Cao su lưu hóa được coi là bước tiến đột phá nhất trong lịch sử sản xuất và sử dụng cao su thiên nhiên. Nhờ có quá trình lưu hóa mà các tính chất của cao su thiên nhiên được ổn định. Quan trọng nhất là tính đàn hồi và ổn định, giúp cao su thiên nhiên được sử dụng rộng rãi như hiện nay.
Cao su là gì?
Trước khi đi sâu vào cao su lưu hóa, trước tiên chúng ta hãy định nghĩa cao su là gì?
Cao su là một loại polyme có nguồn gốc tự nhiên từ mủ cao su, được thu hoạch từ cây cao su. Vật liệu này đàn hồi, bền và không thấm nước, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng khác nhau. Cao su được sử dụng trong lốp xe, quần áo, giày dép, đồ chơi và nhiều sản phẩm khác.
Cao su lưu hóa là gì?
Cao su lưu hóa là sản phẩm của quá trình xử lý nhiệt giữa cao su tự nhiên và lưu huỳnh. Quá trình này cải thiện độ đàn hồi, ổn định cấu trúc của cao su tự nhiên và quá trình này gọi là lưu hóa cao su.
Ngày nay lưu hóa được gọi chung cho quá trình xử lý nhiệt làm cứng cao su thiên nhiên, hay cao su nhân tạo với các chất độn khác nhau chứ không riêng gì lưu huỳnh. Cao su buna là một điển hình cho quá trình này.
Lưu hóa
Lưu hóa là một loạt các quá trình để làm cứng cao su. Thuật ngữ này ban đầu chỉ dành riêng cho việc xử lý cao su tự nhiên bằng lưu huỳnh, đây vẫn là phương pháp phổ biến nhất.
Lưu hóa có thể được định nghĩa là quá trình làm rắn chất đàn hồi, với các thuật ngữ ‘lưu hóa’ và ‘đóng rắn’ đôi khi được sử dụng thay thế cho nhau. Nó hoạt động bằng cách hình thành các liên kết chéo giữa các phần của chuỗi polyme, dẫn đến tăng độ cứng và độ bền, cũng như những thay đổi khác trong các đặc tính cơ và điện của vật liệu.
Lịch sử
Cao su tự nhiên một phần là do ở trạng thái tự nhiên, nó hơi không ổn định, trở nên quá cứng hoặc quá mềm trong các điều kiện khác nhau. Ví dụ, những chiếc lốp săm cao su đầu thế kỷ 19 sẽ dính trên đường nóng, cho đến khi các mảnh vụn mắc vào chúng và cuối cùng lốp xe sẽ nổ tung.
Charles Goodyear, vào những năm 1830, đang nghiên cứu để cải tiến những chiếc lốp săm. Ông đã thử làm nóng cao su để trộn các hóa chất khác với nó. Điều này dường như làm cứng và cải thiện cao su, mặc dù điều này là do chính quá trình gia nhiệt chứ không phải do hóa chất được sử dụng. Không nhận ra điều này, anh ấy liên tục gặp thất bại khi các công thức làm cứng được công bố của anh ấy không hoạt động nhất quán.
Vào một ngày năm 1839, khi cố gắng trộn cao su với lưu huỳnh, Goodyear đã vô tình làm rơi hỗn hợp này vào một chiếc chảo nóng. Trước sự ngạc nhiên của ông, thay vì tan chảy thêm hoặc bốc hơi, cao su vẫn cứng và khi ông tăng nhiệt, thực sự trở nên cứng hơn. Goodyear nhanh chóng tìm ra một hệ thống nhất quán cho sự đông cứng này, mà ông gọi là quá trình lưu hóa vì nhiệt liên quan. Ông đã nhận được bằng sáng chế trong cùng năm, và đến năm 1844 thì sản xuất cao su trên quy mô công nghiệp.
Phương pháp lưu hóa
Trái ngược với các quá trình nhiệt dẻo (quá trình đông lạnh đặc trưng cho hoạt động của hầu hết các polyme hiện đại), lưu hóa, nói chung với quá trình đóng rắn của các polyme nhiệt rắn khác, và không thể đảo ngược.
Năm loại hệ thống lưu hóa đang được sử dụng phổ biến:
- Hệ thống lưu huỳnh
- Peroxit
- Oxit kim loại
- Acetoxysilane
- Urethane crosslinkers
Lưu hóa bằng lưu huỳnh
Các phương pháp lưu hóa phổ biến nhất phụ thuộc vào lưu huỳnh. Bản thân lưu huỳnh là một chất lưu hóa chậm và không lưu hóa polyolefin tổng hợp. Quá trình lưu hóa cấp tốc được thực hiện bằng cách sử dụng các hợp chất khác nhau làm thay đổi động học của liên kết chéo.
Các polyme chính bị lưu hóa là polyisopren (cao su tự nhiên) và cao su styren-butadien (SBR), được sử dụng cho hầu hết các loại lốp xe.
Các liên kết C-H này liền kề với các liên kết đôi C-C. Trong quá trình lưu hóa, một số liên kết C-H này được thay thế bằng các chuỗi nguyên tử lưu huỳnh liên kết với một chuỗi polyme khác. Những cầu nối này chứa giữa một và một số nguyên tử. Số lượng nguyên tử lưu huỳnh trong liên kết chéo ảnh hưởng mạnh mẽ đến các tính chất vật lý của sản phẩm cao su cuối cùng.
Các liên kết ngắn cung cấp cho cao su khả năng chịu nhiệt tốt hơn. Các liên kết chéo với số lượng nguyên tử lưu huỳnh cao hơn tạo cho cao su các đặc tính động lực học tốt nhưng khả năng chịu nhiệt kém hơn.
Các đặc tính động lực học rất quan trọng đối với các chuyển động uốn cong của sản phẩm cao su, ví dụ, chuyển động của thành bên của lốp xe đang chạy. Nếu không có đặc tính uốn dẻo tốt, những chuyển động này sẽ nhanh chóng tạo thành các vết nứt, và cuối cùng sẽ làm cho mặt hàng cao su bị hỏng.
Lưu hóa sử dụng oxit kim loại
Quá trình lưu hóa cao su neoprene hoặc polychloroprene (cao su CR) được thực hiện bằng cách sử dụng các oxit kim loại (cụ thể là MgO và ZnO, đôi khi là Pb3O4) chứ không phải các hợp chất lưu huỳnh hiện được sử dụng với nhiều loại cao su tự nhiên và tổng hợp.
Ngoài ra, do các yếu tố xử lý khác nhau (chủ yếu là cháy xém, đây là liên kết ngang sớm của cao su do ảnh hưởng của nhiệt), việc lựa chọn máy gia tốc bị điều chỉnh bởi các quy tắc khác nhau đối với các loại cao su khác.
Hầu hết các máy gia tốc được sử dụng thông thường đều có vấn đề khi cao su CR được đóng rắn và chất gia tốc quan trọng nhất đã được tìm thấy là ethylene thiourea (ETU), mặc dù là chất gia tốc tuyệt vời và đã được chứng minh cho polychloroprene, đã được phân loại là chất độc hại. Ngành công nghiệp cao su Châu Âu đã bắt đầu một dự án nghiên cứu SafeRubber [6] để phát triển một giải pháp thay thế an toàn hơn cho việc sử dụng ETU.
Lưu hóa silic
Đây là phương pháp chế tạo ra cao su silicone. Có hai loại silicone lưu hóa nhiệt độ phòng là RTV-1 và RTV-2
Đặc tính của silicon RTV-1
- Bị đông cứng lại do tác động của độ ẩm không khí, chất xúc tác và acetoxysilan.
- Quá trình đóng rắn bắt đầu trên bề mặt bên ngoài và tiến dần đến lõi của nó.
- Silicone RTV-1 có đặc tính bám dính, đàn hồi và độ bền tốt.
- Độ cứng Shore có thể thay đổi từ 18 đến 60.
- Độ giãn dài khi đứt có thể nằm trong khoảng từ 150% đến 700%.
- Chúng có khả năng chống lão hóa tuyệt vời nhờ khả năng chống lại bức xạ UV và thời tiết vượt trội.
Đặc tính của silicon RTV-2
RTV-2 là một hỗn hợp gồm 2 thành phần, vì chỉ trở thành silicon RTV-2 hoàn chỉnh khi trộn hai thành phần này lại với nhau. Khi được trộn lẫn, đóng rắn ở nhiệt độ phòng thành chất đàn hồi rắn, gel hoặc bọt dẻo.
- RTV-2 vẫn linh hoạt từ −80 đến 250 ° C (−112 đến 482 ° F).
- Sự phân hủy xảy ra ở nhiệt độ trên 350 ° C (662 ° F), để lại cặn silica trơ, không cháy và không bắt lửa.
- Chúng có thể được sử dụng để cách điện do tính chất điện môi của chúng.
Ứng dụng của cao su lưu hóa
- Ứng dụng lớn nhất của cao su lưu hóa đó chính là ngành công nghiệp otô, lốp otô…
- Dùng làm vật liệu cách nhiệt chống cháy do bền nhiệt và không cháy, bắt lửa.
- Cách điện và chống thấm.
- Chất keo dán, các vật liệu phủ silicon.
Các Loại Cao Su Lưu Hóa
Có một số loại cao su lưu hóa, bao gồm cao su tự nhiên, cao su tổng hợp và hỗn hợp cao su tự nhiên và tổng hợp. Mỗi loại đều có những đặc tính và ưu điểm riêng.
Cao su tự nhiên và tổng hợp
Cao su tự nhiên có nguồn gốc từ nhựa mủ, được thu hoạch từ cây cao su. Nó là một nguồn tài nguyên tái tạo có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường. Mặt khác, cao su tổng hợp được làm từ các hóa chất gốc dầu mỏ và không thể phân hủy sinh học. Tuy nhiên, cao su tổng hợp có thể được điều chế để có các đặc tính cụ thể, khiến nó phù hợp hơn cho một số ứng dụng nhất định.
Cao su lưu hóa so với Cao su không lưu hóa
Cao su non lưu hóa hay còn gọi là cao su thô, mềm và đàn hồi hơn cao su lưu hóa. Tuy nhiên, nó cũng yếu hơn và kém bền hơn. Mặt khác, cao su lưu hóa mạnh hơn, bền hơn và chịu nhiệt và hóa chất. Nó cũng ít có khả năng biến dạng dưới áp lực.
Ưu điểm của cao su lưu hóa
Ưu điểm của cao su lưu hóa là rất nhiều. Nó bền hơn, đàn hồi và chịu nhiệt và hóa chất hơn cao su không lưu hóa. Cao su lưu hóa cũng ít có khả năng bị biến dạng dưới áp lực, khiến nó trở nên lý tưởng để sử dụng trong lốp xe, thiết bị công nghiệp và các ứng dụng khác. Ngoài ra, cao su lưu hóa có thể được điều chế để có các đặc tính cụ thể, làm cho nó phù hợp hơn cho một số ứng dụng nhất định.
Nhược điểm của cao su lưu hóa
Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng cao su lưu hóa cũng có một số nhược điểm. Một trong những nhược điểm lớn nhất là sản xuất đắt hơn cao su không lưu hóa. Ngoài ra, quá trình lưu hóa có thể tốn nhiều thời gian và năng lượng.
Tái chế cao su lưu hóa
Một trong những thách thức lớn nhất với cao su lưu hóa là khó tái chế. Bởi vì vật liệu này rất bền và chịu nhiệt và hóa chất nên nó không thể dễ dàng phân hủy hoặc tái sử dụng. Tuy nhiên, có một số phương pháp tái chế có thể được sử dụng để tái sử dụng cao su lưu hóa, chẳng hạn như băm nhỏ và nghiền thành các hạt nhỏ để sử dụng trên bề mặt nhựa đường hoặc sân chơi.
Tương lai của cao su lưu hóa
Tương lai của cao su lưu hóa có vẻ đầy hứa hẹn khi nhu cầu về vật liệu bền, chịu nhiệt tiếp tục tăng. Tuy nhiên, cũng có nhu cầu ngày càng tăng đối với các vật liệu bền vững hơn, điều này có thể dẫn đến việc phát triển các phương pháp mới để tái chế và tái sử dụng cao su lưu hóa.
Cao su lưu hóa có an toàn không?
Do các thành phần độn cơ bản như lưu huỳnh, oxit kim loại … nên cao su lưu hóa không được sử dụng cho thực phẩm. Ngoại lệ, silicon với các bước xử lý tốt được sử dụng rộng rãi trong y tế.
Kết luận
Cao su lưu hóa là một trong những loại cao su được sử dụng rộng rãi. Quá trình lưu hóa dù được tình cờ phát hiện nhưng hiện nay đã được ứng dụng để sản xuất nhiều loại cao su với những đặc tính nổi bật.
Riêng cao su lưu hóa với nhiều ứng dụng thiết thực chủ yếu ở lĩnh vực ô tô, cách nhiệt, chống cháy, y tế … Tuy nhiên, nó không an toàn cho thực phẩm, do đó bạn nên sử dụng các loại nhựa an toàn cho thực phẩm như PP, hay PE.