Nghiên cứu biến đổi bề mặt khoáng mica bằng các hợp chất silan

Phần lớn các nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng bột khoáng Mica đã được xử lý bề mặt, các tính chất cơ lý như độ bền kéo, độ bền uốn tăng lên, độ bền va đập không giảm hoặc tăng lên chút í

TRẦN THẢO OANH

NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔI BỀ MẶT

KHOÁNG MICA BẰNG CÁC HỢP CHẤT

SILAN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa Công nghệ Môi trường

Người hướng dẫn khoa học

TS NGÔ KẾ THẾ

HÀ NỘI - 2011

LỜI CẢM ƠN

Khoá luận này được thực hiện tại Viện khoa học Vật liệu- Viện

KH&CN Việt Nam

Em xin chân thành cảm ơn TS Ngô Kế Thế Viện khoa học Vật liệu-

Viện KH&CN Việt Nam đã nhiệt tình, tận tâm hướng dẫn em trong suốt quá

trình thực hiện khoá luận này

Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ công nhân viên trong Phòng

nghiên cứu Vật liệu polyme và compozit đã chỉ bảo, tạo điều kiện thuận lợi để

em thực hiện các phần việc ở phòng thí nghiệm trong quá trình thực tập và

làm khóa luận

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Hoá học trường

ĐHSP Hà Nội 2 đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản trong quá trình

học tập để em có thể hoàn thành khoá luận này

Quá trình thực hiện khoá luận tốt nghiệp trong thời gian ngắn, không

tránh khỏi có sai xót, em rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo của các thầy

cô và các bạn sinh viên

Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2011

Sinh viên

Trần Thảo Oanh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết

quả nghiên cứu, số liệu được trình bày trong khoá luận là hoàn toàn trung

thực và không trùng với các kết quả khác

Tác giả: Trần Thảo Oanh

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH

1 Danh mục các bảng

- Bảng 2.1: Thành phần hoá học của mica nghiên cứu

- Bảng 3.1: Độ bền kéo đứt vật liệu PP/Mica biến đổi bề mặt bằng các

hợp chất silan khác nhau ở nồng độ 2%

2 Danh mục các hình

- Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể mica

- Hình 1.2: Sự bóc lớp trong tinh thể muscovit

- Hình 1.3: Quá trình khuyếch tán môi trường ăn mòn qua lớp sơn bảo

vệ có pigment đẳng hướng (A) và không đẳng hướng- mica(B)

- Hình 1.4: Phân tử hữu cơ (a) và phân tử silan (b)

(a) Hợp chất của cacbon

(b) Hợp chất của silic

- Hình 2.1: Phân bố hạt mica nghiên cứu

- Hình 2.2: Máy phổ hồng ngoại FT-IR

- Hình 2.3: Chày và cối mã não

- Hình 2.4: Máy ép thuỷ lực

- Hình 2.5: Máy đo độ bền cơ lý

- Hình 2.6: Thiết bị phân tích nhiệt

- Hình 3.1: Phổ FT-IR của khoáng mica ban đầu

- Hình 3.2: Phổ FT-IR của khoáng mica biến đổi bề mặt với 2% hợp

chất silan 3-APTMS

- Hình 3.3: Phổ FT-IR của khoáng mica biến đổi với hợp chất silan

được axit hoá

- Hình 3.4: Phổ FT-IR của khoáng mica biến đổi với hợp chất silan

không được axit hoá

- Hình 3.5: Phổ FT-IR của khoáng mica biến đổi bề mặt bằng

3-APTMS 2% trong ethanol sau khi sấy khô ở 50oC

- Hình 3.6: Phổ FT-IR của khoáng mica biến đổi bề mặt bằng

3-APTMS 2% trong ethanol rửa trước khi sấy khô ở 50oC

- Hình 3.7: Phổ FT-IR của khoáng mica biến đổi bề mặt với

3-APTMS 2% trong ethanol bằng phương pháp khối

- Hình 3.8: Phổ FT-IR của khoáng mica biến đổi bề mặt với 3-

APTMS 2% trong ethanol

- Hình 3.9: Giản đồ phân tích nhiệt của mica ban đầu chưa biến đổi bề

mặt

- Hình 3.10: Giản đồ phân tích nhiệt của mica được xử lý trong 4h ở

dung dịch 1% silan, môi trường axit

- Hình 3.11: Ảnh hưởng của hàm các chất silan khác nhau đến độ bền

kéo đứt vật liệu PP/ Mica

- Hình 3.12: Ảnh SEM vật liệu PP/ Mn

- Hình 3.13: Ảnh SEM vật liệu PP/ Mta

- Hình 3.14: Ảnh SEM vật liệu PP/ Mtv

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 3

1.1 TÌM HIỂU VỀ KHOÁNG MICA 3

1.1.1 Lịch sử phát triển 3

1.1.2 Thành phần, cấu trúc 4

1.1.2.1 Thành phần 4

1.1.2.2 Cấu trúc 5

1.1.3 Tính chất 7

1.1.3.1 Hình thái mica và các ảnh hưởng 7

1.1.3.2 Tỷ lệ bề mặt và các ảnh hưởng 8

1.1.3.3 Màu sắc và các ảnh hưởng 9

1.1.3.4 Các tính chất quan trọng khác của mica 9

1.1.4 Ứng dụng 10

1.1.5 Nghiên cứu ứng dụng mica để gia cường cho các vật liệu polyme 13

1.1.5.1 Trên thế giới 13

1.1.5.2 Ở Việt Nam 17

1.2 BIẾN ĐỔI BỀ MẶT KHOÁNG MICA 19

1.2.1 Sự cần thiết phải biến đổi bề mặt 19

1.2.2 Hợp chất silan 19

1.2.3 Biến đổi bề mặt khoáng mica bằng các hợp chất silan 23

Chương 2: THỰC NGHIỆM 30

2.1 NGUYÊN VẬT LIỆU 30

2.1.1 Hợp chất silan 30

2.1.2 Khoáng mica 30

2.1.3 Polypopylen (PP) 32

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.2.1 Biến đổi bề mặt khoáng mica 32

2.2.2 Chế tạo vật liệu compozit PP/mica 32

2.2.3 Phổ FT-IR 33

2.2.4 Xác định tính chất cơ lý của vật liệu compozit PP/mica 35

2.2.5 Xác định cấu trúc pha của vật liệu compozit PP/mica 36

2.2.6 Xác định mức độ silan hoá mica bằng phân tích nhiệt 37

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔI BỀ MẶT MICA BẰNG CÁC HỢP CHẤT SILAN 38

3.1.1 Ảnh hưởng của môi trường phản ứng 40

3.1.2 Ảnh hưởng của quá trình polyme hoá silan đến độ bền của lớp bề mặt biến đổi 42

3.1.3 So sánh mức độ silan hoá bề mặt mica bằng phương pháp dung dịch và phương pháp khối 44

3.1.4 Xác định mức độ silan hoá mica bằng phân tích nhiệt 46

3.2 THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG GIA CƯỜNG CỦA MICA BIẾN ĐỔI BỀ MẶT CHO VẬT LIỆU PP 48

3.2.1 Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu PP/mica 51

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Mica là một loại khoáng có sẵn ở Việt Nam đang được quan tâm khai

thác, chế biến và ứng dụng trong mọi lĩnh vực Sử dụng Mica làm chất độn

gia cường trong công nghiệp cao su và chất dẻo là lĩnh vực đã và đang được

các nhà khoa học quan tâm đặc biệt

Nhờ các công trình nghiên cứu điều tra và công nghệ tuyển, nhiều sản

phẩm mica, đặc biệt dưới dạng sericit đã dần trở thành thương phẩm Mica

cũng như các chất độn vô cơ khác trong thành phần vật liệu polyme cần phải

biến đổi bề mặt để tăng khả năng tương tác với polyme nền

Bề mặt mica ở dạng phiến trơn nhẵn, có thể biến đổi bằng nhiều

phương pháp khác nhau để tăng diện tích bề mặt, tăng cường các nhóm chức

hữu cơ Phương pháp thông dụng và có hiệu quả là phủ lên bề mặt mica một

lớp các hợp chất silan gọi là tác nhân ghép nối

Các hợp chất silan là các hợp chất hoá học của nguyên tử silic với hợp

chất hoá học đơn giản nhất là SiH4 (silan) Trong các hợp chất silan, nếu có

chứa ít nhất một liên kết Si-C được gọi là các hợp chất silan hữu cơ

Phần lớn các nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng bột khoáng Mica đã

được xử lý bề mặt, các tính chất cơ lý như độ bền kéo, độ bền uốn tăng lên,

độ bền va đập không giảm hoặc tăng lên chút ít, vật liệu được gia cường mica

được xử lý bề mặt có độ thẩm thấu được cải thiện

Với cách tiếp cận như trên, đề tài “Nghiên cứu biến đổi bề mặt bột

khoáng Mica bằng các hợp chất silan” đã được lựa chọn để làm luận văn tốt

nghiệp Đề tài có tính thời sự trong hướng quan tâm chung của Nhà nước về

nâng cao hiệu quả khai thác, chế biến và ứng dụng tài nguyên môi trường

Nhất là trong bối cảnh suy thoái kinh tế toàn cầu, việc sử dụng hợp lý nguyên

liệu có trong nước với giá thành hạ đang được các nhà sản xuất quan tâm

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu biến đổi bề mặt bột khoáng Mica bằng các hợp chất silan

để tăng cường khả năng tương hợp của các polyme nền

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hợp chất silan đến phản ứng

biến đổi bề mặt

 Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường phản ứng đến khả năng silan

hóa bề mặt khoáng Mica

 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình polyme hóa đến độ bền lớp

phủ bề mặt khoáng Mica

 Xác định hàm lượng lớp phủ hợp chất silan trên bề mặt khoáng

Mica

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TÌM HIỂU VỀ KHOÁNG MICA

1.1.1 Lịch sử phát triển

Ngay từ những ngày đầu tiên, các chất độn dạng hạt đã đóng vai trò

sống còn đối với các ứng dụng thương mại của vật liệu polyme Đầu tiên,

chúng được xem như các chất pha loãng để giảm giá thành, do đó có tên là

chất độn Tuy nhiên, những khả năng và lợi ích của chúng đã sớm được

nhận ra, và ngày nay được sử dụng với rất nhiều các mục đích khác nhau

Thuật ngữ chất độn chức năng thường được sử dụng để mô tả các vật liệu

không chỉ để giảm giá thành mà còn cải thiện nhiều tính chất của chất nền,

nên còn được gọi là các chất gia cường

Muội than là chất độn gia cường được sử dụng rộng rãi nhất trong

công nghiệp polyme, nhờ các đặc trưng lý-hóa cũng như khả năng ứng

dụng mà nó mang lại cho cao su lưu hóa Tuy nhiên, tính không ổn định

của giá dầu mỏ đã làm gia tăng các quan tâm đến các khoáng tự nhiên

khác, như các hợp chất của oxit silic

Năm 1950, oxit silic điều chế bắt đầu được sử dụng làm chất độn gia

cường cho các sản phẩm cao su Năm 1976, Wagner đã nghiên cứu kỹ việc

sử dụng oxit silic và silicat trong cao su và nhận thấy rằng, với sự có mặt

các thành phần này một số tính chất đặc trưng của vật liệu đã được cải

thiện như sự kháng rách, tính mềm mại, kháng mài mòn, cách nhiệt, tăng

độ cứng, môđun đàn hồi, tích nhiệt thấp, tính đàn hồi cao và màu sắc không

được thể hiện rõ rệt Cùng với sự thay đổi công nghệ trong quá trình sản

xuất, cần phải thực hiện xử lý bề mặt chất độn bằng nhiều cách như: xử lý

nhiệt trong quá trình trộn hợp với cao su, xử lý nhiệt với sự có mặt của các

chất hoạt hóa hay việc sử dụng các tác nhân ghép nối (titanat, silan)

Tuy nhiên, việc sử dụng oxit silic đã làm tăng giá thành sản phẩm

Trong nhiều trường hợp, giá thành của sản phẩm tăng lên đáng kể, do đó

người ta phải kết hợp sử dụng các chất độn khoáng khác như sét, đá vôi

(CaCO3) Điều này lại làm giảm các tính năng kỹ thuật của sản phẩm

Mica là khoáng vật tự nhiên, trong đó hàm lượng oxit silic chiếm

thành phần chủ yếu Cùng với các đặc trưng về hình dạng, khoáng vật này

ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là sử dụng làm

chất độn gia cường trong công nghiệp cao su và chất dẻo Mica trong các

vật liệu polyme đã có nhiều ảnh hưởng tích cực đến các tính chất của vật

liệu

1.1.2 Thành phần, cấu trúc

1.1.2.1 Thành phần

Trong thương mại, mica được hiểu là các silicat nhôm và kali có chứa

nhóm hydroxyl dưới hai dạng: 1 Muscovite có công thức KAl2AlSi3O10(OH)2

và Phlogopite có công thức KMg3AlSi3O10(OH)2

Sericit là dạng thù hình ẩn tinh (vi tinh thể) của mica, có các đặc tính

chung của mica nên nhiều khi được viết là mica-sericit Công thức hóa học

của mica là KAl2(OH)2(AlSiO10) với thành phần là: SiO2= 43,13- 49,04%;

Al2O3= 27,93- 37,44%; K2O+ Na2O= 9- 11%; H2O= 4,13-6,12%

Mica có đặc tính chung của muscovit như:

- Tinh thể đơn tà, cấu trúc lớp (của các tứ diện Al-Si-O)

- Độ cứng (theo bảng Mohr): 2-3

- Tỷ trọng: 2,5 đến 3,2g/cm3, đặc trưng là 2,82

- Có khả năng phân tấm mỏng hoặc rất mỏng, tỷ lệ đường kính bề

mặt/ độ dày > 80, độ mịn cao

- Dễ uốn, dẻo (modul đàn hồi vào khoảng 1500- 2100 Mpa)

- Trong suốt đến trong mờ, có tính ánh kim trên bề mặt

- Màu trắng, vàng nâu, (muscovit có thể có màu đỏ nâu rubi)

- Chịu nhiệt cao tới 600 đến 11000C, dẫn nhiệt kém (hệ số dẫn

nhiệt vào khoảng 0,419- 0,670 W/m.K) Nhiệt dung riêng là 0,8kJ/kg.K,

cách điện tốt ( độ bền điện 200kV/mm)

- Bền hoá chất, trơ với dung dịch kiềm và axit

- Không thấm nước

- Chống tia UV tốt

Mica có thành phần và cấu trúc tương tự kaolinit nên có một số tính

chất của sét như dễ phân tán trong nước và trong dung môi hữu cơ

1.1.2.2 Cấu trúc

Tinh thể mica có cấu trúc lớp, bao gồm 3 lớp: 1 lớp bát diện được

kẹp giữa hai lớp tứ diện giống nhau, với các đỉnh của cả hai lớp tứ diện

hướng vào trong Hai lớp tứ diện liền kề chung nhau nguyên tử oxy tạo ra

mạng lưới 6 cạnh Các nhóm hydroxyl tự do cùng với các nguyên tử oxy ở

đỉnh tạo thành mặt phẳng chung nối giữa các lớp tứ diện và bát diện Ở lớp

tứ diện, cứ 4 nguyên tử Si hóa trị 4 thì có một nguyên tử được thay thế

bằng một nguyên tử Al hóa trị 3 làm mất cân bằng điện tích ở mặt này

Điện tích âm của lớp này được cân bằng bởi 1 lớp các ion K+

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể mica

Các ion K+ nằm ở các hốc trống vòng sáu cạnh oxy trên bề mặt cơ sở

của tứ diện Si3Al Mica có thể bóc tách dọc theo mặt phẳng của lớp ion K+

Điều này là do các liên kết hóa trị trong các lớp của nhôm silicat bền vững

hơn các liên kết ion giữa các lớp Chính vì vậy, mica có thể bóc tách dễ

dàng giữa các lớp có bề mặt nhẵn bóng

Bề mặt của mica bao gồm các nguyên tử oxy được liên kết cộng hóa

trị với các nguyên tử silic (75%) và các nguyên tử nhôm (25%) Không có

nhóm hydroxyl nào trên bề mặt Các nguyên tử oxy được sắp xếp tạo thành

các hốc trống với diện tích vào khoảng 0,18 nm2 và có một nhóm hydroxyl

ở vị trí thấp hơn khoảng 0,17 nm Các ion K+ chiếm các hốc trống trong

tinh thể

Lớp bát diện

Lớp tứ diện

Lớp tứ diện

Hình 1.2: Sự bóc lớp trong tinh thể muscovit

Khi mica được cho vào trong nước, các ion K+ tách ra từ bề mặt Do

mật độ điện tích trên bề mặt cao, nên phần lớn các ion K+ tập trung ở các vị

trí gần với bề mặt của mica Tuy nhiên dưới điều kiện thích hợp các ion K+

có thể trao đổi một cách định lượng với các ion khác

1.1.3 Tính chất

1.1.3.1 Hình thái mica và những ảnh hưởng

Mica được đặc trưng bởi hình dạng phiến, dẹt và có thể bóc tách dễ

dàng Điều này cho phép có thể phân chia hay bóc tách thành các hạt có tỷ

lệ bề mặt/chiều dày cao từ mỏng đến rất mỏng, bền chắc và mềm dẻo Các

mảnh thủy tinh cũng có hình dạng dẹt với tỷ lệ bề mặt cao Nhưng với bản

chất dễ vỡ, các mảnh thủy tinh rất khó có thể tạo hình và trộn hợp với

polyme như mica

Hình dạng dẹt độc đáo của mica rất có lợi khi đưa chúng vào trong

các vật liệu khác nhau Do kích thước chiều dài và chiều rộng là tương

đương, chiều dày rất nhỏ nên mica là chất gia cường nhị phương giúp cho

độ co ngót của sản phẩm về cơ bản không thay đổi khi tạo hình Sợi thủy

tinh và vật liệu dạng sợi giống như wollastonit có sự khác nhau rất lớn về

kích thước chiều dài và chiều rộng Vì thế, các sợi có xu hướng sắp xếp

theo hướng song song với nhau cùng với quá trình chế tạo vật liệu Sự định

hướng này gây ra sự khác nhau đáng kể về độ co ngót theo chiều ngang và

chiều dọc dẫn đến sự cong vênh của sản phẩm Khi thêm mica vào trong

vật liệu polypropylen độn sợi thủy tinh đã làm giảm đáng kể phần sản

phẩm cong vênh Khi có mặt mica, sản phẩm co ngót đồng đều hơn, tổng

sự co ngót giảm đi và được xác định bởi hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính

(CLTE) Điều này khá quan trọng khi cần tạo ra sản phẩm có kích thước ổn

định trong quá trình sử dụng ở một khoảng nhiệt độ rộng

Một ưu điểm khác đem lại từ hình dạng mỏng dẹt của mica là khả

năng làm giảm sự xâm thực của các chất khí và chất lỏng Điều này đặc

biệt quan trọng trong các vật liệu sử dụng ngoài trời hay các thiết bị tiếp

xúc với chất lỏng như các bình nhiên liệu động cơ, thùng chứa dầu,

mỡ,…Các vật liệu được gia cường bằng mica sẽ hạn chế được sự phồng

rộp Sơn có gia cường bằng mica có khả năng bảo vệ xâm thực tốt hơn

1.1.3.2 Tỷ lệ bề mặt và các ảnh hưởng

Với các khoáng mica, tỷ lệ bề mặt được định nghĩa là tỷ lệ trung bình

của đường kính trung bình của tất cả các hạt tới độ dày trung bình của tất

cả các hạt Cho đến gần đây vẫn chưa thể xác định chính xác tỷ lệ bề mặt

của các sản phẩm khác nhau Người ta có thể dự đoán tỷ lệ bề mặt bằng

phương pháp kính hiển vi điện tử quét khi đo đường kính và độ dày của các

hạt riêng rẽ Ngày nay có thể thực hiện được việc xác định này với các thiết

bị xác định kích thước và độ phân bố hạt hiện đại

Mica-sericit trong tự nhiên có dạng hạt mịn và cấu trúc lớp của mica

muscovit Tỷ lệ bề mặt cao tạo ra liên kết giữa các lớp riêng rẽ với lực vừa

phải Điều này làm cho nó có thể bóc tách dễ dàng giữa các lớp để tạo ra

các phiến mỏng hơn Đây là một lợi thế của mica-sericit so với các khoáng

mica cùng loại, các khoáng mà có tỷ lệ bề mặt thấp hơn nên khó có thể tách

lớp với bề mặt cao Tỷ lệ bề mặt cao sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến

môđun giãn dài của vật liệu

1.1.3.3 Màu sắc và các ảnh hưởng

Muội than có màu đen, chính điều này đã làm hạn chế nhiều ứng

dụng của chúng Các khoáng mica có nhiều màu sắc khác nhau, muscovit

mica có màu trắng bạc đến trắng nhạt, phlogopit mica có màu đồng đến nâu

sẫm hoặc đen Mica-sericit thuộc loại muscovit có màu sáng, chính điều

này cũng làm tăng lợi thế sử dụng của sericit trong các ứng dụng mang

mầu Có thể thêm các chất mầu vào vật liệu có chứa mica-sericit để tạo ra

các vật liệu có màu

1.1.3.4 Các tính chất quan trọng khác của mica

Mica là hợp chất trơ với axit và bazơ và tất cả các dung môi Không

giống như phlogopit mica bị hòa tan trong axit mạnh, mica-sericit chỉ có

thể bị hòa tan bởi axit hydrofloric nóng Nó có thể được sử dụng cho các

ứng dụng chống ăn mòn

Mica cho khả năng chống trầy xước tốt hơn so với các khoáng khác

Khả năng cải thiện chống trầy xước là đặc biệt có ích cho các ứng dụng bên

trong các máy móc tự động nơi mà khả năng chống trầy xước là một vấn đề

với polyolefin độn talc

Mica là chất cách điện rất tốt (tính điện môi cao) và cung cấp cả hai

tính chất cách nhiệt và cách âm Khi sử dụng với các polyme khối lượng

phân tử thấp, khả năng cách âm được tăng lên rõ rệt Mica cũng chống lại

các tia tử ngoại dưới 300 nm Ngăn các tia tử ngoại dưới 300 nm là một

trong các yếu tố nâng cao khả năng bền thời tiết cho các lớp phủ của các

công trình sử dụng ngoài trời

Mica khá mềm và ít bị mài mòn vì thế hao mòn thiết bị gia công vật

liệu chứa mica là nhỏ Độ cứng của khoáng mica theo thang độ Moh thay

đổi từ 2.0 đến 2.5 moh với muscovit mica và từ 2.5 đến 3.0 moh cho

phlogopit mica

Các sản phẩm mica rất bền ở nhiệt độ cao Phân tích nhiệt trọng

lượng cho biết rằng cả hai muscovit mica và phlogopit mica đều bền nhiệt

trên 450ºC, đặc biệt là mica-sericit có độ bền nhiệt trong khoảng từ

600-1100 ºC Nhiệt độ này vượt xa nhiệt độ gia công của các vật liệu

polyolefin

1.1.4 Ứng dụng

Tên gọi "mica" có nguồn gốc từ tiếng Latinh micare, có nghĩa là "lấp

lánh", theo cách phản xạ ánh sáng của loại khoáng vật này, đặc biệt khi chúng

ở dạng mảnh nhỏ

Với cách hiểu như trên, thời xa xưa mica là tên gọi chung cho các

khoáng vật dạng tấm thuộc nhóm silicat lớp bao gồm các loại vật liệu có mối

liên kết chặt chẽ, có tính cát khai cơ bản hoàn toàn Tất cả chúng đều có cấu

trúc tinh thể thuộc hệ một phương có xu hướng tinh thể giả hệ sáu phương và

có thành phần hóa học tương tự Tính cát khai cao là tính chất đặc trưng nhất

của mica, điều này được giải thích là do sự sắp xếp của các nguyên tử dạng

tấm lục giác chồng lên nhau

Con người đã sử dụng mica từ thời tiền sử như các nền văn minh Ai

Cập, Hy Lạp và La Mã, văn minh Trung Quốc cũng như nền văn minh Aztec

của Tân thế giới

Mica được sử dụng sớm nhất được tìm thấy trong các tranh hang động

vào thời đại đồ đá cũ muộn (40.000 TCN đến 10.000 TCN) Màu sắc đầu tiên

là đỏ (sắt ôxít, hematit, hoặc ochre đỏ) và đen (mangan điôxít, pyrolusit), mặc

dù màu đen than bách hoặc thông cũng được phát hiện Màu trắng từ kaolin

hoặc mica đôi khi được sử dụng

Cách Mexico City vài km về phía đông bắc là thành phố cổ

Teotihuacan Cấu trúc và tính trực quan nổi trội nhất của Teotihuacan là kim

tự tháp Kim tự tháp chứa một lượng mica đáng kể ở dạng lớp dày đến 30 cm

Mica trong kim tự tháp được xác định là từ các mỏ ở Brazil, cách đó khoảng

3.400 km

Trong suốt chiều dài lịch sử, bột mica mịn cũng đã được dùng vào

những mục đích khác nhau trong đó nổi bật là cho mục đích trang trí Gulal

và Abeer màu được người Hindus phía bắc Ấn Độ sử dụng trong các lễ hội

holi chứa các tinh thể mica nhỏ, mịn Cung điện Padmanabhapuram uy nghi ở

Ấn Độ cách Trivandrum 65 km (40 mi) có các cửa sổ làm bằng mica màu

Theo báo cáo của Cơ quan thăm dò địa chất Anh năm 2005, Ấn Độ có

lượng mica lớn nhất thế giới Trung Quốc là nước sản xuất mica hàng đầu thế

giới chiếm 1/3 sản lượng của thế giới, theo sau là Mỹ, Hàn Quốc, và Canada

Mica dạng tấm lớn được khai thác ở New England từ thế kỷ 19 đến những

năm 60 của thế kỷ 20 gồm các mỏ lớn phân bố ở Connecticut, New

Hampshire, và Maine

Mica được phân bố rộng rãi và có mặt trong các đá macma, đá biến

chất và đá trầm tích Các tinh thể lớn thường gặp trong các đá macma axit

hoặc trong pegmatit và được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau Cho đến

thế kỷ 19, các tinh thể mica lớn rất hiếm và đắt là do sự cung cấp hạn chế ở

Châu Âu Tuy nhiên, giá mica giảm đáng kể khi một số mỏ lớn được tìm thấy

và đưa vào khai thác ở Châu Phi, và Nam Mỹ trong những năm dầu của thế

kỷ 19 Các tấm mica lớn từng được khai thác trên thế giới có xuất xứ từ

Denholm, Quebec, Canada

Mica vụn được sản xuất trên toàn thế giới là sản phẩm tách ra từ nhiều

nguồn khác nhau như các loại đá biến chất đặc biệt là đá phiến sét (schist)) và

sản phẩm từ nhiệt dịch Loại đá này là sản phẩm biến chất từ đá trầm tích có

thành phần là fenspat và kaolin Mica tấm thường được thu hồi từ việc khai

thác mica vụn Nguồn cung cấp mica tấm chủ yếu là các tích tụ nhiệt dịch [1]

Mica tự nhiên nói chung được khai thác, chế biến và sử dụng rộng

rãi, đặc biệt ở những nước công nghiệp phát triển Lĩnh vực sử dụng mica

rất rộng, trong công nghiệp điện tử, xây dựng, chế tạo sơn và các chất phủ,

chất độn trong công nghiệp nhựa, cao su, trong công nghiệp dầu khí và cả

trong công nghiệp hoá mỹ phẩm…

Riêng mica-sericit, tổng sản phẩm của nó năm 2006 là 342 000 tấn

Những nước khai thác hàng đầu thế giới phải kể đến là Mỹ, Nga, Hàn

Quốc, Canda, Pháp, Đài Loan, Malaysia, Brazin Giá trị sản phẩm

mica-sericit phụ thuộc vào độ sạch, độ mịn, độ trắng và nhất là hàm lượng các

kim loại nặng còn lại trong sản phẩm Giá trung bình của bột mica-sericit

chế biến theo phương pháp khô là 237 USD/tấn, theo phương pháp ướt là

784 USD/tấn Mica-sericit thương mại sạch, đã được xử lý bề mặt có thể

lên tới 15 000 đến 40 000 USD/tấn

Theo thông tin của USGS, nhu cầu về các sản phẩm mica tăng 1-3%

mỗi năm, chủ yếu trong lĩnh vực công nghiệp sơn phủ, gia cường cho các

vật liệu polyme, nhựa đặc chủng trong ô tô và công nghiệp hoá mỹ phẩm

Mica tự nhiên có dạng bột mịn, được sử dụng trong công nghiệp chế

tạo sơn cao cấp, dung dịch khoan, dung dịch bôi trơn động cơ… Ngày nay

khi khoa học và công nghệ đã phát triển, cùng với nhu cầu ngày càng cao

của các ngành kinh tế quốc dân, người ta đã tìm thấy tính năng đặc biệt và

công dụng rất nhiều mặt của mica nói chung và mica nói riêng

1.1.5 Nghiên cứu ứng dụng của mica để gia cường cho các vật liệu

polyme

1.1.5.1 Trên thế giới

Như trên đã nói, mica đã được sử dụng từ lâu ở nhiều nước trên thế giới

từ thế kỷ 19 Thời gian đầu, mica nguyên thuỷ được bóc thành vẩy và chế tác

thành các tấm có kích cỡ khác nhau Mica có độ tổn hao điện môi và độ

truyền tải nhiệt thấp nên thường được sử dụng để làm các tấm cách điện và

cách nhiệt

Những năm gần đây, bột mica đã được nghiên cứu đưa vào sử dụng để

gia cường cho các nhựa nhiệt dẻo và nhiệt rắn tạo thành các vật liệu compozit

để nâng cao các tính chất của polyme nền Mica có cấu trúc vẩy nên đã được

nghiên cứu sử dụng trong các lớp phủ bảo vệ cần sự che chắn tốt Mica

thương mại CD-3200 muscovite của hãng Georgia Industrials, Inc được

nghiên cứu sử dụng để chế tạo sơn chịu nhiệt, sơn ngoài trời, sơn chịu nước

biển và dùng trong công nghiệp có môi trường xâm thực cao [2]

1.1.5.1.1 Mica gia cường cho vật liệu cao su

Furtado cùng các đồng nghiệp đã sử dụng mica làm chất độn trong các

thành phần lưu hóa của cao su styren-butadien để thay thế một phần oxit silic

[3] Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng mica có những ảnh hưởng rõ rệt tới

quá trình lưu hóa của vật liệu như là kết quả của sự giảm mật độ các liên kết

ngang Mica không sử lý bề mặt có hoạt tính thấp hơn silica, tuy nhiên có thể

thay thế một phần oxit silic bằng mica nhằm giảm giá thành của sản phẩm

Việc thêm mica đã phần nào cải thiện môđun đàn hồi của cao su mà không

làm ảnh hưởng nhiều đến các tính chất khác như độ bền kéo đứt và độ giãn

dài ở điểm đứt

Khi sử dụng bột mica làm chất độn cho cao su, nó đã có những ảnh

hưởng đến tính chất của vật liệu Bột mica có thể cải thiện độ bền của các sản

phẩm cao su, cũng như các ảnh hưởng gia cường tương tự như với các chất

độn gia cường khác Các ảnh hưởng chính của nó trong cao su là: cải thiện độ

bền của các sản phẩm cao su, các ảnh hưởng gia cường tương tự như với

muội cacbon trắng (white carbon black), tăng sự ổn định kích thước, chống

lão hóa, kháng nứt vỡ, kháng mài mòn, bền với axit và bazơ, chống cháy, và

chống ăn mòn,… tăng khả năng cách nhiệt, cách điện, giảm sự xâm thực của

chất khí và chất lỏng …

Daniele F Castro và các đồng nghiệp đã đưa mica vào trong các hệ lưu

hóa cao su thiên nhiên và cao su butadien với hàm lượng từ 0-30% Các kết

quả cho thấy rằng các tính chất cơ lý của vật liệu đã được gia tăng khi tăng

hàm lượng của mica [4]

S Debnath, S K De và D Khastgir đã nghiên cứu quá trình lưu hóa và

tính chất cơ lý, tương tác pha của mica gia cường cho cao su butadien (SBR)

[5] Mica đã gia tăng môđun đàn hồi và độ bền kéo đứt, nhất là độ bền xé rách

-methacryloxypropyltrimethoxysilane đã cải thiện liên kết pha giữa SBR và

mica, dẫn đến gia tăng môđun đàn hồi và độ bền kéo đứt của vật liệu

1.1.5.1.2 Mica gia cường cho vật liệu polyme

Trong công nghiệp nhựa, mica có tác dụng làm tăng độ bền nhiệt, bền

va đập, tăng khả năng bôi trơn nội và cách điện của vật liệu

Mica không những có hệ số dẫn nhiệt thấp mà độ cứng của nó không

cao [6] Các nghiên cứu [7-8] cho thấy polypropylen (PP) gia cường bằng bột

mica có các tính chất cơ, lý và hoá được tăng cường, độ thẩm thấu khí và hơi

nước giảm, kích thước của sản phẩm được ổn định Các tác giả đã thiết lập

được quan hệ giữa tính chất cơ lý của sản phẩm với kích thước, nồng độ và cả

phương thức sắp xếp tinh thể mica trong tổ hợp [9-10] Tuy nhiên bột mica

không sử lý đã làm suy giảm độ bền va đập của vật liệu Pirkko A và cộng sự

đã khắc phục nhược điểm này bằng cách đưa thêm polyvinylbutyral (PVB)

vào tổ hợp PP-mica để tạo thành compozit 3 pha Faulkner [11] cũng đã cải

thiện độ bền va đập compozit PP-mica bằng cao su EPDM

Theo lý thuyết, mica có thể làm tăng độ bền của vật liệu như là PP Tuy

nhiên nhiều tác giả [12, 13-14] cho thấy rằng, bột mica trong nhựa PP đã làm

giảm độ bền của vật liệu Vấn đề đặt ra là phải sử lý bề mặt của bột mica

Thường bột mica được sử lý bằng cách phủ lên bề mặt một lớp các hợp chất

silan hoặc các monome hoạt tính Phần lớn các nghiên cứu cho thấy khi sử

dụng bột mica đã sử lý bề mặt, các tính chất cơ lý như độ bền kéo, độ bền uốn

đều tăng lên, độ bền va đập không giảm hoặc tăng chút ít Anders S [15] đã

sử dụng N-(N-vinylbenzyl-2-aminoethyl)-3-aminooropyltrimethoxylan

hydroclorid và metacryloxypropyltrimethoxysilan làm chất xử lý bề mặt mica

để nghiên cứu khả năng che chắn của tổ hợp HDPE-mica Vật liệu được gia

cường bằng mica đã xử lý bề mặt có độ thẩm thấu được cải thiện

Pushpa Bajaj [7] đã khảo sát sự biến đổi các tính chất nhiệt và điện của

vật liệu tổ hợp epoxy với mica được sử lý bề mặt bằng 3 loại hợp chất silan

khác nhau Kết quả đều cho thấy cần thiết phải sử lý bề mặt bột mica để tăng

khả năng tương tác giữa các pha dẫn đến tăng các tính chất của vật liệu

Xiaodong Zhoa đã sử dụng 3 loại hợp chất silan ( vinyltriethoxysilane,

-methacryloxypropyltrimethoxysilane và -aminopropyltriethoxysilane) làm

chất kết nối trong tổ hợp PS và PP với mica Kết quả cho thấy rằng các hợp

chất silan trên có gia tăng tính chất của PS và PP song không nhiều Tác giả

đã kết nối trước vinyltriethoxysilane và styren để được copolyme

polystyren-b-poly vinyltriethoxysilane (PS-b-PVTOSI) Bằng cách này, tính chất cơ lý

của vật liệu đã được gia tăng đáng kể Độ bền kéo đứt của PS được gia cường

20% mica đã tăng từ 18,22 đến 30,93 MPa khi sử dụng 1,5% PVTOSI , của

PP gia tăng từ 18,77 dến 21,79 MPa khi sử dụng 1,5% (PVTOSI) [16]

Dipak Baral đã nghiên cứu ảnh hưởng của mica đến khả năng chịu

nhiệt của vật liệu polyuretan (PU) bằng phương pháp phân tích nhiệt DSC

Kết luận cho thấy, mica đã có tác dụng cản trở quá trình lão hóa của PU và độ

bền nhiệt của vật liệu tăng lên nhờ có bột mica gia cường [17]

1.1.5.1.3 Mica gia cường cho các lớp phủ bảo vệ

Trong công nghiệp sơn, mica là một loại bột độn gia cường chức năng

có tác dụng làm tăng độ phủ của màng sơn, ngăn cản sự xâm thực của môi

trường đến bề mặt cần bảo vệ nhờ có các tính năng đặc biệt đã được các nhà

thương mại khảng định:

1 Che chắn tia tử ngoại và chống bức xạ IR,

2 Dễ dàng phân tán, tạo huyền phù, bám dính tốt,

3 Có cấu trúc vẩy, bền hóa chất, cách nước, chống nấm mốc, bền axit

và kiềm,

4 Dễ dàng phân tán với các pigment khác và dung môi,

5 Mềm dẻo nên giúp cho sơn bề va đập và có tuổi thọ cao

6 Phân tử mica dễ hấp phụ trong mạng tinh thể micro, giúp cho sơn

bền mầu, bền thời tiết và tuổi thọ cao,

7 Giá cả hấp dẫn

Trong công trình nghiên cứu tại trường đại học Pardubice và Viện Hàn

lâm KH CH Séc, Petr Kalenda và cộng sự đã khảo sát ảnh hưởng của mica

muscovit được sử lý bề mặt bằng Fe2O3 đến tính chất của lớp sơn phủ

epoxyester Mica đã sử lý bề mặt có tác dụng như là pigment hoạt tính ngăn

cản quá trình xâm nhập của các chất xâm thực như sơ đồ dưới đây:

Hình 1.3: Quá trình khuyếch tán môi trường ăn mòn qua lớp sơn bảo vệ

có pigment đẳng hướng (A) và không đẳng hướng-mica (B)

