Nghiên cứu biến đổi bề mặt khoáng mica bằng các hợp chất silan

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
**********

TRẦN THẢO OANH

NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔI BỀ MẶT
KHOÁNG MICA BẰNG CÁC HỢP CHẤT
SILAN

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

Người hướng dẫn khoa học
TS. NGÔ KẾ THẾ

HÀ NỘI - 2011


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

LỜI CẢM ƠN
Khoá luận này được thực hiện tại Viện khoa học Vật liệu- Viện
KH&CN Việt Nam.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Ngô Kế Thế Viện khoa học Vật liệuViện KH&CN Việt Nam đã nhiệt tình, tận tâm hướng dẫn em trong suốt quá
trình thực hiện khoá luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ công nhân viên trong Phòng
nghiên cứu Vật liệu polyme và compozit đã chỉ bảo, tạo điều kiện thuận lợi để
em thực hiện các phần việc ở phòng thí nghiệm trong quá trình thực tập và

làm khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Hoá học trường
ĐHSP Hà Nội 2 đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản trong quá trình
học tập để em có thể hoàn thành khoá luận này.
Quá trình thực hiện khoá luận tốt nghiệp trong thời gian ngắn, không
tránh khỏi có sai xót, em rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo của các thầy
cô và các bạn sinh viên.

Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2011
Sinh viên

Trần Thảo Oanh

Khoá luận tốt nghiệp

ii

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết
quả nghiên cứu, số liệu được trình bày trong khoá luận là hoàn toàn trung
thực và không trùng với các kết quả khác.

Tác giả: Trần Thảo Oanh

Khoá luận tốt nghiệp

iii

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH
1. Danh mục các bảng
- Bảng 2.1: Thành phần hoá học của mica nghiên cứu
- Bảng 3.1: Độ bền kéo đứt vật liệu PP/Mica biến đổi bề mặt bằng các
hợp chất silan khác nhau ở nồng độ 2%
2. Danh mục các hình
- Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể mica
- Hình 1.2: Sự bóc lớp trong tinh thể muscovit
- Hình 1.3: Quá trình khuyếch tán môi trường ăn mòn qua lớp sơn bảo
vệ có pigment đẳng hướng (A) và không đẳng hướng- mica(B)
- Hình 1.4: Phân tử hữu cơ (a) và phân tử silan (b)
(a) Hợp chất của cacbon
(b) Hợp chất của silic
- Hình 2.1: Phân bố hạt mica nghiên cứu
- Hình 2.2: Máy phổ hồng ngoại FT-IR
- Hình 2.3: Chày và cối mã não
- Hình 2.4: Máy ép thuỷ lực

- Hình 2.5: Máy đo độ bền cơ lý
- Hình 2.6: Thiết bị phân tích nhiệt
- Hình 3.1: Phổ FT-IR của khoáng mica ban đầu
- Hình 3.2: Phổ FT-IR của khoáng mica biến đổi bề mặt với 2% hợp
chất silan 3-APTMS

Khoá luận tốt nghiệp

iv

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

- Hình 3.3: Phổ FT-IR của khoáng mica biến đổi với hợp chất silan
được axit hoá
- Hình 3.4: Phổ FT-IR của khoáng mica biến đổi với hợp chất silan
không được axit hoá
- Hình 3.5: Phổ FT-IR của khoáng mica biến đổi bề mặt bằng 3APTMS 2% trong ethanol sau khi sấy khô ở 50oC
- Hình 3.6: Phổ FT-IR của khoáng mica biến đổi bề mặt bằng 3APTMS 2% trong ethanol rửa trước khi sấy khô ở 50oC
- Hình 3.7: Phổ FT-IR của khoáng mica biến đổi bề mặt với 3APTMS 2% trong ethanol bằng phương pháp khối
- Hình 3.8: Phổ FT-IR của khoáng mica biến đổi bề mặt với 3APTMS 2% trong ethanol
- Hình 3.9: Giản đồ phân tích nhiệt của mica ban đầu chưa biến đổi bề
mặt
- Hình 3.10: Giản đồ phân tích nhiệt của mica được xử lý trong 4h ở
dung dịch 1% silan, môi trường axit
- Hình 3.11: Ảnh hưởng của hàm các chất silan khác nhau đến độ bền

kéo đứt vật liệu PP/ Mica
- Hình 3.12: Ảnh SEM vật liệu PP/ Mn
- Hình 3.13: Ảnh SEM vật liệu PP/ Mta
- Hình 3.14: Ảnh SEM vật liệu PP/ Mtv

Khoá luận tốt nghiệp

v

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1

Chương 1: TỔNG QUAN .......................................................................... 3
1.1 TÌM HIỂU VỀ KHOÁNG MICA......................................................... 3
1.1.1. Lịch sử phát triển.............................................................................. 3
1.1.2. Thành phần, cấu trúc ........................................................................ 4
1.1.2.1. Thành phần.................................................................................... 4
1.1.2.2. Cấu trúc......................................................................................... 5
1.1.3. Tính chất .......................................................................................... 7
1.1.3.1. Hình thái mica và các ảnh hưởng .................................................. 7
1.1.3.2. Tỷ lệ bề mặt và các ảnh hưởng ...................................................... 8
1.1.3.3. Màu sắc và các ảnh hưởng ............................................................ 9
1.1.3.4. Các tính chất quan trọng khác của mica........................................ 9

