Nghiên Cứu Chế Tạo Các Blend Trên Cơ Sở Cao Su Thiên Nhiên

Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo các blend cao su thiên nhiên, ứng dụng trong công nghiệp, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

• Tác giả: Hoàng Hải Hiền
• Người hướng dẫn: GS. TS. Bùi Chương
• Trường học: Trường Đại Học Vinh
• Chuyên ngành: Hóa Hữu Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Blend Từ Cao Su Thiên Nhiên
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Nghệ An

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ, SƠ ĐỒ
• MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vật liệu blend
• 1.1.1. Giới thiệu chung
• 1.1.2. Một số thành tựu nổi bật
• 1.1.3. Các phương pháp chế tạo polyme blend
• 1.1.3.1. Chế tạo polyme blend ở trạng thái nóng chảy
• 1.1.3.2. Chế tạo polyme blend từ dung dịch polyme
• 1.1.3.3. Chế tạo polyme blend từ hỗn hợp các latex polyme
• 1.1.4. Phương pháp xác định độ tương hợp và tăng cường khả năng tương hợp của polyme blend
• 1.1.4.1. Các phương pháp xác định độ tương hợp
• 1.1.4.2. Một số phương pháp tăng độ tương hợp cho polyme blend
• 1.2. Cao su nguyên liệu và một số hoá chất phụ gia
• 1.2.1. Cao su nguyên liệu
• 1.2.1.1. Cao su thiên nhiên
• 1.2.1.2. Cao su butadien nitril
• 1.2.1.3. Cao su butadien styren
• 1.2.2. Một số hoá chất và phụ gia dùng trong lưu hoá cao su
• 1.2.2.1. Sự lưu hoá và cơ chế lưu hoá cao su
• 1.2.2.2. Chất trợ xúc tiến
• 1.2.2.3. Chất phòng lão
• 1.3. Một số vật liệu blend trên cơ sở cao su thiên nhiên
• 1.4. Vật liệu polyme nanocompozit
• 1.4.1. Giới thiệu chung về vật liệu compozit
• 1.4.2. Vật liệu polyme nanocompozit
• 1.4.3. Chế tạo polyme nanocompozit bằng trộn hợp
• 1.4.3.1. Trộn hợp nóng chảy
• 1.4.3.2. Trộn hợp dung dịch
• 1.4.4. Chế tạo polyme nanocompozit bằng phương pháp sol-gel
• 1.4.5. Chế tạo polyme nanocompozit bằng phương pháp trùng hợp in situ
• 2. Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Nguyên liệu và thiết bị nghiên cứu
• 2.1.1. Nguyên liệu và hoá chất
• 2.1.2. Thiết bị chế tạo
• 2.1.3. Thiết bị nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp thực nghiệm
• 2.2.1. Chế tạo vật liệu
• 2.2.1.1. Các quy trình chế tạo chung
• 2.2.1.2. Chế tạo vật liệu blend CSTN/NBR
• 2.2.1.3. Chế tạo vật liệu blend CSTN/NBR theo 4 phương pháp
• 2.2.1.4. Chế tạo blend (CSTN/NBR)/DCP
• 2.2.1.5. Chế tạo blend (CSTN/NBR)/CSE-20
• 2.2.1.6. Chế tạo blend (CSTN/NBR)/CSE-50
• 2.2.1.7. Chế tạo blend (CSTN/NBR)/CR
• 2.2.1.8. Chế tạo blend CSTN/NBR/DCP-CR
• 2.2.1.9. Chế tạo nano silica compozit trên cơ sở các blend đã chế tạo được
• 2.2.1.10. Chế tạo vật liệu blend CSTN/CSE-20 và nanocompozit từ blend CSTN/CSE-20
• 2.2.1.11. Chế tạo vật liệu blend CSTN/SBR
• 2.2.2. Phương pháp xác định tính chất, cấu trúc vật liệu cao su blend
• 2.2.2.1. Phương pháp xác định độ bền kéo đứt của vật liệu
• 2.2.2.2. Phương pháp xác định độ dãn dài khi đứt của vật liệu
• 2.2.2.3. Phương pháp xác định độ bền xé của vật liệu
• 2.2.2.4. Phương pháp xác định khả năng hồi phục ứng suất
• 2.2.2.5. Phương pháp xác định vòng trễ
• 2.2.2.6. Phương pháp xác định độ cứng của vật liệu
• 2.2.2.7. Phương pháp xác định độ trương của vật liệu trong dung môi
• 2.2.2.8. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)
• 2.2.2.9. Phương pháp xác định mật độ khâu mạch
• 2.2.2.10. Phương pháp xác định độ dẻo P0
• 2.2.2.11. Phương pháp xác định chỉ số duy trì độ dẻo PRI
• 2.2.2.12. Phương pháp xác định độ nhớt Mooney
• 2.2.2.13. Phương pháp khảo sát cấu trúc hình thái
• 2.2.3. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm
• 3. Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su blend trên cơ sở cao su thiên nhiên và cao su butadien nitril (CSTN/NBR)
• 3.1.1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su blend trên cơ sở cao su thiên nhiên và cao su butadien nitril không có chất tương hợp
• 3.1.1.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn các cao su đến một số tính chất công nghệ blend CSTN/NBR
• 3.1.1.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp cao su đến độ trương của blend trong xăng A92 và dầu nhờn
• 3.1.1.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ chế tạo đến tính chất blend
• 3.1.2. Nghiên cứu chế tạo blend CSTN/NBR có chất tương hợp
• 3.1.2.1. Nghiên cứu tăng cường khả năng tương hợp cho blend CSTN/NBR bằng DCP
• 3.1.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại cao su thiên nhiên epoxy hóa đến tính chất blend CSTN/NBR
• 3.1.2.3. Nghiên cứu sử dụng cao su clopren cắt mạch (CR) làm chất tương hợp cho blend CSTN/NBR(4/1)
• 3.1.2.4. Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Design Expert tối ưu hoá hàm lượng CR và DCP tương hợp kết hợp cho blend CSTN/NBR(4/1)
• 3.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit
• 3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng nano silica biến tính đến tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit
• 3.2.2. Ảnh hưởng của chất độn nano silica biến tính đến độ trương trong xăng A92 và dầu nhờn
• 3.2.3. Cấu trúc hình thái vật liệu cao su blend nanocompozit
• 3.2.4. Ảnh hưởng của DCP và các loại chất độn nano silica đến vật liệu nanocompozit từ blend CSTN/NBR(4/1)
• 3.3. Nghiên cứu chế tạo một số hệ blend khác trên cơ sở cao su thiên nhiên
• 3.3.1. Nghiên cứu chế tạo cao su blend CSTN/CSE-20 và nanocompozit từ blend CSTN/CSE-20
• 3.3.1.1. Nghiên cứu chế tạo cao su blend CSTN/CSE-20
• 3.3.1.2. Nghiên cứu chế tạo nanocompozit từ blend CSTN/CSE-20 và nanoslica
• 3.3.2. Nghiên cứu chế tạo hệ blend CSTN/SBR (1:1) tăng cường khả năng tương hợp bằng benzoyl peroxyt (BPO)
• 3.3.2.1. Ảnh hưởng của chất tương hợp BPO đến quá trình hỗn luyện
• 3.3.2.2. Ảnh hưởng của BPO đến tính chất cơ học blend
• 3.3.2.3. Ảnh hưởng của BPO đến khả năng hồi phục ứng suất của blend
• 3.3.2.4. Ảnh hưởng của BPO đến tính chất nhiệt của vật liệu blend CSTN/SBR
• 3.3.2.5. Cấu trúc hình thái blend CSTN/SBR (1:1) tương hợp BPO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo vật liệu blend từ cao su thiên nhiên

