tiểu luận công nghệ gia công cao su cao su tổng hợp neoprene

Nhược điểm chính của phương pháp này là hoạt tính của chất xúc tác thấp, mức tiêu thụ cao và phạm vi trùng hợp thấp.Phương pháp khác là sản xuất cao su butyl, bao gồm cả việc chuẩn bị mộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG THƯƠNG TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ VẬT LIỆU

-

o0o -TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CAO SU

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến khoa Công nghệ hóa học trường Đạihọc Công Thương thành phố Hồ Chí Minh đã đưa môn học “ Công nghệ giacông cao su “ vào giảng dạy Đây là một môn học rất hay và cho em nhiều kiếnthức bổ ích Trong quá trình học môn học này, em đã nhận được rất nhiều sựquan tâm, hướng dẫn tận tình của các thầy, cô thuộc bộ môn Công nghệ hóa học

và vật liệu Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến cô Nguyễn NgọcKim Tuyến - người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành bài tiểu luận này

Trong quá trình làm bài, do hiểu biết của em về đề tài “Cao su tổng hợpNeoprene” còn nhiều hạn chế nên bài làm khó tránh khỏi những thiếu sót Mongthầy, cô xem và góp ý thêm cho em để bài làm ngày càng hoàn thiện Em xinchân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Sinh viên gồm: Nguyễn Thế Nam MSSV: 2026211233

Nhận xét:

Điểm đánh giá:

Ngày tháng năm 2024

(Ký tên, ghi rõ họ tên)

A TỔNG QUAN VỀ CAO SU TỔNG HỢP 1

1 Lịch sử hình thành cao su tổng hợp 1

2 Cao su tổng hợp là gì? 1

B CAO SU BUTYL 2

1 Tổng quan 2

1.1 Vấn đề hiện tại 2

2 Sản xuất cao su Butyl 4

2.1 Phương pháp tổng hợp 4

3 Vật liệu tổng hợp giảm chấn cao su butyl kỵ nước mới được biến đổi bằng PF/DBA dựa trên sinh học thông qua việc xây dựng mạng ba chiềuPhương pháp Axetylen 5

3.1 Tổng quan 5

3.2 Thực nghiệm 7

a Nguyên vật liệu 7

b Chuẩn bị vật liệu tổng hợp 8

c Kết quả và bàn luận 10

i Phân tích H NMR 12

ii Phân tích hình thái SEM của mặt cắt hỗn hợp 13

iii Phân tích đặc tính kéo 14

iv Kiểm tra tính chất cơ động học 15

v Phân tích góc tiếp xúc với nước 17

vi Đặc điểm suy thoái nhiệt 19

d Kết luận 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

A TỔNG QUAN VỀ CAO SU TỔNG HỢP

1 Lịch sử hình thành cao su tổng hợp

Cao su thiên nhiên là một trong những vật liệu polymer thiết yếu trongcông nghệ và đời sống Tuy nhiên, cao su tự nhiên chưa đáp ứng được nhu cầungày càng cao của người tiêu dùng, cao su tự nhiên còn có hạn chế là khả năngchịu dầu, chịu nhiệt thấp Vì vậy các nhà khoa học đã tìm ra cách tổng hợp từnhững chất hữu cơ đơn giản thông qua phản ứng trùng hợp hoặc ngưng tụ

Năm 1879, Butchart đã sản xuất thành công cao su tổng hợp từ isoprentrong phòng thí nghiệm Các nhà khoa học Anh và Đức sau đó đã phát triển cácphương pháp sản xuất nhựa từ isoprene, cùng với các phương pháp khác, từ năm

1910 đến năm 1912

Bắt đầu từ khoảng năm 1890, khi các phương tiện giao thông đường bộ có

sự xuất hiện của bánh xe, nhu cầu về cao su tăng lên nhanh chóng Vấn đề chínhtrị khiến giá cao su thiên nhiên biến động Nhu cầu cao nhưng nguồn cung lạithấp nên trong những năm chiến tranh cao su tổng hợp bắt đầu thu hút được sựquan tâm của các chuyên gia Ngày nay, cao su tổng hợp chiếm 80% thị phần tạiHoa Kỳ và một nửa tổng lượng tiêu thụ cao su tổng hợp toàn cầu.Với việc pháthiện ra chất xúc tác cơ kim vào đầu những năm 1950, nhiều loại cao su tổng hợpmới đã được nghiên cứu và sản xuất thành công Những loại cao su tổng hợpnày được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Cao su tổng hợp chiếm 25% lượngtiêu thụ cao su toàn cầu

2 Cao su tổng hợp là gì?

Cao su tổng hợp là một loại chất dẻo nhân tạo có chức năng đàn hồi Một

số chất đàn hồi là vật liệu cơ học, có thể chịu được áp lực biến đổi hình dạnghơn hầu hết các vật liệu khác mà vẫn phục hồi được hình dạng cũ Cao su tổnghợp đang thay thế cao su tự nhiên trong nhiều ứng dụng

Cao su tổng hợp được tạo ra từ phản ứng trùng ngưng của các cấu trúc đơnbao gồm isopren (2-methyl 1-1, 3-butadiene), 1,3-butadiene, chloroprene (2-chloro-1,3-butadiene) và isobutylene (methylpropene) với một tỷ lệ nhỏ isoprencho liên kết chuỗi Ngoài ra, các cấu trúc này có thể được trộn theo tỷ lệ mongmuốn để tạo ra các phản ứng đồng trùng hợp dẫn đến cấu trúc cao su tổng hợp

có các tính chất cơ, lý và hóa học khác nhau

Trường đại học Công Thương - Khoa công nghệ hóa học

độ thấp và được bán dưới tên thương mại Oppanol B PIB vẫn là hoạt động kinhdoanh cốt lõi của BASF cho đến ngày nay Sau đó nó được phát triển thành cao

su butyl vào năm 1937 bởi các nhà nghiên cứu William J Sparks và Robert M.Thomas tại phòng thí nghiệm Standard Oil của Linden, N.J., New Jersey Ngàynay, phần lớn nguồn cung cao su butyl toàn cầu được sản xuất bởi hai công ty,ExxonMobil (một trong những công ty con của Standard Oil) và PolymerCorporation, một tập đoàn liên bang Canada được thành lập vào năm 1942 đểsản xuất cao su nhân tạo nhằm thay thế cho nguồn cung bị cắt ở nước ngoài bởiThế chiến thứ hai Sau đó đổi tên thành Polysar vào năm 1976 và bộ phận cao sutrở thành công ty con, Polysar Rubber Corp Công ty được tư nhân hóa vào năm

1988 với việc bán cho NOVA Corp, sau đó NOVA Corp lại bán Polysar Rubbervào năm 1990 cho Bayer AG của Đức Năm 2005, Bayer AG tách ra khỏi các bộphận hóa học, bao gồm hầu hết khu vực Sarnia, thành lập LANXESS AG, cũngcủa Đức

Chất đồng nhất PIB có trọng lượng phân tử cao (100.000-400.000 trở lên)

là chất đàn hồi polyolefin: vật liệu giống như cao su có khả năng co giãn bền bỉtrong phạm vi nhiệt độ rộng; với mật độ thấp (0,913-0,920), độ thấm thấp vàtính chất điện tuyệt vời

Trong những năm 1950 và 1960, cao su butyl halogen hóa (halobutyl) đãđược phát triển, ở dạng clo hóa (chlorobutyl) và brom hóa (bromobutyl), manglại tốc độ xử lý cao hơn dáng kể và cho phép đồng lưu hóa với các loại cao sukhác như cao su tự nhiên và cao su styren-butadien Halobutyl ngày nay là vậtliệu quan trọng nhất để làm lớp lót bên trong của lốp không săm Francis P.Baldwin đã nhận được Huân chương Charles Goodyear năm 1979 cho nhiềubằng sáng chế mà ông nắm giữ cho những phát triển này

