Tiến Sĩ Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su blend bền môi trường và dầu mỡ

MỞ ĐẦU
Ngày nay, vật liệu polyme blend nói chung và cao su blend nói riêng được
nghiên cứu ứng dụng trên khắp thế giới. Với mức tiêu thụ hàng năm cỡ 1,5 triệu
tấn, tương đương với tốc độ tăng trưởng 810% mỗi năm [1], có thể thấy đây là
loại vật liệu có tốc độ phát triển nhanh và ngày càng có vai trò quan trọng trong
nền kinh tế, kỹ thuật hiện tại và trong tương lai . Nhiều loại cao su blend có tính
năng đặc biệt như bền cơ, bền nhiệt, bền môi trường, hóa chất và dầu mỡ đã trở
thành thương phẩm trên thị trường quốc tế [2].
Ở Việt Nam, trong những năm qua cũng có nhiều công trình nghiên cứu
chế tạo và ứng dụng các loại cao su blend mang lại những hiệu quả khoa học,
kinh tế - xã hội đáng kể. Tuy nhiên, những nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào
một số hệ blend trên cơ sở cao su thiên nhiên nên phạm vi ứng dụng còn hạn chế.
Riêng các vật liệu cao su blend có tính năng cao, bền môi trường và dầu mỡ,
nhất là các hệ blend trên cơ sở cao su tổng hợp, để chế tạo các sản phẩm cho
công nghệ cao vẫn còn chưa được quan tâm nghiên cứu, ứng dụng nhiều. Trong
khi đó, hàng năm nước ta vẫn phải nhập hàng trăm tấn sản phẩm cao su kỹ thuật
các loại với giá cao để phục vụ cho phát triển kinh tế, xã hội [3]. Từ thực tế đó,
chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su blend bền môi
trường và dầu mỡ” làm chủ đề cho luận án của mình.
Mục tiêu của luận án là: Chế tạo được vật liệu cao su blend có tính năng
cơ lý tốt, bền dầu mỡ và môi trường (thời tiết), có giá thành hợp lý, đáp ứng yêu
cầu để chế tạo các sản phẩm cao su kỹ thuật có yêu cầu cao về bền dầu mỡ và
thời tiết. Từ vật liệu nhận được chế tạo ra sản phẩm ứng dụng trong thực tế.
Để thực hiện mục tiêu trên, trong luận án này, chúng tôi chọn đối tượng
nghiên cứu là các hệ cao su blend hai cấu tử và ba cấu tử trên cơ sở cao su nitril
butadien (NBR), cao su cloropren (CR) và polyvinylclorua (PVC), với những nội
dung nghiên cứu sau đây:
- Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su blend hai cấu tử NBR/PVC, NBR/CR,
4
CR/PVC. Trong đó lựa chọn khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ cấu tử tới tính chất của
vật liệu blend như các tính chất cơ lý, độ bền dầu mỡ (thông qua độ trương trong
xăng A 92 và dầu biến thế), cấu trúc hình thái (bằng phương pháp kính hiển vi
điện tử quét - SEM), độ bền nhiệt (bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng
lượng - TGA), độ bền môi trường theo tiêu chuẩn Việt Nam và thế giới (TCVN
2229-77 và ASTM D 4857-91), từ đó rút ra tỷ lệ cấu tử thích hợp của từng loại
blend cũng như khả năng bền dầu mỡ và thời tiết của chúng làm cơ sở để nghiên
cứu chế tạo hệ blend ba cấu tử NBR/CR/PVC và triển khai các nghiên cứu tiếp
theo.
- Nghiên cứu sử dụng các chất biến đổi cấu trúc, làm tương hợp trên cơ sở
dầu trẩu (D01) và nhựa phenol formandehyt biến tính dầu vỏ hạt điều (DLH) để
nâng cao tính năng cơ lý, kỹ thuật của blend NBR/CR và NBR/CR/PVC.
- Dùng phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm để xác định tỷ lệ tối ưu
của blend ba cấu tử NBR/CR/PVC.
- Đánh giá khả năng ứng dụng của các vật liệu chế tạo được.
- Xây dựng công nghệ chế tạo sản phẩm cao su kỹ thuật bền dầu mỡ và
thời tiết từ vật liệu chế tạo được để ứng dụng trong thực tế.
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU . 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3
1.1. Những khái niệm cơ bản về polyme blend . 3
1.2. Sự tương hợp của polyme blend 6
1.2.1. Nhiệt động học của quá trình trộn hợp polyme blend . 6
1.2.2. Xác định khả năng tương hợp của polyme blend . 7
1.2.2.1. Hoà tan vật liệu trong dung môi 7
1.2.2.2. Tạo màng polyme blend . 8
1.2.2.3. Quan sát bề mặt vật liệu 8
1.2.3.4. Đánh giá qua nhiệt độ thuỷ tinh hóa của vật liệu 8
1.2.2.5. Phương pha ́ p cơ nhiệt đô ̣ ng 8
1.2.2.6. Phương pha ́ p sư ̉ du ̣ ng kính hiển vi 9
1.2.2.7. Phương pháp tán xạ tia X góc hẹp . 9
1.2.3. Những biện pháp tăng cường tính tương hợp của polyme blend 9
1.2.3.1. Sử dụng các chất tương hợp 9
1.2.3.2. Sử dụng các peroxit 12
1.2.3.3. Sử dụng các tác nhân gồm peroxit và hợp chất đa chức . 12
1.2.3.4. Chế tạo các blend trên cơ sở các polyme có khả năng tham
gia phản ứng trao đổi 12
1.2.3.5. Sử dụng các chất hoạt động bề mặt 12
1.2.3.6. Sử dụng các chất độn hoạt tính 13
1.2.3.7. Sử dụng phương pháp cơ nhiệt 13
1.2.3.8. Sử dụng phương pháp lưu hóa động 13
1.3. Các phương pháp chế tạo polyme blend . 14
1.3.1. Chế tạo polyme blend từ dung dịch polyme 15
1.3.2. Chế tạo polyme blend từ hỗn hợp các latex polyme . 15
1.3.3. Chế tạo polyme blend ở trạng thái nóng chảy . 16
1.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của vật liệu cao su blend 16
1.4.1. Giới thiệu chung 16
1.4.2. Một số cao su tổng hợp bền dầu mỡ, nhiệt và thời tiết 20
1.4.2.1. Cao su clopren . 20
1.4.2.2. Cao su polyetylen clo hóa 21
1.4.2.3. Cao su closulfon polyetylen hay cao su Hypalon 22
1.4.2.4. Cao su nitril/nitril butadien . 23
1.4.2.5. Cao su nitril butadien hydro hóa . 24
1.4.2.6. Cao su epiclohydrin . 25
1.4.2.7. Cao su etylen-acrylic 27
1.4.2.8. Cao su flo (fluoroelastomer) 28
1.4.2.9. Cao su pe-flo (perfluoelastomer) . 28
1.4.2.10. Cao su polyacrylat 29
1.4.2.11. Cao su polysulfua(tiocol) 30
1.4.2.12. Cao su silicon (polydimetyl siloxan) . 32
1.4.2.13. Flosilicon 33
1.4.2.14. Cao su flocacbon 34
1.4.2.15. Polyuretan 35
1.4.2.16. Cao su butyl 36
1.4.2.17. Cao su clobutyl . 37
1.4.3. Một số hệ cao su blend tính năng cao . 39
1.4.3.1. Hệ blend trên cơ sở cao su NBR với cao su thiên nhiên 39
1.4.3.2. Hệ blend trên cơ sở cao su NBR với cao su thiên nhiên epoxy
hóa (ENR) 40
1.4.3.3. Hệ blend trên cơ sở cao su NBR với PVC 40
1.4.3.4. Hệ Blend trên cơ sở cao su NBR với cao su SBR . 44
1.4.3.5. Hệ blend trên cơ sở cao su NBR với cao su CR . 45
1.4.3.6. Hệ blend trên cơ sở cao su CR với PVC 46
1.4.3.7. Hệ blend trên cơ sở cao su NBR với CR và PVC . 49
1.4.3.8. Một sô hệ blend có khả năng chịu dầu khác 49
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 53
2.1. Nguyên liệu và thiết bị nghiên cứu . 53
2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất . 53
2.1.2. Thiết bị thí nghiệm . 53
2.2. Phương pháp nghiên cứu . 54
2.2.1. Phương pháp chế tạo vật liệu . 54
2.2.1.1. Chế tạo mẫu cao su blend NBR/PVC . 54
2.2.1.2. Chế tạo mẫu cao su blend NBR/CR 55
2.2.1.3. Chế tạo mẫu cao su blend CR/PVC 56
2.2.1.4. Chế tạo mẫu cao su blend NBR/CR/PVC . 57
2.2.2. Phương pháp xác định tính chất, cấu trúc vật liệu cao su blend 58
2.2.2.1. Phương pháp đo độ bền kéo đứt của vật liệu . 58
2.2.2.2. Phương pháp xác định độ dãn dài khi đứt của vật liệu 58
2.2.2.3. Phương pháp xác định độ dãn dài dư của vật liệu . 59
2.2.2.4. Phương pháp xác định độ cứng của vật liệu 59
2.2.2.5. Phương pháp xác định độ mài mòn của vật liệu 60
2.2.2.6. Phương pháp xác định độ trương của vật liệu trong môi
trường xăng dầu . 60
2.2.2.7. Phương pháp xác định hệ số già hóa của vật liệu 61
2.2.2.8. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) . 62
2.2.2.9. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 62
2.2.3. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 63
2.2.3.1. Mô hình thực nghiệm thống kê trên cơ sở kết quả thực
nghiệm thụ động 63
2.2.3.2. Quy hoạch thực nghiệm theo kế hoạch mạng đơn hình
Sheffe 65
2.2.3.3. Quy hoạch thực nghiệm khảo sát phần cục bộ của biểu đồ
thành phần – tính chất theo kế hoạch Mc Lean – Anderson 68
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 72
3.1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su blend trên cơ sở cao su nitril
butadien và nhựa polyvinyl clorua 72
3.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới tính chất cơ lý của vật liệu 73
3.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới độ trương trong xăng và
dầu của vật liệu 73
3.1.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới độ trương trong xăng
A 92 của vật liệu 73
3.1.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới độ trương trong dầu
biến thế của vật liệu 74
3.1.3. Nghiên cứu độ bền môi trường của vật liệu 75
3.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su blend trên cơ sở cao su cloropren và
nhựa polyvinyl clorua 76
3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới tính chất cơ lý của vật
liệu 76
3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới độ trương trong xăng và
dầu của vật liệu 78
3.2.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới độ trương trong xăng
A 92 của vật liệu 78
3.2.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới độ trương trong dầu
biến thế của vật liệu 79
3.2.3. Nghiên cứu độ bền môi trường của vật liệu 79
3.3. Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su blend trên cơ sở cao su nitril
butadien và cao su clopren . 81
3.3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng CR tới tính chất cơ lý của vật liệu 81
3.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng CR tới độ bền trong xăng và dầu
của vật liệu 82
3.3.2.1. Độ trương trong xăng A92 của vật liệu 83
3.3.2.2. Độ trương trong dầu biến thế của vật liệu . 84
3.3.3. Nghiên cứu độ bền môi trường của vật liệu 85
3.3.4. Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu 87
3.4. Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su blend 3 cấu tử trên cơ sở cao su
nitril butadien, cao su clopren và polyvinyl clorua 88
