3.1. Đơn phối liệu
Blend của cao su thiên nhiên và cao su EPDM (CSTN/EPDM) được chọn tỉ lệ
phối trộn CSTN/EPDM là 50/50. Trên cơ sởđó thành lập đơn phối liệu cho blend
Bảng 2.2. Đơn phối liệu cho blend CSTN/EPDM 50/50
STT Hóa chất Tỉ lệ, PKL
1 Cao su thiên nhiên, SVR20 50
2 Cao su EPDM 50 3 Dithiodimorpholine (DTDM) Thay đổi 4 Than 40 5 Dầu công nghệ 6 6 ZnO 5 7 Axit stearic 1 8 Phòng lão RD 0,5 9 Xúc tiến DM 1 10 Xúc tiến TMTD 1,5 11 Xúc tiến EZ 0,8 12 Lưu huỳnh 0,5
Trên cơ sởđơn phối liệu của blend, thành lập 2 qui trình cán luyện như sau:
3.2.. Qui trình 1: Trộn hợp trực tiếp
Cao su EPDM được biến tính với hàm lượng DTDM 0,5pkl trên máy trộn kín Brabender ở tốc độ trộn 40 vòng/phút. Điều kiện biến tính được khảo sát là 1450C và thời gian 5 phút.
Quá trình biến tính trên máy trộn kín brabender như sau: từ 0÷1 phút 30 giây cho cao su EPDM, tới 1 phút 30 giây cho DTDM và trộn tiếp tục đến khi thời gian biến tính kết thúc.
Sau khi biến tính, cao su EPDM được phối trộn với CSTN trên máy trộn kín Brabender, sau đó cho từ từ các hóa chất vào. Sau đây là sơđồ mô tả qui trình trộn hợp trực tiếp:
Hình 2.1. Sơđồ qui trình tạo Blend trực tiếp
3.3. Qui trình 2: Trộn hợp từng Masterbatch riêng biệt
Ở qui trình này chế tạo từng loại cao su riêng biệt (masterbatch) sau đó mới trộn hợp vào nhau.
3.3.1. Quy trình cán luyện cao su thiên nhiên (Masterbatch 1- M1)
Cao su thiên nhiên được trộn hợp với các hợp phần trên máy cán hai trục, tỉ
Bảng 2.3. Đơn phối liệu cho cao su thiên nhiên
STT Hóa chất Tỉ lệ, pkl
1 Cao su thiên nhiên 100
2 Than N330 40 3 Dầu công nghệ 6 4 ZnO 5 5 Axit stearic 1 6 Phòng lão RD 0,8 7 Xúc tiến DM 1 8 Xúc tiến TMTD 1,5 9 Xúc tiến EZ 0,8
Quy trình: CSTN được sơ luyện (cắt mạch và hóa dẻo) trên máy cán hai trục trong khoảng thời gian 5 phút, khoảng cách giữa hai trục giảm dần, trục cán được làm mát bằng nước. Sau khi sơ luyện, tiến hành nới rộng khe trục. Cho cao su vào bao trục trước, và tiến hành cho hóa chất theo thứ tự: phòng lão RD, ZnO, axit stearic, than và dầu, các xúc tiến DM, EZ, TMTD. Sau đó xuất tấm cao su 3mm và
được đặt trên tấm vải sạch.
3.3.2. Quy trình phối trộn cho cao su EPDM (Masterbath 2- M2)
Bảng 2.4. Đơn phối liệu cho cao su EPDM STT Tên phối liệu Tỉ lệ, Pkl 1 Cao su EPDM 100 2 Dithiodimorpholine (DTDM) 0; 0,3 ;0,5 ;0,7;1 3 Than N330 40 4 Dầu công nghệ 6 5 ZnO 5 6 Axit stearic 1 7 Xúc tiến DM 1 8 Xúc tiến TMTD 1,5 9 Xúc tiến EZ 0,8
Cao su EPDM được biến tính với hàm lượng DTDM khác nhau trên máy trộn kín Brabender ở tốc độ trộn 40 vòng/phút. Điều kiện biến tính được khảo sát trong khoảng nhiệt độ và thời gian nhất định.
Quá trình biến tính trên máy trộn kín brabender như sau: từ 0÷1 phút 30 giây cho cao su EPDM, tới 1 phút 30 giây cho DTDM và trộn tiếp tục đến khi thời gian biến tính kết thúc.
Sau khi biến tính, cao su EPDM được trộn hợp với các hợp phần khác trên máy trộn kín Brabender, đưa lần lượt cao su EPDM đã biến tính, sau đó cho axit stearic, ZnO, than N330 và dầu công nghệ, xúc tiến DM, xúc tiến EZ, xúc tiến TMTD.
Quy trình cán luyện riêng cho CSTN và EPDM và tạo blend được mô tả theo sơđồ sau:
Hình 2.2. Sơđồ qui trình tạo Blend theo từng Masterbatch
3.3.3. Tạo blend CSTN/EPDM 50/50
Masterbach của cao su thiên nhiên (M1) và của cao su EPDM (M2) được trộn hợp với nhau theo tỉ lệ CSTN/EPDM 50/50 trên máy trộn barbender. Quá trình trộn hợp được mô tả như sau: masterbach của cao su thiên nhiên và của cao su EPDM
được cân theo tỉ lệ CSTN/EPDM 50/50, cho masterbach của cao su thiên nhiên và của cao su EPDM vào buồng trộn cùng lúc trong khoảng thời gian 1 phút 30 giây, quá trình trộn hợp sẽ tiếp tục cho đến thời gian 3 phút thì dừng.
Sau đó mẫu vật liệu blend CSTN/EPDM được đem đi trộn hợp với lưu huỳnh trên máy cán hở hai trục, tỉ tốc 1,1 trong khoảng thời gian 5 phút. Hai trục được làm mát bằng nước. Xuất tấm dày 3mm và đem gia công trên máy ép thủy lực với chế độ công nghệ nhất định.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN I. KHẢO SÁT ĐIỀU KIỆN LƯU HÓA CỦA CAO SU TỰ NHIÊN
Cao su thiên nhiên được chuẩn bị theo đơn, sau đó tiến hành cán luyện trên máy cán hai trục, xuất tấm và lưu hóa trong khoảng nhiệt độ từ 1350C-1450C và thời gian từ 4 phút đến 10 phút. Kết quả khảo sát như bảng sau:
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của điều kiện lưu hóa của CSTN đến độ bền kéo
t0C,tg 4 phút 6 phút 8 phút 10 phút
1350C 18.38 18.56 16.97 16.08
1400C 18.21 17.43 16.23
1450C 17.83 16.85
Từ bảng tổng hợp trên thấy điều kiện lưu hóa tốt nhất là nhiệt độ 1350C thời gian lưu hóa tối ưu của CSTN khoảng 6 phút. Sau đây là biểu đồ mô tảảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian lưu hóa đến độ bền kéo của cao su thiên nhiên.
Hình 3.1. Biểu đồ mô tảảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến độ bền kéo của cao su thiên nhiên
II. KHẢO SÁT ĐIỀU KIỆN LƯU HÓA CỦA CAO SU EPDM
Cao su EPDM được chuẩn bị theo đơn, được trộn hợp trên máy luyện kín và máy cán hai trục, sau đó xuất tấm và lưu hóa trong khoảng nhiệt độ từ 1350C-1450C và thời gian từ 4 phút đến 15 phút. Kết quảđược đưa ra trong bảng 3.2:
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của điều kiện lưu hóa của cao su EPDM đến độ bền kéo
t0C,tg 4 phút 6 phút 10 phút 13 phút 15 phút
1350C 4,61 6,12 7,48 8,37 7,19
1400C 5,72 6,28 7,01 8,02
1450C 4,79 4,93
Trong điều kiện khảo sát, cao su EPDM có độ bền kéo cao nhất (8,37MPa)tại nhiệt độ lưu hóa là 1350C và thời gian là 13 phút.
Qua bảng 3.1 và 3.2 thấy rằng tốc độ lưu hóa của CSTN lớn hơn EPDM ở
cùng nhiệt độ 135oC. Mặc dù có sự khác biệt về tốc độ lưu hóa nhưng nhiệt độ
135oC được chọn để lưu hóa cho blend EPDM/CSTN.
III. CHẾ TẠO BLEND
1. Chế tạo blend theo qui trình trộn hợp trực tiếp
Từđơn phối liệu và qui trình đã xác định ở trên tiến hành chế tạo blend, thử
nghiệm các tính chất cơ lý, kết quảđược trình bày trong bảng 3.3:
Bảng 3.3. Kết quả của quá trình tạo blend theo qui trình trộn hợp trực tiếp
Mẫu Độ bền kéo, MPa Modul 300%, MPa Độ dãn dài khi đứt, mm Độ cứng, shore A M 4,44 0,587 198,96 47 Từ kết quả trên nhận thấy các tính chất cơ lý của blend rất kém, độ bền kéo thậm chí còn nhỏ hơn của EPDM. Điều này có thể giải thích là do trong quá trình hỗn luyện trực tiếp, các hóa chất lưu hóa sẽ khuếch tán chủ yếu vào cao su tự nhiên do đó làm giảm khả năng lưu hóa của cao su EPDM, dẫn đến sự suy giảm tính chất
chung của cả hệ thống. Để tăng khả năng khuếch tán của các hóa chất vào EPDM, EPDM và CSTN được hỗn luyện riêng biệt trước khi tạo blend (cross blending).
2. Chế tạo blend theo qui trình từng masterbatch riêng biệt
2.1. Ảnh hưởng của điều kiện biến tính EPDM đến tính chất blend 2.1.1. Xác định điều kiện biến tính 2.1.1. Xác định điều kiện biến tính
Cao su EPDM được biến tính với DTDM 0,7pkl trên máy trộn kín Brabender, với các thông số công nghệ trong bảng 3.4.
Bảng 3.4. Điều kiện khảo sát biến tính của hai loại EPDM EPDM 4640 EPDM 7500 - Nhiệt độ biến tính 1250C ÷ 1500C - Thời gian biến tính 3 phút 30 giây ÷ 7 phút 30 giây - Tốc độ 40 vòng/phút - Nhiệt độ biến tính 1400C ÷ 1650C - Thời gian biến tính 3÷ 7 phút 30 giây - Tốc độ 40 vòng/phút
Đường cong mô tả quan hệ giữa thời gian và mômen xoắn trong buồng trộn
được xác định ở hình 3.2 và 3.3 khi biến tính EPDM
Hình 3.3. Biểu đồ mô tả quá trình biến tính EPDM 7500
Trong quá trình biến tính, xảy ra phản ứng của DTDM với cao su EPDM như
mô tảở hình 3.4 sau:
Hình 3.4. Sơđồ phản ứng của EPDM với DTDM [16]
Cao su EPDM sau khi biến tính, được trộn hợp với các hợp phần khác trên máy trộn kín Brabender với chếđộ công nghệ như sau:
Bảng 3.5. Chếđộ công nghệ khi trộn hợp các hóa chất của 2 loại cao su
EPDM 4640 EPDM 7500 - Tốc độ trục quay là 40 vòng/phút - Nhiệt độ 900C - Thời gian 6 phút 30 giây - Tốc độ trục quay là 40 vòng/phút - Nhiệt độ 1000C - Thời gian 6 phút 30 giây
Hình 3.5 và 3.6 mô tả quá trình trộn hợp hóa chất vào EPDM đã biến tính
Hình 3.5. Momen xoắn của quá trình hỗn luyện EPDM 4640 - 0,7 DTDM
Hình 3.6. Momen xoắn của quá trình hỗn luyện EPDM 7500 - 0,7 DTDM
Biểu đồ mô tả sự phụ thuộc của momen xoắn và nhiệt độ vào thời gian của quá trình phối trộn hóa chất cho cao su EPDM không biến tính (hình 3.7 và 3.8)
Hình 3.7. Momen xoắn của quá trình hỗn luyện EPDM 4640 không biến tính
Hình 3.9. Sơđồ phản ứng của EPDM đã biến tính với chất xúc tiến
Để khảo sát ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và thời gian biến tính đến tính chất của blend cũng như sự tương tác giữa hai yếu tố này đã sử dụng qui hoạch thực nghiệm. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của điều kiện biến tính EPDM tới độ bền kéo của blend được chỉ ra trong bảng 3.6. sau:
z Đối với EPDM 4640:
Bảng 3.6. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian biến tính
Nhiệt độ và thời gian
biến tính 3 phút 30 giây 5 phút 30 giây 7 phút 30 giây
1250C - 6,18 8,95
1350C 6,76 9,18 9,50
1400C 8,44 10,77 10,13
1450C 9,40 10,26 11,41
1500C 10,00 9,29 9,11
Hình 3.10. Biểu đồ mô tả sựảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian biến tính EPDM 4640 tới độ bền kéo của blend
Hình 3.11. Mối quan hệ của nhiệt độ và thời gian biến tính EPDM 4640
Với kết quả của độ bền kéo, quy hoạch thực nghiệm, đã chỉ ra được ảnh hưởng của nhiệt độ, ảnh hưởng của thời gian biến tính EPDM tới tính chất của blend CSTN/EPDM. Cũng từ quy hoạch thực nghiệm nhận thấy sự tương tác và ảnh hưởng lẫn nhau giữa thời gian biến tính và nhiệt độ biến tính EPDM.
Từ kết quả trên nhận thấy khi nhiệt độ, thời gian biến tính tăng thì độ bền kéo của blend tăng (1450C). Tuy nhiên ở nhiệt độ 1500C thì độ bền kéo lại giảm điều này có thể giải thích tại nhiệt độ cao và thời gian lưu hóa dài có sự tương tác giữa nhiệt độ và thời gian biến tính làm cho tính chất của cao su EPDM suy giảm, dẫn tới tính chất của blend giảm.
Qua đó, xác định được điều kiện biến tính EPDM với DTDM tối ưu trong khoảng nhiệt độ từ 1400C đến 1450C, và thời gian từ 5 phút 30 giây đến 7 phút 30 giây.
z Đối với EPDM 7500
Bảng 3.7. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian biến tính
t0,tg 3 phút 3 phút 30 giây 4 phút 30 giây 5 phút 30 giây 7 phút 30 giây
1400C 7.21 7.42 7.95 8.55 9.43 1450C 7.32 7.85 8.34 8.59 9.51 1500C 8.59 9.78 10.28 10.53 9.45 1550C 9.27 10.23 10.15 9.02 8.09 1600C 10.81 12.71 12.23 8.74 7.35 1650C 11.78 12.09 11.51 8.25 -
Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc của độ bền kéo tới nhiệt độ và thời gian biến tính của cao su EPDM như sau:
Hình 3.12. Biểu đồ mô tả sựảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian biến tính EPDM 7500 đến độ bền kéo của blend
Hình 3.13. Mối quan hệ của nhiệt độ và thời gian biến tính EPDM 7500 ảnh hưởng tới độ bền kéo của blend CSTN/EPDM
Từ bảng số liệu và biểu đồ, nhận thấy khi nhiệt độ biến tính tăng 1400C đến 1450C thì độ bền kéo tăng. Ở 1500C, thời gian biến tính từ 3 phút đến 5 phút 30 giây thì độ bền kéo tăng đến 10,53MPa. Nhiệt độ 1550C đến 1600C, độ bền kéo cao nhất (12,23 MPa) ở thời gian biến tính 4 phút 30 giây. Tại nhiệt độ 1650C, độ bền kéo cao nhất (12,09 MPa), ở thời gian biết tính là 3 phút 30 giây.
