Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su silicon có khả năng thay đổi màu sắc bởi tác nhân nhiệt

TÓM TẮT:

Ngày nay, cao su không chỉ được sử dụng trong các sản phẩm công nghệ mà còn được sử dụng trong các sản phẩm gia dụng. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chế tạo cao su thay đổi màu sắc thể hiện sự thay đổi màu sắc dưới nhiệt độ môi trường. Chúng tôi đã đánh giá ảnh hưởng của chất sắc tố nhiệt đến các tính chất cơ lý của vật liệu cũng như các đặc tính thay đổi màu sắc của sản phẩm. Chúng tôi đã khảo sát chất sắc tố nhiệt phản ứng ở 45^oC với các hàm lượng khác nhau bao gồm 0%, 1% và 1,5% trọng lượng trong hợp chất cao su. Kết quả chỉ ra rằng, hợp chất cao su sử dụng 1% trọng lượng của chất sắc tố nhiệt tạo ra đặc tính thay đổi màu sắc mới lạ của hợp chất cao su và không làm giảm tính chất cơ học của vật liệu. Ngoài ra, tính ổn định thay đổi màu sắc của hợp chất duy trì trong hơn 100 chu kỳ.

Từ khóa: hợp chất cao su, vật liệu, cao su silicon, thay đổi màu sắc, nhiệt độ.

1. Giới thiệu

Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu con người ngày càng cao, không dừng ở “cơm no, áo ấm” mà lúc này là “cơm ngon, mặc đẹp”. Những hành vi sử dụng những phương tiện vật chất phục vụ cuộc sống ngày càng hướng tới tính tiện lợi và thông minh như các thiết bị tự động hóa, robot, ngôi nhà thông minh, những vật liệu thông minh,… Nhất là những vật liệu thông minh thì được quan tâm khá nhiều, nhờ những tính chất thông minh thông qua các cơ chế tự nhiên và đáp ứng được các nhu cầu cần thiết của con người. Một trong những loại được đề cập ở đây là vật liệu thay đổi màu dưới tác dụng nhiệt.

Cho đến nay, hiệu ứng nhiệt sắc đã được nghiên cứu trong các vật liệu khác nhau. Ví dụ, M Rubacha đã đưa sắc tố nhiệt đối xạ 1-10 wt% vào sợi xenlulo thu được từ quá trình kéo sợi [1]. Các sợi biến tính như vậy không chỉ giữ được đầy đủ các tính chất cơ học mà còn thể hiện sự thay đổi màu sắc mạnh mẽ khi nhiệt độ đạt trên 32.7^oC - 32.9^oC. Y Shibahashi và cộng sự đã phủ một lớp nhiệt sắc lên trên móng tay giả [2]. Móng tay nhân tạo được xây dựng như vậy hiển thị sự thay đổi màu sắc bên ngoài có thể nhìn thấy được để phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ khi độ dày của lớp nhiệt sắc ít nhất là 1 μm. Những hiệu ứng nhiệt sắc này có tiềm năng được áp dụng trong nhiều ứng dụng thực tế. Vì vậy, nghiên cứu này không chỉ đơn thuần trong việc chế tạo các sản phẩm cao su đổi màu mà nó còn cung cấp cho con người khả năng cảnh báo nhiệt an toàn và còn góp phần phát triển ngành sản xuất cao su.

Những ứng dụng của loại vật liệu này vô cùng hấp dẫn và tiềm năng cho những nhu cầu thiết thực hơn trong cuộc sống. Chỉ với tác nhân nhiệt đã làm cho màu sắc vật liệu thay đổi, mang nhiều tiềm năng ứng dụng như các đồ dùng mỹ nghệ, trang trí, đặc biệt là cảnh báo nhiệt độ cao. Theo thống kê của tổ chức bỏng trên thế giới, vấn đề đã đặt ra những tiềm năng ứng dụng từ loại vật liệu này nhằm khắc phục những tai nạn đáng tiếc gây ra do bỏng nhiệt.

Sự xuất hiện vật liệu thay đổi màu sắc dưới tác dụng của nhiệt đã phổ biến trên nền nhựa, sơn, mực in,… Với cao su là nghiên cứu còn mới mẻ, hướng tới những tính chất ưu việt của cao su như đàn hồi, dẻo dai. Vì vậy, đề tài này chúng tôi sẽ “Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su Silicone thay đổi màu sắc bởi tác nhân nhiệt độ”, nhằm hướng tới những ứng dụng tuyệt vời từ tính chất ưu việt đặc trưng của cao su.

