So sánh cao su lưu hóa và cao su thiên nhiên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM
KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU
BỘ MÔN VẬT LIỆU POLYMER-COMPOSITE
GIÁO TRÌNH
THỰC TẬP TÍNH CHẤT CƠ LÝ POLYMER
Học kỳ I/2010
Bài 1
LƯU HÓA CAO SU
1. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
- Tìm hiểu sơ lược về cao su thiên nhiên và ứng dụng của cao su.
- Thực hành lưu hóa cao su và kiểm tra tính chất của cao su lưu hóa.
2. LÝ THUYẾT
2.1 Sơ lược về cao su
Cao su thiên nhiên được phát hiện bởi nhà thám hiểm nổi tiếng Christophe Colomb.
Trong hành trình thám hiểm châu Mỹ lần thứ hai, Colomb lần đầu tiên biết đến một quả
bong tạo bằng nhựa cây. Mãi đến năm 1615, Torquemada viết quyển sách đầu tiên giới thiệu
về cao su. Nhưng mãi đến những năm 1740, lợi ích và công dụng của cao su mới được khám
phá nhờ công của hai nhà khoa học Pháp Condamine và Fresneau. Từ đó ngành cao su phát
triển rất nhanh. Đặc biệt cây cao su được trồng rất nhiều ở các quốc gia thuộc địa Anh, Pháp
trong các đồn điền lớn.
Mủ cao su hay latex cao su thiên nhiên của Việt Nam, thường thu hoạch từ cây cao su
giống Hevea, loài Brasiliensis, là một dung dịch màu trắng đục trong đó các hạt cao su ( cis-
1,4-polyisoprene ) phân tán trong môi trường nước. môt trường này được gọi là serum. Kích
thước hạt cao su phân bố trong khoảng từ 50-3000 nm.
Ngoài hydrocarbon cao su ra, latex còn chưa nhiều chất bao giờ cũng có trong mọi tế bào
sống. đó là protein, acid béo, dẫn xuất của acid béo, sterol, glucid, hetersdi, enzyme, muối
khoáng. Hàm lượng những chất cấu tạo nên latex thay đổi tùy theo các điều kiện về khí hậu,
hoạt tính sinh lý và hiện trạng sống của cây cao su. Các phân tích latex từ nhiền loại cây cao
su khác nhau cho ta con số trung bình về thành phần latex như sau:
Cao su ……………………………………….30-40%
Nước ……………………………………… 60-70%

Protein ……………………………………….2-3%
Acid béo …………………………………… 1-2%
Đường và glucid …………………………… 1%
Khoáng chất ………………………………….0.3-0.7%
Để thuận lợi cho quá trình vận chuyển, một số sản phẩm cao su không cần sản xuất từ
latex cao su thiên nhiên có thể được chế biến từ cao su khô. Cao su khô là sản phẩm đông tụ
cảu latex. Có rất nhiều loại cao su khô khác nhau tùy theo phương pháp chế biến ( cao su tờ
xông khói, cao su sạch, cao su crêpe , cao su skim…). Thành phần chính của cao su khô
thường chỉ bao gồm cao su. Tuy nhiên tùy theo mục đích chế biến sản phẩn, cao su khô có
thể được trộn với các phụ gia khác.
2.2 Lưu hóa cao su
Lưu hóa là một phản ứng quan trọng của cao su sống hay còn gọi là cao su khô. Chính
nhờ khám phá ra nó mà kĩ nghệ cao su trên thế giới phát triển mạnh mẽ to lớn như ngày nay.
Việc khám phá ra kĩ thuật lưu hóa xảy ra tình cờ. Từ lưu hóa từ đó được sử dụng rộng rãi vì
nó mang ý nghĩa lịch sử nhiều hơn là bản chất của phản ứng hóa học.
Người phát minh ra phản ứng lưu hóa cao su là Charles Goodyear vào năm 1839. Ông đã
vô tình khám phá ra tác dụng nhiệt đối với phản ứng lưu hóa cao su, giúp cao su dàn hồi, bền
và dai. Nhưng nhà khoa học đặt tên cho phản ứng lưu hóa cao su là Thomas Hancock, ông đề
nghị gọi tên phản ứng là “vulcanization” xuất phát từ “vulcain” là tên thần lửa.
Lưu hóa cao su được xem như quá trình khâu mạch các phân tử cao su, tạo thành cấu trúc
mạng không gian. Việc thay đổi cấu trúc làm thay đổi dột biến tính chất của vật liệu. Vật liệu
từ mềm dẻo chuyển sang đàn hồi mạnh. Quá trình này có ý nghĩa rất lớn trong việc mở rộng
phạm vi ứng dụng của cao su.
Ngày nay từ “lưu hóa” được hiểu theo nghia rộng, không chỉ là một phản ứng nhiệt giữa
lưu huỳnh và cao su, và như thế chất lưu hóa cũng ko phải duy nhất là lưu huỳnh.
Trong công nghiệp lưu hóa còn thường được gọi là hóa chín hay hấp chín trong đó thể hiện
rõ vai trò của nhiệt đến quá trình lưu hóa cao su.
2.3 Một số chất lưu hóa cao su.
Quá trình lưu hóa cao su được thể hiện bởi nhiều tác nhân khác nhau. Hình thành nhiều
hệ lưu hóa khác nhau, tạo ra nhiều sản phẩm cao su có tính chất khác nhau. Việc lựa chọn

chất lưu hóa mang một ý nghĩa quan trọng ứng dụng trong ứng dụng cao su. Bảng sau cho
đây cho biết một số chất lưu hóa thường được sử dụng trong cao su.
ST
T
Chất lưu hóa Tác nhân lưu
hóa
Loại nối hóa
học
1 Lưu huỳnh Lưu huỳnh

Sn
2 Hệ peroxide Peroxide
3 Hệ oxid kim loại Peroxide
4 Dung bức xạ năng lượng Tia γ
5 Hệ nhựa Nhựa phenolic
2.4 Lưu hóa với lưu huỳnh
Trong các hệ lưu hóa, hệ lưu huỳnh thường được sử dụng. đây là trường hợp dơn giản
nhất. trộn vào cao su sống một lượng lưu huỳnh ( thực hiện bằng máy cán ). Khi hỗn hợp đã
đều, đem ép hỗn hợp. ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của lưu huỳnh ( 120
o
C ), lưu
huỳnh khuếch tán và tan vào cao su một phần với tỉ lệ tùy theo điều kiện chế hóa.
• Cao su mềm vào cao su enonite :
Trên thực tế, tính chất của cao su lưu hóa thay đổi thao tỉ lệ lưu huỳnh hóa hợp. chỉ cần
lượng tối thiểu của lưu huỳnh hóa hợp 0.15 phần là đủ xác định có sự lưu hóa. Cao su có :
- Từ 0.15% đến 10% lưu huỳnh hóa hợp: ta có cao su lưu hóa mềm, tức là sản phẩm
thương mại thộng thường
- Từ 10-25% lưu huỳnh hóa hợp : ta có cao su bán ebonite có độ bền thấp, ít dàn hồi
- Từ 25-32% lưu huỳnh hóa hợp : ta có cao su ebonite là chất cứng, rất bền và gần như mất
tính đàn hồi.

• Cơ chế phản ứng lưu hóa bởi lưu huỳnh có thể tóm tắt như sau:
- Xúc tiến tác dụng với lưu huỳnh cho ra sản phẩm polysulfur loại Ac-S
x
-Ac, trong đó Ac
là phần cùa xúc tiến.
- Polysulfur phản ứng với phân tử cao su tạo sản phẩm dạng cao su -S
x
-cao su
Khi không có xúc tiến, tốc độ phản ứng rất chậm.

2.5 Chất xúc tiến lưu hóa
Chất gia tốc lưu hóa, còn gọi là chất xúc tiến, là chất hữu cơ có tác dụng tăng tốc độ lưu
hóa cao su. Được sử dụng với một lượng nhỏ, có khả năng giảm thời gian hay hạ nhiệt độ
lưu hóa, giảm lỉ lệ sử dụng chất lưu hóa và cải thiện chất lượng sản phẩm. như vậy, dùng các
chất gia tốc lưu hóa, ta có thể thực hiện lưu hóa ở nhiệt độ và thời gian mà ta mong muốn.
Các chất xúc tiến lưu hóa thường dung và tên thương mại của chúng:
- Mercapto Benzo Thizol (MBT)
- Disulfur Benzothiazyl (DM)
- Cyclohexxyl-2-Benzothiazyl Sulfenamide (CBS)
2.6 Chất trợ lưu hóa
Chất trợ lưu hóa còn được gọi là chất tăng hoạt hay chất đồng lưu hóa, là chất có tác dụng
phụ trợ gia tốc lưu hóa cao su, tăng cường hoạt tính chất gia tốc hay bổ chính tác dụng
nghịch của một số hóa chất khác trong cấu tạo hỗn hôp cao su (bao gồm latex)
Chất trợ lưu hóa thường được chia thành hai nhóm : nhóm vô cơ bao gồm các oxide kim
loại và nhòm hữu cơ là các acid béo. Tuy nhiên các trường hợp chất vơ cơ thường được ưa
chuộng hơn.
Một chất trợ lưu hóa thường được sử dụng nhất là kẽm oxide ( ZnO ) được điều chế bằng
cách oxide hóa hơi kẽm kim loại hay nung hydrate kẽm.
Kẽm oxide tác dụng với acid béo để tạo savon kẽm tan trong cao su. Savon này tác dụng
với chất gia tốc tạo thành muối kẽm của chất gia tốc, có hoạt tính cao, giúp tăng tốc độ phản

ứng lưu hóa.
Kẽm oxide ngoài tác dụng trợ lưu hóa còn các công dụng khác :
• Độn tăng cường lực cao su thể hiện ở lực kéo đứt, độ trễ
• Dẫn nhiệt và khuyết tán nhiệt phát sinh nội
2.7 Chất hóa dẻo cao su
Cao su cấu tạo bởi những chuổi phân tử rối loạn dài. Những chuỗi này được nối với nhau
bởi những lực tự nhiên khác nhau, và do ảnh hưởng nhiệt chúng sẽ tự nới lỏng ra. Khi cho
Sức chịu kéo dãn ( kJ/cm
2
)
Độ lưu hóa tốt nhất
Thời gian lưu hóa ( giờ)
chất hóa dẻo cao su vào, chúng xen vào giữa những chuỗi cao su vừa làm tách những chuỗi
cao su ra vừa làm giảm lực hút giữa các phân tử.
Một số chất hóa dẻo thường dùng là asphalte thiên nhiên, giàu thực vật, sáp paraphin,
acid stearic, Vaseline, các polyester…được phân loại theo nguồn gốc: động vật, thực vật,
than đá, dầu mỏ…
Chất hóa dẻo có chức năng lớn trong cao su, giúp chế biến và gia công hỗn hợp cao su
được dễ dàng, làm biến đổi cơ tính cao su lưu hóa. Tác dụng quan trọng của chất hóa dẻo lên
cao su sống là giúp nhồi trộn được chất độn với tỉ lệ cao và giúp chất độn phân tán tốt trong
cao su, dễ dàng định hình về sau ( tăng tốt độ cán và ép đùn ), giúp hỗn hợp cao su tránh hiện
tượng chín sớm hay chết trên máy.
Về phương diện kinh tế, các chất hóa dẻo làm giảm bớt thao tác cơ học cần thiết cho sự
hóa dẻo cao su, giúp giảm được công suất tiêu thụ và thời gian chế tạo hỗn hợp cao su. Một
số chất hóa dẻo đặc biết còn làm thay đổi tính dính, dai , cứng…
Chất hóa dẻo thông thường được sử dụng rộng rãi là acid stearit CH
3
(CH
2
)

16
COOH, là một
acid béo, màu trắng, thường có lẫn acid oleic gây hại cho cao su.
• Acid stearic có một số tác dụng chính sau khi trộn với cao su khô :
- Tăng hoạt chất trợ lưu hóa bằng các tạo savon kẽm với oxide kẽm trong khi cán trộn
- Khuếch tán than đen
- Bôi trơn trục, giảm tính dính của cao su sống
- Kháng lão vật lý cho cao su lưu hóa
2.8 Chất độn trong cao su
Chất độn cao su thường chia làm ba loại:
• Chất độn tăng cường lực là chất pha trộn vào cao su giúp cho hỗn hợp cao su lưu hóa
tăng cường được tính chất cơ học.
• Chất trộn trơ pha trộn vào cao su chỉ để hạ giá thành sản phẩm, không làm tăng hoặc
giảm nhẹ các tính chất cơ học
• Chất độn pha loãng có tính chất tương hợp với cao su pha trộn để hạ giá thành và nâng
một số tính chất đặc biệt tùy theo mục đích sử dụng sản phẩm.
Các loại chất độn cần có những yêu cầu chung như sau: độ mịn cao để dễ dàng phân tán,
hàm lượng tạp chất thấp, độ ẩm thấp, độ tương hợp tốt…
Chất độn thường dung nhất hiện nay là than đen (black cacbon). Có rất nhiều loại than
đen khác nhau, tùy phương pháp chế tạo và nguồn gốc. Than đen có độ mịn cao thuộc loại
chất độn tăng cường lực, được độn với hàm lượng rất cao (có thể lên đến 60-70% ). Than
đen có tác dụng làm cứng hỗn hợp cao su tùy theo tỷ lệ độn, tăng đồ chống mái mòn, làm
giảm khả năng biến dạng, …
Sản phẩm cao su độn than đen có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực yêu cầu chịu lực và
kháng mài mòn cao, dày dép, trục, ron, thảm cao su … Tuy nhiên cao su độn than đen có
màu nên không được ưa chuộng trong các sản phẩm trang trí nội thất và y tế.
Cấu trúc lớp của than đen
2.9 Một số công thức lưu hóa cao su thông dụng.
Tùy thuộc vào sản phẩm cao su cần có những đặc tính nào đối với sản phẩm mới, hoặc
chỉ tiêu chất lượng như thế nào đối với sản phẩm truyền thống mà các nhà kĩ thuật cao su có

thể chọn một công thức lưu hóa thích hợp. Tuy nhiên cũng chỉ có ba loại công thức lưu hóa
cao su thông dụng như sau :
Hóa chất Thành phần (phr)
Hệ CV Hệ semi-EV Hệ EV
Cao su thiên
nhiên
Kẽm oxide
Acid stearic
Lưu huỳnh
CBS
Chất phòng lão
100
5.00
2.00
2.5
0.6
2
100
5.00
2.00
1.5
1.5
2
100
5.00
2.00
0.5
5.0
2
Sự lựa chọn hệ lưu hóa dựa trên các yếu tố sau

- Lưu hóa nhanh, hiệu quả
- An toàn khi gia công
- Lưu trữ an toàn
- Phụ gia tan tốt trong cao su
- Tương hợp với các phụ gia khác
- An toàn và không gây hại khi sử dụng
- Không có hiệu ứng phụ trên các tính chất khác ( lão hóa, kết dính …)
Hệ hiệu quả và không hiệu quả ( hệ thông dụng ) là hai thái cực. một bên là hệ hiệu quả
dùng lưu huỳnh ở mức độ thấp với hàm lượng chất xúc tiến cao Kết quả là đối với cao su
thiên nhiên, sản phẩm lưu hóa có tỷ lệ mono-sulfur và di-sulfur cao, các biến đổi mạch chính
thấp, thể hiện ở độ chịu nhiệt và kháng lão hóa cao. Đối với hệ thông thường, mức độ biến
đổi mạch chính cao, độ chịu nhiệt và kháng lão hóa thấp.
2.10 Xác định thời gian lưu hóa cao su ( t
90
)
Thời gian lưu hóa cao su là một thông số quan trọng trong quá trình sản xuất các sản
phẩm cao su. Thời gian lưu hóa cao su là thời gian đủ để quá trình lưu hóa xảy ra thường
được xác định bằng với thời gian hỗn hợp lưu hóa đạt 90% tính chất ( t
90
). Mỗi giá trị T
90
ứng với một nhiệt độ xác định và công thức lưu hóa xác định. Nếu thời gian lưu hóa không
đủ sẽ dẫn đến hiện tượng cao su chưa chín và ngược lại thời gian lưu hóa cao su quá lâu sẽ
làm cao su bị lão hóa.
Thời gian lưu hóa t
90
được xác định thông qua giản đồ Rheometer như sau : trước tiên cần
xác định giá trị M
90
bằng :

M
90
=(M
H
– M
L
)x0.9 + M
L
Trong đó các giá trị M
hf
và M
1
được định nghĩa như trong hình vẽ sau
Từ giá trị M
90
tính được, gióng theo trục Torque để tìm điểm cắt trên đường cong lưu
hóa, từ điểm cắt gióng xuống trục thời gian để tìm giá trị t
90
. Trên giấy vẽ giản đồ rheometer
trục thời gian có nhiều thang đo ( 15 phút , 30 phút, 60 phút…) Tùy theo điều kiện máy được
cài đặt ở thang thời gian nào mà ta tính lại với tỉ lệ tương ứng
3. THÍ NGHIỆM
3.1. Hóa chất
- Cao su khô
- Kẽm oxide
- Acid stearic
- Lưu huỳnh
- Chất xúc tiến CBS
- Chất phòng lão
- Chất độn: Than đen, khoáng sét, bột

đá .
3.2. Dụng cụ
- Máy cán hai trục
- Máy ép giải nhiệt
- Khuôn ép, cưa, kéo, cân, becher.
- Máy đo kéo.
- Thước đo chiều dày, cưa, kéo, máy
dập.
- Dao cắt mẫu theo chuẩn ASTM D412
và D624.
- Bút ghi mẫu.
- Bịch đựng mẫu.
- Giấy báo.
3.3. Tiến trình thực nghiệm
- Sinh viên chia thành 5 nhóm, 3SV/nhóm.
- Mỗi nhóm làm 1 hệ lưu hóa.
Bước 1: Chuẩn bị hóa chất
- Cao su khô: 100 gam/ 1hệ
- Cân các hóa chất theo đơn pha chế 6 hệ như sau:
Hóa
chất
Thành phần (phr)
Hệ không có chất độn Hệ có chất độn ( CT semi-EV)
Hệ
CV
Hệ semi-
EV
Hệ
EV
Than đen Khoáng

sét
Bột
đá
Cao su
khô
100 100 100 100 100 100
Kẽm 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00
Thời gian ( phút)
oxide
Acid
stearit
2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00
Lưu
huỳnh
2.5 1.5 0.5 1.5 1.5 1.5
CBS 0.6 1.5 5.0 1.5 1.5 1.5
Chất
phòng
lão
2 2 2 2 2 2
Than
đen
- - - 30 - -
Khoáng
sét
- - - - 30 -
Bột đá - - - - - 30
Bước 2. Cán trộn cao su và ép lưu hóa
Cán trộn:
- Cán cao su khô trên máy cán 3 lần để làm mềm cao su

- Thêm kẽm oxide ZnO. Cắt đảo 2 lần
- Thêm ½ than đen đều dọc trục. Cắt đảo 2 - 3 lần
- Thêm acid stearic.
- Thêm ½ lượng than đen còn lại.
- Thêm xúc tiến.
- Thêm chất phòng lão
- Thu gom hóa chất rơi, cho vào cao su, cán đều và cắt đảo
- Thêm lưu huỳnh.
- Thu gom hóa chất rơi, cho vào cao su, cán đều.
- Cắt đảo hai lần và cán xuất tấm.
- Đánh dấu chiều định hướng của cao su.
Ép lưu hóa:
- Nhiệt độ ép lưu hóa: 150
O
C
- Thời gian ép: 10- 15 phút
4. ĐO CƠ LÝ
4.1. Độ bền kéo : theo tiêu chuẩn ASTM D412-98A hay ISO37. Một số thông số xác định
được từ đường cong biến dạng sau khi đo
- Biến dạng đứt : biến dạng cực đại của mẫu khi đứt
- Ứng suất đứt : ứng suất cực đại của mẫu khi đứt
- Modul M100, M300 : ứng với các khoản biến dạng 100%, 300%.
Mẫu được cắt hình quả tạ với kích thước như sau:
A
C
L
D
B
Kí hiệu A B C D L
Kích thước

( mm)
25 x 110 6 30
Ghi chú: x là chiều dày mẫu ( khoảng 3mm). x thay đổi được xác định lại ứng với mỗi mẫu.
- Tốc độ kéo: 500mm/ phút
4.2. Khảo sát độ bền xé cao su: theo tiêu chuẩn ASTM D624 hay ISO34
Thông qua khảo sát độ bền xé cho ta biết lực của mẫu cao su lưu hóa khi bị kéo đứt
Ký hiệu A B C D
Kích thước
(mm)
102 28 19 x
Ghi chú: x là chiều dày mẫu ( khoảng 3mm). x thay đổi được xác định lại ứng với mỗi mẫu.
4.3. Các bước tiến hành đo mẫu:
- Sử dụng máy ép và dao cắt mẫu theo chuẩn trên. Mỗi hệ cắt 5 mẫu.
- Ký hiệu và đánh số thứ tự mẫu
- Đo kích thước của từng mẫu: Chiều dài tổng cộng, bề rộng, bề dày.
- Tiến hành kẹp mẫu với Gauge length là 33 mm ( đo kéo).
- Đo mẫu theo hướng dẫn của GV.
- Tốc độ kéo: 500mm/ phút
Mỗi nhóm tiến hành đo độ bền kéo và xé của 2 hệ cao su mà nhóm đã lưu hóa.
5. KẾT QUẢ- BÁO CÁO ( Khoảng 4 trang A4)
I. Trả lời câu hỏi
II. Kết quả đo kéo, đo xé: (Hai hệ mà mỗi nhóm thực hiện cán và lưu hóa)
Kết quả được trình bày như sau:
1. Đo kéo
- Bảng số liệu các giá trị: M100, M300, Stress at peak ( Maximum stress), elongation at
break.
Mẫu Hệ semi-EV ( Không chất độn) Hệ CV
M100
(MPa)
M300

(MPa)
Stress at
peak
(MPa)
elongation at
break %
M100
(MPa)
M300
(MPa)
Stress at
peak
(MPa)
elongation at
break %
1
2
3
…
Trung
bình
Sai số
• Chú ý: SV xử lý số liệu và loại giá trị lệch thô bạo, sau đó tính lại giá trị trung bình.
2. Đo xé: ( tương tự trên)
III. So sánh tính chất cơ lý của các hệ lưu hóa:
1. Tính chất của cao su khi thay dổi hệ lưu hóa ( 3 hệ không có chất độn)
- Bảng số liệu ( Sử dụng giá trị trung bình của các nhóm thực tập trong cùng buổi)
Đo kéo Đo xé
M100
(MPa

)
Sai
số
Stress at
peak
(MPa)
Sai
số
elongat
ion at
break
%
Sa
i
số
M100
(MPa)
Sa
i
số
Stress at
peak
(MPa)
Sa
i
số
elonga
tion at
break
%

Sai
số
CV
Semi-EV
EV
- Vẽ 3 đồ thị, so sánh tính chất của 3 hệ trên, biểu diễn sai số trên đồ thị.
- Nhận xét tính chất cơ lý khi thay đổi hệ lưu hóa.
- Kết luận sử dụng hệ nào thì tốt nhất? Giải thích vì sao hệ này có cơ lý tốt nhất?
2. Tính chất của cao su khi thay đổi chất độn gia cường ( Hệ lưu hóa là semi-EV)
- Bảng số liệu ( Sử dụng giá trị trung bình của các nhóm thực tập trong cùng buổi)
Đo kéo Đo xé
M100
(MPa
)
Sai
số
Stress at
peak
(MPa)
Sai
số
elongat
ion at
break
%
Sa
i
số
M100
(MPa)

Sa
i
số
Stress at
peak
(MPa)
Sa
i
số
elonga
tion at
break
%
Sai
số
Không có
chất độn
Than đen
Khoáng sét
Bột đá
- Vẽ đồ thị so sánh 3 tính chất của 4 hệ trên, biểu diễn sai số trên đồ thị
- Nhận xét tính chất cơ lý của cao su:
+ Khi có và không có chất độn
+ Khi thay đổi chất độn.
- Kết luận: Như vậy sử dụng chất độn nào tốt nhất cho cao su? Giải thích vì sao chất độn
này gia cường cho cao su tốt nhất?
IV. Kết luận
Câu hỏi
1. Vai trò từng chất phụ gia lưu hóa?
2. Giải thích các bước thực hiện lưu hóa?

a. Tại sao thêm ZnO trước, tại sao không thêm sau?
b. Tại sao thêm ½ than đen rồi => acid => rồi lại ½ than đen?
c. Vì sao cho lưu huỳnh vào cuối cùng trong quá trình cán trộn?
3. Giải thích quy luật cán trộn trên máy cán. Làm sao ổn định dòng chảy?
4. Thời gian lưu hóa ảnh hưởng như thế nào đến tính chất của mẫu cao su lưu hóa?
BÀI 2
Nghiên cứu tính chất cơ lý của hỗn hợp composite trên cơ sở nhựa nền
Polypropylene (PP) và chất độn
1. Giới thiệu sơ lược về Brabender
Trộn là một quá trình gia công nhựa ở nhiệt độ cũng như áp suất cao. Trong đó nhựa và
phụ gia được hoà tan và phân tán vào nhau dưới tác động cơ học của các chi tiết trộn tạo nên
một hệ đồng nhất.
1.1 Cấu tạo máy trộn

Hình 1. Hình ảnh của một máy trộn kín Hakee polydrive
Màn hình LCD Thanh nạp liệu
Phểu nạp liệu
Chốt mâm nhiệt
Mâm nhiệt số 3
Mâm nhiệt số
2
Chốt an
toàn
Công tắc
nguồn
Mâm nhiệt
số 1
Khoá bảo
vệ
Nói chung máy trộn Brabender thông thường gồm một số bộ phận chính sau: Cặp trục

rotor, buồng trộn, bộ phận cung cấp nhiệt, bộ phận giải nhiệt, phểu nạp liệu, thanh nén liệu,
sensor….
• Trục roto
Là một trong những bộ phận quan trọng nhất của máy, có vai trò dùng tác động cơ học để
phân bố và phân tán phụ gia vào polymer. Có nhiều loại rotor khác nhau tuỳ thuộc vào loại
vật liệu cần được gia công.
Roller blades: Chuyên dùng cho nhựa nhiệt dẻo, polyolefin, PVC. Sử dụng trong quá trình
kiểm tra tính chất nhớt, phản ứng khâu mạng và ứng suất biến dạng của nhựa nhiệt dẻo và
nhựa nhiệt rắn
Cam blades: Dùng để kiểm tra nhựa nhiệt dẻo và chất đàn hồi ở phạm vi biến dạng trung
bình.
Banbury blades: Kiểm tra cao su thiên nhiên , nhân tạo cũng như các hợp chất cao su.
Sigma blades: Cho phạm vi biến dạng thấp để kiểm tra cách hấp thụ của các hạt và bột
• Buồng trộn
Có cấu tạo loại 2 mâm hoạc 3 mâm, các mâm này được xử lí bề mặt đặc biệt để chống sự
mài mòn do ma sát trong quá trình trộn và trong quá trình trộn cũng được gia nhiệt đến nhiệt
độ cần thiết. Là nơi chứa vật liệu trộn ở trang thái tách rời hoặc nóng chảy.
• Bộ phận cung cấp nhiệt
Sử dụng nguồn điện để cung cấp nhiệt cho buồng trộn làm nóng chảy nhựa.
• Bộ phận giải nhiệt
Có thể sử dụng khí để điều chỉnh nhiệt độ cho buồng trộn một cách ổn định, thông qua
một quá trình cân bằng giữa gia nhiệt-làm nguội tránh được trường hợp quá nhiệt ở polymer.
1.2Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trộn
Phân bố cở hạt, khối lượng riêng, hình dạng hạt, độ ẩm, đặc tính bề mặt, độ nhớt, nhiệt
độ, thời gian, tốc độ trục, tích chất khác nhau giữa phụ gia và polymer….Các hạt càng có
tính chất khác nhau càng khó trộn.
Kết quả trộn đạt được hiệu quả hay không dựa vào tính chất sản phẩm cuối cùng là cách
đánh giá tốt nhất. Mặt khác để có được hiệu quả trộn tốt nhất ta có thể dựa vào đường cong
Torque theo thời gian.
Ví dụ:

Loại vật liệu: PVC; L: Điểm tải; V: Vật liệu bắt đầu nóng chảy; F: Quá trình chảy kết thúc;
M: Điểm cực tiểu; O: Điểm bắt đầu phân huỷ; D:Phân huỷ
Trong khoảng từ S đến M vật liệu đã nóng chảy ở trạng thái ổn định
1.3Tính toán khối lượng vật liệu cho mỗi lần trộn
Dựa vào tỉ trọng đã đựơc biết của vật liệu cần trộn và thông số thể tích buồng trộn và thể
tích trục vít mà nhà sản xuất máy đưa ra. Từ đó khối lượng mẩu cần thiết có thể được tính
theo phương trình sau:
Khối lượng mẩu = Tỉ trọng polymer × Thể tích buồng trộn chứa trục × tỉ lệ phần trăm điền
đầy
M
s
= ρ×V
n
× 0.7 (ở đây với thể tích điền đầy là 70%)
Ví dụ như : Thể tích buồng trộn với roller rotors = 69 cm
3
. Vật liệu PE có tỉ trọng là 0.92
g/cm
3
. Vậy khối lượng mẩu cần lấy là M
s
= 0.92 g/cm
3
× 69 cm
3
× 0.7 = 44.4 g.
1.4 Nguyên tắc trộn
Trong quá trình gia công có nhiều loại chuyển động các hạt rắn như: Chuyển động
khuếch tán, chuyển động đối lưu, chuyển động trượt. Quá trình trộn có thể phân biệt thành
trộn phân bố và trộn phân tán:

Quá trình trộn phân bố là quá trình phân bố chất độn vào polymer liên tục. trong quá
trình này ta chỉ chú ý đến sự đồng đều ở mức độ vĩ mô. Do đó yêu cầu của lực tác đông
không cao.
Quá trình trộn phân tán là qúa trình các hạt chất độ bị phá vỡ dưới dạng các hạt sơ cấp đi
vào khối poymer nền liên tục. Để đạt được điều này các lực tác động phải đủ lớn đề thắng
lực hút giữa các hạt sơ cấp.
Các hạt vật liệu muốn trộn vào nhau tốt cần phải có tính tương hợp và tính trộn hợp.
• Tính tương hợp ( compatibility): “Đó là hỗn hợp gồm hai hay nhiều vật liệu polymer
trộn lẫn vĩnh cửu với nhau, tạo thành một hệ đồng thể có các tính chất của nhựa hữu ích và
không phân ly thành các thành phần“.
• Tính trộn hợp (miscibility): Theo D. J. David cho rằng sự trộn hợp giữa nhiều
polymer xảy ra khi:
+ Sự tương tác bề mặt giữa các polymer là lớn nhất (mức độ phân tử ).
+ Phải có sự tạo thành liên kết hóa học.
+ Sự thay đổi khối lượng phân tử ảnh hưởng đến sự hòa trộn polymer.
Hỗn hợp 2 hay nhiều polymer được gọi là tương hợp với nhau nếu chúng tạo thành hỗn
hợp 2 pha ở mức độ vi mô nhưng tương tác giữa chúng với nhau tạo thành tính chất hữu ích
và trong nhiều trường hợp còn tăng cường thêm tính chất cho vật liệu. Tính trộn hợp là khả
năng của polymer được trộn lẫn ở mức độ phân tử để tạo thành một pha đồng thể. Polymer
hòa trộn lẫn nhau ở nhiệt độ

cao hơn nhiệt độ chảy loãng của chúng. Thực chất, quá trình
hòa tan của polymer là quá trình phân tán lẫn nhau, tiếp theo là quá trình hòa tan lẫn nhau
giữa 2 hoặc nhiều chất lỏng nhớt dẻo.
2. Nhựa nền PP
2.1 Khái niệm
Polypropylene là một loại nhựa nhiệt dẻo, có cấu trúc polymer hydrocarbon mạch thẳng
được tổng hợp từ monomer propylene (CH
2
=CH-CH

3
). PP

thường có độ kết tinh khá cao,
hơi đục, khá dẻo và còn có những tính chất cơ lý, nhiệt rất tốt khi sử dụng ở nhiệt độ phòng,
ví dụ như: nhiệt độ nóng chảy cao, tỷ trọng thấp, tính kháng va đập tốt…. Những tính chất
này có thể được thay đổi khá dễ dàng bằng cách thay đổi sự điều hoà, độ dài mạch trung bình
hay sự tạo thành copolymer với những monomer như ethylene, các elastomer…
2.2 Tính chất
PP được điều chế với xúc tác Ziegler – Natta có phần trăm isotactic lớn, độ kết tinh cao,
nhiệt độ nóng chảy Tc= 160 – 171
o
C, tỷ trọng d=0,92 – 0,5 g/cm
3
, phân tử khối trong khoảng
60.000 – 200.000. PP có tính chất cơ lý tốt, bền trong môi trường acid và baz mạnh. Ở nhiệt
độ thường không hoà tan trong bất cứ dung môi nào, ở 80
o
C hoà tan trong các dung môi
thơm và parafin
Bảng 1. Một số tính chất cơ lý của các dạng điều hoà của mạch PP
Isotactic Syndiotactic Atactic
Nhiệt độ nóng chảy (
o
C) 160 – 171 130 – 160 -
Độ kết tinh (%) 55 – 65 50 – 75 0
Độ bền kéo (kP/cm
2
) 320 – 350 0
2.3 Phân loại

PP là polyolefin giống như polyethylene nhưng có tính bất đối xứng do có nhóm methyl
gắn trên một carbon trong hai carbon của phân tử propylene. Chính sự bất đối xứng này đã
dẫn đến nhiều khả năng ghép cặp giữa mạch polymer và những phân tử propylene tiếp theo.
Điều này giúp hiểu rõ hơn về đồng phân cấu trúc và đồng phân lập thể hoá học trên mạch
PP.
Về mặt đồng phân cấu trúc, carbon có gắn nhóm Methyl luôn được xem như “đầu” của
một mắt xích – Đơn vị cấu trúc nhỏ nhất của polymer, và carbon còn lại không chứa nhóm
Methyl được gọi là “đuôi” của mắt xích. Khi phản ứng polymer hoá diễn ra, trường hợp
“đầu” và “đuôi” kết hợp với nhau xen kẽ chiếm đa số. Tuy nhiên, đôi khi cũng có một số liên
kết “đầu” – “đầu”, “đuôi” – “đuôi” xảy ra trên mạch carbon của polymer.
Về mặt đồng phân lập thể hoá học :
• Nếu tất cả các nhóm Methyl gắn trên mạch polymer đều nằm về một phía so với mặt
phẳng chứa mạch polymer, khi đó polymer được gọi là “Isotactic”.
• Nếu tất cả các nhóm Methyl gắn trên mạch polymer nằm xen kẽ bên này và bên kia so
với mặt phẳng chứa mạch polymer, polymer được gọi là “Syndiotactic”.
• Khi tất cả các nhóm Methyl gắn trên mạch polymer nằm bất kì về hai phía của mặt phẳng
chứa polymer không theo một trật tự nào, polymer được gọi là “Atactic”.
Hình 1. Các dạng cấu trúc khác nhau tuỳ theo tính điều hoà của mạch PP
Chính do sự khác biệt về tính điều hoà trong cấu trúc này, đã tạo sự khác biệt về tính chất
cơ lý giữa isotactic, syndiotactic và atactic.
2.4 Điều chế
Do trong 3 loại cấu trúc, isotactic PP có tính chất cơ lý tốt nhất và có nhiều ứng dụng
nhất nên PP thường được điều chế ở dạng isotactic bằng xúc tác Ziegler-Natta (xúc tác dị
thể) và Metallocene (xúc tác đồng thể) với tỉ lệ isotactic trong PP rất cao.
 Xúc tác Ziegler Natta (xúc tác dị thể)
Xúc tác Ziegler-Natta được biết đến như một chất xúc tác có khả năng polymer hoá
propylene để tạo ra PP có tính điều hoà với hiệu suất khá cao. Xúc tác Ziegeler-Natta gồm 2
thành phần: Ziegeler-Natta và chất đồng xúc tác. Cấu trúc Ziegeler-Natta có nguyên tử kim
loại chuyển tiếp và các ligan.
 Metallocene

Xúc tác metallocene được dùng để trùng hợp polyolefins nói chung và polypropylene nói
riêng, nhằm tăng khối lượng phân tử trung bình, giảm độ đa phân tán và thiết lập sự điều hoà
mong muốn cho mạch polymer. Xúc tác metallocene cũng là xúc tác dạng hỗn hợp gồm hai
phần: metallocene và chất đồng xúc tác methylalumoxane.
Metallocene được cấu tạo bởi hai phần:
- Một nguyên tử kim loại chuyển tiếp (thường được nối với các ligand)
- Hai vòng carbon cộng hưởng tích điện âm (thường là cyclopentadienide ion và các dẫn
xuất của nó).
Hai vòng cộng hưởng này có tác dụng là tạo liên kết ion với nguyên tử kim loại trung
tâm tạo thành dạng sandwich kim loại.
2.5 Ứng dụng
PP có rất nhiều ứng dụng trong đời sống:
• PP atactic có trong lượng phân tử thấp, tính chất cơ lý thấp thường dùng làm băng keo,
keo dán, chất kết dính
• PP syndiotactic và atactic có trọng lượng phân tử cao, tính chất cơ lý tốt nên thường được
dùng làm những vậy dụng bằng nhựa cứng:
• PP được kéo sợi dùng làm dây thừng, dây đeo, đan túi xách…
• PP được đùn thổi dùng để sản xuất chai nhựa, các loại bình đựng…
• PP được ép thành tấm làm thảm nhân tạo, đồ chơi trẻ em, đồ trang trí
• PP được đùn kéo màng để làm bao bì đựng thực phẩm, hoá chất…
• PP gần đây còn được ứng dụng nhiều trong công nghiệp sản xuất ôtô dùng dể thay thế
các bộ phận không đòi hỏi chịu lực cao nhằm làm giảm trọng lượng xe, tiết kiệm nhiên liệu.

Hình 6. Ứng dụng của nhựa PP
3. Sơ lược về Bột đá
Bột đá là một hợp chất hóa học với công thức hóa học là CaCO
3
. Đây là một hợp chất
phổ biến tồn tại trong các loại đá phân bố trên thế giới và cũng là thành phần chính của lớp
vỏ các sinh vật biển, ốc sên và vỏ trứng…. Bột đá là một thành phần hoạt tính trong chế

phẩm vôi nông nghiệp và thường là yếu tố cơ bản gây nên tình trạng “ nước cứng”. Nó cũng
được ứng dụng nhiều trong y học.
Canxicarbonate xuất hiện trong tự nhiên dưới dạng các loại khoáng và đá: Aragonite,
Calcite, Vaterite or (μ-CaCO
3
), Chalk (Blackboard chalk is calcium sulfate, CaSO
4
),
Limestone, Marble, Travertine
Để kiểm tra sự có mặt của carbonate trong các loại đá, khoáng này người ta thường sử
dụng các acid như HCl hoặc H
2
SO
4
và sản phẩm tạo ra sẽ là CO
2
và nước nếu có chứa gốc
CO
3
. Còn để kiểm tra sự có mặt của Ca, người ta sử dụng một dây Pt hoặc Cr được nhúng
vào dung dịch acid HCl. Sau đó lấy ra và nhúng vào mẩu đá nghiền mịn. Đặt dây vào một
đèn Bunsen, nếu có mặt Ca trong mẩu thì sẽ xuất hiện ngọn lửa đỏ gạch. Từ hai thí nghiệm
trên có thể kết luận trong mẩu có hoạc không chứa CaCO
3
.
3.1 Tính chất hóa học
CaCO
3
có các tính chất điển hình giống như các carbonate khác như:
• Phản ứng với acid và giải phóng CO

2
:
CaCO
3(s)
+ 2HCl
(aq)
→ CaCl
2(aq)
+ CO
2(g)
+ H
2
O
(l)
• Giải phóng CO
2
khi bị nung ở nhiệt độ trên 840°C và tạo thành canxi oxide với năng
lượng phản ứng enthalpy 178 kJ / mole:
CaCO
3
→ CaO + CO
2
• Calcium carbonate phản ứng với nước và CO
2
calcium bicarbonate tan được:
CaCO
3
+ CO
2
+ H

2
O → Ca(HCO
3
)
2
3.2 Ứng dụng của CaCO
3
- Ứng dụng chính của CaCO
3
là trong ngành công nghiệp xây dựng, đóng vai trò như là
một vật liệu xây dựng hoặc là đá vôi cho xây dựng đường hoặc là thành phần cấu tạo xi
măng.
- Ứng dụng trong quá trình tinh chế sắt từ quặng sắt trong các lò hơi .
- Ứng dụng trong ngành công nghiệp dầu mỏ, đá sinh học, trong các màng xốp, ngành
sơn….
- Hạt CaCO
3
mịn là một thành phần quan trong trong các màng xốp
- Và một lãnh vực mà nó được ứng dụng khá rộng rãi trong thời gian gần đây là sử dụng
như một chất độn trong các loại nhựa kể cả nhiệt rắn và nhiệt dẻo. CaCO
3
có thể được đưa
vào trong nền nhựa PVC với khối lượng lên đến 70% phr để cải thiện tính chất cơ lý và các
tính chất điện. PP được đưa CaCO
3
vào để cải thiện độ cứng thích hợp sử dụng ở nhiệt độ
cao.
4. Sơ lược về Bột gỗ
4.1 Cấu trúc
Cũng như các loại sợi tự nhiên khác, thành phần của sợi gỗ chủ yếu gồm: cellulose,

hemi-cellulose, lignin, ngoài ra còn có những thành phần khác như: pectin, sáp, protein thực
vật…
• Cellulose: Cellulose là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ các liên kết các mắt xích β-
D Glucose (C
6
H
10
O
5
)
n
hay [C
6
H
7
O
2
(OH)
3
]
n
trong đó n nằm trong khoảng 5000 – 14000, là
thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật. Cellulose chiếm khoảng 40 – 50 %
khối lượng gỗ, có độ kết tinh cao, có màu trắng, không mùi, không vị. Cellulose không tan
trong nước và các dung môi hữu cơ thông thường. Tan trong một số dung dịch axit vô cơ
mạnh như: HCl, HNO
3
, một số dung dịch muối: ZnCl
2
, PbCl

2
,
• Hemicellulose: Hemicellulose cũng giống như cellulose đều là những polysaccharide,
nhưng còn bao gồm các loại phân tử đường khác nhau trong cấu trúc. Hemicellulose ít có sự
sắp xếp chặt chẽ trong cấu trúc như cellulose và chính vì vậy chỉ một phần trong cấu trúc kết
tinh, phần còn lại là vô định hình. Ngoài ra, hemicellulose không những có các nhóm –OH
mà còn có những nhóm ester ( -C=O-O) gắn trên mạch polysaccharide của nó nên,
hemicellulose không bền nhiệt và dễ bị giảm cấp hơn so với cellulose.

Cấu trúc hóa học của hemicellulose
• Lignin: Lignin là một dạng phenolic polymer ,trong tự nhiên tồn tại ở dạng mạng lưới
polymer ba chiều, có vai trò rất quan trọng là liên kết những thành phần khác trong gỗ như:
cellulose, hemicellulose… Các đơn vị monomer chủ yếu của lignin là các phenyl – propan
thế trên vòng khác nhau, liên kết với nhau theo nhiều cách. Lignin chiếm khoảng từ 25 – 34
% tổng khối lượng gỗ, là dạng polymer vô định hình có nhiệt độ Tg khoảng 140
o
C do đó ở
nhiệt độ phòng khá cứng rắn.
Ngoài ra còn có một số thành phần khác, như : Pectin, Sáp và một số hợp chất vô cơ hàm
lượng nhỏ
4.2 Biến tính bề mặt sợi (bột) tự nhiên
Về mặt cấu trúc, gỗ có cellulose với hàm lượng nhóm –OH rất cao tạo nên tính ưa nước
của chúng. Trong khi đó, nhựa PP lại có tính kị nước do có cấu trúc hoá học không phân cực,
do đó việc đưa vào những nhóm chức hữu cơ khác tạo liên kết hoá học của hỗn hợp nhựa PP
và sợi (bột) thực vật là yêu cầu không thể thiếu để cải thiện tính tương hợp của composite
thành phẩm.
4.2.1 Phương pháp xử lý vật lý
Phương pháp xử lý bằng các tác động cơ học, tác động nhiệt…không hay ít làm thay đổi
cấu trúc hoá học của sợi chỉ làm thay đổi tính chất bề mặt của sợi sao cho phù hợp với tính
chất của composite thành phẩm. Trong các phương pháp xử lý vật lý, phương pháp ngâm

kiềm vẫn được sử dụng như một phương pháp đơn giản nhất, rẻ tiền nhất và có hiệu quả
tương đối cao. Ngoài ra, gần đây còn có những phương pháp khác như: xử lý plasma, xử lý
lumen.
4.2.2 Phương pháp xử lý hoá học
Là dùng những phương pháp hoá học để biến tính cấu trúc hoá học của bề mặt sợi mà
chủ yếu là việc biến tính những nhóm chức như –OH (hydroxyl) được gắn trên bề mặt sợi để
có thể tương hợp với nhựa nền trong công nghệ chế tạo composite. Một số phương pháp hoá
học thường được sử dụng để biến tính nhóm hydroxyl cellulose:
• Phản ứng với anhydride acetic
• Phản ứng với cloride acid
• Phản ứng với formaldehyde
• Phản ứng với acrylonitrile
• Phản ứng với nhóm epoxy
• Sử dụng chất trợ tương hợp PP-g-AM
5. Một số nghiên cứu về sản phẩm composite giữa PP/bột đá và PP/bột gỗ
Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau
nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu. Vật
liệu Composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho Composite có được
các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của Composite liên
kết, làm việc hài hoà với nhau. Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là Composite
polyme, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi
bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi
cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp. Khi chế tạo ở
một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai được các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho
quá trình sản xuất.
Tính chất cơ và nhiệt của polymer có thể được cải thiện rất nhiều bằng cách đưa vào các
chất độn để tạo nên sản phẩm composite. PP với nhiều chất độn khác nhau đưa vào đã được
sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác. CaCO
3
và


bột gỗ là một trong
những chất độn được sử dụng phổ biến nhất cho nhựa nhiệt dẻo với mục đích làm giảm giá
thành và nâng cao đặc tính sản phẩm.
Vật liệu composite dựa trên PP và CaCO
3
hoặc bột gỗ đã được nghiên cứu và cho thấy
khả năng cải thiện tính chất cơ lý khá tốt hoặc không thay đổi bao nhiêu. Kích thước hạt
CaCO
3
vào khoảng 1-50 µm.
Độ bền cơ của vật liệu composite theo hàm lượng CaCO
3

Độ bền cơ của vật liệu composite theo hàm lượng bột gỗ
Điều này cho thấy CaCO
3
hoặc bột gỗ là những chất độn tốt cho nhựa nền PP với mục đích
giảm giá thành sản phẩm và thay đổi đặc tính sản phẩm.
6. Thực nghiệm
6.1 Mục đích bài thực tập
Bài thực tập này sẽ giúp sinh viên được tiếp xúc thực tế với máy trộn một trong các
loại máy gia công vật liệu nhựa phổ biến. Trên cơ sở đó sẽ học hỏi cách sử dụng và thao tác
trực tiếp trên máy để trộn các composite của hổn hợp PP/ Bột đá và PP/bột gỗ.
6.2 Dụng cụ hoá chất
PP, bột đá công nghiệp, bột gỗ, bao tay chịu nhiệt, các dụng cụ làm sạch máy sau khi gia
công: dao và chổi đồng
6.3 Quy trình thực hiện
PP, bột đá và bột gỗ ban đầu sau khi sấy ở 80
o

C trong 1 giờ để loại bỏ hơi ẩm, được trộn
sơ bộ với các tỉ lệ phối trộn như sau:
Hổn hợp(Phr)
Hóa chất
1 2 3 4 5 6
PP 100 100 100 100 100 100
Bột đá 0 10 20 30 0 0
Bột gỗ 0 0 0 0 10 30
Tiến trình trộn được thực hiện ở nhiệt độ 170
0
C, tốc độ các trục roll rotor là 35
vòng/phút. PP được cho vào máy trộn trong một phút. Sau đó cho từ từ CaCO
3
(bột gỗ) vào
trong 2 phút. Sau khi đã cho CaCO
3
(bột gỗ) thì bắt đầu tính thời gian trộn trong 7 phút. Mẫu
sau khi trộn được lấy ra sau đó được đưa vào máy xay hạt, xay nhỏ để đùn tạo hạt.
BÀI 3
SỬ DỤNG MÁY ĐÙN CHO QUÁ TRÌNH GIA CÔNG NHỰA
1. Giới thiệu sơ lược về máy đùn
Đùn là một quá trình gia công nhựa ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao để chuyển đổi
liên tục một vất liệu mềm ở trạng thái chảy nhớt thành sản phẩm định hình đưa vào đời sống.
Máy đùn tải vật liệu nhựa ở dạng hạt từ vùng tải đẩy về phía trước dưới lực nén do tác
động của trục, với sự gia nhiệt từ nguồn nhiệt bên ngoài, ma sát của dòng chảy nhớt chuyển
đổi vật liệu thành dạng nóng chảy.
1.1 Cấu tạo máy đùn
Máy đùn trục vít có thể phân loại theo số trục vít: Máy một trục vít và máy nhiều trục vít.
Tuy nhiên nói chung máy đùn gồm có các bộ phận chính sau: Phểu nạp liệu, buồng trộn, trục
vít, bộ truyền động, bộ phận cung cấp nhiệt, bộ phận làm nguội, ….

 Cấu tao trục vít
Thành phần quan trọng nhất của máy đun là trục vít. Trục vít được thiết kế dành riêng
cho từng loại vật liệu gia công. Trục bao gồm một hình trụ bằng hợp kim thép 4140 với
những rảnh xoắn ốc được thấy như hình dưới
Những đỉnh xoan ốc được tạo thành trong quá trình gia công tạo rảnh được gọi là đỉnh
vít, khoảng cách giữa 2 đỉnh được gọi là bước vít, giá trị này thường là hằng số đối với chiều
dài trục trong máy đùn một vít, gốc xoắn ốc được gọi là Pitch và thông thường gốc xoắn
thường là 17.5
o
, tuy nhiên nó có thể thay đồi từ 12 đến 20
o
, đường kính ngoài trục thường
nhỏ hơn 1/1000 inch so với ID của buồng trộn. Khoảng hở giữa trục và buồng phải phù hợp
để tránh sự tích luỷ quá mức nhựa trong thành buồng trộn và làm tăng cực đại quá trình
truyền nhiệt.
Trục có thể đặc hoặc rỗng bên trong. Trục rỗng cho phép giải nhiệt bằng nước , trục này
có thể rổng trên toàn bộ trục hoặc chỉ một phần nào đó, phụ thuộc vào đặc trưng sử dụng.
Đỉnh vít thường được làm cứng bởi kỉ tuật tôi nóng hoặc thêm vào hợp kim chống mài mòn.
Các vùng trục vít:
Trục vít được mô tả bởi tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính (L/D) , tỉ số này thường đựơc
sử dụng cho máy đùn một trục trong phạm vi từ 15:1 đến 30:1. Tỉ số từ 20:1 đến 24:1 thưòng
được dùng cho nhựa nhiệt dẻo, những giá trị thấp hơn sử dụng trong cao su. Trục vít cũng
được mô tả bởi tỉ số nén- tỉ số giữa độ sâu đỉnh vít ở vùng kết thúc nạp liệu và vùng chảy tỉ
số nén của máy đùn một trục thường là 2:1 và 5:1.
Trục vít thường chia thành 3 phần: Vùng nạp liệu, vùng làm chảy và vùng bơm. Một
trong những thông số cơ bản trong thiết kế trục vít là tỉ số độ dài giữa vùng nạp liệu, vùng
chảy và vùng bơm của vít
Vùng nạp liệu nhận vật liệu ở dạng hạt, và chuyển chúng thành trạng thái đặc trước khi
chuyển đến vùng làm chảy. Vùng nạp liệu thường có rảnh sâu để cung cấp đủ vật liệu cho
vùng làm chảy.

Các dạng rãnh vít của vùng chảy
Vùng làm chảy có nhiệm vụ giữ và làm chảy vật liệu. Độ sâu rảnh vít được thu nhỏ dần
trong vùng chảy gây nên tình trạng nén thể tích của các hạt nóng chảy. Chuyển động tương
đối của bề mặt trục vít và thành buồng gây nên lực xé. Sự tăng lên của lực xé làm cho quá
trình trộn tốt hơn và tạo ra nhiệt do ma sát dẩn đến sự phân bố nhiệt một cách đồng đều.
Polymer cần được làm nóng chảy hoàn toàn khi đi vào vùng cuối trục vít, đựơc biết như
vùng bơm. Vai trò vùng bơm là tạo lực lên polymer nóng chảy đến một giá trị cần thiết , tạo
dẩn lực đẩy vật liệu ra khỏi đầu tạo hình. Độ sâu rảnh vít trong vùng bơm chỉ bằng 1/ 3 đên
1/5 đối với vùng nạp liệu.
Một số trục vít dành cho máy đùn một trục
 Cụm truyền động
Cụm truyền động có vai trò truyền động cho trục vít và điều chỉnh tốc độ trục vít. Giá trị
tốc độ của trục vít rất đựơc quan tâm bởi vì nó ảnh hưỏng đến khả năng chảy và gia công của
vật liệu.
 Nguồn nhiệt
Nhiệt để làm nóng chảy polymer được cung cấp từ nguồn bên ngoài và nhiệt ma sát trong
quá trình nén và xé của trục vít lên polymer. Nhiệt ma sát khá quan trọng , trong những máy
đùn hiện đại tốc độ cao thì nó hầu như cung cấp toàn bộ nhiệt để quá trình chảy ổn định.
Còn với nguồn nhiệt ngoài chỉ có vai trò cách li vật liệu và không để máy bị kẹt khi bắt đầu
chạy trong khi vật liệu còn nguội.
 Buồng trộn
Là phần vỏ bọc trục vít có gắn bộ phận gia nhiệt. Thường được chia thành 3 hoặc 4 vùng
nhiệt : Nhiệt độ thấp nhất tại vùng nạp liệu và cao nhất ở đầu tạo hình. Nhiệt độ của mổi
vùng được kiểm soát cẩn thận bởi cân bằng giữa quá trình gia nhiệt và làm nguội.
 Công suất máy đùn
Kích thứơc chuẩn của các máy đùn đơn trục là 11/2, 2, 21/2, 3, 31/2, 41/2, 6, 8 và được
chì rõ bên trong đường kính của buồng trộn. Tính toán một cách gần đúng , công suất máy
trộn(Q
e
) có thể tính toán từ kích thước buồng trộn Db(inch) bằng kinh nghiệm:

Q
e
= 16D
b
2.2
Một cách tính khác: Năng lượng cần để làm nóng chảy nhựa xuất phát từ hoạt động cơ
học, trái lại nguồn nhiệt buồng cung cấp chủ yếu để cách li vật liệu. Nếu chúng ta cho phép
một quá trình điền đấy 80% thì công suất máy có thể được tính như sau. Q
e
(Ib/h)
Q
e
= 1.9 ×10
3
H
p
/C
p
∆T
Trong đó H
p
là năng lượng cung cấp, C
p
nhiệt dung của vật liệu, ∆T là sự tăng nhiệt độ từ
khi cho vật liệu vào đến khi đùn ra. ∆T từ phương trình này không được chính xác bởi vì ta
đã bỏ qua nhiệt nóng chảy và các ảnh hưởng nhiệt khác. Hai phương trình trên kết hợp cho
phép có thể dự đoán ∆T .
1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đùn
Chất lượng sản phẩm đùn thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố: Nhiệt độ gia công, thời
gian lưu nhựa, tốc độ vít, hình dạng vít, ….

Một số loại máy đùn khác: Máy đùn kết cấu trục hành trình, máy đùn dùng chày, máy
cho nguyên liệu có độ nhớt thấp
1.3 Một số ứng dụng của công nghệ đùn
 Đùn thổi màng
Kĩ thuật đùn thổi màng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất màng PE và các loại
polymer khác.
Quy trình đùn như sau:
Hình ảnh của một cơ cấu đùn sản phẩm màng
Nhựa nóng chảy từ vùng bơm máy đùn chảy vào đầu tạo hình, ở đây nó chảy qua một cái
lõi và đi ra dưới dạng hình ống tròn . Ống này được thổi rộng ra với đưòng kính phù hợp bởi
áp suất bên trong của không khí chạy ra từ tâm của lõi. Khí này đóng vai trò quan trọng đến
hình dáng kích thước và độ dày ống. Màng sau đó được làm nguội bằng không khí đến trạng
thái bình thường. Những ống này sau đó được kéo qua các thiết bị định hướng và quấn lên
một trục giúp làm phẳng nó. Công đoạn cuối là cắt, rạch và xử lí bể mặt óng để tạo ra sản
phẩm mong đợi.
Phương pháp này cho ta những màng có bề rộng ưng ý có thể điều chỉnh. Khả năng định
hướng theo hai chiều: Cải thiện tích chất cơ lí. Tuy nhiên một số vấn đề có thể xảy ra đối với
chất lượng màng như: Sự thay đổi độ dày màng, bề mặt không hoàn hảo( hiện tượng mắt cá,
mờ, nhăn, độ bền kéo thấp).
 Đùn tấm và màng phẳng
Quá trình đùn này sử dụng đầu tạo hình dạng khe ( hình chử T, hoặc đuôi cá…). Như
hình vẻ dưới
Nhựa nóng
chảy từ vùng
bơm
Đ
ù
n
Định hình sản
phẩm

Làm nguội
bằng khí
Làm
phẳng
Cắt, xử lí bề mặt ống
K
é
o

Sự khác biệt chính - Cao su thiên nhiên so với cao su tổng hợp

Cao su tự nhiên và tổng hợp là hai loại polymer có đặc tính tuyệt vời được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp và gia dụng. Mỗi loại cao su có tính chất hóa học và vật lý riêng tùy thuộc vào bản chất của monome và cấu trúc hóa học của cao su. Sự khác biệt chính giữa cao su tự nhiên và cao su tổng hợp là cao su tự nhiên là một loại polymer sinh tổng hợp tự nhiên thu được từ một loại cây có tên Hevea brasiliensis, trong khi cao su tổng hợp là polymer nhân tạo trong điều kiện kiểm soát . Nhiều sự khác biệt giữa hai loại cao su này sẽ được thảo luận.

Bài viết này thảo luận về,

1. Cao su thiên nhiên là gì?
- Tổng hợp, cấu trúc, tính chất, ứng dụng

2. Cao su tổng hợp là gì?
- Tổng hợp, cấu trúc, tính chất, ví dụ

3. Sự khác biệt giữa cao su thiên nhiên và cao su tổng hợp là gì?