Đầu thế kỷ 20, cao su thiên nhiên đã trở thành một vật liệu không thể thiếu đối với nền công nghiệp đang cơ giới hóa nhanh chóng. Ô tô, dây đai truyền động, ống dẫn, vật liệu cách điện và nhiều thiết bị quân sự đều cần cao su, nhưng phần lớn nguồn cung lại đến từ các đồn điền nhiệt đới ở Đông Nam Á. Với những quốc gia công nghiệp lớn không kiểm soát được vùng trồng, đây không chỉ là câu chuyện giá nguyên liệu. Đó còn là một điểm yếu chiến lược.
Cao su tổng hợp ra đời từ chính bài toán này. Trong vài thập niên, các nhà hóa học đã biến những nguyên liệu như cồn, than đá và dầu mỏ thành các elastomer có thể sản xuất trong nhà máy. Đến sau Thế chiến thứ hai, cao su tổng hợp không còn là vật liệu thử nghiệm mà đã trở thành một ngành công nghiệp toàn cầu, mở rộng nhanh đến mức vào cuối thập niên 1960 tương lai của cao su thiên nhiên từng bị đặt dấu hỏi nghiêm túc.
Nhưng điều tưởng như tất yếu đã không xảy ra. Cao su tổng hợp tiếp tục phát triển, trong khi cây cao su cũng không biến mất khỏi nền công nghiệp hiện đại. Lịch sử của hai loại vật liệu này vì thế không kết thúc bằng việc một bên thay thế bên kia, mà bằng một sự phân chia vai trò phức tạp hơn.
Vì sao các cường quốc công nghiệp muốn thoát khỏi cao su thiên nhiên
Đến thập niên 1920, nguồn cung cao su thế giới tập trung mạnh tại các vùng trồng ở châu Á. Một bản ghi nhớ năm 1925 của Rubber Association of America gửi Bộ Ngoại giao Mỹ mô tả các lãnh thổ cao su thuộc Anh và Hà Lan khi đó gần như nắm vị trí độc quyền đối với cao su thô; khoảng 70% diện tích đồn điền nằm trong lãnh thổ hoặc dưới sự kiểm soát của Anh. Tài liệu này cũng cho biết Mỹ khi đó tiêu thụ khoảng ba phần tư lượng cao su của thế giới.
Sự mất cân đối giữa nơi sản xuất và nơi tiêu thụ trở nên đặc biệt rõ khi Anh triển khai Stevenson Scheme từ năm 1922. Chương trình này hạn chế lượng cao su được xuất khẩu từ Malaya, Ceylon và các vùng thuộc Anh nhằm xử lý tình trạng dư cung và hỗ trợ giá. Khi tồn kho thế giới giảm và nhu cầu tăng trở lại, giá cao su leo thang mạnh. Trong năm 1925, Bộ Ngoại giao Mỹ ghi nhận đây đã trở thành một vấn đề “rất đáng quan ngại” đối với ngành công nghiệp trong nước.
Với Mỹ, bài toán là rõ ràng: một nền công nghiệp ô tô khổng lồ đang phụ thuộc vào một nguyên liệu chiến lược mà nguồn cung và chính sách xuất khẩu phần lớn nằm ngoài tầm kiểm soát của mình.
Tại Đức, sự phụ thuộc vào cao su thiên nhiên nhập khẩu cũng trở thành một vấn đề chiến lược. Cao su thiên nhiên phải nhập khẩu, trong khi chính sách tự chủ nguyên liệu của chế độ Quốc xã từ giữa thập niên 1930 chủ động thúc đẩy các vật liệu tổng hợp có thể sản xuất trong nước. Buna – tên gọi gắn với nhóm cao su tổng hợp do I.G. Farben phát triển – nhờ đó mà trở thành một phần của chương trình công nghiệp hóa phục vụ tự chủ và tái vũ trang.
Nói cách khác, động lực tạo ra cao su tổng hợp không chỉ đến từ mong muốn “làm ra cao su bằng hóa học”. Nó còn đến từ mong muốn tách một loại nguyên liệu thiết yếu khỏi khí hậu nhiệt đới, đồn điền và những tuyến cung ứng mà các nước tiêu thụ không kiểm soát được.
Đọc thêm: Cao su từ Brazil đến Đông Nam Á: Câu chuyện toàn cầu hóa một vật liệu chiến lược
Những con đường đầu tiên đến cao su tổng hợp
Ý tưởng tạo ra vật liệu giống cao su trong phòng thí nghiệm đã xuất hiện từ trước Thế chiến thứ nhất, nhưng phải đến cuối thập niên 1920 và đầu thập niên 1930 các quy trình có khả năng công nghiệp hóa mới thật sự hình thành.
