Tải bản đầy đủ (.pdf) (54 trang)

Nghiên cứu sử dụng tro bay gia cường cho vật liệu cao su

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1006.24 KB, 54 trang )

Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

1

Viện Khoa học Vật liệu

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cao su là loại vật liệu vừa mềm dẻo, vừa có độ bền cơ học cao và khả
năng biến dạng đàn hồi lớn nên được sử dụng ngày càng rộng rãi trong đời
sống và trong công nghiệp. Những tính năng kỹ thuật của cao su phụ thuộc
vào loại cao su (cao su thiên nhiên, cao su tổng hợp từ các loại monome khác
nhau). Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi chỉ nghiên cứu, khảo sát với đối
tượng là cao su thiên nhiên (CSTN).
Việt Nam là một trong những nước sản xuất cao su thiên nhiên với sản
lượng khá cao. Tuy nhiên, cao su của ta sản xuất ra chỉ sử dụng trong nước rất
ít, phần còn lại xuất khẩu dưới dạng thô với giá cả rất thấp. Trong khi đó
chúng ta phải nhập các sản phẩm từ cao su với giá thành cao. Nghiên cứu các
biện pháp biến tính, mở rộng phạm vi ứng dụng cao su thiên nhiên nhằm phục
vụ nhu cầu trong nước là vấn đề đang được Đảng và Nhà nước quan tâm.
Tro bay là sản phẩm phụ của quá trình đốt than đá ở các nhà máy nhiệt
điện sử dụng bột than đá. Tro bay vốn là phế thải, gây nên tình trạng ô nhiễm
môi trường. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng tro bay để sản
xuất các vật liệu khác nhau với mục đích tận dụng phế thải và bảo vệ môi
trường. Ở nước ta, việc sử dụng tro bay còn hạn chế, mới ứng dụng được
trong một số ngành, chủ yếu là sản xuất vật liệu xây dựng. Tro bay có cấu
trúc đặc biệt, là các hạt hình cầu chứa bên trong các hạt vi cầu có thành phần
chủ yếu là oxit silic và oxit nhôm, tỷ trọng thấp. Tro bay được sử dụng rất phù
hợp làm chất độn gia cường cho các vật liệu từ cao su.
Từ những lý do trên, đề tài “Nghiên cứu sử dụng tro bay để gia cường
cho vật liệu cao su” sẽ sử dụng tro bay để gia cường cho CSTN, nhằm tận


dụng lượng tro bay phế thải, nâng cao một số tính năng cơ lý cho vật liệu cao
Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

2

Viện Khoa học Vật liệu

su đồng thời hạ giá thành sản phẩm. Đây là vấn đề có ý nghĩa rất quan trọng
trong khoa học, đời sống và kỹ thuật.
2. Mục đích nghiên cứu
Đánh giá vai trò và khả năng ứng dụng của tro bay trong ngành công
nghiệp cao su. Chế tạo được các vật liệu CSTN có sử dụng tro bay đạt các
tính năng cơ lý phù hợp.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro bay chưa biến đổi bề mặt
tới tính chất cơ lý và cấu trúc của vật liệu CSTN.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay biến đổi bề mặt tới tính chất cơ lý
và cấu trúc của vật liệu CSTN.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay bến đổi bề mặt tới quá trình gia
công chế tạo vật liệu CSTN.

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân



Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

3

Viện Khoa học Vật liệu

Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1. CAO SU THIÊN NHIÊN VÀ NHỮNG BIỆN PHÁP NÂNG CAO
TÍNH CHẤT
1.1.1. Cao su thiên nhiên
1.1.1.1. Lịch sử phát triển của cao su thiên nhiên
Cao su thiên nhiên hay còn gọi là cao su tự nhiên được phát hiện và sử
dụng từ cuối thế kỷ XVI ở Nam Mĩ. Trong thời kỳ này người ta chỉ biết trích
cây lấy nhựa tẩm vải sợi làm giầy dép leo núi, đi rừng. Những sản phẩm đầu
tiên này có thời gian sử dụng lâu hơn sản phẩm thông thường, tuy vậy nó vẫn
còn nhiều nhược điểm là độ bền chưa thực sự ổn định và hay dính gây cảm
giác khó chịu, do đó cao su tự nhiên chưa được sử dụng rộng rãi. Đến năm
1939, khi các nhà khoa học Gider và Gencoc phát minh được quá trình lưu
hoá CSTN, chuyển cao su từ trạng thái chảy nhớt sang trạng thái đàn hồi cao,
bền vững thì cao su tự nhiên mới được sử dụng rộng rãi để sản xuất ra nhiều
sản phẩm thông dụng. Đến đầu thế kỷ XX cùng với sự phát triển của ngành
hoá học và đặc biệt là sự ra đời của thuyết cấu tạo polyme thì cao su tự nhiên
đã được nghiên cứu một cách kỹ lưỡng và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh
vực khoa học và cuộc sống.
1.1.1.2. Mủ cao su tự nhiên ( latec )
Mủ cao su thiên nhiên là nhũ tương trong nước của các hạt cao su với
hàm lượng phần khô ban đầu từ 28→ 40%. Các hạt cao su có kích thước rất
nhỏ từ 0,05μm→ 0,3μm, luôn ở trong trạng thái chuyển động.
Các hạt latec có hai lớp, bên trong là cacbuahydrua, bên ngoài là lớp

hấp phụ làm nhiệm vụ bảo vệ latec không bị keo tụ. Thành phần của lớp hấp
phụ là các hợp chất chứa nitơ thiên nhiên như protêin, các chất béo và muối

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

4

Viện Khoa học Vật liệu

xà phòng của các axit béo.
Trong quá trình bảo quản, các hạt latec thường bị keo tụ. Để ngăn chặn
hiện tượng này người ta thường sử dụng các chất ổn định PH của môi trường
như amôniăc 0,5% (duy trì pH khoảng 10 →11)
Thành phần và tính chất mủ CSTN phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác
nhau, tuy nhiên có thể xác định trong khoảng nhất định :
Nước

: 52,3 - 67%

Cacbuahidro

: 29,5 - 37,3%

Polysaccrit


: 1,2 - 4,2%

Nhựa thiên nhiên

: 1,0 - 3,4%

Protêin

: 0,9 - 2,7%

Chất khoáng

: 0,2 - 0,4%

1.1.1.3. Thành phần và cấu tạo hoá học của cao su tự nhiên.
a. Thành phần:
Cao su tự nhiên được sản xuất từ latec bằng nhiều phương pháp:
- Phương pháp tạo keo tụ mủ cao su.
- Phương pháp cho bay hơi nước ra khỏi mủ cao su.
Thành phần hoá học của CSTN gồm nhiều chất hoá học khác nhau:
cacbuahydro (thành phần chủ yếu), các chất trích ly bằng axetôn, các chất
chứa nitơ mà chủ yếu là protêin và các chất khoáng. Hàm lượng các chất này
dao động rất lớn, phụ thuộc vào phương pháp sản xuất, tuổi của cây, cấu tạo
thổ nhưỡng, khí hậu, mùa khai thác mủ… Trong bảng 1.1 trình bày thành
phần hoá học của CSTN, sản xuất bằng nhiều phương pháp hoá học khác
nhau.
Chất trích ly axetôn có thành phần bao gồm 51% axit béo (axit cobic,
Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân



Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

5

axit stearic) phần còn lại là các axit amin và các hợp chất photpho hữu cơ.
Các hợp chất chứa nitơ gồm protêin và các axit amin (sản phẩm phân
huỷ protêin)
Bảng 1.1: Thành phần hoá học của cao su thiên nhiên
Hàm lượng (%)
STT

Thành phần

Crêp trong khói

Crep trắng

Bay hơi

1

Hidrocacbon

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

Hợp 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

0,25 – 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

Chất khoáng (thành phần thu được sau quá trình thiêu kết polime) gồm
các hợp chất của kim loại kiềm, kiêm thổ như muối natri, kali, magie, các ôxit
kim loại như Fe2O3, MnO2, CuO...
b. Cấu tạo hoá học của cao su tự nhiên

Thành phần chủ yếu của cao su thiên nhiên là polyisopren mà mạch đại
phân tử của nó được hình thành từ các mắt xích isopenten cis đồng phân liên
kết với nhau ở vị trí 1,4.
CH3

H
C=C

CH2

CH2

CH3
CH2
CH3

Khoá luận tốt nghiệp

C=C

CH2

CH2

H
C=C
CH2

H


Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

6

Ngoài các mắt xích isopren đồng phân 1,4-cis, trong CSTN còn có
khoảng 2% các mắt xích isopren tham gia vào hình thành mạch đại phân tử ở
vị trí 3,4. Khối lượng phân tử trung bình của CSTN là 1,3.106.
1.1.1.4. Tính chất của cao su thiên nhiên
a. Tính chất vật lý.
Ở nhiệt độ thấp, cao su thiên nhiên có cấu trúc tinh thể, CSTN kết tinh
mạnh nhất ở 250C.
Các thông số đặc trương của CSTN:
(kg/cm3)

+ Khối lương riêng

: 913

+ Hệ số dãn nở thể tích

: 656.10-4 [dm3 / 0C]

+ Nhiệt dẫn riêng

: 0,14


(W/m.k)

+ Nhiệt rung riêng

: 1.88

(kJ/ kg.k)

+ Nửa chu kỳ kết tinh

: 2- 4

(h)

+ Điện trở riêng (Ωm)
- Crep trắng

: 5.1012 (Ωm)

- Crep hong khói

: 3.1012 (Ωm)

CSTN tan tốt trong dung môi hữu cơ mạch thẳng, mạch vòng, CCl 4,
CS2, không tan trong rượu và axetôn.
b. Tính chất cơ lý.
CSTN có khả năng lưu hoá bằng lưu huỳnh phối hợp với các loại xúc
tiến. Tính chất cơ lý của CSTN được xác định theo tính chất của hợp phần cao
su theo tiêu chuẩn sau:


Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

7

Bảng 1.2: Thành phần tiêu chuẩn để xác định
các tính chất cơ lý của CSTN
Thành phần

STT

Hàm lượng (pkl)

1

Cao su tự nhiên

2

Lưu huỳnh

3


Mercaptobenzolthiazol

4

Kẽm oxit

5

Axit stearic

100
3
0,7
5
0,5

Hỗn hợp được lưu hoá ở nhiệt độ 145- 1500C với thời gian tối ưu 20 30 phút có tính chất cơ lý sau:
+ Độ bền kéo đứt

: 23 MPa

+ Độ dãn dài tương đối

: 700%

+ Độ dãn dư

: ≤ 12%

+ Độ cứng tương đối


: 65 shore A

1.1.2. Một số biện pháp nâmg cao tính chất của cao su thiên nhiên
1.1.2.1. Biến tính cao su thiên nhiên bằng nhựa hoặc cao su tổng hợp khác
Trong khoa học vật liệu, việc nghiên cứu ứng dụng của vật liệu tổ hợp
polyme đóng vai trò quan trọng. Các loại vật liệu polyme được chế tạo theo 3
hướng:
- Hướng thứ nhất: trùng hợp các loại monome.
- Hướng thứ hai: tổng hợp các copolyme khối; copolyme ghép và
copolyme thống kê từ các monome thông dụng hiện nay.
- Hướng thứ ba: trộn hợp các polyme sẵn có ở trạng thái nóng chảy,
dung dịch, để tạo ra những loại vật liệu tổ hợp có những tính chất đặc biệt,
Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

8

Viện Khoa học Vật liệu

khác hẳn tính chất của các polyme riêng rẽ ban đầu, đáp ứng được yêu cầu
của cuộc sống và kỹ thuật.
Trong ba hướng trên, hướng thứ ba được đặc biệt quan tâm nghiên cứu
và phát triển vì đó là phương pháp đơn giản nhất, nhanh nhất và kinh tế nhất
tạo ra những vật liệu mới, đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của đời sống
và kỹ thuật. Theo các chuyên gia trong lĩnh vực Hoá học Cao phân tử, đây là

hướng chủ đạo của Hoá học các hợp chất Cao phân tử trong những năm cuối
thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 vì nó có những ưu điểm sau:
 Lấp được khoảng trống về tính chất công nghệ cũng như kinh tế giữa
các loại nhựa nhiệt dẻo. Người ta có thể tối ưu hoá về mặt giá thành và tính
chất của vật liệu sử dụng.
 Tạo khả năng phối hợp các tính chất mà một loại vật liệu khó hoặc
không thể đạt được, đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật cao trong các lĩnh vực
khoa học và kinh tế.
 Quá trình nghiên cứu, chế tạo một sản phẩm mới trên cơ sở vật liệu
tổ hợp polyme nhanh hơn nhiều so với các sản phẩm từ vật liệu mới khác vì
nó được chế tạo trên cơ sở vật liệu và công nghệ có sẵn.
 Những kiến thức rộng rãi về cấu trúc, sự tương hợp phát triển nhanh
trong những năm gần đây tạo cơ sở cho việc phát triển loại vật liệu này.
1.1.2.2. Biến tính CSTN bằng phương pháp hoá học
CSTN hầu như không phân cực và có các tính chất như trên nên độ bám
dính của nó không tốt. Cấu trúc mạch CSTN không chặt chẽ nên tính chịu
nhiệt kém. Vì vậy nhiều nhà nghiên cứu đã cố gắng biến tính cao su nhằm
khắc phục những mặt hạn chế và mở rộng khả năng ứng dụng của vật liệu
này.
a. Hóa vòng cao su
Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

9

Viện Khoa học Vật liệu


Hoá vòng CSTN có thể thực hiện trong dung dịch toluene có mặt của
xúc tác SnCl4.
Quá trình hoá vòng diễn ra đồng thời với phản ứng cắt mạch CSTN làm
cho khối lượng sản phẩm giảm dần theo thời gian. Quá trình phân huỷ xảy ra
chủ yếu ở giữa mạch, nó tiếp tục diễn ra sau khi phản ứng hoá vòng kết thúc.
Nồng độ cao su, nồng độ xúc tác, nhiệt độ, dung môi có ảnh hưởng đến tốc độ
của phản ứng hoá vòng [1]. Khi độ hoá vòng càng sâu độ cứng càng lớn dẫn
đến sản phẩm bị giòn.
Cao su đã hoá vòng bền với tác dụng của axit, bazơ ở nhiệt độ thường
nhưng khi có mặt của oxi chúng bị oxi hoá nhanh do có nguyên tử cacbon bậc
3. Các sản phẩm hoá còng cao su được sử dụng rộng rãi để làm sơn bảo vệ,
làm keo dán, mực in, làm bao gói, vật liệu cảm quang.
b. Gắn các nhóm phân cực vào mạch cao su
Bên cạnh việc hoá vòng cao su, người ta có thể biến tính bằng cách gắn
các nhóm phân cực vào mạch cao su như phenol hoá, epoxy hoá,…để sử dụng
trong các ngành sản xuất keo dán, sơn phủ, vật liệu cách điện, vật liệu
compozit… Trong số các phương pháp biến đổi CSTN, người ta tập trung vào
nghiên cứu epoxy hoá CSTN, bởi sản phẩm tạo ra có tính ưu việt và khả năng
ứng dụng rộng rãi.
Sự có mặt của nhóm epoxy trong mạch chủ đã cho phép thực hiện
nhiều phản ứng chuyển hoá cao su. Cao su epoxy hoá (ENR) có thể thu được
trực tiếp từ latec bằng phản ứng epoxy hoá theo 2 cách [2]
 Dùng peroxyt có sẵn.
 Phương pháp Insitu (peroxyt mới sinh)

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân



Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

10

Viện Khoa học Vật liệu

1.1.2.3. Biến tính cao su bằng các biện pháp hoá lý
a. Chất độn vô cơ hoạt tính
Các chất độn vô cơ được sử dụng nhiều trong công nghiệp, gia công
cao su như: bột nhẹ, bazit, thạch cao, silicdioxit… Trong các chất độn này thì
silicdioxit là chất độn có hiệu quả tăng cường cao nhất. Cũng như các chất
độn tăng cường khác, mức độ phân tán là đặc trưng quan trọng mà bằng đặc
trưng này có thể đánh giá mức độ tăng cường của silicdioxit. Silicdioxit còn
được sử dụng làm chất độn tăng cường cho các hợp phần cao su-nhựa tổng
hợp khác.
Đối với các loại cao su không kết tinh hoặc cao su có cấu trúc vô định
hình, silicdioxit có tác dụng tăng cường tính chất cơ lý. Silicdioxit có chứa
nhiều nhóm phân cực trên bề mặt vì thế có khả năng hấp thụ hầu hết các chất
phối hợp khác trên bề mặt làm giảm tác dụng của chúng, đặc biệt là các chất
lưu hoá và các chất xúc tiến lưu hoá cho cao su.
b. Các chất độn hữu cơ hoạt tính
Chất độn hữu cơ hoạt tính hay chất độn hữu cơ gia cường là các hợp
chất hữu cơ với các kích thước hạt nhỏ, có tác dụng gia tăng tính chất cơ lý
của vật liệu khi đưa nó vào hợp phần cao su.
c. Than đen
Than đen kỹ thuật là sản phẩm cháy không hoàn toàn của các hợp chất
cacbuahydro. Than đen là chất độn tăng cường chủ yếu được sử dụng trong
công nghệ gia công cao su. Sự có mặt của than đen trong hợp phần cao su với
hàm lượng cần thiết đã làm tăng tính chất cơ lý cao su như: giới hạn bền kéo

đứt, xé rách, khả năng chống mài mòn, độ cứng và môđun đàn hồi của vật
liệu. Sự có mặt của nhóm phân cực trên bề mặt than đen là yếu tố quyết định

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

11

Viện Khoa học Vật liệu

khả năng tác dụng lý học và hoá học của than đen với các nhóm phân cực, các
liên kết đôi có trong mạch đại phân tử. Dựa vào các thành phần nguyên tố hoá
học của than đen có thể chọn loại than đen thích hợp cho từng loại cao su để
đạt được lực tác dụng giữa than đen và mạch cao su lớn nhất.
1.1.3. Những xu hƣớng, kết quả nghiên cứu và ứng dụng CSTN ở nƣớc ta
Cao su thiên nhiên là vật liệu có độ bền kéo tốt, khả năng đàn hồi cao,
dễ gia công và biến tính hoá học, tuy nhiên cao su thiên nhiên lại có một số
nhược điểm dễ lão hoá do trong phân tử còn liên kết đôi, khả năng chịu thời
tiết kém, do cao su không phân cực vì vậy khả năng chịu dầu mỡ kém. Ngoài
ra trong một số trường hợp vật liệu từ CSTN không đáp ứng được yêu cầu kỹ
thuật đòi hỏi. Vì vậy việc nghiên cứu các biện pháp biến tính để mở rộng
phạm vi ứng dụng cho CSTN vẫn là vấn đề thời sự, nhằm nâng cao hiệu quả
kinh kế cho ngành trồng trọt và chế biến cao su ngày càng phát triển ở nước ta
nói riêng và thế giới nói chung. Sau đây là một số hướng nghiên cứu và kết
quả đạt được.
Tác giả Đào Thế Minh và các cộng sự đã sử dụng phương pháp tạo gốc

cơ học trên máy trộn kín để ghép axit acrylic vào cao su thiên nhiên nhằm
mục đích nâng cao sự kết dính của cao su lên kim loại để tạo keo dán, sơn và
chất kết dính cho vật liệu compozit [3]. Từ hướng như vậy, Nguyễn Việt Bắc,
Chu Chiến Hữu, Vũ Hồng Quân nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit cao su kim loại trên cơ sở cao su epoxy hoá. Cao su epoxy hoá được đưa vào thành
phần chất kết dính, làm tăng khả năng kết dính giữa CSTN và bản cốt thép tạo
cho vật liệu có một số tính chất cơ lý tốt, đặc biệt là độ bền uốn, độ bền va
đập. Nhờ các ưu điểm đó vật liệu được dùng chế tạo các sản phẩm ứng dụng
trong ngành giao thông vận tải, hàng hải [4]. Trần Quang Hân, Phan Văn
Ninh và Trần Quang Thanh nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

12

Viện Khoa học Vật liệu

CSTN lỏng và graphit. Mặc dù vật liệu nhận được có độ bền va đập không
cao, song chúng lại có khả năng chịu nhiệt, chịu hoá chất và độ bền uốn cao.
Từ những ưu điểm đó, vật liệu compozit được ứng dụng sản xuất các mặt
hàng chịu hoá chất [5].
Lê Xuân Hiền, Nguyễn Thị Việt Triều, Phạm Thị Hồng đã nghiên cứu
ảnh hưởng của tỷ lệ hydropeoxyt, axit focmic và liên kết đôi isopren tới phản
ứng epoxy hoá CSTN bằng perfomic axit cũng như cấu trúc trên mạch của
sản phẩm epoxy hoá. Sản phẩm thu được là nguyên liệu cho chế tạo vật liệu
polyme blend [6]. Nguyễn Thị Việt Triều, Lê Xuân Hiền, Christian Decker sử

dụng phương pháp khâu mạch quang chế tạo thành công chất tạo màng trên
cơ sở CSTN và dầu đậu acrylic hoá. Sản phẩm thu được có thể ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực: keo dán, vật liệu compozit, nhất là trong lĩnh vực làm
lớp phủ bảo vệ đóng rắn nhanh bằng tia tử ngoại [7]. Lê Xuân Hiền, Hoàng
Ngọc Tảo, Trần Thanh Vân nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ (mol) peraxetic
axit, liên kết đôi đến quá trình epoxy hoá cao su lỏng trong clorofom. Sản
phẩm được sử dụng làm chất biến tính nhựa [8]. Nguyễn Quốc Hiến, Đoàn
Bình, Võ Tấn Thiện, Lê Hải đã nghiên cứu ảnh hưởng của H2O2 lên quá trình
lưu hoá latex cao su thiên nhiên bằng bức xạ gamma Co-60 mục đích giảm
lượng chất lưu hoá và gia tăng hơn nữa tính chất cơ lý của sản phẩm cao su từ
latex có sử dụng chất nhậy bức xạ khác nhau từ hợp chất chứa halogen và
monome họ acrylic [9]. Nguyễn Văn Khôi, Đỗ Quang Kháng đã biến tính
CSTN bằng maleic có mặt chất khởi đầu là gốc tự do nhằm tạo ra oligome
trung gian với các nhóm chức hoạt động có khả năng biến tính với các tác
nhân hoá học khác nhau hay sử dụng chất hoạt động bề mặt [10]. Đinh Gia
Thành, Nguyễn Văn Khôi đã nghiên cứu thành công ảnh hưởng của quang
hoá lên quá trình cắt mạch cao su latex nhằm tạo ra cao su có trọng lượng
phân tử thấp, giá thành hạ hơn so với phương pháp dung dịch hoặc rắn phù
Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

13

Viện Khoa học Vật liệu

hợp làm nguyên liệu cho quá trình epoxy hoá và biến tính khác [11].

Tác giả Đỗ Quang Kháng, Nguyễn Văn Khôi, Nguyễn Quang cùng các
đồng nghiệp đã nghiên cứu ảnh hưởng của các chất biến đổi cấu trúc tới tính
chất của vật liệu polyme blend từ CSTN và polyetylen. Kết quả nghiên cứu đã
mở ra khả năng nâng cao tính năng và mở rộng phạm vi ứng dụng cho vật liệu
CSTN. Mặt khác, kết quả này đã khẳng định vai trò của các chất biến đổi cấu
trúc trong việc chế tạo vật liệu polyme blend nói chung [12]. Lê Anh Tuấn
nghiên cứu tìm ra một phương pháp tiếp cận mới để nghiên cứu động học lưu
hoá vật liệu polyme blend cao su, nhìn nhận chúng là tổng hợp của những
phản ứng độc lập bậc nhất [13]. S.H. El. Sabbagh đã nghiên cứu sự ảnh hưởng
chất tương hợp copolyme ghép EPDM-g-MAH tới cấu trúc của vật liệu
polyme blend trên cơ sở CSTN và cao su EPDM. Kết quả nghiên cứu mở ra
khả năng sử dụng một loại chất tương hợp nhằm biến tính CSTN [14].
K.T.Varughese thông qua việc nghiên cứu nhiệt độ hoá thuỷ tinh (Tg) để
khảo sát khả năng tương hợp giữa PVC và cao su epoxy hoá. Kết quả nghiên
cứu mở ra một phương pháp mới nghiên cứu cấu trúc vật liệu polyme blend
cao su [15].
Nguyễn Quang cùng đồng nghiệp đã chế tạo vật liệu polyme blend trên
cơ sở hỗn hợp CSTN epoxy hoá (ENR-50) với CSTN, với cao su tổng hợp để
hạ giá thành sản phẩm và có thể biến đổi tính chất của vật liệu phù hợp với
từng ứng dụng cụ thể [16]. Nguyễn Văn Khôi, Đỗ Trường Thiện, Đỗ Quang
Kháng nghiên cứu tổ hợp vật liệu CSTN được biến tính cardanol
formandehyt-vải rayon và dầu tùng tiêu như là chất dẻo hoá lên tính chất của
tổ hợp vật liệu cao su vải. Sản phẩm thu được là vật liệu thích hợp cho việc
chế tạo băng vải in cho máy in vải [17]. Đặng Văn Luyến, Tống Công Minh,
Phạm Hữu Lý đã chế tạo thành công vật liệu polyme blend trên cơ sở CSTN
và polyolephin có mặt chất dầu đào lộn hột. Kết quả nghiên cứu ứng dụng vào
Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân



Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

14

Viện Khoa học Vật liệu

lĩnh vực chế tạo giầy da [18]. Lê Anh Tuấn, Nguyễn Đức Nghĩa nghiên cứu
các vật liệu nhậy quang để đưa vào sử dụng các chất cảm quang trong nhiều
lĩnh vực công nghiệp, đó là các sản phẩm polyme blend trên cơ sở CSTN và
polyvinylalcol- một chất mang tốt cho chất cảm quang, vật liệu đáp ứng được
yêu cầu của kỹ thuật phim ảnh công nghiệp [19].
Nguyễn Quang, Phạm Thuý Hồng, Trịnh Văn Thành đã tiến hành
nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ và tỉ lệ thành phần đến tính chất của vật
liệu polyme bend trên cơ sở PE/CSTN kết quả đạt được ứng dụng trong sản
xuất cáp điện và dây thông tin [20]. Đặng Tấn Tài, Hà Thúc Huy, Lê Quang
Hồng đã nghiên cứu ảnh hưởng của ELNR có chỉ số epoxy 55% mol lên điều
kiện gia công vật liệu polyme blend PVC/ELNR, và ảnh hưởng của ELNR-55
lên tính chất cơ lý của hệ phối trộn PVC/ELNR. Kết quả khi tăng hàm lượng
ELNR thì hệ PVC/ELNR dễ gia công hơn, làm tăng tính năng cơ lý của hệ,
mở ra một hướng ứng dụng mới của ELNR trong lĩnh vực nhựa nhiệt dẻo
[21]. Huỳnh Đại Phú, Nguyến Hữu Niếu, Tôn Thất Minh Tân, Nguyễn Đắc
Thành nghiên cứu đưa một lượng cao su - epoxy-vinyleste vào nhựa vinyleste
nhằm nâng cao tính mềm dẻo của nhựa vinyleste [22]. Thái Hoàng, Vũ Minh
Đức đã nghiên cứu một số tính chất của vật liệu polyme blend trên cơ sở
CSTN từ đó rút ra thành phần và chế độ gia công thích hợp cho tổ hợp cao su
kỹ thuật sử dụng trong lĩnh vực giầy da [23].
1.2. TRO BAY VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC POLYME
1.2.1. Các đặc tính của tro bay liên quan đến vật liệu đƣợc gia cƣờng
Hiện tượng tăng cường tính chất cơ lý của vật liệu khi đưa chất độn vào

vật liệu đó được gọi là hiện tượng tăng cường lực cho vật liệu. Đối với các vật
liệu cao su, khi đưa một số chất độn vào hợp phần, độ bền kéo và một vài tính
chất cơ lý cao su lưu hóa ở trạng thái đàn hồi cao tăng một cách đáng kể.
Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

15

Viện Khoa học Vật liệu

Các chất độn làm tăng tính chất cơ lý cao su, tăng tính năng sử dụng
của vật liệu được gọi là chất độn hoạt tính hay chất độn tăng cường. Các chất
độn không làm tăng (không thay đổi) tính chất cơ lý cao su được gọi là chất
độn trơ.
Sự phân chia chất độn thành hoạt tính và trơ chỉ là sự phân loại tương
đối bởi vì tác dụng của chất độn cho một vài loại cao su là tăng cường nhưng
đối với loại cao su khác nó rất có thể là chất độn trơ. Tác dụng tăng cường của
chất độn phụ thuộc vào bản chất hóa học của bản thân nó và của polyme nền,
phụ thuộc vào đặc trưng tương tác lẫn nhau giữa các pha polyme và chất độn.
Mặt khác, mức độ tăng cường lực cho cao su còn phụ thuộc vào hàm lượng
chất độn có trong hợp phần, kích thước và hình dáng hình học của chất độn;
đặc trưng hóa học bề mặt của chất độn và nhiều yếu tố khác [24].
Ngay từ những ngày đầu tiên, các chất độn dạng hạt đã đóng vai trò
sống còn đối với các ứng dụng thương mại của vật liệu polyme [25]. Sử dụng
chất độn ngoài mục đích giảm giá thành sản phẩm còn giúp cải thiện nhiều
tính chất của pha nền, nên được gọi là các chất độn gia cường.

Muội than là chất độn gia cường được sử dụng rộng rãi nhất trong công
nghiệp polyme, nhờ các đặc trưng lý hóa cũng như khả năng ứng dụng mà nó
mang lại cho cao su lưu hóa [26]. Tuy nhiên, tính không ổn định của giá dầu
mỏ đã làm giá thành của muội than biến động khó lường nên bắt buộc phải
tìm kiếm các loại chất độn khác, như là các hợp chất của oxit silic.
Năm 1950, oxit silic điều chế bắt đầu được sử dụng làm chất độn gia
cường cho các sản phẩm cao su [27]. Năm 1976, Wagner đã nghiên cứu kỹ
việc sử dụng oxit silic và silicat trong cao su và nhận thấy rằng, với sự có mặt
các thành phần này một số tính chất đặc trưng của vật liệu đã được cải thiện
như sự kháng rách, tính mềm mại, kháng mài mòn, cách nhiệt, tăng độ cứng
Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

16

Viện Khoa học Vật liệu

cứng, môđun, tính đàn hồi cao và màu sắc không rõ rệt. Kết hợp với sự thay
đổi trong quá trình sản xuất, cần phải thích nghi với các quá trình xử lý bề
mặt chất độn như xử lý nhiệt trong quá trình trộn hợp với cao su, xử lý nhiệt
với sự có mặt của các chất hoạt hóa hay việc sử dụng các tác nhân ghép nối
(titanat, silan).
Tuy nhiên việc sử dụng oxit silic đã làm tăng giá thành sản phẩm, trong
nhiều trường hợp, giá thành sản phẩm tăng lên một cách đáng kể, do đó người
ta phải kết hợp sử dụng các chất độn khoáng khác như sét, đá vôi. Điều này
lại làm giảm các tính năng kỹ thuật của sản phẩm.

