Nghiên cứu xử lý tro bay và chế tạo vật liệu composite nền cao su thiên nhiên

Đồng thời, nghiên cứu đã chọn được phương pháp gia công và hàm lượng thích hợp để chế tạo vật liệu composite nền CSTN có tính chất tốt, có thể ứng dụng vào thực tiễn.. Đồng thời, nghiên

Trang 1

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU XỬ LÝ TRO BAY VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN CAO SU THIÊN NHIÊN GVHD: TS NGUYỄN THỊ LÊ THANH SVTH : ĐỖ NGỌC TRÂM ANH NGUYỄN THANH HUY

Tp Hồ Chí Minh, tháng 9/2023 S K L 0 1 1 7 9 8

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ TRO BAY

VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE

NỀN CAO SU THIÊN NHIÊN

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 09, năm 2023

GVHD: TS NGUYỄN THỊ LÊ THANH SVTH: ĐỖ NGỌC TRÂM ANH

MSSV: 19130003 SVTH: NGUYỄN THANH HUY MSSV: 19130023

KHÓA: 2019 - 2023

Trang 3

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Lê Thanh

Cơ quan công tác của Giảng viên hướng dẫn: Đại học Bách Khoa – ĐH Quốc Gia Tp HCM

Sinh viên thực hiện: Đỗ Ngọc Trâm Anh MSSV: 19130003

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Huy MSSV: 19130023

1 Tên đề tài: Nghiên cứu xử lý tro bay và chế tạo vật liệu composite nền cao su thiên nhiên

2 Nội dung chính của khóa luận:

- Tìm hiểu tổng quan về nguồn nguyên liệu phế phẩm tro bay (fly ash) được thải ra

từ quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá trong các nhà máy nhiệt điện Đồng thời, tìm hiểu tình hình nghiên cứu và ứng dụng cao su thiên nhiên

- Tách Silica từ tro bay bằng phương pháp kết tủa sol-gel và xử lý bề mặt tro tạo độn có hàm lượng Silica cao

- Phối trộn độn và cao su thiên nhiên tạo composite

- Đánh giá tính chất sản phẩm cao su sau khi lưu hóa bằng các phương pháp phân tích

Bản báo cáo Tiếng Anh Tiếng Việt

Trình bày bảo vệ Tiếng Anh Tiếng Việt

Trang 4

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: Đỗ Ngọc Trâm Anh MSSV:19130003

Ngành: Công nghệ vật liệu

Tên đề tài: Nghiên cứu xử lý tro bay và chế tạo vật liệu composite nền cao su thiên

nhiên

Họ và tên Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Lê Thanh

Cơ quan công tác của GV hướng dẫn: Đại học Bách Khoa – ĐH Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

Địa chỉ: Phường 14, Quận 10, Tp Hồ Chí Minh

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện

Sinh viên thực hiện đầy đủ nhiệm vụ khóa luận, đọc và tìm hiểu tài liệu để có thể tìm kiếm

ý tưởng và xây dựng thí nghiệm, hiểu kết quả thực nghiệm và trình bày báo cáo luận văn với bố cục và nội dung phù hợp với mục tiêu đề ra một cách tốt nhất

2 Tinh thần học tập, nghiên cứu của sinh viên

Sinh viên có thái độ làm việc nghiêm túc, có trách nhiệm với việc nghiên cứu của mình, chủ động hoàn thành công việc, có cố gắng trong học tập Đặc biệt tinh thần hòa đồng, làm việc nhóm hiệu quả với bạn làm chung đề tài và các thành viên khác trong quá trình thực nghiệm tại các phòng thí nghiệm, tuân thủ nội qui chặt chẽ của các phòng thí nghiệm, đảm bảo an toàn phòng thí nghiệm

4 Khuyết điểm

Kết quả thực nghiệm vẫn còn thiếu sót một số thí nghiệm để minh chứng rõ hơn cho kết quả nghiên cứu

5 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

- Khóa luận đủ điều kiện để bảo vệ trước Hội đồng

6 Điểm: 9,0 (Bằng chữ: Chín điểm)

Tp Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 09 năm 2023

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký & ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thị Lê Thanh

Trang 5

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Thanh Huy MSSV:19130023

nhiên

Họ và tên Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Lê Thanh

Cơ quan công tác của GV hướng dẫn: Đại học Bách Khoa – ĐH Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

Địa chỉ: Phường 14, Quận 10, Tp Hồ Chí Minh

NHẬN XÉT

Sinh viên thực hiện đầy đủ nhiệm vụ khóa luận, đọc và tìm hiểu tài liệu để có thể tìm kiếm

ý tưởng và xây dựng thí nghiệm, hiểu kết quả thực nghiệm và trình bày báo cáo luận văn với bố cục và nội dung phù hợp với mục tiêu đề ra một cách tốt nhất

2 Tinh thần học tập, nghiên cứu của sinh viên

Sinh viên có thái độ làm việc nghiêm túc, có trách nhiệm với việc nghiên cứu của mình, chủ động hoàn thành công việc, có cố gắng trong học tập Đặc biệt tinh thần hòa đồng, làm việc nhóm hiệu quả với bạn làm chung đề tài và các thành viên khác trong quá trình thực nghiệm tại các phòng thí nghiệm, tuân thủ nội qui chặt chẽ của các phòng thí nghiệm, đảm bảo an toàn phòng thí nghiệm

Kết quả thực nghiệm vẫn còn thiếu sót một số thí nghiệm để minh chứng rõ hơn cho kết quả nghiên cứu

- Khóa luận đủ điều kiện để bảo vệ trước Hội đồng

6 Điểm: 9,0 (Bằng chữ: Chín điểm)

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Nguyễn Thị Lê Thanh

Trang 6

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: Đỗ Ngọc Trâm Anh MSSV:19130003

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Thanh Huy MSSV:19130023

nhiên

Họ và tên Giảng viên phản biện: Nguyễn Vũ Việt Linh

Cơ quan công tác của GV phản biện: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Địa chỉ: Số 1 Võ Văn Ngân, Phường Linh Chiểu, Tp Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh

NHẬN XÉT

Sinh viên thực hiện đầy đủ các nội dung nghiên cứu đề ra Nội dung và khối lượng thực hiện đáp ứng yêu cầu của Khóa luận tốt nghiệp

2 Ưu điểm

+ Đề tài có ý nghĩa thực tiễn

+ Kết quả thực nghiệm phong phú, có độ tin cậy cao

+ Vẫn còn nhiều lỗi chính tả, chưa thống nhất tên / danh pháp của hóa chất, ví dụ như polyethylene Bảng 4.3 và bảng 4.4 trình bày tên mẫu gây khó hiểu, và nên thống nhất với cách trình bày với bảng 4.5 – bảng 4.8 Sơ đồ trình bày sai quy cách (sinh viên xem trực tiếp góp ý trên khóa luận mà GVPB đã ghi chú)

+ KLTN chưa nêu được nghĩa khoa học đề tài

+ Phép đo bền kéo của 1 số mẫu có độ tin cậy không cao, chỉ đo 2/5 mẫu theo tiêu chuẩn ASTM D412-98 Ví dụ: ML10 và ML30

+ Tính toán đồ thị phân bố kích thước hạt tro bay trên số lượng mẫu ~50 hạt (hình 4.2 và 4.3) thể hiện độ tin cậy chưa cao

4 Kiến nghị và câu hỏi

Kiến nghị:

+ Bổ sung độ tinh khiết của hóa chất sử dụng trong nghiên cứu

+ Một số phương pháp phân tích nên bổ sung tên thiết bị, model, điều kiện thực hiện các phép đo này

+ Sửa chửa lại các lỗi đã nêu trong phần “3 Khuyết điểm”

+ Phần kết quả TGA, ghép phổ 3 mẫu NR, ML20, MR20 để làm rõ mẫu nào có điểm bắt đầu phân hủy trước

Trang 7

Câu hỏi:

1 Phương pháp sol-gel có ưu nhược điểm gì so với các phương pháp điều chế silica khác? Kết quả nghiên cứu đạt được có điểm nào nổi trội so với các nghiên cứu khác đã được thực hiện trong nước và thế giới?

2 Tại sao khi hàm lượng độn tăng lên 30phr thì cơ tính và hệ số kháng lão hóa của vật liệu giảm?

3 Trang 35, SV có đề cập đến việc ngâm tro trong HCl 1M trong 12 giờ để loại bỏ các kim loại còn dư trong tro, vậy đó là những kim loại gì?

4 Đơn pha chế trong tạo mẫu cao su từ composite là dựa trên cơ sở nào? Với thao tác tạo mẫu qua nhiều công đoạn như cán trộn đảo cao su như vậy, sử dụng kết quả

đo cơ tính, độ cứng, độ trương và kháng lão hóa nhiệt để so sánh các mẫu liệu có đáng tin cậy?

Được bảo vệ

6 Điểm: 8,7 (Bằng chữ: Tám phẩy bảy điểm)

GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Nguyễn Vũ Việt Linh

Trang 8

LỜI CẢM ƠN

Xuyên suốt quá trình thực hiện nghiên cứu, chúng em thật sự may mắn khi nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình và chân thành từ nhiều phía để hoàn thành một cách tốt nhất khóa luận tốt nghiệp của mình Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến toàn thể Quý Thầy Cô đang công tác tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

đã đồng hành trong suốt chặng đường bốn năm đại học Nhờ đó mà chúng em có được một môi trường học tập thật tốt, trang bị kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và hành trang quý báu Đặc biệt, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:

- Giảng viên hướng dẫn, TS Nguyễn Thị Lê Thanh công tác tại trường Đại học Bách

Khoa – ĐH Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh đã luôn đồng hành, giúp đỡ, tận tình chỉ bảo, truyền đạt những kỹ năng, kinh nghiệm quý giá cho chúng em trong suốt quá trình học

và làm việc

- ThS Trần Tấn Đạt - Giảng viên trường Đại học Bách Khoa – ĐH Quốc Gia Tp Hồ

Chí Minh, các bạn lớp VL19PO đã hỗ trợ tận tình về kiến thức, vật tư, dụng cụ thí nghiệm

- Thầy, Cô công tác tại khoa Khoa học ứng dụng đã luôn tạo điều kiện và giúp đỡ

trong quá trình thực hiện đề tài

- Các bạn lớp 19130POLY đã luôn đoàn kết, chia sẻ, hỗ trợ, giúp đỡ chúng em

- Các tác giả, đồng tác giả của các bài viết khoa học mà chúng em đã tham khảo

Và cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, cảm ơn vì đã luôn

là những người ủng hộ chúng em vô điều kiện, cảm ơn vì đã luôn đồng hành cùng em trong suốt quá trình học tập và phát triển, đó đều là những điều trân quý nhất mà trong lòng em luôn ghi giữ

Trong quá trình hoàn thành không thể tránh khỏi những thiếu xót Vì vậy, chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy, Cô và các bạn để giúp chúng em nâng cao kiến thức cũng như cải thiện và phát triển một cách hoàn thiện nhất Chúng

em xin chân thành cảm ơn

Xin kính chúc quý Thầy Cô và các bạn lời chúc sức khỏe!

Trang 9

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm nghiên cứu của chúng em gồm: Đỗ Ngọc Trâm Anh và Nguyễn Thanh Huy

-Sinh viên thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý tro bay và chế tạo vật liệu composite

nền cao su thiên nhiên” Chúng em xin cam đoan đây là công trình do chính chúng tôi

thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Thị Lê Thanh Các kết quả, đồ thị trình

bày trong luận văn này hoàn toàn trung thực Dữ liệu sử dụng trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng và trích dẫn cụ thể Các tài liệu tham khảo sử dụng cũng được trình bày rõ ràng, ngắn gọn tại danh mục tài liệu tham khảo

Chúng em xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Sinh viên thực hiện 1 Sinh viên thực hiện 2

Đỗ Ngọc Trâm Anh Nguyễn Thanh Huy

Trang 10

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

TÓM TẮT KHÓA LUẬN vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH xiii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tình hình nghiên cứu 1

1.1.1 Trên thế giới 1

1.1.2 Ở Việt Nam 3

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.3 Nội dung nghiên cứu 4

1.4 Ý nghĩa thực tiễn 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Giới thiệu chung về vật liệu composite 5

2.2 Tổng quan về cao su thiên nhiên 6

2.2.1 Cấu tạo hóa học 6

2.2.2 Tính chất vật lý và tính chất hóa học 6

2.2.3 Mủ latex cao su và sự đông đặc mủ 7

2.2.4 Các tương tác và hiệu ứng chủ yếu trong hỗn hợp độn và cao su 10

2.2.5 Lưu hóa cao su 13

2.2.5.1 Sự lưu hóa 13

2.2.5.2 Đường cong lưu hóa 13

2.2.5.3 Đặc điểm và thông số ảnh hưởng đến quá trình lưu hóa 14

2.2.5.4 Tác nhân lưu hóa 15

2.2.5.5 Cơ chế lưu hóa 16

2.2.6 Phụ gia 16

2.2.6.1 Chất trợ xúc tiến 16

2.2.6.2 Chất xúc tiến 17

Trang 11

2.2.6.3 Chất phòng lão 19

2.3 Chất độn thường dùng trong cao su 20

2.3.1 Tro bay 20

2.3.1.1 Thành phần trong tro bay 21

2.3.1.2 Tính chất vật lý của tro bay 22

2.3.1.3 Hình thái học tro bay 22

2.3.1.4 Phân bố kích thước hạt trong tro bay 23

2.3.1.5 Xử lý bề mặt tro bay 23

2.3.2 Silica 24

2.3.2.1 Tính chất cơ bản và ứng dụng 24

2.3.2.2 Phương pháp sol-gel và cơ sở lựa chọn 25

2.3.2.3 Các phản ứng diễn ra trong quá trình sol-gel 25

2.3.3 Polyacrylic axit sodium salt (PASS) 26

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

3.1 Nguyên liệu, thiết bị và dụng cụ 28

3.1.1 Nguyên liệu 28

3.1.2 Thiết bị 31

3.1.3 Dụng cụ 33

3.2 Phương pháp thực nghiệm 34

3.2.1 Xử lý bề mặt tro bay tạo độn có hàm lượng Silica cao 34

3.2.2 Đánh đông cao su latex với các hàm lượng độn 35

3.2.2.1 Xác định hàm lượng rắn TSC của latex (Total solids content) 35

3.2.2.2 Xác định lượng mủ latex cần độn 36

3.2.2.3 Quy trình thực hiện đông tụ mủ latex 36

3.2.3 Cán trộn mẫu cao su 37

3.2.3.1 Đơn pha chế 37

3.2.3.2 Các so sánh trong nghiên cứu 37

3.2.3.3 Quy trình thực hiện 41

3.3 Các phương pháp đánh giá tính chất vật liệu 43

3.3.1 Phân tích đường cong lưu biến - Rheometer 43

Trang 12

3.3.2 Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 43

3.3.3 Phân tích hình thái của vật liệu (SEM) 44

3.3.4 Tính chất cơ học 44

3.3.4.1 Độ cứng 44

3.3.4.2 Độ bền kéo 45

3.3.4.3 Độ bền xé 46

3.3.5 Hệ số lão hóa nhiệt 46

3.3.6 Độ trương của vật liệu 47

3.3.7 Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 48

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 49

4.1 Đánh giá chuẩn bị nguyên liệu tổng hợp vật liệu composite 49

4.1.1 Đánh giá hàm lượng rắn TSC (Total solids content) của CSTN 49

4.1.2 Kết quả xử lý bề mặt tro bay 50

4.1.2.1 Hình thái bề mặt tro bay sau khi tinh chế với axit 50

4.1.2.2 Hình thái bề mặt khi xử lý với kiềm 52

4.1.3 Phân tích cấu trúc hóa học của Silica 52

4.2 So sánh sự ảnh hưởng của phương pháp trộn hợp đến tính chất vật liệu composite nền CSTN 53

4.2.1 Ảnh hưởng của phương pháp trộn hợp đến tính chất cơ lý 53

4.2.1.1 Độ cứng 53

4.2.1.2 Độ bền kéo 54

4.2.1.3 Độ bền xé 57

4.2.2 Ảnh hưởng phương pháp trộn hợp đến hệ số lão hóa nhiệt 58

4.2.3 Phân tích cấu trúc hình thái bề mặt vật liệu 60

4.3 So sánh ảnh hưởng các loại độn khác nhau đến tính chất vật liệu composite nền CSTN bằng phương pháp đông tụ 61

4.3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng các loại độn khác nhau đến quá trình lưu hoá 61 4.3.2 Phân tích cấu trúc hóa học của mẫu composite trên chất nền cao su 62

4.3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng các loại độn khác nhau đến tính chất cơ lý 62

4.3.3.1 Độ cứng 63

Trang 13

4.3.3.2 Độ bền kéo 63

4.3.3.3 Độ bền xé 67

4.3.5 Khả năng trương nở trong môi trường dung môi phân cực Acetone 69

4.3.6 Khả năng trương nở trong môi trường dung môi không phân cực Hexane 70 4.3.7 Phân tích cấu trúc hình thái của vật liệu 72

4.3.8 Kết quả tích nhiệt lượng của vật liệu 72

4.4 So sánh sự ảnh hưởng của chất phân cực (PASS) đến tính chất vật liệu composite nền CSTN 74

4.4.1 Ảnh hưởng của chất phân cực PASS đến quá trình lưu hóa vật liệu 75

4.4.2 Phân tích thành phần hóa học của mẫu composite có sự tham gia chất phân cực PASS 75

4.4.3 Ảnh hưởng của chất phân cực PASS đến tính chất cơ lý 76

4.4.3.1 Độ cứng 76

4.4.3.2 Độ bền kéo 77

4.4.3.3 Độ bền xé 79

4.4.5 Phân tích cấu trúc hình thái vật liệu 81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

Kết luận 83

Kiến nghị 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

PHỤ LỤC 1

Trang 14

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu xử lý tro bay và chế tạo vật liệu

composite nền cao su thiên nhiên”

Trong khóa luận này, nhóm nghiên cứu tiến hành xử lý tro bay bằng phương pháp sol-gel Cụ thể là, tro bay được tinh chế bằng dung dịch HCl 1M trong 24 giờ nhằm loại

bỏ một số oxit kim loại, tạp chất có thể tan được trong axit Sau đó, phần tro bay tinh chế được thực hiện phản ứng với NaOH 1M ở 100℃ trong 2 giờ nhằm mục đích tạo thành dung dịch Na2SiO3 và thu hồi độn có hàm lượng silica Silicagel tạo thành khi dung dịch Na2SiO3 trên được kết tủa bằng dung dịch HCl 1M đến khi dung dịch có pH

= 3 Vật liệu composite được chế tạo thành từ pha nền là CSTN và pha gia cường là Silicagel hoặc tro bay xử lý Qua đó, khảo sát sự ảnh hưởng của các phương pháp trộn hợp khác nhau (đông tụ và trộn khô) và khảo sát sự ảnh hưởng các loại độn khác nhau lên cùng pha nền CSTN đến thời gian lưu hóa, tính chất cơ lý của mẫu vật liệu composite Bên cạnh đó, việc kết hợp với phụ gia khác như PASS (Poly acrylic axit sodium salt) nhằm cải thiện tính phân cực của vật liệu composite nền CSTN định hướng ứng dụng cao su trương nở cũng được nghiên cứu trong khóa luận này

Quá trình tách silica từ tro bay được phân tích bằng phổ FITR, kết quả cho thấy rằng silica tổng hợp thành công với sự xuất hiện các đỉnh đặc trưng như siloxan và silanol Quá trình xử lý bề mặt tro bay được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy rằng, xử lý tro bay đã làm giảm 24% kích thước hạt, bề mặt tro trở nên

xù xì, diện tích bề mặt riêng được tăng lên và tăng tương tác pha Kết quả khảo sát về ảnh hưởng của phương pháp trộn hợp thể hiện, phương pháp đông tụ mang lại hiệu quả cao về các giá trị cơ tính, tiết kiệm hơn về mặt năng lượng và thời gian so với phương pháp trộn khô Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng các loại độn chỉ ra, giá trị ứng suất đều đạt cao nhất ở hàm lượng 20 phr lần lượt là 22,06 (N/mm2) và 25,53 (N/mm2) đối với mẫu chứa silica và tro bay xử lý Ngoài ra, việc đánh giá tính chất nhiệt của mẫu vật liệu bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) cũng được tiến hành nhằm cung cấp thông tin về nhiệt độ bắt đầu phân hủy, phần trăm khối lượng mất đi ở các khoảng nhiệt độ khác nhau, kết quả đo cho thấy sự phân hủy mẫu mạnh nhất trong khoảng 300

- 400℃ Cuối cùng, khảo sát sự ảnh hưởng chất phân cực đến tính chất vật liệu cho thấy rằng, khi có sự xuất hiện của chất phân cực tính chất cơ lý của mẫu hầu như giảm do khả năng tương tác giữa chất nền và chất phân cực chưa đạt hiệu quả

Bố cục bài luận văn bao gồm 4 chương Cụ thể như sau:

- Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu, ý nghĩa thực tiễn, mục tiêu nghiên cứu

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết, trình bày kiến thức cơ bản, nền tảng liên quan đến đề tài

- Chương 3: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

- Chương 4: Kết quả và bàn luận

- Kết luận và kiến nghị

Trang 15

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh

ALK Alkanolamide Alkanolamide

BA Sản phẩm ngưng tụ

Heptaldehyde-Anilin

Heptaldehyde-aniline condensation Product

CSTN Cao su thiên nhiên Natural Rubber

DPG Xúc tiến DPG Accelerator Diphenyl Guanidine

EB Độ giãn dài khi đứt Elongation at break

FA Tro bay Fly ash

FTIR Quang phổ hồng ngoại biến

đổi Fourier

Fourier-transform infrared Spectroscopy

GMA Glycidyl methacrylate Glycidyl methacrylate

M đứt Ứng suất khi đứt Stress at break

M100 Ứng suất định giãn 100% Stress at 100%

M300 Ứng suất định giãn 300% Stress at 300%

MK0-20

Mẫu composite tạo thành từ pha nền là CSTN và pha gia cường là tro bay xử lý sấy khô phối trộn trên máy cán hai trục với hàm lượng 0-20 phr

-

ML0-30

Mẫu composite tạo thành từ pha nền là CSTN và pha gia cường là Silicagel với hàm lượng 0-30 phr

-

MR0-30

Mẫu composite tạo thành từ pha nền là CSTN và pha gia cường là tro bay xử lý phân tán trong dung dịch với hàm lượng 0-30 phr

-

Trang 16

MBT Xúc tiến MBT Accelerator

2-mercaptobenzothiazole MBT Phân tử MBT Mercaptobenzothiazole

MBTS Xúc tiến MBTS Accelerator

2-2’-dithiobis(benzothiazole)

HMT Xúc tiến HMT Accelerator hexamethylene

Tetramine HSKLH Hệ số kháng lão hóa -

MFA Tro bay biến tính Modified fly ash

OFA Tro bay gốc Original fly ash

PASS Polyacrylat axit sodium salt Polyacrylat acid sodium salt

PE Polyetylene Polyetylene

PEO Poly(ethylene oxide) Poly(ethylene oxide)

phr Phần trăm cao su Per hundred rubber

PP Polypropylene Polypropylene

SA Stearic axit Stearic acid

SAP Sodium Polyacrylate Sodium polyacrylate

SBR Cao su Styrene-Butadien Styrene-butadien Rubber

SEM Kính hiển vi điện tử quét Scanning slectron microscope

TB Độ bền kéo đứt Tensile strength at break

TGA Phân tích nhiệt trọng lượng Thermal gravimetric analysis

TMQ/RD Chất phòng lão 2,2,4-trimethyl-1,2-dihydroquinoline TSC Tổng hàm lượng chất rắn Total solids content

TMTD Xúc tiến TMTD Accelerator tetramethylthiuram

disulfide

Trang 17

ZMBT Xúc tiến ZMBT Accelerator

zinc-2-mercaptobenzothiazole

Trang 18

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Tính chất vật lý cơ bản cao su thiên nhiên 6

Bảng 2.2: Thành phần CSTN [16] 8

Bảng 2.3: Một số nối ngang đặc trưng trong từng hệ lưu hóa 15

Bảng 2.4: Phân loại chất xúc tiến theo tốc độ lưu hóa 17

Bảng 2.5: Thành phần hóa học tro bay tại nhà máy nhiệt điện Thái Lan [21] 21

Bảng 2.6: Thành phần hóa học các mẫu tro bay ở Ba Lan từ các nguồn khác nhau [22] .22

Bảng 2.7: Phân bố kích thước hạt các phân đoạn tro bay Israel [25] 23

Bảng 2.8: Các đặc trưng tro bay sau các quá trình xử lý bề mặt [26] 24

Bảng 3.1: Nguyên liệu sử dụng xử lý tro bay 28

Bảng 3.2: Nguyên liệu sử dụng đông tụ cao su 29

Bảng 3.3: Nguyên liệu sử dụng cán trộn mẫu vật liệu composite 29

Bảng 3.4: Các thiết bị sử dụng 31

Bảng 3.5: Dụng cụ sử dụng 33

Bảng 3.6: Đơn pha chế sử dụng phương pháp trộn khô với tro bay xử lý sấy khô 38

Bảng 3.7: Đơn pha chế sử dụng phương pháp đông tụ với tro bay xử lý 38

Bảng 3.8: Đơn pha chế sử dụng phương pháp đông tụ với Silicagel pH3 39

Bảng 3.9: Đơn pha chế cải thiện tính kém phân cực của hỗn hợp CSTN 40

Bảng 3.10: Công thức sử dụng tính toán 45

Bảng 4.1: Ký hiệu và ý nghĩa 49

Bảng 4.2: Khối lượng CSTN qua các lần cân 50

Bảng 4.3: Kết quả đo bền kéo của mẫu MK 54

Bảng 4.4: Kết quả đo bền kéo của mẫu MR 54

Bảng 4.5: Kết quả độ bền xé của các mẫu MK 57

Bảng 4.6: Kết quả độ bền xé của các mẫu MR 57

Bảng 4.7: Kết quả khảo sát về hệ số kháng lão hóa nhiệt của mẫu MK 59

Bảng 4.8: Kết quả khảo sát về hệ số kháng lão hóa nhiệt của mẫu MR 59

Trang 19

Bảng 4.9: Thời gian lưu hóa t90 của các mẫu 61

Bảng 4.10: Kết quả đo bền kéo của mẫu ML 64

Bảng 4.11: Kết quả độ bền xé các mẫu ML 67

Bảng 4.12: Kết quả khảo sát về hệ số kháng lão hóa nhiệt của ML 68

Bảng 4.13: Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) của các mẫu 72

Bảng 4.14: Thời gian lưu hóa t90 của các mẫu 75

Bảng 4.15: Kết quả đo bền kéo của các mẫu chứa chất phân cực hoặc không có chất phân cực .77

Bảng 4.16: Kết quả đo độ bền xé chứa chất phân cực hoặc không có chất phân cực 79 Bảng 4.17: Kết quả khảo sát về hệ số kháng lão hóa nhiệt chứa chất phân cực hoặc không có chất phân cực 80

Trang 20

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Cấu trúc của cao su thiên nhiên 6

Hình 2.2: Sơ đồ đại diện của chiết xuất latex và thành phần hạt cao su A) Khai thác latex là quá trình thu thập mủ cao su từ cây cao su; B) Ly tâm dẫn đến ba giai đoạn riêng biệt của latex; C) Đại phân tử Polyisoprene được tìm thấy trong latex; D) Cấu trúc của các hạt latex (mô hình lớp phospholipid) [15] 7

Hình 2.3: Sự thành lập các vùng theo độ pH 9

Hình 2.4: Tương tác cao su và độn 11

Hình 2.5: Các hiệu ứng cao su và độn 12

Hình 2.6: Hiệu ứng Payne 12

Hình 2.7: Quá trình lưu hóa cao su 13

Hình 2.8: Đường cong lưu hóa 14

Hình 2.9: Cơ chế lưu hóa cao su bằng lưu huỳnh 16

Hình 2.10: Công thức cấu tạo của Axit Stearic 17

Hình 2.11: Công thức cấu tạo MBTS 18

Hình 2.12: Cơ chế xúc tiến lưu hóa của MBTS với cao su [20] 18

Hình 2.13: Công thức hóa học Diphenyl Guanidine 19

Hình 2.14: Công thức cấu tạo TMQ 20

Hình 2.15: a) Các hạt tro bay; b) Hạt carbon lớn dưới kính hiển vi điện tử quét [24] 23 Hình 2.16: Sơ đồ biểu diễn cơ chế hình thành hạt Silica từ tro bay [31] 26

Hình 2.17: Biểu diễn sơ đồ của a) tổng hợp Poly(axit acrylic) và b) tổng hợp Poly (natri acrylate) [34] 26

Hình 2.18: Cơ chế trương nở của cao su trương nở a) Các hạt SAP (là polymer siêu hấp thụ) giữa các chuỗi cao su; b) Các phân tử nước xâm nhập vào chuỗi; c) Mạng lưới cao su trương [35] .27

Hình 3.1: Quy trình xử lý tro bay bằng phương pháp sol-gel 34

Hình 3.2: Quy trình đông tụ mủ latex bằng dung dịch HCl 0,5M 36

Hình 3.3: Quy trình chế tạo mẫu vật liệu composite 41

Hình 3.4: Hệ thống kính hiển vi điện tử quét (SEM) 44

Hình 3.5: Mẫu quả tạ đo độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D412-98 45

Trang 21

Hình 3.6: Mẫu cánh bướm đo độ bền xé theo tiêu chuẩn ASTM D624:2004 46

Hình 3.7: Mẫu sấy lão hóa được chuẩn bị theo tiêu chuẩn 47

Hình 3.8: Thí nghiệm đo độ trương nở của mẫu ML và MR 48

Hình 3.9: Máy phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 48

Hình 4.1: Ảnh SEM của hạt tro bay (a) Tro bay thô; (b) Tro bay tinh chế 51

Hình 4.2: Biểu đồ phân bố kích thước hạt a) Tro bay thô; b) Tro bay tinh chế HCl 51

Hình 4.3: Biểu đồ phân bố kích thước hạt tro bay xử lý NaOH 52

Hình 4.4: Phổ FTIR của Silicagel 52

Hình 4.5: Ảnh hưởng phương pháp trộn hợp đến độ cứng 53

Hình 4.6: Ảnh hưởng của phương pháp trộn hợp đến đến giá trị ứng suất M100, M300 .55

Hình 4.7: Ảnh hưởng của phương pháp trộn hợp đến ứng suất tại điểm đứt 56

Hình 4.8: Ảnh hưởng của phương pháp trộn hợp đến độ dãn dài 57

Hình 4.9: Ảnh hưởng của phương pháp trộn hợp đến độ bền xé 58

Hình 4.10: Ảnh hưởng các loại độn đến hệ số lão hóa nhiệt 60

Hình 4.11: Ảnh SEM của các mẫu chế tạo bằng các phương pháp trộn hợp khác nhau .60

Hình 4.12: Phổ FTIR của mẫu composite ở hàm lượng 20 phr 62

Hình 4.13: Ảnh hưởng các loại độn khác nhau đến độ cứng 63

Hình 4.14: Ảnh hưởng các loại độn khác nhau đến giá trị ứng suất M100, M300 64

Hình 4.15: Ảnh hưởng các loại độn khác nhau đến ứng suất tại điểm đứt 66

Hình 4.16: Ảnh hưởng các loại độn khác nhau đến độ dãn dài 66

Hình 4.17: Ảnh hưởng các loại độn khác nhau đến độ bền xé 67

Hình 4.18: Ảnh hưởng các loại độn khác nhau đến hệ số lão hóa nhiệt 69

Hình 4.19: Độ trương nở trong dung môi Acetone của mẫu ML 70

Hình 4.20: Độ trương nở trong dung môi Acetone của các mẫu MR 70

Hình 4.21: Độ trương nở trong dung môi Hexane trong các mẫu ML 71

Hình 4.22: Độ trương nở trong dung môi Hexane trong các mẫu MR 71

Hình 4.23: Ảnh SEM các mẫu a) ML20; b) MR20; c) ML30; d) MR30 72

Trang 22

Hình 4.24: Biểu đồ phân tích TGA của các mẫu NR 73 Hình 4.25: Biểu đồ phân tích TGA của các mẫu ML20 73 Hình 4.26: Biểu đồ phân tích TGA của các mẫu MR30 74 Hình 4.27: Kết quả đo FTIR của ML20-P8, MR20-P8 và PASS 76 Hình 4.28: Ảnh hưởng chất phân cực đến độ cứng Shore A 76 Hình 4.29: Ảnh hưởng chất phân cực đếnđến giá trị ứng suất M100, M300 77

Hình 4.30: Ảnh hưởng của chất phân cực đến ứng suất tại điểm đứt 78 Hình 4.31: Ảnh hưởng chất phân cực đến độ dãn dài 79 Hình 4.32: Ảnh hưởng chất phân cực đến độ bền xé 80 Hình 4.33: Ảnh hưởng chất phân cực đến hệ số kháng lão hóa nhiệt 81 Hình 4.34: Ảnh SEM các mẫu chứa chất phân cực a) ML20-P8; b) MR20-P8 81

Trang 23

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học - công nghệ, nhu cầu phát triển vật liệu đa chức năng có khả năng thích ứng với môi trường ngày càng tăng cao, đặc biệt vật liệu đàn hồi như cao su Việt Nam được biết đến như là một quốc gia có sản lượng CSTN lớn, mủ cao su latex cũng không là ngoại lệ, đứng thứ ba trong khu vực Đông Nam Á chiếm khoảng 7,7% sản lượng toàn cầu và 5,6% tổng diện tích trồng [1]

Cao su là loại vật liệu đàn hồi vừa mềm dẻo, có độ bền cơ học cao và khả năng biến dạng lớn Chúng là nguyên liệu dễ tìm và giá thành phù hợp, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực vô cùng quen thuộc như các bộ phận của ô tô, làm các chi tiết kỹ thuật, vòng đệm, trục lăn và các sản phẩm khác Tuy nhiên, các sản phẩm ứng dụng này không chỉ sản xuất từ CSTN mà còn được kết hợp với các phụ gia khác Trong đó chất độn được đưa vào nhằm hạ giá thành sản phẩm và cải thiện tính chất của CSTN là một thành phần không thể thiếu trong đơn pha chế cao su Việc nghiên cứu cải thiện thành phần chất độn để cải thiện tính cao su phân cực kém, cải thiện khả năng kháng trương trong dung môi không phân cực, cải thiện cơ tính để tạo ra những sản phẩm đa dạng và đáp ứng yêu cầu ứng dụng cao vẫn tiếp tục phát triển và nghiên cứu không ngừng

Bên cạnh đó, để tận dụng triệt để nguồn nguyên liệu sẵn có và giảm thiểu tác động tiêu cực với môi trường, giảm giá thành sản phẩm, đồng thời tạo giải pháp bền vững cho ngành công nghiệp cao su thì tro bay đang là đối tượng được nghiên cứu hướng đến nhiều ứng dụng khác Tro bay là nguồn phế thải có cấu trúc khá đặc biệt là hình cầu chứa các hạt vi cầu bên trong, thành phần chủ yếu oxit silic Hơn nữa, chúng có kích thước hạt nhỏ, diện tích bề mặt riêng lớn Do vậy, việc nghiên cứu sử dụng đối tượng này làm chất gia cường là rất phù hợp, mang ý nghĩa thực tiễn trong khoa học, đời sống

và kỹ thuật

Hiện nay, mặc dù số lượng nghiên cứu về cao su thiên nhiên đã khá phổ biến và các nghiên cứu về tro bay cũng nhiều không kém Nhưng những nghiên cứu về phương pháp trộn hợp hai loại vật liệu với nhau, và định hướng đến việc làm tăng khả năng phân cực của hỗn hợp vật liệu composite này hầu như rất ít Đặc biệt là cách phối trộn các thành phần này với nhau giúp tăng sự tương tác, cải thiện cơ tính cho sản phẩm, giảm

thiểu năng lượng phối trộn Đó cũng chính là lý do nhóm chúng em chọn đề tài: “Nghiên

cứu xử lý tro bay và chế tạo vật liệu composite nền cao su thiên nhiên”

Trong nghiên cứu này, cao su thiên nhiên dạng latex được chúng em sử dụng như pha nền trong hỗn hợp composite Các dạng độn khác nhau tách ra từ tro bay và các phương pháp trộn hợp khác nhau được thực hiện Từ đó khảo sát sự ảnh hưởng của chúng đến tính chất cơ lý, và tính chất nhiệt của mẫu vật liệu Hơn thế nữa, trong phạm

vi khóa luận này nhóm nghiên cứu muốn khảo sát sự kết hợp của phụ gia khác có tính phân cực mạnh như PASS nhằm tăng khả năng phân cực của hỗn hợp nguyên liệu để định hướng đến sản phẩm cao su trương nở, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Trang 24

xi măng, làm chất hấp thụ kim loại nặng trong xử lý nước, làm chất xúc tác trong quá trình nhiệt phân polyme, xử lý chất phóng xạ Một trong các ứng dụng rất có hữu ích của tro bay là sử dụng như chất độn gia cường cho các vật liệu polyme và cao su Trong công nghiệp cao su, tro bay có thể làm tăng độ bền mài mòn, giảm tỷ trọng và giá thành sản phẩm

Cùng với ý thức bảo vệ môi trường ngày càng cao, việc hạn chế nguồn chất thải gây hại cho môi trường đặc biệt từ nhà máy nhiệt điện đã dần được triển khai Cụ thể, việc nghiên cứu biến tính, xử lý tro bay để hạn chế nguồn phế phẩm thải ra cũng được thực hiện thành công vào năm 2005 của S Thongsang và cộng sự [3] Nhóm nghiên cứu này đã sử dụng tác nhân liên kết silan là bis-(3-trietoxysilylpropyl) tetrasulphit để biến tính tro bay Sau đó, tro bay được gia cường với CSTN Kết quả cho thấy với nồng độ 2-4% của hợp chất silan, modul đàn hồi và độ bền xé của vật liệu CSTN/tro bay tăng lên đáng kể

Khác với nhóm nghiên cứu của S.Thongsang về mặt nguyên liệu sử dụng CSTN, vào năm 2004, Nabil A N Aldakasi và cộng sự [4] tiến hành xem xét sự ảnh hưởng của bis-(3-trietoxysilylpropyl) tetrasulphit đến tính chất cơ lý của cao su butadien styren (SBR) độn tro bay Kết quả là tính chất của vật liệu có sử dụng tro bay biến tính được tăng lên đáng kể Độ bền kéo tăng lên 20% trong khi modul ở 100% tăng lên 30% và modul đàn hồi của vật liệu cũng tăng lên 22%

Một hướng nghiên cứu mới khá mới thực hiện vào những năm 2013, chúng mang

ý nghĩa to lớn là tạo ra vật liệu đàn hồi nhiệt dẻo Sukanya Satapathy và cộng sự [5] đã thành công tận dụng nguồn phế thải nhựa nhiệt dẻo là polyetylen, blend cùng cao su có

sử dụng tro bay làm chất gia cường Nhóm nghiên cứu tiến hành thu thập chất thải polyetylene (WPE) từ thải rắn đô thị, sau đó làm nóng chảy với phần cao su (RR) theo

tỷ lệ và vật liệu tổng hợp với tro bay (FA) đặc trưng Độ bền uốn, mô-đun uốn, độ bền

va đập, độ cứng và hình thái pha được trình bày Độ bền của tất cả các hỗn hợp cho thấy

sự cải thiện rõ rệt với sự gia tăng tỷ lệ RR Hơn nữa, ảnh hưởng của chất độn FA đến các thuộc tính của hỗn hợp vật liệu đã được đánh giá Độ bền kéo và độ uốn của hỗn hợp đã tăng lên 21,8 và 19 MPa từ 18,2 và 14 MPa khi kết hợp 50 wt% FA Tính ổn định nhiệt của hỗn hợp chứa tro bay cải thiện đáng kể so với sự pha trộn Kết hợp WPE,

RR và FA tạo một vật liệu tổng hợp có khả năng hữu ích với các đặc tính kỹ thuật

Trang 25

Vào năm 2014, Arti Maan và cộng sự [6] đã nghiên cứu sử dụng thành công FA làm chất độn để tạo ra hỗn hợp cao su tự nhiên bằng quá trình trộn Ngoài ra, sự ảnh hưởng của kích thước hạt tro bay lên composite cũng được nhóm tác giả nghiên cứu Các tính chất vật liệu như độ cứng, độ bền kéo, khả năng mài mòn được đánh giá Kết quả cho thấy, khi tăng hàm lượng tro bay thì độ cứng, độ bền nén của vật liệu cao su tổng hợp tăng nhưng độ bền kéo và khả năng chống mài mòn giảm Kích thước hạt của tro bay có ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng, độ bền kéo Khi hạ thấp kích thước hạt tro bay, vật liệu có xu hướng tăng độ bền kéo, độ cứng và khả năng chống mài mòn Như vậy, composite giữa cao su và tro bay trong nghiên cứu hiện tại có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác như thảm cao su, gạch lát vỉa hè… những nơi không yêu cầu tính năng vật liệu quá cao

Gần đây vào năm 2022, W Orczykowski cùng cộng sự [7] đã tiến hành sử dụng tro bay làm chất độn trong hỗn hợp cao su, đặc biệt cao su SBR Để cải thiện tương tác với nhau, hai loại vinyl silan khác nhau đã được thêm vào đơn pha chế: vinyltrimethoxysilane (U-611) hoặc vinyl-tris (2-methoxy-ethoxy) silan (LUVOMAXX VTMOEO DL50), silan có nhóm epoxy: 3-(glycidoxypropyl) trimethoxysilane (U-50) hoặc silan có chức năng lưu huỳnh: chứa cầu nối sulfua: bis(triethoxysilylpropyl) silan polysulfua (Si-266)) hoặc nhóm mercapto: mercaptopropyltrimethoxysilane (dynaslan MTMO) Quá trình silan hóa nói chung làm tăng sự tương tác giữa cao su và tro bay, đồng thời cải thiện mức độ phân tán chất độn Kết quả phân tích TGA và FTIR cũng có thấy sự hiện diện của silan liên kết hóa học với bề mặt các hạt tro bay Các thử nghiệm SEM và xác định hàm lượng cao su cho thấy rằng việc đưa silan vào hỗn hợp làm tăng mức độ phân tán

Bên cạnh đó, nhằm hướng đến mục tiêu tăng khả năng phân cực của hỗn hợp CSTN Trong những năm gần đây, nhiều nhà khoa học đã bắt tay vào nghiên cứu tính

ưa nước của hỗn hợp này Vào năm 2000, Jong Hyun Park và cộng sự [8] đã tổng hợp thành công Sodium polyacrylate (SAP) từ axit acrylic và NaOH bằng phương pháp trùng hợp huyền phù, có kích thước trung bình khoảng từ 76 - 225 mm Sau đó, SAP được trộn hợp với cao su thiên nhiên, kẽm oxit và lưu huỳnh, muội than đóng vai trò như chất gia cường trong hỗn hợp Glycidyl methacrylate (GMA) cũng được thêm vào làm tác nhân liên kết phản ứng giữa SAP và CSTN theo cơ chế phản ứng của liên kết đôi trong GMA kết hợp với nhóm không no trong cao su Kết quả cho thấy, tỷ lệ trương nở tăng lên khi tăng lượng than đen có hàm lượng 10 phr nhưng giảm khi vượt quá nồng độ này Việc tận dụng nguồn phế thải của quá trình sản xuất dầu cọ đã tổng hợp ra Alkanolamide (ALK) là một chất phụ gia cao su tương đối mới Năm 2018, Indra Surya cùng cộng sự [9] đã báo cáo với mục đích cải thiện khả hấp thụ nước cho vật liệu Kết quả cho thấy, CSTN chứa silica/ CR (cao su chloroprene) thể hiện mức độ hấp thụ nước tăng khi tăng hàm lượng ALK Chính nhờ việc bổ sung ALK đã làm tăng M100, M300

và giảm khi hàm lượng ALK tăng thêm Nhưng bên cạnh đó, các tính chất cơ tính cũng

Trang 26

bị ảnh hưởng cụ thể độ dãn dài, độ bền kéo bởi chúng phụ thuộc vào mật độ liên kết ngang trong khi đó ALK được xem là một chất hóa dẻo làm thay đổi tính linh hoạt của hỗn hợp cao su

1.1.2 Ở Việt Nam

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng tro bay chưa được chú ý nhiều mới chỉ có một số các nghiên cứu bước đầu trong lĩnh vực xây dựng như sử dụng tro bay làm chất độn cho bê tông, làm chất kết dính thay cho xi măng Trong lĩnh vực khác, việc nghiên cứu ứng dụng tro bay trong sản xuất vật liệu composite trên nền polyme ở nước ta còn khá mới mẻ Cụ thể hơn,

Thái Hoàng cùng cộng sự [10], đã nghiên cứu chế tạo vật liệu composite polypropylen và tro bay ở trạng thái nóng chảy Vật liệu composite PP/FA có momen xoắn giảm khi tăng hàm lượng FA Ở trạng thái nóng chảy, chế tạo vật liệu composite PP/MFA dễ dàng hơn và tiêu tốn ít năng lượng hơn so với vật liệu composite PP/OFA

Độ bền kéo đứt và độ giãn dài khi đứt của vật liệu composite PP/MFA lớn hơn so với vật liệu composite PP/OFA ở cùng một hàm lượng FA

Năm 2019, Nguyễn Tuấn Anh và cộng sự [11] đã nghiên cứu về một phụ gia thân thiện với môi trường là tro bay trên cơ sở nhựa epoxy epikote 240 Trong nghiên cứu này, tro bay được biến tính bằng phương pháp xử lý hóa học dùng NaOH và HCl tăng khả năng tương thích và kết dính với polymer nền Kết quả cho thấy rằng, các thông số

về độ bền uốn, bền kéo, bền va đập giảm khi hàm lượng tro bay tăng Và thông qua kết quả về ảnh SEM cho thấy, khi tro bay được biến tính với NaOH thì kích thước các hạt tro càng đồng đều so với ban đầu, có nhiều vết nứt, bề mặt trở nên gồ ghề, sự gia tăng diện tích bề mặt có thể làm cho sự tương tác giữa tro bay và nhựa epoxy tốt hơn Trong lĩnh vực cao su, một vài nghiên cứu đại diện như tác giả Lương Như Hải [12] đã nghiên cứu ứng dụng tro bay làm chất độn gia cường cho vật liệu cao su và cao

su blend Kết quả thấy rằng, các mẫu chứa 20 phr tro bay khi biến tính bằng silan (3-triethoxysilylpropyl) tetrasulfide ở nồng độ 2% độ bền kéo đứt và độ giãn dài đạt giá trị cao nhất Khảo sát tốc độ trương trong hexan, cho thấy độ trương giữa các mẫu chứa

bis-20 phr tro bay biến tính với TESPT là thấp nhất, do hợp chất silan này tạo liên kết hóa học với mạng lưới ngăn cản sự thẩm thấu nên làm giảm khả năng trương

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu xử lý, tận dụng tro bay làm chất gia cường trong việc chế tạo vật liệu composite nền CSTN dạng latex Qua đó đánh giá sự ảnh hưởng quá trình xử lý tro bay, phương pháp phối trộn đến tính chất vật liệu Thông qua thực hiện thí nghiệm

và phân tích từ đó xây dựng được một đơn pha chế mới để tạo ra loại vật liệu mới có tính ứng dụng trong thực tiễn

Trang 27

1.3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Chuẩn bị nguyên liệu tổng hợp composite như đánh giá hàm lượng

rắn TSC của nguyên liệu latex, tiến hành xử lý bề mặt tro bay và điều chế silicagel từ tro bay bằng phương pháp kết tủa sol-gel

Nội dung 2: Khảo sát phương pháp phối trộn các chất độn vào trong CSTN tạo

composite, đánh giá tính chất các mẫu thông qua: ứng suất định dãn tại 100% và 300%, ứng suất tại điểm đứt, độ dãn dài, độ bền xé, hệ số lão hóa nhiệt

Nội dung 3: Khảo sát ảnh hưởng các loại độn khác nhau đến tính chất vật liệu

bằng phương pháp đông tụ thông qua đánh giá tính chất cơ lý của mẫu như: ứng suất định dãn tại 100% và 300%, ứng suất tại điểm đứt, độ dãn dài, độ bền xé, hệ số lão hóa nhiệt Nhận xét sự ảnh hưởng của việc bổ sung hàm lượng độn đến sự thay đổi khối lượng của mẫu bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)

Nội dung 4: Khảo sát sự ảnh hưởng của chất phân cực đến hỗn hợp CSTN bằng

việc đưa chất có khả năng phân cực PASS Từ đó, so sánh sự thay đổi về tính chất của mẫu có chất phân cực hoặc không có chất phân cực

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Qua phần tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, đề tài hướng đến việc tận dụng triệt để nguồn phế phẩm là tro bay thải ra từ nhà máy nhiệt điện để hạn chế những tác động tiêu cực của chúng đến môi trường và đến sức khỏe con người Những sản phẩm tạo ra của quá trình xử lý tro bay có tiềm năng ứng dụng trong ngành công nghiệp cao su, tạo ra sản phẩm có tính đàn hồi tốt, tính chất cơ lý cao và giá thành tương đối rẻ

Hơn nữa, trong khóa luận này quy trình đông tụ cao su và độn với tỉ lệ nhất định được đề xuất nhằm giảm thời gian gia công và khắc phục nhược điểm là tiêu thụ năng lượng và ô nhiễm nơi làm việc so với quy trình trộn khô thông thường Ngoài ra, phương pháp chế tạo mẫu vật liệu composite này sử dụng các thiết bị tương đối phù hợp so với quy trình sản xuất công nghiệp, có tiềm năng phát triển quy mô lớn

Trang 28

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu chung về vật liệu composite

Trong thời đại hiện nay, sự tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực khoa học, kỹ thuật mang lại nhiều tiện ích cho cuộc sống con người Trong số các thành tựu đó, vật liệu composite được coi là một bước tiến mới trong lĩnh vực vật liệu

Mỗi composite bao gồm hai pha: pha liên tục và pha phân tán Pha liên tục hay gọi

là vật liệu nền để liên kết các pha phân tán Pha phân tán hay gọi là vật liệu tăng cường

và sự kết hợp hai thành phần này thường có tính chất vượt trội hơn so với từng thành phần riêng lẻ

Vật liệu nền có nhiều vai trò quan trọng, không những tạo môi trường liên kết pha phân tán mà còn đảm nhiệm vai trò tăng khả năng truyền ứng suất sang vật liệu tăng cường, khi chúng có lực tác động từ bên ngoài Ngoài ra, chúng có khả năng phân bố lại tải trọng khi vật liệu gia cường bị đứt, bảo vệ vật liệu gia cường khỏi hư hại do tác động

từ môi trường Vật liệu tăng cường thường được trộn vào pha nền làm tăng các tính chất của sản phẩm như độ cứng, độ bền kéo, độ bền va đập

Với mục đích khắc phục nhược điểm của các loại vật liệu truyền thống, sản phẩm composite tạo ra có hiệu suất cao: vật liệu nhẹ nhưng cứng, chịu va đập và chịu kéo tốt,

có khả năng chống chịu với thời tiết

Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần Cụ thể:

- Phân loại theo hình dạng:

+ Vật liệu composite độn dạng sợi: khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi đó

là composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho polymer nền + Vật liệu composite độn dạng hạt: khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer nền

- Phân loại theo bản chất, thành phần:

+ Composite nền hữu cơ cùng với vật liệu tăng cường có dạng: sợi hữu cơ (polyamide, kevlar…), sợi khoáng (thủy tinh, carbon…), sợi kim loại (Bo, nhôm…) + Composite nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al,…) cùng với vật liệu tăng cường dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)

+ Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu tăng cường dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, nitơ)

Ngày nay, composite có nhiều công nghệ sản xuất và quy trình sản xuất tương đối đơn giản, sản phẩm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hàng không, ô tô, hàng hải, xây dựng và kiến trúc

Trang 29

Trong nghiên cứu này, vật liệu composite tạo ra từ vật liệu nền là cao su thiên nhiên và vật liệu tăng cường là tro bay xử lý dạng hạt mịn Chúng khắc phục được nhược điểm hiện tại của vật liệu truyền thống, làm tăng cơ tính sản phẩm

2.2 Tổng quan về cao su thiên nhiên

2.2.1 Cấu tạo hóa học

Thành phần chủ yếu của cao su thiên nhiên là polyisoprene mà mạch đại phân tử của nó được hình thành từ các mắt xích isopenten, đồng phân cis liên kết với nhau ở vị trí 1,4 chiếm khoảng 98%

Hình 2.1: Cấu trúc của cao su thiên nhiên

Ngoài các mắt xích isopren đồng phân 1,4-cis, trong CSTN còn có khoảng 2% các mắt xích isoprene tham gia vào hình thành mạch đại phân tử ở vị trí 3,4

Các hợp chất chứa nitơ gồm protein và các amino aicd với hàm lượng khá cao Các protein có khả năng xúc tiến cho quá trình lưu hóa và ổn định cao su thiên nhiên

2.2.2 Tính chất vật lý và tính chất hóa học

Tính chất vật lý đặc trưng cao su thiên nhiên được thể hiện thông qua Bảng 2.1

Bảng 2.1: Tính chất vật lý cơ bản cao su thiên nhiên

Tính chất Thông số Đơn vị

Khối lượng riêng 913 ÷ 914 Kg/cm3

Nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) -70 ÷ -72 oC

Hệ số giãn nở thể tích 656 x 10-4 dm3/oC

Nhiệt dung riêng 1,88 kJ/kgK

CSTN có độ đàn hồi, độ bền kéo và bền xé rách cao nhưng không bền với ánh sáng mặt trời, oxy và ozon, và đặc biệt “dễ bị phân huỷ nhiệt” Cao su thiên nhiên là vật liệu

vô định hình Tuy nhiên, khi CSTN kéo dài (stretched) có thể kết tinh, sự kết tinh góp phần vào các tính chất cơ học của chúng [13]

Trang 30

Do đặc điểm về cấu tạo hóa học, CSTN có thể xảy ra các phản ứng cộng, phản ứng phân hủy, đồng phân hóa, polymer hóa (phản ứng trùng hợp)

- Phản ứng cộng: do có liên kết đôi trong mạch đại phân tử, trong những điều kiện nhất định, CSTN có thể cộng hợp với hydro tạo sản phẩm hydrocarbon no dạng parafin, cộng halogen, cộng hợp với oxy, nitơ,

- Phản ứng đồng phân hóa, vòng hóa: do tác dụng của nhiệt, điện trường, hay một

số tác nhân hóa học như H2SO4, phenol, Cao su có thể thực hiện phản ứng tạo hợp chất vòng

- Phản ứng phân hủy: dưới tác dụng của nhiệt, tia tử ngoại hoặc của oxy, CSTN có thể bị đứt mạch, khâu mạch, tạo liên kết peroxide, carbonyl,

2.2.3 Mủ latex cao su và sự đông đặc mủ

Latex là mủ cao su ở trạng thái phân tán các hạt, nằm lơ lửng trong dung dịch chứa nhiều chất hữu cơ và vô cơ [14] Theo nguyên tắc có thể nói đó là một trạng thái nhũ tương của các hạt cao su hay thể giao trạng trong một serum lỏng

Khi mủ cao su được ly tâm, nó tách thành ba phần thể hiện trong Hình 2.2, phần

trên bao gồm các hạt cao su thường có màu trắng đục, tương tự như màu của sữa Phần trung gian thứ hai là pha chứa các chất hòa tan có trong tế bào chất tế bào thực vật, được gọi là C serum Phần dưới cùng bao gồm các chất không phải cao su như “lutoids” (Lutoids là các bào quan trong các chất tạo nhựa mủ ở cây cao su Hevea brasiliensis) [15]

Hàm lượng những chất cấu tạo nên latex thay đổi tùy theo điều kiện khí hậu, hoạt tính sinh lý và hiện trạng sống của cây cao su Các phân tích latex từ nhiều loại cây cao

su khác nhau chỉ đưa ra những con số phỏng chừng về thành phần latex thể hiện qua

Bảng 2.2 như sau:

Hình 2.2: Sơ đồ đại diện của chiết xuất latex và thành phần hạt cao su A) Khai thác

latex là quá trình thu thập mủ cao su từ cây cao su; B) Ly tâm dẫn đến ba giai đoạn riêng biệt của latex; C) Đại phân tử Polyisoprene được tìm thấy trong latex; D) Cấu trúc của các hạt latex (mô hình lớp phospholipid) [15]

Trang 31

Bảng 2.2: Thành phần CSTN [16]

Thành phần Hàm lượng

Hydrocacbon cao su Pha phân tán của latex chủ yếu có 90%

hydrocacbon cao su với công thức là (C5H8)n

Đạm

Chủ yếu là protein hay những dẫn xuất từ quá trình dehydrate hóa enzyme Chiếm 2% trong hỗn hợp DRC 40%, trong đó protein chiếm từ 1% - 1,5% góp phần cho sự ổn định latex nhờ đặc tính tĩnh điện

Lipid

Lipid và dẫn xuất chiếm khoảng 2% ta có thể thu được chúng bằng ly tâm Có vai trò giống như chất ổn định của hệ

Glucid Cấu tạo từ những chất tan được chiếm từ

2-3%, không ảnh hưởng đến tính chất của latex

Các khoáng chất

Kalium Chiếm 58% tổng lượng khoáng, trong 1 lít

latex chứa 1,7g Kalium

Magnesium

Chiếm 24% tổng lượng khoáng, 1 lít latex thì

nó chiếm 700 mg, ảnh hưởng trực tiếp với tính

ổn định của latex

Phosphorus

Chiếm 17% tổng lượng khoáng, 1 lít latex chiếm khoảng 500mg Chỉ số Mg/P = 1 thì latex ổn định tốt

Calcium Calcium tồn tại tương đối thấp chiếm khoảng

1%, 1 lít latex chiếm khoảng 30mg

Đồng

Là nguyên tố quan trọng nhất của latex, 1 lít latex chứa 1,7mg, nó liên kết trực tiếp với pha serum, K/Cu = 1000 phù hợp với pha serum của latex Chức năng ái lực oxygen của đồng trực tiếp ảnh hưởng đến sự lão hóa của latex

Sắt Chỉ số Fe trong latex thường không xác định,

nhưng không vượt quá 1mg trên 1 lít latex

Trang 32

Mangan

Cũng như đồng có ái lực oxygen mạnh gây lão hóa cao su, lượng Mn không bao giờ vượt quá 0,1mg/ lít latex

Rubidium Trong 1 lít latex chứa 70mg Rb, ảnh hướng

đến tính chất sinh lý latex

Sau khi thu hoạch, mủ cao su được ổn định với NH3 Để bảo quản mủ được lâu, hàm lượng NH3 thường được nâng lên 0,6–0,7% (ammoniac cao) hoặc 0,2 – 0,3% NH3

cộng với tetramethyl thiuram disulfide (TMTD) (ammoniac thấp) [16]

Ngày nay, nhiều phương pháp đông tụ latex được thực hiện Tuy nhiên, đông đặc bằng axit chiếm ưu thế vì chúng lợi thế về kinh tế, nguyên liệu dễ tìm kiếm Các phương pháp đông tụ bao gồm:

a) Đông đặc tự nhiên

Latex tươi nếu để ngoài trời sẽ tự nhiên đông đặc lại Một cách tổng quát, hiện tượng này được cho là do các enzyme hay vi khuẩn biến đổi hóa học mà gây ra [16]

b) Đông đặc bằng axit

Đông đặc latex bằng axit được thực hiện bằng cách thêm từ từ dung dịch axit vào chúng, nhầm mục đích hạ pH xuống tới một trị số sao cho tính ổn định của thể phân tán không còn nữa Khi cho axit vào latex, sự đông đặc sẽ xảy ra nhanh chóng vì pH đã hạ

xuống, giúp latex đạt tới độ đẳng điện qua Hình 2.3 Trong công nghiệp cao su, người

ta thường sử dụng axit formic (lượng dùng 0,5%) và nhất là axit acetic (lượng dùng 1%)

Hình 2.3: Sự thành lập các vùng theo độ pH [16]

c) Đông đặc bằng muối hay chất điện giải

Khi cho dung dịch muối vào latex với thể tích tăng dần, latex sẽ bị đông đặc Cơ chế đông đặc bởi chất điện giải: phần tử thể giao trạng bị khử điện tích do sự hấp thu của ion điện tích đối nghịch và sự đông kết tự sinh ra sau sự khử mất điện tích Thực tế, những muối được dùng để đông đặc latex là nitrate calcium hay chloride calcium, chloride magnesium, sulfate magnesium và sulfate nhôm [16]

Trang 33

d) Đông đặc bằng rượu (cồn) và acetone

Độ đậm đặc của cao su trong latex ảnh hưởng lớn đến sự đông đặc với tác nhân là cồn Cụ thể, latex có hàm lượng cao su khô là 35%, chúng ta cần phải dùng 10% thể tích rượu ethylic 96° mới gây sự đông đặc ngay lập tức [16]

Cơ chế đông đặc được chứng minh là do tác dụng khử nước của cồn, các lớp protein bám quanh hạt tử cao su hút nước mạnh Trong khi đó, rượu là chất khử nước mạnh, khi nồng độ rượu trong serum thích ứng, nó sẽ hạt hấp trị số hút nước bình thường của lớp protein, khi chỉ số về điện tích không đảm bảo để latex ổn định Do vậy, sự đông đặc xảy ra

Với việc sử dụng aceton là chất đông đặc latex, cơ chế đông đặc theo tiến trình tương tự như đông đặc bằng rượu Tuy nhiên, trong công nghiệp người ta thường dụng

acetone để đông đặc hơn là dùng rượu

e) Đông đặc bằng cách khuấy trộn

Khi khuấy trộn latex trong thời gian đủ lâu, latex sẽ bị đông đặc Do việc khuấy trộn làm cho động năng các hạt phân sử cao su tăng lên, động năng này đạt trị số đủ lớn

sẽ vô hiệu hóa lớp protein hút nước [16]

g) Đông đặc bằng nhiệt

Latex có thể bị đông đặc khi làm lạnh -15℃ và đưa về nhiệt độ bình thường nó sẽ đông đặc Cơ chế đông đặc có thể là sự làm lạnh phá vỡ hệ thống hấp thu nước của protein Trên thực tế không sử dụng phương pháp này, làm lạnh kéo dài tới 15 ngày thì quá trình đông đặc mới có thể xảy ra [16]

2.2.4 Các tương tác và hiệu ứng chủ yếu trong hỗn hợp độn và cao su

Khi trộn chất độn vào cao su thì các phần tử cao su và chất độn sẽ có tương tác với nhau hình thành nên các tương tác vật lý

Ở trạng thái 1, cao su và độn khi chưa tác dụng lực Khi chúng bị kéo chuyển trạng thái 1 sang trạng thái 2, cần tốn một năng lượng ΔG, những phần tử cao su nào có liên kết vật lý yếu ví dụ như liên kết tĩnh điện sẽ bị đứt trước, những liên kết vật lý mạnh hơn sẽ được giữ trên bề mặt hạt độn Vì vậy, trong quá trình kéo từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 thì cao su có sự sắp xếp lại mạch phân tử

Trang 34

Hình 2.4: Tương tác cao su và độn

Khi chuyển từ trạng thái 2 sang trạng thái 3, cần thêm một năng lượng ΔG Nếu tiếp tục kéo đứt sẽ phá vỡ một tập hợp sợi song song, để bẻ gãy bó sợi cần phải dùng một lực tăng lên rất nhiều, do đó sự sắp xếp trật tự nên bẻ gãy khó hơn, vì vậy module tăng Đến trạng thái 3, được gọi là dãn mạch tới hạn và đây là giới hạn của cao su không thể dãn thêm được nữa Có thể nói thuyết dãn mạch tới hạn được biểu diễn bằng cách kéo vật liệu đến khi không còn dãn ra được nữa

Đến trạng thái 4, các tương tác yếu muốn hình thành lại cần có tương tác và thời gian Ngay sau khi ngừng tác dụng lực thì nó sẽ không có thời gian để hình thành vì vậy trạng thái 4 ít tương tác giữa đại mạch phân tử dẫn đến có biến dạng dư so với trạng thái

1

Module của cao su không độn: trong thực tế, có rất ít cao su không sử dụng chất độn, vì sử dụng chất độn sẽ làm tăng cơ tính cho cao su Khi không sử dụng chất độn, rất ít liên kết được hình thành, mạch cao su khá mềm dẻo dẫn đến module (khả năng chống lại biến dạng) của cao su khá thấp

Trang 35

Hình 2.5: Các hiệu ứng cao su và độn

Hiệu ứng thủy động học: càng nhiều chất độn khi tác dụng lực vào sẽ bị thay đổi hướng, thay vì tác động tập trung một chỗ mà nó sẽ phân tán cho toàn bộ vật liệu Nói cách khác, lực sẽ bị cản trở của hạt độn làm cho nó bị đổi hướng tạo nên những dòng xoáy lực khác

Tương tác giữa tập hợp hạt độn: khi trộn độn vào cao su thì module sẽ tăng lên Khi sử dụng với hàm độn khá thấp (khoảng 10%) thì nhận ra giá trị module không có

sự thay đổi đáng kể Nhưng khi lượng độn tăng dần đến 40% - 50% giá trị module tăng nhanh chóng

Dưới sự phân tích về mặt lý thuyết, khi cho hàm lượng độn ít vào cao su thì nó sẽ phân tán một cách rời rạc Vì vậy, ở trường hợp này các hạt độn không thể tương tác lại với nhau Khi tăng hàm lượng cao hơn thì độn phân tán tốt vào trong polymer, với hàm lượng độn nhiều thì độn sẽ bao lấy cao su hình thành các vùng kết thể thể hiện qua hiệu ứng Payne

Hình 2.6: Hiệu ứng Payne

Trang 36

Ban đầu khi kéo cao su có độn thì module tăng do hạt độn cản trở sự di chuyển của các hạt cao su Khi kéo càng lâu và cường độ lớn xảy ra biến dạng, còn khi kéo quá mức tập hợp hạt độn sẽ bị phá vỡ khiến cho module giảm

2.2.5 Lưu hóa cao su

2.2.5.1 Sự lưu hóa

Lưu hóa là giai đoạn quan trọng trong quá trình gia công, đây là quá trình mà các chuỗi cao su được liên kết với nhau bằng liên kết hóa học, tạo thành mạng lưới hoặc mạng không gian ba chiều [16] Việc thay đổi cấu trúc này làm thay đổi tính chất vật liệu từ trạng thái mềm dẻo thành trạng thái đàn hồi mạnh [17]

Hình 2.7: Quá trình lưu hóa cao su [18]

2.2.5.2 Đường cong lưu hóa

Để theo dõi và kiểm soát quá trình lưu hóa người ta dựa vào biểu đồ đường cong

lưu biến của cao su trong quá trình lưu hóa thể hiện qua Hình 2.8

Đường cong lưu hóa chính là đường cong thay đổi momen xoắn của cao su trong quá trình lưu hóa Nó có thể đo chính xác các thông số như thời gian, momen xoắn cực tiểu, cực đại,

Các thông số từ đường cong lưu hoá

- ML: momen xoắn cực tiểu, tại đó hỗn hợp cao su hoá mềm bởi nhiệt độ, chưa có

sự lưu hóa diễn ra

- MH: momen xoắn cực đại, tại đó hỗn hợp đạt được hiệu suất lưu hóa cao nhất

- Thời gian t10: là thời gian để đạt được 10% momen xoắn cực đại của hỗn hợp cao

su

- Thời gian t90: là thời gian để đạt được 90% momen xoắn cực đại của hỗn hợp cao

su Có thể chọn đây là thời gian lưu hóa tối ưu của sản phẩm

Trang 37

Hình 2.8: Đường cong lưu hóa 2.2.5.3 Đặc điểm và thông số ảnh hưởng đến quá trình lưu hóa

a) Đặc điểm

Lưu hóa là phản ứng hóa học tạo ra liên kết ngang Đó là một phản ứng thu nhiệt đòi hỏi năng lượng, thường ở dạng nhiệt như hơi nước hay điện, hay các dạng nhiệt khác như điện cao tần, bức xạ và cũng có thể xảy ra ở nhiệt độ rất thấp

Lưu hóa là quá trình không thuận nghịch, các phản ứng tạo nối ngang tranh chấp song song với các phản ứng ngắt mạch Do đó, cần thêm các chất xúc tiến và trợ xúc tiến để tăng tốc các phản ứng liên kết ngang trong quá trình lưu hóa

Phản ứng đòi hỏi các phân tử cao su có những tâm hoạt động, đó có thể là những nối đôi không bão hòa, các hydro linh động hoặt các nhóm phân cực

b) Các thông số ảnh hưởng quá trình lưu hóa

Quá trình lưu hóa bị tác động bởi một số thông số bao gồm thời gian, nhiệt độ, áp suất lưu hóa Ba thông số này có sự ảnh hưởng và phụ thuộc lẫn nhau

- Thời gian lưu hóa: là thời gian sản phẩm lưu lại trong khuôn khi đã đạt áp suất

lưu hóa Thời gian lưu hóa phụ thuộc vào chất xúc tiến, hàm lượng chất xúc tiến Thời gian càng ngắn thì mức độ lưu hóa là không đủ Nếu thời gian quá dài, mức độ lưu hóa quá cao sẽ làm ảnh hưởng đến sản phẩm, do đó cần phải xem xét thời gian lưu hóa và nhiệt độ lưu hóa để không làm ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm

- Nhiệt độ lưu hóa: thông số này quyết định tới tốc độ và cơ chế của phản ứng lưu

hóa Nó ảnh hưởng đến thời gian lưu hóa và tính chất sản phẩm

- Áp suất lưu hóa: là áp suất giúp cho sản phẩm điền đầy khuôn Giá trị áp suất

được duy trì không đổi trong suốt quá trình lưu hóa

Trang 38

2.2.5.4 Tác nhân lưu hóa

Hiện nay trong công nghiệp cao su, người ta dùng lưu huỳnh để khâu mạch cao su

Hệ lưu hóa lưu huỳnh thường được chia thành 3 loại:

- Hệ lưu hóa lưu huỳnh thông thường: S (2 – 3,5 phr), chất xúc tiến (0,1 – 1,2 phr)

Liên kết được tạo ra trong hệ này là polysulfide, liên kết này kém bền, dễ bị phá vỡ vì thế không nên dùng hệ lưu hóa này cho các sản phẩm chịu nhiệt độ cao

- Hệ lưu hóa lưu huỳnh bán hiệu quả: S (1 – 1,7 phr), chất xúc tiến (1,2 – 2,5 phr)

Hệ này liên kết được tạo ra là monosulfide và polysulfide

- Hệ lưu hóa lưu huỳnh hiệu quả: S (0,4 – 0,8 phr), chất xúc tiến (2 – 5 phr), liên

kết được tạo ra là monosulfide, thích hợp dùng trong các sản phẩm chịu nhiệt cao Ngoài ra, quá trình lưu hóa có thể thực hiện bởi nhiều tác nhân khác nhau như selen (Se), hệ lưu hóa bằng peroxide, nhựa lưu hóa, Sự lưu hóa làm cho cao su bền hơn, dai hơn và đưa cao su trở thành sản phẩm được ứng dụng rộng rãi trong đời sống Việc lựa chọn hệ lưu hóa mang một ý nghĩa quan trọng trong ứng dụng cao su

Bảng 2.3: Một số nối ngang đặc trưng trong từng hệ lưu hóa

STT Hệ lưu hóa Tác nhân lưu hóa Loại nối ngang

1

Lưu huỳnh Lưu huỳnh

2 Peroxid Peroxid

3 Hệ oxit kim loại MgO, ZnO

4 Dùng năng lượng lớn Tia γ

5 Hệ nhựa Nhựa Phenolic

Trang 39

2.2.5.5 Cơ chế lưu hóa

Hình 2.9: Cơ chế lưu hóa cao su bằng lưu huỳnh

Xúc tiến tác dụng với lưu huỳnh cho ra sản phẩm polysulfur loại Ac-Sx-Ac, trong

đó Ac là chất xúc tiến Sau đó, polysulfur phản ứng với phân tử cao su tạo sản phẩm dạng cao su-Sx-Ac Sản phẩm này tiếp tục tạo nối ngang giữa hai phân tử cao su tạo thành dạng cao su-Sx-cao su [18]

2.2.6 Phụ gia

2.2.6.1 Chất trợ xúc tiến

Chất tăng hoạt hay còn gọi là chất tăng hoạt là chất có tác dụng phụ trợ gia tốc lưu hóa cao su, nâng cao hiệu quả chất xúc tiến và bổ trợ các phụ gia khác trong hỗn hợp cao su Chất tăng hoạt chia thành hai loại: Nhóm vô cơ là những oxit kim loại và nhóm hữu cơ là các axit béo [16] Trong luận văn này, nhóm nghiên cứu sử dụng hai chất tăng hoạt phổ biến oxit kim loại kẽm (ZnO) và axit hữu cơ (axit steatic)

Ngoài nhiệm vụ là chất trợ xúc tiến, ZnO còn có thể làm chất độn tăng cường Tuy nhiên, hiện nay ít được sử dụng làm chất độn hay chất tạo màu vì tỷ trọng cao, giá thành sản phẩm đắt Nếu hàm lượng độn ZnO trên 50 - 60%, lực kéo dứt sẽ tăng rất cao và độ nẩy cũng đạt được giá trị cao nhất, tuy nhiên độ kháng xé rất thấp và tốc độ lão hóa cao

Trang 40

b) Axit stearic

Hình 2.10: Công thức cấu tạo của Axit stearic

Axit stearic (SA) hay còn gọi axit octadecylic, công thức hóa học

CH3(CH2)16COOH - axit béo giữ vai trò là chất xúc tiến hữu cơ thông dụng nhất SA có khối lượng riêng d = 0,84 g/cm3 điểm nóng chảy: 69,60C, thường tồn tại tinh thể dạng lá mỏng, màu trắng sáng, có thể ở dạng bột, hạt, vảy, phiến, cục SA được ứng dụng nhiều trong ứng dụng chất bôi trơn, tháo khuôn cho các sản phẩm composite, cao su, sản xuất

xà phòng, chất làm bóng bề mặt kim loại, chất phủ bề mặt

Axit stearic sẽ phản ứng với oxit kẽm để thành lập savon kẽm tan trong cao su Ngoài ra nó còn làm mềm dẻo cao su cán luyện, khuếch tán chất độn vì axit stearic có chức năng tẩm ướt chất độn nhờ các nhóm carbonyl hút các hạt của chất độn và chuỗi hydrocarbon dài tan trong cao su, giảm tính dính của cao su sống dễ dàng chế biến sản phẩm định hình qua máy ép đùn hay máy cán tráng Do axit stearic có độ hòa tan trong cao su có giới hạn (trừ cao su butyl), axit stearic sẽ di chuyển ra mặt ngoài sản phẩm ngay sau lưu hóa tạo sự kháng lão hóa vật lý cô lập cao su và không khí

2.2.6.2 Chất xúc tiến

Chất xúc tiến hay còn gọi là chất gia tốc lưu hóa, có tác dụng tăng tốc độ lưu hóa,

hạ nhiệt độ lưu hóa cho sản phẩm, giảm tỷ lệ sử dụng chất lưu hóa khi được sử dụng với hàm lượng nhỏ, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm

Dựa vào khả năng tăng tốc quá trình lưu hóa, các chất xúc tiến được phân loại thành chất xúc tiến chậm, trung bình, nhanh, cực nhanh và bán cực nhanh Dựa vào nhóm chức trong cấu trúc phân tử, chất xúc tiến được phân loại thành các nhóm chính

như: thiazole, guanidien, thiuram, thiourea được thể hiện trong Bảng 2.4 [19]

Bảng 2.4: Phân loại chất xúc tiến theo tốc độ lưu hóa [19]

Chất xúc tiến Nhóm chức Tốc độ lưu hóa

BA, HMT Aldehyde amine Chậm

MBT, MBTS, ZMBT Thiazole Bán cực nhanh (Semi Ultra

fast)

TMTD, TMTM Thiuram Cực nhanh

Tiêu đề	Nghiên Cứu Xử Lý Tro Bay Và Chế Tạo Vật Liệu Composite Nền Cao Su Thiên Nhiên
Tác giả	Đỗ Ngọc Trâm Anh, Nguyễn Thanh Huy
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Thị Lê Thanh
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Vật Liệu
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Thành Phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	159
Dung lượng	18,27 MB