Mica được xử lý bề mặt đã có tác dụng ngăn cản sự tạo bọt, chống ăn

mòn tốt hơn mica chưa xử lý Màng sơn được gia cường bằng mica xử lý bề

mặt có khả năng chống tia UV và các tính năng cơ lý tốt hơn, đặc biệt độ bám

dính được cải thiện đáng kể Các tác giả cho rằng, hàm lượng tối ưu của mica

trong màng sơn là 20% thể tích

1.1.5.2 Ở Việt Nam

Bột khoáng mica nói chung chưa được sử dụng nhiều ở nước ta Những

năm 80-90 thế kỷ trước Viện KT nhiệt đới đã sử dụng bột mica để nghiên cứu

tăng cường tính cách điện cho các lớp phủ bảo vệ các thiết bị đầu cáp bằng

phương pháp đúc với nhựa epoxy Gần đây phòng NC vật liệu polyme &

compozit cũng đã kết hợp với Viện hoá học, nghiên cứu chế tạo thảm cao su

cách điện dùng trong công nghiệp có sử dụng bột khoáng mica và các chất gia

cường khác [18] Các nghiên cứu trên đây cũng mới chỉ dừng ở mức thăm dò,

không được hệ thống vì không có nguồn bột khoáng mica có độ mịn và độ

sạch cần thiết

Nhờ các công trình nghiên cứu điều tra và công nghệ tuyển, nhiều sản

phẩm mica, đặc biệt là dưới dạng mica đã dần trở thành thương phẩm Nghiên

A B

cứu ứng dụng các sản phẩm mica, nhất là mica để gia cường, nâng cao các

tính chất cho các vật liệu cao su, chất dẻo là việc làm cần được quan tâm, phát

triển ở nước ta

Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu cấp nhà nước mã số KC

02.24.06-10 “Nghiên cứu công nghệ chế biến khoáng sản mica-sericit và ứng dụng

trong lĩnh vực sơn, polyme và hóa mỹ phẩm” của Viện KH Vật liệu, khoáng

mica đã được sử dụng để gia cường cho CSTN và nâng cao khả năng bảo vệ

cho hệ sơn dùng ở môi trường ẩm và xâm thực cao [19, 20]

Mica có thể trộn hợp tốt với cao su, dễ dàng hơn so với các bột độn

thông thường là SiO2 và kaolin, đã giúp cho quá trình gia công chế tạo mẫu

rút ngắn được thời gian, tăng hiệu quả kinh tế Mica đã làm giảm thời gian

lưu hoá của cao su, nhất là các mica được biến đổi bề mặt bằng aminsilan

Mica đã có tác dụng gia tăng các tính chất cơ lý, độ bền nhiệt và tính chất

điện của vật liệu nhất là các mica được biến đổi bề mặt bằng hợp chất silan

Mica biến đổi bằng vinylsilan đã tham gia vào quá trình lưu hoá cao su nên

các tính chất của vật liệu được gia tăng mạnh nhất Mica biến đổi bằng

aminsilan có các nhóm chức hoạt tính NH2 nên không phù hợp cho các vật

liệu cách điện

Mica được biến đổi bề mặt bằng 3-APTMS tương tác tốt hơn với chất

tạo màng của hệ sơn epoxy-pek, giúp cho màng sơn có các tính năng bảo vệ

tốt hơn, đặc biệt là khả năng che chắn Mica đã gia tăng độ cứng cho màng

sơn, giúp màng sơn khô nhanh hơn, bền hóa chất và môi trường hơn và ít

làm ảnh hưởng tới các tính chất cơ lý khác của màng

1.2 BIẾN ĐỔI BỀ MẶT KHOÁNG MICA

1.2.1 Sự cần thiết phải biến đổi mặt

Hầu hết các chất độn trong tự nhiên được sử dụng đều là các chất vô

cơ và thường là các chất phân cực [21] Vì vậy, bề mặt của các chất độn

tương tác rất yếu với các hệ polyme Cùng với một số ảnh hưởng khác,

điều này có thể gây ra một số vấn đề như thời gian thấm ướt kéo dài, độ

nhớt cao, khả năng phân tán của chất độn trong chất nền kém và các tính

chất cơ lý thấp Quá trình biến đổi bề mặt của chất độn được nghiên cứu để

cải thiện các vấn đề này Phương pháp biến đổi bề mặt được sử dụng phổ

biến hiện nay là phương pháp sử dụng các tác nhân ghép nối silan

1.2.2 Hợp chất silan

a Khái niệm

Silic là một nguyên tố thuộc cùng nhóm nguyên tử với cacbon trong

bảng hệ thống tuần hoàn Trong trạng thái cân bằng cả cacbon và silic đều tạo

liên kết hóa trị với 4 nguyên tử khác, nhưng các hợp chất của silic bộc lộ

những tính chất vật lý và hóa học quan trọng khác với các hợp chất của

cacbon tương ứng Silic có tính dương điện hơn cacbon, không tạo liên kết

đôi và có khả năng cho những phản ứng đặc biệt và hữu ích Các hợp chất của

silic bao gồm các hợp chất đơn phân tử và polyme

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 của silan, nếu

có chứa ít nhất một liên kết Si-C được gọi là các hợp chất silan hữu cơ Cấu

trúc của một silan và một hợp chất của cacbon tương đương được biểu diễn ở

hình 1.4

(a) Hợp chất của cacbon (b) Hợp chất của silic

Hình 1.4: Phân tử hữu cơ (a) và phân tử silan (b)

Bốn nhóm phân tử liên kết với cacbon và silic được lựa chọn để giải

thích sự giống và khác nhau về tính chất vật l í và hóa học giữa hợp chất của

cacbon và hợp chất của silic Các hợp chất mà cấu trúc của nó có chứa ít nhất

một liên kết C-Si được gọi là các hợp chất silan hữu cơ Liên kết C-Si rất bền

vững, không phân cực và năng lượng bề mặt tăng chậm Các hợp chất của

cacbon cũng có ảnh hưởng tương tự mặc dù những ảnh hưởng này kém hơn

so với các hợp chất silan

Cấu trúc hydrit rất hoạt động Nó phản ứng với nước tạo ra các thành

phẩm silanol (-Si-OH) hoạt động, ngoài ra nó còn tấn công vào các liên kết

đôi C=C để tạo ra các vật liệu mới chứa C-Si Các nhóm metoxy trong hợp

chất cacbon có liên kết ete metyl bền vững, trong khi đó liên kết ete này gắn

với nguyên tử silic lại rất hoạt động và tạo ra cấu trúc metox ilyl có khả năng

thủy phân

Các nhóm chức hữu cơ, chẳng hạn như amiopropyl sẽ có những khả

năng hoạt động hóa học tương tự như trong các hợp chất với cacbon Khoảng

cách từ nhóm amin hay các nhóm chức hữu cơ khác tới nguyên tử silic sẽ xác

định khả năng ảnh hưởng của nguyên tử silic tới tính chất hóa học của các

nhóm chức Nếu như các nhóm chức hữu cơ và nguyên tử silic nối với nhau

bằng một nhóm propyl (-CH2CH2CH2-) thì khả năng hoạt động hóa học trong

silan hữu cơ tương tự như trong các hợp chất của cacbon

Một số silan hoạt động, đặc biệt là vinyl silan (-Si-CH=CH2) và hydrit

silan (-Si-H) là các nhóm hoạt động rất hữu ích trong hóa học các hợp chất

của silic, cho dù các nhóm hoạt động này gắn trực tiếp vào nguyên tử silic

Các nhóm gắn: Clo, nito, metoxy, etoxy, hay axetoxy gắn trực tiếp với

silic tạo ra các hợp chất cloruasilan, silylamin (silazan), alkox ysilan và

acyloxysilan rất hoạt động và bộc lộ những phản ứng với các chất vô cơ rất

đặc biệt Ví dụ như các chất này có thể phản ứng dễ dàng với nước, cho dù

chỉ là hơi ẩm hấp phụ trên bề mặt, để tạo ra các silanol Những silanol này có

thể phản ứng với nhau tạo ra các liên kết siloxan (-Si-O-Si-), một cấu trúc rất

bền vững Hoặc trong sự có mặt của các nhóm hydroxyl kim loại trên bề mặt

của thủy tinh, chất khoáng hay kim loại, silanol sẽ tạo ra liên kết –Si-O- kim

loại rất bền vững trên bề mặt Điều này là chìa khóa về mặt hóa học cho phép

silan có giá trị trong quá trình xử l í bề mặt cũng như trong vai trò là tác nhân

ghép nối

Clorua-; alkoxy-; axetoxy-silan và silazan (-Si-NH-Si-) sẽ phản ứng dễ

dàng với một hydro hoạt động trong bất kỳ một hợp chất hữu cơ nào (ví dụ

như alcol, axit cacboxylic, amin, phenol, hay, thiol) thông qua quá trình gọi là

silyl hóa:

R3Si – Cl + R’ – OH R3Si – OR’ + HCl Quá trình silyl hóa rất hữu ích trong tổng hợp hữu cơ để bảo vệ nhóm

chức trong khi các quá trình biến đổi hóa học khác vẫn diễn ra, các nhóm

chức hữu cơ được silyl hóa sau đó được chuyển lại nhóm chức ban đầu Quá

trình silyl hóa có vai trò quan trọng trong ngành sản xuất dược phẩm

b Tác nhân ghép nối silan

Tác nhân ghép nối silan chứa đồng thời hai nhóm hoạt động vô cơ và

hữu cơ trên cùng mộ phân tử Cấu trúc điển hình của nó là:

(RO)3SiCH2 – CH2 – CH2 – X

RO là nhóm có khả năng thủy phân như: metoxy, etoxy, hay axetoxy và

X là nhóm chức hữu cơ như amin, metacryloxy, epoxy,…

Một tác nhân ghép nối 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 polymer hữu cơ, chất phủ hay chất kết dính) để liên kết hay ghép nối hai

loại vật liệu không giống nhau này

c Sự hình thành của liên kết Si-C

Hầu hết các phương pháp cơ bản để tạo ra liên kết Si-C đều có thể được

sử dụng để điều chế một cách đơn giản tác nhân ghép nối silan Nguyên lý

của phương pháp được trình bày trong các tài liệu của Eaborn hay Noll Cộng

hợp các silic hydrit vào olefin và axetylen là các quá trình tổng hợp quan

trọng nhất trong phòng thí nghiệm cũng như trong công nghiệp:

X3SiH + CH2=CH-R-Y X3SiCH2CH2RY

X3SiH + CH≡CH X3SiCH=CH2Quá trình cộng hợp có thể diễn ra trong dung dịch hoặc pha khí ở nhiệt

độ nhất định Phản ứng diễn ra tốt hơn với sự có mặt của xúc tác như các

peoxit, bazơ bậc ba hoặc muối platin Các phản ứng cộng có xúc tác là đặc

biệt quan trọng trong quá trình ghép nối vào nguyên tử silic các tác nhân hữu

cơ có chứa các nhóm chức hoạt động

Cả hai đầu của phân tử silan X3SiRY đều có thể tham gia phản ứng hóa

học, một trong hai hoặc đồng thời cả hai có thể tách ra Với điều kiện phản

ứng được kiểm soát thích hợp, nhóm X có thể được thay thế mà không ảnh

hưởng đến nhóm Y, hoặc nhóm Y có thể được biến đổi trong khi nhóm X vẫn

tồn tại Nếu nhóm Y được biến đổi trong môi trường chứa nước, nhóm X sẽ bị

thủy phân đồng thời Phản ứng hóa học của nhóm Y có thể được gắn vào

trước trên bề mặt hoặc diễn ra trên bề mặt sau quá trình silyl hóa

1.2.3 Biến đổi bề mặt khoáng mica bằng các hợp chất silan

Với bề mặt tương đối trơ về mặt hóa học và không tương thích với

các chất nền polyme của mica đã hạn chế nhiều ứng dụng của nó Vì vậy

cũng như nhiều chất độn vô cơ khác, biến đổi bê mặt của mica là cần thiết

trong nhiều trường hợp để nâng cao khả năng tương hợp với polyme nền

Phương pháp biến đổi bề mặt mica được sử dụng phổ biến hiện nay là sử

dụng các tác nhân ghép nối 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 được nhiều ưu điểm, đặc biệt là

trong khả năng tăng cường tính chất của vật liệu

Một tác nhân ghép silan sẽ hoạt động ở bề mặt phân cách giữa chất

độn vô cơ (như thuỷ tinh, kim loại hay khoáng chất) để liên kết hay ghép

nối hai loại vật liệu ít tương thích này

Sau khi biến đổi bằng các hợp chất silan, bề mặt của mica được hoạt

hoá nhờ các nhóm chức hữu cơ như amino, epoxy hay vinyl Khi gia cường

cho các vật liệu polyme hay cao su, mica có thể tạo liên kết hoá học hay

vật lý với các pha nền trên mô tả trong 2 trường hợp dưới đây [22]:

- Tham gia phản ứng lưu hoá cao su

- Tạo liên kết vật lý với polyme:

Như vậy tuỳ từng loại polyme hay cao su được gia cường mà cần

phải lựa chọn hợp chất silan cho phù hợp để thực hiện quá trình xử lý biến

đổi bề mặt mica

Phương pháp biến đổi bề mặt gián tiếp