thí nghiệm gia công cao su báo cáo thí nghiệm bài 4 ảnh hưởng của chất độn đến tính chất cơ lý của cao su lưu hóa

Định nghĩa- Chất độn tăng cường lực cao su là chất pha trộn vào cao su với một lượnglớn giúp cho hỗn hợp cao su lưu hóa tăng cường được các tính chất cơ học.- Chất độn trơ là chất pha tr

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCMKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2024

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sự ảnh hưởng của chất độn đến tính chất của cao su 2

Hình 1.2: Sự giảm môđun của cao su khi bị kéo lặp lại 3

Hình 1.3: Yếu tố ảnh hưởng đến môđun của cao su lưu hóa 3

Hình 1.4 Máy lưu hóa cao su (Rheometer) 4

Hình 1.5: Máy ép nóng 5

Hình 1.6: Máy đo cơ tính 6

Hình 2.1: Cán cao su 11

Hình 2.2: Mẫu cao su sau lưu hóa 11

Hình 2.3: Mẫu cao su hình quả tạ 12

Hình 2.4: Đo cơ tính của mẫu 12

Hình 2.5: Kết quả đường cong lưu hóa mẫu 10g độn CaCO3 13

Hình 2.6: Kết quả đường cong lưu hóa mẫu 20g độn CaCO3 13

Hình 2.7: Đồ thị đo cơ tính mẫu quả tạ với độn 10g CaCO3 15

Hình 2.8: Đồ thị đo cơ tính mẫu quả tạ với độn 20g CaCO3 16

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Dụng cụ và thiết bị 7

Bảng 2.2 Hóa chất theo lý thuyết 7

Bảng 2.3 Lượng nguyên liệu sử dụng cho đơn pha chế 8

Bảng 2.4 Lượng chất độn sử dụng cho từng đơn pha chế 8

Bảng 2.5 kết quả các tính chất cơ lý với độn 10g CaCO3 15

Bảng 2.6 kết quả các tính chất cơ lý với độn 20g CaCO3 16

PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.1 Mục đích thí nghiệm

Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng chất độn CaCO3 đến tính chất cơ lý củacao su lưu hóa

Khảo sát độ kháng nứt do tác dụng uốn gấp và theo dõi sự phát triển vết nứtmẫu cao su

1.2 Cơ sở lý thuyết 1.2.1 Định nghĩa

- Chất độn tăng cường lực cao su là chất pha trộn vào cao su (với một lượnglớn) giúp cho hỗn hợp cao su lưu hóa tăng cường được các tính chất cơ học.- Chất độn trơ là chất pha trộn vào cao su (với lượng lớn) để hạ giá thành hỗnhợp cao su lưu hóa không làm tăng các tính chất cơ học.

- Chất độn pha loãng là chất có tính tương hợp với cao su, pha trộn vào (lượnglớn) để hạ giá thành, vừa có tác dụng lên một số tính chất đặc biệt.

1.2.2 Phân loại

- Về mặt hóa học cần phân biệt:

+ Chất độn vô cơ: sét kaolin (bột đất), CaCO3, khói carbon đen v.v

+ Chất độn hữu cơ: bột gỗ, bột mộc chất (lignine), bột cao su tái sinh, factice, bột cao su lưu hóa v.v

- Về mặt tác dụng cần phân biệt:

+ Chất độn tăng cường lực cao su: khói carbon đen, silica đặc biệt, bột lignin cực mịn, v.v

+ Chất độn trợ: CaCO, thô, bột đất thô v.v

+ Chất độn pha loãng: cao su tái sinh, factice, bột cao su lưu hóa.

- Trong hầu hết ứng dụng thực tế tính chất nguyên thủy của cao su không đápứng được yêu cầu sử dụng Các chất độn được đưa vào cao su nhằm:

+ Cải thiện tính chất sử dụng của cao su + Làm giảm giá thành của sản phẩm cao su

Chất độn thường được phân loại theo tác động trên tính chất của cao su lưu hóa.Theo cách này người ta chia ra:

+ Chất độn tăng cường là chất độn khi thêm vào trong đơn pha chế cao su sẽlàm thay đổi một số tính chất cơ lý cơ bản của cao su lưu hóa

+ Chất độn không tăng cường (chất độn trơ) thường là các loại chất khi thêmvào cao su nhằm giảm giá thành sản phẩm cao su lưu hóa

Sự ảnh hưởng của chất độn đến những tính chất cơ bản của cao su lưu hóa chobởi các giản đồ sau:

Hình 1.1: Sự ảnh hưởng của chất độn đến tính chất của cao su

Khái niệm chất độn tăng cường được hiểu như trên là chưa đầy đủ Một địnhnghĩa tốt nhất cho chất độn tăng cường, theo Blow là: “Chất độn tăng cường làchất độn làm tăng mô đun và đồng thời cải thiện được các tính chất yếu (tínhkháng đứt, kháng xé, kháng mòn ) của sản phẩm lưu hóa"

Chất độn tăng cường còn có thể định nghĩa như là một chất độn làm gia tăngnăng lượng phá huỷ của vật liệu cao su lưu hóa

Việc cải thiện tính chất cao su lưu hóa cũng như tính chất gia công của cao subán thành phẩm của chất độn phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó có thể kể đến: + Cấu trúc

+ Kích thước hạt+ Hình dạng hạt

+ Hoạt tính bề mặt

Tính chất tăng cường của chất độn được giải thích bởi Mullins và Tobin, cũngnhư bởi Bueche Theo đó trong cao su có độn các mạch phân tử cao su sẽ bị hấpphụ trên bế mặt của hạt độn Trong quá trình kéo dãn các mạch phân tử sẽ trượttrên hạt độn Kết quả là ở giai đoạn đứt số lượng mạch phân tử cao su chịu lựcsẽ nhiều hơn, do đó lực kéo đứt sẽ lớn hơn Giả thuyết này cũng giải thích hiệntượng mô đun của cao su giảm khi bị kéo lập lại, hay còn gọi là hiệu ứngMullins như ở hình sau:

Hình 1.2: Sự giảm môđun của cao su khi bị kéo lặp lại

Theo Payne môđun của cao su lưu hóa có độn là một sự tổng hợp của nhiểu yếutố, có thể biễu diễn như hình sau:

Hình 1.3: Yếu tố ảnh hưởng đến môđun của cao su lưu hóa

Một số chất độn thường sử dụng trong công nghiệp cao su bao gồm:

+ Than đen: IASF, HAF, FF, SRF, FT, MT

+ Silica tổng hợp và silicat: Khói silica, silica kết tủa, silicat kết tủa, silica gel + Silicat thiên nhiên: Kaolin, đất sét, talc, mica

+ Calcium carbonat: Đá nghiền, calcium carbonat kết tủa + Aluminium hidroxid

+ Magnesium hidroxid

1.3 Phương pháp phân tích

1.3.1 Xác định thời gian lưu hóa tối ưu

Máy đo lưu hóa Reometer là thiết bị để xác định đường cong lưu hoá Từ đườngcong lưu hoá có thể xác định được đặc điểm quá trình lưu hoá, từ đó xác địnhthời gian tiền lưu hoá, thời gian lưu hoá tối ưu.

Hình 1.4 Máy lưu hóa cao su (Rheometer)

Hình 1.5: Máy ép nóng

1.3.2 Đo độ bền kéo

Phương pháp đo độ bền kéo là một trong các phương pháp đo cơ tính của caosu Mẫu ban đầu được đo biến dạng và ứng suất khi kéo cho đến khi mẫu bị kéođứt Phương pháp đo này dựa theo tiêu chuẩn ASTM D412 Các mẫu được cắttheo hình quả tạ và đo bằng máy Dynamometer Lực được gia tăng từ từ dọctheo trục đo của mẫu Sau khi quá trình đo kết thúc, sử dụng một số công thứcsau để tính toán kết quả:

Tiết diện mẫu: S = e w (cm2 )

Ứng suất định dãn: M = FS(kgf/mm2 ) Độ biến dạng đứt: (L¿¿đứt −L0) 100

L0 ¿ (%)

Hình 1.6: Máy đo cơ tính

1.4 Tính chất sản phẩm

Đối với độn CaCO3 độ mịn của độn làm tăng hoặc giảm tính chất của cao su.Khi độn CaCO3 mịn giúp sản phẩm tăng cường cơ tính Khi độ mịn của CaCO3không cao, CaCO3 đóng vai trò làm giảm giá thành sản phầm, tuy nhiên hạtkhông mịn (hạt to) dùng nhiều độn sẽ làm giảm cơ tính của sản phẩm.

PHẦN 2: THỰC NGHIỆM2.1 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất

2.1.1 Bảng kê dụng cụ, hóa chất (lý thuyết)

Bảng 2.1 Dụng cụ và thiết bị

STTThiết bị, dụng cụSTTThiết bị, dụng cụ

Bảng 2.2 Hóa chất theo lý thuyết

Bảng 2.3 Lượng nguyên liệu sử dụng cho đơn pha chế

2.2.1 Công đoạn cán trộn

Dựa vào đơn pha chế, cân khối lượng nguyên liệu vừa đủ Sau đó cho cao suthiên nhiên vào cán để làm cao su co dãn Mẫu được cán trên máy cán hai trụcvới khoảng cách lớn.

Tiếp đến, mẫu cao su sẽ được cán sơ luyện Đây là bước đầu tiên của quá trìnhcán luyện Mẫu được cán với khoảng cách hai trục giảm dần cho đến khi có thểôm được trục.

Sau đó, mẫu cao su sẽ được đem đi cán hỗn luyện Đây là giai đoạn thêm cácphụ gia cần thiết vào cao su, bao gồm chất xúc tiến, chất trợ xúc tiến, chất độn,chất lưu hóa.

Thứ tự cho vào đầu tiên là acid stearic cùng ZnO, kế đến là chất độn (CaCO3)rồi cho tiếp các chất xúc tiến CBS cùng TMTD, và cuối cùng là chất lưu hoálưu huỳnh Thứ tự bổ sung phụ gia tuân theo nguyên tắc chất khó phân tán vàotrước, phòng lão vào trước, lượng ít vào trước (xúc tiến, tạo xốp,…), chất làmmềm, chất lưu hóa sau cùng.

Trong quá trình cán cao su, thực hiện thao cắt ¾ chuyển mặt ngoài vào trong đểhóa chất được đưa vào nhanh chóng.

Sau khi các hoá chất đã trộn đều với cao su, thực hiện thao tác cuộn đảo đầu đểhoá chất phân tán tốt hơn cũng như loại bỏ bớt bọt khí.

Cuối cùng mẫu được xuất tấm theo chiều phản ứng để giữ cơ tính của sản phẩmđược tốt.

Hình 2.1: Cán cao su

2.2.2 Công đoạn lưu hóa

Sau khi ổn định mẫu một thời gian, cắt một mẫu vừa đủ, sử dụng máyRheometer để xác định thời gian lưu hoá.

Dựa vào kết quả đo đường cong lưu hoá, cắt mẫu cho vào khuôn ép lưu hoáhình quả tạ Mẫu được lưu hoá ở nhiệt độ 150oC ở áp suất 40MPa theo thời gianlưu hoá tối ưu đã xác định.

