Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su chống rung giảm chấn trên cơ sở cao su thiên nhiên

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:152

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài nhằm chế tạo được vật liệu cao su chống rung giảm chấn trên cơ sở cao su thiên nhiên, sử dụng cho các kết cấu chống rung chịu tải trọng động. Để hiểu rõ hơn về đề tài, mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết luận án!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su chống rung giảm chấn trên cơ sở cao su thiên nhiên

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Tập thể hướng dẫn Hà Nội, 2020 Tác giả PGS. TS. Đặng Việt Hưng Nguyễn Trọng Quang GS.TS. Bùi Chương
LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành tại Trung tâm Công nghệ Polyme – Compozit và Giấy - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS. Bùi Chương, PGS.TS. Đặng Việt Hưng, TS. Hoàng Nam, là những người thầy tận tâm, đã nghiêm khắc và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện bản luận án này. Tôi cũng xin tỏ lòng biết ơn chân thành đối với sự giúp đỡ nhiệt tình của toàn thể cán bộ Trung tâm Công nghệ Polyme – Compozit và Giấy - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và sinh viên chuyên ngành Công nghệ Vật liệu Polyme và Compozit đã cộng tác, trao đổi, thảo luận và đóng góp cho luận án, đồng thời tạo nhiều điều kiện thuận lợi cũng như đóng góp nhiều ý kiến để hoàn thiện luận án. Để hoàn thành tốt chương trình học cũng như luận án bên cạnh sự giúp đỡ của các thầy cô và bạn bè còn có sự ủng hộ và động viên của gia đình, đây là chỗ dựa vững chắc để tôi có thể yên tâm hoàn thành bản luận án. Tôi xin được bày tỏ sự trân trọng và lòng biết ơn sâu nặng. Hà Nội, 2020 Tác giả Nguyễn Trọng Quang
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .............................................. I DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................III DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................. V MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. TỔNG QUAN ........................................................................................................ 3 1.1. LÝ THUYẾT DAO DỘNG .................................................................................... 3 1.1.1. Rung động ..................................................................................................... 3 1.1.2. Lý thuyết dao động ....................................................................................... 3 1.2. CHỐNG RUNG VÀ VẬT LIỆU CHỐNG RUNG .................................................... 12 1.2.1 Chống rung ................................................................................................... 14 1.2.2. Các vật liệu chống rung .............................................................................. 14 1.2.3. So sánh giữa các vật liệu chống rung.......................................................... 16 1.3. VẬT LIỆU CHỐNG RUNG TREN CƠ SỞ CAO SU ............................................... 18 1.3.1. Cao su chống rung....................................................................................... 18 1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cao su chống rung ............................................ 19 1.4. VẬT LIỆU CHỐNG RUNG TRÊN CƠ SỞ CAO SU THIÊN NHIÊN ......................... 23 1.4.1. Cấu trúc, tính chất ....................................................................................... 23 1.4.2. Nâng cao tính chống rung cao su thiên nhiên ............................................. 24 1.4.3. Lão hóa cao su............................................................................................. 27 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................ 35 2.1. CHẾ TẠO VẬT LIỆU ......................................................................................... 35 2.1.1. Nguyên liệu ................................................................................................. 35 2.1.2. Các đơn pha chế .......................................................................................... 37 2.1.3. Phương pháp chế tạo mẫu ........................................................................... 40 2.3. PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM ......................................................................... 41 2.3.1. Phương pháp xác định các đặc trưng lưu hóa ............................................. 41 2.3.2. Phương pháp xác định các tính chất cao su ................................................ 45 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................................ 56 3.1. ĐÁNH GIÁ CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA CAO SU CHỐNG RUNG .................. 56 3.2. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CAO SU CHỐNG RUNG TRÊN CƠ SỞ CAO SU THIÊN NHIÊN ......................................................................................................... 56 3.2.1. Ảnh hưởng của than đen kỹ thuật đến tính chất của cao su ........................ 56 3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng dầu gia công đến tính chất cơ lý của cao su thiên nhiên ............................................................................................................. 58