Tại Liên Xô, Sergei Lebedev phát triển quy trình sản xuất butadien từ ethanol; butadien sau đó được polymer hóa để tạo cao su tổng hợp. Quy trình một bước này về sau được gọi là Lebedev process. Năm 1932, nhà máy SK-1 tại Yaroslavl bắt đầu vận hành với công suất thiết kế 10.000 tấn mỗi năm; nghiên cứu lịch sử của Lewis (1979) xác định đây là nhà máy cao su tổng hợp quy mô lớn đầu tiên trên thế giới. Việc lựa chọn ethanol cũng phản ánh một nguyên tắc sẽ lặp lại nhiều lần trong lịch sử cao su tổng hợp: công nghệ thường được xây dựng quanh nguồn nguyên liệu mà một quốc gia có thể chủ động cung ứng.
Tại Đức, I.G. Farben phát triển các dòng Buna, trong đó Buna-S, tiền thân của nhóm cao su styrene-butadiene sau này, trở thành loại vật liệu quan trọng nhất. Nhà máy Buna đầu tiên tại Schkopau đi vào sản xuất năm 1937, và sản xuất đại trà được mở rộng từ cuối thập niên 1930 trong khuôn khổ chính sách tự chủ nguyên liệu của Đức.
Mỹ lại có một bước đột phá theo hướng khác. Tại DuPont, nhóm của Wallace Carothers, dựa trên nghiên cứu trước đó về hóa học acetylene, đã tạo ra polychloroprene. Năm 1930, Arnold Collins phân lập được chloroprene và nhận thấy nó tự polymer hóa thành một vật liệu đàn hồi; DuPont bắt đầu sản xuất quy mô lớn năm 1932 dưới tên Duprene, sau này là neoprene.
Neoprene là một thành công thương mại quan trọng, nhưng không phải lời giải trực tiếp cho bài toán thay thế cao su thiên nhiên ở quy mô lớn. Nó khó và đắt hơn để sản xuất, đổi lại có khả năng chịu dầu, hóa chất, nhiệt và thời tiết tốt hơn cao su thiên nhiên. Chính điều này báo trước một hướng phát triển quan trọng của toàn ngành: cao su tổng hợp không chỉ tồn tại để sao chép cao su thiên nhiên, mà còn có thể tạo ra những tính năng mới mà vật liệu tự nhiên không có.
Chiến tranh biến cao su tổng hợp từ công nghệ thành một ngành công nghiệp
Nếu thập niên 1930 chứng minh rằng cao su có thể được tạo ra bằng con đường tổng hợp, Thế chiến thứ hai chứng minh nó có thể được sản xuất ở quy mô của cả một nền kinh tế.
Tại Mỹ, cú sốc nguồn cung diễn ra rất nhanh. Khi chiến tranh lan rộng tại châu Á, nước này mất quyền tiếp cận khoảng 90% nguồn cao su thiên nhiên mà trước đó phụ thuộc vào. Năm 1941, sản lượng cao su tổng hợp đa dụng của Mỹ vẫn chỉ ở mức vài trăm tấn mỗi năm; trong khi nhu cầu cao su của nền kinh tế và quân đội được tính bằng hàng trăm nghìn tấn.
Chính phủ Mỹ phản ứng bằng một chương trình công nghiệp chưa từng có tiền lệ. Các công ty cao su và hóa dầu lớn được yêu cầu chia sẻ bằng sáng chế, công thức và kinh nghiệm sản xuất. Công nghệ dựa trên Buna-S được lựa chọn để phát triển GR-S – Government Rubber-Styrene, một copolymer của butadien và styren có thể dùng làm cao su tổng hợp đa dụng.
Năm 1942, bốn nhà máy đầu tiên của chương trình mới sản xuất tổng cộng 2.241 tấn. Chỉ ba năm sau, Mỹ đã đạt mức khoảng 920.000 tấn cao su tổng hợp mỗi năm, trong đó khoảng 85% là GR-S. Quá trình tăng công suất này không chỉ đòi hỏi xây nhà máy polymer hóa mà còn kéo theo cả một hệ thống sản xuất monomer, kiểm soát chất lượng, nghiên cứu compounding và điều chỉnh thiết bị chế biến.
Ý nghĩa của bước ngoặt này lớn hơn con số sản lượng. Lần đầu tiên, một quốc gia công nghiệp đã chứng minh rằng nguồn cung cao su có thể được xây dựng chủ yếu từ một chuỗi sản xuất hóa học trong nước thay vì phải mở rộng đồn điền ở vùng nhiệt đới.
Cao su tổng hợp từ đây không còn là phương án dự phòng. Nó đã trở thành một ngành công nghiệp thực sự.
