Khảo sát một số ảnh hưởng của các yếu tố lên khả năng chống rung của sản phẩm cao su

Từ các kết quả quan sát và các số liệu thu thập được cho thấy: Than đen N550 giúp tăng độ cứng, tăng khả năng tắt rung với hàm lượng 20% dùng với hàm lượng cao hơn sẽ gây suy giảm cơ tín

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

KHẢO SÁT MỘT SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ LÊN KHẢ NĂNG CHỐNG RUNG CỦA SAN PHẨM CAO SU

GVHD: ThS TRẦN TẤN ĐẠT SVTH: VÕ XUÂN NAM

S K L 0 1 0 1 0 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Chuyên ngành: CNKT Hóa Polymer

1 Tên khóa luận: KHẢO SÁT MỘT SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ LÊN KHẢ

NĂNG CHỐNG RUNG CỦA SẢN PHẨM CAO SU

2 Nhiệm vụ của khóa luận:

 Nghiên cứu ảnh hưởng của than đen N550 đến tính chất chống rung của cao su

 Nghiên cứu ảnh hưởng của triethanolamine đến tính chất chống rung của cao su

 Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu huỳnh đến tính chất chống rung của cao su

3 Ngày giao nhiệm vụ khóa luận: 25/02/2021

4 Ngày hoàn thành khóa luận: 10/12/2021

5 Họ tên người hướng dẫn: ThS TRẦN TẤN ĐẠT

6 Nội dung hướng dẫn:

Nội dung và yêu cầu khóa luận tốt nghiệp đã được thông qua bởi

Trưởng Bộ môn Công nghệ Hóa học

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

TRƯỞNG BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Trần Tấn Đạt

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CN HÓA HỌC & THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

-CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

KHÓA 2017

(NGƯỜI HƯỚNG DẪN)

1 THÔNG TIN CHUNG

Họ và tên người hướng dẫn: Trần Tấn Đạt

Đơn vị công tác: Khoa Công nghệ Vật liệu, Trường ĐH Bách Khoa, ĐHQG TPHCM

Học hàm, học vị: Thạc sỹ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu

Họ và tên sinh viên: Võ Xuân Nam

Sử dụng thuật ngữ chuyên môn: Phù hợp

2.2 Mục tiêu và nội dung

Mục tiêu

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống rung và cấu trúc của cao su thiên nhiên

Nội dung

- Khảo sát ảnh hưởng của than đen N550 đến tính chất chống rung của cao su

- Khảo sát ảnh hưởng của triethanolamine đến tính chất chống rung của cao su

- Khảo sát ảnh hưởng của lưu huỳnh đến tính chất chống rung của cao su

2.4 Ưu điểm của khóa luận

- Luận văn đã tìm hiểu khá đầy đủ về lý thuyết chống rung

- Tối ưu hóa được đơn pha chế cao su đáp ứng được các tiêu chí đánh giá chống rung cho sản phầm cao su thiên nhiên

2.5 Những thiếu sót của khóa luận

- Luận văn còn sai nhiều lỗi chính tả

3 NHẬN XÉT TINH THẦN VÀ THÁI ĐỘ LÀM VIỆC CỦA SINH VIÊN

- Sinh viên có cố gắng trong quá trình thực hiện luận văn

- Hoàn thành các công việc mà giáo viên đã giao

4 ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Được bảo vệ  Bổ sung thêm để được bảo vệ Không được bảo vệ

5 ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

STT Nội dung đánh giá Điểm tối đa Điểm đánh giá

Hình thức trình bày (đẹp, rõ ràng, tài liệu tham khảo

đầy đủ/đa dạng…)

20

18

Bố cục của bài viết (chặt chẽ, cân đối) 10 7

Phương pháp nghiên cứu phù hợp, đảm bảo độ tin cậy, xử

Kết luận phù hợp với mục tiêu, nội dung nghiên cứu 10 10

Hiệu quả ứng dụng và chuyển giao công nghệ 10 5

3 Kỹ năng, thái độ của sinh viên 10 10

ổn

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2021

Giảng viên hướng dẫn

Trần Tấn Đạt

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CN HÓA HỌC & THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

-CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC KHÓA 2017 (NGƯỜI PHẢN BIỆN) 1 THÔNG TIN CHUNG Họ và tên người phản biện: Nguyễn Thị Lê Thanh Đơn vị công tác: ĐH Bách Khoa – ĐH Quốc Gia tp HCM Học hàm, học vị: Tiến Sĩ Chuyên ngành: Công nghệ Hoá học – Hoá Polymer Họ và tên sinh viên: Võ Xuân Nam

MSSV: 17128042

Chuyên ngành: CNKT hóa polymer

Tên đề tài: Khảo sát một số ảnh hưởng của các yếu tố lên khả năng chống rung của sản phẩm cao su

Mã số khóa luận:

2 NHẬN XÉT VỀ KHÓA LUẬN 2.1 Hình thức Tổng số trang: 79 Số chương: 3 Số bảng:15 Số hình: 45 Số tài liệu tham khảo: 35 Phần mềm tính toán:

Bố cục: tốt

Hành văn: lũng cũng

Sử dụng thuật ngữ chuyên môn: vẫn còn chưa thống nhất giữa tiếng Việt và tiếng Anh

2.2 Mục tiêu và nội dung Mục tiêu và nội dung phù hợp nhau, tuy nhiên nội dung khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến tính chống rung chưa thể hiện rõ 2.3 Kết quả đạt được Khảo sát sự ảnh hưởng của than đen, triethanolamine và lưu huỳnh đối với cơ tính, khả năng chịu lão hoá và khả năng trương của cao su 2.4 Ưu điểm của khóa luận Hoàn thành nhiệm vụ luận văn 2.5 Những thiếu sót của khóa luận Hình thức: còn rất nhiều lỗi chính tả, tài liệu tham khảo chưa đủ thông tin thống nhất format, Nội dung:

- Cần viết lại tóm tắt luận văn, bổ sung số liệu đạt được

- Cần trình bày những nội dung lý thuyết liên quan đến đề tài, vận dụng cơ chế chống rung để tính toán kết quả, giải thích kết quả logic hơn

- Cần xem lại vai trò của các chất cụ thể sử dụng trong đơn pha chế (N550,

triethanolamine, ) để có giải thích đúng

- Các kết quả giải thích cần viết lại cho thống nhất và có cơ sở khoa học

3 CÂU HỎI PHẢN BIỆN (ít nhất 02 câu hỏi)

1 Trình bày vai trò của chất triethanolamine, giải thích kết quả khảo sát khi thay đổi hàm lượng chất triethanolamine?

2 Cơ sở lựa chọn giá trị đối chứng mẫu cao su chống rung? Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chống rung của mẫu? ý nghĩa của Tan Delta?

4 ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA PHẢN BIỆN

Được bảo vệ  Bổ sung thêm để được bảo vệ

Không được bảo vệ

5 ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

STT Nội dung đánh giá Điểm tối đa Điểm đánh giá

Hình thức trình bày (đẹp, rõ ràng, tài liệu tham khảo

đầy đủ/đa dạng…)

20

15

Bố cục của bài viết (chặt chẽ, cân đối) 10 5

Phương pháp nghiên cứu phù hợp, đảm bảo độ tin cậy, xử

Tp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 12 năm 2021

Giảng viên phản biện

Nguyễn Thị Lê Thanh

độ cứng, đo kéo, đo trương nở trong môi trường không phân cực và thử nghiệm kháng lão hóa đã được tiến hành Từ các kết quả quan sát và các số liệu thu thập được cho thấy: Than đen N550 giúp tăng độ cứng, tăng khả năng tắt rung với hàm lượng 20% dùng với hàm lượng cao hơn sẽ gây suy giảm cơ tính của sản phẩm Triethanolamine giúp tăng khả năng chống lão hóa và giảm độ trương nở trong môi trường không phân cực ở hàm lượng 1,25% tuy nhiên không phù hợp với cao su thiên nhiên do các thông số cơ tính biến đổi không đồng đều Lưu huỳnh giúp tăng độ cứng, tăng khả năng tắt rung và tăng

cơ tính của sản phẩm cao su khi dùng với hàm lượng 1% khi dùng với hàm lượng cao hơn 1,5% cao su trở nên cứng, giòn,… và giảm độ đàn hồi

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đối với các thầy cô của trường, tất cả quý thầy cô Ban chủ nhiệm khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm và đặc biệt là quý thầy/cô giảng viên bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Hóa học của trường Đại học Sư phạm

kỹ thuật TP.HCM đã chỉ dạy những kiến thức nền tảng, kiến thức chuyên môn và tạo môi trường thực nghiệm, nghiên cứu tại phòng thí nghiệm để em có thể hoàn thành tốt khóa luận này

Lời thứ hai em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến ThS Trần Tấn Đạt, là người thầy tận tâm, đã quan tâm và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này Thầy luôn sắp xếp thời gian để giải đáp các thắc mắc những lúc em gặp khó khăn để đưa ra hướng giải quyết kịp thời Thầy còn hỗ trợ về trang thiết bị và môi trường thí nghiệm để em hoàn thành khóa luận này

Lời cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh và ủng hộ trong suốt thời gian đã qua, góp ý, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Do thời gian có hạn cũng như kiến thức bản thân em còn hạn hẹp nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện Vì vậy, em mong nhận được những ý kiến đóng góp và sửa chữa từ quý thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn

Một lần nữa xin được chân thành cảm ơn !

