Nghiên cứu chế tạo cao su blend CSTN NBR clay nanocompozit bằng phương pháp latex (2017)

LỜI CẢM ƠN

Trong nhiều tháng nghiên cứu và học tập, nhờ vào nỗ lực của bản thân
cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo, em đã hoàn thành khóa luận của
mình đúng với thời gian quy định.
Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn sâu sắc
của mình tới TS Lương Như Hải - Trung tâm Phát triển công nghệ cao - Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ
em trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài.
Nhân dịp này em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong khoa
Hóa học - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã quan tâm giúp đỡ, trang bị
cho em những kiến thức chuyên môn cần thiết trong quá trình học tập tại
trường.
Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ cho em hoàn
thành tốt khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2017
Sinh viên


ANH MỤC CHỮ VI T TẮT

AN

Acrylonitril

CEC

Độ thay thế cation

CHLB

Cộng hòa liên bang

CSTN

Cao su thiên nhiên

D

Khoảng cách cơ bản

EPDM

Etylen propylen dien monomer

EU

Liên minh châu Âu

FESEM

Kính hiển vi điện tử quét trường phát
xạ

MMT

Montmorillonite

MPTS

3- metacryloxypropyl trimetoxy silan

NBR

Cao su nitril butadien

NC

Nanoclay

PE

Polyetylen

Pkl

Phần khối lượng

PNC

Polyme nanoclay

PP

Polypropylen

PVC

Polyvinyl clorua

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam


TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua

TESPT

Bis-(3-trietoxysilyl propyl) tetrasulphit

TGA

Phân tích nhiệt trọng lượng

XRD

Phân tích nhiễu xạ tia X


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ...............................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN ....................................................................................3

1.1. Giới thiệu về vật liệu polyme nanocompozit, cao su nanocompozit ........3
1.1.1. Phân loại và đặc điểm của vật liệu cao su nanocompozit
....................4
1.1.2. Ưu điểm của vật liệu polyme nanocompozit và cao su
nanocompozit
............................................................................................................................6
1.1.3. Phương pháp chế tạo
..............................................................................6
1.1.4. Vật liệu polyme nanocompozit gia cường nanoclay
............................8
1.2. Polyme blend ...............................................................................................11
1.2.1. Khái niệm và phân loại.........................................................................11
1.2.2. Ưu điểm của vật liệu polyme blend.....................................................11
1.2.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu
...........................12
1.3. Cao su thi n nhi n, cao su nitril uta ien N R v nanoclay .............13
1.3.1. Cao su thiên nhiên ................................................................................13
1.3.2.Cao su nitril butadien (NBR)
................................................................16
1.3.3. Nanoclay
...............................................................................................18
1.4. T nh h nh nghi n c u trong v ngo i nước ............................................22
Chương 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................26
2.1. Thiết ị v hoá chất sử ụng trong nghi n c u ......................................26


2.1.1. Thiết
bị ..................................................................................................26
2.1.2. Hoá chất, vật liệu
.................................................................................26

2.2. Phương pháp nghi n c u ..........................................................................27
2.3. Phương pháp xác định một số tính chất cơ học của vật liệu .................28
2.3.1. Phương pháp xác định độ bền kéo đứt
................................................28
2.3.2. Phương pháp xác định độ giãn dài khi
đứt..........................................29
2.3.3 Phương pháp xác định độ giãn dư
........................................................29
2.3.4. Phương pháp xác định độ cứng của vật liệu
.......................................30
2.4. Nghi n c u cấu tr c h nh thái của vật liệu

ng ính hi n vi điện tử

quét trường phát xạ............................................................................................30
2.5. Nghi n c u độ ền nhiệt của vật liệu

ng phương pháp phân tích

nhiệt trọng lượng................................................................................................30
2.6. Phương pháp nhiễu xạ tia X.....................................................................31
2.7. Đánh giá hả năng ền ầu mỡ của vật liệu thông qua đo độ trương
.....32
CHƯƠNG 3 . KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................33
3.1. Ảnh hưởng của h m lượng nanoclay tới tính chất của vật liệu ............33
3.1.1. Tính chất cơ học của vật liệu
...............................................................33
3.1.2. Cấu trúc hình thái của vật liệu

.............................................................34
3.2. Nghi n c u ảnh hưởng của quá tr nh iến tính tới độ ền nhiệt v

ền

ầu mỡ của vật liệu ............................................................................................38
3.2.1. Độ bền nhiệt của vật liệu......................................................................38
3.2.2. Khả năng bền dầu mỡ của vật liệu ......................................................40
KẾT LUẬN..........................................................................................................42


TÀI LIỆU THAM KHẢO
..................................................................................43


ANH MỤC CÁC ẢNG
Bảng 1.1: Mối quan hệ giữa kích thước hạt và bề mặt riêng
.............................4
Bảng 1.2: Thành phần hoá học của cao su thiên nhiên....................................14
Bảng 1.3: Cấu trúc hóa học vài loại nanoclay (loại smectit) ..........................20
Bảng 1.4: Giá trị CEC và kích thước của một số nanoclay [35].....................21
Bảng 2.1: Thành phần c bản của m u v t liệu cao su nanocompozit ...........27


ANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Nguyên lý chung để chế tạo v t liệu polyme nanocompozit ..............7
Hình 1.2: Các dạng v t liệu polyme/clay nanocompozit....................................9
Hình 1.3: S đồ mô tả tính chất che chắn của v t liệu polyme/clay
nanocompozit [33, 32]........................................................................................10
Hình 1.4: Công thức cấu tạo của cao su thiên nhiên........................................14

Hình 1.5: Cấu trúc lý tưởng của nanoclay montmorillonit..............................19
Hình 2.1: M u v t liệu đo tính chất kéo của v t liệu........................................28
Hình 2.2: S đồ nguyên lý phư ng pháp nhiễu xạ tia X..................................31
Hình 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay tới độ bền kéo đứt và độ giãn
dài khi đứt của v t liệu .......................................................................................33
Hình 3.2: Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay tới độ cứng và độ giãn dư của
v t liệu..................................................................................................................34
Hình 3.3: Ảnh FESEM bề mặt gãy m u CSTN/NBR/3%nanoclay ..................35
Hình 3.4: Ảnh FESEM bề mặt gãy m u CSTN/NBR/5%nanoclay ..................35
Hình 3.5: Ảnh FESEM bề mặt gãy m u CSTN/NBR/7%nanoclay ..................36
Hình 3.6:.. Giản đồ nhiễu xạ tia X của m u nanoclay và các m u cao su blend
CSTN/NBR chứa hàm lượng nanoclay khác nhau
............................................37
Hình 3.7: Giản đồ TGA m u CSTN/NBR ..........................................................38
Hình 3.8: Giản đồ TGA m u CSTN/NBR/5%nanoclay ....................................39
Hình 3.9: Độ trư ng của các m u v t liệu trên c sở CSTN/NBR ..................40


MỞ ĐẦU
Vật liệu cao su/clay nanocompozit là loại vật liệu mới có những tính
năng cơ lý, kỹ thuật cao, khả năng bền nhiệt và chống cháy tốt, có tính chất
che chắn (barie) tốt. Đây là một hướng nghiên cứu được các nhà khoa học rất
quan tâm trong việc phát triển các loại vật liệu mới. Vật liệu cao su/clay
nanocompozit gồm pha nền là cao su hoặc cao su blend và pha gia cường là
các hạt clay được chèn lớp hoặc tách lớp có kích thước nanomet [1].
Cao su thiên nhiên (CSTN) có tính chất cơ học tốt nhưng khả năng bền
dầu kém. Trong khi đó, cao su nitril butadien (NBR) được biết đến với đặc
tính vượt trội là khả năng bền dầu mỡ rất tốt. Do vậy, vật liệu cao su blend
CSTN/NBR vừa có tính chất cơ học tốt của CSTN vừa có khả năng bền dầu
mỡ của cao su NBR [7]. Để tăng khả năng ứng dụng cho vật liệu cao su cũng

