Nghiên cứu quá trình trùng hợp stiren và metyl metacrylat với sự có mặt của nanoclay

Më ®Çu Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, víi sù ph¸t triÓn cña c¸c ngµnh c«ng nghÖ kü thuËt cao nh­ c«ng nghÖ th«ng tin, ®iÖn tö, hµng kh«ng, vò trô, qu©n sù...Ngµnh c«ng nghÖ vËt liÖu ®ßi hái ph¶i ®­a ra nh÷ng lo¹i vËt liÖu míi cã tÝnh n¨ng tèt nh­ bÒn c¬ häc, chÞu nhiÖt, chÞu ¸p suÊt cao, bÒn m«i tr­êng... §Ó ®¸p øng nhu cÇu cña c¸c ngµnh c«ng nghiÖp; khoa häc vµ c«ng nghÖ nano ®· trë thµnh h­íng chÝnh ®Ó chÕ t¹o vËt liÖu nµy. VËt liÖu nano chÕ t¹o trªn c¬ së khuÕch t¸n c¸c líp kho¸ng sÐt cã cÊu tróc nano vµo trong polyme ®Ó thu ®­îc nhiÒu d¹ng vËt liÖu cã tÝnh chÊt c¬ lý tèt mµ c¸c vËt liÖu th«ng th­êng kh«ng cã ®­îc. §Ò tµi : “Nghiªn cøu qu¸ tr×nh trïng hîp stiren vµ metyl metacrylat víi sù cã mÆt cña nanoclay” nh»m môc ®Ých tõng b­íc tiÕp cËn vµ n¾m v÷ng khoa häc vµ c«ng nghÖ nano, nghiªn cøu chÕ t¹o mét sè s¶n phÈm trªn c¬ së polyme nanoclay. Néi dung ®Ò tµi nµy bao gåm: tinh chÕ kho¸ng sÐt, h÷u c¬ ho¸ kho¸ng sÐt thu ®­îc vµ kh¶o s¸t qu¸ tr×nh trïng hîp cña stiren vµ metyl metacrylat víi sù cã mÆt cña nanoclay ®· h÷u c¬ hãa. Ch­¬ng 1 Tæng quan 1.1. Tæng quan vÒ clay vµ ®iÒu chÕ clay h÷u c¬ 1.1.1. Kh¸i niÖm clay Clay lµ ®Êt sÐt tù nhiªn hoÆc Bentonite bao gåm nh÷ng nhãm Aluminium, Magnesium, Silicate ngËm n­íc mµ cã thÓ chøa Na+, Ca2+, K+ vµ nh÷ng ion kh¸c. C¸c nhãm clay chÝnh bao gåm: Kaolin, Smectite, Illites vµ Hormites. Clay còng lµ mét lo¹i vËt liÖu cã thÓ g©y sù thay ®æi rÊt lín vÒ tÝnh chÊt vµ c«ng dông phô thuéc vµo thµnh phÇn vµ c¸c yÕu tè kh¸c: Thµnh phÇn kho¸ng clay, thµnh phÇn kho¸ng phi clay, sù hiÖn diÖn cña c¸c thµnh phÇn h÷u c¬, hµm l­îng c¸c ion trao ®æi, c¸c muèi hoµ tan vµ kÕt cÊu cña chóng. 1.1.2. Thµnh phÇn vµ cÊu tróc cña kho¸ng sÐt 1.1.2.1. Thµnh phÇn cña kho¸ng sÐt Trong thµnh phÇn cña kho¸ng sÐt (clay) cã c¸c nguyªn tè Silic (Si) vµ nh«m (Al) lµ chñ yÕu ngoµi ra cßn cã c¸c nguyªn tè kh¸c nh­ Fe, Mg, K, Na, Ca. Tuú theo hµm l­îng cña chóng cã mÆt trong sÐt mµ ta cã c¸c lo¹i sÐt kh¸c nhau. Dùa vµo sù cã mÆt cña ba lo¹i nguyªn tè chñ yÕu (kh«ng kÓ nguyªn tè Si): Al, Mg, Fe ®Ó ph©n biÖt c¸c lo¹i kho¸ng sÐt kh¸c nhau, hiÖn nay ta biÕt gÇn 40 lo¹i kho¸ng sÐt. B¶ng 1.1: Ph©n lo¹i sÐt theo thµnh phÇn nguyªn tè c¬ b¶n (Kh«ng kÓ Si) SÐt tr­¬ng në  SÐt kh«ng tr­¬ng në   Tªn kho¸ng sÐt  Nguyªn tè cã trong sÐt  Tªn kho¸ng sÐt  Nguyªn tè cã trong sÐt   Beidellit  Al  Illite  K, Al (Fe, Mg cã Ýt)   Montmorillonit  Al,(Mg,Fe cã Ýt)  Glauconit  K, Fe2+, Fe3+   Nontronit  Fe3+  Celaconit  K, Fe2+, Fe3+, Mg, Al   Saponit  Mg, Al  Chlorit  Mg, Fe, Al   Vermiculit  Mg, Al, Fe2+ (Fe3+ cã Ýt)  Berthierin  Fe2+, Al3+, Ýt Mg     Kaolinit  Al     Holloysit  Al     Sepionit  Mg, Al     Palygorskit  Mg, Al     Talc  Mg, Fe2+   1.1.2.2. CÊu tróc cña sÐt Theo phiªn häp cña uû ban danh ph¸p quèc tÕ tæ chøc t¹i Copenhagen n¨m 1960 th× kho¸ng sÐt lµ mét lo¹i nh«m silicat líp (Phylosilicat) ®­îc h×nh thµnh tõ c¸c líp tø diÖn SiO4 s¾p xÕp thµnh m¹ng tø diÖn liªn kÕt víi b¸t diÖn MeO6 víi Me lµ c¸c nguyªn tè Al, Mg, Fe. H¹t sÐt cã kÝch th­íc 2
, khi kÕt hîp víi n­íc t¹o thµnh vËt liÖu dÎo.

H×nh 1 (a) H×nh 1 (b) §¬n vÞ cÊu tróc tø diÖn §¬n vÞ cÊu tróc b¸t diÖn C¸c tÊm tø diÖn liªn kÕt thµnh m¹ng tø diÖn qua nguyªn tö oxy theo kh«ng gian hai chiÒu cña hai nguyªn tö oxy gãp chung n»m trªn mÆt ph¼ng vµ cßn ®­îc gäi lµ oxy ®¸y. C¸c oxy ®¸y liªn kÕt vµ s¾p xÕp víi nhau t¹o thµnh mét “lç” s¸u c¹nh, ë mçi ®Ønh cña s¸u c¹nh nµy lµ mét nguyªn tö oxy vµ ®­îc gäi lµ oxy ë ®Ønh.
H×nh 2 (a): M¹ng tø diÖn
H×nh 2 (b): Sù s¾p xÕp “lç” s¸u c¹nh cña oxy ®¸y trong m¹ng tø diÖn Gièng nh­ m¹ng tø diÖn, m¹ng b¸t diÖn ®­îc t¹o thµnh tõ c¸c b¸t diÖn qua nguyªn tö oxy theo kh«ng gian hai chiÒu.

H×nh 3: (a)§¬n vÞ cÊu tróc tø diÖn; (b) §¬n vÞ cÊu tróc b¸t diÖn trong kh«ng gian cña líp Aluminat vµ silicat. M¹ng b¸t diÖn vµ m¹ng tø diÖn liªn kÕt víi nhau qua oxy ®Ønh theo nh÷ng quy luËt trËt tù nhÊt ®Þnh ®Ó t¹o ra nh÷ng kho¸ng sÐt cã cÊu tróc tinh thÓ kh¸c nhau: cÊu tróc 1:1, cÊu tróc 2:1, cÊu tróc 2:1+1: CÊu tróc 1:1 lµ cÊu tróc líp c¬ b¶n gåm mét m¹ng l­íi tø diÖn liªn kÕt víi m¹ng l­íi b¸t diÖn, ®¹i diÖn cho nhãm nµy lµ kaolinit, halloysit. CÊu tróc 2:1 lµ cÊu tróc líp c¬ b¶n bao gåm mét m¹ng l­íi b¸t diÖn n»m gi÷a hai m¹ng l­íi tø diÖn, ®¹i diÖn cho nhãm nµy lµ montmorillonit, vermiculit. CÊu tróc 2:1+1 lµ cÊu tróc líp c¬ b¶n gåm mét líp cÊu tróc t­¬ng tù nhãm 2:1 cßn thªm mét m¹ng l­íi b¸t diÖn. Trong cïng nhãm kho¸ng sÐt ®­îc chia thµnh ph©n nhãm: diocta vµ triocta. §èi víi d¹ng diocta trong m¹ng b¸t diÖn cø ba vÞ trÝ t©m b¸t diÖn th× cã hai vÞ trÝ bÞ chiÕm bëi ion ho¸ trÞ 3 (vÝ dô Al3+) cßn mét vÞ trÝ bá trèng trong khi ®ã d¹ng triocta th× mçi vÞ trÝ t©m b¸t diÖn bÞ chiÕm bëi mét ion ho¸ trÞ 2 (th­êng lµ Mg2+). 1.1.3. Mét sè tÝnh chÊt cña kho¸ng sÐt TÝnh tr­¬ng në Kho¶ng c¸ch c¬ b¶n gi÷a c¸c líp trong kho¸ng sÐt cã thÓ bÞ thay ®æi, nã phô thuéc vµo l­îng n­íc liªn kÕt n»m ë kho¶ng kh«ng gian gi÷a c¸c líp. ë ®ã tån t¹i c¸c cation vµ nÕu n¨ng l­îng solvat ho¸ ®ñ lín ®Ó th¾ng lùc hót gi÷a c¸c líp th× kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c líp t¨ng lªn vµ lµm sÐt bÞ tr­¬ng në. Tuy nhiªn tÝnh tr­¬ng në cña mçi lo¹i kho¸ng sÐt cã kh¸c nhau vµ nã phô thuéc vµo nhiÒu yÕu tè: Phô thuéc vµo ®Æc ®iÓm vµ nång ®é c¸c cation ë líp cÊu tróc. Mçi cation kim lo¹i bÞ hydrat ho¸ bëi 3 ®Õn 6 ph©n tö n­íc, do vËy l­îng n­íc hÊp phô vµo gi÷a c¸c líp cã kh¸c nhau. Ngoµi ra nÕu nång ®é cation thÊp th× ®iÖn tÝch cña líp sÏ thÊp vµ sù tr­¬ng në sÏ chËm l¹i. Bªn c¹nh ®ã yÕu tè ®é bÒn liªn kÕt gi÷a hai líp sÐt còng ¶nh h­ëng lín ®Õn tÝnh tr­¬ng në cña sÐt. TÝnh hÊp phô Sau khi ho¹t ho¸, th«ng th­êng trªn bÒ mÆt kho¸ng sÐt lu«n xuÊt hiÖn ®ång thêi c¸c t©m acid Bronsted vµ t©m acid Lewis, ®Æc biÖt lµ t¹i c¸c cation ph©n cùc hoÆc nh÷ng proton ë líp trung gian thÓ hiÖn tÝnh acid Bronsted kh¸ m¹nh. ChÝnh nh÷ng t©m nµy lµ n¬i x¶y ra c¸c ph¶n øng vµ còng lµ n¬i cã kh¶ n¨ng hÊp phô c¸c chÊt ph©n cùc hay c¸c chÊt h÷u c¬. TÝnh trao ®æi ion Sù trao ®æi ion cña sÐt víi ion dung dÞch bªn ngoµi chñ yÕu x¶y ra gi÷a c¸c líp cÊu tróc. Sù trao ®æi ion ®­îc thùc hiÖn hoµn toµn khi cho sÐt ph©n t¸n trong dung dÞch muèi cã nång ®é thÝch hîp. TÝnh acid cña ®Êt sÐt cã ®­îc lµ nhê vµo sù trao ®æi nµy. Cã hai nguyªn nh©n g©y nªn kh¶ n¨ng trao ®æi: Sù xuÊt hiÖn ®iÖn tÝch ©m trong m¹ng l­íi cÊu tróc sÏ ®­îc bï trõ b»ng c¸c cation trao ®æi. Dung l­îng trao ®æi ion phô thuéc vµo sè l­îng ®iÖn tÝch ©m trªn bÒ mÆt. Sè l­îng cation cµng lín th× dung l­îng trao ®æi cµng lín. Trong tinh thÓ cña sÐt tån t¹i c¸c nhãm OH, nguyªn tö H trong nhãm nµy trong ®iÒu kiÖn nhÊt nhÊt ®Þnh cã thÓ tham gia ph¶n øng trao ®æi . Kh¶ n¨ng trao ®æi ion cña sÐt cßn phô thuéc vµo ho¸ trÞ vµ b¸n kÝnh cña c¸c cation trao ®æi, c¸c cation cã ho¸ trÞ nhá dÔ trao ®æi h¬n c¸c cation cã ho¸ trÞ lín theo thø tù M+ > M2+ > M3+. §èi víi c¸c cation cã cïng ho¸ trÞ, b¸n kÝnh cation cµng nhá th× kh¶ n¨ng trao ®æi cation cµng lín. Kh¶ n¨ng trao ®æi ion ®­îc xÕp theo thø tù : Li+ > Na+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Fe2+ > Al3+ . So víi mét sè sÐt nh­ kaolinit cã kh¶ n¨ng trao ®æi ion yÕu, clorit khã trao ®æi ion th× Montmorillonit cã tÝnh chÊt trao ®æi ion rÊt m¹nh do ®iÖn tÝch ©m cña m¹ng n»m s©u trong líp cÊu tróc nªn n¨ng l­îng liªn kÕt cña c¸c cation trao ®æi n»m ë gi÷a c¸c líp víi líp cÊu tróc cña m¹ng thÊp, c¸c cation nµy cã thÓ chuyÓn ®éng tù do gi÷a c¸c mÆt ph¼ng tÝch ®iÖn ©m vµ cã thÓ trao ®æi víi c¸c cation kh¸c . Nhê cã tÝnh chÊt trao ®æi ion nµy mµ ng­êi ta cã thÓ biÕn tÝnh Montmorillonit ®Ó t¹o ra nh÷ng mÉu cã tÝnh chÊt xóc t¸c, hÊp phô vµ c¸c tÝnh chÊt ho¸ lý hoµn toµn kh¸c nhau tuú thuéc vµo môc ®Ých sö dông chóng. 1.1.4. Giíi thiÖu vÒ Montmorillonit - MMT Lo¹i nanoclay ®Çu tiªn ®­îc t×m thÊy trªn thÕ giíi lµ Montmorillonite (ë Montmorillon, Ph¸p, n¨m 1874). Tuy nhiªn ®Õn n¨m 1993, vËt liÖu polyme nano composit míi lÇn ®Çu tiªn ®­îc chÕ t¹o thµnh c«ng. CÊu tróc cña MMT:
H×nh 4 (a): CÊu tróc ph¼ng cña MMT
H×nh 4 (b): CÊu tróc kh«ng gian cña MMT MMT lµ mét d¹ng sÐt tr¾ng, cã thÓ hÊp thô h¬n 20 -30 lÇn thÓ tÝch cña nã trong n­íc vµ lµ sù quan t©m ®Æc biÖt cña c«ng nghiÖp chÊt dÎo vµ nã thuéc cÊu tróc 2:1 nh­ h×nh vÏ trªn. MMT cã kh¶ n¨ng hÊp thô vµ gi÷ c¸c cation d­¬ng nh­ Na+,Ca2+ lµ do trong cÊu tróc cña MMT lu«n x¶y ra sù thay thÕ cña Mg2+ cho Al3+ trong líp b¸t diÖn vµ Fe2+, Fe3+ thay thÕ cho Al3+, Si4+ trong m¹ng l­íi 6 c¹nh. C¸c cation d­¬ng Na+, Ca2+ nµy cã thÓ ®­îc thay thÕ mét c¸ch cã môc ®Ých b»ng c¸c cation kh¸c cã kh¶ n¨ng hidrat ho¸ nh­ng cã tÝnh ­a h÷u c¬. N¨ng suÊt trao ®æi cation cña MMT: * TÊt c¶ c¸c lo¹i kho¸ng cã kh¶ n¨ng hÊp phô cation do tån t¹i nh÷ng ion d­¬ng trªn bÒ mÆt c¸c líp sÐt. Nh÷ng cation nµy bÞ gi÷ bëi lùc tÜnh ®iÖn yÕu vµ dÔ dµng thay thÕ víi nh÷ng cation kh¸c. * J.T.Wray chøng minh r»ng cã thÓ khö NH3 trong n­íc. C¬ së cña sù hÊp thu kh«ng liªn quan g× ®Õn sù thay ®æi cÊu tróc cña kho¸ng mµ c¬ së cña sù hÊp thu xuÊt ph¸t tõ lý thuyÕt dung dÞch vµ lµ sù lo¹i bá ngay t¹i vÞ trÝ cña c¸c cation. Do ®ã, tÝnh chÊt nµy cña ®Êt sÐt ®­îc gäi lµ kh¶ n¨ng trao ®æi c¬ b¶n (BEC). C¸c nhµ ho¸ lý hiÖn nay c«ng nhËn r»ng
thay thÕ ®­îc cho Na+,K+, Ca2+, Mg2+ vµ Al3+. V× thÕ ®Ó chÝnh x¸c h¬n ng­êi ta dïng thuËt ng÷ CEC ®Ó chØ n¨ng suÊt trao ®æi cation. Ph¶n øng trao ®æi gi÷a 2 cation kÕt hîp víi ®Êt sÐt cã thÓ ®­îc biÓu diÔn nh­ sau: (§Êt sÐt)Na + NH4OH ( (§Êt sÐt)NH4 + NaOH Mét ®­¬ng l­îng
thay thÕ cho mét ®­¬ng l­îng Na+, do ®ã CEC ®­îc tÝnh b»ng mili ®­¬ng l­îng d­íi d¹ng Na2O trªn 100 mg ®Êt sÐt: CEC =
Mét sè tÝnh chÊt ®Æc tr­ng cña ®Êt sÐt Montmorillonite: Kh¶ n¨ng chÞu bøc x¹ h¹t nh©n Khi chiÕu x¹
, nång ®é c¸c trung t©m ho¹t ®éng A (Si-O) vµ B (Al-O-Al) xuÊt hiÖn ë kho¸ng Montmorillonite thÊp h¬n ë c¸c kho¸ng sÐt kh¸c. Sù xuÊt hiÖn c¸c trung t©m ho¹t ®éng lµm kho¸ng cã bÒ mÆt riªng t¨ng vµ thay ®æi tÝnh tan. Kho¸ng Montmorillonite cã cÊu tróc 2:1 cã sù thay ®æi Ýt vµ chÞu bøc x¹ h¹t nh©n tèt h¬n Kaoline cã cÊu tróc 1:1. Sù ph¸ huû kho¸ng Montmorillonite khi bÞ chiÕu x¹ víi liÒu cao chñ yÕu tõ viÖc mÊt ®i c¸c ion Si4+ h¬n lµ Al3+. KÝch th­íc h¹t KÝch th­íc h¹t cña ®Êt sÐt phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn sÊy, ®­îc x¸c ®Þnh b»ng ph­¬ng ph¸p BET th«ng qua hÊp phô khÝ N2 hoÆc t¸n x¹ Laser trong m«i tr­êng ch©n kh«ng. KÝch th­íc h¹t quyÕt ®Þnh diÖn tÝch bÒ mÆt riªng cña ®Êt sÐt, quan träng h¬n lµ kh¶ n¨ng trao ®æi ion. C«ng thøc cÊu t¹o cho biÕt sè ®iÖn tÝch ©m trªn mét cÊu tróc líp tinh thÓ do sù thay thÕ ion ®ång h×nh. Tuy nhiªn, do cßn cã sù ®øt g·y ë viÒn ngoµi cña tinh thÓ vµ sù cã mÆt nhãm -OH ë viÒn ngoµi, gi¸ trÞ CEC thùc tÕ th­êng cao h¬n 10%. §Êt sÐt võa thÓ hiÖn tÝnh acid Bronsted lÉn acid Lewis TÝnh acid Bronsted do c¸c nhãm -OH ë bÒ mÆt g©y nªn. TÝnh acid Lewis do ion Al3+ g©y nªn. §é bÒn nhãm cho tÝnh acid Bronsted phô thuéc vµo thµnh phÇn cña kho¸ng sÐt. ChØ sè acid lu«n thÊp h¬n gi¸ trÞ CEC cho thÊy dung m«i kh«ng ph©n cùc trong c¸c khe hë cña líp sÐt kh«ng lµ m«i tr­êng hiÖu qu¶ cho c¸c ph¶n øng acid - baz¬. TÝnh acid ë bÒ mÆt gi¶m khi l­îng n­íc tù do cã trong sÐt cao. C¸c nhãm nhËn ®iÖn tö hay g©y oxy ho¸ còng ®Þnh khu ë viÒn ngoµi cña cÊu tróc tinh thÓ sÐt. Nhãm nµy do ion Fe3+ trong mÆt tinh thÓ t¹o nªn. C¸c cation kim lo¹i ®a ho¸ trÞ nh­ Cu2+, Fe3+ hoÆc lµ Ru3+ lµm ®Êt sÐt cã tÝnh khö. T­¬ng t¸c bÒ mÆt r¾n cña ®Êt sÐt víi ph©n tö chÊt h÷u c¬ phô thuéc vµo tÝnh kÞ n­íc. TÝnh chÊt ­a n­íc hoÆc lµ kÞ n­íc cña bÒ mÆt phô thuéc vµo viÖc chän lùa hîp lý cation cã thÓ trao ®æi ®­îc. Kh¶ n¨ng t¹o cÊu tróc xèp rçng 3 chiÒu MMT cã cÊu tróc gièng nh­ zeolite nªn qu¸ tr×nh thùc hiÖn biÕn ®æi cÊu tróc kho¸ng sÐt sang cÊu tróc rçng xèp ®­îc øng dông réng r·i. Qu¸ tr×nh nµy sö dông kho¸ng sÐt cã cÊu tróc 2:1 víi mËt ®é ®iÖn t­¬ng ®èi thÊp, cã cation trao ®æi ban ®Çu cã ®iÖn tÝch lín. Kh¶ n¨ng xóc t¸c C¸c ®Êt sÐt Montmorillonite víi cation trao ®æi kh¸c nhau cho hiÖu qu¶ acyl ho¸ nªn p-xylene thµnh bezoyl chloride: Mont-Zr4+ Kh¶ n¨ng hÊp phô Nhê cã c¸c nhãm chøc ë viÒn ngoµi vµ bÒ mÆt ph©n bè ®Òu, ®Êt sÐt cã kh¶ n¨ng hÊp phô ®­îc nhiÒu chÊt h÷u c¬. 1.1.5. BiÕn tÝnh clay 1.1.5.1. Kh¸i niÖm BiÕn tÝnh clay lµ chuyÓn c¸c clay tõ d¹ng ­a n­íc sang d¹ng clay ­a h÷u c¬ do gi÷a c¸c líp cña nã cã chøa c¸c cation cã kh¶ n¨ng trao ®æi víi c¸c cation h÷u c¬. §Ó lµm ®­îc ®iÒu nµy, ng­êi ta th­êng cho c¸c cation h÷u c¬ trao ®æi víi c¸c ion kim lo¹i trong cÊu tróc líp cña clay. Trong nh÷ng n¨m qua, MMT ®· ®­îc biÕn tÝnh bÒ mÆt ®Ó chuyÓn ho¸ bÒ mÆt tõ d¹ng ­a n­íc sang ­a chÊt h÷u c¬. Nh÷ng s¶n phÈm nµy ®­îc sö dông nhiÒu nhÊt ®Ó chÕ t¹o vËt liÖu nanocomposit, ngoµi ra cßn ®­îc øng dông nh­ lµ t¸c nh©n lµm ®Æc trong s¬n dÇu vµ nhiÒu øng dông kh¸c cña chÊt láng h÷u c¬. BiÕn tÝnh bÒ mÆt clay cã thÓ ®¹t ®­îc th«ng qua hai c¬ chÕ chÝnh: trao ®æi ion (ion exchange) vµ t­¬ng t¸c ion l­ìng cùc (ion dipole interation). Do clay cã cÊu tróc líp, gi÷a c¸c líp cã mét sè ion mµ cã thÓ ®­îc trao ®æi víi c¸c ion h÷u c¬ kh¸c, v× vËy clay cã thÓ ®­îc biÕn tÝnh b»ng c¸c muèi h÷u c¬ amoni. Do cã c¸c gèc h÷u c¬ trong c¸c amoni nªn MMT sau khi ®· biÕn tÝnh cã thÓ tr­¬ng në ®­îc trong c¸c dung m«i kÐm ph©n cùc. 1.1.5.2. C¸c ph­¬ng ph¸p biÕn tÝnh clay BÒ mÆt cña MMT lµ ­a n­íc vµ yªu cÇu biÕn tÝnh ®Ó nã t­¬ng hîp víi hÇu hÕt c¸c hÖ polyme. BiÕn tÝnh bÒ mÆt cã thÓ ®¹t ®­îc th«ng qua hai c¬ chÕ chÝnh: trao ®æi ion vµ t­¬ng t¸c l­ìng cùc. BiÕn tÝnh trao ®æi ion Ph­¬ng ph¸p nµy dùa trªn sù thay thÕ c¸c ankyl amonium cã chøa c¸c chøc amin, cho c¸c cation cã kh¶ n¨ng trao ®æi trªn bÒ mÆt c¸c líp cña MMT. RH+ + Na+ - MMT ( RH+ - MMT + Na+ T­¬ng t¸c ion l­ìng cùc §©y lµ mét ph­¬ng ph¸p t­¬ng ®èi míi, nã bao gåm viÖc g¾n c¸c ph©n tö h÷u c¬ cã chøa c¸c nhãm nh­ alcolhol, carbonyl, ether vµo c¸c cation cã kh¶ n¨ng trao ®æi trªn bÒ mÆt cña clay. C¸c nhãm chøc tÝch ®iÖn ©m côc bé nµy t­¬ng t¸c víi c¸c ®iÖn tÝch d­¬ng riªng tån t¹i trªn c¸c cation cã kh¶ n¨ng trao ®æi. = Si -OH + ROH ( = Si -OR + H2O. = Si -OH + Cl - Si(R)3 ( = Si - OSi(R)3 1.1.5.3. BiÕn tÝnh h÷u c¬ kho¸ng sÐt MMT Kho¸ng sÐt cã rÊt nhiÒu øng dông thùc tiÔn vµ nh÷ng øng dông cña nã vÉn kh«ng ngõng t¨ng lªn, sù phong phó nµy lµ do viÖc biÕn tÝnh bÒ mÆt cña kho¸ng sÐt rÊt dÔ dµng. Do vËy c¸c nhµ khoa häc ®· sö dông kho¸ng sÐt víi thµnh phÇn chÝnh lµ MMT ®Ó lµm vËt liÖu gèc chÕ t¹o vËt liÖu nanocomposit v« c¬ lai h÷u c¬. Môc ®Ých cña viÖc h÷u c¬ ho¸ MMT lµ chuyÓn tõ vËt liÖu ­a n­íc sang ­a dÇu víi nh÷ng gèc thÕ kh¸c nhau vµ cã kh¶ n¨ng tr­¬ng në trong dung m«i h÷u c¬, khuyÕch t¸n vµ t­¬ng t¸c tèt trong c¸c polyme th«ng qua c¸c qu¸ tr×nh hoµ tan trong dung m«i h÷u c¬. Hay nãi c¸ch kh¸c qu¸ tr×nh h÷u c¬ ho¸ kho¸ng sÐt lµ qu¸ tr×nh chuyÓn MMT v« c¬ thµnh MMT h÷u c¬. §©y chÝnh lµ qu¸ tr×nh trao ®æi ion Na+, K+ víi nhãm mang ®iÖn tÝch d­¬ng phÇn ®Çu cña hîp chÊt h÷u c¬ (®iÓn h×nh lµ nhãm amoni cation) cã phÇn ®u«i lµ c¸c gèc h÷u c¬ kh¸c nhau:  PhÇn ®u«i cña hîp chÊt nµy cã tÝnh ­a dÇu vµ lµ t¸c nh©n ®Èy xa kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c líp kho¸ng sÐt theo m« h×nh :
 H×nh 5 (a): S¬ ®å m« h×nh h÷u c¬ ho¸ kho¸ng sÐt Qu¸ tr×nh ®Èy xa c¸c líp MMT lµm t¨ng kh¶ n¨ng x©m nhËp cña c¸c chÊt h÷u c¬ vµo kho¶ng gi÷a c¸c líp, qu¸ tr×nh nµy ®­îc gäi lµ qu¸ tr×nh xen líp (Intercalated state). TiÕp theo khi c¸c chÊt h÷u c¬ hoÆc polyme ë kho¶ng gi÷a c¸c líp MMT sÏ thóc ®Èy qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n nh÷ng h¹t nano MMT lai h÷u c¬ trong dung m«i h÷u c¬ hoÆc trong polyme. HÇu hÕt c¸c t¸c nh©n biÕn tÝnh h÷u c¬ MMT ®Òu cã m¹ch hydro cacbon dµi. §Æc tÝnh cña c¸c ion alkyl amonium lµ tÝnh ­a h÷u c¬, kh¶ n¨ng tr­¬ng në vµ sù h×nh thµnh hÖ sol-gel thuËn nghÞch trong c¸c dung m«i h÷u c¬. Tõ c¸c tÝnh chÊt ®ã dÉn ®Õn hµng lo¹t c¸c øng dông trong c«ng nhiÖp nh­ c«ng nghÖ s¬n phñ, mì b«i tr¬n, chÊt dÎo, vËt liÖu míi vµ ®Æc biÖt lµ vËt liÖu polyme nanoclay composit. Ph¶n øng h÷u c¬ ho¸ kho¸ng sÐt trong dung dÞch n­íc phô thuéc nhiÒu vµo qu¸ tr×nh tr­¬ng në cña MMT. Qu¸ tr×nh nµy cã thÓ ph©n lµm 3 giai ®o¹n: ë giai ®o¹n mét líp sÐt ®­îc gi÷ nguyªn, kho¶ng c¸ch gi÷a chóng t¨ng tõ 1 ®Õn 2,2A0, lóc nµy nguyªn nh©n tr­¬ng në lµ do hiÖn t­îng hidrat ho¸ ion d­¬ng Na+, K+, Li+ tån t¹i gi÷a c¸c líp sÐt. ë giai ®o¹n hai th× MMT cã chøa ion d­¬ng ho¸ trÞ mét tiÕp tôc tr­¬ng në, giai ®o¹n nµy h×nh thµnh lùc ph¸t t¸n trªn bÒ mÆt líp sÐt do h×nh thµnh líp kÐp. Lùc nµy lín h¬n lùc liªn kÕt Van der Waals dÉn tíi qu¸ tr×nh t¸ch ly c¸c líp MMT x¶y ra, ë thêi ®iÓm nµy lùc liªn kÕt chÝnh tån t¹i lµ lùc gi÷a phÇn cuèi nh¸nh d­íi cña líp trªn víi bÒ mÆt trªn cña líp d­íi. Tr¹ng th¸i nµy h×nh thµnh nh­ d¹ng paste hoÆc gel, nÕu hµm l­îng n­íc mµ cµng t¨ng th× liªn kÕt gi÷a c¸c líp yÕu ®i vµ tr¹ng th¸i t¸ch ly thø ba sinh ra. H×nh 5.(b): S¬ ®å t¸ch c¸c h¹t sÐt trong dung dÞch Ph¶n øng h÷u c¬ ho¸ MMT ®­îc thùc hiÖn ë gi÷a giai ®o¹n nµy b»ng ph¶n øng trao ®æi ion: Ph¶n øng nµy chØ x¶y ra víi kho¸ng sÐt cã cÊu tróc líp 2:1, ®Æc biÖt lµ montmorillonit vµ vermiculite. 1.1.5.4. CÊu tróc cña clay h÷u c¬ Sù thay thÕ c¸c cation v« c¬ b»ng cation h÷u c¬ trªn bÒ mÆt gi÷a c¸c líp cña clay hay MMT sÏ lµm gi·n réng kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c líp. Tuú thuéc vµo mËt ®é ®iÖn tÝch cña clay vµ chÊt ho¹t tÝnh bÒ mÆt cation th× sù s¾p xÕp cña chóng lµ kh¸c nhau. Nh×n chung, chiÒu dµi cña chÊt ho¹t tÝnh bÒ mÆt dµi h¬n vµ mËt ®é ®iÖn tÝch cña clay cao h¬n th× nh÷ng líp clay sÏ bÞ Ðp l¹i. §iÒu nµy lµm t¨ng thÓ tÝch chiÕm bëi nh÷ng chÊt ho¹t tÝnh bÒ mÆt. MËt ®é ®iÖn tÝch cña clay kh¸c nhau th× sù ®Þnh h­íng cña c¸c ankyl amonium còng kh¸c nhau: monolayer, bilayer, pseudo-trilayer hoÆc cÊu tróc parafin n»m nghiªng.
