Nghiên Ứu Hế Tạo Ao Su Hống Rung Trên Ơ Sở Ao Su Thiên Nhiên.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TRẦN VIẾT TIỆP

TRẦN VIẾT TIỆP

KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CAO SU CHỐNG RUNG
TRÊN CƠ SỞ CAO SU THIÊN NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT HÓA HỌC

2016A
Hà Nội – 2018

1708330025927e0f0e259-8678-4333-9575-a399756bb515
17083300259274d040472-c4b2-41d6-8324-71c782ebfdb6
17083300259273a993018-85f1-44db-8b5c-0cf1dbebc2ee


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TRẦN VIẾT TIỆP

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CAO SU CHỐNG RUNG
TRÊN CƠ SỞ CAO SU THIÊN NHIÊN

Chuyên ngành : KỸ THUẬT HÓA HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS. Đặng Việt Hưng

Hà Nội – 2018


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn đến TS. Đặng Việt Hưng đã nhiệt tình, hướng dẫn
và chỉ bảo em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này. Em
cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cơ đang cơng tác tại trung tâm
nghiên cứu vật liệu Polyme, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, NCS Nguyễn
Trọng Quang và các bạn sinh viên khóa 57, 58, 59 đang học tập tại trung tâm đã
giúp đỡ, thảo luận, đóng góp ý kiến q báu để cho em có thể hồn thành được luận
văn này.

Hà nội, 02-2018
Học viên

Trần Viết Tiệp

i


MỤC LỤC

Trang
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ v

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ.......................................................... vii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT......................................... x
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam .......................................... 2
Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu của luận văn ............ 4
Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả ........... 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................. 5
1.1.Cao su tự nhiên (CSTN).......................................................................... 5
1.1.1.Lịch sử phát triển ............................................................................. 5
1.1.2.Thành phần và cấu tạo của cao su tự nhiên ..................................... 6
1.1.3.Tính chất cơ lý của CSTN................................................................ 7
1.1.4.Tính chất hóa học CSTN.................................................................. 8
1.1.5.Tính cơng nghệ CSTN ..................................................................... 9
1.1.6.Ứng dụng CSTN .............................................................................. 9
1.2. Kết cấu chống rung ................................................................................ 9
1.2.1.Các vật liệu chống rung ................................................................... 9
1.2.1.1.Kim loại ................................................................................... 10
1.2.1.2.Polyme..................................................................................... 11
1.2.1.3.Ceramic ................................................................................... 11
1.2.2.So sánh giữa các vật liệu ................................................................ 11
1.3.Vật liệu chống rung trên cơ sở cao su ................................................... 12
1.3.1.Ảnh hƣởng của loại cao su ............................................................. 14
1.3.2.Ảnh hƣởng của hệ xúc tiến ............................................................ 16
1.4.3.Ảnh hƣởng của chất độn ................................................................ 17
1.3.4.Ảnh hƣởng của chất hóa dẻo .......................................................... 19
1.4.Một số đặc điểm về tính chất cơ học của cao su trong KCCR ............. 20
1.4.1.Độ đàn hồi ...................................................................................... 21
ii

1.4.2.Modun đàn hồi (E), modun trƣợt (G)............................................. 21
1.4.3.Độ rão ............................................................................................. 22
1.4.4.Modun đàn hồi động (Ed), độ cứng động (Td) ............................... 22
1.5.Kết cấu chống rung cao su trong phƣơng tiện đƣờng sắt. .................... 24
CHƢƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27
2.1. Hóa chất và thiết bị .............................................................................. 27
2.1.1. Hóa chất ........................................................................................ 27
2.1.2. Thiết bị .......................................................................................... 27
2.2. Phƣơng pháp chế tạo mẫu .................................................................... 28
CHƢƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 30
3.1.Đặc trƣng lƣu hóa của cao su ................................................................ 30
3.1.1.Ảnh hƣởng silica và silica biến tính silan ...................................... 32
3.1.2.Ảnh hƣởng của oxit sắt từ .............................................................. 38
3.1.3.Ảnh hƣởng Blend NR/CR .............................................................. 43
3.2.Các thơng số ảnh hƣởng đến tính chất cơ lý cao su .............................. 49
3.2.1.Ảnh hƣởng của độ nhớt mooney .................................................... 49
3.2.3.Ảnh hƣởng của loại than ................................................................ 52
3.2.4.Ảnh hƣởng của nhựa đƣờng ........................................................... 53
3.2.5.Ảnh hƣởng của loại silica............................................................... 54
3.2.5.1.Ảnh hƣởng đến độ trƣơng nở trong dung môi ........................ 54
3.2.5.2.Ảnh hƣởng đến tính chất cơ học của vật liệu.......................... 55
3.2.5.3.Ảnh hƣởng lên biến dạng nén dƣ ............................................ 56
3.2.6.Ảnh hƣởng của thời gian hỗn luyện ............................................... 57
3.2.7. Ảnh hƣởng của bari ferit ............................................................... 58
3.2.8.Ảnh hƣởng của loại xúc tiến .......................................................... 59
3.3. Tính chất lão hóa nhiệt và tải trọng động ............................................ 61
3.3.1.Tính chất cơ lý và hiệu ứng mullin ................................................ 62
3.3.2. Sự hình thành và phát triển vết nứt ............................................... 68
3.3.2.1. Hình thành và phát triển vết nứt của mẫu cao su chứa than đen
............................................................................................................. 68

3.3.2.2. Hình thành và phát triển vết nứt của cao su chứa silica......... 71
iii


3.3.2.3. Hình thành và phát triển vết nứt của cao su chứa bari ferit ... 75
3.4.Các tính chất tổng hợp .......................................................................... 77
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 81
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 87

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1: Tính chất cơ lý của cao su tự nhiên............................................................7
Bảng 1.2: Hệ số tắt rung của một số loại cao su ...................................................... 15
Bảng 1.3: Ảnh hưởng hàm lượng mica đến khả năng chống rung của cao su butyl.
................................................................................................................................... 18
Bảng 1.4: Ảnh hưởng hàm lượng hóa dẻo đến khả năng chống rung của cao su. ...20
Bảng 1.5: Các tính chất cơ bản của một số loại cao su dùng trong kỹ thuật đường
sắt. ............................................................................................................................. 25
Bảng 2.1: Đơn chế tạo hợp phần cao su. ..................................................................28
Bảng 3.1:Các thông số đặc trưng lưu hóa của cao su thiên nhiên và cao su thiên
nhiên chứa silica, silica biến tính. ............................................................................33
Bảng 3.2: Bảng năng lượng hoạt hóa của mẫu cao su thiên nhiên (NR)và có sử
dụng, silica khơng biến tính (NR + SiKBT) và silica biến tính (NR + SiBT). ..........38
Bảng 3.3: Bảng thống kê thơng số lưu hóa của mẫu cao su sử dụng oxit sắt Fe3O4.
................................................................................................................................... 42
Bảng 3.4: Bảng năng lượng hoạt hóa của mẫu NR chứa oxit sắt. ........................... 42

Bảng 3.5: Bảng thống kê thơng số lưu hóa của mẫu cao su sử dụng blend NR/CR. 47
Bảng 3.6: Thông số lưu hóa của mẫu blend NR/CR ................................................. 48
Bảng 3.7: Tính chất cơ lý của mẫu cao su tờ và cao su sơ luyện. ............................ 50
Bảng 3.8: Bảng các tính chất cơ lý của mẫu cao su sử dụng hàm lượng dầu khác
nhau. .......................................................................................................................... 51
Bảng 3.9: Bảng các tính chất cơ lý của mẫu cao su sử dụng than N330 và N660. ..52
Bảng 3.10: Bảng các tính chất cơ lý của mẫu cao su sử dụng nhựa đường và không
sử dụng nhựa đường.................................................................................................. 53
Bảng 3.11: Độ trương nở của mẫu cao su sử dụng silica biến tính và silica khơng
biến tính trong toluen. ...............................................................................................55
Bảng 3.12: Bảng các tính chất cơ lý của mẫu cao su sử dụng silica biến tính và
khơng biến tính. .........................................................................................................56
Bảng 3.13: Ảnh hưởng của các loại silica lên biến dạng nén dư. ............................56
Bảng 3.14: Bảng các tính chất cơ lý của mẫu cao su với thời gian hỗn luyện khác
nhau. .......................................................................................................................... 57
Bảng 3.15: Bảng tính chất cơ lý của cao su sử dụng các hàm lượng bari ferit thay
đổi. ............................................................................................................................. 58
Bảng 3.16: Đơn chế tạo hợp phần cao su với loại xúc tiến thay đổi. .......................59

v


Bảng 3.17: Bảng các tính chất cơ lý của mẫu cao su với xúc tiến khác nhau. ......... 60
Bảng 3.18:Tính chất cơ lý sau tác động của tải trọng chu kỳ ở nhiệt độ phịng. .....63
Bảng 3.19: Tính chất cơ lý sau tác động của tải trọng chu kỳ ở nhiệt độ 70 oC thời
gian 22h. ....................................................................................................................63
Bảng 3.20: Tính chất cơ lý sau tác động của tải trọng chu kỳ ở nhiệt độ 70 oC thời
gian 44h. ....................................................................................................................63
Bảng 3.21:Tính chất cơ lý sau tác động của tải trọng chu kỳ ở nhiệt độ 70 oC thời
gian 88h. ....................................................................................................................64

Bảng 3.22: Tính chất cơ lý sau tác động của tải trọng chu kỳ ở nhiệt độ 70 oC thời
gian 216h. ..................................................................................................................64
Bảng 3.23: Tính chất cơ lý sau tác động của tải trọng chu kỳ ở nhiệt độ 110oC thời
gian 48h. ....................................................................................................................64
Bảng 3.24: Đơn chế tạo hợp phần cao su chống rung tối ưu ..................................78

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Sản lượng CSTN trên thế giới. ....................................................................6
Hình 1.2: Cấu trúc hóa học của cao su tự nhiên. .......................................................7
Hình 1.3:Vật liệu cao su từ tính cấu trúc đồng nhất (a) và cấu trúc khơng đồng
nhất (b). .....................................................................................................................19
Hình 1.4: Sự phụ thuộc Ed /E vào độ cứng cao su [48].............................................22
Hình 1.5: Đường phụ thuộc tải trọng – biến dạng động và tĩnh của cao su. ...........23
Hình 2.1:Thiết bị đo mỏi động ZL3006A. .................................................................28
Hình 3.1:Đường cong lưu hóa của mẫu cao su thiên nhiên (NR) và có sử dụng,
silica khơng biến tính (NR + SiKBT) và silica biến tính (NR + SiBT). ....................34
Hình 3.2:Đường cong lưu hóa của mẫu cao su thiên nhiên (NR) và có sử dụng,
silica khơng biến tính (NR + SiKBT) và silica biến tính (NR + SiBT) đã chuẩn hóa.
...................................................................................................................................34
Hình 3.3: Đường cong lưu hóa của mẫu cao su thiên nhiên (NR) ở các nhiệt độ
khác nhau. .................................................................................................................35
Hình 3.4: Đường cong lưu hóa của mẫu cao su thiên nhiên đã chuẩn hóa ở các
nhiệt độ khác nhau. ...................................................................................................35
Hình 3.5: Đường cong lưu hóa của mẫu cao su thiên nhiên (NR) sử dụng silica
khơng biến tính (NR + SiKBT). .................................................................................36
Hình 3.6:Đường cong lưu hóa của mẫu cao su thiên nhiên (NR) sử dụng silica

khơng biến tính (NR + SiKBT) đã chuẩn hóa. ..........................................................36
Hình 3.7: Đường cong lưu hóa của mẫu cao su thiên nhiên (NR) sử dụng silica biến
tính (NR + SiBT). ......................................................................................................37
Hình 3.8: Đường cong lưu hóa của mẫu cao su thiên nhiên (NR) và có sử dụng,
silica biến tính đã chuẩn hóa ở các nhiệt độ khác nhau. ..........................................37
Hình 3.9: Đường cong lưu hóa của mẫu cao su sử dụng 1pkl ơxit sắt ở các nhiệt độ
khác nhau. .................................................................................................................39
Hình 3.10: Đường cong lưu hóa đã chuẩn hóa của mẫu cao su sử dụng 1pkl ôxit sắt
ở các nhiệt độ khác nhau...........................................................................................39
Hình 3.11: Đường cong lưu hóa của mẫu cao su sử dụng 3pkl ôxit sắt ở các nhiệt
độ khác nhau. ............................................................................................................40
Hình 3.12: Đường cong lưu hóa đã chuẩn hóa của mẫu cao su sử dụng 3pkl ôxit sắt
ở các nhiệt độ khác nhau...........................................................................................40
Hình 3.13: Đường cong lưu hóa của mẫu cao su sử dụng 5pkl ôxit sắt ở các nhiệt
độ khác nhau. ............................................................................................................41

