Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit CSTN NBR tro bay

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC


TRẦN THỊ TÂM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU
COMPOZIT CSTN/NBR/TRO BAY

TÓM TĂT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên nghành: Hóa Công nghệ Môi trường

Người hướng dẫn khoa học
TS. NGÔ KẾ THẾ

HÀ NỘI- 2011


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết
quả nghiên cứu, số liệu được trình bày trong khóa luận là hoàn toàn trung
thực và không với kết quả của tác giả khác.

Tác giả: Trần Thị Tâm

Khóa Luận Tốt Nghiệp

ii

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

LỜI CẢM ƠN
Khóa luận này được thực hiện tại Viện Khoa học và Vật liệu – Viện
Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Em xin chân thành cảm ơn TS.Ngô Kế Thế Viện Khoa học Vật liệuViện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nhiệt tình, tận tâm hướng dẫn em
trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy trong Phòng nghiên cứu Vật liệu
polime và compozit đã chỉ bảo và giúp đỡ em trong thời gian qua.
Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa hóa 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 khóa luận này.
Khóa luận được thực hiện trong thời gian ngắn nên không tránh khỏi
một số sai sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy
cô giáo và các bạn sinh viên.
Hà Nội ngày 15 tháng 5 năm 2011
Sinh viên

Trần Thị Tâm

Khóa Luận Tốt Nghiệp

iii

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN .............................................................................. 3
1.1. Tro bay.................................................................................................... 3
1.1.1. Lịch sử phát triển.................................................................................. 3
1.1.2. Các đặc trưng của tro bay ..................................................................... 4
1.1.2.1. Thành phần hoá học trong tro bay..................................................... 4
1.1.2.2 Hình thái học tro bay.......................................................................... 8
1.1.2.3. Phân bố kích thước hạt tro bay........................................................ 11
1.2.3.Một số ứng dụng của tro bay .............................................................. 12
1.2. Cao su thiên nhiên ................................................................................. 14
1.2.1. Lịch sử phát triển................................................................................ 14
1.2.2. Mủ cao su thiên nhiên ( latec)............................................................. 15
1.2.3. Thành phần và cấu tạo hóa học của cao su thiên nhiên ....................... 16
1.2.4. Tính chất của CSTN ........................................................................... 18
1.2.5. Một số ứng dụng của cao su thiên nhiên ............................................. 19
1.3. Cao su Butadien Nitryl (NBR)............................................................... 20
1.3.1. Giới thiệu về cao su butadien nitryl .................................................... 20
1.3.2. Phản ứng tổng hợp NBR..................................................................... 20
1.3.3. Tính chất cơ lý của NBR .................................................................... 22
1.3.4. Tính chất công nghệ của NBR ............................................................ 22

1.3.5. Ứng dụng của NBR ............................................................................ 23
1.4. Tổng quan về vật liệu Polime blend....................................................... 23
1.4.1 Giới thiệu chung về vật liệu polime blend ........................................... 23
1.4.2. Một số khái niệm về vật liệu polyme blend ........................................ 23
1.4.3. Những yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của vật liệu polyme blend........ 24
1.4.4. Cao su blend trên cơ sở CSTN/NBR................................................... 26
1.5. Nghiên cứu ứng dụng tro bay trong lĩnh vực polime và cao su .............. 26
1.5.1. Trên thế giới ....................................................................................... 26

Khóa Luận Tốt Nghiệp

iv

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

1.5.2. Ở Việt Nam ........................................................................................ 28
Chương 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................ 30
2.1. Nguyên vật liệu ..................................................................................... 30
2.1.1. Cao su................................................................................................. 30
2.1.2. Tro bay ............................................................................................... 31
2.1.3. Tác nhân ghép nối Silan ..................................................................... 33
2.2. Phương pháp chế tạo mẫu nghiên cứu ................................................... 33
2.3. Phương pháp xác định các tính chất của vật liệu ................................... 35
2.3.1 Cắt mẫu ............................................................................................... 35
2.3.2. Xác định độ bền kéo đứt ..................................................................... 36

2.3.3 Xác định cấu trúc hình thái .................................................................. 37
2.3.4. Xác định độ bền nhiệt của vật liệu ...................................................... 38
2.3.5. Khảo sát quá trình lưu hóa.................................................................. 38
2.3.6. Xác định độ bền dầu mỡ ..................................................................... 39
2.3.7. Thử nghiệm môi trường...................................................................... 39
Chương 3: KẾT QUẢ THẢO LUẬN........................................................... 40
3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng NBR đến tínnh chất của CSTN ................... 40
3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến tính chất của blend CSTN/NBR 42
3.3. Ảnh hưởng của tro bay đến quá trình lưu hóa blend CSTN/NBR .......... 43
3.4. Khảo sát tương tác pha của vật liệu ....................................................... 46
3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng tro tới độ bền nhiệt của vật liệu
CSTN/NBR/tro bay...................................................................................... 47
3.6. Độ bền môi trường của vật liệu ............................................................. 49
3.6.1. Hệ số già hóa ...................................................................................... 49
3.6.2. Độ trương trong dầu diezel ................................................................. 50
3.7. Tỷ trọng và độ cứng của vật liệu CSTN/ tro bay.................................... 51
KẾT LUẬN ................................................................................................. 53

Khóa Luận Tốt Nghiệp

v

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay ngành vật liệu polyme đang phát triển một cách nhanh chóng
và mạnh mẽ, vật liệu polyme ngày càng đóng góp vai trò rất quan trọng trong
tất cả các lĩnh vực đời sống xã hội của con người.
Bên cạnh những ưu điểm như nhẹ, rẻ, bền, có khả năng đàn hồi, dễ gia
công, đẹp,... vật liệu polyme vẫn còn có những nhược điểm như bền nhiệt
kém, dễ bị oxy hóa, khả năng chịu thời tiết thấp, cũng như hạn chế về mặt cơ
học. Vì vậy để khắc phục những nhược điểm và mở rộng phạm vi sử dụng của
các loại vật liệu polyme, người ta phối hợp các loại vật liệu polyme với nhau.
Tạo ra vật liệu mới gọi là polyme blend.
Cao su là loại vật liệu được sử dụng nhiều nhất và có hiệu quả trong
việc chế tạo ra vật liệu polyme blend bằng cách phối kết hợp với cao su tổng
hợp và nhựa nhiệt dẻo. Hiện nay có rất nhiều công trình, đề tài về nghiên cứu
chế tạo blend trên cơ sở cao su đã được ứng dụng rộng rãi. Cùng với đó việc
biến đổi cơ tính của cao su cũng như các tổ hợp blend bằng các chất độn gia
cường cũng ngày càng được chú trọng.
Tro bay là sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy 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. Ở nước ta, việc sử dụng tro bay còn hạn chế, mới ứng
dụng trong một số nghành, chủ yếu là sản xuất vật liệu xây dựng. Tro bay có
cấu trúc dặc biệt, là các hạt hình cầu chứa bên trong các vi hạt 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 chế tạo vật liệu Compozit

Khóa Luận Tốt Nghiệp

1

Trần Thị Tâm

Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

CSTN/NBR/tro bay” sẽ nghiên cứu khả năng ứng dụng của tro bay để làm
chất độn gia cường cho tổ hợp blend CSTN/NBR nhằm chế tạo vật liệu mới
– vât liệu cao su nhẹ bền môi trường đồng thời tận dụng lượng tro bay phế
thải, nâng cao một số tính năng cơ lý cho vật liệu cao 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. Muc đích nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng tro bay như là chất độn gia cường cho tổ hợp
blend CSTN/NBR (cao su thiên nhiên/ cao su butadien nitryl) để chế tạo cao
su nhẹ bền môi trường.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu khả năng trộn hợp của tro bay với blend CSTN/NBR
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến tính chất cơ của vật
liệu
- Nghiên cứu ảnh hưởng của loại tro bay được biến đổi bằng hợp chất
silan ở các nồng độ khác nhau đến tính chất cơ và khả trộn hợp của vật liệu
- Nghiên cứu cấu trúc hình thái và độ bền nhiệt của vật liệu

Khóa Luận Tốt Nghiệp

2

Trần Thị Tâm

Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Khoáng tro bay
1.1.1. Lịch sử phát triển [1]
Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai diễn ra vào cuối thế kỷ 19 đã
gia tăng quá trình sử dụng than đá làm nhiên liệu cho nhiều ngành công
nghiệp. Ban đầu, những viên than đá có kích thước từ 70 đến 100 mm được
cung cấp cho các lò đốt cố định hay di động. Phế thải chủ yếu được thu gom
từ đáy lò và có chứa một dung lượng lớn than chưa cháy. Có khoảng 10%
lượng tro thoát ra theo các khí ở ống khói gây ra sự ô nhiễm không khí.
Cuối những năm 1920 đầu ngững năm 1930, than đá đã nghiền mịn
được sử dụng trong các lò đốt hình trụ thẳng đứng. Phế thải của quá trình đốt
cháy than đá từ các lò đốt trở nên mịn hơn rất nhiều. Lượng tro thu gom được
ở đáy lò đã giảm đáng kể chỉ từ 20% đến 30% tổng lượng tro và các hạt tro
mịn cùng với khí ống khói thoát ra ngoài khí quyển.
Ngay từ những buổi đầu cũng có một vài phương pháp được sử dụng
để tách loại gần như hoàn toàn lượng tro bay thoát ra từ khí ống khói. Tro bay
cùng với lượng tro thu được ở đáy lò đốt được thu gom vào các hồ chứa.
Người ta đã sớm nhận ra các vấn đề nảy sinh như chi phí về đất đai và các vấn
đề ô nhiễm nước và ô nhiễm không khí, do đó các phương pháp vận chuyển
và cất trữ có hiệu quả hơn cũng đã được đề ra. Các nhà nghiên cứu thường
không thỏa mãn với việc phải lãng phí bất kỳ một loại vật liệu nào cho dù đó
là vật liệu phế thải hay sản phẩm phụ nếu nó có thể được sử dụng. Tro bay
được sử dụng như một chất độn và pozzolan ngay sau khi các nhà khoa học
nghiên cứu và chứng minh được rằng phần tro bay của tro là một pozzolan
thực sự và có thể được sử dụng để sản xuất loại bê tông bền và tiết kiệm được

chi phí. Trong các tài liệu xuất bản trước đó, các tác giả đã đồng ý với đề nghị

Khóa Luận Tốt Nghiệp

3

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

của Davis (1937) và nhóm của ông ở Berkeley khi cho rằng có sự tương tự
giữa tro núi lửa và tro bay và các ảnh hưởng của chúng khi sử dụng như một
pozzolan hay chất phụ gia cho bê tông.
Tro bay, giống như tro núi lửa, được tạo ra trong các núi lửa nhân tạo
loại nhỏ, từ lò đốt của các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu than đá. Tro
của núi lửa và các vâtl liệu nhân tạo hay tự nhiên tương tự khác nhau được sử
dụng để tạo ra loại vật liệu kết dính bằng cách trộn hợp với vôi đã từ rất lâu.
Người La Mã, Trung quốc, Ấn Độ đã sử dụng tro núi lửa và gạch nung nghiền
mịn để tạo ra loại vữa có độ gắn kết cao để xây dựng các công trình kỷ niệm
từ xa xưa và cho đến nay vẫn còn tồn tại. Tro bay được tạo thành rất mịn, các
hạt giống như thủy tinh hình cầu chiếm phần lớn được thu gom trong hệ
thống thu gom bụi từ các khí thải của các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu
hóa thạch. Nhìn chung nó mịn hơn xi măng Pooc Lăng. Thành phần hóa học
chủ yếu trong tro bay là oxit silic, oxit nhôm và các oxit của sắt hay canxi. Do
độ mịn và khả năng phản ứng pozzolanic của nó và đôi khi là trạng thái kết
dính tự nhiên của mình, tro bay được sử dụng rộng rãi và được chỉ định rõ
như các vật liệu khoáng trộn lẫn trong xi măng và bê tông. Tro bay đã được

sử dụng thành công trong nhiều ứng dụng khác nhau trong xây dựng kỹ thuật
và trong các vật liệu đặc trưng khác.
1.1.2. Các đặc trưng của tro bay
1.1.2.1. Thành phần hóa học trong tro bay
Tro của các nhà máy nhiệt điện gồm các sản phẩm tạo thành từ quá trình
phân hủy và biến đổi của các chất khoáng có trong than đá [2]. 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,… với hàm lượng than
chưa cháy chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng hàm lượng tro, ngoài ra còn có

Khóa Luận Tốt Nghiệp

4

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn,... Cơ chế biến đổi thành phần
vật chất trong than đá thành tro bay được mô tả như sau [3]:

Hình 1.1: Cơ chế biến đổi vật chất khoáng trong than đá

Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu than
đá sử dụng để đốt và điều kiện đốt cháy trong các nhà máy nhiệt điện.
a- Các oxít kim loại

Tùy thuộc vào loại nhiên liệu mà thành phần hóa học trong tro bay thu
được khác nhau. Các nhà khoa học Ba Lan đã tiến hành nghiên cứu thành
phần hóa học của tro bay với hai nguồn nguyên liệu sử dụng trong các nhà
máy nhiệt điện của nước này là than nâu và than đen [4]:
Bảng 1.1: Thành phần hóa học các mẫu tro bay ở Ba Lan
Loại tro
bay

Thành phần (%)
SiO2

Al2O3

Fe2O3

TiO2

MgO CaO

- 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

- 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

Than đen

Than nâu

Khóa Luận Tốt Nghiệp

5

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

Các loại tro bay thu được sau quá trình đốt cháy than đen (ZS-14 và ZS17) 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 công trình 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.
Đa số các mẫu tro bay ở Trung Quốc có thành phần chủ yếu là SiO2 và
Al2O3, hàm lượng của chúng vào khoảng 650 g/kg đến 850 g/kg. Các thành
phần khác bao gồm lượng các bon chưa cháy, Fe2O3, MgO và CaO. Tro bay
Trung Quốc chứa hàm lượng các bon chưa cháy cao là do hệ thống lò đốt ở
các nhà máy nhiệt điện của nước này còn lạc hậu. Theo tiêu chuẩn phân loại
ASTM C 618 (1997) thì tro bay Trung Quốc thuộc loại C hay tro bay có chất
lượng thấp. Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng của tro bay ở Trung
Quốc [5].
Bảng 1.2: thành phần hóa học của tro bay
từ các nguồn nhiên liệu khác nhau ở Trung Quốc (g/kg).
STT

Nguồn

SiO2

Al2O3 Fe2O3 CaO

MgO

SO3

1

HongKong

500

371

31

2

Wuhan

476

234

3

ZiBuo

506

4

TaYuan

5

Na2O LOI*(%)

34

5.2

6.7

5.6

3.12

146

12

7.2

9.1

11

8.20

207

124

23

10.3

IO

11.6

4.87

454

293

119

12

6

2

20.1

8.51

KaFeng

460

195

41

39

57

-

-

18.3

6

XiangFan

532

221

84

31

8.1

8

14

8.22

7

WuChang

442

236

48

182

12.4

8.4

-

7.40

8

PingDin

586

293

24

24

7.5

12

6

3.50

9

JinZhou

314

146

40

310

27.2

27.1

-

12.99

* LOI: Loss on ignition.

Khóa Luận Tốt Nghiệp

6

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

Tro bay ở Hy Lạp có hàm lượng CaO cao, nếu theo phân loại ASTM C
618 thì tro bay loại này thuộc loại C, điều này phản ánh đúng thành phần của
nguyên liệu than nâu ban đầu.
Bảng1.3: Thành phần hóa học của nhiên liệu than đá
cung cấp cho các nhà máy nhiệt điện ở Hy Lạp
Thành phần

Nhiên liệu cung cấp

Tro bay

Ptolemais

Megalopolis

Ptolemais

Megalopolis

SiO2

32.2

39.7

33.4

47.7

Al2O3

14.2

14.0

13.1

18.5

Fe2O3

5.3

11.7

5.6

7.9

CaO

38.1

15.8

31.9

14.9

MgO

4.2

2.2

4.5

2.7

SO3

5.1

14.1

6.8

3.9

Na2O+K2O

0.5

1.8

2.0

2.5

b-.Các nguyên tố vi lượng trong tro bay
Quá trình đốt cháy than đá là một trong những nguyên nhân chính làm ô
nhiễm không khí và phát tán các kim loại, các nguyên tố vi lượng độc hại.
Hiểu được sự thay đổi của các nguyên tố vi lượng trong quá trình đốt than đá
cũng như hàm lượng của nó có trong tro bay tạo thành là điều rất quan trọng
trong vấn đề đánh giá tác động môi trường của các nhà máy nhiệt điện cũng
như của các ứng dụng tro bay. Hàm lượng các nguyên tố vi lượng trong tro
bay phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng của chúng có trong nguyên liệu ban
đầu.
Dựa trên kết quả nghiên cứu các mẫu tro bay thu được từ 7 nhà máy
nhiệt điện khác nhau ở Canada [2], các nhà nghiên cứu nước này đã cho biết
hàm lượng của các kim loại nặng như As, Cd, Hg, Mo, Ni hay Pb trong tro
bay có sự liên quan với hàm lượng lưu huỳnh có trong nguyên liệu than đá
ban đầu. Thông thường, các loại than đá có hàm lượng lưu huỳnh cao sẽ có

Khóa Luận Tốt Nghiệp

7

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

hàm lượng các kim loại nặng cao.
Bảng1.4: Thành phần các nguyên tố trong tro bay ở Canada

Các
nguyên
tố
As
Cd
Cr
Hg
Mo
Ni
Pb
Se

Than bitum

Than bitum hàm
lượng S thấp

Than bitum hàm
lượng S cao
Than tầng sôi

ESP

ESP

Bột mịn
ESP

ESP

ESP

ESP

20.7 31.7 52.0 17.5
0.480 0.520 0.83 1.85
31.5
101 71.0 51.2
0.029 0.067 0.005 0.095
9.33 7.80 22.0 12.2
38.8 30.1 41.0 34.2
48.7 33.0 32.0 84.2
7.00 5.82 1.43 5.47

7.14
0.680
137
0.130
4.60
34.3

23.5
2.03

Baghouse
27.80
2.82
201
1.58
12.3
53.8
53.5
11.72

Baghouse

600
0.970
107
0.130
66.3
76.3
86.3
3.70

551
6.54
86.6
2.37
81.0
120

667
44.4

1.1.2.2. Hình thái học tro bay [6]

Hình 1.3: Biểu diễn đặc trựng các
hạt tro bay có kích thước thường
được sử dụng

Hình 1.2: Sự tương phản về kích
thước giữa các hạt tro bay hình cầu
lớn và các hạt nhỏ.

Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu. Kích thước các hạt cầu dao

Khóa Luận Tốt Nghiệp

8

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

động trong khoảng rộng, từ 1 đến hàng trăm m. Các hạt kích thước lớn
thường có dạng vỏ bọc với hình thái rất khác nhau. Hình 1.2 cho thấy sự
tương phản giữa các hạt có kích thước to và nhỏ. Tro bay có kích thước hạt
nằm trong khoảng 10m (hình 1.3) rất phù hợp để làm chất độn, được sử

dụng rộng rãi trong công nghiệp cao su và chất dẻo.
Các hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng.
Thông thường, các hạt tro bay đặc có dạng hình cầu, rắn chắc; các hạt tro bay
rỗng có dạng hình cầu rỗng bên trong với tỷ trọng thấp hơn 1.0 g.cm-3. Một
trong các dạng tro bay thường thấy được tạo thành bởi các hợp chất có dạng
tinh thể như thạch anh, mulit và hematit, các hợp chất có dạng thủy tinh như
thủy tinh oxit silic và các oxit khác. Các hạt tro bay đặc với tỷ khối trong
khoảng 2.0 – 2.5 g.cm3 có thể cải thiện các tính chất của vật liệu nền như độ
cứng, độ bền cơ, độ kháng rách và còn có khả năng giảm tỷ trọng của vật liệu.
Các hạt tro bay rỗng có thể được sử dụng để chế tạo vật liệu compozit siêu
nhẹ do tỷ trọng rất nhỏ của chúng, chỉ khoảng 0.4 – 0.7 cm3, trong khi các
chất nền kim loại có tỷ khối trong khoảng từ 1.6 – 11.0 cm3.
Đa số tro bay có lượng nhỏ các hạt rỗng và lượng lớn hơn các hạt cầu
rỗng mỏng chứa các hạt cầu nhỏ hơn. Cả hai loại hạt tro bay này thường có
lớp vỏ không hoàn chỉnh (bị rỗ). Trên hình 1.4 thấy rõ các hạt cầu rỗng, các
hạt tro bay có lỗ hổng các hạt than chưa cháy hết và các hạt không có dạng
hình cầu.

Hình 1. 4: Các hạt rỗng có chứa các hạt
conKhóa
bên trong,
hạt than còn dư
Luận và
Tốtcác
Nghiệp

9

Hình 1.5: Các hạt tro bay tập hợp lại thành
Thị tinh

Tâmthể.
dạng bột hoặc các hạt có bềTrần
mặt dạng


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

Không phải tất cả tro bay đều được quan sát rõ. Hình 1.5 cho thấy các hạt
tro bay bị bao phủ bởi lớp bột bên trên hoặc bởi các lớp tinh thể kết tụ. Lớp
tinh thể không chỉ bao phủ các hạt hình cầu mà còn phủ lên tất cả các hạt, kể
cả các hạt than chưa cháy hết. Các lớp tinh thể kết tụ thường là các kim loại
kiềm hay kiềm-canxi sunfat, do đó có thể loại bỏ nhanh bằng cách hòa tan
trong nước.
Cấu trúc bên trong:
Bên trong các hạt tro bay có thể được quan sát thấy bởi các phương pháp
đơn giản. Cấu trúc này bị che lấp bởi lớp vỏ thủy tinh, vì thế nó có thể được
quan sát thấy khi xử lý với dung dịch HF, dung dịch này có thể hòa tan nhanh
chóng phần vỏ bọc thủy tinh và để lộ ra cấu trúc bên trong.
Hình 1.6 biểu diễn hai hạt tro bay cạnh nhau sau khi tiếp xúc ngắn (1/2
giờ) với dung dịch 1% axit hydrofroric. Hai cấu trúc bên trong rất khác nhau
đã được lộ ra. Các hạt bên trái là các hạt có cấu trúc đặc trưng của spinen
ferit, có từ tính giầu sắt như magie ferit (MgFe2O4), mahemit (γ-Fe2O3),
ulvospinel (Fe2TiO4) và thành phần trung gian giữa chúng. Tất cả đều có hình
lập phương, và được hy vọng hoàn toàn không có các phản ứng hóa học trong
bê tông.

Hình 1.6: Cấu trúc hạt tro bay
Sau khi tiếp xúc với dung dịch

HF trong thời gian ngắn

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Hình 1.7 : Cấu trúc hạt tro bay
sau khi tiếp xúc với dung dịch
HF trong thời gian dài

10

Hình 1.8: Cấu trúc bên trong
tro bay với lớp vỏ bị phá vỡ
bằng dung dịch HF

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

Các hạt ở bên phải hình 1.6 chứa một cấu trúc đặc trưng của các hạt
mullit có dạng thanh mỏng hay dạng hình kim của Al2O3.2SiO2, được tìm thấy
trong hầu hết các hạt tro bay không có từ tính với hàm lượng can xi thấp điển
hình.
Sự vô cùng hỗn tạp của các vỏ bọc thủy tinh và cấu trúc bên dưới được
nhận thấy thể hiện trong hình 1.7. Mẫu tro bay này được tiếp xúc trong thời
gian lâu hơn (1h) với quá trình xử lý bằng axit hydrofloric.
Sự đa dạng trong cấu trúc các hạt được quan sát thấy ở các hạt nhỏ nằm
bên trong với cấu trúc plerosphere. Hình 1.8 biểu diễn các hạt dạng

plerosphere với lớp vỏ mỏng đã được phá vỡ để lộ ra các hạt bên trong. Mẫu
đã được xử lý với dung dịch 1% HF trong thời gian lâu tới 4h.
1.1.2.3. Phân bố kích thước hạt tro bay
Kích thước hạt tro bay là một yếu tố quan trọng quyết định đến khả 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 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 .
Bảng 1.5: Phân bố kích thước hạt tro bay Israel từ các nguồn gốc khác nhau [7]
Nguồn nguyên liệu

Phân đoạn
(mesh)

Kích thước
(μm)

> 100

> 150

1.9

4.5

100–200

150–75

8.2

10.0

200–325

75–45

10.6

9.2

< 325

< 45

79.2

76.3

Khóa Luận Tốt Nghiệp

11

Nam Phi Colombia
(%)
(%)

Trần Thị Tâm

Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

Bảng 1.6: Phân bố kích thước hạt tro bay Trung Quốc
từ các nhà máy nhiệt điện khác nhau [5]:
Đường kính
trung bình

Phân bố kích thước hạt (μm)

Nguồn
tro bay

(μm)
< 10%

< 25%

< 50%

< 75%

< 90%

HK

1.962

4.298

9.761

16.84

22.22

11.06

Wuhan

2.323

5.098

10.50

19.30

32.10

14.12

Tùy thuộc vào mục đích và nhu cầu sử dụng mà có thể tách các phân
đoạn có kích thước khác nhau. Hai loại tro bay thương phẩm của Cty Boud
Minerals & Polymers (Anh Quốc) sử dụng làm chất gia cường cho chất dẻo
có kích thước hạt thể hiện trên bảng 1.7 [8].
Bảng 1.7: Kích thước hạt tro bay thương phẩm
Thông số

Plasfill 5 Plasfill 15

D50 m

3,8

11,5

D99 m

19,5

110

D90 m

8,5

52

Tỷ trọng tương đối

2,15

2,25

Ghi sáng

Ghi sáng

Mầu sắc
1.2.3. Một số ứng dụng của tro bay

Lượng tro bay thải ra ở các nhà máy trên toàn thế giới không ngừng gia
tăng mỗi năm. Các vấn đề dặt ra như chi phí đất dai để chứa lượng tro bay
thải ra hay các vấn đề môi trường đã thúc đẩy quá trình sử dụng tro bay trong
các lĩnh vực khác nhau.

Khóa Luận Tốt Nghiệp

12

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

Tro bay đã được sử dụng thành công trong nghành công nghiệp bê
tông trên thế giới hơn 50 năm qua. Ở Mỹ có hơn 6 triệu tấn và ở châu Âu là
hơn 9 triệu tấn đã được sử dụng trong xi măng và bê tông [9]. Có nhiều dự án
lớn trong thời gian gần đây dựa vào bê tông tro bay, bao gồm các đập ngăn
nước, các nhà máyđiện, các công trình ngoài biển, các đường hầm dưới biển,
đường cao tốc, sân bay, các tòa nhà thương mại hay dân cư, cầu, các đường
ống hay xilo,...
Cũng như nhiều quốc gia trên thế giới, hàng trăm nhà máy nhiệt điện
trên khắp lãnh thổ Trung Quốc thải ra nhiều tấn tro bay mỗi năm[5]. Là một
chất thải công nghiệp, nó là nguyên nhân chính làm ô nhiễm môi trường và
làm tổn hại đến đất trông. Do đó chính phủ Trung Quốc rất khuyến khích phát

triển các công nghệ liên quan đến việc sử dụng tro bay. Tro bay ở Trung Quốc
được sử dụng chủ yếu trong các lĩnh vực sau:
 Các sản phẩm bê tông (phụ gia cho xi măng, vữa, bê tông, ghạch,…)
 Xây dựng đường giao thông
 Xây dựng cảng
 Cải tạo đất trồng
 Xử lý ô nhiễm nước
 Sử dụng để trôn lấp các mỏ hay các vùng đất lớn doc theo bờ biển
Ngoài ra, tro bay còn được sử dụng cho một vài lĩnh vực khác:
 Một vài các chất có ích như các vi hạt rỗng, bột sắt mịn, các bon và
nhôm có thể có được từ tro bay
 Tổng hợp zeolit
 Tạo ra các sản phẩm thủy tinh, đặc biệt là các vật liệu xây dựng bằng

Khóa Luận Tốt Nghiệp

13

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

thủy tinh
 Chất gia cường cho cao su
 Tạo ra các quặng dạng viên (một vật liệu cho quá trình sản xuất hợp
kim nhôm-silic-sắt)
Ở Israel các sản phẩm tro trong đó chủ yếu là tro bay được sử dụng

theo 3 con đường chính: thêm vào trong xi măng như một cất trộn hợp
pozzolan, làm các con đập ngăn nước biển và được dự trữ trong các con
đường được đắp cao xung quanh các nhà máy nhiệt điên [10].
Ở Hy Lạp [11], tro bay được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp xi
măng để thay thế clanhke và với mục đích tạo ra các xi măng Pooc Lăng đặc
thù.
Ở Việt Nam, lượng tro bay thải ra ở các nhà máy nhiệt điện cũng khá
lớn. Tuy nhiên vấn đề ứng dụng tro bay chưa được chú ý nhiều, mới chỉ có
một số các nghiên cứu bước đầu trong lĩnh vực xây dựng như sử dụng tro bay
làm chất độn nhẹ cho bê tông, làm chất kết dính cho xi măng. Một số tác giả
chế tạo các zeolit từ tro bay để xử lý môi trường.
1.2. Cao su thiên nhiên [12]
1.2.1. Lịch sử phát triển
Cao su thiên nhiên CSTN được loài người phát triển và sử dụng vào
nửa cuối thế kỉ XVI ở Nam Mỹ. Trong thời gian đầu thổ dân ở đây chỉ biết
trích nhựa cây cao su tẩm vào vải sợi làm giầy, dép đi rừng. Những sản phẩm
đầu tiên này có thời gian sử dụng lâu hơn các sản phẩm thông thường. Tuy
nhiên, độ bền chưa ổn định và hay dính gây cảm giác khó chịu, do đó CSTN
chưa được sử dụng rộng rãi.
Đến năm 1839 khi các nhà khoa học Gider và Gencoc phát minh được

Khóa Luận Tốt Nghiệp

14

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

lưu hóa CSTN, chuyển cao su từ trạng thái chảy nhớt sang trạng thái đàn hồi
cao, bền vững thì CSTN mới được ứng dụng rộng rãi để sản xuất ra những
sản phẩm thông dụng. Đến đầu thế kỉ XX cùng với sự phát triển của ngành
hóa học và đặc biệt là sự ra đời của thuyết cấu tạo Polyme thì CSTN đã được
nghiên cứu một cách kỹ lưỡng và ứng dụng trong các lĩnh vực KHKT và đời
sống.

1.2.2. Mủ cao su thiên nhiên( latec)
Mủ CSTN là nhũ tương trong nước của các hạt cao su vô cùng nhỏ bé
từ 0.05  m đến 0.3  m, với hàm lượng phần khô ban đầu từ 28% đến 40%.
Các hạt latec cấu tạo từ 2 lớp: lớp trong cùng là cacbua hiđro, vỏ bọc
bên ngoài là chất hấp phụ làm nhiệm vụ bảo vệ hạt latec không bị keo tụ.
Thành phần chủ yếu của lớp hấp phụ là các hợp chất chứa nitơ thiên nhiên:
protein, các chất béo, và các muối của các axit béo.
Các hạt latec CSTN mang điện tích âm. Giá trị điện tích phụ thuộc vào
nồng độ mủ cao su, trị số PH của môi trường và dao động từ -40 mV đến 110mV. Khối lượng riêng của latec phụ thuộc vào nồng độ pha cao su trong
nó.
Trong quá trình bảo quản các hạt latec thường bị keo tụ. Nguyên nhân
chính quá trình keo tụ là axít gây ra . Để ngăn chặn hiện tượng keo tụ khi khai
thác mủ cao su người ta thường sử dụng các chất ổn định pH của môi trường
như amoniac 0,5% để duy trì pH trong khoảng 10 đến 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.

Khóa Luận Tốt Nghiệp

15

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

Nước

: 52,367%

Cacbuahidro

: 37.329.5%

Polysaccarit

: 4,21,2%

Nhựa thiên nhiên

: 3,41,0%

Protein

: 2,70,9%

Chất khoáng

: 0,20,4%

1.2.3. Thành phần và cấu tạo hóa học của cao su thiên nhiên
a- Thành phần
Bảng 1.8: Thành phần hoá học của cao su thiên nhiên được sản xuất
bằng các phương pháp khác nhau
Loại cao su
TT

Thành phần (%)

1

Hiđrocacbon

2

Chất

trích

ly

bằng

axeton

Crep hong khói

Crep trắng

Bay hơi

93 - 95

93 - 95

85 – 90

1,50 - 3,50

2,20 - 3,45

3,60 - 5,20

3

Hợp chất chứa nitơ

2,2 - 3,5

2,4 - 3,8

4,2 - 4,8

4

Chất tan trong nước

0,30 - 0,85

0,20 - 0,40

5,50 - 5,72

5

Chất khoáng

0,25 - 0,85

0,16 - 0,85

1,50 - 1,80

6

Độ ẩm

0,2 - 0,9

0,2 - 0,9

1,0 - 2,5

Thành phần của CSTN gồm nhiều nhóm chất hóa học khác nhau như:
Hiđrocacbon (là chủ yếu), độ ẩm, chất trích ly bằng axeton, hợp chất chứa
nitơ mà thành phần chính của nó là protein và chất khoáng. Hàm lượng của

Khóa Luận Tốt Nghiệp

16

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

các chất này dao động tương đối lớn phụ thuộc vào phương pháp sản xuất,
tuổi của cây cao su, mùa khai thác mủ cao su…Trong bảng 1.8 trình bày
thành phần hoá học của CSTN, sản xuất bằng các phương pháp khác nhau
Chất trích ly bằng axeton có thành phần bao gồm 51% axít béo (axít
cobic, axít stearic) phần còn lại là các axít amin béo và các hợp chất photpho
hữu cơ.
Các hợp chất chứa nitơ gồm protein và các axít amin (sản phẩm phân
huỷ của protein). Các chất này làm giảm tính năng kỹ thuật của CSTN, đặc
biệt là độ cách điện vì chúng có khả năng hút ẩm.
Chất khoáng (thành phần thu được sau quá trình thiêu kết polyme) gồm
các hợp chất của kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ như muối natri, muối kali,
muối magiê, các ôxít kim loại như Fe2O3, MnO2, CuO... Hàm lượng chất
khoáng trong CSTN phụ thuộc vào phương pháp sản xuất, tuổi cây cao su, khí
hậu, thổ nhưỡng, mùa thu hoạch.
b-Cấu tạo hoá học của cao su thiên nhiên.
Mạch hydro cacbon của CSTN được tạo ra từ các mắt xích isopren:

CH2 C CH CH2
CH3

n

Cao su thiên nhiên là hợp chất hữu cơ cao phân tử. Cấu tạo chính của
nó là polyisopren mà mạch đại phân tử được hình thành từ mắt xích isopren
đồng phân cis liên kết ở vị trí 1 - 4 chiếm khoảng 98 %, 2% còn lại là các mắt
xích trans-isopren 1,4.