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 12 năm 2021

Sinh viên thực hiện

VÕ XUÂN NAM

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là luận văn do em thực hiện Các số liệu và kết quản khảo sát trong luận văn là trung thực từ quá trình thực nghiệm và chưa được công bố trong bất

kỳ công trình khoa học nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 12 năm 2021

Sinh viên thực hiện

VÕ XUÂN NAM

MỤC LỤC

TÓM TẮT KHÓA LUẬN i

LỜI CẢM ƠN ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tình hình nghiên cứu vật liệu chống rung trong và ngoài nước 3

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 3

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 4

1.2 Tổng quan về rung động 5

1.2.1 Khái niệm rung động 5

1.2.2 Tính chất của rung động 5

1.2.3 Phân loại 5

1.2.4 Tác hại 6

1.3 Tổng quan về chống rung 8

1.3.1 Khái niệm chống rung 8

1.3.2 Cơ chế của chống rung 9

1.4 Vật liệu chống rung 10

1.4.1 Các loại vật liệu chống rung 10

1.4.2 So sánh giữa các vật liệu chống rung 12

1.5 Vật liệu chống rung trên cơ sở cao su 13

1.5.1 Cao su chống rung 13

1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống rung của cao su 15

1.5.2.1 Ảnh hưởng của loại cao su 15

1.5.2.2 Ảnh hưởng của hệ lưu hóa 16

1.5.2.3 Ảnh hưởng của chất độn 16

1.5.2.4 Ảnh hưởng của chất hóa dẻo 18

1.6 Vật liệu chống rung trên cơ sở cao su thiên nhiên 18

1.6.1 Cấu trúc và tính chất 18

1.6.2 Nâng cao tính chống rung cao su thiên nhiên 19

1.6.3 Lão hóa cao su 22

1.6.3.1 Các yếu tố tác động lên quá trình lão hóa cao su 23

1.6.3.2 Ảnh hưởng của các yếu tố lão hóa lên tính chất của cao su 27

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 Nguyên liệu và hóa chất sử dụng 29

2.1.1 Cao su NR 29

2.1.2 Than đen N550 30

2.1.3 Chất trợ xúc tiến vô cơ ZnO 31

2.1.4 Chất trợ xúc tiến hữu cơ Acid stearic 32

2.1.5 Xúc tiến CBS 33

2.1.6 Xúc tiến TMTD 34

2.1.7 Triethanolamine 35

2.1.8 Chất phòng lão BHT 36

2.1.9 Lưu huỳnh 37

2.2 Thiết bị thí nghiệm 39

2.2.1 Máy cán 2 trục 39

2.2.2 Máy Rheometer 40

2.2.3 Máy ép lưu hóa 41

2.2.4 Máy đo cơ tính 41

2.2.5 Các thiết bị hỗ trợ khác 42

2.3 Phương pháp đo mẫu 45

2.3.1 Phương pháp đo độ cứng shore A 45

2.3.2 Phương pháp xác định độ nén dư 45

2.3.3 Phương pháp đo kéo 46

2.3.4 Phương pháp xác định độ trương 47

2.3.5 Phương pháp xác định độ lão hóa cao su 47

2.4 Quy trình tạo mẫu và lưu hóa 48

2.4.1 Sơ đồ khối quy trình 48

2.4.2 Thuyết minh quy trình 49

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 52

3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng than đen đến tính chất cơ lý và khả năng chống rung 52 3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng Triethanolamine đến tính chất cơ lý và khả năng chống rung 56

3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng lưu huỳnh đến tính chất cơ lý và khả năng chống rung 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC 68

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Các thông số chống rung của vật liệu [3] 12

Bảng 1 2 Năng lượng hấp thụ riêng của cao su và thép 13

Bảng 1 3 Hệ số tắt rung của một số loại cao su 15

Bảng 1 4 ΔE, β và tanδ của blend ENR/CR ở 20oC và tải trọng nén 100kg [28] 21

Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật cao su SVR 3L 29

Bảng 2 2 Thông số kỹ thuật than đen N550 30

Bảng 2 3 Thông số kỹ thuật ZnO 32

Bảng 2 4 Thông số kỹ thuật acid stearic 33

Bảng 2 5 Bảng đơn pha chế khảo sát hàm lượng than đen N550 50

Bảng 2 6 Bảng đơn pha chế khảo sát hàm lượng TEA 51

Bảng 2 7 Bảng đơn pha chế khảo sát hàm lượng lưu huỳnh 51

Bảng 3 1 Chỉ tiêu kỹ thuật cho cao su chống rung 52

Bảng 3 2 Hệ số lão hóa của mẫu cao su theo hàm lượng than đen N550 55

Bảng 3 3 Tính chất cơ lý khi lão hóa của cao su với hàm lượng TEA thay đổi 59

Bảng 3 4 Tính chất cơ lý khi lão hóa của cao su với hàm lượng lưu huỳnh thay đổi 63

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Máy móc hư hỏng do rung động khi vận hành 7

Hình 1 2 Bệnh tiền đình do rung động ảnh hưởng 7

Hình 1 3 Tiếng ồn làm cản trở lời cảnh báo gây nguy hiểm 8

Hình 1 4 Vòng trễ ứng suất – biến dạng điển hình của vật liệu [17] 9

Hình 1 5 Một số cơ cấu chống rung sử dụng vật liệu cao su 11

Hình 1 6 Cấu trúc hóa học của cao su thiên nhiên 19

Hình 1 7 Biến dạng cao su kẹp giữa các tấm kim loại dưới tác động nén và trượt [1] 19 Hình 1 8 Hệ số tanδ theo tần số và nhiệt độ của cao su thiên nhiên epoxy hóa lưu hóa bằng các hệ lưu hóa khác nhau 20

Hình 1 9 Đường cong tanδ theo nhiệt độ của các mẫu MRE đồng nhất,đẳng hướng và các mẫu cao su thiên nhiên chứa cacbon với hàm lượng khác nhau [29] 22

Hình 2 1 Cao su SVR 3L 29

Hình 2 2 Than đen N550 31

Hình 2 3 Bột ZnO 32

Hình 2 4 Acid stearic 33

Hình 2 5 Xúc tiến CBS 34

Hình 2 6 Xúc tiến TMTD 35

Hình 2 7 Triethanolamine 35

Hình 2 8 Chất phòng lão BHT 36

Hình 2 9 Lưu huỳnh 37

Hình 2 10 Máy cán 2 trục 39

Hình 2 11 Máy Rheometer 40

Hình 2 12 Máy ép lưu hóa 41

Hình 2 13 Máy đo cơ tính 42

Hình 2 14 Cân kỹ thuật 42

Hình 2 15 Cân phân tích 43

Hình 2 16 Thiết bị đo độ cứng shore A 43

Hình 2 17 Thước kẹp 44

Hình 2 18 Khuôn tấm phẳng 44

Hình 2 19 Khuôn mẫu nén 45

Hình 2 20 Kích thước tiêu chuẩn của mẫu cao su đo độ bền kéo 46

Hình 2 21 Sơ đồ khối quy trình luyện hở 49

Hình 3 1 Biểu đồ độ cứng của cao su khi hàm lượng N550 thay đổi 52

Hình 3 2 Biểu đồ độ dãn dài khi đứt và độ bền kéo của cao su khi hàm lượng N550 thay đổi 53

Hình 3 3 Biểu đồ độ dãn dài dư và độ nén dư của cao su khi hàm lượng N550 thay đổi.

