Theo Fine Steel tìm hiểu nhựa đàn hồi thuộc nhóm các polymer xưa nhất mà con người đã sử dụng. Hơn 1000 năm trước, người Maya và Aztec (Nam Mỹ) đã chế tạo vậy dụng nhựa của “cây nhỏ lệ”.
Chau-chu=”cây nhỏ lệ” = cao su
Vào thế kỷ 16, châu Âu biết đến vật liệu đàn hồi này nhờ Christopher Columbus và Fernando Cortez, tuy nhiên nó lại quá mềm cho những mục đích kỹ thuật.
Vào năm 1826, Michael Faraday tìm ra cấu trúc hóa học của cao su thiên nhiên, các đại phân tử có hình dạng sợi không kết mạng với nhau. Khi làm nhựa cây đông lại với acid acetic, chất lỏng này được polymer hóa, trở thành một khối rắn, đàn hồi và có thể nóng chảy khi tăng nhiệt độ.
Cao su thiên nhiên là một khối chất rắn, đàn hồi, không kết mạng, có tính năng như nhựa nhiệt dẻo.
Fine Steel tìm hiểu được vào năm 1839, Charles Goodyear sáng chế ra phương pháp lưu hóa, qua đó cao su được kết mạng lưới thưa và trở thành nhựa đàn hồi (cao su). Lần đầu tiên sản phẩm cao su đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cao được chế tạo. Việc sản xuất cao su đã nở rộ và mang đến cho các nước Nam Mỹ vùng Amazon, đặc biệt là Brasil, sự giàu có nhất thời. Ngày nay, vùng trọng điểm sản xuất cao su thiên nhiên năm tại các nước Đông Nam Á. Vào đầu thế kỷ 20, người ta tìm cách sản xuất cao su tổng hợp và đã thành công. Cao su tổng hợp được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và dần thay thế cao su thiên nhiên.
Cùng với Fine Steel tìm hiểu lưu hóa
Charles Goodyear đã tìm cách trộn các chất khác nhau với cao su để khiến nó cứng hơn và đã thành công với lưu huỳnh, ông đăng ký bằng sáng chế kỹ thuật lưu hóa vào năm 1839. Các nguyên tử lưu huỳnh màu vàng (Hình 3) xâm nhập vào giữa những mạch phân tử khi cao su nóng chảy. Lưu huỳnh có hóa trị 2 nên có thể liên kết với hai electron kế cận. Trung bình, lưu huỳnh bẻ gãy một trên 10 liên kết đôi trong cao su và nối liền hai mạch cạnh nhau. Tùy theo lượng lưu huỳnh, mạng được kết sẽ thưa hoặc khít, qua đó sẽ được chất dàn hồi hoặc vật liệu cao su. Ngoài lưu huỳnh, peroxid cũng được sử dụng trong kỹ thuật lưu hóa.
Tuy nhiên, những nối đôi còn lại trong nhựa đàn hồi sẽ tạo ra vấn đề. Qua thời gian, oxy trong không khí thâm nhập vào cao su và đạt được sự bão hòa nhờ có hóa trị 2 như lưu huỳnh, gây ra một sự kết mạng khác, chất đàn hồi sẽ cứng dần do đó trở nên giòn và dễ vỡ. Người ta gọi đó là sự lão hóa. Giải pháp là làm bão hòa những nõi đôi bằng một chất có hóa trị 1, thí dụ fluor hoặc một nhóm methyl (-CHg). Sự kết mạng tiếp theo sẽ không thể xảy ra được nữa.
Các dạng thương mại
Thông thường cao su được sử dụng như hỗn hợp cao su để cung cấp cho máy gia công dưới dạng hạt hoặc dải dài. Hỗn hợp này bao gồm:
• Một hoặc nhiều loại cao su
• Một hệ thống lưu hóa (chất kết mạng và chất hoạt hóa)
• Chất chống lão hóa và chất làm mềm
• Các chất độn (thí dụ bồ hóng) và các phụ gia
Cao su thiên nhiên được hiểu là polymer không kết mạng, ngược lại polymer kết mạng là nhựa đàn hồi, cao su hoặc chất được lưu hóa. Ký hiệu R (tiếng Anh rubber = cao su) có thể dùng để chỉ các sản phẩm kết mạng và không kết mạng.
Cao su thiên nhiên NR (natural rabber)
Cao sụ thiên nhiên được hình thành từ nhựa của một số loại cây nhiệt đới, sữa latex là cao su được biết lâu đời nhất. Các cây cao su quan trọng nhất là Hevea brasiliensis từ Brasil, Guayule từ Mexico và các loại Guttapercha và Balata của vùng Đông Nam Á. Sữa latex được làm đông đặc bởi acid acetic và cán Hình thành những “tấm crếp” (gọi là sheet) dày từ 3 mm đến 4 mm. Tiếp theo, một quy trình hun khói giúp cho cao su (Hình 3) có thể giữ được lâu. Tại các nước gia công nhựa đàn hồi, cao su thiên nhiên được lưu hóa hầu như hoàn toàn với lưu huỳnh. Tính chất: NR có tính năng phối hợp độc đáo của các đặc tính tốt; yếu điểm có thể được cải thiện bằng các chất phụ gia: • Độ bền, độ bền xé rách cũng như điện trở rất cao • Tính linh hoạt rất tốt ở nhiệt độ thấp • Tính bền nhiệt và bền lão hóa thấp, có thể được cải thiện băng chất phụ gia • NR không phân cực, vì vậy không bền đối với xăng và dầu
Ứng dụng:
Theo Fine Steel được biết NR không kết mạng, còn gọi là Latex, được ưu tiên sử dụng làm găng tay bảo vệ và bao cao su tránh thai. Tuy nhiên, NR lưu hóa có ý nghĩa lớn hơn với thị phần 30% trong tiêu dùng toàn cầu của tất cả các chất đàn hồi. NR luôn đóng vai trò thiết yếu là thành phần cấu tạo của những hỗn hợp quan trọng nhất trong lốp xe cá nhân và xe vận tải (Hình 4). Một ứng dụng khác là bộ đệm/giảm chấn và cấu kiện lò xo.
Cao su styren-butadien SBR
SBR là cao su tổng hợp được sử dụng phổ biến nhất. SBR chế tạo từ butadien và styren bằng phản ứng đồng trùng hợp. Đây là loại cao su đa dụng với những đặc tính trung bình. SBR không kết mạng cũng được sử dụng dưới dạng polystyren SB bền va đập hoặc dưới dạng nhựa đàn hồi dẻo nhiệt. SBR được lưu hóa với lưu huỳnh.
Tính chất:
Trước tiên SBR phải được cho thêm chất phụ gia, như bồ hóng hoặc chất dẻo hóa, để trở thành nhựa đàn hồi sử dụng được. Qua đó nó có đặc tính giống NR, thậm chí có độ bền mài mòn cao hơn NR. Ngược lại, SBR có độ bền xé mẫu khía kém hơn NR. Một số đặc tính khác là:
• Độ bền nhiệt lên đến 110 °C
• Độ bền lão hóa thấp
• Độ bền đối với dầu và nhiên liệu rất kém
Ứng dụng:
SBR được ưu tiên sử dụng cho lốp xe ô tô, ngoài ra nó được sử dụng làm đế giày, băng tải, vỏ bọc dây dẫn điện và lốp xe đạp.
Cao su butadien BR
BR được hình thành từ butadien qua phản ứng trùng hợp và được sản xuất với số lượng cương đườ ng Bam Tuy nhiện, việ xg ia tô.ng P há khô nhi mvà và cha nhu đcao Bặc hiệt đối với lốp xe ô tô mùa đông, BR giữ vai trò quan trọng nhờ nhiệt độ chuyển pha thủy tinh thấp và tính bám băng tuyết tốt. Các ứng dụng khác là băng tải, đế giày và dây cua-roa.
Cao su acrylonitril-butadien NBR
NBR được hình thành bằng phản ứng đồng trùng hợp từ butadien và acrylonitril. Qua đó tính phân cực của cao su tăng mạnh nhờ vậy sự nở phồng gây ra bởi những chất không phân cực, nhất là nhiên liệu, giảm đi rõ rệt. Do đó NBR có độ bền nhiên liệu và dầu rất tốt. NBR được lưu hóa bằng lưu huỳnh và các peroxid hữu cơ.
Các đặc tính khác: NBR thường được trộn với bồ hồng qua đó đạt được độ bền tương đối cao và độ bền chống mài mòn cao.
Ứng dụng: Do tính bền nhiên liệu của NBR nên nó được sử dụng làm gioăng, vòng 0, lớp ma sát và các khớp nối ly hợp.
Cao su chloropren CR
Để nâng cao tính phân cực của CR, một nguyên tử H của butadien được thay thế bởi một nguyên tử CI (Hình 1). Nhờ thế có thể đạt được tính năng lưu dầu (độ bền chống dầu) và chịu nhiên liệu tốt. Ngoài ra, nguyên tử Cl tương đối lớn và che chắn nối đôi một cách hữu hiệu chống lại tác dụng của oxy và ozon. Do đó, CR có tính bền lão hóa tương đối tốt. Sự lưu hóa thường được thực hiện bằng oxide kim loại.
Các đặc tính khác:
• Độ bền kéo và độ bền xé cao tương tự NR
• Khả năng chống cháy tốt (như PVC)
• Độ đàn hồi cao
• Tác dụng cách điện kém hơn NR và SBR
Ứng dụng: CR đặc biệt thích hợp để chế tạo gioăng/các bộ phận đệm kín (thí dụ gioằng ở ô tô mui trần), profin (•), hộp xếp giữa các toa xe lửa (2) và màng cao su (®) được sử dụng cho trang phục lặn “Neoprene””
Cao su chống lão hóa – Methylen
