(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ứng dụng tro bay làm chất độn gia cường cho vật liệu cao su và cao su blend

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN HOÁ HỌC

LƢƠNG NHƢ HẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRO BAY LÀM CHẤT ĐỘN
GIA CƢỜNG CHO VẬT LIỆU CAO SU VÀ CAO SU BLEND

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội - 2015
1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN HOÁ HỌC

LƢƠNG NHƢ HẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRO BAY LÀM CHẤT ĐỘN
GIA CƢỜNG CHO VẬT LIỆU CAO SU VÀ CAO SU BLEND

Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ
Mã số: 62.44.27.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Đỗ Quang Kháng
2. PGS. TS. Ngô Kế Thế

Hà Nội - 2015
2


MỞ ĐẦU
Tro bay (fly ash - FA) là những hạt tro rất nhỏ bị cuốn theo khí từ ống
khói của các nhà máy nhiệt điện do đốt nhiên liệu than. Loại phế thải này nếu
không được thu gom, tận dụng sẽ không chỉ là một sự lãng phí lớn mà còn là
một hiểm họa đối với môi trường-nhất là trong thời kỳ phát triển mạnh mẽ
của các ngành công nghiệp hiện nay. Chính vì vậy, việc nghiên cứu, xử lý, tận
dụng tro bay trong các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật đã và đang được các nhà
khoa học, công nghệ trong và ngoài nước quan tâm đặc biệt.
Tro bay có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống kỹ
thuật, các ứng dụng của tro bay được chia thành ba nhóm: ứng dụng công
nghệ thấp, ứng dụng công nghệ trung bình và ứng dụng công nghệ cao. Các
ứng dụng công nghệ thấp như sử dụng tro bay trong san lấp, làm đê kè, vỉa hè
và nền đường, ổn định lớp móng, cải tạo đất,... Các ứng dụng công nghệ trung
bình như sử dụng tro bay trong xi măng, cốt liệu nhẹ, các loại bê tông đúc
sẵn/bê tông đầm lăn, gạch, đá ốp lát,… Các ứng dụng công nghệ cao liên
quan đến việc sử dụng tro bay làm nguyên liệu để thu hồi kim loại, chất độn
cho compozit nền kim loại, compozit nền polyme và làm chất độn cho một số
ứng dụng khác.
Tro bay có thành phần hóa học chính là SiO2 cùng với những ưu điểm
như tỷ trọng thấp, tính chất cơ học cao, bền nhiệt, chống co ngót kích thước,...
tro bay có thể là chất độn gia cường có hiệu quả cho các vật liệu cao su và
chất dẻo. Tro bay có thể thay thế các chất độn gia cường truyền thống như

canxi cacbonat, oxit silic,… hoặc phối hợp với than đen trong hợp phần cao
su. Việc sử dụng tro bay làm chất chất độn gia cường cho cao su góp phần
giảm giá thành sản phẩm (vì tro bay có giá rất thấp) mà vẫn đảm bảo được
tính chất của vật liệu. Tuy nhiên để tăng khả năng tương tác của tro bay với
cao su, người ta thường phải xử lý, biến tính bề mặt tro bay. Trong trường
hợp này, đối với từng polyme hay cao su được gia cường cần phải lựa chọn
hợp chất silan cho phù hợp để thực hiện quá trình biến tính bề mặt tro bay.

3


Ở nước ta những công trình nghiên cứu nào sử dụng tro bay trong lĩnh
vực cao su hầu như chưa được quan tâm. Trong khi đó, Việt Nam là một
trong những nước sản xuất chế biến cao su thiên nhiên (CSTN) lớn trên thế
giới. Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng tro bay làm chất độn gia
cường cho vật liệu cao su và cao su blend” được chọn làm chủ đề cho luận án
tiến sỹ của mình.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là “Đánh giá được khả năng gia cường
của tro bay Phả Lại tới tính chất của vật liệu cao su thiên nhiên (CSTN) và
blend của chúng để từ đó định hướng cho việc ứng dụng tro bay trong ngành
công nghiệp gia công cao su”. Để thực hiện mục tiêu trên, luận án đã thực
hiện các nội dung nghiên cứu chủ yếu sau:
- Nghiên cứu xử lý bề mặt tro bay bằng các hợp chất silan khác nhau,
- Nghiên cứu khả năng gia cường của tro bay (không và đã biến tính)
cho cao su thiên nhiên,
- Nghiên cứu khả năng gia cường của tro bay (không và đã biến tính)
cho một số cao su blend trên cơ sở CSTN,
- Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cao su gia cường tro bay để chế tạo sản
phẩm ứng dụng trong thực tế.

4


Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1. Khái niệm và phân loại tro bay
Trong các nhà máy nhiệt điện, sau quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá
phần phế thải rắn tồn tại dưới hai dạng: phần xỉ thu được từ đáy lò và phần tro
gồm các hạt rất mịn bay theo các khí ống khói được thu hồi bằng các hệ thống
thu gom của các nhà máy nhiệt điện.
Trước đây ở châu Âu cũng như ở Vương quốc Anh phần tro này thường
được cho là tro của nhiên liệu đốt đã được nghiền mịn [1]. Nhưng ở Mỹ, loại
tro này được gọi là tro bay bởi vì nó thoát ra cùng với khí ống khói và “bay”
vào trong không khí. Và thuật ngữ tro bay (fly ash) được dùng phổ biến trên
thế giới hiện nay để chỉ phần thải rắn thoát ra cùng các khí ống khói ở các nhà
máy nhiệt điện.
Ở một số nước, tùy vào mục đích sử dụng mà người ta phân loại tro bay
theo các loại khác nhau. Theo tiêu chuẩn DBJ08-230-98 của thành phố Thượng
Hải, Trung Quốc, tro bay được phân làm hai loại [2] là tro bay có hàm lượng
canxi thấp và tro bay có hàm lượng canxi cao. Tro bay có chứa hàm lượng
canxi 8% hoặc cao hơn (hoặc CaO tự do trên 1%) là loại tro bay có hàm lượng
canxi cao. Do đó, CaO trong tro bay hoặc CaO tự do được sử dụng để phân biệt
tro bay có hàm lượng canxi cao với tro bay hàm lượng canxi thấp. Theo cách
phân biệt này thì tro bay có hàm lượng canxi cao có màu hơi vàng trong khi đó
tro bay có hàm lượng canxi thấp có màu hơi xám.
Theo cách phân loại của Canada, tro bay được chia làm ba loại [3]:
 Loại F:
Hàm lượng CaO ít hơn 8%
 Loại CI:
Hàm lượng CaO lớn hơn 8% nhưng ít hơn 20%
 Loại C:

Hàm lượng CaO lớn hơn 20%
Trên thế giới hiện nay, thường phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM
C618. Theo cách phân loại này thì phụ thuộc vào thành phần các hợp chất mà
tro bay được phân làm hai loại là loại C và loại F [4].

5


Bảng 1.1: Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618
Các yêu cầu theo tiêu chuẩn
Đơn Lớn nhất Nhóm Nhóm
ASTM C618
vị
/nhỏ nhất
F
C
Yêu cầu hóa học
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3
%
nhỏ nhất
70
50
SO3
%
lớn nhất
5
5
Hàm lượng ẩm
%
lớn nhất

3
3
Hàm lượng mất khi nung
%
lớn nhất
5
5
Yêu cầu hóa học không bắt buộc
Chất kiềm
%
1,5
1,5
Yêu cầu vật lý
Độ mịn (+325)
%
lớn nhất
34
34
Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (7 %
nhỏ nhất
75
75
ngày)
Hoạt tính pozzolanic so với xi măng
%
nhỏ nhất
75
75
(28 ngày)
Lượng nước yêu cầu

%
lớn nhất
105
105
Độ nở trong nồi hấp
%
lớn nhất
0,8
0,8
Yêu cầu độ đồng đều về tỷ trọng
%
lớn nhất
5
5
Yêu cầu độ đồng đều về độ mịn
%
lớn nhất
5
5
Phân loại theo tiêu chuẩn ASTM:
 Tro bay là loại F nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) lớn hơn 70%.
 Tro bay là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) nhỏ hơn 70%.
1.2. Các đặc trƣng của tro bay
1.2.1. Thành phần hóa học trong tro bay
Tro của các nhà máy nhiệt điện gồm chủ yếu các sản phẩm tạo thành từ
quá trình phân hủy và biến đổi của các chất khoáng có trong than đá [5].
Thông thường, tro ở đáy lò chiếm khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75%
tổng lượng tro thải ra. Hầu hết các loại tro bay đều là các hợp chất silicat bao
gồm các oxit kim loại như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO,… với hàm
lượng than chưa cháy chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng hàm lượng tro,

ngoài ra còn có một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn,... Thành phần
hóa học của tro bay phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu than đá sử dụng để đốt
6


và điều kiện đốt cháy trong các nhà máy nhiệt điện.
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền [6]
Khoảng (% khối lượng)

Thành
phần

Châu Âu

Mỹ

Trung Quốc

Ấn Độ

Australia

SiO2

28,5-59,7

37,8-58,5

35,6-57,2

50,2-59,7

48,8-66,0

Al2O3

12,5-35,6

19,1-28,6

18,8-55,0

14,0-32,4

17,0-27,8

Fe2O3

2,6-21,2

6,8-25,5

2,3-19,3

2,7-14,4

1,1-13,9

CaO

0,5-28,9

1,4-22,4

1,1-7,0

0,6-2,6

2,9-5,3

MgO

0,6-3,8

0,7-4,8

0,7-4,8

0,1-2,1

0,3-2,0

Na2O

0,1-1,9

0,3-1,8

0,6-1,3

0,5-1,2

0,2-1,3

K2O

0,4-4,0

0,9-2,6

0,8-0,9

0,8-4,7

1,1-2,9

P2O5

0,1-1,7

0,1-0,3

1,1-1,5

0,1-0,6

0,2-3,9

TiO2

0,5-2,6

1,1-1,6

0,2-0,7

1,0-2,7

1,3-3,7

MnO

0,03-0,2

-

-

0,5-1,4

-

SO3

0,1–12,7

0,1–2,1

1,0–2,9

-

0,1–0,6

MKN

0,8–32,8

0,2–11,0

-

0,5-5,0

-

Tùy thuộc vào loại nhiên liệu mà thành phần hóa học trong tro bay thu được
khác nhau. Các nhà khoa học Ba Lan tiến hành nghiên cứu thành phần hóa học
của tro bay với hai nguồn nguyên liệu sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện của
nước này là than nâu và than đen [7]:
Bảng 1.3: Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan
từ các nguồn nguyên liệu khác nhau
Loại tro
bay
Than đen
ZS-14
ZS-17
Than nâu
ZS-13
ZS-16

SiO2

Thành phần (%)
Al2O3 Fe2O3 TiO2 MgO CaO

54,1
41,3

28,5
24,1

5,5
7,1

1,1
1,0

1,9
2,0

1,8
2,7

27,4
47,3

6,6
31,4

3,8
7,7

1,0
1,6

8,2
1,9

34,5
1,7

Kết quả trên cho thấy, thành phần của các loại tro bay có được sau quá
7


trình đốt cháy than đen (ZS-14 và ZS-17) và mẫu tro bay có được sau quá
trình đốt cháy than nâu (ZS-16) là các nhôm silicat. Còn mẫu tro bay có được
sau quá trình đốt cháy than nâu (ZS-13) là loại canxi silicat.
Các thí nghiệm khảo sát thành phần hóa học trong các mẫu tro bay ở các
nước khác cũng đã được tiến hành và thu được các kết quả tương tự. Đa số
các mẫu tro bay ở Trung Quốc có thành phần chủ yếu là SiO 2 và Al2O3, hàm
lượng của chúng vào khoảng 650 g/kg đến 850 g/kg. Các thành phần khác bao
gồm lượng than chưa cháy, Fe2O3, MgO và CaO. Tro bay Trung Quốc chứa
hàm lượng than chưa cháy cao là do hệ thống lò đốt ở các nhà máy nhiệt điện
ở Trung Quốc. Theo tiêu chuẩn phân loại ASTM C 618 thì tro bay Trung
Quốc thuộc loại C hay tro bay có chất lượng thấp. Điều này ảnh hưởng lớn
đến các ứng dụng của tro bay ở Trung Quốc [8].
* Các nguyên tố vi lượng trong tro bay
Quá trình đốt cháy than đá là một trong những nguyên nhân chính làm ô

nhiễm không khí và phát tán các kim loại các nguyên tố vi lượng độc hại.
Hiểu được sự thay đổi của các nguyên tố vi lượng trong quá trình đốt than đá
cũng như hàm lượng của nó có trong tro bay tạo thành là điều rất quan trọng
trong vấn đề đánh giá tác động môi trường của các nhà máy nhiệt điện cũng
như các ứng dụng tro bay. Hàm lượng các nguyên tố vi lượng trong tro bay
phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng của chúng có trong nguyên liệu ban đầu.
Dựa trên kết quả nghiên cứu các mẫu tro bay thu được từ 7 nhà máy
nhiệt điện khác nhau ở Canada [5], các nhà nghiên cứu nước này đã cho biết
hàm lượng của các kim loại nặng như As, Cd, Hg, Mo, Ni hay Pb trong tro
bay có liên quan với hàm lượng lưu huỳnh có trong nguyên liệu than đá ban
đầu. Thông thường, các loại than đá có hàm lượng lưu huỳnh cao sẽ có hàm
lượng các nguyên tố này cao. Tro bay ở Canada được thu hồi bằng phương
pháp kết lắng tĩnh điện hoặc phương pháp lọc túi. Kết quả cho thấy hàm
lượng các nguyên tố trên trong các loại tro bay thu được từ phương pháp lọc
túi cao hơn so với các mẫu tro bay thu được bằng phương pháp kết lắng tĩnh
điện trong cùng một nhà máy.
8


1.2.2. Cấu trúc hình thái của tro bay
Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác
nhau, các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dạng rất khác
nhau [9]. Các hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng.
Thông thường, các hạt tro bay hình cầu, rắn được gọi là các hạt đặc và các hạt
tro bay hình cầu mà bên trong rỗng có tỷ trọng thấp hơn 1,0 g/cm3 được gọi là
các hạt rỗng. Một trong các dạng thường thấy ở tro bay thường được tạo nên
bởi các hợp chất có dạng tinh thể như thạch anh, mulit và hematit, các hợp
chất có dạng thủy tinh như thủy tinh oxit silic và các oxit khác.

Hình 1.2: Biểu diễn đặc trưng dạng

cầu của các hạt trong khoảng kích
thước thường thấy nhiều hơn

Hình 1.1: Sự tương phản về kích thước
giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và
các hạt nhỏ

Các hạt tro bay đặc có khối lượng riêng trong khoảng 2,0 - 2,5 g/cm3 có
thể cải thiện các tính chất khác nhau của vật liệu nền như độ cứng và độ bền xé.
Các hạt tro bay rỗng có thể được sử dụng trong tổng hợp vật liệu compozit siêu
nhẹ do khối lượng riêng rất nhỏ của chúng, chỉ khoảng 0,4-0,7 g/cm3, trong khi
các chất nền kim loại khác có khối lượng riêng trong khoảng từ 1,6-11,0 g/cm3.
Cả hai loại hạt này thường thấy có lớp vỏ không hoàn chỉnh (bị rỗ).
* Cấu trúc bên trong:
Các hạt bên trong có thể được thấy bởi các quan sát đơn giản. Cấu trúc
này bị che lấp bởi lớp vỏ thủy tinh, vì thế nó có thể được quan sát khi được xử
lý với dung dịch HF, dung dịch này có thể hòa tan nhanh chóng phần thủy
tinh và để lộ ra lớp vỏ bên trong.
9


Hình 1.3 biểu diễn hai hạt tro bay cạnh nhau sau khi tiếp xúc ngắn (1/2
giờ) với dung dịch axit hydrofloric 1%, hai cấu trúc bên trong rất khác nhau
đã được lộ ra. Các hạt bên trái là các hạt có từ tính giàu sắt, và vật liệu có cấu
trúc tinh thể bên có dạng hình cây được nghiên cứu bởi nhóm Biggs và
Brunsnel. Tất cả chúng đều có hình lập phương và được hy vọng hoàn toàn
không có các phản ứng hóa học trong bê tông.

Hình 1.3: Cấu trúc hạt tro bay sau khi Hình 1.4: Cấu trúc tro bay tiếp xúc với
tiếp xúc ngắn với dung dịch HF

dung dịch HF trong thời gian dài
Các hạt ở bên phải hình 1.3 chứa một cấu trúc đặc trưng của các hạt
mullit có dạng thanh mỏng hay dạng hình kim, Al 2O3.2SiO2 tìm thấy trong
hầu hết các hạt không có từ tính của các hạt tro bay có hàm lượng canxi thấp
điển hình.
Sự vô cùng hỗn tạp của các hạt tro bay và cấu trúc được nhận thấy, bao
gồm các hạt khác nhau trong cùng loại tro bay được thể hiện trong hình 1.4.
Mẫu tro bay này được tiếp xúc nhẹ trong thời gian lâu hơn với quá trình xử lý
bằng axit hydrofloric trong thời gian 1 giờ. Phần thủy tinh trong các hạt ở vùng
giữa và trong của một số hạt khác được phân bố xung quanh phần đã bị hòa tan
ở mức độ lớn.
1.2.3. Phân bố kích thước hạt trong tro bay
Kích thước hạt tro bay là một yếu tố quan trọng quyết định đến khả năng
ứng dụng của nó. Mỗi loại tro bay tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, điều kiện
đốt và phương pháp thu hồi mà có sự phân bố kích thước hạt trong tro bay
10


khác nhau. Tro bay có kích thước hạt nằm trong khoảng 10-350 m, phân
đoạn có đường kính hạt nhỏ hơn 45 m chiếm tỷ trọng lớn.
Bảng 1.4: Phân bố kích thước hạt các phân đoạn tro bay Israel [10]
Nguồn nguyên liệu

Phân đoạn
(mesh)

Kích thước
(μm)

< 100

> 150

1,9

4,5

100–200

150–75

8,2

10,0

200–325

75–45

10,6

9,2

> 325

< 45

79,2

76,3

Nam Phi Colombia
(%)
(%)

Tùy thuộc vào mục đích và nhu cầu sử dụng mà có thể tách các phân
đoạn kích thước khác nhau. Hai loại tro bay thương phẩm của Công ty Boud
Minerals & Polymers (Anh Quốc) sử dụng làm chất gia cường cho chất dẻo
có kích thước hạt thể hiện trên bảng 1.5.
Bảng 1.5: Kích thước hạt tro bay thương phẩm
Thông số
D50
D99
D90
Tỷ trọng
Mầu sắc

Đơn vị

Plasfill 5

Plasfill 15

m
m
m
g/cm3

3,8
19,5

8,5
2,15
Ghi sáng

11,5
110
52
2,25
Ghi sáng

1.3. Sản lƣợng tro bay và tình hình sử dụng tro bay trên thế giới
1.3.1. Sản lượng tro bay trong và ngoài nước
Nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới không ngừng tăng lên theo tốc
độ phát triển của nền kinh tế xã hội. Các nguồn cung cấp điện năng mới hiện
nay đang phát triển nhanh chóng phải kể đến như năng lượng mặt trời, năng
lượng gió, năng lượng thủy triều,… Tuy có nhiều ưu điểm và được khuyến
khích sử dụng nhưng các nguồn cung cấp điện năng này hiện nay mới chỉ đáp
ứng được một lượng rất nhỏ nhu cầu điện năng toàn cầu và chỉ tập trung ở
một vài nước phát triển. Nguồn cung cấp điện năng chủ yếu vẫn dựa trên các
11


nguồn truyền thống và không ngừng phát triển hàng năm. Trong đó các nhà
máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm một tỷ trọng lớn.

Hình 1.5: Biểu đồ sản lượng tro bay và
phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ từ 1966-2012
Mỹ là một trong các quốc gia tiêu thụ điện năng hàng đầu thế giới và
cũng là nước có sản lượng các sản phẩm từ quá trình đốt cháy than đá trong
các nhà máy nhiệt điện lớn của thế giới [11]. Năm 2007, Mỹ đã tạo ra hơn

125 triệu tấn các sản phẩm từ than đá bao gồm tro bay, tro đáy lò, xỉ lò,…
Phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ đã giảm trong những năm 2007 - 2010,
nhưng sau đó tỷ lệ sử dụng tro bay lại tăng.
Trung Quốc là nước đứng đầu về sản xuất điện năng từ than đá, do vậy
lượng tro bay tạo ra từ việc đốt than đá cũng rất lớn. Năm 2009, công suất
phát điện và điện năng của các nhà máy nhiệt điện đều tăng khoảng 7-8%.
Mặc dù, lượng tiêu thụ than đã được giảm xuống bằng cách nâng cao hiệu quả
của máy phát điện, nhưng lượng tro bay tạo ra vẫn duy trì đà tăng [12]. Năm
2010, lượng tro bay tạo ra là 480 triệu tấn và với tốc độ tăng trưởng 20 triệu
tấn mỗi năm, dự kiến lượng tro bay tạo ra ở Trung Quốc hiện nay đạt trên 500
triệu tấn.

12


Hình 1.6: Biểu đồ lượng tro bay tạo thành, tro bay sử dụng và
phần trăm sử dụng tro bay ở Trung Quốc từ 2001-2008
Ở Ấn Độ, một lượng lớn tro bay tạo ra trong quá trình đốt cháy than của
các nhà máy nhiệt điện. Lượng tro bay tạo ra hàng năm liên tục tăng từ khoảng 1
triệu tấn vào năm 1947 lên khoảng 40 triệu tấn trong năm 1994 và năm 2012 vào
khoảng 131 triệu tấn. Kể từ 1996-97 đến 2010-11, lượng tro bay sử dụng vào
trong các lĩnh vực công nghiệp cũng tăng (năm 1996-1997 là 9,63% đến năm
2010-2012 là 56%). Năm 2009-2010 ở Ấn Độ đạt được mức độ sử dụng tro bay
cao nhất 63% [13].
Như một điều hiển nhiên, khi lượng than đá sử dụng trong các nhà máy
nhiệt điện càng nhiều thì các sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy nhiên liệu
như xỉ than hay tro bay sinh ra cũng tăng theo. Thống kê của các nhà khoa
học Hy Lạp cho thấy lượng tro bay sinh ra gần như tỷ lệ tuyến tính với lượng
nhiên liệu than đá được sử dụng [14].
Theo ước tính, lượng tro bay thải ra trên toàn cầu vào khoảng trên 700

triệu tấn. Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay của một số nước được trình
bày trong bảng 1.6 [11-13,15].

13


Bảng 1.6: Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước
TT

Nước sản
xuất

Sản lượng tro bay hàng
năm (triệu tấn)

Tro bay sử dụng
(%)

1

Trung Quốc
(2010)

480

67

2

Ấn Độ (2012)

131

54

3

Mỹ (2010)

70

45

4

Đức

40

85

5

Anh

15

50

6

Australia

10

85

7

Canada

6

75

8

Pháp

3

85

9

Đan Mạch

2

100

10

Ý

2

100

11

Hà Lan

2

100

Ở Việt Nam, phần lớn các nhà máy nhiệt điện đốt than chủ yếu tập trung
ở phía Bắc, do gần nguồn than. Tổng công suất các nhà máy nhiệt điện đang
vận hành tính ở thời điểm 2010 là 4.250 MW [16] và dự kiến vào năm 2020
sẽ là 7.240 MW.
Bảng 1.7: Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030
TT

Năm

1
2
3

2010
2015
2020

Công suất,
MW
4.250
6.240
7.240

Tiêu thụ than,
triệu tấn/năm
12,75
18,72
21,72

Lượng tro bay,
triệu tấn/năm
3,82-4,46
5,61-6,55
6,51-7,60

Nguồn cung cấp than nhiên liệu trong nước cho các nhà máy điện
thường là loại than chất lượng thấp, có độ tro lớn hơn 31÷32%, thậm chí đến
43÷45%. Do đó, các nhà máy nhiệt điện thải ra lượng tro bay khá lớn, có thể
chiếm tới 20-30% lượng than sử dụng. Với suất tiêu hao than trung bình
khoảng 500 g/kWh, tổng lượng than sử dụng cho nhiệt điện và lượng tro bay
tạo thành được trình bày trong bảng 1.7.

14

1.3.2. Tình hình sử dụng tro bay
Tro bay đã được sử dụng rất thành công trong ngành công nghiệp bê
tông trên thế giới hơn 50 năm qua. Ở Mỹ có hơn 6 triệu tấn và ở châu Âu là
hơn 9 triệu tấn đã được sử dụng trong xi măng và bê tông [17]. Có nhiều dự
án lớn trong thời gian gần đây sử dụng bê tông tro bay, bao gồm các đập ngăn
nước, các nhà máy điện, các công trình ngoài biển, các đường hầm dưới biển,
đường cao tốc, sân bay, các tòa nhà thương mại hay dân cư, cầu, các đường
ống dẫn,...
Đến năm 2008, tổng lượng các sản phẩm từ đốt than đá của nhà máy
nhiệt điện ở Châu Âu là 58 triệu tấn, trong đó tro bay chiếm gần 68% tương
đương khoảng 39 triệu tấn. Khoảng 18 triệu tấn tro bay được sử dụng trong
công nghiệp xây dựng và san lấp hầm mỏ. Phần lớn tro bay làm phụ gia bê
tông, kết cấu đường và làm vật liệu để sản xuất clinke xi măng. Tro bay cũng
được sử dụng trong xi măng trộn, bê trong khối và làm chất điền lấp [18].
Cũng như nhiều quốc gia trên thế giới, hàng trăm nhà máy nhiệt điện
trên khắp lãnh thổ Trung Quốc thải ra hàng trăm triệu tấn tro bay mỗi năm
[8]. Do vậy, chính phủ Trung Quốc rất khuyến khích phát triển các công nghệ
liên quan đến việc sử dụng tro bay. Một vài thành phố đã sử dụng rất tốt tro
bay trong những năm gần đây như thành phố Nam Ninh. Năm 2005, lượng tro
bay được sử dụng ở thành phố này đã vượt qua cả lượng tro bay được tạo ra.
Tuy nhiên, Nam Ninh chỉ là một trường hợp ngoại lệ. Tro bay ở Trung Quốc
được sử dụng trong các lĩnh vực chủ yếu sau: Các sản phẩm bê tông (phụ gia
cho xi măng, vữa, bê tông, gạch,...); Xây dựng đường giao thông; Xây dựng
cảng; Cải tạo đất trồng; Xử lý ô nhiễm nước; Sử dụng để lấp các mỏ hay các
vùng đất lớn hơn dọc theo bờ biển. Ngoài ra, tro bay còn được sử dụng cho
một vài ứng dụng khác như tổng hợp zeolit, chất gia cường cho cao su.
Tại Ấn Độ, Chính phủ nước này đã có nhiều quy định để nâng cao nhận
thức về lợi ích của việc sử dụng tro bay cho các sản phẩm khác nhau [19-21].

Tro bay là một nguyên liệu tiềm năng tuyệt vời cho sản xuất vật liệu xây dựng
như xi măng pha trộn , gạch tro bay , gạch ố p lát và các khối rỗng trong xây
15


dựng. Chúng được ứng dụng mô ̣t lươ ̣ng lớ n để rải đường, xây dựng kè, và san
lấp hầm mỏ. Sản phẩm tro bay có nhiều lợi thế hơn so với các sản phẩm thông
thường. Lượng xi măng sử dụng trong sản xuất sản phẩm xây dựng có thể
giảm bằng cách thay thế bằng tro bay và lượng tro bay thay thế có thể lên đến
50%. Những sản phẩm chứa tro bay có độ bền cao, hiệu quả hơn và tiết kiệm
đáng kể nguyên liệu. Việc sử dụng tro bay ở Ấn Độ đã tạo ra công ăn việc
làm cho khoảng 3.000 lao động [22].
1.3.3. Ứng dụng tro bay trong một số lĩnh vực công nghiệp trên thế giới
1.3.3.1. Tro bay sử dụng trong lĩnh vực xây dựng
* Tro bay dùng làm vật liệu điền lấp: Tro bay có thể dùng để phục hồi và
cải tạo các vùng đất yếu bởi các hoạt động khác. Tro bay được sử dụng cho phát
triển các công trình công cộng như công viên, bãi đậu xe, sân chơi,... Tro bay có
độ bền đầm nén tương đương hoặc lớn hơn đất nên thường được sử dụng trong
các lĩnh vực bồi đắp đất [23].

Hình 1.7: Đập Puylaurent ở Pháp

Hình 1.8: Bê tông asphalt
sử dụng tro bay

* Tro bay trong bê tông: Tro bay cải thiện độ bền và kết cấu của bê tông
dẫn đến tăng tuổi thọ của đường. Thông thường, tro bay có thể thay thế từ 15
đến 30% xi măng portland [23]. Hiện nay, tro bay được ứng dụng rộng rãi
trong xây dựng với các mục đích khác nhau như làm phụ gia cho bê tông xi
măng [24], làm độn cho bê tông asphalt [25]. Một số công trình xây dựng nổi

tiếng trên thế giới đã sử dụng tro bay trong bê tông như đập Puylaurent ở Pháp,
cây cầu Great Belt East nối Copenhagen (Đan Mạch) với những vùng đất của
trung tâm châu Âu,... [26].
16


* Tro bay làm đường xá: Tro bay có thể được sử dụng để xây dựng
đường và đê kè. Việc sử dụng này có nhiều lợi thế hơn so với các phương
pháp thông thường như tiết kiệm đất trồng trọt, tránh tạo ra các vùng trũng,
giảm chi phí, làm giảm nhu cầu đất để xử lý / lắng đọng tro bay.

Hình 1.9: Gạch và tấm lợp từ tro bay [27]
* Gạch không nung từ tro bay: Tro bay cũng là phế liệu thân thiện môi
trường [24]. Gạch tro bay được tạo thành từ tro bay, cát và xi măng, trong đó
tro bay là chất độn chính và cát là chất độn thứ hai. Còn xi măng làm chất kết
dính tất cả các nguyên liệu với nhau. Ở Đức, tro bay được ứng dụng để sản
xuất gạch xây nhà. Các khối gạch này được tạo ra từ hỗn hợp của tro xỉ, tro
bay, đá vôi và nước được ép thành khuôn [26].
* Sản phẩm gạch ố p lát từ tro bay: Gạch ố p lát có thể được sản xuất từ
tro bay. Gạch ốp lát gồm hai lớp: lớp mă ̣t và lớp nề n. Lớp mặt là hỗn hợp gồm
nhựa men, xi măng, bô ̣t tro bay và đôlômit . Lớp nề n là hỗn hợp gồm tro bay
bán khô, xi măng và bụi mỏ đá [23].
* Làm vật liệu cốt nhẹ: Nhiều công nghệ đã được phát triển để sản xuất
cốt liệu nhân tạo từ tro bay. Cốt liê ̣u từ sản phẩm tro bay có thể được sử dụng
cho một loạt các ứng dụng trong ngành công nghiệp xây dựng, bao gồm thành
phần xây dựng, thành phần bê tông đúc sẵn, bê tông trộn sẵn cho các tòa nhà
cao tầng,… [23].
1.3.3.2. Tro bay dùng trong nông nghiê ̣p
Một ứng dụng trực tiếp của tro bay là một tác nhân cải tạo đất nông
nghiệp [28,29]. Phần lớn các loại cây trồng thích hợp với môi trường pH là 6,517

7 cho sự phát triển. Việc bổ sung tro bay kiềm cho đất chua có thể làm tăng độ
pH. Phần lớn các nghiên cứu đã chứng tỏ khả năng của tro bay làm tăng độ pH
của đất có môi trường axit bằng sử dụng tro bay loại C, tức là tro bay với hàm
lượng CaO cao (> 15%) [30].
Tro bay có thể cải ta ̣o đất và nâng cao khả năng giữ ẩ m, đô ̣ phì nhiêu cho
đấ t. Nó cải thiện sự hấp thu nước và chất dinh dưỡng của cây trồng, giúp sự
phát triển của rễ cây và kế t diń h đất , dầ u khoáng và cacbohydrat dự trữ để sử
dụng khi cần thiết, bảo vệ thực vật các bệnh tật từ đất gây ra, và giải độc đất
bị ô nhiễm. Năng suấ t cây trồ ng cũng tăng lên, như các thí nghiệm trên lạc,
hướng dương, hạt lanh và hạt có dầu khác đã minh chứng.
Nhiều nghiên cứu báo cáo về hiệu quả của tro bay tới độ bền của đất như
cải thiện độ bền cắt và độ bám dính của đất. Mặt khác, một số nghiên cứu cho
thấy việc kết hợp giữa vôi và tro bay vào đất đã làm tăng sự ổn định cho đất
so với ổn định đất chỉ bằng tro bay hoặc vôi riêng rẽ [31,32].
1.3.3.3. Tro bay làm chất hấp phụ
Trong những năm gần đây, việc sử dụng tro bay đã thu hút rất nhiều
trong công nghiệp, việc sử dụng này sẽ giảm bớt gánh nặng về môi trường và
nâng cao lợi ích kinh tế. Tính khả thi kỹ thuật của việc sử dụng tro bay làm
chất hấp phụ giá rẻ cho các quá trình hấp phụ khác nhau để loại bỏ các chất ô
nhiễm trong không khí và nước đã được xem xét.
Có thể dùng tro bay để thay thế than hoạt tính thương mại hoặc zeolit
cho việc hấp phụ các khí NOx, SOx, các hợp chất hữu cơ, thủy ngân trong
không khí, các cation, anion, thuốc nhuộm và các chất hữu cơ khác trong
nước. Wang và Wu [33] đã nghiên cứu điều tra và cho thấy rằng thành phần
cacbon chưa cháy trong tro bay đóng một vai trò quan trọng trong khả năng
hấp phụ. Có nhiều báo cáo nghiên cứu sử dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ
để loại bỏ các ion kim loại độc hại [34-36], chất gây ô nhiễm trong không khí
[37], các hợp chất hữu cơ và vô cơ [38-44], và hấp phụ thuốc nhuộm trong

nước thải [45-48].

18


1.3.3.4. Tro bay dùng công nghiệp gia công chất dẻo
Tro bay là vật liệu phế thải của quá trình sản xuất điện năng từ các nhà
máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu than đá. Với thành phần chủ yếu là các
oxit kim loại như oxit silic, oxit nhôm,… kích thước hạt mịn và giá thành
rẻ, ngoài những ứng dụng hết sức hiệu quả trong các ngành xây dựng, tro
bay bay còn có một tiềm năng lớn trong lĩnh vực làm chất độn cho polyme.
Trong số các nhựa nhiệt dẻo thì PE và PP được sử dụng phổ biến nhất.
D.C.D. Nath và cộng sự đã chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở PP gia cường
bởi một hàm lượng lớn tro bay (60%) có kích thước hạt 5-60μm bằng phương
đúc phun ở 210oC. Theo các tác giả, trong điều kiện khí quyển, nhóm OH hoặc
ion trên bề mặt kim loại hoặc oxit kim loại như tro bay có vai trò quan trọng
trong hình thành các liên kết vật lý giữa bề mặt tro bay với nền polyme [49].

Hình 1.10: Các chi tiết đỡ dây điện trong thân ô tô chế tạo từ vật liệu
LDPE/FA của hãng General Motor [50]

Hình 1.11: Ứng dụng compozit tro bay làm vách ngăn, đồ nội thất

19


Vật liệu compozit LDPE/10% tro bay có độ bền kéo đứt, modul đàn hồi
cao hơn LDPE và vật liệu compozit LDPE/10% CaCO3. Tro bay cải thiện tính
chất cơ học của LDPE cao hơn so với CaCO3 vì tro bay có khả năng liên kết
với polyme nền tốt hơn CaCO3. Vật liệu compozit LDPE/tro bay đã được các

hãng chế tạo ô tô General Motor dùng để chế tạo một số chi tiết như kẹp định
vị, mắc dây điện bên trong thân ô tô (hình 1.10).
Vật liệu polyme compozit sử dụng tro bay làm chất độn và vải đay làm
chấ t gia cường. Sau khi xử lý , vải đay được chuyể n vào chấ t nề n để cán thành
tấm. Các tấ m được sấ y khô ở nhiệt độ và áp suất cụ thể. Số lượng tấ m được sử
dụng theo độ dày yêu cầu. Vật liệu polyme/tro bay compozit sử dụng vải đay
gia cường để thay thế vật liệu gỗ trong nhiều sản phẩm như cửa chớp, vách
ngăn, gạch lát nền, tấm tường, trần,… [51].
Tro bay cùng với các phụ gia khác như bột kim loại và với chất dẻo đưa
vào cao su tái sinh để chế tạo tấm lát đường ngang xe lửa [52]. M. Hossain và
các cộng sự nghiên cứu của trường Đại học Kansas đã công bố kết quả sử
dụng cao su tái chế từ lốp ô tô để làm lớp asphalt trải đường có sử dụng phụ
gia tro bay [53]. Đây là công trình rất có giá trị về khoa học môi trường, khi
công trình này được áp dụng thì một lượng lớn lốp ô tô phế thải được sử dụng
để thay thế nhựa đường và như vậy sẽ làm giảm giá thành xây dựng.
Nhiều nghiên cứu đánh giá khả năng gia cường của tro bay tới tính chất
vật liệu cao su như CSTN, SBR, BR,…[54-58] và cao su blend như
CSTN/NBR, CSTN/SBR, CSTN/CR [59-61]. Đối với tro bay không biến tính
khả năng gia cường cho vật liệu cao su là không đáng kể. Khi tro bay được
biến tính bằng các các hợp chất silan, khả năng gia cường của tro bay được cải
thiện đáng kể. Hàm lượng tro bay tối ưu dùng để gia cường cho vật liệu polyme
nói chung và vật liệu cao su nói riêng vào khoảng 10 đến 30 pkl. Tro bay có thể
thay thế các chất độn truyền thống như clay, canxi cacbonat hoặc sử dụng kết
hợp với than đen. Mặt khác, tro bay có giá thành rất thấp nên tro bay làm giảm
giá thành của sản phẩm. Nhiều sản phẩm cao su đã sử dụng tro bay làm chất
độn gia cường hoặc làm chất độn thay thế chất thông thường đã được chế tạo.
20


1.4. Các phƣơng pháp xử lý, biến tính tro bay

1.4.1. Xử lý bề mặt tro bay bằng hợp chất muối hữu cơ
Shashwat S. Banerjee và cộng sự đã nghiên cứu xử lý tro bay (FA) bằng
hợp chất hexadecyltrimetyl amoni (HDTMA) để dùng làm chất hấp thu dầu.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, HDTMA-FA có thể làm chất hấp thu để xử lý sự
cố tràn dầu. Các đặc tính hấp thu của tro bay đã được tăng cường rất nhiều khi
biến đổi bằng chất hữu cơ HDTMA. Sản phẩm HDTMA-FA cũng có hiệu quả
trong việc loại bỏ cacbon hữu cơ hòa tan có trong nước biển ô nhiễm dầu. Điều
này chứng tỏ HDTMA-FA là ứng cử viên tốt hơn so với hấp thụ thông thường
[62]. K. Karakasi và cộng sự cũng đã nghiên cứu về đặc tính hấp thu dầu của
tro bay hàm lượng canxi cao (HCFA) đã cho thấy sự cần thiết phải cải thiện
khả năng nổi của chúng. Để đạt điều này, việc xử lý tro bay với một tác nhân
hoạt động bề mặt đã được áp dụng, chất hoạt động bề mặt là natri oleat (SO) đã
được lựa chọn, do chi phí thấp và có khả năng phân hủy sinh học cao. Việc xử
lý thủy nhiệt HCFA với SO cho kết quả tăng không đáng kể khả năng hấp thu
dầu, kể cả việc tăng độ xốp là không đủ. Hàm lượng CaO dường như lại đóng
vai trò đáng kể, từ đặc tính hấp thu dầu của HCFA với lượng vôi cao được cải
thiện ở tỷ lệ HCFA:SO thấp, trong khi đó với lượng vôi ít đòi hỏi tỷ lệ cao hơn
nhiều [63].
Nath và cộng sự đã thực hiện phủ bề mặt tro bay bằng chất hoạt động bề
mặt natri lauryl sulfat với tác nhân liên kết ngang là andehit glutaric (GLA).
Tro bay xử lý bề mặt được sử dụng làm chất độn cho màng poly(vinyl alcol)
compozit phân hủy sinh học. Độ bền kéo của màng compozit đã được tăng lên
khi thêm chất độn tro bay xử lý, độ bền đạt cao nhất khi hàm lượng tro bay là
20% và độ bền kéo tăng 75% so với PVA tinh khiết. Ở hàm lượng 20% tro
bay, modul của các vật liệu compozit tăng lên 218%, nhưng độ dãn dài khi
đứt của vật liệu lại giảm [64].
1.4.2. Xử lý bề mặt tro bay bằng hợp chất axit, bazơ
Nhóm tác giả Z. Sarbak và M. Kramer-Wachowiak [65] đã xử lý bề mặt
của tro bay bằng các dung dịch NaOH, NaOH/NH4HCO3, EDTA và HCl với
21

mục đích là xác định sự thay đổi diện tích bề mặt và cấu trúc xốp của tro bay
cùng với sự biến đổi hóa học của chúng. Bảng dưới đây thể hiện các đặc trưng
về độ xốp và diện tích bề mặt của tro bay đã được xử lý.
Bảng 1.8: Các đặc trưng tro bay sau các quá trình xử lý bề mặt khác nhau
Dung dịch xử lý

Diện tích bề
Bán kính lỗ xốp
mặt BET (m2/g) trung bình (Å)

Độ xốp (cm3/g)

Không xử lý

3

34

0,01

NaOH

59

48

0,14

NaOH/NH4HCO3

60

43

0,13

EDTA

60

50

0,18

HCl

105

17

0,10

Trong tất cả các trường hợp, diện tích bề mặt của tro bay đã được xử lý
bề mặt đều lớn hơn so với mẫu tro bay ban đầu. Diện tích bề mặt tro bay tăng
nhiều nhất trong trường hợp tro bay được xử lý bằng dung dịch HCl. Trong
trường hợp này kết quả cho thấy bán kính lỗ xốp giảm xuống khoảng 2 lần so
với tro bay ban đầu. Quá trình xử lý với các dung dịch khác dẫn đến sự tăng
một lượng nhỏ bán kính lỗ xốp. Ảnh hưởng đáng kể từ quá trình biến đổi hóa

học là độ xốp, các mẫu đều có độ xốp tăng hơn 10 lần so với mẫu tro bay
chưa xử lý. Độ xốp tăng lớn nhất với mẫu tro bay được xử lý trong dung dịch
EDTA. Trong trường hợp này, bán kính lỗ xốp cũng tăng nhiều nhất. Khi tro
bay xử lý với dung dịch HCl cho kết quả diện tích bề mặt là lớn nhất được đặc
trưng bởi bán kính lỗ xốp trung bình nhỏ nhất và độ xốp nhỏ nhất so với tất cả
các mẫu được biến đổi hóa học.
Việc chức hóa bề mặt tro bay đã đạt được bằng hỗn hợp axit H2SO4:
HNO3 với thành phần khác nhau và hiệu quả của quá trình oxy hóa không khí
tới nhóm COOH đã được kiểm tra và cho thấy thành phần tối ưu của
H2SO4:HNO3 là 85:15 về thể tích. Kết quả FTIR cho thấy việc bơm không khí
trong quá trình biến tính đã nâng cao khả năng chức hóa của tro bay. Ngoài ra,
việc gắn nhóm cacboxylic trên bề mặt tro bay tăng lên với sự gia tăng nồng độ
HNO3 vào hỗn hợp axit lên đến 15%. Sau đó, sự sụt giảm các nhóm chức axit
22


và gắn một số nhóm không bão hòa đã được phát hiện. Phân tích nhiễu xạ tia X
cho thấy sự gia tăng trong cấu trúc cacbon tinh thể trên bề mặt tro bay biến đổi.
Diện tích bề mặt tro bay biến đổi tăng từ 7,36 m2/g đến 157,76 m2/g trong sự có
mặt của không khí và với nồng độ HNO3 trong hỗn hợp là 15% [66].
Phương pháp xử lý bề mặt ở trên đã làm tăng diện tích bề mặt cũng như
độ xốp của tro bay. Tuy nhiên, việc loại bỏ nước thải chứa kiềm hay axit làm
tăng thêm khó khăn. Ngoài ra, các phương pháp này không thể cải thiện màu
sắc của tro bay do đó đã làm hạn chế ứng dụng rộng rãi tro bay làm chất độn.
Để đáp ứng các yêu cầu cho ngành công nghiệp nhựa nói riêng hay polyme
nói chung, việc phát triển các công nghệ xử lý bề mặt để cải thiện tính chất
của tro bay với giá trị độ trắng cao và diện tích bề mặt lớn là một hướng
nghiên cứu quan trọng đóng vai trò chủ chốt. Theo hướng này, Yang Yu-Fen
và các đồng nghiệp đã xử lý bề mặt tro bay trong tổ hợp Ca(OH)2-H2O-CO2
[67]. Quá trình được thực hiện trong hệ mở với một máy khuấy ở áp suất

thường, nhiệt độ không đổi trong khoảng 85-90ºC, thời gian xử lý từ 0,5-7
giờ. Quá trình phản ứng kết thúc, dung dịch được làm lạnh và khí CO 2 được
thổi qua để trung hòa phần Ca(OH)2 còn dư. Phản ứng trung hòa này hoàn
thành khi pH của dung dịch đạt tới 7, sau đó chất rắn được lọc rửa và sấy khô.
Từ các kết quả phân tích cho thấy, mẫu tro bay sạch ban đầu với kích thước
hạt nhở hơn 45 μm, diện tích bề mặt 2,86 m2/g và độ trắng 36,68, sau khi
được xử lý bề mặt tro bay có diện tích trong khoảng từ 8,69 đến 10,01 m2/g
và tăng độ trắng lên trong khoảng 63,37 đến 73,13. Thử nghiệm khả năng gia
cường của tro bay được xử lý bề mặt cho thấy, bề mặt thô ráp của tro bay đã
ảnh hưởng đến khả năng tiếp xúc và cải thiện khả năng tương tác pha giữa
polypropylen (PP) và tro bay. Kết quả cho thấy với tro bay xử lý bề mặt đều
cho các chỉ số như độ bền kéo đứt, độ bền nén, modul đàn hồi và độ bền uốn
của vật liệu cao hơn so với tro bay không xử lý bề mặt.
1.4.3. Biến tính bề mặt tro bay bằng các hợp chất silan
Ngoài những khó khăn liên quan đến phối trộn, silica nói chung và tro
bay nói riêng là một chất có tính axit do nhóm silanol axit trên bề mặt, chúng
23


sẽ vô hiệu hóa lưu huỳnh cho quá trình lưu hóa cao su. Điều này làm chậm
quá trình lưu hóa, khả năng trộn sẽ khó khăn hơn và tính chất phân tán của
silica ưa nước thường được điều chỉnh với một tác nhân liên kết silan [68].
Phương pháp biến tính các chất độn nói chung bằng các hợp chất silan
ngày càng trở nên phổ biến do có nhiều ưu điểm, đặc biệt là khả năng tăng
cường tính chất của vật liệu. Các tác nhân liên kết 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 liên kết 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 [69]:
(RO)3SiCH2CH2CH-X

Trong đó RO là nhóm có khả năng thủy phân như: metoxy, etoxy hay
axetoxy và X là nhóm hữu cơ chứa các nhóm chức như amin, metacryloxy,
epoxy,… Tùy 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 biến tính tro bay.
Thành phần chủ yếu trong tro bay là các oxit kim loại, vì vậy trên bề mặt của
chúng có chứa các nhóm hidroxyl (-OH). Trong phản ứng silan hóa bề mặt
của tro bay, theo nhiều tài liệu đã đề cập [69,70], quá trình này thường diễn ra
như sau:
 Đầu tiên là sự thủy phân 3 nhóm alkoxy tạo ra các thành phần chứa
silanol (Si-OH).
 Tiếp đó là quá trình ngưng tụ của các silanol tạo ra oligome.
 Các oligome sau đó tạo liên kết hydro với các nhóm OH trên bề mặt
của chất nền.
 Cuối cùng là quá trình làm khô, một liên kết cộng hóa trị được hình
thành đi kèm với sự tách nước.

24


Hình 1.12: Các giai đoạn xảy ra trong quá trình biến tính bề mặt
chất độn bằng hợp chất silan
Phương pháp thông dụng để định tính hợp chất silan gắn trên bề mặt chất
độn như silica hay tro bay là phương pháp phổ hồng ngoại thông qua xác định
các nhóm chức đặc trưng có trong hợp chất silan xuất hiện trên phổ. Tác giả
Thái Hoàng và cộng sự [70] đã nghiên cứu biến tính tro bay bằng hợp chất 3glycidoxy propyl trimetoxy silan (GPTMS), kết quả cho thấy trên phổ hồng
ngoại của tro bay biến tính silan (hình 3.13) xuất hiện thêm các pic ở các
vùng 2850-2983 cm-1 ứng với liên kết C-H trong -CH2, -CH3 và các pic ở
1245 và 910 cm-1 ứng với liên kết đơn C-O của hợp chất silan. Điều đó chứng
tỏ, sau khi biến tính tro bay bằng GPTMS đã xuất hiện liên kết giữa tro bay
với silan hữu cơ, tro bay biến tính trở nên ưa hữu cơ hơn, có thể trộn lẫn và

bám dính với nền poolyme hữu cơ tốt hơn.

25