Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu polyprotylen talc

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

ĐOÀN THỊ VÂN ANH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT
CỦA VẬT LIỆU POLYPROPYLEN/TALC

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

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
ThS. NGUYỄN VIỆT DŨNG
PGS. TS. NGÔ KẾ THẾ

HÀ NỘI – 2015


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

LỜI CẢM ƠN
Khóa luận này được hoàn thành tại Phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme
& Compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam.
Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới 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 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 xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa học trường 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 nên
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 quan tâm.
Em xin trân trọng cảm ơn !
Hà Nội, ngày 08 tháng 5 năm 2015
Sinh viên

Đoàn Thị Vân Anh

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


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 5 năm 2015
Sinh viên

Đoàn Thị Vân Anh

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


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 2.1

Thành phần hóa học của khoáng Talc

26

Bảng 2.2

Thành phần các mẫu vật liệu polypropylen chứa
các loại bột talc khác nhau

27

2. Danh mục các hình
Hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Độ cứng của các khoáng

5

Hình 1.2

Talc dưới kính hiển vi điện tử quét

11

Hình 1.3

Một số quặng Talc có màu khác nhau

12

Hình 1.4

Ứng dụng Talc trong các ngành công nghiệp ở

Hoa Kỳ các năm 2003 và 2010

13

Hình 1.5

Isotactic Polypropylene

16

Hình 1.6

Syndiotactic Polypropylene

16

Hình 1.7

Atactic Polypropylene

17

Hình 1.8

Ảnh hưởng của khoáng Talc đến nhiệt độ kết tinh
của vật liệu

21

Hình 1.9

Ảnh hưởng của độ truyền tải nhiệt ở các hàm
lượng Talc khác nhau

21

Hình 2.1

Phân bố kích thước khoáng Talc

26

Hình 2.2

Máy trộn kín Brabender

28

Hình 2.3

Máy SEM JSM-6490

29

Hình 2.4

Máy đo tính chất cơ giãn dài

29

Hình 2.5

Máy tạo khía mẫu đo độ bền va đập

30

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Hình 2.6

Thiết bị đo độ bền va đập

30

Hình 3.1

Ảnh SEM mẫu vật liệu polypropylene chứa bột
Talc chưa biến đổi bề mặt

31

Hình 3.2

Ảnh SEM mẫu vật liệu polyprolylene chứa bột
Talc biến đổi bề mặt

32

Hình 3.3

Mô đun đàn hồi của PP có chứa khoáng Talc ở các
hàm lượng khác nhau

33

Hình 3.4

Độ bền giãn dài vật liệu PP có chứa khoáng chất
Talc

34

Hình 3.5

Độ giãn dài ở điểm đứt vật liệu polypropylene
chứa bột khoáng Talc

35

Hình 3.6

Độ bền va đập vật liệu polypropylene chứa bột
khoáng Talc

36

Hình 3.7

Độ bền va đập vật liệu polypropylene chứa bột
khoáng Talc

37

Hình 3.8

Độ bền giãn dài vật liệu polypropylene chứa bột
khoáng Talc biến đổi bề mặt bằng các tác nhân
ghép nối khác nhau

38

Hình 3.9

Độ bền va đập vật liệu polypropylene chứa bột
khoáng Talc

39

Hình 3.10

Độ bền va đập vật liệu polypropylene chứa bột
khoáng Talc

40

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

MỤC LỤC
Mở đầu ........................................................................................................................... 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ............................................................................................. 3
1.1. Chất độn trong lĩnh vực vật liệu polyme compozit ............................................. 3
1.1.1. Lịch sử phát triển của chất độn .................................................................. 3
1.1.2. Khoáng vật – chất độn cho vật liệu polyme ............................................... 4
1.2. Khoáng vật Talc và ứng dụng trong các ngành công nghiệp ........................... 10
1.2.1. Các đặc điểm cơ bản của khoáng Talc .................................................... 10
1.2.2. Ứng dụng Talc trong các ngành công nghiệp .......................................... 13
1.3. Nhựa nhiệt dẻo polypropylene ............................................................................ 15
1.3.1. Lịch sử phát triển ..................................................................................... 15
1.3.2. Cấu trúc phân tử ...................................................................................... 16
1.3.3. Tính chất của polypropylene .................................................................... 17
1.3.4. Ứng dụng .................................................................................................. 19
1.4. Nghiên cứu tính chất của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa polypropylene
chứa Talc và các chất độn dạng hạt .......................................................................... 20
Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM ..................................................................................... 25
2.1. Nguyên vật liệu ..................................................................................................... 25
2.2. Phƣơng pháp chế tạo mẫu nghiên cứu ............................................................... 27

