I. Tổng Quan Về Cao Su Thiên Nhiên Nguồn Gốc và Thành Phần
Cao su thiên nhiên (CSTN) có nguồn gốc từ cây Hevea brasiliensis, thuộc họ Đại kích (Euphorbiaceae). CSTN được khai thác từ nhựa cây cao su. Người Nam Mỹ là những người đầu tiên sử dụng cao su tự nhiên vào thế kỷ 16. Họ dùng nhựa cây cao su để tẩm quần áo chống ẩm và tạo bóng để chơi. Ngoài cây cao su, một số cây khác cũng cho nhựa như cây đa búp đỏ, cây đại kích và cây bồ công anh. Tuy nhiên, chúng không phải là nguồn cao su quan trọng. Cao su trở nên phổ biến khi quá trình lưu hóa được phát hiện năm 1839, biến CSTN từ trạng thái nhớt sang đàn hồi cao, đáp ứng nhu cầu cuộc sống. Cây cao su ở Việt Nam chủ yếu là giống Hevea brasiliensis do Pháp đưa vào từ cuối thế kỷ XIX, hiện được trồng rộng rãi.
1.1. Nguồn Gốc Lịch Sử Của Cao Su Thiên Nhiên
Cao su thiên nhiên có một lịch sử phong phú, bắt nguồn từ việc sử dụng của người bản địa ở Nam Mỹ. Họ đã khám phá ra các đặc tính độc đáo của latex và sử dụng nó cho nhiều mục đích khác nhau. Việc du nhập cây cao su vào các khu vực khác trên thế giới đã cách mạng hóa ngành công nghiệp và dẫn đến sự phát triển của nhiều sản phẩm khác nhau mà chúng ta sử dụng ngày nay. "Những người dân Nam Mỹ là những người đầu tiên phát hiện và sử dụng cao su tự nhiên ở thế kỷ 16."
1.2. Thành Phần Hóa Học Cơ Bản Của Mủ Cao Su
Mủ cao su (latex) là một hệ phân tán của các tiểu phân trong nước, đường kính trung bình khoảng 0,5μm. Khi bay hơi, latex chứa 30-40% thành phần rắn. Trong đó, 90% là hợp chất hydrocarbon cao su và 10% là các thành phần khác như chất nhựa sáp, protein, chất béo, muối vô cơ và men. Cao su mới lấy từ mủ bằng cách làm đông tụ gọi là cao su thô, có màu hơi nâu đen do hun khói để sát trùng. Các dạng cao su thô là cao su crepe và cao su RSS.
II. Tìm Hiểu Tính Chất Vật Lý Đặc Trưng Của Cao Su NR
Cao su thiên nhiên có nhiều tính chất vật lý quan trọng. CSTN hòa tan tốt trong dung môi hữu cơ mạch hở không nhánh, hợp chất mạch vòng và CCl4, nhưng tan kém trong ancol và acetone. Khi bảo quản, các nhóm aldehyde phản ứng với các nhóm amine của amino acid tự do hoặc protein, tạo mạng làm CSTN trở nên rắn và giòn hơn. Hàm lượng gel tăng dần khi bảo quản và có thể đạt 50% hoặc cao hơn nếu để lâu. Khối lượng phân tử của CSTN dao động trong một khoảng khá rộng, phụ thuộc vào điều kiện gieo trồng, chăm sóc, khí hậu, thổ nhưỡng và chế biến.
2.1. Độ Hòa Tan Của Cao Su Thiên Nhiên Trong Dung Môi
Độ hòa tan của cao su thiên nhiên phụ thuộc vào loại dung môi. Nó hòa tan tốt trong các dung môi như toluen, benzene, xilen, THF, và xyclohexan, nhưng kém hòa tan trong acetone, methanol và ethanol. Điều này là do cấu trúc polyme tự nhiên của cao su và tương tác của nó với các dung môi khác nhau.
2.2. Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Đến Tính Chất Cao Su
Ở nhiệt độ thấp, CSTN có cấu trúc tinh thể và kết tinh nhanh nhất ở -25°C. CSTN tinh thể nóng chảy ở 40°C. Do có tính đồng đều lập thể cao, CSTN có thể tự kết tinh ở nhiệt độ thấp hoặc khi bị kéo căng. Sự kết tinh lạnh làm cao su giòn, còn kết tinh nhanh khi kéo căng làm CSTN kém bền và dễ bị xé rách. Tính đàn hồi là tính chất đặc trưng của cao su, cho phép nó biến dạng khi chịu lực và trở lại trạng thái ban đầu khi thôi tác dụng.
