Vai trò của các chất phụ gia trong quá trình lưu hóa cao su

Theo ước tính, ngành công nghiệp cao su trên thế giới tiêu thụ khoảng 2 đến 2,5 triệu tấn chất độn chức năng mỗi năm, trong đó có khoảng 600 đến 700 nghìn tấn là các khoáng công nghiệp (chủ yếu là muội than đen).

Người ta trộn cao su nguyên liệu (chất đàn hồi – elastomer, polyme vô định hình) với các thành phần khác để tạo thành một tổ hợp (compound), sau đó đem lưu hóa để tạo thành cao su. Vì có tính đàn hồi nên sản phẩm cao su kỹ thuật có thể giãn dài gấp 8 lần so với độ dài ban đầu và có thể trở lại với dạng gốc mà không bị biến dạng. Ngoài ra, cao su còn làm triệt tiêu năng lượng do tính nhớt đàn hồi và rất bền dưới tác động của lực động hoặc tĩnh. Cao su còn có khả năng chịu mài mòn cao hơn thép, không thấm nước và không khí, không bị trương nở trong dung môi và ăn mòn hóa học.

1. Các chất đàn hồi thương mại

Polyisopren (hoặc cao su tự nhiên – CSTN), một số loại cao su tổng hợp (như cao su isopren tổng hợp, cao su polybutađien, cao su styren-propylen, cao su etylenpropylenđien, cao su butyl, cao su dẻo nhiệt và cao su nitryl). CSTN là mủ cây cao su qua chế biến. Do vậy, cao su thô nguyên chất có tính chất vật lý thay đổi theo nhiệt độ và dễ dàng bị oxy hóa bởi các chất oxy hóa, thậm chí với cả không khí.

Cao su tổng hợp được sản xuất bằng quá trình ngưng tụ hoặc trùng hợp (polyme hóa) một số hyđrocacbon chưa no. Cao su tổng hợp thương mại chủ yếu gồm có cao su neopren, buna, butyl và các loại cao su đặc biệt khác.

Hầu hết các loại cao su đều phải trải qua quá trình lưu hóa để thay đổi cấu trúc và ổn định nhiệt.

Để quá trình lưu hóa thuận lợi, các hóa chất gồm có chất lưu hóa, chất xúc tác và chất xúc tiến được bổ sung trong quá trình chế biến cùng với các chất phụ gia khác như chất dẻo hóa, chất chống oxy hóa, chất chống ozon hóa, các chất tạo màu và chất độn chức năng.

2. Chất xúc tác và chất hoạt hóa

Lưu huỳnh (S) là chất lưu hóa (tạo liên kết ngang) chậm. Khi tăng dần lượng S thì càng cần thời gian gia nhiệt kéo dài và làm giảm độ bền liên kết. Tuy nhiên, một số chất hữu cơ như alinin và thiocarbanilit làm giảm thời gian lưu hóa và giảm bớt sự thoái biến oxy hóa của cao su trong quá trình lưu hóa, vì vậy cải thiện được các tính chất của cao su sản phẩm.

Ban đầu, chất xúc tác lưu hóa là các oxit kim loại (như“bột chì trắng” và â€œvôi”), sau đó người ta sử dụng 5 loại hợp chất hữu cơ chủ yếu là guaniđin, thiazol, đithiocarbamat, xantat và thiuram. Trong các loại này, chất xúc tác loại guaniđin có tốc độ lưu hóa chậm nhất, đồng thời bắt đầu quá trình â€œcháy sém” cũng chậm.

Nhìn chung, khi dùng các chất xúc tác hữu cơ lại đòi hỏi phải dùng chất hoạt hóa (xúc tiến) để làm tăng tính hiệu quả của chúng trên cơ sở làm tăng tốc độ lưu hóa, giảm nhiệt độ lưu hóa và cải thiện các tính chất cơ học của cao su lưu hóa. Kẽm oxit(kẽm trắng) rất phổ biến và là chất hoạt hóa hiệu quả vì nó giảm liên kết ngang của S, đồng thời kích thích hình thành các liên kết C-C làm tăng sự ổn định nhiệt của cao su lưu hóa. Các loại kẽm oxit siêu mịn được sử dụng phải có hàm lượng tối thiểu 99,5% ZnO và được xử lý để có diện tích bề mặt riêng lớn. Ngoài làm hoạt hóa các quá trình lưu hóa S, kẽm oxit còn hoạt động như một chất tạo liên kết ngang đối với polyme chứa các nhóm carboxyl hoặc halogen (như cao su clopren, cao su brombutyl, cao su clobutyl, hoặc cao su nitril carboxyl hóa và cao su styren – butadien cacboxyl hóa).

Một số hợp chất khác được sử dụng như chất hoạt hóa trong lưu hóa cao su là:

• Magiê oxit (MgO) được dùng chủ yếu với các elastomer loại neopren.
• Chì oxit (PbO) ít phổ biến nhưng vẫn được sử dụng cùng với thiazol, đithiocarbamat, hoặc các chất xúc tác loại thiuram sunfua.
• Các axit béo, ví dụ, axit stearic, axit oleic và đibutyl amoni oliat được sử dụng (dưới dạng các muối kẽm) để cải thiện được sự phân tán của kẽm oxit.

3. Chất hãm lưu hóa/ chất làm chậm quá trình cháy sém

Các chất hãm lưu hóa hoặc chất làm chậm quá trình cháy sém được sử dụng để ngăn chặn các quá trình này trong chế biến cao su. Bổ sung chất chống sém (như MgO, axit salixylic, axit benzoic, axit axetylsalixylic, anhyđrit phtalic, N-nitroso-điphenylamin hoặc axit stearic) ở nồng độ 0,2-1% sẽ kéo dãn thời gian bắt đầu cháy cao su mà không làm giảm tốc độ của quá trình lưu hóa. Các chất này đặc biệt được chỉ định dùng khi các chất xúc tác hiệu quả cao gây ra quá trình lưu hóa sớm ngay trong quá trình trộn và cán luyện.

Về mặt hóa học, magiê oxit nung kiềm tính có chức năng và hoạt tính như một chất nhận axit, chất lưu hóa, chất ổn định, và chất lưu hóa đối với các loại cao su và elastomer.

4. Chất độn, chất hãm cháy và chất tạo màu

Chất độn gia cường làm tăng độ cứng của hợp phần không lưu hóa và cải thiện các tính chất của cao su lưu hóa, làm tăng độ bền kéo, chống mài mòn, chống rách, và làm tăng độ cứng của cao su. Chất độn gia cường có khả năng thay đổi mạnh độ nhớt và các tính chất của cao su lưu hóa khi tăng hàm lượng độn, trong khi chất độn không hoạt tính như canxi cacbonat nghiền (GCC) và kaolanh không có các tính chất này, thậm chí còn làm giảm bớt tính chất cơ lý của cao su lưu hóa.

Hiện nay, có hai loại chất độn gia cường thương mại chủ yếu là muội than và silic oxit. Muội than là vật liệu có thể tạo ra tương tác hóa học bề mặt màng đặc trưng hữu cơ với elastomer. Ngược lại, silic oxit là chất có tương tác hóa học bề mặt màng đặc trưng vô cơ với elastomer, vì vậy về mặt hóa hoc, chất độn silic oxit có thể được xử lý với hợp chất silan để thành cao su. Các chất độn này có sẵn với cỡ hạt sơ cấp 100 anstrom.

Các chất độn khoáng trơ chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp cao su là bột đá, bột nhẹ, kaolanh, đất sét, talc, mica, và các loại khoáng khác như điatomit, felspat, nephelin xienit, thạch cao, pyrophylit, zeolit, v.v…

Người ta còn dùng một số chất độn trong xử lý cao su với tác dụng làm chất hãm cháy, chất chống khói và một số chức năng khác (ví dụ, nhôm trihyđrat (ATH), kẽm borat, antimoni oxit, v.v…).

Một số khoáng và hóa chất được bổ sung vào tổ hợp phối liệu cao su (không chứa muội than) để tạo màu cho cao su như titan đioxit, sắt oxit, kẽm oxit, litopon và một số thuốc nhuộm hữu cơ. Titan đioxit được xem là chất tạo màu trắng hàng đầu, rất bền vững hóa học và giúp cao su chống lại thoái biến của tia UV cao, giúp sản phẩm cao su bền mầu.