Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng than đen đến tính chất của vật liệu cao su sử dụng làm bạc trượt cho máy bơm nước

CN HóaTrước thực tế đó, em đã chọn đề tài khóa luận là: “Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng than đen đến tính chất của vật liệu cao su sử dụng làm bạc trượt cho máy bơm nước” phải làm v

CHO MÁY BƠM NƯỚC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường

Người hướng dẫn khoa học:

ThS NGUYỄN VĂN THỦY PGS.TS NGÔ KẾ TH Ế

HÀ NỘI – 2015

Nguyễn Thị Hạnh Lớp: K37C CN Hóa

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận được hoàn thành tại phòng NC Vật liệu Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới ThS.Nguyễn Văn Thủy, PGS.TS Ngô Kế Thế đã hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện đề tài tại phòng NC Vật liệu Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong khoa Hoá học trường ĐHSP Hà Nội 2 đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản trong quá trình học tập để em có thể hoàn thành tốt khóa luận này

Do quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp trong thời gian ngắn nên không thể tránh khỏi một số sai xót Vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo của các thầy cô và các bạn sinh viên để bài khóa luận được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 5 tháng 5 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Hạnh

Nguyễn Thị Hạnh Lớp: K37C CN Hóa

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng em Các kết quả nghiên cứu, số liệu được trình bày trong khóa luận là hoàn toàn trung thực và không trùng với kết quả khác

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Hạnh

TMTD - Xúc tiến tetrametylthiuram disunfit

Phòng lão 4020 - Chất phòng lão N-(1,3 dimetylbutyl)

Bảng 3.2 Độ dãn dài khi đứt và độ cứng của mẫu vật liệu P70K với

hàm lượng than đen thay đổi

Bảng 3.3 Độ mài mòn mẫu cao su P70K khi hàm lượng than đen

thay đổi

Bảng 3.4 Độ bền kéo của các mẫu cao su KBN35L

Nguyễn Thị Hạnh Lớp: K37C CN Hóa

Bảng 3.5 Độ dãn dài khi đứt, độ cứng và độ mài mòn của các mẫu cao

su KBN35L khi hàm lượng than đen thay đổi

3 Danh mục các hình

Hình 1.1 Cấu tạo các lớp mạng của than đen

Hình 1.2 Cao su được sử dụng trong chế tạo bạc trượt bôi trơn nước Hình 1.3 Bạc trượt bằng cao su có thể tháo lắp

Hình 1.4 Hệ số ma sát của bạc cao su (NBR) và bạc PTFE trong nước Hình1.5 Hai kiểu bạc trượt bằng PTFE

Hình 1.6 Tốc độ mài mòn của vật liệu bạc trượt

Hình 2.1 Máy cán hãng TOYOSEIKI- Nhật Bản

Hình 2.2 Máy ép hãng TOYOSEIKI (Nhật Bản)

Hình 2.3 Máy đo độ bền kéo và độ dãn dài của Gotech AI-7000M Hình 2.4: Thiết bị đo độ cứng TECLOCK Jisk 6301A