1.1.4. Ứng dụng........................................................................................ 10
1.1.5. Nghiên cứu ứng dụng mica để gia cường cho các vật liệu polyme.. 13
1.1.5.1. Trên thế giới ................................................................................ 13
1.1.5.2. Ở Việt Nam.................................................................................. 17
1.2. BIẾN ĐỔI BỀ MẶT KHOÁNG MICA............................................. 19
1.2.1. Sự cần thiết phải biến đổi bề mặt .................................................... 19
1.2.2. Hợp chất silan................................................................................. 19
1.2.3. Biến đổi bề mặt khoáng mica bằng các hợp chất silan .................... 23

Chương 2: THỰC NGHIỆM .................................................................... 30
2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU ....................................................................... 30

Khoá luận tốt nghiệp

vi

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

2.1.1. Hợp chất silan................................................................................. 30
2.1.2. Khoáng mica .................................................................................. 30
2.1.3. Polypopylen (PP)............................................................................ 32
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................................................... 32
2.2.1. Biến đổi bề mặt khoáng mica.......................................................... 32
2.2.2. Chế tạo vật liệu compozit PP/mica ................................................. 32
2.2.3. Phổ FT-IR ...................................................................................... 33

2.2.4. Xác định tính chất cơ lý của vật liệu compozit PP/mica.................. 35
2.2.5. Xác định cấu trúc pha của vật liệu compozit PP/mica..................... 36
2.2.6. Xác định mức độ silan hoá mica bằng phân tích nhiệt .................... 37

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 38
3.1. NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔI BỀ MẶT MICA BẰNG CÁC HỢP CHẤT
SILAN ..................................................................................................... 38
3.1.1. Ảnh hưởng của môi trường phản ứng ............................................. 40
3.1.2. Ảnh hưởng của quá trình polyme hoá silan đến độ bền của lớp bề mặt
biến đổi .................................................................................................... 42
3.1.3. So sánh mức độ silan hoá bề mặt mica bằng phương pháp dung dịch và
phương pháp khối..................................................................................... 44
3.1.4. Xác định mức độ silan hoá mica bằng phân tích nhiệt .................... 46
3.2. THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG GIA CƯỜNG CỦA MICA BIẾN ĐỔI BỀ
MẶT CHO VẬT LIỆU PP ....................................................................... 48
3.2.1 Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu PP/mica ......................... 51

KẾT LUẬN.............................................................................................. 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 54

Khoá luận tốt nghiệp

vii

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Mica là một loại khoáng có sẵn ở Việt Nam đang được quan tâm khai
thác, chế biến và ứng dụng trong mọi lĩnh vực. Sử dụng Mica làm chất độn
gia cường trong công nghiệp cao su và chất dẻo là lĩnh vực đã và đang được
các nhà khoa học quan tâm đặc biệt.
Nhờ các công trình nghiên cứu điều tra và công nghệ tuyển, nhiều sản
phẩm mica, đặc biệt dưới dạng sericit đã dần trở thành thương phẩm. Mica
cũng như các chất độn vô cơ khác trong thành phần vật liệu polyme cần phải
biến đổi bề mặt để tăng khả năng tương tác với polyme nền.
Bề mặt mica ở dạng phiến trơn nhẵn, có thể biến đổi bằng nhiều
phương pháp khác nhau để tăng diện tích bề mặt, tăng cường các nhóm chức
hữu cơ. Phương pháp thông dụng và có hiệu quả là phủ lên bề mặt mica một
lớp các hợp chất silan gọi là tác nhân ghép nối.
Các hợp chất silan là các hợp chất hoá học của nguyên tử silic với hợp
chất hoá học đơn giản nhất là SiH4 (silan). Trong các hợp chất silan, nếu có
chứa ít nhất một liên kết Si-C được gọi là các hợp chất silan hữu cơ.
Phần lớn các nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng bột khoáng Mica đã
được xử lý bề mặt, các tính chất cơ lý như độ bền kéo, độ bền uốn tăng lên,
độ bền va đập không giảm hoặc tăng lên chút ít, vật liệu được gia cường mica
được xử lý bề mặt có độ thẩm thấu được cải thiện.
Với cách tiếp cận như trên, đề tài “Nghiên cứu biến đổi bề mặt bột
khoáng Mica bằng các hợp chất silan” đã được lựa chọn để làm luận văn tốt
nghiệp. Đề tài có tính thời sự trong hướng quan tâm chung của Nhà nước về
nâng cao hiệu quả khai thác, chế biến và ứng dụng tài nguyên môi trường.

Khoá luận tốt nghiệp

1

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

Nhất là trong bối cảnh suy thoái kinh tế toàn cầu, việc sử dụng hợp lý nguyên
liệu có trong nước với giá thành hạ đang được các nhà sản xuất quan tâm.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu biến đổi bề mặt bột khoáng Mica bằng các hợp chất silan
để tăng cường khả năng tương hợp của các polyme nền.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hợp chất silan đến phản ứng
biến đổi bề mặt.
 Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường phản ứng đến khả năng silan
hóa bề mặt khoáng Mica.
 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình polyme hóa đến độ bền lớp
phủ bề mặt khoáng Mica.
 Xác định hàm lượng lớp phủ hợp chất silan trên bề mặt khoáng
Mica.

Khoá luận tốt nghiệp

2

Trần Thảo Oanh

Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. TÌM HIỂU VỀ KHOÁNG MICA
1.1.1. Lịch sử phát triển
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. 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. 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 điều chế bắt đầu được sử dụng làm chất độn gia
cường cho các sản phẩm cao su. 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 đàn hồi, tích nhiệt thấp, tính đàn hồi cao và màu sắc không
được thể hiện rõ rệt. Cùng với sự thay đổi công nghệ trong quá trình sản
xuất, cần phải thực hiện xử lý bề mặt chất độn bằng nhiều cách như: xử lý
nhiệt trong quá trình trộn hợp với cao su, xử lý nhiệt với sự có mặt của các

Khoá luận tốt nghiệp

3

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

chất hoạt hóa hay việc sử dụng các tác nhân ghép 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.
Mica 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. Mica trong các
vật liệu polyme đã có nhiều ảnh hưởng tích cực đến các tính chất của vật
liệu.
1.1.2. Thành phần, cấu trúc
1.1.2.1. Thành phần
Trong thương mại, mica được hiểu là các silicat nhôm và kali có chứa
nhóm hydroxyl dưới hai dạng: 1. Muscovite có công thức KAl2AlSi3O10(OH)2
và Phlogopite có công thức KMg3AlSi3O10(OH)2.
Sericit là dạng thù hình ẩn tinh (vi tinh thể) của mica, có các đặc tính
chung của mica nên nhiều khi được viết là mica-sericit. Công thức hóa học
của mica là KAl2(OH)2(AlSiO10) với thành phần là: SiO2= 43,13- 49,04%;

Al2O3= 27,93- 37,44%; K2O+ Na2O= 9- 11%; H2O= 4,13-6,12%.
Mica có đặc tính chung của muscovit như:
- Tinh thể đơn tà, cấu trúc lớp (của các tứ diện Al-Si-O).
- Độ cứng (theo bảng Mohr): 2-3.
- Tỷ trọng: 2,5 đến 3,2g/cm3, đặc trưng là 2,82.

Khoá luận tốt nghiệp

4

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

- Có khả năng phân tấm mỏng hoặc rất mỏng, tỷ lệ đường kính bề
mặt/ độ dày > 80, độ mịn cao.
- Dễ uốn, dẻo (modul đàn hồi vào khoảng 1500- 2100 Mpa).
- Trong suốt đến trong mờ, có tính ánh kim trên bề mặt.
- Màu trắng, vàng nâu, (muscovit có thể có màu đỏ nâu rubi).
- Chịu nhiệt cao tới 600 đến 11000C, dẫn nhiệt kém (hệ số dẫn
nhiệt vào khoảng 0,419- 0,670 W/m.K). Nhiệt dung riêng là 0,8kJ/kg.K,
cách điện tốt ( độ bền điện 200kV/mm).
- Bền hoá chất, trơ với dung dịch kiềm và axit.
- Không thấm nước.
- Chống tia UV tốt.
Mica có thành phần và cấu trúc tương tự kaolinit nên có một số tính
chất của sét như dễ phân tán trong nước và trong dung môi hữu cơ.

1.1.2.2. Cấu trúc
Tinh thể mica có cấu trúc lớp, bao gồm 3 lớp: 1 lớp bát diện được
kẹp giữa hai lớp tứ diện giống nhau, với các đỉnh của cả hai lớp tứ diện
hướng vào trong. Hai lớp tứ diện liền kề chung nhau nguyên tử oxy tạo ra
mạng lưới 6 cạnh. Các nhóm hydroxyl tự do cùng với các nguyên tử oxy ở
đỉnh tạo thành mặt phẳng chung nối giữa các lớp tứ diện và bát diện. Ở lớp
tứ diện, cứ 4 nguyên tử Si hóa trị 4 thì có một nguyên tử được thay thế
bằng một nguyên tử Al hóa trị 3 làm mất cân bằng điện tích ở mặt này.
Điện tích âm của lớp này được cân bằng bởi 1 lớp các ion K+.

Khoá luận tốt nghiệp

5

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

Lớp tứ diện

Lớp bát diện

Lớp tứ diện

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể mica

Các ion K+ nằm ở các hốc trống vòng sáu cạnh oxy trên bề mặt cơ sở

của tứ diện Si3Al. Mica có thể bóc tách dọc theo mặt phẳng của lớp ion K+.
Điều này là do các liên kết hóa trị trong các lớp của nhôm silicat bền vững
hơn các liên kết ion giữa các lớp. Chính vì vậy, mica có thể bóc tách dễ
dàng giữa các lớp có bề mặt nhẵn bóng.
Bề mặt của mica bao gồm các nguyên tử oxy được liên kết cộng hóa
trị với các nguyên tử silic (75%) và các nguyên tử nhôm (25%). Không có
nhóm hydroxyl nào trên bề mặt. Các nguyên tử oxy được sắp xếp tạo thành
các hốc trống với diện tích vào khoảng 0,18 nm2 và có một nhóm hydroxyl
ở vị trí thấp hơn khoảng 0,17 nm. Các ion K+ chiếm các hốc trống trong
tinh thể.

Khoá luận tốt nghiệp

6

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

Hình 1.2: Sự bóc lớp trong tinh thể muscovit

Khi mica được cho vào trong nước, các ion K+ tách ra từ bề mặt. Do
mật độ điện tích trên bề mặt cao, nên phần lớn các ion K+ tập trung ở các vị
trí gần với bề mặt của mica. Tuy nhiên dưới điều kiện thích hợp các ion K+
có thể trao đổi một cách định lượng với các ion khác.
1.1.3. Tính chất
1.1.3.1 . Hình thái mica và những ảnh hưởng

Mica được đặc trưng bởi hình dạng phiến, dẹt và có thể bóc tách dễ
dàng. Điều này cho phép có thể phân chia hay bóc tách thành các hạt có tỷ
lệ bề mặt/chiều dày cao từ mỏng đến rất mỏng, bền chắc và mềm dẻo. Các
mảnh thủy tinh cũng có hình dạng dẹt với tỷ lệ bề mặt cao. Nhưng với bản
chất dễ vỡ, các mảnh thủy tinh rất khó có thể tạo hình và trộn hợp với
polyme như mica.
Hình dạng dẹt độc đáo của mica rất có lợi khi đưa chúng vào trong
các vật liệu khác nhau. Do kích thước chiều dài và chiều rộng là tương
đương, chiều dày rất nhỏ nên mica là chất gia cường nhị phương giúp cho

Khoá luận tốt nghiệp

7

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

độ co ngót của sản phẩm về cơ bản không thay đổi khi tạo hình. Sợi thủy
tinh và vật liệu dạng sợi giống như wollastonit có sự khác nhau rất lớn về
kích thước chiều dài và chiều rộng. Vì thế, các sợi có xu hướng sắp xếp
theo hướng song song với nhau cùng với quá trình chế tạo vật liệu. Sự định
hướng này gây ra sự khác nhau đáng kể về độ co ngót theo chiều ngang và
chiều dọc dẫn đến sự cong vênh của sản phẩm. Khi thêm mica vào trong
vật liệu polypropylen độn sợi thủy tinh đã làm giảm đáng kể phần sản
phẩm cong vênh. Khi có mặt mica, sản phẩm co ngót đồng đều hơn, tổng
sự co ngót giảm đi và được xác định bởi hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính

(CLTE). Điều này khá quan trọng khi cần tạo ra sản phẩm có kích thước ổn
định trong quá trình sử dụng ở một khoảng nhiệt độ rộng.
Một ưu điểm khác đem lại từ hình dạng mỏng dẹt của mica là khả
năng làm giảm sự xâm thực của các chất khí và chất lỏng. Điều này đặc
biệt quan trọng trong các vật liệu sử dụng ngoài trời hay các thiết bị tiếp
xúc với chất lỏng như các bình nhiên liệu động cơ, thùng chứa dầu,
mỡ,…Các vật liệu được gia cường bằng mica sẽ hạn chế được sự phồng
rộp. Sơn có gia cường bằng mica có khả năng bảo vệ xâm thực tốt hơn.
1.1.3.2. Tỷ lệ bề mặt và các ảnh hưởng
Với các khoáng mica, tỷ lệ bề mặt được định nghĩa là tỷ lệ trung bình
của đường kính trung bình của tất cả các hạt tới độ dày trung bình của tất
cả các hạt. Cho đến gần đây vẫn chưa thể xác định chính xác tỷ lệ bề mặt
của các sản phẩm khác nhau. Người ta có thể dự đoán tỷ lệ bề mặt bằng
phương pháp kính hiển vi điện tử quét khi đo đường kính và độ dày của các
hạt riêng rẽ. Ngày nay có thể thực hiện được việc xác định này với các thiết
bị xác định kích thước và độ phân bố hạt hiện đại.
Mica-sericit trong tự nhiên có dạng hạt mịn và cấu trúc lớp của mica

Khoá luận tốt nghiệp

8

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

muscovit. Tỷ lệ bề mặt cao tạo ra liên kết giữa các lớp riêng rẽ với lực vừa

phải. Điều này làm cho nó có thể bóc tách dễ dàng giữa các lớp để tạo ra
các phiến mỏng hơn. Đây là một lợi thế của mica-sericit so với các khoáng
mica cùng loại, các khoáng mà có tỷ lệ bề mặt thấp hơn nên khó có thể tách
lớp với bề mặt cao. Tỷ lệ bề mặt cao sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến
môđun giãn dài của vật liệu.
1.1.3.3. Màu sắc và các ảnh hưởng
Muội than có màu đen, chính điều này đã làm hạn chế nhiều ứng
dụng của chúng. Các khoáng mica có nhiều màu sắc khác nhau, muscovit
mica có màu trắng bạc đến trắng nhạt, phlogopit mica có màu đồng đến nâu
sẫm hoặc đen. Mica-sericit thuộc loại muscovit có màu sáng, chính điều
này cũng làm tăng lợi thế sử dụng của sericit trong các ứng dụng mang
mầu. Có thể thêm các chất mầu vào vật liệu có chứa mica-sericit để tạo ra
các vật liệu có màu.
1.1.3.4. Các tính chất quan trọng khác của mica
Mica là hợp chất trơ với axit và bazơ và tất cả các dung môi. Không
giống như phlogopit mica bị hòa tan trong axit mạnh, mica-sericit chỉ có
thể bị hòa tan bởi axit hydrofloric nóng. Nó có thể được sử dụng cho các
ứng dụng chống ăn mòn.
Mica cho khả năng chống trầy xước tốt hơn so với các khoáng khác.
Khả năng cải thiện chống trầy xước là đặc biệt có ích cho các ứng dụng bên
trong các máy móc tự động nơi mà khả năng chống trầy xước là một vấn đề
với polyolefin độn talc.
Mica là chất cách điện rất tốt (tính điện môi cao) và cung cấp cả hai
tính chất cách nhiệt và cách âm. Khi sử dụng với các polyme khối lượng
phân tử thấp, khả năng cách âm được tăng lên rõ rệt. Mica cũng chống lại

Khoá luận tốt nghiệp

9

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

các tia tử ngoại dưới 300 nm. Ngăn các tia tử ngoại dưới 300 nm là một
trong các yếu tố nâng cao khả năng bền thời tiết cho các lớp phủ của các
công trình sử dụng ngoài trời.
Mica khá mềm và ít bị mài mòn vì thế hao mòn thiết bị gia công vật
liệu chứa mica là nhỏ. Độ cứng của khoáng mica theo thang độ Moh thay
đổi từ 2.0 đến 2.5 moh với muscovit mica và từ 2.5 đến 3.0 moh cho
phlogopit mica.
Các sản phẩm mica rất bền ở nhiệt độ cao. Phân tích nhiệt trọng
lượng cho biết rằng cả hai muscovit mica và phlogopit mica đều bền nhiệt
trên 450ºC, đặc biệt là mica-sericit có độ bền nhiệt trong khoảng từ 6001100 ºC. Nhiệt độ này vượt xa nhiệt độ gia công của các vật liệu
polyolefin.
1.1.4. Ứng dụng
Tên gọi "mica" có nguồn gốc từ tiếng Latinh micare, có nghĩa là "lấp
lánh", theo cách phản xạ ánh sáng của loại khoáng vật này, đặc biệt khi chúng
ở dạng mảnh nhỏ.
Với cách hiểu như trên, thời xa xưa mica là tên gọi chung cho các
khoáng vật dạng tấm thuộc nhóm silicat lớp bao gồm các loại vật liệu có mối
liên kết chặt chẽ, có tính cát khai cơ bản hoàn toàn. Tất cả chúng đều có cấu
trúc tinh thể thuộc hệ một phương có xu hướng tinh thể giả hệ sáu phương và
có thành phần hóa học tương tự. Tính cát khai cao là tính chất đặc trưng nhất
của mica, điều này được giải thích là do sự sắp xếp của các nguyên tử dạng
tấm lục giác chồng lên nhau.
Con người đã sử dụng mica từ thời tiền sử như các nền văn minh Ai

Cập, Hy Lạp và La Mã, văn minh Trung Quốc cũng như nền văn minh Aztec
của Tân thế giới.

Khoá luận tốt nghiệp

10

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

Mica được sử dụng sớm nhất được tìm thấy trong các tranh hang động
vào thời đại đồ đá cũ muộn (40.000 TCN đến 10.000 TCN). Màu sắc đầu tiên
là đỏ (sắt ôxít, hematit, hoặc ochre đỏ) và đen (mangan điôxít, pyrolusit), mặc
dù màu đen than bách hoặc thông cũng được phát hiện. Màu trắng từ kaolin
hoặc mica đôi khi được sử dụng.
Cách Mexico City vài km về phía đông bắc là thành phố cổ
Teotihuacan. Cấu trúc và tính trực quan nổi trội nhất của Teotihuacan là kim
tự tháp. Kim tự tháp chứa một lượng mica đáng kể ở dạng lớp dày đến 30 cm.
Mica trong kim tự tháp được xác định là từ các mỏ ở Brazil, cách đó khoảng
3.400 km.
Trong suốt chiều dài lịch sử, bột mica mịn cũng đã được dùng vào
những mục đích khác nhau trong đó nổi bật là cho mục đích trang trí. Gulal
và Abeer màu được người Hindus phía bắc Ấn Độ sử dụng trong các lễ hội
holi chứa các tinh thể mica nhỏ, mịn. Cung điện Padmanabhapuram uy nghi ở
Ấn Độ cách Trivandrum 65 km (40 mi) có các cửa sổ làm bằng mica màu.
Theo báo cáo của Cơ quan thăm dò địa chất Anh năm 2005, Ấn Độ có

lượng mica lớn nhất thế giới. Trung Quốc là nước sản xuất mica hàng đầu thế
giới chiếm 1/3 sản lượng của thế giới, theo sau là Mỹ, Hàn Quốc, và Canada.
Mica dạng tấm lớn được khai thác ở New England từ thế kỷ 19 đến những
năm 60 của thế kỷ 20 gồm các mỏ lớn phân bố ở Connecticut, New
Hampshire, và Maine.
Mica được phân bố rộng rãi và có mặt trong các đá macma, đá biến
chất và đá trầm tích. Các tinh thể lớn thường gặp trong các đá macma axit
hoặc trong pegmatit và được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau. Cho đến
thế kỷ 19, các tinh thể mica lớn rất hiếm và đắt là do sự cung cấp hạn chế ở
Châu Âu. Tuy nhiên, giá mica giảm đáng kể khi một số mỏ lớn được tìm thấy

Khoá luận tốt nghiệp

11

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

và đưa vào khai thác ở Châu Phi, và Nam Mỹ trong những năm dầu của thế
kỷ 19. Các tấm mica lớn từng được khai thác trên thế giới có xuất xứ từ
Denholm, Quebec, Canada.
Mica vụn được sản xuất trên toàn thế giới là sản phẩm tách ra từ nhiều
nguồn khác nhau như các loại đá biến chất đặc biệt là đá phiến sét (schist)) và
sản phẩm từ nhiệt dịch. Loại đá này là sản phẩm biến chất từ đá trầm tích có
thành phần là fenspat và kaolin. Mica tấm thường được thu hồi từ việc khai
thác mica vụn. Nguồn cung cấp mica tấm chủ yếu là các tích tụ nhiệt dịch [1].

