T R Ầ N V IẾ T T IỆ P BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN VIẾT TIỆP K Ỹ T H U Ậ T H Ó A H Ọ C NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CAO SU CHỐNG RUNG TRÊN CƠ SỞ CAO SU THIÊN NHIÊN LUẬN VĂN THẠC S[.]
Trang 1NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CAO SU CHỐNG RUNG
TRÊN CƠ SỞ CAO SU THIÊN NHIÊN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT HÓA HỌC
Trang 2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
- TRẦN VIẾT TIỆP
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CAO SU CHỐNG RUNG
TRÊN CƠ SỞ CAO SU THIÊN NHIÊN
Chuyên ngành : KỸ THUẬT HÓA HỌC
Trang 3i
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn đến TS Đặng Việt Hưng đã nhiệt tình, hướng dẫn
và chỉ bảo em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này Em cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô đang công tác tại trung tâm
giúp đỡ, thảo luận, đóng góp ý kiến quý báu để cho em có thể hoàn thành được luận văn này
-2018
Hà nội, 02
Học viên
Trần Viết Tiệp
Trang 4ii
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC BẢNG v
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ vii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT x
MỞ ĐẦU 1
Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam 2
Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận văn 4
Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5
1.1.Cao su tự nhiên (CSTN) 5
1.1.1.Lịch sử phát triển 5
1.1.2.Thành phần và cấu tạo của cao su tự nhiên 6
1.1.3.Tính chất cơ lý của CSTN 7
1.1.4.Tính chất hóa học CSTN 8
1.1.5.Tính công nghệ CSTN 9
1.1.6.Ứng dụng CSTN 9
1.2 Kết cấu chống rung 9
1.2.1.Các vật liệu chống rung 9
1.2.1.1.Kim loại 10
1.2.1.2.Polyme 11
1.2.1.3.Ceramic 11
1.2.2.So sánh giữa các vật liệu 11
1.3.Vật liệu chống rung trên cơ sở cao su 12
1.3.1.Ảnh hưởng của loại cao su 14
1.3.2.Ảnh hưởng của hệ xúc tiến 16
1.4.3.Ảnh hưởng của chất độn 17
1.3.4.Ảnh hưởng của chất hóa dẻo 19
1.4.Một số đặc điểm về tính chất cơ học của cao su trong KCCR 20
1.4.1.Độ đàn hồi 21
Trang 5iii
1.4.2.Modun đàn hồi (E), modun trượt (G) 21
1.4.3.Độ rão 22
1.4.4.Modun đàn hồi động (Ed), độ cứng động (Td) 22
1.5.Kết cấu chống rung cao su trong phương tiện đường sắt 24
CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27 2.1 Hóa chất và thiết bị 27
2.1.1 Hóa chất 27
2.1.2 Thiết bị 27
2.2 Phương pháp chế tạo mẫu 28
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30
3.1.Đặc trưng lưu hóa của cao su 30
3.1.1.Ảnh hưởng silica và silica biến tính silan 32
3.1.2.Ảnh hưởng của oxit sắt từ 38
3.1.3.Ảnh hưởng Blend NR/CR 43
3.2.Các thông số ảnh hưởng đến tính chất cơ lý cao su 49
3.2.1.Ảnh hưởng của độ nhớt mooney 49
3.2.3.Ảnh hưởng của loại than 52
3.2.4.Ảnh hưởng của nhựa đường 53
3.2.5.Ảnh hưởng của loại silica 54
3.2.5.1.Ảnh hưởng đến độ trương nở trong dung môi 54
3.2.5.2.Ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật liệu 55
3.2.5.3.Ảnh hưởng lên biến dạng nén dư 56
3.2.6.Ảnh hưởng của thời gian hỗn luyện 57
3.2.7 Ảnh hưởng của bari ferit 58
3.2.8.Ảnh hưởng của loại xúc tiến 59
3.3 Tính chất lão hóa nhiệt và tải trọng động 61
3.3.1.Tính chất cơ lý và hiệu ứng mullin 62
3.3.2 Sự hình thành và phát triển vết nứt 68
3.3.2.1 Hình thành và phát triển vết nứt của mẫu cao su chứa than đen 68
3.3.2.2 Hình thành và phát triển vết nứt của cao su chứa silica 71
Trang 6iv
3.3.2.3 Hình thành và phát triển vết nứt của cao su chứa bari ferit 75
3.4.Các tính chất tổng hợp 77
K T LU N Ế Ậ 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO 81
PHỤ LỤC 87
Trang 7v
Trang
B ng 1.1: Tính chả ất cơ lý của cao su t nhiên 7ự
B ng 1.2: H s t t rung c a m t s ả ệ ố ắ ủ ộ ố loại cao su 15
B ng 1.3: ả Ảnh hưởng hàm lượng mica đến kh ả năng chống rung c a cao su butyl.ủ
18
B ng 1.4: ả Ảnh hưởng hàm lượng hóa dẻo đến kh ả năng chống rung c a cao su 20ủ
B ng 1.5: Các tính chả ất cơ bản c a m t s ủ ộ ố loại cao su dùng trong k ỹ thuật đường
s t 25ắ
Bảng 2.1: Đơn chế ạ t o h p ph n cao su 28ợ ầ
B ng 3.1:Các thông s ả ố đặc trưng lưu hóa của cao su thiên nhiên và cao su thiên nhiên ch a silica, silica bi n tính 33ứ ế
B ng 3.2: Bả ảng năng lượng ho t hóa c a m u cao su thiên nhiên (NR)và có s ạ ủ ẫ ử
d ng, silica không bi n tính (NR + SiKBT) và silica bi n tính (NR + SiBT) 38ụ ế ế
B ng 3.3: B ng th ng kê thông s ả ả ố ố lưu hóa của m u cao su s d ng oxit s t Feẫ ử ụ ắ 3O4 42
B ng 3.4: Bả ảng năng lượng ho t hóa c a m u NR ch a oxit s 42ạ ủ ẫ ứ ắt.
