Tổng quan nghiên cứu

Cao su thiên nhiên (CSTN) là nguồn nguyên liệu quan trọng và phổ biến tại Việt Nam, với sản lượng khai thác tăng trưởng khoảng 10% mỗi năm từ năm 2000, đạt năng suất trung bình 1,7 tấn/ha, ngang bằng với Thái Lan – quốc gia xuất khẩu cao su hàng đầu thế giới. Tuy nhiên, CSTN có hạn chế về khả năng chịu khí hậu và lão hóa nhiệt, làm giảm hiệu quả ứng dụng trong các sản phẩm chịu tác động môi trường khắc nghiệt. Do đó, cao su tổng hợp, đặc biệt là cao su thiocol lỏng (TKR), được xem là giải pháp thay thế tiềm năng nhờ tính bền dung môi, chịu thời tiết, bền ozon và khả năng gia công ở nhiệt độ thấp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp cao su thiocol lỏng với các thông số kỹ thuật phù hợp để sản xuất keo phục vụ ngành kỹ thuật, đặc biệt trong quân đội. Nghiên cứu tập trung vào tổng hợp các hợp chất trung gian như etylen clohydrin (ECH), bis-2-cloetyl formal (B-2-CEF), tổng hợp cao su thiocol rắn dạng phân tán trong nước, chuyển hóa thành thiocol lỏng và tinh chế sản phẩm cuối cùng. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2016, với ý nghĩa góp phần đa dạng hóa nguồn nguyên liệu cao su, tận dụng nguồn nguyên liệu trong nước và nâng cao hiệu quả sử dụng trong công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về polymer polysulfide, đặc biệt là cao su thiocol lỏng (TKR). Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết tổng hợp polymer polysulfide: Phản ứng ngưng tụ giữa monome dihalogen đối xứng (B-2-CEF) với dung dịch muối polysulfide (Na2Sx), tạo thành polymer có mạch phân nhánh với nhóm thiol (-SH) ở đầu mạch. Mô hình phản ứng bao gồm các giai đoạn tạo mạch, cắt mạch và biến tính để điều chỉnh khối lượng phân tử và tính chất vật liệu.

  • Lý thuyết đóng rắn và biến tính polymer: Nghiên cứu các hệ đóng rắn polysulfide lỏng dựa trên peroxit, muối cromat, nhựa epoxy và xúc tác amin nhằm nâng cao tính chất cơ lý, độ bám dính và nhiệt độ sử dụng của cao su thiocol.

Các khái niệm chính bao gồm: nhóm thiol (-SH), khối lượng phân tử trung bình, độ nhớt động học, phản ứng ngưng tụ, phản ứng cắt mạch, hệ đóng rắn, và các chỉ tiêu kỹ thuật như độ bền kéo đứt, độ dãn dài, độ cứng Shore A.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và phân tích tại phòng thí nghiệm Viện Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều mẻ tổng hợp ECH, B-2-CEF, cao su thiocol rắn và lỏng với các điều kiện phản ứng khác nhau để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ mol, chất xúc tác và chất phân tán.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích phổ hồng ngoại (IR) và sắc ký khí - phổ khối (GC-MS) để xác định cấu trúc và độ tinh khiết sản phẩm trung gian và polymer.

  • Xác định độ nhớt động học theo tiêu chuẩn GOST 12812-80 để đánh giá khối lượng phân tử trung bình.

  • Chuẩn độ nhóm thiol (-SH) bằng phản ứng với iốt và chuẩn độ ngược bằng dung dịch Na2S2O3.

  • Đo các tính chất cơ lý như độ bền kéo đứt, độ dãn dài, độ cứng Shore A.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2016, bao gồm các giai đoạn tổng hợp nguyên liệu đầu, tổng hợp polymer rắn và lỏng, tinh chế và đánh giá chất lượng sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp Etylen clohydrin (ECH): Hiệu suất chuyển hóa đạt khoảng 90% với điều kiện phản ứng từ 110-130°C, sử dụng ethylen glycol làm nguyên liệu đầu. Phân tích phổ IR và GC-MS xác nhận cấu trúc ECH đạt độ tinh khiết cao.

  2. Tổng hợp Bis-2-cloetyl formal (B-2-CEF): Phản ứng giữa ECH và paraformaldehit ở 80°C trong 10 giờ cho sản phẩm B-2-CEF với hiệu suất cao, được tinh chế bằng cất phân đoạn. Phổ IR và GC-MS cho thấy không còn tạp chất ECH và paraformaldehit.

  3. Tổng hợp cao su thiocol rắn dạng phân tán trong nước: Phản ứng ngưng tụ B-2-CEF với Na2Sx trong môi trường phân tán và chất nhũ hóa ở 90-95°C trong 6 giờ tạo ra sản phẩm rắn phân tán có hiệu suất cao, phụ thuộc vào hàm lượng chất phân tán, nồng độ Na2Sx và tốc độ khuấy. Sản phẩm có hàm lượng nhóm -SH phù hợp, đảm bảo khả năng chuyển hóa thành thiocol lỏng.

