Chương 1 : TỔNG QUAN
1.3. Một số vật liệu blend trờn cơ sở cao su thiờn nhiờn
Cao su thiờn nhiờn (CSTN) cú tớnh chất cơ lý tốt, nhưng khụng bền dầu mỡ, ngược lại cao su NBR chịu dầu tốt nhưng tớnh chất cơ lý kộm hơn nhiều so với CSTN, vỡ vậy để cải thiện khả năng bền dầu của CSTN cũng như tớnh chất của NBR người ta đó chế tạo blend từ hai loại cao su này [54].
Cỏc tớnh chất của blend khụng chỉ phụ thuộc vào thành phần của nú. Baker, Hallam và Smith [43], đó nghiờn cứu cỏc xu hướng trong quỏ trỡnh lưu hoỏ của blend cao su thiờn nhiờn và cao su nitril 41 cú sự thay đổi thành phần than đen cũng như ảnh hưởng của lưu huỳnh và xỳc tiến lưu hoỏ tới mật độ mạng của vật liệu. Độ bền kộo tối đa giảm theo thứ tự 80/20, 20/80, 60/40, 40/60 CSTN/NBR và hầu hết cỏc hỗn hợp là kộm hơn so với CSTN và NBR lưu hoỏ. Độ bền kộo thấp được giải thớch bởi sự khụng tương hợp giữa cỏc pha cao su và cũn bị ảnh hưởng bởi sự cắt mạch trong quỏ trỡnh trộn hợp, với tỷ lệ CSTN/NBR 80/20 cho độ bền xộ tốt nhất.
Baker và cộng sự cho rằng đối với những trường hợp khỏng dầu thụng thường chỉ cần tỷ lệ CSTN/NBR là 20/80. Trong một số điều kiện lưu hoỏ cao su NBR cú sự co rỳt nhẹ, với blend CSTN/NBR tỷ lệ 20/80 bị trương nhẹ trong dầu lại cú lợi thế trong ứng dụng bịt kớn [43].
Mặt khỏc cỏc tỏc giả Ahmad và Wheelans đó nghiờn cứu sự thay đổi trong tớnh chất lưu hoỏ của CSTN/NBR (41% acrylonitril) blend với cỏc tỷ lệ thành phần cao su thay đổi. Đó chứng minh được độ bền kộo và độ gión dài khi đứt của cỏc blend giảm mạnh khi đưa 10-20% NBR vào CSTN. Khi tỷ lệ này tăng lờn khoảng 70/30 đến 50/50 thỡ cú sự tăng độ bền kộo, khi tăng tỷ lệ này lờn thỡ độ bền kộo giảm trở lại. Điều này được Ahmad và Wheelans giải thớch, sở dĩ cú sự giảm độ bền kộo là do một trong hai cao su cú tỷ lệ chưa đủ lớn để phõn bố đồng nhất pha mà chỉ tạo ra những vựng phõn bố nhỏ giữa cỏc khoảng phõn bố lớn của một pha cao su khỏc, vụ hỡnh tạo nờn cỏc khuyết tật làm giảm độ kết tinh khi kộo của vật liệu [43].
Bohn [49] và Corish [53], đó cụng bố danh sỏch cỏc cặp polyme tương thớch và khụng tương thớch, dựa trờn sự khỏc biệt thụng số độ hũa tan giữa cỏc thành phần. Sự khỏc biệt giữa cỏc tham số khả năng hũa tan polyme tương thớch là luụn luụn nhỏ. Tuy nhiờn Bohn kết luận rằng cỏc thụng số độ hũa tan khụng đưa ra một
lý giải chớnh xỏc cho tương tỏc polyme. Theo danh sỏch được biờn soạn bởi Corish, cỏc thụng số độ tan của CSTN vào cao su NBR thấp nitril (20% AN) và cao nitril NBR (40% AN) là 8,25, 8,93 và 9,92 (cal.cm-3)1/2 tương ứng. Cỏc tham số khả năng hũa tan của NBR (45% AN) là 10,5 (cal.cm-3)1/2. Do đú một blend của CSTN với NBR nitril cao dường như khụng tốt bằng blend của CSTN và NBR nitril thấp.
Như đó đề cập ở trờn, thành phần (tỷ lệ pha trộn) ảnh hưởng đỏng kể đến cỏc tớnh chất cơ lý, chủ yếu là cỏc tớnh chất bền kộo. Sự thay đổi tớnh chất được khẳng định thờm thụng qua việc khảo sỏt sự thay đổi cấu trỳc cấu trỳc hỡnh thỏi của vật liệu blend. Cỏc tỏc giả Ahmad và Wheelans [43], đó nghiờn cứu về cấu trỳc hỡnh thỏi của hỗn hợp CSTN/NBR (41% AN) cho thấy sự tồn tại của pha liờn tục, đồng nhất trong blend 50/50 của CSTN/NBR.
Sự phõn bố pha của blend cũng chịu ảnh hưởng bởi quỏ trỡnh trộn hợp. Tokita cho rằng, việc thay đổi cụng cụ trộn hợp cũng ảnh hưởng đỏng kể (thay đổi từ mỏy trộn kớn sang mỏy cỏn 2 trục). Ngoài ra, nhiệt độ cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự thay đổi kớch thước pha, khi nhiệt độ tăng lờn cỏc polyme cú độ nhớt tương đương nhau thỡ dễ tạo thành hỗn hợp đồng nhất hơn [106].
Ahmad và Wheelans [43] đó nghiờn cứu ảnh hưởng của thời gian hỗn luyện và tốc độ rotor mỏy trộn lờn cấu trỳc hỡnh thỏi của blend CSTN/NBR (41% AN) 80/20 chưa lưu hoỏ, đó chỉ ra rằng việc tăng thời gian trộn trờn mỏy Banbury từ 3 đến 6 phỳt lờn 10 đến 20 phỳt, với tốc độ 77 vũng/phỳt khụng làm cho cỏc pha cao su tiếp tục giảm kớch thước. Tokita đó chỉ ra rằng độ nhớt mooney của cỏc pha cao su cú ảnh hưởng lớn đến độ phõn tỏn pha của hỗn hợp sau khi trộn [106]. Tiếp tục khảo sỏt về tốc độ trộn hợp, khi tăng tốc độ ở mỏy trộn kớn Banbury lờn 116, 155 và 230 vũng/phỳt gõy sự gia tăng đỏng kể nhiệt độ tại thời gian trộn, nhưng khụng làm giảm kớch thước pha của NBR. Tốc độ trộn cao cũn làm giảm đỏng kể tớnh chất bền kộo của vật liệu. Ngoài ra, cỏc yếu tố như độ phõn cực và cỏc chất phụ gia cũng ảnh hưởng đỏng kể đến kớch thước pha trong blend [57].
Khảo sỏt sự thay đổi cấu trỳc hỡnh thỏi blend, Ahmad và Wheelans [43] đó sử dụng Strucktol 60 NS và Strucktol TH 10, 5 PKL trong blend CSTN/NBR (41% AN) tỷ lệ 80/20 nhằm giảm kớch thước pha, tăng độ tương hợp giữa cỏc pha CSTN
và NBR với nhau. Khi tăng hàm lượng này lờn 10 PKL, cỏc tớnh chất của blend giảm xuống, thể hiện sự tương hợp kộm đi. Đối với blend của SBR, CSTN và NBR với tỷ lệ 35/35/30 (CSTN/NBR/SBR) cú kớch thước pha của NBR là 10-15àm, nếu bổ sung thờm Strucktol 60 NS khụng những khụng làm giảm kớch thước pha mà cũn làm giảm khả năng tương hợp pha của blend này.
Tiếp tục nghiờn cứu cấu trỳc hỡnh thỏi blend CSTN/NBR (41% AN) cho thấy hàm lượng AN của NBR cũng cú ảnh hưởng đến kớch thước pha. Cỏc nghiờn cứu [43] cho thấy rằng blend 80/20 (CSTN/NBR) cú một cấu trỳc pha thụ hơn nếu sử dụng NBR cú hàm lượng AN lớn hơn 34%, trong khi nếu hàm lượng AN% là 28% hoặc ớt hơn, thỡ blend 80/20 (CSTN/NBR) cú kớch thước pha bộ hơn. Sự tương hợp tốt hay xấu cũn thể hiện trờn độ trương của blend trong dung mụi xylen cũng như giỏ trị độ bền kộo của vật liệu. Khi hàm lượng AN trong NBR tăng lờn thỡ cỏc tớnh chất cơ học kộm đi, nhưng tớnh chịu dầu lại tăng lờn. Ngoài ra Gessler và cộng sự đó chứng minh được việc bổ sung cỏc chất độn làm giảm kớch thước của cỏc pha polyme riờng biệt.
Craig and Fowler [55] đó nghiờn cứu sự phõn bố lại của chất độn than đen trong blend CSTN/NBR. Trong cụng trỡnh này Craig and Fowler, đó chỉ ra rằng, trong quỏ trỡnh hỗn luyện, than đen sẽ dễ dàng dịch chuyển từ CSTN sang NBR cú độ phõn cực cao hơn và ngược lại. Tương tự như vậy, ảnh hưởng của độ phõn cực polyme đến sự phõn bố lại than đen cũng được cỏc tỏc giả Hess, Marsh và Eckert chứng minh [61]. Cụng trỡnh của Callan, Hess và Scott cũng cho thấy NBR cú ỏi lực với than đen cao hơn nhiều so với CSTN.
Sự tương hợp của cỏc cấu tử ảnh hưởng trực tiếp đến tớnh chất vật lý của blend, thụng qua tớnh chất vật lý cú thể khẳng định được sự phõn tỏn cỏc pha cao su trong blend CSTN và NBR nitril cao (45% AN) ở bất kỳ tỷ lệ nào [43].
Nhiều nhà nghiờn cứu đó phỏt hiện ra rằng, độ nhớt của hai thành phần trong một hỗn hợp cú thể là một yếu tố quan trọng quyết định cấu trỳc hỡnh thỏi. Khi độ nhớt cỏc polyme thành phần tương đương nhau ta thu được cỏc pha nhỏ nhất. Do đú, cần nghiờn cứu để tỡm cỏc điều kiện của tốc độ và nhiệt độ hỗn luyện phự hợp, nhằm đưa cỏc polyme CSTN và NBR đến độ nhớt tương đương nhau. Cỏc nghiờn
cứu này chỉ ra rằng nhiệt độ thấp và tốc độ cắt thấp hoặc nhiệt độ cao và tốc độ cắt cao cho độ nhớt tương tự, do đú cú thể dự đoỏn được cỏc thụng số cụng nghệ để đạt độ phõn tỏn tốt cho cỏc CSTN và NBR [106,111].
Đó khảo sỏt blend với kớnh hiển vi quang học bằng cỏch cho ỏnh sỏng truyền qua màng polyme blend. Theo số liệu được cụng bố, NBR nitril cao cú chiết suất (1,596) cao hơn so với CSTN (cú chiết suất 1,5215 đến 1,5238) [43,62]. Do đú, khi chụp ảnh trờn kớnh hiển vi quang học, kết quả cho thấy pha liờn tục (sỏng hơn) là NBR và pha rời rạc (đậm) là CSTN. Điều này cú nghĩa là cỏc thành phần pha trộn lớn (NBR) đó trở thành pha liờn tục. Điều này là minh chứng làm rừ thờm cho những phỏt hiện trước đõy [111].
Cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu cụng bố gần đõy chủ yếu nhằm cải thiện khả năng tương hợp pha của blend của cao su thiờn nhiờn và cao su nitril. Cỏc tỏc giả ở Viện Hoỏ học – Viện Hàn lõm – Khoa học và Cụng nghệ Việt Nam đó cụng bố cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu liờn quan đến blend CSTN/NBR nhằm tăng cường tớnh chất cơ lý cũng như tớnh chất bền mụi trường. Cụ thể, như blend (NBR/PVC)/CSTN cú khả năng bền mụi trường, ứng dụng trong cỏc sản phẩm cao su kỹ thuật ngành hàng hải [20]. Một số cụng trỡnh nghiờn cứu của cỏc tỏc giả Ấn Độ về ảnh hưởng của chất độn đến hỡnh thỏi cấu trỳc của blend ba cấu tử [85].
Để tăng cường khả năng tương hợp của CSTN với cỏc loại cao su tổng hợp, cỏc tỏc giả [33], đó nghiờn cứu sự ảnh hưởng của chất TH1 đến cỏc hệ blend CSTN/SBR, CSTN/NBR, CSTN/PE, từ đú đó đưa ra được khối lượng phõn tử của TH1 phự hợp nhất là 8.500 đvC.
Năm 2010, Đỗ Quang Khỏng và cỏc cộng sự [21], đó nghiờn cứu được cỏc sản phẩm cao su kỹ thuật rất đa dạng và chất lượng cao, cỏc sản phẩm này khụng chỉ đũi hỏi tớnh năng cơ học cao mà cũn cần bền dầu, mỡ, bền thời tiết,... Một trong những sản phẩm đú là vật liệu để sản xuất đế giầy bền dầu mỡ cú thành phần cơ bản là CSTN/NBR/TH1 (hoặc CSE) và cỏc loại gioăng đệm cho mỏy biến thế. Cựng với cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu trờn là cụng trỡnh nghiờn cứu về vật liệu blend trờn cơ sở CSTN kết hợp với cao su NBR, PVC được Nguyễn Phi Trung và cộng sự nghiờn cứu nhằm ứng dụng chế tạo cỏc sản phẩm bền mụi trường như đệm ray tàu hoả [36].