Cao su được phân chia làm hai loại chủ yếu là cao su thiên nhiên hay cao su tự nhiên và cao su nhân tạo. Bài viết này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về cao su thiên nhiên về tính chất, sinh tổng hợp, lịch sử cũng như ứng dụng của nó.
Cao su thiên nhiên là gì?
Cao su tự nhiên hay cao su thiên nhiên là hợp chất polyme có nguồn gốc tự nhiên cụ thể phổ biến nhất là từ mủ cây cao su (Hevea brasiliensis).
Nguyên nhân để cây cao su được trồng chủ yếu nhằm khai thác cao su thiên nhiên do có năng suất mủ cao, canh tác thuận lợi, chuyên canh dễ dàng, thích nghi tốt với các điều kiện khí hậu.
Hiện nay, cây cao su được trồng phổ biến nhất là Đông Nam á, Ấn Độ, châu Phi, Nam Mỹ với gần 14.878.000 ha (Nguồn – Statista). Trong đó, Việt Nam có hơn 965.000 ha ( số liệu 2018), sản lượng 1.087.000 tấn ( số liệu 2017) với năng suất bình quân 1.674 kg/ha/năm.
Tính chất của cao su thiên nhiên
Cấu tạo hoá học và tính chất vật lý
Về mặt cấu tạo hóa học cao su tự nhiên là polyisopren – polyme của isopren.
- Mạch đại phân tử của cao su thiên nhiên được hình thành từ các mắt xích isopren đồng phân cis liên kết với nhau ở vị trí 1,4.
- Ngoài đồng phân cis 1,4, trong cao su thiên nhiên còn có khoảng 2% mắt xích liên kết với nhau ở vị trí 3,4.
- Có cấu tạo tương tự với cao su thiên nhiên, nhựa cây Gutapertra được hình thành từ polyme của isopren đồng phân trans 1,4.
Cao su thiên nhiên dễ bị lưu hóa do sự hiện diện của một liên kết đôi trong xương sống của polyme. Lưu hóa là quá trình hình thành các liên kết chéo giữa các chuỗi polyme bằng cách sử dụng lưu huỳnh làm thuốc thử liên kết chéo. Cao su lưu hóa cứng hơn, cứng hơn và bền hơn so với cao su tự nhiên.
Tính chất vật lý
Ở nhiệt độ thấp, nó có cấu trúc tinh thể. Cao su thiên nhiên kết tinh với vận tốc nhanh nhất ở -25 °C, tinh thể nóng chảy ở 40 °C.
- Khối lượng riêng: 913 kg/m³
- Nhiệt độ hóa thủy tinh (Tg): -70 °C
- Hệ số giãn nở thể tích: 656.10−4 dm³/°C
- Nhiệt dẫn riêng: 0,14 w/m°K
- Nhiệt dung riêng: 1,88 kJ/kg°K
- Nửa chu kỳ kết tinh ở -25 °C: 2÷4 giờ
- Thẩm thấu điện môi @1000 Hz/s: 2,4÷2,7
- Tang của góc tổn thất điện môi: 1,6.10−3
Cao su tự nhiên tan tốt trong các dung môi hữu cơ mạch thẳng, mạch vòng và CCl4. Tuy nhiên, nó không tan trong rượu và xetôn.
Độ co giãn và đàn hồi
Đây là một đặc tính nổi bật của cao su. Xét về vi mô độ co giãn chính là kết quả của sự sắp xếp các phân tử cao su theo các chuỗi xoắn, nhăn. Khi lực kéo tác động các chuỗi này giãn thẳng và trở về trạng thái ban đầu bằng lực kéo của các liên kết giữa các phân tử cao su.
Độ co giãn này bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, giảm khi nhiệt độ thấp và tăng khi nhiệt độ cao tuy nhiên có giới hạn. Có một đặc tính không mong muốn trong ở đây đó là độ “kết tinh”, đó chính là sự “đông cứng” của các liên kết phân tử, dẫn đến cao su không thể trở về hình dạng ban đầu.
Ví dụ: Một quả bóng cao su được bơm căn, đặt trên mặt bàn một thời gian sẽ bị méo ở bề mặt tiếp xúc với mặt bàn, đó chính là sự “đông cứng”.
Để khắc phục nhược điểm này người ta thực hiện lưu hóa cao su tạo ra liên kết di- và polysulfide giữa các chuỗi, điều này giới hạn tự do, thắt chặt các chuỗi cao su nhanh hơn, do đó làm tăng độ đàn hồi, làm cho cao su cứng hơn và ít giãn hơn.
Sự phân huỷ của cao su thiên nhiên
Trong mủ cao su thiên nhiên ngoài các phân tử polyme ra còn có các tạp chất hữu cơ, nước, đường. Chính những chất này phân huỷ tạo ra mùi gây trở ngại cho sản xuất cao su.
Các tạp chất này phân hủy trong quá trình bảo quản hoặc phân hủy nhiệt tạo ra các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi. Kiểm tra các hợp chất này bằng phương pháp sắc ký khí / khối phổ (GC / MS) và sắc ký khí (GC) cho thấy có hiện diện của lưu huỳnh, amoniac, anken, xeton, este, hydro sunfua, nitơ và axit béo trọng lượng phân tử thấp (C2-C5 ).
Chính những chất này tạo ra mùi không mấy dễ chịu cho cao su tự nhiên chưa qua sơ chế. Do đó, cao su thiên nhiên luôn được sơ chế thô để có thể bảo quản lâu dài.
Sinh tổng hợp
Trong cây cao su các “hạt cao su” được tổng hợp trong tế bào chất của tế bào chuyên tổng hợp cao su gọi là laticifers.
Các hạt cao su được bao bọc bởi một màng phospholipid đơn có đuôi kỵ nước hướng vào trong. Màng này cho phép các protein sinh tổng hợp được gắn kết trên bề mặt hạt cao su, cho phép các monome mới được thêm vào từ bên ngoài màng sinh học.
Hạt cao su là một thực thể hoạt động nhờ enzym có chứa ba lớp vật chất, hạt cao su, màng sinh học và các đơn vị monome tự do. Màng sinh học được giữ chặt vào lõi cao su do điện tích âm cao dọc theo các liên kết đôi của xương sống polyme cao su.
Các đơn vị monome tự do và các protein liên hợp tạo nên lớp ngoài. Tiền chất của cao su là isopentenyl pyrophosphat (một hợp chất allylic), kéo dài bởi sự ngưng tụ phụ thuộc Mg2 + bởi tác dụng của cao su transferase. Đơn phân bổ sung vào đầu pyrophosphat của polyme đang phát triển.
Quá trình này thay thế pyrophosphat ở năng lượng cao tạo ra một polyme có liên kết cis. Bước khởi đầu được xúc tác bởi prenyltransferase, men này chuyển đổi ba monome của isopentenyl pyrophosphat thành farnesyl pyrophosphat. Farnesyl pyrophosphat có thể liên kết với tran polyme để kéo dài chuỗi polyme.
Isoopentenyl pyrophosphat cần thiết thu được từ con đường mevalonat, dẫn xuất từ acetyl-CoA trong dịch bào. Ở thực vật, isoprene pyrophosphate cũng có thể được thu nhận từ con đường 1-deox-D-xyulose-5-phosphate / 2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate trong plasmid.
Tỷ lệ tương đối của farnesyl pyrophosphat và monome isoprenyl pyrophosphat xác định tốc độ tổng hợp hạt cao su mới.
Mặc dù cao su được biết là chỉ được sản xuất bởi một loại enzyme, nhưng chất chiết xuất từ latex chứa nhiều protein trọng lượng phân tử nhỏ với chức năng chưa được biết đến. Các protein có thể đóng vai trò là đồng yếu tố, vì tốc độ tổng hợp giảm khi loại bỏ hoàn toàn.
Nguồn gốc và lịch sử
Nguồn gốc
Nguồn gốc cao su tự nhiên gắn liền với nguồn gốc của cây cao su. Vùng sinh sống bản địa của cây cao su là lưu vực sông Amazon (Nam Mỹ). Trải dài từ vĩ độ 15 độ Nam đến 60 độ Bắc, giữa kinh độ 46 độ Tây và 77 độ Đông. Nằm trên các quốc gia Brazil, Bolivia, Peru, Colombia, Ecuador, Venezuela, Surinam và French Guyana.
Lịch sử
Nói về lịch sử của cao su tự nhiên thì những người dân Nam Mỹ là những người đầu tiên phát hiện và sử dụng cao su tự nhiên ở thế kỷ 16. Các nền văn hóa Maya và Aztec – ngoài việc tạo ra những quả bóng bằng cao su, Người Aztec sử dụng cao su làm thùng chứa, làm cho hàng dệt không thấm nước bằng cách ngâm chúng vào mủ cao su.
Sau đó cao su được biết đến và sử dụng ở Anh từ thế kỷ 17. Mủ cao su được kiểm soát rất khắc khe do khi đó Châu Mỹ vẫn là nguồn cung cao su chính và năng suất mủ cực kỳ thấp so với nhu cầu.
Năm 1876, Henry Wickham nhập lậu 70.000 hạt giống cây cao su từ Brazil cho Kew Gardens ở Anh Quốc. Chỉ 2.400 trong số này nảy mầm, sau đó chúng được gửi đến Ấn Độ, Sri Lanka, Indonesia, Singapore, Malaysia.
Cây cao su được người Pháp đưa vào Việt Nam lần đầu tiên tại vườn thực vật Sài Gòn năm 1878 nhưng không sống.
Đến năm 1892, 2000 hạt cao su từ Indonesia được nhập vào Việt Nam. Trong 1600 cây sống, 1000 cây được giao cho trạm thực vật Ong Yệm (Bến Cát, Bình Dương), 200 cây giao cho bác sĩ Yersin trồng thử ở Suối Dầu (Long Khánh – Đồng Nai).
Năm 1897 đã đánh dầu sự hiện diện của cây cao su ở Việt Nam. Công ty cao su đầu tiên được thành lập là Suzannah (Dầu Giây, Long Khánh, Đồng Nai) năm 1907. Tiếp sau, hàng loạt đồn điền và công ty cao su ra đời, chủ yếu là của người Pháp và tập trung ở Đông Nam Bộ: SIPH, SPTR, CEXO, Michelin…
Ứng dụng của cao su thiên nhiên
- Cao su chưa lưu hoá được sử dụng như một chất độn trong sản xuất xi măng. Sản xuất các loại băng dính, chất cách điện, tăng ma sát; và đối với cao su crepe được sử dụng trong chăn cách điện và giày dép.
- Cao su lưu hóa có nhiều ứng dụng hơn nữa. Khả năng chống mài mòn làm cho các loại cao su mềm hơn có giá trị cho lốp xe và băng tải, đồng thời làm cho cao su cứng có giá trị cho vỏ máy bơm và đường ống được sử dụng trong việc xử lý mài mòn.
- Tính linh hoạt của cao su được sử dụng trong ống mềm, lốp xe và trục lăn cho các thiết bị từ máy vắt quần áo trong nước đến máy in.
- Độ đàn hồi của nó làm cho nó phù hợp với các loại giảm xóc khác nhau và các giá đỡ máy móc chuyên dụng được thiết kế để giảm rung động.
- Tính không thấm khí tương đối của nó làm cho nó hữu ích trong sản xuất các sản phẩm như ống dẫn khí, bóng bay, bóng và đệm.
- Tính kháng của cao su với nước và tác dụng của hầu hết các chất hóa học đã dẫn đến việc nó được sử dụng trong quần áo mưa, đồ lặn, ống đựng hóa chất và dược phẩm, và làm lớp lót cho các bồn chứa, thiết bị chế biến và toa xe bồn.
- Do khả năng chống điện của chúng, hàng hóa cao su mềm được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt và làm găng tay, giày và chăn bảo hộ; cao su cứng được sử dụng cho các sản phẩm như vỏ điện thoại, các bộ phận của bộ radio, đồng hồ đo và các dụng cụ điện khác.
- Hệ số ma sát của cao su, cao trên bề mặt khô và thấp trên bề mặt ướt, dẫn đến việc sử dụng nó cho dây đai truyền lực và cho các ổ trục bôi trơn bằng nước trong máy bơm giếng sâu.
- Cao su tự nhiên mang lại độ đàn hồi tốt, trong khi vật liệu tổng hợp có xu hướng chống chịu tốt hơn với các yếu tố môi trường như dầu, nhiệt độ, hóa chất và tia cực tím.
Tóm lượt
Hi vọng bài viết đã giúp bạn rõ hơn về cao su thiên nhiên các đặc tính của cao su, quá trình sinh tổng hợp cao su cũng như những ứng dụng của cao su tự nhiên hiện nay. Mọi đóng góp ý kiến hay thắc mắc vui lòng để lại dưới phần bình luận, GCS sẽ trả lời các bạn trong vòng 72h.
GCS – Wiki
