Nghiên cứu gia tăng tính chất của bảo vệ của lớp phủ epoxy bằng bột khoáng TALC

Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ngày nay, sự phát triển của ngành khoa học vật liệu đã cho chúng ta rất
nhiều loại vật liệu khác nhau từ nhựa tổng hợp, compozit, kim loại, silicon,...
nhưng vật liệu phổ biến nhất phải kể đến là vật liệu compozit. Vật liệu
compozit là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau
nhằm tạo ra các vật liệu mới có tính năng hơn hẳn vật liệu ban đầu. Người Ai
Cập đã biết vận dụng vật liệu compozit từ khoảng 3000 năm trước Công
nguyên. Năm 1950, bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu compozit là
sự xuất hiện của nhựa epoxy và các sợi gia cường. Nhờ những tính chất cơ lý
đặc trưng và kháng môi trường hơn hẳn các nhựa khác mà nhựa epoxy có tính
năng tốt nhất hiện nay. Một trong các chất độn gia cường của lớp phủ epoxy
là khoáng talc. Khoáng talc có các đặc tính diện tích bề mặt cao và khả năng
hấp thụ dầu cao được sử dụng trong công nghiệp sản xuất sơn. Khoáng talc
trong các vật liệu compozit đã có nhiều ảnh hưởng tích cực tới tính chất của
vật liệu.
Trước thực tế đó, “ Nghiên cứu gia tăng tính chất bảo vệ của lớp
phủ epoxy bằng bột khoáng talc” đã được lựa chọn để làm đề tài nghiên
cứu cho luận văn tốt nghiệp này.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Mục đích đề tài này là nâng cao tính chất bảo vệ của lớp phủ epoxy
bằng khoáng talc.
3. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
- Biến tính khoáng talc bằng các hợp chất hữu cơ phù hợp với nhựa
epoxy.

Nguyễn Thị Huyền

1

Lớp K35C - Hóa


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

- Khảo sát tính chất cơ của lớp phủ epoxy có các hàm lượng talc khác
nhau.
- Khảo sát khả năng bảo vệ của lớp phủ.

Nguyễn Thị Huyền

2

Lớp K35C - Hóa


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Chương 1: TỔNG QUAN
1. TÌM HIỂU VỀ NHỰA EPOXY
1.1. Lịch sử phát triển
Nhựa epoxy là loại nhựa phổ biến trong các lĩnh vực sơn chống ăn
mòn, keo dán và compozit.

Năm 1909, nhà bác học Nga nổi tiếng Prileschajew đã phát hiện ra các
phản ứng của các olefin và các peraxit benzoic để tạo thành hợp chất epoxy.
Năm 1934, nhà bác học Đức Schlack tổng hợp các polyglyxydrylete từ
Bisphenol A và epyclohydrin, nhựa này có thể đóng rắn bằng một đương
lượng amin, tuy nhiên Schlack cũng chưa thấy hết giá trị của sáng chế đó.
Năm 1938, Pierre Castalc đã công bố sáng chế mô tả phương pháp điều chế
polyglyxydrylete từ Bisphenol A và epyclohydrin, đồng thời phát hiện ra tính
chất quý báu của nhựa nhận được là có độ bám dính tuyệt vời với nhiều loại
vật liệu sau khi đóng rắn bằng anhydrit phtalic.
Trong 25 năm trở lại đây, sản lượng nhựa epoxy trên toàn thế giới tăng
nhanh (khoảng 30000 tấn/ năm) và trong thời gian gần đây đạt trên 1 triệu tấn/
năm. Khoảng 1/4 số lượng đó sử dụng để làm chất kết dính để sản xuất vật
liệu polyme và compozit có độ bền cao nhưng chủ yếu vẫn là sản xuất màng
phủ.
Năm 1970, sản lượng epoxy tiêu thụ trên toàn thế giới đạt khoảng
150000 tấn/năm.
Đầu năm 1980, sản lượng epoxy tiêu thụ trên thế giới khoảng 600000
tấn/năm (chiếm 3% nhựa nhiệt rắn trên thế giới) trong đó chủ yếu là Mỹ
(170000 tấn), Châu Âu (134000 tấn) và Nhật Bản (≈100000 tấn).

Nguyễn Thị Huyền

3

Lớp K35C - Hóa


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Đến nay, ba nhà sản xuất nhựa epoxy lớn nhất là Shell chemicals,
CTBAGEIGY, Dowchemicals. Cả ba công ty đó hợp lại chiếm khoảng 70%
sản lượng thế giới.
1.2. Nhựa epoxy
Nhựa epoxy là loại nhựa phổ biến trong các lĩnh vực sơn chống ăn
mòn, keo dán và compozit,... Trong đó nhựa trên cơ sở diphenyl propan
(Bisphenol A) và epyclohydrin là loại nhựa phổ biến nhất (epoxydian); là sản
phẩm trùng ngưng giữa Bisphenol A và epyclohydrin thông qua phản ứng kết
hợp nối tiếp luân phiên của nhóm epoxy với nhóm hydroxylphenol và tái tạo
nhóm epoxy nhờ khử clohydro để tạo thành nhựa có công thức chung [2, 3,
7]:
CH2 CH CH2
O

O R O CH2

CH CH2 O R O CH2 CH CH2
O
n
OH
CH3

R=

C
CH3

n = 0 ÷ 200 tùy thuộc vào điều kiện tiến hành phản ứng.
Phản ứng tạo nhựa epoxy xảy ra theo 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Nhóm hydroxyl của diphenylol propan kết hợp với nhóm
epoxy của epyclohydrin trong môi trường kiềm.
CH3
OH

C

OH

+

2 CH2

CH CH2

Cl

NaOH

O

CH3
CH3
ClCH2

CH CH2O

C

OH

CH3

Nguyễn Thị Huyền

4

O CH2 CH CH2Cl
OH

Lớp K35C - Hóa


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Đây là phản ứng tỏa nhiệt: Q= 17,09 Kcal/ mol.
Giai đoạn 2: Clohydrin glycol tạo thành chứa nhóm hydroxyl ở vị trí
thứ 2 so với nguyên tử clo. Với cách bố trí các nhóm chức như vậy, clohydro
dễ dàng tách ra và tạo thành nhóm epoxy mới theo cơ chế nucleofin của
halogen bằng ion alcogolat.
CH3
ClCH2

CH CH2O

C

O CH2 CH CH2Cl

OH

CH3

NaOH

OH

CH3
CH2 CH CH2O
O

C
CH3

O CH2 CH CH2
O

Phản ứng thu nhiệt: Q= -28,09 Kcal/mol.
Glyxydylete Bisphenol A nhờ có nhóm epoxy sẽ phản ứng tiếp với
nhóm hydroxyl của diphenylol propan:
CH2 CH CH2
O
NaOH

O CH2 O R O CH2 CH CH2
O

CH2 CH CH2

O

O CH2 O R O CH2

+

HO R OH

CH CH2

O R OH

OH
CH3

R=

C
CH3

Hợp chất trung gian này tiếp tục phản ứng với nhau để tạo thành nhựa
epoxy có công thức tổng quát như trên.
Khối lượng phân tử nhựa epoxy dao động trong khoảng 300÷18000 tùy
thuộc vào tỉ lệ mol giữa epyclohydrin và diphenylol propan, nhiệt độ, thời
gian phản ứng và nồng độ NaOH đã sử dụng.
1.3. Đóng rắn amin
Nguyễn Thị Huyền

5

Lớp K35C - Hóa


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Nhựa epoxy có thể đóng rắn bằng nhiều cách khác nhau như đóng rắn
bằng phản ứng trùng hợp hay bằng phản ứng cộng hợp với các hợp chất amin
và axit. Tuy nhiên với hệ sơn epoxy không dung môi, chất đóng rắn cần có độ
nhớt thấp và có khả năng đóng rắn ở nhiệt độ thường. Vì vậy, chất đóng rắn
thường sử dụng để đóng rắn cho hệ sơn epoxy không dung môi là các hợp
chất amin [5, 1]. Bao gồm các hợp chất chứa nhóm amin. Các chất amin hầu
như có thể đóng rắn tất cả các loại nhựa epoxy ngoại trừ epoxy este vì không
có nhóm epoxy.
Nhóm epoxy của nhựa epoxy mạch vòng no có khả năng phản ứng rất
yếu với nhóm amin.
Chất đóng rắn amin được ứng dụng trong khoảng nhiệt độ rộng từ
0÷1500C. Mặc dù có hoạt tính cao song đối với một số chất đóng rắn amin khi
đóng rắn ở nhiệt độ thấp (0÷200C) thường phải bổ sung một số chất xúc tác
như: rượu, phenol, axit cacboxilic.
▲ Amin mạch thẳng
Etylendiamin (EA)

H2N(CH2)NH2

Dietylen triamin (DETA)

H2N(CH2)NH(CH2)NH2

Trietylen tetramin (TETA)

H2N(CH2)NH(CH2)NH(CH2)NH2

Polyetylen polyamin

H2N(CH2CH2NH)nCH2CH2NH2

Amin mạch thẳng có ưu điểm dễ đóng rắn ở nhiệt độ thường, giá cả
hợp lý, tuy nhiên có nhược điểm là dễ hút ẩm, bốc mùi mạnh, độc, làm cho bề
mặt nhựa sau khi đóng rắn đục, tạo ứng suất làm giảm chất lượng màng sơn.
Trong môi trường không khí ẩm, các amin phản ứng với CO2 tạo thành
cacbamat không hòa tan làm ảnh hưởng đến tỉ lệ chất đóng rắn đưa vào và
tính mỹ thuật của sản phẩm.
H2O
Nguyễn Thị Huyền

+

CO2

H2CO3
6

Lớp K35C - Hóa


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

H2CO3 + ~NH2

~NHCOOH + H2O
Axit cacbamic

~NHCOOH + ~NH2

~NH3OCON~
Cacbamat (trắng)

Để khắc phục nhược điểm này đã sử dụng khá nhiều cách biến tính
bằng nhiều loại dẫn xuất khác nhau về cấu trúc và hoạt tính hóa học [4, 10].
Quan trọng nhất là các phương pháp sau:
•

Tạo adduct: Adduct là tổ hợp nhận được khi cho một lượng dư

amin phản ứng với nhựa epoxy. Nói một cách khác là thực hiện phản ứng
đóng rắn sơ bộ làm giảm lượng amin bậc 1.
NH2(CH2)2NH(CH2)2NH2

NH2(CH2)2NH(CH2)2

+

CH2 CH CH2O R O CH2 CH CH2
O
O

NH CH2

CH CH2O R OCH2

CH CH2 NH(CH2)2NH(CH2)2NH2

OH

OH

CH3
R=

C
CH3

•

Xyanetyl hóa (adduct của DETA với acrylonitryl)

NH2(CH2)2NH(CH2)2NH2

+

CH2 CH

H2N(CH2)2NH(CH2)2NH CH2 CH2

CN

CN

Ưu điểm: Tốc độ đóng rắn vừa phải, độ nhớt thấp nên có thể sử dụng
cho nhiều mục đích (sơn, keo dán, compozit).
▲ Amin thơm
NH2
H2N

CH2

NH2

NH2

Nguyễn Thị Huyền

7

Lớp K35C - Hóa


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
m-phenylen diamin

Khóa luận tốt nghiệp
4,4’-diamino diphenyl metan (DDM)

O
H2N

S

NH2

O

4,4’-diamino diphenyl (DDS)
Amin thơm có khả năng phản ứng thấp hơn amin mạch thẳng. Nhiệt độ
đóng rắn cao (120÷1500C). Tuy nhiên sản phẩm nhận được có tính chất cơ lý,
tính cách điện, chống ăn mòn tốt hơn đóng rắn bằng amin mạch thẳng.
1.4. Bột độn
Bột độn (filler) là các sản phẩm trơ, màu trắng hoặc không màu, có chỉ
số khúc xạ không quá 1,6. Bột độn được đưa vào sơn với mục đích chủ yếu là
để hạ giá thành và phần nào tăng cường tính năng cơ lý của màng sơn. Ở đây
hình thái học của chất độn rất quan trọng (tuy nhiên cũng cần lưu ý trong quá
trình nghiền sơn hình thái ban đầu của chúng có thể bị thay đổi). Ví dụ bột
talc nhờ cấu trúc dạng lá có thể làm tăng độ đặc khít và độ bền thời tiết của
màng sơn, ngoài ra sử dụng chúng có thể thay thế một phần các chất phụ gia
làm dầy sơn là những chất không dễ sử dụng. Bột talc mềm và trơ hóa học, có
khả năng làm tăng độ bền ẩm, bền nhiệt và độ bền hóa học. Bột talc thường
sử dụng làm chất độn cho các hệ sơn dung môi.
Bột talc có các đặc điểm kỹ thuật sau:
Khối lượng riêng 2,65-2,85
Chỉ số khúc xạ 1,59- 1,64
Độ hấp thụ dầu 25- 35
pH của thể huyền phù nước 9,0 – 9,5
2. KHOÁNG TALC ĐƯỢC SỬ DỤNG NHƯ CHẤT ĐỘN GIA CƯỜNG
2.1. Tìm hiểu về khoáng talc
Nguyễn Thị Huyền

