1.5.1. Cao su Izopren
Cao su izopren nhận được trong phản ứng trùng hợp 2–metylbutadien 1-3 trong pha khí hoặc trong dung dịch cacbua hydro no với sự có mặt của xúc tác Li hoặc hệ xúc tác (TiCl4 và AlR3). Phụ thuộc vào tỷ lệ alkyl nhôm và tetra clorua titan, các gốc alkyl khác nhau cho ra các loại cao su izopren khác nhau. Cao su izopren có mạch chính được cấu tạo từ 94% ÷ 98% các mắt xích ở 1,4 cis izopren.
32 C C H CH2 H3C CH2 C C H CH2 H3C CH2
Mạch chính mạch đại phân tử của cao su izopren có cấu tạo gần giống với cấu tạo mạch chính mạch phân tử của cao su thiên nhiên nên cao su izopren có tính chất công nghệ và tính chất cơ lý tương đương với các tính chất của cao su thiên nhiên. Hàm lượng các mắt xích không no trong mạch đại phân tử của cao su izopren lớn (94 ÷ 98%) nên cao su izopren có khả năng lưu hóa bằng hệ thống lưu hóa thông thường (lưu huỳnh và xúc tiến lưu hóa). Nhiệt độ lưu hóa là 1450C ÷ 1550C.
Cao su izopren là cao su không phân cực nên nó có khả năng trộn hợp với tất cả các loại cao su không phân cực khác: cao su thiên nhiên, cao su butadien, cao su butyl. Tính chất của vật liệu trộn hợp này thường có nhiều ưu điểm hơn các loại cao su riêng biệt vì tổ hợp trộn hợp khắc phục được những nhược điểm của mỗi loại cao su. Các loại nhựa tổng hợp phân cực hay không phân cực như PS, PVC, PE, nhựa phenol formandehit trộn hợp với cao su izopren với hàm lượng rất nhỏ.
Lĩnh vực sử dụng chủ yếu của cao su izopren là sản xuất các mặt hàng dân dụng làm việc trong môi trường khí quyển không có dầu. Cao su izopren ở các vùng ôn đới được sử dụng làm vật liệu thay thế cho cao su thiên nhiên để sản xuất săm lốp ôtô, mô tô, xe đạp và các sản phẩm công nghiệp khác. Cao su izopren là cao su tổng hợp nên trong thành phần hoá học của nó có chứa một hàm lượng độc tố (do xúc tác và chất nhũ hóa để lại) lớn hơn trong cao su thiên nhiên. Vì vậy, cao su izopren ít được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm.
1.5.2. Cao su Butadien
Cao su butadien được trùng hợp từ 1,3 divinyl trong dung dịch.
C C H CH2 H CH2 C C H CH2 H CH2
Để sản xuất cao su butadien dạng dung dịch, ở một số nước công nghiệp phát triển thường dùng hệ xúc tác cho quá trình trùng hợp là các hợp chất Liti hữu cơ (C4H9Li). Cao su butadien nhận được khi sử dụng hệ xúc tác này chứa 50% các mắt
33
xích ở trạng thái đồng phân 1,4 cis và khoảng 50% các mắt xích ở trạng thái đồng phân 1,4 trans. Cao su butadien được tổng hợp trên cơ sở hệ xúc tác liti hữu cơ có tính chất công nghệ tồi nhất trong các loại cao su tổng hợp. Độ cứng của cao su sống và độ cứng hỗn hợp cao su sống rất cao cản trở các quá trình chế biến và gia công ra sản phẩm. Cao su butadien là cao su dân dụng, có cấu trúc không gian điều hòa. Khối lượng phân tử trung bình từ 70000 đến 280000. Độ bền kéo đứt của cao su butadien nhỏ hơn độ bền kéo đứt của cao su izopren. Cao su butadien có độ cứng tương đối, khả năng chống mài mòn cơ học cao hơn cao su izopren nên từ cao su butadien thường được sản xuất các sản phẩm làm việc trong môi trường ma sát lớn, chịu tải trọng ép lớn. Cao su butadien thường được sử dụng để chế tạo ra mặt lốp ôtô, xe máy, băng truyền, băng tải, dây cu roa, ống bơm nước.
1.5.3. Cao su Butadien Styren
Cao su butadien styren là sản phẩm đồng trùng hợp của 1,3 divinyl với styren trong dung dịch cacbua hydro no với sự có mặt của liti hữu cơ. Cao su loại này có khả năng chống mài mòn, chống xé rách lớn hơn cao su butadien styren huyền phù. Cao su butadien có độ cứng lớn, khả năng chống mài mòn tốt nên trong công nghiệp sản xuất săm lốp ôtô cao su butadien styren thường được dùng làm mặt lốp. Trong công nghiệp hóa chất thường dùng cao su butadien styren để bọc lót các thiết bị chịu tác dụng ăn mòn của các axít, bazơ, và các loại muối.
Bảng 8: Đặc trưng kỹ thuật của cao su butadien styren
STT Đặc trưng kỹ thuật Phương pháp trùng hợp Dung dịch Huyền phù 1 Hàm lượng mắt xích 1,4 cis [%] 1,4 trans 12 34 57 9 12 73 15 2 Đặc trưng dải phân bố khối lượng phân tử Hẹp Rộng
3 Ứng suất kéo đứt 24 25
4 Modun 300% [Mpa] 8,8 7,8
34
6 Độ cứng [shore] 62 61
1.5.4. Cao su Butadien Nitryl
Cao su butadien nitryl là sản phẩm đồng trùng hợp của butadien 1,3 và acrylonitryl với sự có mặt của hệ xúc tác oxy hóa khử persunfat kali và trietanolamin. Khối lượng phân tử trung bình của cao su butadien nitryl dao động trong khoảng từ 200000 đến 3000000.
Cao su butadien nitryl là cao su phân cực lớn nên có khả năng trộn hợp với hầu hết các polyme phân cực, với các loại nhựa tổng hợp phân cực. Tổ hợp cao su butadien nitryl với nhựa phenol formandehit có rất nhiều tính chất quí giá: chịu nhiệt cao, chống xé rách tốt, bền với ozon, oxy và độ bền kết dính ngoại. Những tính chất đặc biệt quí giá này cùng với khả năng phân giải điện tích tích tụ ở vật liệu trong chuyển động ma sát đã mở rộng lĩnh vực sử dụng của cao su butadien nitryl. Cao su butadien nitryl có kiên kết không no trong mạch nên nó có khả năng lưu hóa bằng lưu huỳnh phối hợp với các loại xúc tiến lưu hóa thông dụng.
1.5.5. Cao su Clorpren
Cao su Clorpren là sản phẩm nhận được trong quá trình trùng hợp huyền phù clorpren hoặc trong quá trình đồng trùng hợp clorpren với một hàm lượng monome loại dien không lớn. cao su clorpren huyền phù được trùng hợp ở nhiệt độ 40 ± 20C và 6 ± 20C với sự có mặt của xúc tác oxy hóa persunfat kali. Sản phẩm nhận được trong quá trình trùng hợp được gọi là cao su clorpren nhiệt độ cao và cao su clorpren nhiệt độ thấp tương ứng.
Cao su clorpren còn có thể lưu hóa bằng amin bậc 2, phenol lưỡng chức và các hợp chất đa chức khác. Khác với các loại cao su mạch phân tử không no khác, cao su clorpren không lưu hóa bằng lưu huỳnh. Tính chất cơ lý của cao su clorpren không độn và có độn rất khác nhau.
Cao su clorpren là cao su phân cực lớn. Nguyên tử clo có khả năng che chắn các tác nhân tác dụng tốt nên clorpren là cao su chịu dầu, chịu tác dụng hóa học tốt. Độ bền trong môi trường dầu mỡ của cao su clorpren kém cao su nitryl. Tuy nhiên, trong các dung môi hữu cơ nhóm xeton, rượu…cao su clorpren chịu tốt hơn. Cao su
35
clorpren bền với tác dụng của các loại hóa chất như axít, bazơ, muối…nên trong công nghiệp cao su clorpren dùng để bọc lót thiết bị, chống ăn mòn tốt. Cao su clorpren có độ bền khí hậu lớn, khả năng phân tán điện tích tốt nên nó dùng để bọc cáp điện trong công nghiệp điện, điện tử.
1.5.6. Cao su Butyl
Cao su butyl là sản phẩm đồng trùng hợp của izobutylen, cacbua hydro loại dien (thường dùng là izopenten) với sự có mặt của xúc tác AlCl3 và các hợp chất cation hóa như nước, rượu, clorua hydro hoặc halogen alkyl… Cao su butyl có thể lưu hóa bằng lưu huỳnh và xúc tiến lưu hóa thông dụng vì trong mạch đại phân tử còn tồn tại các mắt xích dien không no. Tuy nhiên, vì hàm lượng các mắt xích dien không cao nên mật độ mạng lưới không gian được hình thành trong quá trình lưu hóa không đảm bảo tính chất cơ lý tối ưu của vật liệu. Ngoài lưu huỳnh cao su butyl còn được lưu hóa bằng các polysunfit hữu cơ, các hợp chất dinitro và nhựa alkyl phenol formandehit.