3.2.3. Ảnh hưởng của hệ lưu hóa đến các tính chất của cao su thiên nhiên ........ 59 3.2.4. Ảnh hưởng của silica và silica biến tính silan đến tính chất của cao su thiên nhiên ...................................................................................................................... 75 3.2.5. Ảnh hưởng của nano ZnO đến tính chất cao su thiên nhiên ....................... 82 3.2.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của cao su clopren đến tính chất của blend cao su thiên nhiên – clopren ............................................................................................. 88 3.3. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT MỎI VÀ LÃO HÓA CAO SU CHỐNG RUNG TRÊN CƠ SỞ CAO SU THIÊN NHIÊN ....................................................................................... 94 3.3.1. Chế độ lão hóa tĩnh ..................................................................................... 94 3.3.2. Lão hóa trong chế độ tải trọng động ......................................................... 104 3.3.3. Phương trình dự đoán thay đổi độ bền cao su........................................... 115 3.4. ĐẶC TRƯNG CHỐNG RUNG CỦA CAO SU THIÊN NHIÊN ............................... 120 3.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ lưu hóa ................................................................ 120 3.4.2. Ảnh hưởng của thời gian lưu hóa.............................................................. 121 3.4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tiến lưu hóa ............................................. 122 3.4.4. Đặc trưng chống rung của cao su chống rung trên cơ sở cao su thiên nhiên ............................................................................................................................. 125 3.5. THỬ NGHIỆM KẾT CẤU CHỐNG RUNG ......................................................... 126 3.5.1. Nâng cao độ bám dính của cao su thiên nhiên với thép............................ 126 3.5.2. Đánh giá thử nghiệm kết cấu chống rung ................................................. 130 4. KẾT LUẬN ....................................................................................................... 133 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 135
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ANOVA Analysis of Variance CIIR Chlorobutyl Rubber Cao su clo butyl CR Cloroprene Rubber Cao su clopren CRI Chỉ số lưu hóa D Diphenylguanidine DCP Dicumyl peroxit DM Di(benzothiazol-2-yl) disulfide DMA Dynamic Mechanical Analysis Phân tích cơ động học DTG Derivative ThermoGravimetry đ.v.C Đơn vị Cacbon EPDM Etylen propylen dien monome ENR Cao su thiên nhiên epoxy hóa EV Efficient vulcanization HAF High Abrasion Furnace KLR Khối lượng riêng NR Natural Rubber Cao su thiên nhiên NBR Nitrile butadiene rubber Cao su butadien - nitril NLHH Năng lượng hoạt hóa M 2-Mercaptobenzo-thiazole MRE Cao su thiên nhiên từ tính MRE/ISO Cao su thiên nhiên từ tính đẳng hướng MRE/AN Cao su thiên nhiên từ tính đồng nhất MWCNT ống nano cacbon đa tường PMMA Poly(methyl metha acrylate) Pkl phần khối lượng Phòng lão RD 2,2,4-trimethyl-1,2-dihydroquinoline Phòng lão N-1,3-Dimethylbuthyl-N’-phenyl-p- 4020 phenylenediamine PP Poly(propylene) Poly(propylen) PTFE Poly(tetrafluoroethylene) PA Polyamide RSS1 Ribber smock sheet 1 Cao su thiên nhiên dạng tờ hong khói 1 I
RSM Response Surface Methodology TBBS N-tertbutyl-2- benzothiazolsunfenamide TMTD Tetramethyl Thiuram Disulfide TESPT Bis-(triethoxysilylpropyl) tetrasulfide silane TGA Thermogravimetric Analysis SBR Styrene Butadiene Rubber Cao su butadien styren SEV Semiefficient vulcanization Ký hiệu Tiếng Việt Đơn 1*,2*,3* Các đơn pha chế cao su kiểm tra sau qui hoạch thực nghiệm hệ xúc tiến lưu hóa (D, DM, M) Đơn 4*,5*,6* Các đơn pha chế cao su kiểm tra sau qui hoạch thực nghiệm hệ xúc tiến lưu hóa (TBBS,TMTD) N330, N660 Than đen kỹ thuật loại N330, N660 33N330 Đơn pha chế cao su chứa 33pkl than N330 33N(330+660) Đơn pha chế cao su thiên nhiên chứa 33pkl than N330 và N660 33N660 Đơn pha chế cao su thiên nhiên chứa 33pkl than N660 (30-40)N330 Các đơn pha chế cao su thiên nhiên chứa 30-40pkl than N330 0,5-1,5CPC Các đơn pha chế cao su thiên nhiên chứa 0,5-1,5 pkl dầu CPC NR (R- Đơn pha chế tối ưu sau qui hoạch thực nghiệm *6ZnO) NRSiKBT Đơn pha chế cao su thiên nhiên chứa silica không biến tính NRSiBT Đơn pha chế cao su thiên nhiên chứa silica biến tính R-2ZnO Đơn pha chế cao su thiên nhiên chứa 2pklZnO (không có chất độn) R-6ZnO Đơn pha chế cao su thiên nhiên chứa 6pklZnO (không có chất độn) R-2NanoZnO Đơn pha chế cao su thiên nhiên chứa 2pkl nano ZnO (không có chất độn) R-*2NanoZnO Đơn pha chế cao su thiên nhiên chứa 2pkl nano ZnO (có chất độn) NR/CR5 Đơn pha chế blend cao su thiên nhiên – 5 pkl cao su clopren NR/CR10 Đơn pha chế blend cao su thiên nhiên – 10 pkl cao su clopren II
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1. Các thông số chống rung của vật liệu (DMA dạng uốn ở tần số 0,2Hz) [9] ..... 17 Bảng 1. 2. Năng lượng hấp thụ riêng của cao su và thép [27] ........................................... 17 Bảng 1. 3. Hệ số tắt rung của một số loại cao su [28,31–37] ............................................. 20 Bảng 1. 4. ΔE, β và tanδ của blend ENR/CR ở 20oC và tải trọng nén 100kg [51] ............. 26 Bảng 2. 1. Thông số kỹ thuật của cao su RSS1 .................................................................... 35 Bảng 2. 2. Thông số kỹ thuật của cao su clopren CR-Baypren 110 .................................... 35 Bảng 2. 3. Thông số kỹ thuật của keo Thixon p-21 và Thixon -526 .................................... 36 Bảng 2. 4. Đơn pha chế cơ bản cho cao su chống rung ...................................................... 37 Bảng 2. 5. Các đơn pha chế cao su theo qui hoạch thực nghiệm........................................ 37 Bảng 2. 6. Đơn pha chế cao su cao thiên nhiên có và không chứa silica, silica biến tính . 38 Bảng 2. 7. Đơn pha chế cao su thiên nhiên theo ZnO......................................................... 38 Bảng 2. 8. Các đơn pha chế blend cao su thiên nhiên – cao su clopren ............................. 39 Bảng 2. 9. Đơn pha chế cơ bản tăng bám dính cao su với thép .......................................... 39 Bảng 3. 1. Chỉ tiêu kỹ thuật cho cao su chống rung ............................................................ 56 Bảng 3. 2. Tính chất cơ lý của các mẫu cao su sử dụng than N330 và N660 ..................... 56 Bảng 3. 3. Tính chất cơ lý của các mẫu cao su theo hàm lượng than N330 ....................... 58 Bảng 3. 4. Các tính chất cơ lý của mẫu cao su sử dụng hàm lượng dầu khác nhau ........... 59 Bảng 3. 5. Ma trận thí nghiệm và các kết quả thực nghiệm ................................................ 60 Bảng 3. 6. Phân tích ANOVA với thời gian lưu hóa tối ưu tc90 ........................................... 61 Bảng 3. 7. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian lưu hóa tối ưu .......................................... 62 Bảng 3. 8. Kết quả phân tích ANOVA đối với độ bền kéo ................................................... 63 Bảng 3. 9. Đóng góp các yếu tố đến độ bền kéo.................................................................. 64 Bảng 3. 10. Kết quả phân tích ANOVA đối với độ nén dư .................................................. 65 Bảng 3. 11. Đóng góp các yếu tố đến độ nén dư ................................................................. 66 Bảng 3. 12. Đơn phối liệu và tập hợp các tính chất hợp phần cao su kiểm tra .................. 68 Bảng 3. 13. Các thông số lưu hóa của các hợp phần cao su kiểm tra ................................ 68 Bảng 3. 14. Ma trận thí nghiệm và các kết quả thực nghiệm .............................................. 69 Bảng 3. 15. Đóng góp của các yếu tố đến thời gian lưu hóa tối ưu .................................... 70 Bảng 3. 16. Ảnh hưởng của các chất lưu hóa đến độ bền kéo ............................................ 71 Bảng 3. 17. Ảnh hưởng của các chất lưu hóa đến độ dãn dài khi đứt ................................ 72 Bảng 3. 18. Đơn pha chế và tập hợp các tính chất hợp phần cao su kiểm tra .................... 74 Bảng 3. 19. Các thông số lưu hóa của các hợp phần cao su kiểm tra ................................ 75 Bảng 3. 20. Các thông số đặc trưng lưu hóa của cao su thiên nhiên không và có chứa silica, silica biến tính. .................................................................................................................... 76 Bảng 3. 21. Bảng các đặc trưng lưu hóa của mẫu NR và mẫu NR có sử dụng silica không biến tính (NRSiKBT) và silica biến tính (NRSiBT) .............................................................. 77 Bảng 3. 22. Mật độ khâu mạch các mẫu NR, NRSiKBT và NRSiBT ................................... 78 Bảng 3. 23. Các tính chất cơ lý của các mẫu cao su NR, NRSiBT, NRSiKBT .................... 79 Bảng 3. 24. Các tính chất cơ lý của các mẫu NR, NRSiBT, NRSiKBT ở nhiệt độ 25oC và sau khi xử lý nhiệt ở 70oC .......................................................................................................... 80 Bảng 3. 25. Nhiệt độ đặc trưng của mẫu NR, NRSiBT, NRSiKBT ...................................... 81 Bảng 3. 26. Năng lượng hoạt hóa và các thông số lưu hóa các mẫu cao su ở 140oC ........ 83 Bảng 3. 27. Các tính chất cơ lý các mẫu cao su lưu hóa ở 140oC ...................................... 84 Bảng 3. 28. Các thông số đặc trưng lưu hóa của mẫu NR và NR-*NanoZnO .................... 85 Bảng 3. 29. Các tính chất của các mẫu cao su lưu hóa ở 145oC ........................................ 87 Bảng 3. 30. Tính chất cơ lý của các mẫu cao su đã chế tạo ............................................... 88 Bảng 3. 31. Bảng thông số lưu hóa của mẫu cao su sử dụng blend NR/CR ....................... 89 III
Bảng 3. 32. Các đặc trưng lưu hóa của mẫu blend NR/CR ................................................ 89 Bảng 3. 33. Hệ số tương tác cao su – dung môi, độ trương bão hòa và MĐKM ................ 90 Bảng 3. 34. Các tính chất cơ lý của NR và blend NR/CR ................................................... 92 Bảng 3. 35. Năng lượng mất đi theo đường cong vòng trễ các mẫu NR và blend NR/CR .. 93 Bảng 3. 36. Nhiệt độ đặc trưng của NR và blend NR / CR.................................................. 94 Bảng 3. 37. Độ dãn dài khi đứt (%) của các mẫu cao su sau thời gian xử lý nhiệt khác nhau ............................................................................................................................................. 98 Bảng 3. 38. Các giá trị biểu diễn phương trình hồi phục ứng suất của các mẫu cao su .. 101 Bảng 3. 39. Các giá trị ΔS và theo các chu kỳ ................................................................. 102 Bảng 3. 40. Các tính chất cơ lý của cao su dưới tác động của số chu kỳ khác nhau ........ 106 Bảng 3. 41. Độ bền kéo và hệ số lão hóa của các mẫu cao su trong các chế độ lão hóa khác nhau. .................................................................................................................................. 108 Bảng 3. 42. Độ bền và năng lượng hoạt hóa của NR và blends NR/CR. .......................... 109 Bảng 3. 43. ΔUT của NR và blend NR/CR sau khi chịu lão hóa nhiệt ............................... 110 Bảng 3. 44. ΔUd của NR và blend NR/CR sau khi chị lão hóa cơ ..................................... 110 Bảng 3. 45. ΔUc của NR và blend NR/CR sau khi lão hóa tổng hợp ................................. 111 Bảng 3. 46. Tương quan giữa ΔUc, ΔUT và ΔUd của NR và các blend NR/CR .................. 111 Bảng 3. 47. Độ bền kéo của mẫu NR, NR/CR5, NR/CR10 sau khi chịu các tác động của nhiệt độ và tải trọng động .......................................................................................................... 116 Bảng 3. 48. Sai số tương đối của các giá trị tính toán so với thực nghiệm ...................... 118 Bảng 3. 49. Kết quả thực nghiệm bổ sung ......................................................................... 119 Bảng 3. 50. Sai số tương đối của kết quả tính toán so với thực nghiệm bổ sung .............. 119 Bảng 3. 51. Các thông số đặc trưng chống rung của mẫu cao su R-*6ZnO và R-*2NanoZnO ........................................................................................................................................... 126 Bảng 3. 52. Ảnh hưởng của hàm lượng TMTD đến độ bền mối dán cao su thiên nhiên-thép ........................................................................................................................................... 126 Bảng 3. 53. Ảnh hưởng của hàm lượng than N330 đến độ bền mối dán........................... 127 Bảng 3. 54. Các tính chất cơ lý của các hỗn hợp cao su thiên nhiên nền ......................... 128 Bảng 3. 55. Các tính chất cơ lý của cao su có chứa oxit sắt từ và bari pherit.................. 130 Bảng 3. 56. Độ cách ly rung động của các cơ cấu chống rung theo tần số kích thích ..... 132 IV
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1. 1. Mô hình dao động một bậc tự do [4].................................................................... 4 Hình 1. 2 Mô hình dao động tự do không cản [4] ................................................................. 5 Hình 1. 3. Mô hình dao động tự do có lực cản nhớt [4] ....................................................... 6 Hình 1. 4. Ảnh hưởng của hệ số D, khi D=1 hoặc D > 1 đến biên độ dao động .................. 7 Hình 1. 5. Ảnh hưởng của hệ số D (hay  ) khi D < 1 đến biên độ dao động ....................... 7 Hình 1. 6. Hệ số khuyếch đại biên độ tĩnh [4]..................................................................... 11 Hình 1. 7. Quan hệ giữa tỷ số tần số r với các giá trị hệ số truyền qua 𝛽𝑡 ........................ 12 Hình 1. 8. Vòng trễ ứng suất- biến dạng điển hình của vật liệu [8] ................................... 13 Hình 1. 9. Một số cơ cấu chống rung giảm chấn sử dụng vật liệu cao su .......................... 16 Hình 1. 10. Cấu trúc hóa học của cao su thiên nhiên [48] ................................................. 24 Hình 1. 11. Biến dạng cao su kẹp giữa các tấm kim loại dưới tác động nén và trượt [30] 25 Hình 1. 12. Hệ số tanδ theo tần số và nhiệt độ của cao su thiên nhiên epoxy hóa lưu hóa bằng các hệ lưu hóa khác nhau [50] ................................................................................... 25 Hình 1. 13. Đường cong tanδ theo nhiệt độ của các mẫu MRE đồng nhất,đẳng hướng và các mẫu cao su thiên nhiên chứa cacbon với hàm lượng khác nhau [52]................................. 27 Hình 2. 1. Liên kết TESPT trên bề mặt silica ...................................................................... 36 Hình 2. 2. Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa ln (MH-Mt) với thời gian t [92] ............. 44 Hình 2. 3. Giao diện phần mềm ActEne4 ............................................................................ 44 Hình 2. 4. Kích thước tiêu chuẩn của mẫu cao su đo độ bền kéo ....................................... 45 Hình 2. 5. Dụng cụ đo đàn hổi nảy con lắc đơn .................................................................. 46 Hình 2. 6. Thiết bị đo mỏi động ZL3006A ........................................................................... 48 Hình 2. 7. Thiết bị phân tích nhiệt vi sai NETZCH STA 409 PC/PG .................................. 