Sau chiến tranh: cao su tổng hợp tiến tới vị trí áp đảo
Khi chiến tranh kết thúc, lý do khẩn cấp để sản xuất cao su tổng hợp giảm đi, nhưng ngành công nghiệp vừa được xây dựng không biến mất. Ngược lại, nó bước vào một giai đoạn tăng trưởng mới.
Sự bùng nổ của ngành ô tô sau chiến tranh khiến nhu cầu cao su tăng nhanh hơn khả năng mở rộng tức thời của các đồn điền. Cây cao su cần nhiều năm từ khi trồng đến khi bước vào khai thác, trong khi nhà máy hóa chất có thể tăng công suất nhanh hơn khi nguyên liệu và vốn đầu tư sẵn có. Song song với đó, công nghệ polymer hóa và hóa dầu liên tục được cải tiến, làm giảm chi phí và nâng chất lượng của nhiều loại cao su tổng hợp.
SBR trở thành cao su đa dụng quan trọng; polybutadiene được phát triển mạnh cho lốp xe; NBR tạo lợi thế trong môi trường dầu; neoprene có khả năng chịu thời tiết và hóa chất; về sau EPDM mở rộng sang các ứng dụng đòi hỏi khả năng kháng ozone và thời tiết. Cao su tổng hợp vì thế ngày càng ít giống một “chất thay thế duy nhất” và ngày càng giống một họ vật liệu có thể thiết kế theo yêu cầu ứng dụng.
Tốc độ thay đổi thị trường rất lớn. Theo Grilli (1981), từ cuối thập niên 1940 đến đầu thập niên 1970, tỷ trọng cao su tổng hợp trong thị trường cao su của các nước công nghiệp tăng từ khoảng 20% lên 70%. Tác giả mô tả rằng đến cuối thập niên 1960, cao su thiên nhiên đã bắt đầu trông giống một sản phẩm có tương lai bị đe dọa: nhu cầu cao su tăng mạnh, còn ngành tổng hợp liên tục đưa ra công nghệ mới, tận dụng quy mô lớn và nguồn năng lượng rẻ.
Đó có lẽ là thời điểm gần nhất mà thế giới công nghiệp tiến đến ý tưởng rằng cây cao su có thể trở thành thứ yếu.
Nhưng chính ở đây câu chuyện bắt đầu rẽ sang hướng khác.
Vì sao cây cao su không biến mất
Cao su tổng hợp đã giải quyết rất tốt bài toán nguồn cung, và trong nhiều trường hợp còn tạo ra những tính năng vượt cao su thiên nhiên. Tuy nhiên, không có một loại cao su tổng hợp duy nhất thay thế được mọi đặc tính của cao su thiên nhiên trong mọi điều kiện làm việc.
Một trong những lợi thế quan trọng của cao su thiên nhiên xuất hiện khi vật liệu chịu biến dạng lớn và tải trọng lặp lại. Các chuỗi polyisoprene trong cao su thiên nhiên có thể sắp xếp cục bộ và hình thành tinh thể khi bị kéo — hiện tượng được gọi là strain-induced crystallization (SIC), hay kết tinh khi chịu lực kéo. Các vùng kết tinh tạm thời này làm tăng độ cứng và khả năng chịu lực tại những vị trí đang chịu biến dạng cao; khi tải được giải phóng, cấu trúc phần lớn trở lại trạng thái vô định hình.
Hiệu ứng đó đặc biệt đáng chú ý quanh đầu vết nứt, nơi ứng suất tập trung. Các nghiên cứu bằng nhiễu xạ tia X synchrotron đã quan sát trực tiếp vùng kết tinh hình thành quanh đầu vết nứt của cao su thiên nhiên và cho thấy mối liên hệ giữa vùng này với khả năng chống lan truyền vết nứt dưới tải mỏi.
Đây không có nghĩa mọi cao su tổng hợp đều “yếu hơn” cao su thiên nhiên. Các elastomer tổng hợp khác nhau có cấu trúc và ưu thế hoàn toàn khác nhau. Nhưng trong một số ứng dụng các ứng dụng chịu tải động khắt khe, tổ hợp giữa khả năng kết tinh khi chịu kéo, độ bền mỏi và cấu trúc tự nhiên của cao su thiên nhiên vẫn rất khó tái tạo đồng thời.
Một lý do khác là cao su thiên nhiên không chỉ là một chuỗi cis-1,4-polyisoprene tinh khiết. Nó còn chứa các thành phần phi cao su như protein và phospholipid, tham gia vào cấu trúc nano và mạng tương tác của vật liệu. Các nghiên cứu hiện đại cho thấy việc loại bỏ những thành phần này có thể làm suy giảm một số tính chất cơ học, trong khi các mô hình polyisoprene tổng hợp được thiết kế để tái tạo cấu trúc nano tương tự có thể cải thiện tính năng đáng kể. Khoảng cách giữa “cùng polymer cơ bản” và “cùng vật liệu thực tế” vì thế lớn hơn vẻ ngoài của công thức hóa học.
Điều đó được phản ánh trong ứng dụng công nghiệp hiện nay. Hiệp hội các nhà sản xuất lốp xe Mỹ cho biết phần mặt lốp (tread) của lốp máy bay thương mại và quân sự gần như hoàn toàn sử dụng cao su thiên nhiên; cao su thiên nhiên cũng là thành phần chính trong mặt lốp của lốp xe tải nặng và xe buýt vì những yêu cầu hiệu năng mà vật liệu tổng hợp chưa thay thế hoàn toàn được.
Cây cao su tồn tại không phải vì ngành hóa học thất bại trong việc tạo ra elastomer. Nó tồn tại vì bài toán vật liệu thực tế không chỉ hỏi “có đàn hồi hay không”, mà hỏi một tập hợp đồng thời về mỏi, sinh nhiệt, xé rách, bám dính, gia công, nhiệt độ và tải trọng. Trong một số tổ hợp yêu cầu, cao su thiên nhiên vẫn giữ lợi thế.
Kết quả cuối cùng không phải “ai thay thế ai”
Nếu nhìn từ mục tiêu ban đầu của thế kỷ 20, cao su tổng hợp đã thành công ở quy mô rất lớn. Nó giúp các nền công nghiệp giảm sự phụ thuộc tuyệt đối vào nguồn cao su thiên nhiên, tạo ra khả năng sản xuất cao su từ các chuỗi hóa chất có thể kiểm soát trong nước và mở ra hàng loạt elastomer chuyên dụng mà cây cao su không thể cung cấp.
Nhưng thành công đó không dẫn đến sự biến mất của cao su thiên nhiên.
Thay vì một vật liệu loại bỏ vật liệu kia, ngành cao su hiện đại hình thành trên sự song hành và bổ sung giữa hai hệ. Cao su tổng hợp có lợi thế về khả năng thiết kế cấu trúc, tính đồng nhất và những đặc tính chuyên biệt như chịu dầu, hóa chất, ozone hoặc nhiệt. Cao su thiên nhiên tiếp tục giữ vai trò quan trọng ở những ứng dụng cần độ bền động, khả năng chống mỏi và những đặc tính cơ học mà cấu trúc sinh học của nó mang lại.
Lịch sử vì thế tạo ra một nghịch lý thú vị. Cao su tổng hợp ra đời để giúp thế giới công nghiệp không còn phải phụ thuộc vào cây cao su. Nó đã thực sự phá vỡ sự phụ thuộc độc quyền đó. Nhưng gần một thế kỷ sau, những ứng dụng khắt khe nhất vẫn khiến ngành công nghiệp phải quay lại với chính vật liệu tự nhiên mà hóa học từng được kỳ vọng sẽ thay thế.
Nguồn tham khảo
American Chemical Society. (1998). U.S. Synthetic Rubber Program. National Historic Chemical Landmarks.
American Chemical Society. (n.d.-a). Wallace Carothers and the development of nylon. National Historic Chemical Landmarks.
BASF. (n.d.). IG Farben.
German History in Documents and Images. (n.d.). The I. G. Farben Company presents its synthetic rubber (“Buna”) (1936).
Grilli, E. R. (1981). Natural rubber: A better future? Finance & Development, 18(2), 25–29. https://doi.org/10.5089/9781616353452.022.A008
Kawahara, S. (2023). Discovery of island-nanomatrix structure in natural rubber. Polymer Journal, 55, 1007–1021. https://doi.org/10.1038/s41428-023-00797-2
Lewis, R. A. (1979). Innovation in the USSR: The case of synthetic rubber. Slavic Review, 38(1), 48–59. https://doi.org/10.2307/2497226
Rubber Association of America. (1925). The Rubber Association of America, Inc., to the Department of State [Memorandum]. In Papers relating to the foreign relations of the United States, 1925, Volume II. U.S. Department of State, Office of the Historian.
Rublon, P., Huneau, B., Verron, E., Saintier, N., Beurrot, S., Leygue, A., Mocuta, C., Thiaudière, D., & Berghezan, D. (2014). Multiaxial deformation and strain-induced crystallization around a fatigue crack in natural rubber. Engineering Fracture Mechanics, 123, 59–69. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2014.04.003
Sotta, P., & Albouy, P.-A. (2020). Strain-induced crystallization in natural rubber: Flory’s theory revisited. Macromolecules, 53(8), 3097–3109. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.0c00515
U.S. Tire Manufacturers Association. (n.d.). Fast facts: Sustainable natural rubber.
