Khi biến tính CR với PVC, độ trương trong xăng dầu của hệ vật liệu CR/PVC cũng thay đổi đáng kể khi thay đổi hàm lượng PVC đưa vào. Sau đây là kết quả khảo sát độ trương trong xăng A92 của vật liệu CR/PVC:
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới độ trương trong xăng A92 của vật liệu blend CR/PVC
Hàm lƣợng PVC (%)
Độ trƣơng (% khối lƣợng)
Sau 6 giờ Sau 24 giờ Sau 48 giờ Sau 72 giờ
0 48,68 49,68 49,70 49,86 10 44,96 47,56 48,09 48,87 20 38,02 41,43 42,82 43,25 30 33,79 36,72 38,76 39,19 40 27,39 32,71 33,94 34,22 50 27,46 33,36 34,72 35,28 60 22,42 25,65 27,75 28,16 70 15,73 19,34 21,63 22,41 80 10,86 13,89 15,08 15,87 90 6,42 8,24 9,61 10,09 100 3,64 5,23 6,59 6,78
Từ kết quả trên có thể thấy, cao su CR có độ trương trong xăng cao hơn cao su NBR. Khi tăng dần hàm lượng PVC thì độ trương trong xăng của vật liệu giảm dần. Nguyên nhân là CR và PVC không tương hợp với nhau và trong hệ xảy ra hiện tượng tách pha làm tăng khả năng xâm thực của môi trường xăng.
Song vì hàm lượng PVC tăng dần trong khi lượng CR giảm dần theo tỷ lệ, đồng thời khả năng trương của CR trong xăng lớn hơn nhiều so với PVC, vì vậy độ trương của tổ hợp vật liệu giảm nhanh với chiều tăng của PVC.
3.2.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới độ trương trong dầu biến thế của vật liệu
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới độ trương trong dầu biến thế của
vật liệu blend CR/PVC
Hàm lƣợng PVC (%)
Sau 120 giờ Sau 240 giờ Sau 480 giờ Sau 720 giờ
0 0,61 1,12 2,05 2,14 10 0,59 1,09 2,01 2,07 20 0,55 1,03 1,99 2,02 30 0,51 0,99 1,69 1,85 40 0,47 0,92 1,45 1,51 50 0,58 0,99 1,59 1,73 60 0,41 0,86 1,31 1,42 70 0,32 0,73 1,10 1,22 80 0,25 0,55 0,84 0,90 90 - 0,33 0,45 0,52 100 - - - -
Từ kết quả trên có thể thấy độ trương của CR trong dầu biến thế cũng cao hơn của NBR. Khi biến tính cao su CR với nhựa PVC thì độ trương của vật liệu giảm dần khi tăng hàm lượng PVC. Song ở tỷ lệ 50% PVC lại xẩy ra hiện tượng độ trương hơi tăng hơn so với những tỷ lệ khác, sau đó có xu hướng giảm dần. Khi tăng tiếp hàm lượng PVC tới 80 90% và ở hàm lượng này của PVC vật liệu hầu như không bị trương hoặc bị trương rất ít khi ngâm trong thời gian dài.
3.2.3. Nghiên cứu độ bền môi trường của vật liệu
Để nghiên cứu độ bền môi trường (thời tiết) của vật liệu, chúng tôi xác định hệ số già hóa của vật liệu blend CR/PVC theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2229-77 ở điều kiện thử nghiệm tại 100oC với thời gian 72 giờ trong môi trường không khí. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới hệ số già hóa của vật liệu được trình bày ở đồ thị dưới đây:
Hàm lƣợng PVC (%)
Hình 3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới hệ số già hóa của vật liệu blend
CR/PVC
Nhìn vào đồ thị có thể thấy sự có mặt PVC trong tổ hợp vật liệu làm cho hệ số già hóa của vật liệu giảm xuống, có giá trị thấp nhất khi hàm lượng PVC là 50% và sau đó lại có xu hướng tăng lên khi tiếp tục tăng hàm lượng PVC (hệ số già hóa tăng lên khá rõ từ hàm lượng PVC 60% trở lên). Sự thay đổi hệ số già hóa có xu hướng giống với thay đổi độ bền cơ học. Nguyên nhân xảy ra hiện tượng trên cũng được giải thích là do ở hàm lượng 50% PVC khả năng tương hợp của hai cấu tử CR và PVC không tốt. Do vậy trên bề mặt phân pha, các cấu tử không tương tác với nhau khiến cho vật liệu dễ bị xâm thực bởi các yếu tố môi trường vào bên trong và phá hủy vật liệu, dẫn đến giảm khả năng bền môi trường của vật liệu.
Nhận xét:
Từ các kết quả nghiên cứu trên cho thấy CR và PVC không tương hợp với nhau, vì vậy chúng tôi không tiếp tục các nghiên cứu khác đối với hệ 2 cấu tử này. Các kết quả khảo sát trên đây đối với hệ CR/PVC chủ yếu làm cơ sở để so sánh và
0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0
lấy số liệu thực nghiệm đưa vào quy hoạch thực nghiệm khi nghiên cứu hệ 3 cấu tử NBR/CR/PVC ở những phần sau.
3.3. Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su blend trên cơ sở cao su nitril butadien và cao su cloropren
3.3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng CR tới tính chất cơ lý của vật liệu
Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng CR đến các tính chất cơ lý của vật liệu, chúng tôi chế tạo các mẫu NBR/CR với các tỉ lệ khác nhau. Mẫu tạo thành được đo một số tính chất cơ lý trong cùng một điều kiện. Kết quả nghiên cứu được thể hiện trong bảng dưới đây:
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng CR tới tính chất cơ lý của vật liệu blend
NBR/CR Hàm lƣợng CR (%) Độ bền kéo đứt (MPa) Độ dãn dài khi đứt (%) Độ mài mòn (cm3/1,61km) Độ cứng (Shore A) 0 23,40 560 0,697 67,5 10 18,53 420 0,768 68,0 20 18,69 435 0,784 68,5 30 19,20 458 0,790 69,0 40 19,49 487 0,785 69,0 50 21,56 538 0,782 69,0 60 20,62 495 0,830 71,0 70 19,48 450 0,896 71,5 80 18,10 384 0,934 72,0 90 16,28 365 0,938 72,5 100 15,39 408 0,905 73,0
Từ kết quả nghiên cứu thu được thấy rằng khi biến tính NBR bằng CR, ban đầu độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt của vật liệu đều giảm mạnh, nhất là khi hàm
lượng CR còn thấp (khoảng 10%). Khi hàm lượng CR tiếp tục tăng lên, độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt lại có xu hướng tăng dần và đạt giá trị cao nhất ở khoảng 50% và sau đó lại giảm. Riêng độ mài mòn của vật liệu tăng chậm khi hàm lượng CR tăng đến 50% và tại hàm lượng CR khoảng 50% độ mài mòn có xu hướng giảm nhẹ sau đó lại tăng nhanh khi tiếp tục tăng hàm lượng CR, còn độ cứng tăng dần đều theo chiều tăng của CR.
Hiện tượng này có thể giải thích là do NBR và CR không tương hợp với nhau khi hàm lượng CR nhỏ hơn 10%. Khi hàm lượng CR tăng lên, hai cao su này phần nào tương hợp nhau hơn làm tính năng cơ lý của vật liệu tăng lên và đạt cực đại ở khoảng hàm lượng CR khoảng 50%. Sau đó tính chất cơ lý giảm dần do lúc này thành phần CR chiếm ưu thế, hơn nữa do tính chất cơ lý của nguyên liệu CR thấp hơn hẳn so với NBR và chính điều này đã làm tính chất cơ lý của vật liệu blend giảm. Mặt khác do bản thân CR là một loại cao su tương đối cứng, còn NBR thì có tính mềm dẻo hơn nên khi hàm lượng CR tăng thì độ cứng và độ mài mòn của vật liệu cũng tăng. Khi hàm lượng CR vượt quá 50% thì có thể khả năng tương hợp của NBR và CR giảm, do đó làm cho tính chất cơ lý của vật liệu blend thu được giảm mạnh. Kết quả nghiên cứu cũng tương tự như những kết quả nghiên cứu của một số tác giả khác đã công bố [78, 136].
3.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng CR tới độ bền trong xăng và dầu của vật liệu
NBR là loại cao su chịu dầu rất tốt. Việc biến tính NBR bằng CR sẽ ảnh hưởng tới hầu hết các tính chất cơ lý và kỹ thuật của vật liệu, mặc dù CR cũng là một loại cao su có khả năng bền trong môi trường dầu mỡ nhưng khả năng này kém NBR. Để đánh giá khả năng bền dầu mỡ của vật liệu blend NBR/CR, chúng tôi tiến hành thử nghiệm và xác định độ trương trong xăng A92 và trong dầu biến thế của của vật liệu theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2752 : 2008, cụ thể như sau:
3.3.2.1. Độ trương trong xăng A92 của vật liệu
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng CR tới độ trương trong xăng A92 của vật liệu được trình bày trên hình dưới đây:
Hàm lƣợng CR (%)
Hình 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng CR tới độ trương trong xăng A92 của vật
liệu blend NBR/CR
Nhận thấy rằng, khi hàm lượng CR tăng thì nhìn chung độ trương của vật liệu có xu hướng tăng. Tuy nhiên, khi hàm lượng CR tăng từ khoảng 30 50% thì độ trương của vật liệu lại giảm và đạt giá trị cực tiểu ở khoảng hàm lượng CR 50% (tuy những giá trị này vẫn cao hơn khi hàm lượng CR trong khoảng 0 20%) và sau đó lại tiếp tục tăng khi tăng hàm lượng CR trên 50%.