như cao su blend, các vật liệu này thường được gia cường bằng một số chất
độn gia cường như than đen, silica, clay,... [40]. Khả năng gia cường của chất
độn cho cao su phụ thuộc vào kích thước hạt, hình dạng, sự phân tán và khả
năng tương tác với cao su [27, 31]. Các chất độn nano có kích thước từ 1100 nm, có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học của các sản phẩm cao su.
Với diện tích bề mặt lớn, các hạt nano sẽ tương tác tốt với các đại phân tử
cao su, dẫn đến nâng cao hiệu quả gia cường. Do vậy, các hạt nano rất quan
trọng để gia cường cho vật liệu cao su [36]. Nanoclay có kích thước nh (cỡ
2

nanomet), diện tích bề mặt riêng lớn cỡ 700800 m /g. Vì vậy, sự tương tác
giữa cao su
blend CSTN/NBR và nanoclay là rất lớn. Do vậy, chỉ với một lượng nh
nanoclay (cỡ vài phần trăm khối lượng) được đưa vào cao su blend
CSTN/NBR có thể nâng cao tính chất cơ học và khả năng che chắn của vật
liệu.

1


Các phương pháp chế tạo cao su nanocompozit gồm: trộn hợp dung
dịch, trùng in-situ, trộn hợp nóng chảy và phương pháp latex. Trong khi đó ở
nước ta, cây cao su là cây công nghiệp chủ lực nên nguồn latex cao su thiên
nhiên rất dồi dào. Chính vì vậy trong khuôn khổ khóa luận này, tôi tiến hành
nghiên cứu đề tài“Nghiên cứu chế tạo cao su blend CSTN/NBR/clay
nanocompozit b ng phư ng pháp latex” đã được lựa chọn để nghiên cứu.
Mục tiêu của đề tài
- Nâng cao tính chất cơ học của vật liệu cao su blend CSTN/NBR.
- Đánh giá khả năng phân tán của nanoclay trong nền cao su bằng
phương pháp latex.
Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay tới tính chất cơ học
của vật liệu.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay tới cấu trúc của vật
liệu.
- Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của vật liệu.
- Nghiên cứu khả năng bền dầu mỡ của vật liệu.

2


Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về vật liệu polyme nanocompozit, cao su nanocompozit
Cũng giống như vật liệu polyme compozit, vật liệu polyme
nanocompozit cũng là loại vật liệu gồm pha nền (polyme) và pha gia cường ở
các dạng khác nhau. Tuy nhiên, điều khác biệt ở đây là pha gia cường có kích
thước cỡ nanomet (dưới 100 nm). Như vậy có thể hiểu, vật liệu polyme
nanocompozit là vật liệu có nền là polyme, copolyme hoặc polyme blend và
cốt là các hạt hay sợi khoáng thiên nhiên hoặc tổng hợp có ít nhất một trong 3
chiều có kích thước trong khoảng 1-100 nm (kích cỡ nanomet). Do v y, v t
liệu cao su nanocompozit là một trường hợp riêng của polyme
nanocompozit với nền là cao su hoặc cao su blend. Vì vậy, cao su
nanocompozit có tất cả các đặc tính chung của polyme nanocompozit [7, 9].
Vật liệu polyme nanocompozit kết hợp được cả ưu điểm của vật liệu vô
cơ (như tính chất cứng, bền nhiệt,…) và ưu điểm của polyme hữu cơ (như
tính linh động, mềm dẻo, và khả năng dễ gia công…). Một đặc tính riêng biệt
của vật liệu polyme nanocompozit đó là kích thước nh của chất độn dẫn tới
sự gia tăng mạnh mẽ diện tích bề mặt chung so với các compozit truyền
thống (xem bảng 1.1) [14]. Vật liệu nền sử dụng trong chế tạo
polyme nanocompozit rất đa dạng, phong phú bao gồm cả nhựa nhiệt dẻo
như nhựa polyetylen (PE), nhựa polypropylen (PP),… và nhựa nhiệt rắn như

polyeste, các loại cao su,..


Bảng 1.1: Mối quan hệ giữa kích thước hạt và bề mặt riêng
Đường kính hạt

Bề

mặt

riêng

2

[cm /g]
1 cm

3

1 mm

3.10

100 µm

3.10

10 µm

3.10

1 µm

3.10

100 nm

3.10

10 nm

3.10

1 nm

3.10

2
3
4
5
6
7

Khoáng thiên nhiên: chủ yếu là đất sét – vốn là các hạt silica có cấu
tạo dạng lớp như montmorillonit, vermicullit, bentonit kiềm tính cũng như
các hạt graphit,…
Các chất gia cường nhân tạo: các tinh thể như silica, CdS, PbS,
CaCO3,… hay ống carbon nano, sợi carbon nano,….
1.1.1. Phân loại v đặc đi m của vật liệu cao su nanocompozit

1.1.1.1. Phân loại
Polyme nanocompozit nói chung hay cao su nanocompozit nói riêng
được phân loại dựa vào số chiều có kích thước nanomet của vật liệu gia
cường [28]:


- Loại 1: là loại hạt có cả ba chiều có kích thước nanomet, chúng là các
hạt nano (SiO2, CaCO3,…).
- Loại 2: là loại hạt có hai chiều có kích thước nanomet, chiều thứ ba
có kích thước lớn hơn, thường là ống nano hoặc sợi nano (thường là ống,
sợi nano carbon).
- Loại 3: là loại chỉ có một chiều có kích thước cỡ nanomet. Nó ở dạng
phiến, bản với chiều dày có kích thước cỡ nanomet còn chiều dài và chiều
rộng có kích thước từ hàng trăm đến hàng ngàn nanomet. Vật liệu dạng này
thường có nguồn gốc là các loại khoáng sét, graphen,…
1.1.1.2. Đặc điểm của v t liệu polyme nanocompozit
- Với pha phân tán là các chất độn có kích thước nano nên chúng phân
tán rất tốt vào trong polyme, tạo ra các liên kết ở mức độ phân tử giữa các
pha với nhau. Các phần tử chất độn nano phân tán tốt vào pha nền, dưới tác
dụng của lực bên ngoài tác động vào nền sẽ chịu toàn bộ tải trọng, các phần
tử nh mịn phân tán đóng vai trò hãm lệch, làm tăng độ bền của vật liệu
đồng thời làm cho vật liệu cũng ổn định ở nhiệt độ cao [10].
- Do kích thước nh ở mức độ phân tử nên khi kết hợp với các pha nền
có thể tạo ra các liên kết vật lý nhưng có độ bền tương đương với liên kết hóa
học, vì thế cho phép tạo ra các vật liệu có nhiều tính chất mới, ví dụ như tạo
các polyme dẫn có rất nhiều ứng dụng trong thực tế.
- Vật liệu gia cường có kích thước rất nh nên có thể phân tán trong
pha nền tạo ra cấu trúc rất đặc, do đó có khả năng bền nhiệt, bền môi trường
của vật liệu được cải thiện.

1.1.2. Ưu đi m của vật liệu polyme nanocompozit v cao su nanocompozit
So với vật liệu polyme compozit truyền thống, vật liệu polyme
nanocompozit có những ưu điểm chính như sau [9]:
- Vật liệu nano gia cường hiệu quả hơn bởi vì kích cỡ của nó nh hơn
dẫn tới sự cải thiện đáng kể tính chất của nền (chỉ với một lượng nh vật liệu
gia cường) điều này làm cho vật liệu polyme nanocompozit nhẹ hơn, dễ gia
công hơn.
- Sự chuyển ứng suất từ nền sang chất độn hiệu quả hơn là do diện tích
bề mặt lớn và khả năng tương tác tốt giữa các pha.
1.1.3. Phương pháp chế tạo
Polyme nanocompozit hay cao su nanocompozit có thể được chế tạo
theo một số phương pháp tùy theo cách thức kết hợp giữa hai pha vô cơ và
hữu cơ. Cho tới nay, người ta đưa ra 3 phương pháp chính để chế tạo polyme
nanocompozit, tuỳ theo nguyên liệu ban đầu và kỹ thuật gia công: phương
pháp trộn hợp (nóng chảy hoặc dung dịch,…), phương pháp sol-gel và
phương pháp trùng hợp in-situ [1, 37, 7, 9].
1.1.3.1. Phư ng pháp trộn hợp
Phương pháp này chỉ đơn giản là phối trộn các vật liệu gia cường nano
vào trong nền polyme. Quá trình phối trộn có thể thực hiện trong dung dịch
hoặc ở trạng thái nóng chảy. Khó khăn lớn nhất trong quá trình trộn hợp là
phân tán các phần tử nano vào trong nền polyme sao cho hiệu quả.
1.1.3.2. Phư ng pháp sol – gel
Phương pháp sol-gel dựa trên quá trình thủy phân và trùng ngưng các
phân tử alcoxide kim loại có công thức M(OR) 4, dẫn đến việc hình thành


polyme có mạng liên kết M-O-M, ví dụ như Si-O-Si. Phương pháp solgel

cho phép đưa phân tử hữu cơ R’ có dạng R’ n M(OR)4-n vào trong mạnh vô cơ
để tạo ra vật liệu hữu cơ-vô cơ lai tạo có kích thước nano. Có hai loại
nanocompozit lai tạo được chế tạo bằng phương pháp sol- gel. Sự phân chia
chúng dựa vào bản chất của bề mặt ranh giới giữa thành phần hữu cơ và
vô cơ.
1.1.3.3. Trùng hợp insitu
Phương pháp này có ưu điểm dễ chế tạo, nhanh và tính chất sản phẩm
tốt. Quá trình trùng hợp in-situ trải qua ba bước: đầu tiên các phụ gia nano
được xử lý bởi chất biến tính bề mặt thích hợp và sau đó được phân tán vào
monome rồi tiến hành trùng hợp trong dung dịch hoặc trong khối để tạo
polyme nanocompozit.
Sơ đồ nguyên lý chung chế tạo vật liệu polyme nanocompozit
Trùng hợp in-situ

Polyme
nanocompozit

Polyme

Monome

Sol - gel

Trộn thông thường

Hạt nano

Tiền chất nano
Sol -

Hình 1.1: Nguyên lý chung để chế tạo v t liệu polyme
nanocompozit


Những nội dung trên đã được tác giả Đỗ Quang Kháng tập hợp và trình
bày khá đầy đủ trong tài liệu [9].
1.1.4. Vật liệu polyme nanocompozit gia cường nanoclay
1.1.4.1. Phân loại v t liệu polyme/clay nanocompozit
Tuỳ theo cách thức phân bố hay dạng tồn tại của clay ở trong nền
polyme, vật liệu polyme/clay nanocompozit được chia thành ba loại khác
nhau: dạng chèn lớp, dạng kết tụ và dạng bóc lớp.
- Dạng chèn lớp: các phân tử polyme được chèn vào giữa các lớp clay
và khoảng cách giữa các lớp clay được tăng lên, song clay trong
polyme/clay nanocompozit vẫn còn cấu trúc lớp như khi chưa kết hợp với
polyme .
- Dạng kết tụ: trường hợp này cũng giống như trường hợp chèn lớp,
nhưng có hiện tượng một số lớp clay dính vào nhau do tương tác hydro giữa
các lớp. Dạng này có tính chất cơ học không tốt so với dạng chèn lớp vì hiện
tượng kết tụ làm cho clay không được phân bố đều trong nền polyme.
- Dạng bóc lớp: trong trường hợp hợp này các lớp clay được tách hoàn
toàn kh i nhau và phân tán đều trong nền polyme. Vì các lớp clay đư ợc
tách hoàn toàn ra kh i nhau và phân tán đều trong nền polyme nên tương tác
giữa pha nền và pha gia cường trong trường hợp này là tốt nhất. Hiện tượng
bóc lớp xảy ra khi hàm lượng clay nh và pha nền polyme tương tác tốt với
clay. Hình 1.2 mô tả các dạng tồn tại của polyme/clay nanocompozit [13,
14, 43,
44]:


Hình 1.2: Các dạng v t liệu polyme/clay nanocompozit

1.1.4.2. Tính chất của v t liệu polyme/clay nanocompozit
Vật liệu polyme/clay nanocompozit có những tính chất ưu việt hơn
hẳn so với vật liệu polyme gia cường bằng các hạt có kích thước micro,
trong đó đáng chú ý là: tính chất cơ học cao, khả năng chịu nhiệt và chống
cháy tốt, có tính chất che chắn, khả năng phân huỷ sinh học,… [23, 21, 24].
* Tính chất cơ học
Do có tương tác và kết dính tốt giữa pha nền và pha gia cường nên vật
liệu polyme/clay nanocompozit có độ bền kéo đứt và mođun đàn hồi rất cao.
Khi tăng hàm lượng clay thì tính chất cơ học tăng sau giảm dần.
* Khả năng chịu nhiệt và chống cháy
Khả năng chịu nhiệt và chống cháy của polyme/clay nanocompozit
không thuần túy là do khả năng chịu nhiệt và giữ nhiệt của clay như
compozit nền polyme gia cường bằng clay dạng hạt micro thông thường mà
gắn liền với hiệu ứng nano. Trong vật liệu polyme/clay nanocompozit các
phân tử polyme được bao bọc bởi các lớp clay, các lớp này đóng vai trò ngăn
cản sự khuếch tán của oxy cần thiết cho quá trình cháy của polyme. Mặt
khác,


các lớp clay có vai trò giữ nhiệt và cản trở sự thoát các sản phẩm dễ bay hơi
khi polyme cháy [39, 45].
* Tính chất che chắn
Do clay có cấu trúc lớp cũng như sự định hướng của các lớp clay trong
quá trình gia công nên vật liệu polyme/clay nanocompozit có độ thấm khí rất
thấp:

Hình 1.3: S đồ mô tả tính chất che chắn của v t liệu
polyme/clay nanocompozit [33, 32]
Hình 1.3 cho thấy, khí và hơi ẩm khi đi qua vật liệu sẽ không thể đi
theo một đường thẳng mà sẽ bị cản lại bởi các lớp clay trong thành phần, như

những hàng rào che chắn. Do đó vật liệu polyme/clay nanocompozit có khả
năng che chắn sự thấm khí và hơi ẩm hơn hẳn các loại vật liệu polyme khác.
Tính chất này của vật liệu polyme/clay nanocompozit được ứng dụng để làm
bao gói cho thực phẩm và dược phẩm.
* Khả năng phân huỷ sinh học
Polyme trong vật liệu polyme/clay nanocompozit có khả năng phân
hủy sinh học tốt hơn so với vật liệu polyme hoặc được gia cường bằng hạt
thông thường. Cơ chế của quá trình này một số tác giả cho rằng là do vai trò
xúc tác phản ứng phân hủy polyme của clay hữu cơ.


1.2. Polyme blend
1.2.1. Khái niệm v phân loại
Vật liệu tổ hợp polyme (hay gọi là polyme blend) là loại vật liệu
polyme được cấu thành từ hai hay nhiều polyme nhiệt dẻo với cao su để làm
tăng độ bền cơ lý hoặc hạ giá thành vật liệu [8]. Giữa các polyme có thể
tương tác hoặc không tương tác vật lý với nhau. Polyme blend có thể là hệ
đồng thể hoặc dị thể. Trong hệ đồng thể các polyme thành phần không còn
đặc tính riêng, còn trong polyme blend dị thể thì tính chất các polyme thành
phần hầu như được giữ nguyên. Polyme blend thường là loại vật liệu có
nhiều pha trong đó có một pha liên tục gọi là pha nền và một hoặc nhiều pha
phân tán (pha gián đoạn) hoặc tất cả các pha đều phân tán, mỗi pha được
tạo nên bởi một pha thành phần.
1.2.2. Ưu đi m của vật liệu polyme len
- Lấp được khoảng trống về tính chất công nghệ cũng như kinh tế giữa
các loại nhựa nhiệt dẻo. Người ta có thể tối ưu hoá về mặt giá thành và tính
chất của vật liệu sử dụng. Quá trình nghiên cứu và chế tạo sản phẩm mới
trên cơ sở vật liệu tổ hợp polyme nhanh hơn nhiều so với sản phẩm từ vật liệu
mới khác vì nó được chế tạo trên cơ sở vật liệu và công nghệ có sẵn.
- Tạo khả năng phối hợp các tính chất mà một loại vật liệu khó hoặc

không đạt được. Do đó đáp ứng được nhiều yêu cầu kĩ thuật cao của hầu hết
khắp các lĩnh vực khoa học và kinh tế.
- Những kiến thức rộng rãi về cấu trúc, sự tương hợp phát triển rất
nhanh trong những năm gần đây tạo cơ sở cho việc phát triển vật liệu này.


1.2.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu
Tính chất của vật liệu polyme blend được quyết định bởi sự tương hợp
của các polyme trong tổ hợp. Từ những kết quả nghiên cứu người ta chỉ ra
rằng sự tương hợp của các polyme phụ thuộc vào các yếu tố sau [3, 16, 42]:
- Bản chất hóa học và cấu trúc phân tử của các polyme
- Khối lượng phân tử và sự phân bố của khối lượng phân tử
- Tỷ lệ các cấu tử trong tổ hợp
- Năng lượng bám dính ngoại phân tử
- Nhiệt độ
Tính chất các tổ hợp không tương hợp phụ thuộc:
- Sự phân bố pha
- Kích thước hạt
- Loại bám dính pha
Những yếu tố này bị chi phối bởi điều kiện chuẩn bị và gia công của
vật liệu [3]. Trong thực tế để tăng độ tương hợp cũng như khả năng trộn hợp
của các polyme người ta dùng các chất làm tăng khả năng tương hợp như các
copolyme, chất hoạt tính bề mặt bên cạnh việc chọn chế độ chuẩn bị và gia
công thích hợp cho từng loại tổ hợp thông qua việc khảo sát tính lưu biến của
tổ hợp vật liệu.


1.3. Cao su thiên nhiên, cao su nitril butadien (NBR) và nanoclay
1.3.1. Cao su thiên nhiên
1.3.1.1. Lịch sử phát triển của cao su thiên nhiên

Cao su thiên nhiên (CSTN) là một vật liệu polyme được tách ra từ nhựa
cây cao su. Cây cao su (Hevea Brasiliensis) được phát hiện và sử dụng đầu
tiên vào cuối thế kỉ XVI tại Nam Mỹ. Trong thời gian này thổ dân ở đây đã
biết trích nhựa cây cao su để tẩm vào sợi làm giầy, dép đi rừng. Những sản
phẩm đầu tiên này có thời gian sử dụng lâu hơn những sản phẩm thông
thường, tuy vậy nó vẫn còn nhiều nhược điểm là độ bền chưa thực ổn định và
hay dính gây ra các cảm giác khó chịu, do đó CSTN chưa được sử dụng rộng
rãi. Đến năm 1839 khi các nhà khoa học Guder và Gencoc phát minh được
quá trình 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 nhiều 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 rộng rãi trong
các lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống [20].
1.3.1.2. Thành phần hoá học của cao su thiên nhiên
Thành phần hoá học của cao su thiên nhiên gồm nhiều các chất khác
nhau: hydrocacbon (thành phần chủ yếu), các chất trích ly bằng axeton, độ
ẩm, các chất chứa nitơ mà chủ yếu là protein và các chất khoáng. Hàm lượng
các chất này cũng giống như latex dao động rất lớn phụ thuộc vào tuổi của
cây, cấu tạo thổ nhưỡng cũng như khí hậu nơi cây sinh trưởng và mùa khai
thác mủ. Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào phương pháp sản xuất [20, 19].
Trong bảng dưới đây là thành phần hóa học của cao su thiên nhiên
(cao su sống) được sản xuất bằng các phương pháp khác nhau.


Bảng 1.2: Thành phần hoá học của cao su thiên nhiên
Loại cao su

Thành phần chính (%)

TT

Hong khói

Crêp trắng

Bay hơi

1

Hidrocacbon

93-95

93-95

85-90

2

Chất trích ly bằng axeton

1,5-3,5

2,2-3,45

3,6-5,2

3

Các chất chứa nitơ

2,2-3,5

2,4-3,6

4,2-4,8

4

Chất tan trong nước

0,3-0,85

0,2-0,4

5,5-5,72

5

Chất khoáng

0,15-0,85

0,16-0,85

1,5-1,8

6

Độ ẩm

0,2-0,9

0,2-0,9

1,0-2,5

Hydrocacbon ở đây chính là CSTN, còn các chất khác nằm trong đó có
thể coi là các tạp chất. CSTN có công thức cấu tạo là polyisopren mà các đại
phân tử của nó được tạo thành từ các mắt xích cấu tạo dạng đồng phân cis
liên kết với nhau ở vị trí 1,4 (chiếm khoảng 98%). Công thức cấu tạo của
CSTN
được biểu thị ở hình 1.4.
CH 3

H
C

H2C

C

CH2
CH 2

CH2
C

CH 3

C
H

Hình 1.4: Công thức cấu tạo của cao su thiên nhiên
Ngoài ra còn có khoảng 2% các mắt xích liên kết với nhau tạo thành
mạch đại phân tử ở vị trí 1,2 hoặc 3,4.


6

Khối lượng phân tử trung bình của CSTN khoảng 1,3.10 . Mức độ dao
5

6

động khối lượng phân tử của CSTN từ 10 – 2.10 .
Tính năng cơ lý, kỹ thuật của CSTN phụ thuộc nhiều vào cấu tạo hóa
học cũng như khối lượng phân tử của nó.
1.3.1.3. Tính chất của cao su thiên nhiên
Tính chất hóa học
Do cấu tạo hóa học của CSTN là một hydrocarbon không no nên nó có
khả năng cộng hợp với chất khác (tuy nhiên, do khối lượng phân tử lớn nên
phản ứng này không đơn giản như ở các hợp chất thấp phân tử). Mặt khác,
trong phân tử nó có nhóm α-metylen có khả năng phản ứng cao nên có thể
thực hiện các phản ứng thế, phản ứng đồng phân hóa, vòng hóa [17],…
- Phản ứng cộng: do có liên kết đôi trong mạch đại phân tử, trong
những điều kiện nhất định, CSTN có thể cộng hợp với hydro tạo sản phẩm
hydrocarbon no dạng parafin, cộng halogen, cộng hợp với oxy, nitơ,…
- Phản ứng đồng phân hóa, vòng hóa: do tác dụng của nhiệt, điện

trường, hay một số tác nhân hóa học như H2SO4 , phenol,… cao su có thể
thực hiện phản ứng tạo hợp chất vòng.
- Phản ứng phân hủy: dưới tác dụng của nhiệt, tia tử ngoại hoặc của
oxy, CSTN có thể bị đứt mạch, khâu mạch, tạo liên kết peroxit, carbonyl,…
Tính chất vật lý
Ở nhiệt độ thấp, CSTN có cấu trúc tinh thể. CSTN kết tinh mạnh nhất ở
o

-25 C. Dưới đây là các tính chất vật lý đặc trưng của CSTN:
3

- Khối lượng riêng 913 [kg/m ]