Cao su butyl được đặc trưng bằng độ bền nhiệt cao, trơ với tác dụng của ozon và các môi trường hoạt động hóa học khác. Khả năng chịu dầu, mỡ của cao su butyl rất yếu. Vì hàm lượng các liên kết không no trong mạch phân tử của cao su butyl rất nhỏ nên cao su butyl là vật liệu có độ thấm khí nhỏ trong các loại cao su.
Dựa vào những tính chất đặc trưng đặc biệt của cao su butyl, hợp phần trên cơ sở cao su butyl được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất săm, lốp ôtô, mô tô, xe đạp và các bao cao su chứa khí khác. Với khả năng chịu môi trường hóa học cao, chịu nhiệt cao, cao su butyl được sử dụng rộng rãi làm vật liệu bọc lót thiết bị chịu nhiệt, chịu tác dụng của axít, bazơ, muối trong công nghiệp hóa chất. Độ bền khí hậu của cao su butyl cao nên cao su butyl thường được sử dụng làm vật liệu bọc lót dây điện, phủ phết lên vải với mục đích sử dụng khác nhau.
Nhược điểm chính của cao su butyl là vận tốc lưu hóa quá nhỏ, không đồng lưu hóa với các loại cao su dân dụng khác và khả năng kết dính ngoại rất kém.
36
Cao su polysunfit hay thiocol là sản phẩm ngưng tụ của các polysunfit kim loại kiềm với dihalogen cacbua hydro, ete và một số hợp chất hữu cơ lưỡng chức khác. Sự tồn tại các nhóm phân cực ở đầu mạch đại phân tử cho phép thiocol khả năng lưu hóa bằng oxít kẽm, oxít magie và các oxít kim loại có hóa trị lớn hơn 2 khác. Nhiệt độ lưu hóa cao su thiocol từ 1350C đến 1450C. Cao su thiocol là cao su có mạch đại phân tử hoàn toàn no (không chứa liên kết không no) nên cao su thiocol có độ bền ánh sáng, ozon và khí hậu cao. Cao su thiocol ít trương trong benzen và trong các loại dầu mỡ. Khả năng chống thấm khí của cao su thiocol lớn hơn tất cả các loại cao su khác kể cả cao su butyl.
Nhược điểm chính của cao su thiocol là tính đàn hồi kém, chịu lạnh kém và khối lượng riêng cao. Lĩnh vực sử dụng cao su thiocol rắn là sản xuất ống bơm, joăng và các sản phẩm khác làm việc trong môi trường dầu mỡ. Với các tính chất cơ lý và tính chất công nghệ ưu việt: lưu hóa ở nhiệt độ thấp, không co ngót, bền với môi trường dầu mỡ…thiocol lỏng dùng để sản xuất matit trong các ngành công nghiệp và trong xây dựng.
1.5.8. Cao su Silicon
Cao su silicon là sản phẩm của quá trình ngưng tụ silandiol. Mạch phân tử của cao su silicon được cấu tạo từ các nguyên tử oxy và silic xếp xen kẽ nhau. Mỗi nguyên tử trong mạch đại phân tử liên kết với hai gốc hữu cơ
Si - O - Si R
R R
R n
Năng lượng liên kết Si – O trong mạch phân tử cao su silicon rất lớn (450KJ/mol) tạo cho cao su silicon có tính bền nhiệt cao. Cao su silicon là cao su có độ bền nhiệt cao nhất vì vậy ở Liên Xô cũ cao su silicon được kí hiệu là CKT (cao su tổng hợp bền nhiệt).
Tính chất bền nhiệt của cao su silicon còn phụ thuộc vào các gốc hữu cơ đính vào nguyên tử silic. Cao su silicon với các gốc hữu cơ là nhân thơm (phenyl…) có tính bền nhiệt cao nhất.
37
Liên kết Si – O trong mạch phân tử cao su silicon là liên kết phân cực lớn. Mặt khác do góc liên kết hóa trị của nguyên tử oxy lớn nên mạch phân tử cao su silicon có cấu trúc lò xo. Cao su silicon là cao su mềm dẻo nhất trong các loại cao su. Nhiệt độ thủy tinh hóa của cao su silicon là -1300C. Cao su silicon được sản xuất và phân loại theo gốc hữu cơ dính vào nguyên tử silic. Cao su silicon có khả năng hòa tan hạn chế vào axeton, dioxan và không hòa tan vào metanol, etanol, glicol và dimetyl ftalat.
Mặc dù có khối lượng phân tử rất lớn, cao su silicon có độ nhớt rất nhỏ. Hợp chất cao su silicon không độn có tính chất cơ lý không cao vì vậy để tăng cường tính chất cơ lý trong trường hợp phần cao su silicon được sử dụng các loại chất độn tăng cường SiO2 (đây là loại chất độn thích hợp nhất trong tất cả các loại chất độn cho cao su silicon).
Cao su silicon lưu hóa bằng các peroxit hữu cơ. Một vài loại cao su silicon có nhóm thế cacbua hydro không no có thể lưu hóa bằng lưu huỳnh. Tuy nhiên, khi sử dụng lưu huỳnh làm chất lưu hóa thì các liên kết –C – S – S – C – có năng lượng liên kết quá nhỏ nên độ bền nhiệt và các tính chất cơ lý khác của hợp phần cao su silicon không cao; hạn chế lĩnh vực sử dụng của cao su silicon trong các ngành công nghiệp. Cao su silicon hoàn toàn trơ dưới tác dụng của các môi trường oxy hóa mạnh như oxy, ozon…Cao su silicon không có khả năng chống thấm khí. Mức độ lọt khí qua cao su silicon lớn gấp 20 lần so với cao su thiên nhiên.
Cao su silicon không độc, không màu, không mùi nên hợp phần trên cơ sở cao su silicon được sử dụng để sản xuất các sản phẩm dùng trong công nghiệp thực phẩm, các ống dẫn máu, dẫn huyết thanh... trong y học. Cao su silicon không bền dưới tác dụng của dầu mỡ và các dung môi hữu cơ.
1.5.9. Cao su Uretan
Cao su uretan là sản phẩm của phản ứng hóa học giữa ete, este chứa hai nhóm hydroxyl hoạt tính ở 2 đầu đoạn mạch có khối lượng phân tử từ 1000 ÷ 5000 với diizoxianat.
38
Tính chất của các cao su uretan không gian phụ thuộc rất nhiều vào khối lượng phân tử và bản chất hóa học của polyeste. Khối lượng phân tử của polyeste nhỏ polyuretan nhận được có tính chất cơ lý, ngoại quan như nhựa nhiệt rắn.
Sản phẩm chế tạo từ polyuretan được đặc trưng bằng độ bền cơ học cao, khả năng chống mài mòn rất tốt. Độ bền mài mòn của cao su polyuretan lớn hơn độ bền mài mòn của các loại cao su khác.
Cao su uretan có nhiều nhược điểm: do cấu trúc không gian điều hòa và độ phân cực lớn nên độ cứng cao, mức độ biến dạng đàn hồi không lớn. Đặc biệt là cao su uretan có xu hướng bị thủy phân dưới tác dụng của nước nóng, cao su uretan không có khả năng phối trộn với các loại cao su khác. Sự có mặt của các chất độ trong polyuretan lỏng làm cản trở quá trình khâu mạch, làm giảm độ bền cơ học của vật liệu vì thế giá thành của sản phẩm từ polyuretan quá cao.
Bảng 9: Phân loại cao su và ứng dụng
Loại cao su Ứng dụng
Cao su thiên nhiên Lốp xe, dây đai, đệm cách không khí, cách ẩm;… Cao su Butyl Ống dẫn khí, đệm kín khí
Cao su Butadien Styren Đệm chịu dầu, mỡ, lô máy in
Cao su Butadien Nitryl Ống mềm, đệm chịu hóa chất, chịu dầu, cách điện. Cao su Clorpren Săm ô tô vận tải, ống chịu áp lực, vật liệu cách điện.
Để hiểu hơn về latex cao su thiên nhiên chúng ta đi xét xem thành phần và tính chất của latex cao su thiên nhiên ở phần ngay sau đây.
39
CHƯƠNG II: THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CỦA LATEX 2.1. Khái niệm
Latex là mủ cao su ở trạng thái phân tán nằm lơ lửng trong dung dịch chứa nhiều chất vô cơ và hữu cơ.
Hiện nay ta biết được latex được tạo ra trong hệ thống mạch latex độc lập với hệ thống mạch nhựa thông thường và chỉ biết ít về nguồn gốc sinh lý của nó. Các tác giả như Harries và Ditmar nghĩ rằng cao su là một chất sinh ra từ sự biến đổi của chất Glucid mà đặc biệt là các Pentosan. Qua cuộc khảo sát Prokofiev kết luận rằng sự tổng hợp cao su xảy ra trong mạch latex xuất phát từ hydratecarbon theo lược đồ như sau: Monosaccharid → aceton → acetaldehyde → isoprene → cao su.
Sau này, từ những cuộc khảo cứu về cây cao su Guayule và J.Bonner đặt giả thuyết là cao su thành lập theo tiến trình sau: acid acetic phản ứng với aceton tạo ra acid β-methylcrotonic, acid này tự ngưng tụ theo phản ứng khử cho ra chuỗi