Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng talc đến tính chất nhiệt của vật liệu polyme

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
******

CHU THỊ LIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA
KHOÁNG TALC ĐẾN TÍNH CHẤT
NHIỆT CỦA 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 kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Ngô
Kế Thế người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên
cứu tại phòng nghiên cứu Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn
lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam.

Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ nghiên cứu của Phòng Vật liệu
Polyme và Compozit đã giúp đỡ em trong suốt thời gian làm khóa luận vừa qua.


Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Hóa học trường
ĐHSP Hà Nội 2 cùng gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện tốt nhất, là nguồn động
viên lớn cho em hoàn thành tốt bản khóa luận này.


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 19 tháng 05 năm 2014


Sinh viên




Chu Thị Liên

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT


L
2
PC: Dạng đối xứng một nghiêng lăng trụ trực thoi
TOT: Lớp tứ diện - bát diện - tứ diện
SEM: Kính hiển vi điện tử quét
TGA: Phân tích nhiệt trọng lượng
UV: Tia tử ngoại
PS: Polystyren
PP: Polypropylen
PVC: Polyvinylchlorid
LPDE: Polyetylen tỷ trọng thấp
HPDE: Polyetylen tỷ trọng cao
APP: Ammonium polyphotphat
PER: Pentaerythritol
MEL: Melamin
ECH: Epyclohydrin
DPP: Diphenylol propan
EA: Etylendiamin
DETA: Dietylen triamin
TETA: Trietylen tetramin
DDM: 4,4'-diamino diphenyl metan
DDS: 4,4'-diamino diphenyl

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thống kê sử dụng bột talc trong một số lĩnh vực khác nhau ở Hoa
Kỳ

Bảng 2.1: Thành phần lớp phủ phồng nở có chứa khoáng talc

Bảng 3.1: Nhiệt độ phân hủy mạnh nhất và % khối lượng của các mẫu D1,
D2, D3, D4 và D5 ở 850
0
C
Bảng 3.2: Kết quả đo khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94 của 5 mẫu
D1, D2, D3, D4 và D5

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Tam giác cháy của Emmon
Hình 1.2: Mô hình polyme bảo vệ cách nhiệt khi cháy không có lớp bảo vệ (a) và
có lớp bảo vệ (b)
Hình 1.3: Cơ chế của quá trình phồng nở
Hình 1.4: Cấu trúc khoáng vật talc
Hình 1.5: Talc dưới kính hiển vi điện tử quét
Hình 1.6: 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: Chu trình gia nhiệt đốt cháy mẫu
Hình 3.1: Lớp phủ trước và sau khi đem nung đối với phương pháp nghiền hỗn
hợp
Hình 3.2: Lớp phủ trước và sau khi đem đốt đối với phương pháp nghiền thành
phần
Hình 3.3: Mức độ phồng nở của các mẫu với hàm lượng talc thay đổi
Hình 3.4: Ảnh SEM của mẫu D1
Hình 3.5: Ảnh SEM của mẫu D4
Hình 3.6: Đường cong TG của APP, PER, MEL, talc và hỗn hợp APP – PER –
MEL
Hình 3.7: Giản đồ phân tích nhiệt của các mẫu D1 (a), D2 (b), D3(c), D4 (d) và
D5 (e).





MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU POLYME 3
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển 3
1.2. Tính chất của polymer 4
2. CƠ CHẾ CHỐNG CHÁY 5
3. THÀNH PHẦN CỦA LỚP PHỦ PHỒNG NỞ 8
3.1. Chất chống cháy 10
3.1.1. Chất chống cháy chứa halogen 10
3.1.2. Chất chống cháy vô cơ 11
3.2. Chất kết dính 11
3.2.1. Nhựa epoxy 11
3.2.2. Đóng rắn amin 13
4. KHOÁNG TALC 16
4.1. Thành phần, cấu trúc của khoáng talc 16
4.1.1. Thành phần của khoáng talc 16
4.1.2. Cấu trúc của khoáng talc 16
4.2. Tính chất của talc 18
4.3. Ứng dụng 18
4.3.1. Talc trong các ngành công nghiệp 19
4.3.2. Ứng dụng của talc trong sơn 20
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 21
2.1. Hóa chất 21



