Nguyễn Thanh Hoàng Polyme K47
PHẦN 1: MỞ ĐẦU
Đi lại là một nhu cầu tất yếu của con người, từ xa xưa người ta đã biết sử
dụng rất nhiều phương tiện khác nhau để phục vụ cho nhu cầu này. Một trong
những phương tiện thông dụng nhất, đơn giản nhất đó là xe đạp.Ở Việt Nam xe
đạp vốn là phương tiện truyền thống, có vai trò rất quan trọng đặc biệt trong
cuộc kháng chiến chống Pháp thì chiếc xe đạp đã trở thành biểu tượng cho sức
mạnh của dân tộc Việt Nam.
Hiện nay Việt Nam là một nước đang phát triển với tốc độ tăng trưởng
cao, trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước cùng với nó là sự
phát triển không ngừng của các loại phương tiện giao thông tiên tiến và hiện đại
cả về số lượng, chất lượng cũng như kiểu cách, mẫu mã.Nhưng không vì thế mà
xe đạp mất đi vai trò của nó trong nền kinh tế quốc dân vì như chúng ta đều biết
ở nước ta có hàng triệu các em học sinh chưa đến tuổi được đi xe máy, ngoài các
em được bố mẹ đưa đón bằng phương tiện khác ra còn lại phần lớn là tự đến
trường bằng xe đạp. Đi xe đạp không những có tác dụng giảm thiểu số tai nạn
giao thông hàng ngày mà còn góp phần chống ô nhiễm môi trường. Đối với một
số người có điều kiện kinh tế thì đi xe đạp còn là một môn thể thao hấp dẫn đặc
biệt đối với người cao tuổi.Trong khi đó Việt Nam lại là nước có trữ lượng cao
su thiên nhiên rất lớn do có điều kiện khí hậu rất thích hợp cho loại cây này phát
triển. Trước đây vào những năm đầu tiên của thế kỷ 19 thì nguồn nguyên liệu
cao su là một trong những nguồn nguyên liệu qúi hiếm nhất được trồng ở Việt
Nam và các nước có khí hậu nhiệt đới. Lúc đó cao su sau thu hoạch sẽ được
đóng thành tảng rồi chở về châu Âu để sản xuất các sản phẩm có giá trị như săm
lốp ô tô, xe máy, các dụng cụ thể thao, đệm lót. Cho đến nay thì cao su vẫn là
nguồn nguyên liệu hàng đầu của Việt Nam.
Đồ án tốt nghiệp
1
Nguyễn Thanh Hoàng Polyme K47
Để phát huy các điều kiện thuận lợi về nguồn cao su thiên nhiên dồi dào
cùng với các nguồn nguyên liệu khác như dầu mỏ, than đá,đất đai thì việc xây
ít các sợi ngang. Vai trò của sợi ngang là giữ cho sợi dọc ít bị xô lệch trong quá
trình gia công sản phẩm nên chúng thường có kích thước sợi nhỏ hơn và rất
Đồ án tốt nghiệp
3
Nguyễn Thanh Hoàng Polyme K47
thưa. Nhờ vậy lốp chịu biến dạng tốt hơn, ít sinh nhiệt do ma sát giữa sợi với sợi
nhỏ hơn.
Độ bám dính giữa các lớp vải và cao su có ảnh hưởng nhiều đến tính năng
cơ lý và khả năng làm việc (tuổi thọ) của lốp, vì vậy người ta cải tiến và nâng
cao chất lượng của vật liệu làm vải mành. Từ vật liệu là sợi bông dần được thay
thế bằng sợi tổng hợp. Người ta chọn loại vật liệu làm vải mành phù hợp mục
đích sử dụng và đảm bảo các tính năng kỹ thuật, tính kinh tế.
Việc nâng cao tính năng của sợi mành cho phép tăng dung lượng của lốp,
giảm đường kính ngoài và đường kính vành và cho phép giảm áp lực bơm hơi
trong lốp, làm cho lốp có độ giảm xóc tốt hơn.
Để giảm khả năng trượt của lốp xe trên mặt đường, người ta tạo ra hoa lốp
(bằng các dạng rãnh khía) trên mặt chạy của lốp.
Săm được phát minh ra nhằm mục đích duy trì áp lực không khí được
bơm vào trong lốp. Vì vậy săm là 1 sản phẩm thường đi kèm với lốp để lắp
thành bánh xe. Yêu cầu cao nhất đối với săm là giữ kín khí và bền trong điều
kiện lốp làm việc (đối với lốp ôtô còn phải bền nhiệt).
Phạm vi ứng dụng của lốp bơm hơi là làm cho các loại xe chạy trên
đường bộ (không có đường ray): đường giao thông, công trường, nông trường...
Đồ án tốt nghiệp
4
Nguyễn Thanh Hoàng Polyme K47
1.2. Cấu tạo bộ săm, lốp xe đạp. (hình vẽ)
Hình 1: phối cảnh chụp của chiếc lốp xe đạp
Đồ án tốt nghiệp
5
Đồ án tốt nghiệp
6
Nguyễn Thanh Hoàng Polyme K47
-Hông lốp : hông lốp có chiều dày khoảng 3±0,3 mm. Trong hông lốp
gồm có 2 phần:
+phần 1: gồm có 2 lớp vải cán tráng bằng cao su và nằm phía trong cùng
của lốp , chiều dày của lớp này = 1,2± 0,3 mm. Đây chính là lớp chịu
lực của lốp xe.
+phần 2: gồm 1 lớp cao su nằm sát bên ngoài của 2 lớp vải cán tráng trên.
Lớp này có chiều dày 1,8 ± 0,3 mm. Vai trò của lớp này là bảo vệ lớp
chịu lực và tăng độ cứng của lốp.
-Mặt lốp : là lớp ngoài cùng của lốp. Nó có chiều dày khoảng 4
mm5,0
±
và có hoa lốp để bám đường.
2. THÀNH LẬP ĐƠN PHA CHẾ CAO SU BÁN THÀNH PHẨM.
2.1 Bộ đơn pha chế cho mỗi cao su bán thành phẩm.
Cấu tạo lốp xe đạp có 3 phần: mặt lốp, thân lốp và tanh. Các bộ phận này
nằm ở các vị trí khác nhau với chức năng nhiệm vụ khác nhau, chịu những tác
động khác nhau khi bánh xe làm việc.
2.1.1. Cao su mặt lốp.
Mặt lốp xe là phần cao su ngoài cùng nơi lốp xe tiếp xúc với mặt đường.
Khi bánh xe làm việc mặt lốp chịu ma sát mạnh với mặt đường nên khả năng bị
mài mòn cao, có khả năng chóng bị lão hóa do nhiệt và bị bong tróc do mặt lốp
va đập với mặt đường gồ ghề... do vậy yêu cầu đối với hợp phần cao su bán
thành phẩm là có các tính năng chống lại các khả năng trên: chống mài mòn,
chống lão hóa, bền cơ học...
Cao su thiên nhiên được chọn là thành phần chính của hợp phần tạo nên
vỏ lốp. Nhưng để có được các đặc tính kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng
2
– CH
2
- CH – C – CH
2
~
S
x
CH
3 CH
3S
x
CH
3
~ CH – C – CH
2
- CH
2
– CH = C – CH
CH
3
CH
3
CH
3
~ CH = C – CH
2
- CH
2
– CH = C – CH
2
– CH
2
- CH = C – CH
2
~
CH
3
Xúc tiến thiazol tạo cho sản phẩm cao su có độ bền nhiệt cao, tăng khả
năng chịu mài mòn, được sử dụng với hàm lượng khoảng 2 PKL.
- Trợ xúc tiến: Để tăng khả năng hoạt hóa cho hệ xúc tiến người ta sử
dụng trợ xúc tiến. Thường sử dụng các hợp chất vô cơ làm chất trợ xúc
tiến nhưng phổ biến nhất là ôxit kẽm (ZnO). Ôxit kẽm có ưu điểm là ít
Đồ án tốt nghiệp
9
Nguyễn Thanh Hoàng Polyme K47
độc, không làm đổi màu cao su , dễ kiếm, giá thành rẻ, nó có độ ổn
định cao và không gây ra hiện tượng ôxy hóa mạch đại phân tử. Khi sử
dụng kết hợp ôxit kẽm với các axit béo hữu cơ như axit Stearic… sẽ
làm tăng khả năng hoạt hóa quá trình lưu hóa. Nó được giải thích bằng
việc tạo phức giữa ôxit kẽm, axit béo và xúc tiến lưu hóa.
Việc hình thành các phức chất giữa xúc tiến, trợ xúc tiến (ZnO), và axit
stearic dẫn đến sự thay dổi trạng thái cấu trúc ban đầu của các chất có trong hợp
phần. Ngoài ra phức này còn có khả năng hoà tan tốt vào hợp phần cao su nên
hệ thống lưu hóa được phân tán đều trong hợp phần, tạo cho phản ứng khâu
mạch xảy ra đồng đều trong cao su, đảm bảo chất lượng đồng đều.
ZnO còn tham gia phản ứng với S tạo ra sunfit kẽm và phản ứng với xúc
tiến lưu hóa để hình thành các muối kẽm của xúc tiến lưu hóa.
Cơ chế phản ứng trong hợp phần cao su có xúc tiến M như sau:
Đồ án tốt nghiệp
10
Zn
2+
N
C
S
S
R
N
C
S
S S
t
0
N
C
S
S
•
2
N
C
S
+
ZnS
N
C
S
Zn
2
+
S
HH
S
Nguyễn Thanh Hoàng Polyme K47
S
HH
(Lưu huỳnh hoạt hóa) vừa hình thành dễ dàng tham gia vào phản ứng
tăng cường với tỷ lệ phù hợp nhằm làm giảm giá thành sản phẩm nhưng ít gây
ảnh hưởng đến hiệu quả tăng cường lực của chất độn tăng cường.
Trong thời gian tồn trữ hoặc gia công hợp phần cao su bị biến tính dưới tác
động của của ánh sáng, do ma sát và do một số kim loại, do vậy làm giảm cơ
tính của cao su.
Khi sản phẩm cao su được sử dụng nó cũng chịu tác động mạnh liệt của ánh
sáng, nhiệt độ, ma sát, va đập… dẫn đến hiện tượng sản phẩm bị biến cứng, có
vết nứt, tính năng cơ lý giảm.
Để làm giảm các tác động xấu đến chất lượng sản phẩm, kéo dài thời gian
sử dụng và nâng cao tính ổn định cho sản phẩm, người ta cho thêm vào hợp
phần cao su các chất phòng lão với hàm lượng thấp. Thường sử dụng phòng lão
A và phòng lão D.
Phòng lão A có tác dụng chống ôxy hóa do nhiệt độ, do tác động của lực cơ
học. Phòng lão D có tác dụng phân tán trong cao su, bảo vệ cao su chống ôxy
hóa, chịu nhiệt tốt.
Cơ chế phòng lão như sau:
- Chất phòng lão vật lý:
Đồ án tốt nghiệp
12
NH
R+ RH +
Phòng lão A
N
Gốc bền
RH +
N
Gốc bền
Phòng lão D
NH
R+
Đồ án tốt nghiệp
13
Nguyễn Thanh Hoàng Polyme K47
Các tính năng cơ lý của cao su bán thành phẩm mặt lốp xe đạp phải đảm bảo
các thông số sau:
Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả
1
Rheometer ở 170
0
C
TS
1
TC
90
Phút
Phút
-
-
2 Thời gian lưu hóa 142
0
C Phút 10
3 Độ cứng Shore A 68
4 Độ dãn dài kéo đứt % 432
5 Độ bền kéo đứt N/cm
2
1420
6 Định dãn 300% N/cm
2
925
15
N – C – S – S – C –
N
CH
3
CH
3
SH
3
C S
H
3
C
H
3
C S
H
3
C
N – C –
H
3
C S
H
3
C
N – C – S –
Và
S
S
3
C S
H
3
C
N – C – S – S
–
+
S
6
S
S
Nguyễn Thanh Hoàng Polyme K47
Các gốc lưu huỳnh tự do sinh ra rất hoạt động tham gia phản ứng khâu
mạch các đại phân tử cao su bằng các cầu nối monosunfit, diunfit mạng lưới
không gian.
