Nghiên cứu chế tạo clay nanocomposit từ khoáng sét Bình Thuận, polyacrylamit và việc ứng dụng nó trong lĩnh vực màng phủ

Luận Văn: Nghiên cứu chế tạo clay nanocomposit từ khoáng sét Bình Thuận, polyacrylamit và việc ứng dụng nó trong lĩnh vực màng phủ

Khóa luận tốt nghiệp được hoàn thành tại phòng thí nghiệmHóa học các hợp chất cao phân tử dưới sự hướng dẫn, giúp đỡ củacác thầy giáo, các cô giáo và các bạn.

Em xin chân thành cảm ơn GS.TS Ngô Duy Cường, PGS.TSPhan Văn Ninh đã giao đề tài và tận tình giúp đỡ tạo mọi điều kiệnthuận lợi nhất để em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp của mình.Em xin cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong bộ môn Hóa Lý,cảm ơn các bạn trong phòng Hóa học các hợp chất cao phân tử đãgiúp đỡ trong suốt thời gian học tập nghiên cứu thực hiện đề tàikhóa luận

Hà nội, tháng 6 năm 2008Sinh viên

Tài Thị Thanh

1.1 Nano clay hữu cơ 3

1.1.1 Giới thiệu chung về khoáng sét 3

1.1.2 Giới thiệu về montmorillonit 5

1.1.3 Các phương pháp nghiên cứu tính chất đặc trưng của bentonit 8

1.1.4 Chế tạo nano clay hữu cơ 10

1.1.4.1.Quá trình biến tính hữu cơ khoáng sét 11

1.1.4.2 Chế tạo vật liệu nano clay hữu cơ 12

1.1.5 Ứng dụng clay hữu cơ trong vật liệu composit 13

1.1.5.1 Vật liệu composit 13

1.1.5.2 Polyme clay nanocomposit 15

1.2 Giới thiệu về khoáng sét Bình Thuận 17

1.3 Trùng hợp acrylamit trong nanoclay 19

2.3.2 Chế tạo clay hữu cơ 23

2.3.3 Chế tạo màng phủ clay nanocomposit 25

2.4 Các phương pháp xác định và phân tích 26

2.4.1 Phương pháp xác định độ bền va đập 26

2.4.2 Phương pháp xác định độ bền uốn dẻo 26

2.4.3 Phương pháp xác định độ bền bám dính 26

2.4.4 Phương pháp xác định độ bền cào xước 27

2.4.5 Phương pháp phân tích bằng nhiễu xạ tia X (XRD) 27Khóa luận tốt nghiệp - 2008 1

* 28

CHƯƠNG 3 29

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 Xác định khoảng cách giữa các lớp của bentonit Bình Thuận đã tinh chế 29

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acrylamit 30

3.3 Khảo sát phản ứng trùng hợp acrylamit ken giữa 32

3.4 Chế tạo vật liệu màng phủ 35

KẾT QUẢTÀI LIỆU THAM KHẢO 39

Khóa luận tốt nghiệp - 2008 2

MỞ ĐẦU

Công nghệ nano là một trong số những công nghệ mới nhưng đã có những bướcphát triển vượt bậc bởi rất nhiều thành tựu, hiệu quả và những ứng dụng to lớn mànó đem lại Clay polyme nanocomposite là phát minh tạo ra những biến đổi mạnhmẽ trong hàng loạt các tính chất của polyme chỉ với một hàm lượng rất nhỏ clay.Trong clay polyme nanocomposite các cấu trúclớp clay được phân tán một cáchriêng rẽ, nhờ đó mà các lớp clay có tác dụng rất hiệu quả làm tăng cường các tínhchất của polyme Số lượng các lớp clay lên đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìntrong mỗi hạt clay Vì vậy, qua nhiều nghiên cứu người ta thấy rằng chỉ với nồng độdưới 5% (nano clay) thì tính năng cơ lí của vật liệu tăng lên đáng kể như: mođunđàn hồi, tính chống cháy, chịu được mài mòn cao, tăng cường bảo vệ và chống ănmòn.

Polyacrylamit là loại polyme phân cực tốt nên dễ dàng bị hòa tan trong dungmôi nước Qua chế tạo và gia công màng phủ polyacrylamit, mặc dù màng phủ nàycó tính năng cơ lí không cao, dễ bị phân hủy khi tiếp xúc với môi trường nước,…Nhưng lại có ưu điểm: hòa tan trong dung môi nước là loại dung môi phổ biến,không gây ô nhiễm môi trường, tiết kiệm được chi phí trong quá trình chế tạo Đểkhắc phục nhược điểm này của màng phủ nhằm nâng cao tính năng cơ lí của vậtliệu người ta ứng dụng vào đó công nghệ nano Vì thế, chúng tôi đã chế tạo màngphủ acrylamit với sự gia cường bằng các hạt nano clay biến tính acrylamit.

Đề tài “Nghiên cứu chế tạo clay nanocomposit từ khoáng sét Bình Thuận,polyacrylamit và việc ứng dụng nó trong lĩnh vực màng phủ” trên cơ sở sử dụngcông nghệ trùng hợp ken giữa các lớp clay Đây là một đề tài mới, nghiên cứu theohướng công nghệ nano và vật liệu nanocomposit.

Khóa luận tốt nghiệp - 2008 3

Khóa luận tốt nghiệp - 2008 4

Khóa luận tốt nghiệp - 2008 5

Tên khoáng sét Thành phần cấu tạo chủ yếuMontmorillonit (bentonit) Si, Al, Mg2+, Fe2+

1 Cấu trúc tứ diện của silic (hình 1.1)

2 Cấu trúc bát diện của ôxít nhôm (hình 1.2)

Trên cơ sở sự sắp xếp của các đơn vị cấu trúc sét được phân thành các loại sau :2 Sét có cấu trúc 1 :1 như cấu trúc của tinh thể kaolinit, đây là sự sắpxếp theo trật tự kế tiếp liên tục của lớp tứ diện.

3 Sét có cấu trúc 2 :1 điển hình là bentonit và vermiculit Cấu trúc nàycó dạng kẹp giữa hai lớp tứ diện ôxít silic là lớp bát diện ôxít nhôm (hydroxyt).(hình 1.3)

Khóa luận tốt nghiệp - 2008 Oxi

Ion Si (Al) Cation Me: Al, (Mg)

Oxi6

Hình 1.1: Cấu trúc tứ diện SiO2 Hình 1.2: Cấu trúc bát diện MeO6

Một số tính chất của clay Tính trương nở

Do sự có mặt của nước liên kết nằm ở giữa khoảng không gian giữa các lớplàm khoảng cách cơ sở của sét tăng đáng kể Hiện tượng này gọi là hiện tượngtrương nở tinh thể hay trương nở giai đoạn một, trong đó cấu trúc hình thái củamạng không thay đổi Sự có mặt của các cation hóa trị +1 dẫn đến khoảng cách nàytăng đột biến và trong trường hợp này, khả năng khuếch tán trương nở trong nướccủa MMT là tốt nhất Số hiệu diện tích bề mặt của MMT rất khác nhau Ví dụ, đo ởtrạng thái khô chỉ là vài chục m2/g nhưng nếu đo ở trạng thái trương nở thì có thểlên đến 700 – 800 m2/g.

Tính trương nở của mỗi loại khoáng sét là khác nhau phụ thuộc nhiều yếu tố.- Phụ thuộc vào bản chất và nồng độ các cation ở lớp cấu trúc Mỗi cation bịhydrat hóa bởi 3 đến 6 phân tử nước, do vậy lượng nước hấp phụ vào giữa các lớplà khác nhau Nồng độ cation thấp thì điện tích của lớp thấp và sự trương nở kém.

- Phụ thuộc độ bền liên kết giữa hai lớp sét: nếu độ bền kém, lượng nướcnhiều làm sự trương nở lớn dẫn đến phá vỡ cấu trúc sét.

Tính hấp phụ

Sau khi hoạt hóa, trên bề mặt lớp sét luôn xuất hiện các tâm axit Bronsted vàtâm Lewis, chính những tâm này là nơi xảy ra các phản ứng và là nơi có khả nănghấp phụ các chất phân cực hay các chất hữu cơ.

Tính trao đổi ion

Sự trao đổi ion của sét với ion dung dịch bên ngoài chủ yếu xảy ra giữa cáclớp cấu trúc Sự trao đổi ion được thực hiện hoàn toàn khi phân tán sét trong dungdịch muối có nồng độ thích hợp.

Khả năng trao đổi ion do các nguyên nhân Sự xuất hiện điện tích âm trongmạng lưới cấu trúc được bù trừ bởi các cation trao đổi Dung lượng trao đổi ion phụthuộc vào số điện tích âm trên bề mặt Lượng anion càng lớn thì trao đổi càng lớn.Mặt khác, trong tinh thể sét tồn tại các nhóm -OH và nguyên tử H trong nhóm nàycũng tham gia trao đổi ion ở điều kiện nhất định [1]

Khóa luận tốt nghiệp - 2008 7

Khả năng trao đổi ion của sét phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của cáccation trao đổi Các cation có hóa trị nhỏ dễ trao đổi hơn với các cation có hóa trịlớn theo thứ tự: M+ > M2+ > M3+ Đối với các cation có cùng hóa trị, bán kính càngnhỏ khả năng trao đổi ion càng lớn Khả năng trao đổi theo thứ tự: Li+ > Na+ > K+ >Mg2+ > Ca2+ > Fe2+ > Al3+ Trong các loại khoáng sét thì Montmorillonit khả năngtrao đổi ion là lớn nhất.

1.1.2 Giới thiệu về Montmorillonit

Montmorillonit (MMT) là thành phần chính của sét bentonit (60-70%) Côngthức hóa học tổng quát Al2Si4O10(OH)2 Ngoài ra, vì bentonit tồn tại ở trạng tháikhoáng sét tự nhiên nên trong thành phần khoáng sét bentonit chứa nhiều loạikhoáng sét khác như: saponit - Al2O3[MgO]4SiO2.nH2O, beidelit –Al2O3.3SiO2.nH2O, kaolin, mica, biolit… và các muối, các chất hữu cơ Vì vậy,bentonit được gọi theo tên khoáng vật chính là montmorillonit (MMT) Thành phầnhóa học và độ tinh khiết ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của nó.[10]

Bentonit thuộc loại sét có cấu trúc 2:1, tinh thể MMT có cấu trúc gồm haimạng lưới tứ diện liên kết với mạng lưới bát diện ở giữa tạo lên một lớp cấu trúc(hình 1.4)

Hình 1.3 cấu trúc mạng tinh thể montmorillonit Na1/3(Al5/3Mg1/3)Si4O10(OH)2.[4][11]

Các lớp được liên kết với nhau qua cầu nguyên tử oxi Sự thay thế đồng hìnhKhóa luận tốt nghiệp - 2008 8

của các ion kim loại Fe3+, Fe2+, Mg2+, Al3+ với Si4+ trong tứ diện SiO4 và Al3+ trongbát diện AlO6 nên thành phần của MMT luôn khác so với lí thuyết Cấu trúc lớp củaMMT được trình bày trên hình 1.4

Lớp bát diện mang điện tích âm, khi nguyên tử nhôm bị thay thế bởi nguyêntử hóa trị thấp như magie, sắt và tương tự lớp tứ diện mang điện tích âm khi nguyêntử silic bị thay thế bởi nguyên tử nhôm Điện tích âm của mạng được trung hòa bởicác ion dương có độ linh động cao không có vị trí cố định như Na+, K+

, Li+ trongvùng không gian giữa các lớp Các ion này có thể chuyển động tự do giữa các mặtphẳng tích điện âm và ta có thể biến tính MMT bằng các phản ứng trao đổi ion.MMT có khả năng trao đổi ion với môi trường tiếp xúc, đây là đặc trưng cơ bản củachúng Sự trao đổi diễn ra trong mạng tinh thể khoáng sét, các cation Si4+ và Al3+ dễbị thay thế bởi các cation hóa trị thấp Ngoài ra, nhóm -OH trong mạng cấu trúc cónguyên tử H rất linh động có khả năng trao đổi với các cation trong mạng và vớibên ngoài.

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

Lớp bát diện

Lớp tứ diện

9

Trong khoáng MMT các ion Na+, K+, Li+ có thể trao đổi với các ion ngoài dung dịchvới dung lượng trao đổi khác nhau tùy thuộc vào mức độ thay thế đồng hình trongmạng, lượng trao đổi ion trong mạng dao động trong khoảng 70 – 150 mdl/100g.Quá trình trương nở và qúa trình xâm nhập của những cation khác vào không giangiữa hai lớp MMT làm dãn khoảng cách cơ sở (từ mặt phẳng oxi của lớp oxit silicđến lớp tiếp theo) từ 9,6A0 đến vài chục A0 tùy thuộc vào loại cation thế [1]

1.1.3 Các phương pháp nghiên cứu tính chất đặc trưng của bentonit

Những đặc tính cơ bản của bentonit được nghiên cứu qua các thông số : Kíchthước hạt và sự phân bố cỡ hạt, thành phần hóa học, tính chất nhiệt, cấu trúc tinhthể, diện tích bề mặt, khả năng trao đổi ion

Thành phần hóa học của bentonit

Mẫu bentonit được sấy khô ở 100 0C trong nhiều giờ, thành phần hóa họcđược phân tích theo các phương pháp thông dụng Kết quả như sau.

