Tối ưu hóa thời gian lưu hóa cao su bằng phương pháp trường nhiệt độ kết hợp với mô phỏng

Vì vậy khi lốp xe được lưu hóa với thời gian chưa phù hợp thì tính năng sử dụng của sản phẩm bị suy giảm rất nghiêm trọng, tuổi thọ sử dụng của sản phẩm giảm xuống làm giảm tính cạnh tra

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN VĂN HẢI TỐI ƯU HÓA THỜI GIAN LƯU HÓA CAO SU

BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ

KẾT HỢP VỚI MÔ PHỎNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS PHAN THẾ ANH

2 PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Phản biện 1: TS Dương Thế Hy

Phản biện 2: PGS.TS Lê Minh Đức

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày

27 tháng 09 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách

khoa

 Thư viện Khoa hóa, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU 1

Mục tiêu của đề tài 2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

Những đóng góp mới của luận văn 2

Cấu trúc của luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 3

1.1 NGUYÊN LIỆU CHÍNH SỬ DỤNG TRONG SẢN PHẨM CAO SU 3

1.1.1 Cao su thiên nhiên 3

1.1.2 Cao su tổng hợp 3

1.1.3 Chất độn 3

1.1.4 Chất hóa dẻo 3

1.1.5 Chất lưu hóa 3

1.1.6 Chất xúc tiến 3

1.1.7 Chất trợ xúc tiến lưu hóa 3

1.1.8 Chất phòng tự lưu 3

1.1.9 Chất phòng lão hóa 3

1.1.10 Chất kết dính 3

1.1.11 Vật liệu sợi 3

1.2 THIẾT LẬP CÔNG THỨC PHA CHẾ VÀ CÔNG NGHỆ PHỐI TRỘN 3

1.2.1 Khái niệm thiết kế pha chế: 3

1.2.2 Thiết lập đơn pha chế 3

1.3 CÔNG NGHỆ LƯU HÓA CAO SU 4

1.3.1 Khái niệm về lưu hóa 4

1.3.2 Các giai đoạn chính của quá trình lưu hóa 4

1.3.3 Cơ chế của phản ứng lưu hóa cao su 4

1.3.5 Thời gian lưu hóa tương đương 5

1.3.6 Mức độ lưu hóa của cao su 5

1.4.2 Năng lượng hoạt hóa (E) 6

1.4.3 Nhiệt dung riêng (C) 6

1.4.4 Hệ số dẫn nhiệt (λ) 6

CHƯƠNG 2:ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 7

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 7

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7

2.3.1 Sơ đồ thực nghiệm 7

2.3.2 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 9

2.3.3 Nguyên vật liệu sử dụng trong thí nghiệm 9

2.3.4 Các hợp phần cao su và quy trình phối trộn 9

2.3.5 Các quy trình thực nghiệm 9

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 11

3.1 XÁC ĐỊNH KHOẢNG NHIỆT ĐỘ LƯU HÓA PHÙ HỢP 11 3.1.1 Kết quả kiểm tra tính lưu biến cao su và xác định thời gian lưu hóa mẫu 11

3.1.2 Kết quả kiểm tra tính năng cơ lý cao su TR và SB 11

3.2 ĐỘ LỆCH TỐC ĐỘ LƯU HÓA 12

3.2.1 Kết quả kiểm tra đặc tính kỹ thuật của cao su mặt lốp 12

3.2.2 Kết quả kiểm tra lưu biến cao su SB với hàm lượng xúc tiến khác nhau 12

3.2.3 Kết quả kiểm tra cơ lý cao su SB với hàm lượng xúc tiến khác nhau 12

3.2.4 Kết quả kiểm tra cường độ kết dính giữa cao su TR và SB 12 3.2.5 Sự phụ thuộc của cường độ kết dính vào độ lệch tốc độ lưu hóa 13

3.2.6 Xác định thời gian lưu hóa phù hợp của các hợp phần cao su 13

Nhận xét 14

3.3 TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN LƯU HÓA TƯƠNG ĐƯƠNG 14

3.3.1 Trường nhiệt độ lưu hóa 14

3.3.2 Tính năng lượng hoạt hóa của các hợp phần cao su 15

3.3.3 Tính thời gian lưu hóa tương đương tại các điểm đo 16

Nhận xét 17

3.4 TỐI ƯU THỜI GIAN LƯU HÓA LỐP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH 17

3.4.1 Tính các thông số nhiệt của vật liệu 17

3.4.2 Mô phỏng quá trình lưu hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn 18

Nhận xét 23

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 24

MỞ ĐẦU

Hệ thống giao thông vận tải được coi là một trong những huyết mạch quan trọng nhất của tất cả các nền kinh tế, trong đó vận tải bộ không thể bị thay thế bởi tính cơ động, tiện lợi, thích nghi với mọi địa hình và phù hợp với mọi cung đường Ngành vận tải bộ không thể hoạt động nếu thiếu đi chiếc lốp xe và cần thay thế sau một thời gian

sử dụng

Lưu hóa là công đoạn cuối cùng trong quy trình công nghệ sản xuất lốp xe và là yếu tố góp phần quyết định đến độ bền của sản phẩm trong quá trình sử dụng Kết cấu lốp ôtô phức tạp và có chiều dày lớn, hơn nữa cao su có độ truyền nhiệt kém và không bền ở nhiệt

độ cao Vì vậy khi lốp xe được lưu hóa với thời gian chưa phù hợp thì tính năng sử dụng của sản phẩm bị suy giảm rất nghiêm trọng, tuổi thọ sử dụng của sản phẩm giảm xuống làm giảm tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường, đồng thời lượng cao su phát thải tăng lên, gây ô nhiễm môi trường

Theo dòng chảy về quá trình công nghiệp hóa trên thế giới, trong những năm gần đây việc sản xuất các sản phẩm cao su (lốp xe)

có xu hướng dịch chuyển về các nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam Tuy nhiên việc phát triển khoa học công nghệ và đầu tư nghiên cứu để tiến đến làm chủ ngành công nghiệp này hiện còn rất hạn chế Hiện nay tại Việt Nam, các nhà máy sản xuất sản phẩm cao

su chủ yếu dựa vào phương pháp tính theo tỉ lệ chiều dày của sản phẩm để ước lượng thời gian lưu hóa mà chưa có nghiên cứu tính toán một cách khoa học Chính vì vậy mà chất lượng sử dụng của sản phẩm không tốt, năng suất lao động thấp và chi phí sản xuất cao

Vì vậy tôi chọn đề tài “Tối ưu hóa thời gian lưu hóa cao su bằng phương pháp trường nhiệt độ kết hợp với mô phỏng” để

nghiên cứu làm luận văn thạc sĩ

Mục tiêu của đề tài

- Xác định thời gian lưu hóa tối ưu cho sản phẩm cao su có kết cấu phức tạp và chiều dày lớn

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Sản phẩm cao su có chiều dày lớn, lốp ô-tô tải radial toàn thép (quy cách 11.00R20/HI79)

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đề tài nghiên cứu sẽ làm cơ sở cho việc nghiên cứu các hợp phần cao su có tính chất cơ lý và công nghệ đáp ứng các yêu cầu sử dụng thực tế và nghiên cứu chuyên sâu về tính kết dính, truyền nhiệt trong cao su

- Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ được ứng dụng để tính toán thời gian lưu hóa cho các sản phẩm cao su có kết cấu phức tạp và chiều dày lớn, nhằm góp phần nâng cao chất lượng sử dụng, tăng năng suất và giảm thiểu chi phí sản xuất

Những đóng góp mới của luận văn

- Đánh giá được ảnh hưởng của các thông số nhiệt của cao su đến quá trình lưu hóa

- Chứng minh sự phụ thuộc của độ lệch tốc độ lưu hóa đến cường độ kết dính của các lớp cao su liên tiếp

- Xác định được phương pháp tính toán thời gian lưu hóa cao su một cách có hệ thống và khoa học

Cấu trúc của luận văn

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan lý thuyết

- Chương 2: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

- Chương 3: Kết quả và thảo luận

- Kết luận và kiến nghị

- Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 NGUYÊN LIỆU CHÍNH SỬ DỤNG TRONG SẢN PHẨM CAO SU

1.1.1 Cao su thiên nhiên

1.2.1 Khái niệm thiết kế pha chế:

Thiết kế pha chế cao su chính là dựa vào những yêu cầu về tính năng của sản phẩm cao su và điều kiện công nghệ để lựa chọn chủng loại và tỷ lệ sử dụng nguyên vật liệu một cách hợp lý nhằm đảm bảo hài hòa giữa tính năng cơ học vật lý, tính năng công nghệ và giá thành sản phẩm

1.2.2 Thiết lập đơn pha chế

- Trong hợp phần cao su thì cao su nguyên liệu được tính là 100 phr, các loại nguyên liệu khác được tính theo cao su nguyên liệu

1.2.3 Công nghệ phối trộn

1.3 CÔNG NGHỆ LƯU HÓA CAO SU

1.3.1 Khái niệm về lưu hóa

Quá trình nhằm thay đổi tính chất cơ lý tốt hơn, làm xuất hiện biến dạng đàn hồi cao của cao su dưới tác dụng của chất lưu hóa và nhiệt độ được gọi là quá trình lưu hoá cao su Tính chất cơ lý của cao

su phụ thuộc vào nhiêt độ, thời gian và áp suất nén lưu hóa cao su

1.3.2 Các giai đoạn chính của quá trình lưu hóa

Quá trình lưu hóa cao su

được chia làm 4 giai đoạn như

trên Hình 1.6

- Giai khởi đầu lưu hóa (AB)

- Giai đoạn bán lưu hóa (BC)

- Giai đoạn lưu hóa tối ưu (CD)

- Giai đoạn quá lưu (DE)

1.3.3 Cơ chế của phản ứng lưu hóa cao su

Cơ chế của phản ứng lưu hóa bằng lưu huỳnh với sự có mặt của xúc tiến lưu hóa được chia thành 5 giai đoạn sau: Giai đoạn hình thành muối kẽm; giai đoạn hình thành polysulfide mercaptan; giai đoạn mạch đại phân tử cao su liên kết polysulfide mercaptan; giai

đoạn hình thành liên kết ngang; giai đoạn ổn định mạng lưới

1.3.4 Vận tốc lưu hóa

Vận tốc lưu hoá cao su được xác định dựa trên giá trị nghịch đảo của thời gian lưu hoá cần thiết để nhận được hợp phần cao su với những tính năng kỹ thuật tối ưu Hằng số vận tốc được xác định bằng phương trình Arrhenius (1.3)

Hình 1.6 Đồ thị các giai đoạn lưu

hóa cao su

k = S eR.T−E

Mức độ phụ thuộc vận tốc lưu hoá được xác định bằng năng lượng hoạt hoá E của quá trình lưu hoá

1.3.5 Thời gian lưu hóa tương đương

Thời gian lưu hóa tương đương là khoảng thời gian lưu hóa cần thiết ở nhiệt độ biểu kiến không đổi để lưu hóa hợp phần cao su nhằm đạt được những tính chất cơ lý đúng như tính chất cơ lý của hợp phần cao su đó được lưu hóa ở điều kiện nhiệt độ thực tế Thời gian lưu

hóa tương đương có thể được xác định theo 2 công thức sau:

+ Khi biết hệ số nhiệt độ của quá trình lưu hóa K và sự thay đổi nhiệt độ lưu hóa T trong khoảng thời gian lưu hóa t

+ Khi biết năng lượng hoạt hóa E và sự thay đổi nhiệt độ lưu hóa T trong khoảng thời gian lưu hóa t

Điều kiện lưu hóa các sản phẩm có chiều dày lớn là phải lựa chọn sao cho đương lượng thời gian lưu hóa nằm trong vùng lưu hóa của quá trình lưu hóa vật liệu trong điều kiện nhiệt độ biểu kiến không đổi

1.3.6 Mức độ lưu hóa của cao su

Mức độ lưu hóa được tính bằng tỉ số giữa thời gian lưu hóa tương đương (teq) và t90, đơn vị là phần trăm (%)

1.4 CÁC THÔNG SỐ NHIỆT CỦA VẬT LIỆU

1.4.1 Hệ số nhiệt độ lưu hóa (K)

Khi có thời gian lưu hóa t1, t2 của hợp phần cao su ở hai nhiệt

độ lưu hóa T1, T2 khác nhau thì sẽ xác định được hệ số nhiệt độ lưu hóa K theo công thức (1.6)

(1.5) (1.3)

K = (t1

t 2)T2− T110

1.4.2 Năng lượng hoạt hóa (E)

Từ phương trình Arrhenius (1.3) suy ra :

E = R T1 T2

T2− T1 lnt1

t2 (1.7) Vậy khi có thời gian lưu hóa t1, t2 của hợp phần cao su ở 2 nhiệt

độ lưu hóa T1, T2 khác nhau thì tính được năng lượng hoạt hóa E (J/mol) theo công thức (1.7)

1.4.3 Nhiệt dung riêng (C)

Với hợp phần cao su thì nhiệt dung riêng được xác định bằng phương pháp cộng tính về khối lượng, đơn vị là Kcal/(m3.K)

Chh = ∑Ci mi (1.8)

1.4.4 Hệ số dẫn nhiệt (λ)

Với hợp phần cao su thì hệ số dẫn nhiệt được xác định bằng phương pháp cộng tính về thể tích, đơn vị hệ số dẫn nhiệt là Kcal/(m.h.K)

(1.6)

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Lốp ôtô tải radial toàn thép có kết cấu phức tạp và chiều dày

lớn, phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài Vì vậy tôi chọn quy cách lốp 11.00R20/HI79 làm đối tượng nghiên cứu cho luận văn này

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Xác định khoảng nhiệt độ lưu hóa phù hợp cho các hợp phần cao su khác nhau trong lốp xe để làm cơ sở cho việc tính toán tối ưu thời gian lưu hóa lốp

- Xác định độ lệch tốc độ lưu hóa và tốc độ lưu hóa phù hợp của các hợp phần cao su

- Xác định trường nhiệt độ trong quá trình lưu hóa lốp và tính toán thời gian lưu hóa tương đương tại các điểm

- Tối ưu thời gian lưu hóa lốp bằng phương pháp mô phỏng 2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.3.1 Sơ đồ thực nghiệm

Các bước tiến hành nghiên cứu cho đề tài của luận văn được thiết kế trên sơ đồ thực nghiệm theo Hình 2.2

Hình 2.2 Lưu đồ thực nghiệm

2.3.3 Nguyên vật liệu sử dụng trong thí nghiệm

2.3.4 Các hợp phần cao su và quy trình phối trộn

- Hợp phần cao su mặt lốp (Tread Rubber - TR) sử dụng cho thí nghiệm xác định nhiệt độ lưu hóa phù hợp

- Hợp phần cao su cán tráng lớp hoãn xung (Steel Belt Rubber - SB)

sử dụng cho thí nghiệm xác định nhiệt độ lưu hóa phù hợp

- Hơp phần cao su tráng lớp hoãn xung SB với sự thay đổi hàm lượng xúc tiến NOBS khác nhau sử dụng cho thí nghiệm độ lệch tốc độ lưu hóa

* Quy trình phối trộn: Luyện giai đoạn 1 trên máy luyện kín 1,8 lít

(hệ số nạp liệu 0,7); giai đoạn 2 trên máy luyện 1,8 lít (hệ số nạp liệu 0,68); xuất tấm trên máy luyện hở Ф160 (mm)

Ngoài các hợp phần cao su trên, luận văn còn sử dụng các hợp phần cao su đang sản xuất cho quy cách lốp 11.00R20/HI79 tại DRC như sau: hợp phần cao su mặt chạy T113; hợp phần cao su đế lốp U510; hợp phần cao su cán tráng lớp hoãn xung B830; hợp phần cao

su cán tráng vải thân lốp C870; hợp phần cao su tầng lót trong I910

2.3.5 Các quy trình thực nghiệm

A- Quy trình xác định khoảng nhiệt độ lưu hóa phù hợp

 Phối trộn hợp phần cao su TR và SB

 Kiểm tra tính lưu biến của TR và SB ở các mức nhiệt độ

 Xác định thời gian lưu hóa mẫu với từng mức nhiệt độ

 Đo tính năng cơ lý các mẫu

 Vẽ đồ thị, xác định nhiệt độ lưu hóa phù hợp

B- Quy trình xác định độ lệch tốc độ lưu hóa

 Sử dụng cố định hợp phần cao su TR đang sản xuất tại DRC

 Phối trộn các hợp phần cao su SB thay đổi hàm lượng xúc tiến NOBS

 Xác định thời gian lưu hóa t90 ở nhiệt độ 150oC

 Dán hợp cao su TR với các mẫu SB có tốc độ lưu hóa t90khác nhau, lưu hóa mẫu và kiểm tra cường độ kết dính khi bóc tách

 Vẽ đồ thị tương quan giữa cường độ kết dính y và độ lệch tốc độ lưu hóa x (%) và xác định phương trình tương quan y = f(x)

Từ đó tính ra độ lệch giới hạn theo cường độ kết dính yêu cầu

 Sử dụng độ lệch này để kiểm tra sự phù hợp tốc độ lưu hóa của các hợp phần cao su sử dụng trong lốp nhằm đảm bảo tính kết dính sau khi lưu hóa

C- Quy trình xác định trường nhiệt độ lưu hóa và tính thời gian lưu hóa tương đương tại các điểm đo

Trường nhiệt độ là hàm số của tọa độ và thời gian t = f(x,y,z,t) Dùng cặp nhiệt điện cắm vào vị trí cần khảo sát nhiệt, thông qua bộ phận chuyển đổi từ điện thế sang nhiệt độ để ghi lại quá trình thay đổi nhiệt theo thời gian Đương lượng thời gian lưu hóa được tính theo công thức (1.5)

D- Quy trình mô phỏng quá trình lưu hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)

Để xác định được điểm chín cuối cùng trong toàn bộ sản phẩm thì luận án này sử dụng phần mềm CORONA - ứng dụng phương pháp PTHH để phân tích Đương lượng thời gian lưu hóa của phương pháp này được tính theo công thức (1.4)

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 XÁC ĐỊNH KHOẢNG NHIỆT ĐỘ LƯU HÓA PHÙ HỢP 3.1.1 Kết quả kiểm tra tính lưu biến cao su và xác định thời gian lưu hóa mẫu

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng khi tăng nhiệt độ lưu hóa, tốc độ phản ứng lưu hóa tăng và cứ mỗi nhiệt độ tăng lên 10oC thì tốc

độ phản ứng tăng lên khoảng 2 lần trong khoảng từ 1,91 đến 2,12 Điều này hoàn toàn phù hợp với động học các phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp Tuy vây, khi nhiệt độ lưu hóa tăng từ 130 đến 170oC thì mức độ tăng momen (MH-ML) có xu hướng giảm dần Kết quả này chứng tỏ rằng nhiệt độ lưu hóa càng cao thì mức độ suy giảm tính năng cơ lý càng tăng lên

3.1.2 Kết quả kiểm tra tính năng cơ lý cao su TR và SB

Khi tăng nhiệt độ lưu hóa mẫu từ 130oC đến 170oC tương ứng với thời gian lưu hóa giảm thì các chỉ cơ lý có sự biến đổi như sau: + Modul (ứng lực định dãn) và độ cứng của 2 hợp phần cao su đều có xu hướng giảm dần, đồng thời độ dãn dài sẽ tăng lên

+ Độ bền kéo đứt của cao su TR có sự suy giảm rất nhỏ và độ bền kéo đứt của cao su SB có sự suy giảm rõ rệt

+ Độ bền xé rách của cao su SB có xu hướng giảm trong khi đó

độ bền xé rách của cao su TR có xu hướng ngược lại theo chiều tăng nhiệt độ lưu hóa

+ Độ chịu mài mòn của cao su TR có xu hướng giảm dần theo chiều tăng nhiệt độ lưu hóa

+ Lực kết dính của cao su SB với sợi mành thép có xu hướng hình thành đỉnh ở khoảng nhiệt độ lưu hóa 145oC đến 155oC

Nhận xét:

Yêu cầu chính trong việc sử dụng lốp xe là tuổi thọ sử dụng và

độ an toàn của lốp khi vận hành Căn cứ vào các kết quả thí nghiệm