Cao su tự nhiên là gì? Lịch sử phát triển, đặc điểm và ứng dụng trong sản xuất

Cao su thiên nhiên là vật liệu có đặc tính đàn hồi, bền dẻo được sản xuất từ mủ cao su latex. Công thức phân tử của cao su là (C5H8)n hay còn gọi là hỗn hợp polymer isporene gồm mạch carbon dài và chia thành nhiều nhánh. Các mạch xoắn lại và móc lẫn nhau tương tự hình cái móc. Thay vì đứt gãy khi kéo dãn, các mạch này có xu hướng co lại về hình dạng ban đầu.

Nhờ vào đặc tính đàn hồi ưu việt, cao su thiên nhiên được ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất công nghiệp. Châu Á dẫn đầu các nước trên thế giới về nhu cầu tiêu thụ cao su với 69,7% tổng thị phần. Theo sau là các nước châu Âu và Bắc Mỹ.

Lịch sử phát triển

Cao su thiên nhiên được người dân Bắc Mỹ phát hiện ra vào khoảng thế kỷ 16. Nó có dạng lỏng màu trắng đục như sữa sẽ lên men và cô đặc sau một thời gian nên được gọi là cao su khô. Cấu trúc này khó có thể sử dụng vào việc những việc đòi hỏi sự linh động để thay đổi hình dáng theo đồ vật mong muốn. Vì vậy, cao su lúc bấy giờ gần nhưng không thể xuất khẩu hay tiêu thụ ở bên ngoài. Tiếp sau đó, phương pháp sử dụng latex tươi bằng cách hòa tan cao su khô với chất lỏng. Dung dịch lỏng này có thể được dùng để tráng, phết, nhúng đồ vật. Tuy nhiên, tiến bộ này không giúp ích quá nhiều cho ngành sản xuất cao su.

Thời kỳ chế biến cao su từ dung dịch kéo dài tới tận khi nhà khoa học Thomas Hancock, người Anh khám phá ra kỹ thuật nghiền hay cán dẻo chúng từ những quan sát năm 1819. Ông đã giữ bí mật này trong nhiều năm sau đó.

Khi thực hiện các thí nghiệm về đặc tính cao su, Hancock nhận thấy cao su sau khi cắt vụn ra có thể bóp vắt, dính liền lại. Ý tưởng về lực nén ép giúp đắp nối các mảnh cao su xé vụn bắt đầu hình thành với mong muốn điều chỉnh kích thước vật dụng theo mong muốn. Chiếc máy Pickle ra đời không chỉ giúp ông chuyển cao su bột trở thành khối nhẽo, dẻo, dễ định hình mà còn gia giảm thêm được chất độn với tỷ lệ lớn. Điều này sẽ giúp đồ vật được cứng hơn, tối ưu hóa tính năng, giảm giá thành.

Mặt khác, công trình này cũng gặp phải những trở ngại lớn như biến đổi tính chất dưới nhiệt độ và ánh sáng, thời hạn sử dụng ngắn,… Những nỗ lực nhằm cải thiện chất liệu được tiến hành liên tục. Vào năm 1831, nhà nghiên cứu Hoa Kỳ, Charles Goodyear đã tìm ra chất làm khô loại nhựa chảy đó và tác dụng thần kỳ của lưu huỳnh. Chỉ cần trộn nó với cao su rồi đem xử lý ở nhiệt độ cao đủ khiến lưu huỳnh nóng chảy, các đặc tính cơ học cùng khả năng chịu nhiệt, thời gian sử dụng của cao su sẽ được nâng cao gấp nhiều lần. Quá trình này được gọi là lưu hóa cao su thiên nhiên. Thực chất, đã có nhiều người đưa ra ý tưởng này nhưng không chứng minh được tác dụng thực sự của lưu huỳnh.

Dựa trên kỹ thuật nghiền dẻo hóa của Hancocl và lưu hóa cao su của Goodyear, công nghệ sản xuất cao su thiên nhiên đã được thúc đẩy mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều. Đi kèm với nó là sự ra đời của các đồn điền, xuất khẩu sản phẩm, bành trướng thế lực, xâm chiếm thuộc địa để tìm kiếm nguồn lao động giá rẻ, mở rộng thị trường tiêu thụ. Các khám phá trong ngành công nghiệp cao su tiếp tục được ra đời như chất xúc tác lưu hóa, chất độn tăng cường lực, chất chống lão hóa,…

Quy trình sản xuất

Thu hoạch mủ cao su latex

Phương pháp sử dụng phổ biến để thu hoạch mủ cao su thiên nhiên là cạo mủ. Người ta sẽ cạo một đường rãnh trên thân cây nhằm cắt đứt mạch latex để tiết ra chất lỏng màu trắng. Kỹ thuật này rất phù hợp với dòng cao su có độ nhớt thấp, mạch phân nhánh có khả năng tái tạo nhựa nhanh chóng. Thời gian thu hoạch có thể kéo dài tới 10 tháng.

Để thực hiện, người ta sẽ cạo xiên theo đường xoắn ốc nửa chu vi thân khi cây đã đủ trường thành. Độ dốc vết cắt khoảng 30 độ so với mặt nằm ngang. Một cái chén, cốc bằng đất tráng men, thủy tinh hoặc chiếc xô nhỏ được đặt dưới rãnh chảy. Chúng thường có độ bền cao, dễ lau chùi.

Số lượt cạo giữa các lần phụ thuộc vào tuổi đời của cây. Thông thường, đợt cao mủ cao su thường là 3 ngày/1 lần, cạo 1/3 vòng 2 ngày 1 lần hoặc ngưng cạo hẳn. Với những cây già, khoảng cách giữa các đợt sẽ ngắn hơn và tăng số lần cạo để chuẩn bị cho việc đốn đi trồng lại.

Phương pháp này có thể được điều chỉnh linh hoạt theo từng loại cây trồng. Đối với cây cao su Guayule, cao su latex được hớt trên bề mặt sau khi được hái nguyên cành, cắt khúc và nghiền nát. Cao su ở cây Kok-saghyz được chiết xuất từ rễ cây. Nhìn chung, các phương pháp này thường khá tốn kém, sản lượng không cao và thời gian thu hoạch ngắn.

Xử lý nguyên liệu

Mủ cao su sau khi được tiếp nhận sẽ được kiểm tra và phân loại bằng mủ cảm quang. Chúng được đưa vào kho chứa mủ được làm bằng nền xi măng. Nơi cất giữ cần đạt tiêu chuẩn về các điều kiện vật lý như thoáng khí, sạch sẽ, nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm,… để không ảnh hưởng tới chất lượng chung của cao su. Khu vực cất trữ cao su cũng cần phân cách với các khu vực khác như hóa chất, chất phụ gia,… Tiếp đến, mủ được phân loại và trộn đều.

Cắt xẻ cao su

Sau khi được tháo rỡ kiện hàng, mủ cao su được đưa lên băng tải và phân tách thành các khối mủ. Việc giảm kích thước của chúng sẽ giúp tách bỏ tạp chất dễ dàng hơn. Các mảnh này cần đạt từ 5-15kg mới vừa với máy nhồi cán được. Khối mủ được tiếp tục cho vào hồ quật để trộn rửa và mang đi cán dẹp.

Bước cuối cùng của công đoạn này, người ta sẽ chuyển mủ cao su vào máy băm liên hợp để phân nhỏ chúng thành dạng cốm tơi xốp.

Hóa dẻo cao su

Lúc này, cao su cần trải qua 4 bước xử lý bao gồm oxy hóa tự nhiệt, nhiệt, hóa và cơ. Bằng cách nhồi trộn cùng cách hóa chất cần thiết, cao su dai sẽ được chuyển thành thể dẻo mềm.

Sau khi được xếp vào thùng sấy theo đúng khối lượng, cao su sẽ được đưa vào sấy nóng ở nhiệt độ 150-200 độ C dưới áp suất bình thường trong khoảng 24 giờ. Do thiết kế liên tục, khâu hóa dẻo được thực hiện theo dây chuyền với lưu lượng hàng tấn 1 giờ. Người đứng máy cần theo dõi công việc để đảm bảo tiến độ đều đặn, chất lượng đồng nhất, điều chỉnh và xử lý kịp thời các vấn đề xảy ra.

Cân đong

Khâu cân đong có ảnh hưởng trực tiếp tới quy trình chế biến và chất lượng sản phẩm sau đó. Công đoạn này bao gồm các bước:

• Kiểm tra và sắp xếp dụng cụ, phương tiện cần thiết.
• Thực hiện đầy đủ các qui định ghi ở công thức xưởng.
• Cân đong lần lượt từng chất theo đúng công thức.
• Trừ bớt khối lượng bao bì, vật chứa và sử dụng đựng vật chứa.
• Kiểm tra và đánh giá toàn bộ nguyên liệu sau khi hoàn thiện.
• Tuân thủ luật bảo hộ lao động và phòng cháy chữa cháy.

Kết thúc quá trình, cao su sẽ được xếp lên bàn để nguội. Riêng với chất lỏng sệt, người ta sẽ sử dụng hệ thống hâm nóng và dụng cụ cân đo chuyên biệt.

Hoàn thiện sản phẩm

Cao su sau khi hoàn thành sẽ được cho vào túi PE được trải 2 lớp thảm nylon. Túi này có lớp thảm trong và lớp ngoài màu đục.

Đặc tính cao su thiên nhiên

Ưu điểm

Bền chắc, đàn hồi tốt

Điểm cộng hoàn hảo của cao su thiên nhiên chính là đặc tính đàn hồi. Để kiểm tra sức chịu đựng của chất liệu, người ta thường sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, phổ biến nhất là kéo dãn. Kết quả thu được cho thấy cao su thiên nhiên thiên nhiên có thể kéo căng độ dài gấp 9 lần vẫn có thể quay trở lại trạng thái ban đầu. Để có được đặc tính này, các phân tử cao su phải chuyển động liên tục, co kéo lẫn nhau hình thành mớ dây hỗn loạn. Móc nối giữa các nhánh cần tạo nên sự dẻo dai, bền chắc thay vì thô cứng như nhiều loại vật liệu khác. Khi kéo căng, các phân tử sẽ căng ra và phục hồi hình dáng dễ dàng ngay sau khi loại bỏ lực.

Thân thiện với người dùng

Nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên luôn được các chuyên gia sức khỏe đánh giá cao, nổi bật trong đó là cao su thiên nhiên. Khả năng kháng khuẩn tự nhiên của cao su có tác dụng bảo vệ an toàn tuyệt đối cho sức khỏe, phòng tránh các bệnh ngoài da, bệnh hô hấp.

Thân thiện với môi trường

Cũng như các chất liệu thiên nhiên khác, cao su có khả năng tự phân hủy, tỉ lệ tái chế cao và linh hoạt theo từng mục đích sử dụng. Đây là yếu tố quan trọng để bảo vệ môi trường, giảm lượng rác thải gây hiệu ứng nhà kính.

Hạn chế

Giá thành cao

Thực tế, quy trình sản xuất cao su thiên nhiên khá phức tạp, đòi hòi trình độ tay nghề cao. Sản lượng hạn chế cùng quá trình thu hoạch phụ thuộc vào điều kiện thời tiết khiến cao su không thể đáp ứng đủ nhu cầu lớn của thế giới.

Dễ bị oxy hóa

So với các chất liệu nhân tạo, cao su thiên nhiên dễ bị oxy hóa hơn. Các tác động vật lý như ánh sáng, nhiệt cùng các chất như muối hữu cơ của đồng, cobalt, sắt,… có trong môi trường xung quanh chính là chất xúc tác hoàn hảo cho quá trình này. Đồng thời, oxygen tự do luôn gắn liền với cao su dưới dạng phân tử. Quá trình tự oxy hóa sẽ xảy ra từ từ theo thời gian.

Xử lý chất thải

Quy trình sản xuất cao su thiên nhiên thực chất vẫn gây nhiều tranh cãi về môi trường. Các chất thải ra đôi khi không được xử lý triệt để.

Ứng dụng của cao su su thiên nhiên

Cao su tự nhiên là một chất liệu quen thuộc được ứng dụng đa ngành trên thế giới. Trong đó các ứng dụng phổ biến nhất của chất liệu này phải kể đến:

Sản xuất đệm

Hiện nay đệm cao su thiên nhiên là sản phẩm rất được ưa chuộng. Có thể kể đến những thương hiệu cao su thiên nhiên nổi tiếng như Liên á, Dunlopillo, Lotus, Kymdan, Everon hoặc Dreamland. Tất cả những thương hiệu này đều ứng dụng thành công chất liệu cao su thiên nhiên vào sản phẩm của mình.

Ứng dụng trong ngành sản xuất lốp xe

Hầu hết sản lượng cao su đều được sử dụng để sản xuất lốp xe. Ngành công nghiệp này chiếm 70% sản lượng cao su thiên nhiên trên toàn cầu.

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,…

Các sản phẩm cao su của chúng tôi: