Cao su tổng hợp đã có gần một thế kỷ để phát triển. Con người có thể tạo ra nhiều loại cao su tổng hợp trong nhà máy, kiểm soát cấu trúc của chúng khá chính xác và điều chỉnh tính năng cho từng mục đích sử dụng. Nếu nhìn theo logic thông thường của công nghệ, cao su thiên nhiên dường như phải dần mất vai trò khi những vật liệu tổng hợp ngày càng hoàn thiện.
Nhưng điều đó không xảy ra. Trong ngành lốp, cao su thiên nhiên vẫn là một nguyên liệu quan trọng, đặc biệt ở những ứng dụng chịu tải nặng như lốp xe tải, xe buýt và máy bay. Điều này không có nghĩa cao su thiên nhiên “tốt hơn” cao su tổng hợp nói chung. Ngược lại, nhiều loại cao su tổng hợp có những tính năng mà cao su thiên nhiên không thể thay thế tốt bằng.
Câu hỏi thực sự vì thế không phải là loại cao su nào tốt hơn, mà là: điều gì xảy ra với vật liệu khi một chiếc lốp làm việc, và tại sao trong một số điều kiện rất khó tìm được một vật liệu tổng hợp duy nhất có thể thay thế vai trò của cao su thiên nhiên?
Đọc thêm: Cao su tổng hợp ra đời: Khi thế giới suýt bỏ rơi cây cao su thiên nhiên
Một chiếc lốp không chỉ cần “cao su tốt”
Nhìn từ bên ngoài, lốp xe có vẻ chỉ là một khối cao su được gia cường bằng thép và sợi. Thực tế, bên trong một chiếc lốp hiện đại là nhiều hợp phần khác nhau, và mỗi phần có thể sử dụng một công thức cao su riêng. Mặt lốp phải bám đường và chịu mài mòn. Thành lốp phải liên tục uốn theo mỗi vòng quay. Lớp cao su phía trong phải giữ không khí. Những vùng liên kết với đai thép, lớp bố hay tanh lốp lại có những yêu cầu khác (U.S. Tire Manufacturers Association, 2024).
Ngay cả trong một vị trí cụ thể, các yêu cầu cũng không dễ dung hòa. Một hỗn hợp cao su dùng cho mặt lốp chẳng hạn phải tạo đủ ma sát để xe phanh và vào cua an toàn, nhưng nếu vật liệu mất quá nhiều năng lượng khi biến dạng thì lực cản lăn và nhiệt sinh ra lại tăng. Nó phải đủ bền để không mòn nhanh, nhưng vẫn cần làm việc trong một dải nhiệt độ rộng. Đồng thời, vật liệu phải chịu được việc bị nén, kéo, uốn rồi trở lại hình dạng ban đầu hết chu kỳ này đến chu kỳ khác.
Chính tải lặp lại mới là một trong những thử thách khó nhất. Cao su là vật liệu đàn hồi nhưng không hoàn trả toàn bộ năng lượng đã nhận trong mỗi lần biến dạng. Một phần năng lượng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Cùng lúc đó, những khuyết tật rất nhỏ vốn có trong vật liệu hoặc hình thành trong quá trình sử dụng có thể trở thành điểm khởi đầu cho vết nứt. Nếu vết nứt tiếp tục dài ra qua hàng loạt chu kỳ tải, tuổi thọ của chi tiết sẽ giảm dần cho đến khi xảy ra hư hỏng.
Vì vậy, khi kỹ sư lựa chọn loại cao su cho lốp, họ không tìm một vật liệu đứng đầu ở một chỉ tiêu duy nhất. Họ phải cân bằng độ bám, mài mòn, sinh nhiệt, khả năng chống mỏi, chống phát triển vết nứt, khả năng gia công, chi phí và nhiều yêu cầu khác. Và mức độ quan trọng của từng yếu tố lại thay đổi theo loại lốp cũng như vị trí của hỗn hợp cao su trong lốp.
Đó là lý do một câu hỏi kiểu “cao su thiên nhiên hay cao su tổng hợp tốt hơn?” gần như không có câu trả lời có ý nghĩa nếu chưa nói rõ tốt hơn cho nhiệm vụ nào và trong điều kiện tải nào.
Lợi thế đặc biệt của cao su thiên nhiên xuất hiện khi vật liệu bị kéo căng
Một trong những đặc tính quan trọng nhất giúp giải thích vai trò của cao su thiên nhiên là hiện tượng kết tinh do biến dạng (strain-induced crystallization, thường viết tắt là SIC).
