Chất độn trong cao su là chất pha trộn vào cao su (với một lượng lớn) giúp cho hỗn hợp cao su lưu hóa tăng cường được các tính chất cơ học [3].
Các chất độn có ảnh hưởng đến quá trình chế biến và các đặc tính lưu hóa của cao su. Các chất độn được dùng để củng cố và tăng cường các đặc tính bền, màu sắc của vật liệu, làm giảm giá thành sản phẩm, giúp thay đổi xử lý các đặc tính của vật liệu [14].
Than đen là chất độn tăng cường lực, chủ yếu được dùng trong các hợp chất cao su, dùng để cải thiện độ bền và độ vững chắc của cao su [11].
Than đen dùng trong công nghệ gia công cao su ở dạng bột hay hạt xốp, có màu đen tuyền, và hấp thụ dầu.
Cấu tạo
Than đen là dạng vô định hình của nguyên tố cacbon. Mỗi hạt bao gồm các lớp vi tinh thể định hướng ngẫu nhiên của vòng cacbon. Bởi định hướng ngẫu nhiên của chúng, nhiều cạnh của lớp mở ra với liên
Nguyễn Thị Hạnh 12 Lớp: K37C. CN Hóa kết cacbon không no của các hạt ở bề mặt, điều này giúp cho chúng hoạt động hóa học. Vòng cacbon riêng lẻ không tồn tại như một thực thể riêng lẻ mà dạng kết tụ, chúng có thể kết thành khối, mạch của chúng có kích thước và hình dạng thay đổi. Kích thước hạt trung bình, hình dạng kết tụ là những yếu tố chính ứng dụng than đen vào trong từng loại cao su.
Phân tích cấu tạo và cấu trúc của than hoạt tính bằng tia Rơngen cho thấy: Các hạt than hoạt tính có cấu trúc mạng phẳng có cấu tạo từ các vòng cacbon (vị trí sắp xếp 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 hóa học. Khoảng 3 đến 7 mạng cacbon phẳng như vậy sắp xếp thành từng lớp mạng này trên mạng khác nhưng không chồng khít và chính xác lên nhau mà các nguyên tử cacbon ở các mạng khác nhau nằm lệch nhau tạo thành các tinh thể sơ khai của than hoạt tính. Lực liên kết giữa các nguyên tử cacbon ở các mạng khác nhau nhỏ hơn nhiều so với lực liên kết giữa các nguyên tử cacbon trong cùng một mạng. Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon trong cùng một mạng là 1,42Aº. Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon tương ứng ở hai mạng kề nhau là 3,6Aº đến 3,7Aº (hình1.1)
Hình 1.1. Cấu tạo các lớp mạng của than đen.
Nguyễn Thị Hạnh 13 Lớp: K37C. CN Hóa Trong mỗi tinh thể sơ khai của than hoạt tính chứa khoảng 100 đến 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. Số lượng các tinh thể sơ khai chứa trong hạt than quyết định đến kích thước hạt. Trong quá trình sản xuất than do có sự va chạm, khuấy trộn các hạt than sơ khai thường có cấu trúc khối cầu hoặc gần khối cầu. Các khối cầu nằm bên nhau trong hỗn hợp phản ứng lại liên kết với nhau làm tăng kích thước của hạt để giảm năng lượng tự do bề mặt và tạo thành các chuỗi. Hình dạng và kích thước các chuỗi phụ thuộc vào tính chất của từng loại than. Các hạt than như vậy được 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 hóa học lớn và vì vậy nó là các trung tâm của các quá trình oxy hóa tạo cho bề mặt than hoạt tính hàng loạt các nhóm hoạt động hóa học khác như nhóm hydroxyl, cacboxyl, cacbonyl, xeton…
Sự có mặt 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 đôi có trong mạch đại phân tử.
Dựa vào thành phần nguyên tố hóa học của than hoạt tính có thể chọn loại than thích hợp cho từng loại cao su để đạt được lực tác dụng giữa than và mạch cao su lớn nhất. Tuy nhiên để tăng cường tính chất cơ lý của vật liệu yếu tố quan trọng lại là các đặc trưng kĩ thuật của than mà một trong các đặc trưng quan trọng đó là: Độ phân tán của than, cấu trúc và khối lượng riêng của nó [2].
