(LUẬN án TIẾN sĩ) nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nanocompozit trên nền chất đồng trùng hợp acrylic và nanoclay biến tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME NANOCOMPOZIT TRÊN NỀN CHẤT ĐỒNG TRÙNG HỢP ACRYLIC VÀ NANOCLAY BIẾN TÍNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ HĨA HỌC HÀ NỘI – 2011 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME NANOCOMPOZIT TRÊN NỀN CHẤT ĐỒNG TRÙNG HỢP ACRYLIC VÀ NANOCLAY BIẾN TÍNH Chun ngành: Hố lí thuyết Hố lí Mã số: 62 44 31 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS TS Ngô Duy Cƣờng PGS TS Phan Văn Ninh HÀ NỘI – 2011 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỤC LỤC Danh mu ̣c các ký hiê ̣u và chƣ̃ viế t tắ t Danh mu ̣c các bảng Danh mu ̣c các hiǹ h vẽ, đồ thi ̣ MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Polyme có cấu trúc nano 1.2 Vật liệu nanocompozit (NC) 1.3 Polyme clay nanocompozit 1.3.1 Giới thiệu nanoclay 1.3.2 Biến tính hữu khoáng sét 10 1.3.3 Cấu trúc clay hữu hoá 13 1.3.4 Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu polyme nanocompozit 14 1.3.5 Tính chất vật liệu polyme nanocompozit 16 1.3.6 Các polyme thông dụng sử dụng làm vật liệu polyme nanocompozit với nanoclay dạng lớp 19 1.4 Giới thiệu chung polyme gốc acrylic/acrylat 20 1.4.1 Polyacrylamit 21 1.4.2 Poly (axit acrylic) 23 1.5 Vật liệu polyme siêu hấp thụ nƣớc (Super Absorbent Polymer - SAP) 26 1.5.1 Sơ lƣợc vật liệu polyme siêu hấp thụ nƣớc 26 1.5.2 Cơ chế trình hấp thụ nƣớc 27 1.5.3 Ứng dụng kết nghiên cứu gần 29 1.6 Sử dụng polyme siêu hấp thụ nƣớc để hấp phụ ion kim loại nặng có nƣớc 32 1.6.1 Ảnh hƣởng kim loại nặng đến môi trƣờng sức khoẻ ngƣời 32 1.6.2 Một số phƣơng pháp loại ion kim loại nặng khỏi nƣớc thải 34 1.6.3 Một số chất hấp phụ thƣờng đƣợc sử dụng để loại bỏ chất ô nhiễm khỏi nƣớc TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 36 1.6.4 Ứng dụng vật liệu polyme việc loại bỏ ion kim loại nặng 37 1.6.5 Nghiên cứu trình hấp phụ ion kim loại polyme 38 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 41 2.1 Hoá chất 41 2.2 Chế tạo mẫu vật liệu 41 2.2.1 Hữu hoá khoáng sét 41 2.2.2 Chế tạo vật liệu polyme gốc vinyl nanocompozit phƣơng pháp trùng hợp chỗ có mặt nanoclay biến tính 42 2 Chế tạo vật liệu poly styren nanocompozit 42 2 2 Chế tạo vật liệu poly metylmetacrylat nanocompozit 43 2.2.3 Chế tạo vật liệu poly(acrylat-co-acrylamit)/ nanocompozit làm vật liệu siêu hấp thụ nƣớc vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng 43 2.3 Các phƣơng pháp nghiên cứu 45 2.3.1 Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorbtion Spectroscopy AAS) 45 2.3.2 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại 46 2.3.3 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X 47 2.3.4 Kính hiển vi điện tử quét 48 2.3.5 Phƣơng pháp phân tích nhiệt khối lƣợng (Thermal Gravimetric AnalysisTGA) 48 2.3.6 Phƣơng pháp xác định tính lý vật liệu polyme 49 Phƣơng pháp xác định độ bền va đập 49 Phƣơng pháp xác định độ bền uốn dẻo 49 Phƣơng pháp xác định độ bền cào xƣớc 50 Phƣơng pháp xác định độ bám dính 50 2.3.7 Phƣơng pháp túi chè xác định lƣợng nƣớc bị hấp thụ 50 2.3.8 Phƣơng pháp xác định khả hấp phụ ion kim loại nặng polyme 51 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 52 3.1 Nghiên cƣ́u quá triǹ h hƣ̃u hóa khoáng sét nanoclay bằ ng acrylamit và các dẫn xuấ t của nó 52 3.1.1 Phổ hồng ngoại mẫu nanoclay đƣợc biến tính hố 53 3.1.2 Ảnh hƣởng tỷ lệ tác nhân chèn lớp/nanoclay đến khoảng cách lớp lớp clay 58 3.1.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến khoảng cách lớp lớp nanoclay 60 3.1.4 Ảnh hƣởng pH đến khoảng cách lớp clay 61 3.2 Chế tạo khảo sát tính chất số polyme gốc vinyl nanocompozit phƣơng pháp trùng hợp chỗ có mặt nanoclay biến tính 64 3.2.1 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu polyme nanocompozit 68 3.2.2 Khảo sát ảnh hƣởng hàm lƣợng nanoclay đến tính lý màng polyme nanocompozit 74 2 Ảnh hƣởng hàm lƣợng nanoclay đến tính lý màng phủ polyme nanocompozit 74 2 So sánh tính lý màng phủ polyme nanocompozit sử dụng hai loại nanoclay I28E MMT-AM 76 3.2.3 Ảnh hƣởng nanoclay đến độ bền nhiệt vật liệu 79 3 Ảnh hƣởng hàm lƣợng nanoclay đến độ bền nhiệt vật liệu 79 3 So sánh độ bền nhiệt mẫu polyme nanocompozit sử dụng hai loại nanoclay I28E MMT-AM 87 3.3 Nghiên cƣ́u khả hấ p thu ̣ nƣớc của vâ ̣t liê ̣u poly (acrylat – co – acrylamit) nanocompozit 92 3.3.1 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu polyme nanocompozit thu đƣợc 93 3 1 Giản đồ nhiễu xạ tia X 93 3 Phổ hồng ngoại 97 3 Kết nghiên cứu hình thái học hai mẫu polyacrylamit có khơng có nanoclay 99 3.3.2 Ảnh hƣởng yếu tố đặc trƣng cho trình chế tạo vật liệu đến khả hấp thụ nƣớc vật liệu thu đƣợc TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 100 3 Ảnh hƣởng hàm lƣợng chất khơi mào đến khả hấp thụ nƣớc vật liệu 100 3 2 Ảnh hƣởng hàm lƣợng chất khâu mạch đến khả hấp thụ nƣớc vật liệu 102 3 Ảnh hƣởng tỷ lệ AM/AA đến độ hấp thụ nƣớc vật liệu 106 3 Ảnh hƣởng hàm lƣợng nanoclay đến khả hấp thụ nƣớc vật liệu 108 3.3.3 Ảnh hƣởng số yếu tố bên đến khả hấp thụ nƣớc vật liệu poly (acrylat – co – acrylamit) nanocompozit 110 3 Ảnh hƣởng pH dung dịch nƣớc đến khả hấp thụ nƣớc vật liệu 110 3 Ảnh hƣởng lực ion dung dịch đến khả hấp thụ nƣớc vật liệu 113 3.3.4 So sánh khả hấp thụ nƣớc vật liệu copolyme (acrylat – co – acrylamit) nanocompozit với hai loại nano clay khác nhau: MMT biến tính acrylamit nanoclay I28E 117 3 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu copolyme nanocompozit sử dụng nanoclay I28E 117 3 So sánh khả hấp thụ nƣớc hai loại copolyme nanocompozit 120 3 Khả tái sử dụng hai loại vật liệu siêu hấp thụ nƣớc 121 3 4 Độ bền nhiệt hai loại vật liệu siêu hấp thụ nƣớc sử dụng hai loại nanoclay khác 124 3.4 Nghiên cứu khả hấp phụ số ion kim loại nặng vật liệu copolyme (acrylat – co – acrylamit) nanocompozit 128 3.4.1 Ảnh hƣởng hàm lƣợng nanoclay đến khả hấp phụ kim loại vật liệu 128 3.4.2 Ảnh hƣởng loại nanoclay đƣợc sử dụng đến khả hấp phụ ion kim loại polyme nanocompozit TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 131 3.4.3 Sự hấp phụ đẳng nhiệt 133 3.4.4 Ảnh hƣởng pH đến khả hấp phụ ion kim loại 139 3.4.5 Động học trình hấp phụ ion kim loại 141 KẾT LUẬN CHUNG 144 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN Á N ĐÃ ĐƢỢC CÔNG BỐ 146 TÀI LIỆU THAM KHẢ O 147 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHƢ̃ VIẾT TẮT CVD : Phƣơng pháp lắ ng đo ̣ng hóa ho ̣c NC : Nanocompozit MMT : Montmorillonit TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua SEM : Kính hiển vi điện tử quét LCP : Polyme tinh thể lỏng SAP : Polyme siêu hấ p thu ̣ nƣớc USDA : Bô ̣ Nông Nghiê ̣p Hoa Kỳ SNAP : Polyme siêu hấ p thu ̣ nƣớc an toàn có nguồ n gố c tƣ̣ nhiên SPH : Hydrogel siêu xố p Qm : Độ hấp phụ ion kim loại Qw : Độ hấp thụ nƣớc AAS : Phổ hấ p thu ̣ nguyên tƣ̉ TGA : Phân tích nhiê ̣t khố i lƣơ ̣ng DSC : Phƣơng pháp quét nhiê ̣t vi phân FTIR : Phổ hồ ng ngoa ̣i Fourier MS : Phổ khố i DTA : Phân tić h nhiê ̣t vi sai AM : Acrylamit AA : Acrylat NIPA : N-isopropylacrylamit NMBA : N,N’-metylenbisacrylamit i TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com I28E : Nanoclay I28E hañ g Nanocor của Hoa Kỳ sản xuấ t MMT-AM : Montmorillonit đƣơ ̣c biế n tính bằ ng acrylamit PAAM : Poly(acrylat – co – acrylamit) PAAM2 : Poly(acrylat – co – acrylamit) nanocompozit chƣ́a 2% nanoclay I : Lƣ̣c ion của dung dich ̣ ii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các loại khoáng sét thành phần cấu tạo chủ yếu Bảng 1.2 Thành phần hóa học Bentonit Tuy Phong - Bình Thuận [2] 10 Bảng 1.3 Một số hợp chất hữu thƣờng đƣợc sử dụng để biến tính MMT 11 Bảng 1.4 Một số tính chất vật lý polyacrylamit khơng ion hố 21 Bảng 1.5 Độ tan poly (axit acrylic) số dung môi 24 Bảng 1.6 Các phƣơng pháp loại ion kim loại nặng khỏi nƣớc thải với ƣu, nhƣợc điểm phƣơng pháp 34 Bảng 3.1 Điều kiện thí nghiệm hữu hố MMT 52 Bảng 3.2 Khoảng cách d lớp clay với tỷ lệ acrylamit/nanoclay thay đổi 58 Bảng 3.3 Khoảng cách d lớp clay với tỷ lệ NIPA/nanoclay thay đổi 59 Bảng 3.4 Khoảng cách d lớp clay với tỷ lệ NMBA/nanoclay thay đổi 59 Bảng 3.5 Khoảng cách d lớp clay đƣợc chèn acrylamit nhiệt độ khác 60 Bảng 3.6 Khoảng cách d lớp clay đƣợc chèn NIPA nhiệt độ khác 60 Bảng 3.7 Khoảng cách d lớp clay đƣợc chèn NMBA nhiệt độ khác 60 Bảng 3.8 Khoảng cách d lớp nanoclay đƣợc chèn acrylamit, NMBA NIPA giá trị pH khác 61 Bảng 3.9 Điều kiện thực thí nghiệm phản ứng chế tạo vật liệu polyme nanocompozit 67 Bảng 3.10 Tính chất lý màng phủ polyme nanocompozit 75 Bảng 3.11 Tính chất lý màng phủ polyme nanocompozit sử dụng nanoclay I28E 77 Bảng 3.12 Tần số dao động đặc trƣng loại nhóm chức hữu vô hai mẫu vật liệu poly (acrylat-co-acrylamit) (PAAM) poly (acrylat-coacrylamit) nanocompozit chứa 2% nanoclay đƣợc biến tính (PAAM2) 98 iii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau NN-20% 800 700 600 d=16.064 400 d=40.373 300 d=4.475 Lin (Cps) 500 200 100 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2-Theta - Scale File: Mien K52A mau NN-20%.raw - Type: Locked Coupled - Start: 1.000 ° - End: 20.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.8 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 1.000 ° - Theta: 0.500 ° - Chi: Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 20% NMBA 30oC pH = 176 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 20 Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 25% NMBA 30oC pH = 177 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Mau 0,2g acryamit-40C 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1200 1100 1000 900 d=15.344 800 700 600 500 400 d=7.173 300 d=4.466 d=38.845 Lin (Counts) 1300 200 100 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2-Theta - Scale File: Anh-K48A-mau 0,2g acryamit-40C.raw - Type: Locked Coupled - Start: 1.000 ° - End: 20.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 10 s - 2-Theta: 1.000 ° - Theta: 0.50 Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 15% acrylamit 40oC pH = 178 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 20 Mau chen 1000 900 d=15.133 800 700 500 d=3.034 400 d=3.320 200 d=3.565 300 d=7.272 Lin (Cps) 600 100 10 20 2-Theta - Scale File: Cong K51A mau chen.raw - Type: Locked Coupled - Start: 1.000 ° - End: 30.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 0.8 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 1.000 ° - Theta: 0.500 ° - Chi: 0.0 Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 15% acrylamit 50oC pH = 179 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 30 Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 15% acrylamit 60oC pH = 180 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 15% NIPA 40oC pH = 181 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 15% NIPA 50oC pH = 182 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 15% NIPA 60oC pH = 183 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 15% NMBA 40oC pH = 184 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 15% NMBA 50oC pH = 185 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 15% NMBA 60oC pH = 186 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 15% acrylamit 30oC pH = 187 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 15% NIPA 30oC pH = 188 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 15% NIPA 30oC pH = 189 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Giản đồ nhiễu xạ tia X MMT đƣợc biến tính 15% NMBA 30oC pH = 190 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ... NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME NANOCOMPOZIT TRÊN NỀN CHẤT ĐỒNG TRÙNG HỢP ACRYLIC VÀ NANOCLAY BIẾN TÍNH Chun ngành: Hố lí thuyết Hố lí Mã số: 62 44 31 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC... phƣơng pháp trùng hợp chỗ có mặt nanoclay biến tính 42 2 Chế tạo vật liệu poly styren nanocompozit 42 2 2 Chế tạo vật liệu poly metylmetacrylat nanocompozit 43 2.2.3 Chế tạo vật liệu poly(acrylat-co-acrylamit)/... Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu polyme nanocompozit 14 1.3.5 Tính chất vật liệu polyme nanocompozit 16 1.3.6 Các polyme thông dụng sử dụng làm vật liệu polyme nanocompozit với nanoclay dạng lớp