B ng 3.5: B ng th ng kê thông s ả ả ố ố lưu hóa của m u cao su s d ng blend NR/CR 47ẫ ử ụ
B ng 3.6: Thông s ả ố lưu hóa của m u blend NR/CR 48ẫ
B ng 3.7: Tính chả ất cơ lý của m u cao su t ẫ ờ và cao su sơ luyện 50
B ng 3.8: B ng các tính chả ả ất cơ lý của m u cao su s dẫ ử ụng hàm lượng d u khác ầ
nhau 51
B ng 3.9: B ng các tính chả ả ất cơ lý của m u cao su s d ng than N330 và N660 52ẫ ử ụ
B ng 3.10: B ng các tính chả ả ất cơ lý của m u cao su s d ng nhẫ ử ụ ựa đường và không
B ng 3.13: ả Ảnh hưởng c a các lo i silica lên bi n dủ ạ ế ạng nén dư. 56
B ng 3.14: B ng các tính chả ả ất cơ lý của m u cao su v i th i gian h n luy n khác ẫ ớ ờ ỗ ệ
Trang 8vi
B ng 3.17: B ng các tính chả ả ất cơ lý của m u cao su v i xúc ti n khác nhau 60ẫ ớ ế
B ng 3.18:Tính chả ất cơ lý sau tác động c a tủ ải trọng chu k nhiỳ ở ệt độ phòng 63
B ng 3.19: Tính chả ất cơ lý sau tác động c a t i tr ng chu k nhiủ ả ọ ỳ ở ệt độ 70 oC thời
Trang 9vii
Trang
Hình 1.1: Sản lượng CSTN trên th gi i 6ế ớ
Hình 1.2: Cấ u trúc hóa h c củ ọ a cao su t nhiên 7 ự
Hình 1.3:V t li u cao su t tính cậ ệ ừ ấu trúc đồng nh t (a) và cấ ấu trúc không đồng
nh t (b) 19ấ
Hình 1.4: Sự ph thu c Eụ ộ d/E vào độ ứ c ng cao su [48] 22
Hình 1.5: Đường ph thu c t i tr ng bi n dụ ộ ả ọ – ế ạng động và tĩnh của cao su 23
Hình 2.1:Thiết bị đo mỏ ộ i đ ng ZL3006A 28 Hình 3.1:Đường cong lưu hóa của m u cao su thiên nhiên (NR) và có s d ng, ẫ ử ụ
silica không biến tính (NR + SiKBT) và silica bi n tính (NR + SiBT) 34 ế Hình 3.2:Đường cong lưu hóa của m u cao su thiên nhiên (NR) và có s d ng, ẫ ử ụ
silica không bi n tính (NR + SiKBT) và silica biế ến tính (NR + SiBT) đã chuẩn hóa 34
Hình 3.3: Đường cong lưu hóa của m u cao su thiên nhiên (NR) các nhiẫ ở ệt độ
khác nhau 35
Hình 3.4: Đường cong lưu hóa của mẫu cao su thiên nhiên đã chuẩn hóa các ở
nhiệ ộ t đ khác nhau 35
Hình 3.5: Đường cong lưu hóa của m u cao su thiên nhiên (NR) s d ng silica ẫ ử ụ
không biến tính (NR + SiKBT) 36
Hình 3.6:Đường cong lưu hóa của m u cao su thiên nhiên (NR) s d ng silica ẫ ử ụ
không biến tính (NR + SiKBT) đã chuẩn hóa 36
Hình 3.7: Đường cong lưu hóa của m u cao su thiên nhiên (NR) s d ng silica biẫ ử ụ ến
tính (NR + SiBT) 37
Hình 3.8: Đường cong lưu hóa của m u cao su thiên nhiên (NR) và có s d ng, ẫ ử ụ
silica biến tính đã chuẩ n hóa các nhi t đ khác nhau 37 ở ệ ộ Hình 3.9: Đường cong lưu hóa của m u cao su s d ng 1pkl ôxit s t các nhiẫ ử ụ ắ ở ệt độ
khác nhau 39
Hình 3.10: Đường cong lưu hóa đã chuẩn hóa c a m u cao su s d ng 1pkl ôxit s t ủ ẫ ử ụ ắ
ở các nhi t đ khác nhau 39 ệ ộ Hình 3.11: Đường cong lưu hóa của m u cao su s d ng 3pkl ôxit s t các nhi t ẫ ử ụ ắ ở ệ
độ khác nhau 40 Hình 3.12: Đường cong lưu hóa đã chuẩn hóa c a m u cao su s d ng 3pkl ôxit s t ủ ẫ ử ụ ắ
ở các nhi t đ khác nhau 40 ệ ộ Hình 3.13: Đường cong lưu hóa của m u cao su s d ng 5pkl ôxit s t các nhi t ẫ ử ụ ắ ở ệ
độ khác nhau 41
Trang 10viii
Hình 3.14: Đường cong lưu hóa đã chuẩn hóa c a m u cao su s d ng 5pkl ôxit s t ủ ẫ ử ụ ắ
đã chuẩ n hóa các nhi t đ khác nhau 41 ở ệ ộ
5pkl CR tại nhiệ ộ t đ khác nhau 45
nhiệ ộ t đ khác nhau 45
Hình 3.20: Đường cong lưu hóa đã chuẩn hóa c a m u blend NR/CR v i hàm ủ ẫ ớ
lư ợng 7pkl CR các nhiở ệ t đ ộ khác nhau 46
các nhiệ ộ t đ khác nhau 46 Hình 3.22: Đường cong lưu hóa đã chuẩn hóa c a m u blend NR/CR v i hàm ủ ẫ ớ
lư ợng 10pkl CR các nhiở ệ t đ ộ khác nhau 47 Hình 3.23: Đồ ị th khảo sát độ nh t mooney c a m u cao su t ớ ủ ẫ ờ và cao su sơ luyệ ởn
không biến tính 54
Hình 3.29: Đồ ị th dãn dài- ng su t c a các m u cao su theo lo i silica bi n tính và ứ ấ ủ ẫ ạ ế
không biến tính 55
Hình 3.30: Đồ ị th dãn dài- ng su t ứ ấ ảnh hưởng c a th i gian h n luy n 57 ủ ờ ỗ ệ
Hình 3.31: Đồ thị dãn dài- ng su t c a các mứ ấ ủ ẫu cao su theo hàm lượng bari ferit khác nhau 58
Hình 3.32: Đồ ị th dãn dài- ng su t ứ ấ ảnh hưởng c a lo i xúc ti n 60 ủ ạ ế Hình 3.33: Đồ ị th dãn dài- ng su t m u cao su không già hóa và th m i 65 ứ ấ ẫ ử độ ỏ Hình 3.34: Đồ th dãn dài- ng su t c a mị ứ ấ ủ ẫu cao su được già hóa t i 70ạ oC trong 22h và th m 66ử độ ỏi.
Trang 11ix
Hình 3.35: Đồ th dãn dài- ng su t c a mị ứ ấ ủ ẫu cao su được già hóa t i 70 ạ oC trong 44h và th m 66ử độ ỏi Hình 3.36: Đồ ị th dãn dài- ng su t c a mứ ấ ủ ẫu cao su được già hóa trong 88h và th ử
độ ỏ m i 67
Hình 3.37: Đồ ị th dãn dài- ng su t c a mứ ấ ủ ẫu cao su được già hóa t i 110 ạ oC trong 44h và th m 67ử độ ỏi.
Hình 3.38: S hình thành và phát tri n v t nự ể ế ứt của m u cao su s d ng than sau khi ẫ ử ụ
lão hóa ở 70oC trong 96h sau 4000 chu k 68ỳ
Hình 3.39: S hình thành và phát tri n v t nự ể ế ứt của m u cao su s d ng than sau khi ẫ ử ụ
lão hóa ở 70oC trong 96h sau 8000 chu k 69ỳ
Hình 3.40: S hình thành và phát tri n v t nự ể ế ứt của m u cao su s d ng than sau khi ẫ ử ụ
lão hóa ở 70oC trong 96h sau 10000 chu k (mép ngoài) 69ỳ
Hình 3.41: S hình thành và phát tri n v t nự ể ế ứt của m u cao su s d ng than sau khi ẫ ử ụ
lão hóa ở 70oC trong 96h sau 15000 chu k (mép ngoài) 70ỳ
Hình 3.42: S hình thành và phát tri n v t nự ể ế ứt của m u cao su s d ng than sau khi ẫ ử ụ
lão hóa ở 70oC trong 96h sau 10000 chu k (mép trong) 70ỳ
Hình 3.43: S hình thành và phát tri n v t nự ể ế ứt của m u cao su s d ng than sau khi ẫ ử ụ
lão hóa ở 70oC trong 96h sau 15000 chu kỳ(mép trong). 71Hình 3.44: Các v t n t c a cao su thiên nhiên không ch a silica các v trí khác ế ứ ủ ứ ở ị
nhau 72
Hình 3.45: Các vế ứt n t cao su thiên nhiên s d ng SiKBT t i 20000 chu k 72 ử ụ ạ ỳ
Hình 3.46: Các vế ứt n t cao su thiên nhiên s d ng SiBT t i 20000 chu k 73ử ụ ạ ỳ
Hình 3.47: Các v t n t cao su thiên nhiên s d ng ế ứ ử ụ SiKBT khi đứt ở 22670 chu k ỳ
73 Hình 3.48: Các v t n t cao su thiên nhiên s dế ứ ử ụng SiBT khi đứt ở 26910 chu k 74ỳ
Hình 3.49: Các vế ứ ủt n t c a cao su thiên nhiên có silica bi n tính 18000 chu k 74 ế ở ỳ
Hình 3.50: Các vế ứ ủt n t c a cao su thiên nhiên có silica bi n tính 26910 chu k 75 ế ở ỳ
Hình 3.51: Các vế ứ ủt n t c a cao su thiên nhiên có bari ferit 1pkl 76
Hình 3.52: Các vế ứ ủt n t c a cao su thiên nhiên có bari ferit 3pkl 76
Hình 3.53: Các vế ứ ủt n t c a cao su thiên nhiên có bari ferit 5pkl 77 Hình 3.54: Biểu đồ rada t ng h p các tính ch t c a cao su thổ ợ ấ ủ iên nhiên trong đơn
chế ạ t o cao su ch ng rung 77 ố
Trang 12DSC Differential Scanning Calorimetry
DMTA Dynamic Mechanical Thermal Analysis
Trang 14mở rộng phạm vi sử dụng của nó
