nghiên cứu tận dụng nguồn phế thải làm vật liệu độn cho cao su

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (9.5 MB, 83 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH</b>

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT </b>

<b>Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2024 </b>

<b>KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP</b>

<b>NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HĨA HỌC</b>

<b>NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG NGUỒN PHẾ THẢI LÀM VẬT LIỆU ĐỘN CHO CAO SU </b>

<b> GVHD: TS GIANG NGỌC HÀ SVTH: LÊ NGUYỄN ANH THƯ</b>

S K L 0 1 2 4 3 0

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM VÀ KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH </b>

------

<b>KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC </b>

<b>SVTH: Lê Nguyễn Anh Thư MSSV: 19128081 </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>LỜI CẢM ƠN </b>

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn các thầy cơ tại Trung tâm Thí nghiệm Thực hành – Trường Đại học Công Thương TP.HCM và phịng lab khoa Cơng nghệ Hóa học và Thực phẩm – Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ em về mọi mặt trong suốt q trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này.

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Giang Ngọc Hà – vì sự tận tâm và kiến thức sâu rộng của thầy trong quá trình hướng dẫn nghiên cứu. Sự đồng hành và hỗ trợ từ thầy đã góp phần quan trọng giúp em vượt qua những khó khăn để hồn thành tốt khóa luận tốt nghiệp. Cảm ơn thầy vì những giá trị mà thầy đã truyền đạt cho em trong suốt thời gian làm việc cùng nhau.

Để có kiến thức như ngày hôm nay, em cũng xin gửi đến thầy cơ bộ mơn Cơng nghệ Hóa học – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, cũng như các thầy cô công tác tại Trường Đại học Công Thương TP.HCM. Nhờ có những kiến thức quý báu từ thầy cô trong bốn năm qua là nền tảng giúp em có thể vận dụng vào khóa luận tốt nghiệp và còn là hành trang để em vững bước trong tương lai.

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè. Đặc biệt là các bạn nhóm luận văn, cảm ơn các bạn vì đã ln bên cạnh hỗ trợ mình trong suốt quá trình làm luận văn. Những kỷ niệm và kinh nghiệm trong quá trình nghiên cứu là một phần quý giá trong cuộc đời em. Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả mọi người.

Trân trọng, Lê Nguyễn Anh Thư.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>LỜI CAM ĐOAN </b>

Tôi xin cam đoan rằng đây là cơng trình nghiên cứu độc lập của cá nhân tơi, có sự hỗ trợ từ Giáo viên hướng dẫn TS. Giang Ngọc Hà. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chính xác dựa trên sự tìm hiểu và nghiên cứu kỹ lưỡng của tôi. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được thu thập từ các nguồn khác nhau có trích dẫn cụ thể trong phần tài liệu tham khảo.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2024 Sinh viên thực hiện

Lê Nguyễn Anh Thư

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

1.1. Tổng quan về cao su Silicone ... 1

1.1.1. Đặc điểm cấu tạo cao su Silicone ... 1

1.1.2. Tính chất chung của cao su Silicone ... 1

1.1.3. Ứng dụng của cao su Silicone ... 3

1.1.4. Cao su Methy vinyl Silicone (MVQ) ... 4

1.2. Quá trình lưu hóa cao su ... 5

1.3. Ảnh hưởng của các thành phần trong đơn pha chế đến cao su ... 7

1.3.1. Peroxide ... 7

1.3.2. Chất độn ... 8

1.3.3. Chất phụ gia ... 9

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

1.4. Tổng quan về bã cà phê ... 10

1.4.1. Giới thiệu về bã cà phê ... 10

1.4.2. Thành phần hóa học trong bã cà phê ... 10

1.5. Tổng quan về vỏ sò ... 12

1.5.1. Giới thiệu về vỏ sò ... 12

1.5.2. Thành phần hóa học có trong vỏ sị ... 12

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 13

2.1. Phương tiện nghiên cứu ... 13

2.1.1. Nguyên liệu và hóa chất ... 13

2.1.2. Thiết bị ... 14

2.2. Đơn pha chế ... 15

2.3. Quy trình thực nghiệm ... 16

2.3.1. Sơ đồ khối quy trình xử lý chất độn trong dung mơi ... 16

2.3.2. Sơ đồ khối quy trình xử lý chất độn trong dung mơi có chất tương thích 182.3.3. Sơ đồ khối quy trình xử lý vỏ sị ... 19

