Hoàn thiện công nghệ chế tạo một số sản phẩm cao su kỹ thuật (khe co giãn cao su cốt bản thép cho cầu đường bộ và gioăng kính nhà cao tầng)

Trờng ĐH Bách khoa Hà Nội





Báo cáo tổng hợp đề tài:

Hoàn thiện công nghệ chế tạo một số
sản phẩm cao su kỹ thuật (khe co gin cao su
cốt bản thép cho cầu đờng bộ
và gioăng kính nhà cao tầng)

Chủ nhiệm đề tài: Hoàng Nam











8602

Hà nội 2010

Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10

1
DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN DỰ ÁN KC 02-DA-06/06-10

TT
Họ và tên,
Học hàm – Học vị
Tổ chức công tác Chữ ký
1
TS. Hoàng Nam
Trung tâm NCVL Polyme
Đại học Bách Khoa Hà Nội

2
PGS. TS. Bùi Chương
Trung tâm NCVL Polyme
Đại học Bách Khoa Hà Nội

3
GS. TSKH. Trần Vĩnh Diệu
Trung tâm NCVL Polyme
Đại học Bách Khoa Hà Nội

4
ThS. Đặng Việt Hưng
Trung tâm NCVL Polyme
Đại học Bách Khoa Hà Nội

5
KS. Lê Như Đa

Trung tâm NCVL Polyme
Đại học Bách Khoa Hà Nội

6
KS. Phạm Công Vịnh
Công ty Cổ phần Cao su
Chất dẻo Đại Mỗ

7
KS. Lương Thị Chiến
Công ty Cổ phần Cao su
Chất dẻo Đại Mỗ

8
KS. Nguyễn Hữu Trọng
Công ty Cổ phần Cao su
Chất dẻo Đại Mỗ

9
KS. Phạm Văn Quynh
Công ty Cổ phần Cao su
Chất dẻo Đại Mỗ

Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


2
BẢN TÓM TẮT NỘI DUNG DỰ ÁN
Cao su tự nhiên (CSTN) là một loại nguyên liệu quý và là một trong những
mặt hàng xuất khẩu chủ lực của nước ta. Tuy nhiên, trong nhiều năm trước nước ta
chỉ xuất khẩu CSTN dưới dạng nguyên liệu thô, trong khi nhiều sản phẩm cao su kỹ
thuật lại phải nhập khẩu. Điều này gây ra thiệt hại không nhỏ về kinh tế cho đất
nước.
Các sản phẩm cao su k
ỹ thuật như gối cầu, khe co giãn cao su, gioăng kính
nhà cao tầng được sử dụng ở nước ta với khối lượng lớn, nhưng trước đây nhập
khẩu là chủ yếu. Chính vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo trong nước các sản phẩm
này có ý nghĩa lớn cả về khoa học và kinh tế - xã hội.
Trong quá trình thực hiện dự án đã nghiên cứu giải quyết một số vấn đề
về
chế tạo vật liệu như: chế tạo blend cao su tự nhiên/cao su clopren (CSTN/CSCP),
nâng cao tính chất cơ học và đặc biệt là khả năng chịu khí hậu và ozon của blend
này, xây dựng đơn gioăng kính nhà cao tầng từ cao su EPDM thay thế phôi của Hàn
Quốc, đồng thời chỉ ra khả năng dùng blend CSTN/EPDM thay thế cho EPDM
trong chế tạo gioăng kính nhà cao tầng.
Trên cơ sở các thiết bị công nghệ sẵn có đã xây dựng quy trình chế tạo các
sản phẩm gối cầu, khe co giãn, gioăng kính nhà cao tầng từ các vật liệu chế tạo
được. Cho tới nay đã sản xuất và cung cấp cho thị trường được 929 gối cầu cao su,
1930 m khe co giãn cao su và 33,4 tấn gioăng kính nhà cao tầng. Các sản phẩm trên
đều đạt yêu cầu chất lượng và được khách hàng chấp nhận. Vì vậy hiện nay các sản
phẩm của dự án vẫn tiếp tục được đặt mua. Ngoài các kết quả cụ
thể trên, dự án

cũng đã đào tạo được 1 thạc sĩ, 3 kỹ sư theo hướng dự án, đồng thời hướng dẫn cho
nhiều cán bộ và công nhân nắm bắt được công nghệ và vật liệu mới, tạo điều kiện
cho sự phát triển sau này trong lĩnh vực công nghệ vật liệu cao su.





Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT


CSTN (NR) Cao su tự nhiên
EPDM Etylen Propylen Dien Monome
ENB 5 – ethylidene – 2 norbornene
CP Poly clopren
CSCP (CR) Cao su Clopren
KCG Khe co giãn
CSCBT Cao su cốt bản thép
GC Gối cầu
DTDM 4,4'dithiodimorpholin
S Lưu huỳnh
M Mecaptobenzothiazol
DT Chất liên kết có nguồn gốc từ nhựa phenolic
CZ N – Cyclohexy – 2 Benzothiazole Sulfenamide
EZ Zinc – Diethyl Dithiocarbamate
TMTD Tetrametyl thiuram disunphit

SEM
Scanning electron microscope
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


4
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 6
1.1. Mục tiêu của dự án: 7
1.2. Các nội dung chính của dự án 7
1.3. Vài nét về tình hình nghiên cứu và ứng dụng sản phẩm gối cầu, khe co giãn
cao su và gioăng kính nhà cao tầng 8
1.4. Tổng quan về nguyên vật liệu chính sử dụng trong chế tạo sản phẩm của dự
án. 15
1.4.1. Hiểu biết chung về cao su thiên nhiên (CSTN) 15
1.4.2. Hiểu biết chung về cao su EPDM 19
1.4.3. Hiểu biết chung v
ề cao su clopren ( CSCP ) 26
1.4.4. Hiểu biết chung về vật liệu blend. 31
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41
2.1. Thiết bị và hoá chất 41
2.1.1. Thiết bị 41
2.1.2. Hoá chất 41
2.2. Phương pháp xác định một số tính chất của cao su 42
2.2.1. Phương pháp xác định độ bền kéo đứt 42
2.2.2. Phương pháp xác định độ dãn dài khi đứt. 42
2.2.3. Phương pháp xác định độ dãn dư sau khi đứt. 43
2.2.4. Phương pháp xác định độ cứng. 43
2.2.5. Phươ
ng pháp xác định độ nén dư 43

2.2.6. Phương pháp xác định độ mài mòn 45
2.2.7. Phương pháp đo độ bền xé. 45
2.2.8. Phương pháp đo độ trương trong dung môi 46
2.2.9. Phương pháp xác định hệ số già hoá 46
CHƯƠNG 3: HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO GỐI CẦU 47
VÀ KHE CO GIÃN 47
3.1. Chế tạo blend trên cơ sở cao su tự nhiên và cao su clopren (CSTN/CSCP) 47
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian lưu hóa đến tính chất cao su 56
3.3.
Đánh giá một số tính chất sử dụng của blend CSTN/CSCP 61
3.3.1. Độ co ngót của cao su 61
3.3.2. Khả năng chịu khí hậu và ozon 62
3.3.3. Khả năng chịu hóa chất 64
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


5
3.4. Hoàn thiện qui trình công nghệ chế tạo gối cầu và khe co giãn cao su cốt bản
thép 66
CHƯƠNG 4: HOÀN THIỆN ĐƠN CÔNG NGHỆ 72
CAO SU GIOĂNG KÍNH NHÀ CAO TẦNG 72
4.1. Mở đầu 72
4.2. Xây dựng đơn cao su gioăng kính 73
4.2.1. Khảo sát hỗn hợp cao su Hàn Quốc 73
4.2.2. Xây dựng đơn cao su gioăng kính 75
4.3. Hoàn thiện công nghệ chế tạo gioăng kính nhà cao t
ầng 80
4.3.1. Xây dựng qui trình hỗn luyện 80
4.3.2. Xác định chế độ lưu hóa 83
4.4. Chế tạo thử nghiệm cao su gioăng kính từ hỗn hợp (blend) cao su tự nhiên –

cao su EPDM 86
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ CHẾ TẠO, ÁP DỤNG 90
VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ CỦA DỰ ÁN 90
5.1. Tình hình sản xuất sản phẩm 90
5.1.2. Khe co giãn cao su cốt bản thép: 90
5.1.3. Gioăng kính cửa nhà cao tầng: 90

5.2. Kiểm tra các sản phẩm tại hiện trường 90
5.3. Đánh giá các kết quả của dự án 96
5.3.1. Đánh giá chất lượng vật liệu 96
5.3.2. Kết quả sản xuất và ứng dụng 97
5.3.3. Các kết quả khác của dự án (hiệu quả về kinh tế, xã hội) 103
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO 106
PHỤ LỤC
109









Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


6
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

Hiện nay, toàn đảng toàn dân ta đang tập trung sức phấn đấu thực hiện mục
tiêu chiến lược là xây dựng Việt Nam đến năm 2020 trở thành một nước công
nghiệp theo hướng hiện đại. Một trong những nhiệm vụ quan trọng bậc nhất trong
quá trình này là xây dựng cơ sở hạ tầng cho đất nước, trong đó có hệ thống đường
xá và cầu. Đặc biệt do có hệ
thống sông ngòi chằng chịt nên việc xây dựng các cầu
trên đường giao thông ở nước ta đã và đang là một vấn đề cấp thiết.
Gối cầu cao su và khe co giãn cốt bản thép cũng như gioăng kính cho nhà
cao tầng là những sản phẩm cao su kỹ thuật với đặc điểm chung là làm việc trong
điều kiện ngoài trời khắc nghiệt. Từ trước tới nay các sản phẩm này thường được
chế t
ạo từ cao su tổng hợp do khả năng chịu khí hậu của chúng. Trong một số
trường hợp cao su tự nhiên có thể được sử dụng nhưng phải có sự bảo vệ chống tác
động trực tiếp của khí hậu lên vật liệu cao su. Vì vậy điều này hạn chế khả năng sử
dụng của cao su tự nhiên vốn là một thế mạnh về nguyên liệu của nướ
c ta.
Trong nhiều năm qua Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme đã phối hợp
với công ty cổ phần (CP) Cao su Chất dẻo Đại Mỗ nghiên cứu và chế tạo được được
gối cầu cao su cốt bản thép và khe co giãn cao su cho các cầu nhỏ ở Việt Nam đạt
tiêu chuẩn TCN 217-1994. Tuy nhiên các sản phẩm này cần tiếp tục được hoàn
thiện và nâng cao tính năng hơn nữa, đặc biệt là khả năng chịu khí hậu. Mặ
t khác,
việc nghiên cứu chế tạo vật liệu gioăng kính thay thế nhập ngoại cũng là một nhiệm
vụ của Công ty Cổ phần Cao su Chất dẻo Đại Mỗ. Trên cơ sở đó, trong khuôn khổ
chương trình KH & CN trọng điểm cấp nhà nước “Nghiên cứu khoa học và phát
triển công nghệ Vật liệu” KC-02/06-10 đã tiến hành Dự án sản xuất thử nghiệm
“Hoàn thiện công nghệ chế tạ
o một số sản phẩm cao su kỹ thuật (Khe co giãn cao
su cốt bản thép cho cầu đường bộ và gioăng kính nhà cao tầng)”, mã số KC.02 DA
06/06-10 do Trung tâm NCVL Polyme, trường Đại học Bách khoa Hà nội và Công

ty Cổ phần Cao su Chất dẻo Đại Mỗ phối hợp thực hiện.


Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


7
1.1. Mục tiêu của dự án:
- Hoàn thiên công nghệ chế tạo các loại gối cầu và khe co giãn cao su cốt bản
thép cho các công trình đường bộ đạt tiêu chuẩn AASHTO standard M251-
96 và ASTM-D412-97. Ổn định công nghệ chuyển giao cho sản xuất .
- Hoàn thiện công nghệ chế tạo gioăng kính nhà cao tầng đạt chất lượng quốc
tế.
1.2. Các nội dung chính của dự án
1.2.1. Hoàn thiện công nghệ chế tạo hỗn hợp cao su (Blend) từ cao su tự
nhiên (CSTN) và cao su clopren (CSCP).
- Xây dựng quy trình trộn hợp
- Đánh giá tính chất cơ học, …
- Đánh giá khả năng chịu khí hậu ozon
- Đánh giá khả năng chịu dầu và hóa chất lỏng.
1.2.2. Ổn định quy trình công nghệ chế tạo gối cầu khe co giãn cao su cốt bản
thép theo quy trình ép gia nhiệt tạo hình sản phẩm một giai đoạn.
1.2.3. Xây dựng đơn cao su gioăng kính nhà cao tầng đạt tiêu chuẩn kỹ thuật
quốc t
ế.
1.2.4. Hoàn thiện quy trình chế tạo gioăng kính nhà cao tầng trên cơ sở đơn
cao su trong nước
1.2.5. Sản xuất thử một lượng sản phẩm:
- Gối cầu: 100 chiếc
- Khe co giãn: 500 m

- Gioăng kính nhà cao tầng: 14 tấm.
1.2.6. Đào tạo và nâng cao tay nghề cho kỹ sư và công nhân làm việc trong
dây chuyền sản xuất gối cầu, khe co giãn và gioăng kính.




Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


8
1.3. Vài nét về tình hình nghiên cứu và ứng dụng sản phẩm gối cầu, khe co
giãn cao su và gioăng kính nhà cao tầng
Các sản phẩm cao su kỹ thuật có tầm quan trọng đặc biệt và được sử dụng trong
hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế như giao thông vận tải, thuỷ lợi, chế tạo oto –
xe máy, chế tạo máy bay, khai thác khoáng sản v.v…
Trên thế giới, các quốc gia công nghiệp hàng đầu đều sản xuất và tiêu thụ
một
khối lượng lớn cao su để phục vụ cho chế tạo các sản phẩm cao su kỹ thuật. Do rất
đa dạng về chủng loại nên thường quy mô sản xuất không quá lớn và quản lý sản
xuất mềm dẻo. Kinh nghiệm của Nhật Bản đã chứng minh điều đó. Hầu hết những
cơ sở sản xuất các sản phẩm cao su kỹ thuật ở
Nhật Bản đều có quy mô nhỏ, thí dụ
có 735 cơ sở sử dụng khoảng 30 công nhân và chỉ có 80 cơ sở sử dụng trên 300
công nhân. Khoảng 70 % cơ sở sản xuất cao su ở Nhật Bản tập trung vào các mặt
hàng cao su kỹ thuật ứng dụng trong công nghiệp.
Trong dự án này chỉ đề cập đến 2 nhóm sản phẩm chính là: gối cầu, khe co giãn
cao su cốt bản thép (CSCBT) và gioăng kính nhà cao tầng.
• Gối cầu cao su cốt b
ản thép (CSCBT)

Từ năm 1954 Eugene Freyssinet đã phát minh ra gối cầu cao su chế tạo từ các
bản cao su xen kẽ với các bản thép. Nhờ các bản cao su (có độ dày từ 6 mm tới 15-
18mm) kết dính chặt chẽ với các bản thép, gối cầu CSCBT có thể hấp thụ năng
lượng tác động vào nó mà không bị phình ra quá mức độ cho phép. Kết cấu gối cầu
cho phép hấp thụ tải trọng thẳng đứng, nằm ngang, tải trọng quay do các chuyển
động phức tạp trên mặt cầu gây ra (từ biến, tải trọng do chuyển dộng của phương
triện trên cầu v.v…)[11,12,13,14].
Công nghệ chế tạo gối cầu CSCBT, cũng như công nghệ chế tạo khe co giãn
CSCBT trình bày dưới đây, bao gồm hai vấn đề chính là chế tạo vật liệu cao su đáp
ứng các chỉ tiêu kỹ thuật và dán hai loại vật liệu có bản chất khác hẳn nhau là cao su
và thép.[12,13,14]
Gối cầu CSCBT thường
được dùng để đỡ các dầm bê tông, nhưng gần đây cũng
được dùng để đỡ các dầm thép và các kết cấu xây dựng khác.
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


9
• Khe co giãn CSCBT
Khe co giãn CSCBT là một phần từ kết cấu thượng tầng được đặt giữa 2 phiến
dầm, có tác dụng tách hoàn toàn 2 phiến dầm liền kề khỏi nhau và do đó cho phép 2
phiến dầm có thể chuyển dịch tương đối với nhau. Nhờ đó khe co giãn CSCBT hạn
chế được những tác động của tải trọng, dao động, lực gió và giãn nở nhiệt
[12,13,14,15].
Khe co giãn có thể được phân loại như sau:
Phân lo
ại theo cấu tạo của khe
Theo cách phân loại này có thể có khe hở, khe kín.
a. Khe co giãn hở - là loại khe mà nước và chất lỏng có thể tự do chảy qua.
Loại khe này rẻ tiền, dễ chế tạo, nhưng ngoài tác dụng hạn chế tác động của các

chuyển dịch nó không bảo vệ được các kết cấu bên dưới khỏi tác động của chất
lỏng, nước và các vật rắn từ trên mặt cầu rơ
i xuống. Vì vậy khe co giãn hở thường
chỉ được sử dụng trong các cầu nhỏ, đường phụ với chi phí lắp đặt và bảo dưỡng
thấp [12,13,14,15].
b. Khe co giãn kín – là loại khe bịt kín toàn bộ bề mặt cầu (kể cả vỉa hè) không
cho nước và các chất lỏng khác chảy xuống dưới gây ảnh hưởng có hại đến kết cấu
hạ tầng. Tuy vậy thiết kế của các loại khe này v
ẫn tiếp tục được hoàn thiện do
chúng chưa thực sự bịt kín có hiệu quả với các vị trí đặc biệt như vách đứng hoặc
nơi có chuyển động mạnh [12,13,14,15].
c. Khe chống nước – đây là một loại khe co giãn kín nhưng có bố trí đường
thoát nước trong kết cấu. Nhờ có đường thoát này mà nước được tập trung vào một
vị trí thoát, tránh được sự tích tụ trên mặt cầu và trong các chỗ lõm trên bề
mặt khe.
Tuy nhiên, loại khe này chỉ được áp dụng khi độ nghiêng của mặt cầu không nhỏ
hơn 1 mm/12 mm [12,13,14,15].
Phân loại theo vật liệu làm khe.
a. Khe kim loại: các khe co giãn loại này được chế tạo toàn bộ từ thép, ưu
điểm của chúng là đơn giản dễ chế tạo nhưng loại khe này có nhược điểm là có độ
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


10
cứng lớn hơn nhiều so với mặt đường bêtông atphan. Vì vậy khe co giãn kim loại
không êm thuận cho chuyển động của các phương tiện giao thông trên cầu. Trong
nhiều trường hợp khe co giãn kim loại có thể còn làm hư hại mép dầm bê ang.
Ngoài ra khe co giãn kim loại thường là khe hở nên không bảo vệ được kết cấu bên
dưới khỏi tác động của các chất lỏng và vật rắn từ trên mặt cầu xuống
[12,13,14,15].

b. Khe cao su: Loại khe này đượ
c chế tạo từ cao su, do đó đảm bảo kín và êm
thuận cho chuyển động của các phương tiện giao thông. Tuy nhiên, do không có kết
cấu chịu lực nên loại khe này chỉ thích hợp cho các khe hở nhỏ (vài cm) giữa các
kết cấu dầm [12,13,14,15].
Ngoài ra còn có một số loại khe co giãn từ vật liệu polyme khác như atphan,
polymebitum, có công dụng tương tự khe co giãn cao su. Hai loại khe co giãn cao
su điển hình trình bày ở hình 1.1.



Loại rỗng Loại đặc
Hình 1.1. Một s
ố loại khe co giãn cao su.
c. Khe co giãn CSCBT: Là loại khe được chế tạo từ cao su và các kết cấu thép,
trong đó phần cao su đảm bảo cho sự êm thuận của chuyển động của các phương
tiện giao thông và chuyển dịch của kết cấu dầm. Các kết cấu thép sẽ tạo nên phần
chịu lực của khe co giãn. Nhờ có sự phối hợp này nên khe co giãn CSCBT có thể
dùng cho các khe lớn trên mặt cầu (rộng tới 1500-2000 mm) [12,13,14,15].
Nhờ
ưu việt của mình, khe co giãn CSCBT hiện đang được sử dụng rộng rãi
nhất cho các cầu đường bộ. Có một số kiểu thiết kế chính như sau:
- Khe co giãn (hình 1.2), ví dụ TRANSFLEX (Anh) hay SD (Trung Quốc).
Loại khe này có thể có chiều rộng tới 900 mm, dùng để bịt các khe hở có chiều rộng

Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


11
tới 1000-1500 mm. Do kết cấu đơn giản, êm thuận, khe co giãn CSCBT rất thích

hợp với các loại cầu bê tông [12,13,14,15,16].

Hình 1.2. Khe co giãn CSCBT
Công nghệ chế tạo khe co giãn là một loại công nghệ phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật
cao, do đó hầu như không được công bố rộng rãi. Qua một số tài liệu có thể nêu ra
một số vấn đề chính trong công nghệ chế tạo khe co giãn như sau.
- Chế tạo vật liệu cao su đáp ứng các chỉ tiều kỹ thuật cơ bản của khe co giãn.
- Do khe co giãn gồm 2 lo
ại vật liệu chính là cao su và thép, việc hình thành
liên kết giữa 2 vật liệu có bản chất khác nhau này có tính quyết định đối với khả
năng làm việc của khe co giãn. Đây là một vấn đề công nghệ rất khó khăn, tuy
nhiên nếu giải quyết được sẽ đảm bảo cho hoạt động đồng bộ của toàn bộ khe co
giãn dưới các tác động bên ngoài như nhiệt độ, từ biến, hoạt tải.
Các chỉ tiêu k
ỹ thuật đối với cao su, thép và độ bám dính giữa cao su và thép
trong chế tạo khe co giãn CSCBT được trình bày dưới đây[15]:
* Cao su:
- Độ cứng, Shore A, 60
±
5
- Độ bền kéo đứt, Mpa không nhỏ hơn 15
- Độ dãn dài khi đứt, % không nhỏ hơn 350
- Biến dạng nén dư (đặt tải 70 giờ
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


12
ở nhiệt độ 20-25
0
C), % không lớn hơn 20

- Khả năng chịu ozôn (40
0
C, 96 giờ, độ giãn dài 20%, nồng độ ozon 50
pphm): không nứt
- Hệ số già hoá theo lực kéo đứt (trong 144 giờ ở nhiệt độ 70
0
C),
không nhỏ hơn 0,8
- Tăng khối lượng trong môi trường dầu (dầu diezen, sau 70 giờ ở nhiệt độ
25
0
C), %, không lớn hơn 40
* Thép:
- Cường độ chịu kéo, Mpa 375 – 460
- Giới hạn chảy, Mpa 235
- Độ giãn dài, % 26
* Độ bám dính giữa cao su và thép
- Độ bền kéo bóc của cao su với thép, N/cm, không nhỏ hơn 7
• Gioăng cao su cho khung cửa kính nhà cao tầng (gọi tắt là gioăng kính nhà
cao tầng)
Trong những năm gần đây đã xuất hiện một loại cao su mới – Terpolymers
(EPDM) được tổng hợp từ 3 monome: etylen, propylen và một dien không liên hợp.
Do có nối đôi còn lại
ở cuối mạch nên có thể đóng rắn bằng lưu huỳnh và các chất
xúc tiến.
Cao su EPDM có các tính chất sau:
- Trộn hợp nhanh và tốt với các chất bổ sung.
- Có khả năng chấp nhận một lượng lớn phụ gia hay chất hoá dẻo nên cho
phép thay đổi trong một khoảng rộng về độ bền, tính chất biến dạng và

giảm giá thành của sản phẩm sau khi lưu hoá. Cao su EPDM chịu lực cao
hơn đáng k
ể so với các cao su khác.
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


13
- Chịu ozon và khí hậu rất tốt.
- Chịu nhiệt và oxy hoá rất tốt.
- Chịu hoá chất tốt.
- Có độ mềm dẻo tốt ở nhiệt độ thấp.
- Cách điện rất tốt.
Nhờ những tính chất ưu việt nêu ở trên nên cao su EPDM rất thích hợp để sản
xuất gioăng kính nhà cao tầng vì đòi hỏi phải có thời gian làm việc lâu dài ở ngoài
trời trong điều kiện khí hậ
u khắc nghiệt mà vẫn đảm bảo độ kín khít.
 Tình hình nghiên cứu và triển khai trong nước.
Nước ta là một nước có đặc điểm địa hình nhiều sông ngòi, kênh rạch. Vì vậy
số lượng cầu đường bộ rất lớn, nhất là các cầu nhịp nhỏ và vừa. Hầu hết các kết cấu
khe co giãn trước đây cho các cầu này đều làm bằng thép nên đã bị hỏng nhiều, ảnh
hưởng đế
n an toàn khai thác và an toàn của công trình.
Từ giữa những năm 1990 một số đơn vị quản lý đường bộ đã bắt đầu thử
nghiệm dùng khe co giãn cao su thay cho khe co giãn bằng thép. Tuy nhiên việc thử
nghiệm này còn phân tán và chưa có đánh giá định lượng về chất lượng của các khe
co giãn cao su sản xuất trong nước.
Trước tình hình phát triển nhanh của hệ thống giao thông trong đó có các cầu
đường bộ ở nước ta, việc triển khai chế tạo khe co giãn cao su c
ốt bản thép được bắt
đầu ở một số cơ sở sản xuất như Nhà máy cao su Tân Bình (TPHCM), Công ty Cao

su Thăng Long (Nghệ An). Các khe co giãn này đã được lắp đặt trên một số cầu nhỏ
trên đường Láng – Hoà Lạc (Hà nội) hoặc một số cầu trên đường Hồ Chí Minh.
Cũng như trường hợp khe co giãn cao su, cho tới nay vẫn chưa có công bố về kết
quả đánh giá chất lượng sử dụng khe co giãn cao su c
ốt bản thép. Ngoài ra, do thiếu
phương tiện và nhân lực, các cơ sở sản xuất nói trên không có khả năng nghiên cứu
đầy đủ về kết cấu và vật liệu khe co giãn cũng như các yếu tố công nghệ trong quá
trình chế tạo. Đặc biệt toàn bộ keo dán cao su với thép đều phải nhập với giá cao
nên giá thành sản phẩm bị đội lên. Bên cạnh đó, việc chưa có tiêu chuẩn ngành của
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


14
Bộ Giao thông vận tải đối với khe co giãn cao su và cao su cốt bản thép cũng làm
cho quá trình nghiên cứu chế tạo khe co giãn khó khăn hơn.
Từ giữa những năm 1990, Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme –Trường Đại
học Bách khoa Hà nội đã bắt đầu nghiên cứu một cách có hệ thống về công nghệ
chế tạo khe co giãn cao su cốt bản thép. Các nghiên cứu này tập trung vào 2 hướng:
- Hoàn thiện đơn phối liệu cao su nhằm nâng cao các tính chất sử
dụng, đặc
biệt là khả năng chịu nén, chịu ozôn và tác động đồng thời của nhiệt độ, độ ẩm và
tia tử ngoại.
- Nghiên cứu chế tạo keo dán cao su với thép trên cơ sở epoxy-laccol. Nhờ đó
đã giải quyết được vấn đề bám dính giữa cao su và thép, tạo được liên kết tốt giữa 2
loại vật liệu khác nhau về bản chất (cao su-thép). Ngoài ra, việc chế tạo thành công
keo epoxy laccol đ
ã cho phép thay thế keo nhập ngoại trong chế tạo khe co giãn,
đảm bảo chất lượng với giá rẻ bằng 1/3.
Các kết quả trên đã được ứng dụng để chế tạo hàng trăm mét khe co giãn cao su
cốt bản thép dùng cho hàng chục cầu nhỏ và cầu trung trong cả nước.

Các loại gioăng kính nhà cao tầng chỉ mới được sản xuất chủ yếu tại Công ty
Cổ phần cao su Chất dẻo Đại Mỗ.










Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


15

1.4. Tổng quan về nguyên vật liệu chính sử dụng trong chế tạo sản phẩm của
dự án.
1.4.1. Hiểu biết chung về cao su thiên nhiên (CSTN).
1.4.1.1. Lịch sử phát triển.
CSTN lần đầu tiên được các thổ dân Nam Mỹ sử dụng vào nửa cuối thế kỷ 16.
Khi ấy họ chỉ biết trích cây lấy nhựa rồi tẩm vào sợi làm giầy dép đi rừng, leo núi.
Những chiếc giày làm bằng vải t
ẩm nhựa này có thời gian sử dụng không lâu lại
dính và gây cảm giác khó chịu. Sau đó các thổ dân đã biết sử dụng đất cát ở những
nơi có núi lửa hoạt động để xoa vào, vừa chống dính vừa kéo dài thời gian sử
dụng[6, 28].
Đến năm 1839, loài người phát minh ra quá trình lưu hoá cao su bằng lưu
huỳnh, các sản phẩm kỹ thuật được sản xuất từ CSTN tăng lên, đồng thời diện tích

trồng cây cao su c
ũng tăng lên [4, 5, 6].
1.4.1.2. Thành phần và cấu tạo hoá học của CSTN.
a. Thành phần của CSTN.
Tuỳ thuộc vào tuổi cây cao su, cấu tạo thổ nhưỡng nơi cây sinh trưởng, khí hậu,
mùa khai thác mủ và phương pháp sản xuất mà CSTN có thành phần khác nhau.
Trong cao su thiên nhiên , ngoài mạch cacbuahydro có cấu tạo từ các mắt xích
izopenten còn có các hợp chất phi cao su khác: Các hợp chất được trích ly bằng
axeton ,các chất chứa nitơ, các chất tan trong nước, các chất khoáng và độ ẩm. Hàm
lượng các chất phi cao su phụ thuộ
c vào nhiều yếu tố. Một trong số các yếu tố có
ảnh hưởng rất lớn đến thành phần của cao su là phương pháp sản xuất cao su sản
phẩm. Những thành phần chính của CSTN được cho trong bảng 1.1
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


16
Bảng 1.1: Thành phần chính của CSTN [4,5].
Loại cao su




Thành phần chính (%)
Hong khói Crep trắng Bay hơi
1 Cacbuahydro
93÷ 95 93÷95 85÷90
2 Chất trích ly bằng axeton
1,5÷3,5 2,2÷3,45 3,6÷5,2
3 Chất chứa nitơ

2,2÷3,5 2,4÷3,8 4,2÷4,8
4 Chất tan trong nước
0,3÷0,85 0,2÷0,4 5,5÷5,72
5 Chất khoáng
0,15÷0,85 0,16÷0,85 1,5÷1,8
6 Độ ẩm
0,2÷0,9 0,2÷0,9 1,0÷2,5

b. Cấu tạo hoá học [19,20,24].
CSTN là polyme mạch cacbuahydro, tạo thành chủ yếu từ các mắt xích
isopren – cis, liên kết ở vị trí 1,4.
CH
2
– C = CH – CH
2
n
CH
3

Các mắt xích có thể là: + cis 1,4 polyisopenten
+ 1,2 polyisopenten
+ 3,4 polyisopenten






3
HC H

3
HC H
C=C
2
HC CH
2
C=C
-
2
HC CH
2
C=C
2
HC CH
2
-

3
HC H

(cis 1,4 poly isopenten)
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


17
Cùng công thức hoá học với CSTN nhưng có cấu tạo là trans–1,4 polyisopenten
là nhựa của loại cây có tên Gutapetra có tính chất khác hẳn[4,5].
1.4.1.3. Tính chất của CSTN.
a. Tính chất vật lý của CSTN.
Ở nhiệt độ thấp, CSTN có cấu trúc tinh thể, vận tốc kết tinh lớn nhất được xác

định ở nhiệt độ -25
o
C. CSTN kết tinh có biểu hiện rất rõ ràng: bề mặt cứng, mờ
đục…Các tính chất vật lý đặc trưng cho CSTN được cho trong bảng 1.6.
Bảng 1.2: Tính chất vật lý của CSTN[1,5,6].

Khối lượng riêng ( kg/m
3
) 913 – 914
Nhiệt độ hoá thuỷ tinh Tg (
o
C)
-70
o
C ÷ -72
0
C
Hằng số dãn nở thể tích ( dm
3
/
o
C) 656.10
-4

Nhiệt dẫn riêng ( W/m.
o
K ) 0,14
Nhiệt dung riêng ( KJ/kg.
o
K ) 1,88

Nửa chu kỳ kết tinh ở -25
o
C (giờ) 2 đến 4
Thẩm thấu điện môi ( 1000 h/s )
2,4 ÷ 2,7
Góc tổn hao điện môi (tgδ)
1,6.10
-3

Điện trở riêng ( Ωm )
3.10
12
– 5.10
12
Vận tốc truyền âm (m/s) ( ở 25
o
C ) 37
Khả năng tan trong dung môi Mạch thẳng, mạch vòng, CS
2
,CCl
4.
Không tan trong rượu, xetôn.


Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


18
b. Tính chất cơ lý của CSTN.
CSTN có thể lưu hoá bằng lưu huỳnh phối hợp với các xúc tiến lưu hoá. Tính

chất cơ lý cúa CSTN xác định theo hợp phần cao su tiêu chuẩn.
Bảng 1.3: Hợp phần cao su tiêu chuẩn[5,6].
STT Thành phần Hàm lượng (Tính theo PTL)
1 Cao su thiên nhiên 100,0
2 Lưu huỳnh 3,0
3 Xúc tiến lưu hóa M 0,7
4 ZnO 5,0
5 Axit stearic 0,5

Hỗn hợp lưu hoá ở 143 ±2oC, trong thời gian là 20÷30 (phút) CSTN được đặc
trưng bằng một số tính chất cơ lý sau đây :

Bảng 1.4: Tính chất cơ lý của CSTN [5,6].
Độ bền kéo đứt ( MPa )
22 ÷ 28
Độ dãn dài tương đối (%)
600 ÷700
Độ dãn dài dư ( % )
≤
12
Độ cứng tương đối (shore A) 65
Nhiệt độ làm việc
-60
o
C ÷ 60
o
C

CSTN có độn đàn tính cao hơn, chịu lạnh tốt, chịu tác động cơ học. CSTN
không có độc tính nên dùng trong y học và công nghiệp thực phẩm[5,6].

Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


19
c. Tính chất công nghệ của CSTN.
Trong quá trình bảo quản, CSTN thường chuyển sang trạng thái tinh thể, ở
25
0
C – 300C, hàm lượng pha tinh thể trong CSTN là 40%, trạng thái tinh thể làm
giảm tính mềm dẻo. CSTN có khả năng phối trộn tốt với các loại chất độn và các
chất phối hợp trên máy luyện kín hoặc hở, hợp phần trên cơ sở CSTN có độ kết
dính nội cao, khả năng cán tráng, ép phun tốt, mức độ co ngót kích thước sản phẩm
nhỏ. CSTN có thể phối trộn với các loại cao su không phân cực khác như IR, PB
theo mọi tỉ lệ
[5,6,28].
1.4.2. Hiểu biết chung về cao su EPDM
1.4.2.1. Lịch sử phát triển
Cao su EPDM được giới thiệu ở Mỹ năm 1962 với số lượng nhỏ và đưa ra thị
trường năm 1963. Nhưng tốc độ phát triển của loại cao su này rất nhanh, hiện nay
có bốn hãng sản xuất ở Mỹ, Ba ở Châu Âu và hai ở Nhật Bản [2,5,28].
Cao su EPDM thường được cung cấp bởi các hãng nổi tiếng như: Bayer,
Crompton Corp, Exxon – Mobil Chemical Co., DSM Elastromers, Dupont Dow
Elastromers, Herdillia, JSR, Kumho Polychem, Mitsui Chemicals, Polimeri Europa
và Sumitomo Chemical Co. …Dưới đây là biểu đồ sản xuất cao su EPDM trên thế
giới những năm gần đây.
1.4.2.2. Cấu trúc hóa học của cao su EPDM
EPDM là một terpolymer của Ethylene, Propylene và một diene không liên
hợp khác [28,29]. Có thể viết công thức tổng quát của EPDM như sau:
CH
2

CH
2
CH CH
2
(
)
n
)
m
CH
3
)
p
((

Cấu trúc của EPDM có chứa ENB

Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


20
Khối lượng phân tử trung bình của EPDM là 3.1 – 15.1 đ.v.c, phụ thuộc
vào tỉ lệ các thành phần.
Không phải các phân tử Etylen và Propylen sắp xếp theo trật tự nối tiếp, trái
lại có những đoạn nhỏ chỉ có Propylen hoặc Etylen. Thêm vào đó không những có
những mạch thẳng mà còn có mạch nhánh đó là những dien được thêm vào để giúp
cho sự lưu hóa bằng hệ thống lưu huỳnh [10,28].
Tỉ lệ Ethylene/Propylene ( E/P ): tỉ lệ % khối lượng E/P trong cao su từ 45/55
÷ 80/20.
Hàm lượng trung bình c

ủa diene trong cao su từ 1.5 ÷ 7.0 %, để nâng cao khả
năng lưu hóa và tôc độ lưu hóa hàm lượng có thể lên tới 11 %.
Tính chất của EPDM phụ thuộc vào cấu trúc của chuỗi polyme, số lượng và
hàm lượng các liên kết đôi không no của monome thứ 3 (diene ), và sự phân bố của
diene trong mạch chính mạch đại phân tử [10,28,31].
Cao su EPDM có cấu trúc vô định hình, tuy nhiên ở nhiệt độ thấp nó có cấu
trúc lớp tinh thể.
1.4.2.3. Tính chất của cao su EPDM
Cao su EPDM có khả năng bền nhiệ
t tương đối tốt. Đối với cao su lưu hóa
bằng lưu huỳnh khả năng lão hóa nhiệt xảy ra ở 130
0
C và 160
0
C khi lưu hóa bằng
peroxit [10,28].
Độ nhớt Mooney cơ bản để đánh giá khối lượng phân tử và tính chất gia công
của cao su EPDM. Độ nhớt Mooney thường được biểu diễn ở 100
0
C, 125
0
C hoặc
150
0
C.
Cao su EPDM là cao su không phân cực, do vậy cao su EPDM bền với các
dung môi phân cực như: nước, axit, rượu, xeton và các dung môi phân cực khác.
Tuy nhiên nhược điểm chính của nó là dễ hấp thụ dầu, do đó hạn chế việc sử
dụng trong môi trường dầu mỡ.
Các copolyme và terpolyme của ethylene và propylene đều có cấu trúc mạch

chính hoàn toàn bão hòa. Do đó chúng có thể tạo được các liên kết ngang bởi các
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


21
chất lưu hóa peroxide. Tuy nhiên, cao su EPDM còn có một liên kết đôi-C=C-
không tham gia vào mạch chính mạch đại phân tử, do vậy nó còn có khả năng lưu
hóa bằng lưu huỳnh [10,28,31].
Bảng 1.5: Một số tính chất của cao su EPDM [31]

Các tính chất của polyme
Độ nhớt Mooney, ML (1+4) 125
0
C 5 – 200+
Hàm lượng Ethylene, % KL 45 – 80
Hàm lượng diene, % KL 0 – 15
khối lượng riêng, g/ml 0.855 – 0,88 (phụ thuộc thành phần polyme)
Tính chất của cao su đã lưu hóa
Độ cứng, Shore A Durometer 30A – 95A
Độ bền kéo, Mpa 7 – 21
Độ giãn dài, % 100 – 600
Độ giãn dài dư, B % 20 – 60
Khoảng nhiệt độ sử dụng,
0
C -5 ÷ 160
Chống xé rách Thường tới tốt
Chống mài mòn Tốt tới cực tốt
Biến dạng đàn hồi Thường tới tốt
Tính cách điện Cực tốt

Bảng 1.6: So sánh các tính chất của sản phẩm cao su EPDM với các loại cao su
khác

Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


22
Tính chất EPDM CSTN CSCP
Khối lượng riêng 0,86 0,92 1,23
Lực kéo đứt có chất
độn gia cường, psi tối
đa
3.400 4.000 4.000
Độ dãn dài, có chất
độn gia cường, % tối
đa
500 700 500
Nhiệt độ sử dụng cao
nhất,

300 – 500 170 – 250 200 - 300
Điểm hóa cứng,
-75 -70 -45
Biến dạng nén, % 10 – 30 10 – 15 15 – 30
Độ nẩy, (Yersley) 75 80 75
Lực xé rách, 1b/in 100 – 250 200 – 250 200 – 250
Hằng số điện môi khối
kháng, Ohm-cm
1

1

1

Sức cản điện, V/mil 500 – 1400 400 – 600 100 – 600
Tính kháng

Thời tiết Rất tốt Tốt – TB Tốt
ozon Rất tốt Xấu Tốt
Axit và kiềm Rất tốt Tốt Rất tốt
Dầu và dung môi Xấu Xấu Tốt
Mài mòn Tốt- rất tốt Tốt- rất tốt Tốt- rất tốt
Biến dạng nén Tốt- rất tốt Tất tốt Tốt
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


23
Xé rách Tốt Rất tốt TB
Nhiệt độ thấp Tốt- rất tốt Tốt Tốt
Thẩm khí Xấu Tốt Tốt

EPDM được tổng hợp đầu tiên bằng phản ứng trùng hợp sử dụng xúc tác
Zeigler – Natta. Sau này được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau: dung
dịch, nhũ tương và pha khí [30,31]. Mỗi quá trình tổng hợp khác nhau thì sản phẩm
cuối cùng có tính chất khác nhau, quá trình trùng hợp dung dịch thường được sử
dụng nhiều trong sản xuất công nghiệp.
a. Khả năng chịu nhiệt
Cao su EPDM được ứng dụng nhiều trong ngành công nghệ ô tô để chế
tạo
các sản phẩm chịu nhiệt từ 70 – 100ºC , trong những trường hợp đặc biệt (ống tản

nhiệt) thì yêu cầu nhiệt độ cao hơn. Nếu nhiệt độ thấp hơn 135ºC thì EPDM sử dụng
hệ lưu hóa là lưu huỳnh/chất xúc tiến. Nếu nhiệt độ lưu hóa cao hơn 135ºC thì sử
dụng hệ lưu hóa là peroxit, cho thêm vào các oxit kim loại ZnO hoặc MgO còn tăng
khả năng chịu nhiệt cho cao su [2,29,30,31].
b. Khả năng chịu ozon và thời tiết
Cao su EPDM có mạch chính đã bão hòa do đó khả năng chống chịu ozon rất
tốt và không phải sử dụng thêm bất cứ chất chống ozon hóa nào. EPDM có thể trộn
hợp blend với các chất nhạy ozon khác để nhằm mục đích tăng tính chống ozon cho
vật liệu. Các blend này có ứng dụng quan trọng đặc biệt trong sản xuất các loại cao
su làm sườn lốp [29, 30, 31].
Khả năng ch
ống chịu thời tiết của EPDM đã mở ra ứng dụng để sản xuất các
profile và các lớp đệm cửa sổ, cáp điện, các lớp phủ trần nhà, các bộ giảm chấn và
hấp thụ song xung kích. Một hướng sản phẩm mới của cao su EPDM là ứng dụng
làm màng lợp với khả năng chịu thời tiết tốt, ozon, nhiệt và ẩm. Tấm EPDM có
nhiều ưu điể
m vượt trội so với các vật liệu truyền thống như: nhẹ hơn, bền hơn,
chống chịu tốt với các tác nhân ngoại cảnh [29, 30, 31]…
c. Khả năng chịu với hóa chất và các dung môi hữu cơ
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


24
Tính chất không phân cực và trơ về mặt hóa học của EPDM làm gia tăng khả
năng chống lại các tác nhân phân cực và oxy hóa như: cồn, xeton, este, glycol và
thậm chí cả nước, các chất tải lạnh, dầu phanh thủy lực. Vật liệu này cũng có khả
năng chống chịu với kiềm và axit. Nhược điểm của EPDM là khả năng chống chịu
kém với các dung môi hydrocacbon và các nhiên liệu hydrocacbon. Tuy vậy, nhược
điểm này có thể
khắc phục bằng cách bổ xung dầu pha loãng vào vật liệu để tạo ra

loại cao su xốp pha dầu với khối lượng phân tử cao. Ngoài ra hàm lượng cao
termonome cũng giúp tăng khả năng chịu dầu thông qua việc gia tăng mật độ liên
kết ngang [29, 30, 31].
d. Một số tính chất khác
+ Các tính chất điện: EPDM có khả năng cách điện rất tốt, chống chịu thời tiết
tốt nên được sử d
ụng rất rộng rãi trong chế tạo cáp điện.
+ Tương hợp tốt với polyolefin: EPDM tương hợp tốt với các polyolefin như:
PE, PP. Cao su EPDM thường được bổ sung vào các chất dẻo này để nâng cao khả
năng chịu va đập.
1.4.2.4. Các chất phối liệu thường sử dụng trong cao su EPDM
a. Các chất xúc tiến lưu hóa
Các chất xúc tiến sử dụng cho hệ phản ứng và độ hòa tan lớn nhất của chúng
được trình bày ở
bảng 1.7.


Bảng 1.7: Độ hòa tan của các chất xúc tiến trong EPDM (theo 100 PKL) [23]
Giới hạn trên của
độ hòa tan
Chất xúc tiến Ký hiệu hóa học

0,3
Telua dietyl dithiocacbamat
Bitmut dimetyl dithiocacbamat
Đồng dimetyl dithiocacbamat
TDEC
BiDMC
CuDMC