Nghiên cứu tăng cường khả năng tương tác pha của khoáng talc với chất nền polypropylen

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC ********** MẠC THỊ THU NGA NGHIÊN CỨU TĂNG CƢỜNG KHẢ NĂNG TƢƠNG TÁC PHA CỦA KHOÁNG TALC VỚI CHẤT NỀN POLYPROPYLEN TÓM TẮT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Công nghệ Môi trường Người hướng dẫn khoa học: ThS NGUYỄN VIỆT DŨNG PGS TS NGÔ KẾ THẾ HÀ NỘI – 2015 Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu LỜI CẢM ƠN Khóa luận thực Phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme&Compozit, Viện khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Em xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc tới ThS Nguyễn Việt Dũng PGS.TS Ngô Kế Thế, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa Học Công Nghệ Việt Nam giao đề tài nhiệt tình hướng dẫn em suốt trình thực khóa luận Em xin chân thành cảm ơn anh chị Phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme Compozit bảo giúp đỡ em thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Hóa học trường Đại đại học Sư phạm Hà Nội cung cấp cho em kiến thức trình học tập để em hoàn thành khóa luận Quá trình thực khóa luận tốt nghiệp thời gian ngắn không tránh khỏi số sai sót Vì vậy, em mong nhận góp ý bảo thầy cô bạn sinh viên Em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 08 tháng 05 năm 2015 Sinh viên Mạc Thị Thu Nga Khóa luận tốt nghiệp Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng thầy hướng dẫn Các kết nghiên cứu, số liệu trình bày khóa luận hoàn toàn trung thực không trùng với kết tác giả khác Hà Nội, ngày 08 tháng 05 năm 2015 Sinh viên Mạc Thị Thu Nga Khóa luận tốt nghiệp Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH Danh mục bảng Bảng Tên bảng Trang Bảng 1.1 Tiêu chuẩn chất lượng talc theo ISO 3262 Bảng 1.2 Tiêu chuẩn số thương phẩm talc thị trường giới Bảng 1.3 Tiêu chuẩn chất lượng theo ISO (ISO 3262) 10 Bảng 1.4 Các lĩnh vực sử dụng quặng Talc sản xuất Mỹ 11 Bảng 1.5 Cải thiện tính chất điện với tác nhân phân tán silan xử lý thạch anh gia cường cho nhựa epoxy 21 Bảng 3.1 Thành phần hóa học khoáng talc 29 Bảng 3.2 Khối lượng suy giảm độ ngấm dầu mẫu talc biến đổi nồng độ khác 35 Bảng 3.3 Khối lượng suy giảm độ ngấm dầu mẫu talc biến đổi 37 Bảng 3.4 Khối lượng suy giảm độ ngấm dầu mẫu talc biến đổi 39 Danhmụccáchình Hình Tênhình Trang Hình 1.1 Cấu trúc khoáng vật talc Hình 1.2 Talc kính hiển vi điện tử quét SEM Hình 1.3 Một số quặng talc có màu khác Hình 1.4 Sự phân bố mỏ talc giới Hình 1.5 Ứng dụng talc ngành công nghiệp Hoa Kỳ năm 2003 2011 Hình 1.6 Cơ chế phản ứng silan hóa bề mặt chất độn 16 Hình 1.7 Bề mặt chất độn sau biến đổi hợp chất silan 17 Hình 1.8 Chất độn xử lý bề mặt silan phân tán dễ 17 Khóa luận tốt nghiệp Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu dàng chất polyme Hình 1.9 Cơ chế bảo vệ tái kết tụ hạt chất độn hợp chất silan 18 Hình 1.10 Sử dụng TiO2 xử lý bề mặt silan làm giảm % momen xoắn nồng độ chất đưa vào cao 20 Hình 1.11 Các chất silan cho độ giảm giãn nở nhiệt lớn tác nhân phân tán tốt 21 Hình 2.1 Thiết bị phân tích nhiệt STA 409 (Netzsch) 25 Hình 2.2 Máy SEM JSM-6490 27 Hình 2.3 Máy đo tính chất giãn dài 28 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột talc 30 Hình 3.2 Giản đồ phân tích nhiệt DTA-TG mẫu talc Phú Thọ 31 Hình 3.3 Cơ chế proton hóa phân tử silan 32 Hình 3.4 Cơ chế silan hóa bề mặt bột talc với có mặt tác nhân axit 32 Hình 3.5 Phổ FT-IR mẫu bột talc ban đầu 33 Hình 3.6 Phổ FT-IR mẫu bột talc biến đổi với 1% (a), 2% (b), 4% (c) 6% (d) hợp chất silan 34 Hình 3.7 Phổ FT-IR mẫu bột talc biến đổi bề mặt thời gian 0,5h (a), 1h (b), 2h (c) 8h (d) 36 Hình 3.8 Biểu diễn phổ hồng ngoại mẫu bột talc biến đổi dung dịch chứa 2% γ-MPTMS nhiệt độ 40°C, 60°C 90°C 38 Hình 3.9 Ảnh SEM mẫu vật liệu polypropylen chứa (a) bột talc ban đầu (b) bột talc biến đổi bề mặt 40 Hình 3.10 Độ bền giãn dài mẫu vật liệu polypropylen chứa 40% bột khoáng talc có biến đổi bề mặt 41 Khóa luận tốt nghiệp Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Khoáng chất talc đặc điểm 1.2 Đặc điểm nguồn gốc khoáng chất talc 1.3 Phân loại khoáng chất talc 1.4 Các ứng dụng khoáng chất talc 1.5 Tiềm khoáng chất talc 13 1.5.1 Tiềm khoáng chất talc giới 13 1.5.2 Tiềm khoáng chất talc Việt Nam 14 2.2 Cơ sở lý thuyết trình biến đổi bề mặt 14 2.2.1 Các đặc tính khoáng talc liên quan đến trình biến đổi bề mặt 14 2.2.2 Biến đổi bề mặt bột khoáng hợp chất silan 15 2.2.3 Biến đổi bề mặt bột talc 23 Chƣơng THỰC NGHIỆM 24 2.1 Nguyên vật liệu phương pháp nghiên cứu 24 2.1.1 Nguyên vật liệu 24 2.1.2 Phương pháp nghiên cứu thiết bị khảo sát 24 2.1.3 Nghiên cứu thử nghiệm khả gia cường khoáng talc cho vật liệu polypropylen 26 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Phân tích đánh giá bột talc Phú Thọ 29 3.1.1 Thành phần hóa học 29 3.1.2 Phân tích nhiệt bột talc 30 3.2 Nghiên cứu biến đổi bề mặt khoáng talc hợp chất silan 32 Khóa luận tốt nghiệp Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu 3.2.1 Ảnh hưởng nồng độ hợp chất silan đến phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc 33 3.2.2 Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến trình biến đổi bề mặt 36 3.2.3.Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến trình biến đổi bề mặt khoáng talc 38 3.3 Thử nghiệm khả gia cường khoáng talc biến đổi bề mặt với chất polypropylen 40 3.3.1 Hình thái bề mặt gẫy vật liệu 40 3.3.2 Độ bền giãn dài 41 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 Khóa luận tốt nghiệp Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Năm 2012, Bộ Công Thương nghiệm thu đề tài cấp nhà nước chế biến khoáng sản Talc vùng Phú Thọ Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam chủ trì thực Kết đề tài tạo sản phẩm bột khoáng talc chất lượng cao ứng dụng nhiều ngành công nghiệp khác Trong lĩnh vực cao su, sơn, vật liệu phủ đặc biệt lĩnh vực chất dẻo (PP, PE, EVA,…) talc chất gia cường có hiệu Không làm cho trình gia công trở nên dễ dàng hơn, việc sử dụng bột talc đem lại nhiều tính chất quý cho sản phẩm Tuy nhiên, nhiều vật liệu vô khác sợi thuỷ tinh, mica, oxit kim loại talc thường tương tác bề mặt với vật liệu polyme Khi sử dụng talc làm chất gia cường cho loại vật liệu polyme cần phải nâng cao độ tương tác pha để sản phẩm đạt tính lý hoá cao Tùy thuộc vào lĩnh vực ứng dụng mà bột khoáng talc cần biến tính bề mặt để tạo tương tác thích hợp talc với vật liệu lựa chọn Trong khuân khổ khóa luận tốt nghiệp, em thực đề tài “Nghiên cứu tăng cường khả tương tác pha khoáng talc với chất polypropylen” để biến đổi bề mặt khoáng talc Phú Thọ hợp chất γmetacryloxypropyltrimetoxysilannhằm nghiên cứu sâu điều kiện phản ứng biến đổi bề mặt, từ nâng cao khả tương tác pha chất độn khoángvới chất polypropylen, mở rộng ứng dụng loại bột khoáng loại vật liệu polyme kết cấu Khóa luận tốt nghiệp Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu Mục đ ch nghi n cứu Nghiên cứu biến đổi bề mặt bột khoáng talc hợp chất silan để tăng cường khả tương hợp với polypropylen Nhi m vụ nghi n cứu  Nghiên cứu, đánh giá đặc tính khoáng talc Phú Thọ  Nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện phản ứng đến trình biến đổi bề mặt khoáng talc  Đánh giá hiệu phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR, phân tích nhiệt TGA