EPDM là gì

EPDM là một trong những loại cao su tổng hợp đa năng và được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay. Sau khi được thương mại hóa vào thập niên 1960, EPDM nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp nhờ đặc tính bền bỉ và khả năng chống chịu môi trường tốt. Vậy chi tiết về vật liệu EPDM là gì? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây!

1. Vật liệu EPDM là gì

EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer) là một loại cao su tổng hợp được tạo thành từ quá trình đồng trùng hợp của Ethylene, Propylene và một lượng nhỏ Diene. Theo hệ thống phân loại cao su của tiêu chuẩn ASTM D1418 và IISRP (Viện Quốc tế các nhà sản xuất cao su tổng hợp), EPDM là ký hiệu tiêu chuẩn dùng để chỉ loại cao su Ethylene–Propylene–Diene (>Xem thêm cao su là gì)

1.1 EPDM Rubber là gì

Để hiểu rõ EPDM Rubber là gì hay vật liệu EPDM là gì, trước hết cần nhìn vào chính tên gọi EPDM, trong đó mỗi chữ cái đều đại diện cho một thành phần cấu tạo cụ thể của vật liệu:

• E: Monomer Ethylene – một trong hai thành phần chính cấu thành chuỗi polymer
• P: Monomer Propylene – kết hợp với ethylene để tạo nên cấu trúc cao su đàn hồi
• D: Chỉ Diene không liên hợp (non-conjugated diene)
• M: Theo tiêu chuẩn ASTM D1418, chữ “M” dùng để chỉ chuỗi polymer chính bão hòa dạng polymethylene, tức là mạch chính của polymer chủ yếu gồm nhóm [CHr(CH2 )n-CH2]

1.2 Dòng thời gian phát triển EPDM là gì

EPDM được phát triển lần đầu tại châu Âu vào thập niên 1950, dựa trên công nghệ xúc tác của Karl Ziegler và Giulio Natta (tên đặt theo hai nhà khoa học đoạt Nobel Prize in Chemistry nhờ các nghiên cứu về polymer). Công nghệ này đã đặt nền tảng cho sự ra đời của nhiều loại cao su tổng hợp, trong đó có EPDM

Một số mốc phát triển quan trọng của EPDM gồm:

• 1962: Công ty ExxonMobil Chemical bắt đầu sản xuất cao su EP (EPM)
• 1967: Cao su EPDM được đưa vào thương mại lần đầu tiên
• 2009: Công suất sử dụng EPDM toàn cầu ước tính đạt khoảng 1.300 KT

Các nhà sản xuất EPDM lớn trên thế giới có thể kể đến như ExxonMobil Chemical (21%), Royal DSM (17%), Dow (12%), Lanxess (10%), Mitsui Chemicals (9%) cùng nhiều doanh nghiệp hóa chất khác

2. Từ khoa học đến vật liệu đàn hồi tốt nhất

Trước khi trở thành một trong những loại cao su tổng hợp được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, EPDM đã trải qua quá trình phát triển từ những nghiên cứu cơ bản trong hóa học polymer

2.1 Phát hiện EPM

Điều mà cộng đồng khoa học sớm nhận ra là khi Ethylene và Propylene được Copolymer hóa cùng nhau theo tỷ lệ phù hợp trong sự có mặt của xúc tác Ziegler, thay vì tạo ra một loại nhựa cứng, sản phẩm thu được lại là một vật liệu đàn hồi vô định hình và mềm dẻo. Đây chính là nền tảng của EPDM hay còn gọi là cao su EPM  (copolymer của ethylene & propylene)

Chuỗi bão hòa của EPM đem lại những tính chất đặc biệt chưa từng có ở cao su thời đó:

• Khả năng chống ozone gần như tuyệt đối: Không bị nứt ngay cả khi tiếp xúc ozone nồng độ cao trong thời gian dài
• Bền dưới thời tiết: Không bị lão hóa, nứt vỡ khi phơi ngoài trời
• Chịu nhiệt tốt: Có thể vận hành liên tục ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với cao su tự nhiên
• Chịu được nhiệt độ thấp: Điểm giòn xuống tới -55 ~ -65°C
• Có thể nạp lượng lớn độn và dầu mà vẫn giữ được tính chất cơ lý tốt: Điều này có ý nghĩa lớn về mặt kinh tế

Tuy nhiên, EPM có một hạn chế kỹ thuật nghiêm trọng: Vì không có nối đôi nào nên không thể lưu hóa bằng hệ sulfur. EPM chỉ có thể lưu hóa bằng peroxide hữu cơ, vốn đắt hơn, khó kiểm soát hơn và ít linh hoạt hơn trong sản xuất công nghiệp

2.2 Sự ra đời của EPDM là gì

Để khắc phục hạn chế về lưu hóa của EPM, các nhà hóa học polymer đã đưa ra một giải pháp hiệu quả: Bổ sung một lượng nhỏ monomer diene thứ ba vào cấu trúc polymer trong quá trình tổng hợp. Việc lựa chọn diene phải đáp ứng một số yêu cầu kỹ thuật:

• Diene phải có hai nối đôi không liên hợp (non-conjugated)
• Trong quá trình polymer hóa, một nối đôi phản ứng để gắn vào mạch polymer, còn nối đôi thứ hai được giữ lại làm điểm lưu hóa
• Nối đôi còn lại phải nằm ở nhánh bên (pendant) thay vì trên mạch chính
• Các diene thường dùng gồn: Ethylidene Norbornene, Dicyclopentadiene, Vinyl Norbornen, 1,4-Hexadiene

Cấu trúc này cho phép quá trình lưu hóa xảy ra ở nhánh bên, trong khi mạch polymer chính vẫn bão hòa, nhờ đó vật liệu vẫn giữ được khả năng chống ozone, chống lão hóa và bền nhiệt.

2.3 Thương mại hóa và sự tăng trưởng

Sự ra đời thương mại của EPDM diễn ra đúng thời điểm ngành công nghiệp ô tô bùng nổ, khi nhu cầu về vật liệu cao su có khả năng chống thời tiết, ozone và chịu nhiệt cao trong môi trường khoang động cơ ngày càng tăng. Nhờ những đặc tính vượt trội này, EPDM nhanh chóng được sử dụng rộng rãi trong gioăng và dải kín cửa ô tô, góp phần thúc đẩy sản lượng EPDM trong nhiều thập kỷ tiếp theo:

• Năm 1965: Tổng lượng tiêu thụ vào khoảng ~50 KT
• Năm 2007: Lượng tiêu thụ đạt ~1.200 KT (1.300 KT vào năm 2009)

Tốc độ tăng trưởng này đặc biệt ấn tượng khi so sánh với các loại cao su tổng hợp khác. Đến đầu thế kỷ 21, EPDM đã trở thành loại cao su tổng hợp được tiêu thụ nhiều thứ ba trên thế giới, chỉ sau BR (Butadiene Rubber) và SBR (Styrene-Butadiene Rubber)

3. Tính chất vật lý và hàm lượng của EPDM là gì

Theo “The Vanderbilt Rubber Handbook”, các tính chất của EPDM chủ yếu được tổng hợp như sau:

• Tính chất vật lý:
  • Tỷ trọng: 0,86 – 0,89 g/cm³
  • Nhiệt dung riêng: 2,22 J/(g·K)
  • Điểm giòn: -55 ~ -65°C
  • Nhiệt độ chuyển thủy tĩnh (Tg): -45 ~ -60°C
• Tính chất vật lý của EPDM đã lưu hóa (theo ASTM D2000):
  • Độ cứng Shore A: 35 ~ 95
  • Độ bền kéo: 4 ~ 22 MPa
  • Độ giãn dài: 150 ~ 1000%
  • Nhiệt độ vận hành liên tục (max): 150°C
  • Nhiệt độ vận hành gián đoạn (max): 175°C
  • Điện trở suất thể tích: 10¹⁶ Ω·cm
• Hàm lượng Ethylene (45 ~ 80% theo khối lượng):
  • Hàm lượng ethylene càng cao → Tg giảm, độ đàn hồi tăng và mức độ kết tinh cao hơn
  • Dưới 45%: gần như không có ứng dụng công nghiệp đáng kể
  • Trên 65%: EPDM có xu hướng bán tinh thể, giúp tăng độ bền xanh (green strength)
  • Cấu trúc “blocky” (ethylene tập trung thành cụm) có thể tăng độ bền cơ học, nhưng làm giảm tính linh hoạt ở nhiệt độ thấp
• Hàm lượng Diene
  • 0,5 – 4%: cấp diene thấp (low diene), dùng cho các ứng dụng thông dụng
  • 5 – 7%: cấp diene trung bình (medium diene), tốc độ lưu hóa nhanh hơn
  • 8 – 11%: cấp diene cao (high diene), lưu hóa rất nhanh, có thể pha trộn với NR hoặc SBR trong một số ứng dụng cao su kỹ thuật

