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

Danh mục cầc bàng__ 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 11Bảng 1.5 Cải thiện tính chất đi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI 2 KHOẲ HÓA HỌC

Chuyên ngành: Hóa Công nghệ Môi trường

Người hướng dẫn khoa học:

ThS NGUYỄN VIỆT DŨNG PGS TS NGÔ KÊ THÊ

HÀ NỘI-2015

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận này được thực hiện tại Phòng Nghiên cún 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

Việt Nam đã giao đề tài và nhiệt tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khóaluận 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 đạihọc Sư phạm Hà Nội 2 đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản trong quá trình họctập để em có thể hoàn thành khóa luận này

Quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp trong thời gian ngắn không tránh khỏimột số sai sót Vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo của các thầy cô và cácbạn 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 cún của riêng tôi và thầy hướng dẫn.Các kết quả nghiên cứu, số liệu được trình bày trong khóa luận là hoàn toàn trungthực và không trùng với kết quả của tác giả khác

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu

Mạc Thị Thu Nga

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH 1 Danh mục cầc bàng

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 11Bảng 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

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

2003 và 2011

9

Hình 1.6 Cơ chế phản ứng silan hóa trên bề mặt chất độn 16

Hình 1.7 Be mặt chất độn sau khi được biến đối bằng hợp chất silan 17

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu

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

dàng hơn trong chât nên 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 Ti02 xử lý bề mặt bằng silan làm giảm % momen

xoắn và nồng độ chất đưa vào cao hơn

Hình 3.2 Giản đồ phân tích nhiệt DTA-TG mẫu talc Phú Thọ 31

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% (b), 4%

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

dung dịch chứa 2% y-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

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỐNG 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 khoảng chất talc trên thế giới 13

1.5.2 Tiềm năng khoảng 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 quả trình biến đói bề mặt 14

2.2.2 Biến đoi bề mặt bột khoảng bang các hợp chất silan 15

2.2.3 Biến đoi bề mặt bột talc 23

Chương 2 THỤC NGHIỆM 24

2.1 Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cún 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 nghiêm khả năng gia cường khoảng talc cho vật liệu polypropylen 26

Chương 3 KÉT QUẢ VÀ THĂO 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

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu

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

3.2.1 Anh hưởng của nồng độ hợp chất sỉlan đến phản ứng biến đói bề mặt khoảng 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 ỉ Hình thải bề mặt gẫy vật liệu 40

3.3.2 Độ bền giãn dài 41

KÉT 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 Ket 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

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu

giữa các pha để sản phẩm đạt được các tính năng cơ lý hoá cao Tùy thuộc vào lĩnh vựcứng dụng mà bột khoáng talc cần được biến tính bề mặt để tạo ra sự tương tác thích hợpcủa talc với các vật liệu nền lựa chọn

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

biến đổi bề mặt khoáng talc Phú Thọ bằng hợp chất metacryloxypropyltrimetoxysilannhằm nghiên cứu sâu về điều kiện phản ứng biến đổi

y-bề mặt, từ đó nâng cao khả năng tương tác pha của chất độn khoángvới chất nềnpolypropylen, mở rộng úng dụng loại bột khoáng này trong các loại vật liệu polyme kếtcấu

2 Mục đích nghiên cứu

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

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

> Nghiên cún, đánh giá các đặc tính khoáng talc Phú Thọ

> Nghiên cứu ảnh hưởng các điều kiện phản úng đến quá trình biến đổi bềmặt khoáng talc

> Đánh giá hiệu quả của phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc bằng cácphương pháp phổ hồng ngoại FT-IR, phân tích nhiệt TGA và độ hấp thụdầu

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

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

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu

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

Mg 3 Si 4 Oio(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 kếtyếu Van Der Waals, do vậy mà chúng rất dễ tách ra khỏi nhau [1] Tinh thể talc kết tinhtrong hệ ba nghiêng hoặc đơn nghiêng có hình thái dạng tấm, dạng hạt, dạng sợi (Hình1.2) [2]