Hình 2.5 Thiết bị đo độ mài mòn của vật liệu cao su

Hình 3.1 Độ bền kéo mẫu cao su P70K khi hàm lượng than đen

thay đổi

Hình 3.2 Độ mài mòn mẫu cao su P70K khi hàm lượng than đen

thay đổi

Hình 3.3 Độ bền kéo mẫu cao su KBN35L

Hình 3.4 Độ mài mòn mẫu cao su M và L

Hình 3.5 Độ trương trong dầu diezen mẫu M50 và M60

Hình 3.6 Độ trương trong dầu của hai mẫu L50 và L60

Nguyễn Thị Hạnh Lớp: K37C CN Hóa

Hình 3.7 Độ trương trong dầu diezen hai mẫu CB20 và CB35

Hình 3.8 Độ trương trong dầu diezen các mẫu CB, M, L

Nguyễn Thị Hạnh Lớp: K37C CN Hóa

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 TỔNG QUAN 3

1.1 Cao su 3

1.1.1 Cao su thiên nhiên (CSTN) 4

1.1.2 Cao su tổng hợp (CSTH) 5

1.2 Than đen - Chất độn hoạt tính trong cao su 11

1.3 Bạc trượt cho máy bơm nước 16

1.3.1 Các loại vật liệu làm bạc trượt 16

1.3.1.1 Vật liệu cao su 16

1.3.1.2 Bạc trượt teflon (PTFE) 19

1.3.1.3 Vật liệu NBR/PTFE 21

1.3.2 Lựa chọn loại cao su phù hợp 22

2 THỰC NGHIỆM 23

2.1 Vật liệu nghiên cứu 23

2.1.1 Cao su 23

2.1.2 Các hóa chất khác 23

2.2 Phương pháp chế tạo mẫu 23

2.3 Các phương pháp xác định tính chất của vật liệu 25

2.3.1 Tính chất cơ lý 25

2.3.1.1 Phương pháp xác định độ bền kéo đứt 25

Nguyễn Thị Hạnh Lớp: K37C CN Hóa

2.3.1.2 Phương pháp xác định độ dãn dài khi đứt 26 2.3.2 Phương pháp xác định độ cứng của vật liệu 26 2.3.3 Phương pháp xác định độ chịu mài mòn sử dụng

thiết bị trống quay hình trụ 27 2.3.4 Đánh giá độ bền môi trường của vật liệu

trong dầu điezen 28

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Nghiên cứu chế tạo vật liệu cho bạc bơm từ

cao su blend P70K 29 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ bền kéo đứt

của vật liệu P70K 29 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ dãn dài khi đứt

và độ cứng của vật liệu P70K 30 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ mài mòn

của vật liệu P70K 31 3.2 Nghiên cứu chế tạo vật liệu cho bạc bơm từ

cao su KBN35L 33 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ bền kéo

cao su KBN35L 33 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ dãn dài khi đứt

và độ cứng của vật liệu cao su KBN35L 35 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ mài mòn của vật liệu cao su KBN35L 36

Nguyễn Thị Hạnh Lớp: K37C CN Hóa

3.3 Đánh giá độ bền môi trường của vật liệu

trong dầu điezen 37

3.3.1 Độ trương trong dầu diezen của hệ mẫu M 37

3.3.2 Độ trương trong dầu diezen của hệ mẫu L 38

3.3.3 Độ trương trong dầu diezen của hệ mẫu CB 39

KẾT LUẬN 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

Ban đầu, bạc trượt bôi trơn nước bao gồm một ống bằng gỗ với các khe dọc ở bên trong Kỹ sư Victorian đã thiết kế tối ưu hóa khoảng cách giữa áo bạc và bề mặt trục, cũng như là tỷ lệ chiều rộng của khe lỗ

và thanh dọc, cho phép nước chảy bôi trơn thuận lợi Ngày nay bạc trượt bôi trơn nước vẫn được thiết kế dựa trên tối ưu hóa kích thước giữa khe lỗ và thanh dọc, chứng tỏ thiết kế ban đầu của kỹ sư là đúng đắn [20]

Thực tế, vấn đề hư hỏng xảy ra với sản phẩm không phải từ thiết

kế mà thường từ độ bền của vật liệu trong quá trình hoạt động Do yêu cầu cao về điều kiện làm việc, bạc bằng gỗ bị mài mòn nhanh nên nhu cầu thay thế bằng loại vật liệu khác được đặt ra cho các kỹ sư chế tạo Cao su là loại vật liệu được quan tâm đến và lựa chọn để thay thế gỗ

Cao su nitril và blend của nó là loại vật liệu có độ bền môi trường tốt, chỉ trương một chút trong nước và rất bền khi tiếp xúc với xăng dầu, rất phù hợp với điều kiện làm việc của chân vịt tàu thủy Bạc trượt bằng cao su nitril có độ bền mài mòn tốt, đã được sử dụng rộng rãi trong các loại máy bơm nước có lưu lượng cao Nghiên cứu cải thiện độ bền, tăng tuổi thọ của bạc trượt tự bôi trơn bằng nước vẫn luôn là mục tiêu của các nhà sản xuất

Nguyễn Thị Hạnh 2 Lớp: K37C CN Hóa

Trước thực tế đó, em đã chọn đề tài khóa luận là: “Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng than đen đến tính chất của vật liệu cao

su sử dụng làm bạc trượt cho máy bơm nước” phải làm việc nhiều

giờ liên tục ở môi trường nước thải thành phố và công nghiệp

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng than đen đến tính chất cơ,

