Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su compozit trên cơ sở cao su thiên nhiên, cao s...

Tài liệu Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su compozit trên cơ sở cao su thiên nhiên, cao su butadien với than và nanosilica

.PDF
52
309
148

Mô tả:

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HOÁ HỌC ---------- BÙI THỊ HỒNG ĐÀO NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CAO SU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ CAO SU THIÊN NHIÊN, CAO SU BUTADIEN VỚI THAN VÀ NANOSILICA KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hoá Công nghệ - Môi trƣờng HÀ NỘI – 2016 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HOÁ HỌC ---------- BÙI THỊ HỒNG ĐÀO NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CAO SU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ CAO SU THIÊN NHIÊN, CAO SU BUTADIEN VỚI THAN VÀ NANOSILICA KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hoá Công nghệ - Môi trƣờng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học PGS. TS. Đỗ Quang Kháng HÀ NỘI – 2016 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành của mình tới PGS.TS. Đỗ Quang Kháng, Viện Hóa học – Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành khóa luận. Em xin cảm ơn TS. Đỗ Trung Sỹ, ThS. Lƣu Đức Hùng cùng các anh chị phòng Công nghệ Vật liệu và Môi trƣờng đã giúp đỡ, chỉ bảo và tạo điều kiện cho em trong thời gian qua. Nhân dịp này em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo là giảng viên khoa Hóa học- trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 đã tận tình chỉ dạy, trang bị cho em những kiến thức chuyên môn cần thiết trong quá trình học tập tại trƣờng. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, ngƣời thân, bạn bè động viên khuyến khích em hoàn thành tốt khóa luận này. Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp dù cố gắng nhƣng em không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy, em kính mong nhận đƣợc sự chỉ bảo của các thầy cô và ý kiến đóng góp của các bạn sinh viên quan tâm. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 16 tháng 5 năm 2016 Sinh viên Bùi Thị Hồng Đào DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT ABS Acrylonitrile butadiene styrene BR Cao su butadien CTAB Cetyl trimetylamoni bromit CNT Ống nano cacbon CSTN Cao su thiên nhiên DTAB Detyl trimetylamoni bromit GPE Gylcydyl phenylete HNBR Cao su nitril butadien HNT Ống nano halloysit MPTS Silan 3-metacryloxypropyltrimetoxyl SBR Styren butadien SWCNT Nano cacbon đơn tƣờng FESEM Kính hiển vi điện tử quét trƣờng phát xạ ISO Tiêu chuẩn quốc tế MWSCT Nano cacbon đa tƣờng PBT Polybutylen terephtalat PE Polyetylen PP Polypropylen TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TESPT Bis-(3-trietoxysilylpropyl) tetrasulphit TGA Phân tích nhiệt trọng lƣợng TDI Toluen-2,4-đi-iso-cyanat DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần hóa học của cao su thiên nhiên sản xuất bằng các phƣơng pháp khác nhau................................................................................................. 9 Bảng 2.1: Thành phần nanosilica và phụ gia trong mẫu CSTN .............................. 27 Bảng 3.1: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới tính chất cơ học của vật liệu cao su blend CSTN/BR ........................................................................................ 31 Bảng 3.2: Ảnh hƣởng của quá trình biến tính D01 tới tính chất cơ học của vật liệu cao su compozit trên cơ sở CSTN/BR gia cƣờng phụ gia nanosilica .............. 35 Bảng 3.3: Tính chất nhiệt của CSTN, BR và một số vật liệu trên cơ sở blend CSTN/BR...................................................................................................................... 36 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc hình cầu của silica .................................................................................3 Hình 1.2: Các dạng nhóm silanol trên bề mặt silica ...........................................................4 Hình 1.3 cấu trúc dạng tập hợp của silica ............................................................................4 Hình 1.4: Mô hình nanocacbon đơn tƣờng (SWCNT) và đa tƣờng (MWCNT) .............6 Hình 1.5: Cấu tạo mạch cao su thiên nhiên .........................................................................8 Hình 1.6: Phân tử 1,3 - butadien ........................................................................................ 10 Hình 1.7: Sơ đồ hình thái và phân loại vật liệu polyme blend........................................ 13 Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý chung để chế tạo vật liệu polyme nanocompozit ............... 23 Hình 2.1. Hình dạng mẫu kéo ............................................................................................ 28 Hình 3.1: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới độ bền kéo khi đứt của vật liệu CSTN/BR............................................................................................................................. 32 Hình 3.2: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới độ dãn dài khi đứt của vật liệu CSTN/BR............................................................................................................................. 32 Hình 3.3: Ảnh hƣởng của nanosilica tới độ dãn dƣ của vật liệu CSTN/BR ................. 33 Hình 3.4: Ảnh hƣởng của nanosilica tới độ mài mòn của vật liệu CSTN/BR .............. 33 Hình 3.5: Ảnh hƣởng của nanosilica tới độ cứng của vật liệu CSTN/BR..................... 34 Hình 3.6: Ảnh FESEM bề mặt cắt mẫu vật liệu CSTN/BR/2%nanosilica/1%CNT.... 38 Hình 3.7: Ảnh FESEM bề mặt cắt mẫu vật liệu CSTN/BR/20%nanosilica/2%D01... 38 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .............................................................................. 3 1.1. Vài nét về chất gia cƣờng kích thƣớc nano ................................................. 3 1.1.1. Giới thiệu về silica và nanosilica ............................................................. 3 1.1.2. Giới thiệu về ống nano cacbon................................................................. 5 1.2. Vật liệu cao su và cao su blend ................................................................... 7 1.2.1. Cao su thiên nhiên .................................................................................... 7 1.2.2. Cao su butadien (Butadien Rubber BR) ................................................. 10 1.2.3. Cao su blend ........................................................................................... 13 1.3. Vật liệu nanocompozit và cao su nanocompozit gia cƣờng nanosilica .... 15 1.3.1. Vật liệu polyme nanocompozit .............................................................. 15 1.3.2 Vật liệu polyme silica nanocompozit ...................................................... 17 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nanocompozit ............ 18 1.4.1. Các phƣơng pháp biến tính silica ........................................................... 18 1.4.1.1 Biến tính bằng phƣơng pháp vật lý ...................................................... 18 1.4.1.2. Biến tính bằng phƣơng pháp hóa học ................................................. 19 1.4.2. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu polyme nanocompozit ............................ 21 1.4.2.1. Phƣơng pháp trộn hợp ......................................................................... 21 1.4.2.2. Phƣơng pháp sol-gel............................................................................ 22 1.4.2.3. Phƣơng pháp trùng hợp in-situ............................................................ 23 1.5. Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nanocompozit .................. 24 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ....................................................................... 26 2.1. Vật liệu nghiên cứu ................................................................................... 26 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................... 26 2.3. Phƣơng pháp xác định một số tính chất của cao su .................................. 27 2.3.1. Tính chất cơ học ..................................................................................... 27 2.3.2. Phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng TGA ............................................. 30 2.3.3. Phƣơng pháp xác định cấu trúc hình thái của vật liệu ........................... 30 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 31 3.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới tính chất cơ học của vật liệu ... 31 3.2. Ảnh hƣởng của quá trình biến tính bằng phụ gia D01 tới tính chất cơ học của vật liệu ....................................................................................................... 35 3.3. Ảnh hƣởng của quá trình biến tính tới tính chất nhiệt của vật liệu........... 36 3.4. Cấu trúc hình thái của vật liệu .................................................................. 37 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 41 Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp MỞ ĐẦU Ngày nay sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp hiện đại đã dẫn đến các nhu cầu to lớn về sử dụng các vật liệu mới có tính chất đặc biệt mà các vật liệu truyền thống (kim loại, gốm…) đứng riêng rẽ không đáp ứng đƣợc. Nhiều vật liệu mới ra đời, đáp ứng nhu cầu của con ngƣời. Trong đó có vật liệu polyme nanocompozit ra đời từ vài chục năm gần đây đã đáp ứng đƣợc yêu cầu đó . Vật liệu polyme nanocompozit là một vật liệu mới kết hợp đƣợc ƣu điểm của vật liệu vô cơ (độ cứng, độ bền nhiệt…) và ƣu điểm của polyme hữu cơ (nhƣ linh động, mềm dẻo, là chất điện môi và dễ gia công…). Hơn nữa, chúng còn có những tính chất đặc biệt của chất độn nano dẫn tới gia tăng mạnh mẽ diện tích bề mặt chung khi so với các compozit truyền thống. Vật liệu nền sử dụng trong chế tạo polyme nannocompozit là trên cơ sở blend CSTN/BR đây là nguồn nguyên liệu rất dồi dào giá thành rẻ và thân thiện môi trƣờng. Vật liệu polyme nanocompozit đƣợc gia cƣờng bằng các chất độn cỡ nanomet (kích thƣớc của chúng có một trong 3 chiều dƣới 100 nm), chúng đƣợc chế tạo bằng các kĩ thuật khác nhau, nhƣ trộn hợp ở trạng thái nóng chảy, trộn dung dịch, trộn ở trạng thái latex tiếp nối bằng phƣơng pháp cùng đông tụ và polyme hóa xung quanh các hạt chất độn. So với cao su gia cƣờng bằng chất độn micro, cao su gia cƣờng bằng chất độn cở nano có độ cứng, modul và các tính chất chống lão hóa cũng nhƣ chống thấm khí tốt hơn. Nhƣ vậy chất độn nano rất phù hợp cho gia cƣờng cao su để tạo các sản phẩm ứng dụng cuối cùng từ cao su [18]. Nhƣ vậy, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu polyme nanocompozit là rất cần thiết vì nó không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn giá trị thực tế cao. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su compozit trên cơ sở cao su thiên nhiên, cao su butadien với than và nanosilica” làm đề tài nghiên cứu. Bùi Thị Hồng Đào 1 K3 B – Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Chế tạo ra đƣợc vật liệu cao su nanocompozit có tính năng cơ lý, kỹ thuật phù hợp, đáp ứng yêu cầu ứng dụng cụ thể trong thực tế. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới tính chất cơ học của vật liệu CSTN/BR. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của CNT và CNT biến tính D01 tới tính chất cơ học của vật liệu CSTN/BR - Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét trƣờng phát xạ. - Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của vật liệu bằng phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng. Bùi Thị Hồng Đào 2 K3 B – Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Vài nét về chất gia cƣờng kích thƣớc nano 1.1.1. Giới thiệu về silica và nanosilica Silica là tên gọi thông thƣờng của silic đioxit có công thức phân tử SiO2. Khi ở kích thƣớc nanomet, silica đƣợc gọi là nanosilica. Hạt nanosilica là một trong những chất phụ gia phổ biến nhất hiện nay, đặc biệt trong lĩnh vực kĩ thuật vì nó có độ bền cơ học cao, bền nhiệt cao, bề mặt riêng lớn và có khả năng gia cƣờng cho nhiều loại vật liệu khác nhau. Hạt silica cơ bản có cấu trúc ba chiều, dạng cầu đƣợc mô tả trên hình 1.1. Hình 1.1: Cấu trúc hình cầu của silica Trên bề mặt silica có các nhóm silanol với ba loại silanol là: dạng cô lập (isolated), dạng kế cận (vicinal) và dạng song sinh (geminal) – tức là có hai nhóm silanol trên cùng một nguyên tử Si đƣợc mô tả trên hình 1.2. Các nhóm chức này phân bố ngẫu nhiên trên toàn bộ bề mặt silica. Ngƣợc với than đen, các nhóm chức chỉ phân bố trên các cạnh của tinh thể. Các nhóm silanol và siloxan trên bề mặt silica làm cho hạt silica có tính ƣa nƣớc. Các nhóm silanol nằm trên các hạt khác nhau tạo liên kết hidro với nhau dẫn sự hình thành cấu trúc tập hợp hạt liên hợp đƣợc mô tả trong hình 1.3 Bùi Thị Hồng Đào 3 K3 B – Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp H H H O O H O O O Si Si Si H H H Si Si H O Si O O Si Hình 1.2: Các dạng nhóm silanol trên Hình 1.3 cấu trúc dạng tập hợp của bề mặt silica silica Các liên kết này giữ các hạt silica với nhau nên tập hợp liên hợp vẫn tồn tại trong điều kiện khuấy trộn tốt nhất nếu nhƣ không có sự tƣơng tác mạnh giữa silica và nên polyme. Phần còn lại trên bề mặt silica cũng có khả năng phản ứng với các hợp chất hóa học khác nhau nhƣ axit stearic, polyancol và amin [1]. Khi dùng làm chất gia cƣờng cho cao su, kích thƣớc trung bình của các tập hợp hạt silica trong nền cao su phụ thuộc vào mật độ của nhóm silanol. Số lƣợng nhóm silanol lớn sẽ làm tăng kích thƣớc tập hợp hạt do đó làm tăng mật độ các nút mạng cao su. Các nhóm silanol còn lại không tham gia tạo hợp trên bề mặt silica cũng có khả năng tƣơng tác với các chất xúc tiến dẫn đến giảm tốc độ lƣu hóa và mật độ kết ngang. Chúng có thể phản ứng với các hợp chất hóa học khác nhƣ axit stearic, polyancol và amin. Những hợp chất này cạnh tranh nhau với tác nhân tƣơng hợp để hấp phụ lên bề mặt hạt độn làm giảm số nhóm silanol trên bề mặt silica [1]. Diện tích bề mặt có ảnh hƣởng trái ngƣợc đến tính chất của cao su: một mặt nó có tác tác dụng có hại trong quá trình chế tạo,ví dụ diện tích bề mặt lớn làm tăng độ nhớt và làm giảm khả năng hoạt động của phụ gia (các chất xúc tiến). Mặt khác diện tích bề mặt lớn có lợi tới sự phân tán của hạt độn [2]. Tính chất của các hạt silica với kích thước nano Bề mặt silica nhẵn có diện tích lớn, do đó khả năng tiếp xúc vật lý với polyme nền lớn. Silica có thể tồn tại ở nhiều dạng, mỗi dạng thể hiện tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Silica không thể hút nƣớc nếu bề mặt của nó có các nhóm siloxan (-Si-O-Si-), khả năng hút nƣớc của nó chỉ thể hiện khi bề Bùi Thị Hồng Đào 4 K3 B – Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp mặt có nhóm silanol (SiOH). Sự có mặt của hai nhóm này ảnh hƣởng đến tính chất của bề mặt silica và ứng dụng của nó. Silica kỵ nƣớc có thể đƣợc chuyển thành silica ƣa nƣớc bằng phản ứng hydroxyl hóa nhóm siloxan thành silanol. Phản ứng này có thể làm ngƣợc lại, silica ƣa nƣớc có thể chuyển thành silica kỵ nƣớc bằng phản ứng đề hydroxyl hóa hoặc đun nóng ở nhiệt độ > 3000oC. Bề mặt của silica trung bình có 5 - 6 nhóm silanol trên 1nm nên nó có tính ƣa nƣớc, các nhóm siloxan còn lại không tham gia phản ứng [11]. Cấu trúc của nanosilica là mạng 3 chiều. Do có nhóm silanol và siloxan trên bề mặt nên các hạt silica có khả năng hút nƣớc. Bề mặt silica đƣợc đặc trƣng bởi ba dạng silanol: silanol tự do, silanol liên kết hidro với nhóm bên cạnh và silanol ghép đôi. Các nhóm silica trên bề mặt các phần tử kề nhau tập hợp lại với nhau bằng liên kết hidro. Liên kết này giúp cho các phần tử silica tập hợp lại với nhau cả khi pha trộn mạnh dù không có phản ứng với polyme nền. Các nhóm silanol hoạt động trên bề mặt silica có nhiệm vụ kết tụ các phần tử lại với nhau. Chính tính ƣa nƣớc của nhóm silanol trên bề mặt silica là nhƣợc điểm làm hạn chế khả năng ứng dụng của silica, do đó cần biến tính silica. Sau khi biến tính, mức độ phân tán của nanosilica trong pha hữu cơ tăng lên, do đó độ bền của các sản phẩm polyme tăng lên đáng kể [11]. 1.1.2. Giới thiệu về ống nano cacbon Trong số các dạng ống nano, ống nano cacbon đƣợc sử dụng và chấp nhận rộng rãi nhất trong lĩnh vực nghiên cứu và công nghiệp polyme nói chung và cao su nói riêng. Ống nano cacbon là dạng thù hình của cacbon nằm trong họ cấu trúc fullerene (hợp chất C60). Nhƣ tên gọi chỉ rõ, ống nano có dạng hình trụ với ít nhất một đầu đƣợc phủ bằng cấu trúc hình bán cầu. Cấu trúc của ống nano cacbon đƣợc thể hiện trên hình 1.4 [13]. Bùi Thị Hồng Đào 5 K3 B – Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Hình 1.4: Mô hình nanocacbon đơn tường (SWCNT) và đa tường (MWCNT) Ống nano cacbon có đƣờng kính khoảng vài nanomet; tuy nhiên, chúng dài vài micro met tới cỡ milimet hoặc thậm chí vài centimet. Vì vậy, ống nano cacbon có tỷ lệ kích tƣớc theo hƣớng cao, tạo ra độ bền lớn cho polyme với lƣợng dùng thấp về phần trăm khối lƣợng. Tính chất tuyệt vời của ống nano cacbon là do bản chất liên kết của nó. Liên kết hóa học của ống nano cacbon đƣợc lai hóa sp2 nhƣ trong graphen, mạnh hơn so với sp 3 trong kim cƣơng. Ống nano cacbon đƣợc chia thành: (1) ống nano cacbon đơn tƣờng (singlewalled nanotube – SWNT) và (2) ống nano cacbon đa tƣờng (multi-walled nanotube – MWNT). Ống nano cacbon có thể đƣợc tổng hợp bằng những kỹ thuật khác nhau, nhƣ kỹ thuật phóng điện, bào mòn bằng laser, cacbon monooxit áp lực cao (HiPCO) và các kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học (chemical vapor deposition -CVD) có xúc tác [20]. Compozit gia cƣờng bằng ống nano cacbon nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực khoa học vật liệu nhằm phát triển các vật liệu vừa bền vừa nhẹ. Vấn đề chính trong lĩnh vực này là khó có thể đạt đƣợc sự phân tán đồng đều của ống nano vào nền polyme do sự kết tụ của các ống nano cacbon. Các nhà nghiên cứu đã áp dụng nhiều kỹ thuật khác nhau nhằm đạt đƣợc sự phân tán tối ƣu ống nano trong nền polyme, bao gồm: (1) trộn dung dịch [21], (2) dùng sóng siêu âm [22], (3) đông tụ [23], (4) phối trộn thể nóng chảy [24], (5) polyme hóa nhũ tƣơng tại chỗ, (6) dùng chất hoạt động bề mặt [25] và (7) tạo Bùi Thị Hồng Đào 6 K3 B – Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp nhóm chức hóa học cho ống nano [26]. Biến tính hóa học ống nano là kỹ thuật tốt nhất để tạo ra hệ phân tán đồng đều hơn thông qua việc gắn cộng hóa trị và phi cộng hóa trị các nhóm chức trong ống nano với chất nền. Các phƣơng án khác nhau tạo nhóm chức cho ống nano cacbon đã đƣợc các nhà nghiên cứu trình bày [27]. Trong số các phƣơng pháp khác nhau tạo nhóm chức, biến tính điện hóa và polyme hóa tại chỗ đƣợc khơi mào trên bề mặt là những phƣơng pháp đáng kể để chế tạo polyme gia cƣờng bằng ống nano với tính chất tốt nhất và giảm thiểu hƣ hại cho ống nano cacbon [28]. Nhờ những đặc tính cấu trúc, tính chất điện và cơ học, ống nano cacbon đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô và đặc biệt là hàng không và nghiên cứu vũ trụ [29], nhƣ thiết bị điện tử nano [30], đầu dò cho kính hiển vi điện tử quét [31], v.v. Một nhóm các loại ống nano tồn tại trong tự nhiên (nhƣ silicat có cấu trúc ống nano) đƣợc gọi là ống nano halloysit (HNT) đã đƣợc báo cáo và sử dụng làm chất độn gia cƣờng cho nhiều polyme. HNT là các aluminosilicat có cấu trúc ống kích thƣớc nano gồm các nhóm siloxan trên bề mặt cùng với một số nhóm hydroxyl, chúng có tính chất phân tán tốt hơn và có khả năng tạo ra liên kết hydro với nền polyme đã đƣợc chức hóa. 1.2. Vật liệu cao su và cao su blend 1.2.1. Cao su thiên nhiên Nguồn gốc và lịch sử phát triển: Cao su thiên nhiên (CSTN) là một polyme thiên nhiên đƣợc tách từ nhựa cao su (Hevea Brasiliensis). Cao su thiên nhiên có một lịch sử phát triển lâu đời với những kết quả nghiên cứu về khảo cổ, ngƣời ta phát hiện cao su đã đƣợc sử dụng vào khoảng 2000 năm trƣớc đây. Trải qua hàng ngàn năm lịch sử cây cao su đã đƣợc trồng ở nhiều nƣớc trên thế giới. Với những tính năng tuyệt vời và khả năng Bùi Thị Hồng Đào 7 K3 B – Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp ứng dụng rộng rãi của cao su, sản lƣợng cao su trên thế giới không ngừng tăng theo thời gian [3]. Thành phần và cấu tạo của cao su thiên nhiên[3] Cao su thiên nhiên có dạng cis-1,4- polyisoprene, khối lƣợng phân tử khoảng 200.000- 500.000. Hình 1.5: Cấu tạo mạch cao su thiên nhiên Ngoài các mắt xịch isoprene 1,4 cis, đồng phân trong cao su thiên nhiên còn có khoảng 2% mặt xích tham gia vào hình thành mạch đại phân tử ở vị trí 3,4. Ngoài ra nó còn chứa một lƣợng nhỏ thành phần phi cao su rất quan trọng. Trong số đó, quan trọng nhất là protein, đƣờng và axit béo là những chất chống oxi hóa và chất trợ xúc tiến. Còn những thành phần vi lƣợng hiện hữu bao gồm K, Mg, P, Cu, Fe có thể đóng vai trò nhƣ những chất xúc tác cho quá trình oxi hóa. Cao su thiên nhiên có thể ở dạng hạt (cao su bột) và chủng loại có dầu. Tính chất cơ lý, tính năng kĩ thuật của cao su thiên nhiên đƣợc xác định bằng mạch cacbua hidro tạo thành từ các mắt xích isopenten. Thành phần của cao su thiên nhiên gồm nhiều nhóm chất hóa học khác nhau: carbua hyđro (thành phần chủ yếu), độ ẩm các chất trích lý bằng axeton, các chất chứa nitơ mà thành phần chủ yếu là protein và các chất khoáng. Hàm lƣợng các chất này có thể dao động tƣơng đối và phụ thuộc vào nhiều yếu tố: phƣơng pháp sản xuất, khí hậu nơi cây sinh trƣởng, phát triển và mùa khai thác mủ cao su. Bùi Thị Hồng Đào 8 K3 B – Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Bảng 1.1: Thành phần hóa học của cao su thiên nhiên sản xuất bằng các phương pháp khác nhau Loại cao su STT Thành phần chính (%) Hong khói Creep trắng Bay hơi 1 Carbuahidro 93 - 95 93 - 95 85 – 100 2 Chất trích ly bằng axeton 1,5 – 3,5 2,2 – 3,45 3,6 – 5,2 3 Các chất chứa nitơ 2,2 - 3,5 2,4 – 3,6 4,2 – 4,8 4 Chất tan trong nƣớc 0,3 – 0,85 0,2 – 0,4 5,5 – 5,72 5 Chất khoáng 0,15 – 0,85 0,16 – 0,85 1,05 – 1,8 6 Độ ẩm 0,2 – 0,9 0,2 – 0,9 1 – 2,5 Thành phần hóa học các chất đƣợc trích ly bằng axeton bao gồm: 51% axit béo (axit oleic, axit steroxit) có khả năng làm trợ xúc tiến cho quá trình lƣu hóa cao su. Axit béo trong cao su tồn tại ở các dạng khác nhau 3% là các este, 7% là glucozit, còn lại là các axit amin, các hợp chất photpho hữu cơ, các chất hữu cơ kiềm tính,… các chất này có khả năng ổn định cho cao su. Các hợp chất chứa nitơ trong cao su thiên nhiên gồm chủ yếu là các protein và axit amin với hàm lƣợng khá cao (từ 2,2 đến 3,8% tùy loại). Khối lƣợng phân tử trung bình của protein này khoảng 3400. Các protein này cũng có khả năng xúc tiến cho quá trình lƣu hóa và ổn định cho cao su thiên nhiên. Tuy nhiên, sự có mặt của chúng lại làm tăng khả năng hút ẩm giảm tính cách điện của vật liệu. Các hợp chất khoáng gồm các oxit kim loại kiềm và kiềm thổ. Thành phần này chính là tro còn lại sau khi đốt cao su. Ứng dụng của cao su thiên nhiên Polybutadien đƣợc sử dụng làm lốp xe, và phần lớn là sử dụng kết hợp với các loại polyme khác nhƣ cao su thiên nhiên, cao su styren butadien, ở Bùi Thị Hồng Đào 9 K3 B – Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp đây polybutadien có tác dụng làm giảm nhiệt nội sinh và cải thiện tính chịu mài mòn của hỗn hợp cao su. Ở các ứng dụng khác, cao su butadien đƣợc sử dụng trong hỗn hợp cao su, nhằm mục đích tăng tính chịu mài mòn và độ uốn dẻo ở nhiệt độ thấp của sản phẩm, ví dụ nhƣ giày, băng tải, dây đai. Khoảng 25% của polybutadien sản xuất đƣợc sử dụng để cải thiện các tính chất cơ học của nhựa, đặc biệt là tác động cao polystyrene (HIPS) và một mức độ ít hơn acrylonitrile butadiene styrene (ABS). Ngoài ra polybutadien còn dùng để sản xuất bóng golf ,việc sản xuất bóng golf tiêu thụ khoảng 20.000 tấn Polybutadien mỗi năm. Polybutadien có thể đƣợc sử dụng trong các ống bên trong của vòi phun nƣớc cho phun cát, cùng với cao su tự nhiên. Ý tƣởng chính là để tăng khả năng phục hồi. Cao su này cũng có thể đƣợc sử dụng trong các tấm lót đƣờng sắt, các khối cầu, vv... Cao su Polybutadiene có thể đƣợc pha trộn với cao su nitrin để chế biến dễ dàng. Tuy nhiên tỷ lệ lớn sử dụng có thể ảnh hƣởng đến sức đề kháng dầu cao su nitrin. 1.2.2. Cao su butadien (Butadien Rubber BR) Cao su Polybutadien BR là loại cao su tổng hợp cũng đƣợc sử dụng phổ biến tại Việt Nam. Đây là nguyên liệu có nhiều ƣu điểm trong việc lập đơn pha chế cao su kháng mài mòn, và cũng là sự lựa chọn cho các trƣờng hợp cần độ đàn hồi tốt. Đặc điểm cấu tạo CH2 CH CH CH2 CH2 CH CH CH2 Hình 1.6: Phân tử 1,3 - butadien Bùi Thị Hồng Đào 10 K3 B – Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Polybutadien đƣợc sản xuất từ sự polyme hóa trong dung dịch, và một đặc trƣng nổi bật quan trọng về chất lƣợng của loại polyme tổng hợp này là hàm lƣợng các dạng cis - 1,4 và cis - 1,2 vinyl trong cao su. Polyme có hàm lƣợng dạng cis 1,4 cao ( >90% ) có nhiệt độ thủy tinh hóa khoảng -90oC, do đó tính uốn dẻo ở nhiệt độ thấp chỉ thua phenyl silicone. Polyme này có tính đàn hồi và tính chịu mài mòn rất tốt, tuy nhiên vì có tính đàn hồi cao nên khả năng bám mặt đƣờng ẩm ƣớt của lốp xe kém, do đó mà loại cao su này hạn chế sử dụng riêng lẻ trong hỗn hợp. Nếu hàm lƣợng cis - 1,4 giảm xuống, và hàm lƣợng cis - 1,2 tăng lên thì các tính chất cơ lý ở nhiệt độ thấp nhƣ tính chịu mài mòn, tính đàn hồi sẽ giảm xuống. Sự polyme hóa butadien dẫn đến một sự phân bố trọng lƣợng phân tử hẹp, do đó có thể gây khó khăn cho quá trình gia công. Thực vậy, các loại sản phẩm có mặt trên thị trƣờng là sự cân bằng giữa tính dễ gia công và chất lƣợng. Hầu hết cao su polybutadien đều rất khó khăn trong việc cắt mạch trong quá trình trộn và cán luyện, có sức dính thấp, và tính đàn hồi cao vốn có của nó gây khó khăn trong việc ép đùn [19]. Việc sử dụng các peptide để cắt mạch, giúp cho việc gia công dễ dàng hơn. Do có nhóm không bảo hòa trên mạch chính, nên cần phải có chất bảo vệ để chống lại sự oxi hóa, tia UV, và ozon. Cao su butadien kháng dầu yếu và không kháng đƣợc các hợp chất hydrocacbon thơm, hydrocacbon béo và hydrocacbon có nhóm halogen. Polybutadien là một hợp chất có thể đƣợc lƣu hóa bằng hệ thống lƣu huỳnh, hệ thống chất cho lƣu huỳnh và hệ thống peroxide [19]. So với cao su thiên nhiên thì cần giảm lƣợng lƣu huỳnh xuống và tăng lƣợng chất xúc tiến lên. Việc lƣu hóa bằng hệ thống peroxide mang lại hiệu quả cao, tạo nên một số lƣợng lớn các liên kết ngang nhờ gốc tự do, điều này làm cho tính đàn hồi của cao su cao, tính chất này đƣợc ứng dụng để sản xuất Bùi Thị Hồng Đào 11 K3 B – Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp loại bóng siêu đàn hồi. Các hợp chất của loại polyme này chỉ cho tính chất tốt nhất khi sử dụng chất độn và dầu với hàm lƣợng cao. Tính chất cơ l của cao su butadien Polybutadien khó sơ luyện, khó định hình, khó đùn so với cao su SBR. Khi tăng nhiệt độ lên quá 1000F, polybutadien trở nên khô nhám không bám trục cán, kém dính và võng xuống do đó khó cán luyện. Cao su polybutadien có khả năng ngậm chất độn rất cao mà không giảm tính năng cơ lý của thành phẩm. Cao su BR phối hợp với các loại cao su khác để tăng tính kháng mòn, kháng nứt. Với mức chất độn bằng nhau, sản phẩm BR cho sức kháng xé, sức kháng hút nƣớc và độ kháng mòn thấp hơn cao su thiên nhiên và cao su SBR. Vì tính thấm khí cao nên điện trở và tính kháng điện của BR gần giống cao su thiên nhiên. Ở nhiệt độ thấp, độ nẩy của cao su BR không thay đổi nhiều do đó BR đƣợc kết hợp với các loại cao su khác để cải thiện tính năng này cho hỗn hợp. Cao su BR dùng trong băng tải phối hợp với cao su thiên nhiên để cải thiện tính cắt, tính xé rách, tính kháng mòn, kháng nhiệt tốt và tính kháng uốn khúc dập nứt tốt [19]. Ứng dụng Sử dụng làm cao su mặt lốp xe khi trộn với các cao su khác để cải thiện tính kháng mòn và chống nứt, phần lớn là sử dụng kết hợp với các loại polyme khác nhƣ cao su thiên nhiên, cao su styren butadien, ở đây polybutadien có tác dụng làm giảm nhiệt nội sinh và cải thiện tính chịu mài mòn của hỗn hợp cao su. Sức bám mặt đƣờng ẩm ƣớt của hỗn hợp BR/cao su thiên nhiên hoặc BR/SBR tốt hơn so với hỗn hợp chỉ dùng BR. Ở các ứng dụng khác, cao su butadien đƣợc sử dụng trong hỗn hợp cao su, nhằm mục đích tăng tính chịu mài mòn và độ uốn dẻo ở nhiệt độ thấp của sản phẩm, ví dụ nhƣ giày, băng tải, dây đai [19]. Bùi Thị Hồng Đào 12 K3 B – Hóa h c
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan

Tài liệu vừa đăng