Ở trạng thái bình thường, các chuỗi polymer trong cao su có thể hình dung như những sợi rất dài cuộn và đan xen với nhau theo nhiều hướng. Khi vật liệu bị kéo, các chuỗi dần duỗi ra và định hướng theo hướng kéo. Với cao su thiên nhiên, khi mức biến dạng đủ lớn, một phần các đoạn mạch có thể sắp xếp có trật tự hơn và hình thành những vùng kết tinh rất nhỏ.
Điều đáng chú ý là những vùng kết tinh này không giống một cấu trúc cứng tồn tại vĩnh viễn trong vật liệu. Chúng hình thành khi cao su bị kéo mạnh và giảm đi khi tải được giải phóng. Nói cách khác, cao su thiên nhiên có khả năng thay đổi cấu trúc của chính nó theo trạng thái biến dạng.
Hiệu ứng này đặc biệt có ý nghĩa quanh đầu một vết nứt. Đây là nơi biến dạng tập trung mạnh hơn nhiều so với phần vật liệu ở xa vết nứt. Các nghiên cứu quan sát bằng nhiễu xạ tia X đã cho thấy những vùng kết tinh có thể hình thành quanh khu vực này khi cao su thiên nhiên bị kéo. Sự kết tinh góp phần củng cố vùng vật liệu đang chịu biến dạng cao và làm cho vết nứt khó tiếp tục phát triển nhanh như trong một vật liệu không có cùng khả năng tự gia cường này (Rublon et al., 2014).
Điều đó không có nghĩa cao su thiên nhiên trở nên “không thể rách” khi bị kéo. Vết nứt vẫn có thể phát triển nếu tải đủ lớn hoặc lặp lại đủ lâu. Mức độ kết tinh cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, tốc độ và trạng thái biến dạng. Nhưng SIC tạo ra một cơ chế gia cường đặc biệt ngay tại những vùng đang chịu tải mạnh, và đây là một trong những nguyên nhân quan trọng giúp cao su thiên nhiên có khả năng chống mỏi và chống phát triển vết nứt tốt trong nhiều điều kiện tải động (Ruellan et al., 2019).
Điểm này quan trọng vì lốp không hỏng chỉ do một lần kéo đến đứt. Trong sử dụng thực tế, vật liệu phải sống sót qua vô số lần biến dạng nhỏ hơn nhiều. Khả năng làm chậm quá trình một khuyết tật nhỏ biến thành một vết nứt nguy hiểm vì thế có giá trị rất lớn đối với độ bền của lốp.
Lợi thế đó càng đáng giá khi tải trọng trở nên khắc nghiệt
Nếu cao su thiên nhiên có một lợi thế liên quan đến tải lặp lại và phát triển vết nứt, không ngạc nhiên khi vai trò của nó nổi bật nhất ở những loại lốp phải làm việc nặng.
Lốp xe tải và xe buýt chịu tải lớn trong thời gian dài. Trong mỗi vòng quay, các vùng của lốp liên tục thay đổi hình dạng khi đi vào và rời khỏi vùng tiếp xúc với mặt đường. Tải lớn khiến mức biến dạng, ứng suất và bài toán kiểm soát nhiệt trở nên khắt khe hơn. Độ bền mỏi và khả năng chống phát triển vết nứt do đó không chỉ là những chỉ tiêu trong phòng thí nghiệm mà trực tiếp ảnh hưởng đến tuổi thọ của lốp.
Đây là một trong những lý do cao su thiên nhiên vẫn chiếm vai trò rất lớn trong các hỗn hợp cao su chịu tải nặng. Hiệp hội các nhà sản xuất lốp Hoa Kỳ cho biết cao su thiên nhiên là thành phần chính của mặt lốp xe tải và xe buýt hạng nặng; với mặt lốp máy bay thương mại và quân sự, tỷ lệ sử dụng còn cao hơn nữa. Dữ liệu của U.S. International Trade Commission cũng cho thấy lốp xe tải và xe buýt thường chứa lượng cao su thiên nhiên lớn hơn lốp xe con và xe tải nhẹ (U.S. International Trade Commission, 2017; U.S. Tire Manufacturers Association, n.d.). Những ứng dụng này đòi hỏi vật liệu phải chịu đồng thời tải lớn, biến dạng lặp lại và điều kiện nhiệt cơ học khắc nghiệt – đúng những nơi lợi thế về độ bền mỏi của cao su thiên nhiên trở nên có giá trị nhất.
Nhưng từ đó không nên suy ra rằng mọi chiếc lốp đều cần cao su thiên nhiên với cùng một tỷ lệ. Lốp xe con có bài toán khác. Ở mặt lốp, những yêu cầu như độ bám trên đường ướt, lực cản lăn, độ mài mòn và khả năng điều chỉnh tính năng theo dải nhiệt độ khiến các loại cao su tổng hợp như SBR và BR thường đóng vai trò rất lớn. Cao su thiên nhiên vẫn có thể xuất hiện trong các hỗn hợp cao su khác của lốp, nhưng cách phân bổ vật liệu không giống với lốp xe tải hay lốp máy bay.