Khóa Luận Tốt Nghiệp

17

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

ch 3

Viện Khoa Học Vật Liệu

h

ch 3

c=c
ch 2

ch2
ch 2

c=c

ch 2
ch 2

c=c

h

ch2

h
ch 3

Khối lượng phân tử trung bình của CSTN M = 1,3.106 (đvc) mức độ
dao động của khối lượng phân tử nhỏ từ 105 - 2.106.
1.2.4. Tính chất của CSTN
a-Tính chất vật lý của cao su thiên nhiên
CSTN ở nhiệt độ thấp có cấu trúc tinh thể, độ kết tinh cao nhất ở -250C.
CSTN kết tinh có biểu hiện rõ ràng lên bề mặt như tăng độ cứng, làm mặt vật
liệu mờ không trong suốt.
Các thông số vật lý đặc trưng của CSTN:
+ Khối lượng riêng

: 913 (kg/m3)

+ Hệ số nở thể tích

: 6,56.10-4(dm3/0C)

+ Nhiệt độ hoá thuỷ tinh

: 70 (0C)

+ Nhiệt độ nóng chảy

: 40 (0C)

+ Nhiệt dẫn riêng

: 0,14 (W/m.K)

+ Nhiệt dung riêng

: 1,88 (kJ/kg.K)

+ Nửa chu kì kết tinh (-250C)

: 2- 4 (h)

+ Thẩm thấu điện môi ở tần số dao động 1000 Hz/s: 2,4 - 2,7
+ Điện trở riêng (.m):
Crep trắng
Crep hong khói

Khóa Luận Tốt Nghiệp

18

: 5.1012
: 3.1012

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

Cao su thiên nhiên tan tốt trong dung môi hữu cơ mạch thẳng, mạch
vòng, CCl4, CS2, không tan trong rượu và xeton.
b- Tính chất cơ lý của cao su thiên nhiên
Cao su thiên nhiên được lưu hoá bằng lưu huỳnh với một số chất xúc
tiến thông dụng. Tính chất cơ lý của CSTN được xác định theo tính chất của
hợp phần cao su tiêu chuẩn sau:
Bảng 1.9: Thành phần tiêu chuẩn để xác định các tính chất cơ lý của CSTN
STT

Thành phần

Hàm lượng (PKL)

1

Cao su thiên nhiên

100,0

2

Lưu huỳnh

3,0

3

Mercaptobenzolthiazol

0,7

4

Kẽm ôxít

5,0

5

Axit srearic

0,5

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

: 23 MPa

+ Độ dẫn dài tương đối : 700 %
+ Độ dãn dư

:  12 %

+ Độ cứng tương đối

: 65 Shore

1.2.5. Một số ứng dụng của cao su thiên nhiên
Một số sản phẩm ứng dụng cao su thiên nhiên trong công nghiệp:
-

Nhiều doanh nghiệp ngành sản xuất vỏ xe và một số ngành sử

dụng nguyên liệu cao su thiên nhiên.
-

Kymdan, nhà kinh doanh và sản xuất nệm từ cao su thiên nhiên

Khóa Luận Tốt Nghiệp

19

Trần Thị Tâm


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện Khoa Học Vật Liệu

lớn nhất và lâu đời nhất Việt Nam đã đưa ra thị trường nhiều sản phẩm cao
cấp có giá trị thương phẩm cao khi xuất khẩu như: nệm, gối, giường xếp di

động, salon, búp bê, tay mái chèo, ruột banh, joint ống nước,…
-

Chế tạo ống mềm chịu lực từ cao su compozit cho các tàu nạo

vét sông, biển có chất lượng tương đương.
-

Viên lát gạch vỉa hè, gờ giảm tốc sàn thể thao cao su thiên nhiên.

Và nhiều sản phẩm khác
Nhờ những tính chất cơ lý rất đặc trưng, CSTN đã trở thành loại vật
liệu kết cấu quan trọng và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Những năm gần đây có nhiều loại cao su tổng hợp, polyme mới ra đời
nhưng vẫn không thể thay thế được vai trò của CSTN.
Trong tương lai, CSTN và những vật liệu mới được chế biến trên cơ sở
CSTN vẫn không ngừng phát triển.
1.3. Cao su butadien nitryl (NBR)
1.3.1. Giới thiệu về cao su butadien nitryl
Cao su butadien nitryl (NBR) là sản phẩm đồng trùng hợp của butadien-1,3
và acrylonitryl với sự có mặt của hệ oxy hóa khử persunfat kali và
trietanolamin. Cao su butadien nitryl công nghiệp ra đời năm 1937 ở cộng hòa
liên bang Đức. Sau đại chiến thế giới lần thứ 2 cao su butadien nitryl được sản
xuất với quy mô công nghiệp ở Liên Xô cũ với nhiều chủng loại khác nhau.
1.3.2. Phản ứng tổng hợp NBR
Acrylonitryl tham gia vào phản ứng với butadien tạo butadien nitryl là
sản phẩm chính.

Khóa Luận Tốt Nghiệp

20

Trần Thị Tâm