Nghiên cứu chế tạo vật liệu blend từ cao su thiên nhiên đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp vật liệu. Vật liệu blend không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ học mà còn mở rộng ứng dụng của cao su thiên nhiên trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc kết hợp cao su thiên nhiên với các loại cao su tổng hợp tạo ra những sản phẩm có tính năng vượt trội, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

1.1. Định nghĩa và ứng dụng của vật liệu blend

Vật liệu blend là sự kết hợp giữa hai hoặc nhiều loại polymer, trong đó cao su thiên nhiên đóng vai trò chủ đạo. Các ứng dụng của vật liệu blend rất đa dạng, từ sản xuất lốp xe đến các sản phẩm tiêu dùng hàng ngày.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng cao su thiên nhiên trong vật liệu blend

Sử dụng cao su thiên nhiên trong vật liệu blend mang lại nhiều lợi ích như giảm chi phí sản xuất, tăng tính bền vững và thân thiện với môi trường. Điều này giúp nâng cao giá trị của sản phẩm và mở rộng thị trường tiêu thụ.

II. Thách thức trong nghiên cứu chế tạo vật liệu blend từ cao su thiên nhiên

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc chế tạo vật liệu blend từ cao su thiên nhiên cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ tương hợp giữa các loại cao su, tính chất cơ học và khả năng chịu nhiệt của vật liệu là những yếu tố cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

2.1. Độ tương hợp giữa cao su thiên nhiên và cao su tổng hợp

Độ tương hợp giữa cao su thiên nhiên và các loại cao su tổng hợp là một yếu tố quan trọng quyết định đến tính chất của vật liệu blend. Việc tìm kiếm các chất tương hợp phù hợp là cần thiết để cải thiện tính chất cơ học của sản phẩm.

2.2. Tính chất cơ học và khả năng chịu nhiệt của vật liệu blend

Tính chất cơ học và khả năng chịu nhiệt của vật liệu blend từ cao su thiên nhiên cần được tối ưu hóa để đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng công nghiệp. Nghiên cứu này sẽ giúp xác định các thông số kỹ thuật cần thiết cho sản phẩm.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu blend từ cao su thiên nhiên

Có nhiều phương pháp chế tạo vật liệu blend từ cao su thiên nhiên, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng và tính năng của sản phẩm cuối cùng.

3.1. Phương pháp trộn nóng chảy

Phương pháp trộn nóng chảy là một trong những kỹ thuật phổ biến nhất trong chế tạo vật liệu blend. Phương pháp này cho phép tạo ra các sản phẩm có tính đồng nhất cao và cải thiện tính chất cơ học của vật liệu.

3.2. Phương pháp trộn dung dịch

Trộn dung dịch là một phương pháp khác được sử dụng để chế tạo vật liệu blend. Phương pháp này giúp cải thiện độ tương hợp giữa các loại cao su và tăng cường tính chất của sản phẩm.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu blend từ cao su thiên nhiên

Vật liệu blend từ cao su thiên nhiên đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất lốp xe đến các sản phẩm tiêu dùng. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao giá trị của cao su thiên nhiên mà còn đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp.

4.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô

Vật liệu blend từ cao su thiên nhiên được sử dụng trong sản xuất lốp xe, giúp cải thiện độ bền và khả năng chịu nhiệt. Điều này làm tăng tuổi thọ của lốp xe và giảm thiểu chi phí bảo trì.

4.2. Ứng dụng trong sản phẩm tiêu dùng

Nhiều sản phẩm tiêu dùng như giày dép, đồ chơi và các sản phẩm gia dụng cũng sử dụng vật liệu blend từ cao su thiên nhiên. Điều này không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn thân thiện với môi trường.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu chế tạo vật liệu blend

Nghiên cứu chế tạo vật liệu blend từ cao su thiên nhiên đang mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp vật liệu. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại những sản phẩm có tính năng vượt trội và thân thiện với môi trường.

