TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HOÁ HỌC
****** NGUYỄN THỊ HIỀN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TÁC NHÂN
KẾT NỐI SILAN ĐỂ BIẾN ĐỔI BỀ MẶT
KHOÁNG TALC SỬ DỤNG LÀM PHỤ
GIA CHO VẬT LIỆU POLYME

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa công nghệ môi trường

Người hướng dẫn khoa học
PGS.TS. NGÔ KẾ THẾ
HÀ NỘI – 2014

LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS. Ngô Kế Thế
người đã tận tình hướng dẫn em trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu tại
phòng nghiên cứu Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn
lâm KH & CN Việt Nam.
Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ nghiên cứu của Phòng Vật liệu
Polyme & Compozit đã giúp đỡ em trong suốt thời gian thực tập và thực hiện
khóa luận tốt nghiệp.


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Cải thiện tính chất điện với tác nhân phân tán silan xử lý thạch anh
gia cường cho nhựa epoxy
Bảng 1.2: Thống kê sử dụng bột talc trong một số lĩnh vực khác nhau ở Hoa
Kỳ
Bảng 1.3: Thành phần tiêu chuẩn để xác định các tính chất cơ lý của CSTN
Bảng 2.1: Tính chất của nhựa epoxy YD-011X75
Bảng 2.2: Tính chất của chất đóng rắn KINGMIDE 315-L
Bảng 2.3: Chỉ tiêu kỹ thuật CSTN
Bảng2.4: Thành phần chế tạo mẫu cao su thiên nhiên
Bảng 3.1: Hàm lượng silan trên bề mặt khoáng talc
Bảng 3.2: Hàm lượng silan trên bề mặt bột talc biến đổi ở các nhiệt độ khác
nhau
Bảng 3.3: Hàm lượng silan trên bề mặt các mẫu bột talc biến đổi bề mặt
Bảng 3.4: Môđun đàn hồi vật liệu CSTN có 30% khoáng talc biến đổi bề mặt
bằng các silan khác nhau
Bảng 3.5: Độ bền kéo đứt mẫu compozit PP/talc

Hình 3.2: Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu bột talc biến đổi bằng
metacrylsilan
Hình 3.3: Phổ FT-IR của γ-metacryloxypropyltrimetoxysilan
Hình 3.4: Phổ FT-IR của mẫu bột talc ban đầu
Hình 3.5: Phổ FT-IR của mẫu bột talc biến đổi với 1% γ- MPTMS
Hình 3.6: Độ hấp thụ dầu của các mẫu bột talc
Hình 3.7: Tính chất cơ lý của các mẫu vật liệu CSTN có chứa bột talc
Hình 3.8: Giản đồ ứng suất biến - dạng vật liệu CSTN có khoáng talc chưa
biến đổi bề mặt
Hình 3.9: Độ bền kéo đứt mẫu compozit PP/talc
Hình 3.10: Phổ FT-IR màng phủ epoxy có các bột talc biến đổi bằng các hợp
chất silan khác nhau
Hình 3.11: Độ bám dính của các màng phủ
2. HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24
2.1. Hóa chất 24
2.1.1. Vật liệu polyme 24
2.1.2. Khoáng talc 26
2.1.3. Hợp chất silan 26
2.2. Thiết bị và phương pháp nghiên cứu 27
2.2.1. Phương pháp biến đổi bề mặt khoáng talc 27
2.2.2. Phương pháp chế tạo mẫu có chứa talc 27
2.2.3. Xác định tính chất bề mặt khoáng talc bằng phổ hồng ngoại
(IR) 30
2.2.4. Xác định hàm lượng silan trên bề mặt bột talc bằng phân tích
nhiệt 31
2.2.5. Xác định độ ngấm dầu 31
2.2.6. Xác định độ cứng của vật liệu 31
2.2.7. Xác định tính chất cơ lý của vật liệu 32
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34
3.1. Xác định điều kiện biến đổi bề mặt khoáng talc bằng hợp chất silan 34
3.1.1. Xác định nồng độ hợp chất biến đổi bề mặt khoáng talc 34
3.1.2. Xác định nhiệt độ phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc 36
3.1.3. Xác định thời gian phản ứng biến đổi bề mặt khoáng talc 37
3.2. Khảo sát tính chất của khoáng talc biến đổi bề mặt 37
3.2.1. Phổ hồng ngoại của khoáng talc 37
3.2.2. Độ hấp thụ dầu của khoáng talc 39
3.3. Xác định tác nhân kết nối silan của khoáng talc biến đổi bề mặt
phù hợp với PP, CSTN và nhựa epoxy 41
3.3.1. Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với CSTN 41
3.3.2. Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với PP 44
3.3.3. Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với nhựa epoxy 45
3.3.3.1. Ảnh hưởng đến phản ứng đóng rắn 45
3.3.3.2. Ảnh hưởng đến tính chất cơ lý màng phủ epoxy 47

