- IVĐiều chỉnh
5 pkl than đen pkl than đen
5.1.3.3 Bàn luận về ảnh hưởng của than đen
Tính chất vật lý phổ biến của hỗn hợp cao su và than đen thường dựa trên 3 yếu tố: (1) lượng than đen; (2) bề mặt riêng của than đen; (3) cấu trúc của than đen. Trong trường hợp này, sử dụng than lò kháng mài mòn (HAF330) có diện tích riêng phần cao, phổ biến trên thị trường với đặc tính giúp cải thiện nhanh cấu trúc của blend, dẫn đến ảnh hưởng tới tính năng cơ lý, nhất là vùng chịu tải ứng suất thấp. Bên cạnh đó than đen loại này có cấu trúc cao, có tác dụng gia cường blend khi làm việc trong vùng ứng suất cao, tuy nhiên vượt quá một giới hạn nhất định, than đen “dư thừa” làm giảm đàn hồi, kéo theo giảm lực kéo đứt.
Giá trị dãn dài khi đứt của blend khác nhau cũng khác nhau. Rõ ràng với cao su thiên nhiên (NR-G) việc tăng thêm than đen làm giảm đáng kể độ dãn dài (hình 5.2). Với cao su tổng hợp NBR (hình 5.2) độ dãn dài của blend có xu hướng tăng nhẹ và sau đó giảm. Rõ ràng với cấu trúc chặt chẽ và đồng nhất của cao su nitril bản thân không có được độ dãn dài cao (350 - 400 % ở mẫu so sánh có than bằng zero) khi đưa than đen vào ở chừng mực nào đó cấu trúc được cải thiện làm tăng độ bền kéo đứt và blend “dai” hơn đi kèm tăng độ dãn dài, tuy nhiên hiệu quả này cũng nhanh chóng giảm và giá trị tuyệt tối của biến đổi này cũng chỉ trong khoảng 100 đơn vị trong cả dải biến thiên rộng của than đen từ 0 - 60 pkl.
So sánh với tài liệu, kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Ayala, Hess và cộng sự (1992) khi nghiên cứu về tương tác giữa than đen và 4 loại chất đàn hồi SBR, NR, cao su butyl (IIR) và cao su nitril (NBR) và chỉ ra sự khác biệt về mức độ tương tác giữa than đen và cao su dẫn tới việc phân bố không thống nhất của cacbon trong các
loại cao su và làm thay đổi biểu hiện cơ lý tính. Tuy nhiên giá trị σ/η là mức tương tác của than đen và cao su (trong đó σ thể hiện độ nghiêng của ứng suất và η thể hiện tỷ số modulus động của cường độ tương tác chất độn – chất độn) chỉ ra giá trị tương đối của cường độ tương tác cao su - than đen, thông qua tương tác chất độn – chất độn. Ở cao su SBR, NR và NBR có sự tương tác cao hơn giữa chúng với than đen so với cao su butyl.
Trong cả hai họ cao su sử dụng trong thực nghiệm than đen làm tăng rõ và rất nhanh độ cứng của blend cao su (hình 5.3). Bên cạnh đặc tính cải thiện cấu trúc nhiều tài liệu cũng xác nhận rằng bản thân than đen có độ cứng lớn sẽ nhanh chóng làm thay đổi độ cứng một cách cơ học của blend. Tác động chiếm ưu thế này làm cho blend cứng nhanh tuyến tính và thực tế là khá dễ khi dùng để điều chỉnh độ cứng của blend khi có nhu cầu.
Liên quan tới đặc tính lưu hóa của mẫu, đưa thêm than đen vào blend, ta thấy có xu hướng tăng thêm của moment xoắn ứng với quá trình giảm nhẹ của thời gian lưu hóa (bảng 5.7). Như vậy, than đen thâm nhập vào cao su thông qua lực cắt phát sinh khi thêm than đen trong máy cán luyện [43]. Gia tăng ban đầu của moment xoắn liên quan tới giai đoạn xâm nhập bởi vì polyme bị điền đầy các khoảng trống giữa tập hợp hoặc kết tụ của than, thường là tới điểm mà ở đó hỗn hợp trở thành một composit cao su kết dính. Sau đó, quá trình tiếp tục với việc moment xoắn giảm, quá trình phá vỡ kết tụ và phân tán chiếm chỗ (Giảm kích thước kết tụ thông qua việc bẻ gãy kết tụ-
agglomerate thành tập hợp –aggragate; phân tán – dịch chuyển của kết tụ hoặc tập hợp thông qua matrix, hoặc vào polyme). Khi hỗn hợp cao su – than đen bị chảy (rheo), nó được lưu hóa để trở thành sản phẩm. Nhìn chung, hệ thống lưu hóa lưu huỳnh được dùng để khâu mạch ở nhiệt độ cao và sự có mặt của than đen (thậm chí với hàm lượng thấp) làm giảm đáng kể thời gian tiền lưu hóa (thời gian đạt lưu hóa). Quan sát này dẫn tới giả thiết rằng than đen có thể có vai trò xúc tác trong quá trình lưu hóa [117].
Một số nghiên cứu chỉ ra rằng biểu hiện của polyme/ than đen trong composit khác nhau ở hai vùng: ứng suất thấp (< 10 %) và ứng suất cao (> 10 %) [89], [111], [117]. Khái niệm này đã được lý thuyết hóa rằng tập hợp và kết tụ than đen khi phân tán vào matrix polyme và mạng lưới được trợ giúp bởi lực Van der Waals [67]. Cũng
vì bản chất này của lực gắn kết các mạng lưới với nhau, nên mạng lưới rất nhạy cảm, thậm chí sự thay đổi nhỏ của ứng suất mạng cũng tiếp tục chia tách như khi gia tăng ứng suất làm giảm độ cứng của composit và từ đó quan sát thấy sự giảm của G’ (phần đàn hồi của modulus). Một điều rõ ràng rằng các phần tử càng nhỏ, lực hấp dẫn càng lớn do liên kết Van der Waals lớn hơn (so sánh ở cùng lượng than đen).
Giải thích cho hiện tượng này được cho là có thể xảy ra hai quá trình: (1) Khi thêm than đen, làm tăng khả năng dẫn truyền nhiệt của blend và làm cho blend nhanh chín hơn, mặt khác (2) thêm than đen vật liệu blend dường như bị “pha loãng” hơn (giống như rút bớt tỷ lệ xúc tiến và trợ xúc tiến) làm thời gian lưu hóa dài hơn. Tổng hợp của quá trình thu được đường như thực nghiệm.
Liên quan tới mức độ phân bố của các cấu tử trong blend, một đường đặc tính giữa moment xoắn và thời gian được xây dựng. Các đường cong thực nghiệm liên tục và đều chỉ ra mức đồng đều (blend đồng nhất). Các giá trị moment thay đổi phụ thuộc vào thành phần và cách gia công, tuy nhiên các đường cong đều liên tục.
Một điểm có thể lưu ý là đường cong cuối quá trình lưu hóa thấp xuống ở các mẫu blend cao su thiên nhiên (G) thể hiện tính chịu nhiệt thấp hơn so với mẫu blend cao su tổng hợp (mẫu H) tương ứng, hay nói cách khác blend cao su tổng hợp thử nghiệm có độ bền nhiệt cao hơn (hình 5.9 và 5.10).
Như vậy blend cao su thử nghiệm là đồng nhất và ổn định, biểu hiện qua cơ lý tính và đặc tính lưu hóa với nhiệt (lưu hóa). Với blend NR, lực kéo đứt tối đa của mẫu đạt được là 14 MPa ứng với hàm lượng than đen khoảng 25 – 35 pkl. Trong khoảng này độ dãn dài của blend cao su thiên nhiên giảm còn khoảng 500 % và độ cứng khoảng 60 Shore A. Với cao su tổng hợp ở giới hạn tối ưu của than đen độ dãn dài đạt khoảng 300 - 400 %; lực kéo đứt khoảng 13 MPa và độ cứng của mẫu khoảng 65-70 Shore A.