Silica là khoáng chất phong phú nhất trong lớp vỏ trái đất, nhưng bạn có thể không biết nhiều về nó. Thạch anh, cát và thủy tinh đều được làm từ silica. Tìm hiểu thêm về các tính chất và công dụng của khoáng chất dồi dào này.

Định nghĩa Silica

Silica là tên gọi khác của hợp chất hóa học silicon dioxide. Mỗi đơn vị silica bao gồm một nguyên tử silicon và hai nguyên tử oxy.

Nếu bạn chưa bao giờ nghe nói về silica trước đây, bạn có thể ngạc nhiên khi biết rằng bạn có thể tiếp xúc với nó mỗi ngày. Silica tạo thành khoáng chất gọi là thạch anh, và nó là khoáng chất phong phú nhất trong lớp vỏ trái đất. Nó là thành phần chính của hầu hết cát và thành phần chính trong thủy tinh. Mỗi khi bạn lấy một cái ly để uống, bạn đang sử dụng silica.

Silica đã được con người biết đến từ thời cổ đại, rất lâu trước khi chúng ta biết nó được làm từ silicon và oxy. Nghệ thuật chế tạo các vật thể thủy tinh bằng silica có từ hàng thế kỷ. Ngày nay, có nhiều ứng dụng công nghiệp cho silica. Chúng bao gồm mài mòn, vật liệu xây dựng, chất độn, điện tử và lọc nước.

Cấu trúc của Sillica

Silica có hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể và vô định hình. Trong tự nhiên silica tồn tại chủ yếu ở dạng tinh thể hoặc vi tinh thể (thạch anh, triđimit, cristobalit, cancedoan, đá mã não), đa số silica tổng hợp nhân tạo đều được tạo ra ở dạng bột hoặc dạng keo và có cấu trúc vô định hình (silica colloidal). Một số dạng silica có cấu trúc tinh thể có thể được tạo ra ở áp suất và nhiệt độ cao như coesit và stishovit.

Thuộc tính của Silica

Các tính chất của silica bao gồm cả các tính chất hóa học và vật lý như độ cứng, màu sắc, điểm nóng chảy và điểm sôi, và độ phản ứng. Silica trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường là một khoáng chất rắn, kết tinh. Nó tương đối khó, đánh giá 7 trên thang Mohs, thang đo được sử dụng để đo độ cứng của các khoáng chất so với nhau. Khoáng sản cứng nhất, kim cương, tỷ lệ 10 trên thang đo.

Silica tinh khiết không màu, nhưng nếu chất gây ô nhiễm có trong mẫu thạch anh, nó có thể có màu. Ví dụ, thạch anh hồng là silica với lượng sắt. Điều này mang lại cho nó một màu hồng. Thạch anh ngân hà chỉ đơn giản là silica với bọt khí hoặc vùi chất lỏng làm cho khoáng chất có màu trắng.

Phương pháp sản xuất silica tổng hợp

1. Phương pháp điều chế bởi phản ứng của dung dịch silicat natri với axit sunfuric, axit clohydric hoặc hỗn hợp của cacbondixyt đậm đặc

Ngày nay silica tổng hợp làm chất độn tăng cường cho cao su được sản xuất bằng phương pháp điều chế bởi phản ứng của dung dịch silicat natri với axit sunfuric, axit clohydric hoặc hỗn hợp của cacbondixyt đậm đặc. Nguyên liệu ban đầu để tạo ra muối silicat gồm có cát, soda ash (Na2CO3 99,2%), caustic soda( NaOH 99%) và nước.

Silicat có thể được sản xuất trong bể chứa hoặc lò nung, trong cả hai trường hợp tỷ lệ SiO2: Na2O thường ở trong khoảng 2,5-3,5:1. Sản phẩm tạo thành được hòa với nước cho nồng độ muối tương đối thấp, cùng với lượng axit trung hòa vừa phải tạo ra silica kết tủa dạng hạt chứ không tạo thành khối liên kết lớn (gel agglomerates) vẫn xuất hiện một lượng nhỏ gel. Nhiệt độ phản ứng là yếu tố chính quyết định đến kích thước hạt.

Quá trình kết tủa tạo ra sản phẩm silica kèm theo một lượng nhỏ natri hidroxyt, natri sulphat natri clorua hoặc natri cacbonat. Những sản phẩm phụ này được loại bỏ bằng cách rửa bởi hệ thống khử từ hoặc bằng máy lọc. Quá trình rửa làm giảm nồng độ xuống 1-2%.

Bước cuối cùng của quá trình sản xuất là sấy, có thể dùng các thiết bị sấy như máy quay, khay, băng tải hay máy sấy phun, quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng nhất. Do chi phí đầu tư vận hành thấp nên máy sấy phun hay được sử dụng.

Sản phẩm cuối cùng chưa khoảng 6% hàm lượng nước tự do, hàm lượng nước tự do cân bằng ở hàm lượng ẩm 50%. Sau đó, silica được qua quá trình xay, đầm để tạo hạt và bột mịn.

Trong quá trình kết tủa, nếu bổ sung quá nhiều axit đậm đặc sẽ tạo ra một lượng nhỏ silica gel, silica gel này tạo ra những hạt không phân tán và có thể nhìn thấy trong vật liệu đàn hồi.

Các giai đoạn sản xuất silica có thể ảnh hưởng đến quá trình chế biến cao su và các đặc tính hợp chất. Khả năng gia cường phụ thuộc hoàn toàn vào kích thước hạt cơ bản, được quyết định chính trong giai đoạn đầu của sự trung hòa bằng axit. Các thông số kết tủa liên quan đến việc tạo nên kích thước hạt bao gồm nhiệt độ, tỷ lệ silicat, tỷ lệ phản ứng, nồng độ chất phản ứng và sự có mặt của các chất phụ gia.

2. Phương pháp thổi sương mù hoặc pyrogenic dựa trên cơ sở phản ứng thủy phân SiCl4 trong hơi nước cao áp ở nhiệt độ 1000oC

Phương pháp thổi sương mù hoặc pyrogenic dựa trên cơ sở phản ứng thủy phân SiCl4 trong hơi nước cao áp ở nhiệt độ 1000oC. Phản ứng này tạo ra sản phẩm có mức độ phân tán lớn, kích thước hạt SiO2 cực nhỏ, diện tích bề mặt có thể đạt tới 400 m2/g và hàm lượng silica lên đến 99,8% do không lẫn sản phẩm phụ(hàm lượng silanol và nước cực thấp). Tuy nhiên một nhược điểm là phương pháp này đòi chi phí sản xuất cao nên ít được sử dụng.

3. Phương pháp nữa là silica được hình thành như một sản phẩm phụ trong suốt quá trình sản xuất hợp kim ferro-silicon hoặc silic kim loại (những hợp chất ứng dụng nhiều trong công nghiệp luyện kim)

Silica được tạo ra bởi phương pháp này có kích thước hạt lớn còn gọi là microsilica do vậy cũng ít được sử dụng, chúng chỉ được dùng làm chất độn tăng thể tích.

Tính chất đặc trưng của silica đến tính chất của sản phẩm cao su

Các đặc trưng tính chất của silica được thể hiện qua:

– Kích thước hạt của silica

Có ý nghĩa ảnh hưởng đến khả năng gia cường cho cao su của silica. Với những hạt có kích thước từ 10 đến 30nm có khả năng gia cường lớn. Điều này tương đương với 250-125m2/g. Hình dạng ban đầu của vật liệu như dạng bột, vẩy, hạt không ảnh hưởng đến kích thước hạt cơ bản. Tuy nhiên kích thước thực tế của đơn vị hạt gia cường không phải là hạt đơn lẻ mà silica tồn tại trong hợp phần ở dạng những tập hợp nhỏ.  Các bức xạ vi điện tử của một hợp chất cao su đã lưu hoá có chứa silica có đường kính hạt trung bình 20nm sẽ cho thấy nhiều agglomerates (hoặc các cốt liệu) có đường kính 40 đến 100nm.

– Hình dạng

Hình dạng của chất độn cũng góp phần quan trọng vào khả năng gia cường cho chúng. Clay có hình dạng lớp phẳng được định hướng trong mạch cao su trong quá trình trộn hợp và gia công nên nó có khả năng tăng cường lớn hơn dạng hạt dạng cầu như CaCO3 có kích thước tương đương.

– Cấu trúc hạt silica

Là yếu tố đặc trưng, quyết định đến khả năng gia cường của chúng. Hình dạng ban đầu của các hạt silica thương mại có ảnh hưởng không quan trọng đến hoạt tính của chất độn bằng hình dạng của chúng sau khi đã phân tán trong polyme. Các hạt silica cơ bản sẽ kết lại thành tập hợp, các tính chất của tập hợp silica như hình dáng, khối lượng riêng, kích thhước quyết định cấu trúc của chất độn này.

– Mức độ hoạt động bề mặt của chất độn

Cũng góp phần vào khả năng gia cường lực. Chất độn có thể có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc cao nhưng khả năng gia cường lại kém là do mức độ hoạt động bề mặt thấp. Mức độ hoạt động bề mặt của chất độn được tính trên một đơn vị diện tích tương tác chất độn – cao su xác định bằng các phương pháp vật lý và hóa học. Chất độn không phân cực sẽ trộn hợp tốt với cao su không phân cực; và ngược lại. Các hạt than đen là ví dụ, có nhóm cacboxyl và các nhóm chức hữu cơ khác nên ái lực lớn với cao su. Các hạt silica có ái lực và hoạt động bề mặt kém hơn. Do vậy, cần phải xử lý bề mặt silica để tăng khả năng gia cường cho cao su tốt hơn.

Bề mặt silica phân cực lớn và ưa nước, có chứa nước hấp phụ trên bề mặt của nó. Trên bề mặt silica có các nhóm hydroxyl làm cản trở quá trình khâu mạch.

Các nhóm silanol có tính axit, vì vậy chúng có thể phản ứng với amin, alcol và ion kim loại. Nước hấp phụ trên bề mặt silica sẽ làm giảm hoạt tính của nhóm silanol, nhưng khi xảy ra quá trình trộn hợp ở nhiệt độ cao có sự bay hơi nước hấp phụ sẽ làm cho bề mặt trở nên hoạt động hơn. Một vài phản ứng của các hợp phần cao su với nhóm silanol làm ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm, trong đó có ảnh hưởng đến tốc độ khâu mạch. Phần lớn các chất xúc tiến được sử dụng trong lưu hóa bằng lưu huỳnh có chứa nhóm amin. Phản ứng của chất xúc tiến với chất độn có thể làm giảm lượng xúc tiến cần thiết cho quá trình lưu hóa.

Vì vậy cần giảm tốc độ lưu hóa và giảm mức độ khâu mạch. Phản ứng của ion kẽm với chất độn cũng có ảnh hưởng tương tự. Ví dụ nhóm silanol hoạt động trên bề mặt silica sẽ phản ứng với kẽm stearat tạo ra hai sản phẩm là phức kẽm stearat và tạo cầu nối kẽm với hai nhóm silanol.

Axit stearic tạo thành từ phản ứng trên sẽ tiếp tục kết hợp với ZnO. Nếu phản ứng xảy ra đến cùng, thì theo cơ chế này, tất cả ZnO sẽ được dùng hết không còn đủ cho phản ứng lưu hóa. Khi diện tích bề mặt chất độn silica nhỏ thì phản ứng với ion kẽm cũng xảy ra nhưng sẽ ít ảnh hưởng hơn vì nó có ít nhóm silanol trên bề mặt hơn. Vì vậy, khi thành lập đơn pha chế có silica làm chất độn tăng cường cần có các biện pháp khắc phục ảnh hưởng do silic dioxit gây ra.

Tăng hàm lượng các chất phối hợp vi lượng như xúc tiến lưu hóa, chất phòng lão, chất lưu hóa lên 30% đến 50% so vơi mức độ dùng với cao su có chất độn là than hoạt tính.

Đưa vào các chất phụ gia để làm giảm một phần hoàn toàn các ảnh hưởng trên đến quá trình khâu mạch bởi đã làm giảm hoạt tính của silica. Các phụ gia thường sử dụng gồm có dietylen glycol (DEG) và polyetylen glycol (PEG), hexametylen tetramin, hexamethoxyl metyl melamin (HMMM) và tritanolamin (TEA). Các chất này được trộn vào hợp phần cao su trước khi đưa ZnO và chất xúc tiến. Chất phụ gia làm giảm mức độ phân cực của bề mặt silica và do đó cải thiện khả năng thấm ướt và khả năng phân tán của chất độn trong polyme không phân cực. Những loại dầu phân cực hoặc nhựa vòng thơm giúp chất độn phân tán tốt và cải thiện tính chất của hợp phần cao su khi sử dụng chất độn silica. Ngoài ra một phương pháp hiệu quả khác để biến tính bề mặt silica là sử dụng chất liên kết silan.

Khi sử dụng chất độn silica trong đơn cao su, ngoài những tính chất như: độ bền xé, độ cứng, độ bền uốn, độ bền nhiệt,… thì silica còn nâng cao các tính chất như: tính bám dính, khả năng chịu nhiệt, tính đàn hồi, modun, khả năng chịu mài mòn.

Hàm lượng sử dụng silica trong đơn cao su với vai trò chất gia cường tối ưu nhất từ 40PKL đến 70PKL. Với hàm lượng lớn hơn silica đóng vai trò chất độn thể tích, tăng modun và trợ gia công cho quá trình đùn, tác dụng gia cường bị suy giảm.

Lưu ý khi tăng hàm lượng silica cần tăng đáng kể lượng dầu hóa dẻo (Một so sánh cho thấy silica và than đen ở cùng hàm lượng độn 40PKL lượng dầu hóa dẻo là tương đương, tuy nhiên khi hàm lượng độn là 70PKL lượng dầu hóa dẻo cần dùng trong đơn silica nhiều hơn gấp 2-3 lần cao su.

Nguồn Internet