vii


Hình 3.14: Đường cong lưu hóa đã chuẩn hóa của mẫu cao su sử dụng 5pkl ơxit sắt
đã chuẩn hóa ở các nhiệt độ khác nhau. ...................................................................41
Hình 3.15: Đường cong lưu hóa của mẫu blend NR/CR với hàm lượng CR thay đổi.
...................................................................................................................................43
Hình 3.16: Đường cong lưu hóa đã chuẩn hóa của mẫu blend NR/CR với hàm
lượng CR thay đổi. ....................................................................................................44
Hình 3.17: Đường cong lưu hóa của mẫu blend NR/CR với hàm lượng5pkl CR tại
nhiệt độ khác nhau. ...................................................................................................44
Hình 3.18:Đường cong lưu hóa đã chuẩn hóa của mẫu blend NR/CR với hàm lượng
5pkl CR tại nhiệt độ khác nhau. ................................................................................45
Hình 3.19: Đường cong lưu hóa của mẫu blend NR/CR với hàm lượng 7pkl CR tại

nhiệt độ khác nhau. ...................................................................................................45
Hình 3.20: Đường cong lưu hóa đã chuẩn hóa của mẫu blend NR/CR với hàm
lượng 7pkl CR ở các nhiệt độ khác nhau. .................................................................46
Hình 3.21: Đường cong lưu hóa của mẫu blend NR/CR với hàm lượng 10pkl CR ở
các nhiệt độ khác nhau..............................................................................................46
Hình 3.22: Đường cong lưu hóa đã chuẩn hóa của mẫu blend NR/CR với hàm
lượng 10pkl CR ở các nhiệt độ khác nhau. ...............................................................47
Hình 3.23: Đồ thị khảo sát độ nhớt mooney của mẫu cao su tờ và cao su sơ luyện ở
100 oC. .......................................................................................................................49
Hình 3.24: Đồ thị dãn dài- ứng suất của các loại cao su khác nhau. ......................50
Hình 3.25: đồ thị dãn dài-ứng suất của các mẫu cao su theo hàm lượng dầu khác
nhau. ..........................................................................................................................51
Hình 3.26: đồ thị dãn dài-ứng suất của các mẫu cao su theo loại than khác nhau. 52
Hình 3.27: đồ thị dãn dài- ứng suất của mẫu cao su chứa nhựa đường và không
chứa nhựa đường. .....................................................................................................53
Hình 3.28: Đồ thị độ trương nở của mẫu cao su sử dụng silica biến tính và silica
khơng biến tính. .........................................................................................................54
Hình 3.29: Đồ thị dãn dài-ứng suất của các mẫu cao su theo loại silica biến tính và
khơng biến tính. .........................................................................................................55
Hình 3.30: Đồ thị dãn dài-ứng suất ảnh hưởng của thời gian hỗn luyện.................57
Hình 3.31: Đồ thị dãn dài- ứng suất của các mẫu cao su theo hàm lượng bari ferit
khác nhau. .................................................................................................................58
Hình 3.32: Đồ thị dãn dài- ứng suất ảnh hưởng của loại xúc tiến. ..........................60
Hình 3.33: Đồ thị dãn dài- ứng suất mẫu cao su không già hóa và thử độ mỏi.......65
Hình 3.34: Đồ thị dãn dài-ứng suất của mẫu cao su được già hóa tại 70 oC trong
22h và thử độ mỏi. .....................................................................................................66

viii

Hình 3.35: Đồ thị dãn dài-ứng suất của mẫu cao su được già hóa tại 70 oC trong
44h và thử độ mỏi. .....................................................................................................66
Hình 3.36: Đồ thị dãn dài-ứng suất của mẫu cao su được già hóa trong 88h và thử
độ mỏi. .......................................................................................................................67
Hình 3.37: Đồ thị dãn dài-ứng suất của mẫu cao su được già hóa tại 110 oC trong
44h và thử độ mỏi. .....................................................................................................67
Hình 3.38: Sự hình thành và phát triển vết nứt của mẫu cao su sử dụng than sau khi
lão hóa ở 70 oC trong 96h sau 4000 chu kỳ. ..............................................................68
Hình 3.39: Sự hình thành và phát triển vết nứt của mẫu cao su sử dụng than sau khi
lão hóa ở 70 oC trong 96h sau 8000 chu kỳ. ..............................................................69
Hình 3.40: Sự hình thành và phát triển vết nứt của mẫu cao su sử dụng than sau khi
lão hóa ở 70 oC trong 96h sau 10000 chu kỳ(mép ngồi). ........................................69
Hình 3.41: Sự hình thành và phát triển vết nứt của mẫu cao su sử dụng than sau khi
lão hóa ở 70 oC trong 96h sau 15000 chu kỳ(mép ngồi). ........................................70
Hình 3.42: Sự hình thành và phát triển vết nứt của mẫu cao su sử dụng than sau khi
lão hóa ở 70 oC trong 96h sau 10000 chu kỳ(mép trong). .........................................70
Hình 3.43: Sự hình thành và phát triển vết nứt của mẫu cao su sử dụng than sau khi
lão hóa ở 70 oC trong 96h sau 15000 chu kỳ(mép trong). .........................................71
Hình 3.44: Các vết nứt của cao su thiên nhiên khơng chứa silica ở các vị trí khác
nhau. ..........................................................................................................................72
Hình 3.45: Các vết nứt cao su thiên nhiên sử dụng SiKBT tại 20000 chu kỳ. ..........72
Hình 3.46: Các vết nứt cao su thiên nhiên sử dụng SiBT tại 20000 chu kỳ..............73
Hình 3.47: Các vết nứt cao su thiên nhiên sử dụng SiKBT khi đứt ở 22670 chu kỳ.
...................................................................................................................................73
Hình 3.48: Các vết nứt cao su thiên nhiên sử dụng SiBT khi đứt ở 26910 chu kỳ. ..74
Hình 3.49: Các vết nứt của cao su thiên nhiên có silica biến tính ở 18000 chu kỳ. .74
Hình 3.50: Các vết nứt của cao su thiên nhiên có silica biến tính ở 26910 chu kỳ. .75
Hình 3.51: Các vết nứt của cao su thiên nhiên có bari ferit 1pkl. ............................76
Hình 3.52: Các vết nứt của cao su thiên nhiên có bari ferit 3pkl. ............................76
Hình 3.53: Các vết nứt của cao su thiên nhiên có bari ferit 5pkl. ............................77

Hình 3.54: Biểu đồ rada tổng hợp các tính chất của cao su thiên nhiên trong đơn
chế tạo cao su chống rung. .......................................................................................77

ix


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu và chữ viết tắt

Chú giải

CSTN, NR

Cao su tự nhiên

CIIR

Chlorobutyl Rubber

CR

Polycloroprene

SBR

Styrene Butadien Rubber

DSC

Differential Scanning Calorimetry

NBR

Nitrile butadiene rubber

đ.v.C

Đơn vị Cacbon

pkl

phần khối lƣợng

NĐ

Nhựa đƣờng

N330, HAF

Than đen N330

N660

Than đen N660

TBBS

N-tertbutyl-2-benzothiazolsunfenamit

CZ

N-cyclohexyl-2-benzothiazol sunfenamit

TMTD

Tetrametyl Thiuram Disunfit

XRD

X-ray Diffraction

DMA

Dynamic Mechanical Analysis

DMTA

Dynamic Mechanical Thermal Analysis

MDR

Moving Die Rheometer

MH

Momen highest

ML
ODR

M
l
t
Oscillating Disc Rheometer

x


FTIR

Fourrier tranformation infrared

PTFE

Polytetrafluoroethylene

PA6

Polyamide 6

PMMA

Poly methyl methacrylate

xi


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài

Cao su thiên nhiên là nguồn tài nguyên thiên nhiên quan trọng của trái đất hiện
tại. Nó là một vật liệu quan trọng trong ngành cơng nghiệp cao su vì nó có tính chất
vật lý tuyệt vời nhƣ độ co dãn cao, độ bền kéo cao. Tuy nhiên cao su thiên nhiên
cũng có một số tính chất khơng mong muốn nhƣ: chống mài mịn thấp, tính chất lão
hóa kém, cũng nhƣ độ chịu dầu thấp, khả năng truyền nhiệt kém. Những. Để khắc
phục những hạn chế này, các nhà khoa học đã điều chỉnh đơn pha chế bằng cách
pha trộn cao su tự nhiên với hợp chất khác. Tuy nhiên, các q trình này có thể
khơng phải lúc nào cũng cải thiện đƣợc tính chất. Cao su thiên nhiên đƣợc xem là
một nguồn tài nguyên tái tạo và thân thiện với môi trƣờng. Sự biến đổi hóa học đã
trở thành một phƣơng pháp quan trọng để cải thiện tính chất của cao su tự nhiên và
mở rộng phạm vi sử dụng của nó.
Ngày nay, cao su chống rung, giảm chấn là những vật liệu vô cùng quan
trọng để đảm bảo cho các loại máy móc, thiết bị hoạt động tốt không gây tiếng ồn,
giảm sự hỏng hóc, duy trì khả khả năng làm việc máy móc hay để hỗ trợ và cơ lập
các cấu trúc thƣợng tầng từ rung động giao thông và chuyển động địa chấn. Gần
đây, chúng cũng đƣợc sử dụng làm hệ thống cách ly cơ sở để bảo vệ cấu trúc các hệ
thống xây dựng trên quy mô lớn khỏi các trận động đất ở Nhật Bản, Hoa Kỳ và
Trung Quốc[10], [16],[35].
Việt Nam là nƣớc xuất khẩu cao su tự nhiên lớn trên thế giới, tuy nhiên chỉ là
cao su sơ chế có giá trị kinh tế thấp, chính vì vậy vẫn chƣa thể phát huy hết tiềm
năng nguyên liệu cao su tự nhiên Việt Nam. Các sản phẩm cao su kỹ thuật có giá
thành cao thì chúng ta vẫn phải nhập từ nƣớc ngồi. Từ thực tế đó, em đã lựa chọn
đề tài: “Nghiên cứu chế tạo cao su chống rung trên cơ sở cao su thiên nhiên” làm
đề tài cho luận văn của mình.

1


Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam
Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về các vật liệu chống rung
giảm chấn. Tuy nhiên chỉ có cao su là có khả năng chống rung và tắt rung ƣu việt
nhất.
Năm 1985, M. Abdulhadi, Irbid[25]đã coi 1 khối cao su hình trụ có hệ số giảm
chấn nhớt C eq là tƣơng đƣơng với 1 lị xo có độ cứng K và thơng qua mơ hình tốn
học đã xây dựng phƣơng trình dẫn nhiệt mô tả trƣờng nhiệt độ bên trong mẫu cao
su. Sau khi tiến hành đo nhiệt độ các vị trí khác nhau trong mẫu cao su đã rất đã kết
luận rằng mơ hình tốn học của cao su có độ tin cậy cao, và nhiều nhà khoa học đã
sử dụng các mơ hình tốn học và cơng cụ mơ phỏng để phân tích và kiểm sốt rung
động, phân tích phƣơng thức, theo dõi điều kiện và sửa đổi cấu trúc
động[51],[27],[31],[41].
Tác giả David Frankovich cũng có quan điểm giống với M. Abdulhadi và ông
đã xác định đƣợc công thức xác định hệ số đàn hồi K của vật liệu cao su có hình
dạng khác nhau. Khả năng chống rung của vật liệu cịn phụ thuộc vào hệ số hình
dạng do cao su không bị nén, nên khi đặt tải trọng lên sẽ bị xô lệch cấu trúc[18].
Năm 2001, D.D.L. Chung đã nghiên cứu về những vật liệu chống rung bằng
kim loại, polyme, ceramic và compozit [17]. Các kết quả cho thấy cao su neoprene
có khả năng tắt rung cao nhất (giá trị tan ) vƣợt trội nhƣng mơ đun tích trữ và mơ
đun tổn hao của nó lại thuộc hàng thấp nhất.
Năm 2011, Der-Ho Wu và Hsun-Heng Tsai [19] đã tìm ra phƣơng pháp chế
tạo hệ cao su thiên nhiên phối hợp với cacbon nanotube đa tƣờng có khả năng
chống rung cao. Đến năm 2014, Xun Lu, Xujun Li và Min Tian đã tạo ra đƣợc hỗn
hợp cao su blend có khả năng giảm xóc chống rung trong dải nhiệt độ và tần số cao
[49].Cũng trong năm 2011, nhóm tác giả Xing Zhou, Youyi Sun, Yong Jiang,
Yaqing Liu, Guizhe Zhao[48]đã đƣa các hạt oxit sắt từ dƣới dạng nano vào trong

2


cao su tự nhiên. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự cải thiện độ bền kéo và từ tính

bão hịa cao so với cao su tự nhiên.
Năm 2015, Choudhary và Kaur đã nghiên cứu vật liệu và ứng dụng chúng
trong hệ nano chống rung thu đƣợc kết quả cao[15]. Điều này cho thấy rằng các
nghiên cứu đa chiều liên quan đến vật liệu chống rung đang ngày càng phát triển
mạnh mẽ trên thế giới.
Năm 2017, Eunsoo Choi, Heejung Youn, Kyoungsoo Park, Jong-Su Jeon
đã thử nghiệm độ rung của lò xo cao su nén trƣớc và bộ giảm chấn thông minh[21].
Hệ thống trên bao gồm vật liệu là cao su trên cơ sở polyuretan và cơ cấu thép. Mơ
hình thử nghiệm này khẳng định có khả năng chống đƣợc động đất, mở ra một ý
nghĩa to lớn trong lĩnh vực xây dựng.
Tình hình nghiên cứu trong nước
Đối với Việt Nam, việc nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu và sản phẩm
cao su kỹ thuật trên cơ sở cao su thiên nhiên, cao su blend đã đƣợc thực hiện trong
vài năm gần đây. Năm 2014, Phạm Nhƣ Hoàn đã [7] nghiên cứu thành công sản
phẩm đệm chống rung trên cơ sở cao su butadiene nitril (NBR), làm việc trong điều
kiện chịu nén liên tục.
Năm 2015, Tác giả Bùi Chƣơng Đặng Việt Hƣng và các cộng sự[2] sử dụng
qui hoạch thực nghiệm và phần mềm phân tích phƣơng sai để nghiên cứu sự ảnh
hƣởng của hệ lƣu hóa đến tính chất blend NR/NBR. Kết quả chỉ ra đƣợc sự ảnh
hƣởng của hệ lƣu hóa đến thời gian lƣu hóa tối ƣu, độ bền kéo, độ dãn dài, độ
trƣơng nở.
Cũng trong những nghiên cứu về cao su chống rung nói trên, Đặng Việt
Hƣng và các cộng sự đã nghiên cứu các đặc trƣng và tính chất cơ học động của
blend NR/NBR[3]. Kết quả cũng cho thấy chất độn ảnh hƣởng chủ yếu đến mô đun
tổn hao của NBR nhƣng lại ảnh hƣởng chủ yếu đến tan  trong pha NR.

3


Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu của luận văn

Mục đích nghiên cứu: Chế tạo đƣợc cao su có khả năng tắt rung dƣới tải trọng lớn
trên cơ sở cao su thiên nhiên.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận văn: Để thực hiện mục tiêu trên, đã lựa
chọn đối tƣợng nghiên cứu là:
1. Nghiên cứu chế độ lƣu hóa cao su NR, xác định các đặc trƣng lƣu hóa, xây
dựng chế độ lƣu hóa tối ƣu.
2. Ảnh hƣởng của các cấu tử trong đơn (chất độn, hóa dẻo, hệ xúc tiến lƣu hóa)
đến tính chất cơng nghệ, tính chất cơ học tĩnh và từ đó tối ƣu hóa đơn pha chế.
3. Khảo sát các tính chất sử dụng của cao su NR
- Hệ số lão hóa nhiệt (độ bền kéo, dãn dài, độ cứng shore A).
- Một số tính chất cơ học: độ cứng nén, mơ đun nén, độ hồi phục.
- Khả năng chịu mỏi.
Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
 Khảo sát các đặc trƣng của cao su tự nhiên bao gồm: cơ lý, nhiệt và đặc
trƣng lƣu hóa, các yếu tố ảnh hƣởng đến cơ tính cao su nhƣ

độ nhớt

mooney, hàm lƣợng than, hàm lƣợng dầu hóa dẻo, silica, oxit sắt từ, bari
ferit, ảnh hƣởng của loại xúc tiến.
 Khảo sát tính chất lão hóa nhiệt và tải trọng động.
 Sử dụng các công cụ mơ phỏng để tính đƣợc năng lƣợng hoạt hóa và bậc
phản ứng.
 Kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu cao su thiên nhiên
chống rung, giảm chấn với các lĩnh vực khoa học khác nhƣ cơ khí, giao
thơng, điện tử… Nhằm đƣa đề tài ứng dụng thành công trong thực tế ở Việt
Nam.

4

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.Cao su tự nhiên (CSTN)
1.1.1.Lịch sử phát triển[24],[40]
Các nền văn hoá bản xứ của Mesoamerica là những nơi đầu tiên sử dụng cao
su. Mủ cao su tự nhiên chiết xuất từ cây Para sử dụng trong việc tạo ra quả bóng
ném Mesoamerican. Các nền văn hố Aztec và Maya sau đó đã bắt đầu sử dụng cao
su với nhiều mục đích khác nhau nhƣ sản xuất hàng dệt may và đồ chứa không thấm
nƣớc. Năm 1770, Joseph Priestley phát hiện ra rằng cao su có thể đƣợc sử dụng để
chà dấu hiệu bút chì trên giấy. Dần dần, các ứng dụng khác của cao su đã đƣợc phát
hiện, và việc sử dụng nó đã trở nên phổ biến khắp Châu Âu.
Khi việc sử dụng các sản phẩm cao su đã trở nên phổ biến hơn, một khiếm
khuyết đáng kể đã đƣợc nhận ra: ở nhiệt độ thấp, chúng trở nên cứng và mất độ đàn
hồi, trong khi ở nhiệt độ cao chúng trở nên quá mềm để giữ nguyên hình dạng ban
đầu. Năm 1839, Charles Goodyear phát hiện q trình lƣu hóa. Điều này bao gồm
một liên kết chéo của các phân tử cao su với lƣu huỳnh để tạo ra cấu trúc mạng
không gian ba chiều và ổn định. Kết quả của quá trình này, cao su thiên nhiên đã trở
thành một nguồn lực quan trọng về công nghiệp và là một vật liệu không thể thiếu
trong thời kỳ chiến tranh. Từ chiến tranh thế giới thứ 2 bùng nổ, cao su nhân tạo đã
đƣợc tạo ra tuy nhiên cao su tự nhiên vẫn đƣợc sử dụng cho nhiều ứng dụng và nhu
cầu sử dụng ngày càng lớn.

5


12000

Sản l-ợng( nghìn tấn)

10000

8000

6000

4000

2000

0
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Năm

Hỡnh 1.1: Sn lng CSTN trờn th gii[32].
1.1.2.Thnh phần và cấu tạo của cao su tự nhiên
Tùy thuộc vào các yếu tố nhƣ: phƣơng pháp sản xuất, tuổi của cây cao su, cấu
tạo thổ nhƣỡng khí hậu nơi cây sinh trƣởng, phát triển và mùa khai thác mủ cao su
mà CSTN có thành phần khác nhau[5],[6].
Thành phần hóa học các chất đƣợc trính ly bằng axeton bao gồm: 5,51% axit
béo (axit oleic, axit stearic) giữ vai trò làm trợ xúc tiến cho q trình lƣu hóa. Axit
béo trong cao su tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, 3% là este của các axit béo, 7% là
glucozit. Phần còn lại là các axit amin béo và các hợp chất photpho hữu cơ 0,08%
đến 0,16% các hợp chất hữu cơ kiềm tính: C 17 H42O3 và C20H30O. Những hợp chất
này có khả năng chống lại phản ứng oxi hóa mạch hydrocacbon và giữ vai trò chất
phòng lão tự nhiên cho cao su. Các chất chứa nitơ trong cao su thiên nhiên gồm
protein và các sản phẩm phân hủy protein là các axit amin. Protein làm giảm tính
năng kĩ thuật của cao su vì tăng tính năng hút ẩm và giảm tính cách điện của cao su.
Ngồi ra trong cao su thiên nhiên còn một số thành phần khác nhƣ: chất khống,
chất tro của q trình thiêu kết polyme[29].

Cao su thiên nhiên là polyisopren mà mạch đại phân tử của nó đƣợc hình thành
từ các mắt xích cis isopenten đồng phân liên kết với nhau ở vị trí 1,4.

6


Hình 1.2: Cấu trúc hóa học của cao su tự nhiên.
Ngồi các mắt xích isopren, đồng phân 1,4-cis trong cao su thiên nhiên cịn có
khoảng 2% các mắt xích isopenten tham gia vào hình thành mạch phân tử ở vị trí
3,4.
1.1.3.Tính chất cơ lý của CSTN
Cao su thiên nhiên ở nhiệt độ thấp có cấu trúc tinh thể. Vận tốc kết tinh lớn nhất
đƣợc xác định ở nhiệt độ -250 oC. Cao su thiên nhiên kết tinh có biểu hiện rõ ràng
lên bề mặt: độ cứng tăng, bề mặt vật liệu mờ (khơng trong suốt).
Bảng 1.1: Tính chất cơ lý của cao su tự nhiên.
Khối lƣợng riêng (kg/m3)

913

Nhiệt độ hóa thủy tinh (0C)

-70

Hệ số giãn nỡ thể tích (dm3/0 C)

656.10-4

Nhiệt dẫn riêng (W/m.0K)

1,4

Nhiệt dung riêng (kJ/Kg.0K)

1,88

Nữa chu kỳ kết tinh ở -250C (h)

2–4

Thẩm thấu điện môi ở tần số dao
động 1000Hz.

1,6.10-3

Tan của góc tổn thất điện mơi
Crep
trắng
Điện trở riêng (Ω.m)

2,4 – 2,7

5.1012

Crep
hong
khói

7

3.1012