Nghiên cứu nâng cao độ bền mài mòn cho vật liệu cao su thiên nhiên bằng nanosilica

Trường ĐH sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp đại học CSTN là polyisopren mà các đại phân tử của nó được tạo thành từ các mắt xích cấu tạo dạng đồng phân cis liên kết với nhau ở vị trí 1,4 (chiếm khoảng 98%). H3C H C C CH2 H3C CH2 CH2 CH2 C C C CH2 C CH3 H CH2 H Ngoài ra còn có khoảng 2% các mắt xích liên kết với nhau tạo thành mạch địa phân tử ở vị trí 1,2 hoặc 3,4 [2]. Khối lượng phân tử trung bình của CSTN khoảng 1,3.106. Mức độ dao động khối lượng phân tử của CSTN từ 105 - 2.106. Tính năng cơ lý, kỹ thuật của CSTN phụ thuộc nhiều vào cấu tạo hóa học cũng như khối lượng phân tử của nó. 1.1.2.3. Tính chất của CSTN  T ính chất vật lý Ở nhiệt độ thấp, CSTN có cấu trúc tinh thể, vận tốc kết tinh lớn nhất đã được xác định ở 25oC. CSTN kết tinh có biểu hiện rõ ràng trên bề mặt: độ cứng tăng, bề mặt vật liệu mờ (không trong suốt).Nhiệt độ nóng chảy khoảng 40oC. Tại 20 - 30oC, CSTN ở dạng crếp có đại lượng biến dạng dãn dài là 70%. Hỗn hợp cao su đã được lưu hóa kết tinh ở đại lượng biến dạng dãn dài 200%. Dưới đây là một số tính chất vật lý của CSTN. - Khối lượng riêng 913kg/m3 - Nhiệt độ hóa thủy tinh -70oC - Hệ số dãn nở thể tích 656.10-4 dm3/oC - Nhiệt dẫn riêng 0,14 W/m.oK - Nhiệt dung riêng 1,88 kJ/kg.oK Lê Thị Ngọc Quỳnh 6 K35C - Hóa Trường ĐH sư phạm Hà Nội 2 - Nửa chu kì kết tinh ở -25oC - Thẩm thấu điện môi ở tần số Khóa luận tốt nghiệp đại học 2 - 4 giờ dao động 1000Hz/giây 2,4 - 2,7 - Tang của góc tổn thất điện môi 1,6.10-3 - Điện trở riêng + Crếp trắng 5.1012 Ωm + Crếp hong khói 3.1012 Ωm Ở 25oC, vận tốc truyền âm trong CSTN là 37m/giây. Khi nhiệt độ tăng, tốc độ này giảm. Do đặc điểm cấu tạo, CSTN tan tốt trong nhiều loại dung môi hữu cơ mạch thẳng, mạch vòng, tetraclorua cacbon, sunfua cacbon nhưng không tan trong rượu, xeton. Khi cho các chất này vào trong dung dịch cao su thường làm xuất hiện kết tủa cao su [2].  T ính chất hóa học Do cấu tạo hóa học của CSTN là một hydrocacbon không no nên nó có khả năng cộng hợp với các chất khác (tuy nhiên, do khối lượng phân tử lớn nên phản ứng này không đơn giản như ở các hợp chất thấp phân tử). Mặt khác, trong phân tử nó có nhóm α-metylen có khả năng phản ứng cao nên có thể thực hiện các phản ứng thế, phản ứng đồng phân hóa, vòng hóa,… - Phản ứng cộng: do có liên kết đôi trong mạch đại phân tử, trong những điều kiện nhất định, CSTN có thể cộng hợp với hydro tạo sản phẩm hydrocacbon no dạng parafin, cộng halogen, cộng hợp với oxy, nitơ,… - Phản ứng đồng phân hóa, vòng hóa: do tác dụng của nhiệt, điện trường, hay một số tác nhân hóa học như H2SO4, phenol,… CSTN có thể thực hiện phản ứng tạo hợp chất vòng. - Phản ứng phân hủy : dưới tác dụng của nhiệt, tia tử ngoại hoặc của oxy, CSTN có thể bị đứt mạch, khâu mạch, tạo liên kết peroxit, cacbonyl,… Lê Thị Ngọc Quỳnh 7 K35C - Hóa Trường ĐH sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp đại học  T ính chất cơ lý CSTN có khả năng lưu hóa bằng lưu huỳnh phối hợp với các loại xúc tiến lưu hóa thông dụng. Tính chất cơ lý của CSTN được xác định theo tính chất của cao su lưu hóa tiêu chuẩn. Bảng 2: Thành phần tiêu chuẩn để xác định các tính chất cơ lý của CSTN STT Thành phần Hàm lượng (pkl) 1 CSTN 100 2 Lưu huỳnh 3,0 3 Mercaptobenzothiazol 0,7 4 ZnO 5,0 5 Axit stearic 0,5 Hỗn hợp cao su lưu hóa ở nhiệt độ 143 2oC trong thời gian lưu hóa tối ưu là 20-30 phút. Các tính chất cơ lý đạt được : - Độ bèn kéo đứt (Mpa) 23 - Độ dãn dài tương đối (%) 700 - Độ dãn dư (%) 12 - Độ cứng tương đối (Shore A) 6 Hợp phần CSTN với các chất độn hoạt tính có tính đàn hồi cao, chịu lạnh tốt, chịu tác dụng động lực tốt,… Một đặc tính quan trọng của CSTN là không độc, đây cũng là ưu điểm nổi trội của loại vật liệu này so với nhiều loại cao su tổng hợp khác. Lê Thị Ngọc Quỳnh 8 K35C - Hóa Trường ĐH sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp đại học  T ính chất công nghệ Ở nhiệt độ thường (khoảng 25 - 30oC), CSTN chuyển dần sang trạng thái tinh thể. Độ nhớt của CSTN khoảng 40%. Do sự kết tinh này, tính mềm dẻo của CSTN giảm. Độ nhớt Mooney (ML - một chỉ số quan trọng trong gia công cao su) của CSTN ở 100oC dao động từ 45 - 72 tùy loại chất lượng. Chỉ số này được xác định theo các tiêu chuẩn tương ứng là TCVN 6090:2004 (ISO 289 - 1:1994). Chỉ số duy trì độ dẻo (PRI) của CSTN thay đổi không nhiều theo mức chất lượng, thường từ 40 đến 60. Chỉ số này được xác định theo các tiêu chuẩn TCVN 6092 - 1:2004 (ISO 2930:1995). Do đặc điểm cấu tạo, CSTN có thể phối trộn tốt với nhiều loại cao su như cao su isopren, cao su butadien, cao su butyl,… hoặc một số loại nhựa nhiệt dẻo không phân cực như polyetylen, polypropylen, …trong máy luyện kín hay máy luyện hở tùy loại cao su hay nhựa. Mặt khác, CSTN có khả năng phối trộn với các loại chất độn cũng như các phụ gia sử dụng trong công nghệ cao su cả trong máy luyện kín hay luyện hở [2, 3]. 1.1.3. Quá trình chế biến và khả năng ứng dụng của CSTN  Q uá trình chế biến: - C STN được sản xuất từ latex chủ yếu bằng hai phương pháp: + Keo tụ mủ cao su, rửa thành phần keo tụ rồi sấy đến độ ẩm cần thiết. + Cho bay hơi nước ra khỏi mủ cao su [2]. Trên thị trường quốc tế, CSTN được trao đổi ở hai dạng chính: Crếp hong khói và crếp trắng. Lê Thị Ngọc Quỳnh 9 K35C - Hóa Trường ĐH sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp đại học - C rếp hong khói được sản xuất từ mủ cao su bằng phương pháp keo tụ theo dây truyền khép kín, mô tả sơ đồ sau: Lọc Keo tụ Pha loãng KCS + Sấy hong Đóng kiện khói Ngâm nước Cán ép nước Cán rãnh - C rếp trắng được sản xuất gồm các công đoạn tương tự như đối với crếp hong khói, tuy nhiên có khác ở một số công đoạn: + Trước khi keo tụ latex cho vào dung dịch NaHSO3 1% (1/10), keo tụ một phần latex do quá trình: 2NaHSO3 → Na2SO3 + H2SO3 Axit H2SO3 kém bền, phân hủy thành SO2 có tác dụng tẩy trắng mủ cao ssu trước khi keo tụ: H2SO3 → H2O + SO2 Sau đó tiếp tục cho vào dung dịch axit axetic 1% để tiến hành keo tụ mủ cao su. + Với phần cao su keo tụ qua sang nhiều tầng, rồi cho qua cán rửa cao su trên máy 2 trục gồm 3 máy kế tiếp nhau. Trong công đoạn này dung nước mềm để rửa các chất tan trong nước, các vết muối và axit còn lại trên cao su keo tụ. + Sau khi sản xuất tấm dày khoảng 6mm, đem treo trên giá và chuyển vào lò sấy khô ở nhiệt độ 350 – 400oC trong khoảng thời gian từ 2 đến 3 tuần [2]. Lê Thị Ngọc Quỳnh 10 K35C - Hóa Trường ĐH sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp đại học  K hả năng ứng dụng của CSTN: CSTN có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đời sống, kinh tế và kỹ thuật. Trong đời sống, CSTN có thể sử dụng làm các loại đế giày, dép, nệm cao su xốp,… Trong kỹ thuật, CSTN có thể được sử dụng chế tạo các sản phẩm cao su kỹ thuật có yêu cầu tính năng cơ học cao, làm việc trong môi trường ôn hòa, không bị tác động trực tiếp bởi các hóa chất, xăng, dầu, ozon. Mặt khác, do ưu điểm nổi bật của CSTN là không độc, do vậy có thể sử dụng chế tạo các chi tiết, dụng cụ dùng trong y, dược và công nghiệp thực phẩm. Theo số liệu thống kê, tỷ lệ ứng dụng CSTN trong các lĩnh vực như sau [4]: Săm lốp xe cộ: 68% Y tế (ống truyền, găng tay,…): Giầy, dép: 5% Vải cao su, vỏ bọc,… 5,9% Keo dán: 3,2% Cao su kỹ thuật : 5,8% Cao su xốp (nệm, gối,…): 2,0% 2,1% 1.1.4. Tình hình sản xuất và chế biến CSTN  T ình hình sản xuất và chế biến CSTN trên thế giới Cây cao su được trồng phần lớn ở các nước nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới bao gồm : các nước ở châu Mỹ, châu Phi và chủ yếu ở vùng Đông Nam Á. Khu vực này chiếm từ 80% - 90% tổng sản lượng CSTN trên thế giới. Những năm gần đây thị trường cao su có biến động do khủng hoảng về kinh tế nhưng dự báo đây vẫn là một ngành công nghiệp đầy tiềm năng. Thị trường cao su thế giới năm 2012 tiếp tục dư cung. Năm 2012, tổng sản lượng cao su thiên nhiên thế giới đạt 11,4 triệu tấn tăng 3,97% so với năm 2011. Tuy nhiên, tiêu thụ cao su thiên nhiên toàn cầu năm Lê Thị Ngọc Quỳnh 11 K35C - Hóa