đồ án kĩ sư nâng cao độ bền nhiệt của cao su thiên nhiên

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Trung tâm Polyme - composit
***

Đề tài: Nâng

cao độ bền nhiệt của cao su thiên
nhiên

Sinh viên thực hiện: Đoàn Mạnh Hiếu
MSSV
: 20123103
Lớp
: Kỹ thuật hóa học 01- K57
Giáo viên hướng dẫn:PGS.TS Nguyễn Thanh Liêm

i


MỤC LỤC
MỤC LỤC ………………………………………………………………1
LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………….…6
LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………………7
DANH MỤC BẢNG................................................................................................... 8
DANH MỤC HÌNH..................................................................................................10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.................................................................................... 12

1.1. Cao su nguyên liệu........................................................................................ 12
1.1.1. Cao su thiên nhiên................................................................................. 12
1.1.1.1. Lịch sử phát triển.............................................................................12
1.1.1.2. Cấu tạo hóa học...............................................................................13

1.1.1.3. Tính chất vật lý................................................................................ 13
1.1.1.4. Tính chất công nghệ.........................................................................13
1.1.1.5. Tính chất cơ lý.................................................................................15
1.1.1.6. Ứng dụng.........................................................................................16
1.1.1.7. Mục tiêu……………………………………………………………17
1.2.Cao su styren butadien................................................................................17
1.2.1.Giới thiệu chung...................................................................................17
1.2.2.Ứng dụng..............................................................................................18
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM................................................19

2.1. Nguyên liệu và thiết bị nghiên cứu............................................................................19
2.1.1. Nguyên liệu và hóa chất.........................................................................19
2.1.2. Thiết bị nghiên cứu................................................................................ 19
2.2. Phương pháp nghiên cứu...........................................................................................19
2.2.1. Phương pháp chế tạo mẫu.....................................................................19
2.2.2. Phương pháp xác định tính chất của vật liệu.......................................21
ii


2.2.2.1. Phương pháp xác định độ bền kéo đứt của vật liệu.........................21
2.2.2.2. Phương pháp xác định độ bền xé của vật liệu.................................22
2.2.2.3. Phương pháp xác định độ dãn dài khi đứt của vật liệu...................23
2.2.2.4. Phương pháp xác định độ dãn dài dư của vật liệu..........................23
2.2.2.5. Phương pháp xác định độ cứng của vật liệu................................... 24
2.2.2.6. Phương pháp đo độ mài mòn của vật liệu....................................... 24
2.2.2.7. Phương pháp khảo sát cấu trúc hình thái........................................25
2.2.2.8. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)........................... 26
2.2.2.9. Phương pháp khảo sát tính lưu biến của vật liệu............................ 26
2.2.2.10. Phương pháp phân tích tính chất cơ nhiệt động........................... 28

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...........................................................29

3.1......................................................................... Khảo sát nguyên liệu đầu
29

3.1.1. Ảnh hưởng của hệ lưu hóa đến tính chất cơ lý của cao su thành phần..................29
3.1.1.1. Ảnh hưởng của hệ lưu hóa đến tính chất cơ lý của cao su thiên nhiên...................30
3.1.1.2. Ảnh hưởng của hệ lưu hóa đến tính chất cơ lý của cao su styren butadien............31
3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lưu hóa đến tính chất cơ lý của cao su thành phần........33
3.1.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ lưu hóa đến tính chất cơ lý của cao su thiên nhiên.........33
3.1.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lưu hóa đến tính chất cơ lý của cao su styren butadien...35
3.1.3. Ảnh hưởng của thời gian lưu hóa đến tính chất của cao su thành phần................36
3.1.3.1. Ảnh hưởng của thời gian lưu hóa đến tính chất cơ lý của cao su thiên nhiên........37
3.1.3.2. Ảnh hưởng của thời gian lưu hóa đến tính chất cơ lý của cao su styren butadien. 38
3.1.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ polysunfit /lưu huỳnh đến tính chất cơ lý của cao su thành
phần

38

3.1.4.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ polysunfit /lưu huỳnh đến tính chất cơ lý của cao su thiên
nhiên

38

3.1.4.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ polysunfit /lưu huỳnh đến tính chất cơ lý của cao su styren
butadien

40
iii

3.1.5. Khảo sát mức độ lão hóa nhiệt của cao su thành phần....................... 41
3.1.5.1. Khảo sát mức độ lão hóa nhiệt của cao su thiên nhiên...................42
3.1.5.2. Khảo sát mức độ lão hóa nhiệt của cao su styren butadien............43
3.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su blend trên cơ sở cao su thiên nhiên và cao su
styren butadien sử dụng hệ lưu hóa polysunfit /lưu huỳnh...................................... 44

3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng cao su thành phần đến tính chất của cao su blend.....44
3.2.2. Ảnh hưởng của polysunfit đến tính chất cơ lý của cao su blend
...........................................................................................................................46

3.2.3. Ảnh hưởng của polysunfit đến mức độ lão hóa nhiệt của cao su blend................47
3.2.4. Khảo sát tính chất nhiệt của cao su blend NR/SBR............................. 47

iv


3.2.5. Cấu trúc hình thái của vật liệu..............................................................50
KẾT LUẬN................................................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................53


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, các cán bộ nhân viên trong Trung tâm nghiên
cứu vật liệu polyme và compozit, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ tận tình và
tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đồ án tốt nghiệp
này. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thanh Liêm
Nội dung đồ án chắc chắn còn nhiều điểm chưa tốt nên rất mong nhận được các ý
kiến, nhận xét từ các thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 1 năm 2017
Sinh viên
Đoàn Mạnh Hiếu


LỜI MỞ ĐẦU
Cao su thiên nhiên là một polyme thiên nhiên được ứng dụng phổ biến trong nhiều
lĩnh vực cả trong đời sống và trong công nghiệp. Cao su thiên nhiên có ứng dụng rộng rãi
như vậy là do có những tính chất: độ bền cơ học cao, khả năng đàn hồi tốt, dễ dàng phối
trộn với các loại chất độn và chất phối hợp trên máy luyện kín hoặc máy luyện hở. Hợp
phần cao su thiên nhiên có độ bền kết dính nội cao, khả năng cán tráng, ép phun tốt, mức
độ co ngót sản phẩm nhỏ. Cao su thiên nhiên có thể trộn hợp với các loại cao su không
phân cực khác theo bất kỳ tỷ lệ nào. Tuy nhiên cao su thiên nhiên lại có những nhược
điểm: kém bền dầu mỡ, kém bền nhiệt, độ bền môi trường kém, độ bền mài mòn thấp.
Hiện nay, nhiều loại cao su tổng hợp đã được nghiên cứu sản xuất với những tính
chất đặc biệt riêng cho từng loại. Các loại cao su tổng hợp này có thể khắc phục được một
số nhược điểm của cao su thiên nhiên, qua đó làm tăng độ bền môi trường, tăng độ bền mài
mòn, cũng như làm giảm tác động của quá trình lão hóa đến tính chất của vật liệu cao su,
… Tuy nhiên các loại cao su tổng hợp thường có giá thành rất cao và một số có tính chất
cơ học không cao. Do đó việc tận dụng những ưu điểm của các loại cao su tổng hợp và cao
su thiên nhiên, hạn chế những nhược điểm của từng cao su thành phần là một vấn đề được
quan tâm nghiên cứu hiện nay.
Để tăng cường khả năng chịu môi trường, chịu lão hóa của vật liệu, em đã thực hiện
đề tài: “ Nâng cao độ bền nhiệt của cao su thiên nhiên “


DANH MỤC BẢNG
STT

Bảng

Tên bảng

Trang

1

Bảng 1.1

Sản lượng cao su thiên nhiên trên thế giới

1

2

Bảng 1.2

Thành phần tiêu chuẩn để xác định tính chất cơ lý của cao su

3

thiên nhiên
3

Bảng 1.3

Đặc trưng kỹ thuật của cao su SBR được sản xuất bằng hai

5

phương pháp khác nhau
4

Bảng 1.4

Tính chất cơ lý của một số loại SBR

6

5

Bảng 2.1

Thành phần đơn chế tạo vật liệu

19

6

Bảng 3.1

Đơn phối liệu hợp phần cao su

28

7

Bảng 3.2

Điều kiện lưu hóa

28

8

Bảng 3.3

Điều kiện lưu hóa trong khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ

32

9

Bảng 3.4

Ảnh hưởng của nhiệt độ lưu hóa đến tính chất cơ lý của

32

cao su thiên nhiên không sử dụng polysunfit
10

Bảng 3.5

Ảnh hưởng của nhiệt độ lưu hóa đến tính chất cơ lý của

33

cao su thiên nhiên có sử dụng 1,5 PKL lưu huỳnh và 5,0
PKL polysunfit

11

Bảng 3.6

Ảnh hưởng của nhiệt độ lưu hóa đến tính chất cơ lý của

34

cao su styren butadien không sử dụng polysunfit
12

Bảng 3.7

Ảnh hưởng của nhiệt độ lưu hóa đến tính chất cơ lý của
cao su thiên nhiên có sử dụng 1,5 PKL lưu huỳnh và 5,0
PKL polysunfit

34


13

Bảng 3.8

Điều kiện lưu hóa tối ưu của cao su thành phần sử dụng

40

hệ lưu hóa polysunfit /lưu huỳnh
14

Bảng 3.9

Mức độ lão hóa nhiệt của vật liệu cao su thành phần

41

15

Bảng 3.10

Ảnh hưởng của polysunfit đến tính chất cơ lý của cao su

47

blend NR/SBR với tỷ lệ 60/40
16

Bảng 3.11

Tính chất cơ lý sau lão hóa của vật liệu cao su blend sử

47

dụng polysunfit

ix


DANH MỤC HÌNH

STT

Hình

Tên hình

Trang

1

Hình 1.1

Cấu trúc mạch phân tử cao su thiên nhiên

2

2

Hình 1.2

Cấu trúc mạch phân tử cao su styren butadiene

4

3

Hình 1.3

Công thức hóa học của chất xúc tiến CBS

8

4

Hình 1.4

Công thức cấu tạo chất phòng lão 4020

8

5

Hình 2.1

Máy cán hai trục

19

6

Hình 2.2

Máy ép thủy lực

20

7

Hình 2.3

Mẫu đo độ bền kéo đứt

21

8

Hình 2.4

Máy đo độ bền cơ lý INSTRON

21

9

Hình 2.5

Mẫu đo độ bền xé

22

10

Hình 2.6

Đồng hồ đo độ cứng TECLOCK

23

11

Hình 2.7

Thiết bị đo độ mài mòn

24

12

Hình 2.8

Kính hiển vi điện tử quét

24

13

Hình 2.9

Thiết bị phân tích nhiệt trọng lượng

25

14

Hình 2.10

Thiết bị Rheometer

26

15

Hình 2.11

Thiết bị đo tính chất cơ học động

27

18

Hình 3.1

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến vật liệu cao su thiên nhiên sử

33

dụng hệ lưu hóa lưu huỳnh và hệ lưu hóa polysunfit /lưu
huỳnh
19

Hình 3.2

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến vật liệu cao su styren
butadien sử dụng hệ lưu hóa lưu huỳnh và hệ lưu hóa
polysunfit /lưu huỳnh

35


20

Hình 3.3

Ảnh hưởng của quá trình lão hóa đến độ bền kéo của vật

42

liệu cao su thiên nhiên
21

Hình 3.4

Giản đồ TGA của cao su thiên nhiên

48

22

Hình 3.5

Giản đồ TGA của cao su styren butadiene

48

23

Hình 3.6

Giản đồ TGA của cao su blend NR/SBR với tỷ lệ 60/40

49

24

Hình 3.7

Giản đồ TGA của cao su blend /S

49


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Cao su nguyên liệu
1.1.1. Cao su thiên nhiên
1.1.1.1. Lịch sử phát triển
Cao su thiên nhiên (NR) được con người phát hiện và sử dụng vào nửa cuối thế kỉ
XVI ở Nam Mỹ. Đến năm 1839 khi loài người phát hiện ra quá trình lưu hóa chuyển cao
su từ trạng thái chảy nhớt sang trạng thái đàn hồi cao bền vững, lượng cao su thiên nhiên
được sử dụng để sản xuất ra các sản phẩm tăng đáng kể. Trong những năm gần đây, mặc dù
đã tổng hợp được rất nhiều loại cao su nhưng sản lượng sản xuất và sử dụng cao su thiên
nhiên vẫn tăng đáng kể.
Ngày nay, cao su thiên nhiên được trồng nhiều ở Ấn Độ, Malaysia, Indonesia, Thái
Lan, Việt Nam,…
Sản lượng cao su thiên nhiên trên thế giới trong thời gian gần đây được thể hiện
trong bảng 1.1 [4]:
Bảng 1.1. Sản lượng cao su thiên nhiên trên thế giới
Sản lượng

Tiêu thụ

(triệu tấn)

(triệu tấn)

1975

3,500

2,500

1980

3,845

2,760

1985

4,300

4,350

1990

5,108

5,723

1995

5,922

5,790

2000

6,566

6,450

2005

8,892

9,083

2007

9,725

9,719

2010

10,600

13,300

Năm

Trang 12


1.1.1.2. Cấu tạo hóa học
Cao su thiên nhiên là polyisopren gồm các mắt xích isopren.Mạch đại phân tử hình
thành từ đồng phân cis của các mắt xích isopren liên kết nhau ở vị trí 1,4.

Hình 1.1. Cấu trúc mạch phân tử cao su thiên nhiên
Ngoài đồng phân cis 1,4-isopren trong cao su thiên nhiên còn khoảng 2% các mắt xích
isopren tham gia hình thành mạch đại phân tử ở vị trí 3,4 [1].

1.1.1.3. Tính chất vật lý
Cao su thiên nhiên ở nhiệt độ thấp có cấu trúc tinh thể. Vận tốc kết tinh lớn nhất
được xác định ở nhiệt độ -250C. Cao su thiên nhiên kết tinh có biểu hiện rõ ràng lên bề
mặt: độ cứng tăng, bề mặt vật liệu mờ (không trong suốt). Cao su thiên nhiên tinh thể nóng
chảy ở nhiệt độ 400C. Quá trình nóng chảy các cấu trúc tinh thể của cao su thiên nhiên xảy
ra cùng với hiện tượng hấp thụ nhiệt [1].
Cao su thiên nhiên được đặc trưng bằng các tính chất vật lý sau:

- Khối lượng riêng:  = 913 Kg/m3.
- Nhiệt độ hóa thủy tinh: Tg= -700C.
- Hệ số giãn nở thể tích: 656.10-4 dm3/oC.
- Nhiệt dẫn riêng: 0,14 W/moK.
- Nhiệt dung riêng: 1,88 kJ/kgoK.
- Nửa chu kỳ kết tinh ở 250C: 2-4 giờ.
- Tang của góc tổn thất điện môi: 1,6.10-3.
- Điện trở riêng: 3.1012 - 5.1012 Ω.m.

- Hòa tan trong các dung môi không phân cực.

1.1.1.4. Tính chất công nghệ


Trong quá trình bảo quản, cao su thiên nhiên thường chuyển sang trạng thái tính thể:
ở nhiệt độ môi trường từ 250C đến 300C, hàm lượng pha tinh thể trong cao su là 40%.
Trạng thái tinh thể làm giảm tính mềm dẻo của cao su thiên nhiên. Để đảm bảo các tính
chất công nghệ của cao su trong các công đoạn sản xuất, nó được xử lý bằng


công đoạn sơ luyện đến độ dẻo P= 0,7 ÷ 0,8. Để đánh giá mức độ ổn định tính chất công
nghệ của cao su người ta dùng hệ số ổn định độ dẻo PRI.
PRI được đánh giá bằng tỷ số (tính bằng phần trăm) độ dẻo của cao su được xác định
sau 30 phút đốt nóng ở 140oC so với độ dẻo ban đầu. Hệ số ổn định PRI càng lớn thì vận
tốc hóa dẻo của cao su đó càng nhỏ, có nghĩa là khả năng chống lão hóa càng tốt.
Cao su thiên nhiên có khả năng phối trộn tốt với các chất độn, chất phụ gia trên máy
luyện kín hoặc máy luyện hở. Hợp phần trên cơ sở cao su thiên nhiên có độ bền kết dính
nội cao, khả năng cán tráng, ép phun tốt, mức độ co ngót sản phẩm nhỏ. Cao su thiên nhiên
có thể trộn hợp với các loại cao su không phân cực khác (cao su polyisopren, cao su
butadien, cao su butyl) với bất kỳ tỷ lệ nào [1].

1.1.1.5. Tính chất cơ lý
Cao su thiên nhiên có khả năng lưu hóa bằng lưu huỳnh phối hợp với các loại xúc
tiến lưu hóa thông dụng. Tính chất cơ lý của cao su thiên nhiên được xác định dựa theo
tính chất cơ lý của hợp phần cao su tiêu chuẩn.
Bảng 1.2. Thành phần tiêu chuẩn để xác định tính chất cơ lý của cao su thiên nhiên [1]
STT

Hóa chất

Hàm lượng (pkl)

1

Cao su thiên nhiên

100,0

2

Axit Steric

0,5

3

ZnO

5,0

4

Mecaptobenzothiazol

0,7

5

Lưu huỳnh

3,0

Hỗn hợp cao su được lưu hóa ở nhiệt độ 143±2 oC trong thời gian tối ưu là 20 – 30
phút.
Các tính chất cơ lý phải đạt là:

- Độ bền kéo đứt

: 23 MPa

- Độ giãn dài tương đối : 700%
- Độ giãn dư

: ≤ 12%

- Độ cứng tương đối

: 65 shore


Hợp phần cao su thiên nhiên với các loại chất độn hoạt tính có tính đàn hồi cao, chịu
lạnh tốt, chịu tác dụng lực động học tốt [1].

1.1.1.6. Ứng dụng
Do các đặc điểm, tính chất của cao su thiên nhiên, nó có khả năng ứng dụng khá rộng
rãi trong các lĩnh vực đời sống, kinh tế và kỹ thuật.
Trong đời sống, cao su thiên nhiên có thể sử dụng làm các loại đế giày, dép, nệm cao
su xốp,…
Trong kỹ thuật, cao su thiên nhiên có thể sử dụng chế tạo các sản phẩm cao su kỹ
thuật có yêu cầu tính năng cơ học cao, làm việc trong môi trường ôn hòa, không bị tác
động trực tiếp của các loại hóa chất, xăng, dầu, ozon. Mặt khác, do ưu điểm nổi bật của cao

su thiên nhiên là không độc cho nên có thể sử dụng để chế tạo các chi tiết, dụng cụ dùng
trong y dược và công nghiệp thực phẩm.
Mặc dù tính năng cơ học cao, nhưng việc ứng dụng cao su thiên nhiên trong kỹ thuật
còn hạn chế. Do vậy, cần phải nghiên cứu cải thiện các tính năng cơ lý, kỹ thuật và mở
rộng khả năng ứng dụng của vật liệu này trong kỹ thuật.

1.1.1.7. Mục tiêu
Từ những tính chất của cao su thiên nhiên ta có thể thấy cao su thiên nhiên có độ bền
nhiệt kém. Và để nâng cao độ bền nhiệt của cao su thiên nhiên em chọn hướng đi đó là kết hợp
cao su thiên nhiên với 1 số monome tạo thành blend để nâng cao tính chất như khả năng chống
chịu tốt với thời tiết, ozon, nhiệt, các tác nhân oxy hóa và một loạt các dung môi phân cực và
không phân cực khác, các tính chất điện cũng như khả năng tương hợp tốt với các polyolefin, …
điều đó đã giúp mở rộng hơn nữa các ứng dụng của loại vật liệu này. Và ở trong bài này em xin
được trình bày về blend của NR/SBR .
1.2 Cao su styren butadien
1.2.1 Giới thiệu chung
Cao su styren butadien (SBR) được nhà hóa học người Đức Walter Block tổng hợp
thành công đầu tiên vào năm 1929 bằng phương pháp nhũ tương từ hai monome butadien
và styren. Cao su styren butadien công nghiệp lần đầu tiên được sản xuất ở Mỹ năm 1962.
Đây là loại cao su tổng hợp đầu tiên có khả năng sử dụng ở quy mô kinh tế thương mại. Và
hiện tại, cao su styren butadien là loại cao su tổng hợp được sản xuất nhiều nhất.
Cao su styren butadien là sản phẩm đồng trùng hợp butadien 1,3 với styren trong
dung dịch hydrocacbon no với sự có mặt của Liti hữu cơ.


Hình 1.2. Cấu trúc mạch phân tử cao su styren butadien


Khối lượng phân tử trung bình của cao su styren butadien vào khoảng 150.000 đến 400.000
đvC. Thay đổi tỷ lệ styren và butadien sẽ thu được những loại cao su khác nhau có tính chất

khác nhau, tỷ lệ này thông thường là 75:25
1.2.1 Ứng dụng
Cao su styren butadien có độ cứng lớn, khả năng chống mài mòn tốt cho nên được
dùng làm mặt lốp trong công nghiệp sản xuất săm lốp xe và đồ dùng bằng cao su, với hàm
lượng 13,5% styren và 76,5% butadien. Với hàm lượng styren cao hơn thì cao su này trở
thành một chất dẻo, tuy nhiên vẫn giữ được tính đàn hồi.
Cao su styren butadien có độ ổn định cao trong môi trường axit hữu cơ và vô cơ cũng
như bazơ hay nước và rượu, nên trong công nghiệp hóa chất thường dùng để bọc lót các
thiết bị chịu tác dụng ăn mòn của các loại axit, bazơ và muối. Tuy nhiên độ ổn định của nó
lại kém đối với các dung môi như các hợp chất dẻo, hợp chất thơm và các hydrocacbon clo
hóa, cụ thể là trong dầu khoáng mỡ hay xăng. Khả năng chịu thời tiết của cao su styren
butadien tốt hơn so với cao su tự nhiên nhưng kém hơn CR và EPDM. Khoảng nhiệt độ mà
các ứng dụng có dùng SBR chịu được là khoảng từ
-40oC ÷ 70oC.


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1. Nguyên liệu và thiết bị nghiên cứu
2.1.1. Nguyên liệu và hóa chất
-

Cao su thiên nhiên loại creep SVR 3L được cung cấp bởi công ty Phước Hòa (Việt
Nam)

-

Cao su styren butadien Kosyn 1502 (Kumho – Korea)

-

Chất hóa dẻo: axit stearic kỹ thuật (Trung Quốc)

-

Chất phòng lão: 4020 (N-(1,3-Dimetylbutyl)-N'-phenyl-p-phenylendiamin)
(Trung Quốc)

-

Chất trợ xúc tiến: kẽm oxit kỹ thuật (Trung Quốc)

-

Chất xúc tiến: CZ (N-Xyclohexyl-2-benzothiazol sunphenamit) (Trung Quốc)

-

Chất lưu hóa: lưu huỳnh, polysunfit (Trung Quốc)

-

Chất độn: than đen kỹ thuật HAF (Trung Quốc)

2.1.2. Thiết bị nghiên cứu
-

Máy cán hai trục (Trung Quốc)

-

Máy ép thủy lực có gia nhiệt GOTECH (Đài Loan)

-

Thiết bị đo tính chất cơ lý INSTRON 100 kN (Mỹ)

-

Đồng hồ đo độ cứng shore A TECLOCKGS 709N (Nhật Bản)

-

Thiết bị đo độ mài mòn APGI của hãng Thüringer Industriewerk Rauenstein (Đức)

-

Kính hiển vi điện tử quét JSM-6360LV (Nhật Bản)

-

Thiết bị đo lưu biến cao su Rheometer (Hàn Quốc)

-

Thiết bị phân tích cơ học động DMA 8000 Dynamic Mechanical Analyzer –
PerkinElmer (Hoa Kỳ)

-

Thiết bị phân tích nhiệt trọng lượng TGA Setaram (Pháp)

2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp chế tạo mẫu
Vật liệu cao su được chế tạo với thành phần được chỉ ra trong bảng 2.1.


Bảng 2.1. Thành phần đơn chế tạo vật liệu
STT

Thành phần

Hàm lượng (pkl)

1

Cao su

100,0

2

Axit stearic

1,0

3

4020

1,5

4

Dầu gia công

5,0

5

ZnO

5,0

6

CZ

1,25

7

S

2,5

8

HAF

50,0

Hình 2.1. Máy cán hai trục
Quá trình sơ luyện cao su được tiến hành trên máy cán hai trục như hình 2.1 cho đến
khi đạt độ dẻo cần thiết. Sau khi sơ luyện, bắt đầu đưa các hóa chất vào. Đầu tiên, đưa axit
stearic vào để làm tăng độ dẻo của cao su, giúp phân tán các hóa chất khác vào trong cao
su dễ dàng hơn. Sau đó, thêm dầu gia công vào, bước này có tác dụng giúp quá trình gia
công vật liệu cao su dễ dàng hơn, tốn ít năng lượng hơn cho quá trình gia công. Để hạn chế
hiện tượng lão hóa trong quá trình gia công, làm suy giảm tính chất của vật liệu, thêm vào
đó chất phòng lão, trong trường hợp này là 4020. Tiếp theo, phân tán các chất độn, xúc
tiến và trợ xúc tiến vào hỗn hợp cao su. Để tránh


hiện tượng cao su tự lưu hóa trong quá trình gia công, chất lưu hóa được phân tán vào hỗn
hợp ở bước cuối cùng.
Sau khi đã phân tán đều chất độn, hóa chất vào trong cao su, hỗn hợp cao su được
mang đi xuất tấm với kích thước phù hợp với khuôn được sử dụng khi ép lưu hóa.
Hỗn hợp cao su sau đó được ép lưu hóa trên máy ép thủy lực có gia nhiệt như hình
2.2 với những điều kiện lưu hóa cần thiết trong quá trình nghiên cứu.

Hình 2.2. Máy ép thủy lực
Mẫu cao su sau khi lưu hóa sẽ được sử dụng trong các nghiên cứu tiếp theo để xác
định các tính chất, cấu trúc của vật liệu.

2.2.2. Phương pháp xác định tính chất của vật liệu
2.2.2.1. Phương pháp xác định độ bền kéo đứt của vật liệu

Độ bền kéo đứt là ứng suất kéo ghi được tại thời điểm mẫu đứt. Độ bền kéo đứt của
mẫu vật liệu cao su blend được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 4509 : 2006 hoặc ISO 37 2006. Mẫu đo độ bền kéo đứt được chế tạo theo dạng mái chèo như trên hình 2.3:

Hình 2.3. Mẫu đo độ bền kéo đứt
Độ bền kéo đứt được đo trên máy INSTRON 5582 100kN (Mỹ). Tốc độ kéo mẫu
100mm/phút.

Hình 2.4. Máy đo độ bền cơ lý INSTRON
Độ bền kéo đứt được của mẫu được tính theo công thức:
��� =

��

��

Trong đó:
TSb: độ bền kéo đứt, MPa
Fb: lực kéo đứt mẫu, N
Wt: tiết diện ngang của mẫu thử, mm2
Kết quả được tính trung bình của 4 lần đo.
2.2.2.2. Phương pháp xác định độ bền xé của vật liệu

Độ bền xé được đo trên máy INSTRON 5582 100kN (Mỹ), theo tiêu chuẩn TCVN
1592 – 87.


Hình 2.5. Mẫu đo độ bền xé
Độ bền xé được xác định theo công thức sau:
�
∆� =
, �/��
ℎ

Trong đó:
∆r: độ bền xé, N/mm
F: lực kéo, N
h: chiều dày mẫu, mm
Kết quả được tính trung bình từ 4 mẫu đo.
2.2.2.3. Phương pháp xác định độ dãn dài khi đứt của vật liệu

Độ dãn dài khi đứt là độ dãn khi kéo trên chiều dài thử tại điểm đứt. Các tiêu chuẩn
về mẫu đo và phép đo giống như phương pháp xác định độ bền kéo đứt (theo TCVN 4509 :
2006) trên máy đo cơ lý vạn năng INSTRON 5582 100kN (Mỹ). Độ dãn dài khi đứt được
tính theo công thức sau:
�� =

�1 − �0
× 100%
�0

Trong đó:
Eb: độ dãn dài khi đứt, %
l0: là độ dài giữa hai điểm được đánh dấu trên mẫu trước khi kéo, mm l1:
chiều dài giữa hai điểm đánh dấu trên mẫu ngay khi đứt, mm
Kết quả được tính trung bình từ 4 mẫu đo.
2.2.2.4. Phương pháp xác định độ dãn dài dư của vật liệu

Độ dãn dài dư là hiệu số chiều dài của đoạn mẫu sau khi kéo đứt để 3 phút ghép lại và
trước khi kéo đứt, tính bằng phần trăm so với đoạn dài ban đầu. Tiêu chuẩn


mẫu đo, thiết bị đo giống như phương pháp xác định độ bền kéo đứt (theo TCVN 4509 :
2006).

Độ dãn dài dư được tính theo công thức:
�2 − �0
× 100%
��ư =
�0
Trong đó:
Edư: độ dãn dài dư, %
l0: độ dài giữa hai điểm được đánh dấu trước khi kéo, mm
l2: độ dài giữa hai điểm được đánh dấu sau khi bị kéo đứt 3 phút, mm Kết
quả được tính trung bình từ 4 mẫu đo.
2.2.2.5. Phương pháp xác định độ cứng của vật liệu

Hình 2.6. Đồng hồ đo độ cứng TECLOCK
Độ cứng (Shore A) của vật liệu cao su blend được xác định theo tiêu chuẩn TCVN
1595-1: 2007 hoặc tiêu chuẩn ISO 7619-1: 2004. Nguyên tắc của phép đo là đo chiều sâu
của mũi ấn khi ấn vào vật liệu trong điều kiện xác định. Phép đo được thực hiện trên đồng
hồ đo độ cứng (Shore A) TECLOCK (Jis K6301A) của Nhật Bản. Mẫu thử hình khối chữ
nhật kích thước của mẫu phải cho phép đo ở 5 điểm. Chỉ số đo độ cứng được đọc trên
thang chia độ sau 3 giây kể từ lúc tác dụng lên mẫu. Đối với những mẫu sau 3 giây vẫn
thấy kim ép tiếp tục ấn sâu vào mẫu, chỉ số đo độ cứng được xác định sau 15 giây.
Kết quả được tính trung bình của 5 giá trị đo.
2.2.2.6. Phương pháp đo độ mài mòn của vật liệu


Hình 2.7. Thiết bị đo độ mài mòn
Độ mài mòn được xác định trên thiết bị đo độ mài mòn APGI của Đức theo tiêu chuẩn
DIN 35588.
Mẫu đo hình trụ theo mẫu máy cắt. Vật liệu được mài mòn trên trục quấn giấy ráp có
kích thước 450x450 mm, dưới lực tỳ 2 kg trong hành trình 100 vòng quay.
Độ mài mòn được tính theo công thức:

� = (� 0 − �), gam/ hành trình.
Trong đó:
G: độ mài mòng, g/ hành trình
g0: khối lượng mẫu trước khi mài mòn, g g:
khối lượng mẫu sau khi mài mòn, g
2.2.2.7. Phương pháp khảo sát cấu trúc hình thái

Hình 2.8. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)