Tại sao cao su tổng hợp không thể thay thế hoàn toàn cao su tự nhiên?
Sự phát triển của cao su thiên nhiên:
Tầm quan trọng của cao su trong lịch sử loài người rất sâu sắc. Đáng chú ý, việc phát minh ra bánh xe đã thay đổi mạnh mẽ cuộc sống con người, và sự ra đời của lốp xe đã nâng cao khả năng sử dụng và sự thoải mái của bánh xe, cách mạng hóa khả năng di chuyển của con người và vận chuyển hàng hóa, từ đó nâng cao đáng kể hiệu quả công việc. Sự xuất hiện của lốp xe đã cho phép sử dụng rộng rãi bánh xe.
Việc phát hiện và sử dụng rộng rãi cao su đã thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp lốp xe và ô tô, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong nền văn minh nhân loại. Tuy nhiên, nguồn cao su tự nhiên chính là cây cao su, phát triển mạnh ở các vùng nhiệt đới như Brazil và Đông Nam Á. Trong khi đó, các khu vực sử dụng cao su chính lại tập trung ở các vùng kinh tế phát triển, dẫn đến sự mất cân đối đáng kể về cung cầu cao su. Đáng chú ý là trong Thế chiến thứ nhất, Đức đã cắt nguồn cung cấp cao su; trong Thế chiến thứ hai, Nhật Bản chiếm đóng Đông Nam Á, khu vực sản xuất cao su tự nhiên chính, hạn chế nguồn cung cao su sang châu Âu và Mỹ. Do đó, các nhà khoa học bắt đầu thử nghiệm cao su tổng hợp và đạt được những bước đột phá đáng kể. Sản lượng cao su tổng hợp, không bị ảnh hưởng bởi thời tiết và địa lý, đã tăng từ 23.000 tấn năm 1939 lên 885.000 tấn năm 1944.
Khi chiến tranh kết thúc và nguồn cung cao su tự nhiên ổn định, cùng với sự bùng nổ sau chiến tranh trong ngành ô tô và các ngành liên quan, nhu cầu về cao su tăng vọt, giữ giá cao su tự nhiên ở mức cao. Do đó, cao su tổng hợp đã thay thế một phần cao su tự nhiên trong một số ứng dụng và lĩnh vực nhất định, ổn định ở thị phần khoảng 60%. Tính đến năm 2021, sản lượng cao su tự nhiên toàn cầu là 13,812 triệu tấn, trong khi sản lượng cao su tổng hợp là khoảng 15,81 triệu tấn, cho thấy mức sản xuất tương tự của cả hai.
Bất chấp những tiến bộ liên tục về công nghệ và hiệu suất của cao su tổng hợp, tại sao nó vẫn chưa thay thế hoàn toàn cao su tự nhiên? Câu hỏi khó hiểu và quan trọng này nảy sinh ngay cả khi mỗi nhà sản xuất cao su tổng hợp đều ca ngợi hiệu suất vượt trội của sản phẩm của họ, cho rằng nó vượt xa cao su tự nhiên. Điều này cho thấy cao su thiên nhiên vẫn có nhiều ưu điểm về hiệu suất toàn diện không thể thay thế.
Cao su tự nhiên, một sản phẩm của tự nhiên, có cấu trúc chuỗi phân tử và thành phần hóa học phức tạp hơn nhiều so với các sản phẩm tổng hợp trong công nghiệp, mức độ phức tạp mà công nghệ hiện tại không thể tái tạo hoàn toàn.
Ưu điểm chính của cao su thiên nhiên bao gồm:
- Trọng lượng phân tử lớn hơn và cấu trúc phức tạp hơn: Độ đàn hồi và khả năng chống mài mòn vượt trội của cao su tự nhiên chủ yếu là do cấu trúc chuỗi phân tử dài hơn và phức tạp hơn. Các chuỗi phân tử lớn này đan xen chặt chẽ với nhau, mang lại độ bền, khả năng chống mài mòn và chống rách tuyệt vời. Dưới tác dụng của ngoại lực, các chuỗi phân tử này nén lại và sau đó trở lại cấu trúc ban đầu, thể hiện tính đàn hồi vượt trội.
- Cấu trúc chuỗi phân tử đồng đều hơn: Thành phần chính của cao su, polyisoprene, có nhiều chất đồng phân khác nhau trong chuỗi polymer của nó. Trong cao su thiên nhiên, 100% là cấu trúc cis-1,4, mang lại tính năng ổn định và đồng đều. Ngược lại, cao su tổng hợp nhân tạo không thể đạt được mức độ đồng nhất về cấu trúc bên trong phân tử này.
- Tác dụng tích cực của các thành phần chưa biết: Ngoài các phân tử cao su, cao su tự nhiên còn chứa protein, axit béo, đường và các thành phần khác. Mặc dù những chất này hiện diện với số lượng nhỏ nhưng chúng có thể tác động tích cực đến tính chất của cao su. Ví dụ, cao su tự nhiên thường chịu được nhiệt độ thấp, nhưng cao su tổng hợp thông thường có thể cứng lại và trở nên giòn trong môi trường lạnh, mất tính đàn hồi.
Sự bổ sung của cao su tự nhiên và tổng hợp:
Tóm lại, cao su tự nhiên thể hiện độ bền cơ học đặc biệt cao, độ đàn hồi tuyệt vời, khả năng chống mỏi, chống mài mòn, chống ăn mòn, tính chất cách điện, độ kín khí, chống thấm và khả năng cách nhiệt. Tuy nhiên, không phải mọi tính chất của cao su tự nhiên đều vượt trội so với cao su tổng hợp. Ưu điểm lớn nhất của cao su tổng hợp nằm ở tính dẻo. Tùy thuộc vào ứng dụng và các đặc tính yêu cầu, các công thức cụ thể có thể được sử dụng để nâng cao các đặc tính nhất định của cao su. Ví dụ, cao su polyurethane, một biến thể tổng hợp, cho thấy khả năng kháng dầu tuyệt vời, giải quyết điểm yếu của cao su tự nhiên trong lĩnh vực này. Hơn nữa, cao su styren-butadiene (SBR) có khả năng chống ăn mòn hóa học tốt hơn, cao su butadien (BR) vượt trội về khả năng chống lạnh, chống mài mòn và đàn hồi, cao su chloroprene tốt cho dầu, ngọn lửa, oxy hóa và kháng ozone, và cao su nitrile (NBR) có khả năng chống dầu và chống lão hóa tốt.
Trong các ứng dụng thực tế, cao su tự nhiên và cao su tổng hợp bổ sung tốt cho nhau. Lấy lốp ô tô chẳng hạn; chúng thường được làm từ nhiều lớp cao su có chứa cả loại tự nhiên và tổng hợp. Vì vậy, ở trình độ công nghệ hiện nay, cao su tổng hợp khó có thể thay thế hoàn toàn cao su tự nhiên. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng nhất định, cao su tổng hợp và cao su tự nhiên có thể thay thế cho nhau và việc lựa chọn thường phụ thuộc nhiều hơn vào giá cả của chúng. Cây cao su tự nhiên có chu kỳ canh tác dài, năng lực sản xuất hạn chế nên giá thành tương đối cố định và thường cao hơn cao su tổng hợp. Tuy nhiên, chênh lệch giá giữa hai loại này nhìn chung không đáng kể, vì cao su tổng hợp cũng là ngành sử dụng nhiều vốn với chi phí thiết bị cao, thời gian thu hồi vốn dài và giá liên quan chặt chẽ đến nguyên liệu thô đầu nguồn như dầu và khí tự nhiên.
Hiện nay, các loại cao su tổng hợp chính có sản lượng đáng kể trên toàn cầu bao gồm cao su styren-butadien (SBR), cao su butadien (BR) và cao su isobutylene-isoprene (IIR). Nguyên liệu thô chính để sản xuất các loại cao su này là butadien, với khoảng 70% butadien toàn cầu được sử dụng trong sản xuất cao su tổng hợp. Butadiene chủ yếu có nguồn gốc từ sản phẩm phụ của quá trình sản xuất dầu và khí đốt tự nhiên nên năng lực sản xuất không đặc biệt ổn định và giá biến động theo giá dầu và khí đốt tự nhiên. Tất nhiên, giá cao su tự nhiên và tổng hợp cũng ảnh hưởng lẫn nhau.
Tóm lại, cả từ góc độ hiệu suất và giá cả, cao su tự nhiên và tổng hợp đều thể hiện sự bổ sung mạnh mẽ. Cả hai đều không thể thay thế hoàn toàn cái kia và với những tiến bộ liên tục trong các quy trình và công nghệ mới, hiệu suất tương ứng của chúng cũng không ngừng được cải thiện. Ví dụ, Cao su DEF, có nguồn gốc sâu xa từ ngành cao su tự nhiên, đã phát triển các công thức và quy trình độc đáo giúp các sản phẩm tấm cao su tự nhiên của mình tập trung vào thị trường cao cấp. Những sản phẩm này có ưu điểm nổi bật về khả năng chống mài mòn và chống dầu trong môi trường mài ướt, khiến chúng đặc biệt thích hợp để sử dụng làm lớp lót cao su trong các thiết bị chịu mài mòn khác nhau, dải thấm nước và chống mài mòn cho máy lau sàn và đồng hồ định thời chống mài mòn công nghiệp. thắt lưng.
