3.1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới a) 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 xử 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 CSTN 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 [15].
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) [16]. Mica đã gia tăng môđun đàn hồi và độ bền kéo đứt, nhất là độ bền xé rách của SBR. Mica được xử lý bề mặt bằng - 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.
b) 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 [17]. Các nghiên cứu [18-22] 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
và cả phương thức sắp xếp tinh thể mica trong tổ hợp [23-25]. Tuy nhiên bột mica không xử 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 [26] 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 [20, 27-29] cho thấy rằng, bột mica trong nhựa PP đã làm giảm độ bền của vật liệu. Vấn đề đặt ra là phải xử lý bề mặt của bột mica. Thường bột mica được xử 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 xử 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. [30] 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 [18] đã khảo sát sự biến đổi các tính chất nhiệt và điện của vật liệu tổ hợp epoxy với mica được xử lý bề mặt bằng 3 loại hợp chất silan khác nhau. Kết quả đều cho thấy cần thiết phải xử 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) [32].
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 [33].
a) 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 khẳng 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
epoxyester. Mica đã xử 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:
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.
3.1.4.2. Tình hình nghiên cứu 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 [35]. 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-sericit đã dần trở thành thương phẩm. Nghiên cứu ứng dụng các sản phẩm 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-sericit 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 [12, 13].
Mica-sericit 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-sericit đã làm giảm thời gian lưu hoá của cao su, nhất là các Mica-sericit được biến đổi bề mặt bằng aminsilan. Mica-sericit 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-sericit được biến đổi bề mặt bằng hợp chất silan. Mica-sericit 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-sericit biến đổi bằng aminsilan có các nhóm chức hoạt tính NH2
nên không phù hợp cho các vật liệu cách điện.
Mica-sericit 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-sericit 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 .