Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit mica PP

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

DƯƠNG THỊ HOA

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU
COMPOZIT MICA/PP

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH: HÓA CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học:
TS. NGÔ KẾ THẾ

HÀ NỘI - 2011


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 Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Ngô Kế Thế
Viện Khoa Học Vật Liệu – Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đã nhiệt
tình, tận tâm hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy trong Phòng nghiên cứu Vật liệu
polime 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 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 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 qua tâm.
Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2011
Sinh viên

DƯƠNG THỊ HOA

Khóa luận tốt nghiệp

ii

Dương Thị Hoa


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 khóa luận là hoàn toàn trung
thực và không trùng với kết quả của tác giả khác.

Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2011
Sinh viên

Dương Thị Hoa

Khóa luận tốt nghiệp

iii

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Danh mục bảng và hình
Mở đầu............................................................................................................... 1

Chương 1: TỔNG QUAN .............................................................................. 3
1.1. Tìm hiểu về khoáng mica .......................................................................... 3
1.1.1. Lịch sử phát triển khoáng mica............................................................... 3
1.1.2. Cấu trúc tinh thể khoáng mica................................................................ 4
1.1.3. Tính chất ..........................................................................................8
1.1.3.1. Hình thái của mica và những ảnh hưởng ............................................... 8
1.1.3.2. Tỷ lệ bề mặt và các ảnh hưởng .........................................................9
1.1.3.3. Màu sắc và các ảnh hưởng ................................................................ 10
1.1.3.4. Các tính chất quan trọng khác của mica.........................................11
1.1.4. Ứng dụng............................................................................................... 11

1.2. Tìm hiểu về nhựa polypropylen........................................................... 14
1.2.1. Lịch sử phát triển .................................................................................. 14
1.2.2. Thành phần cấu trúc ............................................................................. 16
1.2.2.1. Phương pháp điều chế ......................................................................... 16
1.2.2.2. Cấu trúc............................................................................................... 18
1.2.3. Tính chất của polypropylen ................................................................... 19
1.2.3.1. Tính chất vật lý .................................................................................... 19
1.2.3.2. Tính chất hoá học ................................................................................ 21
1.2.4. Ứng dụng............................................................................................... 21
1.3. Khả năng gia cường polyme bằng khoáng mica .................................... 22

Khóa luận tốt nghiệp

iv

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

1.3.1. Mica gia cường cho các vật liệu cao su................................................. 23
1.3.2. Mica gia cường cho các lớp phủ bảo vệ ................................................ 24
1.3.3. Mica gia cường cho các vật liệu polyme................................................ 26

Chương 2: THỰC NGHIỆM .................................................................28
2.1. Nguyên vật liệu ........................................................................................ 28
2.2. Phương pháp chế tạo mẫu nghiên cứu ................................................... 30
2.3. Phương pháp xác định các tính chất của vật liệu ................................. 31

2.3.1. Cắt mẫu ..................................................................................................... 31
2.3.2. Xác định độ bền kéo đứt ........................................................................... 32
2.3.3. Xác định độ bền va đập.......................................................................... 33
2.3.4. Xác định cấu trúc hình thái................................................................... 34
2.3.5. Xác định độ bền nhiệt của vật liệu ........................................................ 34

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..............................................35
3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng mica đến tính chất của vật liệu PP/mica ... 35
3.1.1. Độ bền kéo đứt....................................................................................... 35
3.1.2. Độ dãn dài khi đứt ................................................................................. 37
3.1.3. Kháo sát cấu trúc hình thái của vật liệu PP/mica................................. 38
3.2. Ảnh hưởng của các hợp chất silan đến tính chất của vật liệu
PP/mica.. ......................................................................................................... 39
3.2.1. Độ bền kéo đứt....................................................................................... 39
3.2.2. Độ dãn dài khi đứt ................................................................................. 41
3.2.3. Độ bền va đập ........................................................................................ 43
3.3. Nghiên cứu độ bền nhiệt của vật liệu PP/mica....................................... 46
KẾT LUẬN ............................................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................52

Khóa luận tốt nghiệp

v

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH

1. Danh mục bảng
Bảng 2.1: Thành phần hóa học của mica nghiên cứu
Bảng 2.2: Phân bố kích thước hạt mica
Bảng 3.1: Độ bền kéo đứt vật liệu PP/Mica ở các hàm lượng khác nhau
Bảng 3.2: Độ dãn dài vật liệu PP/Mica ở các hàm lượng khác nhau
Bảng 3.3: Độ bền kéo đứt vật liệu PP/Mica biến đổi bề mặt
bằng các hợp chất silan khác nhau ở nồng độ 2%
Bảng 3.4: Độ dãn dài vật liệu PP/Mica biến đổi bề mặt bằng các hợp
chất silan khác nhau ở nồng độ 2%
Bảng 3.5. Độ bền va đập của vật liệu PP/Mica
2. Danh mục hình
Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể
Hình 1.2: Sự bóc lớp trong tinh thể muscovit
Hình 1.3: PP izotactic
Hình 1.4: PP syndiotactic
Hình 1.5: PP atactic
Hình 2.1: Phân bố kích thước hạt mica nghiên cứu
Hình 2.2: Máy trộn kín Brabender
Hình 2.3: Máy ép thủy lực TOYOSEIKI
Hình 2.4: Máy cắt mẫu đo độ bền kéo đứt
Khóa luận tốt nghiệp

vi

Dương Thị Hoa

Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Hình 2.5: Máy đo độ bền cơ lý
Hình 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng mica đến độ bền kéo đứt vật liệu
PP/mica
Hình 3.2: Ảnh SEM vật liệu PP/Mn
Hình 3.3: Ảnh SEM vật liệu PP/Mtv2
Hình 3.4: Ảnh hưởng của hàm các hợp chất silan khác nhau đến độ bền
kéo đứt vật liệu PP/Mica
Hình 3.5: Giản đồ phân tích nhiệt của PP
Hình 3.6: Giản đồ phân tích nhiệt của PP/Mn
Hình 3.7. Giản đồ phân tích nhiệt của PP/Mtv

Khóa luận tốt nghiệp

vii

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vật liệu Compozit là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều
vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt

hơn hẳn vật liệu ban đầu. Vật liệu Compozit được cấu tạo từ các thành phần
cốt nhằm đảm bảo cho Compozit có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật
liệu nền đảm bảo cho các thành phần của Compozit liên kết, làm việc hài hoà
với nhau
Tính ưu việt của vật liệu Compozit là khả năng chế tạo từ vật liệu này
thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta
mong muốn, các thành phần cốt của Compozit có độ cứng, độ bền cơ học cao,
vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết
cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện
khắc nghiệt của môi trường. Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là
polyme Compozit, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp
dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt,
có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn
mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp. Dựa vào hình dạng và bản chất của
vật liệu thành phần, người ta phân loại compozit thành nhiều loại, trong đó
vật liệu compozit nhiệt dẻo, có tính dẻo, độ sít chặt cao, tính cơ học tốt. Mặt
khác nhựa nhiệt dẻo còn có ưu điểm là khả năng tái sinh. Do vậy, có thể tận
dụng nhựa nhiệt dẻo tái sinh để làm nền cho compozit cốt sợi thực vật.
Polypropylen (PP) là loại nhựa nhiệt dẻo tương đối rẻ tiền đã được
nghiên cứu nhiều nhất và sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ôtô. Vì
vậy cần nghiên cứu để tăng cường các đặc tính của PP như độ bền va đập, độ
dãn dài và độ cứng và bền môi trường. Mica là một loại vật liệu khoáng có
Khóa luận tốt nghiệp

1

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

cấu trúc vảy, cách điện, cách nhiệt và điện trở cách điện cao. Mica được sử
dụng trong nhiều lĩnh vực để gia tăng mô đun đàn hồi, tăng độ cứng và bền
thời tiết của vật liệu polyme. Mica làm tăng khả năng bảo vệ của sơn, được sử
dụng trong hóa mĩ phẩm để làm tăng vẻ đẹp và khả năng chống tia cực tím
cho nhiều lại kem dưỡng gia.
Với cách tiếp cận trên, đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit
Mica/pp’’ sẽ sử dụng bột khoáng mica làm chất độn gia cường cho PP để chế
tạo vật liệu polyme compozite kết cấu.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng bột khoáng mica như là chất độn gia cường cho
PP để chế tạo vật liệu polyme compozit kết cấu.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu khả năng trộn hợp của khoáng mica với pp
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng khoáng mica đến tính
chất cơ của vật liệu
- Nghiên cứu ảnh hưởng của loại Mica được biến đổi bằng các
hợp chất silan ở các nồng độ khác nhau đến tính chất cơ và khả năng trộn hợp
của vật liệu.
- Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu.

Khóa luận tốt nghiệp

2

Dương Thị Hoa

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 khoáng mica
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 điều chế 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
nối (titanat, silan).

Khóa luận tốt nghiệp

3

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

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. Cấu trúc tinh thể khoáng mica
Về mặc hóa học, mica có công thức tổng quát là :
X2Y4–6Z8O20(OH,F)4
Trong đó:

- X có thể là K, Na, Ca hoặc ít gặp hơn là Ba, Rb, và Cs;
- Y là Al, Mg, Fe hoặc hiếm găp hơn là Mn, Cr, Ti, Li,...;
- Z chủ yếu là Si hoặc Al nhưng cũng có thể gặp Fe3+ và Ti.

Về cấu trúc, các loại mica có thể được xếp vào các nhóm Y = 4 và Y =6).
Nếu ion X là K hoặc Na thì đó làm loại mica thường, và nếu ion X là Ca thì đó
là loại mica giòn [3].
Trong thương mại, mica được hiểu là các silicat nhôm và kali có chứa
nhóm hydroxyl dưới hai dạng: 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-sericit là
KAl2(OH)2(AlSiO10) với thành phần là: SiO2= 43,13- 49,04%; Al2O3=
Khóa luận tốt nghiệp

4

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

27,93- 37,44%; K2O+ Na2O= 9- 11%; H2O= 4,13-6,12% [4].
Mica tồn tại trong thiên nhiên dưới nhiều dạng thù hình khác nhau,
chúng có các đặc tính chung 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.
- 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.
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
Khóa luận tốt nghiệp

5

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

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+ [5].

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%) [6]. 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.

Khóa luận tốt nghiệp

6

Dương Thị Hoa


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.
Với bề mặt tương đối trơ về mặt hóa học và không tương thích với
các chất nền polyme của mica đã hạn chế nhiều ứng dụng của nó. Vì vậy
cũng như nhiều chất độn vô cơ khác, biến đổi bề mặt của mica là cần thiết
trong nhiều trường hợp để nâng cao khả năng tương hợp với polyme nền.
Phương pháp biến đổi bề mặt mica được sử dụng phổ biến hiện nay là sử
dụng các tác nhân ghép nối silan.
Các tác nhân ghép silan là các hợp chất hóa học trên cơ sở silic có
chứa hai nhóm hoạt động chính là nhóm vô cơ và hữu cơ trên cùng một
phân tử. Hầu hết các tác nhân ghép silan được sử dụng rộng rãi gồm có một
thành phần hữu cơ và ba thành phần vô cơ có khả năng thủy phân với cấu
trúc điển hình của nó là [36]:
(RO)3SiCH2CH2CH-X

Khóa luận tốt nghiệp

7

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Sau khi biến đổi bằng các hợp chất silan, bề mặt của mica được hoạt
hoá nhờ các nhóm chức hữu cơ như amino, epoxy hay vinyl. Khi gia cường
cho các vật liệu polyme hay cao su, mica có thể tạo liên kết hoá học hay
vật lý với các pha nền trên mô tả trong 2 trường hợp dưới đây [33]:
-

Tham gia phản ứng lưu hoá cao su

-

Tạo liên kết vật lý với polyme:

Như vậy tuỳ từng loại polyme hay cao su được gia cường mà cần phải
lựa chọn hợp chất silan cho phù hợp để thực hiện quá trình xử lý biến đổi mặt
1.1.3. Tính chất
1.1.3.1. Hình thái của 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 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,

Khóa luận tốt nghiệp

8

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

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
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. 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.

Khóa luận tốt nghiệp

9

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

Mica trong tự nhiên có dạng hạt mịn và cấu trúc lớp. 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. 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. Muscovit mica có màu sáng, chính điều này cũng làm tăng lợi
thế sử dụng trong các ứng dụng mang mầu. Có thể thêm các chất mầu vào vật
liệu có chứa 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 săn 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 các polyme khối lượng phân
tử thấp, khả năng cách âm được tăng lên rõ rệt. Mica cũng chống lại các tia
tử ngoại dưới 300 nm. Ngăn các tia tử ngoại dưới 300 nm là một trong các
Khóa luận tốt nghiệp

10

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

yếu tố nâng cao khả năng bền thời tiết cho các lớp phủ của các công trình
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.
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.
Khóa luận tốt nghiệp

11

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

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
và đưa vào khai thác ở Châu Phi, và Nam Mỹ trong những năm dầu của thế
kỷ 19.
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

Khóa luận tốt nghiệp

12

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

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 [3].
Mica bắt đầu được khai thác và sử dụng nhiều từ giữa thế kỷ 19.
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.
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 trưng 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
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-sericit nói riêng.
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 [5]. Mica có hệ số dẫn nhiệt thấp và
Khóa luận tốt nghiệp

13

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

độ cứng không cao[7], khi mica đã được xử lý bề mặt gia cường cho
polypropylen có các tính chất cơ lý và hoá học được tăng cường, độ thẩm thấu
khí và hơi nước giảm kích thước của sản phẩm được ổn định [8-12].
Cao su là một loại vật liệu vừa có độ bền cơ học cao và khả năng biến
dạng đàn hồi lớn. 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 …
Trong công nghiệp sơn, mica được sử dụng 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.
1.2. Tìm hiểu về nhựa polypropylen
1.2.1. 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 [13]. 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 qui mô, mở đầu là phát hiện dùng lưu
huỳnh lưu hóa cao su của Goodyear vào năm 1839. Tiếp đến vào năm 1859
Khóa luận tốt nghiệp

14

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

việc tinh chế được xenlulo axetat, xenlulo nitrat…Đến năm 1909 Bakenland
đã ngiên 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 qui 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 [35]. 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 [38]. Natta sử dụng các chất xúc tác phát triển cho ngành công nghiệp
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 [40].

Khóa luận tốt nghiệp

15

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

1.2.2. Thành phần cấu trúc
1.2.2.1. Phương pháp điều chế
Polyprpylen là sản phẩm của phản ứng trùng hợp propylen:

Người ta đã sử dụng các phương pháp để sản xuất PP như:
a. Phương pháp cũ
Áp suất làm việc của thiết bị phản ứng là 4-6 atm và ở nhiệt độ 5055oC. Cho dung môi (benzin) và lượng xúc tác cần thiết (TiCl3 +Al(C2H5)3)

vào thiết bị phản ứng. Sau đó cho propylen đã lọc sạch O2 vào, duy trì ở nhiệt
độ 50-55oC cho đến khi hiệu suất đạt >95% đem làm lạnh đến 10oC tách PP ở
dạng huyền phù bằng phương pháp ly tâm rồi đem xử lý xúc tác bằng CH3OH
trong dung dịch HCl. Rửa PP bằng nước và sấy trong điều kiện chân không ở
nhiệt độ 60-70oC đến độ ẩm 0,25-0,5% rồi đem đi tạo hạt [36].
b. Phương pháp mới
Dùng hỗn hợp propan (C3H8) và propylen (C3H6) với tỷ lệ khối lượng
30/70 hệ xúc tác là TiCl3+Al(C2H5)3 áp suất phản ứng 6-8atm và nhiệt độ
phản ứng là 50-55%. Đầu tiên C3H8 hòa tan vào C3H6 đóng vai trò như dung
môi của phản ứng. Khi trùng hợp xong đưa về áp suất thường hoặc thấp, C3H8
không hòa tan PP được hóa hơi để thu hồi. Một ít C3H8 hấp thụ vào PP ta
dùng hơi nước quá nhiệt để kéo ra. Sau đó rửa tách xúc tác bằng CH3OH
trong dung dịch HCl, rửa lại bằng nước, sấy chân không và tạo hạt [36].

Khóa luận tốt nghiệp

16

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

c. Trong công nghiệp
Cho propylen vào trùng hợp trong nồi phản ứng ở áp suất 100 atm và
khuấy đều. Chất xúc tác phân tán vào cacbuahidro lỏng. Duy trì nhiệt độ phản
ứng thấp hơn nhiều so với nhiệt độ chảy mềm của polyme. Sau khi được 40%
hỗn hợp phản ứng chuyển thành polyme thì đưa dung dịch huyền phù chứa

dung môi, polyme và chất xúc tác vào thiết bị bốc hơi (ở áp suất thấp),
propylen không phản ứng được hoàn nguyên trở laị sản xuất. Sau đó nhờ
máy ly tâm hoặc máy lọc tách polymer dạng bột và dung môi ra. Rửa polymer
bằng CH3OH trong dung dịch HCl loãng. Giai đoạn này phức tạp cần thời
gian khuấy trộn nhiều, sau mỗi lần rửa phải dùng máy lọc ly tâm, dùng nhiều
rượu và tiêu hao nhiều dung môi [36].
Polypropylen có thể điều chế bằng nhiều phương pháp, nhưng phương
pháp huyền phù với xúc tác Ziegler Natta được sử dụng rộng rãi hơn cả.
Quá trình sản xuất PP gồm 4 giai đoạn [39]:
- Giai đoạn 1 : Trùng hợp
- Giai đoạn 2 : Phân huỷ và tách xúc tác
- Giai đoạn 3: Làm khô (tách chất pha loãng ,monome)
- Giai đoạn 4 : Tạo hạt, đóng bao
Hệ xúc tác Ziegler Natta sử dụng: TiCl3 +Al(C2H5)3
Dung môi pha loãng: Cacbua hydro no từ C6 đến C8 với hàm lượng aromatic
< 0,5% thể tích; vết của Cl, S , rượu<1-2 ppm khối lượng.
Khi kết thúc quá trình trùng hợp, những vật liệu sau đây có trong thiết
bị phản ứng [38]:
 Polyme izotactic,
 Polyme atactic,

Khóa luận tốt nghiệp

17

Dương Thị Hoa


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Viện Khoa học Vật liệu

 Dung môi,
 Monome,
 Xúc tác
Sau đó trải qua các công đoạn tách rửa, tinh chế…khá phức tạp mới
nhận được polyme thành phẩm.
1.2.2.2. Cấu trúc
PP là một hidrocacbon mạch thẳng no thuần túy hay có một phần nhỏ
không no, có công thức cấu tạo là:
(

CH2

CH

)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 1.3: PP izotactic

Hình 1.4: PP syndiotactic

Khóa luận tốt nghiệp

18

Dương Thị Hoa