2.3. Phƣơng pháp xác định các tính chất của vật liệu.............................................. 28
2.3.1. Ảnh kính hiển vi điện tử quét .................................................................... 28
2.3.2. Xác định tính chất cơ giãn dài ................................................................. 29
2.3.3. Xác định độ bền va đập ............................................................................ 30
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 31
3.1. Hình thái bề mặt vật liệu compozit ..................................................................... 31
3.2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng khoáng Talc đến tính chất cơ của vật liệu .......... 32
3.2.1. Tính chất cơ giãn dài ............................................................................... 32

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

3.2.2. Độ bền va đập Charpy ............................................................................. 35
3.3. Ảnh hƣởng của các chất biến đổi bề mặt khác nhau ........................................ 36
3.3.1. Tính chất cơ giãn dài ............................................................................... 36
3.3.2. Độ bền va đập Charpy ............................................................................. 39
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 42

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Với mong muốn tạo ra được nguồn nguyên liệu chất độn khoáng có chất
lượng cao, đáp ứng nhu cầu của nhiều ngành công nghiệp trong nước, những
năm trở lại đây, nhà nước ta đã đầu tư một số chương trình trọng điểm về khai
thác và chế biến khoáng sản, trong đó có khoáng chất talc. Kết quả của dự án
này đã tạo ra được nguồn nguyên liệu khoáng chất talc có chất lượng cao đáp
ứng được yêu cầu của các ngành công nghiệp như gốm sứ, polyme compozit,
dược phẩm và hóa mỹ phẩm.
Trong lĩnh vực chất dẻo, đặc biệt là các loại vật liệu trên cơ sở
polypropylen, bột khoáng talc là loại chất độn được ứng dụng nhiều nhất.
Hình thái dạng tấm hay phiến đem đến khả năng gia cường hai chiều (2D) cho
vật liệu được gia cường.
Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu trên thế giới đều tập trung nghiên
cứu độ bền va đập của hệ polypropylen/talc. Việc đánh giá ảnh hưởng của
khoáng talc đến tính chất cơ bao gồm cơ giãn dài và độ bền va đập trong mối
liên quan đến tính chất bề mặt của chất độn vẫn còn chưa được rõ ràng.Ở Việt
Nam, các nghiên cứu về ứng dụng khoáng chất talc làm chất độn gia cường
cho vật liệu polyme mới chỉ thấy được bắt đầu ở phòng Nghiên cứu Vật liệu
Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu.
Với cách tiếp cận trên, đề tài “Nghiên cứu chế tạo và tính chất cơ của
vật liệupolypropylen/talc’’sẽ góp phần làm rõ ảnh hưởng của bề mặt khoáng
chất talc đến tính chất cơ của vật liệu trên cơ sở polypropylen, từ đó khẳng
định khả năng gia cường của khoáng talc Việt Nam, một nguồn nguyên liệu
sẵn có và dồi dào ở trong nước, trong lĩnh vực vật liệu polyme compozit.

1


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng talc và bề mặt với các tác nhân ghép
nối khác nhau đến tính chất cơ của vật liệu polypropylene.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu


Chế tạo vật liệu compozit polypropylen/talc với hàm lượng và các
loại bột khoáng talc khác nhau



Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng khoáng talc đến tính chất
cơ của vật liệu polypropylen/talc.



Nghiên cứu ảnh hưởng của bề mặt khoáng talc với các tác nhân
ghép nối khác nhau đến tính chất cơ của vật liệu được gia cường.

