Thuyết Trình Vật Liệu Vô Cơ đề Tài Chất độn - 123doc

Giới thiệu về chất độn - Chất độn là chất được thêm vào vật liệu nhựa, composite, bê tông,… để giảm sự tiêu thụ các vật liệu kết dính đắt hơn, làm giảm giá thành sản phẩm hoặc để cải thi

VẬT LIỆU VÔ CƠ

Đề tài: Chất độn

Giảng viên: TS Vũ Minh Khôi Nhóm 3

2 Phân

lo i ại

1 Giới thiệu về chất độn

- Chất độn là chất được thêm vào vật liệu (nhựa, composite, bê tông,…) để giảm sự tiêu thụ các vật liệu kết dính đắt hơn, làm giảm giá thành sản phẩm hoặc để cải thiện một số tính chất của vật liệu hỗn hợp (tạo ra sự tương tác hóa học có lợi cho sự phát triển giữa vật liệu chủ và chất độn, kết quả là làm tăng tính cơ học, tính kết dính, tính chống mòn,…).

- Hiện nay, trên thế giới, 53 triệu tấn chất độn được sử dụng hàng năm trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau như giấy, nhựa, cao su, sơn, chất phủ, keo dán,…

2 Phân loại chất độn

Chất độn tự nhiên

Các chất có sẵn trong tự nhiên, có tên gọi theo nguồn gốc địa lý và địa chất như thạch cao,

đá phấn, đôlômit, silica,…

Chất độn tự nhiên

Các chất có sẵn trong tự nhiên, có tên gọi theo nguồn gốc địa lý và địa chất như thạch cao,

đá phấn, đôlômit, silica,…

Chất độn tổng hợp

Các chất được sản xuất từ các phương pháp khác nhau như silica, than đen, cacbonat, sunfat,…

Chất độn tổng hợp

Các chất được sản xuất từ các phương pháp khác nhau như silica, than đen, cacbonat, sunfat,…

Chất độn

3 Cách sản xuất một số chất độn và ứng dụng của chúng

Chất độn

3.1 Canxi cacbonat

Ước tính khoảng 5% vỏ trái đất là một

dạng nào đó của canxi cacbonat Canxi

cacbonat có thể tồn tại ở dạng canxit, đá

vôi, đá phấn, đá cẩm thạch hoặc

aragonit, hoặc ở dạng tạp chất và tạo ra

Canxi cacbonat là thành phần

chính của vỏ động vật biển và bộ xương của hàng tỉ tỉ sinh vật,

chúng tích lũy dần dưới đáy biển qua nhiều niên kỷ và sau đó được chuyển hóa trong các quá trình địa chất để tạo thành những ngọn núi hùng vĩ, những vách đá biển và

nhiều mỏ đá vôi, đá cẩm thạch,… trên toàn thế giới.

Canxi cacbonat tinh khiết thường được sản xuất từ những nguồn sạch, chủ yếu là sản xuất từ đá cẩm thạch Khoáng vật

đã khai khác được nghiền thành bột mịn và được phân loại theo cỡ hạt (canxi cacbonat nghiền – GCC) Độ tinh khiết của canxi cacbonat phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của mỏ đá Các sản phẩm tinh khiết được gọi là canxi cacbonat nghiền mịn.

Canxi cacbonat tinh khiết thường được sản xuất từ những nguồn sạch, chủ yếu là sản xuất từ đá cẩm thạch Khoáng vật

đã khai khác được nghiền thành bột mịn và được phân loại theo cỡ hạt (canxi cacbonat nghiền – GCC) Độ tinh khiết của canxi cacbonat phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của mỏ đá Các sản phẩm tinh khiết được gọi là canxi cacbonat nghiền mịn.

Sản xuất canxi cacbonat nghiền (GCC)

SẢN XUẤT CANXI CACBONAT

ỨNG DỤNG CỦA CHẤT ĐỘN CANXI CACBONAT

Ngành chất dẻo

Ngành sơn Ngành giấy

Ngành gốm sứ

Ngành thủy tinh

- Có khả năng phân tán tốt hơn và tạo

bề mặt hoàn thiện tốt hơn

- Thay đổi sức căng bề mặt của chất độn cho gần hơn với sức căng bề mặt của bột PVC, hỗ trợ sự phân tán và

bọc phủ tốt.

Thị trường dây và cáp điện:

Giúp tăng điện trở của hầu hết

các vỏ bọc cáp.

sáng của quá trình sơn phủ

Ngành giấy

Giấy viết, giấy in, giấy đóng gói:

giá thành giảm, độ trắng cao

- Độ bóng và khả năng in ấn tốt.

- Giảm lượng nguyên liệu gỗ mà không

ảnh hưởng đến độ bền của giấy.

Máy móc vận hành ở tốc độ cao hơn, giấy khô nhanh hơn, tiết kiệm chi phí năng lượng

nở cần thiết cho

tỷ lệ đúng giữa mảnh gốm và lớp men

Ngành thủy tinh

Là một trong những thành phần chính trong thủy tinh cùng với silica và natri cacbonat

Chất ổn định, nó điều chỉnh

độ nhớt và tăng độ bền của thủy tinh

Nâng cao khả năng kháng cự của thủy tinh trong tự nhiên

3.2 Chất độn Silica

- Silica là tên gọi khác của silic dioxit (SiO2) chúng không tồn tại ở dạng đơn

lẻ mà liên kết lại với nhau thành phân tử rất lớn Ở điều kiện thường, silica

có 3 dạng thù hình chính là thạch anh, tridimit và cristobalit Ngoài ra silica

có thể tồn tại rất nhiều dạng với nhiều loại cấu trúc vi tinh thể hoặc tinh thể Silica tổng hợp tồn tại dạng vô định hình và thường ở dạng bột mịn

- Silica có hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể và vô định hình

(A) (B)

Hình 4: Cấu trúc tinh thể (A) và vô định hình (B) của silica

Các phương pháp sản xuất

1 Phương pháp phun khói

 Phương pháp phun khói là phương pháp sử dụng lò hồ quang ở nhiệt độ cao, áp suất cao để thủy phân một silic halogel Hơi SiCl4 phản ứng với hơi nước theo phương trình phản ứng sau:

Na2SiO3+ 2H3O + → 2Na + + SiO2 + 3H2O

 Kết tủa silica được lọc rửa và sấy khô Phương pháp này thu được silica chứa nhiều tạp chất, hàm lượng không cao, khoảng 75-90%

3 Phương pháp sol-gel

Phương pháp sol-gel được sử dụng rất phổ biến để chế tạo silica dưới dạng bột hoặc màng mỏng

Phương pháp solgel gồm 2 giai đoạn chính: tiền chất alkoxit kim loại

bị thủy phân và liên kết qua cầu nối oxy nhưng vẫn tan trong dung dịch tạo thành sol Sau đó các phân tử trung gian này tiếp tục ngưng tụ thành mạng lưới 3 chiều tạo thành gel Giai đoạn tiếp theo gel được sấy khô hoặc sẽ chuyển thành oxit Để điều chế silica, các alkoxysilan thường sử dụng theo phản ứng sau:

Si(OR)4 + 2H2O H+/OH- SiO2 + 4ROH (R thường là gốc alkyl)

 Xúc tác bazơ hay axit có ảnh hưởng tới tốc độ của phản ứng thủy phân và ngưng tụ.

- Nếu xúc tác là axit, khả năng tạo Si(OH)4 khó do phản ứng ngưng tụ xảy ra trước khi thủy phân hoàn toàn từ Si(OR)4 thành Si(OH)4

- Nếu xúc tác là bazơ, phản ứng thủy phân được ưu tiên xảy ra trước nên Si(OH)4 dễ dàng hình thành từ Si(OR)4 nhưng phản ứng ngưng tụ lại diễn ra chậm hơn

- Các quá trình thủy phân và ngưng tụ diễn ra liên tục tạo thành sol, độ nhớt của dung dịch tăng lên đến cực đại, khi đó gọi là gel Khối gel này để tự khô trong điều kiện thương hoặc sấy nhẹ, sau đó được nung từ từ để chuyển sang dạng bột Với điều kiện của phản ứng thích hợp, các hạt nanosilica được tổng hợp có dạng hình cầu với kích thước từ 10-200 nm.

ỨNG DỤNG CỦA CHẤT ĐỘN SILICA

Ngành cao su

Ngành sơn Ngành dệt may

Ngành khác

Làm tăng tính bám dính, tăng khả năng chịu nhiệt, tính đàn hồi, modun, khả năng chịu mài mòn

Ngành sơn

Silica

Nano silica

Giúp tăng độ bền của sơn và lớp ngoài cùng, duy trì màu sơn lâu dài, không phai

Giúp chống chảy

xệ, hiệu suất tốt, đặc biệt là hiệu suất chống ô nhiễm cải thiện rất nhiều với khả năng tự làm sạch tuyệt vời và độ bám dính cao

• Talc là một magiê ngậm nước silicat khoáng sản với một thành phần hóa học của Mg3Si4O10(OH)2 Mặc dù các thành phần của bột talc thường nằm gần với công thức tổng quát này, thay thế một

số chất  xảy ra Một lượng nhỏ Al hoặc Ti có thể thay thế cho Si; một lượng nhỏ Fe, Mn và Al có thể thay thế cho Mg và một lượng rất nhỏ của Ca có thể thay thế cho Mg Khi số lượng lớn Fe thay thế cho Mg khoáng chất được biết đến như "minnesotaite" Khi số lượng lớn Al thay thế cho Mg khoáng chất được biết đến như pyrophyllite.

Các chất độn khác

1 Bột Talc

•Talc thường xanh, trắng, xám, nâu hoặc không màu Nó là một khoáng chất trong mờ với ánh ngọc trai Đây là khoáng sản được biết đến mềm nhất

và được gán một độ cứng của

1 trên quy mô độ cứng Mohs

Ngành nhựa

Ngành sơn Ngành giấy

Ngành gốm sứ

Mỹ phẩm và chất chống mồ hôi

Ngành vật liệu lợp Ứng dụng khác

Ứng dụng của bột Talc

Trong năm 2011, khoảng 26% của talc tiêu thụ ở Hoa Kỳ được

sử dụng trong sản xuất nhựa Nó chủ yếu được sử dụng như một chất độn Hình dạng siêu nhỏ của các hạt  talc có thể làm tăng

độ cứng của sản phẩm như polypropylene,  nhựa  vinyl, nhựa, nylon và polyester Nó cũng có thể làm tăng khả năng chịu nhiệt của các sản phẩm và giảm co rút.

• Hình dạng siêu nhỏ của các hạt talc cải thiện hệ thống bám của các chất rắn trong có thể và giúp sơn lỏng tuân theo một bức tường mà không bị chảy xệ.

• Talc bột là một màu trắng rất tươi sáng Sử dụng bột talc làm chất phụ gia trong sản xuất sơn mang lại hiệu quả làm trắng và sáng sơn.

•  Độ cứng của talc rất có giá trị thấp vì vậy nó ít thiệt hại mài mòn trên các vòi phun và các thiết bị khác khi sơn được áp dụng.

Ngành sơn

• Chất khoáng độ tinh của talc được thêm vào bột giấy để phục vụ như là một phụ gia.

• Talc như một chất độn khoáng sản có thể cải thiện độ mờ đục, độ sáng và độ trắng của giấy Talc cũng cũng có thể cải thiện khả năng của giấy hấp thụ mực

• Tại Hoa Kỳ vào năm 2011, khoảng 17% của talc tiêu thụ đã được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm gốm sứ như đồ đạc phòng tắm, sứ, đồ gốm và đồ ăn.

• Khi được sử dụng như một chất độn trong gốm sứ, talc có thể cải thiện các đặc điểm độ cứng

và sức mạnh của sản phẩm.

• Talc rất mịn được sử dụng như là cơ sở bột của nhiều sản phẩm mỹ phẩm.

• Talc cũng có khả năng hấp thụ dầu và mồ hôi sản xuất bởi da của con người Khả năng của talc để hấp thụ hơi ẩm, hấp thụ mùi, tuân thủ các da, phục vụ như một chất bôi trơn và sản xuất hiệu quả làm tiếp xúc với da con người làm cho nó một thành phần quan trọng trong nhiều chất chống mồ hôi.

Mỹ phẩm và chất chống mồ hôi

• Talc được thêm vào vật liệu nhựa đường sử dụng để làm vật liệu lợp

để cải thiện sức đề kháng thời tiết.

• Nó cũng được rắc lên bề mặt của cuộn mái nhà và bệnh zona để không bị dính

Ngành vật liệu lợp

• Đất talc được sử dụng như một chất bôi trơn trong các ứng dụng nhiệt độ cao có liên quan Nó có thể tồn tại ở nhiệt độ nơi chất bôi trơn gốc dầu sẽ

bị phá hủy.

• Bột talc được sử dụng như một phụ gia cho thuốc trừ sâu và thuốc diệt nấm Nó có thể dễ dàng được thổi qua một miệng vòi và dễ dàng dính vào lá

và thân cây Sự mềm mại của nó làm giảm mặc trên thiết bị sử dụng.

Ứng dụng khác

2 Quặng Dolomit

• Dolomit là tên một loại đá trầm tích cacbonat và là một khoáng vật, công thức hóa học của tinh thể là CaMg(CO3)2.Đá dolomit được tạo nên phần lớn bởi khoáng vật dolomite Đá vôi được thay thế một phần bởi dolomite được gọi là đá vôi dolomit

• Khoáng vật dolomite kết tinh ở hệ tinh thể ba phương Nó tạo thành tinh thể trắng, xám đến hồng, thường có hình cong mặc dù nó thường

ở dạng khối Nó có tính chất vật lý tương tự như tinh thể canxit, nhưng không hòa tan nhanh chóng trong dung dich HCl loãng trừ trường hợp

ở dạng bột

Các chất độn khác

2 Quặng Dolomit

Các chất độn khác

• Rất nhiều mỏ có thể tìm thấy trong niên đại địa chất, tuy nhiên khoáng vật này khá hiếm trong môi trường hiện đại

• Việc làm nhân tạo dolomit trong phòng thí nghiệm đã được tiến hành nhưng chỉ ở điều kiện nhiệt độ lớn hơn 100 độ C (điều kiện điển hình ở các bồn trầm tích chôn vùi)

• Nhiệt độ cao có vẻ làm tăng tốc độ di chuyển của ion canxi và magie nên chúng

có thể ở ví trí thích hợp của cấu trúc tinh thể trong một thời gian vừa phải Điều đó cho thấy dolomit ít được hình thành ngày nay có thể do các yếu tố động năng của phân tử, tức là nhiệt độ

Sản xuất gạch chịu lửa

• Đá dolomite được nung lên cho đên hết hết hàm lượng nước bên trong tức là cho đến khi tiết hết CO2 và tái kết tinh trọn vẹn các oxit để thu lấy nguyên liệu dolomit thiêu kết

• Đá dolomite thiêu kết thường

có màu đen và  quánh chặt Khi đó người ta sẽ kết hợp với một số phụ gia, chất kết dính

và nguyên liệu khác tổng hợp lại tạo thành gạch chịu nhiệt

• Sử dụng dolomit làm chất trợ giúp chảy, làm cháy rã xỉ cũng như chế quặng thiêu kết magie.

• Dolomit dùng làm chất trợ giúp chảy trong luyện kim có tiêu chuẩn như sau: MgO >17 - 19%, SiO2 < 6%, R2O3 + MnO < 5%, không lẫn

S, P, cỡ hạt <25mm dưới 8%, sức kháng nén tức thời >300 kg/cm 2

• Dolomit dùng trong thiêu kết magie luyện kim cần đáp ứng các yêu cầu sau: CaO + MgO > 53%, MgO > 16%, cặn không tan < 2,5%, sét < 3%, cỡ hạt 5 - 75mm chiếm 80%.

Trong luyện kim đen

• Từ dolomit người ta lấy được Mg kim loại bằng thuật nhiệt silic hoặc điện phân.

• Yêu cầu nguyên liệu dolomit MgO > 19,5%, SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 + Mn3O4 < 2 > 5%, 

Na2 O + K2O < 0,2%, cỡ cục 20 - 300mm.

Trong sản xuất magie kim loại

• Thiêu đốt dolomit cỡ cục 100 - 150mm ở nhiệt độ 700 -

8000C trong buồng đốt, thu được "Dolomit ăn da" Đưa chất liệu này nhào với dung dịch clorua sẽ thu được chất gắn manhesi dùng trong xây dựng, sản xuất gạch ceramic

• Yêu cầu chất lượng dolomit để sản xuất dolomit ăn da như sau: MgO >18%, chất cặn không tan < 5%, R2O3 < 4%

Trong sản xuất chất kết dính

Sản xuất vật liệu cách nhiệt

Đá dolomite sau khi tách

lọc sẽ thu được “magie

trắng” và 15% atbet kết

hợp với Xovelit và chất

kết dính sẽ tạo nên vật

liệu cách âm cách nhiệt

chống cháy như: Bông sợi

khoáng cách nhiệt.

Bông sợi khoáng cách nhiệt

Trong công nghiệp sản xuât phân bón

Vì đá dolomite có hàm lượng CaO cao nên chúng  được sử dụng trong ngành phân bón,

là một phụ gia cho phân bón,

xử lý đất nhiễm phèn, tạo kiềm tính và cung cấp các nguyên tố vi lượng cho đất.

• Đá dololomite sử dụng để làm nguồn nguyên liệu cho ngành sản xuất thực phẩm thủy sản

• Dolomite sử dụng trong công nghiệp nuôi trồng thủy sản dưới dạng bột, cỡ hạt khoảng 45 micronmet dùng xử lý nước hồ nuôi, tạo độ kiềm cho nước, cung cấp các nguyên tố

đa lượng và vi lượng làm thức ăn trong nuôi trồng thủy sản.

• Đá sẽ được xay nhỏ mịn ra kết hợp với đá vôi, đá sét và phụ gia sẽ sản xuất ra được Xi măng. 

Ứng dụng khác

Trả lời câu hỏi

Câu 1: Trong phương pháp sol-gel sản xuất chất độn silica: trường hợp nào sử dụng môi trường axit, trường

hợp nào sử dụng môi trường bazo?

Trả lời: quá trình thủy phân của vật liệu trong môi trường axit hay bazo là phụ thuộc vào tính chất của vật liệu tạo ra, nên tùy thuộc vào vật liệu mà ta sử dụng môi trường cho phù hợp.

Câu 2: Trong sản xuất chất độn silica thì phương pháp nào được sử dụng nhiều nhất?

Trả lời: tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà các phương pháp sản xuất được sử dụng khác nhau Khi cần sử dụng chất độn silica có chất lượng cao (ví dụ dùng trong dược phẩm) thì sử dụng phương pháp sol-gel ( PP này chủ yếu có quy mô nhỏ và cho phí cũng khá đắt) Khi sử dụng chất độn silica không cần quá tinh khiết, quy mô lớn thì sử dụng phương pháp kết tủa vì hóa chất sử dụng đơn giản, phản ứng xảy ra nhanh, công nghệ đơn giản, giá thành cũng rẻ hơn so với các phương pháp khác (ví dụ dùng trong ngành sơn).

Câu 3: Trong phương pháp kết tủa sản xuất chất độn silica: duy trì phản ứng axit vô cơ trong môi

trường kiềm là như thế nào?

Trả lời: Na 2 SiO 3 + 2H 3 O + → 2Na + + SiO 2 + 3H 2 O

Phản ứng trên chỉ là phản ứng axit-bazo thông thường H3O + là axit vô cơ như HCl, H2SO4,… Vấn

đề ở câu chữ chưa được rõ ràng Đã sửa lại trong phần slide.

Câu 4: Trong phương pháp khói sản xuất chất độn silica: áp suất cao và nhiệt độ cao là bao nhiêu?

Trả lời: vấn đề này liên quan đến yếu tố công nghệ nên không tìm được con số cụ thể.

Câu 5: Trong phương pháp khói sản xuất chất độn silica: nguyên liệu hơi SiCl4 lấy từ đâu?

Trả lời: Nguyên liệu SiCl4 có thể lấy từ sản phẩm phụ của quá trình sản xuất nào đó Nhóm chưa tìm hiểu được phần này.