8

Lớp K35C - Hóa


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

2.1.1. Thành phần, cấu trúc
2.1.1.1. Thành phần
Thành phần hóa học
Bột talc là một loại khoáng chất có sẵn trong tự nhiên. Bột talc có tên
gọi hóa học là hydrous magnesium silicate và có công thức hóa học là
Mg3Si4O10(OH)2 với tỷ lệ MgO: 31,9%; SiO2: 63,4% và H2O: 4,7%. Trong tự
nhiên quặng talc thường chứa các tạp chất như: FeO, Al2O3, Na2O, K2O,
CaO,... hàm lượng các tạp chất thường chứa vài phần trăm.
Thành phần khoáng vật
Do nguồn gốc của talc được hình thành từ quá trình biến đổi nhiệt dịch
đá giàu magie, các đá silicat trầm tích, các đá cacbonat magie nên ngoài talc
Mg3[Si4O10(OH)2] thì còn có các khoáng như: dolomit Mg.Ca(CO3)2;
manhezit MgCO3; serpentin 4MgO.2SiO2.2H2O; manhetit Fe3O4; actinolit
Ca2Fe5[Si4O11]2.(OH)2; hêmantit Fe2O3,…
2.1.1.2. Cấu trúc
Khoáng chất talc có cấu trúc tinh thể và có cấu trúc lớp.
Cấu trúc lớp cơ bản của talc được tạo thành từ lớp bát diện Mg-O2/hyđroxyl nằm kẹp giữa 2 lớp tứ diện SiO2.
Talc có cấu trúc tinh thể hệ mặt nghiêng, dạng đối xứng 2/m (L2PC).
Mỗi ô mạng cấu trúc chứa 4 phân tử.
Cấu trúc của talc được tạo nên từ tập ba lớp với mối liên kết phân tử
giữa các tập [11, 13, 6]. Lớp bát giác (hình 8 mặt) Mg(OH)2O4 phân bố giữa

hai lớp tứ diện [Si4O10]. Giữa các tập hay các phiến talc liên kết với nhau
bằng các lực Van Der Waals, do vậy mà chúng rất dễ tách ra khỏi nhau.
Trong talc, vị trí trong khoang bát diện do magie chiếm, thay chỗ của
nhôm và không có chỗ trống (ba bát diện thay cho hai bát diện).
Nguyễn Thị Huyền

9

Lớp K35C - Hóa


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Khi các lớp TOT chồng lên nhau thì các vòng sáu tứ diện của chúng
không đối nhau trực diện, mà lệch nhau một khoảng bằng 1/3 cạnh  của ô cơ
sở. Mặt khác, vòng sáu cạnh tứ diện không đối xứng sáu phương, mà ba
phương kép do các tứ diện tự xoay một góc quanh trục đứng. Vậy, talc có cấu
trúc như những loại cấu trúc như 1Tc (một lớp ba nghiêng), 2M (hai lớp một
nghiêng) và 2O (hai lớp trực thoi) được thể hiện trên hình 1.1 [8, 9].

Hình 1.1: Cấu trúc khoáng vật talc

Nguyễn Thị Huyền
Hóa

10

Lớp K35C -

Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Hình 1.2: Talc dưới kính hiển vi điện tử quét
Tinh thể talc có dạng hình vẩy. Thường tập hợp tạo các lá, vẩy hay khối
sít đặc (hình 1.2). Do lực liên kết các vảy nhỏ nên sờ tay có cảm giác mỡ.
Trong các loại khoáng chất có trong tự nhiên, bột talc là loại bột mềm
nhất (độ cứng 1 Mohs), có màu trắng sáng bóng, có khả năng giữ mùi thơm
lâu và đặc biệt là có độ sạch cao. Tỷ trọng của bột talc dao động trong khoảng
2,5-2,8 g/cm3.
Bề mặt chính hay bề mặt cơ sở trên các phiến cơ sở của talc không
chứa các nhóm hyđroxyl hay các ion hoạt động, điều này giải thích tính kỵ
nước và trơ về mặt hóa học của talc.
Talc không tan trong nước cũng như trong dung dịch axit hay bazơ yếu.
Khi nung talc có hiệu ứng nhiệt mạnh bắt đầu từ 9000C, thông thường
là 920-10600C nếu nung nóng trong môi trường không khí. Ở khoảng nhiệt độ
này talc bị mất nước hóa học tạo thành magie metasilicat [12, 13]:
3MgO.4SiO2.H2O  3(MgO.SiO2) + 6SiO2 + H2O
Tạp chất Al2O3 và CaO làm giảm độ chịu lửa của sản phẩm. FeO có
trong nguyên liệu silicat magie sẽ bị oxi hóa ở nhiệt độ 500-600°C. Ở nhiệt độ
cao hơn nó sẽ phản ứng với forsterite để tạo metasilicat magie theo phản ứng:
2MgO.SiO2 + Fe2O3 → MgO.SiO2 + MgO.Fe2O3
Sự oxi hóa sắt sẽ làm mủn sản phẩm đồng thời lại tiêu tốn MgO để biến
thành 2MgO.SiO2 cho nên phải hạn chế oxit sắt trong nguyên liệu.
Talc không bị phân hủy bằng axit trừ HF nó có thể sử dụng làm vật liệu
chịu lửa forsterite theo phản ứng :
3.MgO.4SiO2.H2O + 5MgO → 4[2MgO.SiO2] + H2O

Talc nóng chảy ở 15000C.
2.1.2. Ứng dụng
Nguyễn Thị Huyền
Hóa

11

Lớp K35C -


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

2.1.2.1. Talc trong các ngành công nghiệp
Hình 1.3: Ứng dụng talc trong các
ngành công nghiệp khác nhau ở
Hoa Kỳ năm 2003

Hình 1.3 và bảng 1.1 cho thấy các số liệu thống kê và tỉ lệ sử dụng talc tại
Hoa Kỳ trong các năm từ 2003 đến 2007.
Bảng 1.1: Thống kê sử dụng bột talc trong các lĩnh vực khác nhau ở Hoa Kỳ
(Đơn vị: nghìn tấn)
Lĩnh vực

2004

2005

2006

2007

Gốm sứ

227

220

248

209

8

8

10

16

Sơn

147

139

153

128

Giấy

114

114

124

143

Chất dẻo

34

36

41

31

Tấm lợp

63

58

61

51

Cao su

24

21

23

26

Khác

95

95

100

77

Tổng cộng

712

693

760

681

Mỹ phẩm

(Nguồn: U.S. Geological Survey, 2006, 2007, 2008)
• Nông nghiệp và thực phẩm
Talc là một tác nhân chống đóng bánh hiệu quả, là tác nhân phân tán và
cố định chất nhờn, do đó talc được sử dụng để kiểm soát độ chảy, độ đóng
bánh trong thức ăn gia súc. Trong các hỗn hợp và chất hóa học dùng trong
Nguyễn Thị Huyền
Hóa

12

Lớp K35C -


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

nông nghiệp như thuốc trừ sâu, talc là một chất mang lý tưởng. Talc cũng
được sử dụng như một tác nhân phủ chống dính trong một số thực phẩm phổ
biến như kẹo cao su, kẹo ngọt, các loại thịt chế biến sẵn,…
• Gốm sứ và thủy tinh
Talc có thể được sử dụng cả ở hai dạng: thành phần chính của sứ ốp lát
và chất bổ sung kiểm soát giãn nở nhiệt ở các khe mạng. Talc sử dụng trong
công nghiệp gốm sứ yêu cầu có hàm lượng sắt và cacbonat thấp, đồng nhất về
thành phần hóa học và độ co ngót, cứng, hạt mịn, màu trắng hoặc gần trắng.
Khi sử dụng talc, sẽ không có một lượng lớn khí sinh ra như sử dụng các
khoáng chất cacbonat. Điều này giúp cho nhiệt độ tăng nhanh hơn trong giai

đoạn đầu của quá trình nung và cho phép thời gian nung rút ngắn hơn cũng
như giảm các hư hỏng đi kèm như các lỗ nhỏ lưu khí trong lớp men.
• Giấy
Talc có thể được sử dụng với ba vai trò: chất độn, chất phủ bề mặt, và
chất hấp phụ hắc ín. Ưu điểm của talc như một vật liệu phủ giấy là độ trơn
bóng, độ trắng cáo và độ trầy xước thấp. Vì vậy, sản xuất giấy cao cấp sử
dụng talc sẽ làm giảm độ ma sát bề mặt giấy, giảm sự nhòe mực.
• Cao su
Talc làm giảm độ nhớt của các hợp chất cao su, do đó làm cho các bộ
phận đúc và ép dễ dàng hơn. Trong các chất nhồi và các loại đệm cao su,
chúng cung cấp khả năng kháng nén tốt. Trong dây cáp điện, talc hoạt động
như chất cách điện. Talc cũng giúp các nhà sản xuất lốp xe giảm độ dày lốp.
• Chất dẻo
Talc dạng tấm được sử dụng để gia cố và/hoặc độn cho cả thiết bị chịu
nhiệt và chất dẻo chịu nhiệt – chủ yếu là chất dẻo chịu nhiệt. Talc được sử
dụng trong chất dẻo chịu nhiệt để kiểm soát sự chảy do nhiệt, sự dão nhiệt ở
Nguyễn Thị Huyền
Hóa

13

Lớp K35C -


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

các bộ phận đúc, tăng chu kỳ đúc, tăng độ chịu chênh lệch nhiệt và cải thiện
sự ổn định các chiều tăng cao.

• Mỹ phẩm và dược phẩm
Trong mỹ phẩm, talc được sử dụng để trang điểm và làm bột rắc. Do
bột talc ưa dầu và có độ hấp thụ tốt nên nó dễ dàng bám trên cơ thể người, hút
dầu và khi loại bỏ đi sẽ tạo ra làn da khô và mượt. Với tính chất kị nước, bột
talc giúp bảo vệ làn da trẻ em khỏi bị ướt,... Trong dược phẩm, talc được sử
dụng để sản xuất các viên thuốc với vai trò như một chất độn và bôi trơn, và
như một chất tăng cường trong chất phủ màng mỏng, chất bôi trơn cho cao su.
• Tấm lợp
Talc có màu kém, giá thành thấp được sử dụng trong tấm lợp nhằm
tăng trọng lượng nhưng hạ giá thành tính theo diện tích, tăng khả năng chống
tia cực tím, ngăn sự thấm dầu và di chuyển, và tăng khả năng chống cháy.
• Các ứng dụng khác
Talc còn được sử dụng làm chất ngăn ngừa tạo bấc trong sơn lót ô tô,
chất đóng đường viền cho thảm và sản phẩm dệt may, chất độn trong hợp
phần các chất và vữa làm ván lát tường, và như chất độn chức năng cho chất
kết dính và chất bịt kín. Trong công thức sản xuất chất kết dính và chất bịt
kín, talc dạng tấm được nghiền và phân loại cỡ hạt từ 0,75-15 mm và được sử
dụng với 5 đến 30% (trọng lượng) nhằm giảm giá thành, kiểm soát độ lưu
biến, hoạt động như một chất độn bán gia cố, tăng độ bền axit và nước.
2.1.2.2. Ứng dụng của talc trong sơn
Có rất nhiều vật dụng, chi tiết, nhà cửa, công trình,... được sơn phủ. Tác
dụng đầu tiên của sơn phủ phải kể đến là khả năng bảo vệ cho bề mặt vật cần
được sơn khỏi tác dụng xấu từ môi trường, nâng cao tuổi thọ cho chi tiết. Thứ
Nguyễn Thị Huyền
Hóa

14

Lớp K35C -

Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

hai là về mặt mỹ thuật, nó tạo cho chi tiết có màu sắc đẹp hơn và người ta có
thể phân loại các chi tiết khác nhau nhờ lớp sơn phủ bên ngoài. Hơn thế nữa
với một số loại sơn đặc chủng có thể giải quyết được nhiều yêu cầu về mặt kỹ
thuật như sơn chống nấm mốc, sơn chống hà, sơn phản quang, sơn phát
quang, sơn chịu hoá chất, sơn chịu nhiệt, sơn cách nhiệt, sơn hấp thụ sóng
điện từ,... để có được các tính chất này, các chất độn có trong sơn đóng vai trò
chủ yếu mang lại các đặc tính cho sơn trong đó có bột khoáng talc.
Talc được sử dụng chủ yếu trong vật liệu phủ như là TiO2. Nó cũng góp
phần làm ổn định huyền phù, kiểm soát độ phẳng và ánh, tăng độ bền hóa
học, phủ lấp để tạo mặt phẳng, hoàn thiện tấm phim sơn, và chống chịu tác
động thời tiết. Talc thường tự lơ lửng trong sơn và hỗ trợ các chất tạo màu
khác lơ lửng, khi sự lắng xảy ra thì nó thường tự động trở lại trạng thái lơ
lửng do nó rất nhẹ. Mặc dù talc là chất kị nước nhưng nó lại phân tán dễ dàng
trong hầu hết các loại sơn bao gồm cả môi trường dung dịch nước.
Hầu hết talc đạt yêu cầu sử dụng trong công nghiệp sản xuất sơn có các
đặc tính diện tích bề mặt cao và khả năng hấp thụ dầu cao. Mặc dù các tính
chất này hạn chế lượng talc kết hợp trong sơn nhưng sự có mặt của nó với
hàm lượng trung bình góp phần làm tăng độ lưu biến – chống quá trình lắng
sơn, khả năng sơn quét, làm phẳng, và duy trì độ cong. Talc cũng hạn chế sự
lão hóa và phá hủy sơn. Một số loại talc nhất định có khả năng làm phẳng
giúp kiểm soát độ bóng của lớp tráng men. Các loại talc này có cỡ hạt 10 m
và cỡ hạt lớn nhất là 25 m.
Sơn kỹ thuật thường sử dụng talc -325 dạng mắt lưới, trong khi sơn
công nghiệp thì thường sử dụng talc cấp hạt micro. Talc tremolit có tinh thể
hình trụ và khả năng hấp thụ dầu thấp hơn nên loại talc này có độ phân tán

Nguyễn Thị Huyền
Hóa

15

Lớp K35C -


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

cao hơn, mức tải cao hơn, độ phẳng thấp hơn và tạo lớp da khô tốt hơn so với
talc dạng tấm. Nó cũng tạo độ bền tốt hơn khi ứng dụng trong sản xuất sơn
ngoài trời và sơn giao thông.
2.2. Biến đổi bề mặt bột talc bằng hợp chất silan
Trong các lĩnh vực cao su, sơn, vật liệu phủ và đặc biệt là trong lĩnh
vực chất dẻo (PP, PE,…) talc là một chất 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 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. Biến đổi bề mặt khoáng talc bằng các hợp
chất silan là một phương pháp đang được sử dụng phổ biến hiện nay.
2.2.1. 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 vô cơ và hữu cơ trên cùng một nguyên tử với cấu
trúc điển hình của nó là:
(RO)3SiCH2CH2CH2-X
Trong đó RO là nhóm có khả năng thủy phân như: metoxy, etoxy hay
acetoxy,… và X là nhóm chức hữu cơ như: amino, metacryloxy, epoxy,…
Nguyễn Thị Huyền
Hóa