độ mài mòn, độ cứng và độ bền môi trường của vật liệu cao su sử dụng làm bạc trượt cho máy bơm nước

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Xác định vật liệu cao su sử dụng làm bạc trượt cho máy bơm nước

- Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng than đen đến tính chất cơ của vật liệu

- Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ mài mòn và bền môi trường của vật liệu

- Xác định thành phần vật liệu tối ưu

su ở các thuộc địa của Anh quốc về sau [17]

Cao su là hợp chất cao phân tử mà mạch đại phân tử của nó có chiều dài lớn hơn rất nhiều lần chiều rộng và được cấu tạo từ một loại hoặc nhiều loại mắt xích có cấu tạo hóa học giống nhau được lặp đi lặp lại nhiều lần Hoạt động hóa học, tính năng kĩ thuật của cao su phụ thuộc vào cấu tạo, thành phần hóa học, khối lượng phân tử, sự phân bố khối lượng phân tử và sự sắp xếp tương ứng các mạch đại phân tử trong khối polyme

Độ bền nhiệt của cao su phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng liên kết các nguyên tố hình thành mạch chính Năng lượng liên kết càng cao thì độ bền nhiệt cao su càng lớn, cao su có khả năng làm việc ở nhiệt độ càng cao [2]

Cao su ít bị biến đổi khi gặp nóng hoặc lạnh, cách nhiệt, cách điện, không tan trong nước nhưng tan trong một số chất lỏng khác

Cao su được dùng để làm lốp xe, bóng, đế giày, và các vật liệu gia dụng khác,…v.v

Nguyễn Thị Hạnh 4 Lớp: K37C CN Hóa

1.1.1 Cao su thiên nhiên (CSTN)

Cao su thiên nhiên là một chất có tính bền và tính đàn hồi, thu được từ mủ (latex) của nhiều loại cây cao su [3]

Cao su thiên nhiên là polyizopren mà mạch đại phân tử của nó được hình thành từ các mắt xích izopenten six đồng phân liên kết với nhau ở vị trí 1,4:

Khối lượng phân tử trung bình của CSTN là 1,3.106 Mức độ dao động khối lượng phân tử rất nhỏ (từ 105

đến 2.105) [2]

CSTN có ưu điểm là sức dính tốt, đàn hồi tốt, lực kéo đứt và xé rách cao, sinh nhiệt thấp, tốc độ lưu hóa nhanh, giá thành rẻ Tuy nhiên, CSTN có tính chống tác dụng của O2, O3, dầu, acid, kiềm…yếu, chống lão hóa nhiệt yếu, độ kín khí thấp

CSTN có ứng dụng chủ yếu trong ngành sản xuất ô tô Ở các nước phát triển, gần đây, 60% tổng lượng cao su được dùng cho sản xuất săm và lốp ôtô Trong việc chế tạo lốp xe thì phần lớn cao su được dùng là CSTN Ngoài lốp xe ra, các ô tô hiện đại có tới hơn 300 bộ phận tạo ra từ cao su Trong đó, nhiều bộ phận được chế tạo ra từ CSTN

Hơn nữa, CSTN được dùng trong sản xuất các ống dẫn, giày dép, bình ắc quy, đệm hơi, khí cầu, đồ chơi,…v.v Ngoài ra, CSTN còn được dùng trong việc chống rung và làm cầu đường Ở những lĩnh vực này, ứng dụng của các sản phẩm kĩ thuật đa dạng của CSTN ngày càng được

Sự đòi hỏi về nguồn cao su bắt đầu tăng lên nhanh chóng với sự phát minh ra ô tô và lốp xe ô tô Nhiều nhà khoa học đã tìm ra butadien tổng hợp trong suốt đầu thế kỉ 20, nhưng nó không còn tồn tại cho đến Chiến tranh Thế giới thứ 2, lúc này CSTH đã thay thế các nguồn tự nhiên Trong suốt những năm 1940 của thời chiến tranh ở Đại Tây Dương, sự sản xuất cao su đã phát triển lên tới hơn 100 lần so với các chiến tranh trước [21]

Hàng năm, có khoảng 15 tỉ kilogram cao su được sản xuất ra, trong đó CSTH chiếm tới 2/3 tổng sản lượng [15] Dự tính đến năm

2020, thu nhập toàn cầu về CSTH sẽ lên tới xấp xỉ 15 tỉ USA [8]

CSTH được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Nó

có tầm quan trọng lớn trong việc chế tạo lốp xe, cao su nhân tạo cũng được dùng để sản xuất các thiết bị y tế, các bộ phận đúc ép, và dây curoa cho máy móc Ngoài ra, các loại ống mềm và các nút đệm kín trong công nghiệp cũng được tạo ra từ CSTH [21]

 Cao su butadien nitril (NBR)

Cao su butadien nitril được coi là bộ khung của ngành công

Nguyễn Thị Hạnh 6 Lớp: K37C CN Hóa

nghiệp và công nghiệp sản xuất ôtô NBR được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực yêu cầu về độ chịu dầu mỡ, nhiên liệu, và độ bền hóa học Trong ngành sản xuất ôtô, NBR được dùng trong các thiết bị ống vận hành có dầu mỡ hoặc các nhiên liệu khác, các nút kín hoặc các vòng đệm Ngoài ra, NBR còn được dùng cho các ống mềm thủy lực, các băng chuyền tải, làm nút kín cho tất cả các loại ống nước và thiết bị khác trong công nghiệp Năm 2005, trên thế giới lượng NBR được tiêu thụ lên đến 368000 tấn [22]

Cao su butadien nitril là sản phẩm đồng trùng hợp của butadien 1,3 và acrylonitril (ACN) với sự có mặt của hệ xúc tác oxy hóa khử pensunfat kali và trietanolamin Cao su butadien nitril công nghiệp ra đời năm 1937 ở Cộng hòa liên bang Đức Sau đại chiến thế giới lần thứ hai cao su butadien nitril được tổ chức sản xuất với quy mô công nghiệp ở Liên Xô cũ với nhiều chủng loại khác nhau

Acrylonitril có khả năng tham gia vào phản ứng với dien để tạo thành hai loại sản phẩm khác nhau: Sản phẩm chủ yếu có mạch phân tử dài – mạch đại phân tử cao su butadien nitril

C

Nguyễn Thị Hạnh 7 Lớp: K37C CN Hóa

Phản ứng tạo sản phẩm phụ 4 – xiano xiclohexen xảy ra càng mạnh khi hàm lượng monome acrylonitril trong hỗn hợp phản ứng càng cao Cao su butadien nitril chứa càng nhiều 4 – xianoxiclohexen có màu thẫm hơn và có mùi rõ hơn Dựa vào đặc điểm này mà ta có thể dễ dàng phân biệt được loại cao su và hàm lượng nhóm nitril có trong cao su

Khối lượng trung bình của cao su butadien nitril dao động trong khoảng từ 200.000 đến 3000.000

Cao su butadien nitril có cấu trúc không gian không điều hòa vì thế nó không kết tinh trong quá trình biến dạng Tính chất cơ lý, tính chất công nghệ của cao su butadien nitril phụ thuộc vào hàm lượng nhóm nitril trong nó: Khả năng chịu môi trường dầu, mỡ, dung môi hữu

cơ tăng cùng với hàm lượng nhóm acrylonitril tham gia vào phản ứng tạo mạch phân tử cao su Ảnh hưởng của nhóm nitril đến khả năng chịu dầu của cao su có thể giải thích trên cơ sở của các lý thuyết sau:

Theo thuyết hấp phụ do liên kết C≡N trong cao su có độ phân cực lớn (δ+ ở nguyên tử cacbon, δ- ở nguyên tử nitơ) nên lực tác dụng tương hỗ giữa các đoạn mạch phân tử có chứa nhóm C≡N tăng Năng lượng liên kết vật lý giữa các đoạn mạch cao, năng lượng kết dính nội càng lớn khi hàm lượng nhóm C≡N càng cao Năng lượng liên kết nội ngăn chặn hiện tượng tách các phân tử polyme ra xa trong quá trình trương và hòa tan vì thế cùng với hàm lượng nhóm nitril tăng khả năng chịu dầu mỡ của cao su cũng tốt hơn [2]

