Tài liệu Tối ưu hóa thời gian lưu hóa cao su bằng phương pháp trường nhiệt độ kết hợp với mô phỏng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VĂN HẢI TỐI ƢU HÓA THỜI GIAN LƢU HÓA CAO SU BẰNG PHƢƠNG PHÁP TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ KẾT HỢP VỚI MÔ PHỎNG KỸ THUẬT HÓA HỌC Đà Nẵng, 09/2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VĂN HẢI TỐI ƢU HÓA THỜI GIAN LƢU HÓA CAO SU BẰNG PHƢƠNG PHÁP TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ KẾT HỢP VỚI MÔ PHỎNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC MÃ SỐ: 8520301 Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: 1.TS. PHAN THẾ ANH 2.PGS.TS. NGUYỄN ĐÌNH LÂM Đà Nẵng, 09/2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả Trần Văn Hải LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS.Nguyễn Đình Lâm và TS.Phan Thế Anh, những ngƣời Thầy đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, dành nhiều thời gian và công sức để hƣớng dẫn cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới quý Thầy Cô trong khoa Hóa, phòng Đào tạo sau đại học của Trƣờng Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện luận văn này đúng tiến độ. Tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban lãnh đạo và đồng nghiệp tại Công ty Cổ phần Cao su Đà Nẵng, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về thiết bị, nguyên vật liệu và kỹ thuật để tôi thực hiện các thí nghiệm cho luận văn này. Nhân dịp này, tôi muốn dành những tình cảm sâu sắc nhất đến những ngƣời thân trong gia đình tôi: Bố Mẹ - những ngƣời đã hết lòng nuôi dạy tôi khôn lớn, luôn động viên hỗ trợ tôi về mọi mặt; Vợ cùng các con là chỗ dựa tinh thần, luôn chia sẻ những khó khăn, cảm thông và giúp đỡ tôi trong cuộc sống và là nguồn động lực để tôi hoàn thành luận văn này. Đà Nẵng, ngày 27 tháng 09 năm 2019 Tác giả Trần Văn Hải MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1 Mục tiêu của đề tài ...................................................................................................... 2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu............................................................................... 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................................... 2 Những đóng góp mới của luận văn ............................................................................. 2 Cấu trúc của luận văn .................................................................................................. 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT .................................................................... 3 1.1. NGUYÊN LIỆU CHÍNH SỬ DỤNG TRONG SẢN PHẨM CAO SU ............. 3 1.1.1. Cao su thiên nhiên ............................................................................................. 3 1.1.2. Cao su tổng hợp................................................................................................. 4 1.1.3. Chất độn ............................................................................................................ 6 1.1.4. Chất hóa dẻo ...................................................................................................... 7 1.1.5. Chất lƣu hóa ...................................................................................................... 7 1.1.6. Chất xúc tiến...................................................................................................... 8 1.1.7. Chất trợ xúc tiến lƣu hóa ................................................................................... 8 1.1.8. Chất phòng tự lƣu .............................................................................................. 8 1.1.9. Chất phòng lão .................................................................................................. 9 1.1.10. Chất kết dính ................................................................................................... 9 1.1.11. Vật liệu sợi ...................................................................................................... 9 1.2. THIẾT LẬP CÔNG THỨC PHA CHẾ VÀ CÔNG NGHỆ PHỐI TRỘN....... 10 1.2.1. Khái niệm thiết kế pha chế: ............................................................................ 10 1.2.2. Thiết lập đơn pha chế ...................................................................................... 11 1.2.3. Công nghệ phối trộn ........................................................................................ 12 1.3. CÔNG NGHỆ LƢU HÓA CAO SU ................................................................. 13 1.3.1. Khái niệm về lƣu hóa ...................................................................................... 13 1.3.2. Các giai đoạn chính của quá trình lƣu hóa ..................................................... 14 1.3.3. Cơ chế của phản ứng lƣu hóa cao su .............................................................. 16 1.3.4. Vận tốc lƣu hóa ............................................................................................... 16 1.3.5. Thời gian lƣu hóa tƣơng đƣơng ...................................................................... 17 1.3.6. Mức độ lƣu hóa của cao su ............................................................................. 19 1.4. CÁC THÔNG SỐ NHIỆT CỦA VẬT LIỆU .................................................... 19 1.4.1. Hệ số nhiệt độ lƣu hóa (K) .............................................................................. 19 1.4.2. Năng lƣợng hoạt hóa (E) ................................................................................. 20 1.4.3. Nhiệt dung riêng (C) ....................................................................................... 20 1.4.4. Hệ số dẫn nhiệt (λ) .......................................................................................... 20 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....... 21 2.1. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ........................................................................... 21 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................................................. 22 2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................................... 22 2.3.1. Sơ đồ thực nghiệm .......................................................................................... 22 2.3.2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ....................................................................... 23 2.3.3. Nguyên vật liệu sử dụng trong thí nghiệm ..................................................... 28 2.3.4. Các hợp phần cao su và quy trình phối trộn ................................................... 29 2.3.5. Các quy trình thực nghiệm .............................................................................. 33 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 38 3.1. XÁC ĐỊNH KHOẢNG NHIỆT ĐỘ LƢU HÓA PHÙ HỢP ............................ 38 3.1.1. Kết quả kiểm tra tính lƣu biến cao su và xác định thời gian lƣu hóa mẫu..... 38 3.1.2. Kết quả kiểm tra tính năng cơ lý cao su TR và SB ........................................ 40 Nhận xét: ................................................................................................................... 44 3.2. ĐỘ LỆCH TỐC ĐỘ LƢU HÓA ....................................................................... 44 3.2.1. Kết quả kiểm tra đặc tính kỹ thuật của cao su TR .......................................... 44 3.2.2. Kết quả kiểm tra lƣu biến cao su SB với hàm lƣợng xúc tiến khác nhau ...... 45 3.2.3. Kết quả kiểm tra cơ lý cao su SB với hàm lƣợng xúc tiến khác nhau ........... 46 3.2.4. Kết quả kiểm tra cƣờng độ kết dính giữa cao su TR và SB ........................... 47 3.2.5. Sự phụ thuộc của cƣờng độ kết dính vào độ lệch tốc độ lƣu hóa .................. 49 3.2.6. Xác định thời gian lƣu hóa phù hợp của các hợp phần cao su ...................... 51 Nhận xét..................................................................................................................... 52 3.3. TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN LƢU HÓA TƢƠNG ĐƢƠNG........ 53 3.3.1. Trƣờng nhiệt độ lƣu hóa.................................................................................. 53 3.3.2. Tính năng lƣợng hoạt hóa của các hợp phần cao su ....................................... 56 3.3.3. Tính thời gian lƣu hóa tƣơng đƣơng tại các điểm đo ..................................... 57 Nhận xét..................................................................................................................... 59 3.4. TỐI ƢU THỜI GIAN LƢU HÓA LỐP BẰNG PHƢƠNG PHÁP PTHH ....... 59 3.4.1. Tính các thông số nhiệt của vật liệu ............................................................... 59 3.4.2. Mô phỏng quá trình lƣu hóa bằng phƣơng pháp PTHH ................................. 62 Nhận xét..................................................................................................................... 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC TỐI ƢU THỜI GIAN LƢU HÓA CAO SU BẰNG PHƢƠNG PHÁP TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ KẾT HỢP VỚI MÔ PHỎNG Học viên: Trần Văn Hải; Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 8520301; Khóa: 34; Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Lƣu hóa là công đoạn quyết định đến chất lƣợng của sản phẩm cao su. Do cao su có độ truyền nhiệt kém nên nhiệt độ lƣu hóa cao su bị thay đổi theo thời gian và theo các điểm khảo sát (trƣờng nhiệt độ biến đổi) trong suốt quá trình lƣu hóa. Đối với các sản phẩm có chiều dày lớn và kết cấu hình học phức tạp thì tốc độ lƣu hóa có sự không đồng đều tại các điểm khác nhau do đó thời gian lƣu hóa không thể tính bằng t90 của cao su nhƣ sản phầm có chiều dày nhỏ mà phải đƣợc xác định bằng thời gian lƣu hóa tƣơng đƣơng. Việc kết hợp phƣơng pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm CORONA với trƣờng nhiệt độ thực nghiệm cho phép xác định đƣợc thời gian lƣu hóa tƣơng đƣơng tại từng điểm, từ đó xác định đƣợc điểm lƣu hóa chậm nhất của từng loại cao su và điểm lƣu hóa cuối cùng trong sản phẩm. Trên cơ sở đó điều chỉnh tốc độ lƣu hóa của các hợp phần cao su và thời gian lƣu hóa sản phẩm hợp lý nhằm đảm bảo sự hài hòa về tính chất cơ lý cho toàn bộ sản phẩm cũng nhƣ tối thiểu chi phí sản xuất. Việc điều chỉnh tốc độ lƣu hóa các hợp phần cao su khác nhau cũng cần chú ý đến giới hạn về độ lệch t90 vì độ lệch này có ảnh hƣởng đến cƣờng độ kết dính giữa 2 lớp cao su liên tiếp sau khi lƣu hóa. Kết quả nghiên cứu còn cho thấy rằng với các hợp phần chủ yếu là cao su thiên thiên thì nhiệt độ thích hợp để lƣu hóa từ 145 đến 155oC sẽ đảm bảo đƣợc sự hài hòa các tính chất về độ bền kéo, độ chịu mài mòn và lực kết dính. Từ khóa - lƣu hóa cao su; trƣờng nhiệt độ; thời gian lƣu hóa tƣơng đƣơng; corona; phân tích phần tử hữu hạn. OPTIMIZATION OF THE TIME FOR VULCANIZING RUBBER BY THE COMBINATION OF TEMPERATURE FIELD AND SIMULATION Abstract - Vulcanization is an important stage being crucial to the quality of rubber products. As the low thermal conductivity of the rubber, the vulcanizing temperature changes with time and examined points (the variable temperature field) during the vulcanization. Therefore, the product with a large thickness and a complicated geometry structure, the vulcanization rate is irregular from the point to the others, so the vulcanization time cannot be determined through t 90 of the rubber as being done with thin products. On the other hand, the vulcanization time should be determined by using the notion of vulcanization time equivalent. The combination the finite element method's CORONA software combined with the experimental temperature field permits calculating the vulcanization time equivalent at each point, thereby determining the point with slowest vulcanization of each type of rubber and the final vulcanized point of a product. On this basis, it is possible to adjust the vulcanization rate of different rubber layers and to optimize the vulcanization time in order to ensure the harmony of physical properties for the whole product as well as minimizing cost of production. The adjustment of vulcanization rate of different rubber layers could be needed to pay attention to the limit of t90 deviation of two consecutive rubber layers because this deviation also affects the adhesion strength between 2 consecutive rubber layers after vulcanization. On the rubber with high natural rubber content, this research results show that the suitable vulcanization temperature varied between 145 and 155 oC. This temperature range will ensure the harmony of physical properties as tensile strength, abrasion resistance and adhesive force. Key words - vulcanizing rubber; temperature field; vulcanization time equivalent; corona; finite element method. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN STT Từ viết tắt Diễn giải 1 DRC Danang Rubber Joint-Stock Company 2 PTHH Phần Tử Hữu Hạn 3 PHR Per Hundred Rubber 4 SVR Standard Vietnamese Rubber 5 RSS Rubber Smoke Sheet 6 SB Steel Belt Rubber (cao su lớp hoãn xung) 7 TR Tread Rubber (cao su mặt lốp) 8 HMMM HexaMethoxyMethylMelamine 9 NOBS N-Oxydienthylene-2-benzothiazole sulfenamide 10 TBBS N-tert-butyl benzothiazole-2-sulfenamide 11 BTP Bán Thành Phẩm (hợp phần cao su) DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Thành phần latex ............................................................................................. 3 Bảng 1.2. Đơn pha chế cơ bản cao su thiên nhiên ........................................................... 4 Bảng 1.3. Cách biểu thị đơn pha chế hợp phần cao su ................................................. 11 Bảng 2.1. Nguyên vật liệu sử dụng trong thí nghiệm ................................................... 28 Bảng 2.2. Công thức hợp phần cao su mặt lốp (TR) ..................................................... 29 Bảng 2.3. Công thức hợp phần cao su cán tráng lớp hoãn xung (SB) .......................... 30 Bảng 2.4. Các công thức điều chỉnh hợp phần cao su cán tráng lớp hoãn xung .......... 31 Bảng 2.5. Quy trình phối trộn giai đoạn 1 trên máy luyện kín 1.8 lít ........................... 31 Bảng 2.6. Quy trình phối trộn giai đoạn 2 trên máy luyện kín 1.8 lít ........................... 32 Bảng 2.7. Quy trình cán tấm cao su trên máy luyện hở Ф160 ...................................... 32 Bảng 3.1. Các thông số lƣu biến cao su TR và thời gian lƣu hóa mẫu …................... 38 Bảng 3.2. Các thông số lƣu biến cao su SB và thời gian lƣu hóa mẫu .......................... 39 Bảng 3.3. Tính năng cơ lý cao su TR ở các mức nhiệt độ khác nhau .......................... 40 Bảng 3.4. Tính năng cơ lý cao su SB ở các mức nhiệt độ khác nhau ........................... 41 Bảng 3.5. Đặc tính kỹ thuật cao su TR - DRC .............................................................. 44 Bảng 3.6. Đặc tính lƣu biến cao su SB với hàm lƣợng xúc tiến khác nhau ................. 45 Bảng 3.7. Tính năng cơ lý cao su SB với các hàm lƣợng xúc tiến khác nhau .............. 47 Bảng 3.8. Cƣờng độ kết dính giữa cao su TR và cao su SB .......................................... 47 Bảng 3.9. Cƣờng độ kết dính (TR - SB) và độ lệch tốc độ lƣu hóa t90 ....................... 49 Bảng 3.10. Tốc độ lƣu hóa (t90) của các hợp phần cao su khu vực mặt lốp ................. 51 Bảng 3.11. Độ lệch tốc độ lƣu hóa (t90) của các hợp phần cao su liên tiếp .................. 52 Bảng 3.12. Quy trình lƣu hóa lốp 11.00R20 HI79 ........................................................ 53 Bảng 3.13. Thời gian lƣu hóa t90 của các hợp phần cao su (140, 150, 160oC) ............. 56 Bảng 3.14. Năng lƣợng hoạt hóa các hợp phần cao su ................................................. 57 Bảng 3.15. Mức độ lƣu hóa các điểm đo khi mở khuôn ............................................... 58 Bảng 3.16. Mức độ lƣu hóa các điểm đo tại 60,33 phút ............................................... 58 Bảng 3.17. Mức độ lƣu hóa các điểm đo tại 97,50 phút ............................................... 59 Bảng 3.18. Hệ số nhiệt độ lƣu hóa K của các hợp phận cao su .................................... 60 Bảng 3.19. Bảng tính nhiệt dung riêng của cao su mặt lốp T113 ................................. 60 Bảng 3.20. Bảng nhiệt dung riêng của các hợp phần cao su ....................................... 61 Bảng 3.21. Bảng tính hệ số dẫn nhiệt của cao su mặt lốp T113 ................................... 61 Bảng 3.22. Bảng hệ số dẫn nhiệt của các hợp phần cao su ........................................... 62 Bảng 3.23. Bảng thời gian lƣu hóa tƣơng đƣơng mô phỏng tại các điểm đo ............... 64 Bảng 3.24. Bảng so sánh thời gian lƣu hóa tƣơng đƣơng của 2 phƣơng pháp ............. 64 Bảng 3.25. Bảng thời gian lƣu hóa tƣơng đƣơng tại các lớp với chiều dày 1mm ........ 65 Bảng 3.26. Bảng tọa độ các điểm lƣu hóa chậm nhất ứng với từng hợp phần cao su. . 67 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Nông trƣờng cao su ......................................................................................... 3 Hình 1.2. Phân bố vật liệu sợi trên lốp xe ..................................................................... 10 Hình 1.3. Mô hình máy luyện kín .................................................................................. 12 Hình 1.4. Trục máy luyện hở ......................................................................................... 12 Hình 1.5. Mô hình lƣu hóa lốp ô tô .............................................................................. 13 Hình 1.6. Đồ thị các giai đoạn lƣu hóa cao su .............................................................. 14 Hình 2.1. Phân bố vật liệu trên lốp ô tô tải radial toàn thép ......................................... 21 Hình 2.2. Lƣu đồ thực nghiệm....................................................................................... 22 Hình 2.3. Đồ thị kiểm tra tính lƣu biến cao su .............................................................. 23 Hình 2.4. Đồ thị kiểm tra độ nhớt mooney cao su ........................................................ 25 Hình 2.5. Mẫu đo độ bền kéo cao su ............................................................................. 26 Hình 2.6. Mẫu đo độ bền xé rách cao su ....................................................................... 27 Hình 2.7. Mô hình mẫu kiểm tra cƣờng độ kết dính 2 lớp cao su ................................. 34 Hình 2.8. Mẫu đo cƣờng độ kết dính 2 lớp cao su đã lƣu hóa ...................................... 35 Hình 2.9. Ngàm kẹp mẫu ............................................................................................... 35 Hình 2.10. Mô hình bóc tách mẫu khi kéo .................................................................... 35 Hình 2.11. Sơ đồ cặp nhiệt điện .................................................................................... 35 Hình 2.12. Lƣu đồ mô hình hóa quá trình lƣu hóa bằng phần mềm CORONA ........... 36 Hình 3.1. Đồ thị tính lƣu biến cao su TR ở các mức nhiệt độ khác nhau ..................... 38 Hình 3.2. Đồ thị tính lƣu biến cao su SB ở các mức nhiệt độ khác nhau ..................... 39 Hình 3.3. Sự thay đổi tính năng cơ lý cao su TR theo nhiệt độ lƣu hóa ...................... 41 Hình 3.4. Sự thay đổi tính năng cơ lý cao su SB theo nhiệt độ lƣu hóa ...................... 42 Hình 3.5. Đồ thị tính lƣu biến cao su SB với các hàm lƣợng xúc tiến khác nhau ........ 45 Hình 3.6. Sự thay đổi đặc tính lƣu biến cao su SB theo hàm lƣợng xúc tiến NOBS ... 46 Hình 3.7. Đồ thị sự thay đổi cƣờng độ kết dính (TR - SB) các mẫu thí nghiệm .......... 48 Hình 3.8. Đồ thị cƣờng độ kết dính (TR – SB) và độ lệch %t90 ................................... 50 Hình 3.9. Đồ thị sự phụ thuộc cƣờng đồ kết dính với độ lệch %t90 .............................. 51 Hình 3.10. Bản vẽ mặt cắt quy cách lốp 11.00R20/HI79 .............................................. 53 Hình 3.11. Biểu kiểm soát đồ nhiệt độ - áp lực lƣu hóa lốp ......................................... 54 Hình 3.12. Trƣờng nhiệt độ lƣu hóa tại các điểm đo .................................................... 55 Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn nhiệt độ lƣu hóa tại các điểm đo ...................................... 55 Hình 3.14. Thời gian lƣu hóa tƣơng đƣơng tại các điểm đo ......................................... 57 Hình 3.15. Mô hình cấu trúc mô phỏng ....................................................................... 62 Hình 3.16. Cấu trúc hình học khu vực giữa mặt lốp – quy cách 11.00R20/HI79 ......... 63 Hình 3.17. Đồ thị thời gian lƣu hóa tƣơng đƣơng tại các lớp ....................................... 66 Hình 3.18. Thời gian lƣu hóa tƣơng đƣơng các điểm trên đƣờng tâm khối hoa ........... 68 Hình 3.19. Vị trí điểm lƣu hóa cuối cùng trên lốp ........................................................ 68 DANH MỤC PHỤ LỤC Phụ lục số 1: Thời gian lƣu hóa tƣơng đƣơng tại các điểm đo Phụ lục số 2: Kết quả mô phỏng các điểm đo #1, #2, #3, #4 Phụ lục số 3: Kết quả mô phỏng xác định điểm lƣu hóa cuối cùng 1 MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhu cầu về đời sống của con ngƣời ngày càng nâng cao, trong đó nhu cầu sản phẩm từ cao su là rất lớn. Vì vậy ngành công nghiệp cao su giữ vai trò rất quan trọng trong đời sống xã hội. Một số chủng loại sản phẩm cao su đƣợc sản xuất với sản lƣợng lớn hàng năm và đóng vai trò quan trọng, thiết yếu trong các nền kinh tế. Hệ thống giao thông vận tải đƣợc coi là một trong những huyết mạch quan trọng nhất của bất kỳ nền kinh tế nào. Trong những thập niên gần đây, ngành vận tải luôn có sự dịch chuyển mạnh mẽ từ loại hình vận tải bộ sang vận tải đƣờng thủy, đƣờng hàng không. Tuy nhiên vận tải bộ là nhu cầu trọng yếu mà các loại hình vận tải khác không thể thay thế hoàn toàn, nó luôn tồn tại theo thời gian và đòi hỏi ngày một cao hơn bởi tính cơ động, tiện lợi, thích nghi với mọi địa hình và phù hợp với mọi cung đƣờng. Ngành vận tải bộ không thể hoạt động nếu thiếu đi chiếc lốp xe và cần thay thế sau một thời gian sử dụng. Lƣu hóa là công đoạn cuối cùng trong quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm cao su và là yếu tố góp phần quyết định đến độ bền của sản phẩm cao su trong quá trình sử dụng. Sản phẩm cao su rất dễ bị lão hóa bởi nhiệt độ cao và mỗi loại cao su có một khoảng nhiệt độ lƣu hóa tối ƣu. Đối với các sản phẩm cao su đơn giản có chiều dày nhỏ (găng tay, săm xe…) thông thƣờng chỉ đƣợc cấu thành từ một hợp phần cao su duy nhất thì vấn đề lƣu hóa tƣơng đối đơn giản. Tuy nhiên đối với các sản phẩm có cấu hình phức tạp và chiều dày lớn nhƣ lốp xe ôtô thì luôn đƣợc cấu thành bởi rất nhiều hợp phần cao su khác nhau. Vì thế mà vấn đề lƣu hóa của sản phẩm cao su có chiều dày lớn trở nên rất phức tạp. Hơn nữa, cao su có độ dẫn nhiệt kém nên sự phân bố nhiệt độ có sự không đồng nhất tại các điểm trong toàn bộ khối sản phẩm. Khi sản phẩm cao su đƣợc lƣu hóa với thời gian chƣa phù hợp thì tính năng sử dụng của sản phẩm bị suy giảm rất nghiêm trọng, tuổi thọ sử dụng của sản phẩm giảm xuống làm giảm tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trƣờng, đồng thời lƣợng cao su phát thải tăng lên, gây ô nhiễm môi trƣờng. Theo dòng chảy về quá trình công nghiệp hóa trên thế giới, việc sản xuất các sản phẩm cao su có xu hƣớng dịch chuyển về các nƣớc đang phát triển và hiện nay ngành công nghiệp này đang trong quá trình phát triển mạnh tại Việt Nam. Tuy nhiên việc phát triển khoa học công nghệ và đầu tƣ nghiên cứu để tiến đến làm chủ ngành công nghiệp này hiện còn rất hạn chế. Hiện nay tại Việt Nam, các nhà máy sản xuất sản phẩm cao su chủ yếu dựa vào phƣơng pháp tính theo tỉ lệ chiều dày của sản phẩm để ƣớc lƣợng thời gian lƣu hóa mà chƣa có nghiên cứu tính toán một cách khoa học. Chính vì vậy mà chất lƣợng sử dụng của sản phẩm không tốt, năng suất lao động thấp và chi phí sản xuất cao. Vì vậy tôi chọn đề tài “Tối ƣu hóa thời gian lƣu hóa cao su bằng phƣơng pháp trƣờng nhiệt độ kết hợp với mô phỏng” để nghiên cứu làm luận văn thạc sĩ. 2 Mục tiêu của đề tài - Xác định thời gian lƣu hóa tối ƣu cho sản phẩm cao su có kết cấu phức tạp và chiều dày lớn Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Sản phẩm cao su có chiều dày lớn, lốp ô-tô tải radial toàn thép (quy cách 11.00R20/HI79) Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Đề tài nghiên cứu sẽ làm cơ sở cho việc nghiên cứu các hợp phần cao su có tính chất cơ lý và công nghệ đáp ứng các yêu cầu sử dụng thực tế và nghiên cứu chuyên sâu về tính kết dính, truyền nhiệt trong cao su. - Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đƣợc ứng dụng để tính toán thời gian lƣu hóa cho các sản phẩm cao su có kết cấu phức tạp và chiều dày lớn, nhằm góp phần nâng cao chất lƣợng sử dụng, tăng năng suất và giảm thiểu chi phí sản xuất. Những đóng góp mới của luận văn - Đánh giá đƣợc ảnh hƣởng của các thông số nhiệt của cao su đến quá trình lƣu hóa. - Chứng minh sự phụ thuộc của độ lệch tốc độ lƣu hóa đến cƣờng độ kết dính của các lớp cao su liên tiếp. - Xác định đƣợc phƣơng pháp tính toán thời gian lƣu hóa cao su một cách có hệ thống và khoa học. Cấu trúc của luận văn - Mở đầu - Chƣơng 1: Tổng quan lý thuyết - Chƣơng 2: Đối tƣợng, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu - Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận - Kết luận và kiến nghị - Tài liệu tham khảo 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1. NGUYÊN LIỆU CHÍNH SỬ DỤNG TRONG SẢN PHẨM CAO SU 1.1.1. Cao su thiên nhiên Cao su thiên nhiên (Natural Rubber – NR) là cao su đƣợc khai thác và chế biến từ mủ của cây cao su. Mũ cao su là nhũ tƣơng trong nƣớc của các hạt cao su với hàm lƣợng cao su khô từ 30 - 40% [1]. Cao su thiên nhiên là polyizopren có mạch đại phân tử hình thành từ các mắt xích izopren điều hòa không gian mạch thẳng dạng cis 1,4 (> 97%), ngoài ra còn có dạng kết cấu liên hợp 3,4 chiếm 2% - 3%. Hình ảnh của một nông trƣờng cao su đƣợc minh họa trên Hình 1.1 và thành phần latex của cao su thiên nhiên đƣợc trình bày trong Bảng 1.1. Bảng 1.1: Thành phần latex [1] Thành phần Latex Hàm lƣợng 1 Nƣớc 52-70% 2 Isoprene 30- 40% 3 Protein 2-3% 4 Axit béo và dẫn xuất 1-2% 5 Gluxit ~ 1% 6 Khoáng chất 0,3- 0,7% STT Hình 1.1 Nông trường cao su Tính chất vật lý cơ bản của cao su thiên nhiên nhƣ sau: - Khối lƣợng riêng : 0.913 g/ [10] - Nhiệt độ hoá thuỷ tinh : -70°C [10] - Hệ số dẫn nhiệt : 0,18 W/(m.