Nghiên cứu gia tăng tính chất cơ lý của polyolefin bằng khoáng talc

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

VŨ THỊ MAI

NGHIÊN CỨU GIA TĂNG TÍNH CHẤT
CƠ LÝ CỦA POLYOLEFIN BẰNG
KHOÁNG TALC

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
Đề tài này được hoàn thành tại phòng nghiên cứu Vật liệu Polyme &
Compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam.
Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TS.Ngô Kế Thế
người đã hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá
trình làm khóa luận tại phòng nghiên cứu polyme compozit, Viện Khoa học Vật
liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các cán bộ trong phòng nghiên
cứu Vật liệu polyme compozit, Viện Khoa học Vật liệu đã giúp đỡ, tạo điều kiện
về cơ sở vật chất, trang thiết bị trong thời gian làm khóa luận tại phòng.
Em cũng chân thành cảm ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Hoá học,
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 đề tài khóa luận này tập này.

Hà Nội, tháng 5 năm 2014
Sinh viên
Vũ Thị Mai




DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

PP Nhựa Polypropylen
PE Nhựa Polyetylen
T
g
Nhiệt độ thủy tinh hóa
PS Polystyren
PVC Polyvinylclorua
UV Tia cực tím
ABS Cao su Acrylonitril butadien styren
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
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
T Mẫu bột talc ban đầu
T2Mt Mẫu bột talc biến đổi bề mặt bằng Metacrylsilan
T2V Mẫu bột talc biến dổi bề mặt bằng Vinylsilan
FT-IR Quang phổ hồng ngoại biến đổi fourrier

TGA Phân tích nhiệt trọng lượng




DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thống kê sử dụng bột talc trong một số lĩnh vực khác nhau ở Hoa
Kỳ 19
Bảng 3.1: Các hợp chất silan sử dụng làm tác nhân kết nối 31
Bảng 3.2: Mômen xoắn ổn định của compozit PP/talc 37
Bảng 3.3: Độ bền kéo đứt mẫu compozit PP/talc 40
Bảng 3.4: Độ dãn dài khi đứt của mẫu compozit PP/talc 41
Bảng 3.5: Môđun đàn hồi của vật liệu 42
Bảng 3.6: Độ cứng của vật liệu compozit PP/talc 43
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của khoáng talc đến độ bền nhiệt của PP 44







DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sự phân bố các mỏ talc trên thế giới 10
Hình 1.2: Cấu trúc khoáng vật talc 12
Hình 1.3: Talc dưới kính hiển vi điện tử quét 12
Hình 1.4: Cơ chế phản ứng silan hóa trên bề mặt chất độn 16
Hình 1.5: Ảnh SEM mẫu PP chứa talc và talc được biến đổi bề mặt 17

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 21
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 22
Hình 1.8: Tính dẫn nhiệt của PP/talc 22
Hình 1.9: Độ bền va đập và độ cứng của hợp chất PP/talc 23
Hình 2.1: Phân bố kích thước khoáng talc 24
Hình 2.2: Máy đo độ bền cơ lý 27
Hình 2.3: Hình dạng và kích thước mẫu đo độ bền kéo đứt 28
Hình 3.1: Phổ FT-IR của khoáng talc ban đầu 32
Hình 3.2: Phổ FT-IR của talc biến đổi bề mặt với γ-MTPMS 33
Hình 3.3: Phổ FT-IR của talc biến đổi bề mặt với vinyltriethoxysilan 34
Hình 3.4: Giản đồ phân tích nhiệt khoáng talc 35
Hình 3.5: Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu talc biến đổi bằng metacrylsilan 36
Hình 3.6: Giản đồ trộn hợp PP ở 180
0
C 37
Hình 3.7: Ảnh SEM vật liệu PP/T (70:30) 39
Hình 3.8: Ảnh SEM vật liệu PP/T2V (70:30) 40
Hình 3.9: Đồ thị ứng suất - biến dạng vật liệu compozit PP/talc 42
Hình 3.10: Giản đồ phân tích nhiệt mẫu PP 44

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3
1.1. Nhựa polypropylen (PP) 3
1.1.1. Tính chất 4
1.1.1.1 Tính chất nhiệt (độ bền nhiệt) 4
1.1.1.2. Khả năng bền thời tiết 4
1.1.1.3. Độ bền hóa học 5
1.1.1.4. Các tính chất khác 5
1.1.2. Sản xuất polypropylen 5
1.1.3. Ưu nhược điểm của PP 7
1.1.4. Ứng dụng của nhựa PP 8
1.1.5. Chất độn gia cường 8
1.2. Bột talc 9
1.2.1. Nguồn gốc hình thành và thành phần của bột talc 9
1.2.1.1. Nguồn gốc hình thành 10
1.2.1.2. Thành phần của bột talc 10
1.2.2. Cấu trúc của talc 11
1.2.3. Tính chất của talc 12
1.2.4. Biến đổi bề mặt bột talc bằng hợp chất silan 14
1.3. Vật liệu kết cấu trên cơ sở polyolefin và khả năng ứng dụng của khoáng
talc 17
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 24
2.1. Nguyên vật liệu 24
2.1.1. Polypropylen 24
2.1.2. Khoáng talc 24
2.1.3. Chất biến đổi bề mặt 24
2.2. Thiết bị và phương pháp nghiên cứu 25
2.2.1. Biến đổi bề mặt khoáng talc 25
2.2.2. Xác định tính chất bề mặt khoáng bằng phổ hồng ngoại 25

2.2.3. Chế tạo vật liệu compozit PP/talc 26
2.2.4. Xác định độ cứng của vật liệu compozit PP/talc 26
2.2.5. Xác định tính chất cơ lý của vật liệu compozit PP/talc 27
2.2.6. Xác định khả năng tương tác của talc với chất nền PP 29
2.2.7. Xác định độ bền nhiệt của vật liệu PP/talc 29
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31
3.1. Xác định tác nhân kết nối 31
3.2. Xác định tính chất khoáng talc xử lý bề mặt 31
3.2.1. Xác định cấu trúc bằng phổ FT-IR 31
3.2.2. Xác định hàm lượng silan bằng phân tích nhiệt 34
3.3. Khả năng tương tác của khoáng talc với nền PP 36
3.3.1. Tương tác trong quá trình trộn hợp 36
3.3.2. Khả năng tương tác pha của vật liệu PP/talc 38
3.4. Tính chất cơ lý của vật liệu PP/talc 40
3.4.1. Độ bền kéo đứt của vật liệu compozit PP/talc 40
3.4.2. Độ dãn dài khi đứt của vật liệu compozit PP/talc 41
3.4.3. Xác định môđun đàn hồi 41
3.4.4. Độ cứng của vật liệu PP/talc 42
3.4.5. Độ bền nhiệt của của vật liệu compozit PP/talc 43
KẾT LUẬN 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO 47







1

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Một trong những thành tựu quan trọng của thế kỉ 20 là sự phát triển và ứng
dụng của vật liệu compozit. Ngay từ khi mới ra đời, compozit đã chứng minh
được khả năng vượt trội của mình nên các nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến
vật liệu compozit ngày càng nhiều. Trong số đó phải kể đến vật liệu polyolefin.
Nhựa Polypropylen (PP) là một polyolefin được sử dụng rộng rãi nhờ một số đặc
tính như tính chất bền cơ học cao, gia công dễ dàng, giá thành thấp Tuy nhiên
nhựa PP còn một số hạn chế như độ chịu nhiệt thấp, dễ bị phá hủy bởi các tác
nhân bên ngoài như ánh sáng tử ngoại, oxi không khí [15]… Để giải quyết
những vấn đề trên thì người ta thường cho thêm chất độn gia cường phối trộn với
nhựa PP.
Khoáng talc có cấu trúc lớp, dạng hạt hình phiến, thường sử dụng làm chất
độn gia cường cho polyolefin nói chung và nhựa PP nói riêng. Khoáng talc có tác
dụng làm tăng độ cứng, độ bền va đập, độ dẫn nhiệt… của vật liệu. Nhờ có cấu
trúc lớp và dạng hạt hình phiến, talc còn giúp cho nhựa PP không dễ bị lão hóa
dưới tác dụng của tia tử ngoại, làm cho vật liệu có tính chất che chắn tốt, chống
lại sự xâm nhập của không khí, hơi nước… Khoáng talc có bề mặt trơn nhẵn, có
độ cứng thấp nhất trong các loại khoáng nên có thể trộn hợp với vật liệu polyme
với hàm lượng lớn làm vật liệu kết cấu có mô đun đàn hồi cao.
Trước thực tế đó em đã chọn đề tài khóa luận là “Nghiên cứu gia tăng
tính chất cơ lý của polyolefin bằng khoáng talc”.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
2

Xác định khả năng gia tăng tính chất cơ lý của vật liệu polyolefin (PP), hàm
lượng khoáng talc tối ưu trong vật liệu polyolefin/talc.
3. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
- Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với polyme nền PP.
- Xác định ảnh hưởng của hàm lượng khoáng talc biến đổi và không biến đổi

bề mặt đến tính chất của polyolefin.
- Đánh giá tính chất của vật liệu polyolefin/talc và khả năng ứng dụng.












3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Polyolefin là một polyme được tạo ra từ một olefin hoặc anken như một
monome. Trong hóa học hữu cơ, một anken, olefin là hợp chất hóa học chưa bão
hòa có chứa ít nhất một liên kết đôi cacbon với cacbon. Đơn giản nhất là etylen,
propylen [12].
Talc là một khoáng của hydrous magnesium silicate có công thức hóa học
H
2
Mg
3
(SiO
3
)
4

hoặc Mg
3
Si
4
O
10
(OH)
2
. Nó rất mềm và có thể cắt bằng dao. Talc
không tan trong nước nhưng talc nhẹ trong axit vô cơ. Dải màu của nó từ trắng
tới xám hoặc xanh lá cây [13].
Talc được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như giấy, nhựa, sơn và
lớp phủ, cao su, thực phẩm, dây cáp điện, dược phẩm, mỹ phẩm, gốm sứ [13]…
Talc ứng dụng nhiều nhất trong polypropylen. Hàm lượng talc sử dụng
trong nhựa thường chiếm từ 10% tới 40% khối lượng [14].
1.1. Nhựa polypropylen (PP)
Polypropylen (PP) là một loại polyme và là sản phẩm của phản ứng trùng
hợp monome propylen [15]. Polypropylen có tính bền cơ học cao (bền xé và bền
kéo đứt), khá cứng, không mềm dẻo như PE. PP không mùi, không vị, không
độc. PP cháy sáng với ngọn lửa màu xanh nhạt, có dòng chảy dẻo, có mùi cháy
gần giống mùi cao su, chịu được nhiệt độ cao hơn 100
0
C. Tuy nhiên nhiệt độ hàn
dính PP (140
0
C) cao hơn so với PE - có thể gây hư hỏng màng thép cấu trúc bên
ngoài nên thường ít dùng PP làm lớp trong cùng. PP có tính chống thấm oxy, hơi
nước, dầu mỡ và các khí khác.
4

Bởi polypropylen là một polyme không đối xứng nên chúng có thể tạo
thành với cấu trúc hóa học lập thể khác nhau. Những dạng thông thường nhất
của polypropylen là isotactic, syndiotactic, atactic.
1.1.1. Tính chất
Mặc dù có nhiều điểm tương đồng về tính chất với PE song sự luân phiên
có mặt của nhóm metyl ở mạch cacbon chính của PP cũng làm thay đổi một số
tính chất của polyme.
1.1.1.1. Tính chất nhiệt (độ bền nhiệt) [15]
Ở dạng vô định hình, PP có khối lượng riêng khoảng 0,855 g/cm
3
, còn ở
dạng bán tinh thể thì khoảng 0,946 g/cm
3
. Nó có nhiệt độ nóng chảy khoảng
165
0
C, nhiệt độ thủy tinh hóa (T
g
) khoảng -15
0
C được xác định bằng DSC
(Differential Scannimh Calorimetry).
PP có cấu trúc không gian khá đều đặn, là sản phẩm cứng, không độc,
không mùi, và đặc biệt là trong suốt và bóng.
Đặc tính quan trọng nhất của PP là nhiệt độ nóng chảy cao (170 – 180
0
C).
Khi tiếp xúc với các tạp chất kim loại như đồng, mangan hoặc các hợp kim chứa
kim loại đó sẽ ảnh hưởng lớn đến tính chịu nhiệt của PP. Do đó cần chú ý khi
tổng hợp cũng như gia công PP.

1.1.1.2. Khả năng bền thời tiết [15]
Do có nguyên tử H ở C bậc 3 linh động nên PP dễ bị oxi hóa, lão hóa. Với
PP không có chất ổn định thì dưới ánh sáng khuếch tán có thể ổn định tính chất
trong 2 năm. Tuy nhiên khi có ánh sáng mặt trời như môi trường nhiệt đới của
5

Việt Nam thì chỉ sau vài tháng sẽ bị giòn và phá hủy. Do đó, các sản phẩm PP sử
dụng trong điều kiện ngoài trời thường phải kết hợp với chất gia cường và các
phụ gia bền tử ngoại.
1.1.1.3. Độ bền hóa học
PP có khả năng chống lại tác dụng của nhiều loại dung môi hóa học, axit,
bazơ. Ở nhiệt độ thường, PP không tan trong các dung môi hữu cơ, ngay cả khi
tiếp xúc lâu, mà chỉ trương nở trong các hiđrocacbon thơm và clo hóa. Nhưng ở
nhiệt độ lớn hơn 80
0
C thì PP bắt đầu tan trong hai loại hóa chất trên. Độ bền với
dung môi tăng theo độ kết tinh của polyme. Khi tiếp xúc lâu với các dung môi có
cực, PP không bị thay đổi và không giòn. Tất cả các dạng PP đều không hút
nước.
1.1.1.4. Các tính chất khác [15]
Tính chất cơ học của PP phụ thuộc vào khối lượng phân tử trung bình, vào
độ đồng nhất và hàm lượng polyme sắp xếp không trật tự. Nếu hàm lượng
polyme sắp xếp không trật tự giảm và khối lượng phân tử tăng thì tính chất của
polyme tốt hơn.
PP là loại polyme nhiệt dẻo có tỷ trọng thấp nhất. Độ bền kéo đứt, tính ổn
định nhiệt của nó cao hơn PE, PS và một số loại PVC. Còn các tính chất cơ học
khác thì gần giống PS và PVC.
Tính cách điện và thấm khí của PP hơi thấp hơn PE, PE lại ít thấm nước
hơn PP. Nhược điểm của PP là chịu lạnh thấp (từ -20 đến -15
0

C) và dễ bị oxy
hóa.
1.1.2. Sản xuất polypropylen
6

PP được sản xuất bằng nhiều phương pháp trùng hợp, song phương pháp
ưu việt nhất là trùng hợp điều hòa lập thể khi có mặt chất xúc tác Al(C
2
H
5
)
3
và
TiCl
3
.
 Phương pháp cũ
Thiết bị phản ứng có áp suất trong khoảng 4 - 6 atm và nhiệt độ 50 - 55
0
C.
Cho dung môi (benzen) và lượng xúc tác cần thiết (TiCl
3
) + Al(C
2
H
5
)
3
vào
thiết bị phản ứng. Sau đó cho propylen đã lọc sạch O

2
vào, duy trì ở nhiệt độ 50 -
55
0
C, cho đến khi hiệu suất đạt trên 95%, đem làm lạnh đến 10
0
C tách PP dưới
dạng huyền phù bằng phương pháp li tâm rồi đem xử lý xúc tác bằng CH
3
OH
trong dung dịch HCl. Rửa PP bằng nước và sấy trong điều kiện chân không ở 60,
70
0
C; độ ẩm 0,25 - 0,5% rồi đem tạo hạt.
 Phương pháp mới (do Naphta đề ra)
Dùng hỗn hợp propan C
3
H
8
và propylen C
3
H
6
với tỉ lệ theo khối lượng
30/70. Hệ xúc tác là TiCl
3
+ Al(C
2
H
5

)
3
, áp suất phản ứng 6 - 8 atm và nhiệt độ
phản ứng là 50 - 55
0
C.
Đầu tiên C
3
H
8
hòa tan C
3
H
6
đóng vai trò như là dung môi của phản ứng.
Khi trùng hợp xong đưa về áp suất thường hoặc áp suất thấp, C
3
H
8
không hòa
taan được PP, thì sẽ được hóa hơi để thu hồi. Một ít C
3
H
8
bị hấp thụ vào PP ta
dùng hơi nước quá nhiệt để kéo ra. Sau đó rửa tách xúc tác bằng CH
3
OH trong
dung dịch HCl, rửa lại bằng nước, sấy chân không và tạo hạt.
 Phương pháp tổng hợp trong công nghiệp

7

Cho propylen vào trùng hợp trong nồi phản ứng với chất xúc tác ở áp suất
100 atm và khuấy đều. Chất xúc tác phân bố trong cacbuahydro lỏng, duy trì
nhiệt độ phản ứng thấp hơn nhiều so với nhiệt độ chảy mềm của polyme. Sau khi
được 40% hỗn hợp phản ứng chuyển thành polyme thì chuyển dung dịch huyền
phù chứa: dung môi, polyme, chất xúc tác và thiết bị bốc hơi để tách (ở áp suất
thấp) propylen không phản ứng hoặc hoàn nguyên nó về sản suất. Sau đó nhờ
máy li tâm hoặc máy lọc tách polyme dạng bột và dung môi ra. Rửa polyme
bằng CH
3
OH trong dung dịch HCl loãng. Giai đoạn này phức tạp đòi hỏi thời
gian khuấy trộn nhiều, sau mỗi lần rửa phải dùng máy lọc li tâm, dùng nhiều
rượu và tiêu hao nhiều dung môi.
1.1.3. Ưu nhược điểm của PP [15]
 Ưu điểm
 Khả năng gia công tốt
 Độ cứng cao
 Độ bền va đập tốt
 Có thể sử dụng thích hợp cho tất cả các kỹ thuật gia công
 Hệ số ma sát thấp
 Cách điện rất tốt
 Khả năng chịu mỏi cao
 Làm việc tốt đến nhiệt độ 125
0
C
 Chống lại tác dụng của chất hóa học
 Nhược điểm
 Suy giảm nhanh bởi tác động của tia cực tím (tia UV)
8

 Cháy nhưng chậm, có thể làm giảm tốc độ cháy bằng cách thêm vào các
chất hóa học làm chậm quá trình cháy
 Bị tác động bởi dung môi clo và hợp chất thơm
 Tốc độ oxy hóa tăng khi lẫn tạp chất với một số kim loại
 Ở nhiệt độ thấp, độ bền va đập của PP khá thấp
 Khả năng kết dính không cao
1.1.4. Ứng dụng của nhựa PP
PP có khối lượng phân tử cao dùng để sản xuất ống, màng, dây cách điện,
các sản phẩm đúc, sợi [15].
PP có khối lượng phân tử thấp có thể trộn với PS, PE và PVC để giảm độ
chảy của chúng ở trạng thái mềm và tăng một vài tính chất như chịu nhiệt, độ
cứng.
Bằng việc kết hợp các hạt cao su, PP có thể vừa bền vừa dẻo dai ngay cả
khi ở nhiệt độ thấp. Điều này cho phép sử dụng PP thay thế cho một số loại nhựa
kỹ thuật như ABS. Những tấm PP được sử dụng làm các chất điện môi trong
những mạch hiệu năng cao và bộ điện dung.
1.1.5. Chất độn gia cường
Hiện tượng tăng cường tính chất cơ lý của vật liệu khi đưa chất độn vào
vật liệu đó được gọi là hiện tượng tăng cường lực cho vật liệu. Tác dụng tăng
cường lực của chất độn phụ thuộc vào bản chất hóa học của bản thân nó và
polyme; vào đặc trưng tương tác lẫn nhau giữa PP và chất độn. Mặt khác, mức
độ tăng cường lực cho PP còn phụ thuộc vào hàm lượng chất độn có trong thành
phần; kích thước và hình dạng hình học của chất độn và nhiều yếu tố khác; đặc
trưng hóa học của bề mặt chất độn và nhiều yếu tố khác.
9

Talc là một chất độn quan trọng cho nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo, nó
có tác dụng chủ yếu là để gia cường cho nhựa, đặc biệt là nhựa PP.
Khi talc được gia cường cho các loại vật liệu polyolefin, nó làm tăng độ

cứng, tăng khả năng bền nhiệt, nhiệt độ kết tinh của vật liệu tăng trong khi độ co
ngót của sản phẩm lại giảm xuống. Talc cũng được sử dụng như một tác nhân tạo
mầm kết tinh, hay một tác nhân bôi trơn trong quá trình gia công chế tạo vật liệu.
Tuy nhiên, cũng giống như nhiều chất độn vô cơ khác, khả năng tương tác
pha kém của bột talc với các chất nền polyme đã làm hạn chế khả năng ứng dụng
của chúng. Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm cải thiện khả năng tương
tác pha, từ đó nâng cao tính chất của vật liệu polyme gia cường bằng bột talc,
trong đó phương pháp sử dụng các tác nhân ghép nối silan đang tỏ rõ sự hiệu quả
và được sử dụng rộng rãi.
1.2. Bột talc
1.2.1. Nguồn gốc hình thành và thành phần của bột talc
1.2.1.1. Nguồn gốc hình thành
Talc là khoáng vật có nguồn gốc biến chất bao gồm cả biến chất tiếp xúc và
biến chất khu vực và 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 [1,17]. Các phản ứng hình thành talc được công bố
trong tài liệu của Deer et al [2].
Talc có thể được hình thành do biến đổi các khoáng vật giàu magie như
serpentin, pyroxen, amphibol, olivin, với sự có mặt của carbonic và nước:
Serpentin + Carbon đioxit Talc + Magnesit + Nước
10

2 Mg
3
Si
2
O
5
(OH)
4

+ 3 CO
2
Mg
3
Si
4
O
10
(OH)
2
+ 3 MgCO
3
+ 3 H
2
O
Các mỏ talc lớn trên thế giới ở Texas, Georgia và New York của Hoa Kỳ;
The Piedmont, Lombardy và Sardinia của Italia; và vùng Luzenac của Pháp.

Hình 1.1: Sự phân bố các mỏ talc trên thế giới
1.2.1.2. Thành phần của bột 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 31,9% MgO; 63,4 % SiO
2
và 4,7% H
2
O. 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. Trong những tạp chất
trên người ta lưu ý nhiều đến thành phần của các oxit kim loại nhóm d vì chúng
có khả năng gây màu, gây màu mạnh nhất là FeO. Nếu sử dụng talc làm nguyên
liệu sản xuất gốm, sứ hay vật liệu chịu lửa thì người ta thường chọn talc có thành
phần FeO nhỏ. Màu của talc thường là màu xanh sáng, trắng hoặc xanh xám.
Nếu FeO lớn thì có màu trắng ngà hoặc phớt hồng.
11

 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
10
(OH)
2
] thì còn có các khoáng như: dolomit Mg.Ca(CO
3
)
2
; manhezit
MgCO
3
; serpentin 4MgO.2SiO
2
.2H
2
O; actinolit Ca
2
Fe
5
[Si
4
O
11
]
2
.(OH)
2
; manhetit
Fe
3

O
4
; hêmantit Fe
2
O
3
…
1.2.2. Cấu trúc của 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 [3, 16, 4]. Lớp bát giác (hình 8 mặt) Mg(OH)
2
O
4
phân bố giữa hai lớp tứ
diện [Si
4
O
10
].
Talc có cấu trúc tương tự pyrophyllit, 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). Cũng như trong pyrophyllit, các lớp đều trung hòa điện tích, xen giữa
chúng không có cation trao đổi và chúng liên kết với nhau bằng lực rất yếu. Điều
này dẫn đến độ cứng thấp và khuyết tật trong trình tự các lớp của talc.
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 α của ô cơ sở.
Mặt khác, vòng sáu cạnh tứ diện không đối xứng sáu phương, mà ba phương kép
12

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 1.2 [1, 5].


Hình 1.2: Cấu trúc khoáng vật talc
Hình 1.3: Talc dưới kính hiển vi điện tử quét
Tinh thể talc có dạng hình vẩy. Thường tập hợp tạo các lá, vẩy hay khối sít
đặc (hình 1.3) [9]. Do lực liên kết các vảy nhỏ nên sờ tay có cảm giác mỡ.
1.2.3. Tính chất của talc
Trong các loại khoáng chất có trong tự nhiên, bột talc là 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
.
Ngoài ra talc rất mịn, nó cho cảm giác trơn bóng như xà phòng (“đá xà
phòng” được dùng để gọi một loại đá biến chất có thành phần chính là talc). Talc
có tính chất cách điện, cách nhiệt, nhiệt độ nóng chảy cao, độ dãn nhiệt thấp, bền
hóa học, hấp thụ dầu, kị nước, ưa hợp chất hữu cơ và có diện tích bề mặt lớn [3,
16].

13

Talc tinh khiết có thể bền nhiệt tới 930
0
C, mất nước cấu trúc trong khoảng
930 – 970
0
C tạo thành ensatit (MgSiO
3
). Thông thường các sản phẩm talc
thương mại giảm khối lượng ở dưới 930
0
C do có chứa cacbonat – phá hủy ở
600
0
C và chlorit – mất nước ở 800
0
C. Talc nóng chảy ở 1500
0
C [4].
Talc mềm nên khó nghiền mịn và dẫn đến phân bố kích thước rộng; talc có
ít các nhóm định chức OH và chỉ định vị ở cạnh các phiến nên không thuận lợi
cho quá trình biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan; các phiến talc liên kết với
nhau bằng lực Van der Waals yếu nên dễ trơn trượt nên nhau, tạo điều kiện thuận
lợi khi trộn hợp với nhựa polyme, ít gây mòn thiết bị và có thể trộn với hàm
lượng lớn, talc bền nhiệt tới 900
0
C nên có thể tăng cường độ bền nhiệt cho vật
liệu polyme.
Trong các lĩnh vực cao su, sơn, vật liệu phủ và đặc biệt là trong lĩnh vực

chất dẻo (PP, PE ) talc là một chất độn gia cường có hiệu quả. Không chỉ làm
cho quá trình gia công trở nên dễ dàng hơn, việc sử dụng bột talc còn đem lại
nhiều tính chất quý cho sản phẩm.
Tuy nhiên việc phân lớp, phân tán, phân bố của talc bên trong polyme,
tương tác pha giữa các hạt talc và polyme nền, tất cả đều ảnh hưởng tới tính chất
của polyolefin/talc. Talc được phối trộn với polyolefin, kết quả là độ phân bố
thấp. Bên cạnh đó khả năng tương thích kém giữa bề mặt talc và PP dẫn đến độ
bám dính bề mặt pha thấp kết quả tính chất cơ lý của vật liệu thấp.
Để tăng cường khả năng tương tác pha, từ đó nâng cao tính chất cơ lý của
vật liệu, phương pháp được sử dụng phổ biến ngày nay là biến đổi chất nền, bề
mặt chất độn hoặc cả hai. Biến đổi chất nền thực hiện bằng cách sử dụng peroxit,
nhưng tính chất cuối cùng bị suy giảm bởi vì khối lượng phân tử suy giảm do sự
14