5.1. Xu hướng phát triển trong nghiên cứu vật liệu blend

Xu hướng phát triển trong nghiên cứu vật liệu blend sẽ tập trung vào việc cải thiện tính chất cơ học và khả năng tương hợp giữa các loại cao su. Điều này sẽ giúp tạo ra những sản phẩm có chất lượng cao hơn.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu bền vững

Nghiên cứu chế tạo vật liệu blend từ cao su thiên nhiên không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững. Việc sử dụng nguyên liệu tái tạo sẽ giúp giảm thiểu tác động đến môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công trình "Nghiên cứu chế tạo các blend trên cơ sở cao su thiên nhiên" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Hoàng Hải Hiền tại Trường Đại học Vinh phối hợp với Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme và Compozit – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. TS. Bùi Chương và PGS. TS. Hoàng Văn Lựu, thuộc chuyên ngành Hóa hữu cơ (mã số 62.14).

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ tiềm năng nguồn nguyên liệu cao su thiên nhiên (CSTN) dồi dào của Việt Nam, với diện tích canh tác đạt khoảng 910.000 ha và sản lượng đạt 863.600 tấn. Mặc dù CSTN có tính năng cơ lý cao, độ đàn hồi tốt, giá thành thấp và thân thiện với môi trường, vật liệu này lại tồn tại nhược điểm lớn là kém bền với môi trường dầu mỡ và dung môi không phân cực. Ngược lại, cao su tổng hợp butadien nitril (NBR) có khả năng kháng dầu mỡ vượt trội nhưng tính chất cơ học lại hạn chế khi không có chất độn. Việc phối trộn CSTN với NBR nhằm kết hợp các ưu điểm của cả hai loại cao su gặp rào cản lớn do sự khác biệt về độ phân cực và thông số hòa tan, dẫn đến độ tương hợp nhiệt động kém, phân tách pha thô và làm suy giảm độ bền cơ học. Do đó, khoảng trống nghiên cứu trọng tâm mà luận án xác định là giải quyết vấn đề tương hợp hóa giữa CSTN với các loại cao su phân cực hoặc bán phân cực (NBR, SBR, CSE), tối ưu hóa quy trình công nghệ trộn hợp nóng chảy và phát triển vật liệu nanocompozit gia cường bằng nano silica biến tính silan.

Mục tiêu tổng quát của luận án là nâng cao tính chất sử dụng của cao su thiên nhiên bằng cách chế tạo blend của nó với cao su tổng hợp cũng như sử dụng các chất độn nano.

Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án được đánh số cụ thể như sau:

1. Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp chế tạo đến tính chất của vật liệu blend CSTN/NBR.
2. Nghiên cứu tăng khả năng tương hợp của blend CSTN/NBR bằng cao su clopren (CR), cao su thiên nhiên epoxy hóa (CSE) và dicumyl peroxyt (DCP).
3. Chế tạo và nghiên cứu tính chất của nanocompozit trên cơ sở blend CSTN/NBR với chất độn nano silica biến tính silan.
4. Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật liệu blend trên cơ sở cao su thiên nhiên với các cao su: cao su thiên nhiên epoxy hóa (CSE) và cao su butadien styren (SBR).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng: Cao su thiên nhiên loại creep SVR 3L (Công ty TNHH MTV Cao su Phú Riềng, Bình Phước); cao su butadien nitril KNB 35L chứa 34% acrylonitril (Kumho, Hàn Quốc); cao su butadien styren SBR 1502 (Kumho, Hàn Quốc); cao su clopren Baypren 110 (Bayer, Đức); cao su thiên nhiên epoxy hóa CSE-20 (20% mol epoxy, khối lượng phân tử khoảng 400.000 đvC) và CSE-50 (50% mol epoxy, khối lượng phân tử khoảng 700.000 đvC); chất độn nano silica WL180GR biến tính silan TESPT (kích thước hạt cơ bản 10 - 30 nm); các chất trợ tương hợp và lưu hóa gồm dicumyl peroxyt (DCP), benzoyl peroxyt (BPO), xúc tiến DM, TMTD, CBS, D, chất phòng lão RD (TMQ), ZnO, axit stearic và lưu huỳnh.
• Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào phản ứng cơ hóa và quá trình khâu mạch động trong hỗn luyện nóng chảy trên thiết bị trộn kín; xác định tính chất cơ lý, độ trương trong dung môi (xăng A92, dầu nhờn), độ ổn định nhiệt (TGA/DrTGA), cấu trúc hình thái (SEM) và tối ưu hóa toán học bằng phần mềm Design-Expert 8.1; không gian thực hiện tại các phòng thí nghiệm thuộc Trường Đại học Vinh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Công ty TNHH MTV Cao su Phú Riềng trong thời gian hoàn thành đến năm 2014.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng thuật hệ thống các công trình nghiên cứu về vật liệu polyme blend và cao su blend trên thế giới và tại Việt Nam:

• Các nghiên cứu quốc tế về blend CSTN/NBR: Baker, Hallam và Smith (1987) đã khảo sát quá trình lưu hóa blend CSTN/NBR (41% acrylonitril) với than đen, chỉ ra độ bền kéo giảm theo thứ tự tỷ lệ 80/20, 20/80, 60/40, 40/60 và nhận định blend 20/80 có độ trương nhẹ phù hợp cho ứng dụng làm kín. Ahmad và Wheelans phân tích sự biến đổi tính chất lưu hóa của blend CSTN/NBR (41% AN), chứng minh độ bền kéo giảm khi phối trộn 10 - 20% NBR, tăng nhẹ ở vùng 70/30 đến 50/50 do hình thành pha liên tục đồng nhất, đồng thời chỉ ra việc kéo dài thời gian trộn trên máy Banbury từ 3 - 6 phút lên 10 - 20 phút (tốc độ 77 vòng/phút) hoặc tăng tốc độ rotor lên 116 - 230 vòng/phút không làm giảm thêm kích thước pha mà gây tăng nhiệt và suy giảm cơ tính. Tác giả Bohn (1968) và Corish (1967) công bố các thông số độ tan đặc trưng: CSTN là 8,25 $(\text{cal}\cdot\text{cm}^{-3})^{1/2}$, trong khi NBR chứa 20% AN, 40% AN và 45% AN lần lượt là 8,93, 9,92 và 10,5 $(\text{cal}\cdot\text{cm}^{-3})^{1/2}$, qua đó giải thích mức độ không tương hợp gia tăng theo hàm lượng acrylonitril. Tokita (1977) phân tích vai trò của độ nhớt Mooney và công cụ hỗn luyện (máy trộn kín so với máy cán hai trục) đối với độ phân tán pha. Craig và Fowler (1965), Hess, Marsh và Eckert (1967), Callan, Hess và Scott nghiên cứu sự phân bố lại của chất độn than đen, chứng minh than đen có xu hướng dịch chuyển sang pha NBR có độ phân cực cao hơn. Koning và cộng sự (1998) hệ thống hóa các giải pháp nâng cao độ tương hợp qua polyme khối/nhánh, khâu mạch chọn lọc, chất độn hoạt tính và tác nhân thấp phân tử (peroxyt). Về vật liệu nanocompozit, Ansarifar (2003, 2005) sử dụng phương pháp trộn hợp nóng chảy đưa nano silica biến tính silan vào cao su butadien; Qinfu Liu đưa nano silica vào SBR, BR và CSTN; Zheng Peng (2007) sử dụng trộn hợp dung dịch latex CSTN/silica; Reiko Saito và cộng sự (2002) dùng pehydropolysilazan (PHPS); Yuko Ikeda, Kurakami, Ou, Tangpasuthadol và Yue tổng hợp silica nano in situ và sol-gel trong nền polyme.
• Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam: Nghiên cứu biến tính CSTN với cacdanol-epiclohydrin và anhydrit maleic (Bùi Chương và cs), phối trộn CSTN/SBR (Đỗ Quang Kháng và cs), tổng hợp copolyme khối CSTN/PMMA (Nguyễn Việt Bắc và cs), chế tạo cao su lỏng từ latex (Nguyễn Vĩnh Trị và cs), biến tính latex bằng polystyren (Trần Vĩnh Diệu và cs). Ứng dụng blend CSTN/CR làm khe co dãn và gối cầu (Đại học Bách khoa Hà Nội); blend CSE/CR làm thiết bị cứu hộ (Viện Hóa học Vật liệu); blend PVC/NBR, PVC/CSE, CR/CSE chống cháy (Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và BVMT TP.HCM); blend CSTN/LDPE làm đệm va tàu biển và đế giày (Bùi Chương và cs); blend CSTN/NBR làm cao su chịu dầu (Nguyễn Hải Nam, Thái Hoàng và cs); blend (NBR/PVC)/CSTN phục vụ kỹ thuật hàng hải (Trần Thị Doanh và cs); ứng dụng chất trợ tương hợp TH1 (khối lượng phân tử khoảng 8.000 đvC) cho hệ blend CSTN/SBR, CSTN/NBR, CSTN/PE (Nguyễn Văn Khôi và cs); sản phẩm CSTN/NBR/TH1 (hoặc CSE) làm đệm ray tàu hỏa và gioăng máy biến thế (Đỗ Quang Kháng, Nguyễn Phi Trung và cs); sử dụng DCP làm tác nhân lưu hóa động cho CSTN/PP/santopren và tái chế cao su/HDPE (Đào Thế Minh, Thái Hoàng, Nguyễn Thị Thùy Hạnh và cs).

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Mặc dù các nghiên cứu trước đã đề cập đến blend CSTN/NBR, việc xác lập cơ sở khoa học của quy trình hỗn luyện nhiều giai đoạn, đánh giá so sánh định lượng giữa các hệ tương hợp riêng rẽ và kết hợp (DCP, CR cắt mạch, CSE-20, CSE-50), ứng dụng quy hoạch thực nghiệm tối ưu hóa đồng thời hàm lượng chất tương hợp và đưa nano silica biến tính silan TESPT vào blend nền CSTN/NBR ở hàm lượng cao (lên đến 50 phần khối lượng) bằng phương pháp trộn hợp nóng chảy vẫn chưa được khảo sát đầy đủ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

• Lý thuyết nhiệt động học trộn hợp polyme: Điều kiện nhiệt động để hình thành hệ blend tương hợp là biến thiên năng lượng tự do pha trộn mang giá trị âm: $$\Delta G_{Tr} = \Delta H_{Tr} - T\Delta S_{Tr} < 0$$ và điều kiện bền vững nhiệt động: $$\frac{\partial^2(\Delta G_{Tr})}{\partial \phi^2} > 0$$ với $\Delta H_{Tr}$ là nhiệt trộn lẫn, $\Delta S_{Tr}$ là biến thiên entropy, $T$ là nhiệt độ tuyệt đối và $\phi$ là tỷ lệ thể tích các cấu tử. Do đại lượng $\Delta S_{Tr}$ khi trộn hai polyme cao phân tử rất nhỏ trong khi $\Delta H_{Tr}$ giữa CSTN không phân cực và NBR phân cực mang giá trị dương lớn, hệ tự nhiên có xu hướng tách pha.
• Cơ chế tương hợp hóa bằng phản ứng cơ hóa và khâu mạch gốc tự do: Luận án áp dụng cơ chế phân hủy nhiệt của dicumyl peroxyt (DCP) ở 110 - 170°C tạo gốc cumyloxy ($\text{C}_6\text{H}_5\text{C}(\text{CH}_3)_2\text{O}^\bullet$) và gốc metyl ($\text{CH}_3^\bullet$). Các gốc này tách nguyên tử hydro ở vị trí cacbon $\alpha$-metylen trên mạch CSTN và NBR tạo các gốc đại phân tử, sau đó kết hợp tạo liên kết ngang C-C hoặc copolyme ghép tại bề mặt phân cách pha. Đối với hệ CSTN/SBR, benzoyl peroxyt (BPO) phân hủy tạo gốc $\text{C}_6\text{H}_5\text{COO}^\bullet$ và $\text{C}_6\text{H}_5^\bullet$ để kích thích tạo cầu nối liên kết ngang giữa hai pha.
• Cơ chế lưu hóa lưu huỳnh: Quá trình khâu mạch cao su diễn ra nhờ hệ lưu huỳnh kết hợp xúc tiến DM (MBTS), TMTD, CBS, trợ xúc tiến ZnO và axit stearic tạo hệ thống cầu nối monosunfit, disunfit và polysunfit liên kết các mạch polyisopren.
• Cơ chế biến tính bề mặt hạt độn: Nano silica được xử lý bề mặt bằng bis(3-triethoxysilylpropyl) tetrasunfit (TESPT), tạo liên kết siloxan $(\equiv\text{Si}-\text{O}-\text{Si}\equiv)$ trên bề mặt hạt vô cơ và liên kết cầu nối lưu huỳnh với mạch cao su trong quá trình lưu hóa nóng.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

• Phương pháp chế tạo: Hỗn luyện nóng chảy trên máy trộn kín (vận tốc rotor, thời gian và nhiệt độ kiểm soát) kết hợp cán đảo trên máy cán hai trục, sau đó ép lưu hóa trên máy ép thủy lực gia nhiệt.
• Phương pháp xác định tính chất cơ lý:
  • Độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt: Đo trên máy thử cơ lý vạn năng theo tiêu chuẩn ISO 37, sử dụng mẫu hình mái chèo (dumbbell type).
  • Độ bền xé: Xác định trên mẫu dạng góc theo tiêu chuẩn ASTM D624.
  • Khả năng hồi phục ứng suất và diện tích vòng trễ (tổn hao năng lượng cơ học qua chu kỳ biến dạng).
  • Độ cứng Shore A theo tiêu chuẩn ASTM D2240.
  • Các chỉ số công nghệ cao su sống: Độ dẻo ban đầu ($P_0$), chỉ số duy trì độ dẻo (PRI), độ nhớt Mooney ($ML_{1+4}, 100^\circ\text{C}$).
• Phương pháp hóa lý và phân tích cấu trúc:
  • Độ trương bão hòa trong xăng A92 và dầu nhờn: Ngâm mẫu trong dung môi ở nhiệt độ phòng đến khối lượng không đổi, tính phần trăm trương nở theo khối lượng.
  • Mật độ khâu mạch: Xác định qua độ trương cân bằng trong dung môi toluen theo phương trình Flory-Rehner.
  • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA và vi phân DrTGA): Khảo sát sự phân hủy nhiệt trong môi trường khí nitơ ở dải nhiệt độ từ phòng đến 600 - 800°C với tốc độ gia nhiệt xác định.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Quan sát hình thái pha và bề mặt phá hủy gãy giòn (sau khi làm lạnh sâu trong nitơ lỏng) hoặc bề mặt kéo đứt.
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Xác nhận sự có mặt của nhóm chức epoxy trên mạch cao su thiên nhiên.
  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Design-Expert 8.1, thiết lập mô hình hồi quy bậc hai khảo sát ảnh hưởng đồng thời của hai biến số độc lập (hàm lượng CR và DCP) đến các hàm mục tiêu (độ bền kéo, độ bền xé, độ trương trong dầu nhờn, độ tổn hao năng lượng vòng trễ).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương này tổng kết lý luận về vật liệu polyme blend, phân loại tương hợp nhiệt động, tương hợp kỹ thuật và tổ hợp không tương hợp. Trình bày chi tiết bản chất hóa học, cấu trúc phân tử của cao su thiên nhiên cis-1,4-polyisopren, cao su butadien nitril (NBR), cao su butadien styren (SBR), các cơ chế khâu mạch lưu huỳnh và chất xúc tiến (DM, TMTD, CBS), chất trợ xúc tiến (ZnO, axit stearic), chất phòng lão RD (TMQ), các chất khơi mào peroxyt (DCP, BPO). Tổng thuật các công trình chế tạo polyme nanocompozit bằng phương pháp trộn hợp nóng chảy, trộn hợp dung dịch, sol-gel và trùng hợp in situ, đồng thời điểm lại các thành tựu nghiên cứu ứng dụng blend cao su trong nước và quốc tế.

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Chương 2 mô tả chi tiết thông số các thiết bị gia công (máy trộn kín, máy cán hai trục, máy ép lưu hóa), nguồn gốc và tính chất nguyên liệu hóa chất. Thiết lập đơn pha chế và quy trình chế tạo:

• Nghiên cứu so sánh 4 quy trình công nghệ hỗn luyện blend CSTN/NBR:
  • Quy trình 1: Trộn CSTN và NBR đồng thời cùng các chất phụ gia và lưu hóa trong một giai đoạn.
  • Quy trình 2: Trộn sơ bộ CSTN với một phần phụ gia, trộn riêng NBR với một phần phụ gia, sau đó phối trộn hai hỗn hợp lại với nhau.
  • Quy trình 3: Trộn NBR với phụ gia trước, sau đó đưa CSTN vào hỗn luyện tiếp và bổ sung hệ lưu hóa.
  • Quy trình 4: Trộn dẻo CSTN với phụ gia trước, sau đó đưa NBR vào phối trộn và hoàn thiện hệ lưu hóa.
• Thiết lập quy trình đưa các chất trợ tương hợp: DCP (0 đến 2,5 PKL), CSE-20, CSE-50, CR cắt mạch (3 đến 10 PKL), và hệ kết hợp CR/DCP vào blend CSTN/NBR tỷ lệ 4/1.
• Quy trình phân tán nano silica WL180GR biến tính TESPT (từ 10 đến 50 PKL) vào nền blend CSTN/NBR.
• Quy trình chế tạo hệ blend CSTN/CSE-20 và nanocompozit CSTN/CSE-20/nano silica.
• Quy trình chế tạo hệ blend CSTN/SBR (tỷ lệ 1:1) sử dụng chất trợ tương hợp BPO.
• Trình bày chi tiết quy chuẩn các phép đo cơ tính, độ trương dung môi, TGA, DrTGA, đo mô men xoắn, diện tích vòng trễ, thời gian hồi phục ứng suất, ảnh SEM và mô hình quy hoạch thực nghiệm trên Design-Expert 8.1.