54

Hình 3 4 Biểu đồ hệ số lão hóa của cao su khi hàm lượng N550 thay đổi 55

Hình 3 5 Biểu đồ độ cứng của mẫu cao su khi hàm lượng TEA thay đổi 56

Hình 3 6 Biểu đồ độ bền kéo khi đứt của cao su khi hàm lượng TEA thay đổi 57

Hình 3 7 Biểu đồ độ dãn dài dư của cao su khi hàm lượng TEA thay đổi 57

Hình 3 8 Biểu đồ độ nén dư của cao su khi hàm lượng TEA thay đổi 58

Hình 3 9 Biểu đồ độ trương nở của cao su khi hàm lượng TEA thay đổi 58

Hình 3 10 Biểu đồ hệ số lão hóa của cao su khi hàm lượng TEA thay đổi 60

Hình 3 11 Biểu đồ độ cứng của mẫu cao su khi hàm lượng lưu huỳnh thay đổi 60

Hình 3 12 Biểu đồ độ dãn dài khi đứt và độ bền kéo của cao su khi hàm lượng lưu huỳnh thay đổi 61

Hình 3 13 Biểu đồ độ dãn dài dư và độ nén dư của cao su khi hàm lượng lưu huỳnh thay đổi 61

Hình 3 14 Biểu đồ độ trương của cao su khi hàm lượng lưu huỳnh thay đổi 62

Hình 3 15 Biểu đồ hệ số lão hóa của cao su khi hàm lượng lưu huỳnh thay đổi 63

MỞ ĐẦU

Cao su thiên nhiên có tính chất vật lý tuyệt vời như độ co dãn cao, độ bền kéo cao Tuy nhiên cao su thiên nhiên cũng có một số tính chất không mong muốn như: Chống mài mòn kém, tính chất lão hóa kém, độ chịu dầu thấp, khả năng truyền nhiệt kém Để khắc phục những hạn chế này cần nghiên cứu các đơn pha chế cách pha trộn cao su thiên nhiên với các hợp chất khác

Ngày nay, cao su kỹ thuật là những vật liệu vô cùng quan trọng và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống Trong đó cao su chống rung là vật liệu đảm bảo cho sự vận hành trơn tru, ổn định cho các máy móc thiết bị: Giảm sự hư hại, giảm tiếng ồn, duy trì khả năng làm việc lâu dài cho máy móc Cao su chống rung có mặt trong tất cả các lĩnh vực quan trọng: Giao thông vận tải, cơ khí chế tạo, lắp ráp, quốc phòng, an ninh,… Một số sản phẩm cao su chống rung ứng dụng như: Đệm chống rung cho tàu hỏa, đệm chống va đập cho tàu biển, đệm chống rung cho trụ cầu, chân đế chống rung cho các máy móc công nghiệp,… Gần đây, chúng được sử dụng làm hệ thống cách ly cơ sở để bảo vệ cấu trúc xây dựng trên quy mô lớn khỏi các trận động đất ở Nhật Bản [1]

Việt Nam là nước xuất khẩu cao su thiên nhiên với số lượng lớn; tuy nhiên, các loại cao

su chống rung chất lượng cao vẫn chưa được sản xuất rộng rãi mà vẫn phải nhập từ nước

ngoài Từ thực tế đó em đã lựa chọn đề tài: “Khảo sát một số ảnh hưởng của các yếu

tố lên khả năng chống rung của sản phẩm cao su” làm chủ đề cho luận văn của mình Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu một số ảnh hưởng của các yếu tố lên khả năng chống

rung của sản phẩm cao su

Đối tượng nghiên cứu: Than đen N550, triethanolamine, lưu huỳnh

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ngày nay, để giải quyết vấn đề rung động không mong muốn đó, những bước tiến của khoa học kỹ thuật không ngừng được nâng cao và một trong những phương pháp chống rung hiệu quả nhất, kinh tế nhất, đơn giản nhất đó là sử dụng cao su chống rung để giúp hạn chế và thậm chí có thể loại bỏ hoàn toàn những rung động trong quá trình hoạt động của máy móc, thiết bị Và một trong những ưu điểm nổi bật nhất của cao su chống rung

là nó có thể được sử dụng ở nhiều điều kiện hoàn cảnh khác nhau, áp dụng cho nhiều loại máy móc, thiết bị khác nhau, điều kiện sản xuất và lắp đặt tương đối dễ dàng, tiện lợi trong quá trình vận chuyển

Cao su chống rung đã được nghiên cứu và phát triển ở nhiều nước phát triển trên thế giới với sự nỗ lực không ngừng của các chuyên gia hàng đầu về cao su để có thể tạo ra loại cao su có tính năng cao nhất, phù hợp với điều kiện làm việc của từng thiết bị, máy móc khác nhau Tại Việt Nam, lĩnh vực này còn khá mới mẻ và tuy đang được đầu tư nghiên cứu chuyên sâu nhưng vẫn còn khá nhiều bất ổn và và chưa đạt được nhiều thành tựu đáng kể Và mong muốn rằng trong tương lai gần, chúng ta sẽ nghiên cứu và chế tạo được cao su chống rung với những ưu điểm là không cần phải sử dụng các tác nhân nhân tạo, đồng thời giảm chi phí xuống mức thấp nhất có thể bằng cách sử dụng những

kỹ thuật đơn giản, không đòi hỏi quá nhiều thiết bị hiện đại

Cao su có các tính chất cơ lý khác nhau phụ thuộc rất nhiều vào các thành phần trong đơn pha chế của nó Việc đánh giá các ảnh hưởng của thành phần trong cao su là cơ sở quan trọng cho việc xây dựng những mẫu cao su vừa đảm bảo tính chất cơ lý, rẻ hơn mà vẫn có hiệu suất chống rung tốt

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu vật liệu chống rung trong và ngoài nước

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Đã có nhiều nghiên cứu về các vật liệu giảm chấn chống rung, nhưng cao su là vật liệu

có tính chất quý giá có khả năng giảm chấn và chống rung ưu việt nhất

Năm 1985, M.Abdulhadi đã coi 1 khối cao su hình trụ có hệ số giảm chấn nhớt Ceq là tương đương với 1 lò xo có độ cứng K và thông qua mô hình toán học đã xây dựng phương trình dẫn nhiệt mô tả trường nhiệt độ bên trong mẫu cao su [2] Sau khi tiến hành đo nhiệt độ ở các vị trí khác nhau trong mẫu cao su đã kết luận rằng mô hình toán học của cao su có độ tin cậy cao

Tác giả David Frankovich cũng có chung quan điểm với M.Abdulhadi và ông đã xác định được công thức xác định hệ số đàn hồi K của vật liệu cao su có hình dạng khác nhau Khả năng chống rung của vật liệu còn phụ thuộc vào hệ số hình dạng do cao su không bị nén, nên khi đặt tải trọng lên sẽ gây nên biến dạng cấu trúc [3]

Năm 2001, D.D.L Chung nghiên cứu về vật liệu chống rung bằng kim loại, polyme, ceramic và compozit [4] Kết quả cho thấy cao su neoprene có khả năng tắt rung cao nhất (giá trị tan𝛿) vượt trội nhưng mô đun tổn hao của nó lại thuộc hàng thấp nhất Năm 2006, A.Dall’Asta và L.Ragni [5] đã sử dụng cao su làm từ cao su thiên nhiên và than đen để thử nghiệm khả năng chống rung trong các thiết bị phân tán lực tác động từ các tác động tự nhiên như gió và động đất

Năm 2011, Der-Ho và Hsun-Heng Tsai [6] đã tìm ra phương pháp chế tạo cao su thiên nhiên kết hợp với cacbon nanotube đa tường có khả năng chống rung cao

Năm 2014, Xun Lu, Xujin Li và Min Tian [7] đã tạo ra hỗn hợp cao su blend có khả năng giảm xóc, chống rung trong dải nhiệt độ và tần số cao