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Chương 1.TỔNG QUAN
1.1. Chất độn trong lĩnh vực vật liệu polyme compozit
1.1.1. Lịch sử phát triển của chất độn
Ngay từ những ngày đầu tiên, các chất độn dạng hạt đã đóng vai trò
sống còn đối với các ứng dụng thương mại của vật liệu polyme [1]. Đầu
tiên, chúng được xem như các chất pha loãng để giảm giá thành, do đó có
tên là chất độn. Tuy nhiên, những khả năng và lợi ích của chúng đã sớm
được nhận ra, và ngày nay được sử dụng với rất nhiều các mục đích khác
nhau.Thuật ngữ chất độn chức năng thường được sử dụng để mô tả các vật
liệu không chỉ để giảm giá thành mà còn cải thiện nhiều tính chất của chất
nền, nên còn được gọi là các chất gia cường.
Muội than là chất độn gia cường được sử dụng rộng rãi nhất trong
công nghiệp polyme, nhờ các đặc trưng lý-hóa cũng như khả năng ứng
dụng mà nó mang lại cho cao su lưu hóa [2].Tuy nhiên, tính không ổn định
của giá dầu mỏ đã làm gia tăng các quan tâm đến các khoáng tự nhiên
khác, như các hợp chất của oxit silic.
Năm 1950, oxit silic tổng hợp bắt đầu được sử dụng làm chất độn gia
cường cho các sản phẩm cao su[2]. Năm 1976, Wagner đã nghiên cứu kỹ việc
sử dụng oxit silic và silicat trong cao su và nhận thấy rằng, với sự có mặt các
thành phần này một số tính chất đặc trưng của vật liệu đã được cải thiện như
sự kháng rách, tính mềm mại, kháng mài mòn, cách nhiệt, tăng độ cứng,
môđun, tích nhiệt thấp, tính đàn hồi cao và màu sắc không rõ rệt. Kết hợp với
sự thay đổi trong quá trình sản xuất, cần phải thích nghi với các quá trình xử
lý bề mặt chất độn như xử lý nhiệt trong quá trình trộn hợp với cao su, xử lý
nhiệt với sự có mặt của các chất hoạt hóa hay việc sử dụng các tác nhân ghép

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh

Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

nối (titanat, silan).
Tuy nhiên, việc sử dụng oxit silic đã làm tăng giá thành sản phẩm,
trong nhiều trường hợp, giá thành của sản phẩm tăng lên đáng kể, do đó
người ta phải kết hợp sử dụng các chất độn khoáng khác như sét, đá vôi
(CaCO3). Điều này lại làm giảm các tính năng kỹ thuật của sản phẩm.
Talc là khoáng vật tự nhiên, trong đó hàm lượng oxit silic chiếm thành
phần chủ yếu. Cùng với các đặc trưng về hình dạng, khoáng vật này ngày
càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là sử dụng làm chất
độn gia cường trong công nghiệp cao su và chất dẻo.Talctrong các vật liệu
polyme đã có nhiều ảnh hưởng tích cực đến các tính chất của vật liệu.
1.1.2. Khoáng vật-chất độn cho vật liệu polyme [3-4]
Hầu như tất cả các vật liệu polyme đều có chứa ít nhiều chất độn với
nhiều mục đích khác nhau. Trong vật liệu polyme compozit, các chất độn
được phân tán ở 3 dạng: một chiều, hai chiều và ba chiều. Chất độn một
chiều hay còn gọi là chất độn đẳng hướng là các loại bột mà kích thước của
hạt nhỏ và không khác nhau nhiều theo các hướng.
Các chất độn cho vật liệu polyme có nguồn gốc chủ yếu từ khoáng
chất.Khoáng chất ở nước ta có nhiều ở các dạng mica, talc, thạch anh,
dolomit, khoáng sét, bột đá..., song còn ít được tinh chế thành sản phẩm
thương mại để sử dụng làm chất độn trong ngành cao su và polyme.Các
chất độn này chủ yếu phải nhập ngoại.Nghiên cứu biến đổi bề mặt các bột
khoáng và khả năng ứng dụng chúng làm chất độn trong lĩnh vực công
nghệ cao su và chất dẻo còn chưa được quan tâm thích đáng ở các chương
trình khoa học công nghệ. Đây là hướng nghiên cứu có thể nói còn là mới ở

nước ta, cần được đầu tư để góp phần tăng cường chế tạo các sản phẩm
khai khoáng tinh, hạn chế xuất khẩu khoáng thô và tạo điều kiện cho ngành

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

công nghiệp gia công polyme và cao su phát triển.
a. Một số nét về khoáng vật học
Khoáng không thể được xem xét một cách đơn giản theo công thức
hóa học. Cấu trúc tinh thể cũng có ý nghĩa quyết định đến tính chất của
khoáng chất. Trong thiên nhiên có rất nhiều loại alumin silicat, như
Hydrous

kaolin

[Al 2Si2O5(OH)4],

mullite

[Al2SiO5],

pyrophyllite

[Al2Si4O10(OH)2], kyanite[Al2OSiO4] và sillimanite[Al 2SiO5]. Tất cả đều là

alumin silicat nhưng chúng là những loại khoáng riêng biệt, có cấu trúc
tinh thể và đặc tính khác nhau, liên quan đến khả năng sử dụng làm chất
độn gia cường cho các vật liệu polyme.
Độ cứng Mohs là một khái niệm tương đối thể hiện độ mài mòn và
khả năng chịu mài mòn của khoáng. Talc là khoáng mềm nhất và kim
cương có độ cứng lớn nhất (hình 1.1). Những loại khoáng cứng sẽ có khả
năng chịu chùi rửa và chịu được sự đánh bóng tốt hơn. Do tính mài mòn,
khoáng cứng dễ làm hỏng thiết bị công nghệ hơn khoáng mềm
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Talc
Thạch cao
Khoáng canxi
Khoáng fluorit
Apatite
Feldspar
Thạch anh
Khoáng topaz
9. Khoáng corundum
10. Kim cương
Hình 1.1. Độ cứng của các khoáng

Độ hấp thụ dầu của khoáng là một đặc tính có liên quan đến khả năng

tương tác với nền polyme, nhất là trong công nghiệp chế tạo sơn dung môi
hữu cơ

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Độ hấp thụ dầu của chất độn phản ánh hiệu quả tổng hợp của tất cả
những yếu tố như hình dạng hạt, độ phân bố kích thước hạt, diện tích bề
mặt và sự tiếp xúc của khoáng với chất nền. Độ hấp thụ dầu cho chất độn
khoáng thường được xác định theo ASTM-D281, phương pháp này đo
được lượng dầu lanh vừa đủ phủ lên các hạt khoáng và lấp đầy khe hở giữa
các hạt.
Có 2 phần của độ hấp thụ dầu.Đầu tiên là lượng dầu cần để thấm ướt
và phủ lên những hạt khoáng.Điều này phụ thuộc vào diện tích bề mặt và
độ phân bố kích thước hạt; khả năng thấm ướt của khoáng (có thể được
điều chỉnh bởi lớp phủ bề mặt) và độ xốp của hạt (là nguyên nhân tạo thành
cấu trúc mạng). Lớp phủ bề mặt có thể làm giảm hoặc tăng độ hấp thụ dầu.
Sau khi các hạt được phủ lớp dầu trên bề mặt, thành phần thứ 2 của quá
trình hấp thụ là sự bổ sung dầu để lấp đầy các khe hở.
Đối với một khoáng cụ thể, độ hấp thụ dầu tăng khi kích thước hạt
giảm (tăng diện tích bề mặt), tăng tỷ lệ bề mặt (khe hở của các lỗ trống lớn
hơn) và giảm sự phân bố kích thước hạt.
b. Đặc trưng và cấu tạo khoáng chất
Các đặc trưng của khoáng chất - những tính chất sẽ có những ảnh

hưởng đến khả năng gia cường trong vật liệu của chất độn bao gồm các yếu
tố chính: hình dạng, kích thước hạt, diện tích bề mặt và khả năng tương tác
của chất độn với chất nền polyme.

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Hình cầu

Viện Khoa học Vật liệu

Hình Khối lập phương
Hình kim

Hình khối hộp

Hình phiến (tấm)

Hình sợi

Hình dạng phổ biến của các loại chất độn dạng hạt như hình cầu, hình
khối, hình lập phương, hình kim, dạng phiến hay dạng sợi. Một vài loại
chất độn chứa nhiều loại hình dạng khác nhau. Các chất độn khoáng đặc
trưng bởi các dạng tấm, dạng kim và dạng sợi có những ảnh hưởng sâu sắc
bởi tỷ lệ bề mặt của chúng.
c. Tỷ lệ bề mặt

Tỷ lệ bề mặt của các hạt dạng hình kim hay sợi là tỷ lệ giữa độ dài
trung bình với đường kính trung bình:

Trong khi đó, tỷ lệ bề mặt của các hạt
dạng phiến hay dạng tấm là tỷ lệ giữa đường
kính trung bình của một vòng tròn có cùng
diện tích với độ dầy trung bình.

Với các hạt dạng sợi hay dạng kim, tỷ lệ bề mặt là tỷ lệ giữa độ dài
trung bình và đường kính trung bình. Với các hạt dạng phiến, đó là tỷ lệ

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

giữa đường kính trung bình của một vòng tròn có cùng diện tích với bề mặt
với độ dầy trung bình của tấm.

Trong vật liệu polyme, độ cứng được gia tăng cho chất nền từ các loại
bột độn khoáng cứng và bền.Điều này có thể thấy là hoàn toàn hợp lý khi
mà độ bền của vật liệu sẽ tốt hơn nếu như vật liệu khoáng có kích thước
càng nhỏ, khi đó chúng có diện tích bề mặt lớn hơn và dẫn đến hàm lượng
khoáng cao hơn. Hơn nữa, nếu các hạt này có tỷ lệ bề mặt cao (các hạt
dạng kim, sợi hoặc phiến), chúng sẽ che chắn tốt hơn và lan truyền độ cứng
dọc qua chất nền.

d. Kích thước hạt
Kích thước hạt chất độn có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng gia cường
tính chất của vật liệu polyme. Người ta thấy rằng nếu kích thước hạt:
>10 000 nm (10µm)

: làm suy giảm tính chất vật liệu

1000 – 10 000 nm (1-10µm)

: có tác dụng như chất pha loãng

10 – 1000 nm (0,1-1µm)

: có tác dụng như chất bán gia cường

10 – 100 nm (0,01-0,1µm)

: có tác dụng gia cường tính chất vật

liệu
Với các chất đàn hồi, nếu kích thước hạt của các hạt chất độn lớn hơn

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

khoảng trống giữa các chuỗi mạch polyme, nó sẽ có xu hướng tập trung
vào một vùng nào đó. Điều này có thể đưa đến sự gãy nứt các chuỗi mạch
trong quá trình uốn hay kéo căng. Các chất độn với kích thước hạt lớn hơn
10 000 nm (10µm) thường bị hạn chế sử dụng do chúng có thể làm giảm
tính chất của sản phẩm hơn là khả năng tăng cường. Các chất độn với kích
thước hạt giữa 1 000 và 10 000 nm(1 tới 10 µm) thường được sử dụng như
những chất pha loãng mà không có ảnh hưởng lớn nào đến tính chất của
sản phẩm. Các chất độn với khả năng bán gia cường có kích thước hạt
trong khoảng 100 đến 1000 nm (0,1 đến 1 µm). Các chất độn có khả năng
gia cường tính chất vật liệu có kích thước hạt trong khoảng 10 đến 100 nm
(0,01 đến 0,1 µm), cải thiện đáng kể tính chất của sản phẩm.
e. Tương tác pha giữa chất độn và chất nền
Không kể đến hình dạng và kích thước của chất độn thì khả năng tiếp
xúc giữa chất nền và các chất độn quyết định đến vai trò của chất độn.

Do đó, độ bền của hợp chất được cải thiện bằng cách “tẩm” chất nền
lên chất độn và được cải thiện nhiều hơn nữa khi chất nền bám dính lên bề
mặt khoáng qua các liên kết hóa học.

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Lớp phủ bề mặt thường được sử dụng để tối ưu hóa khả năng tương

thích và kết dính chất độn với chất nền polyme. Việc cải thiện khả năng
tương thích hay kết dính giữa chất độn và chất nền bằng các phương pháp
xử lý bề mặt có thể phân ra theo các phương thức:
- Xử lý bề mặt chất độn cùng các chất trợ công nghệ: Quá trình
xử lý bề mặt này sử dụng các hợp chất có hoặc không tạo ra liên
kết với chất độn và không tạo ra liên kết với chất nền. Nó chỉ
hoạt động như một tác nhân thấm ướt để tạo lớp bề mặt kỵ nước
trên chất độn và lớp phủ này tương thích hơn với chất nền
polyme.
- Xử lý bề mặt làm tăng khả năng phân tán và chống kết tụ của
chất độn và cho phép đưa được hàm lượng chất độn cao hơn.
- Biến đổi bề mặt với sự có mặt của tác nhân ghép nối. Một chất
độn được biến đổi bề mặt bằng tác nhân ghép nối qua các liên
kết cộng hóa trị bền vững. Các tác nhân hóa học cũng liên kết
với chất nền qua các phản ứng hóa học hoặc sự đan xen các
chuỗi mạch.
Các tác nhân ghép nối được sử dụng như những chất biến đổi bề mặt,
chúng cải thiện khả năng kết dính, nâng cao cũng như duy trì tính chất của
vật liệu khi tiếp xúc với môi trường.
1.2. Khoáng chất talc và ứng dụng trong các ngành công nghiệp
1.2.1.Các đặc điểm cơ bản của khoáng talc
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.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

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh

Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

[5]. Tinh thể talc kết tinh trong hệ ba nghiêng hoặc đơn nghiêng có hình
thái dạng tấm, dạng hạt, dạng sợi (hình 1.2) [6].

Hình 1.2. Talc dưới kính hiển vi điện tử quét [6]

Talc rất đặc trưng bởi độ mềm của nó. Trên thang độ cứng Mohs tan
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 tan). 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, ưu hợp chất hữu cơ và diện tích bề mặt lớn [7,8].
Với công thức hóa học như trên, thành phần hóa học lý thuyết của tan
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 tan 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 tan, một lượng nhỏ Fe 2+ và
Fe3+ có thể thay thế đồng hình cho Mg 2+ và một phần rất nhỏ của Al 3+ có
thể thay thế Si4+[10]. Sự đa dạng về thành phần do khoáng vật đi kèm và

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh

Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

thay thế đồng hình sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và kéo theo hạn chế hoặc
lợi thế trong ứng dụng talc [9].

Hình 1.3. Một số quặng talc có màu khác nhau [9]

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 [6].
Kích thước của các hạt tan 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 (MgSiO 3). 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
1.500°C [11].

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

1.2.2. Ứng dụng talc trong các ngành công nghiệp
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 [5, 7, 12]. 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 1.4 giới thiệu cơ cấu sử
dụng khoáng chất talc trong nền công nghiệp Mỹ năm 2003 [7], và năm
2011 [13].

Hình 1.4. Ứng dụng talc trong các
ngành công nghiệp ở Hoa Kỳ các năm
2003 và 2011

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.
Mỗi năm có khoảng 200 nghìn tấn bột talc kỹ thuật được trộn với
polypropylen (PP) để làm vật liệu kết cấu. Loại bột talc này hoạt 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.

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh

Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

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 loại nhựa có độ nóng chảy cao lại hay bị giòn.
Các xe ô tô ngày nay thường chứa tới khoảng 1.000 các thành phần từ cao
su và chất dẻo, trung bình một xe ô tô sử dụng tới 8 kg bột talc làm chất
độn gia cường.
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.
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 [14].
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 tan 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.

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

1.3. Nhựa nhiệt dẻo polypropylen
1.3.1. Lịch sử phát triển
Từ rất xa xưa, con người đã sử dụng vật liệu polyme có nguồn gốc từ
thiên nhiên trong đời sống hằng ngày. Chẳng hạn như thuyền được quét
Bitum tăng khả năng chống thấm nước hay như những thổ dân ở Nam Mỹ vào
đầu thế kỷ 16 đã biết trích cây lấy nhựa để tẩm vào vải sợi để làm giầy dép đi
rừng [15].Tuy nhiên những ứng dụng đó mới chỉ chiếm tỷ lệ rất nhỏ và được
phát hiện một cách ngẫu nhiên.Chỉ đến đầu thế kỷ 19 thì ngành công nghiệp
polyme mới được phát triển và có quy mô, mở đầu là phát hiện dùng lưu
huỳnh lưu hóa cao su của Goodyear vào năm 1839. Tiếp đến vào năm 1859
việc tinh chế được xenlulo axetat, xenlulo nitrat…Đến năm 1909 Bakenland
đã nghiên cứu tổng hợp được nhựa phenol fomandehit. Tuy vậy chỉ đến
những thập niên 30 của thế kỷ 20 cùng với sự phát triển của các loại xúc tác
như Ziegler Natta, xúc tác philips và các nghiên cứu hóa lý và hóa học
polyme thì các loại nhựa mới liên tiếp được tổng hợp và sản xuất ở quy mô
công nghiệp. Cụ thể như năm 1920 polystyrol được đưa ra thị trường,
polyvinylclorua vào năm 1927, polyetylen tỉ trọng thấp (LDPE) vào năm
1933.Cho đến giữa những năm 1950 (thế kỷ 20) thì các polyolefin có giá trị

thương mại quan trọng là polyetylen, polyizobutylen và đồng trùng hợp
izobutylen-izopren.Người ta đã chế tạo các polyme từ những olefin khác
nhưng không nhận được sản phẩm có giá trị thương mại.
Năm 1954, G.Natta(Ý) và K.Ziegler(Đức) đã tìm ra xúc tác “Ziegler” có
khả năng sản xuất các polyme có khối lượng phân tử cao từ propylen và nhiều
olefin khác. Bằng cách thay đổi công thức xúc tác, Natta có khả năng sản xuất
ra polypropylen có khối lượng phân tử cao với nhiều tính chất khác nhau
[15].Natta sử dụng các chất xúc tác phát triển cho ngành công nghiệp

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

polyetylen và áp dụng công nghệ khí propylen. Sản xuất thương mại bắt đầu
vào năm 1957 và polypropylen sử dụng đã hiển thị tăng trưởng mạnh mẽ kể
từ ngày này. Sự linh hoạt của các polymer (khả năng thích ứng với một loạt
các phương pháp chế tạo và ứng dụng) đã duy trì tốc độ tăng trưởng cho phép
PP thách thức thị phần của một loạt các vật liệu thay thế trong rất nhiều ứng
dụng.
PP là một lọai nhựa nhiệt dẻo được tổng hợp trên cơ sở phản ứng trùng
hợp các monome propylen. Các monome có thể kết hợp với nhau theo nhiều
cách tạo nên các đoạn mạch polyme có hình thái cấu tạo khác nhau ảnh hưởng
đến khả năng kết tinh của polyme [16].
1.3.2. Cấu trúc phân tử [15]
PP là một hidrocacbon mạch thẳng no thuần túy hay có một phần nhỏ

không no, có công thức cấu tạo là:
(

CH2CH)n

CH3
Khi xem xét công thức hóa học của PP nhận thấy, do có nhóm -CH3 nên
cho phép tạo thành 3 loại đồng phân lập thể:

Hình 1.5: Isotactic Polypropylen

Hình 1.6: Syndiotactic Polypropylen

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Hình 1.7: Atactic Polypropylen