Talc rất đặc trung 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 lênđược Ngoài ra, talc rất mịn, nó cho cảm giác trơn bóng như xà phòng (do đó “đá xàphòng” được dùng để gọi một loại đá biến chất có thành phần chính là talc) Talc có tínhchất cách điện, cách nhiệt, nhiệt độ nóng chảy cao, độ giãn nhiệt thấp, bền hóa học, hấpthụ 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 MgOchiếm 31,7%, Si02 chiếm 63,5%, và H20 chiếm 4,8% Tuy nhiên, thành phần hóahọc và khoáng vật của đá talc thường rất đa dạng, phụ thuộc vào tổ hợp đá mẹ vàlịch sử địa chất của vùng Các khoáng vật đi cùng với talc thường là chlorit, tremolit

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

quét SEM

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu

và các carbonat như magnesit, calcit và dolomit Trong cấu trúc tinh thể khoáng vậttalc, một lượng nhỏ Fe2+ và Fe3+ có thể thay thế đồng hình cho magie (Mg) và mộtphần rất nhỏ của Al3+ có thể thay thế Si4+[27] Sự đa dạng về thành phần do khoángvật đi kèm và thay thế đồng hình sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và kéo theo hạn chếhoặc lợi thế trong ứng dụng talc [4]

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 phớtxám, trắng phớt vàng, trắng phớt nâu và nâu (Hình 1.3), talc có thể không màutrong 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 tù’ ìịim đến trên lOOị^m 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

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

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu

Talc tinh khiết có thể bền nhiệt tới 930°c, mất nước cấu trúc trong khoảng 930

khối lượng ở dưới 930°c do có chứa carbonat - phá hủy ở 600°c và chlorit - mất nước ở800°c Talc nóng chảy ở nhiệt độ 1200°c [6]

1.2 Đặc điếm nguồn gốc khoáng chất talc

Talc là khoáng vật có nguồn gốc biến chất bao gồm cả biến chất tiếp xúc và biếnchất khu vực, nguồn gốc biến đổi nhiệt dịch các đá phun trào mafic và siêu mafic chứamagie 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

2Mg3Si 2 0 5 (0H)4 + 3CƠ2 = Mg 3 Si 4 O, 0 (OH) 2 + 3MgC0 3 + 3H 2 0

Talc cũng có thể được hình thành thông qua phản ứng giữa dolomit và oxit silic đây là một quá trình skam hóa điển hình:

-Dolomit + Thạch anh + Nước —» Talc + Calcit + Carbon-dioxit 3CaMg(C03 ) 2 +

4SÌƠ2 + H20 = Mg3SÌ4Oi0(OH)2+ 3CaCC>3 +3CƠ2Hoặc talc cũng có thể được hình thành do chlorit phản úng với thạch anh trong các

đá phiến lục, đá biến chất tướng eclogit:

Chlorit + Thạch anh + Oxy —► Talc + Kyanit + Hematit + Nước

200(Mg3.9 7,Al2.5,Fe().5)(Si2.9)O1 0(OH) 8 + 711SÌ02+ 1402^

274Mg2.9Al().,9SÌ3.90,()(OH)2+ 223Al2Si05 + 50Fe203 + 526H20

Ở phản úng sau cùng này, tỉ lệ talc và kyanit cũng phụ thuộc vào hàm lượng nhômtrong các đá đá phản úng giàu nhôm Quá trình này xảy ra trong điều kiện áp suất cao và

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu

nhiệt độ thấp thường có thể tạo ra phengit, granat, glaucophan trong tướng phiến lục Đátalc hình thành trong điều kiện này đa số có màu trắng, dễ vỡ vụn và dạng sợi Chúngthường được gọi là đá phiến trắng

Trong 4 loại hình mỏ talc, có hai loại mỏ talc chính chiếm tới 90% tổng trữ lượngtalc toàn thế giới, đó là các mỏ nhiệt dịch trong đá siêu mafic hay đá serpentin và mỏliên quan đến các phân vị địa tầng giàu dolomit, hai loại mỏ không phổ biến là mỏ liênquan đến đá alumo-silicat và các mỏ trầm tích magie [7, 3, 5]

% dolomite-hosted #ultramafic both types

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

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu

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 thườngchứa khoảng 30 - 100% talc, 0 - 70% chlorit/carbonat, và

1, 1 - 0,5 thạch anh Loại mỏ trong đá siêu mafic là do biến đổi nhiệt dịch các đá mẹmafic và siêu mafic giàu magie - dung dịch nhiệt dịch phản úng với các khoáng vật maficnhư olivin, pyroxen, amphibol tạo thành serpentin, sau đó tạo thành talc Vì vậy đá loạinày thường chứa talc, magnesit, chlorit, các khoáng vật khác, và không có hoặc rất ít thạchanh Do loại đá này ít tinh khiết hơn so với loại đá chứa là dolomit nên quặng thô cần đượcnâng cấp để nâng hàm lượng talc và độ trắng trước khi sử dụng trong các lĩnh vực côngnghệ khác nhau, chang 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; ThePiedmont, 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] Sựphân loại này giúp định hướng cho quá trình chế biến và sử dụng talc

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

Talc steatìt: 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

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu

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 dạngnày có thể dùng để chế tạo các sản phẩm như bồn, bếp lò

Talc tremolỉt: là loại talc hạt mịn nhưng rất cứng, thường chứa <50% khoáng vật talc,nhung các tính chất lại bị quyết định bởi khoáng vật tremolit cứng và khoáng vật serpentindạng tấm, mịn Đá talc dạng này cũng có thể chứa một lượng nhỏ anthophyllit (khoáng vậtnhóm amphibol) dạng lăng trụ, và chút ít các carbonat và thạch anh Nó thiếu các đặc tínhdạng tấm, mềm, kị nước của talc và thường không được kể đến trong các ứng dụng truyềnthống của talc Tuy nhiên, lợi dụng các tính chất không điển hình này mà talc dạng nàyđược ứng dụng trong sản xuất sứ gốm và sơn

Ngoài ra, phân loại talc còn được gọi tên theo địa danh, chang 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 racòn chế biến và dùng trong mỹ phẩm, dược phẩm; talc Montalca nổi tiếng với độ tinhkhiết và độ trắng cao; trong khi đó talc Texas có màu xám hoặc đen do chứa vật chất hữucơ; talc New York thì là loại talc tremolit Talc Italia nổi tiếng là loại tinh khiết nhất trênthế 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

MgO % 29-30

(.iAm (2X“o(

1 1 Ipu <lynt> lair tfi llaa KỊ nim 2 (KM

Tông 'VdOOtì lữn

(.'Ac rinh vực khác

<11% I

Cun '.u(4 | Chái deo < ỉ" ú)

Sí»n

Giày <20*.) tám lirp(K“»|

Mỹ phũm

Hình 1.5 ứng dụng talc trong các

ngành công nghiệp ở Hoa Kỳ các năm

2003 và 2011

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

lọp, chất dẻo, mỹ phẩm và dược phẩm [1, 10, 3] Tỉ lệ úng 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].

Uses of Talc in the USA

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

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

1.1 Hàm lượng Talc trung bình (Loại A- B- C) % 95- 90- 70 1.2 Mất khi nung ở 1000°c (Loại A- B- C) % (4-6,5)- (4-9)

(4-18) 1.3 Khả năng hòa talc trong HC1, 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 lượng Talc

Các lĩnh vực sử dụng talc chính trong những năm gần đây được nêu trong Bảng1.4 Các sản phảm nano - talc (kích thước hạt từ 10-100 nm) tiếp tục được thăm dò để

Talc cũng được dùng trong thức ăn hay trong dược phẩm Talc trong thuốc uống

có vai trò là chất pleurodesis để chống lại chúng tràn khí màng phổi Theo Liên MinhChâu Âu chất này có số hiệu là E553b

Talc được dùng rộng rãi trong công nghiệp gốm sứ Trong gốm nghệ thuật, talcđược 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 thủytinh 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 biếndạng 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 lun 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) siêumịn, cho phép định vị tốt các hạt trong quá trình đúc bằng áp lực, do có độ phân tán tốthơn trong nhựa nên duy trì độ cúng cho các phụ tùng đúc [22]

Bột talc HAR làm tăng hệ số uốn cong lên 20%, tăng nhiệt độ biến dạng của họpchất pp với hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn 20% và tỉ lệ co ngót thấp trong khi không làmgiảm 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 cầnchống va đập cao

Trong cao su, bột talc được dùng làm chất phụ gia cho quá trình chế biến và làmchất độn gia cường Bột talc cũng giúp các nhà sản xuất lốp xe giảm độ dày và trọnglượng của lốp Việc này không chỉ làm tăng sức cản lăn mà nó còn khiến cho lốp xeđược sản xuất rẻ hơn nhiều Cao su bổ sung bột talc HAR cũng có thể dẫn đến tiết kiệmgiá thành trong khi độ thấm không khí không thay đổi so vói dùng nguyên cao su.Các xe ô tô hiện nay chứa tới 1.000 các thành phần từ cao su và chất dẻo, trungbình 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 ranhững lốp nhẹ và mỏng hơn với sức cản lăn thấp, và tiêu thụ nhiên liệu ít hơn Bột talccũng tiết kiệm năng lượng do việc giảm độ nhớt của hợp chất cao su làm cho các bộphận đúc và ép dễ dàng hon, thiết bị khuôn ít bị mài mòn hon

Giá thành các loại sản phẩm talc phụ thuộc vào độ sạch, độ mịn, độ trắng và hàmlượng của các tạp chất kim loại nặng Thông thường talc càng tinh khiết, càng trắng, vàcàng mịn thì chất lượng càng cao và giá thành cũng tăng lên Các hợp phần hóa họckhông có lợi trong talc thường bao gồm thạch anh, oxit và hydroxit sắt Giá trung bìnhcủa bột talc thông thường là 100 USD/tấn Loại đặc biệt bột talc “sạch”, các tạp chấtkim 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 talccủa 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 sốtương úng 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 pyrophyllitđáng kế [11] Theo Weiping & Dechen [12] thì trữ lượng talc của Trung Quốc chiếmkhoảng 22% trữ lượng talc trên toàn thế giới Như vậy, trữ lượng talc trên toàn thế giớivào khoảng 1,136 tỉ tấn.

Tuy nhiên, triển vọng talc trên toàn thế giới có thể lớn hơn nhiều, chẳng hạn theothống kê của Cục Địa chất Ấn Độ (Indian Bureau of Mines, 2009), trữ lượng talc tínhđến 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 gồmtrữ lượng kinh tế hiện có, trữ lượng có khả năng khai thác đạt hiệu quả kinh tế, và trữlượng hiện tại chưa có khả năng khai thác đạt hiệu quả kinh tế trong thống kê của CụcKhảo 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, HànQuốc 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 trữlượng 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 vàpyrophylit khai thác ở Trung Quốc là vào khoảng 2-3 triệu tấn

/.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 trungchủ yếu ở khu vực Tây Bắc Bộ đã có trữ lượng vào khoảng 7 triệu tấn Có hai loại hìnhquặng gồm talc trong các thân xâm nhập siêu mafic và mafic bị biến đổi nhiệt dịch vàtalc 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 cấpphép khai thác cho Công ty TNHH Tân Thành Minh, đơn vị phối hợp thực hiện đề tàinghiên cứu này Do đó, đề tài “nghiên cứu công nghệ chế biến khoáng chat talc PhúThọ làm nguyên liệu cho ngành sản xuất ceramic, sơn, dược phẩm và hóa mỹ phẩm”tập trung vào nghiên círu 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 đối bề mặt

Độ cứng của khoáng talc là thấp nhất trong các loại khoáng thường gặp, diều nàylàm cho quá trình nghiền bột talc gặp khó khăn Độ phân bố kích thước bột talc thườngrộng nên ảnh hưởng đến quá trình biến đổi và xử lý bề mặt talc

Cấu trúc của talc bao gồm lóp bát diện magie liên kết kẹp giữa hai lóp tứ diệnsilic Tinh thể talc có dạng hình vẩy, lực liên kết giữa các vảy nhỏ nên sờ tay có cảmgiác mỡ Các vẩy hay phiến lá bột talc có khả năng che chắn tốt, đã làm gia tăng cáctính chất của màng son như bền với các môi trường xâm thưc, bền hóa chất và chịunhiệt

Trên bề mặt các lớp của talc không có các nhóm hydroxyl, nhờ có đặc tính này màtalc ưa dầu hơn Độ hấp thụ dầu của talc cao hơn nhiều so với khoáng mica-sericit haytro bay Như vậy bột talc có thể phân tán tốt trong nền polyme, tuy nhiên biến đổi bềmặt 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 lóp khoáng talc với mật độkhông cao nên việc biến đổi bề mặt của talc gặp nhiều khó khăn

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

Các họp chất silan là các hợp chất hóa học của nguyên tủ’ silic với hợp chất hóahọc đơn giản nhất là S 1 H 4 (silan) Trong các họp chất silan, nếu có chứa ít nhất 1 liênkết Si-C được gọi là các hợp chất silan hữu cơ

Tác nhân ghép nối silan là các hợp chất hóa học của nguyên tủ' silic có chứa hainhóm hoạt động trên cùng một nguyên tủ’ với cấu trúc điển hình của nó là:

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

: H , O

Suhslralc

Subs I rate

Những nhóm này thể hiện vai trò chức năng khác nhau và có thể phản ứng lầnlượt Một tác nhân ghép silan sẽ hoạt động ở bề mặt phân cách pha giữa chất vô cơ (nhưthủy tinh, kim loại hay khoáng chất) và một vật liệu hũu cơ (như polime hữu cơ, chấtphủ 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 haykhoáng chất với các vật liệu hữu cơ như cao su hay polyme tạo thành các liên kết hoáhọc hay kết nối khác

Quá trình biến đổi bề mặt khoáng

xảy ra qua bốn giai đoạn:

bị thuỷ phân tạo ra các thành phần

chứa silanol,

2 Tiếp đó là quá trình ngưng tụ

của các silanol thành oligome,

liên kết hydro với các nhóm hydroxyl

có trên bề mặt của chất nền,

4 Cuối cùng là quá trình làm

khô cùng với sự tách nước tạo thành

các liên kết hóa trị giữa họp chất

Sau khi được biến đổi bề mặt, các chất độn hay chất màu sẽ xuất hiện các nhómchức của phân tủ’ silan trên bề mặt của chúng:

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

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

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

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:

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

a Tăng khả nẫng phân tản

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

Các hợp chất alkoxysilan giống như Methyltrimethoxysilane - CH3- Si(OCH3) sẽtạo ra các lớp bảo vệ để giảm xuống thấp nhất khả năng tái kết tụ của các hạt chất độn vàbịt kín ảnh hưởng của bề mặt đến tính chất lun 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 kếtquả:

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

- Độ nhớt của vật liệu thấp hơn

- Khuyết tật trên bề mặt vật liệu thấp hơn

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

Treatment

- Tính chất cơ lý tốt hơn

- Tính chắn sáng của các chất màu tốt hơn (ví dụ: Ti02)

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

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/T1O2 ởnồng độ 80% T1O2

Can work

Treated Ti02 SilaneTreated

Treated Ti02 (no silane)

100 % limit

SilaneTreated TÍ02

Hình ỉ.10. Sử dụng Ti0 2 xử lý bề mặt bằng silan làm giảm % momen xoắn

chế khả năng lun hóa

bằng silan trong cả hai hệ polyeste và epoxy thường khắc phục được những hạn chế trongquá trình lưu hóa được xác định bởi nhiệt lưu hóa (biểu diễn trong hình dưới) Các chấtsilan là tác nhân phân tán tốt nhất thường cho nhiệt cao nhất

Resin exotherms with silane-treated flass filler

Smaller bars are better

Z-6020(Diamine) (Vinyl Benzyl Anne)

6032

d Nâng cao tính chất điện

Khả năng của các tác nhân phân tán silan tác động tăng cường tính chất điện được biểu diễn trong bảng dưới với nhựa epoxy được gia cường bằng chất độn

thạch anh.

* sau 72h ngâm trong nước sôi

Bảng ì.5 Cải thiện tính chất điện với tác nhân phân tán silan xử lý thạch

anh gia cường cho nhựa epoxy