2.3. Độ Bền Cao Su Và Các Yếu Tố Ảnh Hưởng
Độ bền của cao su thiên nhiên chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ, ánh sáng và sự hiện diện của các chất oxy hóa. Tiếp xúc lâu dài với các yếu tố này có thể dẫn đến sự suy thoái và mất các đặc tính mong muốn. Các chất ổn định và chất chống oxy hóa thường được thêm vào để cải thiện độ bền cao su và kéo dài tuổi thọ của nó.
III. Các Phản Ứng Hóa Học Quan Trọng Của Cao Su Thiên Nhiên
Cao su thiên nhiên có hai trung tâm phản ứng chính: nhóm α – methylene (CH2) hoặc nhóm methyl (CH3) và liên kết đôi (C=C). Các phản ứng biến đổi hóa học polymer nói chung và CSTN nói riêng đều dẫn đến sự biến đổi theo hai hướng: xuất hiện các nhóm chức mới trong mạch đại phân tử có khối lượng phân tử không thay đổi và làm xuất hiện các nhóm chức mới trong mạch đại phân tử và ở cả hai đầu mạch làm thay đổi về cấu trúc, khối lượng phân tử và tính chất của CSTN.
3.1. Phản Ứng Cộng Của Cao Su Thiên Nhiên Với Hydrogen
CSTN tác dụng được với H2 ở nhiệt độ 150-280°C, áp suất cao, với chất xúc tác Pt hoặc Ni, thu được cao su mà mạch phân tử không còn liên kết đôi (C=C). Phản ứng này làm bão hòa các liên kết đôi trong chuỗi polyme tự nhiên, dẫn đến vật liệu ổn định và ít phản ứng hơn.
3.2. Phản Ứng Với Halogen Clo Hóa Cao Su Thiên Nhiên
Khi phản ứng với các halogen (F2, Cl2, Br2, I2), cho sản phẩm có sự khác biệt. Theo cấu trúc của mạch polymer, mỗi phân tử Cl2 được cộng vào nối đôi (C=C) tạo ra cao su có 51% khối lượng Chlorine với công thức dạng (C5H8Cl2)n. Sản phẩm clo hóa cao su thu được có dạng cục hay dạng bột màu trắng, nó chịu được acíd và bazơ, tan được nhiều trong dung môi nên có thể dùng chế tạo sơn hay vecni chịu được hóa chất.
3.3. Phản Ứng Phân Hủy Cao Su Thiên Nhiên Bởi Nhiệt Độ
Khi chịu tác dụng của nhiệt độ thì cao su bắt đầu mềm ra, sau đó nó bị biến đổi thành một chất có màu nâu rất nhầy như dầu, khi làm nguội không thể đặc lại được. Ở nhiệt độ trong khoảng từ 300°C đến 350°C cao su bị nhiệt phân tạo ra isoprene, đipenen và hyđrocarbon có nhiệt độ sôi cao, nhất là được tạo bởi tecpen. Các chuỗi polymer bị phân cắt thành những đoạn nhỏ và xuất hiện liên kết đôi(C=C).
IV. Ứng Dụng Cao Su Thiên Nhiên Lỏng Trong Công Nghiệp Hiện Đại
Cao su thiên nhiên lỏng (CSTNL) là một dạng của cao su thiên nhiên (CSTN) biến tính có khối lượng phân tử nằm trong khoảng từ 2000- 20. CSTNL được sử dụng để làm nguyên liệu chế tạo ra keo dán, chế tạo sơn, chất hóa dẻo trong nghành công nghiệp cao su, vật liệu chống rung và chất chống thấm. Trường hợp CSTNL có chứa nhóm chức cuối mạch được sử dụng làm chất tương hợp, chất biến tính cho các polymer blend và dùng để tổng hợp các copolyme khối.
4.1. Ứng Dụng Của Latex Trong Sản Xuất Keo Dán
Latex, dạng lỏng của cao su thiên nhiên, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất keo dán do đặc tính kết dính tuyệt vời của nó. Keo dán gốc latex được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm đóng gói, dệt may và xây dựng. Khả năng tạo thành liên kết bền và linh hoạt làm cho nó trở thành một vật liệu có giá trị trong ngành công nghiệp keo dán.
4.2. Cao Su Thiên Nhiên Lỏng Trong Sản Xuất Sơn Và Chất Phủ
Cao su thiên nhiên lỏng (CSTNL) được sử dụng trong sản xuất sơn và chất phủ để cải thiện độ bền, độ đàn hồi và khả năng chống chịu thời tiết. CSTNL có thể được kết hợp vào công thức để tăng cường độ bám dính, giảm nứt và cải thiện hiệu suất tổng thể. Nó đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng đòi hỏi lớp phủ linh hoạt và bền.
4.3. Vật Liệu Chống Rung Và Ứng Dụng Chống Thấm
Cao su thiên nhiên, cả ở dạng rắn và lỏng, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chống rung và chống thấm. Đặc tính giảm xóc và khả năng chống nước của nó làm cho nó trở nên lý tưởng để sử dụng trong giá đỡ động cơ, vật liệu cách âm và lớp lót chống thấm. Tính linh hoạt và độ bền của cao su thiên nhiên đảm bảo hiệu suất lâu dài trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe này.
V. Phương Pháp Nghiên Cứu Cao Su Thiên Nhiên Deprotein Hóa
Trong các công trình đã công bố, CSTNL chủ yếu được tổng hợp bằng phương pháp cắt mạch CSTN chưa tách loại lớp vỏ protein bao bọc xung quanh hạt cao su. Chính lớp vỏ protein này gây nên mùi khó chịu của cao su khi bị phân hủy do vi khuẩn xâm nhập và gây dị ứng đối với da người khi sử dụng làm hạn chế ứng dụng của CSTN và CSTNL trong các lĩnh vực y tế, y sinh,…Do đó, việc loại bỏ lớp vỏ protein ra khỏi CSTN là điều cần thiết.
5.1. Quy Trình Sản Xuất Cao Su Thiên Nhiên Deprotein Hóa
Quá trình sản xuất cao su thiên nhiên deprotein hóa bao gồm việc loại bỏ protein khỏi latex cao su. Điều này có thể đạt được thông qua các phương pháp khác nhau, chẳng hạn như xử lý enzyme, ly tâm và rửa. Mục tiêu là giảm hàm lượng protein để giảm thiểu rủi ro dị ứng và cải thiện các đặc tính của vật liệu.
5.2. Các Tác Nhân Oxy Hóa Trong Cắt Mạch Cao Su Thiên Nhiên
Các tác nhân oxy hóa đóng một vai trò quan trọng trong việc cắt mạch cao su thiên nhiên để tạo ra cao su thiên nhiên lỏng (CSTNL). Các tác nhân phổ biến bao gồm phenylhydrazin-FeCl2, phenylhydrazin-oxygen không khí, acid periodic, potassium persulfate và propanal. Các tác nhân này phá vỡ các chuỗi polyme, dẫn đến vật liệu có khối lượng phân tử thấp hơn với các ứng dụng khác nhau.
5.3. Phương Pháp Quy Hoạch Thực Nghiệm Trong Nghiên Cứu
Phương pháp quy hoạch thực nghiệm là một cách tiếp cận thống kê để tối ưu hóa các quy trình và xác định ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau. Trong nghiên cứu cao su thiên nhiên, nó có thể được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như pH, nồng độ cao su và tỷ lệ mol của các tác nhân phản ứng đến quá trình cắt mạch. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện để đạt được các đặc tính mong muốn của CSTNL.
VI. Kết Luận Và Hướng Nghiên Cứu Cao Su Thiên Nhiên Tương Lai
Nghiên cứu về cao su thiên nhiên tiếp tục phát triển, tập trung vào việc cải thiện các đặc tính, phát triển các ứng dụng mới và nâng cao tính bền vững. Các hướng nghiên cứu trong tương lai có thể bao gồm việc khám phá các nguồn cao su thiên nhiên mới, phát triển các quy trình deprotein hóa tiên tiến và tối ưu hóa việc sử dụng cao su thiên nhiên lỏng trong các ứng dụng khác nhau.
6.1. Tiêu Chuẩn Cao Su Và Quy Trình Sản Xuất
Các tiêu chuẩn cao su và quy trình sản xuất đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng và tính nhất quán của các sản phẩm cao su thiên nhiên. Các tiêu chuẩn này bao gồm các yêu cầu về độ tinh khiết, tính chất vật lý và hiệu suất. Tuân thủ các tiêu chuẩn này giúp duy trì chất lượng và độ tin cậy của các sản phẩm cao su.
6.2. Cao Su Tái Sinh Và Ứng Dụng Bền Vững
Cao su tái sinh là một lựa chọn bền vững giúp giảm thiểu chất thải và bảo tồn tài nguyên. Cao su tái sinh có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm lốp xe, sàn nhà và vật liệu cách nhiệt. Việc sử dụng cao su tái sinh giúp giảm tác động môi trường của sản xuất cao su và thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn.
6.3. Nghiên Cứu Về Cao Su Kỹ Thuật Và Ứng Dụng Đặc Biệt
Cao su kỹ thuật được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu hiệu suất cụ thể trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe. Các loại cao su này có thể được pha chế để có khả năng chịu nhiệt, kháng dầu hoặc các đặc tính đặc biệt khác. Cao su kỹ thuật được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm ô tô, hàng không vũ trụ và y tế.