Vậy từ bảng số liệu và biểu đồ, điều kiện biến tính tối ưu: nhiệt độ từ 1600C
đến 1650C và thời gian từ 3 phút 30 giây đến 4 phút 30 giây.
Từ kết quả trên nhận thấy điều kiện biến tính của EPDM 7500 khó khăn hơn
điều kiện biến tính của EPDM 4640. Cụ thể ở EPDM 4640 điều kiện biến tính tối
ưu trong khoảng nhiệt độ từ 1400C đến 1450C, và thời gian từ 5 phút 30 giây đến 7 phút 30 giây.
Đối với EPDM 7500 điều kiện biến tính tối ưu là nhiệt độ từ 1600C đến 1650C và thời gian từ 3 phút 30 giây đến 4 phút 30 giây.
2.1.2. Xác định điều kiện lưu hóa của blend (EPDM 7500)
Sau khi xác định được điều kiện biến tính chọn điều kiện biến tính với thời gian 3 phút 30 giây và nhiệt độ biến tính là 1600C, để xác định điều kiện lưu hóa của blend. Kết quả xác định điều kiện lưu hóa cho trong bảng sau:
Bảng 3.8. Nhiệt độ và thời gian lưu hóa ảnh hưởng đến tính chất của blend
t0C,tg 4 phút 6 phút 10 phút 15 phút 1350C 13.40 13.67 14.51 12.58 1400C 14.18 13.53 13.21 11.51 1450C 13.35 13.21 12.54 11.27 1500C 12.88 12.81 10.82 10.45 1550C 12.32 12.14 Và biểu đồ như sau:
Hình 3.14. Biểu đồ xác định nhiệt độ và thời gian lưu hóa (EPDM 7500)
Từ kết quả trên nhận thấy nhiệt độ lưu hóa từ 1350C đến 1450C và thời gian lưu hóa từ 4 phút đến 6 phút thì độ bền kéo là tăng. Đặc biệt tại nhiệt độ 1350C và thời gian lưu hóa là 10 phút độ bền kéo cao nhất là 14.51 MPa. Điều kiện này nhận thấy gần giống điều kiện lưu hóa của cao su tự nhiên.
Vậy điều kiện lưu hóa tối ưu của blend là 1350C đến 1450C và thời gian lưu hóa từ 4 phút đến 6 phút.
2.1.3. Xác định điều kiện lưu hóa khi biến tính cho chất hóa dẻo EPDM 7500
Tuy nhiên trong khoảng nhiệt độ biến tính từ1600C đến 1650C quá trình biến tính và cho các hợp phần khác khó khăn. Mặt khác nhận thấy, mẫu vật liệu trong quá trình cho lưu huỳnh vào cũng khó cán luyện.
Chính vì vậy mà nhóm nghiên cứu cho thêm chất hóa dẻo (bằng 0,25pkl so với EPDM) vào quá trình biến tính, kết quả như sau:
Bảng 3.9. Nhiệt độ và thời gian lưu hóa khi biến tính cho chất hóa dẻo t0C, tg 4 phút 6 phút 10 phút 15 phút 1350C 15.36 13.75 12.64 10.77 1400C 14.91 13.5 11.21 - 1450C 14.67 12.82 10.23 10.19 1500C 13.22 12.61 10.02 - 1550C 11.32 10.86 - - Và biểu đồ:
Hình 3.15. Biểu đồ xác định nhiệt độ và thời gian lưu hóa khi cho chất hóa dẻo
Từ bảng số liệu và biểu đồ nhận thấy rõ ràng khi cho thêm chất hóa dẻo vào quá trình biến tính làm cho quá trình gia công chế tạo dễ dàng hơn. Hơn nữa điều nhận thấy độ bền kéo của vật liệu tăng lên. Điều này có thể giải thích là: Khi cho chất hóa dẻo vào quá trình biến tính do chất hóa dẻo là phân tử thấp dễ dàng phân bố vào phân tử EPDM làm cho EPDM mềm dẻo hơn dẫn đến dễ gia công hơn.