2.3.4. Sơ đồ khối quy trình chuẩn bị mẫu ... 20

2.4. Các phương pháp phân tích cơ hóa lý sử dụng trong nghiên cứu ... 23

2.4.1. Phân tích phổ hồng ngoại Fourier Transformation InfaRed (FTIR) ... 23

2.4.2. Phân tích đường cong lưu biến Rheometer ... 23

2.4.3. Phân tích tính chất cơ lý ... 24

2.4.4. Quan sát hạt qua kính hiện vi quang học ... 26

2.4.5. Phân tích góc tiếp xúc (Contac Angle) ... 27

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

2.4.6. Phân tích nhiệt trọng lượng Thermal Gravimetric Analysis (TGA) ... 27

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ... 29

3.1. Kết quả khảo sát cao su dùng độn SCG được xử lý bề mặt và ngâm trong dung môi 293.1.1. FTIR ... 29

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

vii

<b>DANH MỤC BẢNG </b>

Bảng 1. 1. Thông số kỹ thuật của MVQ ... 5

Bảng 2. 1. Danh sách hóa chất dung trong thực nghiệm ... 13

Bảng 2. 2. Danh sách thiết bị dung trong thực nghiệm ... 14

Bảng 2. 3. Đơn pha chế của cao su ... 15

<b> </b>

Bảng 2. 1. Danh sách hóa chất dung trong thực nghiệm ... 13

Bảng 2. 2. Danh sách thiết bị dung trong thực nghiệm ... 14

Bảng 2. 3. Đơn pha chế của cao su ... 15

Bảng 3. 1. Kết quả đo góc tiếp xúc của cao su sau khi độn ... 31

Bảng 3. 2. Ảnh hưởng của SCG ngâm trong dung mơi đến đặc tính lưu hóa ... 33

Bảng 3. 3. Kết quả đo độ bền kéo của cao su dùng SCG xử lý trong dung môi ... 34

Bảng 3. 4. Kết quả đo độ cứng của cao su dùng SCG xử lý trong dung môi ... 35

Bảng 3. 5. Kết quả đo lưu hóa của cao su dùng độn SCG có TMCS ... 38

Bảng 3. 6. Kết quả đo đường cong lưu hóa của cao su dùng độn SCG có TMCS ... 39

Bảng 3. 7. Kết quả độ độ bền kéo của độn SCG có TMCS ... 39

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

viii

Bảng 3. 8. Kết quả đo độ cứng của cao su dùng độn SCG có TMCS ... 41

Bảng 3. 9. Kết quả đo đường cong lưu hóa của độn vơ cơ và hữu cơ... 43

Bảng 3. 10. Kết quả đo độ bền kéo của độn vô cơ và hữu cơ ... 44

Bảng 3. 11. Kết quả đo độ cứng củ từng chất độn ở các phần trăm khác nhau ... 46

<b>DANH MỤC HÌNH </b>

Hình 1. 1. Cấu trúc chung của cao su silicone ... 1

Hình 1. 2. Cấu trúc cao su methyl vinyl silicone ... 4

Hình 1. 3. Cấu trúc 2,5-dimethyl 2,5-di(tert-butylperoxy)hexane (DHBP) ... 5

Hình 2. 6. Sơ đồ quy trình gia cơng mẫu ... 20

Hình 2. 7. Sơ đồ quy trình gia cơng mẫu ... 21

Hình 2. 8. Tiêu chuẩn mẫu quả tạ ... 24

Hình 2. 9. Đồng hồ đo độ cứng ... 25

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Hình 2. 10. Kính hiển vi quang học OPTIKA ... 26

Hình 2. 11. Kính hiển vi cầm tay ... 27

Hình 3. 1. Kết quả chụp SEM bã cà phê nghiền bi ... 29

Hình 3. 2. Kết quả chụp SEM bã cà phê đánh siêu âm ... 29

Hình 3. 3. Phổ FTIR của SCG trước và sau khi ngâm trong dung mơi ... 30

Hình 3. 4. Kết quả đo góc tiếp xúc của cao su sau khi độn ... 32

Hình 3. 5. Độ bền kéo của cao su dùng SCG xử lý trong dung mơi ... 34

Hình 3. 6. Độ cứng của cao su dùng SCG xử lý trong dung mơi ... 36

Hình 3. 7. Phổ FTIR của SCG có thêm TMCS ... 37

Hình 3. 8. Độ bền kéo của SCG có TMCS ... 40

Hình 3. 9. Độ cứng của cao su dùng độn SCG có TMCS ... 41

Hình 3. 10. Mẫu cao su với các tỷ lệ độn khác nhau ... 42

Hình 3. 11. Kết quả chụp SEM của vỏ sị ... 42

Hình 3. 12. Kết quả chụp dưới kính hiển vi cao su khi độn SS (bên trái) và SCG (bên phải) ... 43

Hình 3. 13. Ảnh hưởng của độn vô cơ và hữu cơ đến độ bền kéo ... 45

Hình 3. 14. Kết quả đô độ cứng của từng mẫu ở các khối lượng khác nhau ... 47

Hình 3. 15. Giản đồ TGA và dTG của SIR/10 TMCS ... 48

Hình 3. 16. Giản đồ TGA và dTG của SIR ... 48

Hình 3. 17. Giản đồ TGA và dTG của SIR/10 SS ... 49

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b>DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT </b>

VMQ Vinyl methyl silicone rubber

DSC Differential scanning calorimetry

FTIR <sup>Fourier transform infrared </sup>(spectroscopy)

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

xii

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

xiii

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

xiv

<b>TÓM TẮT KHÓA LUẬN </b>

Nghiên cứu về các chất độn được áp dụng trong ngành công nghiệp cao su đã thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng nghiên cứu. Tuy nhiên, khá ít báo cáo về các nghiên cứu đối với chất độn trong cao su silicone, mặc dù silicone mang lại những tính chất vượt trội và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng so với các loại cao su thơng thường. Vì

<i><b>vậy, trong “Nghiên cứu xử lý chất thải làm vật liệu độn cho cao su”, tôi thực hiện để </b></i>

tái chế lượng rác thải nông nghiệp và còn mong muốn tạo ra được loại độn mới an tồn và thân thiện với mơi trường.

Do tính khơng tương thích giữa cao su và chất độn, vì vậy trong nghiên cứu này tôi tập trung dùng các phương pháp cơ học (đánh đồng hóa siêu âm) và hóa học (ngâm trong dung mơi hoặc xử lý trong chất tương hợp TMCS) để có thể cải thiện mức độ tương thích cũng như cải thiện sản phẩm cuối cùng của sản phẩm. Sau khi tiến hành các phương pháp đánh giá như đo FTIR, đo lưu biến, đo cơ tính, đo độ cứng. Kết quả cho thấy mặt dù độ bền kéo giảm ở bất kì loại chất độn nào. Nhưng ở mức 10 phr bã cà phê và 10 phr vỏ sò, kết quả cho thấy độ bền kéo giảm thấp và độ cứng cải thiện. Bên cạnh đó, khi đo góc tiếp xúc cho thấy có hiện tượng giảm góc tiếp xúc nước trên bề mặt cao su sau khi độn, vì vậy làm giảm mức độ bám bụi trên bề mặt. Cho thấy tiềm năng của hai loại chất độn này có thể tiếp tục được khai thác trong tương lai.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

<b>MỞ ĐẦU </b>

Ngày nay, việc quan tâm và bảo vệ đến môi trường đã trở thành một trong những ưu tiên hàng đầu, thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng nghiên cứu. Việc với sử dụng chất độn thiên nhiên trong các quy trình sản xuất và ứng dụng công nghệ đã trở thành một cách tiếp cận tiên phong trong việc bảo vệ mơi trường. Do đó, tìm kiếm và phát triển chất độn thiên nhiên là một hướng đi mới và đầy triển vọng.

Cà phê là một loại thức uống phổ biến trên toàn thế giới và đi kèm với nó là việc tạo ra một lượng lớn bã cà phê. Ước tính mỗi năm có khoảng 6 triệu tấn bã cà phê thải ra trên toàn cầu. Tương tự như vậy, sị, nghêu là nguồn protein dồi dào vì vậy được con người tiêu thụ rộng rãi và đồng thời thải ra mơi trường một lượng lớn vỏ sị. Hai chất thải này thường đều được xử lý bằng cách chôn lấp, tuy nhiên hành động này sẽ càng gây hại nhiều hơn cho mơi trường.

Vì vậy, nhiều cơng trình nghiên cứu đã khám phá và khai thác tiềm năng của bã cà phê và vỏ sò để làm chất độn trong các loại vật liệu, bao gồm cả cao su. Nhưng tính tương thích kém giữa chất độn và cao su khiến cho việc gắn kết các hạt độn lên cao su trở nên khó khăn. Có khá nhiều cơng trình nghiên cứu xử lý bề mặt chất độn trước khi cho sử dụng nó trong sản xuất, nhưng khá ít nghiên cứu về cao su Silicone. Đó là lý do trong bài nghiên cứu này, tơi muốn tìm hiểu và đánh giá tiềm năng của bã cà phê và vỏ sị để cải thiện tính chất của cao su silicone.

<b>Mục tiêu nghiên cứu </b>

Xây dựng quy trình xử lý bề mặt bã cà phê bằng phương pháp đánh siêu âm và xử lý hóa học.

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

xvi

Đối tượng nghiên cứu: Cao su silicone Bluesil HCR 1930 được lấy từ nhà sản xuất Bluestar silicones (Trung Quốc). Bã cà phê được lấy từ các quán giải khát ở địa phương và vỏ sò được lấy từ các nhóm nghiên cứu.

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của bã cà phê và vỏ sò đã xử lý đến các tính chất cơ học của cao su silicone.

<b>Phương pháp nghiên cứu </b>

Trong nghiên cứu này, tơi thực hiện quan sát kích thước hạt trên kính hiển vi. Bên cạnh đó, tơi tiến hành phân tích nhóm chức của bã cà phê trước và sau khi xử lý bề mặt bằng kỹ thuật phổ hồng ngoại (FTIR). Ngồi ra, tơi cũng sẽ đo các tính chất cơ học của cao su (độ cứng, bền kéo) trước và sau khi độn, độ bền nhiệt bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA). Cuối cùng, tơi đo góc tiếp xúc để đánh giá mức độ kỵ nước trên bề mặt nước của cao su trước và sau khi độn.

<b>Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài </b>

Nghiên cứu này góp phần quan trọng vào việc khai thác và tối ưu hóa tiềm năng của nguồn tài nguyên bằng cách sử dụng bã cà phê, vỏ sị làm chất độn thiên nhiên, góp phần nghiên cứu về chất độn thiên nhiên trong công nghệ vật liệu.Việc tái chế bã cà phê, vỏ sị khơng chỉ giúp giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường mà cịn giúp giảm chi phí trong q trình sản xuất. Vật liệu có nguồn gốc thiên nhiên giúp tạo cảm giác dễ chịu và có một cuộc sống xanh hơn

Luận văn được chia thành 3 chương chính: Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả và bàn luận

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

<b>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về cao su Silicone </b>

Tên silicone được đặt ra vào năm 1901 bởi một nhà hóa học người Anh (Kipping) để mô tả các hợp chất mới có cơng thức chung là R2SiO. Trong suốt nửa thế kỷ qua, cao su Silicone (Silicone Rubber – SIR) đã trở thành một vật liệu được ưa chuộng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng, từ công nghiệp hàng không vũ trụ đến lĩnh vực y tế.

<i><b>1.1.1. Đặc điểm cấu tạo cao su Silicone </b></i>

SIR là một polymer chứa các nguyên tố : Si, C, H và O với mạch chính được tạo thành bởi liên kết Si – O, kết hợp với các nhóm hữu cơ có cơng thức như hình 1.1. Trong cơng thức này, R có thể là methyl, phenyl, vinyl hoặc trifluoropropyl [1]. Dạng phổ biển nhất của SIR là polydimethysiloxan, thường được viết tắt là PDMS.

Sự kết hợp độc đáo khi có nhóm hữu cơ được gắn với mạch chính là các nguyên tử vô cơ là yếu tố quyết định giúp cho SIR có những đặc tính nổi trội so với cao su thông thường. Cấu trúc xoắn ốc và xen kẽ của các phân tử silicone không chỉ tạo ra lực phân tử thấp, mà còn mang lại khả năng đàn hồi cao, khả năng nén cao và khả năng chống nhiệt độ lạnh tuyệt vời. Bên cạnh đó, các nhóm methyl nằm ở bên ngồi cấu trúc có khả năng xoay tự do. Điều này không chỉ tạo ra tính chống thấm hiệu quả mà cịn cung cấp độ đàn hồi tốt, làm cho SIR trở thành một vật liệu đa dạng và linh hoạt.

<i><b>1.1.2. Tính chất chung của cao su Silicone </b></i>

SIR có mạch chính là liên kết siloxane (Si – O) lớn hơn đáng kể so với năng lượng của liên kết C – C (106,0 kcal/mol > 84,9 kcal/mol) [1]. Điều này làm cho SIR có khả năng chịu nhiệt, dẫn điện và ổn định hóa học tốt hơn bất kỳ loại cao su hữu cơ thơng thường.

<i>Hình 1. 1. Cấu trúc chung của cao su silicone </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

2 - Khả năng chịu nhiệt và lạnh

Khả năng chịu nhiệt của SIR là một trong những đặc tính tuyệt vời của nó. SIR tốt hơn nhiều so với các cao su hữu cơ về khả năng chịu nhiệt. Ở 150 <small>o</small>C, hầu như khơng có sự thay đổi tính chất nào xảy ra. Hơn nữa SIR có thể được sử dụng trong hơn 10000 giờ liên tục ngay cả ở 200 <sup>o</sup>C và nếu được sử dụng trong thời gian ngắn, nó cũng có thể được sử dụng ở 300 <small>o</small>C. Vì vậy, SIR được sử dụng rộng rãi để sản xuất các bộ phận sử dụng ở những nơi có nhiệt độ cao. Ngồi ra, SIR cũng có khả năng chống nhiệt độ lạnh tuyệt vời. Ngay cả ở nhiệt độ mà cao su hữu cơ trở nên giòn, SIR vẫn đàn hồi.

- Khả năng chống chịu thời tiết, độ ẩm

SIR có khả năng chịu thời tiết đặc biệt. Ozone được tạo ra bởi phóng điện corona làm suy giảm nhanh chống hầu hết các loại cao su hữu cơ nhưng hầu như khơng ảnh hưởng đến SIR. Ngồi ra, SIR có thể tiếp xúc với gió, mưa và tia UV trong thời gian dài mà tính chất vật lý của nó hầu như khơng thay đổi. SIR chỉ hấp thụ 1% độ ẩm ngay cả sau khi tiếp xúc lâu với nước mà không bị ảnh hưởng đến độ bền cơ học hoặc tính chất điện.

- Độ bền xé, độ bền kéo

Độ bền xé của silicone thường vào khoảng 9,8 kM/m. Một vài loại có độ bền xé cao từ 29,4 – 49,0 kN/m, dựa vào việc lựa chọn chất độn và chất lưu hóa hợp lý.

- Khả năng chống cháy

Độ dẫn nhiệt của SIR vào khoảng 0,2 <sup>𝑊</sup>

<small>𝑚Ω.K</small>, giá trị cao hơn so với cao su hữu cơ thông thường. Một số SIR sử dung chất độn vô cơ đặc biệt để cải thiện tính dẫn nhiệt. Nếu SIR được đưa đến gần ngọn lửa, nó sẽ khơng dễ bắt lửa; nhưng một khi đã bắt lửa, nó sẽ tiếp tục cháy. SIR chống cháy hiện đang được sử dụng bởi vì hiếm khi tạo ra khí độc trong q trình đốt cháy vì chúng khơng chứa các hợp chất halogen hữu cơ - Tính dẫn điện

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

SIR có khả năng chống phóng điện hồ quang ở điện áp cao đặc biệt tốt. Do đó, SIR được sử dụng rộng rãi như một cất cách điện trong các ứng dụng điện áp cao. - Kháng hóa chất và dầu

SIR có khả năng chống dầu vượt trội ở nhiệt độ cao. Trong số cac loại cao su hữu cơ phổ biến, cao su nitrile và cao su chloroprene có khả năng chống dầu cao hơn một chút ở nhiệt độ dưới 100 <small>o</small>C, nhưng ở nhiệt độ cao, SIR lại vượt trội hơn. SIR cũng có khả năng kháng dung mơi và hóa chất khác rất tốt. Về cơ bản, nó khơng bị ảnh hưởng bởi các hợp chất hữu cơ phân cực (anilin, rượu, …) hoặc axit, bazo loãng, với sự gia tăng thể tích do trương nở chỉ trong khoảng 10 – 15%. Tuy nhiên, SIR bị ảnh hưởng bởi axit hoặc bazo mạnh và trương nở trong các hợp chất hữu cơ không phân cực như: benzene, toluene và xăng

- Tính thấm khí và khả năng chống bức xạ

SIR thơng thường (dimethyl) khơng có khả năng về mặt chống bức xạ. Tuy nhiên, cao su silicone methyphenyl có các nhóm phenyl được thêm vào các phân tử polymer chống lại bức xạ và được sử dụng trong sản xuất dây cáp và đầu nối được sử dụng trong các nhà máy hạt nhân.

<i><b>1.1.3. Ứng dụng của cao su Silicone </b></i>

Nhiều ngành công nghiệp đã sử dụng SIR và cơng nghệ của nó, đồng thời tiếp tục khám phá các ứng dụng mới để đáp ứng như cầu thị trường của họ. Một số ứng dụng được giới thiệu dưới đây :

- Công nghiệp ô tô : SIR đã được sử dụng trong hầu hết mọi khía cạnh của ngành cơng nghiệp ơ tơ. Một vài ví dụ về ứng dụng : lốp bugi, bộ tản nhiệt, nắp van, nắp động cơ,…

- Hàng không và vũ trụ

- Dụng cụ ăn uống : dụng cụ nướng chắc chắn hơn, tiện lợi, dễ sử dụng và bền lâu hơn khi được làm bằng SIR. Bề mặt chống dính và dễ dàng làm sạch. Vật liệu có thế đặt ở tủ đơng, lị nướng, lị vi sóng mà khơng ảnh hưởng đến chất lượng của

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

- Thiết bị y tế và thú y : các chuyên gia chăm sóc sức khỏe có thể yên tâm sử dụng các sản phẩm SIR. Cao su silicone không chứa chất hóa dẻo, khơng chứa thành phần có nguồn gốc từ động vật hoặc mủ cao su tự nhiên có thể tạo ra các sản phẩm phụ khơng mong muốn có thể ảnh hưởng đến người và động vật.

- Sản xuất bán dẫn và đồ chơi

<i><b>1.1.4. Cao su Methy vinyl silicone (MVQ) </b></i>

Dạng silicone được sử dụng trong bài nghiên cứu là bluesil HCR 1930U với cơng thức chính là methyl vinyl silicone (MVQ).

Polymethylvinyl siloxane là chất đồng trùng hợp của các chuỗi dimethyl siloxane và methylvinyl siloxane, cấu trúc phân tử như hình 1.2. Chuỗi phân tử được tạo thành từ các liên kết Si-O-Si, các lực liên phân tử nhỏ và các nhóm methyl được bố trí hướng ra ngồi có thể xoay tự do, dó đó MVQ có tính kỵ nước nhất định [2]

<i>Hình 1. 2. Cấu trúc cao su methyl vinyl silicone </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

MVQ là loại cao su mềm nhất trong số các loại cao su. Loại peroxide thường được dùng trong q tình lưu hóa là 2.5-dimethyl 2.5-di(tert-butylperoxy)hexane (DHBP) , có cấu trúc như hình minh họa 1.3. Để xác định và phân loại sản phẩm theo quy trình sản xuất, chất lưu hóa DHBP được mã hóa tại nhà máy với ký hiệu là KC – 8.

Thông số kỹ thuật của cụ thể của MVQ theo cung cấp của nhà sản xuất được liệt kê trong bảng 1.1 dưới đây

<i>Bảng 1. 1. Thông số kỹ thuật của MVQ </i>

<b>1.2. Q trình lưu hóa cao su </b>

Q trình lưu hóa cao su để tạo mạng khơng gian giúp cải thiện các thuộc tính của sản phẩm cuối cùng. Phản ứng liên kết ngang polymer peroxide cơ bản bao gồm 3 bước

<i>Hình 1. 3. Cấu trúc 2,5-dimethyl 2,5-di(tert-butylperoxy)hexane (DHBP) </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

peroxide vì đây là cơ chế mà các gốc tự do được chuyển vào mạch polymer

- Bước 3 : Hai gốc polymer kết hợp với nhau tạo thành liên kết chéo cộng hóa trị.. Khi hai gốc tiếp xúc với nhau, cả hai các electron chưa ghép cặp sẽ kết hợp và tạo thành liên kết cộng hóa trị hoặc liên két chéo giữa các chuỗi polymer.

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

Mặc dù 3 bước phản ứng trên tương đối đơn giản và dễ hiểu, nhưng thực tế phản ứng xử lý bằng peroxide thường khá phức tạp do có thể xảy ra nhiều phản ứng phụ. Những phản ứng phụ này xảy ra đồng thời với cơ chế liên kết ngang và cạnh tranh gốc tự do có liên quan. Một số phản ứng cạnh tranh này làm giảm trạng thái lưu hóa cuối cùng bằng cách phá vỡ các liên kết polymer hoặc đơn giản bằng cách tiêu thụ peroxide theo những cách khơng hiệu quả. Có thể làm tăng phản ứng liên kết ngang bằng cách sử dụng các gốc hiệu quả hơn hoặc bằng cách ngăn chặn các phản ứng phụ có hại xảy ra. [3]

Phản ứng lưu hóa cịn phụ thuộc vào các yếu tố :

- Thời gian lưu hóa : là thời gian mà sản phẩm lưu hóa đạt đến áp suất lưu hóa. Thời gian lưu hóa thường được chọn là t90 trên đường cong lưu hóa và nó phụ thuộc vào hệ xúc tiến được sử dụng.

- Nhiệt độ lưu hóa : nó quyết định đến tốc độ lưu hóa của hệ. Nhiệt độ lưu hóa ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian và tính chất sản phẩm sau lưu hóa.

- Áp suất lưu hóa : giúp duy trì ổn định các yếu tố như thời gian, nhiệt độ trong q trình lưu hóa.

<b>1.3. Ảnh hưởng của các thành phần trong đơn pha chế đến cao su </b>

Mỗi thành phần trong đơn pha chế đều có ảnh hưởng nhất định đến tính chất tổ hợp cao su. Việc xây dựng đơn pha chế phù hợp là vô cùng quan trọng đối với việc nghiên cứu chế tạo vật liệu. Dưới đây là thành phần đơn pha chế ảnh hưởng đến cao su

<i><b>1.3.1. Peroxide </b></i>

Peroxide ổn định trong trong điều kiện bảo quản bình thường nhưng phản ứng nhanh khi tiếp xúc với nhiệt độ lưu hóa thơng thường. Mặc dù tất cả peroxide sẽ bị phân hủy nhiệt để tạo thành các gốc tự do, độ ổn định tương đối của chúng thay đổi đáng kể. Một số peroxide không ổn định nhiệt ở nhiệt độ phòng và cần bảo quản trong tủ lạnh trong khi một số khác không có dấu hiệu phân hủy đáng kể ngay cả khi đun nóng đến 100 <sup>o</sup>C trong vài giờ. Tất cả các peroxide thường được sử dụng để lưu hóa cao su đều tương đối ổn định vì chúng phải chịu được nhiệt độ cao thường đạt được trong quá trình hỗn hợp cao su. Nhưng chúng cũng phải đủ bền để phân hủy nhanh chóng khi tiếp xúc với điều

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

kiện lưu hóa. Độ ổn định của peroxide được xác định bởi các nhóm hóa học vào hai nguyên tử oxy của liên kết peroxide. Việc chọn peroxide cho một phản ứng cụ thể thường liên quan đến sự cân bằng giữa việc giảm thiểu thời gian bắt đầu lưu hóa và thời gian gia cơng.

Các tiêu chí chính để lựa chọn peroxide :

- Peroxide có hiệu quả trong việc lưu hóa cao su

- Nhiệt độ phân hủy đủ cao để tránh cháy xém nhưng cũng đủ thấp để cho phép lưu hóa nhanh ở nhiệt độ lưu hóa

- Nó khơng dễ bị phụ gia làm giảm hiệu quả và gây ra tác dụng phụ về tính chất cuối cùng của cao su

- Cả peroxide và sản phẩm phân hủy của nó đều khơng được xúc tác cho q trình oxy hóa hoặc phân hủy polymer

- Nó khơng bay hơi để hoạt tính peroxide khơng bị mất trong quá trình bảo quản, vận chuyển hoặc xử lý hợp chất chưa được xử lý.

- Nó phải an tồn ở nhiệt độ gia cơng và bảo quản

Hàm lượng peroxide cũng là một yếu tố quan trọng quyết định đặc tính lưu hóa. Việc bổ sung hàm lượng peroxide trong hợp chất sẽ làm tăng mật độ liên kết ngang trong sản phẩm lưu hóa cuối cùng. Điều này sẽ làm tăng module, độ cứng và giảm phần trăm độ giãn dài.

