Tiểu luận môn học kĩ thuật vật liệu cao su

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC   TIỂU LUẬN MÔN HỌC KĨ THUẬT VẬT LIỆU CAO SU Giảng viên hướng dẫn GS TS Bùi Chương PGS TS Nguyễn Huy Tùng Sinh viên thực hiện Nhóm 4 1 Hà Thu H[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

 TIỂU LUẬN MÔN HỌC KĨ THUẬT VẬT LIỆU CAO SU

Giảng viên hướng dẫn : GS.TS Bùi Chương PGS.TS Nguyễn Huy Tùng Sinh viên thực hiện : Nhóm 4 1 Hà Thu Hương 20174760

2 Nguyễn Thị Huyền 20174794

3 Roãn Thị Huyền 20174792

4 Nguyễn Thị Thanh Huyền 20174782

5 Lê Thị Lan 20174825

6 Đinh Thị Diệu Linh 20174860

7 Nguyễn Thị Thùy Linh 20174878

8 Dương Thị Loan 20174885

9 Nguyễn Thị Lành 20174830

Hà Nội, tháng 04/2021

LỜI MỞ ĐẦU

Có thể nói cao su và các sản phẩm ứng dụng từ cao su đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực và hoạt động của con người, đặc biệt trong xã hội văn minh các sản phẩm từ cao su không thể thiếu được, nó là một trong những vật dụng gần gũi nhất với con người Trong những năm qua có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng các loại cao su blend đã mang lại những hiệu quả khoa học, kinh tế và xã hội đáng

kể Hằng năm, hàng triệu tấn sản phẩm cao su kỹ thuật được sản xuất phục vụ các ngành công nghiệp chế tạo máy, khai thác dầu khí, đóng tàu, kỹ thuật điện, giao thông vận tải, quốc phòng Xuất phát từ thực tế trên, các sản phẩm cao su có tính năng cao, bền dầu mỡ

và môi trường thời tiết ứng dụng để chế tạo các sản phẩm công nghệ cao được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ hơn

Bên cạnh những công dụng quan trọng của cao su, thì nghành công nghiệp cao su còn tạo ra nhiều việc làm, góp phần nâng cao đời sống nhân dân và tăng thu nhập cho mỗi quốc gia Có thể nói, sự tiến bộ của mỗi quốc gia, sự văn minh của loài người luôn gán chặt với sự phát triển của các ngành công nghiệp công nghệ cao nói chung và ngành vật liệu cao su kĩ thuật nói riêng, tức là không thể tách rời một nền văn minh với sự đa dạng về chủng loại các sản phẩm cao su chất lương cao cũng như những ứng dụng không giới hạn của cao su

Tại Việt Nam, ngành cao su đã có từ lâu đời, nhưng gần đây tiềm năng của ngành mới thực sự thể hiện, khi các doanh nghiệp mở rộng quy mô, áp dụng các biện pháp kỹ thuật nhằm nâng cao năng suất Việt Nam có sản lượng cao su cao trên thế giới với 1142 nghìn tấn trên diện tích 965.400 hecta theo số liệu năm 2018.Việt Nam cũng có sản lượng xuất khẩu cao trên thế giới, nhưng đều xuất khẩu dưới dạng chế biến thô Công nghệ chế biến còn hạn chế so với các nước trong khu vực, chưa đáp ứng được nguyên liệu cho ngành công nghiệp trong nước Do đó, để phát triển bền vững ngành cao su cần đầu tư nghiên cứu phát triển cao su kỹ thuật ứng dụng công nghệ cao, tái cơ cấu lại ngành là cần thiết, trong đó vừa củng cố nội lực của các doanh nghiệp, vừa cần các chủ trương, chính sách và cả chiến lược phát triển từ chính phủ đối với ngành cao su

Nhận thức được tầm quan trọng của môn học và tính ứng dụng cao của vật liệu cao su, bài tiểu luận lần này nhóm 4 chúng em cùng nhau tìm hiểu về NR/NBR blends và các ứng dụng liên quan đến thực phẩm