Tro bay có thành phần chủ yếu là các oxit kim loại, kích thước hạt mịn
và giá thành rẻ, vì vậy nó không chỉ bổ sung một khối lượng lớn cho polyme
mà còn tạo thuận lợi trong quá trình gia công chế tạo các sản phẩm có hình
dạng theo ý muốn. Tro bay còn cải thiện các tính chất của sản phẩm chứa nó.
Yêu cầu cần thiết để ứng dụng thành công tro bay siêu mịn trong các sản
phẩm nhựa là nó phải tương thích (tạo liên kết hoặc tạo pha liên tục) với chất
nền polyme và không cản trở bất kỳ phản ứng nào trong quá trình gia công
chế tạo.
1.2.1.1. Thành phần hóa học trong tro bay
Tro của các nhà máy nhiệt điện gồm chủ yếu các sản phẩm tạo thành từ
quá trình phân hủy và biến đổi của các chất khoáng có trong than đá [28].
Thông thường, tro ở đáy lò chiếm khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75%
tổng lượng tro thải ra. Hầu hết các loại tro bay đều là các hợp chất silicat bao
gồm các oxít kim loại như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO,… và một
lượng nhỏ than chưa cháy, ngoài ra còn có một số kim loại nặng như Cd, Ba,
Pb, Cu, Zn,...
Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố:
Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

17

nguồn nguyên liệu than đá sử dụng để đốt và điều kiện đốt cháy trong các nhà
máy nhiệt điện.

Bảng 1.3: Thành phần hóa học các mẫu tro bay ở Ba Lan
từ các nguồn nguyên liệu khác nhau
Loại tro bay

Thành phần %
SiO2

Al2O3

Fe2O3

TiO2

MgO

CaO

Than
đen

ZS-14

54,1

28,5

5,5

1,1


1,9

1,8

ZS-17

41,3

24,1

7,1

1,0

2,0

2,7

Than
nâu

ZS-13

27,4

6,6

3,8

1,0


8,2

34,5

ZS-16

47,3

31,4

7,7

1,6

1,9

1,7

Như chúng ta thấy, các loại tro bay có được sau quá trình đốt cháy than
đen (ZS-14 và ZS-17) và mẫu tro bay có được sau quá trình đốt cháy than nâu
( ZS-16) là các alumino silicat, còn mẫu tro bay có được sau quá trình đốt
cháy than nâu (ZS-13) là loại canxi silicat.
Các cuộc khảo sát thành phần hóa học trong các mẫu tro bay ở các
nước khác cũng đã được tiến hành và thu được các kết quả tương tự.
Với thành phần chủ yếu là oxit silic (trên 50%) và một số oxit khác, tro
bay khá bền về mặt hóa học, có tiềm năng sử dụng làm chất độn tăng độ cứng
hay chống mài mòn cho vật liệu polyme.
1.2.1.2. Hình thái học tro bay [29]
Hình thái học của chất độn ảnh hưởng nhiều đến khả năng phân tán của

chất độn trong chất nền polyme cũng như một vài tính chất cơ lý của vật liệu.
Các hạt tro bay với cấu trúc điển hình là các vi cầu với bề mặt trơn nhẵn có
khả năng phân tán tốt trong các chất nền (hình 1.1).

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

18

Viện Khoa học Vật liệu

Hình 1.1: Các hạt tro bay có cấu trúc hình cầu

Bên cạnh đó, tro bay thường tồn tại dưới dạng bọc với các hạt nhỏ hơn
nằm bên trong các hạt rỗng, điều này làm cho tro bay có tỷ trọng khá thấp dẫn
đến khả năng có thể đưa chất độn này trong vật liệu polyme với lượng lớn
hơn (hình 2.1).

Hình 1.2: Ảnh SEM cấu trúc bên trong hạt
cầu

1.2.1.3. Phân bố kích thước hạt trong tro bay

Kích thước hạt tro bay là một
yếu tố
hhtocjbbb

bayquan
bay trọng quyết định đến khả
Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

19

năng ứng dụng của nó. Mỗi loại tro bay tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu,
điều kiện đốt và phương pháp thu hồi mà có sự phân bố kích thước hạt trong
tro bay khác nhau.
Tro bay có kích thước hạt nằm trong khoảng 10-350 m, phân đoạn có
đường kính hạt nhỏ hơn 45 m chiếm tỷ trọng lớn.
1.2.2. Xử lý bề mặt tro bay
Tro bay đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp xi măng
và bê tông. Với kích thước hạt mịn, tỉ trọng thấp, khả năng phân tán tốt cũng
như độ linh động trong hình dạng hạt, tro bay còn được sử dụng như vật liệu
rất có tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác đặc biệt là trong lĩnh vực polime.
Tuy nhiên, việc sử dụng tro bay làm chất độn trong polime vẫn chưa được
phổ biến. Lí do chính là khả năng tương tác pha yếu giữa tro bay và chất nền
polime và độ trắng thấp dẫn đến kết quả không mong muốn trong các sản
phẩm cuối cùng. Đã có một vài phương pháp biến đổi bề mặt tro bay bao gồm
đưa vào các tác nhân ghép nối hoặc chất hoạt động bề mặt trong quá trình trộn
hợp cơ học, các phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi để biến đổi tính
chất bề mặt của tro bay.

Nhóm tác giả Z. Sarbak và M. Kramer – Wachowiak [30] đã xử lí bề
mặt của tro bay bằng các dung dịch NaOH, NaOH/NH4HCO3, EDTA và HCl
với mục đích xác định sự thay đổi diện tích bề mặt và cấu trúc xốp của tro bay
cùng với sự biến đổi hóa học của chúng với các tác nhân hóa học khác nhau.
Bảng sau cho biết các đặc trưng về độ xốp và diện tích bề mặt của tro bay đã
được biến đổi hóa học.
Bảng1. 4: Các đặc trưng tro bay sau các quá trình xử lí bề mặt khác nhau.
Dung dịch xử lí

Khoá luận tốt nghiệp

Diện tích bề mặt

Bán kính lỗ xốp

Độ xốp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

20

BET (m2/g)

trung bình (µm)


(cm3/g)

Không xử lí

3

34

0,01

NaOH

59

48

0,14

NaOH/NH4HCO3

60

43

0,13

EDTA

60


50

0,18

HCl

105

17

0,10

Trong tất cả các trường hợp, diện tích bề mặt của tro bay đã bị biến đổi
bề mặt đều lớn hơn so với mẫu tro bay ban đầu. Như có thể quan sát thấy,
diện tích của bề mặt tăng nhiều nhất trong trường hợp tro bay được biến đổi
với dung dịch HCl. Trong trường hợp này kết quả cho thấy bán kính độ xốp
giảm xuống khoảng 2 lần so với tro bay ban đầu. Quá trình biến đổi với các
dung dịch khác dẫn đến sự tăng một lượng nhỏ bán kính độ xốp. Ảnh hưởng
đáng kể từ quá trình biến đổi hóa học là độ xốp, các mẫu đều có độ xốp tăng
hơn 10 lần so với mẫu tro bay chưa xử lí. Độ xốp tăng lớn nhất với mẫu tro
bay được xử lí trong dung dịch EDTA. Trong trường hợp này bán kính lỗ xốp
cũng tăng nhiều nhất. Khi tro bay xử lí với dung dịch HCl cho kết quả diện
tích bề mặt là lớn nhất được đặc trưng bởi bán kính lỗ xốp trung bình nhỏ
nhất và độ xốp nhỏ nhất so với tất cả các mẫu được biến đổi hóa học. Điều
này có nghĩa là có một lượng lớn hơn các vi lỗ xốp so với các biến đổi khác.
Tóm lại, trong nghiên cứu này các tác giả đã biến đổi hóa học bề mặt của tro
bay bằng các dung dịch khác nhau để làm thay đổi một số tính chất đặc trưng
của tro bay như tăng đáng kể diện tích bề mặt, kích thước trung bình của lỗ
xốp và biến đổi cấu trúc dạng cầu của mẫu tro bay ban đầu thành cấu trúc
dạng tinh thể như có thể quan sát thấy bằng phương pháp kính hiển vi điện tử

quét SEM. Các mẫu tro bay đã được biến đổi bề mặt có thể tìm thấy các ứng
dụng hợp lí như làm chất hấp phụ, xúc tác hay làm chất độn cho vật liệu cao su.
Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

21

Viện Khoa học Vật liệu

Phương pháp biến đổi bề mặt trình bày ở trên đã làm tăng diện tích bề
mặt cũng như độ xốp của tro bay, tuy nhiên, việc loại bỏ nước thải chứa kiềm
hay axit là công việc khó khăn. Ngoài ra các phương pháp trên không thể cải
thiện màu sắc của tro bay do đó đã hạn chế ứng dụng rộng rãi của tro bay làm
chất độn. Để đáp ứng các nhu cầu cho ngành công nghiệp nhựa nói riêng hay
polime nói chung, việc phát triển công nghệ biến đổi bề mặt để cải thiện tính
chất của tro bay với giá trị độ trắng cao và diện tích bề mặt lớn là một hướng
nghiên cứu quan trọng đóng vai trò chủ chốt.
Theo hướng này, Yang – Yu – Fen và các đồng nghiệp đã xử lý bề mặt
tro bay bằng Ca(OH)2 – H2O – CO2. Trước hết, mẫu tro bay ban đầu được làm
sạch. Quá trình này trải qua 3 giai đoạn, đầu tiên là phân loại bằng thiết bị
phân loại ướt 45µm có được mẫu tro bay A với kích thước hạt dưới 45 µm.
Sau đó một thiết bị tách từ với cường độ cảm ứng từ 7000 G được sử dụng để
tách phần từ tính từ mẫu A, ta thu được mẫu B, và cuối cùng sử dụng thiết bị
tuyển dạng XFD cỡ nhỏ để loại bỏ phần các bon chưa cháy để thu được mẫu
C – mẫu tro bay sạch. Tiếp theo, mẫu tro bay sạch được đem biến đổi bề mặt
trong dung dịch Ca(OH)2. Quá trình được thực hiện trong hệ mở với một máy

khuấy ở áp xuất thường, nhiệt độ không đổi trong khoảng 85 -900C, thời gian
biến đổi từ 0,5 -7h. Quá trình phản ứng kết thúc, dung dịch được làm lạnh và
khí CO2 được thổi qua để trung hòa phần Ca(OH)2 còn dư. Phản ứng trung
hòa này hoàn toàn khi pH của dung dịch đạt tới 7, sau đó chất rắn được lọc
rửa và sấy khô. Lớp phủ trên bề mặt tro bay được phân tích dựa trên các dữ
liệu từ các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử
quét (SEM), phổ hồng ngoại (IR), phương pháp hấp phụ nitơ đa điểm BET.
Kết quả phân tích cho biết, từ mẫu tro bay sạch ban đầu với kích thước hạt
nhỏ hơn 45µm, diện tích bề mặt 2,86m2/g và độ trắng 36.68, sau khi được
biến đổi bề mặt mẫu tro bay có diện tích bề mặt trong khoảng 8.69 đến 10.01
Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

22

Viện Khoa học Vật liệu

m2/g và tăng độ trắng lên trong khoảng 63.37 đến 73.13. Nghiên cứu ảnh
SEM cũng cho phép xác định chi tiết hình thái bề mặt ráp của tro bay. Thử
nghiệm khả năng gia cường của vật liệu tro bay đã biến đổi bề mặt này cho
thấy bề mặt ráp của tro bay đã cải thiện khả năng tương tác pha giữa tro bay
và polime nền. Khi so sánh khả năng gia cường PP của tro bay chưa xử lí bề
mặt với tro bay đã xử lí bề mặt, kết quả cho thấy với trường hợp đã xử lí bề
mặt đều cho các chỉ số như độ bền kéo đứt, độ bền nén, mô đun đàn hồi và độ
bền uốn của vật liệu đều cao hơn so với trường hợp không xử lí bề mặt.
1.2.3. Phƣơng pháp biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan

Phương pháp biến đổi bề mặt các chất độn nói chung bằng các hợp chất
silan ngày càng trở nên phổ biến do có được nhiều ưu điểm, đặc biệt là trong
khả năng tăng cường tính chất của vật liệu.
Các tác nhân ghép silan là các hợp chất hóa học trên cơ sở silic có chứa
hai nhóm hoạt động chính là nhóm vô cơ và hữu cơ trên cùng một phân tử.
Hầu hết các tác nhân ghép nối silan được sử dụng rộng rãi có khả năng thủy
phân với cấu trúc điển hình của nó là
(RO)3SiCH2CH2CH2-X
Trong đó RO là nhóm có khả năng thủy phân như: metoxy, etoxy hay
axetoxy và X là nhóm hưu cơ chứa các nhóm chứa như amin, metacryloxy,
epoxy...
Tác nhân ghép nối silan sẽ hoạt động ở bề mặt phân cách pha giữa chất
độn vô cơ (như thủy tinh, kim loại hay khoáng chất) và vật liệu hữu cơ (như
polyme hữu cơ, lớp phủ hay lớp kết dính) để liên kết hay ghép nối hai loại vật
liệu ít tương thích này với nhau.
Như đã đề cập ở trên, lí do chính để tro bay chưa được sử dụng rộng rãi

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

23

Viện Khoa học Vật liệu

làm các chất độn cho các hợp chất polyme là do khả năng tương tác yếu của
bề mặt tro bay chất nền. Vì vậy cũng như nhiều chất độn vô cơ khác, biến đổi

bề mặt của tro bay là cần thiết trong nhiều trường hợp để làm giảm hạn chế
này của tro bay.
Sau khi biến đổi bằng các hợp chất silan, bề mặt của tro bay được hoạt
hóa nhờ các nhóm chức hữu cơ như amino, epoxy hay vinyl. Khi gia cường
cho các vật liệu polyme hay cao su, tro bay có thể tạo liên kết hóa học hay vật
lí với các pha nền mô tả trong 2 trường hợp dưới đây:
- Tham gia phản ứng lưu hóa cao su

- Tạo liên kết vật lí với polyme:

Như vậy tùy từng loại polyme hay cao su gia cường mà cần phải lựa chọn
hợp chất silan cho phù hợp để thực hiện quá trình xử lí biến đổi trên bề mặt tro bay.
1.2.4. Nghiên cứu ứng dụng tro bay trong polyme và cao su
Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

24

Viện Khoa học Vật liệu

1.2.4.1. Trên thế giới
Trên thế giới, tro bay đã được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong sản
xuất bê tông xi măng, làm chất hấp thụ kim loại nặng trong xử lý nước, làm
chất xúc tác trong quá trình nhiệt phân polyme, xử lý chất phóng xạ,… Một
trong các ứng dụng rất có hữu ích của tro bay là sử dụng như chất độn gia
cường cho các vật liệu polyme và cao su. Nó có tác dụng làm tăng độ bền cơ

học, độ cứng, giảm độ co ngót cho chất dẻo như polypropylen (PP),
polyetylen (PE) để chế tạo các vật liệu kết cấu. Trong công nghiệp cao su, tro
bay có thể thay thế một số bột độn khác để tăng độ bền mài mòn, giảm tỷ
trọng và giá thành sản phẩm.
Tro bay có hiệu quả rõ rệt khi làm chất độn gia cường cho các vật liệu
từ cao su thiên nhiên, cao su clopren, cao su butadien và cao su nitril. Tro bay
đã làm tăng độ bền kéo đứt và modun đàn hồi của vật liệu . Tro bay cùng với
các phụ gia khác như bột kim loại và với chất dẻo đưa vào cao su tái sinh để
chế tạo tấm lát đường ngang xe lửa [31]. M. Hossain và tập thể nghiên cứu
của trường Đại họ c Kansas đã công bố kết quả sử dụng cao su tái chế từ lốp ô
tô để làm lớp asphal trải đường có sử dụng phụ gia tro bay [32]. Đây là công
trình rất có giá trị về khoa học môi trường, khi công trình này được áp dụng
thì một lượng lớn lốp ô tô phế thải được sử dụng để thay thế nhựa đường và
như vậy đã làm giảm giá thành xây dựng. Tác giả đã nghiên cứu sử dụng tro
bay để làm phụ gia cho quá trình trộn hợp và thấy rằng khi tăng hàm lượng
tro bay thì độ bền Marshall của vật liệu tăng. Tuy nhiên, khi đưa tro bay vào,
quá trình trộn hợp cũng bị thay đổi.
Tro bay đã được nghiên cứu gia cường cho cao su clopren [33]. Tác giả
đã thấy rằng tro bay không xử lý và đã xử lý đều có tác dụng làm tăng độ bền
kéo đứt và môdun đàn hồi của vật liệu. Khi sử dụng 10-100% tro bay được

Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Xuân


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

25


Viện Khoa học Vật liệu

xử lý bề mặt bởi 1% nopentyl (diallyl) oxy, trineodecanonyl titanat, sản phẩm
cao su clopren có độ bền kéo đứt và modun đàn hồi tăng nhiều lần so với mẫu
sử dụng tro bay không xử lý. Cơ chế tương tác giữa nopentyl (diallyl) oxy,
trineodecanonyl titanat với tro bay và cao su clopren xảy ra theo 2 giai đoạn.
Trước hết nhóm -OH trên bề mặt của tro bay phản ứng với trineodecanonyl
titanat để biến đổi bề mặt, hoạt hoá tro bay. Tro bay đã được xử lý bề mặt
phản ứng với liên kết đôi của cao su clopren tạo thành liên kết ngang trong
cao su lưu hoá. Hợp chất silan đã làm giảm sức căng bề mặt pha của cao su
và tro bay và còn đóng vai trò là chất kết dính giữa 2 thành phần.
O. Figovsky và các cộng sự đã chế tạo bê tông polyme từ cao su
polybutadien, cát thạch anh và tro bay. Polybutadien được khâu mạch bằng
lưu huỳnh có mặt của hỗn hợp chứa tro bay. Bê tông loại này có độ bền axit
và cả bền kiềm rất lớn, dai và bám dính tốt với các bột kim loại, có độ bền
nén lớn và hấp thụ nước nhỏ. Sản phẩm được sử dụng trong xây dựng các kết
cấu công nghiệp đòi hỏi bền hoá chất, tiếp xúc thường xuyên với axit sulfuric
dung dịch kali hydroxit đậm đặc [34]. D.G. Hundiwale cũng đã nghiên cứu
tác dụng của tro bay trong tổ hợp CS butadien. Tác giả đã nhận thấy rằng, khi
có mặt của CaCO3 và bột talc tro bay có tác dụng gia cường tốt hơn cho cao
su butadien. Tổ hợp vật liệu này có độ bền kéo đứt lớn nhất ở hàm lượng tro
bay 35% và độ dãn dài khi đứt lớn nhất ở hàm lượng tro bay 38% [35]. Khi
tro bay được xử lý bề mặt bằng các hợp chất silan, các tính chất cơ lý của vật
liệu tăng lên đáng kể.
Cao su thiên nhiên cũng là đối tượng nghiên cứu của nhiều công trình
để ứng dụng chất gia cường là tro bay. R. Menon và cộng sự đã chế tạo tổ
hợp vật liệu có chứa tro bay trên cơ sở CSTN có mặt của nhựa cacdanol
photphorylat hoá và chất đóng rắn là hexametylen tetramin. Nhựa cacdanol
photphorylat hoá đóng vai trò chất liên kết giữa 2 pha CSTN và tro bay [36].
Khoá luận tốt nghiệp


Nguyễn Thị Xuân


×