Trƣờng ĐH Sƣ phạm Hà Nội
2

Vũ Thị Thuý

Khoá luận tốt nghiệp

1

Lớp: K32B. SPHoá


Trƣờng ĐH Sƣ phạm Hà Nội
2

Khoá luận tốt nghiệp

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ
---------------

VŨ THỊ TH

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TÍNH NĂNG CƠ LÝ CHO VẬT LIỆU C

KHOÁ LUẬN TỐT NG

Chuyên ngành: Hoá công

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. ĐỖ QUANG KHÁNG
2. TS. NGÔ KẾ THẾ

HÀ NỘI – 2

Vũ Thị Thuý

2

Lớp: K32B. SPHoá


Trƣờng ĐH Sƣ phạm Hà Nội
2

Vũ Thị Thuý

Khoá luận tốt nghiệp

3

Lớp: K32B. SPHoá


LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, lòng cảm ơn chân thành đến
PGS. TS. Đỗ Quang Kháng và TS. Ngô Kế Thế cùng các anh trong phòng
Công nghệ Polyme (Viện Hoá học) và phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme Composite (Viện Khoa học Vật liệu) đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ và tạo
điều kiện cho em hoàn thành bài khoá luận tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy tổ trƣởng tổ bộ môn Hoá Công nghệ
Môi trƣờng và các thầy cô trong toàn khoa Hoá - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Hà
Nội 2, gia đình và các bạn bè đã nhiệt tình động viên, dìu dắt và hƣớng dẫn

em trong suốt quá trình học cũng nhƣ trong suốt thời gian làm khoá luận này.
Hà Nội, tháng 05 năm 2010
Sinh viên thực hiện

Vũ Thị Thuý



LỜI CAM ĐOAN
Khoá luận tốt nghiệp này đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn của
PGS. TS. Đỗ Quang Kháng và TS. Ngô Kế Thế cùng với sự cố gắng nỗ
lực của bản thân. Trong quá trình nghiên cứu em có tham khảo một số tài
liệu.
Em xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đƣợc trong khoá luận này
hoàn toàn là những nghiên cứu của bản thân và không trùng với kết quả
nghiên cứu của tác giả nào khác đã đƣợc công bố.
Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm!
Sinh viên thực hiện

Vũ Thị Thuý



MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................1


2. Mục tiêu nghiên cứu..............................................................................2
3. Đối tƣợng nghiên cứu........................................................................................... 2

4. Nội dung nghiên cứu.............................................................................2
PHẦN 1: TỔNG QUAN..................................................................................3
1.1. Cao su thiên nhiên............................................................................................3
1.1.1. Lịch sử phát triển............................................................................................. 3

1.1.2. Mủ cao su thiên nhiên (latec).......................................................... 3
1.1.3. Thành phần, cấu tạo, tính chất của cao su thiên nhiên..................................... 4
1.1.3.1. Thành phần.................................................................................... 4
1.1.3.2. Cấu tạo.......................................................................................... 5
1.1.3.3. Tính chất........................................................................................ 5
1.1.4. Phƣơng pháp chế biến cao su thiên nhiên....................................................... 7
1.1.5. Tình hình sản xuất, chế biến CSTN trên thế giới............................................. 8
1.1.6. Tình hình sản xuất, chế biến CSTN ở nƣớc ta............................................... 11
1.2. Một số biện pháp biến tính cao su thiên nhiên.........................................13
1.2.1. Biến tính bằng phƣơng pháp hoá học............................................................ 13
1.2.1.1. Hoá vòng cao su.......................................................................... 13
1.2.1.2. Gắn nhóm phân cực vào mạch cao su......................................... 14

1.2.2. Biến tính cao su thiên nhiên bằng nhựa nhiệt dẻo hoặc cao su
tổng hợp khác...............................................................................15
1.2.3. Biến tính cao su thiên nhiên bằng các chất độn hoạt tính..............................16
1.2.3.1. Lý thuyết về chất độn................................................................... 16
1.2.3.2. Lý thuyết tăng cường lực của chất độn hoạt tính đối với cao
su.................................................................................................17




1.2.3.3. Tăng cường lực cao su thiên nhiên bằng chất độn hoạt tính.......19

PHẦN 2: CHƢƠNG TRÌNH, VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU..........................................................................27
2.1. Chƣơng trình nghiên cứu..............................................................................27
2.2. Vật liệu nghiên cứu.........................................................................................27
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu..............................................................................29

2.3.1. Chế tạo mẫu..................................................................................29
2.3.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp trên máy cán 2 trục...................................................30

2.3.3. Chế tạo mẫu nghiên cứu................................................................30
2.4. Khảo sát tính cơ lý của vật liệu.....................................................................30

2.4.1. Phƣơng pháp xác định độ bền kéo đứt..........................................31
2.4.2. Phƣơng pháp xác định độ giãn dài khi đứt....................................................31

2.4.3. Phƣơng pháp xác định độ mài mòn..............................................31
2.4.3. Phƣơng pháp xác định độ cứng.....................................................................31
2.5. Nghiên cứu cấu trúc hình thái học của vật liệu bằng kính hiển vi điện
tử quét............................................................................................................32
2.6. Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của vật liệu bằng phƣơng pháp phân
tích nhiệt vi sai...............................................................................................32

PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................33
3.1. Nghiên cứu nâng cao tính năng cơ lý cho cao su thiên nhiên bằng chất
độn hoạt tính.................................................................................................33

3.1.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng than hoạt tính tới tính chất cơ học
của vật liệu....................................................................................33

3.1.2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi vô cơ phối hợp tới tính chất cơ học
của vật liệu...........................................................................................37

3.1.3. Ảnh hƣởng của chất phụ gia tăng phân tán tới tính chất của vật liệu ...
40


3.1.3.1. Ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của vật liệu..................................40


3.1.3.2. Ảnh hưởng tới cấu trúc hình thái của vật liệu..............................43
3.1.3.3. Ảnh hưởng tới khả năng bền nhiệt của vật liệu............................46

PHẦN 4: KẾT LUẬN....................................................................................49
TÀI TIỆU THAM KHẢO....................................................................................50

DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT, BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH
Kí hiệu viết tắt



CNH, HĐH: Công nghiệp hoá, hiện đại hoá
CSTN: Cao su thiên nhiên
DTA: Phân tích nhiệt vi sai
ENR: Cao su thiên nhiên epoxy hoá
PKL: Phần khối lƣợng
SEM: Kính hiển vi điện tử quét
SVC: Sợi vô cơ
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam
THT: Than hoạt tính

TPT: Chất phụ gia làm tăng độ phân tán
Bảng biểu
Bảng 1: Thành phần hoá học cơ bản của CSTN................................................4
Bảng 2: Thành phần tiêu chuẩn để xác định các tính chất cơ lý của CSTN......7
Bảng 3: Sản lƣợng cao su của các nƣớc thuộc khu vực Đông Nam Á đã đƣợc
thống kê.................................................................................................9
Bảng 4: Diện tích CSTN ở một số nƣớc Đông Nam Á......................................9
Bảng 5: Tỉ lệ CSTN đƣợc sử dụng trong các lĩnh vực......................................10
Bảng 6: Diện tích cao su toàn quốc ở các vùng đến 2007.................................12
Bảng 7: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng THT tới tính chất cơ học của vật liệu.....34
Bảng 8: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng SVC phối hợp tới tính chất cơ
học của vật liệu.................................................................................38
Bảng 9: Nhiệt độ bắt đầu phân huỷ và nhiệt độ phân huỷ mạnh nhất
của vật liệu.........................................................................................47

Hình ảnh



Hình 1: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng THT tới độ bền kéo đứt của vật liệu........34
Hình 2 : Ảnh hƣởng của hàm lƣợng THT tới độ mài mòn của vật liệu...........35
Hình 3: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng THT tới độ dãn dài khi đứt của vật liệu.....35
Hình 4: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng THT tới độ cứng của vật liệu..................36
Hình 5: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng SVC tới độ bền kéo đứt của vật
liệu có 25% THT..............................................................................38
Hình 6: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng SVC tới độ mài mòn của vật liệu
có 25% THT.......................................................................................39
Hình 7: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng SVC tới độ dãn dài khi đứt của
vật liệu có 25% THT........................................................................39
Hình 8: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng SVC tới độ cứng của vật liệu có 25% THT

...........................................................................................................................40
Hình 9: Ảnh hƣởng của chất tăng phân tán tới độ bền kéo đứt........................41
Hình 10: Ảnh hƣởng của chất tăng phân tán tới độ dãn dài khi đứt.................41
Hình 11: Ảnh hƣởng của chất tăng phân tán tới độ mài mòn..............................42
Hình 12: Ảnh hƣởng của chất tăng phân tán tới độ cứng...........................42
Hình 13: Ảnh SEM bề mặt gẫy vật liệu CSTN/25% THT................................43
Hình 14: Ảnh SEM bề mặt gẫy vật liệu CSTN/25%THT/2%SVC...................44
Hình 15: Ảnh SEM bề mặt gẫy vật liệu CSTN/25%THT/20%SVC.................44
Hình 16: Ảnh SEM bề mặt gẫy vật liệu CSTN/25%THT/2%SVC/2%TPT......45
Hình 17: Biểu đồ phân tích nhiệt vi sai của một số mẫu vật liệu tiêu biểu.......46



MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của kinh tế, kĩ thuật, vật liệu cao su ngày càng
đƣợc ứng dụng nhiều trong hầu hết các lĩnh vực. Trong các loại vật liệu cao
su, cao su thiên nhiên đƣợc sử dụng rộng rãi và là vật liệu quan trọng nhất. Ở
Việt Nam cây cao su đƣợc trồng từ rất sớm (1897). Tuy nhiên, đến gần đây
thì nó mới đƣợc quan tâm, chú ý đặc biệt và dần trở thành một ngành kinh tế
mũi nhọn của nƣớc ta.
Từ sau đổi mới (1986), cây cao su đã đƣợc chú ý đúng mức và dần phát
triển mạnh. Tới nay, diện tích canh tác cây cao su ở nƣớc ta đã đạt 674200 ha
(2009) (Theo Bộ NN và phát triển NT), phấn đấu tới 2015 đạt khoảng 800000 ha
[17]. Sản lƣợng cao su tăng liên tục trong những năm qua. Tuy nhiên, cao su
của nƣớc ta sử dụng trong nƣớc rất ít, phần lớn là xuất khẩu sang Trung
Quốc, phần còn lại sang các nƣớc khác dƣới dạng thô với giá thành rẻ
mạt. Trong khi đó, chúng ta phải nhập khẩu sản phẩm cao su kĩ thuật với giá
thành rất cao. Việc tự sản xuất cao su kĩ thuật từ cao su thiên nhiên đang là
một đòi hỏi rất lớn với ngành công nghiệp cao su nƣớc ta. Bởi nó không

những rất quan trọng trong các hoạt động kinh tế mà còn đáp ứng việc phát
triển sản xuất, nâng cao giá trị hàng hóa, tiết kiệm chi phí nhiên liệu, năng
lƣợng, giảm ô nhiễm môi trƣờng.
Trƣớc tình hình thực tế trên, chúng tôi tiến hành đề tài “Nghiên cứu
nâng cao tính năng cơ lý cho vật liệu cao su thiên nhiên bằng các chất độn
hoạt tính” để hạ giá thành sản phẩm cao su, đáp ứng nhu cầu về sản phẩm
cao su trong các ngành kinh tế, đặc biệt là sản phẩm cao su kĩ thuật phục vụ
nền kinh tế quốc dân.



2. Mục tiêu nghiên cứu
Nhằm chọn ra thành phần chất độn hợp lý để nâng cao tính năng cơ lý
cho cao su thiên nhiên để mở rộng phạm vi ứng dụng, hạ giá thành cho các
sản phẩm cao su.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
Vật liệu cao su thiên nhiên và một số chất độn gia cƣờng.
4. Nội dung nghiên cứu
- Chế tạo mẫu nghiên cứu.
- Khảo sát tính cơ lý của vật liệu:
+ Xác định độ bền kéo đứt,
+ Xác định độ dãn dài khi đứt,
+ Xác định độ mài mòn,
+ Xác định độ cứng tƣơng đối.
- Nghiên cứu cấu trúc hình thái học của vật liệu bằng kính hiển vi điện
tử quét (SEM).
- Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của vật liệu.




PHẦN 1

TỔNG QUAN
1.1. CAO SU THIÊN NHIÊN

1.1.1. Lịch sử phát triển
Cao su thiên nhiên (CSTN) đƣợc phát hiện và sử dụng từ cuối thế kỉ
XVI ở Nam Mỹ. Thời kì này ngƣời ta chỉ biết trích cây lấy nhựa tẩm vào vải
sợi làm giầy dép leo núi. Sau đó lấy cát rắc vào để chống dính, rồi từ đó phát
hiện ra cát ở vùng núi lửa phun ra có tác dụng chống dính tốt hơn và tăng thời
gian sử dụng của giầy dép. Đến năm 1839, các nhà khoa học Guder và
Gencoc phát minh đƣợc quá trình lƣu hóa CSTN, chuyển cao su từ trạng thái
chảy nhớt sang trạng thái đàn hồi cao và bền vững. Từ đó, CSTN đƣợc ứng
dụng rộng rãi để sản xuất nhiều loại sản phẩm thông dụng. Đến đầu thế kỉ
XX, cùng với sự phát triển của ngành hóa học, đặc biệt là sự ra đời của thuyết
cấu tạo polyme thì CSTN đã đƣợc nghiên cứu một cách kĩ lƣỡng và có ứng
dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học và đời sống.
1.1.2. Mủ cao su thiên nhiên (latec)
Mủ CSTN là nhũ tƣơng trong nƣớc của các hạt cao su với hàm lƣợng
phần khô ban đầu từ 28 – 40%. Các hạt cao su có kích thƣớc rất nhỏ (0,05 – 3
μm) các hạt cao su luôn ở trạng thái chuyển động. Hạt latec có hai lớp, bên
trong là hyđrocacbon, bên ngoài là lớp hấp phụ có nhiệm vụ bảo vệ latec
không bị keo tụ. Thành phần hoá học của lớp ngoài là các hợp chất chứa
nitơ thiên nhiên nhƣ protein, các chất béo và muối xà phòng của axit béo.
Mủ cao su có tính kiềm yếu, (pH=7,2). Sau vài giờ bảo quản trị số pH
giảm dần xuống và latec bị keo tụ dần. Trong quá trình keo tụ pha cao su liên



kết với nhau rồi tách ra khỏi nhũ tƣơng và nổi lên bề mặt. Để ngăn chặn hiện

tƣợng keo tụ, ngƣời ta thƣờng ổn định pH cho môi trƣờng (thƣờng dùng
amôniăc 0,5% duy trì pH ở 10 – 11).
Để giảm giá thành trong vận chuyển cho latec, ngƣời ta thƣờng cô đặc
bằng các phƣơng pháp nhƣ ly tâm, cho bốc hơi tự nhiên, phƣơng pháp phân
lớp hoặc dùng các chất điện giải. Mỗi phƣơng pháp cô đặc cho nguyên liệu
cao su có tính chất khác nhau. Vì vậy, tuỳ theo yêu cầu sử dụng, ngƣời ta
chọn phƣơng pháp cô đặc thích hợp.
1.1.3. Thành phần, cấu tạo, tính chất của cao su thiên nhiên
1.1.3.1.Thành phần
Thành phần hoá học của CSTN gồm nhiều chất

khác

nhau:

hiđrocacbon (thành phần chủ yếu), các chất trích ly bằng axeton, các chất
chứa nitơ mà chủ yếu là protein và chất khoáng. Hàm lƣợng các chất này dao
động rất lớn phụ thuộc vào phƣơng pháp sản xuất, tuổi của cây, cấu tạo thổ
nhƣỡng cũng nhƣ khí hậu nơi cây sinh trƣởng và mùa khai thác mủ.
Bảng 1: Thành phần hoá học cơ bản của CSTN [14]
STT

Thành phần chính

Loại cao su
Hong khói

Crêp trắng

Bay hơi


93 -95

93 – 95

85 – 90

1

Hiđrocacbon

2

Các chất trích bằng axeton

1,5 – 3,5

2,2 -3,45

3,6 - 5,2

3

Các chất chứa nitơ

2,2 – 3,5

2,4 – 3,8

4,2 – 4,8


4

Chất tan trong nƣớc

0,3 – 0,85

0,2 – 0,4

5,5-5,72

5

Chất khoáng

0,15 – 0,85

0,16 – 0,85

1,5 – 1,8

6

Độ ẩm

0,2 -0,9

0,2 – 0,9

1,0 – 2,5