4. Ứng dụng của vật liệu EPDM là gì

Nhờ các đặc tính kỹ thuật ổn định, EPDM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Một số có thể kể đến như sau

4.1 Vai trò của EPDM Rubber là gì trong ngành ô tô

Ngành ô tô là một trong những lĩnh vực sử dụng EPDM sớm và phổ biến nhất. Nhờ khả năng chịu nhiệt, chống lão hóa và bền thời tiết, EPDM được dùng trong nhiều chi tiết cao su của xe:

• Gioăng cửa và cửa sổ (weatherstrips, window channels)
• Ống dẫn nước làm mát, ống phanh và ống dẫn khí
• Đai truyền động (V-ribbed belts)
• Các bộ phận cao su chịu thời tiết và nhiệt độ cao trong khoang động cơ

4.2 Tính năng của vật liệu EPDM là gì trong xây dựng

Trong lĩnh vực xây dựng, EPDM được đánh giá cao nhờ độ bền thời tiết, khả năng chống tia UV và chống thấm tốt. Vật liệu này thường được sử dụng trong:

• Màng mái đơn lớp (single-ply roofing) – một trong những ứng dụng lớn nhất tại Bắc Mỹ
• Gioăng kín cửa sổ, cửa ra vào và tường bao
• Màng chống thấm cho mái, tầng hầm và các kết cấu ngoài trời

4.3 Vai trò EPDM là gì trong ngành điện

EPDM có đặc tính cách điện tốt và ổn định trong môi trường nhiệt độ cao, vì vậy được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện:

• Cách điện cho cáp trung thế và hạ thế
• Vỏ bọc cáp điện
• Đầu nối cáp ngầm trong hệ thống phân phối điện

4.4 EPDM là gì trong ngành ống và van nhựa

Theo kinh nghiệm thực tế của các kỹ sư van ống nhựa, đã làm việc nhiều năm trong lĩnh vực đường ống nhựa và van nhựa , EPDM thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết làm kín nhờ khả năng chịu nước nóng, hóa chất nhẹ và độ đàn hồi cao. Một số ứng dụng phổ biến gồm:

• Vòng đệm và gioăng kín (O-rings, gaskets) của van như: Van màng, van bi,…
• Ống cao su công nghiệp
• Băng tải và lớp phủ trục cán
• Gioăng kín cho đường ống bê tông và hệ thống cấp thoát nước,…

5. Hiệu năng của EPDM Rubber là gì khi gia công bằng dầu

Trong quá trình gia công và phối trộn cao su, việc bổ sung dầu hóa dẻo (process oils) có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ lý và khả năng gia công của EPDM. Tùy thuộc vào độ nhớt và loại dầu sử dụng, các đặc tính của vật liệu sau lưu hóa sẽ có sự thay đổi nhất định:

• Để tăng tính chất cơ lý tổng thể tốt nhất: Sử dụng dầu có độ nhớt cao
• Tăng khả năng chịu nhiệt: Dùng dầu paraffinic có độ nhớt cao
• Tăng độ đàn hồi cao, tránh giòn ở nhiệt độ thấp và độ nhớt thấp: Phân tán dầu có độ nhớt thấp vào cao su EPDM
• Để EPDM phù hợp cho lưu hóa bằng peroxide: Dùng dầu paraffinic hoặc chất hóa dẻo tổng hợp

6. Sự khác nhau giữa các loại cao su khác và EPDM là gì

VonTechMan

VonTechMan – Chúng tôi là tập thể các kỹ sư – chuyên gia về Van Ống Nhựa

Không chỉ phân phối Van Ống Nhựa, chúng tôi có kinh nghiệm và liên tục tìm hiểu chuyên sâu mọi kiến thức liên quan, nhằm cung cấp nguồn thông tin đáng tin cậy cho độc giả