Hình 2.2: Mẫu cao su sau lưu hóa

2.2.3 Công đoạn chuẩn bị mẫu

Mẫu được ép trong thời gian xác định, sau đó được tháo khuôn và làm nguội.Để mẫu ổn định một thời gian, sau đó tiến hành đo cơ tính của mẫu bằng máyđo cường lực vạn năng Dùng tiêu chuẩn ASTM D421 để đo độ bền kéo củamẫu Ta lấy trung điểm là phần nằm ở cổ của mẫu, gạch 2 vạch cách nhau20mm, đo bề dày ở giữa 2 vạch 3 lần để tính bề dày trung bình, bề rộng quả tạlấy trị số chuẩn là w = 6,0mm Với mẫu hình quả tạ cần đo 3 mẫu có độn 10g và3 mẫu có độn 20g CaCO3 Mắc mẫu cần đo vào ngàm Cho ngàm di chuyển lên.Khi xác định lực định dãn cần phải báo hiệu và ghi lại kết quả đúng lúc Chọnthang đo thích hợp Ghi nhận các kết quả đo:

Lực định dãn 300%: F300

Khoảng cách hai vạch ngay khi đứt mẫu: Lđứt

Lực kéo khi đứt mẫu: Fđứt

Hình 2.3: Mẫu cao su hình quả tạ

Hình 2.4: Đo cơ tính của mẫu

2.3 Kết quả thí nghiệm

2.3.1 Kết quả đo đường công lưu hóa

Hình 2.5: Kết quả đường cong lưu hóa mẫu 10g độn CaCO3

Hình 2.6: Kết quả đường cong lưu hóa mẫu 20g độn CaCO3

Từ đường cong lưu hóa, ta có thể xác định nhiệt độ lưu hóa là 150ºC và thời gian lưu hóa

- Mẫu cao su chứa 10g độn CaCO3 có thời gian lưu hóa khoảng 9 phút 45 giây- Mẫu cao su chứa 20g độn CaCO3 có thời gian lưu hóa khoảng 9 phút 50 giây

Nhận xét:

Thời gian lưu hóa của 2 mẫu cao su có hàm lượng CaCO3 khác nhau có sự khácnhau nhưng thời gian cách nhau không nhiều Cụ thể hàm lượng độn CaCO3 cànglớn thì thời gian lưu hóa càng lâu Có thể do lượng chất độn làm cản trở khả năngkhâu mạng của lưu huỳnh nên thời gian lưu hóa của mẫu có độn 20g cao hơn mẫucó độn 10g CaCO3 nhưng không quá nhiều

2.3.2 Kết quả đo độ bền kéo

s (N/mm2)- Độ biến dạng đứt: ∆ Lđứ t=Lđứ t−L0

L0 .100(%)- Độ biến dạng dư (sau 3 phút): ∆ Ldư=Ldư−L0

.100 (%)

Hình 2.7: Đồ thị đo cơ tính mẫu quả tạ với độn 10g CaCO3

Bảng 2.5 kết quả các tính chất cơ lý với độn 10g CaCO3

Mẫu quả tạe(mm)

ΔLLdư (%)

Độ cứngshore A

Trung bình276.653140.5620.63.343.543

Hình 2.8: Đồ thị đo cơ tính mẫu quả tạ với độn 20g CaCO3

Bảng 2.6 kết quả các tính chất cơ lý với độn 20g CaCO3

Mẫu quả tạe(mm)

F300 (N)

Fđứt (N)

S (mm2)

ΔLLđứt (%)

Ldư (mm)

ΔLLdư (%)

Độ cứngshore A

Trung bình261.548127.4321542.36

Nhận xét

Theo lý thuyết chất độn CaCO3 sử dụng trong bài là chất độn trơ nhằm giảm giáthành sản phẩm và dựa theo hàm lượng độn càng lớn trong cao su mà thời gian lưuhóa càng dài và cơ tính càng giảm, khi tăng hàm lượng độn CaCO3 lên theo lýthuyết thì thời gian lưu hóa càng lâu mẫu cao su có thể bị cứng hơn, giảm độ đànhồi, độ dẻo dai, giảm khả năng chịu va đập, mài mòn và tính linh hoạt của cao su.Theo kết quả thí nghiệm thì khi tăng hàm lượng độn từ 10g lên 20g thì ta thấy cơtính trung bình cho ra của sản phẩm tương tự nhau bao gồm ứng suất định dãn, ứngsuất đứt, khả năng chịu lực và độ cứng Nhưng cơ tính của mẫu số 2 hàm lượngđộn 20g lại cao hơn nhiều so với cơ tính của các mẫu có hàm lượng 10g Mẫu 2hàm lượng độn 10g và mẫu1,3 hàm lượng độn 20g có cơ tính thấp hơn hẳn so vớicác mẫu còn lại có thể được giải thích do thao tác cán luyện cao su chưa chuẩn làmcho chất độn, phụ gia, chất xúc tiến và chất khâu mạng phân bố không đều làm chocơ tính của mẫu không được đồng nhất Ngoài ra còn do sinh viên có kĩ năng chưatốt làm hao hụt nguyên liệu hay cán luyện hay ép lưu hóa lâu khiến cho mẫu bịgiảm cấp dẫn đến cơ tính chung của sản phẩm không đều.

PHẦN 3: TRẢ LỜI CÂU HỎI

Câu 1: Có nhận xét gì về hàm lượng chất độn đến thời gian lưu hóa tối ưu và các tính chất cơ lí thông dụng (Ứng suất kháng đứt, độ cứng shore A, )

- Có thể khẳng định rằng CaCO3 ảnh hưởng đến thời gian lưu hóa cao su Mức độảnh hưởng phụ thuộc vào hàm lượng sử dụng và kích thước hạt của CaCO3, cụ thể:- Hàm lượng sử dụng:

+ Thấp (10-20 phr): Tăng tốc độ lưu hóa do tác dụng pha loãng và phân tán lưuhuỳnh

+ Cao (>30 phr): Làm chậm tốc độ lưu hóa do tác dụng hấp thụ lưu huỳnh và tăngđộ nhớt

+ Độn có kích thước to không những không cải thiện được cơ tính mẫu cao su nhưlực kéo đứt, xé rách hay định dãn mà còn hạ thấp mọi cơ tính khi tăng tỉ lệ độn lêndần, vì vậy độn có kích thước to được dùng làm độn trơ, hạ giá thành sản phẩmkhông đòi hỏi cơ tính cao

Vì vậy hàm lượng độn có ảnh hưởng đến tính chất cơ lí thông dụng của mẫu cao sulưu hóa, hàm lượng độn mịn cao và có khả năng phân tán tốt sẽ cho mẫu cao su cócơ tính tốt

Câu 2: So sánh và nhận xét tốc độ phát triển vết nứt của mẫu

- Trong bài thí nghiệm không khảo sát tốc độ phát triển vết nứt của mẫu do khôngcó máy uốn gấp Flexion, nhưng theo lí thuyết có thể dự đoán khi tăng hàm lượngchất độn trơ trong mẫu cao su, tốc độ phát triển vết nứt mẫu cao su lưu hóa khichịu lực có sự thay đổi.

- Khi tăng hàm lượng chất độn trơ trong mẫu cao su, tốc độ phát triển vết nứt cũngtăng

- Điều này có thể do chất độn trơ không có tính chất liên kết tương tự như chất lưuhóa, dẫn đến sự không đồng nhất trong cấu trúc và tính chất cơ lý của mẫu cao su,vì vậy khi có lực tác dụng vào mẫu, mẫu chịu lực không đồng nhất, những điểmkhông đồng nhất này chính là những điểm tập trung ứng suất và gây ra tăng tốc độphát triển vết nứt.

PHẦN 4: BÀN LUẬN

Nội dung 1: Chất độn trơ và chất độn tăng cường là gì? Cho ví dụ.

Tính năng tăng cường của chất độn phụ thuộc vào các yếu tố nào? Khi nàonên dùng độn trơ? Khi nào nên dùng chất độn tăng cường?