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và biện luận khoa học chia thành 4 nội dung chính:

1. Nghiên cứu hệ blend CSTN/NBR không có chất tương hợp:

• Khảo sát các tỷ lệ phối trộn CSTN/NBR (100/0, 80/20, 60/40, 50/50, 40/60, 20/80, 0/100): Khi tăng tỷ lệ NBR, độ trương bão hòa trong xăng A92 và dầu nhờn giảm rõ rệt (tính kháng dung môi tăng lên). Tuy nhiên, độ bền kéo đứt và độ dãn dài của các blend không có chất tương hợp bị suy giảm đáng kể so với cao su ban đầu do hiện tượng tách pha thô.
• Ảnh hưởng của 4 quy trình công nghệ chế tạo: Quy trình 4 (trộn CSTN trước, sau đó đưa NBR và hệ lưu hóa vào sau) cho kết quả cơ lý và độ đồng nhất vi cấu trúc tốt nhất, thể hiện qua mô men xoắn hỗn luyện ổn định, diện tích vòng trễ giảm, thời gian hồi phục ứng suất nhanh hơn, tốc độ phân hủy nhiệt cực đại trên giản đồ DrTGA chuyển dịch rõ và ảnh SEM cho thấy kích thước pha NBR phân tán đồng đều hơn trong pha nền CSTN.

2. Nghiên cứu tăng cường độ tương hợp cho hệ blend CSTN/NBR (tỷ lệ 4/1):

• Tương hợp bằng DCP: Bổ sung DCP từ 0 đến 2,5 PKL giúp cải thiện độ bền cơ học và giảm độ trương trong dầu nhờn; hàm lượng tối ưu của DCP đạt được ở mức 1,5 PKL, tại đó độ bền kéo đạt giá trị cao nhất, diện tích vòng trễ thứ nhất giảm, cấu trúc gãy giòn qua ảnh SEM mịn hơn và giản đồ TGA cho thấy nhiệt độ phân hủy chuyển dịch về vùng nhiệt độ cao hơn.
• Tương hợp bằng cao su thiên nhiên epoxy hóa (CSE-20 và CSE-50): Cả hai loại CSE đều đóng vai trò là chất tương hợp trung gian nhờ nhóm epoxy phân cực tương tác với NBR và mạch polyisopren tương hợp với CSTN. Khi kết hợp CSE-20 (5 PKL) với DCP (1,5 PKL), độ bền cơ học và tính kháng trương trong xăng A92, dầu nhờn được cải thiện vượt trội so với khi dùng đơn lẻ.
• Tương hợp bằng cao su clopren cắt mạch (CR): Hàm lượng CR tối ưu là 7 - 10 PKL, giúp tăng cường lực kéo đứt, độ bền xé và giảm độ trương bão hòa trong xăng A92; giản đồ DrTGA xuất hiện đỉnh phân hủy nhiệt liên tục minh chứng cho sự tăng cường tương tác pha.
• Tối ưu hóa bằng Design-Expert 8.1: Mô hình quy hoạch thực nghiệm thiết lập quan hệ hàm mục tiêu theo hàm lượng CR (3 - 10 PKL) và DCP (0,3 - 1,0 PKL). Các giá trị thực nghiệm và tính toán từ mô hình có sự tương thích cao, xác định vùng tối ưu hàm lượng CR và DCP để đạt độ bền kéo, độ bền xé cực đại, đồng thời giảm thiểu độ trương trong dầu nhờn và độ tổn hao năng lượng vòng trễ.

Thông số nghiên cứu / Mẫu vật liệu	Hệ chất tương hợp / Quy trình	Tính chất cơ học và hóa lý nổi bật
Quy trình công nghệ chế tạo blend CSTN/NBR	So sánh 4 phương pháp hỗn luyện	Quy trình 4 đạt cơ tính cao nhất, giảm diện tích vòng trễ, pha phân tán đồng đều trên ảnh SEM.
Blend CSTN/NBR (4/1) + DCP	DCP biến thiên 0 đến 2,5 PKL	Mức 1,5 PKL DCP cho độ bền kéo tối ưu, giảm độ trương dầu nhờn, tăng độ ổn định nhiệt TGA.
Blend CSTN/NBR (4/1) + CSE-20	CSE-20 (5 PKL) kết hợp 1,5 PKL DCP	Tăng cường tương tác pha, cải thiện tính năng cơ học và giảm độ trương bão hòa trong xăng A92.
Blend CSTN/NBR (4/1) + CR	CR cắt mạch (7 đến 10 PKL)	Tăng độ bền xé, cải thiện độ bền kéo, xuất hiện tương tác pha rõ trên giản đồ DrTGA.
Tối ưu hóa CR và DCP (Design-Expert)	Quy hoạch thực nghiệm 16 điểm	Xây dựng phương trình hồi quy mô tả chính xác độ bền kéo, độ bền xé, độ trương dầu và vòng trễ.
Nanocompozit CSTN/NBR + Nano silica	Nano silica biến tính TESPT (10 - 50 PKL)	Phân tán kích thước 30 - 300 nm, tăng mạnh modun, giảm độ trương xăng A92 và dầu nhờn.
Blend CSTN/CSE-20 + Nano silica	CSE-20 và 10 PKL nano silica	Tăng modun 300%, tăng mật độ khâu mạch, phân tán hạt độn đồng đều hơn so với CSTN không biến tính.
Blend CSTN/SBR (1:1) + BPO	BPO làm chất trợ tương hợp	Tăng mô men xoắn hỗn luyện, tăng độ bền kéo, rút ngắn thời gian hồi phục ứng suất, cải thiện độ bền nhiệt.

3. Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit trên nền blend CSTN/NBR (4/1):

• Đưa nano silica biến tính silan TESPT vào nền blend (CSTN/NBR/DCP) với hàm lượng từ 10 đến 50 PKL: Các hạt nano silica phân tán đồng đều ở kích thước từ 30 đến 300 nm mà không bị vón tụ lớn.
• Sự có mặt của nano silica biến tính làm tăng đáng kể độ bền kéo đứt, mô đun đàn hồi, độ bền xé, giảm thời gian hồi phục ứng suất và làm giảm mạnh độ trương bão hòa trong cả xăng A92 và dầu nhờn. Khi so sánh giữa nano silica biến tính TESPT và nano silica không biến tính (ở cùng mức 30 PKL), mẫu sử dụng silica biến tính cho tính chất cơ lý và khả năng kháng dung môi vượt trội do hình thành liên kết hóa học cầu nối silica - silan - cao su.

4. Nghiên cứu một số hệ blend khác trên cơ sở cao su thiên nhiên:

• Hệ blend CSTN/CSE-20 và nanocompozit: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn CSE-20 đến modun 300% và mật độ khâu mạch; khi gia cường 10 PKL nano silica biến tính vào blend CSTN/CSE-20, độ bền kéo và độ phân tán của hạt độn cao hơn hẳn so với mẫu CSTN/Silica10 không có CSE-20.
• Hệ blend CSTN/SBR (tỷ lệ 1:1) tương hợp bằng BPO: Chất trợ tương hợp BPO làm tăng mô men xoắn cực đại trong quá trình hỗn luyện, tăng độ bền kéo đứt, rút ngắn thời gian hồi phục ứng suất, nâng cao độ bền nhiệt trên giản đồ TGA/DrTGA và làm đồng nhất hóa bề mặt phá hủy gãy giòn quan sát qua kính hiển vi điện tử quét SEM.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả và đóng góp mới khoa học sau đây:

• Đã xác lập cơ sở khoa học và thực nghiệm của phương pháp hỗn luyện tối ưu (Quy trình 4) để chế tạo vật liệu blend CSTN/NBR trên thiết bị trộn kín, chỉ rõ thứ tự đưa các cấu tử cao su và hóa chất lưu hóa nhằm kiểm soát phân bố pha và hạn chế phân hủy cơ nhiệt.
• Ứng dụng thành công phần mềm Design-Expert 8.1 xây dựng mô hình toán học hồi quy mô tả mối quan hệ giữa hàm lượng các chất tương hợp kết hợp (DCP và CR cắt mạch) với các chỉ tiêu cơ lý, độ kháng trương trong dầu nhờn và tổn hao năng lượng vòng trễ của blend CSTN/NBR (4/1). Mô hình có độ tương thích cao với số liệu thực nghiệm, cho phép dự báo và lựa chọn thành phần phối trộn tối ưu cho từng yêu cầu kỹ thuật cụ thể.
• Chế tạo thành công vật liệu nanocompozit trên cơ sở blend CSTN/NBR với chất độn nano silica biến tính silan TESPT bằng phương pháp trộn hợp nóng chảy. Hạt nano silica đạt độ phân tán kích thước 30 - 300 nm với hàm lượng nạp cao từ 10 đến 50 phần khối lượng (PKL), giúp đồng thời nâng cao độ bền cơ học và khả năng kháng xăng dầu của vật liệu.
• Chế tạo hệ blend CSTN/SBR (tỷ lệ 1:1) sử dụng benzoyl peroxyt (BPO) làm chất tương hợp, luận giải cơ chế tạo gốc tự do khâu mạch liên pha giúp cải thiện tính chất cơ học và độ ổn định nhiệt.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

• Ứng dụng các đơn pha chế blend CSTN/NBR/DCP/CR và nanocompozit nano silica vào sản xuất các sản phẩm cao su kỹ thuật đòi hỏi tính năng làm việc trong môi trường tiếp xúc dầu mỡ, xăng khoáng (gioăng, phớt chịu dầu, đệm chống va tàu cảng dầu khí, đế giày bảo hộ).
• Tiếp tục mở rộng hoàn thiện công nghệ ở quy mô bán công nghiệp trên các dây chuyền máy đùn trục vít hoặc máy luyện kín công suất lớn để kiểm chứng tính ổn định công nghệ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Các khảo sát thực nghiệm về blend và nanocompozit mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm trên máy trộn kín mẻ nhỏ và máy cán hai trục; chưa thực hiện khảo sát biến dạng động học dài hạn ở các điều kiện nhiệt độ biến đổi khắc nghiệt.
• Đánh giá khả năng tương hợp và phân tán nano silica chủ yếu dựa trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) bề mặt gãy giòn và kéo đứt; chưa có dữ liệu kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) phân giải cao hoặc phổ cơ nhiệt động phân tích hàm lượng tổn hao $\tan\delta$ liên tục theo nhiệt độ.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Thử nghiệm công nghệ hỗn luyện liên tục trên máy đùn hai trục vít nhằm nâng cao năng suất và độ phân tán cho các hệ blend nanocompozit.
• Nghiên cứu sâu hơn về động học lưu hóa, độ bền mỏi uốn gấp, độ lão hóa nhiệt ẩm và ozon dài hạn của các chi tiết sản phẩm cao su kỹ thuật thực tế chế tạo từ blend CSTN/NBR và CSTN/SBR.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên các chuyên ngành Hóa hữu cơ, Hóa lý Polyme, Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu: Cung cấp tài liệu tổng quan toàn diện về lý thuyết blend polyme, cơ chế tương hợp hóa bằng peroxyt và công nghệ biến tính bề mặt hạt độn nano silica.
• Giảng viên và các nhà nghiên cứu: Cung cấp quy trình chi tiết về phương pháp thực nghiệm đo lường cơ lý cao su, phân tích nhiệt TGA/DrTGA, phân tích hình thái pha qua SEM và phương pháp quy hoạch thực nghiệm bằng Design-Expert.
• Kỹ sư công nghệ và doanh nghiệp chế biến cao su: Cung cấp các đơn pha chế cụ thể (blend CSTN/NBR, CSTN/SBR, CSTN/CSE) và thông số hỗn luyện thực tế để sản xuất các mặt hàng cao su kỹ thuật chịu dầu mỡ, đệm va đập và phụ tùng cơ khí từ nguồn cao su thiên nhiên trong nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao blend CSTN/NBR không tương hợp tự nhiên và phương pháp nào được sử dụng để khắc phục?