Nói cách khác, câu “lốp xe vẫn cần cao su thiên nhiên” chỉ thực sự chính xác khi hiểu theo nghĩa có điều kiện. Mức độ khó thay thế tăng lên ở những vị trí và ứng dụng nơi tải động, mỏi và phát triển vết nứt trở thành các ràng buộc đặc biệt nghiêm ngặt.
Nếu cao su thiên nhiên chủ yếu là polyisoprene, tại sao không tổng hợp một bản sao?
Đến đây xuất hiện một câu hỏi khác. Thành phần polymer chính của cao su thiên nhiên là cis-1,4-polyisoprene. Ngành hóa học từ lâu đã có thể sản xuất cao su isoprene tổng hợp với cấu trúc rất gần như vậy. Nếu đã tạo được gần đúng loại polymer mà cây cao su tạo ra, tại sao vật liệu tổng hợp này không đơn giản thay thế cao su thiên nhiên?
Câu trả lời nằm ở một điểm dễ bỏ qua: một vật liệu không chỉ được quyết định bởi tên hóa học của polymer chính.
Hai vật liệu có thể đều được gọi là polyisoprene nhưng vẫn khác nhau về mức độ đều đặn của cấu trúc chuỗi, sự phân nhánh, cách các mạch polymer đan xen và hình thành mạng vật lý, cũng như những thành phần đi cùng polymer. Cao su thiên nhiên thu được từ latex không phải polyisoprene tinh khiết tuyệt đối; nó còn chứa một lượng nhỏ protein, lipid và các thành phần phi cao su khác. Những yếu tố này có thể ảnh hưởng đến cách mạng polymer được hình thành và cách vật liệu phản ứng khi bị biến dạng (Kawahara, 2023).
Các thí nghiệm so sánh cao su thiên nhiên với polyisoprene tổng hợp đã cho thấy sự khác biệt này xuất hiện ngay trong hiện tượng kết tinh do biến dạng. Trong một số điều kiện, polyisoprene tổng hợp phải bị kéo nhiều hơn mới bắt đầu kết tinh, hoặc đạt mức kết tinh thấp hơn ở cùng một mức kéo. Nghiên cứu hiện nay tiếp tục xem xét vai trò tương đối của độ đều đặn cấu trúc, kiến trúc chuỗi, mạng liên kết vật lý và các thành phần phi cao su; không có lý do để quy toàn bộ khác biệt cho một yếu tố duy nhất (Toki et al., 2013).
Điều quan trọng hơn đối với câu chuyện của lốp xe là kết luận rộng hơn: sao chép công thức hóa học chưa chắc đã sao chép được toàn bộ hành vi cơ học của vật liệu.
Đây cũng là lý do câu chuyện “cao su tổng hợp sẽ thay thế cao su thiên nhiên” phức tạp hơn nhiều so với việc tổng hợp đúng loại polyisoprene rồi coi như đã sao chép được cao su thiên nhiên. Ngành hóa học có thể tạo ra một vật liệu rất giống cao su thiên nhiên về cấu trúc phân tử, nhưng để tái tạo đầy đủ cách vật liệu tự tổ chức, kết tinh và phản ứng dưới tải động lại là một bài toán khác.
Nhưng cao su tổng hợp lại làm tốt những việc khác
Nhưng khả năng kết tinh do biến dạng không khiến cao su thiên nhiên trở thành lựa chọn tốt nhất cho mọi phần của chiếc lốp.
Hai loại cao su tổng hợp được sử dụng phổ biến trong sản xuất lốp là cao su styrene-butadiene (SBR) và cao su butadiene (BR). Chúng không tồn tại đơn thuần như những bản thay thế rẻ hơn cho cao su thiên nhiên, mà cho phép kỹ sư điều chỉnh những nhóm tính năng khác (U.S. Tire Manufacturers Association, 2024).
Đặc biệt trong hỗn hợp cao su dùng cho mặt lốp xe con, các dòng SBR hiện đại có thể được thiết kế để làm việc hiệu quả với chất độn như silica và giúp cân bằng những yêu cầu vốn xung đột nhau, chẳng hạn độ bám trên đường ướt và lực cản lăn. BR có thể góp phần giảm lực cản lăn và, trong một số hệ công thức, cải thiện khả năng chống mài mòn. Hiệu quả thực tế còn phụ thuộc vào loại cao su cụ thể, tỷ lệ phối trộn, chất độn, hệ lưu hóa và toàn bộ công thức chứ không chỉ từ tên vật liệu (Choi et al., 2018; Sae-Oui et al., 2017).
