TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HOÁ HỌC
----------

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

HÀ NỘI – 2016


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

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

NBR

Cao su nitril butadien

Phòng lão 4020

Chất phòng lão N-(1,3 dimetylbutyl)
N’fenyl-p-fenylendiamin

PKL

Phần khối lượng

PP

Nhựa polypropylen

PVC

Nhựa Polyvinyl clorua

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

VC

Vinyl clorua

Xúc tiến M

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

Nguyễn Thị Yến

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

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

Nguyễn Thị Yến

K38B - Hóa học


2.1.2. Khoáng talc ........................................................................................... 21
2.1.3. Chất biến đổi bề mặt ............................................................................. 21

Nguyễn Thị Yến

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

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

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.

Nguyễn Thị Yến

1

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

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

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:
n CH 2

=CH
(

CH

CH 2

= CH 2

+ mCH 2

=

CH CH

CH2

=CH

CN

) a ( CH 2 =CH ) b
CN

Sản phẩm này là sản phẩm chính, ngoài ra còn có sản phẩm phụ là sản

hơn và có mùi rõ hơn.
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.

Nguyễn Thị Yến

3

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

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

nước của NBR so với một số loại cao su không phân cực khác [3].
NBR là loại cao su phân cực lớn nên nó có khả năng trộn hợp với hầu
hết các poyme phân cực, với các loại nhựa tổng hợp phân cực,… NBR có
chứa liên kết không no trong mạch chính mạch đại phân tử nên nó có khả
năng lưu hoá bằng lưu huỳnh phối hợp với các xúc tiến lưu hoá thông dụng.
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.
1.2.2. Nguyên liệu tổng hợp PVC
PVC được tổng hợp từ CH2=CHCl (vinylclorua). Ở điều kiện thường
vinyl clorua (VC) là khí có mùi khó chịu như ete. Ở - 13,9 0C VC hoá lỏng,
có khối lượng riêng là 0.969 (g/cm3). Nhiệt độ nóng chảy của VC là – 159
0

C.

Nguyễn Thị Yến

5

- 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:

Nguyễn Thị Yến

6

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

- 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

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

Nguyễn Thị Yến

8

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2


Nguyễn Thị Yến

9

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

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

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

Nguyễn Thị Yến

11

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

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


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


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].

Nguyễn Thị Yến

14

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

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.

Hình 1.4: Phụ thuộc mô đun uốn và tỷ lệ bề mặt của chất độn[11]

Kích thước hạt là nhân tố thứ hai để xem xét khi lựa chọn chất độn làm
tăng độ cứng của polymer. Thông thường, tỷ lệ bề mặt của một loại khoáng là
không thay đổi khi nó được nghiền mịn, nhưng với công nghệ nghiền talc đặc
biệt, chẳng hạn như dùng SMI để sản xuất talc siêu mịn, tỷ lệ bề mặt tăng lên
bởi vì chiều dày hạt giảm nhanh hơn chiều dài của nó. Do đó, talc nghiền theo
SMI có tỷ lệ bề mặt cao hơn làm cho nhựa có độ cứng lớn hơn. Hình 1.5 biểu
thị môđun uốn của copolymer polypropylene chứa 30% khối lượng bột talc
khi kích thước của bột talc giảm từ 10 micro tới 1 micro.

Nguyễn Thị Yến

16

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

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

Khi kích thước bột talc giảm xuống còn 3 micro, tỷ lệ bề mặt của
khoáng là tương đối ổn định. Hình 1.6 biểu thị phụ thuộc mô đun uốn của
nhựa khi kích thước bột talc giảm ừ 3 micro xuống cồn 1 micro.

Hình 1.6: Mô đun uốn khi kích thước hạt từ 1-3µm [10]


Nguyễn Thị Yến

18

K38B - Hóa học