Ngày nay, cao su chống rung, giảm chấn là những vật liệu vô cùng quan trọng để đảm bảo cho các loại máy móc, thiết bị hoạt động tốt không gây tiếng ồn, giảm sự hỏng hóc, duy trì khả khả năng làm việc máy móc hay để hỗ trợ và cô lập các cấu trúc thượng tầng từ rung động giao thông và chuyển động địa chấn Gần đây, chúng cũng được sử dụng làm hệ thống cách ly cơ sở để bảo vệ cấu trúc các hệ thống xây dựng trên quy mô lớn khỏi các trận động đất ở Nhật Bản, Hoa Kỳ và Trung Quốc[10], [16],[35 ]
Việt Nam là nước xuất khẩu cao su tự nhiên lớn trên thế giới, tuy nhiên chỉ là cao su sơ chế có giá trị kinh tế thấp, chính vì vậy vẫn chưa thể phát huy hết tiềm năng nguyên liệu cao su tự nhiên Việt Nam Các sản phẩm cao su kỹ thuật có giá thành cao thì chúng ta vẫn phải nhập từ nước ngoài Từ thực tế đó, em đã lựa chọn
đề tài: “Nghiên cứu chế tạo cao su chống rung trên cơ sở cao su thiên nhiên làm ”
đề tài cho luận văn của mình
Trang 152
Tình hình nghiên c u trên th giứ ế ới và Việt Nam
Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về các vật liệu chống rung giảm chấn Tuy nhiên chỉ có cao su là có khả năng chống rung và tắt rung ưu việt nhất
Năm 1985, M Abdulhadi, Irbid[25]đã coi 1 khối cao su hình trụ có hệ số giảm chấn nhớt Ceq là tương đương với 1 lò xo có độ cứng K và thông qua mô hình toán học đã xây dựng phương trình dẫn nhiệt mô tả trường nhiệt độ bên trong mẫu cao
su Sau khi tiến hành đo nhiệt độ các vị trí khác nhau trong mẫu cao su đã rất đã kết luận rằng mô hình toán học của cao su có độ tin cậy cao, và nhiều nhà khoa học đã
sử dụng các mô hình toán học và công cụ mô phỏng để phân tích và kiểm soát rung động, phân tích phương thức, theo dõi điều kiện và sửa đổi cấu trúc động[51],[27],[31 41],[ ]
Tác giả David Frankovich cũng có quan điểm giống với M Abdulhadi và ông
đã xác định được công thức xác định hệ số đàn hồi K của vật liệu cao su có hình dạng khác nhau Khả năng chống rung của vật liệu còn phụ thuộc vào hệ số hình dạng do cao su không bị nén, nên khi đặt tải trọng lên sẽ bị xô lệch cấu trúc[18 ].Năm 2001, D.D.L Chung đã nghiên cứu về những vật liệu chống rung bằng kim loại, polyme, ceramic và compozit [17] Các kết quả cho thấy cao su neoprene
có khả năng tắt rung cao nhất (giá trị tan ) vượt trội nhưng mô đun tích trữ và mô đun tổn hao của nó lại thuộc hàng thấp nhất
Năm 2011, Der-Ho Wu và Hsun-Heng Tsai [19] đã tìm ra phương pháp chế tạo hệ cao su thiên nhiên phối hợp với cacbon nanotube đa tường có khả năng chống rung cao Đến năm 2014, Xun Lu, Xujun Li và Min Tian đã tạo ra được hỗn hợp cao su blend có khả năng giảm xóc chống rung trong dải nhiệt độ và tần số cao [49].Cũng trong năm 2011, nhóm tác giả Xing Zhou, Youyi Sun, Yong Jiang, Yaqing Liu, Guizhe Zhao[48]đã đưa các hạt oxit sắt từ dưới dạng nano vào trong
Trang 16Năm 2017, Eunsoo Choi, Heejung Youn, Kyoungsoo Park, Jong-Su Jeon
đã thử nghiệm độ rung của lò xo cao su nén trước và bộ giảm chấn thông minh[21 ]
Hệ thống trên bao gồm vật liệu là cao su trên cơ sở polyuretan và cơ cấu thép Mô hình thử nghiệm này khẳng định có khả năng chống được động đất, mở ra một ý nghĩa to lớn trong lĩnh vực xây dựng
Tình hình nghiên cứu trong nước
Đối với Việt Nam, việc nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu và sản phẩm cao su kỹ thuật trên cơ sở cao su thiên nhiên, cao su blend đã được thực hiện trong vài năm gần đây Năm 2014, Phạm Như Hoàn đã [7] nghiên cứu thành công sản phẩm đệm chống rung trên cơ sở cao su butadiene nitril (NBR), làm việc trong điều kiện chịu nén liên tục
Năm 2015, Tác giả Bùi Chương Đặng Việt Hưng và các cộng sự[2] sử dụngqui hoạch thực nghiệm và phần mềm phân tích phương sai để nghiên cứu sự ảnh hưởng của hệ lưu hóa đến tính chất blend NR/NBR Kết quả chỉ ra được sự ảnh hưởng của hệ lưu hóa đến thời gian lưu hóa tối ưu, độ bền kéo, độ dãn dài, độ trương nở
Cũng trong những nghiên cứu về cao su chống rung nói trên, Đặng Việt Hưng và các cộng sự đã nghiên cứu các đặc trưng và tính chất cơ học động của blend NR/NBR[3] Kết quả cũng cho thấy chất độn ảnh hưởng chủ yếu đến mô đun tổn hao của NBR nhưng lại ảnh hưởng chủ yếu đến tan trong pha NR
Trang 174
Mục đích nghiên cứu, đố i tư ợng, ph m vi nghiên cạ ứu của luận văn
Mục đích nghiên cứu: Chế tạo được cao su có khả năng tắt rung dưới tải trọng lớn
trên cơ sở cao su thiên nhiên
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận văn: Để thực hiện mục tiêu trên, đã lựa
chọn đối tượng nghiên cứu là:
1 Nghiên cứu chế độ lưu hóa cao su NR, xác định các đặc trưng lưu hóa, xây
dựng chế độ lưu hóa tối ưu
2 Ảnh hưởng của các cấu tử trong đơn (chất độn, hóa dẻo, hệ xúc tiến lưu hóa)
đến tính chất công nghệ, tính chất cơ học tĩnh và từ đó tối ưu hóa đơn pha chế
3 Khảo sát các tính chất sử dụng của cao su NR
- Hệ số lão hóa nhiệt (độ bền kéo, dãn dài, độ cứng shore A)
- Một số tính chất cơ học: độ cứng nén, mô đun nén, độ hồi phục
- Khả năng chịu mỏi
Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ ản và đóng góp mới củ b a tác gi ả
Khảo sát các đặc trưng của cao su tự nhiên bao gồm: cơ lý, nhiệt và đặc
trưng lưu hóa, các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính cao su như độ nhớt
mooney, hàm lượng than, hàm lượng dầu hóa dẻo, silica, oxit sắt từ, bari
ferit, ảnh hưởng của loại xúc tiến
Khảo sát tính chất lão hóa nhiệt và tải trọng động
Sử dụng các công cụ mô phỏng để tính được năng lượng hoạt hóa và bậc
phản ứng
Kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu cao su thiên nhiên
chống rung, giảm chấn với các lĩnh vực khoa học khác như cơ khí, giao
thông, điện tử… Nhằm đưa đề tài ứng dụng thành công trong thực tế ở Việt
Nam
Trang 185
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.Cao su t nhiên (CSTN) ự
1.1.1.L ch s phát triị ử ển[ ],24 [40]
Các nền văn hoá bản xứ của Mesoamerica là những nơi đầu tiên sử dụng cao
su Mủ cao su tự nhiên chiết xuất từ cây Para sử dụng trong việc tạo ra quả bóng ném Mesoamerican Các nền văn hoá Aztec và Maya sau đó đã bắt đầu sử dụng cao
su với nhiều mục đích khác nhau như sản xuất hàng dệt may và đồ chứa không thấm nước Năm 1770, Joseph Priestley phát hiện ra rằng cao su có thể được sử dụng để chà dấu hiệu bút chì trên giấy Dần dần, các ứng dụng khác của cao su đã được phát hiện, và việc sử dụng nó đã trở nên phổ biến khắp Châu Âu