16

Lớp K35C -


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Những nhóm này thể hiện vai trò chức năng khác nhau và có thể phản
ứng lần lượt. Một tác nhân ghép silan sẽ hoạt động ở bề mặt phân cách pha
giữa chất vô cơ (như thủy tinh, kim loại hay khoáng chất) và một vật liệu hữu
cơ (như polyme hữu cơ, chất phủ hay chất kết dính) để liên kết hay ghép nối
hai loại vật liệu không giống nhau này.
Silan có thể thực hiện tương tác giữa các đế vô cơ như thuỷ tinh, kim
loại hay khoáng chất với các vật liệu hữu cơ như cao su hay polyme tạo thành
các liên kết hoá học hay kết nối khác.
Quá trình biến đổi bề mặt khoáng xảy ra qua bốn giai đoạn.
- Đầu tiên 3 nhóm alkoxy bị thuỷ phân tạo ra các thành phần chứa
silanol.

- Tiếp đó là quá trình ngưng tụ của các silanol thành oligome.
- Các oligome sau đó tạo liên kết hydro với các nhóm hydroxyl có trên
bề mặt của chất nền.
- Cuối cùng là quá trình làm khô cùng với sự tách nước tạo thành các
liên kết hóa trị giữa hợp chất silan với chất nền.

Hình 1.4: Cơ chế phản ứng silan hóa trên bề mặt chất độn
Nguyễn Thị Huyền
17
Lớp K35C Hóa


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

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 1.5: 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 1.6: Chất độn được xử lý bề mặt bằng silan phân tán dễ dàng hơn
trong chất nền polime

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:

Nguyễn Thị Huyền
Hóa

18

Lớp K35C -


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Hình 1.7: Cơ chế bảo vệ tái kết tụ các hạt chất độn của hợp chất silan
2.2.2. Các phương pháp biến đổi bề mặt bột talc
Để biến đổi bề mặt khoáng bằng các hợp chất silan, có ba phương pháp
thông dụng được mô tả chung như sau (Power Chemical Corporation Limited,
2009):
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.
Trong vai trò là chất độn hay chất gia cường trong lĩnh vực vật liệu
polyme, talc phải được biến đổi bề mặt. Việc sử dụng hợp chất silan xử lý talc
Nguyễn Thị Huyền
Hóa

19

Lớp K35C -


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

có thể nâng cao khả năng phân tán cũng như phẩm chất của vật liệu nhựa
được gia cường bột talc.
Lợi thế của bột talc được xử lý bằng hợp chất silan:
- Lợi thế cho quá trình gia công chế tạo:
+) Hàm lượng cho vào cao hơn
+) Sự hình thành các điểm chết thấp hơn
+) Tốc độ gia công nhanh hơn
- Lợi thế cho sản phẩm:
+) Độ ổn định màu sắc tốt hơn
+) Tính chất quang và độ bóng cao hơn
+) Tính chất cơ cao hơn
Biến đổi bề mặt talc là một quá trình quan trọng. Khác với một số chất
độn gia cường khác như oxit silic, talc có đặc trưng kiềm nhẹ trong nước và

quá trình biến đổi bề mặt phải có sự có mặt của một tác nhân có tính axit. Khi
tác nhân kết nối được sử dụng, các liên kết hóa học có thể được tạo ra trên bề
mặt chất độn giữa các nhóm hydroxyl hay silanol và các nhóm alkoxy của tác
nhân ghép nối.

Hình 1.8. Cơ

Nguyễn Thị Huyền
Hóa

chế proton

20

Lớp K35C -


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

hóa phân tử silan
Hình 1.9. Cơ chế silan hóa bề mặt bột talc với sự có mặt của tác nhân axit

Chương 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Chuẩn bị mẫu
2.1.1. Nguyên liệu
- Nhựa EPOXY: Loại YD-011X75 của hãng KUKDO, Hàn Quốc (hàm
lượng 75% trong xylen). Các tính chất cơ bản của nhựa YD-011X75 được thể
hiện trên bảng 2.1.