2. Nguyên liệu và phương pháp

2.1. Nguyên liệu

Những nguyên liệu chính sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm: cao su silicone (cao su silicone2870U, silicone 2830U) [3], chất nối mạng peroxide và bột màu biến đổi nhiệt. Trong đó, chất nối mạng được dùng là C8A từ nhà sản xuất Shin-Etsu hay có tên gọi khác là Trigonox® 101-45S-ps của nhà sản xuất AkzoNobel, có tên hóa học là 2,5-Dimethyl-2,5-di(tert-butylperoxy)hexan hàm lượng 45% peroxide [4,5], bột màu biến đổi nhiệt có tên thương mại Thermochromic pigment được một số hãng sản xuất điển hình như Hali. Tất cả hóa chất dùng trực tiếp không xử lí lại. Công thức của hợp chất cao su được trình bày trong Bảng 1.

Bảng 1. Đơn pha chế của hợp chất cao su thay đổi màu sắc

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

2.2. Phương pháp

2.2.1. Phương pháp điều chế cao su silicone thay đổi màu sắc

Hai loại cao su silicone được cân khối lượng theo đơn pha chế và cán luyện trên máy cán hai trục, lần lượt cho bột sắc tố nhiệt vào hỗn hợp sau khi 2 loại cao su được trộn đều. Tiếp tục cho xúc tác K-C8, cán, cắt đảo liên tục cho hỗn hợp đồng đều nhất rồi cán đảo đầu 6 lần và mẫu được xuất tấm có bề dày khoảng 2 mm. Ổn định mẫu 1-24 giờ trước khi chuyển qua công đoạn tiếp theo. Xác định thời gian lưu hóa T₁₀và T₉₀ trên máy Rheometer cho mẫu cao su ở đơn pha chế vừa cán trộn theo tiêu chuẩn ASTM D2084:2001.

Mẫu sau khi cán xong sẽ được ổn định, ta tiến hành ép mẫu trên máy ép lưu hóa, mẫu được lưu trong khoảng 1- 24h trước khi đem cắt mẫu đo cơ tính và xử lí mẫu. Công thức tính mức độ lưu hóa của hợp chất cao su được trình bày như sau:

Phương trình (1) cho thấy mức độ lưu hóa của các hợp chất cao su (M_lh) được xác định thông qua thời gian trước khi lưu hóa (T₁₀) và thời gian lưu hóa tối ưu (T₉₀).

2.2.2. Đặc điểm cơ học và hình thái

Các mẫu quả tạ có độ dày 2 mm được ép nóng trên khuôn đúc (ASTM D412:2004). Mẫu sau khi ép được ổn định thời gian ít nhất 24h ở nhiệt độ phòng trước khi đo. Các mẫu này được đánh giá ở tốc độ biến dạng 500 mm/phút. Kết quả đánh giá dựa trên số liệu trung bình của 5 lần thử nghiệm mẫu. Các thử nghiệm được thực hiện trên thiết bị đo M350-10CT ở nhiệt độ phòng. Bên cạnh đó, mẫu thử còn được đánh giá độ kháng nứt (ASTM D430:2004) và độ kháng mài mòn Akron (ASTM D1630-16).

Các mẫu có kích thước 5×10×2 mm được chuẩn bị để phân tích sự thay đổi màu sắc. Tính chất thay đổi màu sắc của các hợp chất cao su với hàm lượng sắc tố khác nhau (0.5-2% khối lượng) được khảo sát ở nhiệt độ trên và dưới 45^oC.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Ảnh hưởng của bột sắc tố nhiệt đến thời gian lưu hóa của hợp chất cao su silicon

Thời gian lưu hóa của cao su được xác định bởi máy Rhéometer, như Hình 1.

Hình 1: Đường cong lưu hóa cao su cho 3 đơn pha chế:

SI.0TP, SI.1TP và SI.1.5TP

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Trong giản đồ lưu hóa cao su, nhận thấy rằng, đơn pha chế sử dụng bột sắc tố nhiệt (SI.1TP) có thời gian lưu hóa tối ưu tai T90 là 21.1 phút, (SI.1.5TP) có thời gian lưu hóa tối ưu tai T90 là 17.75 phút và đơn pha chế không sử dụng bột sắc tố nhiệt (SI.0TP) có thời gian lưu hóa tối ưu tai T90 là 21.87 phút. Đặc tính lưu biến của các hợp chất cao su được đặc trưng qua các đường cong lưu hóa được thể hiện trong Hình 1, có thể thấy rằng sự có mặt của sắc tố nhiệt sắc không ảnh hưởng đến các đặc tính lưu biến của các hợp chất cao su [6]. Đặc biệt, cả ba hợp chất cao su đều có mâm lưu hóa rộng, cho thấy khả năng chịu nhiệt tốt. Điều này có ý nghĩa cực kỳ quan trọng cho việc ứng dụng các hợp chất cao su trong thực tế[7].

3.2. Ảnh hưởng của bột sắc tố nhiệt đến tính chất cơ lý của sản phẩm cao su silicon

Khảo sát ảnh hưởng của bột sắc tố nhiệt đến các tính chất cơ lý thông dụng của vật liệu. Mẫu vật liệu tạo thành được đo một số tính chất cơ lý trong cùng một điều kiện [8]. Những kết quả thu được thể hiện trong Bảng 2.

Bảng 2. Kết quả tính chất cơ lý của các đơn pha chế cao su

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Hình 2 trình bày giản đồ cơ tính của 3 đơn pha chế cao su sau khi lưu hóa. Nhận thấy rằng, đơn SI.0TP có độ bền kéo đứt cao hơn đơn SI.1TP. Độ bền xé rách và khối lượng riêng của hai đơn này gần tương đương nhau. Tuy nhiên, độ biến dạng dài khi đứt và độ kháng mài mòn của đơn SCS.1TP tốt hơn nhiều so với đơn SI.0TP, điều này có thể được giải thích rằng bột sắc tố nhiệt có khả năng phân tán tốt trong nền cao su, vì vậy việc cho bột sắc tố nhiệt vào hợp chất sẽ không làm ảnh nhiều cơ tính của sản phẩm.

Hình 2: Đánh giá cơ tính đơn SI.0TP và SI.1TP

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Bên cạnh đó, việc khảo sát độ bền uốn gấp và tốc độ phát triển vết nứt là một thông số cơ tính quan trọng trong sản phẩm cao su, vì vậy chúng tôi đánh giá số lượng vết nứt với mẫu không cắt dựa trên tiêu chuẩn ASTM-D430:2004. Nhận thấy rằng, số lượng vết nứt và tốc độ phát triển vết nứt thì đơn SI.1TP cho kết quả độ kháng nứt tốt hơn đơn SI.0TP. Đơn SI.0TP số lượng vết nứt xuất hiện 1 vết ở 1500 chu kỳ uốn gấp, còn đơn SI.1TP xuất hiện 1 vết nứt ở 2000 chu kỳ, như trình bày trong Hình 3.

Hình 3: Đánh giá số lượng vết nứt của đơn pha chế SI.0TP và SI.1TP

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Theo dõi sự phát triển vết nứt với mẫu được cắt bởi dao cắt hình quả trám theo tiêu chuẩn ASTM - D813:2004. Dựa vào kết quả, ta nhận thấy tốc độ phát triển vết nứt đơn SI.0TP nhanh hơn đơn SI.1TP được trình bày Hình 4.

Hình 4: Tốc độ phát triển vết nứt đơn SI.0TP và SI.1TP

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

3.3. Khảo sát khả năng thay đổi màu sắc của sản phẩm cao su silicon

Thực hiện thí nghiệm khảo sát tần suất thay đổi màu ở các mốc nhiệt độ 45^oC, 75^oC và 100^oC. Kết quả nhận thấy rằng mẫu vẫn bền màu sau hơn 100 chu kỳ thử nghiệm. Điều này cho thấy cấu trúc micro capsule bền vững bảo vệ che chắn những thành phần hữu cơ của hạt thermochromic pigment, để nó ổn định làm cho sự lặp màu vẫn diễn ra một cách bình thường [9], được thể hiện trong Bảng 2.

Bảng 2. Kết quả khảo sát độ bền màu ở các khoảng nhiệt độ khác nhau

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Cao su silicone sử dụng bột sắc tố nhiệt bắt đầu chuyển màu ở khoảng 38^oC, và tại nhiệt độ 45^oC thì sự chuyển màu thể hiện rõ ràng nhất [10], thể hiện tại Hình 5.

Hình 5: Sự thay đổi màu sắc của mẫu thử tại các nhiệt độ khác nhau

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Sản phẩm đế ly cao su silicone thay đổi màu sắc được ép gia công trong khuôn thép có bề mặt quan láng đẹp, không bị khuyết tật sản phẩm, sản phẩm điền đầy khuôn và đúng theo kích thước thiết kế. Hình 6 trình bày về sản phẩm thực tế của đế ly cao su sau khi hoàn thiện. Một sản phẩm ly cao su được gia công và thí nghiệm sự thay đổi màu sắc của ly trước và sau khi đựng nước nóng được thể hiện ở Hình 6.

Hình 6: Sản phẩm đế ly (a) Nhiệt độ nóng, (b) Nhiệt độ thường,

(c) Nhiệt độ lạnh

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

4. Kết luận

Nghiên cứu này đã thành công trong việc đưa bột sắc tố nhiệt vào sản phẩm cao su silicon. Hàm lượng 1 phr bột sắc tố nhiệt sử dụng trong đơn pha chế cao su là tối ưu để tạo ra sản phẩm cao si silicon có khả năng thay đổi màu sắc dưới tác dụng của nhiệt độ.

Kết quả nhận thấy rằng, việc đưa bột sắc tố nhiệt vào hợp chất cao su không gây ảnh hưởng đến các tính chất cơ lý đặc trưng của sản phẩm. Bên cạnh đó, bột sắc tố nhiệt không làm ảnh hưởng tới tính chất lưu biến trong quá trình lưu hóa. Sản phẩm cao su silicon chứa bột sắc tố nhiệt có khả năng bền màu rất tốt, điều này có nghĩa rất quan trọng trong việc ứng dụng thực tế của sản phẩm

Lời cám ơn:

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong khuôn khổ đề tài mã số: T-PTN-2020-81.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

Rubacha et al (2007). Thermochromic cellulose fibers. Polymers for Advanced Technologies, 18(4), 323-328.
Shibahashi et al (1990). Thermochromic Artificial Nail, US Patent no 4,920,991. Pilot Ink Co Ltd, Japan.
André Colas. (2005). Silicones: Preparation, Properties and Performance. Retrieved from: https://www.semanticscholar.org/paper/Silicones-%3A-Preparation-%2C-Properties-and-Colas/24bc428253b21025506903f51793be14e4f060fc.
Sahakaro, N. Naskar, R.N. Datta, J.W.M. Noordermeer (2008). Reactive blending, reinforcement and curing of NR/BR/EPDM compounds for tyre sidewall applications. International Polymer Science and Technology, 35(4), 163-176.
K. Robert. (2008). Handbook of Specialty Elastomers. USA: CRC Press.
Do Thanh Thanh Son. (2005). Rubber Experiment Guide. Ho Chi Minh City: Publishing National University of Ho Chi Minh City.
Simpson R. B. (2002). Rubber Basics. UK: Rapra Technology Limited.
Seeboth A., Klukowska A., Ruhmann R. and Lotzsch D. (2007). Thermochromic Polymer Materials. Chinese Journal of Polymer Science, 25, 123-135.
Glover, Leon C., and Eugene F. Lopez. (1978). Thermochromic Paint for Use on Plastic Substrates. U.S. Patent No. 4,105, 583. 8 Aug. 1978.
Hali Industrial Co. (2010). Material Safety Data Sheet, Thermochromic Pigments. US: QCR Solutions Corp.

A STUDY ON THE FABRICATION OF THERMOCHROMIC RUBBER CHANGING COLOR UNDER AMBIENT TEMPERATURE

NGUYEN QUOC VIET ¹

TRAN TAN DAT ²

NGUYEN HOANG QUANG DAT ³

TA DANG KHOA ³

¹National Key Lab for Polymer & Composite

Ho Chi Minh City University of Technology,

Vietnam National University – Ho Chi Minh City

²Division of Polymer Materials Engineering

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology, Vietnam National University – Ho Chi Minh City

³Division of Process and Equipments

Faculty of Chemical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology, Vietnam National University – Ho Chi Minh City

ABSTRACT:

Nowadays, rubber is not only used in technological products but also in household products. In this study, we fabricated thermochromic rubber which exhibits color changes under ambient temperature. We evaluated the effects of thermochromic pigment and silica filler content for the mechanical properties of materials as well as color-changing properties. We evaluated the contents of thermal chromic pigment reacting at 45^oC with different including 0 wt.%, 1 wt.%, and 1.5 wt.% in the rubber compound. The results indicate that the rubber compound using 1 wt.% of thermochromic pigment created the novel color-changing property of the rubber compound and did not reduce the mechanical properties of the material. Furthermore, the color-changing stability of the compound maintains for over 100 cycles.

Keywords: silicon rubber, rubber materials, thermochromic pigment, temperature.