  4. Chuyển hóa cao su thiocol rắn thành lỏng: Sử dụng Na2SO3 và NaHS ở 85-90°C trong 6-8 giờ để cắt mạch polysulfide, tạo ra thiocol lỏng với khối lượng phân tử trung bình từ 600 đến 7500. Quá trình axit hóa và rửa nhiều lần giúp loại bỏ tạp chất và muối dư, sản phẩm cuối cùng có độ nhớt và hàm lượng nhóm -SH đạt tiêu chuẩn kỹ thuật.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy quy trình tổng hợp cao su thiocol lỏng từ nguyên liệu đầu là ethylen glycol qua các bước trung gian ECH và B-2-CEF là khả thi và hiệu quả. Việc kiểm soát các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ mol và chất xúc tác ảnh hưởng rõ rệt đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, sản phẩm thiocol lỏng thu được có các chỉ tiêu kỹ thuật tương đương với các mác TKR lỏng của Nga và Mỹ, như hàm lượng lưu huỳnh tổng khoảng 40%, độ nhớt và hàm lượng nhóm -SH phù hợp. Các hệ đóng rắn polysulfide lỏng được khảo sát cũng cho thấy khả năng cải thiện tính chất cơ lý và độ bền nhiệt của vật liệu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ mol NaHS/Na2Sx và khối lượng phân tử trung bình, bảng so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm với tiêu chuẩn quốc tế, và phổ IR minh họa sự chuyển hóa hoàn toàn các nhóm chức.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp ECH và B-2-CEF: Điều chỉnh nhiệt độ và thời gian phản ứng để nâng cao hiệu suất sản phẩm trên 95%, giảm tạp chất, do phòng thí nghiệm và nhà sản xuất hóa chất thực hiện trong vòng 6-12 tháng.

  2. Cải tiến hệ phân tán và chất nhũ hóa trong tổng hợp TKR rắn: Sử dụng các chất phân tán mới có khả năng ổn định cao hơn, tăng hiệu suất phản ứng và chất lượng sản phẩm, do nhóm nghiên cứu và kỹ thuật viên thực hiện trong 12 tháng.

  3. Phát triển hệ đóng rắn polysulfide lỏng dựa trên nhựa epoxy và xúc tác amin: Nghiên cứu phối trộn để nâng cao độ bền kéo, độ dãn dài và khả năng chịu nhiệt, hướng tới ứng dụng trong keo và sơn kỹ thuật, do phòng thí nghiệm vật liệu thực hiện trong 18 tháng.

  4. Xây dựng quy trình bảo quản và đóng gói thiocol lỏng: Giải pháp bảo quản nhằm kéo dài thời hạn sử dụng, giảm hao hụt chất lượng, do bộ phận quản lý chất lượng và sản xuất thực hiện trong 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và kỹ sư hóa học polymer: Nắm bắt quy trình tổng hợp và biến tính cao su thiocol, áp dụng trong phát triển vật liệu mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất cao su và keo dán kỹ thuật: Áp dụng công nghệ tổng hợp và hệ đóng rắn để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí nguyên liệu nhập khẩu.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp hóa chất: Đánh giá tiềm năng phát triển ngành cao su tổng hợp trong nước, định hướng đầu tư và hỗ trợ nghiên cứu.

  4. Ngành quân sự và công nghiệp quốc phòng: Ứng dụng cao su thiocol lỏng trong bảo quản, sửa chữa và sản xuất thiết bị kỹ thuật, khí tài quân sự với yêu cầu bền môi trường và chịu nhiệt cao.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cao su thiocol lỏng có ưu điểm gì so với cao su thiên nhiên?
    Cao su thiocol lỏng bền với dung môi, chịu thời tiết, ozon và có thể gia công ở nhiệt độ thấp, trong khi cao su thiên nhiên kém bền khí hậu và dễ lão hóa.

  2. Quy trình tổng hợp cao su thiocol lỏng gồm những bước chính nào?
    Bao gồm tổng hợp ECH từ ethylen glycol, tổng hợp B-2-CEF từ ECH và paraformaldehit, tổng hợp cao su thiocol rắn dạng phân tán trong nước, chuyển hóa thành thiocol lỏng và tinh chế.

  3. Làm thế nào để xác định hàm lượng nhóm thiol (-SH) trong sản phẩm?
    Sử dụng phương pháp chuẩn độ nhóm thiol với iốt và chuẩn độ ngược bằng dung dịch Na2S2O3, đảm bảo độ chính xác cao đến 0,01%.

  4. Các yếu tố ảnh hưởng đến khối lượng phân tử của cao su thiocol là gì?
    Tỷ lệ mol giữa NaHS và Na2Sx, tỷ lệ mol giữa các monome ban đầu, nhiệt độ và thời gian phản ứng ảnh hưởng trực tiếp đến khối lượng phân tử.

  5. Ứng dụng chính của cao su thiocol lỏng trong công nghiệp là gì?
    Dùng làm nguyên liệu sản xuất keo, sơn đóng rắn ở nhiệt độ môi trường, ứng dụng trong xây dựng, hàng không, tên lửa, và ức chế ăn mòn.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công quy trình tổng hợp cao su thiocol lỏng từ nguyên liệu ethylen glycol qua các bước trung gian ECH và B-2-CEF với hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm đạt tiêu chuẩn quốc tế.
  • Nghiên cứu xác định được mối quan hệ giữa tỷ lệ mol các thành phần và tính chất vật liệu, giúp điều chỉnh khối lượng phân tử và hàm lượng nhóm thiol phù hợp.
  • Hệ đóng rắn polysulfide lỏng trên cơ sở peroxit, muối cromat và nhựa epoxy được khảo sát, góp phần nâng cao tính chất cơ lý và độ bền nhiệt của vật liệu.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa quy trình tổng hợp, cải tiến hệ phân tán và bảo quản sản phẩm nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và ứng dụng.
  • Khuyến nghị các bước tiếp theo tập trung vào phát triển ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp kỹ thuật và quốc phòng, đồng thời mở rộng nghiên cứu biến tính polymer polysulfide.

Hành động tiếp theo: Áp dụng quy trình tổng hợp trong quy mô pilot, đánh giá tính ổn định và hiệu quả kinh tế, đồng thời phát triển các sản phẩm keo và sơn kỹ thuật từ cao su thiocol lỏng.