Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng talc đến tính chất của vật liệu cao su

Các chất độn thông thường như bột Talc, CaCO3, CaSO4… được đưa vào blend có tác dụng cải thiện một số tính chất của sản phẩm, song chủ yếu để hạ giá thành của vật liệu [7].. Tùy thuộc và

- -

NGUYỄN THỊ YẾN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG

CỦA KHOÁNG TALC ĐẾN TÍNH CHẤT

CỦA VẬT LIỆU CAO SU

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hoá Công Nghệ - Môi Trường

Người hướng dẫn khoa học ThS NGUYỄN VĂN THỦY PGS TS NGÔ KẾ THẾ

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận này được hoàn thành 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 Văn

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

học và Công nghệ Việt Nam đã 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 & Compozit đã chỉ bảo và giúp đỡ em trong thời gian qua

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa học trường 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

Qúa trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp trong thời gian ngắn nên không tránh khỏi một số sai sót, em sẽ hoàn thiện sau khi nhận được ý kiến chỉ bảo của Hội đồng

Em xin trân trọng cảm ơn !

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Sinh viên

Nguyễn Thị Yến

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Phòng lão 4020 Chất phòng lão N-(1,3 dimetylbutyl)

N’fenyl-p-fenylendiamin

Xúc tiến M Xúc tiến mercaptobenzothiazol

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể khoáng talc 10

Hình 1.2: Quá trình biến đổi bề mặt khoáng 12

Hình 1.3: Tỷ lệ bề mặt của chất độn 15

Hình 1.4: Phụ thuộc mô đun uốn và tỷ lệ bề mặt của chất độn 16

Hình 1.5: Phụ thuộc mô đun uốn và kích thước hạt chất độn 17

Hình 1.6: Mô đun uốn khi kích thước hạt từ 1-3µm 17

Hình 1.7: Độ cứng của hợp chất PP có chứa khoáng talc với tỷ lệ bề mặt cao, tỷ lệ bề mặt trung bình và canxicacbonat 18

Hình 1.8: Phụ thuộc hàm lượng chất độn và mô đun uốn 18

Hình 2.1: Máy cán hãng TOYOSEIKI- Nhật Bản 22

Hình 2.2: Máy ép hãng TOYOSEIKI (Nhật Bản) 23

Hình 2.3: Thiết bị đo lực kéo/ độ dãn dài hãng Gotech AI – 7000M 24

Hình 2.4: Thiết bị đo độ cứng TECLOCK Jisk 6301A 25

Hình 3.1: Phân bố kích thước khoáng talc A 27

Hình 3.2: Phân bố kích thước khoáng talc B 27

Hình3.3: Phân bố kích thước khoáng talc C 28

Hình 3.4: Ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến độ bền kéo vật liệu 29

Hình 3.5: Ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến độ dãn dài khi đứt của vật liệu 30

Hình 3.6: Ảnh hưởng của kích thước bột talc đến độ bền kéo vật liệu 32

Hình 3.7: Ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc đến độ dãn dài khi đứt vật liệu 33

Hình 3.8: Ảnh hưởng của kích thước hạt khoáng talc đến độ mài mòn vật liệu 34

Hình 3.9: Độ trương các mẫu trong môi trường dầu diezen 35

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Ảnh hưởng khoáng talc đến độ bền kéo đứt vật liệu 29 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của khoáng talc đến độ dãn dài khi đứt của vật liệu 30 Bảng 3.3: Ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc đến độ bền kéo đứt vật liệu 31 Bảng 3.4: Ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc đến độ dãn dài khi đứt vật

liệu 32

Bảng 3.5: Ảnh hưởng của kích thước hạt khoáng talc đến độ mài mòn 33

và độ cúng vật liệu 33

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Cao su nitril butadien 3

1.1.1 Lịch sử phát triển của cao su nitril butadien 3

1.1.2 Đặc điểm cấu tạo 3

1.1.3 Tính chất cơ lý và công nghệ 4

1.2 Polyvinylclorua ( PVC ) 5

1.2.1 Giới thiệu về PVC 5

1.2.2 Nguyên liệu tổng hợp PVC 5

1.2.3 Phản ứng tổng hợp PVC 6

1.2.4 Tính chất của PVC 7

1.4.5 Ứng dụng của PVC 8

1.3 Blend NBR/PVC 8

1.4 Bột Talc 10

1.4.1 Biến đổi bề mặt bột talc 11

1.4.2 Ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc đến tính chất vật liệu polymer 15 1.4.3 Ứng dụng khoáng talc trong polyme 19

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 21

2.1 Nguyên vật liệu 21

2.1.1 Cao su và các phụ gia 21

2.1.2 Khoáng talc 21

2.1.3 Chất biến đổi bề mặt 21

2.2 Thiết bị và phương pháp nghiên cứu 21

2.2.1 Biến đổi bề mặt bột khoáng talc 21

2.2.2 Phương pháp chế tạo mẫu 22

2.3 Các phương pháp xác định tính chất của vật liệu 23

2.3.1 Tính chất cơ lý của vật liệu 24

2.3.1.1 Phương pháp xác định độ bền kéo đứt 24

2.3.1.2 Phương pháp xác định độ dãn dài khi đứt 25

2.3.1.3 Phương pháp xác định độ cứng của vật liệu 25

2.3.1.4 Phương pháp xác định độ bền mài mòn 26

2.3.2 Đánh giá độ bền môi trường dầu điezen 26

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

3.1 Khảo sát kích thước hạt của các loại khoáng talc 27

3.2 Ảnh hưởng của khoáng talc đến độ bền kéo đứt của vật liệu cao su P70K 28

3.3 Ảnh hưởng của khoáng talc đến độ dãn dài khi đứt của vật liệu cao su P70K 30

3.4 Ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc đến độ bền kéo vật liệu cao su P70K 31

3.5 Ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc đến độ dãn dài khi đứt vật liệu cao su P70K 32

3.6 Ảnh hưởng của kích thước hạt khoáng talc đến độ mài mòn và độ cúng vật liệu 33

3.7 Khảo sát độ trương các mẫu trong môi trường dầu diezen 35

KẾT LUẬN 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Bột talc là một loại khoáng chất có sẵn trong tự nhiên có tên gọi hóa học

là hydrous magnesium silicate và có công thức hóa học là Mg3Si4O16(OH)2 Trong tự nhiên quặng talc thường chứa các tạp chất như FeO, Al2O3, Na2O, K2O, CaO hàm lượng các tạp chất thường chứa vài phần trăm

Khoáng chất talc có cấu trúc tinh thể và có cấu trúc lớp Cấu trúc lớp

cơ bản của talc được tạo thành từ lớp bát diện Mg-O2/hyđroxyl nằm kẹp giữa

2 lớp tứ diện SiO2 Hình thái dẹt độc đáo của nó có nhiều lợi thế khi được sử dụng làm chất đột cho các vật liệu polyme Talc tăng cường độ bền uốn của các vật liệu trên cơ sở polypropylen, tăng khả năng chống xâm thực của các loại sơn bảo vệ Talc góp phần làm ổn định huyền phù, kiểm soát độ phẳng, tăng độ bền hóa học, phủ lấp để tạo mặt phẳng, hoàn thiện màng phim và gia tăng khả năng chịu tác động thời tiết của màng phủ Talc thường tự lơ lửng trong sơn và hỗ trợ các chất tạo màu khác lơ lửng, khi sự lắng xảy ra thì nó thường tự động trở lại trạng thái lơ lửng do nó rất nhẹ Mặc dù talc là chất kị nước nhưng nó lại phân tán dễ dàng trong hầu hết các loại sơn, bao gồm cả môi trường dung dịch nước

Trong công nghiệp cao su: Talc được làm chất phụ gia cho quá trình chế biến và làm chất độn gia cường Giúp các nhà sản xuất lốp xe làm giảm

độ dày và trọng lượng của lốp Cao su bổ sung bột tan talc sẽ tiết kiệm giá thành trong khi độ thấm không khí không thay đổi so với dùng nguyên liệu cao su Sử dụng bột talc không thấm nước giúp nhà sản xuất tạo lốp xe nhẹ, mỏng với sức cản lăn thấp và tiêu thụ nhiên liệu ít hơn Talc cũng tiết kiệm năng lượng do việc làm giảm độ nhớt của hợp chất cao su làm cho các bộ phận đúc và ép dễ dàng hơn

Đề tài khóa luận “Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng talc đến tính

chất của vật liệu cao su” nhằm tìm ra hàm lượng khoáng talc với phân bố

kích thước thích hợp để cho vật liệu cao su có tính chất tốt

2 Mục đích nghiên cứu

Tìm ra hàm lượng khoáng talc với kích thước hạt thích hợp để cao su

có tính chất cơ lý, độ mài mòn, độ cứng tốt nhất

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng khoáng talc đến tính chất của vật liệu

- Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc tính chất của vật liệu

- Khảo sát ảnh hưởng của khoáng talc đến độ mài mòn và bền môi trường của vật liệu

- Xác định thành phần vật liệu tối ưu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Cao su nitril butadien

1.1.1 Lịch sử phát triển của cao su nitril butadien

Cao su nitril butadien công ngiệp ra đời năm 1937 ở Cộng hòa Liên bang Đức Sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, cao su nitril butadien được tổ chức sản xuất công nghiệp ở Liên Xô cũ Ngày nay, cao su NBR trở thành

một trong những cao su được sử dụng nhiều nhất [1,2]

1.1.2 Đặc điểm cấu tạo

NBR là sản phẩm đồng trùng hợp butadien-1,3 và acrylonitril với sự có mặt của hệ xúc tác oxy hóa khử persunfat kali và trietanolamin Phản ứng diễn ra như sau:

CH2

n =CH CH=CH 2 + m CH 2=CH CN

CH2

=CH CH

Monome butadien-1,3 tham gia vào phản ứng hình thành mạch đại phân tử chủ yếu ở vị trí 1,4 trans đồng phân

Ví dụ: Trong cao su CKH-26 được sản suất ở Liên Xô cũ có 77,4% monome butadien tham gia vào phản ứng ở 1,4 trans và 12,4% monome butadien tham gia vào phản ứng ở 1,4 - cis và 10,2% monome butadien tham gia vào phản ứng ở vị trí 1,2

Khối lượng phân tử trung bình của NBR dao động trong khoảng từ 200.000 đến 300.000

1.1.3 Tính chất cơ lý và công nghệ

NBR có cấu trúc không gian không điều hòa, vì thế nó không kết tinh trong quá trình biến dạng Tính chất cơ lý, tính chất công nghệ của NBR phụ thuộc vào hàm lượng nhóm nitril trong nó Khả năng chịu môi trường dầu

mỡ, dung môi hữu cơ tăng cùng với hàm lượng nhóm nitril tham gia vào phản ứng tạo mạch phân tử cao su Ảnh hưởng của nhóm nitril đến khả năng chịu dầu mỡ của NBR có thể giải thích theo hai cách sau:

 Theo thuyết hấp phụ

Do liên kết C N trong cao su có độ phân cực lớn (+ ở nguyên tử Carbon và - ở nguyên tử nitơ) nên lực tác dụng tương hỗ giữa các đoạn mạch phân tử có chứa nhóm –CN tăng Năng lượng liên kết vật lý giữa các đoạn mạch cao, năng lượng kết dính nội càng lớn khi hàm lượng nhóm –CN càng cao Năng lượng liên kết nội ngăn chặn hiện tượng tách các phân tử polyme ra

xa trong quá trình trương và hoà tan Vì thế cùng với hàm lượng nhóm nitril tăng khả năng chịu dầu mỡ của cao su cũng tăng

 Theo thuyết che chắn

Do kích thước không gian các nhóm –CN lớn và khoảng cách không gian giữa nhóm này với liên kết không no gần nên nó đã bao trùm lên không gian các liên kết không no, ngăn chặn sự xâm nhập của các tác nhân tác dụng (phân tử của dầu, mỡ,…) vào không gian liên kết đôi và khoảng không gian giữa các mạch đại phân tử Khi hàm lượng nhóm nitril trong mạch cao su

càng cao và hiệu quả che chắn càng cao hay nói cách khác khả năng chịu dầu

Ngoài hệ thống lưu hoá thông dụng NBR còn có khả năng lưu hoá bằng xúc tiến lưu hoá nhóm thiuram, nhựa phenol formandehit cho tính chất cơ lý cao và chịu nhiệt tốt

Để cải thiện tính chất của vật liệu và nâng cao hiệu quả sử dụng, người

ta thường tạo blend của NBR với những vật liệu khác như cao su thiên nhiên hoặc nhựa Polyvinyl clorua (PVC)…

1.2 Polyvinylclorua ( PVC )

1.2.1 Giới thiệu về PVC

PVC được nhắc đến bắt đầu từ năm 1837 Nhưng mãi đến năm 1872 mới ra đời PVC có độ cứng cao, có nhiệt độ nóng chảy bé hơn 130 0C, là loại nhựa có độ chịu nhiệt không cao lắm

Nhựa này được nghiên cứu và biến đổi tính chất đầu tiên với chất hoá dẻo, sản phẩm khi đó là sự tổ hợp của PVC và DBP/DOP

Đến năm 1930 sản phẩm PVC đã bắt đầu được thương mại hoá

Là một chất khí độc, khi bảo quản cần chú ý để không bị rò rỉ VC tan tốt trong clorofom, rượu, các hydrocacbon mạch vòng thơm…không tan trong nước

Trong công nghiệp VC được tổng hợp từ axetylen:

C2H2 + HCl  CH2=CHCl Quá trình diễn ra trong pha lỏng hoặc pha khí, xúc tác Ag kim loại Khi điều chế cần chú ý loại bỏ hơi nước trong nguyên liệu đầu, phản ứng diễn ra ở

120 – 200 0C Hỗn hợp sản phẩm sau đó cần được tinh chế ở nhiệt độ thấp

Vinylclorua được chế tạo lần đầu tiên từ etylen

CH2=CH2 + Cl2  ClCH2 - CH2Cl  CH2=CHCl + HCl Phương pháp này có ưu điểm là nguyên liệu dễ kiếm, dễ tìm, sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao hơn [4]

1.2.3 Phản ứng tổng hợp PVC

Có thể sử dụng cả 4 phương pháp để tổng hợp PVC: huyền phù, nhũ tương, dung dịch, trùng hợp khối

nCH2=CHCl  [ - CH2 – CHCl - ]nXúc tác sử dụng là: peroxyt, persunfat,… Nhiệt độ phản ứng phải nhỏ hơn 750C, để tránh phân huỷ clo làm đứt mạch phân tử

Ngoài quá trình đứt mạch còn có quá trình chuyển mạch từ monome lên polyme Sản phẩm trong quá trình tổng hợp thu được có cấu trúc là đầu - đầu, đầu–đuôi, đuôi – đuôi Sản phẩm thương mại thường có cấu trúc là đầu - đầu

Quá trình trùng hợp diễn ra qua 2 giai đoạn:

- Giai đoạn sơ bộ: Mức độ chuyển hoá < 10%

- Giai đoạn sâu hơn: Cần đưa thêm các chất khơi mào và monome Sản phẩm thu được có KLPT từ 30.000 đến 90.000

Trong thực tế vẫn tồn tại 4 loại sản phẩm PVC được tổng hợp bằng 4 phương pháp khác nhau:

- Phương pháp huyền phù chiếm 80%

- Phương pháp nhũ tương chiếm 10 – 15%

- Phương pháp trùng hợp khối chiếm 10%

- Phương pháp trùng hợp dung dịch chiếm phần còn lại

1.2.4 Tính chất của PVC

Nhựa PVC có KLPT trung bình từ 30.000 – 90.000 được xác định liên quan đến hệ số K của PVC và nhiệt độ của hỗn hợp dung dịch Hầu hết PVC thương phẩm có K = 50 – 80

K liên quan đến độ nhớt được tính là độ nhớt của 0,05g PVC/độ nhớt của 1ml dung môi ở 25 0C

PVC là loại nhựa nhiệt dẻo có t0g = 80 0C và t0cm = 160 0C, nghĩa là dưới 800C PVC ở trạng thái thuỷ tinh, từ 80 0C đến 160 0C thì PVC ở trạng thái co giãn nhiều và trên 160 0C thì PVC ở trạng thái chảy dẻo Nhưng có một đặc điểm là trên 140 0C thì PVC đã bắt đầu bị phân huỷ và giải phóng HCl trước khi chảy dẻo

Nhựa PVC là một polyme vô định hình ở dạng bột màu trắng đôi khi hơi vàng nhạt Trọng lượng riêng là 1,4 g/ml và chỉ số khúc xạ là 1,544 Nhựa PVC ở nhiệt độ thường có độ ổn định hóa học tốt, bền với axit, kiềm yếu, có tính chất cơ lý, cách điện tốt

PVC là nguyên liệu không dễ cháy Nhiệt độ bốc cháy của nó cao hơn nhiệt độ bốc cháy của gỗ, PVC dễ cháy hơn khi có mặt chất hóa dẻo Khi cháy tạo ra khí CO2, CO và một lượng khí HCl nên rất độc

PVC có tính hoạt động hoá học khá lớn ở nhiệt độ cao, trong các quá trình biến đổi hoá học đều có các nguyên tử clo tham gia vào phản ứng và thường kéo theo cả nguyên tử hydro ở cacbon bên cạnh

Nhựa PVC có độ chịu mài mòn cao, cách điện tần số cao kém Nhựa PVC có độ bền nhiệt thấp, kháng thời tiết tốt, ổn định kích thước tốt, chống lão hoá cao, dễ tạo màu sắc [5]

1.4.5 Ứng dụng của PVC

Nhựa PVC được chia làm 2 loại:

- PVC không hoá dẻo (PVC cứng): Màng và tấm PVC cứng dùng để bọc lót thùng điện phân, làm thùng chứa axit, kiềm, chi tiết trong máy bơm, màng ngăn trong thùng acquy,… Ống PVC cứng dùng chuyên chở các chất lỏng ăn mòn Dùng làm lược, cúc,… trong điện kỹ thuật dùng thay ebonit

- PVC hoá dẻo: Dùng làm ống dẫn nước, dẫn khí, băng tải Trong xây dựng dùng để sản xuất tấm lợp Chế tạo các sản phẩm sử dụng trong dân dụng

và y tế

Khi clo hóa PVC tạo thành Perclovinyl, có thể clo hoá đến 65 đến 68 % clo trong PVC Perclovinyl hoà tan trong nhiều dung môi như axeton, clobenzen,

Perclovinyl dùng để sản xuất ra một loại sợi tổng hợp rất tốt gọi là tơ clorin dùng để sản xuất vải lọc, băng chuyền và quần áo bảo hộ lao động Ngoài ra perclovinyl có khả năng hoà tan trong một số dung môi, lại có khả năng bám dính tốt nên được dùng để làm sơn bảo vệ thời tiết tốt

PVC là chất dẻo đa dạng và được xếp thứ 2 sau PE về mức độ tiêu thụ, PVC sử dụng nhiều nhất trong ngành xây dựng và kết cấu

1.3 Blend NBR/PVC

Vật liệu polyme blend là vật liệu được cấu thành từ hai hay nhiều polyme nhiệt dẻo hoặc polyme nhiệt dẻo với cao su Thông qua đó có thể tối ưu hóa về mặt tính năng cơ lý và giá thành cho mục đích sử dụng nhất định [6]

Vật liệu blend NBR/PVC đã được chế tạo từ năm 1936 Cho đến nay,

đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của vật liệu

blend này Trước năm 1970, NBR thường được phối trộn cùng với một lượng PVC thấp hơn để chế tạo blend cao su chưa được lưu hóa bằng phương pháp thông thường Các vật liệu này có ưu điểm hơn hẳn cao su NBR, đó là độ bền

cơ lý cao, chống chịu tác động ozon và các điều kiện môi trường cũng như bền oxy hóa nhiệt và thường được ứng dụng để chế tạo các loại ống dẫn dầu, dẫn khí, vỏ bọc cáp điện, trục in và đế giày đặc chủng… Thông thường blend cao su trên cơ sở NBR và PVC có độ đàn hồi kém hơn và độ biến dạng dư cao hơn so với NBR

Từ hơn 2 thập kỉ nay, các công trình nghiên cứu đã chú trọng vào lĩnh vực blend cao su nhiệt dẻo, trong đó PVC là thành phần chính và là thành phần có cấu trúc pha liên tục trong hệ Ban đầu các blend chủ yếu được chế tạo từ PVC và NBR dạng bánh trên máy trộn kín hoặc máy cán có gia nhiệt một cách liên tục Từ năm 1983, NBR dạng bột được chế tạo từ dạng bánh với nhiều chủng loại khác nhau

Cũng như các polyme blend khác, tính chất cơ lý của blend NBR/PVC phụ thuộc vào nhiều thông số của vật liệu và điều kiện công nghệ

Các chất độn thông thường như bột Talc, CaCO3, CaSO4… được đưa vào blend có tác dụng cải thiện một số tính chất của sản phẩm, song chủ yếu

để hạ giá thành của vật liệu [7]

Khi cho NBR vào PVC, NBR hoạt động như một chất hóa dẻo cho nhựa PVC trong các lĩnh vực như làm sợi dây và cáp cách điện, thùng chứa thực phẩm, vỏ thùng dùng để chứa dầu… Mặt khác, PVC giúp cải thiện tính kháng ozon, lão hóa nhiệt và kháng chất hóa học của NBR trong các lĩnh vực như làm các miếng đệm, vỏ băng tải, vỏ trục in ấn,… PVC cũng cải thiện tính bền mài mòn, chịu mòn, và các tính chất bền kéo, làm tăng đặc tính chống cháy Blend PVC/NBR có thể được xay nghiền, ép đùn và đúc nén dễ dàng khi sử dụng các thiết bị gia công truyền thống cho CSTN và CSTH [8]

Trên thị trường hiện nay thường có các hỗn hợp blend NBR/PVC với tỉ

lệ 80/20 ÷ 70/30 có tính năng cơ lý cao, có khả năng bền nhiệt, chống cháy và đặc biệt có khả năng làm việc lâu dài ở nhiệt độ đến 100oC, hệ số già hóa đạt 0,9 [20] Vật liệu làm tăng khả năng kháng ozon, kháng trương nở trong dầu

và tăng độ bền kéo Nhưng khả năng kháng ozon chỉ được cải thiện khi PVC phải chảy và phân tán tốt vào hỗn hợp [9]

1.4 Bột Talc [12]

Talc là một khoáng chất trong tự nhiên được khai thác từ lớp vỏ trái đất Chính xác hơn talc là hydrat magie silicat thuộc họ của phyllosilicates Bình thường, talc cho là đá xà phòng do cảm giác giống xà bông khi chạm vào

Công thức hóa học của talc là Mg3Si4O10(OH)2, nó như là sandwich có cấu trúc tinh thể Talc bao gồm một lớp Mg(OH)2 kẹp giữa là hai lớp SiO2

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể khoáng talc

Theo lý thuyết, thành phần hóa học của talc gồm 31,88% MgO, 63,37% SiO2 và 4,75% H2O Trong tự nhiên, talc không tồn tại theo dạng lý thuyết Một lượng nhỏ nguyên tử Mg và Si trong khoáng talc có thể thay thế bằng sắt (Fe), nhôm (Al), niken (Ni) và các cation khác có kích thước tương tự Hơn nữa khi quặng talc được khai thác nó cũng có thể bao gồm các loại khoáng khác như là magnesite, dolomite, chlorite, calcite, quartz và tremolite Để đảm bảo độ tinh khiết cao, thường sử dụng kỹ thuật tuyển nổi để loại bỏ các loại khoáng khác Độ tinh khiết của khoáng talc thu được cao hơn, độ đồng nhất của sản phẩm được cải thiện

Talc là chất kỵ nước, là loại ưa dầu đảm bảo tương tác tốt với các loại nhựa Điều này trái với khoáng đi kèm thường được tìm thấy trong talc, chúng

ưa nước hơn

Do talc có cấu trúc phiến, dễ dàng phối trộn với các loại nhựa, nó là hàng rào tốt chống lại sự xâm nhập nước, dầu và khí (CO2 và O2) Điều này

có lợi thế rõ ràng khi sử dụng trong bao bì thực phẩm và bao bì khác Ngoài

ra, talc trơ hóa học, không talc trong axit, trong dầu

Talc tinh khiết có độ cứng mềm nhất so với các loại khoáng với độ cứng là 1

Giữa mạng tinh thể khoáng talc có lực liên kết Van der Waal yếu, do đó các lớp talc phân tách dễ dàng, nó rất mềm có cảm giác giống xà phòng

Talc là một thành phần được sử dụng trong công nghiệp giấy, sơn, nhựa, cao su, ceramic, phân bón, thức ăn gia súc, mỹ phẩm, dược phẩm và các ứng dụng khác

Talc sử dụng để tăng độ cứng của nhựa nhiệt dẻo, chủ yếu là polypropylene, polyetylen và polyamit (nylon) Ứng dụng chủ yếu trong các

bộ phận động cơ tự động, thiết bị gia dụng và nhựa kỹ thuật

Tuy nhiên việc phân lớp, phân tán, phân bố của talc bên trong polyme, tương tác pha giữa các hạt talc và polyme nền, đều có ảnh hưởng tới tính chất của polyme/talc Talc chưa xử lý bề mặt sẽ dẫn đến quá trình kết tụ khi được phối trộn với polyme, kết quả là độ phân bố thấp Bên cạnh đó, khả năng tương thích kém giữa bề mặt talc và polyme dẫn đến độ bám dính bề mặt pha thấp làm suy giảm tính chất cơ lý của vật liệu

1.4.1 Biến đổi bề mặt bột talc [13,14]

Talc cũng như các vật liệu vô cơ khác như sợi thuỷ tinh, mica, các oxit kim loại thường tương tác bề mặt kém với các polyme và cao su Khi sử dụng các vật liệu này làm chất gia cường 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 Biến đổi bề mặt khoáng talc bằng các hợp chất silan là một phương pháp đang được sử dụng phổ biến hiện nay để đạt được mục đích trên

Silan là hợp chất hoá học của silic có chứa 2 loại nhóm hoạt tính trên cùng một phân tử [3] Một hợp chất silan đặc trưng được mô tả như sau:

(RO)3SiCH2CH2CH-X Trong đó RO là nhóm chức rất dễ bị thuỷ phân như là các nhóm methoxy, ethoxy, acetoxy ; X là nhóm chức hữu cơ như là amino, epoxy, vinyl

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 phần chứa silanol

2 Tiếp đó là quá trình ngưng tụ của các silanol thành oligome

3 Các oligome sau đó tạo liên kết hydro với các nhóm hydroxyl có trên bề mặt của chất nền

4 Cuối cùng là quá trình polyme hóa cùng với sự tách nước để tạo thành các liên kết hóa trị giữa hợp chất silan với đế vô cơ

Hình 1.2: Quá trình biến đổi bề mặt khoáng

Sau khi biến đổi bằng các hợp chất silan, bề mặt của talc 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, talc có thể tạo liên kết hoá học hay vật lý với các pha nền nhờ lớp silan có trên bề mặt sau khi biến tính

Như vậy 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 xử lý biến đổi tính chất bề mặt talc

Để biến đổi bề mặt khoáng nói chung bằng các hợp chất silan, có ba phương pháp thông dụng đươc mô tả chung như sau [13]:

Phương pháp ướt: được thực hiện bằng cách trộn hỗn hợp ướt khoáng

chất với một dung dịch loãng của hợp chất silan Phương pháp này có thể biến đổi bề mặt của các khoáng chất với độ đồng đều cao

Phương pháp khô: phương pháp này cần đến một máy trộn có tốc độ

cao để phân tán các tác nhân ghép silan lên trên bề mặt vật khoáng chất Hợp chất silan thường được sử dụng ở dạng tinh khiết hoặc dung dịch đặc Phương pháp này thường được áp dụng khi phải xử lý bề mặt của một khối lượng lớn khoáng chất Phương pháp này chỉ cần thời gian ngắn và cũng giải phóng ít chất thải Tuy nhiên nó khó có được độ đồng đều cao như phương pháp ướt

Phương pháp phun: Các tác nhân ghép silan được phun lên bề mặt của

khoáng chất có nhiệt độ cao, thường diễn ra trong tủ sấy Phương pháp này có thể rút ngắn thời gian vì bỏ qua giai đoạn sấy khô để thực hiện phản ứng polyme hóa và quá trình thực hiện đơn giản hơn, nhưng phải chú ý tới khả năng bắt cháy

Biến đổi bề mặt talc là một quá trình quan trọng Khác với một số chất độn gia cường khác như oxit silic, talc có đặc trưng kiềm nhẹ trong nước nên quá trình biến đổi bề mặt phải có mặt của một tác nhân có tính axit Khi tác nhân kết nối được sử dụng, các liên kết hóa học có thể được tạo ra trên bề mặt chất độn giữa các nhóm hydroxyl hay silanol và các nhóm alkoxy của tác

nhân ghép nối

Quá trình biến đổi bề mặt được thực hiện với nhiều mục đích khác nhau như để làm giảm sức căng bề mặt, phân bố không gian đồng đều hơn của chất độn trong nền cao su hay nền polyme Do đó, cao su hấp phụ lên bề mặt của các hạt chất độn tăng lên và có đặc trưng màng Chính vì vậy, độ cứng và độ bền cao su tăng Các phiến trong các hạt talc riêng lẻ là kỵ nước nhưng ở các cạnh của các phiến này lại ưu nước do có mặt của các nhóm hydroxyl A Krysztafkiewicz [15] và đồng nghiệp đã thực hiện quá trình biến đổi bề mặt của talc bằng ba loại hợp chất silan khác nhau và sử dụng bột talc đã biến đổi gia cường cho cao su Kết quả chỉ ra rằng, trong tất cả các trường hợp chất độn được biến đổi bề mặt, tính chất lưu biến của cao su lưu hóa đều được tăng cường so với trường hợp chất độn không được biến đổi bề mặt Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu cũng chứng minh rằng quá trình biến đổi bề mặt talc với

sự có mặt của một tác nhân axit đã cải thiện khả năng thấm ướt bề mặt đối với benzen và gia tăng số phân tử silan trên mỗi đơn vị của bột talc được xác định

Chuah Ai Wah và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của các tác nhân ghép nối Titan đến tính chất lưu biến, các đặc trưng phân tán và tính chất cơ lý của vật liệu PP được gia cường bột talc Kết quả chỉ ra rằng độ chảy nhớt của vật liệu giảm trong khi khả năng phân tán của các hạt chất độn trong chất nền được tăng cường với sự có mặt của tác nhân ghép nối [19] Xác định nhiệt độ chuyển thủy tinh cho thấy hiện tượng dẻo hóa gây ra bởi tác nhân ghép nối, từ đó dẫn tới thay đổi đáng kể các đặc trưng về hình thái cấu trúc và các tính chất cơ lý

S Dı´ez-Gutie´rrez và các cộng sự đã khảo sát tính chất cơ của PP có độn bột talc chưa xử lý bề mặt và đã xử lý bề mặt bằng tác nhân ghép nối metacryloxypropyl silan và loại vinyl silan Silan với hàm lượng rất nhỏ đã cải thiện đáng kể độ bám dính giữa chất độn và nền PP, tăng khả năng sử dụng cho vật liệu [20]

Lợi ích của biến đổi bề mặt bằng hợp chất silan [14]

Xử lý bằng silan có thể cải thiện quá trình gia công, hiệu suất, và độ bền của sản phẩm chứa khoáng biến đổi bề mặt:

- Cải thiện độ bám dính giữa khoáng và polyme

- Cải thiện độ thấm ướt của khoáng bởi polyme

- Cải thiện độ phân tán của khoáng trong polyme

- Cải thiện tính chất điện

- Tăng tính chất cơ

- Giảm độ nhớt hỗn hợp polyme/chất độn

1.4.2 Ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc đến tính chất vật liệu polymer

Khi chọn một khoáng để làm tăng độ cứng của nhựa, có hai yếu tố quan trọng là tỷ lệ bề mặt của khoáng và kích thước hạt của nó Tỷ lệ bề mặt của một hạt được định nghĩa là chiều dài lớn nhất của hạt chia cho chiều dày của nó

Các hạt thường có dạng hình cầu, chẳng hạn như canxi cacbonat, có chiều dài và độ dày ngang bằng nhau và tỷ lệ bề mặt là 1:1 Talc dài, mỏng,

có hình phiến, trong ảnh chụp kính hiển vi ảnh chụp quét, talc có tỷ lệ bề mặt cao hơn canxi cacbonat, tỷ lệ bề mặt thường khoảng 20:1

Hình 1.3: Tỷ lệ bề mặt của chất độn [10]