năm 2015, Tác giả Bùi Chƣơng Đặng Việt Hƣng và các cộng sự[2] sử dụng qui hoạch thực nghiệm và phần mềm phân tích phƣơng sai để nghiên cứu sự ảnh hƣởng của hệ lƣu hóa đến tính chất blend NR/NBR.
Kết quả chỉ ra đƣợc sự ảnh hƣởng của hệ lƣu hóa đến thời gian lƣu hóa tối ƣu, độ bền kéo, độ dãn dài, độ trƣơng nở. Cũng trong những nghiên cứu về cao su chống rung nói trên, Đặng Việt Hƣng và các cộng sự đã nghiên cứu các đặc trƣng và tính chất cơ học động của blend NR/NBR[3]. Kết quả cũng cho thấy chất độn ảnh hƣởng chủ yếu đến mô đun tổn hao của NBR nhƣng lại ảnh hƣởng chủ yếu đến tan trong pha NR. 3 Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu của luận văn Mục đích nghiên cứu: Chế tạo đƣợc cao su có khả năng tắt rung dƣới tải trọng lớn trên cơ sở cao su thiên nhiên.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận văn: Để thực hiện mục tiêu trên, đã lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu là: 1. Nghiên cứu chế độ lƣu hóa cao su NR, xác định các đặc trƣng lƣu hóa, xây dựng chế độ lƣu hóa tối ƣu. Ảnh hƣởng của các cấu tử trong đơn (chất độn, hóa dẻo, hệ xúc tiến lƣu hóa) đến tính chất công nghệ, tính chất cơ học tĩnh và từ đó tối ƣu hóa đơn pha chế. Khảo sát các tính chất sử dụng của cao su NR - Hệ số lão hóa nhiệt (độ bền kéo, dãn dài, độ cứng shore A).
- Một số tính chất cơ học: độ cứng nén, mô đun nén, độ hồi phục. - Khả năng chịu mỏi. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả Khảo sát các đặc trƣng của cao su tự nhiên bao gồm: cơ lý, nhiệt và đặc trƣng lƣu hóa, các yếu tố ảnh hƣởng đến cơ tính cao su nhƣ độ nhớt mooney, hàm lƣợng than, hàm lƣợng dầu hóa dẻo, silica, oxit sắt từ, bari ferit, ảnh hƣởng của loại xúc tiến. Khảo sát tính chất lão hóa nhiệt và tải trọng động.
Sử dụng các công cụ mô phỏng để tính đƣợc năng lƣợng hoạt hóa và bậc phản ứng. Kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu cao su thiên nhiên chống rung, giảm chấn với các lĩnh vực khoa học khác nhƣ cơ khí, giao thông, điện tử… Nhằm đƣa đề tài ứng dụng thành công trong thực tế ở Việt Nam. 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.Cao su tự nhiên (CSTN) 1.Lịch sử phát triển[24],[40] Các nền văn hoá bản xứ của Mesoamerica là những nơi đầu tiên sử dụng cao su. Mủ cao su tự nhiên chiết xuất từ cây Para sử dụng trong việc tạo ra quả bóng ném Mesoamerican.
Các nền văn hoá Aztec và Maya sau đó đã bắt đầu sử dụng cao su với nhiều mục đích khác nhau nhƣ sản xuất hàng dệt may và đồ chứa không thấm nƣớc. Năm 1770, Joseph Priestley phát hiện ra rằng cao su có thể đƣợc sử dụng để chà dấu hiệu bút chì trên giấy. Dần dần, các ứng dụng khác của cao su đã đƣợc phát hiện, và việc sử dụng nó đã trở nên phổ biến khắp Châu Âu. Khi việc sử dụng các sản phẩm cao su đã trở nên phổ biến hơn, một khiếm khuyết đáng kể đã đƣợc nhận ra: ở nhiệt độ thấp, chúng trở nên cứng và mất độ đàn hồi, trong khi ở nhiệt độ cao chúng trở nên quá mềm để giữ nguyên hình dạng ban đầu.
Năm 1839, Charles Goodyear phát hiện quá trình lƣu hóa. Điều này bao gồm một liên kết chéo của các phân tử cao su với lƣu huỳnh để tạo ra cấu trúc mạng không gian ba chiều và ổn định. Kết quả của quá trình này, cao su thiên nhiên đã trở thành một nguồn lực quan trọng về công nghiệp và là một vật liệu không thể thiếu trong thời kỳ chiến tranh. Từ chiến tranh thế giới thứ 2 bùng nổ, cao su nhân tạo đã đƣợc tạo ra tuy nhiên cao su tự nhiên vẫn đƣợc sử dụng cho nhiều ứng dụng và nhu cầu sử dụng ngày càng lớn.1: Sản lượng CSTN trên thế giới[32].Thành phần và cấu tạo của cao su tự nhiên Tùy thuộc vào các yếu tố nhƣ: phƣơng pháp sản xuất, tuổi của cây cao su, cấu tạo thổ nhƣỡng khí hậu nơi cây sinh trƣởng, phát triển và mùa khai thác mủ cao su mà CSTN có thành phần khác nhau[5],[6].
Thành phần hóa học các chất đƣợc trính ly bằng axeton bao gồm: 5,51% axit béo (axit oleic, axit stearic) giữ vai trò làm trợ xúc tiến cho quá trình lƣu hóa. Axit béo trong cao su tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, 3% là este của các axit béo, 7% là glucozit. Phần còn lại là các axit amin béo và các hợp chất photpho hữu cơ 0,08% đến 0,16% các hợp chất hữu cơ kiềm tính: C 17 H42O3 và C20H30O. Những hợp chất này có khả năng chống lại phản ứng oxi hóa mạch hydrocacbon và giữ vai trò chất phòng lão tự nhiên cho cao su.
Các chất chứa nitơ trong cao su thiên nhiên gồm protein và các sản phẩm phân hủy protein là các axit amin. Protein làm giảm tính năng kĩ thuật của cao su vì tăng tính năng hút ẩm và giảm tính cách điện của cao su.