Cơ sở lý thuyết Quá trình cán luyện cao su là quá trình đồng nhất hỗn hợp cao su với phụ gia,giúp cho phụ gia cũng như các chất xúc tác, xúc tiến có thể trộn đều với cao sunhằm bổ sung c
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINHKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
1/ Hồ Nguyễn Hoài Phong211283142/ Lê Nguyễn Minh Phúc211283153/ Ngô Diểm Phương211280644/ Võ Lâm Nhật Quang211280655/ Nguyễn Ngọc Phương Quỳnh 21128319
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 07 năm 2024
Trang 2MỤC LỤC
Trang 31.2 Cơ sở lý thuyết
Quá trình cán luyện cao su là quá trình đồng nhất hỗn hợp cao su với phụ gia,giúp cho phụ gia cũng như các chất xúc tác, xúc tiến có thể trộn đều với cao sunhằm bổ sung các tính chất cơ lý cho cao su ngoài ra tạo một hỗn hợp cao su chuẩnbị cho quá trình lưu hoá và đo các tính chất cơ lý của cao su.
Trang 42.1 Mục đích
Xác định thời gian lưu hoá tối ưu của mẫu cao su bằng máy đo RheometerRèn luyện cho sinh viên kỹ năng vận hành máy ép lưu hoá và hướng dẫn cácquy tắc an toàn và khắc phục sự cố trong quá trình vận hành máy ép lưu hoá.
2.2 Cơ sở lý thuyết
Quá trình lưu hoá cao su là quá trình thay đổi bản chất của cao su, khâu mạng các phân tử cao su, tạo thành cấu trúc mạng không gian Khi này vật liệu cao su từ trạng thái mềm dẻo sang trạng thái đàn hồi mạnh và tính chất cơ lý của cao su phụ thuộc vào hệ lưu hoá cao su, mức độ lưu hoá và bản chất của chất khâu mạng cao su từ đó mở rộng phạm vi ứng dụng của cao su.
Một số hệ lưu hoá thường dùng trong các ứng dụng của cao su như sau:
Bảng 1.1: Một số hệ lưu hóa thường dùng cho các ứng dụng cao su
STT Hệ lưu hoá Tác nhân lưu hoá Loại nối ngang
Lưu huỳnh+ Hệ thông thường
+ Hệ bán hiệu quả+ Hệ hiệu quả
Lưu huỳnh
3 Hệ oxide kim loại MgO, ZnO4 Dùng bức xạ nănglượng lớn Tia
Trong các hệ lưu hoá trên, hệ phổ biến nhất thường được dùng là hệ lưu huỳnh, cơ chế phản ứng lưu hoá như sau:
+ Chất xúc tiến tác dụng với lưu huỳnh cho ra sản phẩm polysulfur loại Sx-Ac với Ac là xúc tiến.
Trang 5Ac-+ Polysulfur phản ứng với phân tử cao su tạo ra sản phẩm dạng (cao su)-Sx-Ac.
+ Sản phẩm (cao su)-Sx-Ac tiếp tục phản ứng với phân tử cao su còn lại tạo ranối ngang dạng (cao su)-Sx-(cao su).
Hình 1.2: Cơ chế phản ứng lưu hoá cao su của hệ lưu huỳnh
Các yếu tố để lựa chọn một hệ lưu hoá phù hợp với cao su:+ Lưu hoá nhanh
+ Hoạt tính cao (phản ứng lưu hoá hiệu quả)
+ Tan trong cao su (phân tán tốt, không xảy ra hiện tượng blooming)+ Chậm kích hoạt (an toàn khi gia công)
+ Lưu trữ an toàn
+ Có mâm lưu hoá rộng
+ Hiệu quả trên một khoảng rộng nhiệt độ+ Có thể tương hợp với các chất phụ gia khác+ An toàn và không gây hại khi sử dụng
Trang 6+ Không có hiệu ứng phụ lên các tính chất khác (lão hoá, kết dính,…)
Đối với lưu huỳnh được chia thành hai hệ phổ biến là hệ hiệu quả (EV) và hệbán hiệu quả Hệ hiệu quả và hệ không hiệu quả (hệ thông dụng) là hai hệ đối lậpnhau Hệ hiệu quả không dùng lưu huỳnh hoặc dùng ở tỷ lệ thấp với hàm lượngxúc tiến cao hoặc dùng các chất cho lưu huỳnh dẫn đến cao su thiên nhiên sảnphẩm lưu hoá có tỷ lệ mono-sulfur và di-sulfur cao, các biến đổi mạch chính thấpthể hiện ở mức độ chịu nhiệt và độ kháng lão hoá cao Đối với hệ thông dụng thìmức độ biến đổi mạch chính cao dẫn đến độ chịu nhiệt và kháng lão hoá thấp.