Năm 2015, Choudhary, Kaur, Nitin và Davinder [8] đã nhiên cứu và đánh giá về các vật liệu chống rung như cao su, polyme, kim loại, compozit được xem xét về khả năng giảm chấn, độ cứng, độ bền cơ học và hiệu suất của chúng Cùng thời gian này, Eunsoo Choi,

Gyuchan Choi, Hong-Taek Jim và Heejung Youn [9] đã nghiên cứu chế tạo một van điều tiết thông minh sử dụng ma sát từ tính và lò xo cao su nén trước trên cơ sở cao su polyurethane

Trên thế giới đã có rất nhiều các nghiên cứu về vật liệu chống rung trên cơ sở cao su đem lại kết quả rất khả quan Các nghiên cứu trên có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

từ chế tạo cho đến xây dựng Nhờ có những thành tựu nghiên cứu này mà thúc đẩy nghành chế tạo vật liệu cao su kỹ thuật đang ngày càng phát triển

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu và sản phẩm chống rung trên

cơ sở cao su thiên nhiên , cao su blend được thực hiện trong những năm qua

Năm 2010, nhóm nghiên cứu bao gồm Đỗ Quang Khánh, Lương Duy Hải, Trần Kim Liên, Phạm Quang Huy, Phạm Anh Dũng và Nguyễn Mạnh Cường [10] đã nghiên cứu ứng dụng của cao su blend trong đó có cao su thiên nhiên được ứng dụng để làm đệm chống va đập cho tàu biển

Năm 2014, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự đã có nghiên cứu chế tạo vật liệu cao

su chống rung dạng bánh kẹp để chống rung cho động cơ và máy công nghiệp trên cơ

sở cao su tự nhiên và cao su Butadien Nitril (NBR)

Năm 2019, Nguyễn Trọng Quang, Đặng Việt Hưng và các cộng sự [11] đã nghiên cứu ảnh hưởng của silica biến tính và không biến tính đến tính chất của cao su tự nhiên lưu hóa Từ đó xác định silica biến tính làm tăng mật độ mạng lưới lưu hóa nên tăng cường

độ bền và tính chất đàn hồi của cao su thiên nhiên

Ở trong nước những nghiên cứu về vật liệu chống rung còn cực kì hạn chế, không có tính tập trung và chưa đạt được nhiều thành tựu Do chưa có những tiêu chuẩn thống nhất về vật liệu chống rung nên cách tiếp cận nghiên cứu, cách quy hoạch nghiên cứu còn gặp nhiều vấn đề khó khăn

Để có thể thúc đẩy các nghiên cứu về vật liệu chống rung cũng như các sản phẩm chống rung trên cơ sở cao su Trước hết cần có những tiêu chuẩn kỹ thuật rõ ràng cho từng loại vật liệu chống rung khác nhau, tập trung thúc đẩy nghiên cứu cho từng loại vật liệu về:

tính chất cơ lý, hóa học, điều kiện làm việc, khả năng ứng dụng,… Để tạo nên cơ sở dữ liệu đáng tin cậy, phù hợp cho việc so sánh, đánh giá

1.2 Tổng quan về rung động

1.2.1 Khái niệm rung động

Rung động là những dao động cơ học xung quanh một vị trí cân bằng phát sinh từ các động cơ và máy móc, thiết bị trong quá trình vận hành Rung động có thể tuần hoàn theo chu kỳ hoặc ngẫu nhiên ( biên độ biến đổi theo thời gian) Có 3 dạng rung động là rung động tự do, rung động cưỡng bức và rung động tắt dần

Trong thực tế, rung động sinh ra thường gặp trong quá trình vận hành máy móc, tòa nhà,

xe cộ, máy bay,… Khi vận hành các máy móc thiết bị đều sinh ra các rung động và tiếng

ồn Những rung động này dưới dạng sóng cơ, thông qua các bộ phận của máy, bệ máy, kết cấu công trình,… lan truyền tới các môi trường xung quanh làm cho các môi trường, vật chất xung quanh dao động theo [12] Hầu hết các rung động này là không mong muốn, gây ra ứng suất lớn và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến người và máy Rung động và cộng hưởng có thể làm nứt, gãy các chi tiết máy như bu lông, đai ốc, trục,… Rung động không được cách ly hoặc hạn chế sẽ gây ra nhiều thiệt hại, tiếng ồn nếu có cường độ quá lớn sẽ gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người Các biện pháp phòng chống rung động và tiếng ồn gồm biến đổi tần số dao động riêng, phân tán năng lượng và cách

Rung động chủ yếu được chia làm 3 loại:

 Rung động tự do: Xảy ra khi một hệ thống cơ học được đặt trong chuyển động với một vị trí ban đầu cố định sau đó được phép rung tự do Ví dụ về loại rung động này

là kéo và thả một cái xích đu, hoặc đánh váo một quả chuông và để nó phát ra âm thanh

Hệ thống rung đọng ở một hoặc nhiều tần số tự nhiên và tắt dần cho đến khi tắt hẳn

 Rung động cưỡng bức: Là một sự tác động theo thời gian (tải trọng, độ dịch chuyển, vận tốc hoặc gia tốc) được áp dụng cho một hệ thống cơ học Sự tác động có thể xảy ra từ đầu và duy trì ổn định, tác động tạm thời hoặc hoàn toàn ngẫu nhiên Hoặc tác động theo chu kỳ nhưng với lực tác động điều hòa hoà hoặc không theo điều hòa Ví

dụ về loại rung động này là sự rung lắc của máy giặt khi hoạt động, hay sự rung lắc của các tòa nhà trong một trận động đất Đối với hệ thống tuyến tính, tần số của phản ứng dao động ở trạng thái ổn định do áp dụng đầu vào tuần hoàn, bằng tần số của lực tác dụng hoặc chuyển động, với cường độ phản hồi phụ thuộc vào hệ thống cơ học thực tế

 Rung động tắt dần: Khi năng lượng của một hệ rung động bị tiêu hao dần do ma sát và các lực cản khác, thì rung động đó được coi là rung động tắt dần Các rung động tắt dần hoặc thay đổi tần số hoặc thay đổi cường độ hoặc chấm dứt và nằm ở vị trí cân bằng của nó Một ví dụ về rung động tắt dần là hệ thống giảm xóc của xe cộ giúp xe bớt rung lắc hơn khi hoạt động

1.2.4 Tác hại

Rung động phát sinh từ những động cơ và dụng cụ sản xuất khi trọng tâm hoặc trục đối xứng của chúng xê dịch trong không gian theo chu kỳ

Đối với máy móc, thiết bị

 Rung động có khả năng trở thành điềm báo về việc hư hỏng của thiết bị khi hoạt động với biên độ và tần suất cao

 Ảnh hưởng đến bản thân thiết bị: Rung động khi vận hành có thể gây nên sự rung lắc của cả một thiết bị nên rất nguy hiểm Sự rung lắc này ảnh hưởng đến độ bền của cấu trúc máy móc gây hỏng hóc, hư hại (xuất hiện vết nứt, lỏng ốc vít, vỡ mối nối) Nguy hiểm hơn nếu sự rung lắc gây nên sự dịch chuyển không mong muốn khi vận hành thì không chỉ bản thân máy móc bị hỏng mà còn gây hư hại đối với môi trường xung quanh (cháy nổ, hư hại thiết bị máy móc khác)

Hình 1 1 Máy móc hư hỏng do rung động khi vận hành

Đối với con người

 Tiếp xúc với rung động tần số cao gây tổn thương cơ bắp, tác động đến thành mạch , ngăn cản sự lưu thông máu, lâu dài có thể gây tổn thương mạch máu trong cơ thể Rung toàn thân thì gây tổn thương hệ thần kinh trung ương, đặc biệt là hệ thần kinh thể dịch, tiếp xúc lâu dài sẽ gây biến đổi các tổ chức tế bào và rối loạn dinh dưỡng Rung

ở tần số 30-80 Hz tác động đến thị giác làm thu hẹp thị trường, giảm độ rõ nét, giảm độ

nhạy cảm màu và gây tổn thương tiền đình

 Rung động còn có thể đi kèm với tiếng ồn làm giảm thính giác, gây chóng mặt,

ù tai và buồn nôn Trường hợp nặng hơn có thể làm tổn thương hệ thần kinh, gây rối loạn nhịp tim Tiếng ồn che lấp các tín hiệu âm thanh làm giảm tập trung, năng suất lao

động

Hình 1 2 Bệnh tiền đình do rung động ảnh hưởng

Ảnh hưởng đến quá trình làm việc

 Ảnh hưởng của rung động tới quá trình làm việc thường gặp trong các công việc

sử dụng các thiết bị, dụng cụ cầm tay Các thiết bị này thường có tần số rung động 30 – 400Hz hoặc cao hơn nữa, nếu không kiểm soát được rung động sẽ gây ảnh hưởng đến sản phẩm, chỉ tiêu kỹ thuật của công việc, gây lãng phí tiền bạc, thời gian và công sức

 Tiếng ồn phát sinh khi máy móc hoạt động còn gây ra khó khăn về giao tiếp khi làm việc, làm giảm hiệu suất công việc

Hình 1 3 Tiếng ồn làm cản trở lời cảnh báo gây nguy hiểm

1.3 Tổng quan về chống rung

1.3.1 Khái niệm chống rung

Khái niệm chống rung được dùng để chỉ tính chất làm giảm, hạn chế hoặc ngăn chặn các rung động Khi có một lực tác động từ bên ngoài tác động vào vật liệu (hoặc cơ cấu) chống rung xảy ra bởi các quá trình tiêu tán năng lượng được lưu trữ trong dao động Biến đổi năng lượng cơ học thành các dạng năng lượng khác thường là nhiệt năng Chống rung bao gồm chống rung của vật liệu và chống rung của hệ thống Khả năng chống rung được đặc trưng bởi hệ số tắt rung ( tanδ) [14]

Tính chống rung của vật liệu là khái niệm dùng để chỉ lấy hiệu ứng vật lý phức tạp chuyển đổi năng lượng động học và năng lượng biến dạng thành nhiệt năng [15] Tính chất chống rung của vật liệu liên quan đến cấu trúc bên trong của chất rắn Tính chống rung bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như bản chất của vật liệu, mô đun, tần số, nhiệt độ, khuyết tật và bề mặt phân chia pha Khi thiết kế các cấu trúc chống rung phải luôn xem

xét đến tính chất quan trọng đó là khả năng chống rung của vật liệu Ví dụ: trong vấn đề phức tạp gồm cộng hưởng cơ học và mỏi, hiện tượng trễ của thiết bị, sự tỏa nhiệt dưới ứng suất tác dụng theo chu kỳ [16]

Hình 1 4 Vòng trễ ứng suất – biến dạng điển hình của vật liệu [17]

Tính chống rung của vật liệu có môi trường liên tục có thể liên quan đến một số cơ chế như cơ chế chảy dẻo, hiệu ứng cơ từ, sự lệch mạng và biến dạng không đồng nhất của vật liệu có cấu trúc dạng sợi Dưới tác dụng của ứng suất và biến dạng thay đổi theo chu

kỳ, những cơ chế này tạo ra vòng trễ ứng suất – biến dạng như trong Hình 1.4 Đường chịu tải OX và đường tháo tải XA không thể trùng khít với nhau vì không có vật liệu đàn hồi tuyệt đối Đường cong tháo tải XA luôn nằm bên dưới đường chịu tải OX Năng lượng đã được tiêu thụ và phân tán ra bên ngoài ( trong một đơn vị thể tích) là diện tích của đường cong khép kín XAYBX và là thước đo độ chống rung, và được gọi là độ chống rung tuyệt đối [17]

1.3.2 Cơ chế của chống rung

Trong quá trình vận hành máy móc, thiết bị các rung động được lan truyền ra môi trường

và gây hại cho con người, máy móc Trong thực tế, các cấu trúc cần được ổn định khi làm việc, đồng thời cũng cần hạn chế tiếng ồn phát sinh nên việc hạn chế rung động là cần thiết Có thể hạn chế các rung động bằng cách tăng khả năng tắt rung hoặc tăng độ

cứng (được thể hiện bằng mô đun tích trữ) Tích số của hai đại lượng này là mô đun tổn hao và nó được coi là chỉ số đánh giá khả năng giảm dao động [4]

Việc tắt rung của một cấu trúc có thể đạt được bằng cách chủ động hoặc bị động 16] Phương pháp chủ động sử dụng các cảm biến để phát hiện và điều chỉnh các kết cấu để hạn chế dao động trong thời gian thực Phương pháp bị động sử dụng khả năng sẵn có của một số vật liệu để hấp thụ năng lượng dao động (ví dụ thông qua biến dạng

[14-cơ học), do vậy tạo ra sự phân tán năng lượng thụ động Phương pháp bị động dễ ứng dụng hơn và tốn chi phí thấp hơn

Vật liệu để tắt rung thường là kim loại và polyme do chúng có đặc tính nhớt Trong đó polyme có đặc tính đàn hồi nhớt cao và cao su là vật liệu sử dụng phổ biến nhất Tuy nhiên, tính chất đàn hồi nhớt không phải là cơ chế duy nhất để tắt rung Các khuyết tật như lệch mạng, biên giới pha, hạt và một số khuyết tật bề mặt cũng đóng góp vào việc tắt rung do các khuyết tật có thể dịch chuyển nhẹ và các bề mặt có thể trượt nhẹ so với nhau trong quá trình rung động do đó cũng phân tán năng lượng Vì vậy, khả năng tắt rung của vật liệu được quyết định bởi vi cấu trúc của nó Khả năng tắt rung không những phụ thuộc vào vật liệu mà còn phụ thuộc vào tần số hoạt động bởi độ đàn hồi nhớt cũng như đáp ứng của các khuyết tật và cũng phụ thuộc vào tần số

1.4 Vật liệu chống rung

1.4.1 Các loại vật liệu chống rung

Vật liệu chống rung có thể là kim loại, ceramic và polyme Trong đó chủ yếu sử dụng kim loại và polyme Mỗi loại vật liệu đều có những ưu và nhược điểm nhất định nên tùy vào mục đích để chọn lựa vật liệu phù hợp Các vật liệu phải kết hợp với thiết kế cơ cấu nhằm tối ưu hóa hiệu quả chống rung

Kim loại sử dụng cho tắt rung bao gồm các hợp kim nhớ hình(shape-memory alloys), hợp kim sắt từ và một số hợp kim khác [18, 19] Các hợp kim sắt từ tắt rung theo cơ chế

từ - cơ Các hợp kim khác có khả năng tắt rung thông qua việc thiết kế vi cấu trúc Có thể có nhiều hơn một cơ chế được áp dụng cho cùng một vật liệu Các hợp kim dùng cho tắt rung bao gồm những loại trên cơ sở sắt (Fe-Ni-Mn, Fe-Al-Si, Fe-Al,Fe-Cr, Fe-

Cr-V, Fe-Mn and Fe-Mn-Co,…), nhôm (Al-Ge, Al-Co, Al-Zn, Al-Cu, Al-Si,), kẽm( Al), thiếc (Sn-In), chì, niken,…

Zn-Ceramic là vật liệu có độ cứng cao nhưng không phải là vật liệu tắt rung tốt Tuy nhiên,

có thể cải tiến khả năng tắt rung khi thiết kế vật liệu ceramic trong cấu trúc chống rung giảm chấn, chẳng hạn như vật liệu compozit - cốt kim loại - BaTiO3 ceremic [20], vật liệu compozit – bê tông – cốt thép - Li5La3Ta2O12 ceramic [21]… Vật liệu cấu trúc thường sử dụng nhất là bê tông [22] - một loại compozit nền ceramic Việc đưa silica dạng sương mù (hạt mịn) vào trong xi măng tạo ra bề mặt phân chia pha lớn và do đó tăng đáng kể khả năng tắt rung Việc đưa latex vào cũng làm tăng khả năng tắt rung do bản chất đàn hồi nhớt của latex

Polyme là vật liệu có khả năng chống rung cao do có tính chất đàn hồi nhớt, nổi bật nhất

là cao su Các polyme thường được sử dụng để chống rung như poly(tetrafluoroetylen) (PTFE), polypropylen, polyurethan Nói chung, các elastome và một số nhựa nhiệt dẻo

vô định hình có nhiệt độ hóa thủy tinh dưới nhiệt độ phòng là một điều kiện tốt để tắt rung Các polyme blend và các mạng thâm nhập cũng có nhiều khả năng để làm vật liệu chống rung do bề mặt phân chia giữa các cấu tử trong blend cũng tạo ra cơ chế tắt rung [23] Các cao su như cao su thiên nhiên (NR), cao su butyl (NB), cao su butadien nitril (NBR), cao su clopren (CR) - hoặc hỗn hợp cao su blend polypropylen (PP) / butyl (IIB), NR/ NBR, NR/CR…được áp dụng nhiều trong lĩnh vực chống rung

Hình 1 5 Một số cơ cấu chống rung sử dụng vật liệu cao su

Do có nhiều ưu điểm như dễ điều chỉnh hình dạng, có thể điều chỉnh các tính chất cơ lý khi thay đổi đơn pha chế, khả năng bám dính cao với các vật liệu khác (đặc biệt là kim loại) Nên cao su là loại vật liệu được quan tâm và ứng dụng nhiều trong lĩnh vực chống rung

1.4.2 So sánh giữa các vật liệu chống rung

Để so sánh khả năng chống rung giữa các vật liệu, chúng được thử nghiệm trong cùng một điều kiện trong một phòng thí nghiệm Bảng 1 1 đưa ra các kết quả so sánh giữa các vật liệu đại diện Polyme có khả năng tắt rung cao nhất (tanδ) trong số tất cả các vật liệu còn kim loại lại có mô đun tổn hao lớn nhất Mặc dù vật liệu trên cơ sở xi măng có khả năng tắt rung thấp hơn polyme nhưng mô đun tổn hao lại tương tự nhau Compozit nền polyme sợi cacbon là vật liệu có khả năng tắt rung thấp nhất nhưng mô đun tổn hao cao tương đương với kim loại nếu sử dụng dạng compozit xếp lớp

Bảng 1 1 Các thông số chống rung của vật liệu [4]

nhỏ hơn cao su neopren và nhựa PTFE nhưng vẫn cao hơn nhiều so với các vật liệu còn lại Như vậy, cao su có hệ số tắt rung lớn nhất nhưng lại có mô đun tổn hao nhỏ nhất Xét về khía cạnh năng lượng hấp thụ riêng (Bảng 1 2) thì cao su hấp thụ năng lượng cao hơn thép Điều đó có nghĩa trong điều kiện cụ thể sử dụng vật liệu cao su làm giảm đáng kể khối lượng của hệ thống Trong điều kiện trượt đơn giản cao su cũng hấp thụ năng lượng cao hơn nén Kết quả trên cũng cho thấy cao su làm việc hiệu quả nhất trong điều kiện đồng thời chịu nén và trượt, tạo ra hiệu quả khai thác vật liệu cao nhất và độ bền chịu đựng cao nhất

Bảng 1 2 Năng lượng hấp thụ riêng của cao su và thép Vật liệu Lực tác dụng Năng lượng hấp thụ riêng

1.5 Vật liệu chống rung trên cơ sở cao su

 Có thể điều chỉnh các tính chất cơ lý của cao su như độ cứng, độ bền, độ dãn dài khi đứt, độ nén dư… bằng cách thay đổi đơn pha chế Do vậy, đáp ứng được yêu cầu đa dạng về yêu cầu kỹ thuật

Diện tích mỗi vòng trễ sau mỗi chu kỳ tương đương với lượng nhiệt thoát ra, năng lượng này chính là năng lượng tiêu tán [14] Điều chỉnh đơn pha chế có thể tạo ra các sản phẩm

có tỷ số tắt rung trong khoảng từ 0,05 – 0,1

Độ cứng khi chịu va đập lớn hơn độ cứng động và độ cứng động lớn hơn độ cứng tĩnh Điều đó giúp làm biến dạng khi va đập và khi chịu tải trọng động

Nguyên tắc của việc sử dụng vật liệu cao su để giảm rung và giảm độ ồn là do bản chất đàn hồi nhớt của vật liệu Khi chịu tác động của ngoại lực, độ dãn dài thay đổi chậm pha hơn so với sự thay đổi ứng suất gây ra hiện tượng trễ pha trong mỗi chu kỳ tác động của ngoại lực Tiêu tán năng lượng cơ học xảy ra do hiện tượng ma sát, một phần năng lượng dao động cơ học hoặc dao động âm chuyển thành nhiệt năng hay năng lượng cơ học chuyển hóa thành nhiệt năng gây ra tổn hao cơ học

Cấu trúc phân tử, nhiệt độ và tần số tác động và một số yếu tố khác ảnh hưởng đến ma sát nội Ma sát nội có quan hệ trực tiếp với kích thước của bản thân cấu trúc phân tử, khi mạch phân tử có chứa các nhóm thế, ma sát nội trong các chuyển động segmen tăng và

do đó làm tăng ma sát Bởi vì polyisobutylen có chứa các nhóm thế metyl đối xứng trong mắt xích cơ bản và tỷ lệ các nhóm thế này trong mạch hơn 97% do đó ma sát nội rất lớn Điều này giải thích tại sao cao su butyl có khả năng tắt rung cao nhất

Nhiệt độ hóa thủy tinh Tg của polyme cũng là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá khả năng tắt rung

Cao su tắt rung thường được đặc trưng bằng hệ số tắt rung tanδ Để có hiệu quả tắt rung cao tanδ cần phải đáp ứng hai yêu cầu sau :

 Tanδ phải lớn trong khoảng tần số và nhiệt độ hoạt động của sản phẩm

 Pic tanδ càng rộng càng tốt để tăng khả năng hấp thụ năng lượng trong khoảng nhiệt độ và tần số rộng

Khi tần số tăng, mô đun động tăng, pic góc tổn hao tăng Pic này tăng bởi vì vật liệu dần chuyển đến trạng thái thủy tinh do tăng tần số tương đương với giảm nhiệt độ Hệ số tắt rung của các đệm cao su càng cao càng tốt tuy nhiên nhiệt sinh ra càng lớn cũng sẽ ảnh hưởng đến khả năng lão hóa của sản phẩm Do đó cần phải quan tâm đến cả mức độ hấp thụ năng lượng và khả năng chịu nhiệt của sản phẩm nên cần phải điều chỉnh và khống chế tanδ ở mức độ phù hợp

1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống rung của cao su

1.5.2.1 Ảnh hưởng của loại cao su

Mỗi loại cao su đều có tính chất chống rung riêng biệt Tính chất chống rung của cao su phụ thuộc cấu trúc phân tử của nó Các cao su như cao su flo, acrylic, EPDM, clorosulfonat polyetylen, có khả năng chịu mỏi không cao và khả năng kết dính với kim loại kém, mặc dù có khả năng chịu nhiệt tốt [24] nhưng vẫn ít được dùng làm cao

su chống rung giảm chấn Cao su thiên nhiên hoặc isopren có xu hướng tạo thành cấu trúc tinh thể điều này làm giảm tính chất chống rung Có thể hạn chế điều này bằng cách phối trộn với cao su butyl hoặc clobutyl Hệ số tắt rung của một số loại cao su trong Bảng 1.3

Bảng 1 3 Hệ số tắt rung của một số loại cao su

Cao su thiên nhiên (NR) 0,05 – 0,15 Cao su clopren(CR) 0,15 – 0,30 Cao su silicon (SR) 0,15 – 0,20 Cao su butyl (IIR) 0,25 – 0,40 Cao su nitril (NBR) 0,25 – 0,40 Cao su (SBR) 0,15 – 0,30

Từ Bảng 1.3 có thể thấy rằng cao su butyl, cao su nitril có hệ số tắt rung cao nhất, cao

su clopren, silicon, SBR ở mức trung bình, cao su thiên nhiên ở mức thấp Mặc dù có hệ

số tắt rung thấp nhưng lại có khả năng kháng mỏi, tính chất cơ lý cao, bám dính tốt với kim loại [1] do vậy cao su thiên nhiên vẫn được sử dụng rộng rãi để làm cao su chống rung Khi cần chịu thời tiết có thể sử dụng cao su clopren; khi cần chịu dầu có thể sử dụng cao su nitril có hàm lượng nitril thấp Với các ứng dụng tắt rung nhỏ có thể sử dụng silicon còn với ứng dụng tắt rung lớn có thể sử dụng cao su butyl

Để tăng cường tắt rung một cách hiệu quả có thể lựa chọn hệ cao su blend có độ tương hợp và đồng lưu hóa Bằng cách thay đổi tỷ lệ giữa hai loại cao su có hai nhiệt độ hóa

thủy tinh khác nhau có thể nhận được vật liệu có các mô đun khác nhau và hệ số tắt rung khác nhau và khoảng nhiệt độ hóa thủy tinh cũng được mở rộng hơn Cao su butyl tương hợp kém với các loại cao su khác, các cao su halogen hóa như clo butyl hay brom butyl

có độ tương hợp tốt hơn

Cao su butyl có tính chất tắt rung tốt với pic tanδ nằm ở khoảng -30oC, nhưng để có tính chất gia công tốt có thể sử dụng cao su butyl halogen hóa và có thể phối hợp với cao su thiên nhiên Vùng tanδ của cao su butyl bằng 0,3 là khoảng 60oC nhưng giá trị này giảm mạnh khi nhiệt độ lớn hơn 10oC, điều đó hạn chế việc sử dụng cao su này trong các ứng dụng ở nhiệt độ thường Để mở rộng vùng tác dụng ở nhiệt độ cao, cao su này được lưu hóa động với nhựa nhiệt dẻo chẳng hạn với PP [25] Khi trộn hợp cao su butyl với PP với lệ 100/50,70/30,60/40 và có hệ số tắt rung tanδ tăng dần

1.5.2.2 Ảnh hưởng của hệ lưu hóa

Hệ xúc tiến ảnh hưởng đến cấu trúc không gian và cấu trúc của mạch đại phân tử cao

su Nó ảnh hưởng đến mật độ mạng không gian và các tính chất cơ lý Mật độ mạng lưu hóa cao có thể giúp làm tăng hiệu quả tắt rung

Thông thường các liên kết ngang chứa càng ít lưu huỳnh thì bền hơn, mô đun đàn hồi lớn hơn nhưng hệ số tắt rung nhỏ hơn Sử dụng hệ lưu hóa thông dụng và tăng mức độ khâu mạch một cách thích hợp có thể làm tăng khả năng hấp thụ va đập, tăng độ kháng mỏi động nhưng khả năng chịu nhiệt không cao Ví dụ, sử dụng hệ lưu hóa hiệu quả và bán hiệu quả cho cao su thiên nhiên có thể làm tăng khả năng chịu nhiệt nhưng lại làm giảm độ bền mỏi và độ kết dính với kim loại Nên cần phải lựa chọn và điều chỉnh mức

độ lưu hóa phù hợp với tổ hợp các tính chất Sử dụng hệ lưu hóa bằng lưu huỳnh có khả năng chịu nhiệt hạn chế do vậy nên sử dụng các hệ lưu hóa không dùng lưu huỳnh để

có khả năng chịu nhiệt cao hơn Hệ lưu hóa cho cao su thiên nhiên chống rung là hệ lưu hóa thông thường sử dụng ZnO, lưu huỳnh và các xúc tiến nhóm thiuram, sunfernamit hoặc thiazol

1.5.2.3 Ảnh hưởng của chất độn

Chất độn ảnh hưởng đến đặc trưng tắt rung của cao su Khi cao su chịu biến dạng, chuyển động phân tử sẽ gây ra ma sát giữa cao su và các chất độn hoặc giữa các chất độn với

chất độn sẽ làm tăng khả năng tắt rung Kích thước hạt độn càng nhỏ, diện tích tiếp xúc càng lớn, càng làm tăng liên kết vật lý do đó tổn hao vòng trễ khi chịu tải trọng động càng lớn, tổn hao tanδ lớn, mô đun tĩnh và động đều lớn Chất độn có hoạt tính lớn hơn, tương tác với các phân tử cao su mạnh hơn do vậy cao su lưu hóa có độ cứng và khả năng tắt rung cao Ngoài hình dạng, kích thước và bản chất của hạt độn cũng ảnh hưởng đến đặc tính chống rung và mô đun của hỗn hợp cao su

Trong đơn pha chế cao su chống rung trên cơ sở cao su thiên nhiên thường sử dụng than

lò bán gia cường và than nhiệt phân kích thước nhỏ sẽ tốt hơn Với cao su tổng hợp than đen thường là loại than thông dụng Thông thường khi tăng hàm lượng than độ cứng và khả năng tắt rung tăng Trong một số trường hợp, cùng hàm lượng nhưng than đen có kích thước nhỏ sẽ có độ cứng và tắt rung cao hơn so với than bán gia cường Hơn nữa khi tăng hàm lượng than thì sự phụ thuộc các tính chất vào biên độ tác động càng tăng Khi biên độ dao động tăng, hàm lượng than càng lớn thì mô đun thấp hơn và khả năng tắt rung tăng đáng kể Khi biên độ dao động nhỏ (gần đến không) hàm lượng than ít ảnh hưởng đến hệ số tắt rung Rõ ràng rằng khi kích thước hạt than đen giảm, độ hoạt động tăng sẽ làm tăng mô đun, tăng khả năng tắt rung và hấp thụ va đập Nhưng độ kháng mỏi có chiều hướng trái ngược: kích thước hạt càng nhỏ, phá hủy do mỏi càng lớn Khi đưa than đen vào cao su, các phân tử cao su hấp thụ lên bề mặt than góp phần làm tăng độ nhớt biểu kiến Khi hàm lượng than tăng, độ nhớt tăng Dưới tác dụng của ứng suất ngoại các mạch cao su trượt, các liên kết bị phá vỡ nhưng khi tháo tải các mạch cao

su tái hấp thụ lên bề mặt than và do đó vẫn duy trì được tương tác [26]

Các chất độn như canxi cacbonat, clay, magie cacbonat và một số chất độn vô cơ khác

có khả năng gia cường yếu nên để có được mô đun đàn hồi mong muốn cần phải dùng với tỷ lệ lớn nhưng điều đó ảnh hưởng trái chiều đến các tính chất khác nên chúng ít được sử dụng

Ảnh hưởng của than đen và một số chất độn vô cơ đến tính chất đàn hồi nhớt của cao su phụ thuộc vào 4 yếu tố: kích thước hạt, trạng thái tập hợp, tính chất bề mặt và mức độ phân tán Đưa than đen thích hợp vào sẽ làm tăng tính chất tắt rung của cao su

1.5.2.4 Ảnh hưởng của chất hóa dẻo

Sử dụng chất hóa dẻo trong cao su chống rung có tác dụng làm giảm nhiệt độ hóa thủy tinh Tg, tăng khả năng gia công và mở rộng khoảng làm việc hay còn gọi là vùng chuyển tiếp tắt rung Tác dụng mở rộng tùy thuộc vào tương tác giữa chất hóa dẻo và cao su [27] Một vài chất hóa dẻo còn được gọi là dầu gia công vì nó vừa có tác dụng làm dẻo hóa và vừa cải thiện khả năng gia công của cao su Nếu chất hóa dẻo hòa tan hạn chế vào cao su hay không tương hợp (chỉ đơn thuần là trộn hợp cơ học) thì vùng chuyển tiếp tắt rung được mở rộng Thông thường trong cao su chống rung, khi tăng hàm lượng chất hóa dẻo sẽ làm tăng tanδ và làm giảm mô đun đàn hồi của cao su lưu hóa Các chất hóa dẻo có tác dụng làm tăng các tính chất ở nhiệt độ thấp và có thể cải thiện độ kháng mỏi của cao su nhưng cũng sẽ làm tăng tốc độ rão và hồi phục ứng suất, ảnh hưởng đến đặc tính tắt rung và độ ổn định Do vậy hàm lượng chất hóa dẻo sử dụng không được quá nhiều

Bên cạnh đó, khi gia công cao su chống rung cần phải tuân thủ các yêu cầu :

 Thời gian hỗn luyện không nên quá dài

 Tăng thời gian lưu hóa và nhiệt độ thích hợp để tăng mật độ khâu mạch do đó tăng đặc tính tắt rung

1.6 Vật liệu chống rung trên cơ sở cao su thiên nhiên

1.6.1 Cấu trúc và tính chất

Cao su thiên nhiên là một polyme thiên nhiên mạch thẳng được tách ra từ nhựa cây cao

su (Hevea Brasiliensis), thành phần chủ yếu gồm các đại phân tử cis 1,4-polyisopren Khối lượng phân tử của cao su thiên nhiên nằm trong khoảng từ 105 đến 2.106 đvC Cao su thiên nhiên có khả năng phối trộn tốt với các cao su không phân cực khác, các chất độn như than kỹ thuật, silica cao su thiên nhiên có có độ bền mỏi cao, chống mài mòn tốt, chống xé rách cao nhưng lại không bền với ánh sáng mặt trời, oxy và ozon, phân hủy nhiệt, dầu và các loại nhiên liệu

Hình 1 6 Cấu trúc hóa học của cao su thiên nhiên

1.6.2 Nâng cao tính chống rung cao su thiên nhiên

Như đã trình bày, cao su thiên nhiên được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chống rung giảm chấn là do có các tính chất như:

 Độ bền cao

 Độ cứng thấp

 Khả năng đàn hồi tuyến tính

 Khả năng bám dính cao với kim loại

 Độ bền mỏi và chống xé rách cao

Do ưu điểm độ bền mỏi cao và độ bám dính tốt với kim loại cao su thiên nhiên đã sớm được ứng dụng trong cơ cấu cách ly rung động, chống động đất cho các tòa nhà ở Nhật Bản [1] Theo đó, với thiết kế các lớp kim loại bám dính cố định với các lớp cao su, điều này ngăn cho cao su không trượt trên các bề mặt mang tải, biên độ lệch tải được giữ trong một giới hạn cho phép

Hình 1 7 Biến dạng cao su kẹp giữa các tấm kim loại dưới tác động nén và trượt [1] Việc kết hợp các tấm kim loại trung gian vào một khối cao su không ảnh hưởng đến độ cứng trượt, không phụ thuộc vào hình dạng, mà phụ thuộc vào tổng độ dày cao su (Hình

1 7) Cơ cấu chống động đất được thiết kế ngăn không cho cao su tiếp xúc lão hóa ozon

và ước tính có tuổi thọ khoảng 70 năm

Nhằm nâng cao khả năng cách ly rung động của cao su thiên nhiên, nhiều nghiên cứu

đã tạo hỗn hợp cao su thiên nhiên với các phụ gia tăng cường lực Chẳng hạn như tạo ra hỗn hợp cao su thiên nhiên - ống nano cacbon đa tường (NR/MWCNT) [6] Kết quả là

bộ cách ly rung động chế tạo từ hỗn hợp NR/MWCNT có tỷ số giảm chấn là 39,08 cao hơn so với giá trị 12,81 của cao su thiên nhiên nguyên chất Tần số riêng và các đặc trưng chống rung khác cũng được cải thiện đáng kể

Hình 1 8 Hệ số tanδ theo tần số và nhiệt độ của cao su thiên nhiên epoxy hóa lưu hóa

bằng các hệ lưu hóa khác nhau Biến tính cao su thiên nhiên đồng thời kết hợp với việc thay đổi thành phần cũng như hàm lượng các cấu tử trong hệ lưu hóa là hướng nghiên cứu phổ biến nhằm mở rộng vùng chống rung hiệu quả của vật liệu Một trong các nghiên cứu đó là sử dụng đơn pha chế cao su thiên nhiên đã được epoxy hóa với các hệ lưu hóa khác nhau như: (S, TMTD, DM); (DCP- dicumyl peroxit, TAIC- triallyl isocyanurate) và (DM, 2402PF- tert-butyl phenol formaldehyt)

Do sự hình thành các liên kết hydro giữa cao su thiên nhiên epoxy hóa và nhựa phenolic, mẫu cao su lưu hóa bằng hệ phenolic (DM, 2402PF) có hệ số tắt rung tanδ ở vùng nhiệt

độ và tần số làm việc hiệu quả cao nhất Các đặc trưng chống rung của cao su lưu hóa bằng hệ phenolic là cao nhất, phạm vi nhiệt độ và tần số hoạt động tối ưu lần lượt là -47,6 - 100oC và 105 - 109 Hz Vì vậy, sử dụng hiệu ứng liên kết hydro để tăng ma sát

của chuỗi phân tử cao su thiên nhiên epoxy hóa là một cách hiệu quả để mở rộng dải nhiệt độ và tần số giảm chấn hiệu quả của cao su thiên nhiên epoxy hóa

Để cải thiện khả năng cách ly rung động, nhiều nghiên cứu đã biến tính cao su thiên nhiên, rồi sử dụng cao su đã biến tính này blend với các cao su khác, chẳng hạn như cao

su clopren (CR) Theo đó, cao su thiên nhiên epoxy hóa (ENR) được pha trộn với CR theo các tỷ lệ khác khau Khả năng chống rung và cách ly rung động được so sánh thông qua mối tương quan giữa hệ số tanδ, năng lượng tổn thất ΔE, hằng số giảm chấn β Bảng 1 4 ΔE, β và tanδ của blend ENR/CR ở 20oC và tải trọng nén 100kg [28]

Ngoài ra, vật liệu cao su từ tính (MRE) trên cơ sở cao su thiên nhiên còn được nghiên cứu để tăng khả năng chống rung, phù hợp với sự thay đổi của các tác động bên ngoài Các vật liệu cao su từ tính này là hỗn hợp của cao su với các phụ gia từ tính như : sắt từ oxit, bari pherit, sắt cacbonyl [29] Ưu điểm chính của vật liệu này là khả năng giảm chấn và độ cứng có thể được thay đổi bằng cách điều chỉnh từ trường đặt vào vật liệu trong khi gia công hoặc trong khi sử dụng Vật liệu này được chia thành hai nhóm là đồng nhất và đẳng hướng Vật liệu cao su từ tính đồng nhất có thể được đặc trưng bằng cách có sự phân bố hạt từ tính đồng đều trong ma trận khối cao su Vật liệu cao su từ tính đẳng hướng có cấu trúc đặc biệt trong đó các hạt từ tính được sắp xếp theo một trật

tự ma trận đặc biệt, được chế tạo theo cách sử dụng một từ trường ứng dụng

Theo Hình 1.9, cao su thiên nhiên từ tính đẳng hướng (MRE/ISO) và đồng nhất (MRE/AN) có hệ số tanδ cao hơn đáng kể (khoảng 2,3) so với các cao su thiên nhiên chỉ chứa chất độn than kỹ thuật CS/30CB, CS/50CB, CS/70CB Hàm lượng than kỹ

thuật càng tăng thì pic hệ số tanδ càng giảm, là do khi hàm lượng này lớn đã làm giảm đặc tính nhớt của cao su

Hình 1 9 Đường cong tanδ theo nhiệt độ của các mẫu MRE đồng nhất,đẳng hướng và

các mẫu cao su thiên nhiên chứa cacbon với hàm lượng khác nhau [29]

Như vậy, để nâng cao tính chống rung của cao su thiên nhiên người ta có thể dùng nhiều biện pháp như: Epoxy hóa cao su thiên nhiên, thay đổi thành phần đơn pha chế, sử dụng các phụ gia tăng cường như than đen kỹ thuật, ống nano cacbon, blend với các cao su khác hoặc thêm vào các phụ gia từ tính

1.6.3 Lão hóa cao su

Trong quá trình bảo quản và sử dụng, dưới tác động của nhiệt, bức xạ, oxi, ozon, độ ẩm cùng với các tác động cơ học các tính chất vật lý, hóa học, cơ học của vật liệu bị thay đổi Ngoại quan của sản phẩm thay đổi Bề mặt bóng, nhẵn và mềm dẻo của sản phẩm bị thay thế bằng mặt mờ, chai cứng và trong một vài trường hợp trên bề mặt sản phẩm còn xuất hiện các vết rạn, nứt dăm Sự thay đổi ngoại quan và suy giảm các tính chất, độ bền, tuổi thọ làm việc hay thời hạn sử dụng của cao su dưới tác động của các yếu tố khác nhau gọi là sự lão hóa cao su (hay còn gọi là phân hủy polyme)