Nghiên cứu xác định tác nhân kết nối silan để biến đổi bề mặt khoáng talc sử dụng làm phụ gia cho vật liệu polyme

Tùy thuộc vào lĩnh vực ứng dụng mà bột khoáng talc cần được biến tính bề mặt để tạo ra sự tương tác thích hợp của talc với các vật liệu nền lựa chọn.. - Xác định điều kiện biến đổi bề mặ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

GIA CHO VẬT LIỆU POLYME

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa công nghệ môi trường

Người hướng dẫn khoa học

PGS.TS NGÔ KẾ THẾ

HÀ NỘI – 2014

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Ngô Kế Thế người đã tận tình hướng dẫn em trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu tại phòng nghiên cứu Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KH & CN Việt Nam

Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ nghiên cứu của Phòng Vật liệu Polyme & Compozit đã giúp đỡ em trong suốt thời gian thực tập và thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Hóa học trường ĐHSP Hà Nội 2, các bạn sinh viên cùng nhóm đã tạo điều kiện giúp đỡ em để bản khóa luận này được hoàn thành

Trong quá trình nghiên cứu đề tài và bước đầu làm quen với nghiên cứu khoa học nên khóa luận của em khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 22 tháng 05 năm 2014

Sinh viên

Nguyễn Thị Hiền

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

CSTN: Cao su thiên nhiên 2

L2PC: Dạng đối xứng một nghiêng lăng trụ trực thoi 11

TOT: Lớp tứ diện – bát diện – tứ diện 12

PP: Nhựa Polypropylen 18

Pkl: Phần khối lượng 23

γ- MPTMS: γ- metacryloxypropyltrimetoxysilan 27

-APTMS: - aminopropyltrimetoxysilan 27

Si69: Bis-triethoxysilylpropyltetrasulfit 28

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam 31

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Cải thiện tính chất điện với tác nhân phân tán silan xử lý thạch anh

gia cường cho nhựa epoxy

Bảng 1.2: Thống kê sử dụng bột talc trong một số lĩnh vực khác nhau ở Hoa

Kỳ

Bảng 1.3: Thành phần tiêu chuẩn để xác định các tính chất cơ lý của CSTN

Bảng 2.1: Tính chất của nhựa epoxy YD-011X75

Bảng 2.2: Tính chất của chất đóng rắn KINGMIDE 315-L

Bảng 2.3: Chỉ tiêu kỹ thuật CSTN

Bảng2.4: Thành phần chế tạo mẫu cao su thiên nhiên

Bảng 3.1: Hàm lượng silan trên bề mặt khoáng talc

Bảng 3.2: Hàm lượng silan trên bề mặt bột talc biến đổi ở các nhiệt độ khác

nhau

Bảng 3.3: Hàm lượng silan trên bề mặt các mẫu bột talc biến đổi bề mặt

Bảng 3.4: Môđun đàn hồi vật liệu CSTN có 30% khoáng talc biến đổi bề mặt

bằng các silan khác nhau

Bảng 3.5: Độ bền kéo đứt mẫu compozit PP/talc

Bảng 3.6: Độ chuyển hóa nhóm epoxy của các lớp phủ có bột talc khác nhau

Bảng 3.7: Kết quả đo độ bám dính của các màng phủ

Bảng 3.8: Kết quả đo độ bền va đập của các màng phủ

Bảng 3.9: Kết quả đo độ bền uốn và độ cứng của các màng phủ

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Cơ chế phản ứng silan hóa trên bề mặt chất độn

Hình 1.2: Bề mặt chất độn sau khi được biến đổi bằng hợp chất silan

Hình 1.3: Chất độn được xử lý bề mặt bằng silan phân tán dễ dàng hơn trong

chất nền polyme

Hình 1.4: Cơ chế bảo vệ tái kết tụ các hạt chất độn của hợp chất silan

Hình 1.5: Các chất silan cho độ giảm giãn nở nhiệt lớn nhất và là tác nhân

phân tán tốt nhất

Hình 1.6: Cơ chế proton hóa phân tử silan

Hình 1.7: Cơ chế silan hóa bề mặt bột talc với sự có mặt của tác nhân axit

Hình 1.8: Cấu trúc khoáng vật talc

Hình 1.9: Talc dưới kính hiển vi SEM

Hình 1.10: Sự phân bố các mỏ talc trên thế giới

Hình 1.11: Ứng dụng talc trong các ngành công nghiệp khác nhau ở Hoa Kỳ

năm 2003

Hình 2.1: Phân bố kích thước khoáng talc

Hình 2.2: Máy cán 2 trục TOYOSEIKI

Hình 2.3: Máy ép thủy lực TOYOSEIKI

Hình 2.4: Máy cắt mẫu đo độ bền kéo đứt

Hình 2.5: Máy đo độ bền cơ lý

Hình 3.1: Giản đồ phân tích nhiệt DTA-TG mẫu talc Phú Thọ

Hình 3.2: Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu bột talc biến đổi bằng

metacrylsilan

Hình 3.3: Phổ FT-IR của γ-metacryloxypropyltrimetoxysilan

Hình 3.4: Phổ FT-IR của mẫu bột talc ban đầu

Hình 3.5: Phổ FT-IR của mẫu bột talc biến đổi với 1% γ- MPTMS

Hình 3.6: Độ hấp thụ dầu của các mẫu bột talc

Hình 3.7: Tính chất cơ lý của các mẫu vật liệu CSTN có chứa bột talc

Hình 3.8: Giản đồ ứng suất biến - dạng vật liệu CSTN có khoáng talc chưa

biến đổi bề mặt

Hình 3.9: Độ bền kéo đứt mẫu compozit PP/talc

Hình 3.10: Phổ FT-IR màng phủ epoxy có các bột talc biến đổi bằng các hợp

chất silan khác nhau

Hình 3.11: Độ bám dính của các màng phủ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 3

1 Hợp chất silan để biến đổi bề mặt khoáng talc 3

1.1 Hợp chất silan và vai trò của quá trình biến đổi 3

1.1.1 Hợp chất silan 3

1.1.2 Vai trò của quá trình biến đổi 3

1.2 Tác dụng của quá trình biến đổi 6

1.2.1 Tăng khả năng phân tán 6

1.2.2 Giảm độ nhớt 6

1.2.3 Giảm những hạn chế trong quá trình lưu hóa 7

1.2.4 Nâng cao tính chất điện 8

1.3 Các phương pháp biến đổi bề mặt bột talc 8

2 Bột talc 10

2.1 Thành phần, cấu trúc, tính chất 10

2.1.1 Thành phần 10

2.1.2 Cấu trúc 11

2.1.3 Tính chất 13

2.2 Quá trình hình thành talc 14

2.3 Ứng dụng 15

3 Vật liệu polyme 17

3.1 Lịch sử phát triển 17

3.2 Phân loại 18

3.2.1 Nhựa nhiệt dẻo 18

3.2.2 Nhựa nhiệt rắn 19

3.2.3 Cao su 22

Chương 2: THỰC NGHIỆM 24

2 HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Hóa chất 24

2.1.1 Vật liệu polyme 24

2.1.2 Khoáng talc 26

2.1.3 Hợp chất silan 26

2.2 Thiết bị và phương pháp nghiên cứu 27

2.2.1 Phương pháp biến đổi bề mặt khoáng talc 27

2.2.2 Phương pháp chế tạo mẫu có chứa talc 27

2.2.3 Xác định tính chất bề mặt khoáng talc bằng phổ hồng ngoại (IR) 30

2.2.4 Xác định hàm lượng silan trên bề mặt bột talc bằng phân tích nhiệt 31

2.2.5 Xác định độ ngấm dầu 31

2.2.6 Xác định độ cứng của vật liệu 31

2.2.7 Xác định tính chất cơ lý của vật liệu 32

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 Xác định điều kiện biến đổi bề mặt khoáng talc bằng hợp chất silan 34

3.1.1 Xác định nồng độ hợp chất biến đổi bề mặt khoáng talc 34

3.1.2 Xác định nhiệt độ phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc 36

3.1.3 Xác định thời gian phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc 37

3.2 Khảo sát tính chất của khoáng talc biến đổi bề mặt 37

3.2.1 Phổ hồng ngoại của khoáng talc 37

3.2.2 Độ hấp thụ dầu của khoáng talc 39

3.3 Xác định tác nhân kết nối silan của khoáng talc biến đổi bề mặt phù hợp với PP, CSTN và nhựa epoxy 41

3.3.1 Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với CSTN 41

3.3.2 Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với PP 44

3.3.3 Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với nhựa epoxy 45

3.3.3.1 Ảnh hưởng đến phản ứng đóng rắn 45

3.3.3.2 Ảnh hưởng đến tính chất cơ lý màng phủ epoxy 47

KẾT LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

MỞ ĐẦU

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, sự phát triển của ngành khoa học vật liệu đã cho chúng ta rất nhiều loại vật liệu khác nhau từ nhựa tổng hợp, polyme, kim loại, silicon,… nhưng vật liệu phổ biến nhất phải kể đến là vật liệu polyme Nhờ những tính chất đặc trưng vật liệu polyme đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực và ngành nghề khác nhau Nhưng bên cạnh đó phần lớn các vật liệu polyme có nhiều hạn chế như kém bền nhiệt, dễ bị phá hủy bởi tác nhân bên ngoài,… Chính vì vậy khi chế tạo thì người ta thường thêm vào các chất phụ gia Một trong các chất độn gia cường phổ biến là khoáng talc Talc trong các vật liệu polyme đã

có nhiều ảnh hưởng tích cực đến các tính chất của vật liệu Không chỉ làm cho quá trình gia công trở nên dễ dàng hơn, việc sử dụng bột talc còn đem lại nhiều tính chất quý cho sản phẩm Tuy nhiên, cũng như nhiều vật liệu vô cơ khác như sợi thủy tinh, mica, các oxit kim loại… talc thường tương tác bề mặt kém với các vật liệu polyme Khi sử dụng talc làm chất độn gia cường cho các loại vật liệu thì cần phải nâng cao độ tương tác giữa các pha để sản phẩm đạt được các tính năng cơ lý hóa cao Tùy thuộc vào lĩnh vực ứng dụng mà bột khoáng talc cần được biến tính bề mặt để tạo ra sự tương tác thích hợp của talc với các vật liệu nền lựa chọn

Trước thực tế đó, “Nghiên cứu xác định tác nhân kết nối silan để

biến đổi bề mặt khoáng talc sử dụng làm phụ gia cho vật liệu polyme” đã

được lựa chọn để làm khóa luận tốt nghiệp này của em

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp để biến đổi bề mặt khoáng talc

sử dụng làm phụ gia cho vật liệu polyme

3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

- Xác định điều kiện biến đổi bề mặt khoáng talc bằng các hợp chất silan

- Khảo sát tính chất của khoáng talc biến đổi bề mặt

- Xác định tác nhân kết nối silan của khoáng talc biến đổi bề mặt phù hợp với polyolefin, nhựa epoxy hay CSTN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1 HỢP CHẤT SILAN ĐỂ BIẾN ĐỔI BỀ MẶT KHOÁNG TALC

1.1 Hợp chất silan và vai trò của quá trình biến đổi bề mặt

1.1.1 Hợp chất silan

Phương pháp biến đổi bề mặt các chất độn nói chung bằng các hợp chất silan ngày càng trở nên phổ biến do có ưu điểm, đặc biệt là trong khả năng tăng cường tính chất của vật liệu

Các hợp chất silan là các hợp chất hóa học của nguyên tử silic với hợp chất hóa học đơn giản nhất là SiH4 (silan) Trong các hợp chất silan, nếu có chứa ít nhất 1 liên kết Si-C được gọi là các hợp chất silan hữu cơ

Tác nhân ghép nối silan là các hợp chất hóa học của nguyên tố silic có chứa hai nhóm hoạt động vô cơ và hữu cơ trên cùng một nguyên tử với cấu trúc điển hình của nó là:

(RO)3SiCH2CH2CH2-X Trong đó RO là nhóm có khả năng thủy phân như: metoxy, etoxy hay acetoxy,…và X là nhóm chức hữu cơ như: amino, metacryloxy, epoxy,…

Những nhóm này thể hiện vai trò chức năng khác nhau và có thể phản ứng lần lượt Một tác nhân ghép silan sẽ hoạt động ở bề mặt phân cách pha giữa chất vô cơ (như thủy tinh, kim loại hay khoáng chất) và một vật liệu hữu

cơ (như polyme hữu cơ, chất phủ hay chất kết dính) để liên kết hay ghép nối hai loại vật liệu không giống nhau này

Silan có thể thực hiện tương tác giữa các đế vô cơ như thuỷ tinh, kim loại hay khoáng chất với các vật liệu hữu cơ như cao su hay polyme tạo thành các liên kết hoá học hay kết nối khác

1.1.2 Vai trò của quá trình biến đổi bề mặt

Quá trình biến đổi bề mặt khoáng xảy ra qua bốn giai đoạn

 Đầu tiên 3 nhóm alkoxy bị thuỷ phân tạo ra các thành phần chứa silanol,

 Tiếp đó là quá trình ngưng tụ của các silanol thành oligome,

 Các oligome sau đó tạo liên kết hydro với các nhóm hydroxyl có trên bề mặt của chất nền,