Bảng 1.2: Hệ lưu hoá và tỷ lệ loại nối ngang tương ứng
Hình 1.3: Máy đo Rheometer
Máy ép cao su là thiết bị để lưu hoá mẫu cao su dựa trên các thông số nhiệt độvà thời gian lưu hoá mẫu cao su xác định bởi máy đo Rheometer.
Trang 73.3 Phương pháp phân tích
Sử dụng máy đo cơ tính Testomeric là thiết bị đo biến dạng và ứng suất của mẫu cao su cho đến khi mẫu bị kéo đứt.
Trang 8Hình 1.5: Máy đo cơ tính Testomeric
Bảng 2.1: Thành phần, khối lượng hóa chất theo lý thuyết
2.1.2 Tính toán nguyên vật liệu
Bảng 2.2: Thành phần, khối lượng hóa chất theo thực tế
Trang 92.2.1 Công đoạn cán trộn
Cân các nguyên liệu theo các đơn phối liệu ở trên đơn pha chế Sau đó tiếnhành cán trộn Trước hết cần cán luyện sơ cao su tự nhiên để làm cao su co dãn.Mở khe trục 20mm và cho cao su vào Sau vài lần cán, ta thu hẹp khoảng cáchgiữa 2 trục còn 15mm để cao su bắt đầu bám trục Sau khi cao su ôm được trục
Trang 10cán, tiến hành cho lần lượt Acid Stearic, ZnO, MBT và TMTD vào cao su Tronglúc cán tiến hành cắt đảo góc 450 để cho hóa chất phân tán đều trên mẫu Lưu ýthu hồi các gia chất bị rơi rớt trên máng hứng và cho trở lại vào hỗn hợp cao su đểtránh hao hụt Các gia chất trên sau khi đã được trộn đều vào cao su thì mới tiếnhành cho lưu huỳnh vào Thường xuyên cắt đảo hỗn hợp cao su để gia tăng hiệuquả trộn
Khi thấy hỗn hợp đã được trộn đều, ta chỉnh khe trục xuống 10mm, cán đổiđầu và cuộn tròn 6 lần rồi điều chỉnh khe trục về 20mm và cán xuất tấm ngay khihỗn hợp cao su còn đang nóng và dẻo Dùng bút lông để đánh dấu lại chiều cánxuất tấm của mẫu.
Ổn định hỗn hợp cao su ở phòng thí nghiệm khoảng từ 1-24 giờ trước khichuyển sang công đoạn kế tiếp.
Hình 2.1: Máy cán 2 trục
2.2.2 Công đoạn lưu hóa
Sử dụng hỗn hợp cao su đã cán để chuẩn bị mẫu đo trên Rhéometer: cắt từtấm cao su một mẫu có kích thước 3x3 mm Kiểm tra lại các thông số củaRhéometer: nhiệt độ, thời gian ghi trên trục hoành, ngẫu lực ghi trên trục tung Ghinhận kết quả trên đường cong lưu hóa Tính thời gian lưu tối ưu, thời gian tiền lưuhóa.
Tính diện tính làm việc của khuôn và lực ép cần thiết Làm sạch bề mặt củakhuôn tấm phẳng Cho khuôn tấm phẳng lên gia nhiệt khuôn ở nhiệt độ lưu hóakhoảng 20 phút để khuôn nóng đều Chuẩn bị mẫu lưu hóa tấm phẳng khoảng 60gam Lấy khuôn ra khỏi mâm ép Bôi lớp dung dịch thoa khuôn lên bề mặt củakhuôn Cho mẫu vào khuôn đúng chiều quy định Đóng khuôn rồi đưa lên khuôn
Trang 11ép Trong thời gian đầu bơm áp suất rồi xả nhanh vài lần để loại bỏ bọt khí tronghỗn hợp cao su Sau đó bơm tới lực ép cần thiết Bấm giờ để định thời gian lưuhóa Khi đủ thời gian lưu hóa, nhanh chóng xả lực ép, lấy khuôn ra khỏi mâm ép,mở ra và lấy mẫu tấm phẳng ra khỏi khuôn Quan sát bề mặt tấm phẳng xem có bịkhuyết tật gì không.