49 Hình 2. 8. Mẫu thử chuẩn và dụng cụ gá để thử lực kéo bóc (lực dính) ............................. 49 Hình 2. 9. Dụng cụ đo độ đàn hồi nảy kiểu thả rơi ............................................................. 50 Hình 2. 10. Xây dựng đường cong h = f(t) theo độ nảy ...................................................... 51 Hình 2. 11. Sơ đồ hệ thống đo rung động............................................................................ 51 Hình 2. 12. Đo đặc trưng chống rung thông qua dao động tắt dần .................................... 52 Hình 2. 13. Cơ cấu (a) và hệ thống đo tính chất rung (b) ................................................... 54 Hình 3. 1. Đường cong ứng suất- biến dạng các mẫu cao su chứa than N330,N660 ......... 57 Hình 3. 2. Đường cong ứng suất- biến dạng các mẫu cao su theo hàm lượng than N330 . 57 Hình 3. 3. Đường cong ứng suất – biến dạng các mẫu cao su theo hàm lượng dầu CPC .. 59 Hình 3. 4. Đường đồng mức tc90 theo hai yếu tố ................................................................. 62 Hình 3. 5. Đường đồng mức độ bền kéo theo hai yếu tố C và D ......................................... 64 Hình 3. 6. Đường đồng mức độ nén dư theo hai yếu tố....................................................... 65 Hình 3. 7. Vùng hàm lượng tối ưu ....................................................................................... 67 Hình 3. 8. Đường cong lưu hóa, ứng suất biến dạng của cao su kiểm tra ......................... 68 Hình 3. 9. Đường đồng mức độ bền kéo theo A và B .......................................................... 71 Hình 3. 10. Đường đồng mức dãn dài theo A và B ............................................................. 72 Hình 3. 11. Đường đồng mức độ dãn dài dư theo A và B ................................................... 73 Hình 3. 12. Đường đồng mức nén dư theo TMTD và S ....................................................... 73 Hình 3. 13. Vùng lưu hóa tối ưu .......................................................................................... 74 Hình 3. 14. Đường cong lưu hóa của mẫu cao su kiểm tra ................................................. 75 Hình 3. 15. a) Đường cong lưu hóa của mẫu NR và mẫu NR có sử dụng silica không biến tính và silica biến tính, (b) đường cong lưu hóa đã chuẩn hóa.......................................... 77 Hình 3. 16. Đồ thị độ trương theo thời gian của mẫu NR, NRSiBT, NRSiKBT .................. 78 Hình 3. 17. Liên kết của silica biến tính silan với cao su thiên nhiên [44–46] .................. 79 V
Hình 3. 18. Đường cong ứng suất – dãn dài của các mẫu NR, NRSiBT, NRSiKBT ở 25oC 80 Hình 3. 19. TG và DTG của các mẫu NR, NRSiBT, NRSiKBT ........................................... 81 Hình 3. 20. Chỉ số CRI và hằng số tốc độ phản ứng của các mẫu cao su .......................... 82 Hình 3. 21. Đường cong lưu hóa các mẫu cao su ở 140oC ................................................. 83 Hình 3. 22. Đường cong ứng suất dãn dài các mẫu cao su chứ 2pkl, 6 pkl ZnO thường và 2 pkl NanoZnO ....................................................................................................................... 84 Hình 3. 23. Đường cong lưu hóa mẫu R-*6ZnO và R-*2NanoZnO .................................... 86 Hình 3. 24. Đường cong lưu hóa các mẫu có chứa ZnO và ZnO thường ở 150 và 155oC . 86 Hình 3. 25. Đường cong ứng suất – dãn dài mẫu cao su chứa ZnO thường và nano ZnO. 87 Hình 3. 26. Tổ hợp các tính chất của các mẫu R-*2NanoZnO, R-*6ZnO và mẫu so sánh . 88 Hình 3. 27. Đồ thị trương của các mẫu cao su NR và blend NR/CR trong toluen .............. 90 Hình 3. 28. Đường cong ứng suất – dãn dài của NR và blend NR/CR ............................... 91 Hình 3. 29. Vòng trễ theo các chu kỳ của các mẫu NR và blend NR/CR ............................ 92 Hình 3. 30. Mô phỏng năng lượng mất đi theo từng chu kỳ ................................................ 92 Hình 3. 31. TG và DTG của NR và blend NR/CR ............................................................... 94 Hình 3. 32. Độ bền kéo và mật độ khâu mạch mẫu cao su NR theo thời gian xử lý nhiệt khác nhau ..................................................................................................................................... 95 Hình 3. 33. Các giai đoạn biến đổi tính chất cao su theo thời gian xử lý nhiệt .................. 96 Hình 3. 34. Sơ đồ quá trình lưu hóa cao su......................................................................... 97 Hình 3. 35. Sơ đồ quá trình hình thành và biến đổi các liên kết ngang [104] .................... 98 Hình 3. 36. Đường cong ứng suất hồi phục của các mẫu theo các thời gian xử lý nhiệt . 100 Hình 3. 37. a. Mô tả vùng hồi phục ứng suất của vật liệu cao su ..................................... 101 Hình 3. 38. Đường cong vòng trễ theo 5 chu kỳ của mẫu cao su chưa sử lý nhiệt (0h) ... 102 Hình 3. 39. Ảnh hưởng của diện tích S1, ΔE theo thời gian xử lý nhiệt ............................ 103 Hình 3. 40. Ảnh hưởng của thời gian xử lý ở nhiệt độ 70o C đến số chu kỳ chịu mỏi ở các độ dãn dài khác nhau ............................................................................................................. 105 Hình 3. 41. Đường cong ứng suất – dãn dài của các mẫu cao su theo chu kỳ tác động... 106 Hình 3. 42. Độ bền kéo, độ dãn dài, độ cứng của cao su thay đổi theo số chu kỳ ............ 107 Hình 3. 43. Ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt đến độ bền mỏi ..................................... 107 Hình 3. 44. Sự hình thành và phát triển vết nứt của cao su thiên nhiên sau khi lão hóa .. 113 Hình 3. 45 .Các vết nứt của cao su thiên nhiên không chứa silica ở các vị trí khác nhau. ........................................................................................................................................... 114 Hình 3. 46. Các vết nứt của cao su thiên nhiên có silica ở 20000 chu kỳ và khi đứt. ....... 114 Hình 3. 47. Các vết nứt của cao su thiên nhiên có silica biến tính ở các chu kỳ khác nhau ........................................................................................................................................... 115 Hình 3. 48. Sự phụ thuộc của các hệ số đặc trưng vào nhiệt độ lưu hóa .......................... 120 Hình 3. 49. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số khuếch đại và độ truyền qua ................... 121 Hình 3. 50. Sự phụ thuộc của các hệ số đặc trưng vào thời gian lưu hóa ........................ 122 Hình 3. 51. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số cản và độ truyền qua ............................... 122 Hình 3. 52. Ảnh hưởng của hàm lượng TMTD đến các đặc trưng chống rung của cao su ........................................................................................................................................... 123 Hình 3. 53. Ảnh hưởng của hàm lượng TMTD đến hệ số truyền qua T và hệ số cản  .... 123 Hình 3. 54. Ảnh hưởng của TMTD đến các đặc trưng giao động của cao su lưu hóa ở 145°C- 25 phút ............................................................................................................................... 124 Hình 3. 55. Ảnh hưởng của TMTD đến hệ số truyền qua của cao su ở 145°C,25 phút .... 125 Hình 3. 56. Mô phỏng lớp cao su tăng bám dính cao su với thép ..................................... 126 Hình 3. 57. Đồ thị kéo bóc liên kết cao su thiên nhiên – thép theo hàm lượng TMTD ..... 127 Hình 3. 58. Đồ thị kéo bóc liên kết cao su thiên nhiên – thép với ..................................... 128 Hình 3. 59. Ảnh hưởng của độ bền kéo bóc vào hàm lượng phụ gia thêm vào ................. 129 VI
Hình 3. 60. Gia tốc dao động trung bình truyền qua các cơ cấu ở các tần số kích thích và số chu kỳ khác nhau ............................................................................................................... 130 Hình 3. 61. Gia tốc trung bình của dao động truyền qua các cơ cấu ở các tần số và chu kỳ khác nhau........................................................................................................................... 131 Hình 3. 62. Gia tốc dao động theo thời gian ở các tần số và các chu kỳ khác nhau ........ 132 VII
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án: Khi vận hành các máy móc thiết bị đều sinh ra các rung động và tiếng ồn. Hầu hết các rung động này là không mong muốn, gây ra ứng suất lớn và thường gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến người và máy. Rung động không được cách ly hoặc hạn chế sẽ gây ra nhiều thiệt hại, nếu cường độ tiếng ồn vượt quá giới hạn cho phép sẽ tác hại đến con người. Vì vậy, để giảm bớt những tác hại gây ra do rung động, việc thiết kế các cơ cấu chống rung, giảm chấn là rất cần thiết. Các cơ cấu chống rung thường được chế tạo từ một hay tổ hợp các vật liệu như kim loại, ceramic hoặc polyme. Mỗi vật liệu trên đều có ưu điểm và nhược điểm nhất định. Trong đó, polyme là vật liệu có khả năng chống rung cao do có tính chất đàn hồi nhớt, nổi bật nhất là cao su. Cơ cấu chống rung thường phải làm việc trong điều kiện tải trọng và tần số dao động đa dạng. Vì vậy các vật liệu phải kết hợp với thiết kế cơ cấu nhằm tối ưu hóa hiệu quả chống rung. Vật liệu cao su gắn với kim loại trong thiết kế cơ cấu chống rung đang rất được quan tâm nghiên cứu. Cao su butyl và cao su nitril là một trong những cao su có khả năng tắt rung cao nhất còn cao su thiên nhiên ở mức thấp. Mặc dù có hệ số tắt rung thấp nhưng cao su thiên nhiên lại có khả năng kháng mỏi, tính chất cơ lý cao và bám dính tốt với kim loại nên vẫn được sử dụng rộng rãi để làm vật liệu chống rung. Cao su thiên nhiên là loại vật liệu polyme nguồn gốc từ thiên nhiên có nhiều tính chất cơ học quí báu, nhưng nhược điểm của nó là khả năng chịu thời tiết và lão hóa kém. Đã có một số nghiên cứu như : ảnh hưởng của chế độ công nghệ, hệ xúc tiến lưu hóa, phụ gia nano, tạo ra các blend với các cao su khác… đến tính chất của cao su thiên nhiên. Mặc dù vậy khả năng chống rung, chống lão hóa của cao su thiên nhiên vẫn cần phải nghiên cứu để nâng cao hơn nữa. Trên cơ sở đó, tác giả đã lựa chọn đề tài cho luận án này là ‘Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su chống rung giảm chấn trên cơ sở cao su thiên nhiên’. Mục đích và đối tượng nghiên cứu của luận án : Mục đích của luận án là chế tạo được vật liệu cao su chống rung giảm chấn trên cơ sở cao su thiên nhiên, sử dụng cho các kết cấu chống rung chịu tải trọng động. 1
Đối tuợng nghiên cứu của luận án là cao su chống rung giảm chấn trên cơ sở cao su thiên nhiên Việt Nam và blend của nó với cao su clopren. Phạm vi và các nội dung nghiên cứu chính của luận án : Luận án tập trung vào các nội dung nghiên cứu chính bao gồm : - Đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của cao su chống rung. - Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su chống rung trên cơ sở cao su thiên nhiên. - Nghiên cứu tính chất mỏi và lão hóa cao su thiên nhiên. - Nghiên cứu đặc trưng chống rung của cao su nhiên nhiên. - Thử nghiệm kết cấu chống rung. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án : 1. Góp phần xây dựng cơ sở khoa học cho việc chế tạo vật liệu cao su chống rung. 2. Từ các dữ liệu tính toán đã thiết kế được các kết cấu chống rung. Những đóng góp mới của luận án : 1. Đã xây dựng được đơn phối liệu và công nghệ chế tạo cao su chống rung trên cơ sở cao su thiên nhiên. Sử dụng phụ gia nano ZnO để tăng cường tính chất cơ lý và tính chất công nghệ. Sử dụng phụ gia sắt từ oxit, bari pherit để tăng bám dính cao su với thép. 2. Đánh giá được sự thay đổi cấu trúc cao su trong quá trình chịu lão hóa nhiệt và tải trọng động đồng thời. Trên cơ sở đó đưa ra phương trình dự đoán tính chất có độ tin cậy cao khi cao su làm việc trong các điều kiện tương tự. 3. Xây dựng được phương pháp và thiết bị đi kèm để đánh giá các đặc trưng của cao su chống rung và kết cấu chống rung như : Hệ số nhớt c, hệ số đàn hồi k, độ truyền qua T, hệ số cản... 2
1. TỔNG QUAN 1.1. Lý thuyết dao động 1.1.1. Rung động Rung động là những dao động cơ học xung quanh một vị trí cân bằng phát sinh từ các động cơ và máy móc, thiết bị trong quá trình vận hành. Rung động có thể tuần hoàn theo chu kỳ hoặc hoặc ngẫu nhiên (biên độ biến đổi theo thời gian). Có ba dạng rung động là rung động tự do, rung động cưỡng bức và rung động tắt dần. Trong thực tế, các rung động sinh ra thường gặp ở quá trình vận hành máy móc, tòa nhà, cầu, xe cộ, máy bay… Khi vận hành các máy móc thiết bị đều sinh ra các rung động và tiếng ồn. Những rung động này dưới dạng sóng cơ, thông qua các bộ phận của máy, bệ máy, kết cấu công trình, v.v… lan truyền tới các môi trường xung quanh làm cho các môi trường, vật chất xung quanh dao động theo [1]. Hầu hết các rung động này là không mong muốn, gây ra ứng suất lớn và thường gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến người và máy. Rung động và cộng hưởng có thể làm nứt, gẫy các chi tiết máy như bu lông, đai ốc, trục… Rung động không được cách ly hoặc hạn chế sẽ gây ra nhiều thiệt hại, tiếng ồn nếu cường độ vượt quá giới hạn cho phép sẽ tác hại đến con người. Các biện pháp phòng chống rung động và tiếng ồn gồm biến đổi tần số dao động riêng, phân tán năng lượng và cách ly rung động [2]. 1.1.2. Lý thuyết dao động 1.1.2.1. Dao động của hệ một bậc tự do [3,4] 1.1.2.1.1. Mô hình của hệ dao động một bậc tự do Hệ cơ học mà vị trí của vật trong không gian có thể xác định bằng một tọa độ suy rộng duy nhất gọi là hệ một bậc tự do. Hệ gồm một vật có khối lượng m, trọng tâm G đặt trên một lò xo có độ cứng k và một giảm chấn có hệ số nhớt c, lực kích thích dao động là F [3]. Lò xo: Khi lò xo bị nén hoặc dãn ra sẽ phát sinh lực có xu hướng đưa vật về vị trí cũ. Giảm chấn: Đại diện cho các liên kết tiêu hao năng lượng làm giảm dao động như các loại giảm chấn ma sát, giảm chấn thủy lực. Lực kích thích: lực gây nên dao động, có thể tác dụng khác nhau: 3
- Kích thích một lần: Lực kích thích F chỉ xuất hiện một lần duy nhất làm cho vật dao động và sau đó vật tự dao động mà không có sự tham gia của lực kích thích. Dao động này gọi là dao động tự do. - Kích thích liên tục: Theo qui luật nhất định và tạo cho vật những dao động cưỡng bức. Nếu lực kích thích thay đổi theo hình sin thì là dao động điều hòa: F = F0 cos(ωt + φ) (1.1) Với ω: vận tốc góc, rad/s; φ: góc lệch pha, rad 1.1.2.1.2. Phương trình dao động của hệ dao động một bậc tự do Phương trình dao động (PTDĐ) được xây dựng dựa trên cân bằng lực. Vật có khối lượng m trong mô hình một bậc tự do đơn giản nhất như Hình 1. 1 với các đặc tính của lò xo và giảm chấn đều là tuyến tính: Hình 1. 1. Mô hình dao động một bậc tự do [4] - Hệ số cản của giảm chấn : c [Ns/m] = const. - Lò xo có độ cứng : k [N/m] = const. - m : khối lượng của vật [kg]. - x : Tọa độ của vật theo phương chuyển động ở thời điểm t, x = 0 :Vị trí cân bằng tĩnh ở thời điểm t=0 PTDĐ có dạng : m ẍ + c ẋ + k x = F (1.2) PTDĐ là một phương trình vi phân tuyến tính cấp 2 không thuần nhất có hệ số hằng số. Nghiệm của phương trình này x= x(t) thể hiện qui luật dao động. - Nghiệm tổng quát của phương trình vi phân thuần nhất có vế phải bằng không (F = 0) biểu diễn dao động tự do. - Nghiệm riêng của phương trình vi phân không thuần nhất có vế phải khác không (F  0), biểu diễn dao động cưỡng bức. 4
1.1.2.2. Dao động tự do không cản 1.1.2.2.1. Mô hình tự do không cản Mô hình dao động tự do không cản của hệ một bậc tự do là một vật có khối lượng m đặt trên một lò xo có độ cứng k (Hình 1. 2). Hình 1. 2 Mô hình dao động tự do không cản [4] 1.1.2.2.2. Phương trình dao động tự do không có lực cản Phương trình cân bằng lực và cũng là PTDĐ của hệ: d2 x m + kx = 0 (1.3a) dt2 Hay mẍ + kx = 0 (1.3b) Nghiệm của phương trình (1.3a) có dạng: x = Aeλt (1.4) Đạo hàm của nó là: ẋ = λAeλt = λx (1.5a) ẍ = λ2 Aeλt = λ2 x (1.5b) Thay vào phương trình (1.3) ta được: (mλ2 + k)Aeλt = 0 Vì x = Aeλt khác không nên ta có: mλ2 + k = 0 (1.6) Phương trình (1.6) gọi là phương trình đặc trưng của hệ. Nghiệm của nó là: k λ1,2 = ±j√ = ±jβ0 (1.7) m k β0 = √ gọi là tần số vòng của dao động tự do không cản (1.8) m Vì vậy, theo (1.4), nghiệm của phương trình (1.3a) là: x = A1 eλ1t + A2 eλ2t (1.9) 5
1.1.2.3. Dao động tự do có cản của hệ một bậc tự do Khi trong hệ có lực cản, làm tiêu hao năng lượng và làm cho biên độ dao động tắt dx dần. Lực cản nhớt tỷ lệ tuyến tính với tốc độ : F = c = cẋ (1.10) dt Với hệ số nhớt của giảm chấn c là hằng số. Hình 1. 3. Mô hình dao động tự do có lực cản nhớt [4] 1.1.2.3.1. Mô hình và phương trình dao động Mô hình hệ dao động tự do có lực cản như Hình 1. 3, phương trình dao động là: d2 x dx m +c + kx = 0 (1.11a) dt2 dt Hay mẍ + cẋ + kx = 0 (1.11b) 1.1.2.3.2. Dạng và các thông số của dao động Nghiệm của phương trình (1.11a) có dạng: x = Aeλt (1.4) Các đạo hàm có dạng: ẋ = λAeλt = λx (1.5a) ẍ = λ2 Aeλt = λ2 x (1.5b) Thay vào phương trình (1-11b) có: (mλ2 + cλ + k). x = 0 mλ2 + cλ + k = 0 (1.12) gọi là phương trình đặc trưng và nghiệm của nó là: c −c 2 k λ1,2 = − ± √( ) − 1.13) 2m 2m m α 2 λ1,2 = α ± √α2 − β0 2 = α ± β0 √( ) − 1 = α ± β0 √D2 − 1 β0 c Trong đó: α= − là chỉ số mũ của biến dạng dao động (1.14) 2m k β0 = √ gọi là tần số vòng dao động tự do không cản (1.15) m 6
−α c D= = là hệ số cản tương đối Lehr của dao động (1.16) β0 2√km Các nghiệm của phương trình đặc trưng phụ thuộc vào trị số của D là đại lượng không thứ nguyên phụ thuộc hệ số nhớt c của các giảm chấn do đó gọi là hệ số cản tương đối Lehr của dao động. Một số tài liệu ký hiệu  (damping factor) thay cho D. Nếu D > 1 biểu thức dưới căn trong nghiệm (1.13) dương, phương trình có 2 nghiệm riêng biệt. Trong trường hợp này hệ có sức cản lớn, dao động sẽ tắt khi chưa thực hiện được một chu kỳ như trong Hình 1. 4. Hình 1. 4. Ảnh hưởng của hệ số D, khi D=1 hoặc D > 1 đến biên độ dao động - Nếu D < 1 biểu thức dưới căn trong nghiệm (1.13) âm, phương trình có 2 nghiệm phức liên hợp. λ1,2 = α ± jβ0 √1 − D2 = α ± jβ (1.17) β = β0 √1 − D2 là tần số vòng dao động tự do có lực cản (1.18) Trong trường hợp này sức cản nhỏ nên dao động thực hiện được một số chu kỳ rồi tắt dần như trong Hình 1. 5. Hình 1. 5. Ảnh hưởng của hệ số D (hay  ) khi D < 1 đến biên độ dao động Nghiệm của phương trình (1.11a) biểu diễn dao động tự do có lực cản là: 7
x = A1 eλ1t + A2 eλ2t (1.19) = eαt (A1 ejβt + A2 e−jβt ) Trong đó: A1, A2 là các hằng số phụ thuộc điều kiện đầu. Biến đổi phần trong ngoặc, được công thức nghiệm khi dao động tự do có cản: x = eαt (A cos βt + jβ sin βt) (1.20) = eαt √A2 + B2 ej(βt+φ) = eαt Z0 Công thức nghiệm (1-20) khi biết điều kiện đầu: Vt0 2 Vt0 x = eαt √xt0 2 + cos(βt + arctg ) (1.21) β2 βxt0 Như vậy, dao động tự do trong trường hợp có sức cản nhớt là một dao động họ hình sin với: Vt0 2 eαt x0 = eαt √A2 + B2 = eαt √xt0 2 + (1.22) β2 Tần số vòng phụ thuộc vào hệ số cản tương đối D tính theo (1.16) β = β0 √D2 − 1 1.1.2.4. Ảnh hưởng của lực cản đến biên độ và tần số dao động tự do * Ảnh hưởng của lực cản đến biên độ dao động Từ công thức (1.19) biên độ của dao động có cản thay đổi theo hàm số eαt mà chỉ −c số α = lại phụ thuộc vào hằng số c. Tùy theo trị số của α, có 3 trường hợp xảy 2m ra: • α = 0: Dao động điều hòa • Trường hợp α >0 hệ dao động không cản. • α < 0: Dao động tắt dần: Trong hệ có giảm chấn với hệ số cản nhỏ. Tham số eαt giảm theo thời gian và do đó biên độ dao động cũng giảm theo thời gian. Đó là dao động tắt dần. Khi đó: Phương trình dao động có dạng : x = eαt x0 ej(βt+θ) (1.24) Tần số vòng tính theo (1-16): β = β0 √1 − D2 (1.25) β β0 Tần số: f = = = f0 √1 − D2 (1.26) 2π 2π 8
2π 2π T0 Chu kỳ: T = = = (1.27) β β0 .√1−D2 √1−D2 Biên độ giảm theo thời gian tính theo (1.22) αt Vto 2 e √A2 + B2 = √xt0 2 + ( ) (1.28) β * Ảnh hưởng của lực cản tới biên độ của dao động tắt dần: Xét 2 biên độ kề nhau của một dao động tắt dần: Tại thời điểm t1: x01 = eαt √A2 − B2 (1.29) 2π Sau đó 1 chu kỳ, tại thời điểm t 2 = t1 + T = t1 + β x02 = eα(t+T) √A2 − B 2 (1.30) k2π k2π x01 −λt Tỷ số hai biên độ liền kề: = e =e 2mβ =e 2πλ (1.31) x02 là đại lượng không phụ thuộc vào thời gian, nghĩa là cứ sau một chu kỳ biên độ sẽ giảm đi một lượng nhất định. x1 cπ δ = αT = ln = (1.32) x2 mβ Gọi  là độ giảm loga hay tắt loga của biên độ. Trong thực tế người ta thường đo độ giảm biên độ sau n chu kỳ và tính được: xα1 eαt = = e−αnT (1.33) xαn eα(t+nT) 1 xt Từ đó có: δ = αT = ln (1.34) n xt+nT 1.1.2.5. Dao động cưỡng bức của hệ một bậc tự do 1.1.2.5.1. Mô hình và phương trình dao động Dao động cưỡng bức là dao động dưới tác dụng của lực kích thích bên ngoài. Mô hình dao động như Hình 1. 3, phương trình dao động của nó như đã nói ở trên là phương trình vi phân cấp 2 không thuần nhất dạng (1.35) : mẍ + cẋ + kx = F0 cos(Ωt + θ) (1.35) Với Ω: Vận tốc góc, rad/s; θ: góc lệch pha, rad 9