 Cuối cùng là quá trình làm khô cùng với sự tách nước tạo thành các liên kết hóa trị giữa hợp chất silan với chất nền

Hình 1.1: Cơ chế phản ứng silan hóa trên bề mặt chất độn

Sau khi được biến đổi bề mặt, các chất độn hay chất màu sẽ xuất hiện các nhóm chức của phân tử silan trên bề mặt của chúng:

Hình 1.2: Bề mặt chất độn sau khi được biến đổi bằng hợp chất silan

Hợp chất silan trước hết được biết đến như là tác nhân làm cho quá trình tạo mẫu các vật liệu polyme có chứa các chất độn rắn vô cơ và chất màu trở nên dễ dàng và ổn định, các chất phân tán tốt hơn

Bề mặt của chất độn được chức hóa để cải thiện khả năng tương tác pha với chất nền polyme thông qua các tương tác hay các phản ứng hóa học giữa polyme và các nhóm chức trên phân tử silan Nhóm chức trên phân tử silan được lựa chọn để tương thích với chất nền polyme

Hình 1.3: Chất độn được xử lý bề mặt bằng silan phân tán dễ dàng hơn trong

chất nền polyme Việc xử lý chất độn bằng các hợp chất silan cũng tạo ra các lớp bảo vệ

để ngăn cản quá trình tái kết tụ của các hạt:

Hình 1.4: Cơ chế bảo vệ tái kết tụ các hạt chất độn của hợp chất silan

1.2 Tác dụng quá trình biến đổi bề mặt

Trong các lĩnh vực vật liệu cao su, sơn, nhựa, việc biến đổi bề mặt chất độn bằng các hợp chất silan sẽ có những tác dụng cơ bản sau:

1.2.1 Tăng khả năng phân tán

Sử dụng các tác nhân phân tán silan đưa đến sự cải thiện đáng kể khả năng phân tán của các chất độn và chất màu trong các hệ polyme

Các hợp chất alkoxysilan giống như Methyltrimethoxysilane - CH3Si(OCH3) sẽ tạo ra các lớp bảo vệ để giảm xuống thấp nhất khả năng tái kết tụ của các hạt chất độn và bịt kín ảnh hưởng của bề mặt đến tính chất lưu hóa và tính chất điện của nhựa

-Đối với các hệ nhựa nhiệt dẻo, việc cải thiện khả năng phân tán sẽ dẫn đến các kết quả:

- Nồng độ chất độn hay chất màu đưa vào hệ cao hơn

- Độ nhớt của vật liệu thấp hơn

- Khuyết tật trên bề mặt vật liệu thấp hơn

- Tính chất cơ lý tốt hơn

- Tính chắn sáng của các chất màu tốt hơn (ví dụ: TiO2)

Với các hệ nhựa rắn, khả năng phân tán của chất độn tốt hơn thường đưa đến kết quả làm giảm khả năng tạo bọt không khí trong sản phẩm, độ nhớt ở trạng thái lỏng thấp hơn Cho phép chảy dễ dàng hơn trong quá trình tạo mẫu và làm tăng khả năng sử dụng tỷ lệ các chất độn giá rẻ

1.2.3 Giảm những hạn chế trong quá trình lưu hóa

Các chất độn được biết có những ảnh hưởng ở những mức độ khác nhau đến hệ lưu hóa của nhựa nhiệt rắn, điều mà có thể hạn chế khả năng lưu hóa của chúng Việc sử dụng một hợp chất silan làm tác nhân phân tán có thể làm giảm những hạn chế trong quá trình lưu hóa do chất độn gây ra Các chất độn được xử lý bằng silan trong cả hai hệ polyeste và epoxy thường khắc phục được những hạn chế trong quá trình lưu hóa được xác định bởi nhiệt lưu hóa (biểu diễn trong hình dưới) Các chất silan là tác nhân phân tán tốt nhất thường cho nhiệt cao nhất

Hình 1.5: Các chất silan cho độ giảm giãn nở nhiệt lớn nhất và là tác nhân

phân tán tốt nhất

1.2.4 Nâng cao tính chất điện

Khả năng của các tác nhân phân tán silan tác động tăng cường tính chất điện được biểu diễn trong bảng dưới với nhựa epoxy được gia cường bằng chất độn thạch anh