Xu thế thay đổi độ trương khá phù hợp với xu thế thay đổi các tính năng cơ lý của vật liệu. Điều này có thể giải thích ở là khoảng tỷ lệ NBR/CR là 50/50 hai vật liệu này tương hợp với nhau tốt hơn, làm cho vật liệu có cấu trúc chặt chẽ hơn nên đã hạn chế sự xâm nhập của các phân tử xăng A92 vào vật liệu và do vậy đã làm giảm độ trương của nó.
3.3.2.2. Độ trương trong dầu biến thế của vật liệu
Định hướng của vật liệu nghiên cứu là sử dụng chế tạo sản phẩm tiếp xúc với dầu biến thế. Vì vậy, chúng tôi tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của quá trình biến tính
0 10 20 30 40 50 60 0 20 40 60 80 100
Mẫu ngâm sau 6 giờ Mẫu ngâm sau 24 giờ mẫu ngâm sau 48 giờ Mẫu ngâm sau 72 giờ
tới độ trương trong dầu biến thế của vật liệu. Kết quả nghiên cứu được trình bày trong bảng dưới đây:
Bảng 3.8. Ảnh hưởng của hàm lượng CR tới độ trương trong dầu biến thế của vật
liệu blend NBR/CR
Hàm lƣợng CR (%)
Độ trƣơng (% khối lƣợng)
Sau 120 giờ Sau 240 giờ Sau 480 giờ Sau 720 giờ
0 - - - - 10 - - - - 20 - - - - 30 - 0,26 0,68 0,73 40 - 0,42 0,89 0,92 50 - 0,39 0,86 0,90 60 0,46 0,79 1,18 1,21 70 0,57 1,01 1,45 1,48 80 0,62 1,28 2,12 2,17 90 1,13 1,62 2,38 2,42 100 0,61 1,12 2,05 2,14
Từ kết quả nghiên cứu có thể thấy rằng khi hàm lượng CR đạt tới 20% thì vật liệu hầu như không bị trương trong dầu biến thế sau khi ngâm tới 720 giờ. Tuy nhiên, khi hàm lượng CR vượt quá 30% có hiện tượng trương khi ngâm mẫu vật liệu trên 240 giờ và hàm lượng CR trên 50% thì sau thời gian ngâm 120 giờ có hiện tượng trương tuy mức độ trương không đáng kể. Độ trương tăng nhẹ khi hàm lượng CR tiếp tục tăng. Ở mẫu CR 100 % cũng có hiện trương trong dầu biến thế sau thời gian ngâm 120 giờ và khi thời gian ngâm tăng, mức độ trương cũng tăng theo nhưng không nhiều.
Kết quả nghiên cứu thu được cho thấy vật liệu blend trên cơ sở NBR và CR với tỷ lệ NBR/CR là 50/50 có khả năng bền xăng dầu rất tốt (gần bằng vật liệu
100% NBR). Từ kết quả này, chúng tôi chọn vật liệu NBR/CR với tỷ lệ 50/50 cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.3.3. Nghiên cứu độ bền môi trường của vật liệu
Để nghiên cứu độ bề n môi trường (thời tiết) và khẳng định thêm độ bền dầ u mỡ của vật liệu, chúng tôi tiến hành xác định hệ số già hóa của vật liệu sau 10 chu kỳ thử nghiệm bức xạ, nhiệt, ẩm theo tiêu chuẩn ASTM D 4857-91 và hệ số già hóa của vật liệu sau thử nghiệm ở 70oC trong 96 giờ trong môi trường không khí và trong dầ u biê ́n thế theo tiêu chuẩn TCVN 2229-77. Kết quả nghiên cứu được trình bày như bảng dướ i đây:
Bảng 3.9. Hệ số già hóa của vật liệu blend NBR/CR trong môi trường bức xạ,
nhiệt, ẩm; trong không khí và trong dầ u biế n thế
Vật liệu Hệ số già hóa sau 10 chu kỳ bức xạ, nhiệt, ẩm Hệ số già hóa trong không khí (ở 70oC, 96 giờ) Hệ số già hóa trong dầ u biến thế
(ở 70oC, 96 giờ) NBR 0,85 0,87 0,88 CR 0,96 0,91 0,92 NBR/CR (50/50) 0,92 0,90 0,91
Nhận thấy rằng, với những tác động của bức xạ, nhiệt, ẩm và của nh iệt trong môi trường không khí cũng như trong môi trường dầu biến thế , hệ số già hóa của vật liệu blend NBR/CR (50/50) cao hơn hẳn so với vật liệu NBR (tuy nhiên còn thấp hơn CR một chút). Điều đó chứng tỏ vật liệu blend có khả năng chịu bức xạ, nhiệt, ẩm tốt hơn hẳn vật liệu NBR.
Kết quả được đánh giá thông qua sự biến đổi bề mặt và tính chất cơ lý của vật liệu. Trên các hình dưới đây là ảnh chụp bề mặt của một số mẫu vật liệu trước và sau 10 chu kỳ thử nghiệm.
Hình 3.4. Ảnh SEM bề mặt mẫu vật liệu NBR sau khi thử nghiệm
Hình 3.6. Ảnh SEM bề mặt mẫu vật liệu NBR /PVC (70/30) sau khi thử nghiệm
Hình 3.5. Ảnh SEM bề mặt mẫu vật liệu NBR/CR (50/50) sau khi thử nghiệm
Từ kết quả nghiên cứu hình ảnh theo phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) thấy rằng, sau khi thử nghiệm bức xạ, nhiệt, ẩm 120 giờ, mẫu vật liệu NBR đã bị rạn nứt (Hình 3.4) trong khi đó ở các mẫu cao su blend NBR/PVC (70/30) (Hình 3.6) và đặc biệt blend NBR/CR (50/50) (Hình 3.5) không thấy có hiện tượng bị phá hủy trên bề mặt.
3.3.4. Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu
Cấu trúc hình thái của vật liệu cao su blend được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Trên các hình dưới đây là ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét bề mặt cắt của một số mẫu tiêu biểu trên cơ sở NBR/CR.
Hình 3.7. Ảnh SEM bề mặt cắt mẫu vật liệu NBR/CR (80/20) Hình 3.8. Ảnh SEM bề mặt cắt mẫu vật liệu NBR/CR (50/50)
Từ các ảnh SEM nhận được thấy rằng ở mẫu blend NBR/CR tỷ lệ 80/20 (Hình 3.7) có sự phân pha rõ rệt do các cấu tử tương hợp không tốt với nhau, song ở tỷ lệ 50/50, các cấu tử cao su phân tán tốt vào nhau, hiện tượng phân pha không rõ ràng (Hình 3.8). Điều đó chứng tỏ hai cao su này tương hợp khá tốt với nhau ở tỷ lệ này. Đây chính là lý do vì sao vật liệu blend NBR/CR ở tỷ lệ 50/50 có các tính năng cơ lý, kỹ thuật của vật liệu tốt hơn ở các tỷ lệ khác.
Nhận xét:
Những kết quả nghiên cứu thu được ở trên ch o thấy vật liệu cao su blend NBR/CR phần nào tương hợp với nhau ở tỷ lệ 50/50, vì vậy nó có cấu trúc khá đều đặn, chặt chẽ và nhờ vậy có các tính năng cơ lý, kỹ thuật tốt. Vật liệu này có tính chất cơ lý, độ bền xăng dầu, bền nhiệt cao hơn hẳn so với CR, đồng thời có khả năng bền bức xạ và môi trường tốt hơn so với NBR.
3.4. Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su blend 3 cấu tử trên cơ sở cao su nitril butadien, cao su cloropren và polyvinyl clorua
3.4.1. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới tính chất cơ lý của vật liệu
Vật liệu blend NBR/CR có tính năng cơ lý tốt, độ bền dầu mỡ và môi trường cao, song giá thành khá cao. Vì vậy, hướng tới mục tiêu giảm giá thành chế tạo mà vật liệu nhận được vẫn có tính chất tốt, chúng tôi tiếp tục biến tính blend NBR/CR với polyvinylclora (PVC). Để thực hiện nghiên cứu này, ngoài các hóa chất, vật liệu như trình bày ở phần trên, chúng tôi còn sử dụng PVC-S (có ký hiệu SG 710), sản phẩm của công ty TNHH Nhựa và Hóa chất TPC Vina; các chất ổn định như cadimi stearat, bari stearat của Viện Công nghệ Xạ hiếm.
Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng PVC đến các tính chất cơ lý của vật liệu, chúng tôi chế tạo các mẫu NBR/CR với tỷ lệ cố định 50/50 (đây là tỷ lệ hợp lý cho blend hai cấu tử này) và chỉ thay đổi hàm lượng PVC. Mẫu tạo thành được đo các tính chất cơ lý trong cùng điều kiện. Kết quả thu được thể hiện trong bảng dưới đây:
Bảng 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới tính chất cơ lý của vật liệu blend