nhưng vật liệu phổ biến nhất phải kể đến là vật liệu polyme. Nhờ những tính
chất đặc trưng vật liệu polyme đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực và ngành
nghề khác nhau. Nhưng bên cạnh đó phần lớn các vật liệu polyme có nhiều
hạn chế như kém bền nhiệt, dễ bị phá hủy bởi tác nhân bên ngoài,… Chính vì
vậy khi chế tạo thì người ta thường thêm vào các chất phụ gia. Một trong các
chất độn gia cường phổ biến là khoáng talc. Talc trong các vật liệu polyme đã
có nhiều ảnh hưởng tích cực đến các tính chất của vật liệu. 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 thủy tinh, mica, các oxit kim loại… talc thường tương tác bề mặt
kém với các vật liệu polyme. Khi sử dụng talc làm chất độn gia cường cho các
loại vật liệu thì cần phải nâng cao độ tương tác giữa các pha để sản phẩm đạt
được các tính năng cơ lý hóa 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.
Trước thực tế đó, “Nghiên cứu xác định tác nhân kết nối silan để
biến đổi bề mặt khoáng talc sử dụng làm phụ gia cho vật liệu polyme” đã
được lựa chọn để làm khóa luận tốt nghiệp này của em.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp để biến đổi bề mặt khoáng talc
sử dụng làm phụ gia cho vật liệu polyme

3. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
2

- Xác định điều kiện biến đổi bề mặt khoáng talc bằng các hợp chất
silan
- Khảo sát tính chất của khoáng talc biến đổi bề mặt
- Xác định tác nhân kết nối silan của khoáng talc biến đổi bề mặt phù
hợp với polyolefin, nhựa epoxy hay CSTN

tăng cường tính chất của vật liệu.
Các hợp chất silan là các hợp chất hóa học của nguyên tử silic với hợp
chất hóa học đơn giản nhất là SiH
4
(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 tố silic có
chứa hai nhóm hoạt động vô cơ và hữu cơ trên cùng một nguyên tử với cấu
trúc điển hình của nó là:
(RO)
3
SiCH
2
CH
2
CH
2
-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 polyme 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.
1.1.2. Vai trò của quá trình biến đổi bề mặt
Quá trình biến đổi bề mặt khoáng xảy ra qua bốn giai đoạn.

Hình 1.4: Cơ chế bảo vệ tái kết tụ các hạt chất độn của hợp chất silan

6

1.2. Tác dụng quá trình biến đổi bề mặt
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:
1.2.1. 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 hợp chất alkoxysilan giống như Methyltrimethoxysilane - CH
3
-
Si(OCH
3
) 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: TiO
2
)
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


1.2.4. 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.
Bảng 1.1. Cải thiện tính chất điện với tác nhân phân tán silan xử lý thạch anh
gia cường cho nhựa epoxy
Hệ
Hằng số điện môi
Hệ số tiêu hao
Khô
Ướt
*
Khô
Ướt
*

Nhựa không có thạch anh
3.44
3.43
0.007
0.005
Thạch anh không xử lý
3.39
14.60
0.017
0.305
Thạch anh xử lý bằng Z-6040
3.40
3.44

của chất độn có nhiệt độ cao thường diễn ra trong lò nung. Phương pháp này
có thể rút ngắn thời gian vì bỏ qua giai đoạn sấy khô và quá trình thực hiện
đơn giản hơn nhưng phải chú ý tới khả năng bắt cháy.
Trong vai trò là chất độn hay chất gia cường trong lĩnh vực vật liệu
polyme, talc phải được biến đổi bề mặt. Việc sử dụng hợp chất silan xử lý talc
nâng cao khả năng phân tán cũng như phẩm chất của vật liệu nhựa được gia
cường bột talc.
Lợi thế của bột talc được xử lý bằng hợp chất silan:
- Lợi thế cho quá trình gia công chế tạo:
+) Hàm lượng cho vào cao hơn
+) Sự hình thành các điểm chết thấp hơn
+) Tốc độ gia công nhanh hơn
+) Wider processing window
- Lợi thế cho sản phẩm:
+) Độ ổn định màu sắc tốt hơn
+) Tính chất quang và độ bóng cao hơn
+) Tính chất cơ cao hơn
10

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 và
quá trình biến đổi bề mặt phải có sự 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.

Hình 1.6: Cơ chế proton hóa phân tử silan

O,
11

K
2
O, CaO,… hàm lượng các tạp chất thường chứa vài phần trăm. Trong
những tạp chất trên người ta lưu ý nhiều đến thành phần của các oxit kim loại
nhóm d vì chúng có khả năng gây màu, gây màu mạnh nhất là FeO. Nếu sử
dụng talc làm nguyên liệu sản xuất gốm, sứ hay vật liệu chịu lửa thì người ta
thường chọn talc có thành phần FeO nhỏ. Màu của talc thường là màu xanh
sáng, trắng hoặc xanh xám. Nếu FeO lớn thì có màu trắng ngà hoặc phớt
hồng.
 Thành phần khoáng vật
Do nguồn gốc của talc được hình thành từ quá trình biến đổi nhiệt dịch
đá giàu magie, các đá silicat trầm tích, các đá cacbonat magie nên ngoài talc
Mg
3
Si
4
O
10
(OH)
2
thì còn có các khoáng như: dolomit Mg.Ca(CO
3
)
2
; manhezit
MgCO
3

3
.2SiO
2
.H
2
O mà trực quan và một số tính chất vật lý ứng
dụng rất giống talc.
2.1.2. Cấu trúc
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-O
2
-
/hydroxyl nằm kẹp giữa 2 lớp tứ diện SiO
2
.
Talc có cấu trúc tinh thể hệ mặt nghiêng, dạng đối xứng 2/m (L
2
PC).
Mỗi ô mạng cấu trúc chứa 4 phân tử.
Cấu trúc của talc được tạo nên từ tập ba lớp với mối liên kết phân tử
giữa các tập [1, 2, 3]. Lớp bát giác (hình 8 mặt) Mg(OH)
2
O
4
phân bố giữa hai
lớp tứ diện [Si
4
O
10
]. Giữa các tập hay các phiến talc liên kết với nhau bằng

13

Hình 1.9: Talc dưới kính hiển vi SEM
Tinh thể talc có dạng hình vẩy. Thường tập hợp tạo các lá, vẩy hay khối
sít đặc (hình 1.9). Do lực liên kết các vẩy nhỏ nên sờ tay có cảm giác mỡ.
2.1.3. Tính chất
Trong các loại khoáng chất có trong tự nhiên, bột talc là loại bột mềm
nhất (độ cứng 1 Mohs), có màu trắng sáng bóng, có khả năng giữ mùi thơm
lâu và đặc biệt có độ sạch cao. Tỷ trọng của bột talc dao động trong khoảng
2,5-2,8 g/cm
3
.
Bề mặt chính hay bề mặt cơ sở trên các phiến cơ sở của talc không
chứa các nhóm hydroxyl hay các ion hoạt động, điều này giải thích tính kỵ
nước và trơ về mặt hóa học của talc.
Talc không talc trong nước cũng như trong dung dịch axit hay bazo
yếu.
Khi nung talc có hiệu ứng nhiệt mạnh bắt đầu từ 900
0
C, thông thường
là 920-1060

3
 MgO.SiO
2
+ MgO.Fe
2
O
3

Sự oxi hóa sắt sẽ làm mủn sản phẩm đồng thời lại tiêu tốn MgO để biến
thành 2MgO.SiO
2
cho nên phải hạn chế oxit sắt trong nguyên liệu.
Talc không bị phân hủy bằng axit trừ HF nó có thể sử dụng làm vật liệu
chịu lửa forsterite theo phản ứng:
3MgO.4SiO
2
.2H
2
O + 5MgO  4[2MgO.SiO
2
] + H
2
O
Talc nóng chảy ở 1500
0
C.
2.2. Quá trình hình thành khoáng talc
Talc là khoáng vật có nguồn gốc biến chất bao gồm cả biến chất tiếp
xúc và biến chất khu vực và 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

Pháp.
15 Hình 1.10: Sự phân bố các mỏ talc trên thế giới
2.3. Ứng dụng
 Talc trong các ngành công nghiệp Hình 1.11: Ứng dụng talc trong các
ngành công nghiệp khác nhau
ở Hoa Kỳ năm 2003 Hình 1.11và bảng 1.2 cho thấy các số liệu thống kê và tỉ lệ sử dụng talc
tại Hoa Kỳ trong các năm từ 2003 đến 2007.
16

Bảng 1.2 : Thống kê sử dụng bột talc trong một số lĩnh vực khác nhau ở Hoa
Kỳ
(Đơn vị: nghìn tấn)
Lĩnh vực
Năm
2003

40
61
51
Cao su
18
21
23
26
Khác
139
129
99
77
Tổng cộng
718
688
760
681
(Nguồn : U.S. Geological Survey, 2006, 2007, 2008)

 Cao su
Talc làm giảm độ nhớt của các hợp chất cao su, do đó làm cho các bộ
phận đúc và ép dễ dàng hơn. Trong các chất nhồi và các loại đệm cao su,
chúng cung cấp khả năng kháng nén tốt. trong dây cáp điện, talc hoạt động
như chất cách điện. talc cũng giúp các nhà sản xuất lốp xe giảm độ dày lốp.
 Chất dẻo
Talc dạng tấm được sử dụng để gia cố và độn cho cả thiết bị chịu nhiệt
và chất dẻo chịu nhiệt – chủ yếu là chất dẻo chịu nhiệt. Talc được sử dụng

Trích đoạn Xác định nồng độ hợp chất biến đổi bề mặt khoáng talc Khảo sát tính chất của khoáng talc biến đổi bề mặt

---