Bảng 1.1 Cải thiện tính chất điện với tác nhân phân tán silan xử lý thạch anh

gia cường cho nhựa epoxy

Hệ Hằng số điện môi Hệ số tiêu hao

Khô Ướt* Khô Ướt*

Nhựa không có thạch anh 3.44 3.43 0.007 0.005 Thạch anh không xử lý 3.39 14.60 0.017 0.305 Thạch anh xử lý bằng Z-6040 3.40 3.44 0.016 0.024 Thạch anh xử lý bằng Z-6041 3.46 3.47 0.013 0.023

 sau 72h ngâm trong nước sôi

Trường hợp không có chất độn, nhựa epoxy có tính chất điện tốt, hằng

số điện môi và hệ số tiêu hao không thay đổi sau khi ngâm trong nước sôi 72h Tuy nhiên, khi thêm thạch anh, bề mặt ưa nước của thạch anh làm giảm rất nhiều tính chất điện trong quá trình ngâm trong nước sôi Với cả hai epoxysilan Z-6040 và aminsilan Z-6011, vật liệu độn thạch anh thể hiện tính chất điện tốt hơn nhiều

1.3 Các phương pháp biến đổi bề mặt bột talc

Để biến đổi bề mặt khoáng bằng các hợp chất silan, có ba phương pháp thông dụng đươc mô tả chung như sau (Power Chemical Corporation Limited, 2009):

Phương pháp ướt: được thực hiện bằng cách trộn hỗn hợp ướt của

chất độn vô cơ với một dung dịch loãng của hợp chất silan Phương pháp này

có thể biến đổi bề mặt của các chất độn vô cơ với một độ đồng đều cao

Phương pháp khô: cần một máy trộn có tốc độ cao để phân tán các tác

nhân ghép silan lên trên bề mặt vật liệu vô cơ Hợp chất silan thường được sử dụng tinh khiết hoặc dạng dung dịch đặc Phương pháp này thường được áp dụng khi phải xử lý bề mặt của một khối lượng lớn chất độn Phương pháp này chỉ cần thời gian ngắn và cũng giải phóng ít chất thải Tuy nhiên nó khó

có được độ đồng đều cao như phương pháp ướt

Phương pháp phun: Các tác nhân ghép silan được phun lên bề mặt

của chất độn có nhiệt độ cao thường diễn ra trong lò nung Phương pháp này

có thể rút ngắn thời gian vì bỏ qua giai đoạn sấy khô và quá trình thực hiện đơn giản hơn nhưng phải chú ý tới khả năng bắt cháy

Trong vai trò là chất độn hay chất gia cường trong lĩnh vực vật liệu polyme, talc phải được biến đổi bề mặt Việc sử dụng hợp chất silan xử lý talc nâng cao khả năng phân tán cũng như phẩm chất của vật liệu nhựa được gia cường bột talc

Lợi thế của bột talc được xử lý bằng hợp chất silan:

- Lợi thế cho quá trình gia công chế tạo:

+) Hàm lượng cho vào cao hơn

+) Sự hình thành các điểm chết thấp hơn

+) Tốc độ gia công nhanh hơn

+) Wider processing window

- Lợi thế cho sản phẩm:

+) Độ ổn định màu sắc tốt hơn

+) Tính chất quang và độ bóng cao hơn

+) Tính chất cơ cao hơn

Biến đổi bề mặt talc là một quá trình quan trọng Khác với một số chất độn gia cường khác như oxit silic, talc có đặc trưng kiềm nhẹ trong nước và quá trình biến đổi bề mặt phải có sự có mặt của một tác nhân có tính axit Khi tác nhân kết nối được sử dụng, các liên kết hóa học có thể được tạo ra trên bề mặt chất độn giữa các nhóm hydroxyl hay silanol và các nhóm alkoxy của tác nhân ghép nối

Hình 1.6: Cơ chế proton hóa phân tử silan

Hình 1.7: Cơ chế silan hóa bề mặt bột talc với sự có mặt của tác nhân axit

K2O, CaO,… hàm lượng các tạp chất thường chứa vài phần trăm Trong những tạp chất trên người ta lưu ý nhiều đến thành phần của các oxit kim loại nhóm d vì chúng có khả năng gây màu, gây màu mạnh nhất là FeO Nếu sử dụng talc làm nguyên liệu sản xuất gốm, sứ hay vật liệu chịu lửa thì người ta thường chọn talc có thành phần FeO nhỏ Màu của talc thường là màu xanh sáng, trắng hoặc xanh xám Nếu FeO lớn thì có màu trắng ngà hoặc phớt hồng

 Thành phần khoáng vật

Do nguồn gốc của talc được hình thành từ quá trình biến đổi nhiệt dịch

đá giàu magie, các đá silicat trầm tích, các đá cacbonat magie nên ngoài talc

Mg3Si4O10(OH)2 thì còn có các khoáng như: dolomit Mg.Ca(CO3)2; manhezit MgCO3; serpentin 4MgO.2SiO2.2H2O; manhetit Fe3O4; actinolit

Ca2Fe5[Si4O11]2.(OH)2; hemantit Fe2O3,…

Trong thực tế cùng họ khoáng silicat magie ba lớp có khoáng pyrophillit Al2O3.2SiO2.H2O mà trực quan và một số tính chất vật lý ứng dụng rất giống talc

2.1.2 Cấu trúc

Khoáng chất talc có cấu trúc tinh thể và có cấu trúc lớp

Cấu trúc lớp cơ bản của talc được tạo thành từ lớp bát diện Mg-O2/hydroxyl nằm kẹp giữa 2 lớp tứ diện SiO2

-Talc có cấu trúc tinh thể hệ mặt nghiêng, dạng đối xứng 2/m (L2PC) Mỗi ô mạng cấu trúc chứa 4 phân tử

Cấu trúc của talc được tạo nên từ tập ba lớp với mối liên kết phân tử giữa các tập [1, 2, 3] Lớp bát giác (hình 8 mặt) Mg(OH)2O4 phân bố giữa hai lớp tứ diện [Si4O10] Giữa các tập hay các phiến talc liên kết với nhau bằng các lực Van Der Waals, do vậy mà chúng rất dễ tách ra khỏi nhau

Trong talc, vị trí trong khoang bát diện do magie chiếm, thay chỗ của nhôm và không có chỗ trống (ba bát diện thay cho hai bát diện)

Khi các lớp TOT chồng lên nhau thì các vòng sáu tứ diện của chúng không đối nhau trực diện, mà lệch nhau một khoảng bằng 1/3 cạnh α của ô cơ

sở Mặt khác, vòng sáu cạnh tứ diện không đối xứng sáu phương, mà ba phương kép do các tứ diện tự xoay một góc quanh trục đứng Vậy, talc có cấu trúc như những loại cấu trúc như 1Tc (một lớp ba nghiêng), 2M (hai lớp một nghiêng) và 2O (hai lớp trực thoi) được thể hiện trên hình 1.8 [5,6]

Hình 1.8: Cấu trúc khoáng vật talc

Hình 1.9: Talc dưới kính hiển vi SEM

Tinh thể talc có dạng hình vẩy Thường tập hợp tạo các lá, vẩy hay khối sít đặc (hình 1.9) Do lực liên kết các vẩy nhỏ nên sờ tay có cảm giác mỡ

2.1.3 Tính chất

Trong các loại khoáng chất có trong tự nhiên, bột talc là loại bột mềm nhất (độ cứng 1 Mohs), có màu trắng sáng bóng, có khả năng giữ mùi thơm lâu và đặc biệt có độ sạch cao Tỷ trọng của bột talc dao động trong khoảng 2,5-2,8 g/cm3

Bề mặt chính hay bề mặt cơ sở trên các phiến cơ sở của talc không chứa các nhóm hydroxyl hay các ion hoạt động, điều này giải thích tính kỵ nước và trơ về mặt hóa học của talc

Talc không talc trong nước cũng như trong dung dịch axit hay bazo yếu

Khi nung talc có hiệu ứng nhiệt mạnh bắt đầu từ 9000C, thông thường

là 920-10600C nếu nung nóng trong môi trường không khí Ở khoảng nhiệt độ này talc bị mất nước hóa học tạo thành magie metasilicat [2, 7]:

3MgO.4SiO2.2H2O  3(MgO.SiO2) + 6SiO2 + H2O

Tạp chất Al2O3 và CaO làm giảm độ chịu lửa của sản phẩm FeO có trong nguyên liệu silicat magie sẽ bị oxi hóa ở nhiệt độ 500-6000C Ở nhiệt độ cao hơn nó sẽ phản ứng với forsterite để tạo metasilicat magie thao phản ứng:

2MgO.SiO2 + Fe2O3  MgO.SiO2 + MgO.Fe2O3

Sự oxi hóa sắt sẽ làm mủn sản phẩm đồng thời lại tiêu tốn MgO để biến thành 2MgO.SiO2 cho nên phải hạn chế oxit sắt trong nguyên liệu