H×nh 6: CÊu tróc cña c¸c d¹ng Clay h÷u c¬ kh¸c nhau 1.2. Giíi thiÖu vÒ poli stiren vµ poli metyl metacrylat 1.2.1. Poli stiren Poli stiren ( ViÕt t¾t vµ th­êng gäi lµ PS ) lµ mét lo¹i nhùa nhiÖt dÎo ®­îc t¹o thµnh tõ ph¶n øng trïng hîp stiren:
Poli stiren ®­îc biÕt ®Õn n¨m 1845 khi ®èt nãng stiren trong èng thñy tinh ë nhiÖt ®é 2000C. S¶n phÈm mono stiren th­¬ng m¹i ®­îc ®­a ra n¨m 1925 nh­ng PS chØ ®­îc tæng hîp n¨m 1937. PS lµ lo¹i nhùa cøng trong suèt, kh«ng cã mïi vÞ, kh«ng mµu vµ dÔ t¹o mµu, dÔ gia c«ng. PS hßa tan trong cacbua hydro th¬m, cacbua hydro clo hãa, este, ceton. PS kh«ng hßa tan trong cacbua hydro m¹ch th¼ng, r­îu thÊp, ete, phenol, axit acetic vµ n­íc. TÝnh chÊt c¬ häc cña PS phô thuéc vµo møc ®é trïng hîp. PS cã träng l­îng ph©n tö thÊp rÊt gißn vµ cã ®é bÒn kÐo thÊp. Träng l­îng ph©n tö t¨ng lªn th× ®é bÒn c¬ vµ nhiÖt t¨ng ®ång thêi ®é gißn gi¶m ®i. 1.2.2 Polimetyl metacrylat Polimetyl metacrylat ®­îc ®iÒu chÕ b»ng ph¶n øng trïng hîp metyl metacrylat:
Polimetyl metacrylat lµ chÊt r¾n kh«ng mµu, trong suèt nªn ®­îc gäi lµ “Thñy tinh h÷u c¬” nã bÒn víi t¸c dông cña axit vµ kiÒm Polimetyl metacrylat dïng ®Ó chÕ t¹o “kÝnh khã vì” thÊu kÝnh, r¨ng gi¶, ®å n÷ trang, mµng phñ. 1.3. øng dông clay h÷u c¬ trong vËt liÖu composit 1.3.1. Giíi thiÖu vÒ vËt liÖu composit 1.3.1.1. Kh¸i niÖm VËt liÖu composit lµ lo¹i vËt liÖu kÕt hîp cña hai hay nhiÒu cÊu tö kh¸c nhau vµ cã c¸c tÝnh chÊt ®Æc biÖt mµ tõng cÊu tö kh«ng cã ®­îc. Nh×n chung vËt liÖu composit lµ mét lo¹i vËt liÖu ®ång nhÊt trong mét thÓ tÝch lín b»ng c¸ch hîp nhÊt c¸c thÓ tÝch nhá cña vËt liÖu kh¸c nhau vÒ b¶n chÊt. §èi víi lo¹i vËt liÖu composit lµm tõ polyme cã thÓ hiÓu ®ã lµ mét hÖ thèng gåm hai hay nhiÒu pha trong ®ã pha liªn tôc lµ polyme. Composit lµ lo¹i vËt liÖu nhiÒu pha kh¸c nhau vÒ mÆt ho¸ häc, hÇu nh­ kh«ng tan vµo nhau, ph©n c¸ch nhau b»ng ranh giíi pha, kÕt hîp l¹i nhê sù can thiÖp kü thuËt cña con ng­êi theo nh÷ng s¬ ®å thiÕt kÕ tr­íc, nh»m tËn dông vµ ph¸t triÓn nh÷ng tÝnh chÊt ­u viÖt cña c¸c pha trong vËt liÖu composit cÇn chÕ t¹o. 1.3.1.2. CÊu tróc cña vËt liÖu composit Thµnh phÇn chñ yÕu cña vËt liÖu composit gåm nÒn polyme vµ chÊt ®én ngoµi ra cßn cã mét sè phô gia nh­: chÊt mÇu, chÊt t¨ng c­êng ®Æc biÖt vµ c¸c chÊt trong hÖ ®ãng r¾n polyme. C¸c tÝnh chÊt ­u viÖt ®¹t ®­îc c