Một số peroxide thường dùng cho quá trình lưu hóa : di (2,4–dichlorobenzoyl) Peroxide ; benzoyl Peroxide ; 1,1–Bis (t–butylperoxy) – 3,3,5 – trimethyl Cyclohexane ; t–Butyl Perbenzoate ; DiCumyl Peroxide ; Di ((t-butylperoxy) diisopropylbenzene ; 2,5-Dimethyl 2,5-di(t-butylperoxy)Hexane ; Di-t-Butyl Peroxide, 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-butylperoxy)Hexyne ; Cumene Hydroperoxide.

SIR nguyên chất mềm dẻo, có độ bền kéo thấp và ít có khả năng chống ăn mòn. Để kéo dài thời gian sử dụng và cải thiện một số tính chất của SIR, chất độn được sử dụng và quan tâm nhiều hơn. Gần đây, chất độn được sử dụng rộng rãi trong ngành cao su với nhiều mục đích như : nâng cao tính chất cơ lý, hiệu quả sản xuất và giảm giá thành sản

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

phẩm cao su. Nói chung, có hai nhóm chất độn chính, bao gồm chất độn gia cố và chất độn không gia cố. Hiệu quả của chất độn gia cố phụ thuộc vào một số yếu tố như hạt kích thước, diện tích bề mặt và hình dạng của chất độn. Trong số các chất độn thương mại, muội than và silica (SiO2) là chất độn gia cố quan trọng nhất. Chúng được thêm vào để cải thiện tính chất cơ học của cao su. Có một số chất độn có thể được sử dụng làm chất độn khơng có hoặc chất độn bán gia cố (chẳng hạn như chất độn như đất sét, bột talc và canxi cacbonat, v.v.) để giảm chi phí hoặc cải thiện tính chất cơ học [4]. Các tham số chất độn như kích thước hạt, hình thái học hoặc cấu trúc và các đặc điểm bề mặt có ảnh hưởng mạnh mẽ đến tính chất cơ học của vật liệu tạo thành. Khả năng tương thích tốt hơn của chất độn với polymer chỉ có thể đạt được khi chất độn được phân tán tốt trong nền polymer. Các nhóm chức trên bề mặt hạt quyết định khả năng tương thích giữa polymer và chất độn. Mức độ gia cố mạng phụ thuộc vào mức độ tương tác giữa pha hữu cơ (polymer) và vô cơ (chất độn) [5].

Khi sử dụng chất độn để gia cường cho cao su cần phải có những lưu ý sau : - Độ mịn cao

- Phân tán tốt vào cao su : tránh sự kết tụ mà mắt thường khó nhìn thấy được - Độ pH của chất độn : ảnh hưởng đến tốc độ lưu hóa hay tác dụng của chất xúc

Trong quá trình sản xuất cao su, người ta có thể bổ sung các chất phụ gia để điều chỉnh và cải thiện tính chất cụ thể của sản phẩm. Điều này giúp cho cao su tăng khả năng đáp

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

ứng trong các ứng dụng đặc biệt và phù hợp với yêu cầu trong môi trường sử dụng. Dưới đây là một vài chất phụ gia phổ biến được sử dụng để nâng cao hiệu suất và tính đa dạng của cao su :

- Khả năng chống cháy : chất bạch kim, muội than, nhôm trihydrat [6], kẽm. - Tính dẫn điện : muội than [7]

- Tính ổn định nhiệt : oxit sắt, oxit nhôm, oxit kẽm [8]

<i><b>1.4.1. Giới thiệu về bã cà phê </b></i>

Cà phê, một sản phẩm được trồng ở khoảng 80 quốc gia, là một trong những đồ uống phổ biến trên toàn thế giới [9]. Điều này mang theo một thách thức lớn đối với mơi trường, vì trong q trình pha chế cà phê hòa tan đã tạo ra một lượng lớn bã cà phê đã qua sử dụng (spent coffee grounds – SCG). Ước tính có khoảng 6 triệu tấn/năm SCG thải ra môi trường và được coi là phế phẩm nông nghiệp [10]. Ngược lại với hầu hết các chất hữu cơ khác, cà phê có chứa một số thành phần có tác động xấu đến mơi trường do hàm lượng tannin, polyphenol và caffeeine [9], [11] khiến nó trở nên độc hại. Do đó, SCG khơng được xử lý bằng cách ủ phân, đốt hoặc đổ vào các bãi chơn lấp, vì gây ra các vấn đề mơi trường nghiêm trọng.

Trước thách thức này, nhiều giải pháp được đề xuất để tái sử dụng SCG trong nhiều ứng dụng: nguyên liệu thô để sản xuất dầu diesel sinh học, etanol sinh học [12], làm nguồn đường, tiền chất để sản xuất than hoạt tính, phân trộn, ngun liệu thơ để chiết xuất chất chống oxi hóa và làm chất hấp thụ để loại bỏ các ion kim loại . Ngoài ra, sử dụng SCG làm chất độn trong polymer cũng thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong những năm gần đây.

