Cao su thiên nhiên là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Cao su thiên nhiên là gì?

Cao su thiên nhiên là một loại polymer đàn hồi có nguồn gốc từ mủ của cây cao su, chủ yếu là Hevea brasiliensis. Đây là vật liệu có tính đàn hồi cao, bền cơ học tốt và có thể phân hủy sinh học, là thành phần chính trong sản xuất lốp xe, vật liệu y tế, và nhiều sản phẩm công nghiệp khác. Thành phần chính của cao su thiên nhiên là cis-1,4-polyisoprene, với công thức phân tử lặp lại là $(C_5H_8)_n$, trong đó $n$ có thể lên đến hàng nghìn đơn vị.

Mủ cao su là nhũ tương dạng sữa, chứa các hạt polymer cao su phân tán trong nước, cùng với một số thành phần phụ như protein, axit hữu cơ, enzym và các hợp chất vô cơ. Quá trình thu hoạch mủ và xử lý mủ để sản xuất cao su đòi hỏi kỹ thuật bảo quản và công nghệ lưu hóa để tạo thành vật liệu cao su sử dụng trong công nghiệp.

Lịch sử và nguồn gốc

Cây cao su có nguồn gốc từ vùng rừng nhiệt đới Amazon, nhưng được phổ biến và trồng rộng rãi ở Đông Nam Á vào cuối thế kỷ 19. Ngày nay, các nước như Thái Lan, Indonesia, Việt Nam và Malaysia là những quốc gia sản xuất cao su thiên nhiên lớn nhất thế giới. Việc khai thác cao su có vai trò kinh tế quan trọng tại các nước này và là mặt hàng xuất khẩu chiến lược.

Việc sử dụng cao su bắt đầu từ thời kỳ tiền Colombo tại châu Mỹ, khi các nền văn minh như Aztec và Maya dùng cao su để làm bóng chơi, bình chứa và các vật dụng khác. Ngày nay, công nghệ hiện đại đã cải tiến quá trình sản xuất, giúp tăng chất lượng và độ bền của cao su thiên nhiên.

Quy trình sản xuất cao su thiên nhiên

1. Thu hoạch mủ cao su: Cạo lớp vỏ bên ngoài thân cây để mủ chảy ra máng hứng. Việc cạo phải đúng kỹ thuật để tránh làm tổn hại đến cây và đảm bảo sản lượng mủ.
2. Bảo quản mủ: Mủ được thu và thêm chất chống đông tụ (thường là amoniac) để bảo quản ngắn hạn.
3. Đông tụ và làm sạch: Thêm axit (như axit formic) để làm đông tụ mủ, sau đó rửa sạch để loại bỏ tạp chất.
4. Cán mỏng và phơi khô: Cao su đông tụ được cán thành tấm và phơi khô dưới nắng hoặc sấy trong lò.
5. Lưu hóa: Bổ sung lưu huỳnh và các phụ gia để tạo liên kết chéo giữa các chuỗi polymer, giúp cao su tăng độ đàn hồi và ổn định cơ học. Quá trình này được phát minh bởi Charles Goodyear năm 1839.

Chi tiết quy trình lưu hóa có thể tham khảo tại ScienceDirect.

Đặc tính vật lý và hóa học

• Độ đàn hồi: Cao su thiên nhiên có thể kéo giãn từ 5 đến 8 lần chiều dài ban đầu và trở về hình dạng cũ khi không còn lực kéo.
• Độ bền kéo: Thường trong khoảng 17–25 MPa đối với cao su đã lưu hóa.
• Khả năng cách điện: Là chất cách điện tốt, dùng trong sản xuất thiết bị điện.
• Khả năng chống mài mòn: Cao su thiên nhiên có độ bền mài mòn rất cao, thích hợp cho các ứng dụng cơ học như lốp xe, dây curoa, ống dẫn.
• Khả năng phân hủy sinh học: Là một trong số ít polymer tự nhiên có thể phân hủy nhờ vi sinh vật trong điều kiện phù hợp.

Ứng dụng của cao su thiên nhiên

Cao su thiên nhiên được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sau:

• Giao thông vận tải: Sản xuất lốp xe, phanh xe, đệm giảm xóc, dây curoa.
• Y tế: Găng tay, ống tiêm, băng keo y tế, ống thông tiểu – nhiều sản phẩm yêu cầu tính vô trùng và độ đàn hồi.
• Gia dụng: Thảm, nệm cao su, gối ngủ, dép đi trong nhà.
• Công nghiệp: Ống dẫn nhiên liệu, gioăng, phớt, băng tải trong các nhà máy.

Theo báo cáo từ Statista, khoảng 70% lượng cao su thiên nhiên toàn cầu được sử dụng trong ngành sản xuất lốp xe.

Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm:

• Là vật liệu tái tạo, có khả năng phân hủy sinh học.
• Độ bền kéo và độ đàn hồi vượt trội.
• Giá thành cạnh tranh và quy trình sản xuất thân thiện với môi trường hơn cao su tổng hợp.

Nhược điểm:

• Không bền khi tiếp xúc với dầu mỏ, dung môi hữu cơ, ánh sáng UV hoặc ozone.
• Có thể gây dị ứng cho một số người do protein tự nhiên trong mủ.
• Phụ thuộc vào yếu tố khí hậu và chu kỳ sinh học của cây, dễ bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu.

Thị trường và triển vọng

Thị trường cao su thiên nhiên toàn cầu được ước tính đạt giá trị hơn 40 tỷ USD vào năm 2023 và tiếp tục tăng trưởng theo nhu cầu xe điện, thiết bị y tế và sản phẩm thân thiện môi trường. Các công nghệ sinh học mới đang được nghiên cứu nhằm tạo ra giống cây cho năng suất mủ cao hơn và kháng sâu bệnh tốt hơn.

Các công ty như Michelin hay Goodyear đã đầu tư vào chuỗi cung ứng cao su bền vững nhằm giảm phát thải carbon và tăng tính truy xuất nguồn gốc trong chuỗi giá trị nguyên liệu.

Kết luận

Cao su thiên nhiên là một vật liệu sinh học quan trọng và không thể thay thế trong nhiều ngành công nghiệp. Với đặc tính đàn hồi, bền cơ học, và khả năng phân hủy sinh học, nó đang trở thành lựa chọn ưu tiên trong bối cảnh phát triển kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, để phát triển bền vững, ngành cao su cần cải tiến công nghệ, ứng dụng công nghệ sinh học và phát triển chuỗi cung ứng thân thiện hơn với môi trường và người lao động.