Mica tự nhiên nói chung được khai thác, chế biến và sử dụng rộng
rãi, đặc biệt ở những nước công nghiệp phát triển. Lĩnh vực sử dụng mica
rất rộng, trong công nghiệp điện tử, xây dựng, chế tạo sơn và các chất phủ,
chất độn trong công nghiệp nhựa, cao su, trong công nghiệp dầu khí và cả
trong công nghiệp hoá mỹ phẩm…
Riêng mica-sericit, tổng sản phẩm của nó năm 2006 là 342 000 tấn.
Những nước khai thác hàng đầu thế giới phải kể đến là Mỹ, Nga, Hàn
Quốc, Canda, Pháp, Đài Loan, Malaysia, Brazin. Giá trị sản phẩm micasericit phụ thuộc vào độ sạch, độ mịn, độ trắng và nhất là hàm lượng các
kim loại nặng còn lại trong sản phẩm. Giá trung bình của bột mica-sericit
chế biến theo phương pháp khô là 237 USD/tấn, theo phương pháp ướt là
784 USD/tấn. Mica-sericit thương mại sạch, đã được xử lý bề mặt có thể
lên tới 15 000 đến 40 000 USD/tấn.
Theo thông tin của USGS, nhu cầu về các sản phẩm mica tăng 1-3%
mỗi năm, chủ yếu trong lĩnh vực công nghiệp sơn phủ, gia cường cho các
vật liệu polyme, nhựa đặc chủng trong ô tô và công nghiệp hoá mỹ phẩm.
Mica tự nhiên có dạng bột mịn, được sử dụng trong công nghiệp chế
tạo sơn cao cấp, dung dịch khoan, dung dịch bôi trơn động cơ… Ngày nay

Khoá luận tốt nghiệp

12

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

khi khoa học và công nghệ đã phát triển, cùng với nhu cầu ngày càng cao

của các ngành kinh tế quốc dân, người ta đã tìm thấy tính năng đặc biệt và
công dụng rất nhiều mặt của mica nói chung và mica nói riêng.
1.1.5. Nghiên cứu ứng dụng của mica để gia cường cho các vật liệu
polyme
1.1.5.1. Trên thế giới
Như trên đã nói, mica đã được sử dụng từ lâu ở nhiều nước trên thế giới
từ thế kỷ 19. Thời gian đầu, mica nguyên thuỷ được bóc thành vẩy và chế tác
thành các tấm có kích cỡ khác nhau. Mica có độ tổn hao điện môi và độ
truyền tải nhiệt thấp nên thường được sử dụng để làm các tấm cách điện và
cách nhiệt.
Những năm gần đây, bột mica đã được nghiên cứu đưa vào sử dụng để
gia cường cho các nhựa nhiệt dẻo và nhiệt rắn tạo thành các vật liệu compozit
để nâng cao các tính chất của polyme nền. Mica có cấu trúc vẩy nên đã được
nghiên cứu sử dụng trong các lớp phủ bảo vệ cần sự che chắn tốt. Mica
thương mại CD-3200 muscovite của hãng Georgia Industrials, Inc. được
nghiên cứu sử dụng để chế tạo sơn chịu nhiệt, sơn ngoài trời, sơn chịu nước
biển và dùng trong công nghiệp có môi trường xâm thực cao [2].
1.1.5.1.1. Mica gia cường cho vật liệu cao su
Furtado cùng các đồng nghiệp đã sử dụng mica làm chất độn trong các
thành phần lưu hóa của cao su styren-butadien để thay thế một phần oxit silic
[3]. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng mica có những ảnh hưởng rõ rệt tới
quá trình lưu hóa của vật liệu như là kết quả của sự giảm mật độ các liên kết
ngang. Mica không sử lý bề mặt có hoạt tính thấp hơn silica, tuy nhiên có thể
thay thế một phần oxit silic bằng mica nhằm giảm giá thành của sản phẩm.
Việc thêm mica đã phần nào cải thiện môđun đàn hồi của cao su mà không

Khoá luận tốt nghiệp

13

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

làm ảnh hưởng nhiều đến các tính chất khác như độ bền kéo đứt và độ giãn
dài ở điểm đứt.
Khi sử dụng bột mica làm chất độn cho cao su, nó đã có những ảnh
hưởng đến tính chất của vật liệu. Bột mica có thể cải thiện độ bền của các sản
phẩm cao su, cũng như các ảnh hưởng gia cường tương tự như với các chất
độn gia cường khác. Các ảnh hưởng chính của nó trong cao su là: cải thiện độ
bền của các sản phẩm cao su, các ảnh hưởng gia cường tương tự như với
muội cacbon trắng (white carbon black), tăng sự ổn định kích thước, chống
lão hóa, kháng nứt vỡ, kháng mài mòn, bền với axit và bazơ, chống cháy, và
chống ăn mòn,… tăng khả năng cách nhiệt, cách điện, giảm sự xâm thực của
chất khí và chất lỏng …
Daniele F. Castro và các đồng nghiệp đã đưa mica vào trong các hệ lưu
hóa cao su thiên nhiên và cao su butadien với hàm lượng từ 0-30%. Các kết
quả cho thấy rằng các tính chất cơ lý của vật liệu đã được gia tăng khi tăng
hàm lượng của mica [4].
S. Debnath, S. K. De và D. Khastgir đã nghiên cứu quá trình lưu hóa và
tính chất cơ lý, tương tác pha của mica gia cường cho cao su butadien (SBR)
[5]. Mica đã gia tăng môđun đàn hồi và độ bền kéo đứt, nhất là độ bền xé rách
của

SBR.

Mica

được

sử

lý

bề

mặt

bằng

-

methacryloxypropyltrimethoxysilane đã cải thiện liên kết pha giữa SBR và
mica, dẫn đến gia tăng môđun đàn hồi và độ bền kéo đứt của vật liệu.
1.1.5.1.2. Mica gia cường cho vật liệu polyme
Trong công nghiệp nhựa, mica có tác dụng làm tăng độ bền nhiệt, bền
va đập, tăng khả năng bôi trơn nội và cách điện của vật liệu.
Mica không những có hệ số dẫn nhiệt thấp mà độ cứng của nó không
cao [6]. Các nghiên cứu [7-8] cho thấy polypropylen (PP) gia cường bằng bột

Khoá luận tốt nghiệp

14

Trần Thảo Oanh

Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

mica có các tính chất cơ, lý và hoá được tăng cường, độ thẩm thấu khí và hơi
nước giảm, kích thước của sản phẩm được ổn định. Các tác giả đã thiết lập
được quan hệ giữa tính chất cơ lý của sản phẩm với kích thước, nồng độ và cả
phương thức sắp xếp tinh thể mica trong tổ hợp [9-10]. Tuy nhiên bột mica
không sử lý đã làm suy giảm độ bền va đập của vật liệu. Pirkko A. và cộng sự
đã khắc phục nhược điểm này bằng cách đưa thêm polyvinylbutyral (PVB)
vào tổ hợp PP-mica để tạo thành compozit 3 pha. Faulkner [11] cũng đã cải
thiện độ bền va đập compozit PP-mica bằng cao su EPDM.
Theo lý thuyết, mica có thể làm tăng độ bền của vật liệu như là PP. Tuy
nhiên nhiều tác giả [12, 13-14] cho thấy rằng, bột mica trong nhựa PP đã làm
giảm độ bền của vật liệu. Vấn đề đặt ra là phải sử lý bề mặt của bột mica.
Thường bột mica được sử lý bằng cách phủ lên bề mặt một lớp các hợp chất
silan hoặc các monome hoạt tính. Phần lớn các nghiên cứu cho thấy khi sử
dụng bột mica đã sử lý bề mặt, các tính chất cơ lý như độ bền kéo, độ bền uốn
đều tăng lên, độ bền va đập không giảm hoặc tăng chút ít. Anders S. [15] đã
sử

dụng

N-(N-vinylbenzyl-2-aminoethyl)-3-aminooropyltrimethoxylan

hydroclorid và metacryloxypropyltrimethoxysilan làm chất xử lý bề mặt mica
để nghiên cứu khả năng che chắn của tổ hợp HDPE-mica. Vật liệu được gia
cường bằng mica đã xử lý bề mặt có độ thẩm thấu được cải thiện.
Pushpa Bajaj [7] đã khảo sát sự biến đổi các tính chất nhiệt và điện của
vật liệu tổ hợp epoxy với mica được sử lý bề mặt bằng 3 loại hợp chất silan

khác nhau. Kết quả đều cho thấy cần thiết phải sử lý bề mặt bột mica để tăng
khả năng tương tác giữa các pha dẫn đến tăng các tính chất của vật liệu.
Xiaodong Zhoa đã sử dụng 3 loại hợp chất silan ( vinyltriethoxysilane,
-methacryloxypropyltrimethoxysilane và -aminopropyltriethoxysilane) làm
chất kết nối trong tổ hợp PS và PP với mica. Kết quả cho thấy rằng các hợp

Khoá luận tốt nghiệp

15

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

chất silan trên có gia tăng tính chất của PS và PP song không nhiều. Tác giả
đã kết nối trước vinyltriethoxysilane và styren để được copolyme polystyrenb-poly vinyltriethoxysilane (PS-b-PVTOSI). Bằng cách này, tính chất cơ lý
của vật liệu đã được gia tăng đáng kể. Độ bền kéo đứt của PS được gia cường
20% mica đã tăng từ 18,22 đến 30,93 MPa khi sử dụng 1,5% PVTOSI , của
PP gia tăng từ 18,77 dến 21,79 MPa khi sử dụng 1,5% (PVTOSI) [16].
Dipak Baral đã nghiên cứu ảnh hưởng của mica đến khả năng chịu
nhiệt của vật liệu polyuretan (PU) bằng phương pháp phân tích nhiệt DSC.
Kết luận cho thấy, mica đã có tác dụng cản trở quá trình lão hóa của PU và độ
bền nhiệt của vật liệu tăng lên nhờ có bột mica gia cường [17].
1.1.5.1.3. Mica gia cường cho các lớp phủ bảo vệ
Trong công nghiệp sơn, mica là một loại bột độn gia cường chức năng
có tác dụng làm tăng độ phủ của màng sơn, ngăn cản sự xâm thực của môi
trường đến bề mặt cần bảo vệ nhờ có các tính năng đặc biệt đã được các nhà

thương mại khảng định:
1. Che chắn tia tử ngoại và chống bức xạ IR,
2. Dễ dàng phân tán, tạo huyền phù, bám dính tốt,
3. Có cấu trúc vẩy, bền hóa chất, cách nước, chống nấm mốc, bền axit
và kiềm,
4. Dễ dàng phân tán với các pigment khác và dung môi,
5. Mềm dẻo nên giúp cho sơn bề va đập và có tuổi thọ cao.
6. Phân tử mica dễ hấp phụ trong mạng tinh thể micro, giúp cho sơn
bền mầu, bền thời tiết và tuổi thọ cao,
7. Giá cả hấp dẫn.
Trong công trình nghiên cứu tại trường đại học Pardubice và Viện Hàn
lâm KH CH Séc, Petr Kalenda và cộng sự đã khảo sát ảnh hưởng của mica

Khoá luận tốt nghiệp

16

Trần Thảo Oanh


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

muscovit được sử lý bề mặt bằng Fe2O3 đến tính chất của lớp sơn phủ
epoxyester. Mica đã sử lý bề mặt có tác dụng như là pigment hoạt tính ngăn
cản quá trình xâm nhập của các chất xâm thực như sơ đồ dưới đây:

A

B

Hình 1.3: Quá trình khuyếch tán môi trường ăn mòn qua lớp sơn bảo vệ
có pigment đẳng hướng (A) và không đẳng hướng-mica (B)

Mica được xử lý bề mặt đã có tác dụng ngăn cản sự tạo bọt, chống ăn
mòn tốt hơn mica chưa xử lý. Màng sơn được gia cường bằng mica xử lý bề
mặt có khả năng chống tia UV và các tính năng cơ lý tốt hơn, đặc biệt độ bám
dính được cải thiện đáng kể. Các tác giả cho rằng, hàm lượng tối ưu của mica
trong màng sơn là 20% thể tích.
1.1.5.2. Ở Việt Nam
Bột khoáng mica nói chung chưa được sử dụng nhiều ở nước ta. Những
năm 80-90 thế kỷ trước Viện KT nhiệt đới đã sử dụng bột mica để nghiên cứu
tăng cường tính cách điện cho các lớp phủ bảo vệ các thiết bị đầu cáp bằng
phương pháp đúc với nhựa epoxy. Gần đây phòng NC vật liệu polyme &
compozit cũng đã kết hợp với Viện hoá học, nghiên cứu chế tạo thảm cao su
cách điện dùng trong công nghiệp có sử dụng bột khoáng mica và các chất gia
cường khác [18]. Các nghiên cứu trên đây cũng mới chỉ dừng ở mức thăm dò,
không được hệ thống vì không có nguồn bột khoáng mica có độ mịn và độ
sạch cần thiết.
Nhờ các công trình nghiên cứu điều tra và công nghệ tuyển, nhiều sản
phẩm mica, đặc biệt là dưới dạng mica đã dần trở thành thương phẩm. Nghiên

Khoá luận tốt nghiệp

17

Trần Thảo Oanh

Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện khoa học Vật liệu

cứu ứng dụng các sản phẩm mica, nhất là mica để gia cường, nâng cao các
tính chất cho các vật liệu cao su, chất dẻo là việc làm cần được quan tâm, phát
triển ở nước ta.
Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu cấp nhà nước mã số KC. 02.24.0610 “Nghiên cứu công nghệ chế biến khoáng sản mica-sericit và ứng dụng
trong lĩnh vực sơn, polyme và hóa mỹ phẩm” của Viện KH Vật liệu, khoáng
mica đã được sử dụng để gia cường cho CSTN và nâng cao khả năng bảo vệ
cho hệ sơn dùng ở môi trường ẩm và xâm thực cao [19, 20].
Mica có thể trộn hợp tốt với cao su, dễ dàng hơn so với các bột độn
thông thường là SiO2 và kaolin, đã giúp cho quá trình gia công chế tạo mẫu
rút ngắn được thời gian, tăng hiệu quả kinh tế. Mica đã làm giảm thời gian
lưu hoá của cao su, nhất là các mica được biến đổi bề mặt bằng aminsilan.
Mica đã có tác dụng gia tăng các tính chất cơ lý, độ bền nhiệt và tính chất
điện của vật liệu nhất là các mica được biến đổi bề mặt bằng hợp chất silan.
Mica biến đổi bằng vinylsilan đã tham gia vào quá trình lưu hoá cao su nên
các tính chất của vật liệu được gia tăng mạnh nhất. Mica biến đổi bằng
aminsilan có các nhóm chức hoạt tính NH2 nên không phù hợp cho các vật
liệu cách điện.
Mica được biến đổi bề mặt bằng 3-APTMS tương tác tốt hơn với chất
tạo màng của hệ sơn epoxy-pek, giúp cho màng sơn có các tính năng bảo vệ
tốt hơn, đặc biệt là khả năng che chắn. Mica đã gia tăng độ cứng cho màng
sơn, giúp màng sơn khô nhanh hơn, bền hóa chất và môi trường hơn và ít
làm ảnh hưởng tới các tính chất cơ lý khác của màng .

Khoá luận tốt nghiệp

18

Trần Thảo Oanh