Chất độn khoáng công nghiệp bao gồm các khoáng chất hoặc đá trơ được nghiền thành bột mịn có trong thành phần của sản phẩm với vai trò là chất phụ gia hoặc chất biến tính nhằm làm tăng các tính chất vốn có của vật liệu, làm giảm giá thành sản phẩm mà không đóng vai trò là sản phẩm chính. Chất độn khoáng được sử dụng trong các ngành sản xuất công nghiệp như giấy, cao su, nhựa đường, chất dẻo,… Một số loại khoáng chất thường được làm chất độn trong công nghiệp như:

• CaCO3 - giá thành rẻ nhất và kích thước hạt lớn nhất, thường được sử dụng để giảm co ngót, tăng tác động và cải thiện độ hoàn thiện bề mặt
• đolomit - tương tự như canxi cacbonat ngoại trừ nó chứa nhiều magie cacbonat trong cấu trúc, thường được sử dụng để thay thế canxi cacbonat
• bari sunfat đặc hơn tất cả các chất độn khoáng, được sử dụng để tăng cường các đặc tính giảm chấn và cách âm
• khoáng sét cao lanh - nhôm silicat tự nhiên cung cấp khả năng ổn định kích thước tương tự như bột talc và cải thiện tính chất điện, yêu cầu xử lý bề mặt để dễ phân tán
• talc - magiê silicat có cấu trúc hình cầu gai thường được sử dụng để cải thiện độ cứng, nhiệt độ lệch nhiệt và giảm hệ số co ngót tuyến tính
• mica - silicat dạng tấm, dạng vảy được sử dụng để cải thiện các tính chất cơ học
• SiO2 - gia cố cao su, epoxy PCBs; wollastonite - canxi silicat, rất giống với canxi cacbonat, cấu trúc giống hình kim hơn, khó phân tán trong polyme, thường được sử dụng để cân bằng chi phí gia cường thủy tinh
• sợi/hạt thuỷ tinh - phổ biến nhất là vi hạt soda-vôi-borosilicat có kích thước hạt 12-300 µm, trông giống như bột mịn, được sử dụng để cải thiện độ ổn định kích thước, tăng cường độ va đập, bề mặt mịn hơn, cách nhiệt cao hơn, khả năng gia công dễ dàng hơn, thời gian chu kỳ nhanh hơn
• AI2O3.3H2O và Mg(OH)2 dùng chống cháy
• crystobalite chống mài mòn/nhựa
• TiO2 - chất dẻo, chất tạo màu, chất độn.

Trong sản xuất nhựa đường

Trong sản xuất nhựa đường, chất độn khoáng bao gồm các chất khoáng rất mịn, trơ, được thêm vào hỗn hợp bê tông nhựa để cải thiện mật độ và cường độ của hỗn hợp. Chất độn khoáng chiếm ít hơn 6% (w/w) của hỗn hợp bê tông nhựa theo khối lượng và thường ít hơn khoảng 3% (w/w). Chất độn khoáng thông thường hoàn toàn lọt qua sàng 0,060 mm, với ít nhất 65% hạt lọt qua sàng 0,075 mm. Sự phân huỷ, hình dạng và kết cấu của chất độn khoáng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của hỗn hợp bê tông nhựa. Một số tính chất của chất độn khoáng được sử dụng trong sản xuất bê tông nhựa cần quan tâm như cấp phối, tính dẻo và các thành phần có hại.

Trong sản xuất chất dẻo

Trong sản xuất chất dẻo, chất độn khoáng thường chứa silic, nhôm và các nguyên tố kim loại khác trong cấu trúc hóa học, do đó các nhóm hydroxyt kim loại trên bề mặt có bản chất ưa nước. Một số hất độn khoáng được sử dụng phổ biến hơn bao gồm silica, wollastonite, talc, mica, hạt thủy tinh và đất sét cao lanh. Chất độn khoáng được thêm vào nhựa nhiệt dẻo để giảm chi phí và nâng cao hiệu suất. Chất độn khoáng được lựa chọn cẩn thận có thể tăng cường độ dẫn nhiệt, co ngót, va đập, ổn định kích thước và giảm thời gian chu kỳ đúc. Kích thước hạt nằm trong khoảng từ 1 đến 10 µm đối với khoáng chất tự nhiên và thường có tỷ lệ khung hình thấp 10:1, do đó tác dụng của chúng đẳng hướng hơn so với chất độn sợi. Các vị trí phản ứng trên bề mặt chất độn khoáng có thể hoạt động theo cách tương tự như các nhóm silanol trên cốt sợi thủy tinh được xử lý hóa học theo cách tương tự. Xử lý chất độn có thể thay đổi bề mặt thành bề mặt phản ứng hóa học thông qua silan chức năng hoặc bề mặt có thể trở nên kỵ nước, hữu cơ hoặc ưa nước tùy thuộc vào silan được sử dụng.

Trong sản xuất giấy

Trong sản xuất giấy, đặc biệt là giấy in và giấy viết, cho đến nay là ngành sử dụng chất độn khoáng công nghiệp lớn nhất. Chất độn khoáng chính được sử dụng trong sản xuất giấy là cao lanh, bột talc, canxi cacbonat nghiền mịn, canxi cacbonat kết tủa và bentonit. Khoáng chất được sử dụng làm chất độn hoặc làm lớp phủ trên giấy. Bột talc cũng được sử dụng để kiểm soát nhựa (hấp thụ nhựa gỗ có xu hướng cản trở máy móc). Việc sử dụng chất độn khoáng trong sản xuất giấy làm tăng hiệu suất hoạt động và tính lưu động của máy. Các đặc tính cuối cùng của giấy (độ bền, độ trắng, độ bóng, khả năng giữ mực,...) phần lớn được quyết định bởi sự pha trộn của các khoáng chất được sử dụng. Các chất độn này lơ lửng trong nước trước khi được đưa vào quy trình. Các khoáng chất thường được cung cấp trực tiếp cho các nhà sản xuất giấy ở dạng bùn hoặc thậm chí được sản xuất như một phần tích hợp của quy trình sản xuất giấy (canxi cacbonat kết tủa). Giấy bóng, chất lượng cao có được bằng cách phủ một lớp chất độn khoáng mỏng lên bề mặt của giấy.

Tài liệu tham khảo

1. Gugumus F., Zweifel H. (Eds.), Plastics Additive Handbook, fifth ed, Hanser Publishers, Munich, 2001.
2. Hubbe & Gill, Mineral fillers for paper, Bioresources, 11(1): 2886-2963, 2016.
3. Pape P. G., Applied Plastics Engineering Handbook: Adhesion Promoters: Silane Coupling Agents, William Andrew, 2017.
4. Speight J. G., Asphalt Materials Science and Technology, Butterworth-Heinemann, 2015.