Khi việc sử dụng các sản phẩm cao su đã trở nên phổ biến hơn, một khiếm khuyết đáng kể đã được nhận ra: ở nhiệt độ thấp, chúng trở nên cứng và mất độ đàn hồi, trong khi ở nhiệt độ cao chúng trở nên quá mềm để giữ nguyên hình dạng ban đầu Năm 1839, Charles Goodyear phát hiện quá trình lưu hóa Điều này bao gồm một liên kết chéo của các phân tử cao su với lưu huỳnh để tạo ra cấu trúc mạng không gian ba chiều và ổn định Kết quả của quá trình này, cao su thiên nhiên đã trở thành một nguồn lực quan trọng về công nghiệp và là một vật liệu không thể thiếu trong thời kỳ chiến tranh Từ chiến tranh thế giới thứ 2 bùng nổ, cao su nhân tạo đã được tạo ra tuy nhiên cao su tự nhiên vẫn được sử dụng cho nhiều ứng dụng và nhu cầu sử dụng ngày càng lớn
Trang 196
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 0
2000 4000 6000 8000 10000 12000
Hình 1.1: Sản lượng CSTN trên th gi i[32ế ớ ]
1.1.2.Thành ph n và cầ ấu tạo c a cao su t nhiên ủ ự
Tùy thuộc vào các yếu tố như: phương pháp sản xuất, tuổi của cây cao su, cấu tạo thổ nhưỡng khí hậu nơi cây sinh trưởng, phát triển và mùa khai thác mủ cao su
mà CSTN có thành phần khác nhau[5],[6 ]
Thành phần hóa học các chất được trính ly bằng axeton bao gồm: 5,51% axit béo (axit oleic, axit stearic) giữ vai trò làm trợ xúc tiến cho quá trình lưu hóa Axit béo trong cao su tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, 3% là este của các axit béo, 7% là glucozit Phần còn lại là các axit amin béo và các hợp chất photpho hữu cơ 0,08% đến 0,16% các hợp chất hữu cơ kiềm tính: C17H42O3 và C20H30O Những hợp chất này có khả năng chống lại phản ứng oxi hóa mạch hydrocacbon và giữ vai trò chất phòng lão tự nhiên cho cao su Các chất chứa nitơ trong cao su thiên nhiên gồm protein và các sản phẩm phân hủy protein là các axit amin Protein làm giảm tính năng kĩ thuật của cao su vì tăng tính năng hút ẩm và giảm tính cách điện của cao su Ngoài ra trong cao su thiên nhiên còn một số thành phần khác như: chất khoáng, chất tro của quá trình thiêu kết polyme[29 ]
Cao su thiên nhiên là polyisopren mà mạch đại phân tử của nó được hình thành
từ các mắt xích cis isopenten đồng phân liên kết với nhau ở vị trí 1,4
Trang 207
Hình 1.2: C u trúc hóa hấ ọc của cao su t nhiên.ự
Ngoài các mắt xích isopren, đồng phân 1,4-cis trong cao su thiên nhiên còn có khoảng 2% các mắt xích isopenten tham gia vào hình thành mạch phân tử ở vị trí 3,4
1.1.3.Tính chất cơ lý của CSTN
Cao su thiên nhiên ở nhiệt độ thấp có cấu trúc tinh thể Vận tốc kết tinh lớn nhất đƣợc xác định ở nhiệt độ -250 oC Cao su thiên nhiên kết tinh có biểu hiện rõ ràng lên bề mặt: độ cứng tăng, bề mặt vật liệu mờ (không trong suốt)
Bảng 1.1: Tính chất cơ lý của cao su t nhiên.ự
Khối lƣợng riêng (kg/m3) 913 Nhiệt độ hóa thủy tinh (0C) -70
Hệ số giãn nỡ thể tích (dm3/0C) 656.10-4 Nhiệt dẫn riêng (W/m.0K) 1,4 Nhiệt dung riêng (kJ/Kg.0K) 1,88 Nữa chu kỳ kết tinh ở -250C (h) 2 4 –Thẩm thấu điện môi ở tần số dao
Tan của góc tổn thất điện môi 1,6.10-3
Điện trở riêng (Ω.m)
Crep trắng 5.10
12
Crep hong khói
3.1012
Trang 218
Cao su thiên nhiên tinh thể nóng chảy ở nhiệt độ 400 oC Quá trình nóng chảy các cấu trúc tinh thể của cao su thiên nhiên xảy ra cùng với hiện tượng hấp thụ nhiệt Ở nhiệt độ 200 oC đến 300 oC cao su sống dạng crep kết tinh ở đại lượng biến dạng giãn dài 70%, hỗn hợp cao su đã lưu hóa kết tinh ở đại lượng biến dạng giãn dài 200%
Cao su thiên nhiên tan tốt trong các dung môi hữu cơ mạch thẳng, mạch vòng, CCl4
và CS2, không tan trong rượu, xeton
1.1.4.Tính ch t hóa h c CSTN[40] ấ ọ
CSTN có cấu tạo hóa học chủ yếu ở dạng đồng phân hình học cis-1,4-isopren,
có khối lượng phân tử rất cao khoảng 1 triệu Độ phản ứng hoá học của liên kết đôi cacbon-cacbon (C = C) của đơn vị lặp lại isopren có thể được coi là C = C của anken Do đó tất cả các phản ứng với anken có thể được áp dụng cho CSTN, bao gồm cả ái lực tại các liên kết đôi cacbon cacbon và phản ứng thay thế tại vị trí -allylic (cacbon bên cạnh các liên kết đôi) Sự biến đổi hóa học của CSTN có thể được thực hiện dưới các điều kiện khác nhau bao gồm trong dung dịch hữu cơ, môi trường nước, rắn (số lượng lớn) và các điều chỉnh bề mặt Phản ứng có thể bằng cách điều chỉnh một, hai hoặc thậm chí ba bước để có được các tính chất cần thiết Các loại chính của việc sửa đổi hóa học có thể được phân loại như sau:
1 Biến đổi hóa học(biến tính hóa học) bằng cách thay đổi cấu trúc của phân tử cao su hoặc giảm trọng lượng phân tử mà không cần đưa ra các nguyên tử hoặc phân tử mới[12 ]
2 Biến tính hóa học ở liên kết đôi cacbon cacbon bằng cách đưa các nguyên tử hoặc các phân tử có đặc tính vật lý cụ thể hoặc phản ứng hoá học
-3 Sự biến đổi hóa học ở cacbon allylic bằng cách ghép một phân tử với các chuỗi ngắn hoặc dài của một loại polyme khác nhau[20], [23 ]
Các phản ứng hóa học của CSTN chia làm 3 dạng chính:
- Phản ứng cộng: phản ứng cộng hidro, cộng halogen, cộng hydraxit,
- Phản ứng phân hủy: tác dụng bởi nhiệt, tác dụng bởi oxi,
Trang 221.1.6 ng d ng CSTN Ứ ụ
CSTN đƣợc ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật nhƣ sản xuất các chi tiết thông dụng, lốp ôtô và ruột xe khí nén, dây đai truyền năng lƣợng, dây đai băng tải, phớt, ống, lớp lót bể chứa hóa chất (dung dịch muối vô cơ, kiềm và các axit không oxi hóa), đệm giảm xóc hấp thu âm thanh và rung động, đệm làm kín chống không khí,
và giảm ồn nên các dao động và rung động cần đƣợc hạn chế[14]
Hạn chế các dao động có thể đạt đƣợc bằng cách tăng khả năng tắt rung (khả năng này đƣợc thể hiện bởi tan góc tổn hao, tan ) và/hoặc tăng độ cứng (đƣợc thể hiện bằng mô đun tích trữ) Mô đun tổn hao là tích số của hai đại lƣợng này và do
đó đƣợc coi là chỉ số đánh giá khả năng giảm dao động
Trang 2310
Việc tắt rung của một cấu trúc có thể đạt được bằng cách chủ động hoặc bị động Phương pháp bị động sử dụng khả năng sẵn có của một số vật liệu (hoặc là vật liệu cấu trúc hoặc phi cấu trúc) để hấp thụ năng lượng dao động (ví dụ, thông qua biến dạng cơ học), do vậy tạo ra sự phân tán năng lượng thụ động Phương pháp chủ động sử dụng các cảm biến để phát hiện và hoạt hóa các kết cấu để hạn chế dao động trong thời gian thực Phương pháp bị động có giá thành thấp hơn và dễ ứng dụng hơn
Vật liệu để tắt rung chủ yếu là kim loại, polyme do chúng có đặc tính đàn hồi nhớt trong đó, cao su là vật liệu sử dụng phổ biến nhất[30] Tuy nhiên, tính chất đàn hồi nhớt không phải là cơ chế duy nhất để tắt rung Các khuyết tật như lệch mạng, biên giới pha, hạt và một số khuyết tật bề mặt cũng đóng góp vào việc tắt rung do các khuyết tật có thể dịch chuyển nhẹ và các bề mặt có thể trượt nhẹ so với nhau trong quá trình rung động do đó cũng phân tán năng lượng Do đó vi cấu trúc ảnh hưởng rất mạnh đến khả năng tắt rung của vật liệu Khả năng tắt rung không những phụ thuộc vào vật liệu mà còn phụ thuộc vào tần số hoạt động bởi độ đàn hồi nhớt cũng như đáp ứng của các khuyết tật cũng phụ thuộc vào tần số Hơn nữa, khả năng tắt rung còn phụ thuộc vào nhiệt độ Vật liệu chống rung đã được tổng kết trong một
số bài tổng quan gần đây [15],[17]
1.2.1.1.Kim lo i ạ
Kim loại sử dụng cho tắt rung bao gồm các hợp kim nhớ hình, hợp kim sắt từ và một số hợp kim khác Các hợp kim sắt từ tắt rung theo cơ chế từ - cơ (magnetomechanical: nghĩa là sự chuyển động của các domain từ trong vùng biên trong quá trình dao động) Các hợp kim khác có khả năng tắt rung thông qua việc thiết kế vi cấu trúc Kiểu cuối cùng là loại phổ biến nhất và được sử dụng do giá thành thấp Tuy nhiên, có thể có nhiều hơn một cơ chế được áp dụng cho cùng một vật liệu Các hợp kim dùng cho tắt rung bao gồm những loại trên cơ sở sắt (gang thép, Fe- -Ni Mn…); nhôm (Al-Ge, Al-Co, …), kẽm (Zn Al), chì, thiếc (Sn- -In), titan, niken, zirconi, đồng và magiê…Do bề mặt phân chia giữa pha gia cường và nền trong compozit có xu hướng tăng khả năng tắt rung, bên cạnh hiệu ứng đã biệt về
Trang 2411
tăng độ cứng Độ cứng cao là hữu ích cho việc giảm rung động Tuy nhiên, compozit nền kim loại có giá thành cao nên khó cạnh tranh với các hợp kim Dạng phổ biến của compozit là dạng tấm trong đó các lớp có tính tắt rung cao được bố trí nằm xen kẽ và kẹp giữa các lớp cứng Biến dạng trượt của các lớp bị kẹp mang lại khả năng tắt rung
1.2.1.2.Polyme
Do tính chất đàn hồi nhớt, polyme có khả năng chống rung cao, nổi bật nhất là cao su[30] Tuy nhiên, cao su có độ cứng thấp nên có mô đun tổn hao rất thấp Nói chung, các elastome và một số nhựa nhiệt dẻo vô định hình có nhiệt độ hóa thủy tinh dưới nhiệt độ phòng là một điều kiện tốt để tắt rung Các polyme blend và các mạng thâm nhập cũng có nhiều khả năng để làm vật liệu chống rung do bề mặt phân chia giữa các cấu tử trong blend cũng tạo ra cơ chế tắt rung động
1.2.1.3.Ceramic
Ceramic không phải là vật liệu tắt rung tốt nhưng có độ cứng cao Tuy nhiên, cải tiến khả năng tắt rung của ceramic cấu trúc là rất có giá trị với các cấu trúc ceramic Việc sử dụng bản thân vật liệu cấu trúc này cho việc tắt rung làm giảm nhu cầu vật liệu chống rung phi cấu trúc, mà các vật liệu này có độ bền, độ chịu nhiệt thấp và lại
có độ cứng thấp Vật liệu cấu trúc thường sử dụng nhất là bê tông một loại - compozit nền ceramic Việc đưa silica dạng sương mù (hạt mịn) vào trong xi măng tạo ra bề mặt phân chia pha lớn và do đó tăng đáng kể khả năng tắt rung Đưa latex vào cũng làm tăng khả năng tắt rung do bản chất đàn hồi nhớt của latex Việc đưa cát hoặt sợi cacbon có đường kính 15 micro vào hỗn hợp không giúp làm tăng khả năng tắt rung do kích thước lớn của chúng
1.2.2.So sánh gi a các vữ ật liệu
Do sự khác biệt về phương pháp thử nghiệm và cấu hình của mẫu thử trong các nghiên cứu của các nhà nghiên cứu khác nhau nên sự so sánh định lượng về khả năng chống rung của các vật liệu là rất khó khăn Tuy nhiên, trong bảng cũng đưa ra
so sánh giữa giữa các vật liệu đại diện, thử nghiệm trong cùng một phòng thí
Trang 2512
nghiệm Trong số tất cả các vật liệu, polyme có khả năng tắt rung cao nhất (tan) còn kim loại lại có mô đun tổn hao lớn nhất Mặc dù vật liệu trên cơ sở xi măng có khả năng tắt rung thấp hơn polyme nhưng mô đun tổn hao lại tương tự nhau (ngoại trừ một số vữa cá biệt) Compozit nền polyme sợi cacbon là vật liệu có khả năng tắt rung thấp nhất nhưng mô đun tổn hao cao tương đương với kim loại nếu sử dụng dạng compozit xếp lớp
Cao su neoprene có giá trị tan d vượt trội nhưng mô đun tích trữ lại thấp do đó
mô đun tổn hao của nó lại thuộc hàng thấp nhất Trong các loại nhựa nhiệt dẻo, PMMA, PTFE và PA6, acetal thì PMMA có mô đun tổn hao lớn nhất trong khi PTFE có tan lớn nhất Nhựa epoxy là loại có tan ấp nhất trong các loại polymeth Tan d của vữa xi măng tương đương với nhôm và compozit sợi cacbon mặc dầu mô đun tích lũy thấp hơn Do vậy vữa xi măng có khả năng tắt rung cao thậm chí cả khi không có phụ gia Thêm cát vào xi măng có khả năng tắt rung rất thấp Tuy nhiên, đưa silica sương mù vào vữa sẽ làm tăng rất mạnh khả năng tắt rung, nâng giá trị tan d trở về mức của vữa xi măng
1.3.Vật liệu chống rung trên cơ sở cao su
Cao su chống rung được sử dụng trong nhiều lĩnh vực bao gồm hàng không, phương tiện giao thông, tàu thủy, máy, quạt, bơm và các thiết bị phụ trợ khác bởi cao su có một loạt các ưu điểm sau:
+ không những hình dạng của sản phẩm cao su có thể tự do lựa chọn mà có thể điều chỉnh độ cứng của cao su từ đơn pha chế và do vậy dễ dàng đáp ứng các yêu cầu về độ cứng và độ bền
+ Điều chỉnh đơn pha chế có thể thay đổi tính chất chống rung Diện tích giữa đường cong ứng suất – dãn dài giữa đường đặt tải và tháo tải là diện tích vòng trễ Diện tích mỗi vòng trễ sau mỗi chu kỳ tương đương với lượng nhiệt thoát ra, năng lượng này chính là năng lượng tiêu tán Điều chỉnh đơn pha chế có thể tạo ra các sản phẩm có tỷ số tắt rung trong khoảng từ 0,05 – 0,1 Khi không thể tránh khỏi dao động cộng hưởng, tỷ số tắt rung có thể điều chỉnh từ 0,15 – 0,25
Trang 26Nhiệt độ hóa thủy tinh Tg của polyme cũng là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá khả năng tắt rung Cao su butyl có nhiệt độ Tg khoảng -70oC Hơn nữa khoảng nhiệt
độ mà butyl tắt rung mạnh trải dài từ -70oC đến 20oC
Cao su tắt rung thường được đặc trưng bằng hệ số tắt rung tan d Để có hiệu quả tắt rung cao tan d cần phải đáp ứng hai yêu cầu sau:
+ thứ nhất: tan d phải lớn trong khoảng tần số và nhiệt độ hoạt động của sản phẩm
+ thứ hai: pic tan d càng rộng càng tốt để tăng khả năng hấp thụ năng lượng trong khoảng nhiệt độ và tần số rộng
Khi tần số tăng, mô đun động tăng, pic góc tổn hao tăng Pic này tăng bởi vì vật liệu dần chuyển đến trạng thái thủy tinh do tăng tần số tương đương với giảm nhiệt
độ Hệ số tắt rung của các đệm cao su càng cao càng tốt tuy nhiên nhiệt sinh ra càng lớn cũng sẽ ảnh hưởng đến khả năng lão hóa của sản phẩm Do đó cần phải quan
Trang 27Trong quá trình thiết kế đệm chống rung, bên cạnh việc xem xét các tính chất trên cần quan tâm đến loại và điều kiện sử dụng đệm chống rung, đến độ mỏi, rão,
độ bền nhiệt, độ bền kết dính giữa thép và cao su và một số tính chất khác
1.3.1.Ảnh hưởng của loại cao su