Bảng 2.1: Tính chất của nhựa epoxy YD-011X75
Tính chất

YD-011X75

Phương pháp thử

Đương lượng epoxy (g/eq)

450-500

KD-AS-001

Độ nhớt *1

Z3-Z6

KD-AS-007

Nguyễn Thị Huyền
Hóa

21

Lớp K35C -


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Hàm lượng chất không bay hơi

74-76

KD-AS-018

1.0 max

KD-AS-025

(wt.%)
Màu sắc (G)
*1 Phương pháp Gardner Holdt
- Chất đóng rắn: Loại Kingmide 315 của hãng SANHO, Đài Loan. Các
tính chất của KINGMIDE 315-L được thể hiện trên bảng 2.2.
Bảng 2.2: Tính chất của chất đóng rắn KINGMIDE 315-L
Tính chất
Hình thái

KINGMIDE 315-L
Chất lỏng màu vàng

Chú thích
KD-AS-001

Độ nhớt (mPa.s)

1,500~3,000

25oC

Trị số Amin

440 ±20

Phương pháp đo JIS

Trọng lượng riêng

0.97

25oC

Màu sắc (G)

1.0 max

KD-AS-025

Điểm bắt cháy

1780C

- Khoáng talc có nguồn gốc từ Thanh Sơn, Thanh Thủy, tỉnh Phú Thọ
với thành phần phần chủ yếu là các oxit kim loại trong đó SiO2 chiếm 61,8%
và MgO chiếm 28,5 %.

Nguyễn Thị Huyền
Hóa

22

Lớp K35C -


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Hình 2.1: Phân bố kích thước khoáng talc
Phân bố kích thước hạt khoáng talc được thể hiện trên hình 2.1. Kích
thước trung bình là 6,56 μm với Q90 = 15,875 μm.
Trong đề tài đã sử dụng các loại bột talc biến đổi bề mặt bằng các hợp
chất silan khác nhau được thể hiện trên bảng sau.
Bảng 2.3: Các loại bột talc biến đổi bề mặt
TT

Loại silan biến đổi

Ký hiệu

1

T2A

γ-Aminopropyltrimetoxysilan

2

T2Mt

γ-Metacryloxypropyltrimetoxysilan

3

T2V

Vinyltriethoxysilan

4

T2VA

Cation Vinylbenzylaminoetylaminopropyltrimetoxysilan

- Dung môi sử dụng là xylen.
- Các phụ gia khác cho sơn như chất làm khô, chất dàn đều, chất chống
Nguyễn Thị Huyền
23
Lớp K35C Hóa


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

tạo bọt được cung cấp bởi Công ty sơn Tổng hợp Hà Nội.
2.1.2. Chế tạo sơn chứa bột talc
Hỗn hợp gồm nhựa epoxy, bột talc biến tính bằng silan dung môi và

các phụ gia được nghiền bằng cối nghiền bi trong 48 giờ. Bổ sung các thành
phần còn lại ta thu được sơn epoxy chứa bột talc. Chất đóng rắn được đưa vào
sơn sau cùng.
2.1.3. Chế tạo mẫu
Mẫu đo các tính chất cơ
Mẫu đo các tính chất cơ như: độ bền va đập, độ bền uốn, độ cứng, độ
bám dính được chế tạo trên tấm thép hay tấm kính theo tiêu chuẩn TCVN.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp xác định độ bền va đập
Phương pháp xác định độ bền va đập của màng phủ dựa trên cơ sở
màng phủ bị biến dạng, bị bẻ gãy hoặc bị tách khỏi nền kim loại do sự rơi của
tải trọng, được xác định theo TCVN 2100-1993. Độ bền va đập của các mẫu
được đo trên máy Sheen 807.
* Dụng cụ xác định độ bền va đập (Hình 2.2).
* Tấm mẫu: Theo TCVN 5670 – 1992 tấm mẫu có tiết diện bề mặt
rộng đủ để thực hiện phép thử có hiệu quả (100 x 100 x 0,01 mm).

Nguyễn Thị Huyền
Hóa

24

Lớp K35C -


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Hình 2.2: Dụng cụ đo

độ bền va đập

* Cách xác định:
- Tấm mẫu được phủ màng khô theo TCVN 2069 – 1993 và được bảo
quản trong điều kiện 25oC  2oC và độ ẩm tương đối là 75  5%.
- Sự rơi của tải trọng được tiến hành theo từng bậc một và theo phương
pháp thẳng đứng.
- Tính kết quả: độ bền va đập của màng được biểu thị bằng kg.cm là
chiều cao cực đại (cm) mà từ đó tải trọng có khối lượng (1 kg) rơi lên tấm
mẫu ở gia tốc rơi tự do, nhưng không gây nên sự phá hủy cơ học (gãy, bong,
tróc). Sai lệch cho phép giữa 2 phép thử không quá 1 kg.cm.
2.2.2. Phương pháp xác định độ cứng của màng phủ
Phương pháp xác định độ cứng của màng phủ dựa trên cơ sở xác định
tỷ số giữa thời gian dao động của con lắc đặt trên bề mặt màng phủ với thời
gian dao động của chính con lắc đó trên tấm kính ảnh (không có màng phủ),
xác định theo TCVN 2098-1993. Độ cứng của màng phủ được đo trên máy
Sheen 707P tại Viện Khoa học Vật liệu.

* Dụng cụ xác định độ cứng của màng phủ (Hình 2.3).
Nguyễn Thị Huyền
Hóa

25

Lớp K35C -