Đã có nhiều tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng than đen đến tính chất cao su NBR. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của hàm
Nguyễn Thị Hạnh 14 Lớp: K37C. CN Hóa lượng than đen tới độ bền kéo, độ bền nén, độ cứng và tính chất mài mòn của hai loại cao su SBR và NBR, tác giả A.Mostafa (Ai Cập) và các cộng sự thấy rằng: Với cả hai cao su, khi có than đen độ bền của mẫu cao hơn khi không có. Độ bền kéo của các mẫu có than đen tăng, trong khi độ dãn dài lại giảm. Điều này do tăng mật độ liên kết ngang trong cao su và giảm tính linh động của cao su. Độ cứng của vật liệu có than đen cao hơn mẫu không có than đen. Hàm lượng than đen tăng, độ cứng vật liệu tăng. Với cả hai loại cao su SBR và NBR, khi được gia cường bằng than đen, khả năng chống mài mòn của vật liệu được gia tăng. Khả năng chống mài mòn của vật liệu tăng khi tăng hàm lượng than đen [6].
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng than đen tới độ trương trong dầu và độ bền nén của hai cao su SBR và NBR A.Mostafa* và các cộng sự cũng thấy rằng ở cùng hàm lượng than đen, thời gian và nhiệt độ thử nghiệm thì độ trương trong dầu giảm khi tăng hàm lượng than đen ở cả hai mẫu cao su. Ở cùng hàm lượng than đen mẫu NBR có độ trương trong dầu thấp hơn mẫu SBR do mật độ liên kết ngang trong cao su NBR nhiều hơn cao su SBR [7].
Phân loại
Than đen sử dụng cho ngành cao su được phân loại như sau:
Theo phương pháp chế tạo, gồm có: Than máng (channel), than lò (furnace), than nhiệt (thermic).
Theo mô hình gồm có: N220, N330, N550, N234, N660…
Đây là tên hệ thống của than đen, với chữ cái đầu tiên thể hiện cho tốc độ lưu hóa cao su. N đại diện cho tốc độ lưu hóa bình thường. S đại diện cho tốc độ lưu hóa chậm. Chữ số đầu tiên là đại diện cho kích
Nguyễn Thị Hạnh 15 Lớp: K37C. CN Hóa cỡ bề mặt than, chữ số thứ hai và thứ ba là mức độ phản ứng của một cấu trúc khác nhau [16].
Trong các loại than trên thì N330 là loại than được sử dụng rộng rãi nhất. Tuy tính chịu mài mòn của sản phẩm này không tốt như N220, nhưng tốt hơn so với các sản phẩm khác. N330 là một sản phẩm tăng cường hiệu suất tốt của than đen, chúng có tính bền kéo, độ bền xé, độ chịu mài mòn và độ đàn hồi tốt, cho nên sản phẩm này được sử dụng chủ yếu cho ta – lông, lốp xe, dây nhựa, lốp và một loạt các sản phẩm cao su khác [16].
Yêu cầu than đen dùng làm chất độn [3]
Phải có độ mịn cao (đường kính phần tử và cỡ hạt chất độn, cần kiểm tra qua các loại rây).
Phân tán thật tốt trong cao su: tránh sự kết tụ mà mắt thường khó thấy được.
Cần phải lưu ý tới các tính chất:
+ pH của chất độn: Ảnh hưởng tới tốc độ lưu hóa hay tác dụng của chất xúc tiến.
+ Độ hấp thụ hóa chất khác: ảnh hưởng lượng dùng, thành phần cấu tạo công thức.
+ Hàm lượng tạp chất: Chì, cacdimi, sắt… ảnh hưởng đến màu sắc của sản phẩm lưu hóa. Đồng, mangan: ảnh hưởng đến độ lão hóa.
+ Độ ẩm: Ảnh hưởng đến khả năng phân tán trong cao su và tốc độ lưu hóa.
+ Lượng dùng chất độn: Ảnh hưởng đến các tính chất của hỗn hợp cao su sống và sản phẩm lưu hóa.