Nghiên cứu xác định tác nhân kết nối silan để biến đổi bề mặt khoáng talc sử dụng làm phụ gia cho vật liệu polyme

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HOÁ HỌC

******

NGUYỄN THỊ HIỀN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TÁC NHÂN
KẾT NỐI SILAN ĐỂ BIẾN ĐỔI BỀ MẶT
KHOÁNG TALC SỬ DỤNG LÀM PHỤ
GIA CHO VẬT LIỆU POLYME
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chun ngành: Hóa cơng nghệ mơi trường
Người hướng dẫn khoa học
PGS.TS. NGƠ KẾ THẾ

HÀ NỘI – 2014


LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS. Ngô Kế Thế
người đã tận tình hướng dẫn em trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu tại
phòng nghiên cứu Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn
lâm KH & CN Việt Nam.
Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ nghiên cứu của Phòng Vật liệu
Polyme & Compozit đã giúp đỡ em trong suốt thời gian thực tập và thực hiện
khóa luận tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cơ giáo trong khoa Hóa học trường
ĐHSP Hà Nội 2, các bạn sinh viên cùng nhóm đã tạo điều kiện giúp đỡ em để
bản khóa luận này được hồn thành.
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 22 tháng 05 năm 2014
Sinh viên

Nguyễn Thị Hiền


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
CSTN: Cao su thiên nhiên................................................................................... 2
L2PC: Dạng đối xứng một nghiêng lăng trụ trực thoi ......................................... 11
TOT: Lớp tứ diện – bát diện – tứ diện ................................................................ 12
PP: Nhựa Polypropylen ....................................................................................... 18
Pkl: Phần khối lượng ........................................................................................... 23
γ- MPTMS: γ- metacryloxypropyltrimetoxysilan ............................................... 27
-APTMS: - aminopropyltrimetoxysilan ........................................................... 27
Si69: Bis-triethoxysilylpropyltetrasulfit ............................................................. 28
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam ............................................................................. 31


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Cải thiện tính chất điện với tác nhân phân tán silan xử lý thạch anh
gia cường cho nhựa epoxy
Bảng 1.2: Thống kê sử dụng bột talc trong một số lĩnh vực khác nhau ở Hoa
Kỳ
Bảng 1.3: Thành phần tiêu chuẩn để xác định các tính chất cơ lý của CSTN
Bảng 2.1: Tính chất của nhựa epoxy YD-011X75
Bảng 2.2: Tính chất của chất đóng rắn KINGMIDE 315-L

Bảng 2.3: Chỉ tiêu kỹ thuật CSTN
Bảng2.4: Thành phần chế tạo mẫu cao su thiên nhiên
Bảng 3.1: Hàm lượng silan trên bề mặt khoáng talc
Bảng 3.2: Hàm lượng silan trên bề mặt bột talc biến đổi ở các nhiệt độ khác
nhau
Bảng 3.3: Hàm lượng silan trên bề mặt các mẫu bột talc biến đổi bề mặt
Bảng 3.4: Môđun đàn hồi vật liệu CSTN có 30% khống talc biến đổi bề mặt
bằng các silan khác nhau
Bảng 3.5: Độ bền kéo đứt mẫu compozit PP/talc
Bảng 3.6: Độ chuyển hóa nhóm epoxy của các lớp phủ có bột talc khác nhau
Bảng 3.7: Kết quả đo độ bám dính của các màng phủ
Bảng 3.8: Kết quả đo độ bền va đập của các màng phủ
Bảng 3.9: Kết quả đo độ bền uốn và độ cứng của các màng phủ


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Cơ chế phản ứng silan hóa trên bề mặt chất độn
Hình 1.2: Bề mặt chất độn sau khi được biến đổi bằng hợp chất silan
Hình 1.3: Chất độn được xử lý bề mặt bằng silan phân tán dễ dàng hơn trong
chất nền polyme
Hình 1.4: Cơ chế bảo vệ tái kết tụ các hạt chất độn của hợp chất silan
Hình 1.5: Các chất silan cho độ giảm giãn nở nhiệt lớn nhất và là tác nhân
phân tán tốt nhất
Hình 1.6: Cơ chế proton hóa phân tử silan
Hình 1.7: Cơ chế silan hóa bề mặt bột talc với sự có mặt của tác nhân axit
Hình 1.8: Cấu trúc khống vật talc
Hình 1.9: Talc dưới kính hiển vi SEM
Hình 1.10: Sự phân bố các mỏ talc trên thế giới
Hình 1.11: Ứng dụng talc trong các ngành cơng nghiệp khác nhau ở Hoa Kỳ
năm 2003

Hình 2.1: Phân bố kích thước khống talc
Hình 2.2: Máy cán 2 trục TOYOSEIKI
Hình 2.3: Máy ép thủy lực TOYOSEIKI
Hình 2.4: Máy cắt mẫu đo độ bền kéo đứt
Hình 2.5: Máy đo độ bền cơ lý
Hình 3.1: Giản đồ phân tích nhiệt DTA-TG mẫu talc Phú Thọ
Hình 3.2: Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu bột talc biến đổi bằng
metacrylsilan
Hình 3.3: Phổ FT-IR của γ-metacryloxypropyltrimetoxysilan
Hình 3.4: Phổ FT-IR của mẫu bột talc ban đầu
Hình 3.5: Phổ FT-IR của mẫu bột talc biến đổi với 1% γ- MPTMS
Hình 3.6: Độ hấp thụ dầu của các mẫu bột talc


Hình 3.7: Tính chất cơ lý của các mẫu vật liệu CSTN có chứa bột talc
Hình 3.8: Giản đồ ứng suất biến - dạng vật liệu CSTN có khống talc chưa
biến đổi bề mặt
Hình 3.9: Độ bền kéo đứt mẫu compozit PP/talc
Hình 3.10: Phổ FT-IR màng phủ epoxy có các bột talc biến đổi bằng các hợp
chất silan khác nhau
Hình 3.11: Độ bám dính của các màng phủ


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................. 3
1. Hợp chất silan để biến đổi bề mặt khoáng talc ........................................ 3
1.1. Hợp chất silan và vai trò của quá trình biến đổi ............................... 3
1.1.1. Hợp chất silan ............................................................................ 3
1.1.2. Vai trị của q trình biến đổi .................................................... 3

1.2. Tác dụng của quá trình biến đổi ........................................................ 6
1.2.1. Tăng khả năng phân tán.............................................................. 6
1.2.2. Giảm độ nhớt............................................................................... 6
1.2.3. Giảm những hạn chế trong q trình lưu hóa ............................ 7
1.2.4. Nâng cao tính chất điện .............................................................. 8
1.3. Các phương pháp biến đổi bề mặt bột talc........................................ 8
2. Bột talc .................................................................................................... 10
2.1. Thành phần, cấu trúc, tính chất ....................................................... 10
2.1.1. Thành phần ................................................................................ 10
2.1.2. Cấu trúc ..................................................................................... 11
2.1.3. Tính chất .................................................................................... 13
2.2. Quá trình hình thành talc .................................................................. 14
2.3. Ứng dụng .......................................................................................... 15
3. Vật liệu polyme ........................................................................................ 17
3.1. Lịch sử phát triển ............................................................................. 17
3.2. Phân loại .......................................................................................... 18
3.2.1. Nhựa nhiệt dẻo ........................................................................... 18
3.2.2. Nhựa nhiệt rắn ........................................................................... 19
3.2.3. Cao su ........................................................................................ 22
Chương 2: THỰC NGHIỆM ....................................................................... 24


2. HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....... 24
2.1. Hóa chất............................................................................................. 24
2.1.1. Vật liệu polyme............................................................................ 24
2.1.2. Khống talc ................................................................................. 26
2.1.3. Hợp chất silan ............................................................................. 26
2.2. Thiết bị và phương pháp nghiên cứu ................................................ 27
2.2.1. Phương pháp biến đổi bề mặt khoáng talc ................................. 27
2.2.2. Phương pháp chế tạo mẫu có chứa talc ..................................... 27

2.2.3. Xác định tính chất bề mặt khoáng talc bằng phổ hồng ngoại
(IR) ........................................................................................................ 30
2.2.4. Xác định hàm lượng silan trên bề mặt bột talc bằng phân tích
nhiệt ....................................................................................................... 31
2.2.5. Xác định độ ngấm dầu ................................................................ 31
2.2.6. Xác định độ cứng của vật liệu ..................................................... 31
2.2.7. Xác định tính chất cơ lý của vật liệu............................................ 32
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 34
3.1. Xác định điều kiện biến đổi bề mặt khoáng talc bằng hợp chất silan... 34
3.1.1. Xác định nồng độ hợp chất biến đổi bề mặt khoáng talc ............ 34
3.1.2. Xác định nhiệt độ phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc ........... 36
3.1.3. Xác định thời gian phản ứng biến đổi bề mặt khống talc .......... 37
3.2. Khảo sát tính chất của khoáng talc biến đổi bề mặt.............................. 37
3.2.1. Phổ hồng ngoại của khoáng talc ................................................. 37
3.2.2. Độ hấp thụ dầu của khoáng talc ...................................................39
3.3. Xác định tác nhân kết nối silan của khoáng talc biến đổi bề mặt
phù hợp với PP, CSTN và nhựa epoxy ........................................................41
3.3.1. Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với CSTN .....................41
3.3.2. Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với PP..........................44


3.3.3. Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với nhựa epoxy ............45
3.3.3.1. Ảnh hưởng đến phản ứng đóng rắn ........................................45
3.3.3.2. Ảnh hưởng đến tính chất cơ lý màng phủ epoxy .....................47
KẾT LUẬN ....................................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................50


MỞ ĐẦU
1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, sự phát triển của ngành khoa học vật liệu đã cho chúng ta rất
nhiều loại vật liệu khác nhau từ nhựa tổng hợp, polyme, kim loại, silicon,…
nhưng vật liệu phổ biến nhất phải kể đến là vật liệu polyme. Nhờ những tính
chất đặc trưng vật liệu polyme đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực và ngành
nghề khác nhau. Nhưng bên cạnh đó phần lớn các vật liệu polyme có nhiều
hạn chế như kém bền nhiệt, dễ bị phá hủy bởi tác nhân bên ngồi,… Chính vì
vậy khi chế tạo thì người ta thường thêm vào các chất phụ gia. Một trong các
chất độn gia cường phổ biến là khoáng talc. Talc trong các vật liệu polyme đã
có nhiều ảnh hưởng tích cực đến các tính chất của vật liệu. Khơng chỉ làm cho
q trình gia cơng trở nên dễ dàng hơn, việc sử dụng bột talc cịn đem lại
nhiều tính chất quý cho sản phẩm. Tuy nhiên, cũng như nhiều vật liệu vô cơ
khác như sợi thủy tinh, mica, các oxit kim loại… talc thường tương tác bề mặt
kém với các vật liệu polyme. Khi sử dụng talc làm chất độn gia cường cho các
loại vật liệu thì cần phải nâng cao độ tương tác giữa các pha để sản phẩm đạt
được các tính năng cơ lý hóa cao. Tùy thuộc vào lĩnh vực ứng dụng mà bột
khoáng talc cần được biến tính bề mặt để tạo ra sự tương tác thích hợp của
talc với các vật liệu nền lựa chọn.
Trước thực tế đó, “Nghiên cứu xác định tác nhân kết nối silan để
biến đổi bề mặt khoáng talc sử dụng làm phụ gia cho vật liệu polyme” đã
được lựa chọn để làm khóa luận tốt nghiệp này của em.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp để biến đổi bề mặt khoáng talc
sử dụng làm phụ gia cho vật liệu polyme

3. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

1


- Xác định điều kiện biến đổi bề mặt khoáng talc bằng các hợp chất

silan
- Khảo sát tính chất của khoáng talc biến đổi bề mặt
- Xác định tác nhân kết nối silan của khoáng talc biến đổi bề mặt phù
hợp với polyolefin, nhựa epoxy hay CSTN

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1. HỢP CHẤT SILAN ĐỂ BIẾN ĐỔI BỀ MẶT KHỐNG TALC
1.1. Hợp chất silan và vai trị của quá trình biến đổi bề mặt
1.1.1. Hợp chất 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 ưu điểm, đặc biệt là trong khả năng
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 SiH4 (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 tố silic có
chứa hai nhóm hoạt động vô cơ và hữu cơ trên cùng một nguyên tử với cấu
trúc điển hình của nó là:
(RO)3SiCH2CH2CH2-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 trị 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 vơ cơ (như thủy tinh, kim loại hay khống 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 khơng 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 hố học hay kết nối khác.
1.1.2. Vai trị của quá trình biến đổi bề mặt
Quá trình biến đổi bề mặt khoáng xảy ra qua bốn giai đoạn.

3


 Đầu tiên 3 nhóm alkoxy bị thuỷ phân tạo ra các thành phần chứa
silanol,
 Tiếp đó là q 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.

Hình 1.1: Cơ chế phản ứng silan hóa trên bề mặt chất độn
Sau khi được biến đổi bề mặt, các chất độn hay chất màu sẽ xuất hiện
các nhóm chức của phân tử silan trên bề mặt của chúng:

Hình 1.2: Bề mặt chất độn sau khi được biến đổi bằng hợp chất silan

4


Hợp chất silan trước hết được biết đến như là tác nhân làm cho quá
trình tạo mẫu các vật liệu polyme có chứa các chất độn rắn vơ cơ và chất màu
trở nên dễ dàng và ổn định, các chất phân tán tốt hơn.
Bề mặt của chất độn được chức hóa để cải thiện khả năng tương tác pha
với chất nền polyme thông qua các tương tác hay các phản ứng hóa học giữa

polyme và các nhóm chức trên phân tử silan. Nhóm chức trên phân tử silan
được lựa chọn để tương thích với chất nền polyme.

Hình 1.3: Chất độn được xử lý bề mặt bằng silan phân tán dễ dàng hơn trong
chất nền polyme
Việc xử lý chất độn bằng các hợp chất silan cũng tạo ra các lớp bảo vệ
để ngăn cản quá trình tái kết tụ của các hạt:

Hình 1.4: Cơ chế bảo vệ tái kết tụ các hạt chất độn của hợp chất silan

5


1.2. Tác dụng quá trình biến đổi bề mặt
Trong các lĩnh vực vật liệu cao su, sơn, nhựa,...việc biến đổi bề mặt
chất độn bằng các hợp chất silan sẽ có những tác dụng cơ bản sau:
1.2.1. Tăng khả năng phân tán
Sử dụng các tác nhân phân tán silan đưa đến sự cải thiện đáng kể khả
năng phân tán của các chất độn và chất màu trong các hệ polyme.
Các hợp chất alkoxysilan giống như Methyltrimethoxysilane - CH3Si(OCH3) sẽ tạo ra các lớp bảo vệ để giảm xuống thấp nhất khả năng tái kết tụ
của các hạt chất độn và bịt kín ảnh hưởng của bề mặt đến tính chất lưu hóa và
tính chất điện của nhựa.
Đối với các hệ nhựa nhiệt dẻo, việc cải thiện khả năng phân tán sẽ dẫn
đến các kết quả:
- Nồng độ chất độn hay chất màu đưa vào hệ cao hơn
- Độ nhớt của vật liệu thấp hơn
- Khuyết tật trên bề mặt vật liệu thấp hơn
- Tính chất cơ lý tốt hơn
- Tính chắn sáng của các chất màu tốt hơn (ví dụ: TiO2)
Với các hệ nhựa rắn, khả năng phân tán của chất độn tốt hơn thường

đưa đến kết quả làm giảm khả năng tạo bọt khơng khí trong sản phẩm, độ
nhớt ở trạng thái lỏng thấp hơn. Cho phép chảy dễ dàng hơn trong quá trình
tạo mẫu và làm tăng khả năng sử dụng tỷ lệ các chất độn giá rẻ.
1.2.2. Giảm độ nhớt
Q trình đưa chất độn vào trong polyme nóng chảy làm tăng độ chảy
nhớt của chất hỗn hợp. Độ nhớt tăng phụ thuộc vào nhiều thông số như:
- Độ nhớt của polyme nóng chảy
- Nồng độ chất độn
- Khả năng kết dính giữa polyme và chất độn

6


- Phân bố kích thước hạt chất độn
Xử lý các hạt chất độn với silan làm cho khả năng của chất độn với
polyme tốt hơn, giúp cho các chất độn phân tán tốt hơn và làm cho hỗn hợp
có độ nhớt thấp hơn so với chất độn không được xử lý. Điều này làm cho q
trình gia cơng trở nên dễ dàng hơn, độ đồng nhất cao hơn, phẩm chất bề mặt
sản phẩm tốt hơn, nồng độ chất độn đưa vào cao hơn.
1.2.3. Giảm những hạn chế trong quá trình lưu hóa
Các chất độn được biết có những ảnh hưởng ở những mức độ khác
nhau đến hệ lưu hóa của nhựa nhiệt rắn, điều mà có thể hạn chế khả năng lưu
hóa của chúng. Việc sử dụng một hợp chất silan làm tác nhân phân tán có thể
làm giảm những hạn chế trong q trình lưu hóa do chất độn gây ra. Các chất
độn được xử lý bằng silan trong cả hai hệ polyeste và epoxy thường khắc
phục được những hạn chế trong q trình lưu hóa được xác định bởi nhiệt lưu
hóa (biểu diễn trong hình dưới). Các chất silan là tác nhân phân tán tốt nhất
thường cho nhiệt cao nhất.

Hình 1.5: Các chất silan cho độ giảm giãn nở nhiệt lớn nhất và là tác nhân

phân tán tốt nhất

7


1.2.4. Nâng cao tính chất điện
Khả năng của các tác nhân phân tán silan tác động tăng cường tính chất
điện được biểu diễn trong bảng dưới với nhựa epoxy được gia cường bằng
chất độn thạch anh.
Bảng 1.1. Cải thiện tính chất điện với tác nhân phân tán silan xử lý thạch anh
gia cường cho nhựa epoxy
Hệ

Hằng số điện môi

Hệ số tiêu hao

Khơ

Ướt*

Khơ

Ướt*

Nhựa khơng có thạch anh

3.44

3.43

0.007

0.005

Thạch anh khơng xử lý

3.39

14.60

0.017

0.305

Thạch anh xử lý bằng Z-6040

3.40

3.44

0.016

0.024

Thạch anh xử lý bằng Z-6041

3.46

3.47

0.013

0.023

 sau 72h ngâm trong nước sơi.
Trường hợp khơng có chất độn, nhựa epoxy có tính chất điện tốt, hằng
số điện môi và hệ số tiêu hao không thay đổi sau khi ngâm trong nước sôi
72h. Tuy nhiên, khi thêm thạch anh, bề mặt ưa nước của thạch anh làm giảm
rất nhiều tính chất điện trong q trình ngâm trong nước sôi. Với cả hai
epoxysilan Z-6040 và aminsilan Z-6011, vật liệu độn thạch anh thể hiện tính
chất điện tốt hơn nhiều.
1.3. Các phương pháp biến đổi bề mặt bột talc
Để biến đổi bề mặt khống bằng các hợp chất silan, có ba phương pháp
thông dụng đươc mô tả chung như sau (Power Chemical Corporation Limited,
2009):

8


Phương pháp ướt: được thực hiện bằng cách trộn hỗn hợp ướt của
chất độn vô cơ với một dung dịch lỗng của hợp chất silan. Phương pháp này
có thể biến đổi bề mặt của các chất độn vô cơ với một độ đồng đều cao.
Phương pháp khô: cần một máy trộn có tốc độ cao để phân tán các tác
nhân ghép silan lên trên bề mặt vật liệu vô cơ. Hợp chất silan thường được sử
dụng tinh khiết hoặc dạng dung dịch đặc. Phương pháp này thường được áp
dụng khi phải xử lý bề mặt của một khối lượng lớn chất độn. Phương pháp
này chỉ cần thời gian ngắn và cũng giải phóng ít chất thải. Tuy nhiên nó khó
có được độ đồng đều cao như phương pháp ướt.
Phương pháp phun: Các tác nhân ghép silan được phun lên bề mặt

của chất độn có nhiệt độ cao thường diễn ra trong lị nung. Phương pháp này
có thể rút ngắn thời gian vì bỏ qua giai đoạn sấy khơ và q trình thực hiện
đơn giản hơn nhưng phải chú ý tới khả năng bắt cháy.
Trong vai trò là chất độn hay chất gia cường trong lĩnh vực vật liệu
polyme, talc phải được biến đổi bề mặt. Việc sử dụng hợp chất silan xử lý talc
nâng cao khả năng phân tán cũng như phẩm chất của vật liệu nhựa được gia
cường bột talc.
Lợi thế của bột talc được xử lý bằng hợp chất silan:
- Lợi thế cho q trình gia cơng chế tạo:
+) Hàm lượng cho vào cao hơn
+) Sự hình thành các điểm chết thấp hơn
+) Tốc độ gia công nhanh hơn
+) Wider processing window
- Lợi thế cho sản phẩm:
+) Độ ổn định màu sắc tốt hơn
+) Tính chất quang và độ bóng cao hơn
+) Tính chất cơ cao hơn

9


Biến đổi bề mặt talc là một quá trình quan trọng. Khác với một số chất
độn gia cường khác như oxit silic, talc có đặc trưng kiềm nhẹ trong nước và
q trình biến đổi bề mặt phải có sự có mặt của một tác nhân có tính axit. Khi
tác nhân kết nối được sử dụng, các liên kết hóa học có thể được tạo ra trên bề
mặt chất độn giữa các nhóm hydroxyl hay silanol và các nhóm alkoxy của tác
nhân ghép nối.

Hình 1.6: Cơ chế proton hóa phân tử silan

Hình 1.7: Cơ chế silan hóa bề mặt bột talc với sự có mặt của tác nhân axit
2. BỘT TALC
2.1. Thành phần , cấu trúc, tính chất
2.1.1. Thành phần
 Thành phần hóa học
Bột talc là một loại khống chất có sẵn trong tự nhiên. Bột talc có tên
hóa học là hydrous magnesium silicate và có cơng thức hóa học là
Mg3Si4O10(OH)2 với tỷ lệ MgO: 31,9%; SiO2: 63,4% và H2O: 4,7% [8].
Trong tự nhiên quặng talc thường chứa các tạp chất như: FeO, Al2O3, Na2O,

10


K2O, 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.
 Thành phần khống 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 ngồi talc
Mg3Si4O10(OH)2 thì cịn có các khống như: dolomit Mg.Ca(CO3)2; manhezit
MgCO3; serpentin 4MgO.2SiO2.2H2O; manhetit Fe3O4; actinolit
Ca2Fe5[Si4O11]2.(OH)2; hemantit Fe2O3,…
Trong thực tế cùng họ khống silicat magie ba lớp có khống
pyrophillit Al2O3.2SiO2.H2O mà trực quan và một số tính chất vật lý ứng
dụng rất giống talc.
2.1.2. Cấu trúc

Khống 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-O2/hydroxyl nằm kẹp giữa 2 lớp tứ diện SiO2.
Talc có cấu trúc tinh thể hệ mặt nghiêng, dạng đối xứng 2/m (L2PC).
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 [1, 2, 3]. Lớp bát giác (hình 8 mặt) Mg(OH)2O4 phân bố giữa hai
lớp tứ diện [Si4O10]. Giữa các tập hay các phiến talc liên kết với nhau bằng
các lực Van Der Waals, do vậy mà chúng rất dễ tách ra khỏi nhau.

11


Trong talc, vị trí trong khoang bát diện do magie chiếm, thay chỗ của
nhơm và khơng có chỗ trống (ba bát diện thay cho hai bát diện).
Khi các lớp TOT chồng lên nhau thì các vịng sáu tứ diện của chúng
không đối nhau trực diện, mà lệch nhau một khoảng bằng 1/3 cạnh α của ơ cơ
sở. Mặt khác, vịng 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 1.8 [5,6]

Hình 1.8: Cấu trúc khống vật talc

12


Hình 1.9: Talc dưới kính hiển vi SEM
Tinh thể talc có dạng hình vẩy. Thường tập hợp tạo các lá, vẩy hay khối
sít đặc (hình 1.9). Do lực liên kết các vẩy nhỏ nên sờ tay có cảm giác mỡ.
2.1.3. Tính chất

Trong các loại khống 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 có độ sạch cao. Tỷ trọng của bột talc dao động trong khoảng
2,5-2,8 g/cm3.
Bề mặt chính hay bề mặt cơ sở trên các phiến cơ sở của talc khơng
chứa các nhóm hydroxyl hay các ion hoạt động, điều này giải thích tính kỵ
nước và trơ về mặt hóa học của talc.
Talc khơng talc trong nước cũng như trong dung dịch axit hay bazo
yếu.
Khi nung talc có hiệu ứng nhiệt mạnh bắt đầu từ 9000C, thông thường
là 920-10600C nếu nung nóng trong mơi trường khơng khí. Ở khoảng nhiệt độ
này talc bị mất nước hóa học tạo thành magie metasilicat [2, 7]:
3MgO.4SiO2.2H2O  3(MgO.SiO2) + 6SiO2 + H2O

13


Tạp chất Al2O3 và CaO làm giảm độ chịu lửa của sản phẩm. FeO có
trong nguyên liệu silicat magie sẽ bị oxi hóa ở nhiệt độ 500-6000C. Ở nhiệt độ
cao hơn nó sẽ phản ứng với forsterite để tạo metasilicat magie thao phản ứng:
2MgO.SiO2 + Fe2O3  MgO.SiO2 + MgO.Fe2O3
Sự oxi hóa sắt sẽ làm mủn sản phẩm đồng thời lại tiêu tốn MgO để biến
thành 2MgO.SiO2 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.4SiO2.2H2O + 5MgO  4[2MgO.SiO2] + H2O
Talc nóng chảy ở 15000C.
2.2. Q trình hình thành khống talc
Talc là khống 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 khống vật thứ sinh [9,10]. Các phản ứng hình thành talc được
công bố trong tài liệu của Deer et al. [5].
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-dioxit  Talc + Magnesit + Nước
2 Mg3Si2O5(OH)4 + 3 CO2 = Mg3Si4O10(OH)2 + 3 MgCO3 + 3 H2O
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.

14


Hình 1.10: Sự phân bố các mỏ talc trên thế giới
2.3. Ứng dụng
 Talc trong các ngành cơng nghiệp

Hình 1.11: Ứng dụng talc trong các
ngành công nghiệp khác nhau
ở Hoa Kỳ năm 2003

Hình 1.11và bảng 1.2 cho thấy các số liệu thống kê và tỉ lệ sử dụng talc
tại Hoa Kỳ trong các năm từ 2003 đến 2007.

15


Bảng 1.2 : Thống kê sử dụng bột talc trong một số lĩnh vực khác nhau ở Hoa
Kỳ

(Đơn vị: nghìn tấn)
Năm
Lĩnh vực

2003

2004

2006

2007

Gốm sứ

219

223

248

209

Mỹ phẩm

17

5

10

16

Sơn

137

131

153

128

Giấy

115

110

124

143

Polyme

31

30

41

31

Mái lợp

41

40

61

51

Cao su

18

21

23

26

Khác

139

129

99

77

Tổng cộng

718

688

760

681

(Nguồn : U.S. Geological Survey, 2006, 2007, 2008)

 Cao su
Talc làm giảm độ nhớt của các hợp chất cao su, do đó làm cho các bộ
phận đúc và ép dễ dàng hơn. Trong các chất nhồi và các loại đệm cao su,
chúng cung cấp khả năng kháng nén tốt. trong dây cáp điện, talc hoạt động
như chất cách điện. talc cũng giúp các nhà sản xuất lốp xe giảm độ dày lốp.
 Chất dẻo
Talc dạng tấm được sử dụng để gia cố và độn cho cả thiết bị chịu nhiệt
và chất dẻo chịu nhiệt – chủ yếu là chất dẻo chịu nhiệt. Talc được sử dụng
16