độ hấp thụ dầu  Thử nghiệm khả gia cường khoáng talc biến đổi bề mặt với chất polypropylen, đánh giá khả tương tác pha vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Khoáng chất talc đặc điểm Talc khoáng vật silicat lớp magie hydrat, có công thức Mg3Si4O10(OH)2 Cấu trúc talc bao gồm lớp bát diện magie liên kết kẹp hai lớp tứ diện silic (Hình 1.1) Các lớp đơn vị cấu trúc liên kết với lực liên kết yếu Van Der Waals, mà chúng dễ tách khỏi [1] Tinh thể talc kết tinh hệ ba nghiêng đơn nghiêng có hình thái dạng tấm, dạng hạt, dạng sợi (Hình 1.2) [2] Hình 1.1.Cấu trúc khoáng vật talc [1] Hình 1.2 Talc kính hiển vi điện tử quét SEM Talc đặc trưng độ mềm Trên thang độ cứng Mohs talc có độ cứng 1, thấp so với khoáng chất khác tự nhiên vạch móng tay lên Ngoài ra, talc mịn, cho cảm giác trơn bóng xà phòng (do “đá xà phòng” dùng để gọi loại đá biến chất có thành phần talc) Talc có tính chất cách điện, cách nhiệt, nhiệt độ nóng chảy cao, độ giãn nhiệt thấp, bền hóa học, hấp thụ dầu, kị nước, ưa hợp chất hữu diện tích bề mặt lớn [3,4] Khóa luận tốt nghiệp Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu mạnh, khoảng 4,32% khối lượng Sự khối lượng kèm với hiệu ứng thu nhiệt 9960C Ở khoảng nhiệt độ khối lượng giải phóng nước cấu trúc kèm với phân hủy talc Sự đề hyđroxyl hóa dẫn đến hình thành enstatite (MgSiO3) chuyển thành protoentatit silic đioxit vô định hình Mg3[(OH)2Si4O10]   3(MgO.SiO2) + SiO2 +H2O Cấu trúc tinh thể protoenstatite gần với cấu trúc talc Khi talc bị nước hai nhóm hydroxyl tạo thành phân tử nước, ion O2- lại chiếm chỗ mạng tinh thể hình thành cầu Si-O-Si Do hình thành chuỗi tứ diện [SiO4]4- chuyển cấu trúc lớp talc thành cấu trúc chuỗi protoenstatite Hình 3.2 Giản đồ phân tích nhiệt DTA-TG mẫu talc Phú Thọ Kết phù hợp với nghiên cứu Ewell, Avgustinik, Kronert [9] nhiều nghiên cứu khác Khóa luận tốt nghiệp 31 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu Từ kết phân tích đến kết luận, đề hyđroxyl mẫu talc nghiên cứu không khí bắt đầu khoảng 8000C phân hủy talc xảy nhanh khoảng 9000C - 10500C Từ 8000C đến 11000C talc 4,58% khối lượng, kết phù hợp với kết phân tích thành phần bột talc 3.2 Nghi n cứu biến đổi bề mặt khoáng talc hợp chất silan Biến đổi bề mặt talc trình quan trọng Khác với số chất độn gia cường khác oxit silic, talc có đặc trưng kiềm nhẹ nước trình biến đổi bề mặt hợp chất silan phải có mặt tác nhân có tính axit để tạo proton (hình 3.3) Khi tác nhân kết nối sử dụng, liên kết tạo bề mặt chất độn nhóm hydroxyl hay silanol nhóm silanol thủy phân từ nhóm alkoxy tác nhân ghép nối (hình 3.4) Hình 3.3 Cơ chế proton hóa phân tử silan Hình 3.4 Cơ chế silan hóa bề mặt bột talc với có mặt tác nhân axit Trong đề tài này, nghiên cứu biến đổi bề mặt talc loại hợp chất gamma-metacryloxypropyltrimetoxysilan với mục đích gia cường Khóa luận tốt nghiệp 32 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu cho vật liệu polypropylene Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), phương pháp phân tích nhiệt TGA độ hấp thụ dầu sử dụng để xác định kết phản ứng biến đổi bề mặt 3.2.1 Ảnh hưởng nồng độ hợp chất silan đến phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc Nồng độ hợp chất silan dung dịch biến đổi có ảnh hưởng lớn đến mức độ silan hóa bề mặt chất độn nói chung khoáng talc nói riêng Việc lựa chọn nồng độ hợp chất silan thích hợp phụ thuộc vào khả phản ứng hợp chất silan với bề mặt bột khoáng, kích thước hạt hay diện tích bề mặt chất độn Để xác định nồng độ hợp chất silan phù hợp cho trình biến đổi bề mặt, tiến hành khảo sát phản ứng nồng độ khác Hình 3.5 biểu diễn phổ hồng ngoại mẫu bột talc ban đầu Hình 3.5 Phổ FT-IR mẫu bột talc ban đầu Băng sóng hấp thụ 3676,84 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị liên kết nhóm OH không tạo liên kết hydro Nhóm hydroxyl có Khóa luận tốt nghiệp 33 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu tinh thể khoáng talc Liên kết Si-O-Si có dao động hóa trị đặc trưng vùng 1010 cm-1 Hình 3.6 biểu diễn phổ hồng ngoại mẫu bột talc biến đổi dung dịch chứa 1%, 2%, 4% 6% hợp chất silan Phản ứng diễn giờ, nhiệt độ phản ứng 30°C Dung dịch phản ứng điều chỉnh môi trường axit axit axetic để thúc đầy khả phản ứng a) b) c) d) Hình 3.6 Phổ FT-IR mẫu bột talc biến đổi với 1% (a), 2% (b), 4% (c) 6% (d) hợp chất silan Phổ hồng ngoại mẫu talc biến đổi với 1% γ-MPTMS xuất pic hấp thụ đặc trưng cho phân tử silan Các pic không xuất phổ đồ hồng ngoại mẫu bột talc ban đầu Băng sóng hấp thụ 2936 cm-1 đặc trưng cho liên kết C-H bão hòa có phân tử γ-MPTMS Băng sóng hấp thụ có đỉnh 1719 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị liên kết C=O Khóa luận tốt nghiệp 34 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu phân tử silan Ngoài ta thấy băng sóng hấp thụ yếu khoảng 1647 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị liên kết C=C Với xuất pic hấp thụ đặc trưng phân tử silan phổ đồ hồng ngoại thấy phản ứng hợp chất silan với bề mặt khoáng talc diễn Theo nghiên cứu cấu trúc khoáng talc, bề mặt hay bề mặt sở khoáng talc không chứa nhóm hydroxyl hay ion hoạt động, nhóm hydroxyl chủ yếu tập trung cạnh phiến sở Tuy nhiên, trình trượt lên phiến talc, bề mặt trở nên phân cực với liên kết Si-O, nhóm hydroxyl hình thành khoáng talc xử lý môi trường H+ Chính nhóm hydroxyl tham gia vào phản ứng với phân tử silan Nhìn vào phổ đồ hình 3.6 thấy tăng hàm lượng hợp chất silan dung dịch biến đổi khoảng nồng độ từ 1-4% hàm lượng hợp chất silan có bề mặt khoáng talc tăng mạnh Tuy nhiên, tăng nồng độ hợp chất silan đến 6% hàm lượng hợp chất silan bề mặt khoáng talc tăng không nhiều Điều khẳng định qua phép đo phân tích nhiệt độ ngấm dầu mẫu talc biến đổi bề mặt Bảng 3.2 Khối lượng suy giảm độ ngấm dầu mẫu talc biến đổi nồng độ khác Nồng độ hợp chất silan (%) Khối lượng suy giảm (%) 0,432 1,132 2,261 2,501 Độ ngấm dầu (ml/100g) 55 63 64 64 65 Kết đo độ suy giảm khối lượng cho thấy hàm lượng hợp chất silan có bề mặt khoáng talc tăng mạnh khoảng nồng độ biến đổi 1% đến 4%, hàm lượng này, hàm lượng chất biến đổi có tăng không đáng kể Bên cạnh đó, nghiên cứu trước với hàm lượng Khóa luận tốt nghiệp 35 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu chất biến đổi có bề mặt khoáng talc đạt khoảng 1% cho lớp phủ silan bền vững Do đó, trường hợp nồng độ hợp chất silan dung dịch biến đổi 2% phù hợp Độ ngấm dầu mẫu bột talc cho thấy thay đổi bột talc biến đổi bề mặt Tuy nhiên mẫu bột talc biến đổi hàm lượng hợp chất silan khác nhau, thay đổi không đáng tăng khoảng 16% so với mẫu bột talc chưa biến đổi bề mặt 3.2.2 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến trình biến đổi bề mặt Hình 3.7 biểu diễn phổ hồng ngoại mẫu bột talc biến đổi dung dịch chứa 2% γ-MPTMS nhiệt độ 30°C thời gian phản ứng 0,5 giờ, giờ, a) b) c) d) Hình 3.7 Phổ FT-IR mẫu bột talc biến đổi bề mặt thời gian 0,5h (a), 1h (b), 2h (c) 8h (d) Khóa luận tốt nghiệp 36 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu Phổ đồ hồng ngoại hình 3.7 cho thấy với thời gian phản ứng 0,5 (hình 3.7-a) không xuất pic đặc trưng cho phân tử hợp chất silan Với thời gian phản ứng ngắn, phân tử silan sau trình thủy phân chưa tạo cân qua liên kết hydro với bề mặt chứa nhóm hydroxyl khoáng talc Do chưa hình thành mạng lưới phân tử silan bao phủ bề mặt silan tạo điều kiện cho trình polyme hóa diễn Với thời gian phản ứng (hình 3.7-b), phổ đồ hồng ngoại mẫu bột talc biến đổi thấy xuất pic đặc trưng cho phân tử silan vùng 2900 cm-1 Tuy nhiên, cường độ pic đặc trưng nhỏ, cần tiếp tăng thêm thời gian phản ứng để phân tử silan tạo liên kết hydro ổn định dung dịch Khi tăng thời gian phản ứng lên (hình 3.7-c) có tăng đáng kể cường độ pic đặc trưng cho phân tử silan Tiếp tục có gia tăng cường độ pic đặc trưng cho phân tử silan tiếp tục tăng thời gian phản ứng lên (hình 3.7-d), nhiên gia tăng cường độ so với trường hợp tăng thời gian phản ứng từ lên Với thời gian phản ứng giờ, không thấy có tăng cường độ pic đặc trưng cho phân tử silan Bảng 3.3 trình bày kết phép đo phân tích nhiệt độ ngấm dầu mẫu bột talc biến đổi thời gian phản ứng khác Bảng 3.3 Khối lượng suy giảm độ ngấm dầu mẫu talc biến đổi Thời gian phản ứng (giờ) Khối lượng suy giảm (%) Độ ngấm dầu (ml/100g) 0,5 0,126 0,296 0,902 1,132 1,262 59 62 65 64 64 Khi tăng thời gian phản ứng, hàm lượng silan độ hấp thụ dầu tăng thời gian phản ứng thấp Với thời gian phản ứng cao hơn, hàm lượng hợp chất silan tăng mạnh độ hấp thụ dầu tăng nhẹ đạt tới trạng thái bão hòa Khóa luận tốt nghiệp 37 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu thời gian phản ứng với độ hấp thụ dầu vào khoảng 64-65 ml/100g Như vậy, với thời gian phản ứng phù hợp cho trình biến đổi bề mặt khoáng talc để tạo lớp phủ với hàm lượng 1,132% 3.2.3 Ảnh hƣởng nhi t độ phản ứng đến trình biến đổi bề mặt khoáng talc Hình 3.8 biểu diễn phổ hồng ngoại mẫu bột talc biến đổi dung dịch chứa 2% γ-MPTMS nhiệt độ 40°C, 60°C 90°C a) b) Hình 3.8 Phổ FT-IR mẫu bột talc biến đổi với 2% γ-MPTMS nhiệt độ 40°C (a), 60°C (b) 90°C (c) c) So sánh với mẫu bột talc biến đổi dung dịch 30°C (hình 3.6-b) nhiệt độ phản ứng tăng lên 40°C cường độ vạch phổ đặc trưng cho phân tử silan tăng nhẹ vạch phổ 2936 cm-1 1719 cm-1, điều cho thấy nhiệt độ có ảnh hưởng tới phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc Khi tăng nhiệt độ khoảng nhiệt độ thấp, trình thủy phân phân tử silan tăng lên, đồng thời thúc đẩy nhanh trình Khóa luận tốt nghiệp 38 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu tạo cân liên kết hydro nhóm hydroxyl bề mặt khoáng phân tử silan Khi tăng nhiệt độ phản ứng lên cao (hình 3.8-b 3.8-c), chuyển động nhiệt phân tử silan lớn hơn, phá vỡ cân liên kết hydro dung dịch dẫn đến suy giảm phân tử silan tạo liên kết với bề mặt khoáng talc, làm giảm hiệu suất trình biến đổi bề mặt Bên cạnh đó, phản ứng diễn nhiệt độ cao gia tăng phản ứng ngưng tụ để tạo oligome phân tử silan, điều làm giảm đáng kể hiệu suất trình biến đổi bề mặt Như vậy, phương pháp phổ hồng ngoại cho thấy rằng, phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc diễn tốt khoảng nhiệt độ thấp 30-40°C Ở khoảng nhiệt độ này, phản ứng nhóm silanol với bề mặt chứa nhóm hydroxyl khoáng talc thúc đẩy Bảng 3.4 trình bày kết đo độ suy giảm khối lượng độ ngấm dầu mẫu talc biến đổi bề mặt nhiệt độ phản ứng khác Bảng 3.4 Khối lượng suy giảm độ ngấm dầu mẫu talc biến đổi Nhiệt độ phản ứng (°C) Khối lượng suy giảm (%) 30 40 60 90 1,132 1,162 0,901 0,332 Độ ngấm dầu (ml/100g) 64 66 64 60 Có thể thấy tăng nhiệt độ phản ứng từ 30°C lên 40°C có tăng nhẹ khối lượng hợp chất silan bề mặt khoáng talc (1,132% lên 1,162%) Tuy nhiên, tăng nhiệt độ phản ứng lên 60°C hàm lượng hợp chất silan lại suy giảm nhiều xuống 0,901% Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ phản ứng lên 90°C khối lượng hợp chất silan có bề mặt khoáng talc 0,332% Mẫu bột talc biến đổi bề mặt nhiệt độ phản ứng 40°C có độ hấp thụ dầu cao với 66 ml/100g (tăng 20 % so với mẫu chưa biến đổi bề Khóa luận tốt nghiệp 39 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu mặt) Các kết hoàn toàn phù hợp với kết phổ FT-IR Nhiệt độ có ảnh hưởng tới phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc Phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc diễn tốt khoảng nhiệt độ thấp 30-40°C Ở khoảng nhiệt độ này, phản ứng nhóm silanol với bề mặt chứa nhóm hydroxyl khoáng talc thúc đẩy 3.3 Thử nghi m khả gia cƣờng khoáng talc biến đổi bề mặt với chất polypropylen 3.3.1 Hình thái bề mặt gẫy vật liệu Bột khoáng talc không biến đổi biến đổi bề mặt hợp chất γMPTMS với nồng độ dung dịch biến đổi 2%, nhiệt độ phản ứng 30°C, thời gian phản ứng 4h thử nghiệm khả tương tác pha với chất polypropylen Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) mô tả hình thái mẫu vật liệu polypropylen chứa 40% chất độn talc thể hình 3.9 a) b) Hình 3.9 Ảnh SEM mẫu vật liệu polypropylen chứa (a) bột talc ban đầu (b) bột talc biến đổi bề mặt Khóa luận tốt nghiệp 40 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu Nhìn vào hình thái bề mặt gẫy mẫu vật liệu polypropylen chứa bột talc chưa biến đổi bề mặt (hình 3.9-a) nhận thấy phân tách rõ hạt chất độn với chất nhựa polypropylen Điều thể tương tác pha chất độn chất Khả tương tác pha bột khoáng talc với chất cải thiện sử dụng chất biến đổi bề mặt (hình 3.9-b), chất polypropylen bám dính lên bề mặt phiến talc biến đổi 3.3.2 Độ bền giãn dài Độ bền giãn dài cho biết thông tin tương tác chất độn – chất phương pháp ưa thích đánh giá tính chất vật liệu Tương tác pha mạnh chất độn chất dẫn đến độ bền giãn dài vật liệu cao 038 Độ bền giãn dài (MPa) 37 036 35 33 31 29 27 25 PP/Talc PP/T2Mt Hình 3.10 Độ bền giãn dài mẫu vật liệu polypropylen chứa 40% bột khoáng talc có biến đổi bề mặt Như thể hình 3.10, tương tác pha cải thiện trường hợp bột khoáng talc biến đổi bề mặt (mẫu PP/T2Mt) có giá trị độ bền giãn dài cao so với trường hợp mẫu vật liệu chứa bột khoáng talc Khóa luận tốt nghiệp 41 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu không biến đổi bề mặt (mẫu PP/Talc) Kết rõ hiệu trình biến đổi bề mặt khoáng talc hợp chất silan làm tăng khả kết dính bề mặt chất độn với chất polypropylen, từ nâng cao độ bền giãn dài vật liệu compozit Khóa luận tốt nghiệp 42 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu KẾT LUẬN Talc có nhiều tính chất quí, sử dụng nhiều lĩnh vực, chủ yếu công nghiệp gốm sứ giấy Trong lĩnh vực y tế dược phẩm, bột Talc dùng không nhiều song lại quan trọng, thiếu bào chế thuốc viên Ngày bột Talc nghiên cứu ứng dụng nhiều công nghiệp sản xuất cao su chất dẻo để giảm giá thành để gia tăng độ bền kết cấu vật liệu Phản ứng biến đổi bề mặt bột khoáng talc tiến hành khảo sát nồng độ, nhiệt độ thời gian phản ứng khác Kết trình biến đổi bề mặt xác định phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier, phân tích nhiệt vi sai TGA độ ngấm dầu Hợp chất silan γ-metacryloxypropyltrimethoxysilan lựa chọn để tiến hành khảo sát Từ kết nghiên cứu bột khoáng talc xử lý tốt dung dịch chứa 2% hợp chất silan với thời gian phản ứng nhiệt độ 30°C để tạo lớp phủ silan có hàm lượng 1,132% độ ngấm dầu 64 ml/100g Thử nghiệm khả gia cường chất polypropylen thấy bề mặt khoáng talc biến đổi bề mặt kết dính tốt với chất so với trường hợp không biến đổi bề mặt Bên cạnh kết đo tính chất thể mẫu vật liệu có chứa khoáng talc biến đổi bề mặt có độ bền giãn dài mẫu vật liệu chứa khoáng talc không biến đổi bề mặt Khóa luận tốt nghiệp 43 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu TÀI LIỆU THAM KHẢO Ciullo, P.A (Ed.)(1996) Industrial minerals and their uses: a handbook and formulary Noyes Publications 640p Mineral Data Publishing (2001) Talc - Mineral Data Publishing, version 1.2 Agnello V.N (2005) Bentonite, pyrophyllite and talc in the Republic of South Africa 2004 Report R46 / 2005 http://www.dme.gov.za/publications Tomaino G.P (2005) Talc and Pyrophyllite Mining Enginerring, 57(6):57 Mondo Minerals http://www.mondominerals.com McCarthy E.F (2000) Talc Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Nguyễn Văn Nhân (2004) Các mỏ khoáng NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 197p Deer W.A., Howie R.A., Zussman J (2009) Rock-forming minerals Volume 3BLayered Silicates Excluding Micas and Clay Minerals 2nd edition The Geological Society Wikipedia (2010) The Free Encyclopedia URL: http://en.wikipedia.org/ 10 Bandford, A W., Aktas, Z., and Woodburn, E T (1998) Powder Technology, vol 98, pp 61-73 11 United States Geological Survey(2012),Mineral Commodity Summaries, January 2012 12 Tao Weiping, Su Dechen(1997) “Nonmetallic deposits in China, Proc 30th Tnternational Geological Congress, Vol.9, pp.291-299 13 Bùi Hữu Lạc, Nguyễn Văn Thắng, Hoàng Nga Đính (1989) Tìm kiếm Talc 1:50.000 vùng Ngọc Lập - Tà Phù, Thanh Sơn, Phú Thọ Báo cáo St.9 Cục Địa chất Khoáng sản Việt Nam 14 Trần Văn Trị (chủ biên) (2000) Tài nguyên khoáng sản Việt Nam Cục Địa chất Khoáng sản Việt Nam 214p 15 Nguyễn Văn Hạnh, Nguyễn Thị Thanh Huyền (2004) Một số kết thí nghiệm thăm dò sơ khả tuyển mẫu talc vùng Phú Thọ Viện Khoa học Vật liệu Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam 16 Trần Văn Trị & Vũ Khúc (chủ biên) (2009) Địa chất Tài nguyên Việt Nam NXB Khoa học Tự nhiên Công nghệ 589p Khóa luận tốt nghiệp 44 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu 17 U.S Geological Survey (2009a) U.S Geological Survey Minerals Yearbook 2008: Talc and Pyrophyllite U.S Geological Survey 18 U.S Geological Survey (2009b) Talc and Pyrophyllite statistics, in Kelly, T.D., and Matos, G.R., comps., Historical statistics for mineral and material commodities in the United States: U.S Geological Survey Data Series 140, http://pubs.usgs.gov/ds/2005/140/ (Accessed 8/2010) 19 U.S Geological Survey (2010) Talc and Pyrophyllite - Mineral Commodity Summaries, 2010 U.S Geological Survey 20 Rankin, Hill & Clark LLP, Colorant Composition For Skin Cosmetics, Foundation Containing The Same, And Method Of Makeup Application., Patentdocs 21 Katsuyama T., Tomomasa S., Hata H 2009 Colorant composition for skin cosmetics, foundation containing the same, and method of makeup application United States Patent Application 20090060856 22 Luzenac Group, http://www.luzenac.com 23 A guide to Silanes Solutions, from Dow Corning 24 Hydrophobicity, Hydrophilicity and Silane Surface Modification, Gelest, Inc 25 Silane Coupling Agents: Conecting Across Boundaries, Gelest, Inc 26 Selection Guide Famasil Silane Coupling Agents, Famasil Technology 27 P H Harding, J C Berg(1997) The adhesion Promotion Mechanism of Organofunctional Silanes, University of Washington, 1025 – 1033 28 Power Chemical Corporation Limited (2009) Silane Coupling Agents Guide SiSiB® SILANES http: //www.PCC.asia www.SiSiB.com 29 Al-Wakeel, M.I.(1996) Geology and beneficiation of some Egyptian talccarbonate roks Ph.D Thesis, AinShamsUniversity, Cairo, Egypt 30 Gushan Liu, Qiming Feng, Leming Ou, Yiping Lu, Guofan Zhang (2006) Adsorption of polysaccharide onto talc Minerals Engineering 19, 147 – 153 Khóa luận tốt nghiệp 45 Mạc Thị Thu Nga [...]... 