Cao su thiên nhiên hay cao su tự nhiên bên cạnh cao su nhân tạo làm một trong những nguồn nguyên liệu chính để sản xuất hàng loạt các vật dụng được sử dụng cực kỳ phổ biến hiện nay. Có thể dễ dàng nhận ra sự có mặt của các sản phẩm cao su quanh bạn, từ bàn ghế, các vật dụng, bình chai lọ, lốp xe …
Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn, thú vị hơn về cao su thiên nhiên.
Cao su thiên nhiên là gì?
Cao su thiên nhiên là hợp chất polyme (Polyterpene (C5H8)n) có nguồn gốc tự nhiên. Cụ thể là sản phẩm được khai thác từ cây cao su (Hevea brasiliensis).
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.
Lịch sử phát triển
Lịch sử cao su tự nhiên gắn liền với lịch sử cây cao su. Vùng 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.
Người dân Nam Mỹ của nền văn hóa Maya và Aztec được xác định là những người đầu tiên phát hiện và sử dụng cao su thiên nhiên vào thế kỷ 16. Người Aztec sử dụng cao su thiên nhiên làm thùng chứa, tạo tính chống thấm cho hàng dệt, các vật dụng đi mưa …
Đến thế kỷ 17, cao su thiên nhiên dần được sử dụng phổ biến ở Châu Âu, tuy nhiên nguồn cung khá ít so với nhu cầu sử dụng cao su.
Đến thế kỷ 18, cụ thể là 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.
Về sau kỹ thuật sơ chế và chế biến cao su thiên nhiên có rất nhiều thành tựu mới, trong đó nổi bật vẫn là quá trình lưu hoá. Tuy nhiên, lưu huỳnh được thay đổi bởi những chất độn khác, qui trình gia nhiệt … đã làm cho cao su thiên nhiên mang nhiều đặc điểm nổi bật như chống cháy, độ trơ ăn mòn …
Quy trình sản xuất
Canh tác cây cao su (Hevea brasiliensis)
- Với nhiều họ có thể cho mủ cao su tuy nhiên cây cao su (Hevea brasiliensis) được chọn do dễ canh tác, sản lượng cao và nhiều sản phẩm phụ có giá trị như gỗ chẳng hạn.
- Cây cao su ban đầu sẽ qua thời gian kiến thiết cơ bản từ 6 – 7 năm tuỳ thuộc vào giống, khu vực và chăm sóc. Sau đó, cây cao su sẽ chính thức bước vào giai đoạn thu hoạch mủ cao su kéo dài từ 17 – 20 năm.
- Sau giai đoạn thu hoạch cây cao su sẽ được thanh lý lấy gỗ và bước vào một chu kỳ trồng mới tiếp theo.
- Quá trình thu hoạch mủ cao su được gọi là cạo mủ.
- Người ta sẽ cạo một đường rãnh trên thân cây nhằm cắt đứt mạch mủ trên vỏ để tiết ra chất lỏng màu trắng là mủ cao su. Ở Việt Nam thời vụ khai thác cao su bắt đầu từ tháng 05 và kết thúc vào tháng 12 hay 01 năm sau.
- Với qui trình kỹ thuật ngày nay, người ta sẽ cạo mủ 3 đến 4 ngày/lần với các hình thức cạo khác nhau tuỳ vào độ tuổi khai thác của cây cao su.
- Mủ cao su sau từ 5 – 6 tiếng sau cạo sẽ được thu gom về nhà máy sản xuất để sơ chế, hoặc chế biến.
Chế biến mủ cao su
Quy trình chế biến mủ cao su hiện nay được phân làm 4 nhóm dựa vào 04 loại sản phẩm của cuối quy trình chế biến cụ thể:
- Chế biến mủ nước thành những chủng loại cao su thiên nhiên gồm các dạng sau: Dạng khối như cao su định chuẩn kỹ thuật (cấp hạng SVR L, SVR 3L, SVR 5, SVR CV50, SVR CV60); dạng tờ như cao su tờ xông khói RSS (5 cấp hạng từ 1 đến 5), cao su crếp; dạng lỏng như Latex cao su thiên nhiên cô đặc (sản phẩm phụ khi sản xuất Latex cô đặc là Skim Block dạng khối).
- Chế biến mủ đông (mủ chén, mủ dây) thành chủng loại cao su thiên nhiên định chuẩn kỹ thuật dạng khối với cấp hạng SVR 10, SVR 20, SVR 10CV, SVR 20CV.
Chế biến Latex cao su thiên nhiên cô đặc (hay còn goi là chế biến mủ ly tâm) có các loại LA, XA hoặc HA
- Cao su tờ xông khói RSS
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.
Ứng dụng của cao su su thiên nhiên
Ngành công nghiệp ô tô và sản xuất lốp xe
Được xem là ngành tiêu thụ cao su thiên nhiên lớn nhất, với nhiều chi tiết sử dụng bằng cao su như lốp xe, các ron, tấm đệm, dây curo …. Ngành công nghiệp này chiếm 70% sản lượng cao su thiên nhiên trên toàn cầu.
Ứng dụng trong sản xuất đệm
Đệm cao su thiên nhiên được xem là một trong những ứng dụng phổ biến. Với nhiều ưu điểm nổi bật về độ êm ái, thân thiện môi trường, đảm bảo sức khoẻ …
Một số thương hiệu lớn và nổi tiếng sản xuất nệm cao su thiên nhiên có thể kể đến như Nệm cao su KYMDAN, Đệm cao su Liên Á, Đệm Đồng Phú, Đệm cao su Kim Cương…
Ứng dụng trong ngành khác
Nhờ vào đặc tính ưu việt, cao su thiên nhiên được ứng dụng trong rất một số lĩnh vực cơ bản như sau:
- Trong ngành xây dựng: cao su giảm chấn, gối cầu cao su bản thép, ống cao su chịu nhiệt, trục cao su, cao su bảo vệ cốt góc tường, ống cao su công nghiệp, ống cao su bơm cát,…
- Trong ngành công nghiệp thực phẩm: cao su tiếp xúc thực phẩm, ống cao su chuyên dụng, ống cao su trục xoắn bơm dầu thực phẩm, trục lô ép cá,…
- Trong ngành công nghiệp: cao su cửa kính, thảm cao su, ống dẫn xăng dầu lắp, đệm cao su cho thiết bị điệm tử, đệm chịu lực nén, tấm lót cao su giảm chấn, giảm rung,…
- Trong ngành thủy lợi, thủy điện: gioăng đệm cao su, băng chặn nước, thiết bị chống thấm, cao su diền chắn than, phớt cao su,…
Trong ngành y tế: nút cao su, găng tay cao su,…
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
