Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng than đen đến tính chất của vật liệu cao su sử dụng làm bạc trượt cho máy bơm nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

NGUYÊN THỊ HẠNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG
THAN ĐEN ĐÉN TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
CAO Sư SỬ DỤNG LÀM BẠC TRƯỢT
•

•

•

CHO MÁY BƠM NƯỚC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
•

•

•

•

C h u y ê n n g à n h : H ó a C ô n g n g h ệ - M ô i tr ư ờ n g

N gười hướng dẫn khoa học:
ThS . N G U Y Ễ N VĂN T H Ủ Y
P GS . T S . N G Ô K É T H Ế

HÀ NỘI - 2015


Khóa luận tốt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

LỜI CẢM ƠN
Khóa luận được hoàn thành tại phòng NC Vật liệu Polyme &
Compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam.
Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới
ThS.Nguyễn Văn Thủy, PGS.TS. Ngô Kế Thế đã hướng dẫn, tận tình
chỉ bảo và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện đề tài
tại phòng NC Vật liệu Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong
khoa Hoá học trường ĐHSP Hà Nội 2 đã cung cấp cho em những kiến
thức cơ bản trong quá trình học tập để em có thể hoàn thành tốt khóa
luận này.
Do quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp trong thời gian
ngắn nên không thể tránh khỏi một số sai xót. Vì vậy, em rất mong
nhận được sự góp ý chỉ bảo của các thầy cô và các bạn sinh viên để
bài khóa luận được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 5 tháng 5 năm 2015

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Hạnh

Nguyễn Thị Hạnh

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng em.
Các kết quả nghiên cứu, số liệu được trình bày trong khóa luận là hoàn
toàn trung thực và không trùng với kết quả khác.

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Hạnh

Nguyễn Thị Hạnh

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

DANH MỤC CÀC KI HIỆU, BÁNG VÁ HÌNH
1. Danh mục các kí hiệu
ACN -

Acrylonitril

CSTN - Cao su thiên nhiên
CSTH - Cao su tổng hợp
c z - Xúc tiến N-xiclohexyl-2-benzothiazolsunfeamit
M - Xúc tiến mercaptobenzothiazol
NBR -

Cao su butadien nitril

PVC -

Nhựa polyvinylclorua

TMTD - Xúc tiến tetrametylthiuram disunfit
Phòng lão 4020

- Chất phòng lão N-(1,3 dimetylbutyl) N ’fenyl-p-

fenylendiamin
2. Danh mục các bảng
Bảng 1.1. Tính chất của cao su NBR khi hàm lượng ACN tăng dần.
Bảng 3.1. Độ bền kéo mẫu vật liệu P70K với hàm lượng than đen
thay đổi.
Bảng 3.2. Độ dãn dài khi đứt và độ cứng của mẫu vật liệu P70K với
hàm lượng than đen thay đổi.
Bảng 3.3. Độ mài mòn mẫu cao su P70K khi hàm lượng than đen
thay đổi.
Bảng 3.4. Độ bền kéo của các mẫu cao su KBN35L.

Nguyễn Thị Hạnh

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Bảng 3.5. Độ dãn dài khi đứt, độ cứng và độ mài mòn của các mẫu cao
su KBN35L khi hàm lượng than đen thay đổi.
3. Danh mục các hình
Hình 1.1. Cấu tạo các lớp mạng của than đen.
Hình 1.2. Cao su được sử dụng trong chế tạo bạc trượt bôi trơn nước.
Hình ì .3. Bạc trượt bằng cao su có thể tháo lắp.
Hình 1.4. Hệ số ma sát của bạc cao su (NBR) và bạc PTFE trong nước.
H ình].5. Hai kiểu bạc trượt bằng PTFE.
Hình 1.6. Tốc độ mài mòn của vật liệu bạc trượt .
Hình 2. ỉ. Máy cán hãng TOYOSEIKI- Nhật Bản.
Hình 2.2. Máy ép hãng TOYOSEIKI (Nhật Bản).
Hình 2.3. Máy đo độ bền kéo và độ dãn dài của Gotech AI-7000M.
Hình 2.4: Thiết bị đo độ cứng TECLOCK Jisk 6301A.
Hình 2.5. Thiết bị đo độ mài mòn của vật liệu cao su.
Hình 3.1. Độ bền kéo mẫu cao su P70K khi hàm lượng than đen
thay đổi.
Hình 3.2. Độ mài mòn mẫu cao su P70K khi hàm lượng than đen
thay đổi.
Hình 3.3. Độ bền kéo mẫu cao su KBN35L.
Hình 3.4. Độ mài mòn mẫu cao su M và L.
Hình 3.5. Độ trương trong dầu diezen mẫu M50 và M60.
Hình 3.6. Độ trương trong dầu của hai mẫu L50 và L60.

Nguyễn Thị Hạnh

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Hình 3.7. Độ trương trong dầu diezen hai mẫu CB20 và CB35.
Hình 3.8. Độ trương trong dầu diezen các mẫu CB, M, L.

Nguyễn Thị Hạnh

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

MỤC LỤC
MỞ Đ Ầ U ............................................................................................................... 1
1. TỒNG QU A N ................................................................................................. 3
1.1. Cao s u ...........................................................................................................3
1.1.1. Cao su thiên nhiên (C S T N ).................................................................. 4
1.1.2. Cao su tổng hợp (CSTH)....................................................................... 5
1.2. Than đen - Chất độn hoạt tính trong cao s u ........................................11
1.3. Bạc trượt cho máy bơm n ư ớ c ................................................................ 16

1.3.1. Các loại vật liệu làm bạc tr ư ợ t.......................................................... 16
1.3.1.1. Vật liệu cao s u ....................................................................................16
1.3.1.2. Bạc trượt teflon (P T F E )...................................................................19
1.3.1.3. Vật liệu N B R /PTFE..........................................................................21
1.3.2. Lựa chọn loại cao su phù hợp............................................................. 22
2. THỰC NGHIỆM.......................................................................................... 23
2.1. Vật liệu nghiên c ứ u ............................................................................... 23
2.1.1. Cao s u ....................................................................................................23
2.1.2. Các hóa chất k h á c .................................................................................23
2.2. Phương pháp chế tạo m ẫ u .................................................................... 23
2.3. Các phương pháp xác định tính chất của vật liệu...............................25
2.3.1. Tính chất cơ lý .......................................................................................25
2.3.1.1. Phương pháp xác định độ bền kéo đ ứ t......................................... 25

Nguyễn Thị Hạnh

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

2.3.1.2. Phương pháp xác định độ dãn dài khi đ ứ t................................... 26
2.3.2. Phương pháp xác định độ cứng của vật l i ệ u ................................ 26
2.3.3. Phương pháp xác định độ chịu mài mòn sử dụng
thiết bị trống quay hình t r ụ ................................................................... 27
2.3.4. Đánh giá độ bền môi trường của vật liệu
trong dầu điezen...................................................................................... 28
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO L U Ậ N ................................................................ 29

3.1 Nghiên cứu chế tạo vật liệu cho bạc bơm từ
cao su blend P70K ...................................................................................29
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ bền kéo đứt
của vật liệu P 7 0 K .................................................................................... 29
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ dãn dài khi đứt
và độ cứng của vật liệu P 7 0 K .............................................................. 30
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ mài mòn
của vật liệu P 7 0 K .................................................................................... 31
3.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu cho bạc bơm từ
cao su KBN35L........................................................................................33
3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ bền kéo
cao su KBN35L........................................................................................33
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ dãn dài khi đứt
và độ cứng của vật liệu cao su K B N 35L ........................................... 35
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của than

đen đến độ mài mòn của vật liệu

cao su K BN 35L........................................................................................36

Nguyễn Thị Hạnh

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

3.3. Đánh giá độ bền môi trường của vật liệu

trong dầu điezen...................................................................................... 37
3.3.1. Độ trương trong

dầu diezen của hệ mẫu M ............................ 37

3.3.2. Độ trương trong

dầu diezen của hệ mẫu L ............................. 38

3.3.3. Độ trương trong

dầu diezen của hệ mẫu C B ..........................39

KẾT L U Ậ N ....................................................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM K H Ả O ............................................................................. 42

Nguyễn Thị Hạnh

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Bạc trượt bôi trơn nước sử dụng lần đầu tiên cách đây 150 năm
tại Isambard Kingdom Brunei, chúng làm việc dưới nước phục vụ cho
chân vịt máy hơi nước thế hệ sớm nhất. Do vậy, bạc trượt có thể được

coi là một trong những công nghệ xanh đầu tiên, nó tự bôi trơn bằng
nước nên không làm cho nước biển bị ô nhiễm bởi dầu [20].
Ban đầu, bạc trượt bôi trơn nước bao gồm một ống bằng gỗ với
các khe dọc ở bên trong. Kỹ sư Victorian đã thiết kế tối ưu hóa khoảng
cách giữa áo bạc và bề mặt trục, cũng như là tỷ lệ chiều rộng của khe lỗ
và thanh dọc, cho phép nước chảy bôi trơn thuận lợi. Ngày nay bạc
trượt bôi trơn nước vẫn được thiết kế dựa trên tối ưu hóa kích thước
giữa khe lỗ và thanh dọc, chứng tỏ thiết kế ban đầu của kỹ sư là đúng
đắn [20].
Thực tế, vấn đề hư hỏng xảy ra với sản phẩm không phải từ thiết
kế mà thường từ độ bền của vật liệu trong quá trình hoạt động. Do yêu
cầu cao về điều kiện làm việc, bạc bằng gỗ bị mài mòn nhanh nên nhu
cầu thay thế bằng loại vật liệu khác được đặt ra cho các kỹ sư chế tạo.
Cao su là loại vật liệu được quan tâm đến và lựa chọn để thay thế gỗ.
Cao su nitril và blend của nó là loại vật liệu có độ bền môi trường
tốt, chỉ trương một chút trong nước và 1'ất bền khi tiếp xúc với xăng
dầu, rất phù hợp với điều kiện làm việc của chân vịt tàu thủy. Bạc trượt
bằng cao su nitril có độ bền mài mòn tốt, đã được sử dụng rộng rãi
trong các loại máy bơm nước có lưu lượng cao. Nghiên cứu cải thiện độ
bền, tăng tuổi thọ của bạc trượt tự bôi trơn bằng nước vẫn luôn là mục
tiêu của các nhà sản xuất.
Nguyễn Thị Hạnh

1

Lớp: K37C. CN Hóa


Khóa luận tôt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Trước thực tế đó, em đã chọn đề tài khóa luận là: “ Nghiên cứu
ảnh hưởng của hàm ỉượng than đen đến tính chất của vật liệu cao
su sử dụng làm bạc trượt cho máy bom nước” phải làm việc nhiều
giờ liên tục ở môi trường nước thải thành phố và công nghiệp.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng than đen đến tính chất cơ,
độ mài mòn, độ cứng và độ bền môi trường của vật liệu cao su sử dụng
làm bạc trượt cho máy bơm nước.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Xác định vật liệu cao su sử dụng làm bạc trượt cho máy bơm
nước.
- Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng than đen đến tính chất cơ
của vật liệu .
- Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ mài mòn và bền môi
trường của vật liệu.
- Xác định thành phần vật liệu tối ưu.

Nguyễn Thị Hạnh

2

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1. TỎNG QUAN
1.1. Cao su
Cao su là loại vật liệu polyme vừa mềm dẻo, vừa có độ bền cơ
học cao và khả năng biến dạng đàn hồi lớn.
Cao su được làm bằng mủ lấy từ một vài loại cây gốc Châu Mỹ
hoặc Châu Phi. Năm 1876, Henry Whickham người Anh chọn lựa
khoảng 70000 hạt cao su từ Brasil đem nhập lậu vào nước Anh. Từ số
hạt giống này, chỉ trồng được 2600 cây song cũng đủ để trồng cây cao
su ở các thuộc địa của Anh quốc về sau [17].
Cao su là hợp chất cao phân tử mà mạch đại phân tử của nó có
chiều dài lớn hơn rất nhiều lần chiều rộng và được cấu tạo từ một loại
hoặc nhiều loại mắt xích có cấu tạo hóa học giống nhau được lặp đi lặp
lại nhiều lần. Hoạt động hóa học, tính năng kĩ thuật của cao su phụ
thuộc vào cấu tạo, thành phần hóa học, khối lượng phân tử, sự phân bố
khối lượng phân tử và sự sắp xếp tương ứng các mạch đại phân tử trong
khối polyme.
Độ bền nhiệt của cao su phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng liên
kết các nguyên tố hình thành mạch chính. Năng lượng liên kết càng cao
thì độ bền nhiệt cao su càng lớn, cao su có khả năng làm việc ở nhiệt độ
càng cao [2].
Cao su ít bị biến đổi khi gặp nóng hoặc lạnh, cách nhiệt, cách
điện, không tan trong nước nhưng tan trong một số chất lỏng khác.
Cao su được dùng để làm lốp xe, bóng, đế giày, và các vật liệu
gia dụng khác,...v.v.

Nguyễn Thị Hạnh

3

Lớp: K37C. CN Hóa

Khóa luận tôt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2
1.1.1. Cao su thiên nhiên (CSTN)

Cao su thiên nhiên là một chất có tính bền và tính đàn hồi, thu
được từ mủ (latex) của nhiều loại cây cao su [3].
Cao su thiên nhiên là polyizopren

mà mạch đại phân tử của nó

được hình thành từ các mắt xích izopenten six đồng phân liên kết với
nhau ở vị trí 1,4:
CH,

H
>

CH,
\
= c /C H l "C H 2
\
H

=c ^

— CH2

CH2 / C H 2 >
/
CH3

H
■ C\ r H _
(~H2 —

Khối lượng phân tử trung bình của CSTN là 1,3-1 o6. Mức độ dao
động khối lượng phân từ rất nhỏ (từ 105 đến 2 . 105) [2].
CSTN có ưu điểm là sức dính tốt, đàn hồi tốt, lực kéo đứt và xé
rách cao, sinh nhiệt thấp, tốc độ lưu hóa nhanh, giá thành rẻ. Tuy nhiên,
CSTN có tính chống tác dụng của 0 2, O3, dầu, acid, kiềm...yếu, chống
lão hóa nhiệt yếu, độ kín khí thấp.
CSTN có ứng dụng chủ yếu trong ngành sản xuất ô tô. Ở các
nước phát triển, gần đây, 60% tổng lượng cao su được dùng cho sản
xuất săm và lốp ôtô. Trong việc chế tạo lốp xe thì phần lớn cao su được
dùng là CSTN. Ngoài lốp xe ra, các ô tô hiện đại có tới hơn 300 bộ
phận tạo ra từ cao su. Trong đó, nhiều bộ phận được chế tạo ra từ
CSTN.
Hơn nữa, CSTN được dùng trong sản xuất các ống dẫn, giày dép,
bình ắc quy, đệm hơi, khí cầu, đồ chơi,...v.v. Ngoài ra, CSTN còn được
dùng trong việc chống rung và làm cầu đường. Ớ những lĩnh vực này,
ứng dụng của các sản phẩm kĩ thuật đa dạng của CSTN ngày càng được
Nguyễn Thị Hạnh

4

Lớp: K37C. CN Hóa

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

mở rộng [18].
1.1.2. Cao su tổng hợp (CSTH)
CSTH là vật liệu polyme, được tạo ra từ dầu mỏ hoặc than đá và
được phân loại như một vật liệu đàn hồi nhân tạo. Điều này có nghĩa là
nó có thể bị biến dạng mà không chịu tổn thất gì, và có thể quay trở về
hình dạng ban đầu của nó sau khi chịu tác dụng của ngoại lực. CSTH có
nhiều lợi ích hơn và có nhiều ứng dụng nổi bật hơn so với cao suthiên
nhiên trong hầu hết các ngành công nghiệp.
Sự đòi hỏi về nguồn cao su bắt đầu tăng lên nhanh chóng với sự
phát minh ra ô tô và lốp xe ô tô. Nhiều nhà khoa học đã tìm ra butadien
tổng hợp trong suốt đầu thế kỉ 20, nhưng nó không còn tồn tại cho đến
Chiến tranh Thế giới thứ 2, lúc này CSTH đã thay thế các nguồn tự
nhiên. Trong suốt những năm 1940 của thời chiến tranh ở Đại Tây
Dương, sự sản xuất cao su đã phát triển lên tới hơn 100 lần so với các
chiến tranh trước [21].
Hàng năm, có khoảng 15 tỉ kilogram cao su được sản xuất ra,
trong đó CSTH chiếm tới 2/3 tổng sản lượng [15]. Dự tính đến năm
2020, thu nhập toàn cầu về CSTH sẽ lên tới xấp xỉ 15 tỉ USA [8].
CSTH được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Nó
có tầm quan trọng lớn trong việc chế tạo lốp xe, cao su nhân tạo cũng
được dùng để sản xuất các thiết bị y tế, các bộ phận đúc ép, và dây
curoa cho máy móc. Ngoài ra, các loại ống mềmvà các

nút đệm kín

trong công nghiệp cũng được tạo ra từ CSTH [21].
•

Cao su butadien nitril (NBR)

Cao su butadien nitril được coi là bộ khung của ngành công

Nguyễn Thị Hạnh

5

Lớp: K37C. CN Hóa


Khóa luận tôt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

nghiệp và công nghiệp sản xuất ôtô. NBR được ứng dụng rộng rãi trong
các lĩnh vực yêu cầu về độ chịu dầu mỡ, nhiên liệu, và độ bền hóa học.
Trong ngành sản xuất ôtô, NBR được dùng trong các thiết bị ống vận
hành có dầu mỡ hoặc các nhiên liệu khác, các nút kín hoặc các vòng
đệm. Ngoài ra, NBR còn được dùng cho các ống mềm thủy lực, các
băng chuyền tải, làm nút kín cho tất cả các loại ống nước và thiết bị
khác trong công nghiệp. Năm 2005, trên thế giới lượng NBR được tiêu
thụ lên đến 368000 tấn [22].
Cao su butadien nitril là sản phẩm đồng trùng hợp của butadien
1,3 và acrylonitril (ACN) với sự có mặt của hệ xúc tác oxy hóa khử
pensunfat kali và trietanolamin. Cao su butadien nitril công nghiệp ra
đời năm 1937 ở Cộng hòa liên bang Đức. Sau đại chiến thế giới lần thứ

hai cao su

butadien nitril được tổ chức sản xuất với quy mô công

nghiệp ở Liên Xô cũ với nhiều chủng loại khác nhau.
Acrylonitril có khả năng tham gia vào phản ứng với dien để tạo
thành hai loại sản phẩm khác nhau: Sản phẩm chủ yếu có mạch phân tử
dài - mạch đại phân tử cao su butadien nitril.

nCH2=CH-CH=CH2 + mCH2=CH-CN —►

( -CH2-CH=CH-CH2-)a(-CH2-CH-)b
CN

Sản phẩm phụ khi acrylonitril tham gia vào phản ứng vòng hóa
với đien để tạo thành nitril mạch vòng 4 - xiano xiclohexen, tạo cho cao
su butadien nitril mùi đặc trưng (mùi nhựa cây đu đủ).
H2

Nguyễn Thị Hạnh

6

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Phản ứng tạo sản phẩm phụ

4 - xiano xiclohexen xảy ra càng

mạnh khi hàm lượng monome acrylonitril trong hỗn hợp phản ứng càng
cao. Cao su butadien nitril chứa càng nhiều 4 - xianoxiclohexen có màu
thẫm hơn và có mùi rõ hơn. Dựa vào đặc điểm này mà ta có thể dễ dàng
phân biệt được loại cao su và hàm lượng nhóm nitril có trong cao su.
Khối lượng trung bình của cao su butadien nitril dao động trong
khoảng từ 200.000 đến 3000.000.
Cao su butadien nitril có cấu trúc không gian không điều hòa vì
thế nó không kết tinh trong quá trình biến dạng. Tính chất cơ lý, tính
chất công nghệ của cao su butadien nitril phụ thuộc vào hàm lượng
nhóm nitril trong nó: Khả năng chịu môi trường dầu, mỡ, dung môi hữu
cơ tăng cùng với hàm lượng nhóm acrylonitril tham gia vào phản ứng
tạo mạch phân tử cao su. Ảnh hưởng của nhóm nitril đến khả năng chịu
dầu của cao su có thể giải thích trên cơ sở của các lý thuyết sau:
Theo thuyết hấp phụ do liên kết C -N trong cao su có độ phân cực
lớn (ô+ ở nguyên tử cacbon, ô- ở nguyên tử nitơ) nên lực tác dụng
tương hỗ giữa các đoạn mạch phân tử có chứa nhóm C -N tăng. Năng
lượng liên kết vật lý giữa các đoạn mạch cao, năng lượng kết dính nội
càng lớn khi hàm lượng nhóm C -N càng cao. Năng lượng liên kết nội
ngăn chặn hiện tượng tách các phân tử polyme ra xa trong quá trình
trương và hòa tan vì thế cùng với hàm lượng nhóm nitril tăng khả năng
chịu dầu mỡ của cao su cũng tốt hơn [2].
Theo thuyết che chắn do kích thước không gian các nhóm phân
cực C -N lớn và khoảng cách không gian giữa các nhóm C -N với liên
kết không no gần nên các nhóm C -N đã bao trùm lên không gian các
liên kết không no, ngăn chặn sự thâm nhập các tác nhân tác dụng (phân
Nguyễn Thị Hạnh

7

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

tử của dầu, m ỡ...) vào không gian liên kết đôi và khoảng không gian
giữa các mạch đại phân tử. Khi hàm lượng nhóm nitril trong mạch cao
su càng cao khả năng và hiệu quả che chắn càng cao [2].
Các loại cao su nitril có mặt trên thị trường thường có hàm lượng
ACN trong khoảng từ 18-50%. Việc gắn acrylonitril vào sườn polyme
butadien giúp cải thiện đáng kế tính kháng dầu của cao su, đồng thời
ảnh hưởng lên nhiều tính chất khác của copolyme (bảng 1. 1).
Bảng ỉ . ỉ . Tính chất của cao su N B R khi
hàm lượng A C N tăng dần [12].

Hain lượng acrvlonitrile tàug tir
18-50°c
Táng
Tảng
Tàng
TAiầg
Tảng
Tảng
Tân*
Châm

Cnàm
Tâng

Túili cliẩt
Tính kliáng dáu
Tính kháng nguyên licu
Lite kto đứt
Độ cúng
Tính khán? mài mòn
Tính kháng thâm khi
Túih kháng nhiệt
Tính dẽo ơ iihict độ thâp
Đô náv
Khà iiÀng rưcmg ỈKprpvói chát hóa dẻo

Lượng ACN trong copolyme càng nhiều thì tính kháng dầu của
cao su càng cao. Lượng ACN càng thấp, độ chịu lạnh của copolyme
càng tốt nhưng tính kháng dầu càng kém. NBR có khả năng kháng các
hydrocarbon thơm và dầu thực vật rất tốt, nhưng lại dễ bị tấn công bởi
các dung môi phân cực như ester, dung môi toluen...NBR kháng các
loại nhiên liệu cũng rất tốt.
Cao su butadien nitril có liên kết không no trong mạch nên nó có
khả năng lưu hóa bằng lưu huỳnh phối hợp với các loại xúc tiến lưu hóa
thông dụng. Ngoài hệ thống lưu hóa thông dụng cao su butadien nitril
còn có khả năng lưu hóa bằng xúc tiến nhóm thiuram, nhựa phenol
foocmaldehyt [2].

Nguyễn Thị Hạnh

8

Lớp: K37C. CN Hóa


Khóa luận tôt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Đe cải thiện tính chất của vật liệu và nâng cao hiệu quả sử dụng,
người ta thường tạo blend của NBR với những vật liệu khác như cao su
thiên nhiên hoặc nhựa Polyvinyl clorua (PVC)...v.v.
a. Bỉend NBR/PVC
Vật liệu polyme blend là vật liệu được cấu thành từ hai hay nhiều
polyme nhiệt dẻo hoặc polyme nhiệt dẻo với cao su. Thông qua đó có
thể tối ưu hóa về mặt tính năng cơ lý và giá thành cho mục đích sử
dụng nhất định [1 ].
Vật liệu blend NBR/PVC đã được chế tạo từ năm 1936. Cho đến
nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của
vật liệu blend này. Trước năm 1970, NBR thường được phối trộn cùng
với một lượng PVC thấp hơn để chế tạo blend cao su chưa được lưu hóa
bằng phương pháp thông thường. Các vật liệu này có ưu điểm hơn hẳn
cao su NBR, đó là độ bền cơ lý cao, chống chịu tác động ozon và các
điều kiện môi trường cũng như bền oxy hóa nhiệt và thường được ứng
dụng đế chế tạo các loại ống dẫn dầu, dẫn khí, vỏ bọc cáp điện, trục in
và đế giày đặc chủng...Thông thường blend cao su trên cơ sở NBR và
PVC có độ đàn hồi kém hơn và độ biến dạng dư cao hơn so với NBR.
Từ hơn 2 thập kỉ nay, các công trình nghiên cứu đã chú trọng vào
lĩnh vực blend cao su nhiệt dẻo, trong đó PVC là thành phần chính và là
thành phần có cấu trúc pha liên tục trong hệ. Ban đầu các blend chủ yếu
được chế tạo từ PVC và NBR dạng bánh trên máy trộn kín hoặc máy

cán có gia nhiệt một cách liên tục. Từ năm 1983, NBR dạng bột được
chế tạo từ dạng bánh với nhiều chủng loại khác nhau.
Cũng như các polyme blend khác, tính chất cơ lý của blend
NBR/PVC phụ thuộc vào nhiều thông số của vật liệu và điều kiện công
Nguyễn Thị Hạnh

9

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

nghệ.
Các chất độn thông thường như bột Talc, C a C 0 3, C a S 0 4...v.v
được đưa vào blend có tác dụng cải thiện một số tính chất của sản
phẩm, song chủ yếu để hạ giá thành của vật liệu [4].
Khi cho NBR vào PVC. NBR hoạt động như một chất hóa dẻo
cho nhựa PVC trong các lĩnh vực như làm sợi dây và cáp cách điện,
thùng chứa thực phẩm, vỏ thùng dùng để chứa dầu...v.v. Mặt khác,
PVC giúp cải thiện tính kháng ozon, lão hóa nhiệt và kháng chất hóa
học của NBR trong các lĩnh vực như làm các miếng đệm, vỏ băng tải,
vỏ trục in ấn,...v.v. PVC cũng cải thiện tính bền mài mòn, chịu mòn, và
các tính chất bền kéo, làm tăng đặc tính chống cháy. Blend PVC/NBR
có thể được xay nghiền, ép đùn và đúc nén dễ dàng khi sử dụng các
thiết bị gia công truyền thống cho CSTN và CSTH [10].
Trên thị trường hiện nay thường có các hỗn hợp blend NBR/PVC
với tỉ lệ 80/20

70/30 có tính năng cơ lý cao, có khả năng bền nhiệt,

chống cháy và đặc biệt có khả năng làm việc lâu dài ở nhiệt độ đến

100°c, hệ số già hóa đạt 0,9 [4]. Vật liệu làm tăng khả năng kháng
ozone, kháng trương nở trong dầu và tăng độ bền kéo. Nhưng khả năng
kháng ozone chỉ được cải thiện khi PVC phải chảy và phân tán tốt vào
hỗn hợp [ 12].
b. NBR carboxylate hóa
Khi thêm nhóm carboxylate vào NBR làm cho cao su tính kháng
mài mòn và kháng xé được cải thiện, số lượng các nhóm carboxylate
càng nhiều thì tính kháng xé, mài mòn và tính dai càng tốt. Tuy nhiên,
sự xuất hiện của các nhóm carboxylate gây ra sự lưu hóa sớm trong quá
trình gia công. Vì vậy, phải chú ý dùng kẽm oxit có hoạt tính thấp [13].
Nguyễn Thị Hạnh

10

Lớp: K37C. CN Hóa


Khóa luận tôt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2
c. NBR trộn than đen

Một loại quan trọng khác là hỗn hợp NBR trộn than đen. Chúng
được sản xuất bằng cách thêm than đen vào trong latex NBR và sau đó
sấy khô, tạo thành các mẫu nhỏ. Hỗn hợp này có thể được sử dụng bằng

cách phối trộn với polyme thô hoặc than đen khác để điều chỉnh than
đen hoặc mức ACN. Ưu điếm của hỗn hợp NBR trộn than đen là sự
phân tán của than đen được cải thiện, các tính chất cơ lý tốt hơn và môi
trường sản xuất sạch hơn [13].
1.2. Than đen - Chất độn hoạt tính trong cao su
Chất độn trong cao su là chất pha trộn vào cao su (với một lượng
lớn) giúp cho hỗn hợp cao su lưu hóa tăng cường được các tính chất cơ
học [3].
Các chất độn có ảnh hưởng đến quá trình chế biến và các đặc tính
lưu hóa của cao su. Các chất độn được dùng để củng cố và tăng cường
các đặc tính bền, màu sắc của vật liệu, làm giảm giá thành sản phẩm,
giúp thay đổi xử lý các đặc tính của vật liệu [14].
Than đen là chất độn tăng cường lực, chủ yếu được dùng trong
các hợp chất cao su, dùng để cải thiện độ bền và độ vững chắc của cao
su [ 11].
Than đen dùng trong công nghệ gia công cao su ở dạng bột hay
hạt xốp, có màu đen tuyền, và hấp thụ dầu.
Cấu tạo
Than đen là dạng vô định hình của nguyên tố cacbon. Mỗi hạt bao
gồm các lớp vi tinh thể định hướng ngẫu nhiên của vòng cacbon. Bởi
định hướng ngẫu nhiên của chúng, nhiều cạnh của lớp mở ra với liên
Nguyễn Thị Hạnh

11

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

kết cacbon không no của các hạt ở bề mặt, điều này giúp cho chúng
hoạt động hóa học. Vòng cacbon riêng lẻ không tồn tại như một thực
thể riêng lẻ mà dạng kết tụ, chúng có thể kết thành khối, mạch của
chúng có kích thước và hình dạng thay đổi. Kích thước hạt trung bình,
hình dạng kết tụ là những yếu tố chính ứng dụng than đen vào trong
từng loại cao su.
Phân tích cấu tạo và cấu trúc của than hoạt tính bằng tia Rơngen
cho thấy: Các hạt than hoạt tính có cấu trúc mạng phẳng có cấu tạo từ
các vòng cacbon (vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong vòng giống
vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong benzen). Các nguyên tử
cacbon liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học. Khoảng 3 đến 7
mạng cacbon phang như vậy sắp xếp thành từng lớp mạng này trên
mạng khác nhưng không chồng khít và chính xác lên nhau mà các
nguyên từ cacbon ở các mạng khác nhau nằm lệch nhau tạo thành các
tinh thể sơ khai của than hoạt tính. Lực liên kết giữa các nguyên tử
cacbon ở các mạng khác nhau nhỏ hơn nhiều so với lực liên kết giữa
các nguyên tử cacbon trong cùng một mạng. Khoảng cách giữa các
nguyên tử cacbon trong cùng một mạng là 1,42A°. Khoảng cách giữa
các nguyên tử cacbon tương ứng ở hai mạng kề nhau là 3,6A° đến 3,7A°
(hình 1. 1)

Hình 1.1. Câu tạo các lớp
m ạng của than đen.

Nguyễn Thị Hạnh

12

Lớp: K37C. CN Hóa


Khóa luận tốt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Trong mỗi tinh thể sơ khai của than hoạt tính chứa khoảng 100
đến 200 nguyên tử cacbon. Các tinh thể sơ khai sắp xếp tự do và liên
kết với nhau đế tạo thành các hạt than đầu tiên, số lượng các tinh thể sơ
khai chứa trong hạt than quyết định đến kích thước hạt. Trong quá trình
sản xuất than do có sự va chạm, khuấy trộn các hạt than sơ khai thường
có cấu trúc khối cầu hoặc gần khối cầu. Các khối cầu nằm bên nhau
trong hỗn hợp phản ứng lại liên kết với nhau làm tăng kích thước của
hạt để giảm năng lượng tự do bề mặt và tạo thành các chuỗi. Hình dạng
và kích thước các chuỗi phụ thuộc vào tính chất của từng loại than. Các
hạt than như vậy được gọi là cấu trúc bậc nhất của than hoạt tính.
Trong các tinh thể khối của than hoạt tính các nguyên tử cacbon
nằm ở mặt ngoài (nguyên tử cacbon cạnh hoặc mép) có mức độ hoạt
động hóa học lớn và vì vậy nó là các trung tâm của các quá trình oxy
hóa tạo cho bề mặt than hoạt tính hàng loạt các nhóm hoạt động hóa
học khác như nhóm hydroxyl, cacboxyl, cacbonyl, xeton...
Sự có mặt các nhóm phân cực trên bề mặt than hoạt tính là yếu tố
quan trọng quyết định khả năng tác dụng hóa học, lý học của than hoạt
tính với các nhóm phân cực, các liên kết đôi có trong mạch đại phân tử.
Dựa vào thành phần nguyên tố hóa học của than hoạt tính có thể chọn
loại than thích hợp cho từng loại cao su để đạt được lực tác dụng giữa
than và mạch cao su lớn nhất. Tuy nhiên để tăng cường tính chất cơ lý
của vật liệu yếu tố quan trọng lại là các đặc trưng kĩ thuật của than mà
một trong các đặc trưng quan trọng đó là: Độ phân tán của than, cấu

trúc và khối lượng riêng của nó [2].
Đã có nhiều tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng than
đen đến tính chất cao su NBR. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của hàm

Nguyễn Thị Hạnh

13

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

lượng than đen tới độ bền kéo, độ bền nén, độ cứng và tính chất mài
mòn của hai loại cao su SBR và NBR, tác giả A.Mostafa (Ai Cập) và
các cộng sự thấy 1'ằng: Với cả hai cao su, khi có than đen độ bền của
mẫu cao hơn khi không có. Độ bền kéo của các mẫu có than đen tăng,
trong khi độ dãn dài lại giảm. Điều này do tăng mật độ liên kết ngang
trong cao su và giảm tính linh động của cao su. Độ cứng của vật liệu có
than đen cao hơn mẫu không có than đen. Hàm lượng than đen tăng, độ
cứng vật liệu tăng. Với cả hai loại cao su SBR và NBR, khi được gia
cường bằng than đen, khả năng chống mài mòn của vật liệu được gia
tăng. Khả năng chống mài mòn của vật liệu tăng khi tăng hàm lượng
than đen [6].
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng than đen tới độ trương
trong dầu và độ bền nén của hai cao su SBR và NBR A.Mostafa* và các
cộng sự cũng thấy rằng ở cùng hàm lượng than đen, thời gian và nhiệt
độ thử nghiệm thì độ trương trong dầu giảm khi tăng hàm lượng than

đen ở cả hai mẫu cao su. Ớ cùng hàm lượng than đen mẫu NBR có độ
trương trong dầu thấp hơn mẫu SBR do mật độ liên kết ngang trong cao
su NBR nhiều hơn cao su SBR [7].
Phân loại
Than đen sử dụng cho ngành cao su được phân loại như sau:
Theo phương pháp chế tạo, gồm có: Than máng (channel), than lò
(furnace), than nhiệt (thermic).
Theo mô hình gồm có: N220, N330, N550, N234, N660...
Đây là tên hệ thống của than đen, với chữ cái đầu tiên thể hiện
cho tốc độ lưu hóa cao su. N đại diện cho tốc độ lưu hóa bình thường,

s

đại diện cho tốc độ lưu hóa chậm. Chữ số đầu tiên là đại diện cho kích
Nguyễn Thị Hạnh

14

Lớp: K37C. CN Hóa


Khóa luận tôt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

cỡ bề mặt than, chữ số thứ hai và thứ ba là mức độ phản ứng của một
cấu trúc khác nhau [16].
Trong các loại than trên thì N330 là loại than được sử dụng rộng
rãi nhất. Tuy tính chịu mài mòn của sản phẩm này không tốt như N220,
nhưng tốt hơn so với các sản phẩm khác. N330 là một sản phẩm tăng

cường hiệu suất tốt của than đen, chúng có tính bền kéo, độ bền xé, độ
chịu mài mòn và độ đàn hồi tốt, cho nên sản phẩm này được sử dụng
chủ yếu cho ta - lông, lốp xe, dây nhựa, lốp và một loạt các sản phẩm
cao su khác [16].
Yêu cầu than đen dùng làm chất độn [3]
Phải có độ mịn cao (đường kính phần tử và cỡ hạt chất độn, cần
kiểm tra qua các loại rây).
Phân tán thật tốt trong cao su: tránh sự kết tụ mà mắt thường khó
thấy được.
Cần phải lưu ý tới các tính chất:
+ pH của chất độn: Ảnh hưởng tới tốc độ lưu hóa hay tác dụng
của chất xúc tiến.
+ Độ hấp thụ hóa chất khác: ảnh hưởng lượng dùng, thành phần
cấu tạo công thức.
+ Hàm lượng tạp chất: Chì, cacdimi, sắt... ảnh hưởng đến màu
sắc của sản phẩm lưu hóa. Đồng, mangan: ảnh hưởng đến độ lão hóa.
+ Độ ẩm: Ảnh hưởng đến khả năng phân tán trong cao su và tốc
độ lưu hóa.
+ Lượng dùng chất độn: Ảnh hưởng đến các tính chất của hỗn
hợp cao su sống và sản phẩm lưu hóa.
Nguyễn Thị Hạnh

15

Lớp: K37C. CN Hóa


Khóa luận tôt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

1.3. Bạc trượt máy bom nước

Bạc trượt giúp định vị trục bơm, tránh rung và gây tiếng ồn. Khi
thiết kế chế tạo bạc trượt cần chú ý các yếu tố sau:
- Độ mài mòn
- Hệ số ma sát
- Áp lực vận hành
- Tải trọng và tốc độ quay của trục
- Nhiệt độ làm việc
- Môi trường làm việc
1.3.1. Các loại yật ỉiệu làm bạc trượt
1.3.1.1. Vật liệu cao su
Ban đầu bạc trượt làm bằng gỗ. Nhưng bạc trượt bằng gỗ có độ
bền không cao được sử dụng trong thời gian dài. Cho đến đầu thế kỉ 20,
một kỹ sư người Anh, khi sửa nhanh một máy bơm ở mỏ, đã sử dụng
cao su cắt từ vòi ống, ông thấy rằng đặc tính chống mài mòn của cao su
tốt hơn hắn, kéo dài được thời gian sử dụng.
Phát hiện này đã đánh dấu sự kết thúc quá trình sử dụng bạc trượt
bằng gỗ, cao su đã trở thành vật liệu tiêu chuẩn trong thiết kế bạc trượt
tự bôi trơn bằng nước.

Hình 1.2. Cao su đư ợ c sử
dụng trong chế tạo bạc trượt
bôi trơn nư ớ c [20].

Nguyễn Thị Hạnh

16

Lớp: K37C. CN Hóa