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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI 2 KHOẲ HÓA HỌC

MẠC THỊ THU NGA

NGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG
TƯƠNG TÁC PHA CỦA KHOÁNG TALC VỚI
CHẤT NÈN POLYPROPYLEN

TÓM TẮT KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP ĐẠI HỌC
••••

Chuyên ngành: Hóa Công nghệ Môi trường

Người hướng dẫn khoa học:
ThS. NGUYỄN VIỆT DŨNG PGS. TS. NGÔ KÊ THÊ

HÀ NỘI-2015

LỜI CẢM ƠN
Khóa luận này được thực hiện tại Phòng Nghiên cún 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.


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

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
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cún 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
DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH 1. Danh mục cầc bàng__
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

39
Khối lượng suy giảm và độ ngấm dầu của các mẫu talc biến
Khóa luận đổi
tốt nghiệp
Mạc Thị Thu Nga

2. Danhmụccáchình


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Hình

Viện Khoa học Vật liệu

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

9

2003 và 2011

Hình 1.6

Cơ chế phản ứng silan hóa trên bề mặt chất độn

16

Hình 1.7

Be mặt chất độn sau khi được biến đối bằng hợp chất silan

17

Hình 1.8

Chất độn được xử lý bề mặt bằng si lan phân tán dễ

17

dàng hơn trong chât nên 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 Ti02 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) họp chất silan

34

Hình 3.7

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

36

Hình 3.8

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

38

Khóa luận 90°c
tốt nghiệp

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

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

MỤC LỤC

1.1.
1.1.1.

Anh hưởng của nồng độ hợp chất sỉlan đến phản ứng biến đói

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. Ket 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 y-

metacryloxypropyltrimetoxysilannhằm 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 úng dụng loại bột khoáng này trong các loại vật liệu polyme
kết cấu.

Khóa luận tốt nghiệp

5

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cún biến đổi bề mặt bột khoáng talc bằng hợp chất silan để tăng cường
khả năng tương họp với nền polypropylen.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
>
>

Nghiên cún, đánh giá các đặc tính khoáng talc Phú Thọ

Nghiên cứu ảnh hưởng các điều kiện phản úng 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.
Chương 1. TỎNG 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
Mg 3Si 4Oio(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].

Khóa luận tốt nghiệp

6

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Hình /./.cấu trúc khoáng vật talc [1] Hình 1.2. Talc dưới kính hiển vi điện tử

quét SEM

Talc rất đặc trung 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].
Với công thức hóa học như trên, thành phần hóa học lý thuyết của talc là
MgO chiếm 31,7%, Si02 chiếm 63,5%, và H20 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 Fe 2+ và Fe3+ có thể thay thế đồng hình
cho magie (Mg) và một phần rất nhỏ của Al 3+ có thể thay thế Si 4+[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].

Khóa luận tốt nghiệp

7

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

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

Talc có tỉ trọng thực tế khoảng 2,58 - 2,83 g/cm 3 (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 ].
Kích thước của các hạt talc riêng rẽ (gồm rất nhiều các lớp đơn vị cấu trúc cơ
sở) có thể thay đổi tù’ ìịim đến trên lOOị^m 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 -

970°c tạo thành enstatit (MgSi03). 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].

Khóa luận tốt nghiệp

8

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

1.2.Đặc điếm 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
2Mg3Si205(0H)4 + 3CƠ2 = Mg3Si4O,0(OH)2+ 3MgC03 + 3H20

Talc cũng có thể được hình thành thông qua phản ứng giữa dolomit và oxit silic
- đây là một quá trình skam hóa điển hình:
Dolomit + Thạch anh + Nước —» Talc + Calcit + Carbon-dioxit 3CaMg(C03 ) 2 +
4 SÌƠ2 + H20 = Mg3 SÌ4 Oi0 (OH)2+ 3 CaCC> 3 +3 CƠ2

Hoặc talc cũng có thể được hình thành do chlorit phản úng với thạch anh trong
các đá phiến lục, đá biến chất tướng eclogit:
Chlorit + Thạch anh + Oxy —► Talc + Kyanit + Hematit + Nước
200 (Mg3 .9 7 ,Al2 .5 ,Fe().5 )(Si2 .9 )O1 0 (OH) 8 + 711SÌ02+ 1402^

274Mg2.9Al().,9SÌ3.90,()(OH)2+ 223Al2Si05 + 50Fe203 + 526H20
Ở phản úng sau cùng này, tỉ lệ talc và kyanit cũng phụ thuộc vào hàm lượng
nhôm trong các đá đá phản úng 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

Khóa luận tốt nghiệp

9

Mạc Thị Thu Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

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].

% dolomite-hosted #ultramafic both types
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

10

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
1, 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 úng 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, chang 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 steatìt: 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

1

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 tremolỉt: là loại talc hạt mịn nhưng rất cứng, thường chứa <50% khoáng vật talc,

nhung 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, chang 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 lượng
talc

Mất khỉ nung ờ
1000°c (%)

Khả năng hòa talc
trong HC1 tối đa (%)

A

95

4-6,5

5

B

90

4-9

10

c

70

4-18

30

D

50

4-27

30

12

Mạc Thị Thu Nga

Khóa luận tốt nghiệp


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
lọp, chất dẻo, mỹ phẩm và dược phẩm [1, 10, 3]. Tỉ lệ úng 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].
Uses of Talc in the USA
1 1 Ipu <lynt> lair tfi llaa KỊ nim 2 (KM

Tông 'VdOOtì
lữn

(.iAm (2X“o(
Plastics

Sí»n

Ceramics
Paint
Paper

(.'Ac
rinh
vực
khác
<11% I

Cosmetics

Giày <20*.)

Mỹ phũm

tám lirp(K“»|

Roofing
Chái deo < ỉ" ú)

Cun '.u(4 |

Rubber
Other

Hình 1.5. ứng dụng talc trong các

Data for 2011

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

TT

Chỉ tiêu

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

%

5- 10-30

1.4

Khả năng hòa talc trong HC1, tối đa (Loại A- BC)
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
Si0 2

%

>60

MgO

%

29-30


Độ ẩm

%

<0,5

g/cm 3

2,7- 2,8

Mất khi nung (600-700°C)

%

1,5-2

Độ trắng

%

> 90- 95

-

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 |um)

%

>98

Tỉ trọng

pH

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

Loại Talc

Hàm lượng Talc
trung bình (%)

Mất khỉ nung ở
1000°c (%)

Khả năng hòa talc trong
HC1 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 vục 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 phảm nano - talc (kích thước hạt từ 10-100 nm) tiếp tục được thăm dò để
sử dụng chúng trong các ứng dụng khác nhau.
Bảng 1.4. Các lĩnh vực sừ dụng quặng Talc được sản xuất tại Mỹ

TT

Tên lĩnh vực sử dụng

Năm

Đơn vị: nghìn tẩn

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 rủa 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 chúng 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 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 lun 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 cúng cho các phụ tùng đúc [ 22 ].


Bột talc HAR làm tăng hệ số uốn cong lên 20%, tăng nhiệt độ biến dạng của họp
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 vói 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 hon, thiết bị khuôn ít bị mài mòn hon.
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 úng 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 kế [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 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.
/.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 [13- 16].
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 chat talc Phú
Thọ làm nguyên liệu cho ngành sản xuất ceramic, sơn, dược phẩm và hóa mỹ phẩm”
tập trung vào nghiên círu đối tượng quặng talc của vùng mỏ talc Thanh Sơn.
2.1.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 đối bề mặt

Độ cứng của khoáng talc là thấp nhất trong các loại khoáng thường gặp, diều này
làm cho quá trình nghiền bột talc gặp khó khăn. Độ phân bố kích 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 lóp bát diện magie liên kết kẹp giữa hai lóp 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 son 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 lóp khoáng talc với mật độ
không cao nên việc biến đổi bề mặt của talc gặp nhiều khó khăn.
2.2.2.

Biến đỗi bề mặt bột khoáng bằng các hợp chất silan

Các họp chất silan là các hợp chất hóa học của nguyên tủ’ silic với hợp chất hóa
học đơn giản nhất là S 1H 4 (silan). Trong các họp 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 tủ' silic có chứa hai
nhóm hoạt động trên cùng một nguyên tủ’ với cấu trúc điển hình của nó là:
(RO)3 SiCH2 CH2 CH2 -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 hũu 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

4. Cuối cùng là quá trình làm khô
cùng với sự

xảy ra qua bốn giai đoạn:

tạo

1. Đầu tiên 3 nhóm alkoxy bị thuỷ

với chất nền.

silanol,
các silanol thành oligome,
3. Các oligome sau đó tạo liên kết

thành

tách

nước

các liên kết

hóa trị giữa

phân tạo ra các thành phần chứa
2. Tiếp đó là quá trình ngưng tụ của

3MeOH

họp chất silan
:H,O

Hình 1.6. Cơ chế phản ứng silan hóa

trên bề mặt chất độn
KSi(OMc), 3H.OHydmlysi>
RSKOHi,

hydro với các nhóm hydroxyl có
trên bề mặt của chất nền,

on

Condensai

I OI»

Hydrojtcn bo ini in jr

OH oil

K

Suhslrulc

Suhslralc

liond formalion

HO—Si-

Ì
■o--------Si—oil

Ộ—M
I
I
I
i
H—Ü

Subs I
rate


Sau khi được biến đổi bề mặt, các chất độn hay chất màu sẽ xuất hiện các nhóm
chức của phân tủ’ silan trên bề mặt của chúng:

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

Họp 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

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:

Treatment
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 họp chất silan sẽ có nhũng tác dụng cơ bản sau:
a. Tăng khả nẫng phân tản
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 - CH 3- Si(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 lun 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 hon
- 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: Ti0 2)
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 không 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.
b. Giảm độ nhớt
Quá 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 nhót của polyme nóng chảy
- Nồng độ chất độn
- Khả năng kết dính giữa polyme và chất độn
- 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 quá trình gia công 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.
Hình dưới cho biết ảnh hưởng của việc xử lý bề mặt bằng hợp chất silan đến nhiệt
độ nóng chảy và phần trăm mômen xoắn trong quá trình tạo bán thành phẩm PE/T 1 O2 ở
nồng độ 80% T1 O2


Hình ỉ.10. Sử dụng Ti0 2 xử lý bề mặt bằng silan làm giảm % momen xoắn

và nồng độ chất đưa
vào cao hơn

Treated Ti02 SilaneTreated

c. Giảm
những hạn chế
trong quá trình ỉmi
hóa
Các chất độn
được biết có những

Can work

ảnh hưởng ở những

100 %
limit

mức độ khác nhau

Treated
Ti02
(no SilaneTreated
TÍ02
silane)

đến hệ lưu hóa của
có thể hạn chế khả

nhựa nhiệt rắn, điều mà
năng lun hóa của chúng.

Việc sử dụng một

hợp

chất silan làm tác nhân

phân tán có thể làm

giảm

những hạn chế trong quá

trình liru 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 quá 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.


-25

ọ
=r-20
<

Resin exotherms with silane-treated flass filler
Smaller bars are better

0

Ê -15
L.

1

<1>
-

Ö

10

CL


c
c -5
o

I

LU

ề0
0)
cr

Untreated

Z-6040
(Epoxy)

ZZ6020
(Diamine) (Vinyl Benzyl 6032
Anne)

+5

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

d. 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 ì.5. Cải thiện tính chất điện với tác nhân phân tán silan xử lý thạch
anh gia cường cho nhựa epoxy
Hê

Hằng số điện môi

Hệ số tiêu hao

Khô

Ướt*

Khô

Ướt*

Nhựa không có thạch anh

3.44

3.43

0.007

0.005

Thạch anh không 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-6011

3.46

3.47

0.013

0.023

* sau 72h ngâm trong nước sôi


Trường họp không 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 quá
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 hon nhiều.
Đe biến đổi bề mặt khoáng bằng các hợp chất silan, có ba phương pháp thông dụng
đươc mô tả chung theo Power Chemical Corporation Limited [28]:
Phương pháp ướt: được thực hiện bằng cách trộn hỗn hợp ướt của chất độn vô cơ

với một dung dịch loãng 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 lò nung. Phương pháp này có thể rút ngắn thời gian vì
bỏ qua giai đoạn sấy khô và quá trình thực hiện đơn giản hơn nhưng phải chú ý tới khả
năng bắt cháy.
2.2.3.
Biến đổi bề mặt bột talc