°C) [12] - Nhiệt dung riêng : 2,1 J/ (kg.°C) [12] Trong quá trình bảo quản, cao su thiên nhiên dần dần chuyển sang trạng thái tinh thể, làm giảm tính mềm dẻo của vật liệu. Độ nhớt của cao su là đại lƣợng đặc trƣng cho tính chất công nghệ của cao su thiên nhiên. Cao su thiên nhiên có khả năng phối trộn tốt với các chất độn và chất phụ gia trên máy luyện kín hoặc luyện hở, có khả năng cán tráng, ép phun tốt, mức độ co ngót kích thƣớc sản phẩm nhỏ. Cao su thiên nhiên có một số đặc điểm ƣu việt nhƣ cƣờng lực kéo đứt cao; dễ gia công và khả năng kết dính tốt; độ đàn hồi, khả năng chịu mài mòn và chịu lạnh tốt. Tuy nhiên cao su này có tính năng chịu nhiệt, chịu lão hóa và chịu hóa chất không tốt. 4 Tính chất cơ lý của cao su thiên nhiên đƣợc xác định theo tính chất cơ lý của hợp phần cao su tiêu chuẩn [17] có thành phần đƣợc trình bày trong Bảng 1.2. Bảng 1.2. Đơn pha chế cơ bản cao su thiên nhiên [17] STT Thành phần Hàm lƣợng 1 Cao su thiên nhiên 100,0 2 Lƣu huỳnh 3,5 3 Xúc tiến TBBS 0,7 4 ZnO 6,0 5 Acid Stearic 0,5 Hỗn hợp cao su thiên nhiên có thành phần nhƣ Bảng 1.2 đƣợc tiến hành lƣu hoá ở nhiệt độ 150°C trong thời gian 20 phút, sau đó đem xác định các tính chất cơ lý và đạt đƣợc các tiêu chuẩn sau (theo tiêu chuẩn nội bộ của DRC). + Độ bền kéo đứt : ≥ 19 Mpa; + Độ dãn dài tƣơng đối: ≥ 500 %; + Modul 300% : 2,1 Mpa + Độ dãn dài dƣ : 24 % *Phân loại cao su thiên nhiên Căn cứ vào quy trình công nghệ chế biến mà cao su thiên nhiên đƣợc phân làm hai loại: cao su cốm (Standard Vietnamese Rubber - SVR) và cao su tờ (Rubber Smoke Sheet - RSS). Quy trình chế biến cao su cốm gồm các giai đoạn sau: Mủ cao su  Lọc bỏ tạp chất  Đánh đông  Cán rửa  Băm tạo hạt  Sấy  Đóng kiện. Quy trình chế biến cao su tờ gồm các giai đoạn sau: Mủ cao su  Lọc bỏ tạp chất  Đánh đông  Cán rửa  Cán tấm  Xông khói  Đóng kiện. 1.1.2. Cao su tổng hợp Là các loại cao su không có nguồn gốc từ thiên nhiên mà đƣợc tổng hợp từ các hóa chất qua các phản ứng trùng hợp để tạo ra các loại cao su khác nhau. Tùy theo thành phần của chất ban đầu, loại xúc tác, điều kiện phản ứng (nhiệt độ, áp suất) mà dẫn đến các tính chất khác nhau của cao su tổng hợp đƣợc. Một số loại cao su tổng hợp thông dụng: *Cao su isopren Là cao su tổng hợp có thành phần cấu tạo tƣơng tự nhƣ cao su thiên nhiên, công thức hóa học nhƣ sau: Cao su isopren đƣợc sử dụng để thay thế cao su thiên nhiên ở một số nơi không trồng đƣợc cao su thiên nhiên. Tính năng của cao su isopren tƣơng tự nhƣng kém hơn cao su thiên nhiên. 5 *Cao su Butadien (Butadien Rubber – BR) Là sản phẩm đƣợc trùng hợp từ butadien-1,3. Ngoại quan có màu trắng trong, có công thức hóa học nhƣ sau: ( CH2 CH CH CH2 )n Cao su Butadien (BR) có cấu trúc không gian đều hòa, có chứa nhiều nối đôi trong phân tử nên có thể lƣu hóa bằng hệ lƣu huỳnh, phối trộn đƣợc hầu hết với các loại su không phân cực. BR đƣợc phân loại dựa theo cấu tạo mạch phân tử (hàm lƣợng cấu trúc cis-1,4) và xúc tác sử dụng trong quá trình tổng hợp (Li, Ni, Ti, Nd). Cao su BR có các tính chất nhƣ độ đàn hồi và chịu lạnh tốt, sinh nhiệt thấp, chịu mài mòn tốt, cƣờng lực kéo đứt và độ bền xé rách kém. Ngoài ra BR còn có tính chảy nguội (bị chảy khi bảo quản ở nhiệt độ thƣờng), chịu lão hóa tốt hơn cao su thiên nhiên, tuy nhiên khó gia công hơn cao su thiên nhiên. BR thƣờng đƣợc dùng để thay thế một phần cao su thiên nhiên trong mặt lốp, hông lốp của lốp xe để tăng khả năng chịu mài mòn và chịu lão hóa,… *Cao su Butadien – Styren (Styrene Butadien Rubber - SBR) Cao su Butadien – Styren (SBR) là sản phẩm đồng trùng hợp từ Butađien-1,3 và Styren. SBR đƣợc phân loại dựa trên cấu tạo, phƣơng pháp tổng hợp, hàm lƣợng styren, hàm lƣợng chất độn,…Một số loại cao su SBR thƣờng dùng bao gồm: SBR1500, SBR1502, SBR1712 (có độn dầu),… Cao su SBR có cƣờng lực kéo đứt, độ đàn hồi, tính kết dính, khả năng chịu lạnh kém hơn cao su thiên nhiên (NR). Tuy nhiên cao su này có khả năng bám đƣờng tốt và chịu mài mòn cao nên thƣờng đƣợc ứng dụng trong hợp phần của cao su mặt lốp. *Cao su Butyl Cao su Butyl là sản phẩm đồng trùng hợp của izobutylen với các hợp chất hai nối đôi khác, chủ yếu là isopren. Cao su Butyl có ngoại quan màu trắng. Tính chất công nghệ và tính chất cơ lý của cao su Butyl phụ thuộc vào khối lƣợng phân tử và hàm lƣợng các mắc xích dạng di-en có trong mạch đại phân tử. Cao su Butyl là cao su có tính chịu nhiệt rất tốt, có tính đàn hồi tốt, bền với các tác dụng của môi trƣờng hóa học nên thƣờng sử dụng cho các sản phẩm chịu nhiệt nhƣ: cốt hơi, màng lƣu hóa, hoặc các thiết bị chịu nhiệt, acid, chịu kiềm. Cao su Butyl còn có khả năng thấm khí thấp nên thƣờng dùng trong sản xuất săm, các sản phẩm chứa khí khác. Độ bền khí hậu của cao su Butyl cao nên đƣợc sử dụng làm vật liệu bọc lót dây dẫn điện. Butyl còn có tính chịu va đập tốt nên thƣờng dùng cho các sản phẩm yêu cầu chống rung cao. Nhƣợc điểm chính của cao su butyl là tốc độ lƣu hóa chậm, chịu dầu mỡ kém, sức dính kém, không trộn lẫn đƣợc với các cao su thông dụng nhƣ NR, SBR, BR…Chính vì vậy mà cao su butyl thƣờng đƣợc halogen hóa để khắc phục các nhƣợc điểm trên. Có hai loại cao su halogen butyl là clorbutyl (Chloro Isobutylene Isoprene Rubber – CIIR) và brombutyl (Bromo Isobutylene Isoprene Rubber - BIIR). Cao su CIIR và BIIR vừa đảm bảo đƣợc độ thấm khí cao, vừa có khả năng tƣơng hợp với các loại cao su thông dụng 6 nhƣ NR, BR, SBR…. Trên thị trƣờng hiện nay có nhiều loại nhƣ CIIR 1068, CIIR 1066, BIIR 2222, BIIR2244,… 1.1.3. Chất độn Chất độn là chất đƣợc cho vào thành phần cao su để làm tăng tính năng cơ lý của sản phẩm hoặc giảm giá thành sản phẩm. Tùy thuộc vào bản chất của chất độn, khi phối trộn vào hỗn hợp cao su sẽ mang lại các tính chất sau: Tăng độ cứng và ứng lực định dãn (modul); tăng cƣờng lực kéo đứt, đặc biệt là đối với cao su tổng hợp; tăng tính năng chịu mài mòn; giảm tính co rút của sản phẩm sau khi lƣu hóa; cải thiện quá trình gia công; ngoại quan sản phẩm đẹp; hạ giá thành sản phẩm. Phụ thuộc vào ảnh hƣởng của chất độn đến tính năng cơ lý của sản phẩm, chất độn đƣợc chia làm hai loại là chất độn hoạt tính và chất độn trơ. Tùy thuộc vào loại cao su mà mỗi loại chất độn đều có một giới hạn về hàm lƣợng sử dụng, nếu tăng lƣợng chất độn vƣợt quá giới hạn thì sẽ làm giảm tính năng cơ lý của sản phẩm, từ đó làm giảm khả năng sử dụng của sản phẩm. Sự phân tán tốt chất độn làm tăng tính năng cơ lý của sản phẩm. Khi giảm kích thƣớc chất độn sẽ làm tăng diện tích bề mặt riêng và diện tích tiếp xúc của cao su và chất độn tăng lên dẫn đến sự phân tán tốt hơn. Tuy nhiên, khi kích thƣớc hạt quá nhỏ sẽ dẫn đến hiện tƣợng vón cục chất độn làm giảm khả năng phân tán và làm giảm tính năng cơ lý của sản phẩm. *Than đen Là chất độn khi đƣa vào hỗn hợp cao su thì làm tăng tính năng cơ lý, tính năng sử dụng của sản phẩm. Độ mịn của than đen càng cao thì hoạt tính càng lớn do diện tích tiếp xúc với cao su lớn, sản phẩm có độ cứng cao và tính năng cơ lý tốt. Mỗi loại than có đặc tính tăng cƣờng lực khác nhau, do đó tùy thuộc vào yêu cầu của từng loại sản phẩm mà chọn lựa loại than sử dụng cho phù hợp. Căn cứ vào hoạt tính của than đen mà chia thành hai loại là than đen hoạt tính và than đen bán hoạt tính. Than đen hoạt tính có tính chống mài mòn rất tốt, tăng lực kéo đứt, độ cứng cao hơn loại than bán hoạt tính. Tuy nhiên than hoạt tính dễ gây nên hiện tƣợng lƣu hóa sớm (tự lƣu) khi gia công do khả năng sinh nhiệt cao hơn. Vì vậy than hoạt tính đƣợc dùng trong các sản phẩm yêu cầu tính chống mài mòn cao hoặc làm việc trong môi trƣờng ma sát cao, than bán hoạt tính thƣờng dùng trong các hợp phần cao su dùng để cán tráng vải mành, ép đùn săm, hoặc bộ phận cần độ sinh nhiệt thấp. Trong ngành công nghiệp sản xuất cao su, thƣờng sử dụng các loại than đen có ký hiệu nhƣ N220, N234 (than hoạt tính) N550, N660 (than bán hoạt tính). Chữ số đầu tiên càng nhỏ thì đƣờng kính hạt càng nhỏ, diện tích bề mặt riêng càng lớn, khả năng bổ cƣờng càng cao. Ví dụ than N660 có diện tích bề mặt riêng (30 ÷ 40)x103 m2/kg; than N220 có diện tích bề mặt riêng (107 ÷ 121)x103 m2/kg.