Hàm lượng chất độn tăng cường (than đen) sử dụng thấp hơn so với cao
su mặt lốp. Do yêu cầu độ bền động học cao hơn là chịu mài mòn nên nhằm tạo
ra hợp phần cao su có khả năng chịu lực cao, tránh được hiện tượng mỏi cao su,
người ta sử dụng than có diện tích bề mặt riêng lớn (HAF100) với hàm lượng
thấp hơn, sử dụng than HAF50 với hàm lượng cao hơn.
Hàm lượng chất phòng lão A và D được sử dụng thấp hơn vì để tránh gây
ảnh hưởng xấu đến sức dính của cao su với vải mành và tính kháng mòn của sản
phẩm sau lưu hóa.
Chất làm mềm Colofan được sử dụng với một hàm lượng nhỏ nhằm làm
tăng độ bám dính giữa cao su với vải mành.
Từ những yêu cầu trên, ta xây dựng đơn pha chế cho hợp phần cao su cán
tráng như sau: (bảng 1.2)
Đồ án tốt nghiệp
16
| |
Nguyễn Thanh Hoàng Polyme K47
Bảng 1.2: Đơn pha chế hợp phần cao su cán tráng vải mành.
Stt Nguyên vật liệu Phần khối lượng
1 Cao su (crepe 33) 100
2 HAF 100 10
3 HAF 50 10
4 CaCO
3
40
5 ZnO 5
6 Axit Stearic 3
7 Parafin 3
8 Colofan 3
9 Xúc tiến M 0,5
10 Xúc tiến DM 0,5
11 Xúc tiến D 0,5
12 Thiuram D 0,5
13 Lưu huỳnh (S) 2,2
14 Phòng lão A 1,2
15 Phòng lão D 0,8
Cộng 180,2
2.1.3. Cao su bọc tanh.
Vòng tanh của lốp được làm bằng kim loại (thép) có nhiệm vụ định vị lốp
trên vành xe. Vòng tanh bằng kim loại được phủ 01 lớp cao su mỏng ra ngoài
nhằm bảo vệ tanh không bị gỉ hỏng, ngoài ra nó còn góp phần tạo kết cấu gót
lốp hợp lý: cứng vững và ổn định.
Vòng tanh có vai trò rất quan trọng: nói tạo nên kết nối giữa vải mành và
cao su hông lốp vì vậy yêu cầu của cao su bọc tanh là phải có độ bám dính tốt
Cộng 169,3
2.1.4. Cao su cốt hơi.
Cốt hơi là sản phẩm được sử dụng khi lưu hóa lốp trong khuôn, được gọi
là công nghệ lưu hóa dùng cốt hơi.
Cốt hơi có dạng hình ống như săm nhưng có biên dạng mặt cắt được thiết
kế phù hợp với biên dạng mặt cắt của lốp trong khuôn lưu hóa. Khi lưu hóa cốt
hơi được đặt trong lòng lốp và được nạp khí nén với áp lực cao vào trong, làm
Đồ án tốt nghiệp
18
Nguyễn Thanh Hoàng Polyme K47
cốt hơi giãn nở ra ép sơmi lốp vào khuôn. Khi kết thúc lưu hóa thì xả áp ra ngoài
mở khuôn và lấy cốt ra khỏi sản phẩm.
Vì vậy yêu cầu đối với cao su làm cốt hơi là phải có độ thấm khí nhỏ, đàn
hồi tốt và bền nhiệt. Chọn cao su Butyl làm nguyên liệu để phối trộn với các
chất lưu hóa, chất độn, phụ gia… để hợp phần đáp ứng được các yêu cầu làm
việc khắc nghiệt của cốt hơi mặc dù nó có giá nguyên liệu cao. Trong cao su
Butyl có hàm lượng liên kết không no trong mạch rất ít vì vậy nó có độ thẩm
thấu khí rất nhỏ, độ bền nhiệt cao.
Vì hàm lượng liên kết không no thấp nên sử dụng hệ lưu hóa là lưu huỳnh
với hàm lượng nhỏ phối hợp với nhựa phenolformandehyt. Nhựa
phenolformandehyt tham gia vào phản ứng khâu mạch cao su Butyl theo cơ chế
gốc tạo các cầu nối C−C rất bền, làm tăng khả năng chịu nhiệt cho hợp phần cao
su sau lưu hóa.
Ưu điểm nối bật khi dùng phenolformandehyt làm chất lưu hóa còn ở chỗ
là có đàn hồi mỏi cao hơn.
Hàm lượng chất xúc tiến lưu hóa phải sử dụng thấp xuống tương ứng với
hàm lượng lưu huỳnh sử dụng. Nếu hàm lượng trợ xúc tiến ZnO cao quá sẽ dư
và tồn tại trong sản phẩm. Khi làm việc ở nhiệt độ cao (trong lốp lưu hóa) sẽ tạo
ra gốc tự do và bị lão hóa.
Chất độn được sử dụng là than kỹ thuật (không sử dụng chất độn trơ) phối
C
TS
1
TC
90
Phút
Phút
-
-
2 Thời gian lưu hóa 170
0
C Phút 40
3 Độ cứng Shore A 60
4 Độ dãn dài kéo đứt % 636
5 Độ bền kéo đứt N/cm
2
1425
6 Định dãn 300% N/cm
2
614
7 Độ dãn dài dư % 12
8 Khối lượng riêng g/cm
3
1,125
2.1.5 Thành lập bộ đơn pha chế hợp phần cao su cho săm xe đạp.
Săm là bộ phận không thể thiếu trong bộ săm lốp. Săm có dạng hình ống,
có van để bơm không khí vào khi săm nằm trong lốp để làm nhiệm vụ giảm xóc
cho xe.
Yêu cầu của vật liệu làm thân săm là phải có độ bền xé rách cao, có dộ
8 Colofan 3
9 Xúc tiến M 0,5
10 Xúc tiến DM 0,5
11 Xúc tiến D 0,5
12 Thiuram D 0,5
13 Lưu huỳnh (S) 2,2
14 Phòng lão A 1,2
15 Phòng lão D 0,8
Cộng 180,2
Đồ án tốt nghiệp
22
Nguyễn Thanh Hoàng Polyme K47
2.2 Bộ đơn tổng hợp
Bảng 2.2:Đơn pha chế tổng hợp của các hợp phần cao su
Stt
Nguyên vật liệu Mặt lốp Cán tráng Tanh Cốt hơi Săm
1 Crepe 33 100 100 100 - 100
2 BK 0865 - - - 100 -
3 ZnO 7 5 7 5 5
4 Axit stearic 3 3 3 3 3
5 Parafin 2 3 - - 3
6 Colofan 3 3 3 3 3
7 Bột nhẹ 40 40 40 - 40
8 HAF 100 20 10 10 30 -
9 HAF 50 10 10 - 20 10
10 SRF - - - 10 30
11 Xúc tiến M 0,5 O,5 0,5 - 0,5
12 Xúc tiến DM 0,8 0,5 0,8 0,75 0,5
13 Thiuram D - 0,5 - - 0,5
14 Xúc tiến D 0,5 0,5 0,5 0,35 0,5
CH
3
Nguyễn Thanh Hoàng Polyme K47
Ngoài các mắt xích isopenten 1,4 cis đồng phân, trong cao su thiên nhiên
còn có khoảng 2% các mắt xích isopenten tham gia vào mạch đại phân tử ở vị trí
3,4.
Khối lượng phân tử trung bình cao su thiên nhiên là 1,3.10
6
. Mức độ dao
động rất nhỏ (từ 10
6
÷ 2.10
6
).
Ở nhiệt độ thấp cao su thiên nhiên có cấu trúc tinh thể: độ cứng tăng lên,
bề mặt bị mờ. Nóng chảy ở nhiệt độ ~ 40
o
C
Ở nhiệt độ 20
o
C đến 30
o
C, cao su sống dạng crepe kết tinh ở đại lượng
biến dạng dãn dài 70%, hỗn hợp cao su đã lưu hoá kết tinh ở đại lượng biến
dạng dãn dài 200%.
Cao su thiên nhiên được đặc trưng bằng các tính chất vật lý sau:
Khối lượng riêng [kg/m
3
] 913
C
H
CH
2
C = C
CH
2
C = C
H
3
C
H
CH
2
H
3
C
CH
2
H
C = C
CH
2
Copyright: Tài liệu đại học ©