TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
*********

NGUYỄN THỊ HẠNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA HÀM LƢỢNG
THAN ĐEN ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
CAO SU SỬ DỤNG LÀM BẠC TRƢỢT
CHO MÁY BƠM NƢỚC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
ThS. NGUYỄN VĂN THỦY
PGS.TS. NGÔ KẾ TH Ế

HÀ NỘI – 2015


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Khóa luận được hoàn thành tại phòng NC Vật liệu Polyme &
Compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam.
Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới
ThS.Nguyễn Văn Thủy, PGS.TS. Ngô Kế Thế đã hướng dẫn, tận tình

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Hạnh

Nguyễn Thị Hạnh

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, BẢNG VÀ HÌNH
1. Danh mục các kí hiệu
ACN -

Acrylonitril

CSTN - Cao su thiên nhiên
CSTH - Cao su tổng hợp
CZ - Xúc tiến N-xiclohexyl-2-benzothiazolsunfeamit
M - Xúc tiến mercaptobenzothiazol
NBR -

Cao su butadien nitril

PVC -

Nhựa polyvinylclorua


Hình 2.1. Máy cán hãng TOYOSEIKI- Nhật Bản.
Hình 2.2. Máy ép hãng TOYOSEIKI (Nhật Bản).
Hình 2.3. Máy đo độ bền kéo và độ dãn dài của Gotech AI-7000M.
Hình 2.4: Thiết bị đo độ cứng TECLOCK Jisk 6301A.
Hình 2.5. Thiết bị đo độ mài mòn của vật liệu cao su.
Hình 3.1. Độ bền kéo mẫu cao su P70K khi hàm lượng than đen
thay đổi.
Hình 3.2. Độ mài mòn mẫu cao su P70K khi hàm lượng than đen
thay đổi.
Hình 3.3. Độ bền kéo mẫu cao su KBN35L.
Hình 3.4. Độ mài mòn mẫu cao su M và L.
Hình 3.5. Độ trương trong dầu diezen mẫu M50 và M60.
Hình 3.6. Độ trương trong dầu của hai mẫu L50 và L60.

Nguyễn Thị Hạnh

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Hình 3.7. Độ trương trong dầu diezen hai mẫu CB20 và CB35.
Hình 3.8. Độ trương trong dầu diezen các mẫu CB, M, L.

Nguyễn Thị Hạnh

Lớp: K37C. CN Hóa




Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

2.3.1.2. Phương pháp xác định độ dãn dài khi đứt ............................. 26
2.3.2. Phương pháp xác định độ cứng của vật liệu ............................ 26
2.3.3. Phương pháp xác định độ chịu mài mòn sử dụng
thiết bị trống quay hình trụ ........................................................ 27
2.3.4. Đánh giá độ bền môi trường của vật liệu
trong dầu điezen ........................................................................ 28
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 29
3.1 Nghiên cứu chế tạo vật liệu cho bạc bơm từ
cao su blend P70K ..................................................................... 29
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ bền kéo đứt
của vật liệu P70K ...................................................................... 29
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ dãn dài khi đứt
và độ cứng của vật liệu P70K .................................................... 30
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ mài mòn
của vật liệu P70K ...................................................................... 31
3.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu cho bạc bơm từ
cao su KBN35L ......................................................................... 33
3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ bền kéo
cao su KBN35L ......................................................................... 33
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ dãn dài khi đứt
và độ cứng của vật liệu cao su KBN35L .................................... 35
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của than đen đến độ mài mòn của vật liệu
cao su KBN35L ......................................................................... 36


chân vịt máy hơi nước thế hệ sớm nhất. Do vậy, bạc trượt có thể được
coi là một trong những công nghệ xanh đầu tiên, nó tự bôi trơn bằng
nước nên không làm cho nước biển bị ô nhiễm bởi dầu [20].
Ban đầu, bạc trượt bôi trơn nước bao gồm một ống bằng gỗ với
các khe dọc ở bên trong. Kỹ sư Victorian đã thiết kế tối ưu hóa khoảng
cách giữa áo bạc và bề mặt trục, cũng như là tỷ lệ chiều rộng của khe lỗ
và thanh dọc, cho phép nước chảy bôi trơn thuận lợi. Ngày nay bạc
trượt bôi trơn nước vẫn được thiết kế dựa trên tối ưu hóa kích thước
giữa khe lỗ và thanh dọc, chứng tỏ thiết kế ban đầu của kỹ sư là đúng
đắn [20].
Thực tế, vấn đề hư hỏng xảy ra với sản phẩm không phải từ thiết
kế mà thường từ độ bền của vật liệu trong quá trình hoạt động. Do yêu
cầu cao về điều kiện làm việc, bạc bằng gỗ bị mài mòn nhanh nên nhu
cầu thay thế bằng loại vật liệu khác được đặt ra cho các kỹ sư chế tạo.
Cao su là loại vật liệu được quan tâm đến và lựa chọn để thay thế gỗ.
Cao su nitril và blend của nó là loại vật liệu có độ bền môi trường
tốt, chỉ trương một chút trong nước và rất bền khi tiếp xúc với xăng
dầu, rất phù hợp với điều kiện làm việc của chân vịt tàu thủy. Bạc trượt
bằng cao su nitril có độ bền mài mòn tốt, đã được sử dụng rộng rãi
trong các loại máy bơm nước có lưu lượng cao. Nghiên cứu cải thiện độ
bền, tăng tuổi thọ của bạc trượt tự bôi trơn bằng nước vẫn luôn là mục
tiêu của các nhà sản xuất.
Nguyễn Thị Hạnh

1

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2


1. TỔNG QUAN
1.1. Cao su
Cao su là loại vật liệu polyme vừa mềm dẻo, vừa có độ bền cơ
học cao và khả năng biến dạng đàn hồi lớn.
Cao su được làm bằng mủ lấy từ một vài loại cây gốc Châu Mỹ
hoặc Châu Phi. Năm 1876, Henry Whickham người Anh chọn lựa
khoảng 70000 hạt cao su từ Brasil đem nhập lậu vào nước Anh. Từ số
hạt giống này, chỉ trồng được 2600 cây song cũng đủ để trồng cây cao
su ở các thuộc địa của Anh quốc về sau [17].
Cao su là hợp chất cao phân tử mà mạch đại phân tử của nó có
chiều dài lớn hơn rất nhiều lần chiều rộng và được cấu tạo từ một loại
hoặc nhiều loại mắt xích có cấu tạo hóa học giống nhau được lặp đi lặp
lại nhiều lần. Hoạt động hóa học, tính năng kĩ thuật của cao su phụ
thuộc vào cấu tạo, thành phần hóa học, khối lượng phân tử, sự phân bố
khối lượng phân tử và sự sắp xếp tương ứng các mạch đại phân tử trong
khối polyme.
Độ bền nhiệt của cao su phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng liên
kết các nguyên tố hình thành mạch chính. Năng lượng liên kết càng cao
thì độ bền nhiệt cao su càng lớn, cao su có khả năng làm việc ở nhiệt độ
càng cao [2].
Cao su ít bị biến đổi khi gặp nóng hoặc lạnh, cách nhiệt, cách
điện, không tan trong nước nhưng tan trong một số chất lỏng khác.
Cao su được dùng để làm lốp xe, bóng, đế giày, và các vật liệu
gia dụng khác,…v.v.

Nguyễn Thị Hạnh

3



H
C=C
CH2

H

Khối lượng phân tử trung bình của CSTN là 1,3.10 6 . Mức độ dao
động khối lượng phân tử rất nhỏ (từ 10 5 đến 2.10 5 ) [2].
CSTN có ưu điểm là sức dính tốt, đàn hồi tốt, lực kéo đứt và xé
rách cao, sinh nhiệt thấp, tốc độ lưu hóa nhanh, giá thành rẻ. Tuy nhiên,
CSTN có tính chống tác dụng của O 2 , O 3 , dầu, acid, kiềm…yếu, chống
lão hóa nhiệt yếu, độ kín khí thấp.
CSTN có ứng dụng chủ yếu trong ngành sản xuất ô tô. Ở các
nước phát triển, gần đây, 60% tổng lượng cao su được dùng cho sản
xuất săm và lốp ôtô. Trong việc chế tạo lốp xe thì phần lớn cao su được
dùng là CSTN. Ngoài lốp xe ra, các ô tô hiện đại có tới hơn 300 bộ
phận tạo ra từ cao su. Trong đó, nhiều bộ phận được chế tạo ra từ
CSTN.
Hơn nữa, CSTN được dùng trong sản xuất các ống dẫn, giày dép,
bình ắc quy, đệm hơi, khí cầu, đồ chơi,…v.v. Ngoài ra, CSTN còn được
dùng trong việc chống rung và làm cầu đường. Ở những lĩnh vực này,
ứng dụng của các sản phẩm kĩ thuật đa dạng của CSTN ngày càng được
Nguyễn Thị Hạnh

4

Lớp: K37C. CN Hóa



Nguyễn Thị Hạnh

5

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

nghiệp và công nghiệp sản xuất ôtô. NBR được ứng dụng rộng rãi trong
các lĩnh vực yêu cầu về độ chịu dầu mỡ, nhiên liệu, và độ bền hóa học.
Trong ngành sản xuất ôtô, NBR được dùng trong các thiết bị ống vận
hành có dầu mỡ hoặc các nhiên liệu khác, các nút kín hoặc các vòng
đệm. Ngoài ra, NBR còn được dùng cho các ống mềm thủy lực, các
băng chuyền tải, làm nút kín cho tất cả các loại ống nước và thiết bị
khác trong công nghiệp. Năm 2005, trên thế giới lượng NBR được tiêu
thụ lên đến 368000 tấn [22].
Cao su butadien nitril là sản phẩm đồng trùng hợp của butadien
1,3 và acrylonitril (ACN) với sự có mặt của hệ xúc tác oxy hóa khử
pensunfat kali và trietanolamin. Cao su butadien nitril công nghiệp ra
đời năm 1937 ở Cộng hòa liên bang Đức. Sau đại chiến thế giới lần thứ
hai cao su

butadien nitril được tổ chức sản xuất với quy mô công

nghiệp ở Liên Xô cũ với nhiều chủng loại khác nhau.
Acrylonitril có khả năng tham gia vào phản ứng với dien để tạo
thành hai loại sản phẩm khác nhau: Sản phẩm chủ yếu có mạch phân tử

N

CH

C

N

C
H2

6

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Phản ứng tạo sản phẩm phụ 4 – xiano xiclohexen xảy ra càng
mạnh khi hàm lượng monome acrylonitril trong hỗn hợp phản ứng càng
cao. Cao su butadien nitril chứa càng nhiều 4 – xianoxiclohexen có màu
thẫm hơn và có mùi rõ hơn. Dựa vào đặc điểm này mà ta có thể dễ dàng
phân biệt được loại cao su và hàm lượng nhóm nitril có trong cao su.
Khối lượng trung bình của cao su butadien nitril dao động trong
khoảng từ 200.000 đến 3000.000.
Cao su butadien nitril có cấu trúc không gian không điều hòa vì
thế nó không kết tinh trong quá trình biến dạng. Tính chất cơ lý, tính
chất công nghệ của cao su butadien nitril phụ thuộc vào hàm lượng

Các loại cao su nitril có mặt trên thị trường thường có hàm lượng
ACN trong khoảng từ 18-50%. Việc gắn acrylonitril vào sườn polyme
butadien giúp cải thiện đáng kể tính kháng dầu của cao su, đồng thời
ảnh hưởng lên nhiều tính chất khác của copolyme (bảng 1.1).
Bảng 1.1. Tính chất của cao su NBR khi
hàm lượng ACN tăng dần [12].

Lượng ACN trong copolyme càng nhiều thì tính kháng dầu của
cao su càng cao. Lượng ACN càng thấp, độ chịu lạnh của copolyme
càng tốt nhưng tính kháng dầu càng kém. NBR có khả năng kháng các
hydrocarbon thơm và dầu thực vật rất tốt, nhưng lại dễ bị tấn công bởi
các dung môi phân cực như ester, dung môi toluen…NBR kháng các
loại nhiên liệu cũng rất tốt.
Cao su butadien nitril có liên kết không no trong mạch nên nó có
khả năng lưu hóa bằng lưu huỳnh phối hợp với các loại xúc tiến lưu hóa
thông dụng. Ngoài hệ thống lưu hóa thông dụng cao su butadien nitril
còn có khả năng lưu hóa bằng xúc tiến nhóm thiuram, nhựa phenol
foocmaldehyt [2].
Nguyễn Thị Hạnh

8

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Để cải thiện tính chất của vật liệu và nâng cao hiệu quả sử dụng,



Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

nghệ.
Các chất độn thông thường như bột Talc, CaCO 3 , CaSO 4 …v.v
được đưa vào blend có tác dụng cải thiện một số tính chất của sản
phẩm, song chủ yếu để hạ giá thành của vật liệu [4].
Khi cho NBR vào PVC. NBR hoạt động như một chất hóa dẻo
cho nhựa PVC trong các lĩnh vực như làm sợi dây và cáp cách điện,
thùng chứa thực phẩm, vỏ thùng dùng để chứa dầu…v.v. Mặt khác,
PVC giúp cải thiện tính kháng ozon, lão hóa nhiệt và kháng chất hóa
học của NBR trong các lĩnh vực như làm các miếng đệm, vỏ băng tải,
vỏ trục in ấn,…v.v. PVC cũng cải thiện tính bền mài mòn, chịu mòn, và
các tính chất bền kéo, làm tăng đặc tính chống cháy. Blend PVC/NBR
có thể được xay nghiền, ép đùn và đúc nén dễ dàng khi sử dụng các
thiết bị gia công truyền thống cho CSTN và CSTH [10].
Trên thị trường hiện nay thường có các hỗn hợp blend NBR/PVC
với tỉ lệ 80/20 ÷ 70/30 có tính năng cơ lý cao, có khả năng bền nhiệt,
chống cháy và đặc biệt có khả năng làm việc lâu dài ở nhiệt độ đến
100o C, hệ số già hóa đạt 0,9 [4]. Vật liệu làm tăng khả năng kháng
ozone, kháng trương nở trong dầu và tăng độ bền kéo. Nhưng khả năng
kháng ozone chỉ được cải thiện khi PVC phải chảy và phân tán tốt vào
hỗn hợp [12].
b. NBR carboxylate hóa
Khi thêm nhóm carboxylate vào NBR làm cho cao su tính kháng
mài mòn và kháng xé được cải thiện. Số lượng các nhóm carboxylate
càng nhiều thì tính kháng xé, mài mòn và tính dai càng tốt. Tuy nhiên,

các hợp chất cao su, dùng để cải thiện độ bền và độ vững chắc của cao
su [11].
Than đen dùng trong công nghệ gia công cao su ở dạng bột hay
hạt xốp, có màu đen tuyền, và hấp thụ dầu.
Cấu tạo
Than đen là dạng vô định hình của nguyên tố cacbon. Mỗi hạt bao
gồm các lớp vi tinh thể định hướng ngẫu nhiên của vòng cacbon. Bởi
định hướng ngẫu nhiên của chúng, nhiều cạnh của lớp mở ra với liên
Nguyễn Thị Hạnh

11

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

kết cacbon không no của các hạt ở bề mặt, điều này giúp cho chúng
hoạt động hóa học. Vòng cacbon riêng lẻ không tồn tại như một thực
thể riêng lẻ mà dạng kết tụ, chúng có thể kết thành khối, mạch của
chúng có kích thước và hình dạng thay đổi. Kích thước hạt trung bình,
hình dạng kết tụ là những yếu tố chính ứng dụng than đen vào trong
từng loại cao su.
Phân tích cấu tạo và cấu trúc của than hoạt tính bằng tia Rơngen
cho thấy: Các hạt than hoạt tính có cấu trúc mạng phẳng có cấu tạo từ
các vòng cacbon (vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong vòng giống
vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong benzen). Các nguyên tử
cacbon liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học. Khoảng 3 đến 7

trong hỗn hợp phản ứng lại liên kết với nhau làm tăng kích thước của
hạt để giảm năng lượng tự do bề mặt và tạo thành các chuỗi. Hình dạng
và kích thước các chuỗi phụ thuộc vào tính chất của từng loại than. Các
hạt than như vậy được gọi là cấu trúc bậc nhất của than hoạt tính.
Trong các tinh thể khối của than hoạt tính các nguyên tử cacbon
nằm ở mặt ngoài (nguyên tử cacbon cạnh hoặc mép) có mức độ hoạt
động hóa học lớn và vì vậy nó là các trung tâm của các quá trình oxy
hóa tạo cho bề mặt than hoạt tính hàng loạt các nhóm hoạt động hóa
học khác như nhóm hydroxyl, cacboxyl, cacbonyl, xeton…
Sự có mặt các nhóm phân cực trên bề mặt than hoạt tính là yếu tố
quan trọng quyết định khả năng tác dụng hóa học, lý học của than hoạt
tính với các nhóm phân cực, các liên kết đôi có trong mạch đại phân tử.
Dựa vào thành phần nguyên tố hóa học của than hoạt tính có thể chọn
loại than thích hợp cho từng loại cao su để đạt được lực tác dụng giữa
than và mạch cao su lớn nhất. Tuy nhiên để tăng cường tính chất cơ lý
của vật liệu yếu tố quan trọng lại là các đặc trưng kĩ thuật của than mà
một trong các đặc trưng quan trọng đó là: Độ phân tán của than, cấu
trúc và khối lượng riêng của nó [2].
Đã có nhiều tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng than
đen đến tính chất cao su NBR. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của hàm

Nguyễn Thị Hạnh

13

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2


14

Lớp: K37C. CN Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

cỡ bề mặt than, chữ số thứ hai và thứ ba là mức độ phản ứng của một
cấu trúc khác nhau [16].
Trong các loại than trên thì N330 là loại than được sử dụng rộng
rãi nhất. Tuy tính chịu mài mòn của sản phẩm này không tốt như N220,
nhưng tốt hơn so với các sản phẩm khác. N330 là một sản phẩm tăng
cường hiệu suất tốt của than đen, chúng có tính bền kéo, độ bền xé, độ
chịu mài mòn và độ đàn hồi tốt, cho nên sản phẩm này được sử dụng
chủ yếu cho ta – lông, lốp xe, dây nhựa, lốp và một loạt các sản phẩm
cao su khác [16].
Yêu cầu than đen dùng làm chất độn [3]
Phải có độ mịn cao (đường kính phần tử và cỡ hạt chất độn, cần
kiểm tra qua các loại rây).
Phân tán thật tốt trong cao su: tránh sự kết tụ mà mắt thường khó
thấy được.
Cần phải lưu ý tới các tính chất:
+ pH của chất độn: Ảnh hưởng tới tốc độ lưu hóa hay tác dụng
của chất xúc tiến.
+ Độ hấp thụ hóa chất khác: ảnh hưởng lượng dùng, thành phần
cấu tạo công thức.
+ Hàm lượng tạp chất: Chì, cacdimi, sắt… ảnh hưởng đến màu
sắc của sản phẩm lưu hóa. Đồng, mangan: ảnh hưởng đến độ lão hóa.

tốt hơn hẳn, kéo dài được thời gian sử dụng.
Phát hiện này đã đánh dấu sự kết thúc quá trình sử dụng bạc trượt
bằng gỗ, cao su đã trở thành vật liệu tiêu chuẩn trong thiết kế bạc trượt
tự bôi trơn bằng nước.

Hình 1.2. Cao su được sử
dụng trong chế tạo bạc trượt
bôi trơn nước [20].

Nguyễn Thị Hạnh

16

Lớp: K37C. CN Hóa