Độ cứng của cao su (mô đun đàn hồi) chủ yếu được điều chỉnh bằng chất độn và chất hóa dẻo, ít chịu ảnh hưởng bởi loại cao su Tính chất chống rung phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của cao su ví dụ như đưa thêm các nhánh vào sẽ làm tăng thể tích,
do hiệu ứng cản trở không gian có thể làm cản trở sự chuyển động của các phân tử cao su nên làm tăng ma sát giữa các phân tử và làm tăng hiệu quả chống rung (ví dụ như cao su butyl, nitril) như vậy tan d tăng
Sự có mặt của các tinh thể có thể làm giảm tính chất chống rung chẳng hạn như cao su isoprene Có thể hạn chế điều này bằng cách phối trộn với cao su butyl hoặc clo butyl
Trang 2815
B ng 1.2: ả H s t t rung c a m s ệ ố ắ ủ ột ố loại cao su[47]
Cao su NR 0,05 0,15 – Cao su NBR 0,25 0,40 –Cao su SBR 0,15 0,30 – Cao su butyl IIR 0,25 0,40 –Cao su CR 0,15 0,30 – Cao su silicon Q 0,15 0,20 –
Từ bảng 1.2 có thể thấy rằng cao su butyl, cao su nitril có hệ số tắt rung cao nhất, cao su clopren, silicon và urethane, EPDM ở mức trung bình, cao su tự nhiên cao su SBR ở mức thấp Mặc dù có hệ số tắt rung thấp nhưng lại có khả năng kháng mỏi, tính chất cơ lý cao, bám dính tốt với kim loại do vậy cao su tự nhiên vẫn được
sử dụng rộng rãi để làm đệm chống rung Khi cần chịu thời tiết có thể sử dụng cao
su clopren; khi cần chịu dầu có thể sử dụng cao su nitril có hàm lượng nitril thấp Với các ứng dụng tắt rung nhỏ có thể sử dụng silicon còn với ứng dụng tắt rung lớn
có thể sử dụng cao su butyl
Lựa chọn hệ cao su blend có độ tương hợp và đồng lưu hóa sẽ mở rộng pic tắt rung một cách hiệu quả, cho phép cải thiện các tính chất khác nữa Bằng cách thay đổi tỷ lệ giữa hai loại cao su có hai nhiệt độ hóa thủy tinh khác nhau có thể nhận được vật liệu có các mô đun khác nhau và hệ số tắt rung khác nhau và khoảng nhiệt
độ hóa thủy tinh cũng được mở rộng hơn Cao su butyl tương hợp kém với các loại cao su khác, các cao su halogen hóa như clo butyl hay brom butyl có độ tương hợp tốt hơn
Cao su butyl ở vùng nhiệt độ thấp bản thân nó có tính chất tắt rung tốt, nhưng để
có tính chất gia công tốt có thể sử dụng cao su butyl halogen hóa và có thể phối hợp với cao su tự nhiên Cao su butyl phối trộn với SBR với bất kỳ tỷ lệ nào và có khả năng chịu nhiệt độ lạnh tốt Vùng tan d của cao su butyl bằng 0,3 là khoảng 60oC nhưng giá trị này giảm mạnh khi nhiệt độ lớn hơn 10oC, điều đó hạn chế việc sử dụng cao su này trong các ứng dụng ở nhiệt độ thường Để mở rộng vùng tác dụng
ở nhiệt độ cao, cao su này được lưu hóa động với nhựa nhiệt dẻo chẳng hạn với PP
Để mở rộng khoảng nhiệt độ và tần số làm việc người ta có thể chế tạo blend của 3 loại cao su khác nhau Khi đưa thêm CR vào blend CIIR/NBR đã làm tăng tan
Trang 29So sánh hệ thấy rằng độ bền kéo và độ bền xé tương đương, lưu hóa phenolic và quinon có tan d cao hơn và độ dãn dài nhỏ hơn Hệ phenolic lưu hóa nhanh hơn và khả năng chống quá lưu tốt hơn Trong hệ lưu hóa phenolic lưu hóa nhanh ở nhiệt
độ lưu hóa thấp và lưu hóa nhanh nếu có mặt các chất dinitrosobenzen và diphenyl guadinin và có tính chất chung tốt hơn cả Trong cao su IIR, do xúc tiến DZ có hiệu ứng không gian lớn nên có độ đàn hồi nảy thấp nhất, năng lượng tiêu tán lớn nhất, tính chất tắt rung tốt Đưa xúc tiến M vào làm cho độ đàn hồi nảy cao nhất, tổn hao
Trang 3017
năng lượng nhỏ nhất, tính chất tắt rung kém nhất Khi đưa xúc tiến DZ và CZ vào cao su, sau lão hóa nhiệt ở nhiệt độ cao và thời gian dài độ mềm của cao su tăng 1.4.3.Ảnh hưởng của chấ t đ ộn
Ảnh hưởng của chất độn đến tính chất động và đặc trưng tắt rung bởi cả hai tính chất này có quan hệ chặt chẽ với nhau Khi cao su chịu biến dạng, chuyển động phân tử sẽ gây ra ma sát giữa cao su và các chất độn hoặc giữa các chất độn - chất độn sẽ làm tăng khả năng tắt rung Kích thước hạt độn càng nhỏ, diện tích tiếp xúc càng lớn, càng làm tăng liên kết vật lý do đó tổn hao vòng trễ khi chịu tải trọng động càng lớn, tổn hao tan d lớn, mô đun tĩnh và động đều lớn Chất độn có hoạt tính lớn hơn, tương tác với các phân tử cao su mạnh hơn do vậy cao su lưu hóa có
độ cứng và khả năng tắt rung cao Hình dạng của hạt độn cũng ảnh hưởng đến đặc tính chống rung và mô đun của hỗn hợp cao su, ví dụ chất độn mica dạng lớp có thể tạo được khả năng tắt rung cao và mo đun cao hơn
Trong đơn pha chế cao su chống rung trên cơ sở cao su tự nhiên thường sử dụng than lò bán gia cường và than nhiệt phân kích thước nhỏ sẽ tốt hơn Với cao su tổng hợp than đen thường là loại than thông dụng Thông thường khi tăng hàm lượng than độ cứng và khả năng tắt rung tăng Trong một số trường hợp, cùng hàm lượng nhưng than đen có kích thước nhỏ như HAF sẽ có độ cứng và tắt rung cao hơn so với than bán gia cường Hơn nữa khi tăng hàm lượng than thì sự phụ thuộc các tính chất vào biên độ tác động càng tăng Khi biên độ dao động tăng, hàm lượng than càng lớn thì mô đun thấp hơn và khả năng tắt rung tăng đáng kể Khi biên độ dao động nhỏ (gần đến không) hàm lượng than ít ảnh hưởng đến hệ số tắt rung Rõ ràng rằng khi kích thước hạt than đen giảm, độ hoạt động tăng sẽ làm tăng mô đun, tăng khả năng tắt rung và hấp thụ va đập Nhưng độ kháng mỏi có chiều hướng trái ngược: kích thước hạt càng nhỏ, phá hủy do mỏi càng lớn
Khi đưa than đen vào cao su, các phân tử cao su hấp thụ lên bề mặt than góp phần làm tăng độ nhớt biểu kiến Khi hàm lượng than tăng, độ nhớt tăng Dưới tác dụng của ứng suất ngoại các mạch cao su trượt, các liên kết bị phá vỡ nhưng khi tháo tải các mạch cao su tái hấp thụ lên bề mặt than và do đó vẫn duy trì được tương
Trang 3118
tác Để có giá trị lớn nhất của đặc tính chống rung của cao su, tính chất rão và giảm phụ thuộc vào nhiệt độ cần đưa vào một số phụ gia đặc biệt như vermiculite, graphit…
Silica có kích thước hạt nhỏ, tác dụng gia cường chỉ sau than đen nhưng tính chất động học tốt hơn rất nhiều so với than đen
Các chất độn như canxi cacbonat, clay, magie cacbonat và một số chất độn vô
cơ khác có khả năng gia cường yếu nên để có được mô đun đàn hồi mong muốn cần phải dùng với tỷ lệ lớn nhưng điều đó ảnh hưởng trái chiều đến các tính chất khác nên chúng ít được sử dụng
Tính chất chống rung của cao su silicon không cao, cao su clopren trung bình nhưng có tính chất tốt ở nhiệt độ thấp Để nâng cao tính chất chống rung có thể sử dụng silica với hàm lượng hơn 40 pkl Kết quả cho thấy silica sương mù với hàm lượng 60 pkl giúp cho silicon có tính chất tắt rung tốt nhất Hàm lượng silica tăng tan d tăng tuy nhiên khi hàm lượng silica quá cao, 80 pkl, do phân tán kém nên làm cho tính chất tắt rung giảm
Ảnh hưởng của than đen và một số chất độn vô cơ đến tính chất đàn hồi nhớt của cao su phụ thuộc vào 4 yếu tố: kích thước hạt, trạng thái tập hợp, tính chất bề mặt và mức độ phân tán Đưa than đen thích hợp vào sẽ làm tăng tính chất tắt rung của cao su, chẳng hạn với 35 pkl than giúp cho cao su clo butyl có tính chất tốt nhất
B ng 1.3: ả Ảnh hưởng hàm lượng mica đến kh ả năng chống rung c a cao su butyl ủ
Hàm lượng
mica, %
Hệ số tắt rung cực đại
Khoảng nhiệt đô, oC
Nhiệt độ max, oC
Khối lượng riêng, g/cm3
Độ cứng, shore A
Trang 3219
Các chất độn khác như mica xử lý bề mặt bằng các hợp chất silan cũng mở rộng tính chất tắt rung của cao su butyl trong khoảng rộng của nhiệt độ và tần số một
cách hiệu quả, như trong bảng 1.3[47]
Ngoài các chất độn truyền thống, các chất độn ở kích thước nano cũng đang được sử dụng như ống cacbon và nanoclay Sử dụng ống các bon người ta thấy rằng mức độ truyền qua của cách chấn cao su giảm, hệ số tắt rung tăng và tốt hơn so với cao su tự nhiên [ ] Nanoclay làm tăng tính chất cơ lý, tăng hệ số tắt rung và mô 19đun tích lũy ở nhiệt độ thường Tính chất trễ của cao su EPDM/PP tăng khi tăng hàm lượng nanoclay [28],[43] Gần đây nhất là việc sử dụng các hạt từ tính như sắt cacbonyl, magnetit, ô xít sắt, bari ferit… cho cao su [39],[38 ].Đây là nhóm vật liệu tắt rung mới Ưu điểm của loại vật liệu này là tính chất tắt rung và độ cứng có thể được thay đổi bằng cách điều chỉnh từ trường đặt vào vật liệu trong khi gia công hoặc trong khi sử dụng Vật liệu này được chia thành hai nhóm là đồng nhất và đẳng hướng
Hình 1.3:Vật liệu cao su t ừ tính cấu trúc đồng nh t (a) và cấ ấu trúc không đồng
nh t (b) [39ấ ]
Vật liệu đồng nhất có phân bố đồng đều các hạt từ trong nền còn vật liệu không đồng nhất có dạng cấu trúc chuỗi trong nền, hình thành khi lưu hóa cao su dưới từ trường
Trang 3320
hợp (chỉ đơn thuần là trộn hợp cơ học) thì vùng chuyển tiếp tắt rung được mở rộng Thông thường trong cao su chống rung, khi tăng hàm lượng chất hóa dẻo sẽ làm tăng tan d và làm giảm mô đun đàn hồi của cao su lưu hóa Các chất hóa dẻo có tác dụng làm tăng các tính chất ở nhiệt độ thấp và có thể cải thiện độ kháng mỏi của cao su nhưng cũng sẽ làm tăng tốc độ rão và hồi phục ứng suất, ảnh hưởng đến đặc tính tắt rung và độ ổn định Do vậy hàm lượng chất hóa dẻo sử dụng không được quá nhiều
Bên cạnh đó, khi gia công cao su chống rung cần phải tuân thủ các yêu cầu: a, thời gian hỗn luyện không nên quá dài; b) tăng thời gian lưu hóa và nhiệt độ thích hợp để tăng mật độ khâu mạch do đó tăng đặc tính tắt rung
B ng 1.4: ả Ảnh hưởng hàm lượng hóa dẻo đến kh ả năng chống rung c a cao su.ủ
Hàm lượng
hóa dẻo,%
Hệ số tắt rung cực đại
Khoảng nhiệt độ khi hệ
1.4.Một số đặc điểm v tính chề ất cơ học của cao su trong KCCR
Để có thể thiết kế sản phẩm cao su kỹ thuật cần biết rõ các đặc điểm về tính chất
cơ học của nó Nhất là khi sản phẩm sẽ làm việc trong điều kiện chịu tải trọng lâu dài, các tính chất cơ học sẽ chịu những biến đổi theo thời gian, do đó việc kiểm soát các tính chất cơ học và duy trì chúng trong phạm vi cho phép là điều có tính chất quyết định đến tuổi thọ sản phẩm Nhóm tác giả đã có những nghiên cứu về các sản phẩm chống rung cho các máy công nghiệp và máy lu rung trong nhiệm vụ “Nghiên
cứu công nghệ chế tạo vật liệu và các sản phẩm cao su kỹ thuật trên cơ sở cao su,
đây sẽ trình bày một số tính chất cơ học đặc trưng của cao su dùng cho KKCR
Trang 34Đây là các đặc trưng cơ bản được dùng trong tính toán sản phẩm cao su Modun đàn hồi đặc trưng cho khả năng của cao su chống lại biến dạng kéo hoặc nén, còn modun trượt chống lại biến dạng trượt (cắt) Theo định luật Hook ta có:-
= E và = G trong đó: , - tương ứng là biến dạng kéo (nén) và trượt
, - biến dạng tương đối của vật liệu trong chế độ kéo (nén) và trượt
E, G – tương ứng là modun đàn hồi và modun trượt
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng E và G được xác định theo định luật Hook chỉ áp dụng
ở các biến dạng nhỏ và vật liệu đàn hồi như thép Với cao su, E và G không cố định trong suốt quả trình biến dạng Do đó trên thực tế người ta sử dụng các giá trị qui ước, tương ứng với khoảng giá trị hoạt động thực tế của vật liệu Các giá trị E và G qui ước có thể xác định bằng thực nghiệm, cũng có thể được tính toán tùy thuộc vào hình dạng sản phẩm, chế độ tải trọng hoặc các đặc điểm khác của nó
Giữa E và G tồn tại mối liên hệ:
Trang 351.4.4.Modun đàn hồi động (Ed), độ ứ c ng đ ng (T ộ d)
Trong chế độ tải trọng động, modun đàn hồi động Ed lớn hơn modun đàn hồi tĩnh Thông thường, tỷ số Ed/E trong khoảng 1,2 3 tùy vào độ cứng cao su (hình -1.4 )
Hình 1.4: S ph ự ụ thuộc Ed/E vào độ ứ c ng cao su [47]
Độ cứng động (Td) được xác định bằng tỷ số giữa độ tăng tải trọng () và độ tăng biến dạng () trong chế độ tải trọng động:
Trang 3623
Hình 1.5: Đườ ng ph thu c t i trọ ụ ộ ả ng bi n d– ế ạng động và tĩnh của cao su
d, CT – biên độ biến dạng động và tĩnh
1 Cao su có độ (độ cứng lớn); 2 Cao su không độn (độ cứng nhỏ)
Trong cao su giảm chấn, diện tích vòng trễ tương ứng với năng lượng tỏa ra trong một chu kỳ, do đó diện tích này được coi là số đo mức độ “giảm chấn tuyệt đối” Tỷ lệ diện tích vòng trễ trên diện tích tổng thể dưới đường cong kéo gọi là
“giảm chấn tương đối”, ký hiệu là d Giá trị d dao động trong khoảng 0,02-0,3 Các cao su không độn từ CSTN ứng với phía d nhỏ nhất, còn cao su tổng hợp có độn ứng với phái có d cao nhất
Cũng từ hình 1.5 thấy rằng độ cứng động Td ứng với tg , do đó cao su có độ giảm chấn tương đối cao thì cũng có độ cứng động cao hơn so với cao su có độ giảm chấn tương đối thấp Vì vậy, cao su giảm chấn thấp thích hợp hơn với sản phẩm chống rung Đó là do khi độ giảm chấn cao, năng lượng tỏa ra khi cao su chịu tải trọng động sẽ làm tăng nhiệt độ và sản phẩm sẽ lão hóa nhanh hơn Từ đây rút ra một kết luận quan trọng: không thể chế tạo giảm chấn cao su vừa có khả năng chịu
va đập cao, vừa có thể dập tắt các dao động
Khi nghiên cứu quan hệ giữa độ cứng và khả năng tắt rung của các gối đỡ người
ta cũng đã thấy rằng: trong khoảng độ cứng từ 0,2 – 5 kN/m, tỷ số tắt rung tăng xấp
xỉ khoảng 11% đến 30% còn trong khoảng độ cứng từ 0,1 – 0,3 kN/m, tỷ số tắt rung
Trang 3724
gần như không đổi, khoảng 9% Còn trong hầu hết các trường hợp khác, khi tăng độ cứng tỷ số tắt rung đều tăng [44 ]
1.5.Kết cấu chống rung cao su trong phương tiệ n đư ờng s ắt.
