4. Nội dung nghiên cứu
1.2.3.3. Tăng cường lực cao su thiên nhiên bằng chất độn hoạt tính
Tăng cường lực CSTN bằng chất độn vô cơ hoạt tính
Các chất độn vô cơ sử dụng nhiều trong công nghệ gia công cao su là: bột nhẹ, cao lanh, silic đioxit,…
Tăng cường lực CSTN bằng silic đioxit
Trong các chất độn vô cơ đƣợc sử dụng trong công nghệ gia công cao su, silic đioxit là chất độn tăng cƣờng hiệu quả nhất. Sản xuất silic đioxit: có hai phƣơng pháp sản xuất là phƣơng pháp ƣớt và phƣơng pháp sƣơng mù từ hai nguyên liệu đầu khác nhau là thủy tinh lỏng và SiCl4.
Phƣơng pháp ƣớt là phƣơng pháp kết tủa SiO2 từ thủy tinh lỏng bằng CO2 hoặc dung dịch nƣớc của axit vô cơ, các muối kim loại.
Trƣờng ĐH Sƣ phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp
Phƣơng pháp này cho sản phẩm có hàm lƣợng SiO2 không cao lắm (70 – 90%). Trong sản phẩm còn lẫn nhiều tạp chất là các oxit kim loại và nƣớc, kích thƣớc hạt lớn nên diện tích bề mặt nhỏ dẫn đến hiệu suất tăng cƣờng lực cho cao su không cao.
Phƣơng pháp sƣơng mù là phƣơng pháp dựa trên phản ứng thủy phân SiCl4 trong hơi nƣớc cao áp ở 10000C.
SiCl4 + 2H2O → SiO2 + 4HCl
Phƣơng pháp này cho sản phẩm có mức độ phân tán lớn, kích thƣớc hạt cực nhỏ, ít tạp chất hóa học vì không có sản phẩm phụ. Tuy nhiên cùng với silic đoxit còn có khí HCl tạo thành nên sản phẩm mang tính axit và pH của sản phẩm thƣờng dao động từ 4 đến 4,5.
Cũng nhƣ các chất độn tăng cƣờng khác, mức độ phân tán là đặc trƣng quan trọng nhất, có thể đánh giá tác dụng tăng cƣờng lực của silic đoxit. Silic đoxit phân tán cao chủ yếu dùng làm chất độn tăng cƣờng cho cao su silicon. Trong quá trình bảo quản hoặc sử dụng silic đioxit dễ dàng bị hiđrat hoá tạo thành các nhóm silicon trên bề mặt và các nhóm này sẽ tham gia vào phản ứng với mạch silicon trong cao su silicon tạo mạng không gian cho cao su. Sự tồn tại các liên kết silicon giữa mạch đại phân tử của cao su silicon với silic đioxit làm tăng cƣờng độ bền cơ học của cao su silicon.
Silic đioxit còn là chất độn tăng cƣờng cho các hợp phần cao su và nhựa tổng hợp khác. Đối với các loại cao su không kết tinh hoặc cao su có cấu trúc vô định hình thì silic có tác dụng tăng cƣờng tính chất cơ lý nhƣ các loại than hoạt tính. Silic đioxit có chứa nhiều nhóm phân cực trên bề mặt vì thế có khả năng hấp phụ hầu hết các chất phối hợp khác trên bề mặt làm giảm hiệu lực tác dụng của chúng, đặc biệt là đặc biệt là các chất lƣu hóa và các chất xúc tiến lƣu hóa cho cao su. Khi thành lập đơn pha chế cho hợp phần cao
Trƣờng ĐH Sƣ phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp
su có silic đioxit làm chất độn tăng cƣờng cần phải sử dụng các biện pháp khắc phục những ảnh hƣởng do silic đoxit gây ra:
Một là, tăng hàm lƣợng các chất phối hợp vi lƣợng nhƣ chất xúc tiến
lƣu hoá, phòng lão, chất lƣu hoá lên 30% đến 50% so với mức độ dùng cho cao su có độn là than hoạt tính.
Hai là, sử dụng từ 1,5 đến 4,0 PKL các chất hoạt hoá bề mặt nhƣ các
amin và glycol, trietanoamin, đibutylamin, xiclohexylamin, glixerin,… Các hợp chất này hấp phụ lên bề mặt các oxit silic làm giảm khả năng hấp phụ các chất xúc tiên lƣu hoá và các chất phối hợp khác. Mặt khác, các chất hoạt hoá bề mặt làm giảm độ nhớt của hợp phần cao su và tăng tốc độ cho quá trình lƣu hoá.
Các chất độn vô cơ khác
Các chất độn vô cơ đƣợc sử dụng nhiều trong công nghiệp gia công cao su đều có nguồn gốc tự nhiên: bột nhẹ, cao lanh, barit, thạch cao, bột talk,… Mặc dù các chất độn này không có khả năng tăng cƣờng các tính chất vật lý của cao su nhƣng việc sử dụng các loại chất độn này cũng có thể tăng khả năng chịu môi trƣờng của vật liệu và đặc biệt giảm giá thành sản phẩm.
Bột nhẹ: Bột nhẹ thiên nhiên có cấu tạo chủ yếu từ 97% - 99% CaCO3
và khoảng 1% - 2% là các tạp chất hoá học khác nhƣ: Fe2O3, Al2O3, SiO2. Trong công nghệ gia công cao su bột nhẹ đƣợc dùng làm chất độn dễ kiếm, rẻ tiền và còn đƣợc sử dụng làm chất cách ly cho cao su. Bột nhẹ với hàm lƣợng thích hợp ít làm thay đổi tính chất công nghệ của hợp phần cao su: độ nhớt tăng không đáng kể, hợp phần cao su dễ cán tráng, dễ phun, đúc và điền đầy khuôn tốt. Bột nhẹ còn đƣợc sử dụng phối hợp với than hoạt tính làm giảm giá thành sản phẩm mà không gây ảnh hƣởng đến hiệu quả tăng cƣờng lực
Trƣờng ĐH Sƣ phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp
của than hoạt tính trong công nghiệp sản xuất các sản phẩm cao su kĩ thuật, công nghiệp cáp điện và một số sản phẩm dân dụng khác.
Cao lanh: Cao lanh thiên nhiên – nhôm silicat có công thức chung Al2O3.2SiO2.2H2O có chứa nhiều tạp chất mà chúng đƣợc loại khỏi cao lanh trong quá trình làm giàu. Cao lanh là hợp chất dễ phân tán trong nƣớc vì vậy để làm sạch và phân loại hạt của nó có thể sử dụng phƣơng pháp làm vẩn đục rồi lắng lọc. Cũng nhƣ các chất độn hoạt tính vô cơ khác cao lanh hấp phụ rất tốt các xúc tiến lƣu hoá, các chất phòng lão vì vậy khi thành lập đơn pha chế cho các hợp phần cao su có chứa cao lanh cần phải tính đến phần các chất phối hợp vì lƣợng hấp phụ vào nó.
Với hàm lƣợng khoảng 20 ÷ 30 PKL trong hợp phần cao su cao lanh cũng có tác dụng tăng cƣờng lực. Với sự có mặt của cao lanh trong hợp phần một số tính chất nhƣ ứng suất kéo đứt, độ cứng vật liệu và khả năng chịu mài mòn của vật liệu đều tốt hơn. Cao lanh cũng làm chỉ số cách điện, mức độ chịu dầu, chịu tác dụng các dung môi hữu cơ, tăng độ bền chịu axit của vật liệu. Tuy nhiên vì cao lanh có cấu trúc đẳng hƣớng nên độ bền xé rách của hợp phần có chứa cao lanh bị suy giảm. Ngoài chức năng làm chất độn cho cao su thì cao lanh có thể sử dụng làm chất chống dính cho cao su.
Bentonit – mica thiên nhiên – nhôm silicat có cấu tạo hoá học và cấu trúc hạt khác với cao lanh. Các hạt mica thiên nhiên (Al2O3. 4SiO2. 2H2O) cấu tạo từ những tấm mỏng (dạng vảy cá) xếp chồng lên nhau. Khoảng cách giữa chúng khoảng 0,1μm. Khi có tác dụng của nƣớc các hạt bentonit tách ra thành từng tấm mỏng. Các tấm mỏng sắp xếp lại với nhau thành các chuỗi. Cấu trúc chuỗi của bentonit có tác dụng chống lắng tách các chất phối hợp trong hỗn hợp mủ cao su vì vậy bentonit đƣợc sử dụng rộng rãi trong mủ cao su. Cũng giống cao lanh và silic đioxit bentonit có khả năng hấp phụ các hợp chất xúc
Trƣờng ĐH Sƣ phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp
tiến lƣu hoá và các chất phòng lão vì vậy khi thành lập đơn pha chế cho các hợp phần cao su có chứa bentonit cần phải tăng hàm lƣợng này lên từ 20 – 50% so với hàm lƣợng dùng trong cao su – than hoạt tính.
Barit - quặng barit thiên nhiên là BaSO4 có chứa các tạp chất hoá học khác. Khối lƣợng riêng bột barit từ 2500 – 2600 kg/m3. Trong công nghiệp gia công cao su barit đƣợc sử dụng là chất độn trơ cho các hợp phần cao su chịu tác dụng của các axit vô cơ và kiềm vô cơ. Barit tinh khiết có hàm lƣợng BaSO4 lớn hơn 95% đƣợc sử dụng làm chất độn tăng cƣờng cho các hợp phần cao su. BaSO4 tạo cho cao su lƣu hoá có độ bền chống xé rách lớn. Hàm lƣợng dùng tối ƣu trong đơn pha chế là 20 PKL.
Thạch cao: là quặng phổ biến trong thiên nhiên có cấu tạo chủ yếu từ CaSO4.2H2O. Khi đun nóng đến 1300C thạch cao chuyển sang dạng 2CaSO4.2H2O và đến 2000C tạo thành CaSO4. Trong công nghệ gia công cao su sử dụng thạch cao với khối lƣợng riêng từ 2200kg/m3 – 2400kg/m3 làm chất độn trơ, giảm giá thành sản phẩm. Thạch cao dễ dàng hút ẩm trong quá trình bảo quản và sử dụng nên hợp phần cao su có thạch cao làm chất độn dễ bị xốp do quá trình tạo bọt khí lƣu hoá.
Bột takl – Mangiê silicat có công thức cấu tạo là: 3MgO.4SiO2.H2O. Bột talk dùng làm chất độn chịu nhiệt cho cao su và tăng khả năng cách điện của cao su. Cấu trúc hình kim của bột talk tạo cho cao su lƣu hoá có tính chất không đồng đều theo chiều thành hình sản phẩm và chiều vuông góc với nó. Ngoài khả năng làm chất độn cho cao su bột talk còn đƣợc sử dụng làm chất chống dính cho bán thành phẩm.
Tăng cường lực cho CSTN bằng than hoạt tính
Trƣờng ĐH Sƣ phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp
công nghệ gia công cao su. Sự có mặt của than hoạt tính trong hợp phần cao su với hàm lƣợng cần thiết làm tăng các tính chất cơ lý của cao su: giới hạn bền kéo đứt, xé rách, khả năng chống mài mòn của hợp phần, độ cứng của vật liệu, modun đàn hồi của vật liệu,… Nói chung các tính năng kĩ thuật của vật liệu đều đƣợc tăng lên.
Lần đầu tiên than hoạt tính công nghiệp đƣợc sản xuất ở Mỹ là than máng dựa trên bằng sáng chế của Joa.Mac-Nate năm 1892. Sau đó, sản lƣợng than hoạt tính công nghiệp ở Mỹ tăng lên rất nhanh. Ngày nay, ở Mỹ chủ yếu sản xuất 3 loại than hoạt tính: than lò, than nhiệt phân và than máng.
Ở Nga thì than hoạt tính đƣợc sản xuất và sử dụng trong công nghiệp gia công cao su muộn hơn. Năm 1918, than hoạt tính đƣợc sử dụng làm chất độn tăng cƣờng cho cao su mặt lốp ôtô, máy bay, xe đạp, xe máy,… Ở Nga sự phân loại than hoạt tính dựa vào phƣơng pháp sản xuất nguyên liệu ban đầu. Chữ đầu tiên của ký hiệu than hoạt tính là phƣơng pháp sản xuất (D- khuyếch tán, P-lò, T-nhiệt phân). Một hoặc hai chữ tiếp theo là nguyên liệu đƣa vào sản xuất (M-nguyên liệu lỏng, dầu mỡ, G-khí đốt, MG-hỗn hợp hai nguyên liệu). Chữ số sau cùng của kí hiệu là mức độ phân tán của than đƣợc đánh giá qua thông số bề mặt riêng [m2/g] và đƣợc xác định bằng phƣơng pháp thẩm thấu dầu.
Ngoài các cách phân loại trên, ngƣời ta còn phân loại theo tính năng tác dụng và lĩnh vực sử dụng của chúng. Tuy có sự phân loại đa dạng nhƣng chúng đều có các đặc trƣng quan trọng chung quyết định đến khả năng tăng cƣờng lực cho polyme nói chung và cao su nói riêng đó là: cấu tạo hoá học, độ phân tán của than, cấu trúc và khối lƣợng riêng của nó.
Phân tích cấu tạo của than hoạt tính bằng tia Rơnghen cho thấy các hạt than hoạt tính có cấu trúc mạng phẳng cấu tạo từ các vòng cacbon (vị trí sắp xếp
Trƣờng ĐH Sƣ phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp
các nguyên tử cacbon trong vòng giống vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong benzen). Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng các liên kết hoá học. Khoảng 3 – 7 mạng cacbon phẳng nhƣ vậy sắp xếp thành từng lớp nhƣng các lớp không chồng khít và chính xác lên nhau mà các nguyên tử cacbon các mạng khác nhau nằm lệch nhau tạo thành các tinh thể sơ khai của than hoạt tính. Trong mỗi tinh thể sơ khai của than hoạt tính chứa khoảng 100 – 200 nguyên tử cacbon. Các tinh thể sơ khai sắp xếp tự do và liên kết với nhau để tạo thành các hạt than đầu tiên.
Trong quá trình sản xuất có sự va chạm, khuấy trộn các hạt than sơ khai thƣờng có cấu trúc khối cầu hoặc gần với khối cầu. Các khối cầu nằm bên nhau trong hỗn hợp phản ứng lại liên kết với nhau làm tăng kích thƣớc của hạt để giảm năng lƣợng tự do bề mặt và tạo thành các chuỗi. Hình dạng và kích thƣớc các chuỗi phụ thuộc vào tính chất của từng loại than. Các chuỗi và hạt than nhƣ vậy đƣợc gọi là cấu trúc bậc nhất của than hoạt tính. Trong các tinh thể khối của than hoạt tính các nguyên tử cacbon nằm ở mặt ngoài (nguyên tử cacbon cạnh hoặc mép) có mức độ hoạt động lớn và vì vậy nó là các trung tâm của quá trình oxi hoá tạo cho bề mặt than hoạt tính hàng loạt các nhóm hoạt động hoá học khác nhƣ nhóm hiđroxyl, cacbonyl, cacboxyl, xeton,…
Ngoài cacbon, trong thành phần hoá học của than hoạt tính cùng với nguyên liệu đầu và trong quá trình oxi hoá. Sự có mặt của các hợp chất có chứa oxi trên bề mặt than hoạt tính đƣợc chứng minh bằng phản ứng axit huyền phù trong nƣớc của than hoạt tính. Sự có mặt của các chất khoáng trong than hoạt tính cho phản ứng kiềm yếu. Sự có mặt của các nhóm phân cực trên bề mặt than hoạt tính là yếu tố quan trọng quyết định khả năng tác dụng hóa học, lý học của than hoạt tính với các nhóm phân cực, các liên kết
Trƣờng ĐH Sƣ phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp
đôi có trong mạch đại phân tử. Dựa vào các thành phần nguyên tố hóa học của than hoạt tính có thể chọn một loại than hoạt tính thích hợp cho từng loại cao su để đạt đƣợc lực tác dụng giữa than và mạch cao su lớn nhất. Tuy nhiên, để tăng cƣờng tính chất cơ lý của vật liệu thì yếu tố quan trọng lại là các đặc trƣng kĩ thuật của than mà một trong các đặc trƣng quan trọng đó là Độ phân tán, cấu trúc và khối lƣợng riêng của than.
Nghiên cứu quá trình tăng cƣờng lực polyme bằng các chất độn hoạt tính nhƣ: than hoạt tính, silic đioxit,… G.Kraus và G.Rener đã đi đến kết luận: giữa polyme và than hoạt tính có nhiều loại tác dụng - lực Van der Waals, lực liên kết hiđro và trong nhiều trƣờng hợp giữa polyme và than hoạt tính xuất hiện những liên kết hoá học đảm bảo cho hợp phần cao su – than hoạt tính có độ bền cơ học cao. Sự có mặt những ái lực giữa hai loại vật liệu này giữ vai trò quan trọng trong quá trình tăng cƣờng lực. Hiệu quả tăng cƣờng lực cao su bằng than hoạt tính có thể xác định bằng cách xác định và biện luận tính chất cơ lý của cao su độn.
Tăng cường tính chất cơ lý cho CSTN bằng các hợp chất hữu cơ
Trong kĩ thuật gia công cao su nhằm tăng cƣờng tính chất cơ lý của hợp phần cao su không những chỉ sử dụng các chất độn hoạt tính có nguồn gốc vô cơ và than hoạt tính mà còn sử dụng các loại chất độn có nguồn gốc hữu cơ. Các loại độn hữu cơ cho hợp phần cao su đƣợc chia làm 2 loại chính: loại độn hữu cơ không hoạt tính và loại độn hữu cơ hoạt tính.
Các chất độn hữu cơ hoạt tính hay chất độn hữu cơ tăng cƣờng là các chất hữu cơ với kích thƣớc hạt nhỏ khi đƣa nó vào thành phần của hợp phần cao su các tính chất cơ lý của cao su tốt hơn. Trong số các chất độn hữu cơ tăng cƣờng đƣợc sử dụng rộng rãi nhất là nhựa phenol focmandehit, amino focmandehit, các loại nhựa có nguồn gốc từ động vật sống, ligin và keo vinyl.
Trƣờng ĐH Sƣ phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp PHẦN 2
CHƢƠNG TRÌNH, VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU