khoáng talc
Polyolefin là các sản phẩm polyme tạo ra từ các olefin đơn giản như etylen (sản phẩm polyetylen – PE), propylen (sản phẩm polypropylen – PP)… Ngày
18
nay các vật liệu này được ứng dụng hết sức rộng rãi trong cuộc sống để làm vật liệu đóng gói, đồ dùng văn phòng, các bộ phận bằng nhựa, bình chứa có thể tái chế, dụng cụ phòng thí nghiệm, thiết bị cho ngành công nghiệp ô tô… Bắt đầu xuất hiện từ giữa thế kỉ XX, tốc độ phát triển của ngành công nghiệp sản xuất và tiêu thụ polyolefin tăng tới 25% mỗi năm. Ngày nay, các sản phẩm này vẫn giữ được tốc độ phát triển hàng năm lớn nhất, vào khoảng 6%. Sự phát triển này chủ yếu là do khả năng thay thế của polyolefin cho các loại vật liệu truyền thống như kim loại, gỗ, thủy tinh… cũng như các sản phẩm nhựa có giá trị sử dụng và giá thành cao khác.
Các vật liệu polyolefin có tính chất cơ lý 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 công việc gia công tương đối dễ dàng và chi phí thấp.
Tuy nhiên các sản phẩm từ polyolefin gặp phải một số vấn đề như dễ bị lão hóa do tác động của tia cực tím UV (tốc độ oxy hóa tăng khi trong thành phần có lẫn tạp chất kim loại), có khả năng cháy nhưng chậm… Để khắc phục nhược điểm này người ta phải đưa vào vật liệu các chất gia cường khác nhau để tăng cường tính chất của vật liệu.
Khoáng talc với nhiều tính chất quý, đặc biệt là ở hình thái dạng vảy cũng như các tính chất về quang học (độ trắng), nhiệt (chịu nhiệt, ổn định nhiệt), hóa học (độ tinh khiết, độ mất khi nung, độ trơ, ái lực với các chất hữu cơ), vật lý (kích thước hạt, độ mịn, kết cấu dạng tấm, tỉ trọng)… đang được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như gốm sứ, sơn, giấy, vật liệu lợp, chất dẻo, mỹ phẩm và dược phẩm (Ciullo, 1996; Bandford, 1998; Agnello, 2005). Tỉ
19
lệ ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau cũng đa dạng ở các quốc gia khác nhau và thay đổi tùy theo từng năm.
Bảng 1.1: Thống kê sử dụng bột talc trong một số lĩnh vực khác nhau ở Hoa Kỳ (Đơn vị: nghìn tấn) Lĩnh vực 2004 2005 2006 2007 Gốm sứ 227 220 248 209 Mỹ phẩm 8 8 10 16 Sơn 147 139 153 128 Giấy 114 114 124 143 Chất dẻo 34 36 41 31 Tấm lợp 63 58 61 51 Cao su 24 21 23 26 Khác 95 95 100 77 Tổng cộng 712 693 760 681
(Nguồn: U.S. Geological Survey, 2006, 2007, 2008) Talc lần đầu tiên được sử dụng trong polypropylen trong những năm 1960, ở phần dưới mui xe ô tô. Ứng dụng đầu tiên chủ yếu để chế tạo các chi tiết của quạt và cánh quạt. Giữa những năm 1970, talc gia cường copolyme có thể thay thế một phần kim loại, như vỏ bơm, bồn rửa…Cuối những năm 1980, người Nhật sử dụng talc siêu mịn để cải thiện độ cứng của copolyme.
20
Ngày nay, polypropylen được sử dụng rộng rãi là do khả năng thay đổi cấu trúc và các tính chất của nó phụ thuộc trên mỗi ứng dụng cụ thể. Để thay đổi tính chất của PP người ta có thể cho thêm chất độn vào thành phần của nó. Talc là một chất độn được sử dụng trong thương mại. Ban đầu sử dụng bột talc với mục đích làm hạ giá thành sản phẩm. Tuy nhiên sau một thời gian người ta đã thấy được sản phẩm sau cùng có nhiều tính chất thay đổi: độ cứng và nhiệt độ biến dạng cao hơn, độ dẫn nhiệt cao hơn, độ bền và khả năng chống uốn cao hơn đồng thời độ bền va đập giảm đi.
Độ cứng
Hai yếu tố quan trọng cần chú ý khi chọn khoáng để làm tăng độ cứng của nhựa đó là tỷ lệ bề mặt của khoáng và kích thước hạt của nó.
Tỷ lệ bề mặt được định nghĩa là chiều dài lớn nhất của hạt chia cho chiều dài của nó. Các hạt thường có dạng hình cầu như canxi cacbonat, có chiều dài và độ dày bằng nhau và tỷ lệ bề mặt là 1:1. Talc dài, mỏng, có hình phiến, trong ảnh chụp kính hiển vi ảnh chụp quét, talc có tỉ lệ bề mặt cao hơn canxi cacbonat, tỉ lệ bề mặt khoảng 20:1.
Kích thước hạt là nhân tố thứ hai cần lưu ý khi lựa chọn chất độn làm tăng độ cứng của vật liệu. Thông thường, tỷ lệ bề mặt của một loại khoáng là không thay đổi khi nó được nghiền mịn, nhưng với công nghệ nghiền talc đặc biệt, ví dụ như dùng SMI đẻ sản xuất talc siêu mịn, tỷ lệ bề mặt tăng lên bởi vì độ dày hạt giảm nhanh hơn chiều dài của nó. Do đó talc nghiền theo SMI có tỉ lệ bề mặt cao hơn làm cho nhựa có độ cứng lớn hơn.
21
Nhìn chung, độ cứng của một polyolefin sẽ tăng gấp đôi khi thêm 20% bột talc. Độ cứng của PP phụ thuộc vào hàm lượng bột talc, tỉ lệ bề mặt và độ mịn của talc.
Hình 1.6: Độ cứng của hợp chất PP có chứa khoáng talc với tỷ lệ bề mặt cao, tỷ lệ bề mặt trung bình và canxicacbonat [6]
Nhiệt độ biến dạng
Talc làm tăng nhiệt độ biến dạng của polyme. Nó thường được dùng trong polypropylen để tăng nhiệt độ làm việc, ứng dụng trong điều kiện nhiệt độ cao, ví dụ dưới mui xe ô tô (quạt, vật che phủ, ống dẫn nhiệt), đồ gia dụng (tay cầm bằng sắt, lò nướng bánh) và trong công nghiệp yêu cầu sử dụng vật liệu ở nhiệt
độ cao. 40% hàm lượng talc làm tăng điểm chảy mềm của PP từ 660C tới 1000C.
Nhiệt độ gây biến dạng nhiệt (HDT) có thể sử dụng để giải thích ảnh hưởng của khoáng tới độ cứng của nhựa. Talc dạng phiến có tỷ lệ bề mặt cao cải thiện độ biến dạng nhiệt của polyolefin lớn hơn talc có tỉ lệ bề mặt thấp.
22
Hình 1.7: Nhiệt độ biến dạng của PP chứa talc với tỷ lệ bề mặt trung bình (I),
talc có tỷ lệ bề mặt cao (II) và PP nguyên chất [6].
Độ dẫn nhiệt
Bởi talc có độ dẫn nhiệt cao hơn đáng kể so với polyme, nhiệt ban đầu và nhiệt sinh ra trong quá trình gia công được truyền qua hỗn hợp nhanh hơn (Hình 1.8). Nhiệt này bị suy giảm nhanh hơn trong quá trình làm nguội sản phẩm. Talc trong PP làm tăng tính dẫn nhiệt, dẫn đến làm tăng tốc độ sản xuất sản phẩm. Thực nghiệm cho thấy với polyme chứa chất độn, tính dẫn nhiệt chỉ phụ thuộc vào hàm lượng chất độn trong phạm vi dung sai thích hợp [6].
23
Độ bền va đập
Ví dụ như sử dụng talc trong nhựa PP để làm vật liệu cho bộ phận chắn xe ô tô. Khi thêm vào 5 – 10% talc, độ bền va đập vật liệu tăng. Độ bền va đập của vật liệu giảm khi hàm lượng bột talc sử dụng ở mức cao hơn.
24
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên vật liệu
2.1.1. Polypropylen
Polypropylen Mosten TB 003: Homopolyme với khối lượng phân tử trung bình, dùng để xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với khoáng talc để gia công cho nhựa PP.
Polypropylen P400S: Homopolyme với tỉ trọng 0,91 g/cm3, dùng để chế
tạo vật liệu compozit PP/talc và xác định hàm lượng talc tối ưu.
2.1.2. Khoáng talc
Hình 2.1: Phân bố kích thước khoáng talc
Khoáng talc có nguồn gốc từ Thanh Sơn, Thanh Thủy, tỉnh Phú Thọ với
thành phần phần chủ yếu là các oxit kim loại trong đó SiO2 chiếm 61,8% và
MgO chiếm 28,5%. Phân bố kích thước hạt khoáng talc được thể hiện trên hình
2.1. Kích thước trung bình là 6,56 μm với Q90 = 15,875 μm
25
Chất biến đổi bề mặt là tác nhân ghép nối silan của hãng Dow Corning (Mỹ): γ- metacryloxypropyltrimetoxysilan (metacrylsilan) C H2 C CH3 C O O (CH3)2 Si OCH3 OCH3 OCH3 Vinyltriethoxysilan (Vinylsilan) CH2=CH-Si(OC2H5)3