Ở hình thái cấu trúc isotactic, các nhóm –CH3 đều sắp xếp cùng một
phía. Ở syndiotactic các nhóm -CH3 sắp xếp cách đều trên - dưới. Còn ở dạng
atactic nhóm –CH3 sắp xếp không theo một quy luật nào. Các hình thái cấu
trúc này có hàm lượng khác nhau: phần lớn là isotactic, một phần nhỏ là
syndiotactic và atactic. Sự khác nhau về cách sắp xếp này dẫn đến sự khác
nhau về tính chất giữa PP isotactic, syndiotactic và atactic. Chỉ có sự sắp xếp

isotactic cho phép các phân tử bó kết chặt chẽ trong cấu trúc tinh thể.Trong sự
sắp xếp syndiotactic và atactic, nhóm metyl bên cạnh là khá lớn nên không
cho phép phân tử bó kết chặt chẽ trong vùng tinh thể. Do vậy PP izotactic
cứng và chắc hơn PP syndiotactic và PP atactic có bản chất tựa cao su.
Công thức của PP có nguyên tử H ở cacbon bậc ba linh động do đó PP
dễ bị oxi hóa, lão hóa. Sự có mặt nhóm metyl luân phiên ở cacbon mạch
chính của PP làm thay đổi một số tính chất của polyme.Thí dụ, nhóm metyl
tham gia vào đối xứng phân tử nên làm tăng nhiệt độ nóng chảy.Trong trường
hợp của PP izotactic có cấu trúc điều hòa nhiệt độ nóng chảy cao hơn PE
50ºC.Nhóm metyl bên cạnh ảnh hưởng đến bản chất hóa học của PP. Cacbon
bậc ba là vị trí dễ bị oxi hóa nên PP ít bền oxi hóa so với PE.
1.3.3. Tính chất của polypropylen
a.Tính chất vật lý
Vật liệu PP thu được bằng phương pháp huyền phù có cấu trúcđồngđều
(tỉ lệ isolactic cao), Mtb=80000-150000 đvC, tỷ trọng khoảng 0,9-0,91 g/cm3.
Tính bền cơ học cao (bền xé và bền kéo đứt), khá cứng vững, không

Khóa luận tốt nghiệp

Đoàn Thị Vân Anh


Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

mềm dẻo như PE, không bị kéo giãn dài do đó được chế tạo thành sợi. Đặc
biệt khả năng bị xé rách dễ dàng khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ.
Sản phẩm thương mại PP có Tm trong khoảng 160-170ºC, với PP nguyên chất
thì Tm có thể đạt tới 176ºC. Tuy nhiên chỉ nên hạn chế nhiệt độ làm việc trong

khoảng từ 100-120ºC.
Khi không có lực tác dụng, PP bắt đầu biến dạng ở 150ºC. Ở nhiệt độ
dưới 140ºC có tải trọng, PP chịu được 80 ngày mà không bị phá huỷ. Các tính
chất nhiệt của PP bị ảnh hưởng lớn bởi các tạp chất kim loại như Mn, Cu…
Khi có mặt chất ổn nhiệt, PP vẫn chưa bị oxy hoá ở 300ºC và bị phân
huỷ sau khi đun nóng trong vài giờ. Một trrong những nhược điểm của PP là
nếu như không có chất ổn định (ví dụ : than đen) thì PP bị giòn sau vài tháng
dưới tác dụng của ánh sáng, ngoài ra PP cũng chịu được nhiệt độ thấp.
Do có nguyên tử H ở cacbon bậc ba nên dễ bị oxi hóa và lão hóa:
 PP không có chất ổn định: dưới ánh sáng khuyếch tán vẫn ổn định
tính chất trong 2 năm. Khi có ánh sáng trực tiếp thì chỉ sau vài tháng sẽ bị
giòn và phá hủy ngay.
 PP có chất ổn định (hoặc dùng muội than 2%) dưới ánh sáng trực
tiếp (tia cực tím) thì sau 2 năm tính chất không thay đổi và bền trong 20 năm.
- Giới hạn độ kéo đứt

: 300-500 kG/cm2

- Giới hạn độ bền nén

: 600-7000 kG/cm2(tuỳ thuộc vào Wtb)

- Độ bền uốn

: 900-1200 kG/cm2

- Độ giãn dài tương đối : 300-700 %
- Độổnđịnh nhiệt : 105-100oC
- Chỉ số chảy

Khóa luận tốt nghiệp

: 2÷60 gr/10 phút

Đoàn Thị Vân Anh