Talc không bị phân hủy bằng axit trừ HF nó có thể sử dụng làm vật liệu chịu lửa forsterite theo phản ứng:

3MgO.4SiO2.2H2O + 5MgO  4[2MgO.SiO2] + H2O Talc nóng chảy ở 15000C

2.2 Quá trình hình thành khoáng talc

Talc là khoáng vật có nguồn gốc biến chất bao gồm cả biến chất tiếp xúc và biến chất khu vực và nguồn gốc biến đổi nhiệt dịch các đá phun trào mafic và siêu mafic chứa magie Khoáng vật này thường có mặt trong đá biến chất như một khoáng vật thứ sinh [9,10] Các phản ứng hình thành talc được công bố trong tài liệu của Deer et al [5]

Talc có thể được hình thành do biến đổi các khoáng vật giàu magie như serpentin, pyroxen, amphibol, olivin, với sự có mặt của carbonic và nước:

Serpentin + Carbon-dioxit  Talc + Magnesit + Nước

2 Mg3Si2O5(OH)4 + 3 CO2 = Mg3Si4O10(OH)2 + 3 MgCO3 + 3 H2O Các mỏ talc lớn trên thế giới ở Texas, Georgia và New York của Hoa Kỳ; The Piedmont, Lombardy và Sardinia của Italia; và vùng Luzenac của Pháp

Hình 1.10: Sự phân bố các mỏ talc trên thế giới

Bảng 1.2 : Thống kê sử dụng bột talc trong một số lĩnh vực khác nhau ở Hoa

Mỹ phẩm 17 5 10 16 Sơn 137 131 153 128 Giấy 115 110 124 143 Polyme 31 30 41 31 Mái lợp 41 40 61 51 Cao su 18 21 23 26 Khác 139 129 99 77 Tổng cộng 718 688 760 681 (Nguồn : U.S Geological Survey, 2006, 2007, 2008)

 Cao su

Talc làm giảm độ nhớt của các hợp chất cao su, do đó làm cho các bộ phận đúc và ép dễ dàng hơn Trong các chất nhồi và các loại đệm cao su, chúng cung cấp khả năng kháng nén tốt trong dây cáp điện, talc hoạt động như chất cách điện talc cũng giúp các nhà sản xuất lốp xe giảm độ dày lốp

 Chất dẻo

Talc dạng tấm được sử dụng để gia cố và độn cho cả thiết bị chịu nhiệt

và chất dẻo chịu nhiệt – chủ yếu là chất dẻo chịu nhiệt Talc được sử dụng

trong chất dẻo chịu nhiệt để kiểm soát sự chảy do nhiệt, sự dão nhiệt ở các bộ phận đúc, tăng chu kỳ đúc, tăng độ chênh lệch nhiệt và cải thiển sự ổn định các chiều tăng cao

3 VẬT LIỆU POLYME

3.1 Lịch sử phát triển

Vật liệu polyme thiên nhiên vốn có trong cơ thể động, thực vật nhưng polyme tổng hợp mãi tới nửu sau thế kỷ 19 mới ra đời mở đầu cho công nghiệp polyme là việc phát hiện dùng lưu huỳnh để lưu hóa cao su do Goodyear năm 1839 Năm 1869, Hyatt chế tạo những quả bóng bi-a đầu tiên bằng nitrrat xenlulo và đến năm 1909, Baekeland sản xuất nhựa phenolformandehyde Ở giai đoạn đầu này sản lượng vật liệu polyme tổng hợp chưa đáng kể đến khoảng những năm 30 của thế kỷ 20 vật liệu polyme tổng hợp mới được phát triển mạnh mẽ Vào thời gian này, các loại nhựa nhiệt dẻo tiêu chuẩn được đưa ra thị trường, đầu tiên là polystyren (PS) vào năm 1920, polyvinylclorid (PVC) vào năm 1927, polystyren tỷ trọng thấp (LDPE) năm 1933, polypropylen tỷ trọng cao (HDPE) năm 1953 và mãi tới năm 1963, polypropylen (PP) mới được đưa ra thị trường Tiếp theo đó, bên cạnh các loại polyme tiêu chuẩn, các vật liệu polyme kỹ thuật (các loại polyme biến tính, polyme tổ hợp có tính năng cao) ra đời Từ khoảng năm

1950 tốc độ tăng trưởng của vật liệu polyme là 15% mỗi năm Đến năm 1979 sản lượng vật liệu này đạt 60 triệu tấn/năm Cũng từ đó, tốc độ phát triển của vật liệu này đã chậm lại với mức tăng trưởng chỉ còn 5 – 6% mỗi năm Ở những nước có truyền thống phát triển tốt như Đức, Mỹ vẫn giữ được tốc độ phát triển khá cao (8-9% mỗi năm )[4]

Từ năm 2000 tới nay, ngành công nghiệp vật liệu polyme thế giới vẫn duy trì được tốc độ tăng trưởng khá cao với mức bình quân 9%/năm Tổng sản lượng năm 2002 khoảng 200 triệu tấn/năm, đến năm 2006 đã lên tới 245

triệu tấn và năm 2008 là 300 triệu tấn Trong đó, các nước EU cùng với Na

Uy và Thụy Sỹ đạt 65 triệu tấn (chiếm 25 % tổng sản lượng thế giới)

3.2 Phân loại vật liệu polyme

Người ta phân chia vật liệu polyme thành 3 nhóm vật liệu chủ yếu

 Polyme nhiệt dẻo (nhựa nhiệt dẻo): polypropylen…

 Polyme nhiệt rắn (nhựa nhiệt rắn): nhựa epoxy…

 Cao su: CSTN…

3.2.1 Nhựa nhiệt dẻo

Nhựa nhiệt dẻo điển hình là polypropylen

PP là một loại polyme và là sản phẩm của phản ứng trùng hợp monome propylen

Các vật liệu polyoefin có các tính năng cơ lý rất tốt ở nhiệt độ phòng Các vật liệu này tương đối cứng, có điểm nóng chảy cao, khối lượng riêng thấp và khả năng chống va đập tốt Một lý do nữa khiến polyolefin trở nên phổ biến là việc gia công tương đối dễ dàng và chi phí thấp [6]

Tuy nhiên, các sản phẩm từ polyoefin gặp phải một số vấn đề như dễ bị lão hóa do tác động của tia cực tím UV (tốc độ ôxy hóa tăng khi trong thành phần có lẫn các tạp chất kim loại), có khả năng cháy nhưng chậm, … Để khắc phục những nhược điểm này, người ta phải đưa vào vật liệu các chất gia cường khác nhau để tăng cường tính chất của vật liệu

Talc là một chất độn quan trọng cho nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo,

nó sử dụng chủ yếu để gia cường cho nhựa, đặc biệt là nhựa PP

Khi talc được gia cường cho các loại vật liệu polyolefin, nó làm tăng độ cứng, tăng khả năng bền nhiệt, nhiệt độ kết tinh của vật liệu tăng trong khi độ

co ngót của sản phẩm lại giảm xuống Talc cũng được sử dụng như một tác nhân tạo mầm kết tinh, hay một tác nhân bôi trơn trong quá trình gia công chế tạo vật liệu

Talc biến đổi bề mặt bằng tác nhân kết nối có thể phát huy tính năng riêng biệt nhất định mà nó có được

3.2.2 Nhựa nhiệt rắn

Nhựa nhiệt rắn điển hình là nhựa epoxy

Nhựa epoxy là nhựa phổ biến trong các lĩnh vực sơn chống ăn mòn, keo dán và compozit Trong đó nhựa trên cơ sở diphenyl propan (Bisphenol A) và epyclohydrin là loại nhựa phổ biến nhất (epoxydian); là sản phẩm trùng ngưng giữa Bisphenol A và epyclohydrin thông qua phản ứng kết hợp nối tiếp luân phiên của nhóm epoxy với nhóm hydroxylphenol và tái tạo nhóm epoxy nhờ khử clohydro để tạo thành nhựa có công thức chung [11, 13, 14]:

CH2

O

n = 0÷ 200 tùy thuộc vào điều kiện tiến hành phản ứng

Phản ứng tạo nhựa epoxy xảy ra theo 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Nhóm hydroxyl của diphenylol propan kết hợp với nhóm epoxy của epyclohydrin trong môi trường kiềm

CH3

CH3

O CH

Giai đoạn 2: Clohydrin glycol tạo thành chứa nhóm hydroxyl ở vị trí thứ 2 so với nguyên tử clo Với cách bố trí các nhóm chức như vậy, clohydro

dễ dàng tách ra và tạo thành nhóm epoxy mới theo cơ chế nucleofin của halogen bằng ion alcogolat

CH2

O

CH O

CH2

Phản ứng thu nhiệt: Q= -28,09 Kcal/mol

Glyxydylete Bisphenol A nhờ có nhóm epoxy sẽ phản ứng tiếp với nhóm hydroxyl của diphenylol propan: