Cao su là một loại vật liệu đàn hồi hay còn gọi là vật liệu polymer. Có hai nhóm cao su cơ bản được sử dụng phổ biến rộng rãi trên thế giới:
1/ Cao su tự nhiên (cao su thiên nhiên):
-Khai thác từ mủ cây cao su (cây caoutchouc).
-Cao su tự nhiên được viết tắt là NR – Natural Rubber
2/ Cao su tổng hợp (cao su nhân tạo):
-Có nguồn gốc chủ yếu từ dầu mỏ hay phụ phẩm của quá trình lọc hóa dầu.
-Cao su tổng hợp (Rubber Synthetic) có rất nhiều loại gồm EDPM, NBR, NBR+PVC, Silicone, CSM, FKM, CO, BR, SBR….
3/ Sơ lược về lịch sử của vật liệu cao su:
Cao su chỉ phát huy các đặc tính ưu việt của nó khi xuất hiện tính đàn hồi. Đặc tính này được hình thành bởi quá trình lưu hóa cao su (vulcanization). Lưu hóa được nhà phát minh người Mỹ Goodyear tìm ra năm 1839.
Do nhu cầu sử dụng ngày càng tăng cao su nhân tạo được ra đời vào cuối thế kỷ 19 và phát triển mạnh trong Thế chiến 2, cho đến năm 1960 cao su nhân tạo đã vượt sản lượng cao su tự nhiên tính đến thời điểm hiện tại.
A. Cao su NBR
I- Khái niệm:
Cao su NBR được gọi bằng nhiều tên gọi khác nhau như cao su acrylonitrile butadiene, cao su Buna-N. Nhưng đối với đa số những người hoạt động trong lĩnh vực công nghiệp, cao su này có tên đơn giản là cao su Nitrile.
II/ Đặc điểm và tính chất:
Các loại cao su nitril có mặt trên thị trường thường có hàm lượng acrylonitrile (ACN) trong khoảng từ 18-50%. Việc gắn ACN vào sườn polymer butadien giúp cải thiện đáng kể tính kháng dầu của cao su, đồng thời ảnh hưởng lên nhiều tính chất khác của copolymer.
Lượng ACN trong copolymer càng nhiều thì tính kháng dầu của cao su càng cao. Lượng ACN càng thấp tính kháng dầu càng kém nhưng độ chịu lạnh của copolymer càng tốt.
Ưu điểm: NBR có khả năng kháng các loại xăng, dầu rất tốt, các hydrocarbon thơm và dầu thực vật rất tốt… và thậm chí là axit và kiềm. Tầm nhiệt hoạt động hiệu quả của NBR từ -54°C đến 148°C.
Nhược điểm: NBR rất kém về khả năng chống trọi ozone, ánh sáng mặt trời, các điều kiện thời tiết, cách điện. Ngoài ra nó không bền trong các dung môi phân cực như keton, ester, …
B. Cao su EPDM
I/ Khái niệm:
EDPM, EP, EPM, EPT đều thuộc cùng một nhóm với các đặc tính hóa lý như nhau – Ethylene propylene.
II/ Đặc điểm và tính chất:
Ưu điểm:
Khả năng kháng cực kỳ tốt với nhiệt độ thấp và cao, ozone, UV, cách điện, ánh sáng mặt trời, rất tốt với một số loại kiềm và axit, chịu nước và hơi nước, khả năng giữ màu.
Excellent resistance to heat, ozone, and sunlight; very good flexibility at low temperatures; good resistance to alkalis, acids, and oxygenated solvents; superior resistance to water and steam; excellent color stability.
Nhược điểm:
EDPM rất kém và bị trương nở trong môi trường xăng, dầu, các dung môi thuộc nhóm hydrocarbon béo, hydrocarbon thơm và các dung môi halogen hóa.
Poor resistance to oil, gasoline, and hydrocarbon solvents, adhesion to fabrics and metals is poor.
III/ Ứng dụng:
Bọc dây cáp, băng truyền, các đệm cửa sổ, cửa xe hơi, đệm kín cửa máy giặt và đặc biệt các thiết bị ngoài trời, đây là những dạng ứng dụng chính của cao su EPM và EPDM. Sản phẩm định hình từ EPDM đang dần thay thế cho cao su NR trong nhiều chi tiết của máy giặt/máy sấy ….
IV/ Lưu ý:
Do biên độ hoạt động nhiệt của EPDM khá lớn mà người ta có thể áp dụng điều kiện lưu hóa từ 160°C-185°C tùy vào điều kiện sản phẩm.
C. Cao su tự nhiên(NR)
I/ Đặc điểm và tính chất:
Ưu điểm:
Cao su thiên nhiên lưu hóa có tính chất cơ học tốt, đặc biệt bền kéo xé tốt. Tính chất nổi bật của cao su thiên nhiên so với cao su tổng hợp là tính tưng nảy và tính phục hồi tốt của nó. Cao su thiên nhiên sau khi bị kéo giãn, phục hồi gần như hoàn toàn kích thước ban đầu của chúng khi được thả ra và sau đó từ từ phục hồi một phần biến dạng dư.
Cao su thiên nhiên có tính kháng rất tốt với hầu hết các dung dịch muối vô cơ, kiềm, và các acid không oxy hóa (ngoại trừ hydrochloric acid vì nó sẽ phản ứng với cao su để hình thành rubber hydrochloride). Khả năng kháng lạnh của NR khá tốt.
Nhược điểm:
Tính kháng của cao su NR với thời tiết và lão hóa tương đối kém. Không giống như vật liệu đàn hồi tổng hợp, cao su NR mềm khi bị lão hóa bởi ánh sáng mặt trời do chuỗi polymer bị cắt đứt. Nó chỉ có tính kháng trung bình với ozone.
Các môi trường oxy hóa mạnh như nitric acid, sulfuric acid đậm đặc, permanganates, dichromates, chlorine dioxide và sodium hypochlorite tấn công mạnh cao su. Các dầu khoáng và dầu thực vật, gasoline, benzene, toluene và chlorinated hydrocarbons gây trương nở cao su.
II/ Ứng dụng:
Cao su thiên nhiên được ứng dụng sản xuất các lốp và ruột xe khí nén, dây đai truyền năng lượng, dây đai băng tải, gaskets, phớt, ống, lớp lót bể chứa hóa chất (dung dịch muối vô cơ, kiềm và các acid không oxy hóa), đệm giảm xóc hấp thu âm thanh và rung động và đệm làm kín chống không khí, ẩm, âm thanh và chất bẩn.
Đôi khi người phối trộn cao su NR với các loại cao su khác nhằm đạt được những đặc tính ưu việt của cả hai, điển hình là sự phối trộn của NR và EDPM.
Hỗn hợp cao su thiên nhiên (NR) và EPDM được phát triển với mục đích kết hợp tính chất vật lý rất tốt của NR với tính kháng ozone, ánh sáng mặt trời của EPDM. Ứng dụng chủ yếu của hỗn hợp này là sườn lốp xe, lớp bọc cách điện dây cáp. Ngoài ra, hỗn hợp của NR với EPDM đạt hiệu quả về chi phí do giảm được một lượng đáng kể EPDM đắt tiền sử dụng nhưng vẫn kháng tốt với ánh sáng, ozone.
Trong khi tính kháng ozone của hỗn hợp NR/EPDM đạt được tương đối dễ dàng khi pha EPDM được dùng nhiều hơn và tạo thành pha liên tục, tính chất vật lý chung của hỗn hợp NR/EPDM nhìn chung kém hơn so với NR hoặc EPDM. Nguyên nhân chính là do sự chênh lệch giữa khả năng phản ứng hóa học của NR và EPDM.
III/ Lưu ý:
Do được điểm chịu nhiệt độ cao của cao su NR rất kém nên quá trình lưu hóa nên đặt nhiệt độ dưới 175°C.
D. Cao su Silicon
Đặc điểm và tính chất:
Cao su silicone có các đặc tính nổi bật như tính kháng nhiệt độ cao, khả năng uốn dẻo tốt, cách điện tốt, tính trong suốt, trơ hóa học và tương thích sinh học với cơ thể người, nhiệt trở cao, cách điện tốt. Những tính chất này giúp cao su silicone phù hợp cho nhiều ứng dụng đặc trưng. Lưu ý hai tính chất quan trọng: trơ hóa học và tương thích sinh học. Hoạt động ở tầm nhiệt từ -55 đến 300°C.
Độ bền kéo, độ bền xé và độ bền mỏi rất kém, phụ thuộc nhiều vào chất độn silica gia cường nhưng rất khó để nâng độ bền kéo của cao su silicone trên 15 MPa. Tuy vậy trong các ứng dụng nhiệt độ cao, sự duy trì độ bền kéo của cao su silicone tốt hơn rất nhiều so với cao su thiên nhiên và các loại cao su tổng hợp khác.
Tầm nhiệt lưu hóa: 150 – 175°C. Tuy nhiên, thời gian lưu hóa cần dài với tầm nhiệt thấp, đặc biệt là phải lưu hóa lần 2 mới đảm bảo tính triệt để của lưu hóa (phụ thuộc nhiều chất xúc tiến).
Ngành công nghiệp ô tô: sử dụng nhiều cao su silicone cho các sản phẩm như đệm làm kín trục truyền động, lớp vỏ bọc ngoài bộ phận đánh lửa, vỏ bọc công tắc, bộ phận giảm rung, lưỡi cao su gạt nước, đệm làm kín mui đẩy, bộ giảm thanh khí xả, …
Ngành điện và điện tử: do tính cách điện và tính uốn dẻo tốt, cao su silicone được sử dụng bọc dây cáp tải điện, bọc cách điện cho mô-tơ và máy biến áp, các chi tiết điện, bàn phím máy tính, điện thoại và bộ điều khiển từ xa…
Ngành y và dược: do tính trơ hóa học và tính tương thích sinh học của nó như núm vú bình sữa cho trẻ sơ sinh, đệm làm kín pit-tông kim tiêm, nút đậy cho các lọ chứa thuốc, kẹp bịt túi, bộ truyền thuốc, các thiết bị kiểm soát liều lượng thuốc, các thiết bị hiệu chỉnh thoát vị, thay thế khớp, vật liệu tạo khuôn răng…
Ngành thực phẩm: do tính trong suốt, không dính, uốn dẻo tốt và tính chịu nhiệt độ cao. Nó được dùng làm đĩa chịu nhiệt chứa thực phẩm trong lò nướng, khuôn nướng, khay nướng, dụng cụ trộn thực phẩm, dao cắt bột làm bánh, đồ chơi nhào nặn, khuôn đúc, vòng đeo tay, mũ tắm, mặt nạ lặn, kính bơi, ống thở…
Cao su CR có 2 tên gọi phổ biến là Polychloroprene và chloroprene rubber là vật liệu đàn hồi đặc biệt, kết hợp được nhiều đặc tính tốt ở mức trung bình nên CR được dùng trong nhiều sản phẩm cao su kỹ thuật khác nhau. Do tính cân bằng giữa độ bền, tính chịu dầu, chống cháy, tăng khả năng kháng ozon, lão hóa và thời tiết, CR được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp. Ngoài ra CR đã qua lưu hóa có độ bền vật lý tốt, mức bền tương đương với mức bền của NR, SBR hoặc NBR. Biến dạng dư sau khi nén của CR thấp trong một khoảng rộng nhiệt độ từ -10°C tới +145°C, được dùng trong các đệm làm kín. Tính kháng mài mòn của CR tương đương NBR.
E. Cao su CR
So với NBR, CR có tính kháng dầu trung bình, phù hợp với các ứng dụng tiếp xúc dầu gián đoạn hoặc tiếp xúc với các dầu tấn công ít (như dầu paraffin, dầu naphthen). CR không kháng được nhiên liệu có hàm lượng aromatic cao. Trong các ứng dụng tiếp xúc với nước, để hạn chế sự trương nở của cao su CR trong nước, chất kết mạng chì oxyt phải được sử dụng. CR cũng thể hiện tính kháng tốt với dung dịch axit và kiềm loãng ở nhiệt độ thấp.
Các ứng dụng điển hình: dây đai, băng tải, vỏ bọc dây điện, dây cáp, giày dép, các ứng dụng trong môi trường ẩm ướt phù hợp, cán tráng lên vải , các sản phẩm có thể bơm hơi, ống cao su, ép đùn và nhiều ứng dụng khác. Đặc biệt là các chi tiết vừa phải chịu tấn công của ozone, thời tiết, vừa phải chịu tác động của xăng dầu.
CR có tính kháng nổi bật với các vi sinh vật trong đất như vi khuẩn, nấm mốc. Vì vậy, CR thường được dùng bọc dây cáp trong các ứng dụng dưới đất. Tính kháng này có thể được tăng thêm bằng cách dùng chất diệt nấm hoặc chất hóa dẻo kháng nấm.
Tóm lại:
Đặc tính của CR nằm ở phân khúc giữa EDPM và NBR:
1/ Tính chịu xăng dầu tốt hơn EDPM, nhưng kém NBR.
2/ Tính kháng Ozone, UV, thời tiết, nhiệt tốt hơn NBR, nhưng kém EDPM.