<i><b>1.4.2. Thành phần hóa học trong bã cà phê </b></i>

Để đánh giá tiềm năng của SCG, điều quan trọng là phải nghiên cứu sâu về thành phần của chúng. SCG Là một nguyên liệu nông nghiệp hữu cơ, thành phần SCG phụ thuộc rất nhiều vào nhiều yếu tố như loại cà phê, nguồn gốc hạt cà phê, điều kiện canh tác, phương pháp chế biến và phương pháp pha cà phê. Tuy nhiên, các biến thể trong thành

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

Lượng caffeine còn lại trong SCG sau khi pha chế dao động từ 0,734 – 41,3 mg/mg SCG Các hợp chất khác với tỉ lệ thấp hơn trong SCG bao gồm : phenolic và tannin ; các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, chẳng hạn như terpen và terpenoid có hoạt tính kháng khuẩn. Ngồi các hợp chất hữu cơ, SCG còn chứa nhiều loại khống chất khác như Kali, magie, photpho, canxi, nhơm, sắt, mangan và đồng.

<i>Hình 1. 4. Các thành phần có trong SCG </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

Việc tìm cách tái chế SS đang ngày càng được săn đón nhiều hơn. SS đã được con người sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau. Chúng được sử dụng làm nhạc cụ, dược phẩm và tài nguyên y tế, trang sức cá nhân, nghệ thuật và trang trí kiến trúc và vật liệu xây dựng. Bên cạnh đó, SS chủ yếu là CaCO3 nên có thể bổ sung chất độn làm chất gia cố trong vật liệu polymer là một kỹ thuật hứa hẹn sẽ mang lại lợi ích về giảm chi phí và cải thiện tính chất của polymer.

<i><b>1.5.2. Thành phần hóa học có trong vỏ sị </b></i>

Thành phần hóa học có trong SS tùy thuộc vào loại vỏ, địa điểm sinh sống và thành phần khoáng chất của khu vực nước xung quanh. Mặc dù có sự khác nhau về thành phần hóa học của từng loại vỏ, nhưng có một điểm chắc chắn là SS vẫn là nguồn phong phú chứa canxi cacbonat CaCO3, chiếm từ 92 – 99 % [18]–[20] với khoảng 5 % chất hữu cơ. Cũng vì vậy, SS trở thành một nguồn tài nguyên dồi dào trong việc thay thế CaCO3.

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

<b>CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU </b>

<b>2.1. Phương tiện nghiên cứu </b>

<i><b>2.1.1. Nguyên liệu và hóa chất </b></i>

Các hóa chất được sử dụng trong quá trình nghiên cứu được trình bày theo bảng 2.1 dướI đây:

<i>Bảng 2. 1. Danh sách hóa chất dung trong thực nghiệm </i>

<b>STT Nguyên liệu, hóa chất Nguồn gốc, xuất xứ </b>

1 Bã cà phê pha máy

Được xin từ quán cà phê trên địa bàn TP. Hồ Chí

Guangdong Guanghua Sci-Tech Co., Ltd, China

Cồn tuyệt đối (C<sub>2</sub>H<sub>5</sub>OH, 99,5%)

Cơng ty TNHH CEMACO (Hồ Chí Minh, Việt Nam)

7 <sup>Chlorotrimethylsilane </sup>(TMCS - 𝐶<sub>3</sub>𝐻<sub>9</sub>𝐶𝑙𝑆𝑖)

Aladdin Industrual Corporation, Shanghai,

China

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

<i><b>2.1.2. Thiết bị </b></i>

Quá trình nghiên cứu sử dụng các thiết bị tại trường Đại học Công Thương TP.HCM và trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Danh sách thiết bị được thống kê theo bảng 2.2 dưới đây:

<i>Bảng 2. 2. Danh sách thiết bị dung trong thực nghiệm </i>

<b>STT Tên thiết bị Xuất xứ </b>

1 Tủ sấy nhiệt đối lưu Memmert Đức

6 Máy khuấy từ gia nhiệt AREC <sup>VELP Scientifica Srl </sup>– HQ, Ý

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

<b>2.3. Quy trình thực nghiệm </b>

<i><b>2.3.1. Sơ đồ khối quy trình xử lý chất độn trong dung môi </b></i>

SCG được dùng làm chất độn cho cao su giúp giảm giá thành sản phẩm. Tuy nhiên tính ưa nước cao của SCG làm cho nó kém tương thích đối với nhiều loại polymer không phân cực, bao gồm cao su Silicone (SIR) và làm giảm tính chất cơ học của vật liệu tổng hợp [21]. Để khắc phục vấn đề này, có thể thực hiện biến tính bề mặt SCG để tăng cường

Sấy khô

Ngâm Ethanol Ngâm Hexane

Đánh đồng hóa siêu âm

Bã cà phê (SCG)

Lọc rửa với nước cất nóng

Nghiền bi

Sàn hạt qua rây 300𝜇𝑚

SCG<small>Hexane </small> SCG<small>Ethanol </small>Sấy khơ

<i>Hình 2. 1. Sơ đồ quy trình xử lý chất độn </i>

</div>