- Chất độn tăng cường lực cao su là chất pha trộn vào cao su (với một lượng lớn)giúp cho hỗn hợp cao su lưu hóa tăng cường được các tính chất cơ học Chất độngia cường làm tăng độ cứng của hợp phần không lưu hóa và cải thiện các tính chấtcủa cao su lưu hóa, làm tăng độ bền kéo, chống mài mòn, chống rách, và làm tăngđộ cứng của cao su Chất độn gia cường có khả năng thay đổi mạnh độ nhớt và cáctính chất của cao su lưu hóa khi tăng hàm lượng độn, trong khi chất độn khônghoạt tính như canxi cacbonat nghiền (GCC) và kaolanh không có các tính chất này,thậm chí còn làm giảm bớt tính chất cơ lý của cao su lưu hóa Ví dụ khói carbonđen, silica đặc biệt, bột ligin cực mịn,

- Chất độn trơ là chất pha trộn vào cao su (với lượng lớn) để hạ giá thành hỗn hợpcao su lưu hóa không làm tăng các tính chất cơ học Ví dụ bột đá, bột nhẹ, kaolanh,đất sét, talc, mica, và các loại khoáng khác như điatomit, felspat, nephelin xienit,thạch cao, pyrophylit, zeolit,

- Tính năng tăng cường của chất độn phụ thuộc vào các yếu tố:+ Độ mịn cao (đường kính phân tử và cỡ hạt chất độn).

Lưu ý: dùng xúc giác không thể kết luận về độ mịn yêu cầu, mà cần phải kiểm traqua các loại rây.

+ Phân tán thật tốt trong cao su: tránh sự kết tụ mà mắt thường khó thấy được.Ngược lại, các chất không đạt hai yêu cầu kể trên sẽ là nhóm chất độn trơ.Cần lưu ý tới các tính chất:

a pH của chất độn: ảnh hưởng tốc độ lưu hóa hay tác dụng của chất xúc tiến.

b Độ hấp thụ hóa chất khác: ảnh hưởng lượng dùng, thành phần cấu tạo công thức.

c Hàm lượng tạp chất:

 Chì, cadmium, Fe ảnh hưởng đến màu sắc của sản phẩm lưu hóa. Đồng, mangan: ảnh hưởng đến độ lão hóa.

d Ẩm độ: ảnh hưởng đến khả năng phân tán trong cao su và tốc độ lưu hóa.

e Lượng dùng chất độn: ảnh hưởng đến các tính chất của hỗn hợp cao su sống vàsản phẩm lưu hóa.

- Dùng độn tăng cường khi ta muốn tăng cường cơ tính của sản phẩm, dùng độn trơ

khi ta muốn giảm giá thành của sản phẩm

Nội dung 2: Đối với sản phẩm cao su - cụ thể là vỏ xe gắn máy - người ta quantâm đến các tính chất cơ lý nào? Nói rõ ý nghĩa, phương pháp đo, đơn vị tínhcủa các tính chất cơ lý này?

- Cao su được sử dụng làm vỏ xe máy dựa vào tính chất: có khả năng chịu màimòn và biến dạng khi chịu tác dụng nén hoặc kéo giãn và trở lại dạng ban đầu khithôi không tác dụng Ngoài ra, cao su còn phải cách điện và không thấm nước.

- Phương pháp đo độ chịu mài mòn của vỏ xe máy TCVN 5363:2020 (ISO

+ Mẫu thử cao su hình trụ được trượt trên một tấm mài mòn có độ nhám quy định dưới một áp lực quy định trên một khoảng cách cho trước Trong quá trình thử nghiệm mẫu thử có thể quay hoặc không quay Tấm mài mòn được dán lên bề mặt của trống quay hình trụ, mẫu thử được giữ tỳ vào và đi ngang qua trống quay.+ Hao hụt khối lượng của mẫu thử được xác định và sử dụng cùng với khối lượng riêng của vật liệu mẫu thử để tính hao hụt thể tích Hao hụt thể tích của mẫu thử được so sánh với hao hụt thể tích của hỗn hợp đối chứng thử nghiệm ở cùng các điều kiện.

- Đơn vị tính:

+ Hao hụt thể tích tương ứng, ΔVVrel