Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
d. Cao su Butyl (IIR - Isobutylene-isoprene Rubber)

d. Cao su Butyl (IIR - Isobutylene-isoprene Rubber)

Tải bản đầy đủ - 0trang

Khóa luận tốt nghiệp



35



của cao su butyl. Một số tính chất của cao su butyl: biến dạng đàn hồi kém ở nhiệt

độ phòng, tính tưng nảy thấp, tính kháng mài mòn, độ bền kéo xé, tính kháng cháy

của cao su butyl kém, bền lão hóa với thời tiết, oxy, ozone, dầu.

Brom và Clo có thể được cho vào phần isoprene của IIR để tạo thành Br-IIR và

Cl-IIR. Cao su chlorobutyl (Cl-IIR) chứa khoảng 1,2% chlorine và bromobutyl

(BUR) khoảng 1,8 – 2,4% bromin. Tính chất của hai dẫn suất này khá giống với IIR

nhưng chúng dễ gia công, khả năng lưu hoá tốt hơn, dễ điều chỉnh hơn với lượng

phụ gia ít hơn, loại phụ gia dùng điều chỉnh cũng khác với IIR. Đồng thời halobutyl

có khả năng tương hợp tốt hơn hẳn so với cao su butyl nhờ vậy Br-IIR và Cl-IIR có

thể dễ dàng kết hợp với các polymer khác để tạo thành sản phẩm cao su. Tuy nhiên

cao su Br-IIR có tính chất tốt hơn, khả năng trộn luyện và lưu hóa tốt hơn hẳn so

với cao su Cl-IIR nên Br-IIR được sử dụng chủ yếu trong sản xuất[ CITATION Tài3

\l 1033 ].



Hình 3.19: Cao su Butyl.

3.2 Chất độn

2.2.1 Than đen

Than đen được sản xuất bằng cách đốt các vật liệu nên than đen dùng trong

công nghiệp cao su khơng hồn tồn tinh khiết, bao gồm các thành phần 90 – 99%

than đen, còn lại là các chất như hơi nước, bụi, các oxid kim loại, oxy, nitơ, hydro,

lưu huỳnh, các chất hữu cơ dư sau khi đốt. Than đen được ký hiệu bằng một chữ cái

và ba chữ số. Ký tự bao gồm N: mức độ lưu hóa cao su khi ngậm loại độn này là



Khóa luận tốt nghiệp



36



bình thường, S: lưu hóa chậm. Chữ số thứ nhất chỉ đường kính hạt, chữ số thứ hai,

thứ ba xác định loại sản phẩm.

Tính chất của cao su phụ thuộc vào các tính chất của than như diện tích bề

mặt,cấu trúc hình học,.. Hạt than đen có diện tích bề mặt lớn sẽ khó trộn vào trong

cao su hơn, làm tăng độ nhớt dẫn đến khó gia cơng. Kích thước hạt là nhân tố quan

trọng quyết định cơ tính của cao su sau khi lưu hóa. Khi đường kính hạt giảm (tức

diện tích bề mặt tăng) thì độ bền kéo, độ kháng xé rách, độ chống mài mòn và độ

cứng tăng.

Cấu trúc của các hạt than đen ảnh hưởng lớn đến q trình gia cơng hơn là các

tính chất của sản phẩm cuối cùng. Cấu trúc lớn làm giảm tốc độ phối trộn nhưng

tăng khả năng phân tán vào cao su, giảm mật độ kết tinh tốt cho quá trình ép đùn,

giảm mật độ lỗ xốp giúp bề mặt trở nên mịn hơn. Sau khi lưu hóa, cấu trúc của các

hạt than đen ảnh hưởng rất lớn đến tính đàn hồi, nhưng hiệu quả phụ thuộc vào hoạt

tính bề mặt. Cấu trúc không ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo và độ xé rách. Khả

năng phân tán tốt giúp nâng cao khả năng chịu mài mòn. Cao su ngậm càng nhiều

than đen sẽ có độ giãn dài sẽ càng nhỏ. Độ cứng cao su tăng theo hàm lượng than.

Bảng 3.8: Ví dụ ảnh hưởng của các loại than đen đến tính chất cao su

Độ kháng xé rách



ASTM

D1765



dn (m)



Độ bền kéo

(MPa)



Phòng thí

nghiệm



Thực tế



N 110



20 – 25



25,0



135



120



N 220



24 – 33



23,0



125



115



N 330



28 – 36



22,5



100



100



N 550



38 – 55



18,5



64



72



N 770



70 – 96



15,0



48



60



N 880



180 – 200



12,5



22



-



N 990



250 – 350



10,0



18



-



Khóa luận tốt nghiệp



37



Diện tích bề mặt than đen thường được đánh giá bằng hai phương pháp là hấp

thụ iod (mg/g) và hấp phụ nitơ. Hấp thụ iot xác định lượng iod bị hấp thụ bởi than

đen. Hấp phụ nitơ là phương pháp xác định lượng khí nitơ bị hấp phụ trên bề mặt

than đen, phương pháp này phù hợp để đánh giá các hạt có hàm lượng cặn đáng kể,

kích thước trung bình. Với những mẫu cổ điển như N330, N347, N220… ít chịu tác

động của mơi trường thì hai phương pháp trên cho giá trị tương đương.

Yếu tố quan trọng thứ hai của than đen là cấu trúc hay dạng hình học và được

đo bằng chỉ số hấp thụ dibutyl phthalate (DPBA). Phương pháp này được thực hiện

trong buồng trộn kín và xác định tương đối cấu trúc than đen bằng cách đo hàm

lượng DPB bị than đen hấp thụ. Quá trình xảy ra theo quá trình khi DPB từ từ nhỏ

vào than đen, các hạt rời rạc dần dần trở thành dạng paste với độ nhớt cao. Trong

suốt q trình này, mơ men xoắn của máy tăng lên rất nhanh đến giá trị nhất định sẽ

kết thúc.



Hình 3.20: Máy đo DPBA.



Khóa luận tốt nghiệp



38



Hình 3.21: Kết quả đo DPB.

Do than đen có chứa các nhóm chức hoạt tính nên các hạt than đen thường

khơng chỉ tồn tại một cách độc lập mà còn kết tụ với nhau thành từng cụm, chuỗi

hoặc nhánh và tạo thành viên. Việc xuất hiện các hạt kết tụ gây ảnh hưởng trực tiếp

đến khả năng phân tán của than trong cao su, từ đó làm thay đổi cơ lý tính cũng như

màu sắc của sản phẩm.



Hình 3.22: Dạng hình học của than đen.

Trong đó có những liên kết yếu dễ bị phá vỡ khi chịu tác dụng cơ học làm thay

đổi cấu trúc các hạt than đen, và đây là hiện tượng xảy ra khi phối trộn than đen vào

trong cao su. Do đó giá trị đo DPBA không phù hợp với hỗn hợp cao su sau khi trộn

luyện. Để khắc phục sự khác biệt này, phương pháp hấp thụ DPB của mẫu nén

(CDPB) được dùng với mẫu than đen chịu nén bốn lần với áp suất 24.000 psi.



Khóa luận tốt nghiệp



39



Hình 3.23: Mối liên hệ giữa cấu trúc và diện tích bề mặt.

Độ ẩm trong than cũng là yếu tố quan trọng quyết định đến khả năng trộn hợp,

từ đó quyết định đến chất lượng sản phẩm cuối. Hàm lượng ẩm trong than liên quan

đến diện tích bề mặt và hoạt tính bề mặt. Khi than có độ ẩm cao sẽ gây ảnh hưởng

đến khả năng thấm ướt giữa than với các phụ gia khác cũng như cao su, dẫn đến

mật độ phân tán không đồng đều làm suy giảm chất lượng sản phẩm.

3.2.1 Silica

Precipitated Silica là chất độn được sử dụng nhiều trong sản xuất lốp xe. So với

than đen, sử dụng silica trong cao su thiên nhiên làm giảm tính kháng mài mòn một

ít nhưng độ bền xé cao, kháng nứt, kháng phát triển vết nứt, chịu nhiệt và khả năng

kết dính với sợi, kim loại tốt hơn. Khi sử dụng hệ kết mạng hiệu quả và xử lý bề

mặt silica tốt, sẽ làm giảm sự hình thành các liên kết mạng polysulfide, dẫn đến giá

trị biến dạng dư sau khi nén giảm, bằng với khi sử dụng than đen. Ngoài ra, từ

đường cong ứng suất – biến dạng, modulusus của hỗn hợp dùng silica ở độ giãn dài

300% thấp hơn. Điều này là do tính kết dính silica-polymer thấp, do bề mặt ưa nước

của silica.



Khóa luận tốt nghiệp



40



Hình 3.24: Silica.

Tương tự như than đen, khả năng gia cường của silica phụ thuộc rất nhiều vào

kích thước hạt, diện tích bề mặt, độ ẩm, lượng tạp chất rắn bên trong. Nên muốn

đưa vào sử dụng, than trắng cần phải trải qua quy trình kiểm nghiệm bao gồm chỉ số

hấp phụ nitơ để xác định diện tích bề mặt, lượng nước bay hơi để xác định độ ẩm,

đốt tro để xác định hàm lượng tạp chất từ q trình sản xuất trước đó. Chỉ số pH là

một yếu tố quan trọng cần quan tâm khi sử dụng độn silica. Chỉ số pH lí tưởng nằm

trong khoảng 6,0 – 7,5, khi pH thấp, các hạt silica dính lại với nhau tạo thành hệ gel

không tốt cho quá trình trộn hợp.

Khi chỉ sử dụng độc lập silica làm chất độn thì các hạt silica kết tụ lại với nhau

vì đây là chất độn phân cực nên gặp khó khăn trong q trình phân tán vào trong

cao su khơng phân cực làm giảm hiệu quả của một số thành phần trong hệ lưu hóa.

Giải pháp cho vấn đề này, cũng như sự giảm sút tính kháng mài mòn, là biến tính bề

mặt silica bằng silane. Để giúp chất độn phân tán đều hơn trong cao su ta sử dụng

coupling agent có chứa lưu huỳnh hoạt động (sulfur – functional silane) mục đích

nâng cao hiệu quả gia cường của silica đồng thời tăng khả năng kết dính với sợi.

Silane phản ứng với silica bằng dầu phân cực trong quá trình trộn luyện và với cao

su bằng đầu không phân cực trong q trình lưu hóa. Điểm nổi bật thứ hai chính là

các lưu huỳnh hoạt động có thể tham gia trực tiếp vào q trình lưu hóa.



Khóa luận tốt nghiệp



41



Hình 3.25: Cơ chế liên kết giữa Silica với cao su.

3.3 Hệ lưu hóa

1.1.1 Lưu huỳnh

a. Tính chất

Lưu huỳnh là chất màu vàng, có khối lượng riêng d = 0,27 g/cm 3, không mùi,

không vị, không tan trong nước, tan tốt trong carbon disulfur, khi ma sát dễ phát

sinh nhiệt.

Lưu huỳnh trên thị trường có 4 thể chính:

-



Lưu huỳnh thỏi

Lưu huỳnh thăng hoa

Lưu huỳnh rửa lại

Lưu huỳnh kết tủa



e. Công dụng

Sử dụng làm chất lưu hóa trong cao su thiên nhiên, cao su tổng hợp, ngoại trừ

một số loại cao su khơng có nối đơi trong mạch (silicone, cao su chloroprene).

Thơng qua sự thành lập cầu nối giữa các phân tử hydrocarbon trong cao su để

tạo thành mạng lưới không gian ba chiều làm cho cao su bền hơn, dẻo dai hơn.

Trong quá trình cán luyên, lưu huỳnh phải được đảm bảo phân tán tốt vào cao

su vì đây là chất chủ yếu và chỉ sử dụng một lượng nhỏ. Hiện tượng “nổi mốc” màu

trắng hoặc tinh thể óng ánh màu vàng còn gọi là hiện tượng phát phấn ở mặt ngồi



Khóa luận tốt nghiệp



42



sản phẩm ngun nhân do lưu huỳnh tự do vẫn còn nằm trong sản phẩm đã lưu hóa[

CITATION TSN \l 1033 ].

3.3.1 Chất xúc tiến

Chất xúc tiến chủ yếu (Primary accelerator) có khả năng làm chậm quá trình

tiền lưu hóa, tốc độ nối mạng ở mức trung bình đến nhanh, cho sản phẩm có

modulus cao. Một số chất được dùng trong sản xuất gồm MBT, MBTS, DCBS,

CBS, TBBS…

Chất xúc tiến thứ yếu (Secondary accelerator) có tác dụng kích thích chất xúc

tiến chủ yếu, tăng tốc độ lưu hóa nhưng khơng đảm bảo tính an tồn cho q trình

tiền lưu hóa. DPG, ZBEC,… là những chất được sử dụng.

Các chất xúc tiến thuộc nhóm Thiazole (MBTS) cho tốc độ lưu hóa trung bình,

được hoạt hóa nhờ hệ ZnO/acid Stearic. Nhóm chất này có thể đóng là chất ức chế

trong hỗn hợp cao su đã sử dụng chất xúc tiến thuộc nhóm Thiurams (TMTD) làm

thành phần chính, và có thể giảm hiện tượng blooming của hệ Thirurams. Tuy nhiên

có thể tăng tốc độ phản ứng của cao su sử dụng các chất xúc tác nhóm Thiazole

bằng cách thêm một lượng nhỏ một số chất xúc tiến khác như DPG, TMTD,…

Nhóm Thiazole có thể bị ức chế khi có mặt chất chống cháy xém PVI. Chất xúc tiến

trong nhóm Thiazole thường được sử dụng trong những ứng dụng cao su cần kết

dính với kim loại.



Hình 3.26: Chất xúc tiến DM (MBTS).



Khóa luận tốt nghiệp



43



Những chất xúc tiến thuộc nhóm Sulfenamide (CBS, TBBS, DCBS) được sử

dụng phổ biến trong ngành công nghiệp lốp xe nhờ khả năng làm chậm tốc độ tiền

lưu hóa và tốc độ lưu hóa nhanh. Có thể tăng tốc độ lưu hóa của nhóm xúc tiến này

bằng DPG, TMTD. Một lượng nhỏ chất chống cháy xém cũng làm ức chế các chất

xúc tiến này. So với các chất trong nhóm Thiazole, nhóm Sulfenamide cho sản

phẩm với tính chất ứng suất – biến dạng, khả năng hồi phục, chống mỏi uốn cao

hơn. Chất xúc tiến nhóm Sulfenamide phân tán vào trong cao su tốt hơn khi nhiệt

độ hỗn hợp cao su trên nhiệt độ nóng chảy của chất xúc tiến và thường được cho

vào ở dạng master batch. Những chất này dễ bị phân hủy khi quá nhiệt hay tiếp xúc

với hơi nước trong q trình lưu hóa, do đó cần đuổi hết hơi nước và lưu hóa bằng

khí nitơ.



Hình 3.27: Chất xúc tiến TBBS.

Nhóm xúc tiến Thiuram (TMTD) là chất xúc tiến cho tốc độ lưu hóa rất nhanh,

sử dụng cho cao su thiên nhiên, cao su SBR, cao su BR, và ưu tiên nhất để làm xúc

tiến chính cho cao su IIR. Thiurams được sử dụng rộng rãi với vai trò là chất xúc

tiến thứ cấp hỗ trợ cho nhóm Thiazole và Sulfenamide nhằm đẩy nhanh q trình

lưu hóa, tăng mật độ nối ngang nhưng vẫn đảm bảo giai đoạn tiền lưu hóa và it sinh

nhiệt.



Khóa luận tốt nghiệp



44



Hình 3.28: So sánh hiệu quả lưu hóa giữa các chất xúc tiến.

Nhóm các chất xúc tiến Dithiocarbamate (ZBEC, PX) giúp phản ứng diễn ra

nhanh hơn, mật độ nói ngang cao hơn và q trình lưu hóa có thể xảy ra trong thời

gian ngắn ở nhiệt độ thấp. Xúc tiến loại này phân tán hạn chế vào cao su nên dễ xảy

ra hiện tượng blooming trên bề mặt sản phẩm.

Vì chất xúc tiến có vai trò quan trọng trong q trình lưu hóa nên mức độ phân

tán vào trong cao su cần được quan tâm. Nhiệt độ nóng chảy là thông số bắt buộc

cần được kiểm tra để đảm bảo các chất xúc tiến chảy hết tại nhiệt độ luyện su đảm

bảo quá trình phân tán diễn ra đồng nhất. Đồng thời cũng tiến hành đánh giá độ tinh

khiết, độ ẩm của chất xúc tiến. Nếu hai chỉ số này cao có thể khiến cho sản phẩm

khơng được lưu hóa hồn tồn hay xuất hiện bọt khí.

3.3.2 Chất trợ xúc tiến (chất hoạt tính)

Chất hoạt tính có vai trò kích hoạt q trình lưu hóa bằng lưu huỳnh, giảm thời

gian lưu hóa. Kẽm oxide (ZnO) và acid Stearic là hệ hoạt tính được sử dụng nhiều

nhất trong cơng nghiệp cap su. Trong đó kẽm oxide là nhân tố chính điều chỉnh cấu

trúc mạng của cao su lưu hóa, còn acid stearic có tác dụng giúp kẽm hòa tan dễ

dàng vào cao su hơn. Kẽm oxide có hàm lượng kẽm nhỏ nhất là 79%, cao nhất và

sử dụng nhiều nhất là 99,7%. Hàm lượng kẽm càng cao, càng giảm được nhiều tạp

chất và khả năng hoạt hóa phản ứng càng tốt, từ đó giảm thời gian lưu hóa và tăng



Khóa luận tốt nghiệp



45



tính chất sản phẩm do đó việc định lượng hàm lượng kẽm là việc quan trọng nhất

cần thực hiện khi tiến hành kiểm nghiệm.



Hình 3.29: Kẽm oxide.

Ngồi kẽm oxide, người ta còn sử dụng magie oxide (MgO), đây khơng chỉ là

chất hoạt tính mà còn có vai trò là chất độn, chống cháy xém, tác nhân lưu hóa, chất

nhận acid, kháng mài mòn, kháng ăn mòn, kháng cháy và giúp sản phẩm chịu được

nhiệt độ cao. Chỉ với một lượng nhỏ MgO cũng có thể cải thiện độ cứng cao su

đáng kể, do đó tăng bền kéo và bền va đập. Khi sử dụng chung với kẽm oxide,

magie oxide làm giảm hoạt tính của kẽm oxide khiến tốc độ lưu hóa giảm, nhờ đó

có thể tránh được các vấn đề có thể xảy ra do hiện tượng lưu hóa sớm. Tuy nhiên,

magie oxide thường lẫn các tạp chất như sắt, đồng, chì, mangan có thể làm giảm

tính kháng lão hóa của thành phẩm và lượng tạp chất này còn ảnh hưởng đến mức

độ lưu hóa của cao su. Do đó hàm lượng tạp chất trong magie oxide là thông số bắt

buộc cần kiểm tra. Magie oxide phù hợp nhất với các loại cao su halogen hóa như

BIIR, CIIR.

3.4 Dầu

Trong đơn pha chế của một sản phẩm cao su, dầu đóng vai trò quan trọng là một

chất trợ gia cơng. Cơng dụng chủ yếu của nó để hạ thấp độ nhớt, cải thiện tính chất

chảy từ đó giảm năng lượng gia công, cải thiện khả năng phân tán của độn, giảm

biến dạng ứng suất và độ cứng của thành phẩm. Đổi lại, các đặc tính làm ướt, bơi

trơn gây ra bởi dầu trong quá trình trộn và hầu như tất cả các quá trình tiếp theo bao



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

d. Cao su Butyl (IIR - Isobutylene-isoprene Rubber)

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×