Các chi tiết cao su và cao su – kim loại (sau đây gọi ngắn là chi tiết cao su) được sử dụng rộng rãi trong phương tiện đường sắt Các chi tiết này có thể được chia thành các nhóm sau:
Chi tiết chịu lực: dùng để chuyển sức kéo, ví dụ khớp nối cao su, giảm chấn trục kéo v.v…
Chi tiết giảm chấn: dùng để hãm các va chạm, chống va đập, tắt các rung động, ví dụ các tấm cao su hãm xung, đặt dưới lò xo thép v.v…
Các khớp nối ít chuyển động, dùng để kết nối các chi tiết khác nhau
Các chi tiết đàn hồi hạn chế chuyển động
Do các đặc trưng tính chất quan trọng như có thể dập tắt dao động, giảm tiếng
ồn, cao su có thể đáp ứng một vài chức năng trong cùng một chi tiết Tuy nhiên, một đặc điểm quan trọng của cao su là các tính chất cơ – lý của nó có độ phân tán lớn – thông thường trong khoảng 20%, do đó việc lựa chọn cao su cho các KCCR cần được xem xét cả vể vật liệu lẫn công nghệ chế tạo nhằm đảm bảo độ ổn định cao suc tính chất sản phẩm Ngoài ra, các yếu tố về điều kiện sử dụng cũng phải được quan tâm
Sản phẩm cao su cho phương tiện đường sắt thường phải làm việc với các loại tải trọng khác nhau cả về đặc tính lẫn độ lớn, ví dụ kéo, nén, rung, va đập v.v Môi trường làm việc cũng rất đa dạng về nhiệt độ, ozon, dầu, mỡ v.v… Vì vậy, yêu cầu đối với sản phẩm cao su phải là:
Có độ bền cao
Tổn thất do ma sát nội nhỏ
Chịu dầu, mỡ
Chịu nhiệt (tới 100oC hoặc cao hơn)
Chịu thời tiết tốt
Trang 3825
Chịu mài mòn
Hiển nhiên là không thể có loại cao su nào đáp ứng được tất cả các yêu cầu trên
Vì vậy, trong từng trường hợp cụ thể, cần căn cứ vào chế độ làm việc của chi tiết để lựa chọn cao su phù hợp
Đối với các chi tiết giảm chấn không chịu tác động trực tiếp của dầu mỡ và nhiên liệu thì các hỗn hợp trên cơ sở CSTN là tốt hơn cả Cơ sở lựa chọn là các mác cao su có các đặc trưng độ cứng cần thiết Nếu như các đặc trưng độ cứng có thể đạt được với một vài mác, thì nên chọn mác mềm hơn vì cao su mềm có các đặc trưng đàn hồi – trễ tốt hơn
Nếu các chi tiết phải chịu tác động của dầu, mỡ hoặc tác động trực tiếp của tia mặt trời, ozon thì nên sử dụng cao su tổng hợp Cần phải chú ý sự phù hợp các tính chất cơ – lý của cao su với điều kiện làm việc của sản phẩm Cần chú ý rằng các cao
su có độ dãn dài dư lớn không phù hợp với sản phẩm làm việc trong chế độ nén sơ
bộ, ví dụ như giảm chấn tay biên, khớp nối kéo v.v…
Trong bảng 1.5 là một số hỗn hợp cao su dùng cho phương tiện đường sắt và tính chất của chúng
B ng 1.5: ả Các tính chất cơ bản c a mủ ột số loại cao su dùng trong kỹ thuậ t đư ờng
sắt [4 ] 6Cao su
,% ,% ,
g/cm3
Độ cứng Shore
A
Khoảng nhiệt độ làm việc, oC
Tính chất đặc biệt
Lĩnh vực áp dụng
CSTN 7-7842 17,5 450 27 1,12 55-65 -45 80
Không bền với dầu mỡ, nhiên
Cho các giảm chấn lộ
7-2959 16,0 500 32 1,17 45-60 -50 80
7-1847 16,0 600 32 1,05 35-50 -50 80
7-2462 10,0 300 30 1,40 60-75 -50 80
7-120C 10,0 300 35 1,23 65-75 -45 80
Trang 3926
CKU-3 7-6621 16,0 600 25 1,07 35-50 -50 80 liệu thiên
trong không khí CKH-18 7-98-1 6,0 180 8 1,16 52-62 -55 60
Bền với xăng, dầu diezel
và dầu bôi trơn
Cho các gioăng đệm và giảm chấn trong môi trường dầu,
mỡ
7-6218 9,0 160 6 1,27 65-75 -55
100 7-B-14 10,0 160 8 1,28 70-80 -55
100 7-B-14-
1
12,0 140 8 1,28 75-85
-50 100 CKH-26 7-9831 9,0 300 20 1,18 55-70 -30
125 CKH-40 7-4004 10,0 200 28 1,28 70-85 -50 85
su butadien-nitril; CR – cao su clopren
Trang 40- Silica VN3 (Hãng Evonik)
2.1.2 Thiết bị
- Cân phân tích với độ chính xác 0.0001 gam PRECISA loại XP300( Thụy Sĩ)
- Máy cắt mẫu cao su GOTECH GT-7016-AR (Đài Loan)
- Máy cán 2 trục SLIM (Trung Quốc)
- Máy ép thủy lực có gia nhiệt Shinto (Nhật Bản)
- Khuôn ép mẫu cao su
- Máy đo độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt, độ dãn dƣ sau khi đứt INSTRON
5582 (Hoa Kỳ)
- Đồng hồ đo độ cứng Shore A loại TFCLOCKGS 709N (Nhật Bản)
- Máy trộn kín BaoPin 8412 (Trung Quốc)
- Máy đo Rheometer MDR-2020 (Hàn Quốc)
- Kính hiển vi số Dino Lite với độ phóng đại 220 lần
- thiết bị đo mỏi động ZL3006A(Trung Quốc)