Khóa luận Nghiên cứu tăng cường khả năng bảo vệ của màng phủ bằng khoáng talc

i để sử dụng làm chất độn trong ngành cao su , sơn và polyme compozit. Các chất độn này chủ yếu phải nhập ngoại. Nghiên cứu biến đổi bề mặt các bột khoáng và khả năng ứng dụng chúng làm chất độn gia cường trong lĩnh vực vật liệu polyme là một hướng nghiên cứu từ lâu trên thế giới nhưng vẫn còn mới mẻ và cần được quan tâm đúng mức. 1.1.1. Đặc trưng về khoáng vật học Khoáng không thể được xem xét một cách đơn giản theo công thức hóa học. Cấu trúc tinh thể cũng có ý nghĩa quyết định đến tính chất của khoáng chất. Trong thiên nhiên có rất nhiều loại alumin silicat, như Hydrous kaolin [Al2Si2O5(OH)4], mullite [Al2SiO5], pyrophyllite [Al2Si4O10(OH)2], kyanite [Al2OSiO4] và sillimanite [Al2SiO5]. Tất cả đều là alumin silicat nhưng chúng là những loại khoáng riêng biệt, có cấu trúc tinh thể và đặc tính khác nhau, liên quan đến khả năng sử dụng làm chất độn gia cường cho các vật liệu polyme. Độ cứng Mohs là một khái niệm tương đối thể hiện độ mài mòn và khả năng chịu mài mòn của khoáng. Talc là khoáng mềm nhất và kim cương có độ cứng lớn nhất (hình 1.1). Những loại khoáng cứng sẽ có khả năng chịu mài mòn và chịu được sự ma sát tốt hơn. Do tính mài mòn, khoáng cứng dễ làm hỏng thiết bị công nghệ hơn khoáng mềm. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 3 1. Talc 2. Thạch cao 3. Khoáng canxi 4. Khoáng fluorit 5. Apatite 6. Feldspar 7. Thạch anh 8. Khoáng topaz 9. Khoáng corundum 10. Kim cương Hình 1.1. Độ cứng của các khoáng Độ hấp thụ dầu của khoáng là một đặc tính có liên quan đến khả năng tương tác với nền polyme, nhất là trong công nghiệp chế tạo sơn dung môi hữu cơ. Độ hấp thụ dầu của chất độn phản ánh hiệu quả tổng hợp của tất cả những yếu tố như hình dạng hạt, độ phân bố kích thước hạt, diện tích bề mặt và sự tiếp xúc của khoáng với chất nền. Độ hấp thụ dầu cho chất độn khoáng thường được xác định theo ASTM-D281, phương pháp này đo được lượng dầu lanh vừa đủ phủ lên các hạt khoáng và lấp đầy khe hở giữa các hạt. Có 2 phần của độ hấp thụ dầu. Đầu tiên là lượng dầu cần để thấm ướt và phủ lên những hạt khoáng. Điều này phụ thuộc vào diện tích bề mặt và độ phân bố kích thước hạt; khả năng thấm ướt của khoáng (có thể được điều chỉnh bởi lớp phủ bề mặt) và độ xốp của hạt (là nguyên nhân tạo thành cấu trúc mạng). Lớp phủ bề mặt có thể làm giảm hoặc tăng độ hấp thụ dầu. Sau khi các hạt được phủ lớp dầu trên bề mặt, thành phần thứ 2 của quá trình hấp thụ là sự bổ sung dầu để lấp đầy các khe hở. Đối với một khoáng cụ thể, độ hấp thụ dầu tăng khi kích thước hạt giảm (tăng diện tích bề mặt), tăng tỷ lệ bề mặt (khe hở của các lỗ trống lớn Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 4 hơn) và giảm sự phân bố kích thước hạt. 1.1.2. Đặc trưng và cấu tạo khoáng chất 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 1.2. Hình dạng phổ biến của các chất độn 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. 1.1.3. Tỷ lệ bề mặt 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: Hình 1.3. Tỷ lệ bề mặt của các dạng hạt hình kim hay sợi Hình cầu Hình Khối lập phương Hình kim Hình khối hộp Hình phiến (tấm) Hình sợi Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 5 Hình 1.4. Tỷ lệ bề mặt của các hạt dạng tấm hay dạng phiến 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 dày 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 dày trung bình của tấm. Hình 1.5. Ảnh hưởng của các đặc trưng hạt đến tính chất vật liệu Trong vật liệu polyme, độ cứng được gia tăng cho chất nền từ các loại bột độn khoáng cứng và bền. Điều này có thể thấy là hoàn toàn hợp lý khi mà độ bền của vật liệu sẽ tốt hơn nếu như vật liệu khoáng có kích thước càng nhỏ, khi đó chúng có diện tích bề mặt lớn hơn và dẫn đến hàm lượng khoáng cao hơn. Hơn nữa, nếu các hạt này có tỷ lệ bề mặt cao (các hạt Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 6 dạng kim, sợi hoặc phiến), chúng sẽ che chắn tốt hơn và lan truyền độ cứng dọc qua chất nền. 1.1.4. Kích thước hạt Kích thước hạt chất độn có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng gia cường tính chất của vật liệu polyme. Người ta thấy rằng nếu kích thước hạt: >10 000 nm (10µm) : làm suy giảm tính chất vật liệu 1000 – 10 000 nm (1-10µm) : có tác dụng như chất pha loãng 10 – 1000 nm (0,1-1µm) : có tác dụng như chất bán gia cường 10 – 100 nm (0,01-0,1µm) : có tác dụng gia cường tính chất vật liệu Với các chất đàn hồi, nếu kích thước hạt của các hạt chất độn lớn hơn khoảng trống giữa các chuỗi mạch polyme, nó sẽ có xu hướng tập trung vào một vùng nào đó. Điều này có thể đưa đến sự gãy nứt các chuỗi mạch trong quá trình uốn hay kéo căng. Các chất độn với kích thước hạt lớn hơn 10 000 nm (10µm) thường bị hạn chế sử dụng do chúng có thể làm giảm tính chất của sản phẩm hơn là khả năng tăng cường. Các chất độn với kích thước hạt giữa 1 000 và 10 000 nm (1 tới 10 µm) thường được sử dụng như những chất pha loãng mà không có ảnh hưởng lớn nào đến tính chất của sản phẩm. Các chất độn với khả năng bán gia cường có kích thước hạt trong khoảng 100 đến 1000 nm (0,1 đến 1 µm). Các chất độn có khả năng gia cường tính chất vật liệu có kích thước hạt trong khoảng 10 đến 100 nm (0,01 đến 0,1 µm), cải thiện đáng kể tính chất của sản phẩm. 1.1.5. Tương tác pha giữa chất độn và chất nền Không kể đến hình dạng và kích thước của chất độn thì khả năng tiếp xúc giữa chất nền và các chất độn quyết định đến vai trò của chất độn. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 7 Hình 1.6. Tương tác giữa bề mặt chất độn và chất nền Do đó, độ bền của hợp chất được cải thiện bằng cách “tẩm” chất nền lên chất độn và được cải thiện nhiều hơn nữa khi chất nền bám dính lên bề mặt khoáng qua các liên kết hóa học. Lớp phủ bề mặt thường được sử dụng để tối ưu hóa khả năng tương thích và kết dính chất độn với chất nền polyme. Việc cải thiện khả năng tương thích hay kết dính giữa chất độn và chất nền bằng các phương pháp xử lý bề mặt có thể phân ra theo các phương thức: - Xử lý bề mặt chất độn cùng các chất trợ công nghệ: Quá trình xử lý bề mặt này sử dụng các hợp chất có hoặc không tạo ra liên kết với chất độn và không tạo ra liên kết với chất nền. Nó chỉ hoạt động như một tác nhân thấm ướt để tạo lớp bề mặt kỵ nước trên chất độn và lớp phủ này tương thích hơn với chất nền polyme. - Xử lý bề mặt làm tăng khả năng phân tán và chống kết tụ của chất độn và cho phép đưa được hàm lượng chất độn cao hơn. - Biến đổi bề mặt với sự có mặt của tác nhân ghép nối. Một chất độn được biến đổi bề mặt bằng tác nhân ghép nối qua các liên kết cộng hóa trị Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 8 bền vững. Các tác nhân hóa học cũng liên kết với chất nền qua các phản ứng hóa học hoặc sự đan xen các chuỗi mạch. Các tác nhân ghép nối được sử dụng như những chất biến đổi bề mặt, chúng cải thiện khả năng kết dính, nâng cao cũng như duy trì tính chất của vật liệu khi tiếp xúc với môi trường. 1.2. Khoáng chất talc và ứng dụng trong các ngành công nghiệp [6-9] 1.2.1. Các đặc điểm cơ bản của khoáng talc Talc là một khoáng vật silicat lớp của magie hydrat, có công thức là Mg3Si4O10(OH)2. Cấu trúc của talc bao gồm lớp bát diện magie liên kết kẹp giữa hai lớp tứ diện silic. Các lớp đơn vị cấu trúc này liên kết với nhau bằng lực liên kết yếu Van Der Waals, do vậy mà chúng rất dễ tách ra khỏi nhau [6]. Tinh thể talc kết tinh trong hệ ba nghiêng hoặc đơn nghiêng có hình thái dạng tấm, dạng hạt, dạng sợi (hình 1.7) [7]. Hình 1.7. Talc dưới kính hiển vi điện tử quét Talc rất đặc trưng 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 lên được. Ngoài ra, talc rất mịn, nó cho cảm giác trơn bóng như xà phòng (do đó “đá xà phòng” được dùng để gọi một loại đá biến chất có thành phần chính là talc). Talc có tính chất cách điện, cách Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 9 nhiệt, nhiệt độ nóng chảy cao, độ giãn nhiệt thấp, bền hóa học, hấp thụ dầu, kị nước, ưu hợp chất hữu cơ và diện tích bề mặt lớn [8,9]. Với công thức hóa học như trên, thành phần hóa học lý thuyết của talc là MgO chiếm 31,7%, SiO2 chiếm 63,5%, và H2O chiếm 4,8%. Tuy nhiên, thành phần hóa học và khoáng vật của đá talc thường rất đa dạng, phụ thuộc vào tổ hợp đá mẹ và lịch sử địa chất của vùng. Các khoáng vật đi cùng với talc thường là chlorit, tremolit và các carbonat như magnesit, calcit và dolomit. Trong cấu trúc tinh thể khoáng vật talc, một lượng nhỏ Fe2+ và Fe3+ có thể thay thế đồng hình cho Mg2+ và một phần rất nhỏ của Al3+ có thể thay thế Si4+. Sự đa dạng về thành phần do khoáng vật đi kèm và thay thế đồng hình sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và kéo theo hạn chế hoặc lợi thế trong ứng dụng talc [6]. Hình 1.8. Một số quặng talc có màu khác nhau 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 phớt xám, trắng phớt vàng, trắng phớt nâu và nâu (Hình 1.8), talc có thể không màu trong lát mỏng thạch học. Kích thước của các hạt talc riêng rẽ (gồm rất nhiều các lớp đơn vị cấu Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 10 trúc cơ sở) có thể thay đổi từ 1μm đến trên 100μm 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. Talc tinh khiết có thể bền nhiệt tới 930°C, mất nước cấu trúc trong khoảng 930 - 970ºC tạo thành enstatit (MgSiO3). Thông thường các sản phẩm talc thương mại giảm khối lượng ở dưới 930°C do có chứa carbonat - phá hủy ở 600°C và chlorit - mất nước ở 800°C. Talc nóng chảy ở nhiệt độ 1.500°C. 1.2.2. Ứng dụng talc trong các ngành công nghiệp 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 lợp, chất dẻo, mỹ phẩm và dược phẩm [10]. Tỉ lệ ứng 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 1.9 giới thiệu cơ cấu sử dụng khoáng chất talc trong nền công nghiệp Mỹ năm 2003, và năm 2011 [12]. Hình 1.9. Ứng dụng talc trong các ngành công nghiệp ở Hoa Kỳ các năm 2003 và 2011 Talc được dùng rộng rãi trong công nghiệp gốm sứ. Trong gốm nghệ Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 11 thuật, talc được 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 thủy tinh. Là nguyên liệu sản xuất MgO bởi quá trình điện phân nóng chảy. Mỗi năm có khoảng 200 nghìn tấn bột talc kỹ thuật được trộn với polypropylen (PP) để làm vật liệu kết cấu. Loại bột talc này hoạt động như những chất gia cường, tạo độ cứng, chống biến dạng 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 lưu biến cao hơn. Mặt khác, các lọai nhựa có độ nóng chảy cao lại hay bị giòn. Các xe ô tô ngày nay thường chứa tới khoảng 1.000 các thành phần từ cao su và chất dẻo, trung bình một xe ô tô sử dụng tới 8 kg bột talc làm chất độn gia cường. Sử dụng bột talc không thấm nước trong lốp xe giúp các nhà sản xuất chế tạo ra những lốp nhẹ và mỏng hơn với sức cản lăn thấp, và tiêu thụ nhiên liệu ít hơn. Bột talc cũng tiết kiệm năng lượng do việc giảm độ nhớt của hợp chất cao su làm cho các bộ phận đúc và ép dễ dàng hơn, thiết bị khuôn ít bị mài mòn hơn. Vừa qua, Công ty Rio Tinto Minerals đã phát triển một loại bột talc (HAR) siêu mịn, cho phép định vị tốt các hạt trong quá trình đúc bằng áp lực, do có độ phân tán tốt hơn trong nhựa nên duy trì độ cứng cho các phụ tùng đúc [13]. Bột talc HAR làm tăng hệ số uốn cong lên 20%, tăng nhiệt độ biến dạng của hợp chất PP với hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn 20% và tỉ lệ co ngót thấp trong khi không làm giảm 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 Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 12 phận cân bằng và tấm chắn bùn) và các bộ phận cần chống va đập cao. Trong cao su, bột talc được dùng làm chất phụ gia cho quá trình chế biến và làm chất độn gia cường. Bột talc cũng giúp các nhà sản xuất lốp xe giảm độ dày và trọng lượng của lốp. Việc này không chỉ làm tăng sức cản lăn mà nó còn khiến cho lốp xe được sản xuất rẻ hơn nhiều. Cao su bổ sung bột talc HAR cũng có thể dẫn đến tiết kiệm giá thành trong khi độ thấm không khí không thay đổi so với dùng nguyên cao su. 1.3. Sơn bảo vệ chống ăn mòn trên cơ sở nhựa epoxy Hàng năm trên thế giới thiệt hại do ăn mòn kim loại là rất lớn, gây tổn thất đến 4 % GDP. Ở nước ta ăn mòn kim loại diễn ra mạnh hơn do khí hậu nhiệt đới phức tạp, lượng ẩm và muối trong khí quyển cao. Các kết cấu kim loại khi làm việc đều bị tác động bởi các yếu tố khí hậu như độ ẩm, nhiệt độ, thời gian lưu giữ lớp màng ẩm trên bề mặt, sự thấm ướt bụi khí, bức xạ mặt trời ... Độ ẩm không khí là yếu tố ảnh hưởng rất mạnh đến tốc độ ăn mòn kim loại. Khi độ ẩm tương đối cao hơn độ ẩm tới hạn, sự ăn mòn kim loại xảy ra với tốc độ cao hơn hẳn. Ở các vùng công nghiệp, không khí bị ô nhiễm do có chứa các khí có tác dụng xâm thực cao như SO2 và NaCl có tác động mạnh đến sự phá hủy của thiết bị. Nghiên cứu chế tạo các loại sơn để bảo vệ các kết cấu bằng kim loại trong môi trường có độ ẩm và xâm thực cao luôn là vấn đề được quan tâm. Những năm trước đây, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cũng đã có các công trình nghiên cứu chế tạo thành công và đưa vào ứng dụng các bộ sơn chống hà cho tàu biển, các kết cấu làm việc trên biển và gần biển. Trong các loại sơn sử dụng, hệ sơn trên cơ sở nhựa epoxy có tác dụng bảo vệ khá tốt. Epoxy là loại chất tạo màng có khả năng bám dính rất cao, bền với các hóa chất xâm thực. Tuy nhiên màng epoxy không mềm dẻo và độ chống thấm Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 13 nước không cao, kém bền với bức xạ mặt trời nên thường được biến tính và phối trộn với các phụ gia khác. Biến tính epoxy với nhựa than đá để tạo thành sơn epoxy-pek đã được quan tâm từ rất lâu và hiện đang được ứng dụng có hiệu quả trong các môi trường xâm thực và có độ ẩm cao [14-16]. V. G. Xigorin đã nghiên cứu biến tính nhựa epoxy ED-6 với nhựa than đá và cho rằng, với hàm lượng 30-50% nhựa than đá màng sơn có các tính năng cơ lý tốt, độ bền nước cao [14]. Công trình này cũng đã khảo sát khả năng sử dụng bột talc làm chất độn để giảm giá thành sản phẩm, hàm lượng bột talc có thể lên tới 25 % mà tính bảo vệ của sơn vẫn đảm bảo. Trong lĩnh vực chế tạo sơn bảo vệ, nhiều năm trước đây, phòng nghiên cứu Vật liệu Polyme và Compozit đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo các hệ sơn bảo vệ khác nhau, đặc biệt là các hệ sơn bảo vệ cho các kết cấu kim loại làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt như các bộ sơn chống hà cho tàu biển, sơn bảo vệ các kết cấu làm việc trên biển và gần biển. Những năm 2008 [17], phòng đã chủ trì đề tài nghiên cứu ứng dụng khoáng sericit để nâng cao khả năng bảo vệ cho hệ sơn trên cơ sở nhựa epoxy. Nghiên cứu cho thấy không chỉ gia tăng khả năng bảo vệ, khoáng sericit còn tăng cường độ cứng, giúp màng sơn khô nhanh hơn. Giai đoạn 2010 – 2012, phòng NC Vật liệu Polyme và Compozit đã chủ trì một đề tài cấp nhà nước về chế biến sâu khoáng sản talc, sản phẩm của đề tài đã được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều vật liệu polyme khác nhau trong đó có các hệ sơn trên cơ sở nhựa epoxy và nhựa alkyt. Kết quả cho thấy rằng, bột khoáng talc đã gia tăng đáng kể khả năng che chắn của màng sơn [18]. Cùng nghiên cứu về các hệ sơn bảo vệ còn có nhiều nhóm nghiên cứu khác ở trong nước như nhóm nghiên cứu của Tô Thị Xuân Hằng ở viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện HL KH&CN Việt Nam. Các nghiên cứu tập trung vào khả năng bảo vệ của các hệ sơn với sự có mặt của các phụ gia nano. Hay như Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 14 các nghiên cứu của nhóm Nguyễn Thị Bích Thủy sử dụng các loại phụ gia và chất tạo màng khác nhau để nâng cao tính chất và tuổi thọ cho các hệ sơn bảo vệ. Các nghiên cứu ứng dụng khoáng talc để chế tạo và nâng cao khả năng bảo vệ của hệ sơn bảo vệ các chi tiết kim loại của thiết bị nói chung và đèn LED (phục vụ đánh bắt cá xa bờ) nói riêng chưa thấy có nhóm nghiên cứu nào thực hiện. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 15 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên liệu 2.1.1. Chất tạo màng a. Nhựa epoxy: - Nhựa epoxy Epotec YD 011X75 (Thái Lan) với các đặc trưng sau: Đương lượng epoxy là 450~500 g/eq. Độ nhớt ở 25 °C là 8000~13000 cPs. Hàm rắn 75% trong xylen b. Chất đóng rắn - Chất đóng rắn Epotec TH 703: chất đóng rắn polyamine. Là dạng biến tính của cycloaliphatic polyamine, là chất lỏng màu vàng nhạt. c. Nhựa than đá: Được chế tạo từ sản phẩm phụ của quá trình cốc hóa - Nhiệt độ chảy mềm : 65-70 0C - Màu sắc : đen 2.1.2. Chất độn gia cường a. Khoáng talc Khoáng talc có nguồn gốc từ Thu Ngạc, tỉnh Phú Thọ với thành phần phần chủ yếu là các oxit kim loại trong đó SiO2 chiếm 60,82% và MgO chiếm 32,16 %. Đây là loại bột khoáng có chất lượng cao, phù hợp làm nguyên liệu chất độn trong vật liệu polyme. Chi tiết thành phần hóa học của khoáng talc được trình bày trong bảng 2.1. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 16 Bảng 2.1. Thành phần hóa học của khoáng talc STT Thành phần Hàm lượng (%) 1 MKN 4,51 2 SiO2 60,82 3 MgO 32,16 4 CaO 0,22 5 Al2O3 0,19 6 Fe2O3 0,15 7 K2O 0,02 8 Na2O 0,15 Phân bố kích thước hạt khoáng talc được thể hiện ở hình 2.1. Kích thước trung bình là 6,56 μm với Q90 = 15,875 μm. Hình 2.1. Phân bố kích thước khoáng talc b. Chất biến đổi bề mặt - Chất biến đổi bề mặt khoáng talc là loại γ-aminopropyltrimetoxysilan của hãng DowCorning (Mỹ). Công thức hóa học của hợp chất silan: NH2-CH2CH2CH2-Si(OCH3)3 Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 17 2.1.3. Các hóa chất khác Dung môi: Xylen, MIBK, n-buthanol là các hóa chất có sẵn trên thị trường. Chất hóa dẻo: DOP 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FT-IR Các mẫu bột talc của quá trình biến đổi bề mặt được chụp phổ hồng ngoại trên thiết bị FT-IR tại bộ môn Hóa Lý, Khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm 1 Hà Nội. Mẫu bột talc được trộn với bột KBr và nghiền mịn trong cối mã não, sau đó mẫu bột được ép viên bằng máy ép thủy lực. 2.2.2. Phương pháp chế tạo sơn Chế tạo chất tạo màng bằng phương pháp trộn nóng chảy 2 thành phần chính là nhựa epoxy Epotec YD011X75 và nhựa than đá. Chế tạo past của chất độn trong nhựa epoxy bằng phương pháp nghiền bi. Chế tạo các mẫu sơn có hàm lượng và chủng loại chất độn khác nhau bằng cách pha hỗn hợp paste epoxy/chất độn với chất tạo màng epoxy hoặc epoxy/pek. 2.2.3. Nghiên cứu các tính chất của sơn và màng sơn Các tính chất của sơn và màng sơn được xác định theo tiêu chuẩn hiện hành TCVN tại Phòng Nghiên cứu vật liệu Polyme và Compozit, Viện KH Vật liệu trên hệ thiết bị của hãng SHEEN (Vương quốc Anh). - Xác định độ mịn của sơn theo TCVN 2091 - 1993 - Xác định thời gian khô của sơn theo TCVN 2096 - 1993 Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 18 - Xác định độ bền va đập của màng sơn theo TCVN 2100 - 1993 - Xác định độ bền uốn của màng sơn theo TCVN 2099 - 1993 - Xác định độ cứng của màng sơn theo TCVN 2098 - 1993 - Xác định độ bám dính màng sơn trên nền thép theo TCVN 2097 : 1993 2.2.4. Nghiên cứu khả năng bảo vệ của màng sơn Khả năng bảo vệ của màng sơn được đánh giá bằng phương pháp đo tổng trở điện hóa EIS. Các mẫu được đo tổng trở trong hệ điện hóa 3 điện cực với điện cực đối là Platin và điện cực so sánh là Ag/AgCl. Các mẫu được khống chế diện tích làm việc 10 cm2 và ngâm trong dung dịch điện ly NaCl 5%. Tổng trở của các mẫu được đo trong khoảng từ 100000 Ω đến 10 mΩ sử dụng thiết bị Autolab. Các mẫu được đo tổng trở theo thời gian thử nghiệm 1, 3 và 7 ngày. Sau đó các mẫu được đo tổng trở theo những thời gian xác định. Quá trình đo được thực hiện tại Phòng nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ vật liệu, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam. 2.2.5. Nghiên cứu hình thái tương tác pha trong vật liệu Hình thái bề mặt gẫy của vật liệu được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét phân giải cao (FE-SEM), trên thiết bị Hitachi S-4800 tại phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện khoa học vật liệu. Mẫu nghiên cứu được ngâm vào nitơ lỏng, dùng kìm bẻ gẫy, bề mặt gẫy được phủ một lớp platin mỏng bằng phương pháp bốc bay trong chân không. Ảnh SEM bề mặt gãy thể hiện khả năng phân tán độ tương hợp giữa các pha trong mẫu vật liệu đo. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 19 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Biến đổi bề mặt khoáng talc bằng hợp chất silan 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 trong hầu hết các trường hợp phải có mặt của một tác nhân có tính axit để tạo proton. Với mục đích gia cường khoáng talc cho chất nền epoxy, trong khuân khổ của luận văn, chúng tôi biến đổi bề mặt talc bằng loại hợp chất silan có chứa nhóm chức amin. Quá trình biến đổi bề mặt dựa trên các các kết quả nghiên cứu đã được thực hiện tại Phòng NC Vật liệu Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT- IR) được sử dụng để xác định sản phẩm của phản ứng biến đổi bề mặt. Hình 3.1 biểu diễn phổ hồng ngoại của mẫu khoáng talc ban đầu. Hình 3.1. Phổ FT-IR của mẫu khoáng talc ban đầu Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh Trang 20 Hình 3.2. Phổ FT-IR của mẫu khoáng talc biến đổi bề mặt bằng hợp chất silan Hình 3.2 biểu diễn phổ hồng ngoại của mẫu bột talc biến đổi bề mặt bằng γ-aminopropyltrimetoxysilan. Nhìn trên phổ đồ hồng ngoại của mẫu talc biến đổi bằng γ-aminopropyltrimetoxysilan ta thấy có píc sóng hấp thụ ở 3418,43 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết N-H trong phân tử silan. Píc dao động hóa trị của các liên kết CH no ở vùng 2934,25 cm-1 và 2860 cm-1. Như vậy, bằng phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR đã xác định kết quả của quá trình biến đổi bề mặt khoáng talc bằng hợp chất amin silan. Sản phẩm khoáng talc biến đổi bề mặt sẽ được sử dụng để chế tạo các hệ sơn trong các nghiên cứu tiếp theo. 3.2. Nghiên cứu chế tạo hệ sơn trên cơ sở nhựa epoxy Chất tạo màng được chế tạo từ nhựa epoxy Epotec YD 011X75 và nhựa than đá pek có nguồn gốc từ Thái Nguyên, sản phẩm phụ trong quá trình luyện cốc. Nhựa than đá được đun nóng đến trên 200 0C để đuổi hết các thành Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học Vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thanh