Nghiên cứu tăng cường khả năng tương tác pha của khoáng talc với chất nền polypropylen

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
**********

MẠC THỊ THU NGA

NGHIÊN CỨU TĂNG CƢỜNG KHẢ NĂNG
TƢƠNG TÁC PHA CỦA KHOÁNG TALC
VỚI CHẤT NỀN POLYPROPYLEN

TÓM TẮT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ Môi trường

Người hướng dẫn khoa học:
ThS. NGUYỄN VIỆT DŨNG
PGS. TS. NGÔ KẾ THẾ

HÀ NỘI – 2015


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

LỜI CẢM ƠN
Khóa luận này được thực hiện 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 ThS. Nguyễn Việt
Dũng và PGS.TS. Ngô Kế Thế, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa
Học và Công Nghệ Việt Nam đã giao đề tài và nhiệt tình hướng dẫn em trong

suốt quá trình thực hiện khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các anh chị trong Phòng Nghiên cứu Vật
liệu Polyme và Compozit đã chỉ bảo và giúp đỡ em trong thời gian qua.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa học
trường Đại đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã cung cấp cho em những kiến thức
cơ bản trong quá trình học tập để em có thể hoàn thành khóa luận này.
Quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp trong thời gian ngắn không
tránh khỏi một số sai sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo
của các thầy cô và các bạn sinh viên.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 08 tháng 05 năm 2015
Sinh viên

Mạc Thị Thu Nga

Khóa luận tốt nghiệp

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và thầy
hướng dẫn. Các kết quả nghiên cứu, số liệu được trình bày trong khóa luận là
hoàn toàn trung thực và không trùng với kết quả của tác giả khác.
Hà Nội, ngày 08 tháng 05 năm 2015
Sinh viên

Mạc Thị Thu Nga

Khóa luận tốt nghiệp

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH
1. Danh mục các bảng
Bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Tiêu chuẩn chất lượng talc theo ISO 3262

8

Bảng 1.2

Tiêu chuẩn một số thương phẩm talc trên thị trường thế
giới

9

Bảng 1.3

Tiêu chuẩn chất lượng theo ISO (ISO 3262)

10

Bảng 1.4

Các lĩnh vực sử dụng quặng Talc được sản xuất tại Mỹ

11

Bảng 1.5

Cải thiện tính chất điện với tác nhân phân tán silan xử
lý thạch anh gia cường cho nhựa epoxy

21

Bảng 3.1

Thành phần hóa học của khoáng talc

29

Bảng 3.2

Khối lượng suy giảm và độ ngấm dầu của các mẫu talc

biến đổi ở các nồng độ khác nhau

35

Bảng 3.3

Khối lượng suy giảm và độ ngấm dầu của các mẫu talc
biến đổi

37

Bảng 3.4

Khối lượng suy giảm và độ ngấm dầu của các mẫu talc
biến đổi

39

2. Danhmụccáchình
Hình

Tênhình

Trang

Hình 1.1

Cấu trúc khoáng vật talc

3

Hình 1.2

Talc dưới kính hiển vi điện tử quét SEM

3

Hình 1.3

Một số quặng talc có màu khác nhau

4

Hình 1.4

Sự phân bố các mỏ talc trên thế giới

6

Hình 1.5

Ứng dụng talc trong các ngành công nghiệp ở Hoa Kỳ
các năm 2003 và 2011

9

Hình 1.6

Cơ chế phản ứng silan hóa trên bề mặt chất độn

16

Hình 1.7

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

17

Hình 1.8

Chất độn được xử lý bề mặt bằng silan phân tán dễ

17

Khóa luận tốt nghiệp

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

dàng hơn trong chất nền polyme
Hình 1.9

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

18

Hình 1.10

Sử dụng TiO2 xử lý bề mặt bằng silan làm giảm %
momen xoắn và nồng độ chất đưa vào cao hơn

20

Hình 1.11

Các chất silan cho độ giảm giãn nở nhiệt lớn nhất và là
tác nhân phân tán tốt nhất

21

Hình 2.1

Thiết bị phân tích nhiệt STA 409 (Netzsch)

25

Hình 2.2

Máy SEM JSM-6490

27

Hình 2.3

Máy đo tính chất cơ giãn dài

28

Hình 3.1

Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bột talc

30

Hình 3.2

Giản đồ phân tích nhiệt DTA-TG mẫu talc Phú Thọ

31

Hình 3.3

Cơ chế proton hóa phân tử silan

32

Hình 3.4

Cơ chế silan hóa bề mặt bột talc với sự có mặt của tác
nhân axit

32

Hình 3.5

Phổ FT-IR của mẫu bột talc ban đầu

33

Hình 3.6

Phổ FT-IR của mẫu bột talc biến đổi với 1% (a), 2%
(b), 4% (c) và 6% (d) hợp chất silan

34

Hình 3.7

Phổ FT-IR của mẫu bột talc biến đổi bề mặt trong thời
gian 0,5h (a), 1h (b), 2h (c) và 8h (d)

36

Hình 3.8

Biểu diễn phổ hồng ngoại của các mẫu bột talc biến đổi
trong dung dịch chứa 2% γ-MPTMS ở các nhiệt độ
40°C, 60°C và 90°C

38

Hình 3.9

Ảnh SEM mẫu vật liệu polypropylen chứa (a) bột talc

ban đầu và (b) bột talc biến đổi bề mặt

40

Hình 3.10

Độ bền giãn dài của các mẫu vật liệu polypropylen
chứa 40% bột khoáng talc có và không có biến đổi bề
mặt

41

Khóa luận tốt nghiệp

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN .............................................................................. 3
1.1. Khoáng chất talc và các đặc điểm cơ bản ................................................. 3
1.2. Đặc điểm nguồn gốc khoáng chất talc ...................................................... 5
1.3. Phân loại khoáng chất talc ......................................................................... 7
1.4. Các ứng dụng của khoáng chất talc ........................................................... 9
1.5. Tiềm năng khoáng chất talc .................................................................... 13
1.5.1. Tiềm năng khoáng chất talc trên thế giới .................................. 13

1.5.2. Tiềm năng khoáng chất talc Việt Nam ...................................... 14
2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình biến đổi bề mặt ............................................... 14
2.2.1. Các đặc tính của khoáng talc liên quan đến quá trình biến
đổi bề mặt .............................................................................................. 14
2.2.2. Biến đổi bề mặt bột khoáng bằng các hợp chất silan ................ 15
2.2.3. Biến đổi bề mặt bột talc ............................................................. 23
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM ....................................................................... 24
2.1. Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu ......................................... 24
2.1.1. Nguyên vật liệu .......................................................................... 24
2.1.2. Phương pháp nghiên cứu và thiết bị khảo sát ........................... 24
2.1.3. Nghiên cứu thử nghiệm khả năng gia cường khoáng talc cho
vật liệu polypropylen ............................................................................ 26
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 29
3.1. Phân tích đánh giá bột talc Phú Thọ ....................................................... 29
3.1.1. Thành phần hóa học ................................................................... 29
3.1.2. Phân tích nhiệt bột talc .............................................................. 30
3.2. Nghiên cứu biến đổi bề mặt khoáng talc bằng hợp chất silan ................ 32

Khóa luận tốt nghiệp

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ hợp chất silan đến phản ứng biến đổi
bề mặt khoáng talc ............................................................................... 33
3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến quá trình biến đổi bề

mặt ........................................................................................................ 36
3.2.3.Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến quá trình biến đổi bề
mặt khoáng talc ..................................................................................... 38
3.3. Thử nghiệm khả năng gia cường của khoáng talc biến đổi bề mặt với
chất nền polypropylen .................................................................................... 40
3.3.1. Hình thái bề mặt gẫy vật liệu ..................................................... 40
3.3.2. Độ bền giãn dài .......................................................................... 41
KẾT LUẬN ................................................................................................... 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 44

Khóa luận tốt nghiệp

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Năm 2012, Bộ Công Thương đã nghiệm thu một đề tài cấp nhà nước về
chế biến khoáng sản Talc vùng Phú Thọ do Viện Khoa học Vật liệu, Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam chủ trì thực hiện. Kết quả của đề
tài đã tạo ra được sản phẩm bột khoáng talc chất lượng cao có thể ứng dụng
trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Trong các lĩnh vực cao su, sơn, vật liệu phủ và đặc biệt là trong lĩnh
vực chất dẻo (PP, PE, EVA,…) talc là một chất 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, cũng như nhiều vật liệu

vô cơ khác như sợi thuỷ tinh, mica, các oxit kim loại... talc thường tương tác
bề mặt kém với các vật liệu polyme. Khi sử dụng talc làm chất gia cường cho
các loại vật liệu polyme thì cần phải nâng cao độ tương tác giữa các pha để
sản phẩm đạt được các tính năng cơ lý hoá 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.
Trong khuân khổ của một khóa luận tốt nghiệp, em đã thực hiện đề tài
“Nghiên cứu tăng cường khả năng tương tác pha của khoáng talc với chất
nền polypropylen” để biến đổi bề mặt khoáng talc Phú Thọ bằng hợp chất γmetacryloxypropyltrimetoxysilannhằm nghiên cứu sâu về điều kiện phản ứng
biến đổi bề mặt, từ đó nâng cao khả năng tương tác pha của chất độn
khoángvới chất nền polypropylen, mở rộng ứng dụng loại bột khoáng này
trong các loại vật liệu polyme kết cấu.

Khóa luận tốt nghiệp

1

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

2. Mục đ ch nghi n cứu
Nghiên cứu biến đổi bề mặt bột khoáng talc bằng hợp chất silan để tăng
cường khả năng tương hợp với nền polypropylen.
3. Nhi m vụ nghi n cứu
 Nghiên cứu, đánh giá các đặc tính khoáng talc Phú Thọ
 Nghiên cứu ảnh hưởng các điều kiện phản ứng đến quá trình biến

đổi bề mặt khoáng talc
 Đánh giá hiệu quả của phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc
bằng các phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR, phân tích nhiệt
TGA và độ hấp thụ dầu.
 Thử nghiệm khả năng gia cường khoáng talc biến đổi bề mặt với
chất nền polypropylen, đánh giá khả năng tương tác pha trong
vật liệu.

Khóa luận tốt nghiệp

2

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Khoáng chất talc và các đặc điểm cơ bản
Talc là một khoáng vật silicat lớp của magie hydrat, có công thức là
Mg3Si4O10(OH)2. Cấu trúc của talc bao gồm lớp bát diện magie liên kết kẹp
giữa hai lớp tứ diện silic (Hình 1.1). Các lớp đơn vị cấu trúc này liên kết với
nhau bằng lực liên kết yếu Van Der Waals, do vậy mà chúng rất dễ tách ra
khỏi nhau [1]. Tinh thể talc kết tinh trong hệ ba nghiêng hoặc đơn nghiêng có
hình thái dạng tấm, dạng hạt, dạng sợi (Hình 1.2) [2].

Hình 1.1.Cấu trúc khoáng vật talc [1]

Hình 1.2. Talc dưới kính hiển vi điện tử
quét SEM

Talc rất đặc trưng bởi độ mềm của nó. Trên thang độ cứng Mohs talc có
độ cứng là 1, thấp nhất so với các khoáng chất khác trong tự nhiên và có thể
vạch móng tay lên được. Ngoài ra, talc rất mịn, nó cho cảm giác trơn bóng
như xà phòng (do đó “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 giãn nhiệt thấp, bền hóa học, hấp thụ dầu, kị nước, ưa hợp
chất hữu cơ và diện tích bề mặt lớn [3,4].

Khóa luận tốt nghiệp

3

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Với công thức hóa học như trên, thành phần hóa học lý thuyết của talc là
MgO chiếm 31,7%, SiO2 chiếm 63,5%, và H2O chiếm 4,8%. Tuy nhiên, thành
phần hóa học và khoáng vật của đá talc thường rất đa dạng, phụ thuộc vào tổ
hợp đá mẹ và lịch sử địa chất của vùng. Các khoáng vật đi cùng với talc
thường là chlorit, tremolit và các carbonat như magnesit, calcit và dolomit.
Trong cấu trúc tinh thể khoáng vật talc, một lượng nhỏ Fe2+ và Fe3+ có thể
thay thế đồng hình cho magie (Mg) và một phần rất nhỏ của Al 3+ có thể thay
thế Si4+[27]. Sự đa dạng về thành phần do khoáng vật đi kèm và thay thế đồng

hình sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và kéo theo hạn chế hoặc lợi thế trong ứng
dụng talc [4].

Hình 1.3. Một số quặng talc có màu khác nhau [5]

Talc có tỉ trọng thực tế khoảng 2,58 - 2,83 g/cm3 (giá trị tỉ trọng theo tính
toán là 2,78 g/cm3). Talc có ánh mờ, màu xanh lá cây nhạt đến đậm, trắng,
trắng phớt xám, trắng phớt vàng, trắng phớt nâu và nâu (Hình 1.3), talc có thể
không màu trong lát mỏng thạch học [2].

Khóa luận tốt nghiệp

4

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Kích thước của các hạt talc riêng rẽ (gồm rất nhiều các lớp đơn vị cấu
trúc cơ sở) có thể thay đổi từ 1μm đến trên 100μm phụ thuộc vào quá trình
hình thành. Tùy từng mỏ, talc có thể có dạng tấm với các hạt riêng rẽ lớn,
trong khi có những mỏ, talc tồn tại ở hạt riêng rẽ, kích thước rất nhỏ.
Talc tinh khiết có thể bền nhiệt tới 930°C, mất nước cấu trúc trong
khoảng 930 - 970oC tạo thành enstatit (MgSiO3). Thông thường các sản phẩm
talc thương mại giảm khối lượng ở dưới 930°C do có chứa carbonat - phá hủy
ở 600°C và chlorit - mất nước ở 800°C. Talc nóng chảy ở nhiệt độ 1200°C
[6].

1.2. Đặc điểm nguồn gốc khoáng chất talc
Talc là khoáng vật có nguồn gốc biến chất bao gồm cả biến chất tiếp xúc
và biến chất khu vực, 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 [7, 5]. Các phản ứng hình thành talc được công bố
trong tài liệu của Deer et al. [8].
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
2Mg3Si2O5(OH)4 + 3CO2 = Mg3Si4O10(OH)2 + 3MgCO3 + 3H2O
Talc cũng có thể được hình thành thông qua phản ứng giữa dolomit và
oxit silic - đây là một quá trình skarn hóa điển hình:
Dolomit + Thạch anh + Nước → Talc + Calcit + Carbon-dioxit
3CaMg(CO3)2 + 4SiO2 + H2O = Mg3Si4O10(OH)2 + 3CaCO3 +3CO2
Hoặc talc cũng có thể được hình thành do chlorit phản ứng với thạch
anh trong các đá phiến lục, đá biến chất tướng eclogit:
Khóa luận tốt nghiệp

5

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Chlorit + Thạch anh + Oxy → Talc + Kyanit + Hematit + Nước
200(Mg3.97,Al2.5,Fe0.5)(Si2.9)O10(OH)8 + 711SiO2 + 14O2 →
274Mg2.9Al0.19Si3.9O10(OH)2 + 223Al2SiO5 + 50Fe2O3 + 526H2O

Ở phản ứng sau cùng này, tỉ lệ talc và kyanit cũng phụ thuộc vào hàm
lượng nhôm trong các đá đá phản ứng giàu nhôm. Quá trình này xảy ra trong
điều kiện áp suất cao và nhiệt độ thấp thường có thể tạo ra phengit, granat,
glaucophan trong tướng phiến lục. Đá talc hình thành trong điều kiện này đa số
có màu trắng, dễ vỡ vụn và dạng sợi. Chúng thường được gọi là đá phiến trắng.
Trong 4 loại hình mỏ talc, có hai loại mỏ talc chính chiếm tới 90% tổng
trữ lượng talc toàn thế giới, đó là các mỏ nhiệt dịch trong đá siêu mafic hay đá
serpentin và mỏ liên quan đến các phân vị địa tầng giàu dolomit, hai loại mỏ
không phổ biến là mỏ liên quan đến đá alumo-silicat và các mỏ trầm tích
magie [7, 3, 5].

Hình 1.4. Sự phân bố các mỏ talc trên thế giới [5]

Hình 1.4 cho thấy sự phân bố các mỏ talc trên thế giới, trong đó chủ yếu
là ở Châu Âu, Trung Quốc, Bắc Mỹ… Sơ đồ cũng cho thấy các mỏ đá chứa

Khóa luận tốt nghiệp

6

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

talc là dolomit phổ biến hơn các mỏ đá chứa talc là siêu mafic. Các mỏ talc
với đá mẹ là dolomit thường cho loại talc tinh khiết nhất. Thành phần của các
loại đá này thường chứa khoảng 30 - 100% talc, 0 - 70% chlorit/carbonat, và

0,1 - 0,5 thạch anh. Loại mỏ trong đá siêu mafic là do biến đổi nhiệt dịch các
đá mẹ mafic và siêu mafic giàu magie - dung dịch nhiệt dịch phản ứng với các
khoáng vật mafic như olivin, pyroxen, amphibol tạo thành serpentin, sau đó
tạo thành talc. Vì vậy đá loại này thường chứa talc, magnesit, chlorit, các
khoáng vật khác, và không có hoặc rất ít thạch anh. Do loại đá này ít tinh
khiết hơn so với loại đá chứa là dolomit nên quặng thô cần được nâng cấp để
nâng hàm lượng talc và độ trắng trước khi sử dụng trong các lĩnh vực công
nghệ khác nhau, chẳng hạn như quặng talc ở Phần Lan, Nauy, Thụy Điển,
Canada, Nga…
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.
1.3. Phân loại khoáng chất talc
Talc được phân loại theo thành phần khoáng vật, hình thái và yếu tố địa
lý [1]. Sự phân loại này giúp định hướng cho quá trình chế biến và sử dụng
talc.
Talc dạng tấm: loại talc này có cấu trúc dạng tấm rõ ràng, rất mềm mịn,
thường chứa tới >90% khoáng vật talc (có thể tự nhiên hoặc có thể do đã chế
biến). Loại talc này có thể được sử dụng trong mỹ phẩm, dược phẩm, và chất
độn tăng cường.
Talc steatit: là loại talc có độ tinh khiết cao, đặc sít, hạt rất mịn (có thể
do nghiền). Loại talc này có tính chất cách điện cao và được sử dụng trong
sản xuất sứ cách điện. Đây là thứ talc thương phẩm tinh khiết nhất.

Khóa luận tốt nghiệp

7

Mạc Thị Thu Nga

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Đá xà phòng: là loại talc ít tinh khiết hơn talc steatit, có thể được chạm
khắc, xẻ, khoan hoặc chế biến. Do có tính chất bền hóa học, độ chịu nhiệt cao
và đặc sít, talc dạng này có thể dùng để chế tạo các sản phẩm như bồn, bếp lò.
Talc tremolit: là loại talc hạt mịn nhưng rất cứng, thường chứa <50%
khoáng vật talc, nhưng các tính chất lại bị quyết định bởi khoáng vật tremolit
cứng và khoáng vật serpentin dạng tấm, mịn. Đá talc dạng này cũng có thể
chứa một lượng nhỏ anthophyllit (khoáng vật nhóm amphibol) dạng lăng trụ,
và chút ít các carbonat và thạch anh. Nó thiếu các đặc tính dạng tấm, mềm, kị
nước của talc và thường không được kể đến trong các ứng dụng truyền thống
của talc. Tuy nhiên, lợi dụng các tính chất không điển hình này mà talc dạng
này được ứng dụng trong sản xuất sứ gốm và sơn.
Ngoài ra, phân loại talc còn được gọi tên theo địa danh, chẳng hạn talc
New York, Vermon, Montalca, Texas, Canada, Italia, Trung Quốc… với các
đặc trưng khác nhau. Chẳng hạn, talc Vermon thường chứa 20-30% magie,
chủ yếu để làm chất độn, ngoài ra còn chế biến và dùng trong mỹ phẩm, dược
phẩm; talc Montalca nổi tiếng với độ tinh khiết và độ trắng cao; trong khi đó
talc Texas có màu xám hoặc đen do chứa vật chất hữu cơ; talc New York thì
là loại talc tremolit. Talc Italia nổi tiếng là loại tinh khiết nhất trên thế giới.
Talc còn được phân loại theo chuẩn chất lượng ISO 3262 [9] như trong
bảng 1.1.
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn chất lượng talc theo ISO 3262
Loại

Hàm
lƣợng talc

Mất khi nung ở
1000°C (%)

Khả năng hòa talc
trong HCl tối đa (%)

A

95

4 – 6,5

5

B

90

4–9

10

C

70

4 – 18

30

D

50

4 – 27

30

Khóa luận tốt nghiệp

8

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

1.4. Các ứng dụng của khoáng chất talc
Với 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)… talc 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 [1, 10, 3]. Tỉ 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,hình 1.5 giới thiệu cơ cấu sử dụng khoáng chất talc trong
nền công nghiệp Mỹ năm 2003 [3], và năm 2011 [11].

Hình 1.5. Ứng dụng talc trong các

ngành công nghiệp ở Hoa Kỳ các năm
2003 và 2011
Bảng 1.2. Tiêu chuẩn một số thương phẩm talc trên thị trường thế giới
Chỉ ti u

TT

Đơn vị

Giá trị

1

Bột khoáng talc sử dụng cho ceramic, sơn và polyme

1.1

Hàm lượng Talc trung bình (Loại A- B- C)

%

95- 90- 70

1.2

Mất khi nung ở 1000°C (Loại A- B- C)

%

(4-6,5)- (4-9)

(4-18)

1.3

Khả năng hòa talc trong HCl, tối đa (Loại A- B- C)

%

5- 10- 30

1.4

Lọt sàng (Loại A- B- C)

mesh

400- 325- 200

1.5

Độ trắng (Loại A- B- C)

%

94- 90-85

2

Bột khoáng talc sử dụng cho dược phẩm và hóa mỹ phẩm
SiO2

Khóa luận tốt nghiệp

%

9

 60

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

MgO

%

29-30

Độ ẩm

%

 0,5

Tỉ trọng

g/cm3

2,7- 2,8

Mất khi nung (600-7000C)

%

1,5- 2

Độ trắng

%

 90- 95

pH

-

6,5- 7,5

Khả năng talc trong axít

%

1,5- 2

Khả năng talc trong nước

%

0,1- 0,2

Hàm lượng As

%

 0,0003

Hàm lượng Pb

%

 0,001

Hàm lượng Hg

%

 0,004

Độ hạt (lọt sàng 45 m)

%

 98

Bảng 1.3. Tiêu chuẩn chất lượng theo ISO (ISO 3262)
Loại Talc

Hàm lƣợng Talc
trung bình (%)

Mất khi nung ở
1000°C (%)

Khả năng hòa talc
trong HCl tối đa (%)

A

95

4-6.5

5

B

90

4-9

10

C

70

4-18

30

D

50

4-27

30

Từ các số liệu nêu ra trong Bảng 1.2 và 1.3 cho thấy chất lượng sản phẩm
talc lưu hành trên thị trường thế giới được xác định bởi một số chỉ tiêu về tính
chất vật lý và thành phần hóa học chính và mức độ yêu cầu cho các lĩnh vực sử
dụng có khác nhau. Trong đó sản phẩm ứng dụng trong hóa mỹ phẩm đòi hỏi
chất lượng rất cao, ngoài ra còn giới hạn tổng hàm lượng kim loại nặng nói
chung và một số kim loại nặng đặc biệt độc hại nói riêng như Pb, As, Cd và Hg.
Các lĩnh vực sử dụng talc chính trong những năm gần đây được nêu trong
Bảng 1.4. Các sản phẩm nano – talc (kích thước hạt từ 10-100 nm) tiếp tục được
thăm dò để sử dụng chúng trong các ứng dụng khác nhau.

Khóa luận tốt nghiệp

10

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Bảng 1.4. Các lĩnh vực sử dụng quặng Talc được sản xuất tại Mỹ
Đơn vị: nghìn tấn

TT

Năm

T n lĩnh vực sử dụng

2009

2010

1

Gốm sứ

95

111

2

Mỹ phẩm

16

16

3

Sơn

81

88

4

Giấy

81

101

5

Nhựa

39

40

6

Vật liệu chịu lửa

31

41

7

Vật liệu lợp mái

31

41

8

Cao su

14

11

9

Khác

65

47

421

454

Cộng

Đá chứa lượng talc cao màu xám xanh gọi là soapstone hay steatit được sử
dụng trong lò sấy, chậu rửa chén, hoặc công tắc điện... Talc cũng được sử dụng
trong mỹ phẩm (bột talc), dầu nhờn, và trong giấy lọc. Talc cũng được sử dụng
trong tả em bé. Dùng làm phấn thợ may, hàn hay cắt kim loại.
Talc cũng được dùng trong thức ăn hay trong dược phẩm. Talc trong thuốc
uống có vai trò là chất pleurodesis để chống lại chứng tràn khí màng phổi. Theo
Liên Minh Châu Âu chất này có số hiệu là E553b.
Talc được dùng rộng rãi trong công nghiệp gốm sứ. Trong gốm nghệ thuật,
talc được thêm vào để làm tăng độ trắng và tăng khả năng chịu nhiệt khi nung
tránh nứt vỡ. Trong men sứ, một lượng nhỏ talc được thêm vào để làm tăng độ
bền và làm chảy thủy tinh. Là nguyên liệu sản xuất MgO bởi quá trình điện phân
nóng chảy.
Ứng dụng của bột Talc trong ngành công nghiệp ô tô.
Mỗi năm có khoảng 200 nghìn tấn bột talc kỹ thuật được trộn với
Khóa luận tốt nghiệp

11

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

polypropylen (PP). Loại bột talc này họat động như những chất gia cường, tạo độ

cứng, chống biến dạng ở nhiệt độ cao và tăng độ ổn định về kích thước sản phẩm
nhựa PP.
Xu hướng hiện nay trong ngành công nghiệp ô tô là chế tạo các bộ phận
mỏng, nhẹ và kích thước chính xác, điều này đòi hỏi nhựa có tính lưu biến cao
hơn. Mặt khác, các nhựa có độ nóng chảy cao lại hay bị giòn.
Vừa qua, Công ty Rio Tinto Minerals đã phát triển một loại bột talc (HAR)
siêu mịn, cho phép định vị tốt các hạt trong quá trình đúc bằng áp lực, do có độ
phân tán tốt hơn trong nhựa nên duy trì độ cứng cho các phụ tùng đúc [22].
Bột talc HAR làm tăng hệ số uốn cong lên 20%, tăng nhiệt độ biến dạng của
hợp chất PP với hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn 20% và tỉ lệ co ngót thấp trong khi
không làm giảm độ dẻo của các bộ phận đúc. Loại PP chứa bột talc HAR được
dùng bên ngoài các bộ phận của ô tô (bộ giảm chấn, bộ phận cân bằng và tấm
chắn bùn) và các bộ phận cần chống va đập cao.
Trong cao su, bột talc được dùng làm chất phụ gia cho quá trình chế biến và
làm chất độn gia cường. Bột talc cũng giúp các nhà sản xuất lốp xe giảm độ dày
và trọng lượng của lốp. Việc này không chỉ làm tăng sức cản lăn mà nó còn khiến
cho lốp xe được sản xuất rẻ hơn nhiều. Cao su bổ sung bột talc HAR cũng có thể
dẫn đến tiết kiệm giá thành trong khi độ thấm không khí không thay đổi so với
dùng nguyên cao su.
Các xe ô tô hiện nay chứa tới 1.000 các thành phần từ cao su và chất dẻo,
trung bình một xe ô tô sử dụng tới 8 kg bột talc.
Sử dụng bột talc không thấm nước trong lốp xe giúp các nhà sản xuất chế tạo
ra những lốp nhẹ và mỏng hơn với sức cản lăn thấp, và tiêu thụ nhiên liệu ít hơn.
Bột talc cũng tiết kiệm năng lượng do việc giảm độ nhớt của hợp chất cao su làm
cho các bộ phận đúc và ép dễ dàng hơn, thiết bị khuôn ít bị mài mòn hơn.
Khóa luận tốt nghiệp

12

Mạc Thị Thu Nga

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Giá thành các loại sản phẩm talc phụ thuộc vào độ sạch, độ mịn, độ trắng
và hàm lượng của các tạp chất kim loại nặng. Thông thường talc càng tinh
khiết, càng trắng, và càng mịn thì chất lượng càng cao và giá thành cũng tăng
lên. Các hợp phần hóa học không có lợi trong talc thường bao gồm thạch anh,
oxit và hydroxit sắt. Giá trung bình của bột talc thông thường là 100 USD/tấn.
Loại đặc biệt bột talc “sạch”, các tạp chất kim loại nặng thấp sử dụng cho
dược phẩm và hóa mỹ phẩm có thể có giá từ 900 - 1.000 USD/ tấn hoặc hơn.
1.5. Tiềm năng khoáng chất talc
1.5.1. Tiềm năng khoáng chất talc trên thế giới
Theo thống kê của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ năm 2012 [11], trữ
lượng talc của Hoa Kỳ là 615 triệu tấn. Trữ lượng talc và pyrophyllit của một
số nước như Brazil, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc cũng được thống kê trong
báo cáo này với các con số tương ứng là 420 triệu, 650 triệu, 360 triệu, và 700
triệu tấn. Riêng Trung Quốc có trữ lượng lên tới 2000 triệu tấn. Các con số
nói trên cũng bao gồm trữ lượng pyrophyllit đáng kể [11]. Theo Weiping &
Dechen [12] thì trữ lượng talc của Trung Quốc chiếm khoảng 22% trữ lượng
talc trên toàn thế giới. Như vậy, trữ lượng talc trên toàn thế giới vào khoảng
1,136 tỉ tấn.
Tuy nhiên, triển vọng talc trên toàn thế giới có thể lớn hơn nhiều, chẳng
hạn theo thống kê của Cục Địa chất Ấn Độ (Indian Bureau of Mines, 2009),
trữ lượng talc tính đến năm 2005 là 312 triệu tấn (trong khi theo Cục Khảo sát
Địa chất Hoa Kỳ năm 2007, chỉ có 4 triệu tấn như đã đề cập ở trên). Số liệu
trữ lượng cơ sở (reserve base), bao gồm trữ lượng kinh tế hiện có, trữ lượng
có khả năng khai thác đạt hiệu quả kinh tế, và trữ lượng hiện tại chưa có khả

năng khai thác đạt hiệu quả kinh tế trong thống kê của Cục Khảo sát Địa chất
Hoa Kỳ năm 2007 cũng cho thấy trữ lượng cơ sở talc của Hoa Kỳ là 540 triệu

Khóa luận tốt nghiệp

13

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

tấn, trữ lượng cơ sở talc và pyrophyllit của Brazil, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn
Quốc tương ứng là 250 triệu, 9 triệu, 160 triệu và 18 triệu tấn. Như vậy, tổng
trữ lượng cơ sở của 5 quốc gia kể trên đã là gần 1 tỉ tấn.
Theo Agnello [3] hầu hết các mỏ đang khai thác chỉ có các thân quặng
với trữ lượng dưới 2 triệu tấn, và có thời gian khai thác ước tính từ 45 đến 90
năm. Trung Quốc là quốc gia nắm giữ trữ lượng talc lớn nhất thế giới. Hàng
năm, sản lượng talc và pyrophylit khai thác ở Trung Quốc là vào khoảng 2-3
triệu tấn.
1.5.2. Tiềm năng khoáng chất talc Việt Nam
Ở Việt Nam, chỉ riêng tại 16 tụ khoáng và điểm quặng talc đã phát hiện
tập trung chủ yếu ở khu vực Tây Bắc Bộ đã có trữ lượng vào khoảng 7 triệu
tấn. Có hai loại hình quặng gồm talc trong các thân xâm nhập siêu mafic và
mafic bị biến đổi nhiệt dịch và talc trong dolomit bị biến đổi nhiệt dịch [1316].
Mỏ talc Thanh Sơn là mỏ có giá trị công nghiệp đã được thăm dò trữ
lượng và cấp phép khai thác cho Công ty TNHH Tân Thành Minh, đơn vị
phối hợp thực hiện đề tài nghiên cứu này. Do đó, đề tài “nghiên cứu công

nghệ chế biến khoáng chất talc Phú Thọ làm nguyên liệu cho ngành sản xuất
ceramic, sơn, dược phẩm và hóa mỹ phẩm” tập trung vào nghiên cứu đối
tượng quặng talc của vùng mỏ talc Thanh Sơn.
2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình biến đổi bề mặt [23-30]
2.2.1. Các đặc tính của khoáng talcliên quan đến quá trình biến đổi bề mặt
Độ cứng của khoáng talc là thấp nhất trong các loại khoáng thường gặp,
điều này làm cho quá trình nghiền bột talc gặp khó khăn. Độ phân bố kích

Khóa luận tốt nghiệp

14

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

thước bột talc thường rộng nên ảnh hưởng đến quá trình biến đổi và xử lý bề
mặt talc.
Cấu trúc của talc bao gồm lớp bát diện magie liên kết kẹp giữa hai lớp tứ
diện silic. Tinh thể talc có dạng hình vẩy, lực liên kết giữa các vảy nhỏ nên sờ
tay có cảm giác mỡ. Các vẩy hay phiến lá bột talc có khả năng che chắn tốt,
đã làm gia tăng các tính chất của màng sơn như bền với các môi trường xâm
thưc, bền hóa chất và chịu nhiệt.
Trên bề mặt các lớp của talc không có các nhóm hydroxyl, nhờ có đặc
tính này mà talc ưa dầu hơn. Độ hấp thụ dầu của talc cao hơn nhiều so với
khoáng mica-sericit hay tro bay. Như vậy bột talc có thể phân tán tốt trong
nền polyme, tuy nhiên biến đổi bề mặt khoáng talc vẫn không thể bỏ qua để

nâng cao chất lượng của vật liệu.
Các nhóm hydroxyl tồn tại ở các cạnh phía bên của các lớp khoáng talc
với mật độ không cao nên việc biến đổi bề mặt của talc gặp nhiều khó khăn.
2.2.2. Biến đổi bề mặt bột khoáng bằng các hợp chất silan
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 tử silic có
chứa hai nhóm hoạt động 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,…

Khóa luận tốt nghiệp

15

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

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 polime 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:
1. Đầu tiên 3 nhóm alkoxy bị
thuỷ phân tạo ra các thành
phần chứa silanol,
2. Tiếp đó là quá trình ngưng
tụ của các silanol thành
oligome,
3. Các oligome sau đó tạo liên
kết hydro với các nhóm
hydroxyl có trên bề mặt của
chất nền,
4. 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 1.6. Cơ chế phản ứng
silan hóa trên bề mặt chất độn

Khóa luận tốt nghiệp

16

Mạc Thị Thu Nga

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

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 1.7. Bề mặt chất độn sau khi được biến đổi bằng hợp chất silan

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 vô 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 1.8. Chất độn được xử lý bề mặt bằng silan phân tándễ
dàng hơn trong chất nền polyme

Khóa luận tốt nghiệp

17

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

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 1.9. Cơ chế bảo vệ tái kết tụ các hạt chất độn của hợp chất silan

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:
a. 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 hệ
polyme đó có thể là nhựa nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo hoặc cao su,…
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

Khóa luận tốt nghiệp

18

Mạc Thị Thu Nga