Một ví dụ còn rõ hơn nằm ở lớp cao su phía trong lốp. Nhiệm vụ chính ở đây không phải chống phát triển vết nứt dưới tải lớn mà là hạn chế không khí thấm qua thành lốp. Cao su halobutyl có độ thấm khí thấp và vì thế được sử dụng cho lớp lót trong của lốp không săm. Đây là một công việc mà cao su thiên nhiên không phải lựa chọn tối ưu (U.S. Tire Manufacturers Association, 2024).
Bài toán thực tế không phải là thay thế, mà là phối hợp vật liệu
Những ví dụ trên cho thấy cách ngành lốp thực sự sử dụng vật liệu: cao su thiên nhiên được giữ lại ở những vị trí và ứng dụng cần chịu mỏi, chống phát triển vết nứt tốt; SBR và BR giúp điều chỉnh các yêu cầu khác của mặt lốp; còn halobutyl đảm nhiệm vai trò giữ khí. Không có một loại cao su nào phải làm mọi việc.
Ngay trong cùng một hỗn hợp, nhà sản xuất cũng thường phối trộn nhiều loại cao su thay vì chỉ dùng một loại. Cao su thiên nhiên có thể được phối với BR, SBR hoặc các loại khác, sau đó kết hợp với chất độn, hệ lưu hóa và các phụ gia cần thiết. Tỷ lệ giữa các loại cao su chỉ là một trong nhiều biến số của toàn bộ công thức.
Nghiên cứu của Li et al. (2024) trên các hỗn hợp cao su thiên nhiên/BR cho thấy điều này khá rõ: công thức chống phát triển vết nứt tốt hơn ở một vùng tải có thể không còn tốt nhất khi mức tải thay đổi; mức tự sinh nhiệt cũng không biến đổi theo một quy luật đơn giản theo tỷ lệ phối trộn. Nói cách khác, câu hỏi “loại cao su nào tốt hơn?” vẫn phụ thuộc vào điều kiện làm việc cụ thể.
Đó là lý do từ “thay thế” đôi khi gây hiểu nhầm khi nói về cao su thiên nhiên và cao su tổng hợp. Sau gần một thế kỷ phát triển, cao su tổng hợp đã trở thành thành phần không thể thiếu của lốp hiện đại. Nhưng trong những điều kiện tải động khắc nghiệt, cao su thiên nhiên vẫn giữ những lợi thế khó tái tạo đầy đủ bằng một vật liệu tổng hợp duy nhất.
Lốp xe vì thế không cần một vật liệu chiến thắng. Nó cần nhiều loại cao su đảm nhiệm những vai trò khác nhau – và cao su thiên nhiên vẫn giữ một số vai trò mà ngành lốp chưa có lý do đủ mạnh để loại bỏ.
Nguồn tham khảo
Choi, S.-S., Kwon, H.-M., Kim, Y., Ko, E., & Lee, K.-S. (2018). Hybrid factors influencing wet grip and rolling resistance properties of solution styrene-butadiene rubber composites. Polymer International, 67(3), 340–346. https://doi.org/10.1002/pi.5515
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
Li, P., Gu, B., Wang, F., Zhang, J., Li, X., Han, D., Liu, L., & Li, F. (2024). Self-heating and fatigue crack growth behavior of reinforced NR/BR nanocomposites with different blending ratio. International Journal of Fatigue, 183, 108238. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2024.108238
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
Ruellan, B., Le Cam, J.-B., Jeanneau, I., Canévet, F., Mortier, F., & Robin, E. (2019). Fatigue of natural rubber under different temperatures. International Journal of Fatigue, 124, 544–557. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2018.10.009
Sae-Oui, P., Suchiva, K., Sirisinha, C., Intiya, W., Yodjun, P., & Thepsuwan, U. (2017). Effects of blend ratio and SBR type on properties of carbon black-filled and silica-filled SBR/BR tire tread compounds. Advances in Materials Science and Engineering, 2017, 2476101. https://doi.org/10.1155/2017/2476101
Toki, S., Che, J., Rong, L., Hsiao, B. S., Amnuaypornsri, S., Nimpaiboon, A., & Sakdapipanich, J. (2013). Entanglements and networks to strain-induced crystallization and stress–strain relations in natural rubber and synthetic polyisoprene at various temperatures. Macromolecules, 46(13), 5238–5248. https://doi.org/10.1021/ma400504k
U.S. International Trade Commission. (2017, February 22). Truck and bus tires from China do not injure U.S. industry, says USITC.
U.S. Tire Manufacturers Association. (n.d.). Fast facts: Sustainable natural rubber.
U.S. Tire Manufacturers Association. (2024, July 17). Preliminary (Stage 1) alternatives analysis report: Motor vehicle tires containing N-(1,3-dimethylbutyl)-N′-phenyl-p-phenylenediamine (6PPD).
