Nghiên cứu biến tính khoáng sericit ứng dụng cho vật liệu polyme tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Nghiên cứu biến tính khoáng sericit ứng dụng làm chất độn gia cường cho vật liệu polyme, mở ra hướng đi mới trong công nghệ vật liệu.

• Tác giả: Nguyễn Việt Dũng
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Kế Thế
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa học Hữu cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Biến Tính Khoáng Sericit Ứng Dụng Làm Chất Độn Gia Cường Cho Vật Liệu Polyme
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Chất độn trong công nghiệp Vật liệu Polyme
• 1.2. Khoáng sericit
• 1.3. Giới thiệu các đặc tính của sericit có liên quan đến vật liệu được gia cường
• 1.3.1. Hình thái sericit và những ảnh hưởng
• 1.3.2. Tỷ lệ bề mặt và các ảnh hưởng
• 1.3.3. Màu sắc và các ảnh hưởng
• 1.3.4. Các tính chất quan trọng khác của sericit
• 1.4. Biến đổi bề mặt khoáng sericit
• 1.4.1. Hợp chất silan và vai trò của quá trình biến đổi bề mặt
• 1.4.2. Đặc điểm cấu trúc tinh thể khoáng sericit và quá trình biến đổi bề mặt
• 2. ỨNG DỤNG KHOÁNG SERICIT CHO CÁC VẬT LIỆU POLYME
• 2.1. Sericit gia cường cho các vật liệu cao su
• 2.2. Sericit gia cường cho chất dẻo
• 2.3. Sericit gia cường cho các lớp phủ bảo vệ
• 2.4. Các nghiên cứu ứng dụng khoáng sericit trong lĩnh vực polyme ở Việt Nam
• 2.5. Mẫu sericit và các nguyên vật liệu
• 2.5.1. Khoáng sericit
• 2.5.2. Hợp chất silan
• 2.5.3. Cao su thiên nhiên
• 2.5.4. Chất tạo màng cho sơn trên cơ sở epoxy
• 2.5.5. Các phụ gia cho chế tạo vật liệu CSTN
• 2.5.6. Các hóa chất để chế tạo sơn trên cơ sở nhựa epoxy
• 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Phương pháp biến đổi bề mặt khoáng sericit
• 3.2. Phương pháp chế tạo vật liệu CSTN/sericit
• 3.3. Phương pháp chế tạo sơn epoxy/sericit
• 3.4. Thiết bị và tiêu chuẩn nghiên cứu
• 3.5. Phổ hấp thụ hồng ngoại
• 3.6. Nghiên cứu khả năng trộn hợp của khoáng sericit với cao su
• 3.7. Nghiên cứu quá trình lưu hoá của cao su
• 3.8. Khảo sát tính chất điện của vật liệu cao su
• 3.9. Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu
• 3.10. Nghiên cứu các tính chất của sơn và màng sơn
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Nghiên cứu biến đổi bề mặt sericit
• 4.1.1. Ảnh hưởng của môi trường phản ứng đến quá trình silan hóa bề mặt sericit
• 4.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ silan đến phản ứng silan hóa bề mặt sericit
• 4.1.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến quá trình silan hóa bề mặt sericit
• 4.1.4. Ảnh hưởng của quá trình polyme hóa silan đến độ bền của lớp bề mặt biến đổi
• 4.1.5. Xác định mức độ silan hóa sericit bằng phân tích nhiệt
• 4.2. Nghiên cứu khả năng gia cường sericit biến đổi bề mặt cho vật liệu CSTN
• 4.2.1. Khả năng trộn hợp của bột khoáng sericit với CSTN
• 4.2.2. Ảnh hưởng của bột khoáng sericit đến quá trình lưu hóa CSTN
• 4.2.3. Ảnh hưởng của bột khoáng sericit đến tính chất của vật liệu CSTN
• 4.2.4. Ảnh hưởng của khoáng sericit đến độ cách điện của vật liệu cao su
• 4.2.5. Ảnh hưởng của khoáng sericit đến độ bền nhiệt của vật liệu
• 4.2.6. Ảnh hưởng của bột khoáng sericit biến đổi bề mặt đến cấu trúc hình thái của vật liệu
• 4.3. Nghiên cứu ứng dụng sericit để tăng cường khả năng bảo vệ cho hệ sơn pek-epoxy
• 4.3.1. Chế tạo sơn trên cơ sở nhựa epoxy
• 4.3.2. Khảo sát tính chất của sơn
• 4.3.3. Khảo sát tính chất cơ lý của màng sơn
• 4.3.4. Khảo sát độ bền hóa chất của màng sơn
• 4.3.5. Xác định khả năng bảo vệ màng sơn bằng thử nghiệm mù muối
• 4.3.6. Khảo sát tính chất che chắn của màng sơn
• 4.3.7. Khảo sát cấu trúc hình thái màng sơn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về biến tính khoáng sericit cho vật liệu polyme

Biến tính khoáng sericit là một trong những nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực vật liệu polyme. Sericit, với công thức hóa học KAl2(OH)2(AlSi3O10), là một khoáng chất tự nhiên có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Việc biến tính sericit không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau.

1.1. Đặc điểm và tính chất của khoáng sericit

Sericit có nhiều đặc điểm nổi bật như tỷ trọng từ 2,5 đến 3,2 g/cm³, khả năng chịu nhiệt cao và tính chất cách điện tốt. Những đặc điểm này làm cho sericit trở thành một chất độn lý tưởng trong các vật liệu polyme.

1.2. Lịch sử và ứng dụng của sericit trong công nghiệp

Sericit đã được khai thác và sử dụng từ giữa thế kỷ 19, chủ yếu trong các lĩnh vực như công nghiệp điện tử, xây dựng và chế tạo sơn. Sự phát triển của công nghệ đã giúp nâng cao giá trị sử dụng của sericit trong các sản phẩm polyme.

II. Vấn đề và thách thức trong việc biến tính khoáng sericit

Mặc dù sericit có nhiều ưu điểm, việc biến tính khoáng này cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như khả năng tương tác với chất nền polyme, chi phí biến tính và hiệu quả gia cường cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

2.1. Khó khăn trong việc xử lý bề mặt sericit

Quá trình biến đổi bề mặt sericit bằng hợp chất silan có thể gặp khó khăn do tính chất hóa học của sericit. Cần có các phương pháp tối ưu để đảm bảo hiệu quả của quá trình này.

2.2. Chi phí và hiệu quả kinh tế của việc biến tính

Chi phí biến tính sericit có thể cao, ảnh hưởng đến giá thành sản phẩm cuối cùng. Cần đánh giá hiệu quả kinh tế của việc sử dụng sericit đã biến tính so với các chất độn khác.

III. Phương pháp biến tính khoáng sericit hiệu quả

Có nhiều phương pháp biến tính khoáng sericit, trong đó phương pháp silan hóa được sử dụng phổ biến nhất. Phương pháp này giúp cải thiện khả năng tương tác của sericit với chất nền polyme, từ đó nâng cao tính chất cơ lý của vật liệu.

3.1. Phương pháp silan hóa bề mặt sericit

Silan hóa là quá trình sử dụng hợp chất silan để cải thiện tính chất bề mặt của sericit. Quá trình này giúp tăng cường khả năng phân tán của sericit trong chất nền polyme.

3.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu polyme sericit

Nghiên cứu các phương pháp chế tạo vật liệu polyme kết hợp với sericit như cao su thiên nhiên và sơn epoxy. Những phương pháp này giúp tối ưu hóa tính chất của vật liệu cuối cùng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của sericit trong vật liệu polyme

Sericit đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp cao su đến chế tạo sơn. Việc sử dụng sericit không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ lý mà còn tăng cường khả năng bảo vệ cho các sản phẩm.

4.1. Sericit trong ngành cao su

Sericit được sử dụng như một chất độn gia cường trong cao su, giúp cải thiện độ bền và tính đàn hồi của sản phẩm. Nghiên cứu cho thấy sericit có thể làm giảm độ co ngót của cao su.

4.2. Sericit trong chế tạo sơn và lớp phủ

Sử dụng sericit trong chế tạo sơn giúp tăng cường khả năng bảo vệ và độ bền của lớp phủ. Các sản phẩm sơn có chứa sericit cho thấy khả năng chống xâm thực tốt hơn.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu biến tính khoáng sericit

Nghiên cứu biến tính khoáng sericit mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp vật liệu. Với những ưu điểm vượt trội, sericit có thể trở thành một lựa chọn hàng đầu trong việc gia cường vật liệu polyme trong tương lai.

5.1. Triển vọng nghiên cứu và ứng dụng

Nghiên cứu về sericit cần tiếp tục được mở rộng để khám phá thêm nhiều ứng dụng mới. Các nghiên cứu sâu hơn về tính chất và khả năng tương tác của sericit với các chất nền polyme sẽ giúp nâng cao giá trị sử dụng của nó.

5.2. Tương lai của sericit trong ngành công nghiệp

Với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu ngày càng cao về vật liệu chất lượng, sericit có thể trở thành một trong những chất độn quan trọng trong ngành công nghiệp vật liệu polyme.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khoáng sericit là một loại khoáng vật công nghiệp có giá trị kinh tế cao, với tổng sản lượng toàn cầu năm 2006 đạt khoảng 342.000 tấn. Ở Việt Nam, mặc dù có trữ lượng lớn, sericit mới chỉ được khai thác và nghiên cứu ứng dụng hạn chế, đặc biệt trong lĩnh vực vật liệu polyme. Sericit có thành phần chủ yếu là oxit silic (SiO2 chiếm 43,13 - 49,04%) và có cấu trúc dạng phiến mỏng, tỷ lệ bề mặt lớn, giúp cải thiện tính chất cơ lý và hóa học của vật liệu polyme khi được sử dụng làm chất độn gia cường.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định cơ chế biến đổi bề mặt khoáng sericit bằng hợp chất silan và đánh giá khả năng gia cường cho vật liệu polyme dựa trên cao su thiên nhiên và sơn epoxy. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Viện Khoa học Vật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội, trong giai đoạn 2010-2012. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao giá trị sử dụng của khoáng sericit, góp phần phát triển công nghiệp vật liệu polyme trong nước, đồng thời giảm chi phí sản xuất và cải thiện tính năng sản phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết về chất độn gia cường trong vật liệu polyme: Chất độn dạng hạt như sericit không chỉ giảm giá thành mà còn cải thiện tính chất cơ lý, điện và hóa học của vật liệu polyme. Sericit với hình dạng phiến mỏng, tỷ lệ bề mặt cao giúp tăng độ cứng, giảm sự xâm thực của khí và chất lỏng, đồng thời cải thiện tính ổn định kích thước sản phẩm.

• Mô hình biến đổi bề mặt bằng hợp chất silan: Hợp chất silan có cấu trúc gồm nhóm vô cơ và hữu cơ, hoạt động như cầu nối giữa chất độn vô cơ và polyme hữu cơ. Quá trình biến đổi bề mặt sericit bằng silan bao gồm thủy phân nhóm alkoxy, tạo liên kết hydro và liên kết cộng hóa trị với bề mặt sericit, từ đó tăng khả năng tương tác và phân tán trong polyme.

• Khái niệm về cấu trúc tinh thể và bề mặt sericit: Sericit có cấu trúc lớp gồm ba lớp (tứ diện - bát diện - tứ diện), bề mặt tích điện âm được trung hòa bởi ion K+, dễ dàng bóc tách thành các phiến mỏng với tỷ lệ bề mặt lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình biến đổi bề mặt và gia cường vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Mẫu sericit được tuyển chọn và chế biến từ mỏ Sơn Bình, Hà Tĩnh, với kích thước hạt trung bình khoảng 11 µm, độ trắng > 80%. Hợp chất silan sử dụng gồm 3-Aminopropyltrietoxysilan (3-APTMS) và Vinyltrimetoxysilan (VTMS). Vật liệu polyme nghiên cứu là cao su thiên nhiên SVR-3L và nhựa epoxy.

• Phương pháp biến đổi bề mặt: Sericit được xử lý trong dung dịch ethanol chứa 0,5-4% silan, điều chỉnh pH về môi trường axit (khoảng 5.3), thời gian phản ứng 1-24 giờ ở nhiệt độ phòng. Sau phản ứng, mẫu được lọc, rửa và sấy khô ở 40-50°C.

• Phương pháp chế tạo vật liệu: Cao su thiên nhiên được cán trộn với sericit biến đổi và các phụ gia ở nhiệt độ dưới 50°C, sau đó lưu hóa ở 145°C trong 30 phút. Sơn epoxy được chế tạo bằng phương pháp trộn nóng chảy và nghiền bi, với hàm lượng sericit từ 0-30%.

• Phương pháp phân tích: Phổ hấp thụ hồng ngoại (FT-IR) để xác định biến đổi bề mặt; phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để đánh giá mức độ silan hóa; kính hiển vi điện tử quét (SEM) khảo sát cấu trúc hình thái; các phép đo cơ lý, điện môi, độ bền hóa chất, thử nghiệm mù muối và điện trở màng sơn theo tiêu chuẩn ASTM và TCVN.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng 2 năm, tập trung vào khảo sát điều kiện biến đổi bề mặt, chế tạo và đánh giá tính chất vật liệu polyme gia cường sericit.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của môi trường phản ứng đến silan hóa sericit: Mẫu sericit biến đổi trong môi trường axit (pH ~5.3) hấp phụ silan rõ rệt hơn so với môi trường trung tính, với các vạch phổ FT-IR đặc trưng nhóm amin và -NH3+ xuất hiện rõ (3433 cm⁻¹, 1613 cm⁻¹, 3038 cm⁻¹). Điều này chứng tỏ môi trường axit xúc tác thủy phân silan và tạo liên kết ion với bề mặt sericit tích điện âm.

2. Nồng độ silan tối ưu: Nồng độ 1% 3-APTMS trong dung dịch ethanol là thích hợp nhất, đạt trạng thái bão hòa hấp phụ silan trên bề mặt sericit. Tăng nồng độ lên 4% không làm tăng đáng kể lượng silan hấp phụ, được xác định qua cường độ các vạch phổ FT-IR.

3. Thời gian phản ứng tối ưu: Thời gian 4 giờ cho quá trình silan hóa là phù hợp, khi cường độ các vạch phổ FT-IR tăng mạnh so với 1 giờ và không thay đổi nhiều khi kéo dài đến 24 giờ.

4. Độ bền lớp silan trên bề mặt: Sau khi sấy khô ở 50°C, lớp silan trên bề mặt sericit trở nên bền vững hơn, được xác nhận qua phổ FT-IR và phân tích nhiệt TGA. Lượng silan hấp phụ đạt khoảng 3,06% theo khối lượng, với nhiệt độ phân hủy đặc trưng ở 274,1°C.

5. Khả năng gia cường vật liệu polyme: Sericit biến đổi bề mặt bằng silan cải thiện đáng kể khả năng trộn hợp với cao su thiên nhiên và sơn epoxy, nâng cao tính chất cơ lý, điện môi và độ bền hóa chất của vật liệu. Ví dụ, môđun đàn hồi và độ bền kéo đứt của cao su tăng lên khi hàm lượng sericit gia cường tăng từ 0 đến 30%. Màng sơn epoxy có chứa 20% sericit biến đổi bề mặt cho khả năng chống ăn mòn và chống tia UV tốt hơn so với mẫu không xử lý.

Thảo luận kết quả

Quá trình biến đổi bề mặt sericit bằng hợp chất silan trong môi trường axit tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng thủy phân và hình thành các nhóm silanol, từ đó liên kết ion với bề mặt sericit tích điện âm. Nồng độ silan 1% và thời gian 4 giờ là điều kiện tối ưu để đạt hiệu quả silan hóa cao nhất, phù hợp với đặc tính kích thước hạt và cấu trúc phiến mỏng của sericit.

Lớp silan bền vững sau khi sấy khô giúp tăng cường liên kết giữa sericit và polyme nền, cải thiện khả năng phân tán và tương tác pha, từ đó nâng cao tính chất cơ lý và điện môi của vật liệu composite. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về biến đổi bề mặt khoáng mica và ứng dụng trong vật liệu polyme.

Việc sử dụng sericit biến đổi bề mặt làm chất độn gia cường cho cao su thiên nhiên và sơn epoxy không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất so với oxit silic mà còn nâng cao tính năng kỹ thuật như độ bền nhiệt, chống ăn mòn, và ổn định kích thước sản phẩm. Các biểu đồ phổ FT-IR, giản đồ TGA và ảnh SEM minh họa rõ ràng sự thay đổi cấu trúc bề mặt và phân tán của sericit trong vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình biến đổi bề mặt sericit bằng silan trong công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng dung dịch silan 1% trong ethanol, điều chỉnh pH về môi trường axit, thời gian phản ứng 4 giờ và sấy khô ở 50°C để đạt hiệu quả silan hóa tối ưu. Chủ thể thực hiện là các nhà máy sản xuất vật liệu polyme, thời gian áp dụng trong vòng 6-12 tháng.

2. Phát triển vật liệu composite cao su thiên nhiên và sơn epoxy gia cường sericit: Tăng cường nghiên cứu phối hợp hàm lượng sericit biến đổi bề mặt từ 10-30% để tối ưu tính chất cơ lý và điện môi, giảm chi phí sản xuất. Các doanh nghiệp sản xuất cao su và sơn nên triển khai thử nghiệm quy mô pilot trong 1 năm.

3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho sericit biến đổi bề mặt: Thiết lập các chỉ tiêu về kích thước hạt, độ trắng, hàm lượng silan hấp phụ và tính chất cơ lý của vật liệu composite để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý nhà nước phối hợp thực hiện trong 2 năm tới.

4. Mở rộng ứng dụng sericit trong các loại polyme khác: Nghiên cứu ứng dụng sericit biến đổi bề mặt trong các vật liệu polyme nhiệt dẻo, polyuretan và nhựa đặc chủng nhằm đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao giá trị gia tăng. Các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác triển khai trong 3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về biến đổi bề mặt khoáng sericit và ứng dụng trong vật liệu polyme, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu và luận văn.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu polyme và cao su: Áp dụng quy trình biến đổi bề mặt và công nghệ gia cường sericit để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí nguyên liệu và tăng tính cạnh tranh.

3. Cơ quan quản lý và xây dựng tiêu chuẩn vật liệu: Tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu composite gia cường sericit, đảm bảo chất lượng và an toàn trong sản xuất và sử dụng.

4. Chuyên gia phát triển sản phẩm và kỹ sư công nghệ: Hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa quy trình sản xuất vật liệu polyme gia cường sericit, nâng cao hiệu quả kỹ thuật và kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Sericit là gì và tại sao được sử dụng làm chất độn gia cường?
   Sericit là khoáng vật mica dạng phiến mỏng, có tỷ lệ bề mặt cao, chịu nhiệt tốt và cách điện hiệu quả. Khi được biến đổi bề mặt bằng silan, sericit tương thích tốt với polyme, giúp cải thiện tính chất cơ lý và hóa học của vật liệu composite.

2. Quá trình biến đổi bề mặt sericit bằng silan diễn ra như thế nào?
   Quá trình bao gồm thủy phân nhóm alkoxy của silan trong môi trường axit, tạo nhóm silanol liên kết hydro và ion với bề mặt sericit tích điện âm, sau đó sấy khô để hình thành lớp silan bền vững trên bề mặt.

3. Nồng độ và thời gian phản ứng silan hóa tối ưu là bao nhiêu?
   Nồng độ silan 1% và thời gian phản ứng 4 giờ ở nhiệt độ phòng được xác định là điều kiện tối ưu để đạt hiệu quả silan hóa cao nhất, đảm bảo lớp silan bền và phân tán tốt trong polyme.

4. Sericit biến đổi bề mặt ảnh hưởng thế nào đến tính chất vật liệu cao su và sơn epoxy?
   Sericit gia cường làm tăng môđun đàn hồi, độ bền kéo đứt, khả năng chống ăn mòn và chống tia UV của vật liệu, đồng thời cải thiện khả năng phân tán và tương tác pha, giúp vật liệu bền hơn và ổn định hơn về kích thước.

5. Làm thế nào để kiểm tra mức độ biến đổi bề mặt sericit?
   Sử dụng phổ hấp thụ hồng ngoại (FT-IR) để phát hiện các nhóm chức silan trên bề mặt, phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để xác định lượng silan hấp phụ, và kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát cấu trúc hình thái và phân tán trong vật liệu.

Kết luận

• Quá trình biến đổi bề mặt khoáng sericit bằng hợp chất silan trong môi trường axit với nồng độ 1% và thời gian 4 giờ đạt hiệu quả tối ưu, tạo lớp silan bền vững trên bề mặt.

• Sericit biến đổi bề mặt cải thiện đáng kể khả năng tương tác và phân tán trong vật liệu polyme, nâng cao tính chất cơ lý, điện môi và độ bền hóa chất của cao su thiên nhiên và sơn epoxy.

• Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ chế biến và ứng dụng khoáng sericit trong ngành vật liệu polyme tại Việt Nam, giảm chi phí và tăng giá trị sản phẩm.

• Đề xuất áp dụng quy trình biến đổi bề mặt và gia cường sericit trong sản xuất công nghiệp, đồng thời xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu composite gia cường sericit.

• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu ứng dụng sericit trong các loại polyme khác và triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp nhằm thương mại hóa sản phẩm.

Hành động ngay hôm nay để khai thác tiềm năng của khoáng sericit trong vật liệu polyme, nâng cao chất lượng và giá trị sản phẩm của bạn!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN 1. Chấ t đô ̣n trong công nghiêp̣ Vâ ̣t liêụ Polyme Ngay từ những ngày đầu tiên, các chất độn dạng hạt đã đóng vai trò sống còn đối với các ứng dụng thương mại của vật liệu polyme [28]. Đầu tiên, chúng được xem như các chất pha loãng để giảm giá thành, do đó có tên là chất độn.

Tuy nhiên, những khả năng và lợi ích của chúng đã sớm được nhận ra, và ngày nay được sử dụng với rất nhiều các mục đích khác nhau. Thuật ngữ chất độn chức năng thường được sử dụng để mô tả các vật liệu không chỉ để giảm giá thành mà còn cải thiện nhiều tính chất của chất nền, nên còn được gọi là các chất gia cường. Muội than là chất độn gia cường được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp polyme, nhờ các đặc trưng lý-hóa cũng như khả năng ứng dụng mà nó mang lại cho cao su lưu hóa [10]. Tuy nhiên, tính không ổn định của giá dầu mỏ đã làm gia tăng các quan tâm đến các khoáng tự nhiên khác, như các hợp chất của oxit silic.

Năm 1950, oxit silic điều chế bắt đầu được sử dụng làm chất độn gia cường cho các sản phẩm cao su [10]. Năm 1976, Wagner đã nghiên cứu kỹ việc sử dụng oxit silic và silicat trong cao su và nhận thấy rằng, với sự có mặt các thành phần này một số tính chất đặc trưng của vật liệu đã được cải thiện như sự kháng rách, tính mềm mại, kháng mài mòn, cách nhiệt, tăng độ cứng, môđun, tích nhiệt thấp, tính đàn hồi cao và màu sắc không rõ rệt. Kết hợp với sự thay đổi trong quá trình sản xuất, cần phải thích nghi với các quá trình xử lý bề mặt chất độn như xử lý nhiệt trong quá trình trộn hợp với cao su, xử lý nhiệt với sự có mặt của các chất hoạt hóa hay việc sử dụng các tác nhân ghép nối (titanat, silan). Tuy nhiên, việc sử dụng oxit silic đã làm tăng giá thành sản phẩm, trong nhiều trường hợp, giá thành của sản phẩm tăng lên đáng kể, do đó người ta phải kết hợp sử dụng các chất độn khoáng khác như sét, đá vôi (CaCO 3).

Điều này lại làm giảm các tính năng kỹ thuật của sản phẩm. Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên 2 Lớp K21 - Hóa học Hữu cơ TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng Sericit là khoáng vật tự nhiên, trong đó hàm lượng oxit silic chiếm thành phần chủ yếu. Cùng với các đặc trưng về hình dạng, khoáng vật này ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là sử dụng làm chất độn gia cường trong công nghiệp cao su và chất dẻo. Sericit trong các vật liệu polyme đã có nhiều ảnh hưởng tích cực đến các tính chất của vật liệu.

Khoáng sericit Sericit là dạng thù hình ẩn tinh (vi tinh thể), công thức hoá học của sericit là KAl2(OH)2(AlSi3O10) với thành phần là: SiO2 = 43,13 - 49,04%; Al2O3 = 27,93 - 37,44%; K2O + Na2O = 9 - 11%; H2O = 4,13 -6,12%. - Tỷ trọng: 2,5 đến 3,2g/cm3, đặc trưng là 2,82. - Có khả năng phân tấm mỏng hoặc rất mỏng, tỷ lệ đường kính bề mặt/ độ dày > 80, độ mịn cao. - Dễ uốn, dẻo (modul đàn hồi vào khoảng 1500-2100 MPa) - Trong suốt đến trong mờ, có tính ánh kim trên bề mặt.

- Màu trắng, vàng nâu, (muscovit có thể có màu đỏ nâu rubi) - Chịu nhiệt cao tới 600 đến 1100°C, dẫn nhiệt kém (hệ số dẫn nhiệt vào khoảng 0,419-0,670 W/m. Nhiệt dung riêng là 0,8 kJ/kg.K, cách điện tốt (độ bền điện 200kV/mm). - Bền hóa chất, trơ với dung dịch kiềm và axit. - Không thấm nước.

- Chống tia UV tốt. Sericit có thành phần và cấu trúc tương tự kaolinit nên nó có một số tính chất Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên 3 Lớp K21 - Hóa học Hữu cơ TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng của sét như dễ phân tán trong nước và trong dung môi hữu cơ. Sericit bắt đầu được khai thác và sử dụng nhiều từ giữa thế kỷ 19. Sericit tự nhiên nói chung được khai thác, chế biến và sử dụng rộng rãi, đặc biệt ở những nước công nghiệp phát triển.

Lĩnh vực sử dụng sericit rất rộng, trong công nghiệp điện tử, công nghiệp điện, xây dựng, chế tạo sơn và các chất phủ, chất độn trong công nghiệp nhựa, cao su, trong công nghiệp dầu khí và cả trong công nghiệp hóa mỹ phẩm…. Tổng sản lượng sản phẩm sericit năm 2006 là 342 000 tấn. Những nước khai thác hàng đầu thế giới phải kể đến là Mỹ, Nga, Hàn Quốc, Canada, Pháp, Đài Loan, Malysia, Brazin. Giá trị của các sản phẩm sericit phụ thuộc vào độ sạch, độ mịn, độ trắng và nhất là hàm lượng các kim loại nặng còn lại trong sản phẩm.

Giá trung bình của bột sericit chế biến theo phương pháp khô là 237 USD/tấn, theo phương pháp ướt là 784 USD/tấn. Sericit thương mại sach, đã được sử lý bề mặt có thể lên tới 15 000 đến 40 000 USD/tấn [28]. Theo thông tin của USGS, nhu cầu về các sản phẩm sericit tăng 1-3% mỗi năm, chủ yếu trong lĩnh vực công nghiệp sơn phủ, gia cường cho các vật liệu polyme, nhựa đặc chủng trong ô tô, và công nghiệp hóa mỹ phẩm. Sericit tự nhiên có dạng bột mịn, được sử dụng trong công nghiệp chế tạo sơn cao cấp, dung dịch khoan, dung dịch bôi trơn động cơ.

Ngày nay, khi khoa học và công nghệ đã phát triển, cùng với nhu cầu ngày càng cao của các ngành kinh tế quốc dân, người ta đã tìm thấy những tính năng đặc biệt và công dụng rất nhiều mặt của mica nói chung và của sericit nói riêng. Ở nước ta sericit thường được nhắc tới trong các tài liệu địa chất như những khoáng vật tạo đá khác trong các thành tạo biến chất như đá phiến sét – sericit, đá phiến thạch anh – sericit v.Thời gian vừa qua Liên đoàn bản đồ địa chất miền Bắc đã tiến hành nghiên cứu và hoàn thành đề tài “Xác định chất lượng, đặc tính công nghệ khoáng chất sericit vùng Sơn Định, Châu Sơn, Hà Tĩnh”. Đề tài này có sự tham gia của Viện khoa học Vật liệu. Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên 4 Lớp K21 - Hóa học Hữu cơ TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng 1.

Giới thiệu các đặc tính của sericit có liên quan đến vật liệu được gia cường [19] 1. Hình thái sericit và những ảnh hưởng Các đặc trưng của khoáng chất - những tính chất sẽ có những ảnh hưởng đến khả năng gia cường trong vật liệu của chất độn bao gồm các yếu tố chính: hình dạng, kích thước hạt, diện tích bề mặt và khả năng tương tác của chất độn với chất nền polyme. Hình cầu Hình Khối lập phương Hình kim Hình khối hộp Hình phiến (tấm) Hình sợi Hình dạng phổ biến của các loại chất độn dạng hạt như hình cầu, hình khối, hình lập phương, hình kim, dạng phiến hay dạng sợi. Một vài loại chất độn chứa nhiều loại hình dạng khác nhau.

Các chất độn khoáng đặc trưng bởi các dạng tấm, dạng kim và dạng sợi có những ảnh hưởng sâu sắc bởi tỷ lệ bề mặt của chúng. Sericit thuộc nhóm mica muscovit – một trong hai loại khoáng chủ yếu của nhóm mica được đặc trưng bởi hình dạng phiến, dẹt và có thể bóc tách dễ dàng (hình 1. Điều này cho phép có thể phân chia hay bóc tách thành các hạt có tỷ lệ bề mặt cao từ mỏng đến rất mỏng, bền chắc và mềm dẻo. Các mảnh thủy tinh cũng có hình dạng dẹt với tỷ lệ bề mặt cao.

Nhưng với bản chất dễ vỡ, các mảnh thủy tinh rất khó có thể tạo hình và trộn hợp với polyme như sericit. Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên 5 Lớp K21 - Hóa học Hữu cơ TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng Hình 1.1: Ảnh SEM khoáng sericit Hình dạng dẹt độc đáo của sericit rất có lợi khi đưa chúng vào trong các vật liệu khác nhau. Do kích thước chiều dài và chiều rộng là tương đương, chiều dày rất nhỏ nên sericit là chất gia cường nhị phương giúp cho độ co ngót của sản phẩm về cơ bản không thay đổi khi tạo hình. Sợi thủy tinh và vật liệu dạng sợi giống như wollastonit có sự khác nhau rất lớn về kích thước chiều dài và chiều rộng.

Vì thế, các sợi có xu hướng sắp xếp theo hướng song song với nhau cùng với quá trình chế tạo vật liệu. Sự định hướng này gây ra sự khác nhau đáng kể về độ co ngót theo chiều ngang và chiều dọc dẫn đến sự cong vênh của sản phẩm. Khi thêm sericit vào trong vật liệu polypropylen độn sợi thủy tinh đã làm giảm đáng kể phần sản phẩm cong vênh. Có mặt sericit sản phẩm co ngót đồng đều hơn, tổng sự co ngót giảm đi và được xác định bởi hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính (CLTE).

Điều này khá quan trọng khi cần tạo ra sản phẩm có kích thước ổn định trong quá trình sử dụng ở một khoảng nhiệt độ rộng. Một ưu điểm khác đem lại từ hình dạng mỏng dẹt của sericit là khả năng làm giảm sự xâm thực của các chất khí và chất lỏng. Điều này đặc biệt quan trọng trong các vật liệu sử dụng ngoài trời hay các thiết bị tiếp xúc với chất lỏng như các bình nhiên liệu động cơ, thùng chứa dầu, mỡ,…Các vật liệu được gia cường bằng sericit sẽ hạn chế được sự phồng rộp. Sơn có gia cường bằng sericit có khả năng bảo vệ xâm thực tốt hơn.

Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên 6 Lớp K21 - Hóa học Hữu cơ TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng 1. Tỷ lệ bề mặt và các ảnh hưởng Tỷ lệ bề mặt của các hạt dạng hình kim hay sợi là tỷ lệ giữa độ dài trung bình với đường kính trung bình: Trong khi đó, tỷ lệ bề mặt của các hạt dạng phiến hay dạng tấm là tỷ lệ giữa đường kính trung bình của một vòng tròn có cùng diện tích với độ dầy trung bình: Với các hạt dạng sợi hay dạng kim, tỷ lệ bề mặt là tỷ lệ giữa độ dài trung bình và đường kính trung bình. Với các hạt dạng phiến, đó là tỷ lệ giữa đường kính trung bình của một vòng tròn có cùng diện tích với bề mặt với độ dầy trung bình của tấm. Trong vật liệu, độ cứng được truyền cho chất nền polyme từ các loại bột khoáng cứng và bền.