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 1.8 Chất độn được xử lý bề... nóng chảy làm tăng độ chảy nhớt của chất hỗn hợp Độ nhớt tăng phụ thuộc vào nhiều thông số như: - Độ nhớt của polyme nóng chảy - Nồng độ chất độn - Khả năng kết dính giữa polyme và chất độn - Phân bố kích thước hạt chất độn Xử lý các hạt chất độn với silan làm cho khả năng của chất độn với polyme tốt hơn, giúp cho các chất độn phân tán tốt hơn và làm cho hỗn hợp có độ nhớt thấp hơn so với chất độn không... bột talc có khả năng che chắn tốt, đã làm gia tăng các tính chất của màng sơn như bền với các môi trường xâm thưc, bền hóa chất và chịu nhiệt Trên bề mặt các lớp của talc không có các nhóm hydroxyl, nhờ có đặc tính này mà talc ưa dầu hơn Độ hấp thụ dầu của talc cao hơn nhiều so với khoáng mica-sericit hay tro bay Như vậy bột talc có thể phân tán tốt trong nền polyme, tuy nhiên biến đổi bề mặt khoáng talc. .. hiện đề tài nghiên cứu này Do đó, đề tài nghiên cứu công nghệ chế biến khoáng chất talc Phú Thọ làm nguyên liệu cho ngành sản xuất ceramic, sơn, dược phẩm và hóa mỹ phẩm” tập trung vào nghiên cứu đối tượng quặng talc của vùng mỏ talc Thanh Sơn 2.2 Cơ sở lý thuyết quá trình biến đổi bề mặt [23-30] 2.2.1 Các đặc tính của khoáng talcliên quan đến quá trình biến đổi bề mặt Độ cứng của khoáng talc là thấp... giá từ 900 - 1.000 USD/ tấn hoặc hơn 1.5 Tiềm năng khoáng chất talc 1.5.1 Tiềm năng khoáng chất talc trên thế giới Theo thống kê của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ năm 2012 [11], trữ lượng talc của Hoa Kỳ là 615 triệu tấn Trữ lượng talc và pyrophyllit của một số nước như Brazil, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc cũng được thống kê trong báo cáo này với các con số tương ứng là 420 triệu, 650 triệu, 360 triệu,... không thể bỏ qua để nâng cao chất lượng của vật liệu Các nhóm hydroxyl tồn tại ở các cạnh phía bên của các lớp khoáng talc với mật độ không cao nên việc biến đổi bề mặt của talc gặp nhiều khó khăn 2.2.2 Biến đổi bề mặt bột khoáng bằng các hợp chất silan 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... tới khả năng bắt cháy Khóa luận tốt nghiệp 22 Mạc Thị Thu Nga Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu 2.2.3 Biến đổi bề mặt bột talc 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 talccó thể nâng cao khả năng phân tán cũng như phẩm chất của vật liệu nhựa được gia cường bột talc Lợi thế của. .. gốc khoáng chất talc Talc là khoáng vật có nguồn gốc biến chất bao gồm cả biến chất tiếp xúc và biến chất khu vực, 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 [7, 5] Các phản ứng hình thành talc được công bố trong tài liệu của Deer et al [8] Talc có thể được hình thành do biến đổi các khoáng. .. liệu - 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 b Giảm độ nhớt Quá trình đưa chất độn vào... dầu lanh đã sử dụng - Độ ngấm dầu của bột talc được tính là số ml dầu lanh vừa đủ thấm ướt hoàn toàn 100g bột sang sạng past Số ml dầu lanh sử dụng Độ ngấm dầu = x 100 Số gam bột talc 2.1.3 Nghiên cứu thử nghiệm khả năng gia cường khoáng talc cho vật liệu polypropylen 2.1.3.1 Phương pháp chế tạo mẫu vật liệu compozit polypropylen /talc Vật liệu compozit polypropylen /talc được chế tạo bằng phương pháp ... n cứu Nghiên cứu biến đổi bề mặt bột khoáng talc hợp chất silan để tăng cường khả tương hợp với polypropylen Nhi m vụ nghi n cứu  Nghiên cứu, đánh giá đặc tính khoáng talc Phú Thọ  Nghiên cứu. .. polypropylen chứa bột talc chưa biến đổi bề mặt (hình 3.9-a) nhận thấy phân tách rõ hạt chất độn với chất nhựa polypropylen Điều thể tương tác pha chất độn chất Khả tương tác pha bột khoáng talc. .. bột khoáng talc cần biến tính bề mặt để tạo tương tác thích hợp talc với vật liệu lựa chọn Trong khuân khổ khóa luận tốt nghiệp, em thực đề tài Nghiên cứu tăng cường khả tương tác pha khoáng talc