Cao su, chất độn nano dùng trong cao su (31/05/2019)
Cao su là một loại vật liệu polyme đặc biệt trong đó kết hợp độ bền cao và khả năng biến dạng lớn. Tuy nhiên, điều này chỉ xảy ra khi cao su được tăng cường bởi các chất độn. Bản thân cao su không độn khá mềm và có độ bền thấp. Chính vì vậy các nghiên cứu về độn tăng cường cho cao su được tiến hành từ lâu và liên tục phát triển, từ cấp độ micro tới cấp độ nano.
Chất độn cao su
Cao su độn tăng cường được hiểu là một lượng chất độn (pha phân tán) được đưa vào nền cao su (pha liên tục) nhằm tạo nên hiệu quả tăng độ bền. Các chất phân tán này có thể là hợp chất vô cơ (than, một số oxyt), hữu cơ (một số polyme khác) hoặc một số chất khí. Trong phạm vi đề tài này sẽ giới hạn trong các chất độn vô cơ. Đây là lớp chất độn được nghiên cứu nhiều nhất và sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp cao su. Các liên kết giữa bề mặt hạt độn tỷ lệ thuận với số lượng liên kết ngang trong mạch polyme – polyme. Chúng phụ thuộc vào hai yếu tố: diện tích bề mặt và bản chất hoá học bề mặt chất độn.
Trong cao su độn gia cường, các hạt độn được coi là các “vùng cứng”, còn bản thân cao su là “vùng mềm”. Theo Gary R. Hamed, mặc dù mức độ tăng cường phụ thuộc vào tương tác giữa các hạt độn và cao su, một yêu cầu cơ bản phải có là kích thước “vùng cứng” đủ nhỏ, khoảng dưới 1 µm. Với kích thước nhỏ như vậy, các “vùng cứng” sẽ tạo nên hiệu ứng tăng cường lớn, thậm chí cả trong trường hợp tương tác giữa nhất độn và nền không mạnh lắm. Ngược lại nếu kích thước hạt độn lớn (vài micron trở lên), hiệu ứng tăng cường sẽ giảm đi dù liên kết của chất độn với nền khá bền vững. Các hạt độn lớn tạo nên độ cứng cho vật liệu cao su nhưng cũng tạo nên những vùng tập trung ứng suất, thúc đẩy sự phát triển vết nứt trong thể tích cao su. Ngược lại, những hạt kích thước nhỏ cỡ “meso – nano” (10-100 nm) lại ứng xử hoàn toàn khác trong nền cao su. Nhờ kích thước rất nhỏ, các phần tử chất độn có thể tương tác chặt chẽ hơn với các phân tử cao su, làm hạn chế độ linh động của phân tử cao su, nhất là ở các biến dạng lớn. Nhờ đó sự xuất hiện và phát triển vết nứt trong cao su có thể giảm đi.
Một số loại độn nano
Các loại chất độn vô cơ truyền thống thực ra đều có thể chế tạo ở dạng nano. Tuy nhiên, các hạt nano rất khó tồn tại ở điều kiện bình thường do chúng thường tụ tập lại thành từng tập hợp (aggregate, agglomerate) đôi khi có kích thước lớn tới vài chục micron. Tương tác bên trong các tập hợp này nhiều khi rất lớn, đến mức không thể phá vỡ chúng trong các công nghệ gia công cao su thông dụng.
Cacbon kỹ thuật: Cacbon kỹ thuật là loại chất độn gia cường phổ biến nhất trong công nghiệp gia công các vật liệu cao su kỹ thuật. Chúng đựơc sản xuất từ các sản phẩm dầu mỏ theo các phương pháp khác nhau như đốt khí trong lò, đốt nhiên liệu lỏng trong lò hoặc bằng cách phun v.v…
Nanoclay: Nanoclay là loại vật liệu silicat xếp lớp với cấu trúc tinh thể gồm 1 hình bát diện ở trung tâm với nguyên tử Al hoặc Mg kẹp giữa 2 tấm tứ diện do các nguyên tử O, Si tạo thành. Loại cấu trúc này được gọi là 2:1. Chiều dày một lớp khoảng 1nm, còn 2 kích thước kia có thể đạt tới 300-500 nm hoặc lớn hơn tuỳ thuộc vào loại silicat. Giữa các lớp clay là các cation kim loại kiềm hoặc kiềm thổ (Li, Na, Rb, Cs) có thể dễ dàng thay thế.
Silica: Bên cạnh cacbon kỹ thuật, SiO2 là một trong những chất độn được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp cao su. Ví dụ riêng ở Mỹ hàng năm cần đến 277.000 tấn silica để dùng cho công nghiệp sản xuất lốp ôtô. Theo S. Uhrlandt và A. Blume thì tỷ lệ silica dùng trong lốp xe “green tire” lên tới 86,5 kg trên tổng trọng lượng 230 kg vật liệu cao su.
cacbon – silica: Vật liệu lưỡng pha cacbon – silica (LPCS) được tạo thành bằng cách kết tụ các tập hợp silica trên các phần tử cacbon kỹ thuật. Theo Lawrence J. Murphy, Meng Jiao Wang và Khaled Mahmud thì trong vật liệu này các tập hợp (aggregate) có chứa cả hai pha: cacbon và SiO2. Các tập hợp lưỡng pha này có khả năng liên kết với cao su nền tốt hơn so với hỗn hợp thông thường cacbon – silica có cùng hàm lượng SiO2. Tương tác giữa các hạt độn cũng nhỏ hơn so với cacbon hoặc SiO2 đơn thuần. Việc trộn hỗn hợp LPCS tốt với cao su sẽ làm sản phẩm cao su kỹ thuật có độ chịu mài mòn (ưu điểm của cacbon kỹ thuật) đồng thời có độ tỏa nhiệt khi biến dạng nhỏ (ưu điểm của silica) so với khi sử dụng từng loại chất độn riêng biệt.
Oxyt kẽm ZnO: Oxyt kẽm cũng là một phụ gia quan trọng được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm cao su kỹ thuật. ZnO nano có thể được điều chế từ Zn kim loại trong pha hơi như sau: Zn kim loại đựơc cho bay hơi rồi làm lạnh đột ngột trong O2. Hơi ZnO sẽ tạo mầm và ngưng tụ thành hạt ZnO nano. Các hạt này không xốp và có bề mặt rất sạch. Trong quá trình ngưng tụ, các hạt có thể kết tụ tạo các tập hợp yếu, kích thước cỡ 10µm. Bằng các phương pháp nghiền thích hợp có thể thu được các hạt ZnO kích thước từ vài nm đến vài trăm nanomet.
Canxi cacbonat: Canxi cacbonat là một chất độn được sử dụng trước hết là để giảm giá thành sản phẩm. Tuy nhiên đối với một số loại cao su kết tinh CaCO3 có tác dụng làm quá trình gia công dễ dàng hơn (dễ cán, dễ đùn, điền đầy khuôn tốt). Mặc dù vậy nếu lượng CaCO3 quá nhiều, nó còn có thể làm giảm tính chất cơ học của cao su. Việc sử dụng nano CaCO3 làm giảm đáng kể hàm lượng CaCO3 dùng trong cao su trong khi vẫn bảo đảm các tác động tích cực của nó. Do đó đã có nhiều nghiên cứu chế tạo nano CaCO3 đạt kết quả. Ví dụ hãng READE đã chế tạo nano CaCO3 bằng phương pháp kết tủa hoá học. Sản phẩm có các thông số kỹ thuật sau (Phạm Công Vịnh, 2010).
Việc đưa chất độn nano vào đã làm thay đổi cơ bản tính chất cao su. Như đã nêu trên, với kích thước đủ nhỏ (dưới 1 µm), các hạt chất độn có thể tạo nên hiệu quả tăng cường rất lớn, kể cả trường hợp tương tác giữa bề mặt chất độn và nền cao su không đủ mạnh. Khi nghiên cứu sự hình thành và phát triển của hạt silica, các tác giả đã phân ra 4 loại cấu trúc với cỡ hạt khác nhau. Những cấu trúc này có ảnh hưởng khác nhau đến tính chất cơ học cũng như tính chất gia công của hỗn hợp cao su. Các hạt sơ cấp có kích thước rất nhỏ (dưới 100 nm), bề mặt tiếp xúc với cao su rất lớn và có vai trò chủ đạo trong việc tương tác với nền cao su. Nếu phân tán tốt, chính các hạt này sẽ tạo ra sự thay đổi nhảy vọt về tính chất cơ học, cả tĩnh và động. Ngược lại, đối với những tập hợp lớn hơn thì hiệu quả tăng cường thấp do các liên kết nội hạt yếu. Bên cạnh đó, sự phá vỡ các tập hợp trong quá trình gia công sẽ đòi hỏi nhiều năng lượng và tăng giá thành sản phẩm cuối cùng.
Trần Phước