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của bentonit[1]

Khóa luận tốt nghiệp - 2008 10

thể do sự thay thế đồng hình Do có sự đứt gãy ở viền ngoài của tinh thể và sự cómặt nhóm –OH nên giá trị CEC thực tế cao hơn 10% Ví dụ, kết quả xác định kíchthước hạt bentonit Bình Thuận được phân tích trên thiết bị Mastersizer MicroplusVer 2.17 (Đại học quốc gia Hà nội) vùng khảo sát từ 0,05 – 555,7 μm, kích thướcm, kích thướchạt có xác suất cao nhất là 7-8 μm, kích thướcm tập trung trong vùng 1-90 μm, kích thướcm chiếm trên 90%,diện tích bề ngoài sét là 2,25 m2/g.

Xác định độ trương nở trong nước

Độ trương nở của bentonit được tính theo công thức

V0 : thể tích ban đầu của bentonit thí nghiệmV : thể tích trương nở trong nước

Nếu thế hoàn toàn M2+ bằng Na+ khả năng trương nở có thể lên tới 8 lần.

Phân tích rơnghen

Cấu trúc tinh thể của sét được xác định bằng cấu trúc Rơnghen Trên giản đồRơnghen pic đặc trưng cho sét ở góc quét 2θ = 60 cho khoảng cách d001 Giá trị nàycho ta biết khả năng tiến hành đưa các hữu cơ polyme vào khoảng giữa hai lớp.

Bảng 1.3 Khoảng cách d001 của một số hãng trên thế giới[1].

Mỗi mẫu khoáng sét có độ phân hủy nhiệt riêng Khi nung nóng, khoáng sétthường thay đổi cấu trúc và tính chất hóa lí Những biến đổi này kèm theo sự thayđổi thu hoặc tỏa nhiệt Dựa vào hiệu ứng nhiệt ta có thể xác định hàm lượng nướcliên kết và nước cấu trúc cũng như sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể.

Dung lượng trao đổi ion

Khóa luận tốt nghiệp - 2008 11

Điện tích bề mặt là tính chất quan trọng của vật liệu bentonit Điện tích lớpcó ảnh hưởng tới dung lượng trao đổi ion, độ hấp thụ nước và các phân tử hữu cơphân cực khác Giá trị điện tích lớp rất quan trọng đối với tính chất của loại sét cấutrúc 2 :1 bentonit Điện tích lớp phụ thuộc vào điện tích các đơn vị [O20(OH)4] vàtổng điện tích của các tứ diện và bát diện Dung lượng trao đổi cation (CEC) khôngchỉ phụ thuộc vào giá trị điện tích lớp mà còn phụ thuộc vào độ pH của môi trường.Nếu ta biết khối lượng phân tử M và giá trị điện tích lớp của vật liệu bentonit thìdung lượng trao đổi cation được tính bằng phương trình.

CEC (cmol/kg) = 105 ξ/Mξ: điện tích tổng các lớp

Xác định điện tích lớp: Dung lượng trao đổi ion của bentonit được xác địnhtheo phương pháp sau.

- Sử dụng ion Ba2+ (BaCl2) trao đổi với các ion trong MMT.- Dùng axít H2SO4 (ion H+) trao đổi Ba-MMT.

- Dung lượng trao đổi ion tính qua độ suy giảm của axít trong dung dịch.Bảng 1.4 Điện tích của một số vật liệu phylosilicat 2 :1

Vật liệu Điện tích mỗi bánô mạng [O10(OH)2]

Khối lượngM trung bình

Dung lượng trao đổication mgdl/100g

Nghiên cứu hình thái học

Nghiên cứu hình thái học của sét bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) SEMcho ta thấy cấu trúc bề mặt của sét ở dụng trương nở có khoảng cách dãn rộng còn ởtrạng thái khô có dạng vảy, phoi bào (hình 1.8)

Khóa luận tốt nghiệp - 2008 12

Hình 1.5 Ảnh SEM bền mặt bentonit dạng trương nở [4]

1.1.4 Chế tạo nano clay hữu cơ

Khoáng sét có rất nhiều ứng dụng thực tiễn dựa trên cơ sở việc biến tính bềmặt của sét rất dễ dàng Gần đây các nhà khoa học đã sử dụng khoáng sét với thànhphần chính là Montmorillonit để làm vật liệu gốc chế tạo vật liệu nanocomposit hữucơ lai vô cơ Có nhiều cách cải biến khoáng sét bentonit 2 :1 trong đó bao gồm cảibiến làm tăng tính chất của khoáng sét như :

- Sự hấp thụ bề mặt.

- Trao đổi ion với các cation vô cơ và những tổ hợp hữu cơ.- Trao đổi ion với các cation hữu cơ.

- Liên kết anion vô cơ với hữu cơ.

- Ghép các hợp chất lai hữu cơ lại với nhau.- Phản ứng với các axít.

- Polyme hóa các lớp với polyme hóa nội hạt.

1.1.4.1.Quá trình biến tính hữu cơ khoáng sét

Biến tính clay là chuyển các clay từ dạng ưa nước sang ưa hữu cơ với nhữnggốc thế hữu cơ khác nhau và có khả năng trương nở trong dung môi hữu cơ, khuếchtán và tương hợp tốt trong các polyme thông qua quá trình hòa tan trong dung môihữu cơ hoặc quá trình nóng chảy

Bảng 1.5 Một số chất hữu cơ làm tác nhân ưa dầu hoá khoáng sét

Octadecyl (hoặc Stearyl) amine

-50-313304657HOOC (CH2)5 NH2

HOOC (CH2)11 NH2

Axit 6- Aminohexanoic

Axit 12- Aminododecanoic 205186(CH3)4 N +Cl -

CH3 (CH2)17 NH (CH3)CH3 (CH2)17 N + (CH3)3 Br -

Dimethyl benzyl octadecyl amoniumbromide

bis (2-hydroxyethyl) methyl octadecylamonium chloride

1- Hexadecylpyridium bromide

Hình 1.6 mô hình hữu cơ hóa khoáng sét

Trong dung dịch nước phản ứng hữu cơ hóa khoáng sét phụ thuộc nhiều vàoquá trình trương nở của MMT Quá trình này có thể chia làm ba giai đoạn.

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

Nhóm đầu R

14

- Giai đoạn 1: khoảng cách giữa các lớp sét tăng 1  2,2A0, nguyên nhân dohiện tượng hidrat hóa các ion dương Na+, K+.

- Giai đoạn 2: MMT chứa các ion (+) hóa trị 1 tiếp tục trương nở hình thànhlực phát tán trên bề mặt do hình thành lớp điện tích kép Lực này lớn hơn lực Vander Walls dẫn tới tách li các lớp MMT Lực liên kết chính là lực phần dưới lớp trênvới mặt trên lớp dưới, trạng thái này hình thành như dạng paste hoặc gel Khi lượngnước càng tăng thì liên kết bề mặt “dưới” – “trên” các lớp yếu đi dẫn tới trạng tháitách li Phản ứng hữu cơ hóa MMT được thực hiện ở giai đoạn này bằng phản ứngtrao đổi ion: MMT-Na+ + R4-N+X-  MMT-N+R4 + Na+X-.

Phản ứng này chỉ xảy ra với khoáng sét có cấu trúc 2:1, đặc biệtMontmorillonite (MMT) và Vermeculite có dung lượng trao đổi ion lớn nhất tươngđương 80-100 meq/100g và 100-150meq/100g

1.1.4.2 Chế tạo vật liệu nano clay hữu cơ

Vật liệu nano MMT- hữu cơ hay nano clay hữu cơ được chế tạo dựa vào cơchế phản ứng trao đổi ion, giữa cation hữu cơ amoni với ion kim loại Na+ hoặc K+

tồn tại trong lớp giữa cấu trúc MMT Tác nhân để chế tạo nano clay hữu cơ được sửdụng chủ yếu là alkylamoni với bậc thế có thể là bậc 1, bậc 2, bậc 3.

Ion alkylamoni có thể trao đổi hoàn toàn với các cation có trên bề mặt CnH2n+1N+H3Cl- + MMT-Na+  MMT-N+H3CnH2n+1 + NaCl

(MMT-N+H3CnH2n+1: Sét hữu cơ)

Khả năng trao đổi phụ thuộc: điện tích và kích thước của các phân tử amin.Với nhóm alkyl có kích thước càng dài càng đẩy xa khoảng cách, cấu tạo gốc Rcàng cồng kềnh thì khả năng trao đổi càng khó, mặt khác R như nhau khoảng cáchhai lớp MMT tăng lên theo bậc của amoni.

Công nghệ chế tạo nano clay hữu cơ được tiến hành theo sơ đồ sau [12]:

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

Clay bộtKhuếch tán trong nước

Khuấy trộn (clay dạng huyền phù)

Trao đổiion

RửaLọcSấy khôThành phẩmNước

Dung dịch alkyl

15

Hình 1.7 Sơ đồ công nghệ chế tạo vật liệu nano clay hữu cơ.

1.1.5 Ứng dụng clay hữu cơ trong vật liệu composit1.1.5.1 Vật liệu composit

Vật liệu composit là vật liệu được tổ hợp từ hai hay nhiều cấu tử có bản chấtkhác nhau tạo thành vật liệu có tính chất và đặc tính đặc biệt nổi trội hơn mà từngcấu tử riêng không có được [5] [6].

Vật liệu composit là loại vật liệu đồng nhất trong một thể tích lớn, bằng cáchhợp nhất các thể tích nhỏ của các vật liệu khác nhau về bản chất, do đó vật liệucomposit là một hệ thống gồm hai hay nhiều pha.

Đặc tính chung của vật liệu composit

Vật liệu composit gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một phaliên tục Nhờ sự can thiệp của kĩ thuật và công nghệ, chúng được kết hợp với nhautheo một thiết kế trước nhằm tận dụng và phát triển những tính chất ưu việt của cácpha trong vật liệu composit cần chế tạo.

Vật liệu composit gồm nhiều pha gián đoạn gọi là composit hỗn tạp Pha giánđoạn thường có cơ lí tính trội hơn, do đó trong vật liệu composit thông thường baogồm các pha sau:

1 Pha liên tục gọi là nền.

1 Pha gián đoạn gọi là vật liệu gia cường.

Cơ lí tính của vật liệu composit phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: cơ lí tínhcủa vật liệu thành phần, sự phân bố hình học của vật liệu gia cường, diện tích và sựliên kết giữa bề mặt các pha,

Vật liệu composit được xây dựng bởi hai thành phần cơ bản: vật liệu nền(các polyme) và vật liệu gia cường (còn gọi là chất độn), ngoài ra còn một số loạiphụ gia (chất màu, chất tăng cường đặc biệt, các chất thuộc hệ đóng rắn polyme).Các tính chất ưu việt mà vật liệu composit đạt được phụ thuộc chủ yếu vào cấu tạo

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

16

hóa học, trạng thái cấu trúc và hình thái phân bố của các chất độn trong chất nền,khả năng tương tác qua lại giữa chúng và điều kiện công nghệ gia công

Vật liệu nền là một chất kết dính và là một pha liên tục Vật liệu nền đóngvai trò chuyển ứng suất tập trung cho chất độn khi chất độn có tính chất cơ lí caohơn nhựa (polyme) Bản chất của nền polyme có ảnh hưởng lớn tới quá trình bámdính lên bề mặt của chất độn (sự tương tác giữa các pha), do đó ảnh hưởng đến tínhchất của vật liệu Tiêu chuẩn của nền polyme làm chất kết dính cho vật liệucomposit là:

- Có khả năng thấm ướt toàn bộ bề mặt vật liệu độn để tạo sự tiếp xúc cũngnhư diện tích tiếp xúc tối đa.

- Có khả năng tăng độ nhớt hoặc hóa rắn trong quá trình kết dính.

- Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảyra do co ngót thể tích khi đóng rắn.

Vật liệu gia cường là một pha không liên tục đóng vai trò làm tăng độ bền vàmodun đàn hồi cho vật liệu composit Vật liệu gia cường ảnh hưởng đến tính chấtvà khả năng gia công vật liệu composit do: cấu trúc và hình dạng ban đầu, hàmlượng và phân bố kích thước hạt, khả năng tương tác và độ bền liên kết giữa bề mặtcác hạt với chất kết dính (nhựa) Vật liệu gia cường làm thay đổi tính chất cơ bảncủa vật liệu gọi là vật liệu gia cường hoạt tính còn gọi là chất độn trơ Chất độn trơcó khả năng làm tăng độ bền của vật liệu gọi là cốt tăng cường Sự liên kết giữa cốttăng cường và nền polyme quyết định bởi tính chất hóa học của polyme và đặctrưng bề mặt của cốt và nền polyme.

Chất lượng của vật liệu gia cường được đánh giá dựa trên các đặc điểm:- Có khả năng tăng cường độ bền cơ học, phân tán vào nhựa tốt.

- Bền hóa chất, môi trường, bền nhiệt và có khả năng truyền nhiệt.- Thuận lợi cho quá trình gia công, nhẹ, giá thành hạ và phổ biến.Các loại vật liệu gia cường dạng sợi thường sử dụng:

- Sợi hữu cơ: sợi tự nhiên (bông, đay, gai, len) và sợi tổng hợp (sợi polyeste,polyamit, polyacrylonitrin)

- Sợi vô cơ: sợi thủy tinh, sợi amiăng, sợi thạch anh, sợi cacbon và một sốloại oxit kim loại thường dùng cho hệ nhiệt rắn làm tăng một số tính chất của vậtliệu như tăng độ bền nhiệt.

Khóa luận tốt nghiệp - 2008 17

1.1.5.2 Polyme clay nanocomposit

Khái quát về vật liệu polyme clay nanocomposit

Từ những năm cuối của thế kỉ trước, các nhà khoa học đã tiến hành cho cácmonome tấn công trực tiếp vào giữa các lớp MMT- biến tính hữu cơ, chế tạo vậtliệu nanocomposit Vật liệu nanocomposit trở thành vật liệu kĩ thuật cao được ứngdụng sớm nhất trong công nghệ nano kể từ những phát minh về hệ thống vật liệunanocomposit Vật liệu nanocomposit xuất phát từ sự cấu thành tương hợp của haihoặc nhiều loại hạt kích thước nano với polyme.

Sự phát minh clay nanocomposit đã tạo ra một biến đổi mạnh mẽ trong hàngloạt các tính chất của polyme chỉ với hàm lượng rất nhỏ clay Trong clay polymenanocomposit các cấu trúc lớp clay được phân tán riêng rẽ, do đó các lớp clay có tácdụng rất hiệu quả làm tăng các tính chất của polyme Mỗi hạt clay có số lượng cáclớp clay đến hàng trăm, hàng nghìn Vì vậy, chỉ với nồng độ dưới 5% mà hàng loạttính chất cơ lí của vật liệu tăng lên đáng kể như: modun đàn hồi, tính chống cháy,khả năng chịu mài mòn, bảo vệ chống ăn mòn [5] [6] [7]

Các loại polyme trong polyme clay nanocomposit ứng dụng trong lớp phủbảo vệ là các polyme nhiệt dẻo, có trọng lượng phân tử tương đối thấp như:polyeste, polyarcrylic, polyuretan, epoxy

Lớp phủ clay nanocomposit có các tính ưu việt như:- Có tính che chắn, bảo vệ chống ăn mòn cao.- Khả năng chống xước, chịu mài mòn.

- Có độ thấm oxi và hơi nước thấp.

- Có tính chất cơ lí, độ bền cao và có khả năng chống cháy tốt.

Công nghệ chế tạo vật liệu polyme clay nanocomposit.

Khác với công nghệ chế tạo vật liệu composit thông thường, công nghệ chếtạo vật liệu nanocomposit chế tạo được composit có chất gia cường phân tán đềuvới kích thước dưới 1m đến cỡ nanomet Với đặc điểm phân tán và kích thước đódẫn đến vật liệu nanocomposit có nhiều đặc tính mà vật liệu composit thông thườngkhông có được như: độ bền cơ học, độ trong suốt, khả năng chịu nhiệt, không táchpha.

Công nghệ chế tạo vật liệu nanocomposit hệ khoáng sét phân tán trong

Khóa luận tốt nghiệp - 2008 18

polyme bao gồm:

* Lựa chọn khoáng sét bentonite mà thành phần chính là Montmorillonite(MMT)

* Biến tính hữu cơ khoáng sét để thu được MMT-hữu cơ.

* Khuếch tán các phần tử MMT vào polyme bằng các phương pháp:

- Phương pháp dung dịch: Polyme nền được hòa tan trong dung môihữu cơ Khuếch tán MMT-hữu cơ vào dung dịch polyme Dung môi xâm nhập vàocác lớp MMT-hữu cơ

- Phương pháp trộn hợp: khuếch tán trực tiếp MMT-hữu cơ trongdung dịch polyme nóng chảy Đây là phương pháp áp dụng chủ yếu cho nhữngpolyme nhiệt dẻo và phải dùng máy trộn siêu tần Với phương pháp này, đầu tiênMMT được hữu cơ hóa, sau đó đưa tiếp chất đóng rắn sẽ thu được vật liệunanocomposit dạng nhiệt rắn.

- Phương pháp trùng hợp: Đây là phương pháp thu được vật liệunanocomposit nhờ phản ứng trùng hợp tạo polyme được tiến hành ngay trong cáclớp aluminosilicat của khoáng sét Đầu tiên, đưa monome có điện tích dương vàotrong các lớp MMT Tiến hành trùng hợp xen kẽ trong các lớp MMT Phương phápnày chỉ trùng hợp cation, sự xâm nhập monome đóng vai trò hữu cơ hóa MMT.Phản ứng khơi mào xảy ra qua sự cộng hợp của ion hidro vào monome tiếp theo.Cuối cùng ta nhận được vật liệu polyme nanocomposit với polyme xâm nhập kengiữa hai lớp MMT Tùy theo cách tiến hành có thể tạo ra các kiểu vật liệu khácnhau với trạng thái xen lớp hoặc tách lớp [13].

Khóa luận tốt nghiệp - 2008 19

Hình 1.8 Cấu trúc các dạng clay hữu cơ khác nhau[13]

1.2 Giới thiệu về khoáng sét Bình Thuận

Khoáng sét ở Việt Nam có hai nguồn chính ở Di Linh – Lâm Đồng và ở TuyPhong – Bình Thuận Sét ở Di Linh – Lâm Đồng là sét chứa ion kiềm thổ (Ca2+,Mg2+) độ trương nở thấp Sét ở Tuy Phong – Bình Thuận chứa ion kiềm (Na+, K+)nên có độ trương nở cao hơn và dung lượng trao đổi ion lớn hơn.

Chất lượng của khoáng sét Bình thuận đã được nghiên cứu đánh giá thôngqua một loạt các thông số Hàm lượng Montmorillonit (MMT), độ phân tán, điệntích bề mặt, dung lượng trao đổi ion (CEC)

- Kích thước hạt có xác xuất cao nhất 7-8μm, kích thướcm nằm trong vùng 1-90 μm, kích thướcm chiếmtrên 90% Diện tích bề mặt: 57m2/g, kích thước ngoài 2,25 m2/g, diện tích trongchiếm khoảng 96% diện tích ngoài tương đương 2,16 m2/g

- Độ trương nở của khoáng sét đã tinh chế bằng thí nghiệm đưa 1cm3

bentonit Bình Thuận vào trong ống thí nghiệm Độ trương nở tăng 6 lần Nếu thựchiện thế hoàn toàn ion kim loại kiềm thổ Ca2+ bằng ion Na+ bằng cách dùng nướcmuối NaCl ngâm rửa thì thể tích trương nở tăng gấp 8 lần Độ trương nở n500%.

- Khoảng cách (d001) là 12,57 A0, cao hơn so với một số hãng trên thế giới.- Phân tích nhiệt cho thấy, ở koảng nhiệt độ 90-200 0C xảy ra quá trình táchnước hấp thụ vật lí trong mẫu và giảm đến 10,094% trọng lượng Quá trình đạt cựcđại ở khoảng 1600C Tiếp theo là quá trình mất nước trong cấu trúc tinh thể ở nhiệtđộ 6450C với độ giảm trọng lượng là 5,828%

- Dung lượng trao đổi ion: bentonit Bình Thuận là bentonit kiềm nên cáccation trong nó chủ yếu là Na+, Ca2+, K+ nằm ở khoảng giữa các lớp Ngoài ra, cácnhóm OH trong liên kết Si-OH, Al-OH tùy thuộc vào môi trường pH sẽ tham giavào quá trình trao đổi ion Xác định dung lượng trao đổi ion, PGS.Nguyễn ĐứcNghĩa và cộng sự đã tiến hành đo độ trao đổi ion của bentonit Bình Thuận đã tinhchế ở pH = 7 đến pH = 10 Kết quả đo nhiều loại mẫu cho thấy, ở pH = 7 dunglượng trao đổi ion đạt 96 – 105 mgdl/100g, ở pH = 9 dung lượng trao đổi ion đạt107 – 120mgdl/100g Trong khi đó, dung lượng trao đổi ion trong bentonit của hãngSoutherm Clay Co là 110-115mgdl/100g, của hãng Merck khoảng100-120mgdl/100g [1].

- Hình thái học của bentonit Bình Thuận tinh chế được nghiên cứu bằng kính

Khóa luận tốt nghiệp - 2008 20