cắt mạch. Tương tác pha giữa chất độn – chất nền có thể đạt được bằng biến đổi
bề mặt chất độn. Sử dụng tác nhân ghép nối làm giảm sự kết tụ của hạt chất độn
cũng như tăng khả năng phân bố của nó trong nền polyme [5].
Để cải thiện tính chất cơ của PP/talc, Lucia Castillo và cộng sự đã ghép
nhóm acetoxy (-COOCH
3
) lên bề mặt bột talc. Quá trình xử lý bề mặt khoáng
talc đã giúp cải thiện độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt của vật liệu [5].
Chuah Ai Wah và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của các tác nhân
ghép nối Titan đến tính chất lưu biến, các đặc trưng phân tán và tính chất cơ lý
của vật liệu PP được gia cường bột talc. Kết quả chỉ ra rằng độ chảy nhớt của vật
liệu giảm trong khi khả năng phân tán của các hạt chất độn trong chất nền được
tăng cường với sự có mặt của các tác nhân ghép nối [6]. Xác định nhiệt độ
chuyển thủy tinh cho thấy ảnh hưởng dẻo hóa gây ra bởi tác nhân ghép nối, từ đó
dẫn đến sự thay đổi đáng kể các đặc trưng về hình thái cấu trúc và các tính chất
cơ lý.

1.2.4. Biến đổi bề mặt bột talc bằng hợp chất silan
Phương pháp biến đổi bề mặt các chất độn nói chung bằng hợp chất silan
ngày càng trở nên phổ biến do có được nhiều ưu điểm, đặc biệt là tăng cường
tính chất của vật liệu.
Các hợp chất silan là các hợp chất hóa học của nguyên tử silic với hợp chất
hóa học đơn giản nhất là SiH
4
(silan). Trong các hợp chất silan, nếu có chứa ít
nhất 1 liên kết Si - C được gọi là các hợp chất silan hữu cơ.
Tác nhân ghép nối silan là các hợp chất hóa học của nguyên tử silic có chứa
hai nhóm hoạt động trên cùng một nguyên tử với cấu trúc điển hình của nó là:
15

(RO)
3
SiCH
2
CH
2
CH
2
-X
Trong đó RO là nhóm có khả năng thủy phân như: metoxy, etoxy hay
acetoxy,…và X là nhóm chức hữu cơ như: amino, metacryloxy, epoxy,…
Những nhóm này thể hiện vai trò chức năng khác nhau và có thể phản ứng
lần lượt. Một tác nhân ghép 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
polyme hữu cơ, chất phủ hay chất kết dính) để liên kết hay ghép nối hai loại vật
liệu không giống nhau này.
Silan có thể thực hiện tương tác giữa các đế vô cơ như thuỷ tinh, kim loại

hay khoáng chất với các vật liệu hữu cơ như cao su hay polyme tạo thành các
liên kết hoá học hay kết nối khác.
Quá trình biến đổi bề mặt khoáng xảy ra qua bốn giai đoạn:
 Đầu tiên 3 nhóm alkoxy bị thuỷ phân tạo ra các thành phần chứa
silanol.
 Tiếp đó là quá trình ngưng tụ của các silanol thành oligome.
 Các oligome sau đó tạo liên kết hydro với các nhóm hydroxyl có trên
bề mặt của chất nền.
 Cuối cùng là quá trình làm khô cùng với sự tách nước tạo thành các
liên kết hóa trị giữa hợp chất silan với chất nền.
16



Hình 1.4: Cơ chế phản ứng silan hóa trên bề mặt chất độn
Tuy được chia ra làm 4 giai đoạn nhưng trên thực tế, ngay sau quá trình
thủy phân các giai đoạn tiếp theo xảy ra gần như đồng thời và trên bề mặt bột
talc hình thành các đa lớp phân tử silan với mật độ các phân tử giảm dần từ trong
ra ngoài.
Sau khi biến đổi bằng hợp chất silan, bề mặt của talc được hoạt hóa
nhờ các nhóm chức hữu cơ như amino, epoxy hay vinyl. Khi gia cường cho các
vật liệu polyme hay cao su, tro bay có thể tạo liên kết hóa học hay vật lý với các
pha nền nhờ lớp silan có trên bề mặt sau khi biến tính.
Như vậy tùy 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
khoáng.