Tổng Quan: Tổng Quan Về Những Kiến Thức Và Tài Liệu Nghiên Cứu Liên Quan Đến

Bảng 3.17. Tính chất nhiệt của vật liệu từ CSTN, BR và một số blend CSTN/BR 84

Bảng 3.18. Khảo sát sự gia tăng nhiệt độ trên bề mặt mẫu vật liệu trong quá trình thử nghiệm mài mòn trên bề mặt mẫu quay tròn của các mẫu vật liệu [oC] 85

Bảng 3.19. Kết quả khảo sát độ dẫn nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau của một số vật liệu [W/m.oK] 86

Bảng 3.20. Hàm lượng EPDM ảnh hưởng tới tính chất cơ lý của vật liệu 89

Bảng 3.21. Hàm lượng NSTESPT gia cường ảnh hưởng tới tính chất cơ học của vật liệu trên cơ sở blend CSTN/EPDM 90

Bảng 3.22. Hàm lượng than đen phối hợp NSTESPT ảnh hưởng tới tính chất cơ học của vật liệu cao su blend CSTN/EPDM 92

Bảng 3.23. Hàm lượng bari sulfat thay thế than đen ảnh hưởng tới tính chất cơ học của vật liệu CSTN/EPDM/NSTESPT/CB/BS 94

Bảng 3.24. Sự thay đổi tính chất kéo của vật liệu CSTN/EPDM/NSTESPT/CB/BS sau khi ngâm trong dung dịch kiềm 72 giờ ở nhiệt độ 27±2 oC 95

Bảng 3.25. Sự thay đổi độ cứng và khối lượng của vật liệu CSTN/EPDM/NSTESPT/CB/BS sau khi ngâm trong dung dịch kiềm 72 giờ ở nhiệt độ 27±2 oC 95

Bảng 3.26. Tính chất nhiệt của một số mẫu vật liệu tiêu biểu 99

Bảng 3.27. Thời gian lưu hóa ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật liệu xốp được tạo thành 108

Bảng 3.28. Một số phụ gia gia cường ảnh hưởng tới tính chất cơ học của vật liệu cao su xốp tạo thành 109

Bảng 3.29. Tính chất cơ học của vật liệu cao su xốp trên cơ sở CSTN được gia cường nanosilica phối hợp với than đen 110

MỞ ĐẦU

Trong những năm qua, với nhiều chính sách phù hợp của Đảng và Nhà nước về phát triển nền kinh tế, từ năm 2013, Việt Nam đã đứng thứ 3 trên thế giới nước về sản xuất và xuất khẩu cao su thiên nhiên (CSTN), chiếm tới 8,1% tổng sản lượng cao su thế giới. Mặc dù vậy, hàng năm Việt Nam vẫn phải nhập các sản phẩm cao su kỹ thuật với giá rất cao để đáp ứng nhu cầu cho phát triển kinh tế - xã hội.

Cao su là một trong những vật liệu không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày cũng như trong lĩnh vực kỹ thuật. Với sự phát triển của kinh tế, kỹ thuật đòi hỏi các tính năng cơ lý và kỹ thuật của vật liệu cao su ngày càng cao, bền hơn về các tính năng cơ lý, bền nhiệt độ cao, bền môi trường,… Chính vì vậy, bên cạnh việc chế tạo các loại CSTH (cao su tổng hợp), việc chế tạo và ứng dụng các loại cao su blend là hướng đi có hiệu quả cao hơn cả về kinh tế, kỹ thuật.

Như được biết, hầu hết trong chế tạo vật liệu cao su, vẫn luôn cần đến việc sử dụng các phụ gia để gia cường. Phụ gia thường được sử dụng để nâng cao tính năng cơ lý, kỹ thuật cho vật liệu cao su, cũng như giảm giá thành cho sản phẩm và đáp ứng các mục đích sử dụng cuối cùng. Nhiều loại phụ gia vẫn thường được sử dụng trong công nghiệp cao su đó là khoáng sét (clay), silica, than đen,... Trong chế tạo cao su compozit, các loại phụ gia này phần lớn thường ở kích thước micro. Tuy nhiên, khác hẳn với vật liệu cao su compozit, vật liệu cao su nanocompozit được gia cường bằng các phụ gia kích thước nanomet. Khi so với cao su compozit, cao su nanocompozit sẽ có độ cứng, các tính chất cơ học và một số tính chất chống lão hóa, tính chống thấm khí tốt hơn hẳn. Qua đó cho thấy, phụ gia nano là rất phù hợp cho gia cường cao su để có thể tạo ra các vật liệu cao su có nhiều tính năng độc đáo, đáp ứng cho nhiều ứng dụng. Đây là hướng nghiên cứu đã và đang được triển khai mạnh mẽ cả trong và ngoài nước trong suốt những năm qua.

Trong lĩnh vực sản xuất săm lốp xe (ô tô, xe đạp và xe máy), đặc biệt là lốp ô tô - một lĩnh vực tiêu thụ phần lớn CSTN trong nước, song do chất lượng còn hạn chế, đặc biệt khả năng chống mài mòn kém, thoát nhiệt, giảm nhiệt nội sinh và bền môi trường kém, mặt lốp hay bị rạn nứt, giá thành còn cao, do vậy sức cạnh tranh thấp - ngay cả ở thị trường trong nước, vì vậy mà các sản phẩm lốp ô tô của các hãng nước ngoài vẫn chiếm ưu thế. Bên cạnh đó, các loại sản phẩm cao su kỹ thuật

khác như các loại cao su làm băng tải chịu nhiệt, bền trong môi trường kiềm ứng dụng trong các ngành công nghiệp vẫn còn rất thiếu và phải nhập ngoại.

Chính vì lý do đó, việc nghiên cứu biến tính, nâng cao tính năng cơ lý, kỹ thuật và đặc biệt là độ bền mài mòn, chịu nhiệt, thoát nhiệt nhanh, giảm nhiệt nội sinh, khả năng bền thời tiết và bền trong môi trường kiềm,… cho CSTN và các blend của nó bằng các phụ gia nano để sản xuất các sản phẩm cao su kỹ thuật là vô cùng cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, góp phần thúc đẩy ngành sản xuất các sản phẩm cao su kỹ thuật. Thông qua đó, đóng góp vào các lĩnh vực kinh tế liên quan nâng cao khả năng tự chủ, tăng hiệu quả sản xuất kinh doanh. Góp phần vào sự nghiệp phát triển kinh tế, xã hội của đất nước. Xuất phát từ tình hình thực tiễn nêu trên, đề tài “Nghiên cứu phối hợp phụ gia nano để nâng cao tính năng cơ lý, kỹ thuật cho vật liệu cao su thiên nhiên và một số blend của nó” đã được chúng tôi lựa chọn để thực hiện cho nội dung luận án nghiên cứu sinh của mình.

Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định được hàm lượng thích hợp của một số phụ gia nano để nâng cao tính năng cơ lý, kỹ thuật cho vật liệu trên cơ sở CSTN và một số blend cao su thiên nhiên/cao su butadien (CSTN/BR), cao su thiên nhiên/cao su etylen propylen dien monome (CSTN/EPDM).

- Chế tạo ra được vật liệu nanocompozit trên cơ sở CSTN và một số blend CSTN/BR, CSTN/EPDM có tính năng cơ lý, kỹ thuật cao như bền mài mòn, chịu nhiệt, bền trong môi trường kiềm, thoát nhiệt nhanh và giảm nhiệt nội sinh. Vật liệu có khả năng ứng dụng làm mặt lốp ô tô, băng tải chịu nhiệt, bền kiềm.

- Chế tạo vật liệu cao su xốp trên cơ sở CSTN có nhiều tính năng ưu việt để có thể ứng dụng trong làm lốp xe không bơm hơi, vật liệu cách điện, cách nhiệt…

Nội dung nghiên cứu

Thực hiện được các mục tiêu trên, nội dung nghiên cứu trong luận án bao gồm như sau:

- Nghiên cứu biến tính một số phụ gia nano (CNT, nanosilica)

- Nghiên cứu nâng cao tính năng cơ lý, kỹ thuật cho cao su thiên nhiên bằng cách phối hợp nanosilica với than đen

- Nghiên cứu nâng cao tính năng cơ lý, kỹ thuật cho blend CSTN/BR bằng cách phối hợp nanosilica, than đen và các phụ gia khác

- Nghiên cứu chế tạo, tính chất vật liệu cao su chịu nhiệt bền kiềm trên cơ sở blend CSTN/EPDM

- Nghiên cứu sử dụng phụ gia nano để nâng cao tính chất cơ lý cho vật liệu cao su xốp trên cơ sở cao su thiên nhiên

Bố cục của luận án

Luận án bao gồm: Phần mở đầu, Ba chương nội dung chính, Kết luận, Các đóng góp mới của luận án, Danh mục tài liệu tham khảo và Phụ lục.

Phần mở đầu: Nêu tính cấp thiết của đề tài luận án, khái quát chung về các mục đích và nội dung nghiên cứu.

Chương 1. Tổng quan: Tổng quan về những kiến thức và tài liệu nghiên cứu liên quan đến các đối tượng nghiên cứu của luận án.

Chương 2. Vật liệu và Phương pháp nghiên cứu: Trình bày khái quát các vật liệu, phương pháp thực hiện để thu được kết quả nghiên cứu.

Chương 3. Kết quả và thảo luận: Trình bày những kết quả nghiên cứu và những luận giải về các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu, thực hiện nội dung luận án.

Kết luận. Đánh giá về những kết quả nghiên cứu chính đã đạt được

Các đóng góp mới của luận án.

Tài liệu tham khảo. Là các tài liệu đã sử dụng để tham khảo trong quá trình thực hiện luận án

Phụ lục. Các kết quả thu được khác đã không được nêu trong Chương 3 của luận án.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu chung về vật liệu cao su, cao su blend, cao su nanocompozit

Cao su là một từ phổ thông và khá dễ hiểu để chỉ vật liệu có tính đàn hồi. Dựa theo đặc tính này của cao su, trong các từ điển người ta định nghĩa: cao su là một loại vật liệu sau khi bị kéo căng do tác dụng của ngoại lực, có khả năng nhanh chóng trở về trạng thái ban đầu. Theo định nghĩa này, cao su bao hàm tất cả các loại vật liệu có tính đàn hồi gồm một số nhựa tự nhiên khác và một số polyme tổng hợp như polyme của styren butadien, nitril butadien,… Trong tiếng Đức cũng như trong tiếng Pháp có hai từ riêng biệt là cao su chưa được lưu hoá (Kautschuk) và cao su đã được lưu hoá (Gummie) mới là chất đàn hồi [1]. Song trong công nghiệp cũng như trong thực tế, người ta vẫn dùng chung từ cao su cho cả vật liệu thô ban đầu cũng như cao su đã lưu hoá. Như vậy, điều này không hoàn toàn nhất quán với định nghĩa về cao su trong các từ điển cũng như trong tiêu chuẩn của Mỹ.

1.1.1. Cao su thiên nhiên

Cao su thiên nhiên (CSTN) là một loại polyme thiên nhiên với thành phần hóa học là polyisopren, được trích ly từ nhựa cây cao su (Hevea brasiliensis), một loại cây được trồng ở các vùng cận nhiệt đới và nhiệt đới. Vì vậy, người ta cũng có thể định nghĩa “Polyisopren được trích ly từ cây Hevea brasiliensis được gọi là cao su thiên nhiên”. Ngoài cây Hevea brasiliensis, polyisopren còn được tìm thấy trong nhựa một số cây Asclepias spp. và cây Taraxacum spp.,... Cây Hevea brasiliensis có nguồn gốc phát triển trong các khu rừng nhiệt đới của Brazil, ngày nay chúng đã phát triển rộng rãi ở nhiều vùng nhiệt đới, đặc biệt là các vùng Đông Nam Châu Á và một số nước ở Mỹ Latinh và Châu Phi…[1]. Thành phần chủ yếu của CSTN được tách ra từ cây Hevea brasiliensis là cis-1,4-polyisopren (hình 1.1) và khoảng 6% là thành phần không phải là cao su, chủ yếu là protein [2, 3].

Hình 1.1. Công thức phân tử của CSTN [2, 3]

CSTN có cấu trúc tinh thể khi ở nhiệt độ thấp, kết tinh với tốc độ nhanh nhất ở -25℃, CSTN tan tốt trong các loại dung môi như CCl4, dung môi hữu cơ dạng mạch vòng và mạch thẳng. CSTN tinh thể nóng chảy ở 40℃. Các đặc trưng về tính chất vật lý, cơ học của CSTN được đưa ra trong bảng 1.1 dưới đây:

Bảng 1.1. Các đặc trưng về tính chất vật lý, cơ học của CSTN [3, 4]

CSTN có đặc tính nổi bật và cũng là ưu điểm lớn nhất đó là độ đàn hồi cao, chịu được tác động cơ học, chịu lạnh tốt. Do vậy CSTN được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt do bản chất CSTN không và ít độc tính nên thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm và y học. Ngoài ra, CSTN có khả năng tự phân hủy, tỷ lệ tái chế cao và đây cũng là yếu tố quan trọng có thể giúp giảm lượng rác thải gây ô nhiễm môi trường, góp phần không nhỏ vào bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, những nhược điểm như kém bền dầu mỡ và dung môi, dễ bị lão hóa nhiệt, lão hóa do thời tiết và chịu tia UV (tia cực tím) kém đã hạn chế các ứng dụng của CSTN.

1.1.2. Cao su tổng hợp

Cao su tổng hợp (CSTH) là chất đàn hồi được chế tạo từ than đá hoặc dầu mỏ có những tính năng cơ lý và đặc trưng nổi trội như: bền trong môi trường và thời tiết, bền dầu mỡ,… (tùy từng loại). Chính vì vậy, người ta đã gần như thay thế CSTN bằng CSTH trong rất nhiều ứng dụng bởi các ưu điểm của chúng. Một số CSTH thông dụng như: Cao su butadien, Cao su butyl, Cao su cloropren, Cao su fluor, Cao su isopren, Cao su nitril butadien, Cao su silicon, Cao su styren butadien, Cao su nhiệt dẻo…

1.1.2.1. Cao su butadien

Cao su butadien (BR) hay polybutadien được cấu tạo thành từ But-1,3-dien, loại dien liên hợp (Hình 1.2) [1].