5 Tiến độ và trình bày báo cáo
3.4.2.3 Bàn luận về ảnh hưởng của than đen đến tính chất của blend
Khi xem xét đường cong thực nghiệm mô tả quan hệ giữa hàm lượng than đen trong blend và lực kéo đứt của cả hai nhóm blend cao su thiên nhiên và cao su tổng hợp, chúng tôi thấy xuất hiện một điểm cực đại ứng với giá trị than đen trong khoảng 20 -30 (cao su NR – G) và trong khoảng 35 – 40 % ở cao su tổng hợp (mẫu NBR-H) trong hình 3.27 và 3.30). Tính chất vật lý phổ biến của hỗn hợp cao su và than đen thường dựa trên 3 yếu tố: (1) lượng than đen; (2) bề mặt riêng của than; (3) cấu trúc của than đen. Trong trường hợp này than sử dụng là HFR 330 lò kháng mài mòn có đặc tính than đen máng và có diện tích riêng phần cao, phổ biến trên thị trường. Đặc tính giúp cải thiện nhanh cấu trúc của blend dẫn tới ảnh hưởng tính năng cơ lý kéo đứt nhất là vùng chịu tải ứng suất thấp. Bên cạnh đó than loại này có cấu trúc cao có tác dụng gia cường blend khi làm việc trong vùng ứng suất cao. Tuy nhiên vượt quá một
giới hạn nhất định, than đen “dư thừa” làm giảm lượng chất đàn hồi, kéo theo giảm kéo đứt.
Giá trị dãn dài khi đứt của blend khác nhau cũng khác nhau. Rõ ràng với cao su thiên nhiên (NR-G) việc tăng thêm than làm giảm đáng kể dãn dài (hình 3.28). Như vậy than đen thêm vào làm cùng nghĩa với giảm tỷ lệ chất đàn hồi nên mặc dù cấu trúc có được cải thiện theo hướng bền chắc nhưng dãn dài vẫn suy giảm. Với cao su tổng hợp NBR (hình 3.31) dãn dài của blend có xu hướng tăng nhẹ và sau đó giảm. Rõ ràng với cấu trúc chặt chẽ và đồng nhất của cao su nitril bản thân không có được độ dãn dài cao (350 - 400 % ở mẫu so sánh có than bằng zero) khi đưa than vào ở chừng mực nào đó cấu trúc cải thiện làm tăng độ bền kéo đứt và blend “dai” hơn đi kèm tăng dãn dài. Tuy nhiên hiệu quả này cũng nhanh chóng giảm và giá trị tuyệt tối của biến đổi này chỉ trong khoảng 100 đơn vị trong cả dải biến thiên rộng của than đen từ 0 - 60 %.
So sánh với tài liệu, kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Ayala, Hess và cộng sự [67]. Tác giả nghiên cứu về tương tác giữa than và 4 loại chất đàn hồi SBR, NR, cao su butyl (IIR) và cao su nitril (NBR), chỉ ra sự khác biệt về mức độ tương tác giữa than và cao su dẫn tới việc phân bố không thống nhất của các bon trong các loại cao su và làm thay đổi biểu hiện cơ lý tính. Tuy nhiên giá trị σ/ηđo mức tương tác của than và cao su (trong đó σ thể hiện độ nghiêng của ứng suất và η thể hiện tỷ số modulus động đo cường độ của tương tác chất độn – chất độn) chỉ ra giá trịđo tương đối cường độ tương tác của cao su than thông qua tương tác chất độn – chất độn. Ở cao su SBR, NR và NBR có sự tương tác cao của than đen so với cao su butyl.
Trong cả hai họ cao su sử dụng ở thực nghiệm than đen làm tăng rõ và rất nhanh độ cứng của blend cao su (hình 3.29 và hình 3.32). Bên cạnh đặc tính cải thiện cấu trúc chúng tôi cho rằng bản thân than đen có độ cứng lớn nhanh chóng làm thay đổi độ cứng một cách cơ học của blend. Tác động chiếm ưu thế này làm cho blend cứng nhanh tuyến tính và khá dễ dùng để điều chỉnh độ cứng của blend khi có nhu cầu.
Liên quan tới đặc tính lưu hoá của mẫu, đưa thêm than vào blend, xu hướng tăng thêm của moment xoắn ứng với giảm nhẹ của thời gian lưu hoá (bảng 3.21 NR, và bảng 3.22 NBR). Như vậy, than đen thâm nhập vào cao su thông qua lực cắt phát sinh khi thêm than đen trong máy luyện [11]. Gia tăng ban đầu của moment xoắn liên quan tới giai đoạn xâm nhập bởi vì polyme điền đầy khoảng trống giữa tập hợp hoặc kết tụ của than, thường là tới điểm ở đó hỗn hợp trở thành một composit cao su kết dính. Tiếp theo, quá trình tiếp tục với việc moment xoắn giảm, quá trình phá vỡ kết tụ và phân tán chiếm chỗ. (Giảm kích thước kết tụ thông qua việc bẻ gãy kết tụ
agglomerate thành tập hợp –aggragate; phân tán – sự dịch chuyển của kết tụ hoặc tập hợp thông qua matrix, hoặc vào polyme). Khi hỗn hợp cao su – than đen bị chảy (rheo), nó được lưu hoá để trở thành sản phẩm. Nhìn chung, hệ thống lưu hoá lưu huỳnh được dùng để khâu mạch ở nhiệt độ cao và sự có mặt của than (thậm chí hàm lượng thấp) làm giảm đáng kể thời gian trước lưu hoá (thời gian đạt lưu hoá). Quan sát
này dẫn tới giả thiết rằng than đen có thể có vai trò xúc tác trong quá trình lưu hoá [138].
Một số nghiên cứu chỉ ra rằng biểu hiện của polyme/ than đen composit khác nhau ở hai vùng: vùng ứng suất thấp (<10 %) và ứng suất cao (>10 %) [58] [80] [100]. Do tính chất ứng suất thấp này phụ thuộc nhiều vào độ bền của mạng lưới than đen – được giữ bởi lực Van der Waals nên diện tích bề mặt riêng (tỷ lệ nghịch với kích thước của hạt và tập hợp) có vai trò lớn. Một điều rõ ràng rằng các phần tử càng nhỏ, lực hấp dẫn càng lớn do liên kết Van der Waals lớn hơn (so sánh ở cùng lượng than đen).
Giải thích cho hiện tượng này được cho là có thể sảy ra hai quá trình: (1) Khi thêm than đen, làm tăng khả năng dẫn truyền nhiệt của blend làm cho blend nhanh chín hơn, mặt khác (2) thêm than vật liệu blend dường như bị “pha loãng” hơn (giống như rút bớt tỷ lệ xúc tiến và trợ xúc tiến) làm thời gian lưu hoá dài hơn. Tổng hợp của quá trình thu được đường như thực nghiệm.
Liên quan tới mức độ phân bố của các cấu tử trong blend, một đường đặc tính giữa moment xoắn và thời gian được xây dựng. Các đường cong thực nghiệm liên tục và đều chỉ ra mức đồng đều (đồng nhất của blend) được thử nghiệm. Các giá trị moment thay đổi phụ thuộc vào thành phần và cách gia công tuy nhiên các đường cong đều liên tục.
Một điểm có thể lưu ý là đường cong cuối quá trình lưu hóa thấp xuống ở các mẫu blend cao su thiên nhiên (G) thể hiện tính chịu nhiệt thấp hơn so với mẫu blend cao su tổng hợp (mẫu H) tương ứng hay nói cách khác blend cao su tổng hợp thử nghiệm có bền nhiệt cao hơn.
Như vậy blend cao su thử nghiệm đồng nhất và ổn định biểu hiện cơ lý tính và đặc tính lưu hoá với nhiệt (lưu hóa). Với blend NR, mức kéo đứt tối đa của mẫu đạt được (14 MPa) ứng với hàm lượng than khoảng 25 – 35 %. Trong khoảng này kéo đứt của blend cao su thiên nhiên giảm còn khoảng 500 %, và độ cứng khoảng 60 Shore A. Với cao su tổng hợp ở giới hạn tối ưu của than dãn dài đạt khoảng 300 - 400 %; kéo đứt khoảng 13 MPa và độ cứng của mẫu khoảng 65-70 Shore A tương ứng.