Theo thuyết che chắn do kích thước không gian các nhóm phân cực C≡N lớn và khoảng cách không gian giữa các nhóm C≡N với liên kết không no gần nên các nhóm C≡N đã bao trùm lên không gian các liên kết không no, ngăn chặn sự thâm nhập các tác nhân tác dụng (phân

Nguyễn Thị Hạnh 8 Lớp: K37C CN Hóa

tử của dầu, mỡ…) vào không gian liên kết đôi và khoảng không gian giữa các mạch đại phân tử Khi hàm lượng nhóm nitril trong mạch cao

su càng cao khả năng và hiệu quả che chắn càng cao [2]

Các loại cao su nitril có mặt trên thị trường thường có hàm lượng ACN trong khoảng từ 18-50% Việc gắn acrylonitril vào sườn polyme butadien giúp cải thiện đáng kể tính kháng dầu của cao su, đồng thời ảnh hưởng lên nhiều tính chất khác của copolyme (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Tính chất của cao su NBR khi

hàm lượng ACN tăng dần [12].

Lượng ACN trong copolyme càng nhiều thì tính kháng dầu của cao su càng cao Lượng ACN càng thấp, độ chịu lạnh của copolyme càng tốt nhưng tính kháng dầu càng kém NBR có khả năng kháng các hydrocarbon thơm và dầu thực vật rất tốt, nhưng lại dễ bị tấn công bởi các dung môi phân cực như ester, dung môi toluen…NBR kháng các loại nhiên liệu cũng rất tốt

Cao su butadien nitril có liên kết không no trong mạch nên nó có khả năng lưu hóa bằng lưu huỳnh phối hợp với các loại xúc tiến lưu hóa thông dụng Ngoài hệ thống lưu hóa thông dụng cao su butadien nitril còn có khả năng lưu hóa bằng xúc tiến nhóm thiuram, nhựa phenol foocmaldehyt [2]

Nguyễn Thị Hạnh 9 Lớp: K37C CN Hóa

Để cải thiện tính chất của vật liệu và nâng cao hiệu quả sử dụng, người ta thường tạo blend của NBR với những vật liệu khác như cao su thiên nhiên hoặc nhựa Polyvinyl clorua (PVC)…v.v

a Blend NBR/PVC

Vật liệu polyme blend là vật liệu được cấu thành từ hai hay nhiều polyme nhiệt dẻo hoặc polyme nhiệt dẻo với cao su Thông qua đó có thể tối ưu hóa về mặt tính năng cơ lý và giá thành cho mục đích sử dụng nhất định [1]

Vật liệu blend NBR/PVC đã được chế tạo từ năm 1936 Cho đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của vật liệu blend này Trước năm 1970, NBR thường được phối trộn cùng với một lượng PVC thấp hơn để chế tạo blend cao su chưa được lưu hóa bằng phương pháp thông thường Các vật liệu này có ưu điểm hơn hẳn cao su NBR, đó là độ bền cơ lý cao, chống chịu tác động ozon và các điều kiện môi trường cũng như bền oxy hóa nhiệt và thường được ứng dụng để chế tạo các loại ống dẫn dầu, dẫn khí, vỏ bọc cáp điện, trục in

và đế giày đặc chủng…Thông thường blend cao su trên cơ sở NBR và PVC có độ đàn hồi kém hơn và độ biến dạng dư cao hơn so với NBR

Từ hơn 2 thập kỉ nay, các công trình nghiên cứu đã chú trọng vào lĩnh vực blend cao su nhiệt dẻo, trong đó PVC là thành phần chính và là thành phần có cấu trúc pha liên tục trong hệ Ban đầu các blend chủ yếu được chế tạo từ PVC và NBR dạng bánh trên máy trộn kín hoặc máy cán có gia nhiệt một cách liên tục Từ năm 1983, NBR dạng bột được chế tạo từ dạng bánh với nhiều chủng loại khác nhau

Cũng như các polyme blend khác, tính chất cơ lý của blend NBR/PVC phụ thuộc vào nhiều thông số của vật liệu và điều kiện công

Nguyễn Thị Hạnh 10 Lớp: K37C CN Hóa

nghệ

Các chất độn thông thường như bột Talc, CaCO3, CaSO4…v.v được đưa vào blend có tác dụng cải thiện một số tính chất của sản phẩm, song chủ yếu để hạ giá thành của vật liệu [4]

Khi cho NBR vào PVC NBR hoạt động như một chất hóa dẻo cho nhựa PVC trong các lĩnh vực như làm sợi dây và cáp cách điện, thùng chứa thực phẩm, vỏ thùng dùng để chứa dầu…v.v Mặt khác, PVC giúp cải thiện tính kháng ozon, lão hóa nhiệt và kháng chất hóa học của NBR trong các lĩnh vực như làm các miếng đệm, vỏ băng tải,

vỏ trục in ấn,…v.v PVC cũng cải thiện tính bền mài mòn, chịu mòn, và các tính chất bền kéo, làm tăng đặc tính chống cháy Blend PVC/NBR

có thể được xay nghiền, ép đùn và đúc nén dễ dàng khi sử dụng các thiết bị gia công truyền thống cho CSTN và CSTH [10]

Trên thị trường hiện nay thường có các hỗn hợp blend NBR/PVC với tỉ lệ 80/20 ÷ 70/30 có tính năng cơ lý cao, có khả năng bền nhiệt, chống cháy và đặc biệt có khả năng làm việc lâu dài ở nhiệt độ đến

100oC, hệ số già hóa đạt 0,9 [4] Vật liệu làm tăng khả năng kháng ozone, kháng trương nở trong dầu và tăng độ bền kéo Nhưng khả năng kháng ozone chỉ được cải thiện khi PVC phải chảy và phân tán tốt vào hỗn hợp [12]

b NBR carboxylate hóa

Khi thêm nhóm carboxylate vào NBR làm cho cao su tính kháng mài mòn và kháng xé được cải thiện Số lượng các nhóm carboxylate càng nhiều thì tính kháng xé, mài mòn và tính dai càng tốt Tuy nhiên,

sự xuất hiện của các nhóm carboxylate gây ra sự lưu hóa sớm trong quá trình gia công Vì vậy, phải chú ý dùng kẽm oxit có hoạt tính thấp [13]

Nguyễn Thị Hạnh 11 Lớp: K37C CN Hóa

c NBR trộn than đen

Một loại quan trọng khác là hỗn hợp NBR trộn than đen Chúng được sản xuất bằng cách thêm than đen vào trong latex NBR và sau đó sấy khô, tạo thành các mẫu nhỏ Hỗn hợp này có thể được sử dụng bằng cách phối trộn với polyme thô hoặc than đen khác để điều chỉnh than đen hoặc mức ACN Ưu điểm của hỗn hợp NBR trộn than đen là sự phân tán của than đen được cải thiện, các tính chất cơ lý tốt hơn và môi trường sản xuất sạch hơn [13]

1.2 Than đen - Chất độn hoạt tính trong cao su

Chất độn trong cao su là chất pha trộn vào cao su (với một lượng lớn) giúp cho hỗn hợp cao su lưu hóa tăng cường được các tính chất cơ học [3]

Các chất độn có ảnh hưởng đến quá trình chế biến và các đặc tính lưu hóa của cao su Các chất độn được dùng để củng cố và tăng cường các đặc tính bền, màu sắc của vật liệu, làm giảm giá thành sản phẩm, giúp thay đổi xử lý các đặc tính của vật liệu [14]

Than đen là chất độn tăng cường lực, chủ yếu được dùng trong các hợp chất cao su, dùng để cải thiện độ bền và độ vững chắc của cao

Nguyễn Thị Hạnh 12 Lớp: K37C CN Hóa

kết cacbon không no của các hạt ở bề mặt, điều này giúp cho chúng hoạt động hóa học Vòng cacbon riêng lẻ không tồn tại như một thực thể riêng lẻ mà dạng kết tụ, chúng có thể kết thành khối, mạch của chúng có kích thước và hình dạng thay đổi Kích thước hạt trung bình, hình dạng kết tụ là những yếu tố chính ứng dụng than đen vào trong từng loại cao su

Phân tích cấu tạo và cấu trúc của than hoạt tính bằng tia Rơngen cho thấy: Các hạt than hoạt tính có cấu trúc mạng phẳng có cấu tạo từ các vòng cacbon (vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong vòng giống

vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong benzen) Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học Khoảng 3 đến 7 mạng cacbon phẳng như vậy sắp xếp thành từng lớp mạng này trên mạng khác nhưng không chồng khít và chính xác lên nhau mà các nguyên tử cacbon ở các mạng khác nhau nằm lệch nhau tạo thành các tinh thể sơ khai của than hoạt tính Lực liên kết giữa các nguyên tử cacbon ở các mạng khác nhau nhỏ hơn nhiều so với lực liên kết giữa các nguyên tử cacbon trong cùng một mạng Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon trong cùng một mạng là 1,42Aº Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon tương ứng ở hai mạng kề nhau là 3,6Aº đến 3,7Aº (hình1.1)

Hình 1.1 Cấu tạo các lớp

mạng của than đen

Nguyễn Thị Hạnh 13 Lớp: K37C CN Hóa

Trong mỗi tinh thể sơ khai của than hoạt tính chứa khoảng 100 đến 200 nguyên tử cacbon Các tinh thể sơ khai sắp xếp tự do và liên kết với nhau để tạo thành các hạt than đầu tiên Số lượng các tinh thể sơ khai chứa trong hạt than quyết định đến kích thước hạt Trong quá trình sản xuất than do có sự va chạm, khuấy trộn các hạt than sơ khai thường

có cấu trúc khối cầu hoặc gần khối cầu Các khối cầu nằm bên nhau trong hỗn hợp phản ứng lại liên kết với nhau làm tăng kích thước của hạt để giảm năng lượng tự do bề mặt và tạo thành các chuỗi Hình dạng

và kích thước các chuỗi phụ thuộc vào tính chất của từng loại than Các hạt than như vậy được gọi là cấu trúc bậc nhất của than hoạt tính

Trong các tinh thể khối của than hoạt tính các nguyên tử cacbon nằm ở mặt ngoài (nguyên tử cacbon cạnh hoặc mép) có mức độ hoạt động hóa học lớn và vì vậy nó là các trung tâm của các quá trình oxy hóa tạo cho bề mặt than hoạt tính hàng loạt các nhóm hoạt động hóa học khác như nhóm hydroxyl, cacboxyl, cacbonyl, xeton…

Sự có mặt các nhóm phân cực trên bề mặt than hoạt tính là yếu tố quan trọng quyết định khả năng tác dụng hóa học, lý học của than hoạt tính với các nhóm phân cực, các liên kết đôi có trong mạch đại phân tử Dựa vào thành phần nguyên tố hóa học của than hoạt tính có thể chọn loại than thích hợp cho từng loại cao su để đạt được lực tác dụng giữa than và mạch cao su lớn nhất Tuy nhiên để tăng cường tính chất cơ lý của vật liệu yếu tố quan trọng lại là các đặc trưng kĩ thuật của than mà một trong các đặc trưng quan trọng đó là: Độ phân tán của than, cấu trúc và khối lượng riêng của nó [2]

Đã có nhiều tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng than đen đến tính chất cao su NBR Khi nghiên cứu ảnh hưởng của hàm

Nguyễn Thị Hạnh 14 Lớp: K37C CN Hóa

lượng than đen tới độ bền kéo, độ bền nén, độ cứng và tính chất mài mòn của hai loại cao su SBR và NBR, tác giả A.Mostafa (Ai Cập) và các cộng sự thấy rằng: Với cả hai cao su, khi có than đen độ bền của mẫu cao hơn khi không có Độ bền kéo của các mẫu có than đen tăng, trong khi độ dãn dài lại giảm Điều này do tăng mật độ liên kết ngang trong cao su và giảm tính linh động của cao su Độ cứng của vật liệu có than đen cao hơn mẫu không có than đen Hàm lượng than đen tăng, độ cứng vật liệu tăng Với cả hai loại cao su SBR và NBR, khi được gia cường bằng than đen, khả năng chống mài mòn của vật liệu được gia tăng Khả năng chống mài mòn của vật liệu tăng khi tăng hàm lượng than đen [6]

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng than đen tới độ trương trong dầu và độ bền nén của hai cao su SBR và NBR A.Mostafa* và các cộng sự cũng thấy rằng ở cùng hàm lượng than đen, thời gian và nhiệt

độ thử nghiệm thì độ trương trong dầu giảm khi tăng hàm lượng than đen ở cả hai mẫu cao su Ở cùng hàm lượng than đen mẫu NBR có độ trương trong dầu thấp hơn mẫu SBR do mật độ liên kết ngang trong cao

su NBR nhiều hơn cao su SBR [7]

Phân loại

Than đen sử dụng cho ngành cao su được phân loại như sau:

Theo phương pháp chế tạo, gồm có: Than máng (channel), than lò (furnace), than nhiệt (thermic)

Theo mô hình gồm có: N220, N330, N550, N234, N660…

Đây là tên hệ thống của than đen, với chữ cái đầu tiên thể hiện cho tốc độ lưu hóa cao su N đại diện cho tốc độ lưu hóa bình thường S đại diện cho tốc độ lưu hóa chậm Chữ số đầu tiên là đại diện cho kích

Yêu cầu than đen dùng làm chất độn [3]

Phải có độ mịn cao (đường kính phần tử và cỡ hạt chất độn, cần kiểm tra qua các loại rây)

Phân tán thật tốt trong cao su: tránh sự kết tụ mà mắt thường khó thấy được

Cần phải lưu ý tới các tính chất:

+ pH của chất độn: Ảnh hưởng tới tốc độ lưu hóa hay tác dụng của chất xúc tiến

+ Độ hấp thụ hóa chất khác: ảnh hưởng lượng dùng, thành phần cấu tạo công thức

+ Hàm lượng tạp chất: Chì, cacdimi, sắt… ảnh hưởng đến màu sắc của sản phẩm lưu hóa Đồng, mangan: ảnh hưởng đến độ lão hóa

+ Độ ẩm: Ảnh hưởng đến khả năng phân tán trong cao su và tốc

độ lưu hóa

+ Lượng dùng chất độn: Ảnh hưởng đến các tính chất của hỗn hợp cao su sống và sản phẩm lưu hóa

Phát hiện này đã đánh dấu sự kết thúc quá trình sử dụng bạc trượt bằng gỗ, cao su đã trở thành vật liệu tiêu chuẩn trong thiết kế bạc trượt

tự bôi trơn bằng nước

Hình 1.2 Cao su được sử

dụng trong chế tạo bạc trượt

bôi trơn nước [20]

Nguyễn Thị Hạnh 17 Lớp: K37C CN Hóa

Cao su là loại vật liệu có tính chất vô cùng quý giá Khác với các vật thể rắn, cao su có độ bền cơ học thấp hơn, nhưng có đại lượng biến dạng, đàn hồi lớn hơn nhiều Khi bị tác dụng bởi ngoại lực, những sản phẩm cao su có khả năng biến dạng hàng chục lần so với kích thước ban đầu Kích thước ban đầu lại được thiết lập ngay sau khi loại bỏ ngoại lực

Cao su là một hỗn hợp gồm nhiều cấu tử, cũng như những hệ hóa học khác, các tính chất cơ lý, hóa đặc trưng cho hợp phần cao su phụ thuộc vào bản chất hóa học các cấu tử, kích thước hay mức độ phân tán các cấu tử trong khối cao su, sự tác động tương hỗ lẫn nhau và giữa chúng với môi trường phân tán là cao su trong hỗn hợp Lựa chọn các chất phụ gia thích hợp, xác định hàm lượng của chúng trong hợp phần cao su sao cho sự có mặt của mỗi chất không làm giảm hiệu quả sử dụng của các chất khác hoặc lại có tác dụng tăng cường hiệu quả sử dụng các chất phối hợp khác là yếu tố quan trọng nâng cao tính năng kỹ thuật của hợp phần cao su

Công nghệ gia công, chế tạo sản phẩm cao su là yếu tố quan trọng

có ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật, thời gian sử dụng sản phẩm đó Điều kiện công nghệ, máy và thiết bị tiến hành hỗn luyện khác nhau có thể nhận được các hỗn hợp cao su mà mức độ phân tán các cấu tử trong

nó khác nhau

Từ năm 2000 tới 2003, Trường đại học Liverpool John Moores khi khảo sát hoạt động bạc trượt bằng kính hiển vi, cùng với tính toán động lực học chất lỏng, đã chứng minh được rằng dưới sự quay của trục, tính mềm dẻo của bề mặt cao su là nguyên nhân làm nó hơi bị lõm xuống Điều này để lại những lỗ hổng nhỏ với chiều sâu một vài micro,