Chương 1: TỔNG QUAN 1. Vật liệu blend 1. Giới thiệu chung Khái niệm về vật liệu polyme blend lần đầu xuất hiện vào thế kỷ 19, nhưng thực sự phát triển từ cuối những năm 80 của thế kỷ XX. Vật liệu polyme blend được định nghĩa là một loại vật liệu tổ hợp được chế tạo từ 2 hay nhiều loại polyme với nhau để tạo thành một vật liệu có tính chất cơ lý tốt, mở rộng khả năng ứng dụng cho sản phẩm hoặc hạ giá thành sản phẩm [11].
Trong vật liệu blend, các polyme thành phần có thể tương tác hoặc không tương tác vật lý, hoá học với nhau. Polyme blend có thể là các hệ đồng thể hoặc hệ dị thể. Trong polyme blend đồng thể các polyme thành phần không còn đặc tính riêng, còn trong polyme blend dị thể thì các tính chất của các polyme thành phần hầu như vẫn được giữ nguyên. Polyme blend thường là loại vật liệu có nhiều pha, trong đó có một pha liên tục và một hoặc nhiều pha phân tán hoặc tất cả các pha đều phân tán, mỗi pha được tạo nên bởi một polyme thành phần.
Sự tạo thành hệ đồng thể hay hệ dị thể của polyme blend phụ thuộc vào khả năng tương hợp của các polyme thành phần. Sự tương hợp của các polyme là sự tạo thành một pha tổ hợp ổn định và đồng thể từ hai hoặc nhiều polyme. Sự tương hợp của các polyme cũng chính là khả năng trộn lẫn tốt của các polyme vào nhau, tạo nên một vật liệu polyme mới - vật liệu polyme blend [73]. Khả năng tương hợp của polyme blend phụ thuộc nhiều yếu tố điều kiện trộn hợp mà các polyme khi trộn lẫn với nhau tạo thành hệ đồng thể hay dị thể.
Ngoài ra khả năng tương hợp còn phụ thuộc các yếu tố như: bản chất hóa học và cấu trúc phân tử của các polyme; khối lượng phân tử và sự phân bố của khối lượng phân tử; tỷ lệ các cấu tử trong blend; năng lượng bám dính ngoại phân tử; nhiệt độ,. Như vậy các polyme có cấu tạo hóa học hoặc độ phân cực càng tương tự nhau thì khả năng tương hợp càng dễ dàng, những polyme khác nhau về cấu tạo hóa học hoặc độ phân cực thì khó tương hợp với nhau. Trong những trường hợp các polyme không có khả năng tự tương hợp với nhau, người ta thường dùng các chất tương hợp để làm cầu nối liên kết giữa các pha polyme với nhau. 3 Trong vật liệu polyme blend, thường sử dụng các chất tương hợp là copolyme, oligome đồng trùng hợp, các chất có hoạt tính bề mặt, các chất thấp phân tử hay các hợp chất có nhiều nhóm chức.
Ngoài các chất tương hợp người ta còn sử dụng phương pháp cơ nhiệt, thông qua việc khảo sát đặc trưng lưu biến của vật liệu để lựa chọn các thông số gia công thích hợp cho từng loại blend [56,73,86]. Sự tương hợp của polyme blend được phân ra làm các loại như sau: khi các blend tương hợp với nhau nhờ các phương pháp cơ nhiệt thì được gọi là hệ blend tương hợp kỹ thuật [93]. Nếu các cấu tử hoà trộn vào nhau ở cấp độ phân tử và tồn tại cân bằng thì được gọi là hệ blend tương hợp nhiệt động. Trong trường hợp các polyme thành phần phân bố ở kích thước rất nhỏ nhưng không tạo ra được hệ tương hợp thì được gọi là tổ hợp không tương hợp [108].
Một số thành tựu nổi bật Một trong những thành tựu quan trọng của thế kỷ XX là phát triển và ứng dụng của vật liệu polyme blend nói chung và cao su blend nói riêng. Vật liệu blend có nhiều ưu thế nên cao su blend đã được sản xuất và ứng dụng ở hầu khắp các lĩnh vực của nền kinh tế, từ các sản phẩm thông dụng cho tới các sản phẩm kỹ thuật cao trong ngành điện, chế tạo máy, giao thông vận tải, xây dựng, khai thác dầu khí, an ninh - quốc phòng, ngành kỹ thuật công nghệ cao, v.v… Các sản phẩm polyme blend đã và đang phát triển mạnh mẽ cả về số lượng cũng như chủng loại [43]. Mức tăng trưởng của vật liệu polyme blend trung bình mỗi năm trên 10% (so với tốc độ tăng trưởng hàng năm hiện nay của vật liệu polyme thông thường chỉ đạt khoảng 5 đến 6%). Trong số đó, hệ blend của cao su và các nhựa nhiệt dẻo chế tạo bằng cách trộn hợp các loại nhựa nhiệt dẻo với cao su có mức tăng trưởng cao nhất [9,109].
Để đáp ứng ngày càng cao của các ngành kỹ thuật, trong những năm qua các nhà khoa học đã phối hợp với các nhà sản xuất không ngừng nghiên cứu nhằm cải thiện tính chất vật liệu để đưa ra những vật liệu mới có nhiều tính chất ưu việt hơn. Đã có nhiều loại cao su blend trên cơ sở các loại cao su tổng hợp với nhựa nhiệt dẻo đã trở thành sản phẩm thương mại trên thị trường thế giới như: Blend của cao su NBR với cao su EPDM với tên thương mại là Geolast có khả năng bền nhiệt, bền dầu do hãng Monsanto Polym. sản xuất; blend của NBR với nhựa PVC với 4 tên thương mại là JSR NV có khả năng bền dầu, hóa chất và nhiệt độ thấp do hãng Japan Synth. sản xuất hoặc blend của cao su EPDM với nhựa PP có khả năng bền va đập, bền thời tiết được sử dụng trong công nghiệp ô tô do hãng Uniroyal Chem.
sản xuất với tên thương mại là Royalene v. Khoa học kỹ thuật cũng như ngành công nghiệp ô tô và các ngành công nghiệp phụ trợ ngày càng phát triển đòi hỏi phải có những loại vật liệu mới. Các loại vật liệu từ cao su thiên nhiên cũng đã được quan tâm ứng dụng nhiều. Theo thống kê của hiệp hội các nước sản xuất cao su thiên nhiên thì hiện nay cao su thiên nhiên chiếm 45% thị phần cao su tiêu thụ trên toàn thế giới.
Ở nước ta, cao su thiên nhiên đã được tập trung nghiên cứu khá nhiều chủ yếu nhằm nâng cao tính năng cơ lý cho vật liệu trên cơ sở cao su thiên nhiên [15]. Các loại vật liệu tổ hợp từ cao su thiên nhiên cũng đã được nghiên cứu tương đối nhiều [5,31]. Các nghiên cứu biến tính cao su thiên nhiên như: biến tính với cacdanol-epiclohydrin và anhydrit maleic [23], với cao su styren - butađien [14]. Bên cạnh đó, cao su thiên nhiên cũng đã được sử dụng để tổng hợp copolyme khối với polymetylmetacrylat [26].
