Nghiên cứu chế tạo cao su Blend trên cơ sở cao su tái sinh và cao su thiên nhiên

Để nâng cao nguyên liệu cao su tái sinh, bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cao su thiên nhiên đến các tính chất cơ học, cấu trúc, hình thái và độ bền nhiệt của vật liệu. Bài viết nghiên cứu chế tạo cao su Blend trên cơ sở cao su tái sinh và cao su thiên nhiên

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CAO SU BLEND TRÊN CƠ SỞ CAO SU TÁI SINH VÀ CAO SU THIÊN NHIÊN Lê Thị Thúy Hằng Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Tóm tắt Để nâng cao nguyên liệu cao su tái sinh, báo nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng cao su thiên nhiên đến tính chất học, cấu trúc, hình thái độ bền nhiệt vật liệu Kết cho thấy, đặc tính vật liệu cải thiện hàm lượng cao su thiên nhiên tăng lên Do đó, để đáp ứng yêu cầu khách hàng đặc tính cao su tái sinh, người ta biến tính cao su tái sinh cao su thiên nhiên Từ khoá: Cao su tái sinh; Cao su thiên nhiên; Blend cao su tái sinh/cao su thiên nhiên Abstract Research for production of blend rubber on the basis of reclaimed rubber and natural rubber To improve the reclaimed rubber material, this paper study the effect of natural rubber content on the mechanical properties, morphology, structure and thermal stability of the material The results showed that the properties of the material improved as the natural rubber content increase Therefore, in order to meet customer’s requirements for the properties of reclaimed rubber, it can be modified reclaimed rubber with natural rubber Keywords: Reclaimed rubber; Natural rubber; Blend reclaimed rubber/natural rubber Mở đầu Ngày nay, số lượng phương tiện giao thông hạng nặng ngày tăng Những xe có nhiều bánh hơn, đó, việc sử dụng lốp tăng lên Chất liệu cao su làm lốp xe không phân hủy sinh học phải kỷ xuống cấp Trong đó, độ bền lốp xe hạng nặng vào khoảng đến năm phải thay [1] Do vậy, số lượng lốp phế liệu tăng lên hàng năm, dẫn đến ảnh hưởng tiêu cực mơi trường tồn hệ sinh thái Đôi khi, việc đổ bỏ lưu trữ lốp xe cũ nơi làm tăng sinh sản muỗi, côn trùng vi khuẩn Điều nguyên nhân gây bệnh truyền nhiễm người Vì vậy, ngành cơng nghiệp tô phải thực việc tái chế, tái sinh các sản phẩm cao su đã qua sử dụng Tái sinh q trình phá vỡ cấu trúc khơng gian cao su lưu hóa kỹ thuật nhiệt, hóa học học Trong hầu hết trường hợp, cao su tái sinh có độ dẻo thực tế tương đương với cao su nguyên chất khối lượng phân tử tính chất học thấp so với cao su nguyên chất [2] Do đó, nghiên cứu khuyến nghị sử dụng cao su tái sinh để cải thiện đặc tính vật liệu tổng hợp cao su [3] Đây bước đột phá công cải thiện việc sử dụng hiệu cao su tái sinh làm chất phụ gia cho cao su nguyên sinh, từ đó, tiết kiệm chi phí bảo tồn tài nguyên thiên nhiên môi trường [4 - 6] Như biết, bột cao su phế thải phối trộn với nhựa nhiệt dẻo [7 - 9], cao su nguyên sinh [10 - 12] Asphal [13] Những nỗ lực để cải thiện tính chất vật lý blend cao su tái sinh với cao su nguyên sinh thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu cao su Các loại blend cao su nguyên sinh với cao su tái sinh nghiên cứu [14 - 16] Cao su tái sinh sử dụng nguyên liệu thay cho cao su nguyên sinh nhiều hợp chất cao su, chúng làm giảm giá thành sản phẩm Trong phần này, nhằm nâng cao tính chất cho cao su tái sinh, tác giả nghiên cứu phối hợp cao su tái sinh với cao su nguyên sinh (cao su thiên nhiên) 238 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững Vật liệu phương pháp nghiên cứu 2.1 Vật liệu nghiên cứu Để thực nghiên cứu này, hóa chất sử dụng gồm: - Cao su tái sinh (CSTS): sản phẩm tái chế cao su phế thải phương pháp nhiệt hóa chất Phịng Phát triển cơng nghệ hóa học, Trung tâm Phát triển công nghệ cao, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam theo tài liệu [17] - Cao su thiên nhiên (CSTN) loại SVR 3L Công ty Cao su Việt Trung, Quảng Bình - Các phụ gia khác như: SiO2, chất xúc tiến D, DM, lưu huỳnh, kẽm oxit, phịng lão hóa chất cơng nghiệp phổ biến, sẵn có thị trường - Thành phần hàm lượng chất (tính theo phần khối lượng - pkl) hợp phần cao su blend sau: Bảng Thành phần hàm lượng chất hợp phần cao su blend STT Thành phần CSTS CSTN ZnO Axit stearic Phòng lão D Xúc tiến CZ Xúc tiến DM Lưu huỳnh Than đen Hàm lượng (pkl) 100 - 50 - 50 5,0 1,0 1,0 1,5 0,5 2,0 20 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Chế tạo mẫu vật liệu sở cao su tái sinh Chế tạo vật liệu CSTS/CSTN gồm 02 bước sau: - Bước 1: CSTN cán cắt mạch máy cán 02 trục thời gian phút Sau đó, cán trộn CSTN với CSTS phụ gia khác, thời gian trộn 15 phút - Bước 2: Tổ hợp vật liệu sau cán trộn xuất tấm, cho vào khn lưu hóa máy ép thủy lực nhiệt độ 145 ± 0C, áp suất kg/cm2, thời gian 20 phút Các thiết bị đặt Phòng polyme compozit thuộc Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam 2.2.4 Đánh giá chất lượng cao su tái sinh - Tính chất lý vật liệu xác định theo tiêu chuẩn hành Việt Nam (TCVN 4509 - 2006 độ bền kéo đứt, độ giãn dài đứt độ giãn dư; TCVN 1595 – : 2007 độ cứng) - Cấu trúc hình thái xác định phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), thực máy JMS 6490 hãng Jeol (Nhật Bản) - Độ bền nhiệt xác định phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng, thực máy phân tích nhiệt DTG-60H hãng Shimadzu (Nhật Bản), với tốc độ nâng nhiệt 10 0C/phút mơi trường khơng khí Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 239 Kết thảo luận 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng CSTN tới tính chất học vật liệu Để nâng cao tính chất vật liệu cao su tái sinh, nhóm nghiên cứu phối hợp CSTS với cao su thiên nhiên nguyên sinh Trong phần nghiên cứu này, khảo sát ảnh hưởng hàm lượng CSTN đến tính chất học vật liệu, với hàm lượng CSTN thay đổi từ đến 50 pkl mẫu Mẫu tạo thành đo tính chất học điều kiện Kết thu thể Bảng Bảng Ảnh hưởng hàm lượng CSTN tới tính chất blend CSTS/CSTN Tính chất hàm lượng CSTN (pkl) 10 20 30 40 50 Độ bền kéo đứt (MPa) 9,2 10,1 10,9 12,3 13,8 14,2 Độ giãn dài đứt (%) 457 489 507 538 556 583 Độ giãn dư (%) 8,3 12,4 16,6 18,2 16,3 14,6 Độ cứng (Shore A) 53,3 54,5 55,2 55,8 55,6 55,0 Kết Bảng cho thấy, cao su tái sinh phối hợp với cao su thiên nhiên nguyên sinh tính chất vật liệu cải thiện đáng kể Độ bền kéo đứt độ giãn dài đứt vật liệu tăng hàm lượng CSTN tăng Trong đó, độ cứng vật liệu có tăng tăng chậm hàm lượng CSTN tăng đến hàm lượng khoảng 40 pkl độ cứng khơng tăng mà có xu hướng lại giảm, độ cứng CSTN thấp so với CSTS Độ giãn dư vật liệu lúc đầu tăng (trong khoảng hàm lượng CSTN đến 30 pkl), sau lại giảm Điều chứng tỏ, phối trộn thêm CSTN với CSTS làm cho vật liệu có độ đàn hồi tốt 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng CSTN tới cấu trúc hình thái vật liệu Để nghiên cứu ảnh hưởng cao su thiên nhiên tới cấu trúc hình thái vật liệu, chúng tơi sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để chụp bề mặt cắt vật liệu Dưới số ảnh chụp (bằng kính hiển vi điện tử quét) bề mặt cắt số mẫu vật liệu CSTS/CSTN Hình 1: Ảnh SEM bề mặt cắt mẫu vật liệu CSTS 240 Hình 2: Ảnh SEM bề mặt cắt mẫu vật liệu CSTS/CSTN (70/30) Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ mơi trường phát triển bền vững Hình 3: Ảnh SEM bề mặt cắt mẫu vật liệu CSTS/CSTN (50/50) Nhận thấy mẫu có thêm cao su thiên nhiên cấu tử phân tán vào cách đặn liên kết với cách chặt chẽ so với mẫu vật liệu có cao su tái sinh Khi hàm lượng CSTN cao cấu trúc hình thái vật liệu chặt chẽ, khả bám dính bề mặt tốt Điều chứng tỏ, CSTN làm tăng tính chất học cho vật liệu cao su tái sinh phần giới thiệu 3.3 Ảnh hưởng CSTN tới độ bền nhiệt vật liệu Để khảo sát ảnh hưởng CSTN tới khả ổn định nhiệt vật liệu CSTS, thực phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), máy phân tích nhiệt DTG-60H Trên biểu đồ TGA số mẫu vật liệu tiêu biểu Hình 4: Biểu đồ TGA mẫu vật liệu cao su tái sinh Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 241 Hình 5: Biểu đồ TGA mẫu vật liệu CSTS/CSTN (50/50) Kết Hình cho thấy, mẫu vật liệu CSTS xuất pic tù rộng, từ khoảng 360 0C 460 0C có pic phân huỷ mạnh 420,39 0C Vì cao su tái sinh tạo từ lốp xe phế thải với thành phần Polyme, cao su thiên nhiên (CSTN) cao su Styren butadien (SBR) Khi CSTS biến tính thêm CSTN, giản đồ phân tích nhiệt xuất pic tù rộng nhiệt độ phân hủy mạnh giảm xuống 375,06 0C (vẫn nằm khoảng 360 0C - 460 0C) Điều cho thấy, CSTN không làm hưởng nhiều đến tính chất nhiệt vật liệu mà làm cho cấu trúc vật liệu chặt chẽ hơn, dẫn đến tính học vật liệu tăng Kết luận Việc sử dụng cao su thiên nhiên nguyên sinh để biến tính cao su tái sinh cho thấy, CSTN cải thiện đáng kể tính chất học vật lý cho vật liệu cao su tái sinh CSTN góp phần làm cấu trúc hình thái vật liệu chặt chẽ CSTN khơng ảnh hưởng nhiều đến tính chất nhiệt vật liệu Chính vậy, để đáp ứng u cầu khách hàng tính chất cao su tái sinh việc phối hợp cao su tái sinh với cao su thiên nhiên cần thiết TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Godwin Barnabas, K Arun Vasantha Geethan & M Venkatesh Perumal (2021) Recycling of waste crumb rubber into a commercial materials Journal of Rubber Research DOI:10.1007/s42464-02100103-w [2] Riyapan D, Riyajan SA, Kowakzyk A (2015) Green synthesis and characterization of a maleated epoxidized natural rubber latex Polym Bull., 72, 671 - 691 [3] Triphathy AR, Morin JE, Williams DE, Eyles SJ, Farri RJ (2002) A novel approach to improving the mechanical properties in recycled vulcanized natural rubber and its mechanism Macromol., 35, 4616 4627 [4] Abraham E, Cherian BM, Elbi PA, Pothen LA, Thomas S (2011) Recent advances in the recycling of 242 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững rubber waste Fainleib A, Grigoryeva O (eds.) Recent Developments in Polymer Recycling, Transworld Research Network, India, 47 - 100 [5] Varga CS, Palotas L, Mikolczi N, Bartha L (2010) Modification of the mechanical properties of rubbers by introducing recycled rubber into the original mixture Global Nest J., 12, 352 - 358 [6] Adhikari B, Dej D, Maiti S (2000) Reclamation and recycling of waste rubber Progres Polym Sci., 25, 909 [7] Ali Fazli, Denis Rodrigue (2020) Waste rubber recycling: A review on the evolution and properties of thermoplastic elastomers Materials, 13(3), 782 [8] M Awang, H Ismail and M A Hazizan (2008) Processing and properties of polypropylene-latex modified waste tyre dust blends (PP/WTDML) Polymer Testing, 27, 93 - 99 [9] M Awang, H Ismail and M A Hazizan (2007) Polypropylene-based blends containing waste tire dust: Effects of trans-polyoctylene rubber (TOR) and dynamic vulcanization Polymer Testing, 26, 779 787 [10] M M Hassan, G A Mahmood, H H El-Nahas and E A Hegazy (2007) Reinforced material from reclaimed rubber/natural rubber, using electron beam and thermal treatment Journal of Applied Polymer Science, 04, 2569 - 2578 [11] D S Ogunniyi and M Mureyani (2001) Properties of rubber compounds containing powdered vulcanized waste Iranian Polymer Journal, 10, 149 - 155 [12] S W Kim, K H Hong and K H Seo (2003) Effects of ground rubber having different curing systems on the crosslink structures and physical properties of NR vulcanizates, Journal of Material Research Innovation, 7, 149 - 154 [13] M A Mull, K Stuart and A Yehia (2002) Chemically modified crumb rubber effects on rubberized asphalt properties Journal of Material Science, 37, 557 - 566 [14] X X Zhang, C H Lu and M Liang (2007) Preparation of rubber composites from ground tire rubber reinforced with waste-tire fiber through mechanical millin Journal of Applied Polymer Science, 103, 4087 - 4094 [15] N Sombatsompop and C Kumnuantip (2006) Comparison of physical and mechanical properties of NR/carbon black/reclaimed rubber blends vulcanized by conventional thermal and microwave irradiation methods Journal of Applied Polymer Science, 100, 5039 - 5048 [16] T D Sreeja and S K N Kutty (2000) Cure characteristics and mechanical properties of natural rubber/reclaimed rubber blends Polymer - Plastic Technology and Engineering, 39, 501 - 512 [17] Đỗ Trung Sỹ, Lê Thị Thúy Hằng, Lương Như Hải, Lưu Đức Hùng, Đỗ Quang Kháng (2013) Nghiên cứu tái sinh bột cao su phế thải với tác nhân khử lưu hóa diphenyl disulfit Tạp chí Hóa học, 51(6ABC), 254 - 258 Ngày chấp nhận đăng: 10/11/2021 Người phản biện: TS Vũ Thị Thu Hà Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 243 ... pháp nghiên cứu 2.1 Vật liệu nghiên cứu Để thực nghiên cứu này, hóa chất sử dụng gồm: - Cao su tái sinh (CSTS): sản phẩm tái chế cao su phế thải phương pháp nhiệt hóa chất Phịng Phát triển cơng... tới tính chất học vật liệu Để nâng cao tính chất vật liệu cao su tái sinh, nhóm nghiên cứu phối hợp CSTS với cao su thiên nhiên nguyên sinh Trong phần nghiên cứu này, khảo sát ảnh hưởng hàm lượng... tăng Kết luận Việc sử dụng cao su thiên nhiên nguyên sinh để biến tính cao su tái sinh cho thấy, CSTN cải thiện đáng kể tính chất học vật lý cho vật liệu cao su tái sinh CSTN góp phần làm cấu