Nghiên cứu tăng cường khả năng tương tác pha của khoáng talc với chất nền polypropylen

Danh mục các bảng Bảng 1.2 Tiêu chuẩn một số thương phẩm talc trên thị trường thế giới 9 Bảng 1.4 Các lĩnh vực sử dụng quặng Talc được sản xuất tại Mỹ 11 Bảng 1.5 Cải thiện tính chất đi

TÓM TẮT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa Công nghệ Môi trường

Người hướng dẫn khoa học:

ThS NGUYỄN VIỆT DŨNG PGS TS NGÔ KẾ THẾ

HÀ NỘI – 2015

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận này được thực hiện tại Phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme&Compozit, Viện khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới ThS Nguyễn Việt

Dũng và PGS.TS Ngô Kế Thế, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa

Học và Công Nghệ Việt Nam đã giao đề tài và nhiệt tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này

Em xin chân thành cảm ơn các anh chị trong Phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme và Compozit đã chỉ bảo và giúp đỡ em trong thời gian qua

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa học trường Đại đại học Sư phạm 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 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

Em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 08 tháng 05 năm 2015

Sinh viên

Mạc Thị Thu Nga

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và thầy hướng dẫn 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 08 tháng 05 năm 2015

Sinh viên

Mạc Thị Thu Nga

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH

1 Danh mục các bảng

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn một số thương phẩm talc trên thị trường thế

giới

9

Bảng 1.4 Các lĩnh vực sử dụng quặng Talc được sản xuất tại Mỹ 11 Bảng 1.5 Cải thiện tính chất điện với tác nhân phân tán silan xử

lý thạch anh gia cường cho nhựa epoxy

21

Bảng 3.2 Khối lượng suy giảm và độ ngấm dầu của các mẫu talc

biến đổi ở các nồng độ khác nhau

Hình 1.5 Ứng dụng talc trong các ngành công nghiệp ở Hoa Kỳ

các năm 2003 và 2011

9

Hình 1.7 Bề mặt chất độn sau khi được biến đổi bằng hợp chất

silan

17 Hình 1.8 Chất độn được xử lý bề mặt bằng silan phân tán dễ 17

dàng hơn trong chất nền polyme Hình 1.9 Cơ chế bảo vệ tái kết tụ các hạt chất độn của hợp chất

silan

18

Hình 1.10 Sử dụng TiO2 xử lý bề mặt bằng silan làm giảm %

momen xoắn và nồng độ chất đưa vào cao hơn

Hình 3.4 Cơ chế silan hóa bề mặt bột talc với sự có mặt của tác

nhân axit

32

Hình 3.6 Phổ FT-IR của mẫu bột talc biến đổi với 1% (a), 2%

Hình 3.8 Biểu diễn phổ hồng ngoại của các mẫu bột talc biến đổi

trong dung dịch chứa 2% γ-MPTMS ở các nhiệt độ 40°C, 60°C và 90°C

38

Hình 3.9 Ảnh SEM mẫu vật liệu polypropylen chứa (a) bột talc

ban đầu và (b) bột talc biến đổi bề mặt

40

Hình 3.10 Độ bền giãn dài của các mẫu vật liệu polypropylen

chứa 40% bột khoáng talc có và không có biến đổi bề mặt

41

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Khoáng chất talc và các đặc điểm cơ bản 3

1.2 Đặc điểm nguồn gốc khoáng chất talc 5

1.3 Phân loại khoáng chất talc 7

1.4 Các ứng dụng của khoáng chất talc 9

1.5 Tiềm năng khoáng chất talc 13

1.5.1 Tiềm năng khoáng chất talc trên thế giới 13

1.5.2 Tiềm năng khoáng chất talc Việt Nam 14

2.2 Cơ sở lý thuyết quá trình biến đổi bề mặt 14

2.2.1 Các đặc tính của khoáng talc liên quan đến quá trình biến đổi bề mặt 14

2.2.2 Biến đổi bề mặt bột khoáng bằng các hợp chất silan 15

2.2.3 Biến đổi bề mặt bột talc 23

Chương 2 THỰC NGHIỆM 24

2.1 Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu 24

2.1.1 Nguyên vật liệu 24

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu và thiết bị khảo sát 24

2.1.3 Nghiên cứu thử nghiệm khả năng gia cường khoáng talc cho vật liệu polypropylen 26

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 Phân tích đánh giá bột talc Phú Thọ 29

3.1.1 Thành phần hóa học 29

3.1.2 Phân tích nhiệt bột talc 30

3.2 Nghiên cứu biến đổi bề mặt khoáng talc bằng hợp chất silan 32

3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ hợp chất silan đến phản ứng biến đổi

bề mặt khoáng talc 33

3.2.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến quá trình biến đổi bề mặt 36

3.2.3.Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến quá trình biến đổi bề mặt khoáng talc 38

3.3 Thử nghiệm khả năng gia cường của khoáng talc biến đổi bề mặt với chất nền polypropylen 40

3.3.1 Hình thái bề mặt gẫy vật liệu 40

3.3.2 Độ bền giãn dài 41

KẾT LUẬN 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Năm 2012, Bộ Công Thương đã nghiệm thu một đề tài cấp nhà nước về chế biến khoáng sản Talc vùng Phú Thọ do Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam chủ trì thực hiện Kết quả của đề tài đã tạo ra được sản phẩm bột khoáng talc chất lượng cao có thể ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau

Trong các lĩnh vực cao su, sơn, vật liệu phủ và đặc biệt là trong lĩnh vực chất dẻo (PP, PE, EVA,…) talc là một chất gia cường có hiệu quả Không chỉ làm cho quá trình gia công trở nên dễ dàng hơn, việc sử dụng bột talc còn đem lại nhiều tính chất quý cho sản phẩm Tuy nhiên, cũng như nhiều vật liệu

vô cơ khác như sợi thuỷ tinh, mica, các oxit kim loại talc thường tương tác

bề mặt kém với các vật liệu polyme Khi sử dụng talc làm chất gia cường cho các loại vật liệu polyme thì cần phải nâng cao độ tương tác giữa các pha để sản phẩm đạt được các tính năng cơ lý hoá cao Tùy thuộc vào lĩnh vực ứng dụng mà bột khoáng talc cần được biến tính bề mặt để tạo ra sự tương tác thích hợp của talc với các vật liệu nền lựa chọn

Trong khuân khổ của một khóa luận tốt nghiệp, em đã thực hiện đề tài

“Nghiên cứu tăng cường khả năng tương tác pha của khoáng talc với chất nền polypropylen” để biến đổi bề mặt khoáng talc Phú Thọ bằng hợp chất γ-

metacryloxypropyltrimetoxysilannhằm nghiên cứu sâu về điều kiện phản ứng biến đổi bề mặt, từ đó nâng cao khả năng tương tác pha của chất độn khoángvới chất nền polypropylen, mở rộng ứng dụng loại bột khoáng này trong các loại vật liệu polyme kết cấu

2 Mục đ ch nghi n cứu

Nghiên cứu biến đổi bề mặt bột khoáng talc bằng hợp chất silan để tăng cường khả năng tương hợp với nền polypropylen

3 Nhi m vụ nghi n cứu

 Nghiên cứu, đánh giá các đặc tính khoáng talc Phú Thọ

 Nghiên cứu ảnh hưởng các điều kiện phản ứng đến quá trình biến đổi bề mặt khoáng talc

 Đánh giá hiệu quả của phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc bằng các phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR, phân tích nhiệt TGA và độ hấp thụ dầu

 Thử nghiệm khả năng gia cường khoáng talc biến đổi bề mặt với chất nền polypropylen, đánh giá khả năng tương tác pha trong vật liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Khoáng chất talc và các đặc điểm cơ bản

Talc là một khoáng vật silicat lớp của magie hydrat, có công thức là

Mg3Si4O10(OH)2 Cấu trúc của talc bao gồm lớp bát diện magie liên kết kẹp giữa hai lớp tứ diện silic (Hình 1.1) Các lớp đơn vị cấu trúc này liên kết với nhau bằng lực liên kết yếu Van Der Waals, do vậy mà chúng rất dễ tách ra khỏi nhau [1] Tinh thể talc kết tinh trong hệ ba nghiêng hoặc đơn nghiêng có hình thái dạng tấm, dạng hạt, dạng sợi (Hình 1.2) [2]

Hình 1.1.Cấu trúc khoáng vật talc [1] Hình 1.2 Talc dưới kính hiển vi điện tử

quét SEM

Talc rất đặc trưng bởi độ mềm của nó Trên thang độ cứng Mohs talc có

độ cứng là 1, thấp nhất so với các khoáng chất khác trong tự nhiên và có thể vạch móng tay lên được Ngoài ra, talc rất mịn, nó cho cảm giác trơn bóng như xà phòng (do đó “đá xà phòng” được dùng để gọi một loại đá biến chất

có thành phần chính là talc) Talc có tính chất cách điện, cách nhiệt, nhiệt độ nóng chảy cao, độ giãn nhiệt thấp, bền hóa học, hấp thụ dầu, kị nước, ưa hợp chất hữu cơ và diện tích bề mặt lớn [3,4]

Với công thức hóa học như trên, thành phần hóa học lý thuyết của talc là MgO chiếm 31,7%, SiO2 chiếm 63,5%, và H2O chiếm 4,8% Tuy nhiên, thành phần hóa học và khoáng vật của đá talc thường rất đa dạng, phụ thuộc vào tổ hợp đá mẹ và lịch sử địa chất của vùng Các khoáng vật đi cùng với talc thường là chlorit, tremolit và các carbonat như magnesit, calcit và dolomit Trong cấu trúc tinh thể khoáng vật talc, một lượng nhỏ Fe2+

và Fe3+ có thể thay thế đồng hình cho magie (Mg) và một phần rất nhỏ của Al3+

có thể thay thế Si4+[27] Sự đa dạng về thành phần do khoáng vật đi kèm và thay thế đồng hình sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và kéo theo hạn chế hoặc lợi thế trong ứng dụng talc [4]

Hình 1.3 Một số quặng talc có màu khác nhau [5]

Talc có tỉ trọng thực tế khoảng 2,58 - 2,83 g/cm3 (giá trị tỉ trọng theo tính toán là 2,78 g/cm3) Talc có ánh mờ, màu xanh lá cây nhạt đến đậm, trắng, trắng phớt xám, trắng phớt vàng, trắng phớt nâu và nâu (Hình 1.3), talc có thể không màu trong lát mỏng thạch học [2]

Kích thước của các hạt talc riêng rẽ (gồm rất nhiều các lớp đơn vị cấu trúc cơ sở) có thể thay đổi từ 1μm đến trên 100μm phụ thuộc vào quá trình hình thành Tùy từng mỏ, talc có thể có dạng tấm với các hạt riêng rẽ lớn, trong khi có những mỏ, talc tồn tại ở hạt riêng rẽ, kích thước rất nhỏ

Talc tinh khiết có thể bền nhiệt tới 930°C, mất nước cấu trúc trong khoảng 930 - 970oC tạo thành enstatit (MgSiO3) Thông thường các sản phẩm talc thương mại giảm khối lượng ở dưới 930°C do có chứa carbonat - phá hủy

ở 600°C và chlorit - mất nước ở 800°C Talc nóng chảy ở nhiệt độ 1200°C [6]

1.2 Đặc điểm nguồn gốc khoáng chất talc

Talc là khoáng vật có nguồn gốc biến chất bao gồm cả biến chất tiếp xúc

và biến chất khu vực, nguồn gốc biến đổi nhiệt dịch các đá phun trào mafic và siêu mafic chứa magie Khoáng vật này thường có mặt trong đá biến chất như một khoáng vật thứ sinh [7, 5] Các phản ứng hình thành talc được công bố trong tài liệu của Deer et al [8]

Talc có thể được hình thành do biến đổi các khoáng vật giàu magie như serpentin, pyroxen, amphibol, olivin, với sự có mặt của carbonic và nước:

Serpentin + Carbon-dioxit → Talc + Magnesit + Nước

2Mg3Si2O5(OH)4 + 3CO2 = Mg3Si4O10(OH)2 + 3MgCO3 + 3H2O Talc cũng có thể được hình thành thông qua phản ứng giữa dolomit và oxit silic - đây là một quá trình skarn hóa điển hình:

Dolomit + Thạch anh + Nước → Talc + Calcit + Carbon-dioxit

3CaMg(CO3)2 + 4SiO2 + H2O = Mg3Si4O10(OH)2 + 3CaCO3 +3CO2

Hoặc talc cũng có thể được hình thành do chlorit phản ứng với thạch anh trong các đá phiến lục, đá biến chất tướng eclogit:

Chlorit + Thạch anh + Oxy → Talc + Kyanit + Hematit + Nước

200(Mg3.97,Al2.5,Fe0.5)(Si2.9)O10(OH)8 + 711SiO2 + 14O2 →

274Mg2.9Al0.19Si3.9O10(OH)2 + 223Al2SiO5 + 50Fe2O3 + 526H2O

Ở phản ứng sau cùng này, tỉ lệ talc và kyanit cũng phụ thuộc vào hàm lượng nhôm trong các đá đá phản ứng giàu nhôm Quá trình này xảy ra trong điều kiện áp suất cao và nhiệt độ thấp thường có thể tạo ra phengit, granat, glaucophan trong tướng phiến lục Đá talc hình thành trong điều kiện này đa số

có màu trắng, dễ vỡ vụn và dạng sợi Chúng thường được gọi là đá phiến trắng Trong 4 loại hình mỏ talc, có hai loại mỏ talc chính chiếm tới 90% tổng trữ lượng talc toàn thế giới, đó là các mỏ nhiệt dịch trong đá siêu mafic hay đá serpentin và mỏ liên quan đến các phân vị địa tầng giàu dolomit, hai loại mỏ không phổ biến là mỏ liên quan đến đá alumo-silicat và các mỏ trầm tích magie [7, 3, 5]

Hình 1.4 Sự phân bố các mỏ talc trên thế giới [5]

Hình 1.4 cho thấy sự phân bố các mỏ talc trên thế giới, trong đó chủ yếu

là ở Châu Âu, Trung Quốc, Bắc Mỹ… Sơ đồ cũng cho thấy các mỏ đá chứa

talc là dolomit phổ biến hơn các mỏ đá chứa talc là siêu mafic Các mỏ talc với đá mẹ là dolomit thường cho loại talc tinh khiết nhất Thành phần của các loại đá này thường chứa khoảng 30 - 100% talc, 0 - 70% chlorit/carbonat, và 0,1 - 0,5 thạch anh Loại mỏ trong đá siêu mafic là do biến đổi nhiệt dịch các

đá mẹ mafic và siêu mafic giàu magie - dung dịch nhiệt dịch phản ứng với các khoáng vật mafic như olivin, pyroxen, amphibol tạo thành serpentin, sau đó tạo thành talc Vì vậy đá loại này thường chứa talc, magnesit, chlorit, các khoáng vật khác, và không có hoặc rất ít thạch anh Do loại đá này ít tinh khiết hơn so với loại đá chứa là dolomit nên quặng thô cần được nâng cấp để nâng hàm lượng talc và độ trắng trước khi sử dụng trong các lĩnh vực công nghệ khác nhau, chẳng hạn như quặng talc ở Phần Lan, Nauy, Thụy Điển, Canada, Nga…

Các mỏ talc lớn trên thế giới ở Texas, Georgia và New York của Hoa Kỳ; The Piedmont, Lombardy và Sardinia của Italia; và vùng Luzenac của Pháp

1.3 Phân loại khoáng chất talc

Talc được phân loại theo thành phần khoáng vật, hình thái và yếu tố địa

lý [1] Sự phân loại này giúp định hướng cho quá trình chế biến và sử dụng talc

Talc dạng tấm: loại talc này có cấu trúc dạng tấm rõ ràng, rất mềm mịn,

thường chứa tới >90% khoáng vật talc (có thể tự nhiên hoặc có thể do đã chế biến) Loại talc này có thể được sử dụng trong mỹ phẩm, dược phẩm, và chất độn tăng cường

Talc steatit: là loại talc có độ tinh khiết cao, đặc sít, hạt rất mịn (có thể

do nghiền) Loại talc này có tính chất cách điện cao và được sử dụng trong sản xuất sứ cách điện Đây là thứ talc thương phẩm tinh khiết nhất

Đá xà phòng: là loại talc ít tinh khiết hơn talc steatit, có thể được chạm

khắc, xẻ, khoan hoặc chế biến Do có tính chất bền hóa học, độ chịu nhiệt cao

và đặc sít, talc dạng này có thể dùng để chế tạo các sản phẩm như bồn, bếp lò

Talc tremolit: là loại talc hạt mịn nhưng rất cứng, thường chứa <50%

khoáng vật talc, nhưng các tính chất lại bị quyết định bởi khoáng vật tremolit cứng và khoáng vật serpentin dạng tấm, mịn Đá talc dạng này cũng có thể chứa một lượng nhỏ anthophyllit (khoáng vật nhóm amphibol) dạng lăng trụ,

và chút ít các carbonat và thạch anh Nó thiếu các đặc tính dạng tấm, mềm, kị nước của talc và thường không được kể đến trong các ứng dụng truyền thống của talc Tuy nhiên, lợi dụng các tính chất không điển hình này mà talc dạng này được ứng dụng trong sản xuất sứ gốm và sơn

Ngoài ra, phân loại talc còn được gọi tên theo địa danh, chẳng hạn talc New York, Vermon, Montalca, Texas, Canada, Italia, Trung Quốc… với các đặc trưng khác nhau Chẳng hạn, talc Vermon thường chứa 20-30% magie, chủ yếu để làm chất độn, ngoài ra còn chế biến và dùng trong mỹ phẩm, dược phẩm; talc Montalca nổi tiếng với độ tinh khiết và độ trắng cao; trong khi đó talc Texas có màu xám hoặc đen do chứa vật chất hữu cơ; talc New York thì

là loại talc tremolit Talc Italia nổi tiếng là loại tinh khiết nhất trên thế giới Talc còn được phân loại theo chuẩn chất lượng ISO 3262 [9] như trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn chất lượng talc theo ISO 3262

lƣợng talc

Mất khi nung ở

1000°C (%)

Khả năng hòa talc

trong HCl tối đa (%)

1.4 Các ứng dụng của khoáng chất talc

Với các tính chất về quang học (độ trắng), nhiệt (chịu nhiệt, ổn định nhiệt), hóa học (độ tinh khiết, độ mất khi nung, độ trơ, ái lực với các chất hữu cơ), vật lý (kích thước hạt, độ mịn, kết cấu dạng tấm, tỉ trọng)… talc được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như gốm sứ, sơn, giấy, vật liệu lợp, chất dẻo, mỹ phẩm và dược phẩm [1, 10, 3] Tỉ lệ ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau cũng đa dạng ở các quốc gia khác nhau và thay đổi tùy theo từng năm,hình 1.5 giới thiệu cơ cấu sử dụng khoáng chất talc trong nền công nghiệp Mỹ năm 2003 [3], và năm 2011 [11]

1 Bột khoáng talc sử dụng cho ceramic, sơn và polyme

(4-18) 1.3 Khả năng hòa talc trong HCl, tối đa (Loại A- B- C) % 5- 10- 30

2 Bột khoáng talc sử dụng cho dược phẩm và hóa mỹ phẩm

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn chất lượng theo ISO (ISO 3262)

Loại Talc Hàm lƣợng Talc

trung bình (%)

Mất khi nung ở

1000°C (%)

Khả năng hòa talc

trong HCl tối đa (%)

Bảng 1.4 Các lĩnh vực sử dụng quặng Talc được sản xuất tại Mỹ

Talc cũng được dùng trong thức ăn hay trong dược phẩm Talc trong thuốc uống có vai trò là chất pleurodesis để chống lại chứng tràn khí màng phổi Theo Liên Minh Châu Âu chất này có số hiệu là E553b

Talc được dùng rộng rãi trong công nghiệp gốm sứ Trong gốm nghệ thuật, talc được thêm vào để làm tăng độ trắng và tăng khả năng chịu nhiệt khi nung tránh nứt vỡ Trong men sứ, một lượng nhỏ talc được thêm vào để làm tăng độ bền và làm chảy thủy tinh Là nguyên liệu sản xuất MgO bởi quá trình điện phân nóng chảy

Ứng dụng của bột Talc trong ngành công nghiệp ô tô

Mỗi năm có khoảng 200 nghìn tấn bột talc kỹ thuật được trộn với

polypropylen (PP) Loại bột talc này họat động như những chất gia cường, tạo độ cứng, chống biến dạng ở nhiệt độ cao và tăng độ ổn định về kích thước sản phẩm nhựa PP

Xu hướng hiện nay trong ngành công nghiệp ô tô là chế tạo các bộ phận mỏng, nhẹ và kích thước chính xác, điều này đòi hỏi nhựa có tính lưu biến cao hơn Mặt khác, các nhựa có độ nóng chảy cao lại hay bị giòn

Vừa qua, Công ty Rio Tinto Minerals đã phát triển một loại bột talc (HAR) siêu mịn, cho phép định vị tốt các hạt trong quá trình đúc bằng áp lực, do có độ phân tán tốt hơn trong nhựa nên duy trì độ cứng cho các phụ tùng đúc [22]

Bột talc HAR làm tăng hệ số uốn cong lên 20%, tăng nhiệt độ biến dạng của hợp chất PP với hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn 20% và tỉ lệ co ngót thấp trong khi không làm giảm độ dẻo của các bộ phận đúc Loại PP chứa bột talc HAR được dùng bên ngoài các bộ phận của ô tô (bộ giảm chấn, bộ phận cân bằng và tấm chắn bùn) và các bộ phận cần chống va đập cao

Trong cao su, bột talc được dùng làm chất phụ gia cho quá trình chế biến và làm chất độn gia cường Bột talc cũng giúp các nhà sản xuất lốp xe giảm độ dày

và trọng lượng của lốp Việc này không chỉ làm tăng sức cản lăn mà nó còn khiến cho lốp xe được sản xuất rẻ hơn nhiều Cao su bổ sung bột talc HAR cũng có thể dẫn đến tiết kiệm giá thành trong khi độ thấm không khí không thay đổi so với dùng nguyên cao su

Các xe ô tô hiện nay chứa tới 1.000 các thành phần từ cao su và chất dẻo, trung bình một xe ô tô sử dụng tới 8 kg bột talc

Sử dụng bột talc không thấm nước trong lốp xe giúp các nhà sản xuất chế tạo

ra những lốp nhẹ và mỏng hơn với sức cản lăn thấp, và tiêu thụ nhiên liệu ít hơn Bột talc cũng tiết kiệm năng lượng do việc giảm độ nhớt của hợp chất cao su làm cho các bộ phận đúc và ép dễ dàng hơn, thiết bị khuôn ít bị mài mòn hơn

Giá thành các loại sản phẩm talc phụ thuộc vào độ sạch, độ mịn, độ trắng

và hàm lượng của các tạp chất kim loại nặng Thông thường talc càng tinh khiết, càng trắng, và càng mịn thì chất lượng càng cao và giá thành cũng tăng lên Các hợp phần hóa học không có lợi trong talc thường bao gồm thạch anh, oxit và hydroxit sắt Giá trung bình của bột talc thông thường là 100 USD/tấn Loại đặc biệt bột talc “sạch”, các tạp chất kim loại nặng thấp sử dụng cho dược phẩm và hóa mỹ phẩm có thể có giá từ 900 - 1.000 USD/ tấn hoặc hơn

1.5 Tiềm năng khoáng chất talc

1.5.1 Tiềm năng khoáng chất talc trên thế giới

Theo thống kê của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ năm 2012 [11], trữ lượng talc của Hoa Kỳ là 615 triệu tấn Trữ lượng talc và pyrophyllit của một

số nước như Brazil, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc cũng được thống kê trong báo cáo này với các con số tương ứng là 420 triệu, 650 triệu, 360 triệu, và 700 triệu tấn Riêng Trung Quốc có trữ lượng lên tới 2000 triệu tấn Các con số nói trên cũng bao gồm trữ lượng pyrophyllit đáng kể [11] Theo Weiping & Dechen [12] thì trữ lượng talc của Trung Quốc chiếm khoảng 22% trữ lượng talc trên toàn thế giới Như vậy, trữ lượng talc trên toàn thế giới vào khoảng 1,136 tỉ tấn

Tuy nhiên, triển vọng talc trên toàn thế giới có thể lớn hơn nhiều, chẳng hạn theo thống kê của Cục Địa chất Ấn Độ (Indian Bureau of Mines, 2009), trữ lượng talc tính đến năm 2005 là 312 triệu tấn (trong khi theo Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ năm 2007, chỉ có 4 triệu tấn như đã đề cập ở trên) Số liệu trữ lượng cơ sở (reserve base), bao gồm trữ lượng kinh tế hiện có, trữ lượng

có khả năng khai thác đạt hiệu quả kinh tế, và trữ lượng hiện tại chưa có khả năng khai thác đạt hiệu quả kinh tế trong thống kê của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ năm 2007 cũng cho thấy trữ lượng cơ sở talc của Hoa Kỳ là 540 triệu

tấn, trữ lượng cơ sở talc và pyrophyllit của Brazil, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc tương ứng là 250 triệu, 9 triệu, 160 triệu và 18 triệu tấn Như vậy, tổng trữ lượng cơ sở của 5 quốc gia kể trên đã là gần 1 tỉ tấn

Theo Agnello [3] hầu hết các mỏ đang khai thác chỉ có các thân quặng với trữ lượng dưới 2 triệu tấn, và có thời gian khai thác ước tính từ 45 đến 90 năm Trung Quốc là quốc gia nắm giữ trữ lượng talc lớn nhất thế giới Hàng năm, sản lượng talc và pyrophylit khai thác ở Trung Quốc là vào khoảng 2-3 triệu tấn

1.5.2 Tiềm năng khoáng chất talc Việt Nam

Ở Việt Nam, chỉ riêng tại 16 tụ khoáng và điểm quặng talc đã phát hiện tập trung chủ yếu ở khu vực Tây Bắc Bộ đã có trữ lượng vào khoảng 7 triệu tấn Có hai loại hình quặng gồm talc trong các thân xâm nhập siêu mafic và mafic bị biến đổi nhiệt dịch và talc trong dolomit bị biến đổi nhiệt dịch [13-16]

Mỏ talc Thanh Sơn là mỏ có giá trị công nghiệp đã được thăm dò trữ lượng và cấp phép khai thác cho Công ty TNHH Tân Thành Minh, đơn vị phối hợp thực hiện đề tài nghiên cứu này Do đó, đề tài “nghiên cứu công nghệ chế biến khoáng chất talc Phú Thọ làm nguyên liệu cho ngành sản xuất ceramic, sơn, dược phẩm và hóa mỹ phẩm” tập trung vào nghiên cứu đối tượng quặng talc của vùng mỏ talc Thanh Sơn

2.2 Cơ sở lý thuyết quá trình biến đổi bề mặt [23-30]

2.2.1 Các đặc tính của khoáng talcliên quan đến quá trình biến đổi bề mặt

Độ cứng của khoáng talc là thấp nhất trong các loại khoáng thường gặp, điều này làm cho quá trình nghiền bột talc gặp khó khăn Độ phân bố kích

thước bột talc thường rộng nên ảnh hưởng đến quá trình biến đổi và xử lý bề mặt talc

Cấu trúc của talc bao gồm lớp bát diện magie liên kết kẹp giữa hai lớp tứ diện silic Tinh thể talc có dạng hình vẩy, lực liên kết giữa các vảy nhỏ nên sờ tay có cảm giác mỡ Các vẩy hay phiến lá bột talc có khả năng che chắn tốt,

đã làm gia tăng các tính chất của màng sơn như bền với các môi trường xâm thưc, bền hóa chất và chịu nhiệt

Trên bề mặt các lớp của talc không có các nhóm hydroxyl, nhờ có đặc tính này mà talc ưa dầu hơn Độ hấp thụ dầu của talc cao hơn nhiều so với khoáng mica-sericit hay tro bay Như vậy bột talc có thể phân tán tốt trong nền polyme, tuy nhiên biến đổi bề mặt khoáng talc vẫn không thể bỏ qua để nâng cao chất lượng của vật liệu

Các nhóm hydroxyl tồn tại ở các cạnh phía bên của các lớp khoáng talc với mật độ không cao nên việc biến đổi bề mặt của talc gặp nhiều khó khăn

2.2.2 Biến đổi bề mặt bột khoáng bằng các hợp chất silan

Các hợp chất silan là các hợp chất hóa học của nguyên tử silic với hợp chất hóa học đơn giản nhất là SiH4 (silan) Trong các hợp chất silan, nếu có chứa ít nhất 1 liên kết Si-C được gọi là các hợp chất silan hữu cơ

Tác nhân ghép nối silan là các hợp chất hóa học của nguyên tử silic có chứa hai nhóm hoạt động trên cùng một nguyên tử với cấu trúc điển hình của

nó là:

(RO)3SiCH2CH2CH2-X Trong đó RO là nhóm có khả năng thủy phân như: metoxy, etoxy hay acetoxy,…và X là nhóm chức hữu cơ như: amino, metacryloxy, epoxy,…

Những nhóm này thể hiện vai trò chức năng khác nhau và có thể phản ứng lần lượt Một tác nhân ghép silan sẽ hoạt động ở bề mặt phân cách pha giữa chất vô cơ (như thủy tinh, kim loại hay khoáng chất) và một vật liệu hữu

cơ (như polime hữu cơ, chất phủ hay chất kết dính) để liên kết hay ghép nối hai loại vật liệu không giống nhau này

Silan có thể thực hiện tương tác giữa các đế vô cơ như thuỷ tinh, kim loại hay khoáng chất với các vật liệu hữu cơ như cao su hay polyme tạo thành các liên kết hoá học hay kết nối khác

Quá trình biến đổi bề mặt

khoáng xảy ra qua bốn giai đoạn:

1 Đầu tiên 3 nhóm alkoxy bị

thuỷ phân tạo ra các thành

khô cùng với sự tách nước

tạo thành các liên kết hóa trị

giữa hợp chất silan với chất

nền

Hình 1.6 Cơ chế phản ứng

silan hóa trên bề mặt chất độn

Sau khi được biến đổi bề mặt, các chất độn hay chất màu sẽ xuất hiện các nhóm chức của phân tử silan trên bề mặt của chúng:

Hình 1.7 Bề mặt chất độn sau khi được biến đổi bằng hợp chất silan

Hợp chất silan trước hết được biết đến như là tác nhân làm cho quá trình tạo mẫu các vật liệu polyme có chứa các chất độn rắn vô cơ và chất màu trở nên dễ dàng và ổn định, các chất phân tán tốt hơn

Bề mặt của chất độn được chức hóa để cải thiện khả năng tương tác pha với chất nền polyme thông qua các tương tác hay các phản ứng hóa học giữa polyme và các nhóm chức trên phân tử silan Nhóm chức trên phân tử silan được lựa chọn để tương thích với chất nền polyme

Hình 1.8 Chất độn được xử lý bề mặt bằng silan phân tándễ

dàng hơn trong chất nền polyme

Việc xử lý chất độn bằng các hợp chất silan cũng tạo ra các lớp bảo vệ

để ngăn cản quá trình tái kết tụ của các hạt:

Hình 1.9 Cơ chế bảo vệ tái kết tụ các hạt chất độn của hợp chất silan

Trong các lĩnh vực vật liệu cao su, sơn, nhựa, việc biến đổi bề mặt chất độn bằng các hợp chất silan sẽ có những tác dụng cơ bản sau:

a Tăng khả năng phân tán

Sử dụng các tác nhân phân tán silan đưa đến sự cải thiện đáng kể khả năng phân tán của các chất độn và chất màu trong các hệ polyme.Các hệ polyme đó có thể là nhựa nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo hoặc cao su,…

Các hợp chất alkoxysilan giống như Methyltrimethoxysilane - CH3Si(OCH3) sẽ tạo ra các lớp bảo vệ để giảm xuống thấp nhất khả năng tái kết tụ của các hạt chất độn và bịt kín ảnh hưởng của bề mặt đến tính chất lưu hóa và tính chất điện của nhựa

-Đối với các hệ nhựa nhiệt dẻo, việc cải thiện khả năng phân tán sẽ dẫn đến các kết quả:

- Nồng độ chất độn hay chất màu đưa vào hệ cao hơn

- Độ nhớt của vật liệu thấp hơn

- Khuyết tật trên bề mặt vật liệu thấp hơn

- Tính chất cơ lý tốt hơn

- Tính chắn sáng của các chất màu tốt hơn (ví dụ: TiO2)

Với các hệ nhựa rắn, khả năng phân tán của chất độn tốt hơn thường đưa đến kết quả làm giảm khả năng tạo bọt không khí trong sản phẩm, độ nhớt ở trạng thái lỏng thấp hơn Cho phép chảy dễ dàng hơn trong quá trình tạo mẫu

và làm tăng khả năng sử dụng tỷ lệ các chất độn giá rẻ

Hình dưới cho biết ảnh hưởng của việc xử lý bề mặt bằng hợp chất silan đến nhiệt độ nóng chảy và phần trăm mômen xoắn trong quá trình tạo bán thành phẩm PE/TiO2 ở nồng độ 80% TiO2