Cao su blend - tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam pptx

Trong quá trình sử dụng, người ta thấy một số tính năng kỹ thuật của CSTN còn bị hạn chế như kém bền dầu mỡ, môi trường,..., nên đến đầu thế kỷ 20 nhiều loại cao su tổng hợp CSTH với nhữ

Cao su blend - tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam

Cao su thiên nhiên (CSTN) là hợp chất cao phân tử trong nhựa cây cao su (Hevea Brasiliensis), được phát hiện và ứng dụng lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 16 tại Nam Mỹ, nhưng mãi đến năm 1839, khi Chales Goodyear phát minh ra quá trình lưu hóa thì vật liệu này mới được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và kỹ thuật

Trong quá trình sử dụng, người ta thấy một số tính năng kỹ thuật của CSTN còn bị hạn chế (như kém bền dầu mỡ, môi trường, ), nên đến đầu thế kỷ 20 nhiều loại cao su tổng hợp (CSTH) với những tính chất đặc biệt đã lần lượt được nghiên cứu sản xuất như cao

su clopren (CR) năm 1931, butađien (BR) năm 1932, styren - butađien (SBR), nitril - butađien (NBR) năm 1937 và silicon (chẳng hạn cao su polydimetyl siloxan - PDMS) năm 1945 đến giai đoạn 1955 - 1970, trên thị trường xuất hiện tiếp các loại cao su nhiệt dẻo như cao su etylen-propylen-đien đồng trùng hợp (EPDM), polyuretan (PU), Các loại CSTH đã khắc phục được những hạn chế của CSTN như NBR bền dầu mỡ, CR và EPDM bền môi trường, hoặc nhiều loại cao su silicon có khả năng cách điện cao Tuy nhiên hầu hết các loại CSTH đều có giá thành khá cao và một số loại (như cao su

EPDM, silicon) có độ bền cơ học thấp Chính vì vậy, vấn đề phối hợp những ưu điểm của các loại CSTH với nhau hay với CSTN hoặc một số vật liệu cao phân tử khác để nhận được cao su blend, một loại vật liệu tổ hợp với những đặc tính mong muốn, đã trở thành vấn đề được quan tâm nghiên cứu từ khoảng hơn ba chục năm trở lại đây Theo hướng này, người ta đã chế tạo và ứng dụng các loại cao su blend từ CSTN, CSTH hoặc polyme nhiệt dẻo Vật liệu này có một số ưu thế cơ bản so với các loại vật liệu cao su truyền thống, đó là:

- Lấp được khoảng trống về tính chất công nghệ và giá thành giữa các loại cao su và polyme thành phần Qua đó người ta có thể tối ưu hóa về mặt giá thành và tính chất của

vật liệu sử dụng

- Tạo khả năng phối hợp tính chất mà những loại vật liệu khác khó có thể đạt được, do vậy đáp ứng những yêu cầu cao của hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật

Quá trình nghiên cứu chế tạo sản phẩm trên cơ sở cao su blend (hoặc polyme blend nói chung) thường nhanh hơn nhiều so với nghiên cứu chế tạo sản phẩm từ vật liệu mới khác,

vì người ta có thể áp dụng những vật liệu với những tính chất đã biết và công nghệ sẵn

có

Do những ưu thế trên, trong những năm qua nhiều loại cao su blend tính năng cao đi từ CSTN và CSTH đã được nghiên cứu chế tạo trên thế giới, trong số đó nhiều loại đã trở thành thương phẩm có giá trị cao

Một số vấn đề công nghệ trong sản xuất cao su blend

Trong thực tế chế tạo và sử dụng, có thể hiểu cao su blend là vật liệu được cấu thành từ hai hoặc nhiều loại cao su hoặc cao su với polyme (nhựa) nhiệt dẻo, qua đó có thể tối ưu hoá tính năng cơ lý và giá thành cho những mục đích sử dụng nhất định

Trong cao su blend, những yếu tố về cấu trúc hình thái (thể hiện cấu trúc phân tử của vật liệu), tính tương hợp (liên quan đến sự tạo thành pha tổ hợp ổn định và đồng thể từ hai hay nhiều loại cao su, nhựa thành phần) và khả năng trộn hợp (liên quan đến khả năng trộn lẫn cao su/ polyme thành phần trong những điều kiện nhất định) là những yếu tố quan trọng, quyết định các đặc tính của vật liệu Như vậy, tính tương hợp của các cấu tử thành phần là một trong những yếu tố quyết định tính chất của cao su blend

Ở một số loại cao su blend, các cấu tử có thể tự hoà trộn vào nhau tới mức độ phân tử và cấu trúc này tồn tại ở trạng thái cân bằng Người ta gọi những hệ này là những hệ tương hợp về mặt nhiệt động học Cũng có những hệ khác mà trong đó tính tương hợp được tạo thành nhờ những biện pháp gia công nhất định, chúng được gọi là những hệ tương hợp về

mặt kỹ thuật

Trong cao su blend, phần cấu trúc kết tinh có thể làm tăng độ bền hoá học, độ bền cơ học (chống mài mòn) và độ bền nhiệt, còn phần vô định hình góp phần làm tăng độ ổn định kích thước cũng như độ bền nhiệt dưới tải trọng của vật liệu

Những tổ hợp không tương hợp là những tổ hợp mà trong đó có các pha khác nhau (dù rất nhỏ)

Trên thực tế, có rất ít các cặp polyme (trong đó có cả cao su) tương hợp với nhau về mặt nhiệt động đa phần chúng không tương hợp với nhau, nên khi trộn lẫn chúng thường tạo thành các vật liệu tổ hợp (vật liệu blend) có cấu trúc không tương hợp thuộc một trong

ba dạng như trong hình dưới đây:

Từ kết quả nghiên cứu, người ta đã chỉ ra rằng sự tương hợp của các cấu tử trong tổ hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: bản chất hoá học và cấu trúc phân tử của các polyme thành phần, khối lượng phân tử và sự phân bố khối lượng phân tử của các polyme thành phần, tỷ lệ các cấu tử trong tổ hợp; năng lượng bám dính ngoại phân tử; nhiệt độ gia công; v.v

Sự tồn tại của những tổ hợp blend không tương hợp, trong đó có cao su blend, có nguyên nhân liên quan đến sự phân bố pha, kích thước hạt và khả năng bám dính pha không đạt yêu cầu Những yếu tố này lại bị nhiều điều kiện chi phối, nhất là những điều kiện chuẩn

bị và gia công vật liệu Trong thực tế, để tăng độ tương hợp của các cấu tử trong tổ hợp, người ta dùng các “chất tương hợp” (như các copolyme, olygome đồng trùng hợp hoặc các chất hoạt tính bề mặt, ) và chọn chế độ chuẩn bị cũng như gia công thích hợp cho từng hệ blend thông qua việc khảo sát tính chất lưu biến của vật liệu

Kinh nghiệm thực tế cho thấy các cấu tử có bản chất và cấu tạo hóa học giống nhau thường dễ tương hợp với nhau Trong khi đó, những cấu tử có bản chất và cấu tạo hóa học khác nhau hoặc khác nhau về độ phân cực sẽ khó tương hợp với nhau Trong những

trường hợp này, cần phải dùng các “chất tương hợp”

Để chế tạo cao su blend, người ta có thể tiến hành trộn trực tiếp các loại cao su/polyme ngay trong quá trình tổng hợp hoặc đang còn ở dạng huyền phù hay nhũ tương đối với các polyme thông thường, người ta phối trộn trong các máy trộn kín, máy đùn một hoặc hai trục và có thể dùng cả máy cán gia nhiệt (hoặc không gia nhiệt khi phối trộn các loại cao su/polyme có nhiệt độ chảy mềm không cao)

Trong tất cả các trường hợp, thời gian trộn, nhiệt độ và tốc độ trộn có ảnh hưởng quyết định tới cấu trúc cũng như các tính chất của vật liệu tổ hợp Vì thế, đối với mỗi hệ cụ thể cần căn cứ vào tính chất của các cấu tử thành phần cũng như đặc tính lưu biến của tổ hợp

để chọn chế độ chuẩn bị (tạo blend) và gia công thích hợp

Tình hình nghiên cứu chế tạo và triển vọng ứng dụng cao su blend ở Việt Nam

Số liệu thống kê cho thấy, mức tăng trưởng sản lượng cao su blend hàng năm trên thị trường thế giới đạt trên 10% (trong khi tốc độ tăng trưởng của vật liệu polyme chỉ đạt 5-6%)

Ở Việt Nam, hiện nay ngành cao su đang là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn góp phần cung cấp CSTN, một loại vật liệu quan trọng trong phát triển kinh tế Vì thế cây cao

su trở thành một loại cây công nghiệp có giá trị cao, đang được chú ý mở rộng diện tích canh tác và đầu tư kỹ thuật để nâng cao sản lượng

Trong 10 năm gần đây, diện tích trồng cây cao su cả nước đã tăng lên nhanh chóng: năm

2000 đạt 412 nghìn ha (trong đó có khoảng 238 nghìn ha cây đang ở độ tuổi khai thác), năm 2008 tăng lên 580 nghìn ha với sản lượng đạt 630 nghìn tấn mủ, đứng thứ 5 thế giới Bên cạnh việc trồng trọt, chế biến và xuất khẩu cao su nguyên liệu, ngành công nghiệp sản xuất các sản phẩm cao su (CNCS) trong nước cũng đang có bước phát triển tốt

Tuy nhiên, theo ý kiến của các chuyên gia trong ngành, CNCS ở Việt Nam hiện vẫn còn nhỏ bé đến cuối năm 2007 cả nước có trên 70 đơn vị sản xuất các sản phẩm cao su, đạt sản lượng khoảng 200 nghìn tấn/năm Trong đó săm lốp các loại chiếm 70%, các loại đệm cao su xốp, găng tay, chiếm 15%, còn các sản phẩm cao su kỹ thuật chiếm một phần rất nhỏ đến nay, hàng năm CNCS nước ta tiêu thụ khoảng 80 nghìn tấn CSTN (chỉ bằng 14% tổng sản lượng sản xuất trong nước), trong khi đó vẫn phải nhập khẩu gần như toàn bộ CSTH và các nguyên liệu phụ trợ khác Ngoài ra, chúng ta cũng phải nhập khẩu

để đáp ứng phần lớn nhu cầu trong nước về sản phẩm cao su kỹ thuật Từ đó có thể thấy một nghịch lý là trong khi xuất khẩu CSTN nguyên liệu giá rẻ và không ổn định thì chúng ta lại phải nhập khẩu một khối lượng lớn sản phẩm cao su kỹ thuật giá cao Do đó việc nghiên cứu sản xuất các sản phẩm cao su kỹ thuật từ CSTN để phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu đang là vấn đề rất cần được quan tâm hơn, bởi nó không chỉ mang ý nghĩa về khoa học, mà còn có ý nghĩa kinh tế - xã hội cao

Thực tế ở nước ta, vấn đề nghiên cứu cao su blend mới chỉ được quan tâm từ đầu những năm 90 của thế kỷ trước, nhưng lĩnh vực này đang có cơ hội phát triển Theo các chuyên gia trong ngành, việc phát triển nghiên cứu chế tạo và ứng dụng cao su blend là nhằm vào mục tiêu sản xuất các sản phẩm cao su kỹ thuật từ loại vật liệu này trên cơ sở sử dụng CSTN theo hướng cải thiện các tính năng cơ lý, kỹ thuật của vật liệu và áp dụng công nghệ chế tạo các sản phẩm cao su kỹ thuật với giá thành hợp lý để mở rộng phạm vi ứng dụng nguồn CSTN sẵn có trong nước

Theo hướng trên, các tác giả ở Trung tâm Nghiên cứu vật liệu polyme (Đại học Bách khoa Hà Nội) đã nghiên cứu chế tạo cao su blend từ CSTN với CR và ứng dụng làm các khe co giãn, gối cầu phục vụ xây dựng các công trình giao thông đường bộ Các tác giả ở Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Hóa học (thuộc Viện KH&CN Việt Nam - VAST) đã nghiên cứu chế tạo cao su blend từ CSTN và một số nhựa nhiệt dẻo như polypropylen (PP) hoặc polyetylen (PE) để chế tạo tấm đệm ray đường sắt, đệm chống va đập tàu biển Cao su blend từ CSTN epoxy hóa (ENR) với nhựa polyvinyl clorua (PVC) được các tác giả của Viện Hóa học Vật liệu (Viện KHKT & CNQS) nghiên cứu chế tạo và ứng dụng làm các loại gioăng, phớt chịu dầu, ủng chữa cháy, một số dụng cụ cứu hỏa cho nhà cao

tầng, v.v đi sâu nghiên cứu chế tạo và ứng dụng một cách có hệ thống các loại cao su blend là nhóm tác giả tại Viện Hóa học thuộc VAST

Các nhà nghiên cứu này đã phối hợp với một số đơn vị nghiên cứu, sản xuất khác chế tạo

và ứng dụng có hiệu quả các loại cao su blend trên cơ sở CSTN với polyetylen tỷ trọng thấp (LDPE) Loại vật liệu này có khả năng bền môi trường vượt trội so với CSTN, gia công đơn giản với năng suất cao nên được ứng dụng để chế tạo các loại đệm chống va đập tàu biển và các loại giầy đế nhẹ chất lượng cao phục vụ xuất khẩu Ngoài ra, Viện cũng nghiên cứu cao su blend từ CSTN với NBR Vật liệu này có khả năng bền dầu mỡ, bền cơ học cao, giá thành hạ và đã đựơc ứng dụng để chế tạo nhiều loại sản phẩm cao su

kỹ thuật và dân dụng khác nhau (đệm chống va tàu thuyền cho các cảng dầu khí, giầy và ủng chịu dầu mỡ, ) Một số loại cao su blend khác cũng đang nằm trong tầm ngắm của các cơ sở nghiên cứu trong nước: cao su blend từ CSTN với SBR phù hợp để chế tạo ống mềm cao su chịu áp lực cho tàu nạo vét sông, biển; từ CSTN với CR hoặc với EPDM rất chịu mài mòn, bền môi trường và thời tiết, có thể được dùng để chế tạo các sản phẩm cao

su với tính năng tương ứng (vải địa kỹ thuật không thấm nước, tấm lợp cao su, ) Ngoài các vật liệu cao su blend trên cơ sở CSTN, một số tác giả trong nước đã tiến hành nghiên cứu chế tạo một số vật liệu cao su blend cho các lĩnh vực công nghệ cao đi từ CSTH như: blend từ NBR/CR hoặc NBR/CR/PVC có khả năng bền dầu mỡ, bền nhiệt và thời tiết để làm các loại gioăng đệm cho máy biến thế, v.v

Tuy những kết quả nghiên cứu chế tạo và ứng dụng cao su blend ở nước ta trong những năm qua mới chỉ là bước đầu, nhưng qua đó có thể thấy xu thế và khả năng chế tạo cao su blend cũng như các sản phẩm cao su kỹ thuật trên cơ sở vật liệu này đang rất có triển vọng