Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite từ nanocellulose và cao su tự nhiên

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite từ nanocellulose và cao su tự nhiên, mở ra hướng đi mới cho ứng dụng vật liệu bền vững.

• Tác giả: Lê Thị Như Ý
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Lê Thanh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu Nanocomposite Từ Nanocellulose Và Cao Su Tự Nhiên
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp.Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan vật liệu composite
• 1.2. Giới thiệu vật liệu composite
• 1.3. Giới thiệu vật liệu nanocomposite
• 1.4. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite
• 1.5. Ảnh hưởng của vật liệu nano đến polymer
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Thiết bị và dụng cụ
• 2.2. Quy trình thực nghiệm
• 2.2.1. Giai đoạn 1: Biến tính NR trong latex
• 2.2.2. Giai đoạn 2: Tổng hợp master bacth và cán trộn nanocomposite
• 2.3. Các phương pháp phân tích
• 2.3.1. Xác định sự thay đổi các nhóm chức trong mẫu FT-IR
• 2.3.2. Xác định thời gian lưu hoá tối ưu
• 2.3.3. Khảo sát sự trương nở của vật liệu trong dung môi
• 2.3.4. Phương pháp cơ tính
• 2.3.5. Khảo sát sự lão hoá của vật liệu
• 2.3.6. Phương pháp kính hiển vi điện tử SEM
• 2.3.7. Phương pháp phân tích nhiệt (TGA)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Kết quả xử lý biến tính NR trong latex
• 3.2. Kết quả đo FT-IR
• 3.3. Hiệu suất phản ứng tổng hợp master batch
• 3.4. Kết quả xác định thời gian lưu hoá tối ưu
• 3.5. Kết quả khảo sát sự trương nở của vật liệu trong dung môi
• 3.6. Kết quả phân tích cơ tính
• 3.6.1. Kết quả đo độ bền kéo
• 3.6.2. Kết quả đo độ bền xé
• 3.6.3. Kết quả đo độ cứng
• 3.7. Kết quả khảo sát sự lão hoá của vật liệu
• 3.8. Kết quả phân tích kính hiển vi điện tử SEM
• 3.9. Kết quả phân tích nhiệt (TGA)
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nanocomposite từ nanocellulose và cao su tự nhiên

Vật liệu nanocomposite đang trở thành xu hướng trong nghiên cứu vật liệu mới. Sự kết hợp giữa nanocellulose và cao su tự nhiên tạo ra những sản phẩm có tính chất vượt trội. Nanocellulose là một loại vật liệu có nguồn gốc từ thiên nhiên, mang lại nhiều lợi ích cho môi trường. Trong khi đó, cao su tự nhiên là nguyên liệu phổ biến, dễ tìm và có giá thành thấp. Việc tổng hợp hai loại vật liệu này không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ học mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

1.1. Ứng dụng của vật liệu nanocomposite trong công nghiệp

Vật liệu nanocomposite từ nanocellulose và cao su tự nhiên có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như xây dựng, ô tô và điện tử. Chúng được sử dụng để sản xuất các sản phẩm nhẹ, bền và thân thiện với môi trường.

1.2. Tính chất nổi bật của nanocomposite

Nanocomposite có tính chất cơ học vượt trội, bao gồm độ bền kéo cao và khả năng chống lão hóa tốt. Sự kết hợp giữa nanocellulose và cao su tự nhiên giúp cải thiện đáng kể các tính chất này.

II. Vấn đề và thách thức trong tổng hợp vật liệu nanocomposite

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc tổng hợp vật liệu nanocomposite từ nanocellulose và cao su tự nhiên cũng gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc phân tán đồng đều nanocellulose trong nền cao su tự nhiên. Nếu không được phân tán tốt, tính chất của vật liệu sẽ không đạt yêu cầu. Ngoài ra, việc lựa chọn phương pháp tổng hợp phù hợp cũng là một thách thức lớn.

2.1. Khó khăn trong việc phân tán nanocellulose

Phân tán nanocellulose trong cao su tự nhiên là một thách thức lớn. Việc này đòi hỏi các phương pháp xử lý và biến tính hiệu quả để đảm bảo sự tương tác tốt giữa hai thành phần.

2.2. Lựa chọn phương pháp tổng hợp hiệu quả

Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite, nhưng không phải phương pháp nào cũng mang lại hiệu quả cao. Cần nghiên cứu và lựa chọn phương pháp phù hợp nhất để tối ưu hóa tính chất của vật liệu.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite hiệu quả

Để tổng hợp vật liệu nanocomposite từ nanocellulose và cao su tự nhiên, có thể áp dụng một số phương pháp như trộn hợp, sol-gel và trùng hợp in-situ. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng.

3.1. Phương pháp trộn hợp

Phương pháp trộn hợp là cách đơn giản nhất để kết hợp nanocellulose vào cao su tự nhiên. Tuy nhiên, việc phân tán đồng đều là một thách thức lớn.

3.2. Phương pháp sol gel

Phương pháp sol-gel cho phép tạo ra các vật liệu nanocomposite với cấu trúc đồng nhất và tính chất vượt trội. Đây là một trong những phương pháp hứa hẹn nhất trong nghiên cứu hiện nay.

3.3. Phương pháp trùng hợp in situ

Phương pháp trùng hợp in-situ giúp tạo ra vật liệu nanocomposite với tính chất tốt và quy trình sản xuất đơn giản. Đây là lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng công nghiệp.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của nanocomposite

Nghiên cứu cho thấy rằng việc tổng hợp vật liệu nanocomposite từ nanocellulose và cao su tự nhiên mang lại nhiều kết quả khả quan. Các mẫu vật liệu được kiểm tra cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ bền kéo, độ bền xé và khả năng chống lão hóa. Những kết quả này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong thực tiễn.

4.1. Kết quả kiểm tra tính chất cơ học

Các mẫu nanocomposite cho thấy độ bền kéo tăng lên 155% so với mẫu ban đầu. Điều này chứng tỏ rằng sự kết hợp giữa nanocellulose và cao su tự nhiên mang lại hiệu quả cao.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất vật liệu thân thiện với môi trường

Vật liệu nanocomposite có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, sản xuất ô tô và điện tử. Chúng không chỉ bền mà còn thân thiện với môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của vật liệu nanocomposite

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite từ nanocellulose và cao su tự nhiên đã mở ra nhiều triển vọng cho ngành công nghiệp vật liệu. Với những tính chất vượt trội, nanocomposite hứa hẹn sẽ trở thành lựa chọn hàng đầu trong tương lai. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển sẽ giúp tối ưu hóa các tính chất và ứng dụng của vật liệu này.

5.1. Tương lai của vật liệu nanocomposite

Vật liệu nanocomposite sẽ tiếp tục được nghiên cứu và phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường. Các ứng dụng mới sẽ được khám phá và phát triển.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện quy trình tổng hợp và tối ưu hóa tính chất của vật liệu nanocomposite. Điều này sẽ giúp nâng cao giá trị ứng dụng của chúng trong thực tiễn.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của khoa học vật liệu hiện đại gắn liền với xu hướng nghiên cứu và chế tạo các dòng vật liệu mới có nguồn gốc tự nhiên, sở hữu khả năng tự phân hủy sinh học và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Tại Việt Nam, cao su tự nhiên (Natural Rubber - NR) là nguồn nguyên liệu nông nghiệp dồi dào, giá thành cạnh tranh và giữ vai trò không thể thay thế trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất nhờ tính đàn hồi cao. Cùng với đó, tinh thể nanocellulose (Cellulose Nanocrystals - CNC) được chiết xuất từ nguồn sinh khối thực vật mang các đặc tính cơ lý ưu việt như độ cứng lý thuyết lên đến 220 GPa, độ bền kéo đạt tới 10 GPa và diện tích bề mặt riêng lớn.

Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật lớn nhất khi kết hợp hai hợp phần này để chế tạo vật liệu nanocomposite nằm ở tính chất bề mặt: cao su tự nhiên có bản chất không phân cực và kỵ nước, trong khi tinh thể nanocellulose lại chứa mật độ nhóm hydroxyl (-OH) tự do dày đặc, dẫn đến tính ưa nước cao. Sự chênh lệch năng lượng bề mặt này khiến các hạt CNC có xu hướng tự liên kết hydro tạo thành các khối kết tụ lớn, phân tán kém đồng đều trong nền cao su và cản trở khả năng truyền ứng suất liên pha. Để giải quyết vấn đề bất tương hợp pha trên, đề tài "Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite từ nanocellulose và cao su tự nhiên" được thực hiện.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của đề tài là xác định phương pháp và tỷ lệ phối trộn thích hợp nhất nhằm phân tán đồng đều CNC vào nền cao su tự nhiên, từ đó nâng cao các đặc tính cơ lý, độ kháng dung môi và độ bền nhiệt của vật liệu nanocomposite sau lưu hóa.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm bốn nội dung được tác giả xác định:

1. Khảo sát các chất xử lý cấu trúc mạch cao su: Đánh giá khả năng biến tính bề mặt hạt latex cao su tự nhiên bằng các tác nhân oxy hóa gồm kali pemanganat (KMnO4) và axit peraxetic (PAA), sử dụng quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) để lựa chọn tác nhân tối ưu.
2. Khảo sát tỷ lệ phản ứng oxy hóa: Tiến hành thực nghiệm biến tính cao su bằng tác nhân đã chọn với các tỷ lệ khác nhau nhằm tìm ra nồng độ xử lý thích hợp nhất dựa trên mức độ hình thành nhóm chức -OH.
3. Khảo sát tỷ lệ chất gia cường CNC: Cán trộn CNC vào nền cao su với các hàm lượng thay đổi lần lượt là 2%, 4%, 6% và 8% khối lượng, kết hợp hệ lưu hóa nhanh gồm ZDBC, MBTS, lưu huỳnh, ZnO và axit stearic.
4. Khảo sát các phương pháp cán trộn: So sánh các quy trình gia công khác nhau, bao gồm cán trộn dạng bột CNC khô trực tiếp và phối trộn huyền phù CNC vào dung dịch latex tạo hỗn hợp đậm đặc (master batch) trên cả hai hệ nền cao su (có xử lý oxy hóa và không xử lý oxy hóa).

Đối tượng nghiên cứu là hệ vật liệu nanocomposite chế tạo từ latex cao su tự nhiên, cao su khối kỹ thuật SVR 3L và tinh thể nanocellulose. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại hệ thống phòng thí nghiệm thuộc Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh cùng sự hỗ trợ đo đạc thiết bị từ Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh; thời gian hoàn thành khóa luận vào tháng 8 năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của nghiên cứu dựa trên nguyên lý tương tác bề mặt phân cách pha của vật liệu composite đàn hồi (elastomer nanocomposites). Thành phần pha nền là cis-1,4 polyisoprene cấu thành từ các mắt xích isopren có chứa liên kết đôi C=C và nhóm metylen (-CH2-) chứa nguyên tử hydro linh động. Hoạt tính hóa học của liên kết đôi cho phép thực hiện phản ứng dihydroxyl hóa bằng tác nhân oxy hóa để đưa các nhóm phân cực (-OH) vào khung mạch carbon. Khi sử dụng thuốc tím (KMnO4), ion pemanganat ($MnO_4^-$) thực hiện phản ứng cộng syn qua liên kết $\pi$ của anken tạo thành chất trung gian este manganat mạch vòng, tiếp theo là quá trình thủy phân tạo thành nhóm cis-diol. Sự xuất hiện của các nhóm hydroxyl trên mạch cao su biến tính thiết lập hệ thống liên kết hydro liên phân tử bền vững với các nhóm hydroxyl trên bề mặt tinh thể CNC.

Hệ lưu hóa được tác giả ứng dụng là hệ lưu hóa nhanh với lưu huỳnh (S8 đóng vai trò tạo cầu nối liên kết ngang ba chiều), kết hợp chất gia tốc disulfur benzothiazole (MBTS) thuộc nhóm thiazole và kẽm dibutyldithiocarbamat (ZDBC) thuộc nhóm dithiocarbamate nhằm thúc đẩy tốc độ phản ứng ở nhiệt độ gia công. Quá trình hoạt hóa được hỗ trợ bởi hệ trợ xúc tiến gồm kẽm oxit (ZnO) và axit stearic; phản ứng giữa hai chất này tạo thành muối kẽm stearat hòa tan, hỗ trợ phân tán các tác nhân lưu hóa và gia tăng hiệu quả tạo mạng lưới liên kết ngang.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được thiết kế theo quy trình hai giai đoạn kết hợp các phương tiện phân tích công cụ chuyên dụng:

Nhóm phương pháp	Tên thiết bị / Phương pháp	Tiêu chuẩn / Thông số kỹ thuật	Mục đích kiểm tra
Phân tích nhóm chức	Quang phổ hồng ngoại FT-IR	Dải bước sóng 6300 - 350 $cm^{-1}$	Đánh giá sự hình thành nhóm -OH và biến đổi liên kết C=C sau phản ứng biến tính
Đánh giá lưu hóa	Máy đo lưu biến Rheometer	Nhiệt độ $150^\circ C$, Torque 0 - 20 N.m	Xác định mômen xoắn, thời gian tiền lưu hóa ($t_{10}$) và thời gian lưu hóa tối ưu ($t_{90}$)
Gia công tạo hình	Máy cán 2 trục & Máy ép thủy lực	Trục $\varnothing 100 \times 300$ mm; Áp suất ép 40 MPa	Cán sơ luyện, cán hỗn luyện và ép định hình mẫu lưu hóa
Kiểm tra cơ lý	Máy đo kéo đứt Testometric	Vận tốc kéo 0,001 - 1000 mm/phút, lực 10 kN; ASTM D412, ASTM D624	Xác định ứng suất 100%, 300%, độ bền kéo đứt, độ biến dạng dư và độ bền xé
Đo độ cứng	Thiết bị đo độ cứng Shore A	Thang đo 0 - 100, độ chia 1	Xác định độ cứng vật liệu
Kháng dung môi	Phương pháp đo độ trương nở	Dung môi toluen nguyên chất	Đánh giá mật độ liên kết ngang và mức độ cản trở dung môi xâm nhập
Lão hóa nhiệt	Thử nghiệm già hóa gia tốc	Tủ sấy kiểm soát nhiệt	Đánh giá độ suy giảm cơ tính sau quá trình xử lý nhiệt
Hình thái học	Kính hiển vi điện tử quét SEM	Độ phóng đại 20 - 150.000 lần, áp điện 1 - 20 kV	Quan sát độ phân tán của CNC và bề mặt đứt gãy của vật liệu
Độ bền nhiệt	Phân tích nhiệt trọng lượng TGA/DTG	Dải nhiệt từ nhiệt độ phòng đến $1100^\circ C$	Đo nhiệt độ phân hủy nhiệt và độ bền nhiệt của nanocomposite

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được hình thành từ việc đo đạc trực tiếp các mẫu vật liệu điều chế từ nguyên liệu ban đầu có nguồn gốc xác định: Latex cao su tự nhiên có hàm lượng chất khô (TSC) 62% và cao su khối SVR 3L (hàm lượng tro < 0,5%) xuất xứ Việt Nam; Tinh thể nanocellulose (CNC) dạng que có đường kính hạt 2,3 - 4,5 nm, chiều dài 44 - 108 nm, khối lượng phân tử trung bình khoảng 27.850 g/mol sản xuất tại Việt Nam; cùng các hóa chất tinh khiết phân tích gồm KMnO4, H2O2 30%, CH3COOH > 99,5%, NaHCO3, ZnO, axit stearic, MBTS, ZDBC, lưu huỳnh và dung môi toluen.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về vật liệu composite và nanocomposite, cấu trúc và đặc tính hóa lý của cao su thiên nhiên cũng như nanocellulose. Tác giả phân loại hạt nano gia cường thành ba nhóm cấu trúc hình học (loại 1: cả ba chiều kích thước nano; loại 2: hai chiều kích thước nano dạng sợi; loại 3: một chiều nano dạng phiến) và phân tích ba phương pháp chế tạo nanocomposite chính gồm trộn hợp (dung dịch hoặc nóng chảy), phương pháp sol-gel và phương pháp trùng hợp in-situ. Cấu tạo phân tử của cis-1,4 polyisoprene trong cao su tự nhiên được trình bày chi tiết cùng trạng thái tồn tại dạng huyền phù latex (ổn định bằng lớp vỏ protein, phospholipid, xử lý bảo quản bằng NH3 nồng độ cao 0,6 - 0,7% hoặc nồng độ thấp 0,2 - 0,3% kết hợp TMTD) và dạng khối kỹ thuật (SVR L, SVR CV).

Chương này cũng phân tích cơ chế phản ứng biến tính cao su bằng tác nhân oxy hóa KMnO4 (tạo cis-diol qua vòng este manganat) và axit peraxetic (tạo vòng epoxy hoặc nhóm hydroxyl), đồng thời phân tích cơ chế lưu hóa tạo cầu nối lưu huỳnh với đường cong lưu hóa đặc trưng qua hai thông số then chốt là thời gian tiền lưu hóa ($t_{10}$) và thời gian lưu hóa tối ưu ($t_{90}$). Tác giả khảo cứu các công trình nghiên cứu trên thế giới về gia cường polymer bằng CNC, BCW, CNF (như các nghiên cứu của Gindl, Henriksson, Stevanic, Rueda, Favier, Marcos Marianoa, Mekonnen) và các nghiên cứu tại Việt Nam (Huỳnh Đại Phú với vi sợi cellulose vi khuẩn trên nền nhựa epoxy; Lại Trần Ngọc Trân với màng CNC/PVA; Đặng Thị Mai với nanocomposite PLA/CNC từ bã mía; Nguyễn Tường Vy với màng PVA/GO/CNF). Từ việc chỉ ra khoảng trống nghiên cứu trong nước về xử lý bề mặt cao su để nâng cao độ phân tán của CNC, chương 1 khép lại bằng việc xác lập cụ thể mục tiêu và bốn nội dung nghiên cứu của luận văn.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất, thông số kỹ thuật của 15 trang thiết bị phục vụ nghiên cứu và quy trình thực nghiệm gồm hai giai đoạn chính.

Giai đoạn 1 tập trung biến tính cao su tự nhiên trong latex bằng tác nhân oxy hóa nhằm chọn lọc hóa chất và nồng độ xử lý thích hợp. Tác giả thiết lập bốn mẫu thí nghiệm gồm mẫu P_NR (sử dụng 0,35 mol axit peraxetic trên 100 g latex) và ba mẫu K_NR xử lý bằng KMnO4 với khối lượng lần lượt là 0,05 g, 0,25 g và 0,50 g trên 100 g latex. Dung dịch tác nhân oxy hóa được thêm từ từ vào latex, khuấy đều trong 15 phút, sau đó đánh đông bằng axit axetic. Mẫu cao su đông tụ được ngâm trong dung dịch NaHCO3 để trung hòa lượng axit dư, rửa sạch bằng nước cất và sấy khô ở nhiệt độ $45^\circ C$ trong 48 giờ trước khi đem đo phổ FT-IR.

Giai đoạn 2 tiến hành điều chế hỗn hợp master batch chứa 20% khối lượng CNC và cán luyện hoàn thiện nanocomposite. Quy trình tổng hợp master batch có biến tính (NRO20) bắt đầu bằng việc khuấy phân tán CNC trong nước suốt 1 giờ để tạo huyền phù đồng nhất, đồng thời latex được xử lý biến tính bằng KMnO4 theo tỷ lệ tối ưu 0,25 g/100 g latex. Huyền phù CNC sau đó được nhỏ giọt vào latex và khuấy cơ học liên tục trong 4 giờ ở nhiệt độ phòng. Hỗn hợp được làm đông tụ bằng axit axetic, ngâm NaHCO3, rửa sạch và sấy khô ở $45^\circ C$ trong 48 giờ. Do khối lượng tổng hợp lớn khiến CNC có thể phân bố chưa hoàn toàn đồng nhất, các mẫu master batch khô tiếp tục được cán sơ luyện trên máy cán hai trục.

Quy trình cán luyện nanocomposite được thực hiện trên máy cán hai trục theo đơn pha chế quy chuẩn, khảo sát dải hàm lượng CNC từ 0% đến 8%:

Thành phần hóa chất (g)	Mẫu NRO	Mẫu NRO2	Mẫu NRO4	Mẫu NRO6	Mẫu NRO8
Cao su khối SVR 3L	90	90	80	70	60
Latex biến tính NRO (không chứa CNC)	10	0	0	0	0
Master batch NRO20 (chứa 20% CNC)	0	10	20	30	40
Hàm lượng CNC tương ứng trong mẫu	0%	2%	4%	6%	8%
Kẽm oxit (ZnO)	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5
Axit stearic	0,2	0,2	0,2	0,2	0,2
Chất xúc tiến MBTS	0,75	0,75	0,75	0,75	0,75
Chất gia tốc ZDBC	0,08	0,08	0,08	0,08	0,08
Lưu huỳnh (S)	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5

Quy trình cán luyện tuân thủ các bước: cán thông tạo độ dẻo ban đầu; cán sơ luyện ở nhiệt độ $40^\circ C$ để cắt ngắn mạch hydrocarbon và giảm kích thước hạt cao su; cán hỗn luyện đưa phụ gia vào theo nguyên tắc từ chất khó phân tán đến chất dễ phân tán (chất độn/master batch $\rightarrow$ chất tăng hoạt ZnO, axit stearic $\rightarrow$ hệ lưu hóa MBTS, ZDBC, lưu huỳnh). Trong quá trình cán, thao tác cắt 3/4 mặt ngoài cuộn vào trong và đảo đầu được lặp lại nhiều lần để hóa chất phân tán đều và loại bỏ bọt khí. Cuối chương, tác giả mô tả chi tiết các tiêu chuẩn ASTM và nguyên lý của các phép đo cơ lý, đo trương nở, đo lưu hóa Rheometer, chụp SEM và phân tích nhiệt TGA.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các kết quả phân tích thực nghiệm và luận giải chi tiết theo các nội dung nghiên cứu:

• Xử lý biến tính cao su và phổ FT-IR: Kết quả phổ FT-IR chứng minh KMnO4 mang lại hiệu quả tạo nhóm hydroxyl (-OH) vượt trội so với axit peraxetic. Khi khảo sát nồng độ KMnO4, tỷ lệ 0,25 g KMnO4/100 g latex cho thấy pic hấp thụ đặc trưng của liên kết O-H rõ ràng nhất mà không gây suy giảm cấu trúc mạch; trong khi mức 0,50 g KMnO4 gây oxy hóa quá mức làm thoái hóa chuỗi polymer. Do đó, tỷ lệ 0,25 g/100 g latex được lựa chọn để tổng hợp master batch.
• Thời gian lưu hóa tối ưu ($t_{90}$): Phân tích đường cong lưu hóa trên máy Rheometer ở $150^\circ C$ xác định chính xác thời gian lưu hóa tối ưu cho từng đơn phối trộn, đảm bảo mẫu cao su đạt trạng thái khâu mạch hoàn toàn, không bị lưu hóa non hay lưu hóa quá mức.
• Khảo sát độ trương trong toluen: Vật liệu nanocomposite có mức độ trương nở giảm dần khi tăng hàm lượng CNC và giảm mạnh so với mẫu cao su không có chất gia cường. Điều này khẳng định sự hiện diện của mạng lưới CNC phân tán cùng các liên kết hydro liên pha đã hạn chế sự thâm nhập của phân tử dung môi toluen vào mạng lưới polymer.
• Phân tích cơ tính cơ học: Kết quả kiểm tra ứng suất tại độ giãn dài 100%, 300%, ứng suất khi đứt, độ biến dạng dư, độ bền xé và độ cứng Shore A cho thấy cơ tính của vật liệu tăng tỷ lệ thuận với hàm lượng CNC từ 2% đến 6%. Tại tỷ lệ 6% CNC (mẫu NRO6), cơ tính tổng thể tăng 155% so với mẫu cao su đối chứng ban đầu. Tuy nhiên, khi nâng hàm lượng lên 8% (mẫu NRO8), các chỉ tiêu cơ lý có xu hướng chững lại hoặc suy giảm nhẹ do các hạt nano bắt đầu xuất hiện hiện tượng tự kết tụ cục bộ. Đồng thời, so sánh giữa các phương pháp tổng hợp chứng minh phương pháp trộn master batch biến tính NRO20 cho các giá trị cơ lý vượt trội hoàn toàn so với mẫu master batch không biến tính và mẫu cán trộn bột CNC khô trực tiếp.
• Khảo sát lão hóa nhiệt: Mẫu nanocomposite giữ được độ bền cơ học ổn định hơn sau quá trình già hóa nhiệt, hệ số già hóa phản ánh khả năng chống chịu oxy hóa nhiệt tốt hơn so với cao su tự nhiên chưa gia cường.
• Hình thái học qua kính hiển vi SEM: Ảnh chụp SEM bề mặt đứt gãy cho thấy ở mẫu sử dụng master batch biến tính, các tinh thể nanocellulose phân tán đồng nhất, bám dính chặt chẽ với nền cao su mà không tạo các vùng ranh giới pha tách biệt hay các khối vón tụ lớn như ở mẫu cán trộn dạng khô.
• Phân tích nhiệt trọng lượng TGA/DTG: Đường cong TGA và vi phân DTG cho thấy nhiệt độ bắt đầu phân hủy nhiệt và nhiệt độ phân hủy cực đại của các mẫu nanocomposite dịch chuyển lên thang nhiệt độ cao hơn, khẳng định tinh thể nanocellulose và cấu trúc mạng lưu hóa đã cải thiện độ ổn định nhiệt cho vật liệu.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại các kết quả thực nghiệm định lượng cụ thể:

• Xác định được tác nhân oxy hóa tối ưu để tạo liên kết phân cực trên mạch cao su tự nhiên là KMnO4 với tỷ lệ 0,25 g KMnO4 trên 100 g latex cao su.
• Xác định được hàm lượng chất gia cường tối ưu là 6% CNC (mẫu NRO6) điều chế từ master batch nồng độ 20% CNC; tại hàm lượng này, cơ tính của vật liệu tăng 155% so với mẫu cao su đối chứng ban đầu.
• Xác định phương pháp tổng hợp hiệu quả nhất là khuấy trộn huyền phù CNC vào dung dịch latex cao su đã biến tính bằng KMnO4 để tạo master batch, sau đó sấy khô, cán sơ luyện và cán hỗn luyện với cao su khối SVR 3L trên máy cán hai trục. Phương pháp này giúp vật liệu đạt độ bền kéo, độ bền xé, độ cứng, độ kháng trương trong dung môi toluen và độ bền nhiệt cao hơn hẳn so với phương pháp cán trộn bột CNC khô hoặc master batch không biến tính.

Về giải pháp công nghệ, tác giả đề xuất:

• Quy trình tiền xử lý bề mặt cao su trong pha lỏng (latex) bằng phản ứng dihydroxyl hóa nhẹ, tạo các nhóm -OH làm cầu nối trung gian tạo liên kết hydro với CNC.
• Kỹ thuật tạo master batch ở dạng huyền phù lỏng trước khi đông tụ, giúp các thanh tinh thể nanocellulose phân tán đồng đều và bám dính vào các hạt tử cao su có kích thước dưới 0,5 $\mu m$, giải quyết triệt để sự kết tụ của các hạt nano có năng lượng bề mặt cao.
• Áp dụng chế độ cán sơ luyện ở nhiệt độ $40^\circ C$ để hóa dẻo cơ học cao su mà không gây oxy hóa nhiệt, kết hợp thao tác cắt 3/4 và cuộn đảo đầu giúp hệ lưu hóa nhanh (MBTS, ZDBC, lưu huỳnh) phân bố đồng nhất.

Đóng góp của luận văn so với các nghiên cứu trước nằm ở việc giải quyết thành công bài toán phân tán tinh thể nanocellulose vào nền polymer kỵ nước mà không cần sử dụng các chất hoạt động bề mặt đắt tiền hoặc các dung môi hữu cơ độc hại. Tác giả đã tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước, thiết lập quy trình chế tạo vật liệu nanocomposite cao su thiên nhiên thân thiện với môi trường, có khả năng gia công trên các thiết bị ngành cao su truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Do master batch được tổng hợp ở mẻ khối lượng lớn trong phòng thí nghiệm, sự phân bố CNC sau khi sấy khô chưa đạt mức đồng đều tuyệt đối trên toàn bộ thể tích, đòi hỏi phải bổ sung bước cán sơ luyện phụ trợ trên máy cán hai trục trước khi phối trộn với cao su khối.
• Khảo sát hàm lượng CNC mới dừng lại ở các bước nhảy 2% (2%, 4%, 6%, 8%); chưa thực hiện khảo sát chi tiết ở các khoảng nồng độ lân cận điểm tối ưu (ví dụ 5% hoặc 7%) để xác định chính xác hơn giới hạn bão hòa cơ tính.
• Các khảo sát độ bền mới tập trung vào lão hóa nhiệt gia tốc trong tủ sấy và ngâm dung môi tĩnh; chưa đánh giá độ mỏi cơ học động (dynamic mechanical analysis - DMA) hoặc độ bền thời tiết tự nhiên trong thời gian dài.

Hướng mở rộng đề tài:

• Hoàn thiện và chuẩn hóa quy trình phân tán huyền phù CNC trong latex ở quy mô pilot hoặc bán công nghiệp, kiểm soát tốc độ khuấy cơ học và các yếu tố keo tụ nhằm loại bỏ hoàn toàn hiện tượng không đồng đều cục bộ trong master batch.
• Tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về cơ chế tương tác liên diện giữa nhóm cis-diol của cao su và nhóm hydroxyl của CNC ở cấp độ mô phỏng phân tử.
• Thử nghiệm ứng dụng vật liệu nanocomposite tối ưu vào sản xuất các sản phẩm cao su kỹ thuật thực tế đòi hỏi độ đàn hồi, khả năng chịu xé và độ bền nhiệt cao như màng đàn hồi, đệm giảm chấn hoặc đế giày thể thao sinh thái.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn cao đối với:

• Giảng viên, sinh viên và học viên cao học thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Vật liệu, Công nghệ Vật liệu Polymer và Composite đang thực hiện các đề tài nghiên cứu về biến tính cao su tự nhiên và ứng dụng vật liệu gia cường kích thước nano.
• Kỹ sư công nghệ, cán bộ nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các nhà máy, viện nghiên cứu chế biến cao su thiên nhiên đang tìm kiếm giải pháp cải thiện cơ lý tính của cao su bằng phụ gia tự nhiên, thân thiện với môi trường nhằm thay thế muội than đen hoặc silica tổng hợp.

Các phần có giá trị tham khảo kỹ thuật nổi bật:

• Đơn pha chế chuẩn (Bảng 2.5) với hệ lưu hóa nhanh ZDBC/MBTS/Lưu huỳnh cùng tỷ lệ phối trộn master batch NRO20.
• Quy trình công nghệ hai giai đoạn: xử lý biến tính latex bằng KMnO4 và kỹ thuật tạo huyền phù master batch 20% CNC.
• Hệ thống dữ liệu thực nghiệm đối sánh toàn diện giữa các phương pháp tổng hợp trên phổ FT-IR, đường cong lưu biến Rheometer, cơ tính kéo/xé theo chuẩn ASTM và hình thái học SEM.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lựa chọn potassium permanganate (KMnO4) thay vì axit peraxetic (PAA) để biến tính cao su tự nhiên?
Dựa trên kết quả phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) ở Chương 3, phản ứng oxy hóa cao su tự nhiên bằng dung dịch KMnO4 cho hiệu quả tạo nhóm hydroxyl (-OH) dạng cis-diol trên chuỗi cis-1,4 polyisoprene rõ rệt hơn hẳn so với axit peraxetic (PAA). Các nhóm -OH này là yếu tố quyết định để tạo liên kết hydro liên phân tử với các nhóm hydroxyl trên bề mặt tinh thể nanocellulose, giúp tăng cường lực bám dính phân cách pha và hỗ trợ phân tán CNC đồng đều trong nền cao su.

2. Nồng độ KMnO4 nào được xác định là tối ưu trong quá trình xử lý latex cao su và nguyên nhân là gì?
Nồng độ tối ưu được xác định là 0,25 g KMnO4 trên 100 g latex. Ở tỷ lệ thấp (0,05 g KMnO4), lượng nhóm hydroxyl tạo thành không đủ để tạo ra tương tác pha đáng kể với CNC; trong khi ở tỷ lệ cao (0,50 g KMnO4), tác nhân oxy hóa quá mạnh gây ra phản ứng cắt mạch và thoái hóa chuỗi hydrocarbon của cao su, làm suy giảm cơ tính của chất nền. Mức 0,25 g/100 g latex tạo ra cường độ pic hấp thụ -OH trên phổ FT-IR tốt nhất mà vẫn bảo toàn cấu trúc mạch polymer.

3. Hàm lượng nanocellulose (CNC) bao nhiêu giúp nanocomposite đạt cơ tính cao nhất và giá trị cải thiện cụ thể là bao nhiêu?
Hàm lượng gia cường tối ưu là 6% CNC (mẫu NRO6) phối trộn thông qua master batch biến tính NRO20. Tại hàm lượng này, cơ tính tổng thể của vật liệu tăng 155% so với cao su ban đầu. Khi vượt qua mức 6% và tăng lên 8% CNC (mẫu NRO8), các tính chất cơ lý như ứng suất kéo đứt và độ bền xé có xu hướng chững lại hoặc suy giảm do các tinh thể nano tự liên kết hydro tạo thành các khối kết tụ, gây khuyết tật cấu trúc cục bộ.

4. Ưu điểm nổi bật của phương pháp chế tạo master batch trong latex so với phương pháp cán trộn bột CNC khô trực tiếp là gì?
Phương pháp khuấy huyền phù CNC vào dung dịch latex đã biến tính để tạo master batch 20% CNC giúp các hạt nano phân tán đồng nhất trong môi trường nước, bao bọc trực tiếp lấy các hạt tử cao su lơ lửng (kích thước < 0,5 $\mu m$). Nhờ đó, vật liệu ngăn chặn được hiện tượng kết tụ tự nhiên của các hạt nano. Kết quả chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) và các phép thử cơ lý chứng minh mẫu tạo từ master batch biến tính có độ phân tán tốt hơn, độ bền kéo, độ bền xé, độ cứng và độ kháng trương trong toluen vượt trội so với mẫu cán trộn trực tiếp bột CNC khô vào cao su khối.

5. Hệ lưu hóa được sử dụng trong nghiên cứu gồm những hóa chất nào và được đánh giá trên thiết bị gì?
Hệ lưu hóa được tác giả sử dụng là hệ lưu hóa nhanh gồm lưu huỳnh (1,5 g), chất xúc tiến MBTS (0,75 g), chất gia tốc cực nhanh ZDBC (0,08 g), chất trợ xúc tiến ZnO (0,5 g) và axit stearic (0,2 g). Các thông số lưu hóa gồm thời gian tiền lưu hóa ($t_{10}$) và thời gian lưu hóa tối ưu ($t_{90}$) được đo đạc và xác định chính xác trên thiết bị lưu biến Rheometer ở nhiệt độ $150^\circ C$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Thị Như Ý đã nghiên cứu thành công quy trình tổng hợp vật liệu nanocomposite từ cao su tự nhiên và tinh thể nanocellulose thông qua giải pháp biến tính nền cao su bằng dung dịch KMnO4 kết hợp công nghệ phối trộn master batch trong pha lỏng latex. Kết quả thực nghiệm xác lập tỷ lệ gia cường tối ưu tại 6% CNC, giúp cơ tính của vật liệu tăng 155% so với ban đầu, đồng thời cải thiện độ kháng trương nở trong dung môi toluen và nâng cao độ bền nhiệt. Công trình cung cấp hệ thống số liệu thực nghiệm đầy đủ, đóng góp một quy trình gia công khả thi cho hướng phát triển các dòng vật liệu nanocomposite đàn hồi sinh thái từ nguồn nguyên liệu tự nhiên tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan vật liệu composite 1. Giới thiệu vật liệu composite Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các thành tựu của khoa học đã mang đến cho con người nhiều tiện nghi trong cuộc sống. Trong đó vật liệu composite được xem là bước tiến mới trong khoa học vật liệu.

Vật liệu composite là vật liệu được tổ hợp từ hai thành phần trở lên có bản chất khác nhau. Vật liệu tạo thành có tính chất vượt trội hơn tính chất của các vật liệu thành phần khi xét riêng lẻ. Hai thành phần chính của vật liệu composite bao gồm hai thành phần chính là vật liệu nền (pha liên tục) và vật liệu gia cường (pha gián đoạn) (hình 1. Hai thành phần này phải có bản chất khác nhau, khi kết hợp lại không tan lẫn vào nhau và không xảy ra phản ứng hoá học.

Thành phần vật liệu composite Vật liệu nền có vai trò kết dính, đồng thời tạo môi trường phân tán để kết nối và phân tán đều vật liệu gia cường trên toàn bộ thể tích. Vật liệu nền giúp bảo vệ vật liệu gia cường khỏi bị hư hại do những tác động từ môi trường. Bên cạnh đó, vật liệu nền đóng vai trò truyền ứng suất sang vật liệu gia cường khi có ngoại lực tác động, song song đó có khả năng phân bố lại khả năng chịu tải của vật liệu khi một phần vật liệu gia cường bị đứt gãy. Vật liệu nền giúp tạo nên bề mặt cho vật liệu composite, đóng góp những tính chất cần thiết như khả năng chịu nhiệt, bền với môi trường, chịu hoá chất,… Vật liệu gia cố (hay còn gọi là vật liệu gia cường) thường có tính chất cơ lý cao hơn vật liệu nền, điều này đảm bảo cho vật liệu composite có độ cứng, độ bền kéo đứt, độ bền va đập,… cải thiện hơn.

Khả năng truyền tải trọng từ vật liệu nền sang vật liệu gia cường 1 phụ thuộc: vật liệu nền, vật liệu gia cường, sự kết dính tại bề mặt tiếp xúc của vật liệu nền và vật liệu gia cường. Cơ chế gia cường được hiểu như sau: dưới tác dụng của ngoại lực, vật liệu gia cường sẽ là những điểm chịu ứng suất tập trung do vật liệu nền truyền sang [1]. Sự ra đời của vật liệu composite là cuộc cách mạng về vật liệu, thay thế nhiều vật liệu truyền thống trong đời sống và sản xuất. Composite đã cải thiện nhiều tính chất, nhược điểm của các loại vật liệu cũ như:  Vật liệu nhẹ nhưng cứng, chịu va đập, có độ uốn, chịu kéo tốt, khả năng chịu va đập cao, không bị gỉ sét, chống ăn mòn.

 Có khả năng chịu thời tiết, chống tia tử ngoại, chống lão hóa, chịu nhiệt, chịu lạnh, chống cháy, chịu ma sát, cường độ lực cao, nhiệt độ cao.  Dễ tạo hình thiết kế, có nhiều công nghệ sản xuất, quá trình sản xuất không phức tạp. Với những ưu điểm vượt trội của mình, cùng với sự phát triển của công nghệ polymer, vật liệu composite phát triển không ngừng và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: vật dụng gia đình, xây dựng, sản xuất,. Giới thiệu vật liệu nanocomposite 1.

Vật liệu nanocomposite Tương tự vật liệu composite, vật liệu nanocomposie cũng gồm 2 thành phần cơ bản, là chất nền và vật liệu gia cố, nhưng các vật liệu gia cố này có kích thước dưới 100 nm. Ngoài ưu điểm cơ bản, đặc trưng của thành phần thì nanocomposite còn có cơ tính rất tốt do kích thước bề mặt của chất gia cường rất nhỏ, mang lại hiệu quả tương tác cao. Thông thường vật liệu nanocomposite được phân loại dựa vào kích thước:  Loại 1: là loại hạt gia cường có cả ba chiều đều có kích thước là nanomet, thường là các loại hạt.  Loại 2: là loại gia cường có hai chiều có kích thước nano, chiều thứ ba có kích thước lớn hơn, thường là các sợi nano.

2  Loại 3: là loại gia cường chỉ có một chiều có kích thước nano. Chúng thường ở dạng phiến, với chiều dày là kích thước nano, còn dài và rộng lên đến hàng tram hoặc hàng nghìn nano. So với vật liệu composite truyền thống thì nanocomposite có những ưu điểm như sau:  Vật liệu nano gia cường rất hiệu quả do kích thước nhỏ dẫn đến sự cải thiện đáng kể tính chất của chất nền, chỉ một lượng nhỏ gia cường đã có thể nâng cao tính chất của vật liệu. Điều này giúp nanocomposite trở nên nhẹ hơn, và giá thành cũng thấp hơn nhưng vẫn đảm bảo chất lượng tốt.

 Sự chuyển ứng suất từ nền sang chất độn hiệu quả hơn là do diện tích bề mặt lớn và khả năng bám dính bề mặt phân cách pha tốt [2]. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite Nanocomposite có thể được tổng hợp theo một số phương pháp tuỳ vào cách thưc kết hợp giữa hai pha vô cơ và hữu cơ. Cho tơi nay, người ta đưa ra ba phương pháp chính để chế tạo nanocomposite, bao gồm phương pháp trộn hợp, phương pháp sol-gel và phương pháp trùng hợp in-situ.  Phương pháp trộn hợp: phương pháp này chỉ đơn giản là phối trộn các vật liệu gia cường nano vào trong nền polyme.

Quá trình phối trộn có thể thực hiện trong dung dịch hay ở trạng thái nóng chảy. Khó khăn lớn nhất trong quá trình trộn hợp là phân tán các phần từ nano vào trong nền polyme một cách hiệu quả.  Phương pháp sol -gel: phương pháp sol-gel dựa trên quá trình thủy phân và trùng ngưng các phân tử alcoxide kim loại có công thức M(OR)4, dẫn đến việc hình thành polyme có mạng liên kết M-O-M, ví dụ như Si-O-Si. Phương pháp sol-gel cho phép đưa phân từ hữu cơ R’ có dạng R’n M(OR)4-n vào trong mạnh vô cơ để tạo ra vật liệu hữu cơ-vô cơ lai tạo có kích thước nano.

 Trùng hợp in-situ: Phương pháp này có ưu điểm dễ chế tạo, nhanh và tính chất sản phẩm tốt. Quá trình trùng hợp in-situ trải qua ba bước, bao gồm xử lý biến tính bề mặt nano, phân tán vào monomer rồi tiến hành trùng hợp trong dung dịch hoặc trong khối để tạo polymer nanocomposite [2]. Ảnh hưởng của vật liệu nano đến polymer Tác dụng của chất độn nano đối với chất nền là một sự khác biệt so với chất độn khác. Trước hết là do kích thước rất nhỏ của các hạt chất độn.

Kích thước hạt nhỏ sẽ không tạo ra các vùng tập trung ứng suất vật liệu, nhờ đó độ bền kéo tăng trong khi độ dẻo của vật liệu không thay đổi nhiều. Kích thước hạt nhỏ cũng làm tăng cường tính chất của bản thân chất độn, do các hạt kích thước nhỏ và rất ít khuyết tật trên bề mặt, nhờ đó, độ bền của hạt độn là rất cao. Hơn nữa, kích thước hạt nhỏ dẫn đến bề mặt tương tác pha giữa cao su và chất độn rất lớn. Diện tích bề mặt tương tác pha lớn sẽ làm tính chất của vật liệu tăng mạnh.

Chính vì vậy, để có thể phát triển vật liệu nano thì cần kiểm soát được mức độ tương tác bề mặt này. Ngoài các chất độn thông thường hiện nay như silica, carbon đen,… thì nanocellulose là một nguyên liệu khá lý tưởng để tổng hợp nanocomposite. Nanocellulose có các tính chất chung của nano như đồ bền kéo cao, modul đàn hồi cao và diện tích bề mặt riêng lớn, hơn nữa nanocellulose còn có khả năng tái tạo, tương thích sinh học cao, không độc do có nguồn gốc từ tự nhiên. Do diện tích bề mặt riêng rất lớn và năng lượng hấp phụ bề mặt cao, các hạt độn nano có xu hướng kết tụ với nhau tạo thành một tập hợp kích thước lớn hơn thông qua các liên kết vật lý, ví dụ như liên kết hydro.

Để ngăn chặn hiện tượng này, đồng thời tăng cường khả năng tương tác giữa chất độn và chất nền, các hạt độn thường được biên tính bề mặt, hoặc biến đổi cấu tạo vật liệu nền, hoặc lựa chọn sử dụng các phương pháp tổng hợp phù hợp [3]. Tổng quan về nanocellulose 1. Giới thiệu nanocellulose Cellulose là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ các liên kết các mắt xích β-D-Glucose, có công thức cấu tạo là (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n trong đó n có thể nằm trong khoảng 5.000, là thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật.2) 4 Trong thời gian gần đây, nanocellulose thu hút được nhiều sự chú ý trong cả lĩnh vực nghiên cứu và công nghiệp do các đặc tính cơ học tốt, diện tích bề mặt cao, giàu nhóm hydroxyl để biến tính và các đặc tính tự nhiên 100% thân thiện với môi trường. Nanocellulose là chất xơ tự nhiên có thể được chiết xuất từ cellulose, kích thước đường kính dưới 100 nm, dài vài micromet.

Nanocellulose là một sợi nano phân hủy sinh học có trọng lượng nhẹ, mật độ thấp và đặc tính bền cực tốt, có độ cứng cao lên đến 220 GPa, có độ bền kéo cao lên đến 10 GPa. Công thức cấu tạo của cellulose Tinh thể nanocellulose (CNC) là một trong ba loại nanocellulose, thường được chiết xuất từ các sợi cellulose bằng cách thuỷ phân acid. CNC có hình dạng giống que ngắn hoặc hình râu với đường kính 2–20 nm và dài 100–500 nm.3 tóm tắt quá trình chế tạo CNC từ cellulose bằng cách thuỷ phân. Các phần vô định hình được thủy phân và loại bỏ bởi acid trong khi các phần kết tinh vẫn được duy trì, phần kết tinh chứa 100% thành phần hóa học cellulose [4].

Quy trình chế tạo CNC 1. Tổng quan về cao su thiên nhiên Cao su tự nhiên là nguyên liệu thô quan trọng để sản xuất nhiều sản phẩm trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ đồ dùng gia đình, dụng cụ y tế, đến vỏ lốp xe, lốp máy bay,… Cao su tự nhiên có cấu trúc là một polymer mạch thẳng, được cấu tạo từ các mắc xích là isoprene. Vì vậy, cao su tự nhiên còn có thể gọi là polyisoprene. Cao su tự nhiên gần 5 như được cấu tạo hoàn toàn từ cis-1,4 polyisoprene (hình 1.

Các phân tử polymer rất dài, gây ra sự vướng víu giữa các phân tử. Nhưng khi có lực tác động vào, các phân tử polymer này có xu hướng gỡ rối và thẳng ra, trượt lên nhau. Khi ngừng tác động, lực được giải phóng, khối lượng phân tử polymer có thể không như ban đầu, các chuỗi polymer cũng có thể bị đứt gãy, không khôi phục hoàn toàn. Với việc phát hiện ra quá trình lưu hoá, các liên kết như lưu huỳnh đã liên kết các chuỗi polymer lại với nhau, tạo thành mạng không gian ba chiều, cải thiện tính chất của cao su tự nhiên.

Chúng trở nên đàn hồi hơn, bền hơn nhờ vào các liên kết lưu huỳnh giữa các chuỗi cao su [5].