3.4.1. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới tính chất cơ lý của vật
liệu 88
3.4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng PVC tới độ bền trong xăng và dầu
của vật liệu .90
3.4.2.1. Độ trương trong xăng A92 của vật liệu 90
3.4.2.2. Độ trương trong dầu biến thế của vật liệu . 91
3.4.3. Nghiên cứu độ bền môi trường của vật liệu 92
3.4.4. Nghiên cứu cấu trúc hình thái và khả năng bền nhiệt của vật
liệu . 93
3.4.4.1. Ảnh hưởng của quá trình biến tính tới cấu trúc hình thái của vật
liệu . 93
3.4.3.2. Ảnh hưởng của quá trình biến tính tới khả năng bền nhiệt của vật
liệu 94
3.6. Nghiên cứu sử dụng một số chất biến đổi cấu trúc để cải thiện tính
năng cơ lý cho vật liệu cao su blend NBR/CR và
NBR/CR/PVC . 97
3.5.1. Ảnh hưởng của các chất biến đổi cấu trúc tới tính chất, cấu trúc
hình thái của hệ blend NBR/CR . 97
3.5.1.1. Ảnh hưởng của chất biến đổi cấu trúc tới tính chất cơ lý của
vật liệu 97
3.5.1.2. Ảnh hưởng của chất biến đổi cấu trúc tới cấu trúc hình thái của vật
liệu . 98
3.5.1.3. Ảnh hưởng của chất biến đổi cấu trúc tới độ bền môi trường
của vật liệu 99
3.5.2. Ảnh hưởng của các chất biến đổi cấu trúc tới tính chất, cấu trúc
hình thái của hệ blend NBR/CR/PVC 100
3.5.2.1. Ảnh hưởng của chất biến đổi cấu trúc tới tính chất cơ lý của vật
liệu . 101
3.5.2.2. Ảnh hưởng của chất biến đổi cấu trúc tới cấu trúc hình thái của vật
liệu . 101
3.5.2.3. Ảnh hưởng của chất biến đổi cấu trúc tới độ bền nhiệt của vật
liệu 102
3.5.2.4. Ảnh hưởng của chất biến đổi cấu trúc tới độ bền môi trường của
vật liệu . 104
3.6. Tối ưu hóa trong chế tạo vật liệu cao su blend 3 cấu tử trên cơ sở
cao su nitril butadien, cao su clopren và polyvinyl clorua 106
3.6.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm thống kê trên cơ sở kết quả
thực nghiệm thụ động . 106
3.6.2. Quy hoạch thực nghiệm tìm mô hình toán theo kế hoạch mạng
đơn hình Sheffe . 107
3.6.3. Quy hoạch thực nghiệm khảo sát phần cục bộ của biểu đồ
thành phần – tính chất theo kế hoạch Mc Lean – Anderson . 107
3.6.3.1. Kết quả mô hình hóa cho độ bền kéo 107
3.6.3.2. Kết quả mô hình hóa cho độ dãn dài và độ cứng 113
3.6.4. Thực nghiệm kiểm tra tính chất vật liệu cao su blend ba cấu tử
NBR/CR/PVC theo tỷ lệ tối ưu của phương pháp quy hoạch
thực nghiệm . 122
3.7. Xây dựng công nghệ chế tạo vật liệu và sản phẩm gioăng đệm máy
biến thế trên cơ sở các vật liệu trên . 123
3.7.1. Công nghệ chế tạo vật liệu cao su blend NBR/CR/PVC 123
3.7.1.1. Cắt mạch sơ bộ cao su 123
3.7.1.2. Ủ nhiệt bột PVC . 124
3.7.1.3. Chế tạo vật liệu blend NBR/CR/PVC . . 124
3.7.1.4. Ép lưu hóa định hình mẫu vật liệu 124
3.7.1.5. Nhả áp suất, lấy sản phẩm 125
3.7.2. Công nghệ chế tạo các sản phẩm gioăng, đệm cho máy biến thế 125
3.7.2.1. Ép định hình và lưu hóa sản phẩm 125
3.7.2.2. Nhả áp suất , lấy sản phẩm . 125
3.7.2.3. Kiểm tra, sửa khuyết tật và nhập kho . 126
3.8. Kết quả nghiên cứu chế tạo sản phẩm gioăng đệm máy biến thế 127
3.9. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của kết quả nghiên cứu 129
KẾT LUẬN CHUNG 130
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 132
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 134