CSTN là polyme không phân cực (thông số hòa tan 8,25 $(\text{cal}\cdot\text{cm}^{-3})^{1/2}$), trong khi NBR là polyme phân cực do chứa nhóm acrylonitril (thông số hòa tan từ 8,93 đến 10,5 $(\text{cal}\cdot\text{cm}^{-3})^{1/2}$). Sự chênh lệch độ phân cực làm nhiệt trộn lẫn $\Delta H_{Tr} > 0$, dẫn đến năng lượng tự do trộn hợp $\Delta G_{Tr} > 0$, gây phân tách pha thô và làm giảm cơ tính. Luận án khắc phục bằng cách sử dụng các chất trợ tương hợp: dicumyl peroxyt (DCP), cao su thiên nhiên epoxy hóa (CSE-20, CSE-50), cao su clopren (CR) cắt mạch và kết hợp hệ CR/DCP.

2. Trong 4 quy trình công nghệ hỗn luyện blend CSTN/NBR, quy trình nào cho kết quả tối ưu và vì sao?

Quy trình 4 (trộn CSTN với phụ gia trước trên máy trộn kín, sau đó mới cho NBR vào phối trộn và kết thúc bằng hệ lưu hóa) cho kết quả tối ưu. Quy trình này cho phép CSTN được cán dẻo và phân tán phụ gia đồng đều trước khi phối trộn với NBR có độ nhớt và độ phân cực khác biệt, giúp kiểm soát tốt quá trình phân tán pha NBR trong nền CSTN, giảm kích thước hạt phân tán, hạ thấp diện tích vòng trễ và nâng cao độ bền kéo đứt.

3. Hàm lượng tối ưu của DCP khi sử dụng đơn lẻ làm chất tương hợp cho blend CSTN/NBR (4/1) là bao nhiêu?

Hàm lượng tối ưu của DCP khi dùng đơn lẻ là 1,5 phần khối lượng (PKL). Ở mức này, các gốc tự do hình thành từ sự phân hủy DCP tạo ra mật độ liên kết ngang liên pha phù hợp, giúp độ bền kéo đạt giá trị cao nhất, cải thiện khả năng hồi phục ứng suất và giảm độ trương trong dầu nhờn; nếu tăng vượt quá 1,5 PKL, hiện tượng khâu mạch quá mức sẽ gây cứng hóa và làm giảm độ dãn dài khi đứt.

4. Nano silica biến tính silan TESPT có vai trò gì vượt trội so với nano silica không biến tính trong blend CSTN/NBR?

Nano silica biến tính bằng silan TESPT chứa nhóm chức tương thích hữu cơ và liên kết tetrasunfit. Khi đưa vào hỗn luyện nóng chảy, silan giúp các hạt nano silica phân tán đều ở kích thước 30 - 300 nm mà không bị vón tụ, đồng thời tạo cầu nối hóa học liên kết giữa hạt vô cơ và mạch cao su trong quá trình lưu hóa, giúp tăng mạnh độ bền kéo, độ bền xé và giảm độ trương bão hòa trong xăng A92 và dầu nhờn cao hơn hẳn so với mẫu sử dụng silica không biến tính.

5. Phần mềm Design-Expert 8.1 được ứng dụng để giải quyết bài toán nào trong luận án?

Phần mềm Design-Expert 8.1 được sử dụng để quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa đồng thời hàm lượng của hai chất trợ tương hợp kết hợp là CR cắt mạch (3 - 10 PKL) và DCP (0,3 - 1,0 PKL) trên hệ blend CSTN/NBR (tỷ lệ 4/1). Mô hình hồi quy bậc hai thiết lập được mối quan hệ định lượng giữa thành phần chất tương hợp với độ bền kéo, độ bền xé, độ trương trong dầu nhờn và tổn hao năng lượng vòng trễ, cho phép xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu phù hợp với số liệu thực nghiệm.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Hoàng Hải Hiền đã giải quyết vấn đề khoa học và công nghệ trong việc tương hợp hóa blend cao su thiên nhiên với các cao su tổng hợp (NBR, SBR) và cao su thiên nhiên epoxy hóa. Công trình đã xác lập cơ sở quy trình hỗn luyện nhiều giai đoạn tối ưu, ứng dụng thành công quy hoạch thực nghiệm Design-Expert 8.1 để tối ưu hóa hệ tương hợp kết hợp DCP/CR và chế tạo thành công vật liệu nanocompozit gia cường bằng nano silica biến tính silan TESPT với độ phân tán hạt nano cao. Các kết quả đạt được cung cấp luận cứ khoa học và giải pháp công nghệ giá trị nhằm nâng cao chất lượng, mở rộng khả năng ứng dụng chịu dầu mỡ của nguồn nguyên liệu cao su thiên nhiên Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.