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

Trong những năm gần đây, với sự phát triển của các ngành công nghệ kỹ thuật cao như công nghệ thông tin, điện tử, hàng không, vũ trụ, quân sự.Ngành công nghệ vật liệu đòi hỏi phải đưa ra những loại vật liệu mới có tính năng tốt như bền cơ học, chịu nhiệt, chịu áp suất cao, bền môi trường. Để đáp ứng nhu cầu của các ngành công nghiệp; khoa học và công nghệ nano đã trở thành hướng chính để chế tạo vật liệu này. Vật liệu nano chế tạo trên cơ sở khuếch tán các lớp khoáng sét có cấu trúc nano vào trong polyme để thu được nhiều dạng vật liệu có tính chất cơ lý tốt mà các vật liệu thông thường không có được. Đề tài : “Nghiên cứu quá trình trùng hợp stiren và metyl metacrylat với sự có mặt của nanoclay” nhằm mục đích từng bước tiếp cận và nắm vững khoa học và công nghệ nano, nghiên cứu chế tạo một số sản phẩm trên cơ sở polyme nanoclay. Nội dung đề tài này bao gồm: tinh chế khoáng sét, hữu cơ hoá khoáng sét thu được và khảo sát quá trình trùng hợp của stiren và metyl metacrylat với sự có mặt của nanoclay đã hữu cơ hóa.

doc60 trang | Chia sẻ: ngatran | Lượt xem: 1590 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Nghiên cứu quá trình trùng hợp stiren và metyl metacrylat với sự có mặt của nanoclay, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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
Tài liệu liên quan