2 Sản xuất cao su Butyl

2.1 Phương pháp tổng hợp

Có hai phương pháp tổng hợp cao su Butyl đã được biết đến:

Phương pháp thứ nhất: bao gồm quá trình đồng trùng hợp isobutylene vớiisopren trong dung môi hydrocarbon hoặc chất pha loãng với sự có mặt của chấtxúc tác Friedel-Crafts, ví dụ như nhôm trichloride hòa tan trong cloromethyl vớinồng độ khoảng 0,1% trọng lượng hoặc thấp hơn, ở nhiệt độ âm 90° C, đượcđưa vào lò phản ứng trùng hợp, nơi hỗn hợp hydrocarbon chứa isobutylene,

isoprene và chất pha loãng cũng được đưa vào Nhược điểm chính của phươngpháp này là hoạt tính của chất xúc tác thấp, mức tiêu thụ cao và phạm vi trùnghợp thấp.

Phương pháp khác là sản xuất cao su butyl, bao gồm cả việc chuẩn bị mộthỗn hợp isobutylene, isopren và các sản phẩm thu hồi, đồng trùng hợp hỗn hợptrong chất pha loãng - metyl clorua trong một số lò phản ứng song song với sự

có mặt của chất xúc tác - nhôm clorua, bao gồm khử khí cao su, xử lý cácmonome không trùng hợp và chất pha loãng metyl clorua , lấy trung bình, làmkhô polyme thành phẩm trên máy ép đùn và đóng bánh, đồng thời quá trìnhđồng trùng hợp được thực hiện với sự có mặt của hai chất biến tính xúc tác, mộttrong số đó là nước và chất thứ hai được chọn từ nhóm chất hữu cơ có công thứcchung công thức CH5 -X, trong đó X là halogen hoặc gốc có công thức CnH2nHal, trong đó n = 1, 2, ở tỷ lệ mol này của AlCl 3: H2O được duy trì trongkhoảng 0,5-20, và tỷ lệ mol của AICl 3:C 6 H 5 -X nằm trong khoảng 50-350.Phương pháp này cho phép thu được phức hợp xúc tác nhôm clorua có hoạt tính

ổn định trong quá trình sản xuất cao su butyl, làm giảm tốc độ phản ứng đồngtrùng hợp ban đầu cần thiết để loại bỏ nhiệt hiệu quả mà không làm giảm quátrình chuyển đổi isobutylene trong quá trình lưu giữ trong lò phản ứng, thànhtăng nồng độ isobutylene trong điện tích mà không làm giảm thời gian chạytrùng hợp Nhược điểm của phương pháp này là với độ chuyển hóa cao, chophép đạt được hiệu suất làm khô polyme thành phẩm trên máy ép đùn và đóngbánh, đồng thời quá trình đồng trùng hợp được thực hiện với sự có mặt của haichất biến tính xúc tác, một trong số đó là nước và chất thứ hai được chọn từnhóm chất hữu cơ có công thức chung công thức CH5 -X, trong đó X là halogenhoặc gốc có công thức CnH2n Hal, trong đó n = 1, 2, ở tỷ lệ mol này của AlCl 3:Ha2O được duy trì trong khoảng 0,5-20, và tỷ lệ mol của AICl 3:C6H5 -X nằmtrong khoảng 50-350 Phương pháp này cho phép thu được phức hợp xúc tácnhôm clorua có hoạt tính ổn định trong quá trình sản xuất cao su butyl, làm giảmtốc độ phản ứng đồng trùng hợp ban đầu cần thiết để loại bỏ nhiệt hiệu quả màkhông làm giảm quá trình chuyển đổi isobutylene trong quá trình lưu giữ trong

lò phản ứng, thành tăng nồng độ isobutylene trong điện tích mà không làm giảmthời gian chạy trùng hợp Nhược điểm của phương pháp này là với độ chuyểnhóa cao, cho phép đạt được hiệu suất sản xuất cao su tốt không thể thu đượcpolyme có trọng lượng phân tử nhất định và độ nhớt Mooney nhất định, đây làđặc tính vĩ mô của trọng lượng phân tử

Trường đại học Công Thương - Khoa công nghệ hóa học

để xây dựng mạng ba chiều Nhựa phenolic sinh học được bổ sung có cấu trúcdạng lưới được pha trộn với cao su butyl, kết hợp với IIR biến tính kích hoạtnatri hydrua Kết quả cho thấy sự biến đổi kích hoạt natri hydrua của DBA đượcđưa vào cấu trúc chuỗi chính của IIR bằng phân tích hồng ngoại và NMR Vậtliệu kỵ nước được hiện thực hóa nhờ sự ra đời của DBA với góc tiếp xúc vớinước tĩnh là 103,5° Việc bổ sung nhựa phenolic dựa trên lignin (LPF) 10phrtương thích với IIR và mô-men xoắn có thể đạt tới 7,0 N-m Độ giãn dài khi kéocủa hỗn hợp cao su butyl biến tính có thể đạt 2400% với độ bền kéo lên tới11,43 MPa, trong khi hệ số giảm chấn có thể đạt 0,37 ngay cả ở 70 ° C Độ ổnđịnh nhiệt của vật liệu tổng hợp được tăng cường với tỷ lệ giữ khối lượng là28% Vật liệu giảm chấn cao su butyl biến tính kích hoạt PF/NaH dựa trên sinhhọc có các ứng dụng tiềm năng trong việc giảm bớt tính kỵ nước với phạm vinhiệt độ rộng

Với sự phát triển không ngừng của thời đại và sự tiến bộ của cuộc sống, ônhiễm tiếng ồn và rung động cơ học đã trở thành những vấn đề tất yếu trongcuộc sống con người Nhu cầu của con người về môi trường sống ngày càngtăng, độ rung cơ học và tiếng ồn do nó tạo ra khiến con người không thể chịuđựng được Không những vậy, độ rung cơ học còn khiến độ chính xác và tuổithọ của máy bị ảnh hưởng Vật liệu hấp thụ âm thanh có phạm vi rộng triểnvọng ứng dụng và vật liệu hấp thụ âm thanh có đặc tính giảm chấn tuyệt vời Các vật liệu giống cao su có độ đàn hồi nhớt tuyệt vời với mức tiêu hao ma sátbên trong cao và đặc tính giảm chấn tuyệt vời Những loại cao su này thường cókhối lượng phân tử tương đối cao và tương tác mạnh mẽ giữa các chuỗi phân tử,chẳng hạn như liên kết ion, liên kết hydro và các nhóm cực Những loại cao sunày được sử dụng làm vật liệu giảm xóc trong xe cộ, vận tải đường sắt, hàngkhông vũ trụ và các lĩnh vực khác Tuy nhiên, trong sử dụng thực tế, miền nhiệt

độ giảm chấn thực tế hẹp, hiệu ứng giảm chấn không đủ và độ ổn định nhiệtkém sẽ hạn chế ứng dụng ở một mức độ nào đó Vì vậy, việc phát triển vật liệutổng hợp cao su giảm chấn có khả năng giảm chấn tuyệt vời và lý tưởng vẫn làđiều cần thiết Vật liệu giảm chấn phải được giảm chấn hiệu quả với các đặc tínhliên quan như độ ổn định cơ và nhiệt

IIR là một polyme được làm từ isobutylene và một lượng nhỏ isoprene, được

sử dụng rộng rãi để sản xuất săm, cao su chống rung, tấm cao su công nghiệp vàcác lĩnh vực khác do tính chất riêng biệt của nó

IIR có số lượng lớn các nhóm metyl trên chuỗi cao phân tử và ma sát bên tronggiữa các chuỗi phân tử là đáng kể, trong khi lực cản gặp phải trong quá trình hồiphục được chuyển đổi vào tiêu dùng nội bộ thông qua các chuỗi phân tử IIR cótác dụng giảm chấn riêng gần nhiệt kế thủy tinh chuyển tiếp Tg, trong đó cácđoạn chuỗi cao phân tử và độ trễ của chuỗi phân tử có thể tự do di chuyển

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loạt vật liệu giảm chấn bằng nhiềuphương pháp khác nhau Các phương pháp sửa đổi phổ biến là thêm chất độntăng cường chức năng vào ma trận IIR hoặc trộn với các chất độn khác để chuẩn

bị vật liệu giảm chấn composite Chất độn nano có diện tích bề mặt riêng lớn và

có thể cọ xát hoàn toàn với cao su ma trận Chất độn gia cố mối nối bao gồm

muội than, bột talc và ống nano cacbon Từ quan điểm môi trường, Tang đãthêm bột gạch đỏ tái chế chất thải vào cao su styrene-butadiene (SBR) thay vìchất độn cacbon đen và silica truyền thống để cải thiện sự kết hợp giữa chất độn

và cao su Chi phí sản xuất giảm, độ bền kéo và đặc tính biến dạng vĩnh viễn khikéo được cải thiện Các thử nghiệm thực nghiệm cho thấy rằng việc sử dụngthan tre (BB) làm chất độn cao su tự nhiên (NR) có tác dụng hiệp đồng lên đặctính giảm rung của ma trận NR Trộn nhựa với IIR có thể cải thiện hiệu quảmiền nhiệt độ giảm chấn của cao su butyl tích cực Cải thiện đặc tính giảm chấn

ở nhiệt độ cao của vật liệu tổng hợp cao su butyl/nhựa phenolic bằng cách đưavào các phân tử amin bị cản trở khác nhau Sử dụng IIR làm ma trận, các thànhphần hồi phục bổ sung có thể được đưa vào để chuẩn bị các vật liệu giảm chấnmong muốn Xia kiểm soát đặc tính giảm chấn của IIR bằng cách thay đổi độdài chuỗi và hàm lượng PIB với phạm vi nhiệt độ giảm chấn lên tới 115,4 °C vàtan cao nhất là 2,01 Việc đưa thể tích lớn hơn và số lượng nhóm bên nhất địnhvào cấu trúc phân tử của cao su sử dụng phản ứng trùng hợp là một phươngpháp quan trọng để cải thiện đặc tính giảm chấn của cao su Tuy nhiên, phảnứng biến đổi phức tạp hơn và khó kiểm soát chính xác hơn Tỷ lệ ghép của cácnhóm bên trên chuỗi cao su phân tử không cao và phương pháp này còn một sốhạn chế trong ứng dụng thực tế Trong những năm gần đây, do nguồn tài nguyênhóa dầu hạn chế và không bền vững cũng như ô nhiễm môi trường, phát triểnbền vững và môi trường xanh đã trở thành nguyên tắc thiết yếu trong thiết kế vậtliệu giảm chấn Là một vật liệu sinh khối điển hình, lignin là một trong nhữngnguồn tài nguyên tái tạo hiếm hoi trong số các hợp chất thơm và lignin có thểđược sử dụng thay thế cho phenol để điều chế nhựa phenolic dựa trên lignin(LPF)23 Phần thơm cùng với các tương tác rắn/liên phân tử nội phân tử (liênkết hydro, tương tác π-electron) mang lại cho phân tử lignin độ cứng cao, giúptạo ra vật liệu gia cố tiềm năng lignin cho vật liệu polymer IIR được xử lý bằngnhựa phenolic biến đổi lignin có thể cải thiện tính chất của cao su butyl

Vì cao su butyl chứa các nhóm chức phân cực nên nhìn chung nó là vật liệu

ưa nước và thường hấp thụ độ ẩm trong quá trình sử dụng Độ ổn định nhiệtkém, dẫn đến vật liệu giảm chấn truyền thống thường có tuổi thọ ngắn Việcphát triển vật liệu giảm chấn có khả năng chống ẩm tốt và ổn định nhiệt cao làbắt buộc Do đó, nghiên cứu thử nghiệm này được thực hiện để cải thiện đặctính giảm chấn của vật liệu composite từ sự kết hợp giữa biến đổi đồng trộn vàbiến đổi kích hoạt NaH của cấu trúc chuỗi chính IIR Nhựa phenolic sinh họcđược điều chế bằng cách thay thế một lượng phenol nhất định bằng lignin, chấtnày được thêm vào nền IIR Trên cơ sở đó, IIR đã được kích hoạt bằng vòngbenzen chứa NaH và DBA, đồng thời một liên kết đôi được đưa vào cấu trúcchuỗi chính IIR để chuẩn bị các vật liệu tổng hợp cao su butyl kỵ nước trongmiền nhiệt độ rộng

Trường đại học Công Thương - Khoa công nghệ hóa học

2.3 Thực nghiệm

a Nguyên vật liệu

Cao su butyl (IRR1751) được lấy từ CÔNG TY SINOPEC BEIJINGYANSHAN Axit stearic, oxit kẽm (ZnO), Tetramethylthiuram disulfide(TMTD, AR), 2,2'-Dithiobis (DM, AR), bột lưu huỳnh (S, CP), natri hydrua(NaH), Phenol (99,0wt%), dung dịch formaldehyde (37% trọng lượng trong

H O), Lignin (Kiềm), dibenzyl ketone (DBA) được mua từ Công ty TNHHThuốc thử Hóa chất Sinopharm Montmorillonite được mua từ Công ty Chế biếnKhoáng sản Hà Bắc Hongyao Các vật liệu hóa học được sử dụng mà không cầntinh chế Nhựa phenolic dựa trên lignin tự chế đã được nhóm chủ đề của chúngtôi điều chế

b Chuẩn bị vật liệu tổng hợp

Cùng một lượng chất phụ gia được thêm vào mỗi mẫu với tổng khối lượngZnO, axit stearic, TMTD, DM và S là 12,6 g khi IIR được sử dụng 100 g Lượngthuốc thử còn lại được thêm vào được thể hiện trong Bảng 1

Axit stearic hoạt động như một chất làm mềm và dẻo và tạo điều kiện cho sựphân tán của các chất độn khác Kẽm oxit đóng vai trò là chất kích hoạt cao su.TMTD và DM là các chất xúc tiến cao su được sử dụng để tăng tốc độ lưu hóacao su Lưu huỳnh được sử dụng trong quá trình lưu hóa cao su để liên kết chéocác chuỗi tuyến tính của các phân tử cao su thành một mạng lưới Nhựa phenoliclignin được thêm vào để cải thiện các đặc tính liên quan đến IIR như giảm xóc

và độ căng

Hình 1 cho thấy sơ đồ quy trình tổng hợp nhựa phenolic dựa trên sinh học.Trong bình ba cổ 250 mL được trang bị máy khuấy, nhiệt kế và bình ngưng hồilưu, một tỷ lệ nhất định phenol, NaOH và lignin kiềm lần lượt được thêm vào vàkhuấy đều, nhiệt độ của hệ phản ứng được nâng lên 90 ° C và phản ứng trong 90phút để thu được lignin phenol Khối lượng lignin chiếm 40% tổng khối lượnglignin và phenol, và khối lượng NaOH là 6% khối lượng phenol Các điều kiệnphản ứng của giai đoạn tổng hợp nhựa phenolic lignin phù hợp với quá trìnhtổng hợp nhựa phenolic Khi nhiệt độ của hệ phản ứng giảm xuống 60°C,formaldehyde được thêm vào, khuấy đều và phản ứng trong 60 phút Sau đó,nhiệt độ của hệ phản ứng được tăng lên 90°C và phản ứng được thực hiện trong

120 phút với tỷ lệ khối lượng mol của phenol và formaldehyde là 1:1,7 Sảnphẩm phản ứng được làm nguội đến nhiệt độ phòng, sau đó rửa ba lần bằngetanol khan và nước khử ion tương ứng trong máy làm sạch siêu âm, sản phẩmcuối cùng được đưa vào lò chân không và sấy khô ở 60 ° C trong 24 giờ Sảnphẩm được khử nước để thu được nhựa lignin phenolic (LPF)