2.1.1. Nhựa epoxy và chất đóng rắn 21
2.1.2. Ammonium polyphotphat (APP) 21
2.1.3. Pentaerythritol (PER) 22
2.1.4. Melamin (MEL) 22
2.1.5. Titan dioxit (TiO
2

) 23
2.1.6. Axit boric (H
3
BO
3
) 23
2.1.7. Talc (Mg
3
Si
4
O
10
.H
2
O) 24
2.2. Phương pháp chế tạo mẫu 24
2.3. Phương pháp nghiên cứu 26
2.3.1. Phương pháp đốt cháy lớp phủ trong buồng đốt 26
2.3.2. Phương pháp phân tích nhiệt (TGA) 26
2.3.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 27
2.3.4. Khảo sát khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94 27
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29
3.1. Nghiên cứu chế tạo hệ lớp phủ chống cháy có sử dụng bột khoáng talc 29
3.1.1. Phương pháp 1: nghiền hỗn hợp 29
3.1.2. Phương pháp 2: nghiền thành phần 31
3.2. Khảo sát cấu trúc của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét SEM 36
3.3. Khảo sát tính chất nhiệt của hệ sơn chống cháy có sử dụng bột khoáng
talc 38
3.4. Khảo sát khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94 41
KẾT LUẬN 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44


1

MỞ ĐẦU
1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Một trong những thành tựu quan trọng của thế kỷ 20 là sự phát triển và ứng
dụng của vật liệu polyme tổng hợp, một loại vật liệu có nhiều tính năng quý báu
mà không loại vật liệu khác nào có thể có được. Chúng có thể mềm dẻo, đàn hồi
như một số nhựa nhiệt dẻo và cao su, song cũng có thể cứng hơn cả sắt thép và có
thể làm việc ở nhiệt độ cao tới hàng ngàn độ như các loại compozit carbon-carbon
được chế tạo từ polyme. Chúng có thể là vật liệu cách điện song cũng có thể là vật
liệu dẫn điện… Bên cạnh đó các loại vật liệu polyme thường có tỷ trọng nhỏ, dễ
gia công và có thể tạo màu tùy ý. Chính vì vậy khả năng ứng dụng của chúng rất
đa dạng, từ làm các sản phẩm thông dụng như các đồ dùng trong sinh hoạt tới các
lĩnh vực kỹ thuật cao như kỹ thuật điện, điện tử và đặc biệt là kỹ thuật hàng không
và nghiên cứu vũ trụ. Để tạo cho polyme những tính năng cần thiết người ta thường
cho thêm chất độn hay gia cường. Một trong những chất độn vô cơ có nguồn gốc
thiên nhiên là talc có các đặc trưng về hình dạng nên ứng dụng được trong nhiều
lĩnh vực, đặc biệt sử dụng làm chất độn gia cường trong gia công polyme do talc
có nhiều ảnh hưởng tích cực tới tính chất của polyme.
Trước thực tế đó, “Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng talc đến tính chất
nhiệt của vật liệu polyme” đã được lựa chọn làm đề tài nghiên cứu cho khóa luận
tốt nghiệp này.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Mục đích của đề tài là xác định khả năng gia tăng độ bền nhiệt của vật liệu
polyme bằng khoáng talc.

2

3. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu chế tạo hệ lớp phủ chống cháy có sử dụng bột khoáng talc.
- Khảo sát cấu trúc của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét SEM.
- Khảo sát tính chất nhiệt của hệ sơn chống cháy có sử dụng bột khoáng talc.
- Khảo sát khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94.




















3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU POLYME
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển
Vật liệu polyme thiên nhiên vốn có trong cơ thể động, thực vật nhưng
polyme tổng hợp mãi tới nửa sau của 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 nitrat
xenlulo và đến năm 1909, Baekeland sản xuất nhựa phenolformandehit. 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, polyvinylchlorid (PVC) vào năm 1927,
polyetylen tỷ trọng thấp (LDPE) năm 1933, polyetylen 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 tổng hợp có tính năng cao) ra đời. Từ 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).
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
4

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).
1.2. Tính chất của polyme
Tính chất cơ bản của polyme có thể được dự đoán qua cấu trúc của vật liệu.
Vật liệu polyme có tính chất dẫn điện và nhiệt kém do trong các cặp liên kết điện

tử không có điện tử tự do. Tỷ trọng của vật liệu polyme thấp hơn so với các vật
liệu khác vì cấu trúc của vật liệu polyme không được chặt chẽ. Độ bền nhiệt của
vật liệu polyme bị hạn chế, ở nhiệt độ tương đối cao đã xuất hiện sự mềm hóa hay
phân hủy vật liệu. Trong khi đó, độ bền hóa học của vật liệu polyme lại rất tốt,
không cần có biện pháp bảo vệ bề mặt đặc biệt nào. Tuy nhiên, vật liệu polyme có
độ nhạy cảm khác nhau với các hóa chất hay các yếu tố xâm thực nhất định như
dung môi, tia tử ngoại (UV) Quá trình lão hóa hay tạo ra vết rạn trong vật liệu
cũng có thể xảy ra.
Những ưu điểm khi sử dụng vật liệu polyme:
▪ Tỷ trọng thấp
▪ Dễ dàng tạo hình ở nhiệt độ tương đối thấp
▪ Dễ tạo các hình dạng phức tạp (tạo hiệu quả kinh tế cao trong một
chu trình sản xuất)
▪ Phù hợp cho sản xuất lớn
▪ Có thể làm chất cách ly tốt (cách điện, cách âm, chống thấm khí…)
▪ Dễ phối màu (có thể phối màu toàn bộ)
▪ Có thể sử dụng các kỹ thuật ghép nối đặc biệt
▪ Có tính chất trượt thuận lợi, không cần đến bôi trơn
Tính chất của polyme phụ thuộc vào bản chất, cấu trúc của đại phân tử
polyme. Ngoài ra, một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật liệu polyme là
5

nhiệt độ. Tất cả vật liệu polyme đều có nhiệt độ phân hủy và nhiệt độ này không
chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian mà còn phụ thuộc vào môi trường xung
quanh. Do cấu trúc của nó, ở vật liệu polyme, khi nhiệt độ tăng lên sẽ xảy ra sự
giãn nở thể tích tương đối lớn. Khi có chất độn hay gia cường, độ giãn nở nhiệt
giảm đi tùy theo chủng loại và tỷ lệ của chất độn hay gia cường. Do trong vật liệu
polyme không có các điện tử tự do cho nên khả năng dẫn nhiệt của nó kém và
được dùng làm chất cách nhiệt. Hiệu quả cách nhiệt được tăng lên ở vật liệu
polyme xốp do có các bọt khí.

2. CƠ CHẾ CHỐNG CHÁY
Hiểu được cơ chế hoạt động của tất cả các chất chống cháy là điều quan
trọng, tam giác cháy của Emmon [1] là cách tốt nhất để giải thích chu trình cháy,
được chỉ ra trong hình 1.1. Sự đốt cháy ban đầu cần một nguồn nhiệt, thêm nữa
đòi hỏi nhiên liệu và oxy (trong không khí) để duy trì sự liên tục và phát triển.

Nhìn chung, quá trình phát triển ngọn lửa là thuận lợi hơn khi tăng dòng
nhiệt hoặc cung cấp không khí, hoặc nếu vật liệu là "dễ cháy" hơn. Tuy nhiên, nếu
gió được thổi vào quá nhiều thì có thể làm mất nhiệt của ngọn lửa, trong khi nhiệt
bổ sung cũng có thể làm chảy hoặc hình thành chuỗi cacbon xốp, mỗi trong số đó
có thể làm giảm sự phát triển ngọn lửa [2]. Ngọn lửa từ đám cháy phá hủy tài sản,
nhưng những sản phẩm khói của quá trình đốt cháy sẽ trực tiếp hoặc gián tiếp đến





Hình 1.1:
Tam giác cháy của Emmon


Nhiệt

Nhiên liệu


Hỗn hợp


Không khí

6

thiệt hại về người [3, 4]. Phương pháp thông thường giảm thiểu tính dễ bắt cháy
trong các bài kiểm tra đám cháy nhỏ bằng cách cho thêm chất làm chậm cháy,
thường làm tăng mật độ và tính độc hại của hơi và khói [3, 5]. Mặc dù vật liệu
chống cháy có thể đốt cháy ít mãnh liệt dưới điều kiện ngọn lửa thực sự [6], tốc
độ cháy giảm thường đi kèm với mức độ khói cao hơn do đốt cháy pha khí không
hoàn toàn. Quá trình đốt cháy không hoàn toàn làm tăng tỷ lệ cacbon
monoxit/carbon dioxit và những tiềm năng độc hại của khói [5, 7].
Cơ chế hoạt động của các chất phụ gia chống cháy có thể giải thích theo vật
lý hoặc cơ chế hóa học ở cả pha rắn và pha khí. Trong thực tế, quá trình chống
cháy là một quá trình phức tạp xảy ra ở cả 2 cơ chế trên với nhiều phản ứng đồng
thời xảy ra.
 Cơ chế vật lý:
Cơ chế chống cháy gồm 3 dạng sau:
▪ Tạo thành lớp bảo vệ: các chất chống cháy ngăn oxy tiếp xúc với bề mặt
chất cháy và chặn cả các sản phẩm phân hủy do nhiệt thoát ra khỏi bề mặt
chất bị cháy. Như vậy, chất cháy hình thành một bức tường trên bề mặt
chất cháy ngăn cản sự thâm nhập của oxy từ bên ngoài vào và chặn sự thoát
sản phẩm cháy từ bên trong chất cháy đi ra.

Hình 1.2: Mô hình polyme bảo vệ cách nhiệt khi cháy không có lớp bảo vệ
(a) và có lớp bảo vệ (b)
7

▪ Hiệu ứng pha loãng: các sản phẩm phân hủy trong vùng lửa bị pha loãng
nhờ chất chống cháy. Chất chống cháy dưới tác động của nhiệt tạo ra sản
phẩm khí không cháy ở nhiệt độ bắt lửa của chất cháy. Sự có mặt của khí
này trong vùng lửa sẽ làm giảm hay pha loãng các sản phẩm cháy của chất

cháy. Nghĩa là chúng làm giảm đi nồng độ các gốc tự do hoạt động.
▪ Hiệu ứng làm lạnh: các phản ứng phân hủy chất chống cháy có thể là quá
trình thu nhiệt. Do đó có thể làm giảm nhiệt độ của polyme xuống dưới
nhiệt độ cần thiết để duy trì sự cháy. Hiệu ứng này xảy ra chủ yếu với chất
chống cháy là các hydroxit kim loại.
 Cơ chế hóa học:
▪ Pha khí:
Chất chống cháy hay các sản phẩm phân hủy của chúng sẽ ngăn cản sự
hoạt động của các gốc tự do sinh ra trong quá trình đốt cháy ở pha khí. Do đó quá
trình tỏa nhiệt bị ngăn chặn, polyme được giảm nhiệt độ, nguồn khí dễ cháy giảm
hoặc bị ngăn chặn hoàn toàn.
▪ Pha rắn:
Dưới tác dụng nhiệt xảy ra quá trình dehydrate các chất chống cháy thành
các liên kết đôi trong polyme. Nhờ các quá trình vòng hóa hoặc tạo liên kết ngang,
một lớp than cacbon được hình thành trên bề mặt polyme.
Một trường hợp đặc biệt là cơ chế tạo lớp phủ bảo vệ phồng nở. Quá trình
phồng nở làm giảm sự tạo thành các chất dễ cháy khi polyme cháy, đồng thời tạo
thành lớp than dày hơn. Lớp bảo vệ này có 2 tác dụng: ngăn cản sự tiếp xúc của
oxy với bề mặt polyme và tạo thành một lớp cách nhiệt.
 Cơ chế của quá trình phồng nở xảy ra theo các bước sau đây:
▪ Chất xúc tác phân hủy tại nhiệt độ trên 150
0
C và tạo ra axit photphoric.
▪ Axit được tạo ra sẽ phản ứng với chất cacbon hóa tại nhiệt độ cao hơn.
8

▪ Phản ứng của axit photphoric với chất cacbon hóa tạo ra một lớp than cách
ly chống cháy để bảo vệ cho nền.
▪ Quá trình mềm ra của nhựa kết dính sẽ tạo ra một lớp vỏ giãn nở trên toàn
bộ lớp than. Do đó khí sinh ra nhờ chất tạo khí sẽ không bị thoát ra ngoài.

▪ Các chất tạo khí tại nhiệt độ 300
0
C phát ra các khí không bắt lửa làm cho
cacbon bọt trở thành một lớp phủ dạng rỗ tổ ong có hiệu quả cách nhiệt
cao.
3. THÀNH PHẦN CỦA LỚP PHỦ PHỒNG NỞ
Phồng nở là một cơ chế làm chậm lại sự cháy vật liệu bởi bọt và tạo một lớp
than cách ly khi nhiệt được sinh ra [2]. Ba thành phần chống cháy cơ bản thường
được sử dụng là ammoni polyphotphat (APP) là nguồn gốc axit, pentaerythritol
(PER) là nguồn gốc cacbon, và melamin (MEL) là tác nhân lan truyền. Khi có
nhiệt, ba thành phần cơ bản này sẽ hình thành những chuỗi cacbon xốp, cái mà có
thể bảo vệ chất nền phía dưới.
Lớp phủ phồng nở được chế tạo trên nguyên tắc của quá trình "phồng nở".
Có một số hoạt chất được đưa vào lớp phủ, chúng sẽ phản ứng khi nhiệt độ tăng
lên, than hóa và phát ra khí. Đầu tiên các khí này sẽ làm cho lớp phủ sủi lên, sau
đó tạo ra nhiều bọt và cuối cùng lớp phủ phồng nở gấp nhiều lần so với thể tích
ban đầu. Quá trình phồng nở của lớp phủ này sẽ tạo ra một lớp cách ly làm cho bề
mặt chất nền không bị nung nóng nhanh. Loại than tạo ra chỉ cháy hoàn toàn ở
nhiệt độ cao hơn 800
0
C và để lại một lớp gốm.
Thành phần của lớp phủ phồng nở bao gồm:
▪ Chất xúc tác: là loại hợp chất có chứa photpho tỷ lệ cao và bị phân
hủy dưới tác dụng của nhiệt để tạo ra axit photphoric. Đó là các hợp chất như
amoni polyphotphat, urephotphat, melamin photphat và điamoni photphat.
9

Trong tất cả các chất này thì amoni polyphotphat có chứa phần trăm photpho hoạt
tính cao nhất.
▪ Chất cacbon hóa: là một hợp chất hóa học khi phản ứng với axit photphoric

sinh ra nhờ chất xúc tác sẽ tạo thành một lượng lớn cacbon. Loại than dạng
bọt này sẽ tạo ra một lớp cách ly không bắt cháy. Các vật liệu dùng cho
mục đích này là đi và tripentaerythritol, đường và tinh bột.
▪ Chất tạo khí: khi phân hủy sẽ tạo ra một lượng lớn khí. Tác nhân tạo khí
thường được sử dụng là các hợp chất melamin (MEL). Ở nhiệt độ trên
350
0
C, melamin bị phân hủy thải ra khí amoniac và tạo thành melam,
melem và melon [2].
▪ Nhựa kết dính: là thành phần khác của lớp phủ được đưa vào, dưới tác dụng
của nhiệt và lửa nó sẽ chảy ra và cho phép phản ứng phồng nở xảy ra ở
trong pha lỏng. Các chất kết dính đã được sử dụng là cao su clo hóa, latex
polyvinyl axetat, latex etylen vinyl axetat, acrylonitril vinyl, latex axetat,
epoxy, polyurethan
▪ Các chất phụ gia: được đưa vào trong lớp phủ để nâng cao tính năng và
tính ổn định của lớp bọt cách ly, có thể đưa vào lớp phủ các chất như kẽm
borat, nhôm hyđroxit, antimon oxit. Borat có tác dụng là chất trợ dung.
Ngoài các thành phần trên, lớp phủ còn được cho thêm bột màu và bột độn để tạo
màu sắc, độ che phủ, nâng cao tính chất sản phẩm và giảm giá thành.
10



Hình 1.3: Cơ chế của quá trình phồng nở
3.1. Chất chống cháy
3.1.1. Chất chống cháy chứa halogen
▪ Các chất chống cháy có chứa các nguyên tố halogen như brom, clo hay dạng
kết hợp halogen/antimony.
▪ Các halogen này có tác dụng dập tắt gốc tự do sinh ra trong quá trình vật
liệu cháy, làm giảm khả năng cháy của vật liệu.

▪ Các chất chống cháy chứa halogen có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con
người, đến môi trường nên thường hạn chế sử dụng.
11

3.1.2. Chất chống cháy vô cơ
Chất chống cháy vô cơ không bay hơi dưới ảnh hưởng của nhiệt, chúng
phân hủy phần nào, phát ra các khí không cháy như nước hay cacbon dioxit làm
loãng hỗn hợp các khí nhiệt phân dễ cháy và che chắn bề mặt của polyme, chống
lại sự tấn công của oxy và nhiệt. Chúng tạo ra lớp than bảo vệ về hóa lý ở nhiệt độ
phân hủy polyme để che chắn cho vật liệu bên trong.
Một số hợp chất vô cơ thường được dùng để chống cháy cho vật liệu như:
Al(OH)
3
, Al(NO
3
)
3
, Mg(OH)
2
, hợp chất của B, P…
Lớp phủ phồng nở được sử dụng trong nghiên cứu này là dựa trên chất
chống cháy chứa photpho. Chất chống cháy dựa vào photpho được xem là chất
chống cháy thân thiện với môi trường vì nó sinh ra khói và khí không độc bằng
hợp chất có chứa halogen [2]. Chất chống cháy dựa vào phốt pho chủ yếu hoạt
động trong giai đoạn ngưng tụ pha và phát sinh như là kết quả của nhiệt phát ra
của axit photphoric.
3.2. Chất kết dính
3.2.1. Nhựa epoxy
Nhựa epoxy là loại 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 [8, 9, 11]:
12

n
R=
C
CH
3
CH
3
O R O CH
2
CH
OH
CH
2
O R O CH
2
CH
O
CH
2
CH
2
CHCH
2
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.
CH
2
O C
CH
3
CH
3
OCH
OH
ClCH
2
CH
2
CH
OH
CH
2
Cl
OH C
CH
3
CH
3
OH
+

CH
2
O
CH CH
2
Cl
2
NaOH

Đây là phản ứng tỏa nhiệt: Q = 17.09 Kcal/ mol.
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.
ClCH
2
CH
OH
CH
2
O C
CH
3
CH
3
O CH
2
CH
OH
CH

2
Cl
NaOH
CH
2
O C
CH
3
CH
3
O CH
2
CHCH
2
O
CH
O
CH
2

13

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:
CH
2
O
CH CH
2

O CH
2
O R O CH
2
CH
O
CH
2
+
HO R OH
NaOH
CH
2
O
CH CH
2
O CH
2
O R O CH
2
CH
OH
CH
2
O R OH
R= C
CH
3
CH
3

Hợp chất trung gian này tiếp tục phản ứng với nhau để tạo thành nhựa epoxy
có công thức tổng quát như trên.
Khối lượng phân tử nhựa epoxy dao động trong khoảng 300 ÷ 18.000 tùy
thuộc vào tỷ lệ mol giữa epyclohydrin (ECH) và diphenylol propan (DPP), nhiệt
độ, thời gian phản ứng và nồng độ NaOH đã sử dụng.
3.2.2. Đóng rắn amin
Nhựa epoxy có thể đóng rắn bằng nhiều cách khác nhau như đóng rắn bằng
phản ứng trùng hợp hay bằng phản ứng cộng hợp với các hợp chất amin và axit.
Tuy nhiên với hệ sơn epoxy không dung môi, chất đóng rắn cần có độ nhớt thấp
và có khả năng đóng rắn ở nhiệt độ thường. Vì vậy chất đóng rắn thường sử dụng
để đóng rắn cho hệ sơn epoxy không dung môi là các hợp chất amin [10, 12]. Bao
gồm các hợp chất chứa nhóm amin. Các chất amin hầu như có thể đóng rắn tất cả
các loại nhựa epoxy ngoại trừ epoxy este vì không có nhóm epoxy.
Nhóm epoxy của nhựa epoxy mạch vòng no có khả năng phản ứng rất yếu
với nhóm amin.
14

Chất đóng rắn amin được ứng dụng trong khoảng nhiệt độ rộng từ 0 ÷ 150
0
C.
Mặc dù có hoạt tính cao song đối với một số chất đóng rắn amin khi đóng rắn ở
nhiệt độ thấp (0 ÷ 20
0
C) thường phải bổ sung một số chất xúc tác như: rượu,
phenol, axit cacboxylic.
 Amin mạch thẳng
Etylendiamin (EA) H
2
N(CH

2
)NH
2

Dietylen triamin (DETA) H
2
N(CH
2
)NH(CH
2
)NH
2

Trietylen tetramin (TETA) H
2
N(CH
2
)NH(CH
2
)NH(CH
2
)NH
2

Polyetylen polyamin H
2
N(CH
2
CH
2

NH)
n
CH
2
CH
2
NH
2

Amin mạch thẳng có ưu điểm dễ đóng rắn ở nhiệt độ thường, giá cả hợp lý,
tuy nhiên có nhược điểm là dễ hút ẩm, bốc mùi mạnh, độc, làm cho bề mặt nhựa
sau khi đóng rắn đục, tạo ứng suất làm giảm chất lượng màng sơn. Trong môi
trường không khí ẩm, các amin phản ứng với CO
2
tạo thành cacbamat không hòa
tan làm ảnh hưởng đến tỷ lệ chất đóng rắn đưa vào và tính mỹ thuật của sản phẩm.
H
2
O + CO
2
H
2
CO
3

H
2
CO
3
+ ~NH

2
~NHCOOH + H
2
O
Axit cacbamic
~NHCOOH + ~NH
2
~NH
3
OCON~
Cacbamat (trắng)
Để khắc phục nhược điểm này đã sử dụng khá nhiều cách biến tính bằng
nhiều loại dẫn xuất khác nhau về cấu trúc và hoạt tính hóa học [4, 10].
Quan trọng nhất là các phương pháp sau:
▪ Tạo Adduct: Adduct là tổ hợp nhận được khi cho một lượng dư amin
phản ứng với nhựa epoxy. Nói một cách khác là thực hiện phản ứng đóng
rắn sơ bộ làm giảm lượng amin bậc 1.
15

NH
2
(CH
2
)
2
NH(CH
2
)
2
NH

2
+

CH
2
O
CH CH
2
O R O CH
2
CH
O
CH
2
NH
2
(CH
2
)
2
NH(CH
2
)
2
NH CH
2
CH R CH CH
2
NH (CH
2

)
2
NH(CH
2
)
2
NH
2
C
CH
3
CH
3
R =

▪ Xyanetyl hóa (adduct của DETA với acrylonitryl)
NH
2
(CH
2
)
2
NH(CH
2
)
2
NH
2
+
CH

2
CH
CN
H
2
N(CH
2
)
2
NH(CH
2
)
2
NH CH
2
CH
2
CN

Ưu điểm: Tốc độ đóng rắn vừa phải, độ nhớt thấp nên có thể sử dụng cho
nhiều mục đích (sơn, keo dán, compozit).
 Amin thơm
NH
2
NH
2
H
2
N CH
2

NH
2

m-phenylen diamin 4,4’-diamino diphenyl metan (DDM)
S
O
O
NH
2
H
2
N

4,4’-diamino diphenyl (DDS)
Amin thơm có khả năng phản ứng thấp hơn amin mạch thẳng. Nhiệt độ đóng
rắn cao (120 ÷ 150
0
C). Tuy nhiên sản phẩm nhận được có tính chất cơ lý, tính cách
điện, chống ăn mòn tốt hơn đóng rắn bằng amin mạch thẳng.
16

4. KHOÁNG TALC
4.1. Thành phần, cấu trúc của khoáng talc
4.1.1. Thành phần của khoáng talc
Thành phần hóa học
Bột talc là một loại khoáng chất có sẵn trong tự nhiên. Bột talc có tên gọi
hóa học là hydrous magnesium silicate và có công thức hóa học là Mg
3
Si
4

O
16
(OH)
2

với tỷ lệ MgO: 31,9%, SiO
2
: 63,4% và

H
2
O: 4,7%. Trong tự nhiên quặng talc
thường chứa các tạp chất như FeO, Al
2
O
3
, Na
2
O, K
2
O, CaO Hàm lượng các tạp
chất thường chứa vài phần trăm.
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
Mg
3
Si
4
O

16
(OH)
2
thì còn có các khoáng như: dolomit Mg.Ca(CO
3
)
2
; manhezit
MgCO
3
; serpentin 4MgO.2SiO
2
.H
2
O; actinolit Ca
2
Fe
5
[Si
4
O
11
]
2
.(OH)
2
; manhetit
Fe
3
O

4
; hemantit Fe
2
O
3
…
4.1.2. Cấu trúc của khoáng talc
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-O
2
-/hyđroxyl
nằm kẹp giữa 2 lớp tứ diện SiO
2
.
Talc có cấu trúc tinh thể hệ mặt nghiêng, dạng đối xứng 2/m (L
2
PC). 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 [15, 17, 21]. Lớp bát giác (hình 8 mặt) Mg(OH)
2
O
4
phân bố giữa hai lớp tứ
diện [Si
4
O
10
]. Giữa các tập hay các phiến talc liên kết với nhau bằng các lực Van
Der Waals, do vậy mà chúng rất dễ tách khỏi nhau.

17

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 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 1.4 [18, 19]:

Hình 1.4: Cấu trúc khoáng vật talc

Hình 1.5: Talc dưới kính hiển vi điện tử quét
18

Tinh thể talc có dạng hình vẩy. Thường tập hợp tạo các lá, vẩy hay khối sít
đặc (hình 1.5). Do lực liên kết các vảy nhỏ nên sờ tay có cảm giác mỡ.
4.2. Tính chất của talc
Trong các loại khoáng chất có trong tự nhiên, bột talc là một trong những
loại bột mềm nhất (độ cứng 1 Mohs) có màu trắng sáng bóng, có khả năng giữ mùi
thơm lâu và đặc biệt là có độ sạch cao. Tỷ trọng của bột talc dao động trong khoảng
2.5 – 2.8 g/cm
3
.
Bề mặt chính hay bề mặt cơ sở trên các phiến cơ sở của talc không chứa các
nhóm hyđroxyl hay các ion hoạt động, điều này giải thích tính kỵ nước và trơ về
mặt hóa học của talc.
Talc không tan trong nước cũng như trong dung dịch axit hay bazơ yếu.
Khi nung talc có hiệu ứng nhiệt mạnh bắt đầu từ 900

0
C, thông thường là
920 – 1060
0
C nếu nung nóng trong môi trường không khí. Ở khoảng nhiệt độ này
talc bị mất nước hóa học tạo thành magie metasilicat [20, 21]:
3MgO.4SiO
2
.H
2
O → 3(MgO.SiO
2
) + 6SiO
2
+ H
2
O
Tạp chất Al
2
O
3
và CaO làm giảm độ chịu lửa của sản phẩm. FeO có trong
nguyên liệu silicat manhe sẽ bị oxi hóa ở nhiệt độ 500 – 600
0
C. Ở nhiệt độ cao hơn
nó sẽ phản ứng với forsterite để tạo metasilicat manhe theo phản ứng:
2MgO.SiO
2
+ Fe
2

O
3
→ MgO.SiO
2
+ MgO.Fe
2
O
3

Sự oxi hóa sắt sẽ làm mủn sản phẩm đồng thời lại tiêu tốn MgO để biến
thành 2MgO.SiO
2
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.4SiO
2
.H
2
O + 5MgO → 4[2MgO.SiO
2
] + H
2
O
Talc nóng chảy ở 1500
0
C.
4.3. Ứng dụng