1.4 Tổng quan về tro trấu, than đen và silica
1.4.3 Than hoạt tính (than đen)
Than đen là sản phẩm cháy không hoàn toàn của các hợp chất hydrocacbon.
Phân tích cấu tạo và cấu trúc của than hoạt tính cho thấy các hạt than hoạt tính có cấu trúc mạng phẳng và có cấu tạo từ các vòng cacbon. Các nguyên tử cacbon sắp xếp không có trật tự tạo nên trạng thái vô định hình, là một chất liệu xốp, có rất nhiều lỗ nhỏ. Các nguyên tử Carbon liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học. Khoảng 3 đến 7 mạng cacbon phẳng nhƣ vậy sắp xếp thành từng lớp mạng này trên mạng khác nhƣng không chồng khít và chính xác lên 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 một mạng. Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon trong cùng một mạng là 1,42 A0, khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon ở hai mạng kề nhau là 3,6A0đến 3,7 A0.
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 đầu tiên. Số lƣợng các tinh thể sơ khai chứa trong hạt than quyết định kích thước của hạt .[22]
1.4.3.1 Tính chất vật lí của than hoạt tính[23]
Kích thước hạt và bề mặt than hoạt tính
Trong quá trình sản xuất do có sự va chạm, khuấy trộn. Các hạt than sơ khai thường có cấu trúc khối cầu hoặc gần với khối cầu. Chúng nằm bên nhau trong hỗn hợp phản ứng lại liên kết với nhau làm tăng kích thước của hạt để giảm năng lƣợng tự do bề mặt và tạo thành các chuỗi. Những chuỗi thay đổi này không những trong quá trình sản xuất than mà cả trong quá trình gia công giữa than hoạt tính và cao su. Có các phương pháp sản xuất than hoạt tínhkhác nhau. Nên trước khi đưa vào sử dụng cần xác định các thông số ( kích thước hạt, diện tích riêng bề mặt hạt than). Vì những thông số này là một trong những nhân tố ảnh hưởng đến tính chất của cao su tăng cường lực bằng than hoạt tính.
Diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính
Phương pháp tính toán hình học, theo lượng chất lỏng phân tử thấp hoàn toàn trơ hóa học với than hoạt tính, nhƣng lại đƣợc hấp thụ trên bề mặt của than hoạt tính.
13
Hình 1.7 Diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính
Tính chất vật lí của than hoạt tính
Cấu trúc vật lý đƣợc đánh giá bằng mức độ phát triển cấu trúc bậc nhất của nó, phát triển mạnh nhất trong than sản xuất bằng phương pháp lò. Liên kết hóa học C-C đảm bảo cho cấu trúc có độ bền cao. Trong thời gian bảo quản than hoạt tính, các cấu trúc bậc nhất của than tiếp xúc với nhau, liên kết lại tạo thành liên kết bậc hai của than hoạt tính. Mức độ bền của nó phụ thuộc vào độ bền liên kết giữa của các cấu trúc bậc nhất và dao động trong khoảng độ bền của liên kết Vandecvan đến độ bền liên kết hydro có trong than. Cấu trúc bậc hai càng bền thì kích thước hạt than càng nhỏ, mức độ nhám của bề mặt càng lớn và hàm lƣợng các nhóm chứa oxy trên bề mặt than càng cao. Nó sẽ bị phá hủy hết khi hỗn hợp luyện với cao su các cấu trúc này. Tuy nhiên, có thể tái hình thành khi bảo quản thành phẩm, lưu hóa và ngay cả khi sản phẩm đã lưu hóa.
Cấu trúc của than hoạt tính có thể xác định bằng kính hiển vi điện tử và có thể đánh giá gián tiếp qua lƣợng dầu đƣợc than hoạt tính hấp thu.
Khối lƣợng riêng của than hoạt tính
Là đại lượng phụ thuộc vào phương pháp xác định nó: là axeton và rượu, dao động từ 1800 - 1900 kg/m3, trong heli lỏng từ 1900 – 2000 kg/m3, hằng số mạng tinh thể 2160 - 2180 kg/m3.
Than hoạt tính dạng bột là các hạt nằm sát nhau, ở các góc cạnh, các cung là không khí nên dao động từ 80 - 300 kg/m3.
Qua ứng dụng của than hoạt tính, người ta thấy rằng khối lượng riêng 1860kg/m3 đƣợc sử dụng khá phổ biến.
14 1.4.3.2 Tính chất hóa học của than hoạt tính
Hình 1.8 Cấu trúc hạt than hoạt tính
Ngoài carbon, trong thành phần hóa học của than hoạt tính còn có Hydro, lưu huỳnh, oxy và các khoáng chất khác. Các nguyên tử này đƣợc đƣa vào than hoạt tính cùng với nguyên liệu đầu và trong quá trình oxy hóa. Sự có mặt của các hợp chất chứa oxy trên bề mặt than, đƣợc chứng minh bắng axit huyền phù trong nước của than hoạt tính. Sự có mặt của các khoáng chất trong than hoạt tính cho phàn ứng kiềm yếu.
Bảng 1.1 Bảng thành phần nguyên tố hóa học của một số loại than đen
Loại Carbon Hydro Oxy Chất dễ
bay hơi Tăng cường
máng 95,2 % 3,6 % 0,6 % 5 %
Bán tăng
cường lò 99,2 % 0,4 % 0,3 % 1,2 %
Tăng cường lò
lỏng 98,2 % 0,8 % 0,3 % 1,4 %
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, liên kết đôi có trong mạch đại phân tử. Dựa vào đó có thể chọn loại than thích hợp.
1.4.3.3 Ứng dụng của than đen trong sản xuất cao su
Than đen là chất độn gia cường chủ yếu được dùng trong công nghệ gia công cao su. Sự có mặt của than đen trong hợp phần cao su với hàm lƣợng cần thiết làm tăng các tính chất cơ lý của cao su nhƣ độ bền kéo đứt, xé rách, bền mài mòn, độ cứng, modul đàn hồi của vật liệu.
15
Sự có mặt của các nhóm phân cực trên bề mặt than đen là yếu tố quan trọng quyết định khả năng tác dụng hóa học, lý học của than đen với các nhóm phân cực, các liên kết đôi có trong mạch đại phân tử. Dựa vào các thành phần nguyên tố hóa học của than đen có thể chọn loại than đen thích hợp cho từng loại cao su để đạt đƣợc lực tác dụng giữa than và mạch cao su lớn nhất.
Ngoài các cách phân loại trên, người ta còn phân loại theo tính năng tác dụng và lĩnh vực sử dụng của chúng. Tuy có sự phân loại đa dạng nhƣng chúng đều có các đặc trưng quan trọng chung quyết định đến khả năng gia cường lực cho polyme nói chung và cao su nói riêng đó là: độ phân tán của than, cấu trúc và khối lượng riêng của nó.
Nghiên cứu quá trình tăng cường lực polyme bằng các chất độn gia cường như than đen và oxit silic, G.Kraus, G.Rener,… đã đi đến kết luận: giữa polyme và than đen có nhiều loại tác dụng lực Van der Waals, lực liên kết hidro và trong nhiều trường hợp giữa polyme và than đen xuất hiện liên kết hóa học đảm bảo cho hợp phần cao su – than đen có độ bền cơ học cao. Sự có mặt của những ái lực giữa hai loại vật liệu này giữ vai trò quan trọng trong quá trình tăng cường lực. Hiệu quả tăng cường lực cao su bằng than đencó thể xác định bằng cách xác định các tính chất cơ lý của cao su độn [13, 14].