Trờng ĐH Bách khoa Hà Nội Báo cáo tổng hợp đề tài:

Hoàn thiện công nghệ chế tạo một số
sản phẩm cao su kỹ thuật (khe co gin cao su
cốt bản thép cho cầu đờng bộ
và gioăng kính nhà cao tầng)

Chủ nhiệm đề tài: Hoàng Nam 8602

Hà nội 2010

Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10


Trung tâm NCVL Polyme
Đại học Bách Khoa Hà Nội

6
KS. Phạm Công Vịnh
Công ty Cổ phần Cao su
Chất dẻo Đại Mỗ

7
KS. Lương Thị Chiến
Công ty Cổ phần Cao su
Chất dẻo Đại Mỗ

8
KS. Nguyễn Hữu Trọng
Công ty Cổ phần Cao su
Chất dẻo Đại Mỗ

9
KS. Phạm Văn Quynh
Công ty Cổ phần Cao su
Chất dẻo Đại Mỗ
cũng đã đào tạo được 1 thạc sĩ, 3 kỹ sư theo hướng dự án, đồng thời hướng dẫn cho
nhiều cán bộ và công nhân nắm bắt được công nghệ và vật liệu mới, tạo điều kiện
cho sự phát triển sau này trong lĩnh vực công nghệ vật liệu cao su. Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CSTN (NR) Cao su tự nhiên
EPDM Etylen Propylen Dien Monome
ENB 5 – ethylidene – 2 norbornene
CP Poly clopren
CSCP (CR) Cao su Clopren
KCG Khe co giãn
CSCBT Cao su cốt bản thép
GC Gối cầu
DTDM 4,4'dithiodimorpholin
S Lưu huỳnh
M Mecaptobenzothiazol
DT Chất liên kết có nguồn gốc từ nhựa phenolic
CZ N – Cyclohexy – 2 Benzothiazole Sulfenamide
EZ Zinc – Diethyl Dithiocarbamate
TMTD Tetrametyl thiuram disunphit

2.2.6. Phương pháp xác định độ mài mòn 45
2.2.7. Phương pháp đo độ bền xé. 45
2.2.8. Phương pháp đo độ trương trong dung môi 46
2.2.9. Phương pháp xác định hệ số già hoá 46
CHƯƠNG 3: HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO GỐI CẦU 47
VÀ KHE CO GIÃN 47
3.1. Chế tạo blend trên cơ sở cao su tự nhiên và cao su clopren (CSTN/CSCP) 47
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian lưu hóa đến tính chất cao su 56
3.3.
Đánh giá một số tính chất sử dụng của blend CSTN/CSCP 61
3.3.1. Độ co ngót của cao su 61
3.3.2. Khả năng chịu khí hậu và ozon 62
3.3.3. Khả năng chịu hóa chất 64
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10 5
3.4. Hoàn thiện qui trình công nghệ chế tạo gối cầu và khe co giãn cao su cốt bản
thép 66
CHƯƠNG 4: HOÀN THIỆN ĐƠN CÔNG NGHỆ 72
CAO SU GIOĂNG KÍNH NHÀ CAO TẦNG 72
4.1. Mở đầu 72
4.2. Xây dựng đơn cao su gioăng kính 73
4.2.1. Khảo sát hỗn hợp cao su Hàn Quốc 73
4.2.2. Xây dựng đơn cao su gioăng kính 75
4.3. Hoàn thiện công nghệ chế tạo gioăng kính nhà cao t
ầng 80
4.3.1. Xây dựng qui trình hỗn luyện 80
4.3.2. Xác định chế độ lưu hóa 83
4.4. Chế tạo thử nghiệm cao su gioăng kính từ hỗn hợp (blend) cao su tự nhiên –

Hiện nay, toàn đảng toàn dân ta đang tập trung sức phấn đấu thực hiện mục
tiêu chiến lược là xây dựng Việt Nam đến năm 2020 trở thành một nước công
nghiệp theo hướng hiện đại. Một trong những nhiệm vụ quan trọng bậc nhất trong
quá trình này là xây dựng cơ sở hạ tầng cho đất nước, trong đó có hệ thống đường
xá và cầu. Đặc biệt do có hệ
thống sông ngòi chằng chịt nên việc xây dựng các cầu
trên đường giao thông ở nước ta đã và đang là một vấn đề cấp thiết.
Gối cầu cao su và khe co giãn cốt bản thép cũng như gioăng kính cho nhà
cao tầng là những sản phẩm cao su kỹ thuật với đặc điểm chung là làm việc trong
điều kiện ngoài trời khắc nghiệt. Từ trước tới nay các sản phẩm này thường được
chế t
ạo từ cao su tổng hợp do khả năng chịu khí hậu của chúng. Trong một số
trường hợp cao su tự nhiên có thể được sử dụng nhưng phải có sự bảo vệ chống tác
động trực tiếp của khí hậu lên vật liệu cao su. Vì vậy điều này hạn chế khả năng sử
dụng của cao su tự nhiên vốn là một thế mạnh về nguyên liệu của nướ
c ta.
Trong nhiều năm qua Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme đã phối hợp
với công ty cổ phần (CP) Cao su Chất dẻo Đại Mỗ nghiên cứu và chế tạo được được
gối cầu cao su cốt bản thép và khe co giãn cao su cho các cầu nhỏ ở Việt Nam đạt
tiêu chuẩn TCN 217-1994. Tuy nhiên các sản phẩm này cần tiếp tục được hoàn
thiện và nâng cao tính năng hơn nữa, đặc biệt là khả năng chịu khí hậu. Mặ
t khác,
việc nghiên cứu chế tạo vật liệu gioăng kính thay thế nhập ngoại cũng là một nhiệm
vụ của Công ty Cổ phần Cao su Chất dẻo Đại Mỗ. Trên cơ sở đó, trong khuôn khổ
chương trình KH & CN trọng điểm cấp nhà nước “Nghiên cứu khoa học và phát
triển công nghệ Vật liệu” KC-02/06-10 đã tiến hành Dự án sản xuất thử nghiệm
“Hoàn thiện công nghệ chế tạ
o một số sản phẩm cao su kỹ thuật (Khe co giãn cao
su cốt bản thép cho cầu đường bộ và gioăng kính nhà cao tầng)”, mã số KC.02 DA
06/06-10 do Trung tâm NCVL Polyme, trường Đại học Bách khoa Hà nội và Công

- Gioăng kính nhà cao tầng: 14 tấm.
1.2.6. Đào tạo và nâng cao tay nghề cho kỹ sư và công nhân làm việc trong
dây chuyền sản xuất gối cầu, khe co giãn và gioăng kính.

Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10 8
1.3. Vài nét về tình hình nghiên cứu và ứng dụng sản phẩm gối cầu, khe co
giãn cao su và gioăng kính nhà cao tầng
Các sản phẩm cao su kỹ thuật có tầm quan trọng đặc biệt và được sử dụng trong
hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế như giao thông vận tải, thuỷ lợi, chế tạo oto –
xe máy, chế tạo máy bay, khai thác khoáng sản v.v…
Trên thế giới, các quốc gia công nghiệp hàng đầu đều sản xuất và tiêu thụ
một
khối lượng lớn cao su để phục vụ cho chế tạo các sản phẩm cao su kỹ thuật. Do rất
đa dạng về chủng loại nên thường quy mô sản xuất không quá lớn và quản lý sản
xuất mềm dẻo. Kinh nghiệm của Nhật Bản đã chứng minh điều đó. Hầu hết những
cơ sở sản xuất các sản phẩm cao su kỹ thuật ở
Nhật Bản đều có quy mô nhỏ, thí dụ
có 735 cơ sở sử dụng khoảng 30 công nhân và chỉ có 80 cơ sở sử dụng trên 300
công nhân. Khoảng 70 % cơ sở sản xuất cao su ở Nhật Bản tập trung vào các mặt
hàng cao su kỹ thuật ứng dụng trong công nghiệp.
Trong dự án này chỉ đề cập đến 2 nhóm sản phẩm chính là: gối cầu, khe co giãn
cao su cốt bản thép (CSCBT) và gioăng kính nhà cao tầng.
• Gối cầu cao su cốt b
ản thép (CSCBT)

chuyển dịch nó không bảo vệ được các kết cấu bên dưới khỏi tác động của chất
lỏng, nước và các vật rắn từ trên mặt cầu rơ
i xuống. Vì vậy khe co giãn hở thường
chỉ được sử dụng trong các cầu nhỏ, đường phụ với chi phí lắp đặt và bảo dưỡng
thấp [12,13,14,15].
b. Khe co giãn kín – là loại khe bịt kín toàn bộ bề mặt cầu (kể cả vỉa hè) không
cho nước và các chất lỏng khác chảy xuống dưới gây ảnh hưởng có hại đến kết cấu
hạ tầng. Tuy vậy thiết kế của các loại khe này v
ẫn tiếp tục được hoàn thiện do
chúng chưa thực sự bịt kín có hiệu quả với các vị trí đặc biệt như vách đứng hoặc
nơi có chuyển động mạnh [12,13,14,15].
c. Khe chống nước – đây là một loại khe co giãn kín nhưng có bố trí đường
thoát nước trong kết cấu. Nhờ có đường thoát này mà nước được tập trung vào một
vị trí thoát, tránh được sự tích tụ trên mặt cầu và trong các chỗ lõm trên bề
mặt khe.
Tuy nhiên, loại khe này chỉ được áp dụng khi độ nghiêng của mặt cầu không nhỏ
hơn 1 mm/12 mm [12,13,14,15].
Phân loại theo vật liệu làm khe.
a. Khe kim loại: các khe co giãn loại này được chế tạo toàn bộ từ thép, ưu
điểm của chúng là đơn giản dễ chế tạo nhưng loại khe này có nhược điểm là có độ
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10 10
cứng lớn hơn nhiều so với mặt đường bêtông atphan. Vì vậy khe co giãn kim loại
không êm thuận cho chuyển động của các phương tiện giao thông trên cầu. Trong
nhiều trường hợp khe co giãn kim loại có thể còn làm hư hại mép dầm bê ang.
Ngoài ra khe co giãn kim loại thường là khe hở nên không bảo vệ được kết cấu bên
dưới khỏi tác động của các chất lỏng và vật rắn từ trên mặt cầu xuống
[12,13,14,15].

hợp với các loại cầu bê tông [12,13,14,15,16].

Hình 1.2. Khe co giãn CSCBT
Công nghệ chế tạo khe co giãn là một loại công nghệ phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật
cao, do đó hầu như không được công bố rộng rãi. Qua một số tài liệu có thể nêu ra
một số vấn đề chính trong công nghệ chế tạo khe co giãn như sau.
- Chế tạo vật liệu cao su đáp ứng các chỉ tiều kỹ thuật cơ bản của khe co giãn.
- Do khe co giãn gồm 2 lo
ại vật liệu chính là cao su và thép, việc hình thành
liên kết giữa 2 vật liệu có bản chất khác nhau này có tính quyết định đối với khả
năng làm việc của khe co giãn. Đây là một vấn đề công nghệ rất khó khăn, tuy
nhiên nếu giải quyết được sẽ đảm bảo cho hoạt động đồng bộ của toàn bộ khe co
giãn dưới các tác động bên ngoài như nhiệt độ, từ biến, hoạt tải.
Các chỉ tiêu k
ỹ thuật đối với cao su, thép và độ bám dính giữa cao su và thép
trong chế tạo khe co giãn CSCBT được trình bày dưới đây[15]:
* Cao su:
- Độ cứng, Shore A, 60
±
5
- Độ bền kéo đứt, Mpa không nhỏ hơn 15
- Độ dãn dài khi đứt, % không nhỏ hơn 350
- Biến dạng nén dư (đặt tải 70 giờ
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10 12
ở nhiệt độ 20-25
0
C), % không lớn hơn 20

giảm giá thành của sản phẩm sau khi lưu hoá. Cao su EPDM chịu lực cao
hơn đáng k
ể so với các cao su khác.
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10 13
- Chịu ozon và khí hậu rất tốt.
- Chịu nhiệt và oxy hoá rất tốt.
- Chịu hoá chất tốt.
- Có độ mềm dẻo tốt ở nhiệt độ thấp.
- Cách điện rất tốt.
Nhờ những tính chất ưu việt nêu ở trên nên cao su EPDM rất thích hợp để sản
xuất gioăng kính nhà cao tầng vì đòi hỏi phải có thời gian làm việc lâu dài ở ngoài
trời trong điều kiện khí hậ
u khắc nghiệt mà vẫn đảm bảo độ kín khít.
 Tình hình nghiên cứu và triển khai trong nước.
Nước ta là một nước có đặc điểm địa hình nhiều sông ngòi, kênh rạch. Vì vậy
số lượng cầu đường bộ rất lớn, nhất là các cầu nhịp nhỏ và vừa. Hầu hết các kết cấu
khe co giãn trước đây cho các cầu này đều làm bằng thép nên đã bị hỏng nhiều, ảnh
hưởng đế
n an toàn khai thác và an toàn của công trình.
Từ giữa những năm 1990 một số đơn vị quản lý đường bộ đã bắt đầu thử
nghiệm dùng khe co giãn cao su thay cho khe co giãn bằng thép. Tuy nhiên việc thử
nghiệm này còn phân tán và chưa có đánh giá định lượng về chất lượng của các khe
co giãn cao su sản xuất trong nước.
Trước tình hình phát triển nhanh của hệ thống giao thông trong đó có các cầu
đường bộ ở nước ta, việc triển khai chế tạo khe co giãn cao su c
ốt bản thép được bắt
đầu ở một số cơ sở sản xuất như Nhà máy cao su Tân Bình (TPHCM), Công ty Cao

Các loại gioăng kính nhà cao tầng chỉ mới được sản xuất chủ yếu tại Công ty
Cổ phần cao su Chất dẻo Đại Mỗ.

Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10 15

1.4. Tổng quan về nguyên vật liệu chính sử dụng trong chế tạo sản phẩm của
dự án.
1.4.1. Hiểu biết chung về cao su thiên nhiên (CSTN).
1.4.1.1. Lịch sử phát triển.
CSTN lần đầu tiên được các thổ dân Nam Mỹ sử dụng vào nửa cuối thế kỷ 16.
Khi ấy họ chỉ biết trích cây lấy nhựa rồi tẩm vào sợi làm giầy dép đi rừng, leo núi.
Những chiếc giày làm bằng vải t
ẩm nhựa này có thời gian sử dụng không lâu lại
dính và gây cảm giác khó chịu. Sau đó các thổ dân đã biết sử dụng đất cát ở những
nơi có núi lửa hoạt động để xoa vào, vừa chống dính vừa kéo dài thời gian sử
dụng[6, 28].
Đến năm 1839, loài người phát minh ra quá trình lưu hoá cao su bằng lưu
huỳnh, các sản phẩm kỹ thuật được sản xuất từ CSTN tăng lên, đồng thời diện tích

2,2÷3,5 2,4÷3,8 4,2÷4,8
4 Chất tan trong nước
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

b. Cấu tạo hoá học [19,20,24].
CSTN là polyme mạch cacbuahydro, tạo thành chủ yếu từ các mắt xích
isopren – cis, liên kết ở vị trí 1,4.
CH
2
– C = CH – CH
2
n
CH
3

Các mắt xích có thể là: + cis 1,4 polyisopenten
+ 1,2 polyisopenten
+ 3,4 polyisopenten
3
HC H

định ở nhiệt độ -25
o
C. CSTN kết tinh có biểu hiện rất rõ ràng: bề mặt cứng, mờ
đục…Các tính chất vật lý đặc trưng cho CSTN được cho trong bảng 1.6.
Bảng 1.2: Tính chất vật lý của CSTN[1,5,6].

Khối lượng riêng ( kg/m
3
) 913 – 914
Nhiệt độ hoá thuỷ tinh Tg (
o
C)
-70
o
C ÷ -72
0
C
Hằng số dãn nở thể tích ( dm
3
/
o
C) 656.10
-4

Nhiệt dẫn riêng ( W/m.
o
K ) 0,14
Nhiệt dung riêng ( KJ/kg.
o
K ) 1,88

chất cơ lý cúa CSTN xác định theo hợp phần cao su tiêu chuẩn.
Bảng 1.3: Hợp phần cao su tiêu chuẩn[5,6].
STT Thành phần Hàm lượng (Tính theo PTL)
1 Cao su thiên nhiên 100,0
2 Lưu huỳnh 3,0
3 Xúc tiến lưu hóa M 0,7
4 ZnO 5,0
5 Axit stearic 0,5

Hỗn hợp lưu hoá ở 143 ±2oC, trong thời gian là 20÷30 (phút) CSTN được đặc
trưng bằng một số tính chất cơ lý sau đây :

Bảng 1.4: Tính chất cơ lý của CSTN [5,6].
Độ bền kéo đứt ( MPa )
22 ÷ 28
Độ dãn dài tương đối (%)
600 ÷700
Độ dãn dài dư ( % )
≤
12
Độ cứng tương đối (shore A) 65
Nhiệt độ làm việc
-60
o
C ÷ 60
o
C

CSTN có độn đàn tính cao hơn, chịu lạnh tốt, chịu tác động cơ học. CSTN
không có độc tính nên dùng trong y học và công nghiệp thực phẩm[5,6].

CH
2
CH CH
2
(
)
n
)
m
CH
3
)
p
((

Cấu trúc của EPDM có chứa ENB

Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10 20
Khối lượng phân tử trung bình của EPDM là 3.1 – 15.1 đ.v.c, phụ thuộc
vào tỉ lệ các thành phần.
Không phải các phân tử Etylen và Propylen sắp xếp theo trật tự nối tiếp, trái
lại có những đoạn nhỏ chỉ có Propylen hoặc Etylen. Thêm vào đó không những có
những mạch thẳng mà còn có mạch nhánh đó là những dien được thêm vào để giúp
cho sự lưu hóa bằng hệ thống lưu huỳnh [10,28].
Tỉ lệ Ethylene/Propylene ( E/P ): tỉ lệ % khối lượng E/P trong cao su từ 45/55
÷ 80/20.
Hàm lượng trung bình c

chính hoàn toàn bão hòa. Do đó chúng có thể tạo được các liên kết ngang bởi các
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10 21
chất lưu hóa peroxide. Tuy nhiên, cao su EPDM còn có một liên kết đôi-C=C-
không tham gia vào mạch chính mạch đại phân tử, do vậy nó còn có khả năng lưu
hóa bằng lưu huỳnh [10,28,31].
Bảng 1.5: Một số tính chất của cao su EPDM [31]

Các tính chất của polyme
Độ nhớt Mooney, ML (1+4) 125
0
C 5 – 200+
Hàm lượng Ethylene, % KL 45 – 80
Hàm lượng diene, % KL 0 – 15
khối lượng riêng, g/ml 0.855 – 0,88 (phụ thuộc thành phần polyme)
Tính chất của cao su đã lưu hóa
Độ cứng, Shore A Durometer 30A – 95A
Độ bền kéo, Mpa 7 – 21
Độ giãn dài, % 100 – 600
Độ giãn dài dư, B % 20 – 60
Khoảng nhiệt độ sử dụng,
0
C -5 ÷ 160
Chống xé rách Thường tới tốt
Chống mài mòn Tốt tới cực tốt
Biến dạng đàn hồi Thường tới tốt
Tính cách điện Cực tốt


1

1

Sức cản điện, V/mil 500 – 1400 400 – 600 100 – 600
Tính kháng

Thời tiết Rất tốt Tốt – TB Tốt
ozon Rất tốt Xấu Tốt
Axit và kiềm Rất tốt Tốt Rất tốt
Dầu và dung môi Xấu Xấu Tốt
Mài mòn Tốt- rất tốt Tốt- rất tốt Tốt- rất tốt
Biến dạng nén Tốt- rất tốt Tất tốt Tốt
Báo cáo nghiệm thu dự án cấp nhà nước KC. 02. DA06/06-10 23
Xé rách Tốt Rất tốt TB
Nhiệt độ thấp Tốt- rất tốt Tốt Tốt
Thẩm khí Xấu Tốt Tốt

EPDM được tổng hợp đầu tiên bằng phản ứng trùng hợp sử dụng xúc tác
Zeigler – Natta. Sau này được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau: dung
dịch, nhũ tương và pha khí [30,31]. Mỗi quá trình tổng hợp khác nhau thì sản phẩm
cuối cùng có tính chất khác nhau, quá trình trùng hợp dung dịch thường được sử
dụng nhiều trong sản xuất công nghiệp.
a. Khả năng chịu nhiệt
Cao su EPDM được ứng dụng nhiều trong ngành công nghệ ô tô để chế
tạo
các sản phẩm chịu nhiệt từ 70 – 100ºC , trong những trường hợp đặc biệt (ống tản

loại cao su xốp pha dầu với khối lượng phân tử cao. Ngoài ra hàm lượng cao
termonome cũng giúp tăng khả năng chịu dầu thông qua việc gia tăng mật độ liên
kết ngang [29, 30, 31].
d. Một số tính chất khác
+ Các tính chất điện: EPDM có khả năng cách điện rất tốt, chống chịu thời tiết
tốt nên được sử d
ụng rất rộng rãi trong chế tạo cáp điện.
+ Tương hợp tốt với polyolefin: EPDM tương hợp tốt với các polyolefin như:
PE, PP. Cao su EPDM thường được bổ sung vào các chất dẻo này để nâng cao khả
năng chịu va đập.
1.4.2.4. Các chất phối liệu thường sử dụng trong cao su EPDM
a. Các chất xúc tiến lưu hóa
Các chất xúc tiến sử dụng cho hệ phản ứng và độ hòa tan lớn nhất của chúng
được trình bày ở
bảng 1.7. Bảng 1.7: Độ hòa tan của các chất xúc tiến trong EPDM (theo 100 PKL) [23]
Giới hạn trên của
độ hòa tan
Chất xúc tiến Ký hiệu hóa học

0,3
Telua dietyl dithiocacbamat
Bitmut dimetyl dithiocacbamat
Đồng dimetyl dithiocacbamat
TDEC
BiDMC
CuDMC