Ngoài ra, cũng đã có các nghiên cứu về latex cao su thiên nhiên, các nghiên cứu chủ yếu tập trung chế tạo cao su lỏng từ latex [25] hay biến tính bằng polystyren [8]. Để phục vụ tốt cho công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, vật liệu blend đã được các nhà khoa học Việt Nam quan tâm, nghiên cứu chế tạo và ứng dụng từ đầu những năm 90 của thế kỷ 20 và phát triển cho tới ngày nay. Với nguồn nguyên liệu sẵn có và sản lượng cao su thiên nhiên ngày càng tăng, các nhà khoa học Việt Nam đã nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho cao su thiên nhiên nhằm thay thế các sản phẩm nhập ngoại phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của đất nước [1,12,19]. Điển hình là công trình nghiên cứu chế tạo cao su blend của cao su thiên nhiên với cao su cloropren (CR) ứng dụng làm các khe co dãn, gối cầu phục vụ xây dựng các công trình giao thông đường bộ của các nhà khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu vật liệu Polyme (Đại học Bách khoa Hà Nội) [29].
Các vật liệu trên làm các loại gioăng, phớt chịu dầu và ủng chữa cháy, hay blend của CSE với CR để chế tạo một số dụng cụ cứu hộ hỏa hoạn nhà cao tầng của các nhà khoa học thuộc Viện Hóa học Vật liệu (Viện KHKT & CNQS) [1]. Vật liệu cao su blend chống cháy đã 5 được các nhà khoa học thuộc Viện Kỹ thuật nhiệt đới và bảo vệ môi trường thành phố Hồ Chí Minh chế tạo, như vật liệu chống cháy trên cơ sở PVC-NBR, hệ blend chống cháy trên cơ sở PVC-CSE và hệ CR-CSE nhằm ứng dụng chế tạo các trang thiết bị cứu hộ hỏa hoạn khẩn cấp cho các toà nhà cao tầng [30]. Nhìn chung, trong những năm qua, các nghiên cứu về vật liệu blend ứng dụng vào thực tế đã được nghiên cứu tương đối nhiều, tuy nhiên các công trình về vật liệu blend tập trung chủ yếu ở một số trung tâm nghiên cứu lớn như: Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme và compozit – Trường ĐH Bách khoa Hà Nội, Viện Hoá học Vật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự và Viện Hóa học Việt Nam phối hợp với một số đơn vị nghiên cứu, các trường đại học và đơn vị sản xuất khác. Các nghiên cứu về blend CSTN/LDPE đã được chế tạo và ứng dụng có hiệu quả, đây là vật liệu có khả năng bền môi trường tốt hơn cao su thiên nhiên, dễ gia công, năng suất cao đã được ứng dụng để chế tạo các loại đệm chống va đập tàu biển cũng như các loại đế giầy nhẹ chất lượng cao phục vụ xuất khẩu [13].
Blend của cao su thiên nhiên với cao su butadien nitril [32] có khả năng bền dầu mỡ, có tính chất cơ lý cao, giá thành hạ nên đã được ứng dụng để chế tạo các sản phẩm cao su kỹ thuật và dân dụng có yêu cầu bền dầu mỡ (các đệm chống va tàu thuyền cho các cảng dầu khí, làm đế giầy, ủng bền dầu mỡ, v. Ngoài ra, cũng có các công trình đang nghiên cứu về blend từ cao su thiên nhiên với cao su butadien styren [14], từ cao su thiên nhiên với cao su cloropren [17] hoặc với cao su etylen - propylen - dien đồng trùng hợp bền môi trường [38]. Vật liệu cao su blend được chế tạo cho các lĩnh vực công nghệ cao đi từ cao su tổng hợp (như NBR/PVC, NBR/CR) có khả năng bền dầu mỡ, bền nhiệt và thời tiết nên rất phù hợp để chế tạo các loại gioăng đệm có khả năng bền dầu mỡ cho các thiết bị máy máy móc [36,37] Trong những năm gần đây, cũng đã có nhiều công bố của các tác giả trong nước về kết quả nghiên cứu ứng dụng vật liệu cao su blend được đăng tải trên các tạp chí khoa học chuyên ngành trong nước và quốc tế. Những kết quả nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu cao su blend trong những năm qua mới chỉ là bước đầu nhưng đã khẳng định khả năng tự chế tạo các sản phẩm cao su kỹ thuật chất lượng cao phục vụ phát triển đất nước [7].