Ổn định mẫu ở nhiệt độ phòng thí nghiệm trong thời gian từ 1 – 96 giờ rồi quacông đoạn kế tiếp.
2.2.3 Công đoạn chuẩn bị mẫu
Sử dụng mẫu tấm phẳng trong phần công đoạn lưu hóa để xác định các tínhchất cơ lý của sản phẩm cao su.
Cắt từ tấm phẳng ra 3 mẫu quả tạ và 3 mẫu cánh bướm Mẫu thử phải phẳngvà các cạnh cắt phải đều Vạch hai vachjghi dấu trên mẫu thử cách nhau L0 =20,00 ± 0,08 mm Hai vạch pahir nằm cách đều tâm của mẫu thử và được vạch thậtsong song với nhau và thẳng gó với cạnh mẫu thử Kết quả đo là trị số trung bìnhkhi đo 3 mẫu.
Thực hành đo bề dày các mẫu quả tạ và mẫu cánh bướm bằng dụng cụ đo bềdày Bề dày mẫu được đo tại 3 điểm ở phần hẹp của mẫu quả tạ và lấy trung bình,sai số ≤0,025 mm.
Mẫu phải được ổn định hóa ở nhiệt độ phòng thí nghiệm ít nhất là 3 giờ trướckhi đem đo.
Đo trên máy Dynamometer Chọn vẫn tốc kéo mẫu là 500 ± 50 mm/ phút.Mắc mẫu đô quả tạ vào ngàm Phải mắc mẫu thẳng đứng để sức kéo phân bố đềutrên toàn tiết diện của mẫu Khi xác định lực dãn cần phải báo hiệu và ghi kết quảđúng lúc.
Phải đo độ dãn dài, trị số đọc trên thước đo phải nằm đúng ở giữa vạch mựcđánh dấu trị số dãn dài nên đo với sai số ≤0,2 mm.
2.3 Kết quả thực nghiệma Đường cong lưu hóa
Trang 12Hình 2.2: Kết quả đường cong lưu hoá mẫu cao su
Từ đường cong lưu hoá ta xác định được nhiệt độ lưu hoá mẫu cao su là150oC với các mốc thời gian như sau:
+ Thời gian tiền lưu hóa T10 = 6 phút
+ Thời gian lưu hóa tối ưu T90 = 11,35 12 phútNhận xét:
Theo lí thuyết, hệ lưu hóa chứa TMTD xúc tiến lưu hóa với gia tốc nhanh đốivới cao su thiên nhiên hoặc cao su tổng hợp.
Đường cong lưu hóa có xu hướng giảm => mẫu cao su bị lão hóa ở nhiệt độcao do cán luyện quá nhiều hoặc trong quá trình cán luyện sinh nhiệt làm mẫu caosu lưu hóa một phần trước khi đưa vào quá trình lưu hóa chính.
b Đo cơ tính
Trang 13Hình 2.3: Đồ thị Stress – Strain của mẫu cao su lưu hóa
Đường cong lưu hóa có xu hướng giảm => mẫu cao su bị lão hóa ở nhiệt độcao do cán luyện quá nhiều hoặc trong quá trình cán luyện sinh nhiệt làm mẫu caosu lưu hóa một phần trước khi đưa vào quá trình lưu hóa chính.
Bảng 2.3: Kết quả đo độ bền kéo của mẫu cao su lưu hóa
Trang 14Ứng suất định dãn 300%: M300 = F300/S (N/mm2)Ứng suất kháng đứt: Mđứt = Fđứt/S (N/mm2)Chiều dài ban đầu L0 = 20 mm
Tốc độ kéo: 500 mm/min
2.3.1 Nhận xét về tính chất sản phẩm
Ứng suất định giãn M300: ta có thứ tự mẫu chịu ứng suất giảm đều(5.9,5.6,5.4) Vậy mẫu cao su lưu hóa số 1 có khả năng chịu ứng suất định dãn caonhất
Ứng suất kháng đứt Mđứt: ta có thứ tự mẫu chịu ứng suất kháng đứt tănggiảm không đều Cụ thể mẫu số 2 (20,273 N/mm2) khi bị đứt có khả năng chịuứng suất cao nhất
Theo quy trình thí nghiệm giữ nguyên đơn pha chế cho toàn bộ 3 mẫu thì cóthể dự đoán kết quả đo cơ tính sẽ tương tự nhau nhưng nhận thấy kết quả thựcnghiệm có sự chênh lệch Sự chênh lệch cơ tính mẫu cao su lưu hóa có thể đượcgiải thích do thao tác cán luyện cao su chưa chuẩn làm cho nguyên liệu phân phốikhông đều trong mẫu cao su dẫn đến khả năng chịu bền kéo của mỗi mẫu khácnhau Ngoài ra do tay nghề của sinh viên thực hiện chưa cao và có thể xuất hiệntình trạng hao hụt nguyên liệu do sử dụng hệ thống cán luyện cao su là hệ thống hởdẫn đến tình trạng mẫu không đồng đều.
PHẦN 3: TRẢ LỜI CÂU HỎI
Câu 1: Vì sao bắt buộc phải mở khe hở giữa hai trục cán đủ lớn khi cán thôngcao su lần đầu tiên, đặc biệt là đối với hỗn hợp cao su đã có độn và đang nguội?
Vì mẫu cao su ban đầu có hình dạng phức tạp và bề dày lớn nên khi cán luyệnđầu tiên cần điều chỉnh khe hở hai trục phù hợp với mẫu để tránh hư máy.
Hỗn hợp cao su có độn và nguội thường rất cứng, rất dễ làm bể sạc an toàncủa trục cán nên phải mở khe hở giữa hai trục tương đương với bề dày lớn nhất củahỗn hợp, rồi cán thông vài lần, giảm dần khe hở đến khi hỗn hợp nóng và đủ dẻothì chỉnh khe hở tới vọ trí phù hợp rồi tiếp tục cán bình thường.
Ưu tiên sấy nóng khối hỗn hợp lên để làm dẻo hỗn hợp rồi mới đưa vào máycán thông.
Câu 2: Nếu cán luyện hỗn hợp cao su không tuân theo một quy trình cán luyệnchặt chẽ thì sẽ gặp những vấn đề trở ngại gì?
Nếu không tuân theo quy tắc vận hành của máy cán luyện thì sẽ gây tai nạnlao động, rất nguy hiểm đến tính mạng đến người vận hành máy.
Nếu làm sai, không tuân theo quy trình cán luyện thì sẽ làm mẫu cao su saukhi cán luyện không đạt được chất lượng tốt ( mẫu bị nhão, có bọt khí, hóa chấtđược trộn và phân tán không đồng đều)
Trang 15Trong quá trình cán luyện mẫu cao su có thể bị giảm cấp và bị lão hóa nếulàm sai quy trình cán luyện.
Câu 3 : Nêu các nguyên nhân làm cho sản phẩm cao su đặc thường bị bọt khígây nên khuyêt tật? Nêu các biện pháp nhằm tránh hiện tượng này
+ Cán cao su trong thời gian hợp lý.
+ Điều chỉnh những thông số phù hợp với mẫu cao su.
+ Kết hợp nhồi xả hợp lý để đảm bảo khí ra bên ngoài trong quá trình ép caosu.
Câu 4 : Vì sao phải làm sạch khuôn và phải thoa dung dịch thoa khuôn trướckhi cho hỗn hợp cao su vào khuôn khi lưu hóa?
Ta cần phải làm sạch khuôn trước khi lưu hóa tránh cho sản phẩm cao su bịdơ và lẫn tạp chất không mong muốn.
Phải thoa dung dịch đồng đều vào bề mặt khuôn để tránh mẫu dính vàokhuôn.
PHẦN 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đỗ Thành Thanh Sơn, Hướng dẫn thí nghiệm cao su, Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh.