Nghiên cứu khả năng trôn hợp của Serictt với cao su thiên nhiên

Trường Đại Học SP Hà Nội 2

Viện KH Và Vật Liệu

trường đại học sư phạm hà nội 2
khoa hoá học

phan thị huệ

nghiên cứu khả năng trộn hợp của sericit với cao
su thiên nhiên
khoá luận tốt nghiệp đại học

chuyên ngành: hoá công nghệ môi trường
Người hướng dẫn khoa học: ts. Ngô Kế Thế
Người thực hiện
: Phan Thị Huệ
Lớp
: K31D Hóa

hà nội - 2009

Khoá Luận Tốt Nghiệp

- 1 -

Phan Thị Huệ K31D Hoá


Lời cảm ơn
Khoá luận này được thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa

học và Công nghệ Việt Nam.
Em xin chân thành cảm ơn 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 khoá luận tốt nghiệp này.
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 được khoá luận này.
Quá trình thực hiện khoá luận tốt nghiệp trong thời gian ngắn nên
không tránh khỏi một số sai sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý chỉ
bảo của các thầy cô và các bạn sinh viên quan tâm.

Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2009
Sinh viên
Phan Thị Huệ


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 kết quả của tác giả khác.

Tác giả: Phan Thị Huệ


Danh mục bảng và hình
1. Danh mục các bảng
Bảng 1. Thành phần hoá học của cao su thiên nhiên được sản xuất
bằng các phương pháp khác nhau.
Bảng 2. Thành phần tiêu chuẩn để xác định các
tính chất cơ lý của CSTN
0

Bảng 3: Khảo sát khả năng trộn hợp trên Brabender ở 50 C
của khoáng sericit S1 với CSTN
0

Bảng 4: Khảo sát khả năng trộn hợp trên Brabender ở 50 C
của khoáng sericit S2 với CSTN
0

Bảng 5: Khảo sát khả năng trộn hợp trên Brabender ở 60 C
của sericit S1 và S2 với CSTN
Bảng 6: Gia tăng độ bền kéo đứt của vật liệu cao su khi được
gia cường bằng khoáng sericit
Bảng 7: Tính chất cơ lý của tổ hợp CSTN với sericit S1 được
sử lý bằng aminsilan
Bảng 8: Tính chất cơ lý của tổ hợp CSTN với sericit S2 được
sử lý bằng aminsilan
Bảng 9: Tính chất cơ lý của tổ hợp CSTN với sericit S1
được sử lý bằng vinylsilan
Bảng 10: Tính chất cơ lý của tổ hợp CSTN với sericit S2
được sử lý bằng vinylsilan
Bảng 11: Độ bền môi trường và mài mòn của tổ hợp CSTN/sericit
Bảng 12: Tính chất của vật liệu cách điện từ CSTN/sericit


2. Danh mục các hình
Hình 1. Cấu trúc tinh thể sericit
Hình 2: Sự bóc lớp trong tinh thể muscovit
Hình 3: Giản đồ biến đổi mômen xoắn và nhiệt độ trong quá trình trộn
hợp CSTN với sericit S1n

Hình 4: Giản đồ biến đổi mômen xoắn và nhiệt độ trong quá
trình trộn hợp CSTN với sericit S2n
Hình 5: Giản đồ biến đổi mômen xoắn và nhiệt độ trong quá
trình trộn hợp CSTN với SiO2
Hình 6: Giản đồ biến đổi mômen xoắn và nhiệt độ trong quá
trình trộn hợp CSTN với Kaolin
Hình 7: Giản đồ TGA mẫu cao su không có sericit
Hình 8: Giản đồ TGA mẫu cao su có mica S1n-30
Hình 9: Giản đồ TGA mẫu cao su có mica S1tv-30

3. Danh mục các ảnh
ảnh 1. ảnh SEM mẫu cao su có sericit S1n-30
ảnh 2. ảnh SEM mẫu cao su có sericit S2n-30
ảnh 3. ảnh SEM mẫu cao su có sericit S1ta-30
ảnh 4. ảnh SEM mẫu cao su có sericit S2ta-30
ảnh 5. ảnh SEM mẫu cao su có sericit S2tv-30
ảnh 6. ảnh SEM mẫu cao su có sericit S2tv-30


mục lục
Trang
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Danh mục bảng và hình

Mở đầu.................................................................................................... 1
Chương 1. tổng quan.....................................................................................3
1.1 Khoáng sericit và ứng dụng trong lĩnh vực polyme.......................

3

1.1.1. Các đặc tính của sericit liên quan đến vật liệu được gia cường........3
1.1.2. Nghiên cứu ứng dụng sericit trong polyme và cao su........................ 7
1.1.2.1. Trên thế giới......................................................................................7
1.1.2.2. .2. ở Việt Nam....................................................................................10
1.1.3. Biến đổi bề mặt sericit...................................................................12
1.1.3.1. Phương pháp biến đổi bề mặt gián tiếp...........................................14
1.1.3.2. Phương pháp biến đổi bề mặt trực tiếp...........................................15
1.2. Cao su thiên nhiên và những biện pháp nâng cao tính chất............17
1.2.1. Cao su thiên nhiên...............................................................................17
1.2.1.1. .1. Lịch sử phát triển của cao su thiên nhiên......................................17
1.2.1.2. Mủ cao su tự nhiên( latec)..................................................................17
1.2.1.3. Thành phần và cấu tạo hoá học cao su thiên nhiên...........................18
1.2.1.4. .4. Tính chất của CSTN.....................................................................20
1.2.2. Một số biện pháp nâng cao tính chất cao su thiên nhiên.................22
1.2.2.1. Biến tính CSTN bằng nhựa hoặc cao su tổng hợp khác....................22
1.2.2.2. Biến tính CSTN bằng phương pháp hóa học.....................................23
1.2.2.3. Biến tính CSTN bằng các biện pháp hoá lý........................................24


Chương 2. Thực nghiệm............................................................................27
2.1. Nguyên liệu.............................................................................................27
2.1.1. Cao su thiên nhiên...............................................................................27
2.1.2. Khoáng sericit......................................................................................27
2.1.3. Hợp chất silan......................................................................................28
2.1.4. Các phụ gia khác................................................................................28
2.2. Phương pháp nghiên cứu...................................................................29
2.2.1. Biến đổi bề mặt sericit........................................................................29
2.2.2. Nghiên cứu khả năng trộn hợp của khoáng sericit với cao su.........29
2.2.3. Khảo sát tính chất cơ lý của vật liệu.................................................29

2.2.3.1. Phương pháp chế tạo mẫu............................................................29
2.2.3.2. Các phương pháp đo.........................................................................30
2.2.4. Khảo sát độ bền nhiệt của vật liệu...................................................31
2.2.5. Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu.................................32
2.2.6. Khảo sát khả năng bền môi trường của vật liệu............................32
Chương 3. Kết quả và thảo luận.........................................................33
3.1. Nghiên cứu khả năng trộn hợp của khoáng sericit với cao su.....33
3.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của chủng loại sericit đến quá trình trộn hợp
36
3.1.2. ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình trộn hợp.......................................37
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng srricit đến tính chất của vật liệu
CSTN......................................................................................................38
3.2.1. ảnh hưởng của khoáng sericit đến tính chất cơ lý của vật liệu
CSTN 38
3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chất biến đổi bề mặt đến tính chất cơ lý của
vật liệu CSTN...............................................................................................40
3.2.3. ảnh hưởng của khoáng sericit đến độ bền nhiệt của vật liệu.....................42


3.2.4. ảnh hưởng của bề mặt khoáng sericit đến cấu trúc hình thái của vật liệu
44
3.3. Tính chất của tổ hợp vật liệu CSTN/sericit.........................46

Kết
luận............................................................................................................. 48
Tài liệu tham khảo..............................................................................49


Mở đầu
1. Lý do chọn đề tài

Cao su là loại vật liệu có tính chất quý. Khác với các vật thể rắn như
kim loại hay vật liệu polyme khác, cao su có độ bền cơ học thấp hơn, nhưng
các đại lượng biến dạng, đàn hồi của nó lớn hơn nhiều lần.
Cao su thiên nhiên (CSTN) là vật liệu polyme sẵn có ở nước ta. Đặc
biệt trong những năm gần đây với những chính sách mới phát triển kinh tế xã
hội của Đảng và Nhà nước, sản lượng CSTN nguyên liệu tăng lên rất nhanh.
Song do nhu cầu của Thế Giới, giá bán CSTN nguyên liệu rất thấp, trong khi
ta vẫn phải nhập các sản phẩm cao su với giá thành cao. Vì vậy, nghiên cứu
các biện pháp biến tính, mở rộng phạm vi ứng dụng CSTN nhằm phục vụ cho
việc phát triển kinh tế, kỹ thuật là vấn đề cấp bách của nước ta hiện nay.
Trong thời gian qua, bên cạnh việc đẩy mạnh và nâng cao sản lượng
cũng như chất lượng các sản phẩm cao su truyền thống như săm lốp ôtô, xe
máy... nhiều sản phẩm cao su kỹ thuật mới đã được đưa vào nghiên cứu, sản
xuất và sử dụng như các loại đệm ray đường sắt, các loại gối cầu... đã mang
lại những hiệu quả kinh tế đáng kể.
Cao su thiên nhiên có khả năng cách điện khá tốt được dùng để bọc dây
cáp điện... Cao su có đặc tính mềm, dẻo, đàn hồi, dễ dàng tạo hình và có tỷ
tốc thấp. Vì vậy cần nghiên cứu để tăng cường các đặc tính này của CSTN.
Với cách tiếp cận trên, đề tài “Nghiên cứu khả năng trộn hợp của
sericit với cao su thiên nhiên” sẽ sử dụng sericit để gia cường độ bền cơ học,
tính chất cách điện cho cao su và các vật liệu polyme, tăng khả năng bảo vệ
của các lớp phủ đã được thông báo trên nhiều công trình trên thế giới.


Hiện tại vấn đề này vẫn được nhiều nhà khoa học quan tâm, sericit còn
được sử dụng trong hoá mỹ phẩm để tăng vẻ đẹp và khả năng chống tia cực
tím cho nhiều loại kem dưỡng da. ở Việt Nam khoáng sericit mới được quan
tâm khai thác, tuyển chọn trong thời gian gần đây nên chưa được các nhà
khoa học nghiên cứu ứng dụng.

2. Mục đích nghiên cứu
Tăng độ bền cơ, lý, hoá, tính chất cách điện cho CSTN bằng sericit.
Trên cơ sở đó, chế tạo được vật liệu cao su có khả năng cách điện mà vẫn
đảm bảo được các tính năng cơ, lý và hoá tốt, nhất là độ đàn hồi.

3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu ảnh hưởng của chủng loại sericit đến khả năng trộn hợp với
CSTN.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ trộn hợp với CSTN.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi bề mặt sericit đến khả năng trộn hợp
với CSTN.
- Nghiên cứu tính chất của vật liệu CSTN được gia cường bằng sericit.


Chương 1. tổng

quan

1.1 Khoáng sericit và ứng dụng trong lĩnh vực polyme
1.1.1. Các đặc tính của sericit liên quan đến vật liệu được gia cường
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).
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.
Sericit 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. Sericit trong các
vật liệu polyme đã có nhiều ảnh hưởng tích cực đến các tính chất của vật
liệu.
Sericit là dạng thù hình ẩn tinh (vi tinh thể) có các đặc tính chung của
mica nên nhiều khi được viết là mica-sericit. Công thức hoá học của sericit là
KAl2(OH)2(AlSi3O10) với thành phần là: SiO2 = 43,13- 49,04%; Al2O3 =
27,93-37,44%; K2O + Na2O = 9 - 11%; H2O = 4,13- 6,12%. [3]
Sericit có đặc tính chung của muscovit như:

- Tinh thể hệ đơn tà, cấu trúc lớp (của các tứ diện Al-Si-O).
- Độ cứng (theo bảng Mohr): 2-3.
3

- Tỷ trọng: 2,5 đến 3,2 g/cm , 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)


0

- Chịu nhiệt cao tới 600-1100 C, dẫn nhiệt kém (hệ số dẫn nhiệt vào
khoảng 0,419-0,670 W/m.K). Nhiệt dung riêng là 0,8 kJ/kg.K, cách
điện tốt (độ bền điện 200kV/mm).
- Bền hóa chất, trơ với dung dịch kiềm và axit.
- Không thấm nước.
- Chống tia UV tốt.
Sericit có thành phần và cấu trúc tương tự kaolin nên nó có một số tính
chất của sét như dễ phân tán trong nước và trong dung môi hữu cơ.
Sericit bắt đầu được khai thác và sử dụng nhiều từ giữa thế kỷ 19.
Sericit 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 sericit rất rộng,
trong công nghiệp điện tử, công nghiệp điện, 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 hóa mỹ phẩm….
Tổng sản lượng sản phẩm sericit năm 2006 là 342.000 tấn. Những nước
khai thác hàng đầu thế giới phải kể đến là Mỹ, Nga, Hàn Quốc, Canada, Pháp,

Đài Loan, Malysia, Brazin. Giá trị của các sản phẩm sericit 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 sericit chế biến theo phương pháp khô là
237 USD/tấn, theo phương pháp ướt là 784 USD/tấn. Sericit thương mại sch,
đã được sử lý bề mặt có thể lên tới 15.000 đến 40.000 USD/tấn [3].
Theo thông tin của USGS, nhu cầu về các sản phẩm sericit 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 hóa mỹ phẩm.
ở nước ta sericit thường được nhắc tới trong các tài liệu địa chất như
những khoáng vật tạo đá khác trong các thành tạo biến chất như đá phiến sét –


sericit, đá phiến thạch anh – sericit v.v...Thời gian vừa qua Liên đoàn bản đồ
địa chất miền Bắc đã tiến hành nghiên cứu và hoàn thành đề tài “Xác định
chất lượng, đặc tính công nghệ khoáng chất sericit vùng Sơn Định, Châu Sơn,
Hà Tĩnh”. Đề tài này có sự tham gia của Viện khoa học Vật liệu.
Tinh thể mica-sericit 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 [4].
Hình 1: Cấu trúc tinh thể sericit

Lớp tứ
Lớp bát

Lớp tứ

+

Các ion K nằm ở các hốc trống vòng sáu cạnh oxy trên bề mặt cơ sở
của tứ diện Si3Al. Mica-sericit 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-sericit có
thể bóc tách dễ dàng giữa các lớp có bề mặt nhẵn bóng.


Hình 2: Sự bóc lớp trong tinh thể muscovit
Bề mặt của mica-sericit bao gồm các nguyên tử oxy được liên kết
cộng hóa trị với các nguyên tử silic (75%) và các nguyên tử nhôm (25%)
[5]. Không có nhóm hydroxyl nào trên bề mặt. Các nguyên tử oxy được sắp
2

xếp tạo thành các hốc trống với diện tích vào khoảng 0,18 nm và có một
+

nhóm hydroxyl ở vị trí thấp hơn khoảng 0,17 nm. Các ion K chiếm các
hốc trống trong tinh thể
+

Khi sericit 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-sericit. Tuy nhiên dưới điều kiện thích
+

hợp các ion K có thể trao đổi một cách định lượng với các ion khác.
1.1.2. Nghiên cứu ứng dụng sericit trong polyme và cao su
1.1.2.1. Trên thế giới
Nghiên cứu ứng dụng khoáng sericit để gia cường cho cao su và chất
dẻo, tăng khả năng bảo vệ cho các lớp phủ đã được thông báo trên nhiều công
trình trên thế giới và hiện tại vấn đề này vẫn được nhiều nhà khoa học quan
tâm. Những năm gần đây, bột sericit đã được nghiên cứu đưa vào sử dụng để


gia cường cho các nhựa nhiệt dẻo và nhiệt rắn tạo thành vật liệu compozit để
nâng cao các tính chất của polyme nền. Mica-sericit 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 muscovit của hãng Georgia Industrials, Inc. được
nghiên cứu để chế tạo sơn chịu nhiệt, sơn ngoài trời, sơn chịu nước biển và
dùng trong công nghiệp có môi trường xâm thực cao [41].
a. Sericit

gia cường cho các vật liệu polyme

Trong công nghiệp nhựa, sericit có tác dụng làm tăng độ bền nhiệt, bền
va đập, tăng khả năng bôi trơn nội và cách điện của vật liệu.
Sericit không những có hệ số dẫn nhiệt thấp mà độ cứng của nó không
cao [7]. Các nghiên cứu [8-12] cho thấy polypropylen (PP) gia cường bằng
bột sericit 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 sericit trong tổ hợp [13-15]. Tuy nhiên bột

sericit 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-sericit để tạo thành compozit 3 pha. Faulkner [16] cũng
đã cải thiện độ bền va đập compozit PP-sericit bằng cao su EPDM.
Theo lý thuyết, sericit có thể làm tăng độ bền của vật liệu như là PP.
Tuy nhiên nhiều tác giả [10, 17-19] cho thấy rằng, bột sericit trong nhựa PP
đã làm giảm độ bền của vật liệu. Vấn đề đặt ra là phải sử lý bề mặt của bột
sericit. Thường bột sericit 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 sericit 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.


[20]

đã

sử

dụng

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

aminooropyltrimethoxylan hydroclorid và metacryloxypropyltrimethoxysilan
làm chất sử lý bề mặt sericit để nghiên cứu khả năng che chắn của tổ hợp
HDPE-sericit. Vật liệu được gia cường bằng sericit đã sử lý bề mặt có độ
thẩm thấu được cải thiện.
Pushpa Bajaj [8] đã khảo sát sự biến đổi các tính chất nhiệt và điện của
vật liệu tổ hợp epoxy với sericit 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 sericit 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,
γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane

và

γ-aminopropyltriethoxysilane)

làm chất kết nối trong tổ hợp PS và PP với sericit. Kết quả cho thấy rằng các
hợp 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
polystyren- b-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% sericit 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) [21].
Dipak Baral đã nghiên cứu ảnh hưởng của sericit đến khả năng chịu
nhiệt của vật liệu polyuretan (PU) bằng phương pháp phân tích nhiệt DSC.
Kết luận cho thấy, sericit đã có tác dụng cản trở quá trình lão hóa của PU và
độ bền nhiệt của vật liệu tăng lên nhờ có bột sericit gia cường [22].
b. sericit

gia cường cho các vật liệu cao su


Furtado cùng các đồng nghiệp đã sử dụng sericit làm chất độn trong các
thành phần lưu hóa của cao su styren-butadien để thay thế một phần oxit silic
[2]. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng sericit 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. sericit không sử lý bề mặt có hoạt tính thấp hơn silica, tuy nhiên có
thể thay thế một phần oxit silic bằng sericit nhằm giảm giá thành của sản
phẩm. Việc thêm sericit đã phần nào cải thiện môđun đàn hồi của cao su mà
không 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 sericit làm chất độn cho cao su, nó đã có những ảnh
hưởng đến tính chất của vật liệu. Bột sericit 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 sericit 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 sericit [23].
S. Debnath, S. K. De và D. Khastgir đã nghiên cứu quá trình lưu hóa
và tính chất cơ lý, tương tác pha của sericit gia cường cho cao su butadien
(SBR) [24]. Mica đã gia tăng môđun đàn hồi và độ bền kéo đứt, nhất là độ
bền xé rách
bằng

của

SBR.

sericit

được

sử

lý

bề

mặt

γ- methacryloxypropyltrimethoxysilane đã cải thiện liên kết pha

giữa SBR và sericit, dẫn đến gia tăng môđun đàn hồi và độ bền kéo đứt
của vật liệu.


1.1.2.2. .2. ở Việt Nam


Bột khoáng mica nói chung và sericit nói riêng 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 [25]. 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 sericit đã dần trở thành thương phẩm.
Nghiên cứu ứng dụng các sản phẩm mica-sericit 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 cơ sở của Viện KH Vật liệu,
khoáng sericit đã được sử dụng để gia cường cho CSTN [26].
Sericit 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. sericit đã làm giảm thời gian
lưu hoá của cao su, nhất là các sericit được biến đổi bề mặt bằng aminsilan.
sericit đã có tác dụng gia tăng các tính chất cơ lý, độ bền nhiệt và tính chất
điện của vật liệu nhất là các sericit được biến đổi bề mặt bằng hợp chất silan.
sericit 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. sericit biến đổi bằng
aminsilan có các nhóm chức hoạt tính NH2 nên không phù hợp cho các vật
liệu cách điện.


Sericit 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. sericit 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 sơn.
1.1.3. Biến đổi bề mặt sericit
Theo lý thuyết, sericit có thể làm tăng độ bền của vật liệu như là PP.
Tuy nhiên nhiều tác giả [27, 28-30] cho thấy rằng, bột sericit trong nhựa PP
đã làm giảm độ bền va đập của vật liệu. Vấn đề đặt ra là phải sử lý bề mặt của
bột sericit. Thường bột sericit 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 sericit 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.

[31]

đã

sử

dụng

aminooropyltrimethoxylahydroclorid

và

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

làm chất sử lý bột sericit để nghiên cứu khả năng che chắn của tổ hợp HDPEsericit. Vật liệu được gai cường bằng sericit đã sủ lý bề mặt có độ thẩm thấu
được cải thiện. Pushpa Bajaj [32] đã khảo sát sự biến đổi các tính chất nhiệt
và điện của vật liệu tổ hợp epoxy với sericit được sử lý bề mặt bằng ba loại
hợp chất silan khác nhau. Kết quả đều cho thấy cần thiết phải sử lý bề mặt bột
sericit để tăng khả năng tương tác giữa các pha dẫn đến tăng các tính chất của
vật liệu.
Biến đổi bề mặt sericit có thể thực hiện bằng nhiều cách để tạo cho
sericit có thể tương hợp tốt với polyme nền cần gia cường. Silan là hợp chất
hay được dùng nhất như là chất ghép nối giữa nền polyme với các khoáng
chất khác trong đó có sericit:

Trường Đại Học SP Hà Nội 2

Viện KH Và Vật Liệu

Với bề mặt tương đối trơ về mặt hóa học và không tương thích với
các chất nền polyme của sericit đã hạn chế nhiều ứng dụng của nó. Vì vậy
cũng như nhiều chất độn vô cơ khác, biến đổi bê mặt của sericit là cần thiết
trong nhiều trường hợp để nâng cao khả năng tương hợp với polyme nền.
Phương pháp biến đổi bề mặt sericit được sử dụng phổ biến hiện nay là sử
dụng các tác nhân ghép nối silan.
Sau khi biến đổi bằng các hợp chất silan, bề mặt của sericit 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, sericit 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:

Nghiệp

- 21 -

Phan Thị Huệ


Trường Đại Học SP Hà Nội 2

Khoá Luận Tốt

Viện KH Và Vật Liệu

K31D Hoá


Trường Đại Học SP Hà Nội 2

Viện KH Và Vật Liệu

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 bề mặt sericit.
1.1.3.1. Phương pháp biến đổi bề mặt gián tiếp
Như trên đã trình bày, trên bề mặt của các phiến mica-sericit không
có nhóm hydroxyl. Các nhóm hydroxyl nằm bên trong tinh thể, dưới bề mặt
khoáng 0.17 nm. Vì vậy khó có thể biến đổi bề mặt mica-sericit trực tiếp
bằng liên kết hóa học tạo ra từ phản ứng giữa các nhóm hydroxyl của mica
với các nhóm silanol tạo thành sau khi thủy phân các hợp chất silan.
Nhóm tác giả E. Kiss và C-G. Golander [34] đã thực hiện thành công
quá trình biến đổi bề mặt của mica-sericit với nước ở thể plasma để tạo ra
các nhóm Si-OH hoạt động trên bề mặt của mica-sericit, sau đó tiến hành
quá trình silan hóa bề mặt bằng isocynatopropyldimethylchlorosilane:

Khi đã tạo được các nhóm silanol (Si-OH) trên bề mặt của micasericit, quá trình silan hóa trên bề mặt của nó như nhiều tài liệu đã đề cập
diễn ra như sau [35]:

á Luận Tốt Nghiệp

-

-

Phan Thị Huệ K31D Ho