MỤC LỤC

8.1 Giới thiệu 1

8.2 Các công thức cho núm vắt sữa đáp ứng các quy định của FDA 2

8.2.1 Kết hợp để đáp ứng đặc điểm kỹ thuật 2

8.2.2 Trộn hợp quy mô lớn 6

8.2.3 Quy trình công nghiệp 9

8.3 Các công thức cho núm vắt sữa để đáp ứng các quy định của BGA 9

8.4 Kết luận 10

Lời cảm ơn 12

CHƯƠNG 8 NR/NBR blends – các ứng dụng liên quan đến thực phẩm

8.1 Giới thiệu

Việc ban đầu để tạo ra các blend cao su NR và NBR latạo ra các hệ lưu hóa phù hợp để sử dụng trong blend NR với NBR chứa 41% hoặc 34% acrylonitrile (chương 5) Các blend có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách sử dụng các chất tương hợp ở mức độ thấp, như là polycloprene (CR) hoặc copolymer ghép của cao su thiên nhiên với poly metyl methacrylate như đã miêu tả ở chương 6

Một ví dụ thực tế về việc phát triển sử dụng blend này là sản xuất núm vắt sữa Núm vắt sữa được sử dụng trong ngành công nghiệp sữa, vì nó là một phần của máy vắt sữa, phù hợp với núm vú của bò sữa (hình 8.1), tiếp xúc trực tiếp với sữa Do đó tất cả các thành phần phải phù hợp với các quy định về an toàn thực phẩm Những quy định này tuy có khác nhau giữa các quốc gia khác nhau nhưng những quy định bởi Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) là đặc biệt thích hợp cho cả thị trường Hoa Kỳ

và cho bất cứ nơi nào khác

Hình 8.1 Núm vắt sữa (milking inflations)

Các chất phụ gia được phép dùng trong núm vắt sữa được nêu ở phần 177.2600: Các sản phẩm cao su được sử dụng nhiều lần Một loạt các chất độn được cho phép nhưng phải nhỏ hơn 10% tổng khối lượng Giới hạn này có thể rất khó với NBR, điều này làm giảm độ bền cao vốn có của NBR, bởi vì nó khó để có đáp ứng đầy đủ các tính chất vật lí cho một số thiết kế nhất định của núm vắt sữa Các chất hóa dẻo cũng được thêm vào nhưng không được vượt quá 30% tổng khối lượng Việc lựa chọn N660 đen và Dioctyl phthalate (DOP) làm chất hóa dẻo ở đây được xem như là phù hợp cho núm vắt

sữa Hai chất độn màu trắng đã được sử dụng, silica là sự lựa chọn tốt nhất, nhưng nó quá đắt, canxi cacbonat thì rẻ hơn nên cũng được sử dụng

8.2 Các công thức cho núm vắt sữa đáp ứng các quy định của FDA

8.2.1 Kết hợp để đáp ứng đặc điểm kỹ thuật

Núm vắt sữa phải đáp ứng các thông số kỹ thuật nhất định do nhà cung cấp đặt ra cho ngành công nghiệp sữa Một đặc điểm kỹ thuật cụ thể được trình bày trong bảng Ngoài các thông số kỹ thuật, các tính toán thực tế cho thấy rằng một độ bền xé cao hơn sẽ được đáp ứng, nếu nó không ảnh hưởng gì Sự nóng đáng kể cần có khả năng chống rách

để đảm bảo quá trình tháo khuôn từ khoang khuôn ép mà không bị ảnh hưởng bởi inflation

Khả năng chống sự trương nở trong dầu bơ là yêu cầu quan trọng của núm vắt sữa Đối với một loạt các cao su nitril khác nhau về hàm lượng acrylonitril, người ta thấy rằng những cao su NBR41 chứa 41 wt% acrylonitrile được phân loại bởi Breon N41 (Zeon Chemicals) hoặc NBR34 34 wt% acrylonitrile được phân loại bởi Krynac 34,50 (Bayer) trương nở rất ít trong dầu bơ (Hình 8.2) trong khi NR được biết là có khả năng chống trương rất kém trong các loại dầu

Carbon black chiếm 25 pkl trong 100 pkl NR masterbatch để tận dụng tốt nhất việc hạn chế trương nở phát sinh từ sự tương tác giữa cao su và chất độn.(Giải thích vì sao thêm cacbon black.Còn vì sao "thêm chất độn" ở dưới)

Carbon black không bắt buộc trong pha NBR – pha NR nó tác động đến những thuộc tính quan trọng của hỗn hợp (Chương 5)

Bảng 8.1 Đặc điểm kỹ thuật milking inflation điển hình (Hoa kì)

Thuộc tính chưa sử dụng

Sức căng 10.5 MPa (min)

Độ giãn dài khi nghỉ 350% (min)

Độ bền xé lưỡi liềm 15 N/mm (min)

Độ cứng 50 Shore A° (+/-3)

Độ giãn dài sau 90 phút ở 1 N/mm2 60 – 100%

Bộ căng thẳng tiếp theo 2.5% (max)

Sau khi lão hóa nhiệt (72 giờ ở 100°C)

Thay đổi độ bền kéo 20% (max)

Thay đổi độ giãn dài khi nghỉ 50% (max)

Thay đổi độ cứng 20 Shore A° (max)

Thay đổi độ giãn dài ở 1 N/mm2 35% (max)

Khả năng chống chất lỏng (168 giờ ở 70°C)

(a)Dầu bơ

Thay đổi âm lượng ±10%

Thay đổi độ cứng +6/-5 Shore A°

(b)Nước cất

Thay đổi âm lượng +5/-10%

Thay đổi độ cứng +5/-6 Shore A°

Công thức tính đáp ứng các quy định của FDA

Hình 8.2 Sự phụ thuộc vào độ trương nở thể tích của các chất lưu hóa NBR trong dầu bơ

vào hàm lượng acrylonitrile.

Ban đầu, NBR masterbatch được lấp đầy với hàm lượng chất độn trắng thấp, silica (10 pkl) Các chất hóa dẻo được phân phối giữa hai masterbatch để đảm bảo rằng hỗn hợp chất độn hiệu quả Ngoài chất độn và chất làm dẻo, cả hai mẻ chính chứa 5 pkl kẽm oxit, 2 pkl axit stearic và 3 pkl IPPD chống phân hủy Nhiều hệ thống lưu hóa tiềm năng

đã được phát hiện trong các khảo sát về sự phân bố liên kết ngang trong các chất lưu hóa cao su (Chương 5) được sử dụng; tất cả đều chứa lưu huỳnh 1.3 pkl Các masterbatch riêng biệt của NR và NBR đều được chuẩn bị trong một máy trộn kín, và sau đó được trộn chéo để tạo ra tỷ lệ polyme 50:50 và được kết thúc bằng lưu hóa trong máy cán hai trục Hỗn hợp được nén ép trong thời gian lưu hóa tối ưu ở 180°C

Thử nghiệm vật lý giới hạn trên cả hai hỗn hợp đã chứng minh rằng khi độ bền kéo cao thì khả năng chống trương nở trong dầu bơ kém Các đặc tính vật lý chưa được thử nghiệm của hỗn hợp 50:50 NR:NBR41 blends đã lưu hóa sử dụng hệ thống máy gia tốc được thể hiện trong Bảng 8.2 50:50 NR:NBR34 blends có đặc tính tương tự Cường

độ xé là rất tốt, giá trị độ cứng thấp nhưng độ trương nở trong dầu bơ vượt quá mức cho phép của FDA tối đa khoảng 6 lần Mật độ liên kết ngang sự phân bố giữa hai giai đoạn cao su là không mong muốn cho cả hai NBR41 và NBR34 pha trộn, với cả hai hệ thống cho thấy sự thiên vị rõ rệt trong ưu của giai đoạn NBR (Hình 8.3 và 8.4)

Mặc dù mức độ liên kết ngang trong pha NR của NR/NBR41 blends có độ bền kém nhưng hỗn hợp có độ bền kéo khá cao

Bảng 8.2: Tính chất vật lý của hổn hợp 50:50 NR:NBR14 blends

MBS/MBTS (1.24/0.1)

MBS/TBTD (1.24/0.18)

TBBS (1.17)

TBBS/DPG (1.17/0.1)

Khả năng gia cường của carbon black bù đắp cho việc thiếu liên kết ngang.(Giải thích vì sao thêm cacbon black Tuy nhiên, vấn đề chính vẫn là độ trương nở rất cao trong dầu bơ

Việc thay thế 10 pkl silica được sử dụng trong NBR masterbatch bằng 60 pkl chất độn màu trắng rẻ hơn là canxi cacbonat, đã được nghiên cứu như một biện pháp gián tiếp

để giảm mức độ trương nở trong dầu bơ Việc bổ sung hàm lượng chất độn trắng trơ tương đối cao vào pha NBR, và sự gia tăng tương ứng của chất làm dẻo DOP (20 pkl) để duy trì độ cứng, phục vụ cho việc tăng trọng lượng công thức của hợp chất pha trộn Điều này cho phép tăng mức độ carbon black trong pha NR từ 25 lên 35 pkl, trong khi vẫn nằm trong giới hạn cho phép của FDA là 10% trọng lượng carbon black nói chung Như

đã thấy trong Bảng 8.3, việc bổ sung hàm lượng chất độn trơ cao, mặc dù chỉ ở pha NBR, làm giảm độ bền kéo của blends, mặc dù nó vẫn cao hơn thông số kỹ thuật tối thiểu Độ trương nở trong dầu bơ cũng được sự giảm đáng kể, (Giải thích tại sao thêm chất

độn1.giảm độ bền kéo 2.đặc biệt chất độn CaCO3 giá rẻ,tăng trọng lượng công thức nên cho phép tăng các bon black ở giới hạn cho phép 10% trọng lượng)

gimặc dù các mức nêu trong Bảng 8.3 vẫn còn quá cao

Công thức để đáp ứng được quy định FDA

Hình 8.3 Phân bố mật độ liên kết chéo trong hỗn hợp 50:50 NR: NBR41

Một vài phân phối khác của việc bổ sung chất độn đã được nghiên cứu; ví dụ: thêm tất cả canxi cacbonat vào hỗn hợp chính NBR trong blends và phân phối nó giữa

NR và NBR trong một blends khác Trong hầu hết các trường hợp, sự khác biệt về sản lượng là tối thiểu, do đó, người ta quyết định để chất độn trong NBR masterbatch((Theo

t nghĩ cho toàn bộ chất độn vào NBR thay vì NR.Do NR dễ tương tác với chất độn gây trương nở.Còn thầy hỏi vì sao NR tương tác với chất độn gây trương nở? thì ) m3

Sự trương nở trong dầu bơ chỉ có thể được giảm xuống mức có thể chấp nhận được bằng cách giảm số lượng của thành phần trương nở cao trong hỗn hợp, NR Do đó, 35:65 và 25:75 NR: hỗn hợp NBR đã được điều tra Một hệ quả chính là lượng carbon đen trong bản NR masterbatch có thể tăng lên đáng kể, trong khi vẫn nằm trong giới hạn tổng thể đặt ra cho màu đen carbon trong hỗn hợp Điều này sẽ giúp giảm sưng

Với việc giảm hàm lượng NR của hỗn hợp, cần phải hoàn nguyên về silica làm chất độn

để đảm bảo các đặc tính cường độ thích hợp

Bảng 8.3 Tính chất vật lý của hỗn hợp 50:50 NR:Breon N41

Tính chất

Hệ xúc tiến (pkl) MBS/MBST

(1.24/0.16)

MBS/TETD (1.24/0.18)

TBTD (1.17)

Độ bền kéo, MPa 12.9 13.4 13.4

Sự trương nở trong dầu bơ, % 36.2 42.3 34.7

Các chất lưu hóa ít trương hơn trong dầu, nhưng độ trương vẫn đáng kể, có thể do mật độ liên kết ngang thấp trong pha NR và không đủ chất độn Do đó, mức chất xúc tiến được tăng lên gấp đôi và độ đen cũng tăng lên Bằng những cách này, hỗn hợp 25:75 NR: NBR41 được trộn để độ trương trong dầu mỡ tốt hơn trong giới hạn thông số kỹ thuật, và

độ bền kéo cũng được cải thiện (Bảng 8.4) Dựa trên thông tin này, hỗn hợp NR / NBR34 cũng được sản xuất với các đặc tính tương tự (Bảng 8.4)

Chất tương hợp, polychloroprene (CR) đã được đưa vào công thức cho hỗn hợp

NR / NBR34; điều này dựa trên công trình được mô tả trong Chương 7 CR (5 pkl) đã thay thế một lượng NBR34 tương tự và oxit magiê đã được thêm vào để hỗ trợ quá trình lưu hóa CR [2-4]

Ở giai đoạn này, một hỗn hợp CR riêng biệt đã được trộn và đưa vào quá trình trộn hợp Cơ sở của hỗn hợp NR / NBR cho núm vắt sữa (milking inflations) đã được thiết lập, những thay đổi nhỏ về thành phần được yêu cầu để đáp ứng các thông số kỹ thuật Hỗn hợp NBR chứa 34% acrylonitrile được ưu tiên để trộn hỗn hợp chứa NBR có hàm lượng acrylonitrile cao cả về kinh tế và các đặc tính ưu việt của chúng Việc sử dụng canxi cacbonat làm chất độn cho pha NBR là không khả thi; việc đó làm giảm các ưu điểm của blend Việc cuối cùng là chọn hệ thống lưu hóa S / CBS / TETD phù hợp với hiệu suất của hệ thống trong các sản phẩm lưu hóa (Chương 5) Các công thức tổng thể đại diện từ các khảo sát trong phòng thí nghiệm này và tuân thủ các quy định của FDA được đưa ra trong Bảng 8.5 và một số tính chất vật lý của hỗn hợp được trình bày trong Bảng 8.6

8.2.2 Trộn hợp quy mô lớn

Hiện tại, các hợp chất tiềm năng được trộn theo quy mô lớn hơn tại các cơ sở có trang núm sản xuất lớn

Bảng 8.4 Các tính chất vật lý của hỗn hợp NR: NBR 25:75

Tính chất

MBS/

MBTS (2.48/0.32)

MBS/TBTD (2.48/0.46)

CBS/TETD (2.6/0.28)

Độ trương nở trong dầu 6.2 6.3 7.7

Các công thức đáp ứng các quy định của FDA

Bảng 8.5 Các công thức hỗn hợp đáp ứng các quy định FDA Hoa Kì

NR:NBR34

25:7.5:67.5 NR:CR:NBR34 N660 black

DOP

Silica

Magnesium oxide

Zinc oxide

Stearic acid

IPPD

Wax

Sulphur

CBS

TETD

18,5 36,5 26,7 _ 5 3 5 2 2,4 3,65 0,28

18,4 40.5 29,3 1,0 5 3 5 2 3,15 3,2 0,28

Bảng 8.6 Tính chất của hỗn hợp được pha chế để đáp ứng các quy định của FDA Hoa Kì

Tính chất

35:65 NR:NBR34

25:7.5:67.5 NR:CR:NBR34

Độ bền kéo, MPa

Độ bền xe lưỡi liềm, N/mm

Độ cứng, Shore A

Độ trương nở trong dầu, %

12.2 34.2

59 5.5

9.7 23.8 54 7.3

Cả hỗn hợp không tương hợp và tương hợp đều được chọn do tính chất rất gần với những quy định bởi những đặc điểm kỹ thật về máy vắt sữa Các công thức của NR, NBR

và hỗn hợp NBR/CR được đưa ra trong bảng 8.7, công thức tổng thể của hai hỗn hợp được trình bày trong bảng 8.8 Các công thức sau có liên quan với các công thức cuối cùng từ chương trình phát triển trong phòng thí nghiệm được đưa ra trong bảng 8.5 Tuy nhiên cần lưu ý rằng NBR và CR được trộn trong cùng một hỗn hợp chính, do đó làm giảm số lần trộn và oxit magie không được sử dụng trong hỗn hợp này Các mẻ trộn đã được chuẩn bị, trộn chéo và sau đó được lưu hóa trong máy Farrel F50 Banbury 47 lít với roto Synchronous Technology (ST) Hai hỗn hợp này được lưu hóa ở nhiệt độ 180℃ đến

tmax Các đặc tính rất tốt (bảng 8.9), trên thực tế tốt hơn so với các hỗn hợp cùng loại được trộn quy mô nhỏ Các đặc tính chưa được kiểm chứng và độ chương nở trong dầu bơ đều tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật Sự cải thiện về tính chất thu được từ thử nghiệm trộn quy

mô lớn hơn này rất có ích cho sản xuất blends này trong quy mô công nghiệp

Bảng 8.7 Công thức Masterbatch để trộn với quy mô lớn

SMRL

NBR34

CR

N660

DOP

Silica, V N 3

Zinc oxide

Stearic acid

IPPD

100 _ _ 52.8 28 _ 5 3 5

_ 100 _ _ 41 4 5 3 5

100 _ 73.5 30 _ 8 5 3 5

_ 90 10 _ 41 45 5 3 5

Bảng 8.8 Công thức tổng thể của hỗn hợp đ ược trộn trên quy mô lớn

NR, SMR L NBR34

CR N660 DOP Silica, VN3

35 65

- 18.5 36.5 31.2

25 67.5 7.5 18.4 38.3 33.8