Nghiên cứu về bộ ly hợp

Khóa luận tốt nghiệp Mai Thị Thúy MỞ ĐẦU Trong thập niên gần phát triển mạnh mẽ ngành khoa học vật liệu nói chung vật liệu polyme nói riêng đem lại thành tựu to lớn mà cụ thể nhiều loại vật liệu phát minh ứng dụng rộng rãi mặt đời sống Trong số đó, vật liệu polyme compozit ưa nước sở axit acrylic bổ sung thêm lượng nhỏ hạt nano clay chiếm tỷ lệ không nhỏ nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Xuất phát từ ứng dụng polyme siêu hấp thụ nước Polyme compozit có số ứng dụng giống polyme siêu hấp thụ nước sử dụng nhiều lĩnh vực khác như: sản phẩm chăm sóc cá nhân (băng vệ sinh, tã lót ), nơng nghiệp, vật liệu xây dựng, y sinh Ngoài việc bổ sung thêm lượng nhỏ hạt nano clay làm thay đổi tính chất hóa lý so với polyme siêu hấp thụ nước Bởi hạt nanoclay trộn polyme, hạt nano cho tính chất đặc biệt khác với trộn hạt thông thường, làm tăng độ bền ứng suất trì độ dẻo Điều có hạt độn nano làm giảm đáng kể khuyết tật vật liệu so với hạt độn thơng thường Vì khóa luận em chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp polyme compozit siêu hấp thụ nước” Khoa Hóa học, Lớp K33C Đại học Sư Phạm Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Mai Thị Thúy CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vật liệu nanoclay phương pháp chế tạo vật liệu compozit 1.1.1 Hạt độn kích thước nano 1.1.1.1 Các loại hạt độn kích thước nano đặc tính Hạt độn kích thước nano có hình dạng kích thước khác Để đơn giản chia hạt độn thành ba nhóm: - Hạt nano dạng sợi ống có kích thước 5% độ hấp thụ nước giảm tiếp tục tăng hàm lượng clay Do lượng clay lớn tạo nhiều điểm mắt lưới làm tăng mật độ tạo lưới, kết giảm khả hấp thụ nước 3.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ Tiến hành tổng hợp polyme compozit siêu hấp thụ nước với nồng độ monome 15%, hàm lượng APS 1%, mức độ trung hòa axit acrylic 60%, hàm lượng MMT 5%, hàm lượng chất tạo lưới 0,08%, nhiệt độ thay đổi từ 600 Độ hấp thụ nước (g/g) 80 C Kết trình bày hình 700 600 500 400 300 200 100 0 20 40 60 80 100 Nhiệt độ ( C) Hình ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến độ hấp thụ nước Độ hấp thụ nước compozit siêu hấp thụ nước tăng nhiệt độ phản ứng tăng từ 60-70 C giảm nhiệt độ phản ứng tiếp tục tăng Khi nhiệt độ phản ứng giảm, tốc độ trùng hợp giảm làm tăng hiệu tạo lưới Tuy nhiên nhiệt độ phản ứng cao 70 C độ hấp thụ nước giảm Khi tăng nhiệt độ phản ứng tốc độ phản ứng tăng, khối lượng phân tử giảm, hấp thụ nước giảm 3.1.4 Ảnh hưởng hàm lượng chất khơi mào Tiến hành tổng hợp polyme compozit siêu hấp thụ nước với nồng độ monomer 15%, hàm lượng APS thay đổi từ 0.3-1,5%, mức độ trung hòa axit acrylic 60%, hàm lượng MMT 5%, hàm lượng chất tạo lưới 0,08%, nhiệt độ 70 C Kết trình bày hình Độ hấp thụ nước (g/g) 700 600 500 400 300 200 100 0 0.5 1.5 Hàm lượng chất khơi mào (%) Hình ảnh hưởng hàm lượng chất khơi mào đến độ hấp thụ nước Độ hấp thụ nước tăng nồng độ chất khơi mào từ 0,3-1% giảm tiếp tục tăng hàm lượng chất khơi mào Rõ ràng trùng hợp chuỗi tự sử dụng chất khơi mào hóa học, khối lượng phân tử giảm tăng hàm lượng chất khơi mào Cùng với giảm khối lượng phân tử số lượng đầu mạch polymer tăng lượng đầu mạch khơng đóng góp vào hấp thụ nước Đây nguyên nhân giảm hấp thụ nước tăng hàm lượng chất khơi mào Tuy nhiên giảm chất khơi mào đến giá trị tối ưu độ hấp thụ nước giảm Điều giảm số lượng gốc tự tạo thành, mạng lưới không tạo thành cách hiệu dẫn tới hấp thụ nước giảm 3.1.4 Ảnh hưởng mức độ trung hòa Tiến hành tổng hợp polyme compozit siêu hấp thụ nước với nồng độ monomer 15%, hàm lượng APS 1%, mức độ trung hòa axit acrylic thay đổi từ 40-80%, hàm lượng MMT 5%, hàm lượng chất tạo lưới 0,08%, nhiệt độ 70 C Độ hấp thụ nước (g/g) Kết trình bày hình 700 600 500 400 300 200 100 0 20 40 60 80 100 Mức độ trung hòa (%) Hình Ảnh hưởng mức độ trung hòa tới độ hấp thụ nước Độ hấp thụ nước tăng mức độ trung hòa tăng từ 40-60% giảm tiếp tục tăng mức độ trung hòa axit acrylic Điều hiệu ứng hấp thụ cạnh tranh nhóm cacboxylic cacboxylat Khi axit trung hòa với NaOH dẫn đến nhóm cacboxyl tích điện âm gắn vào chuỗi polyme, hình thành lực đẩy tĩnh điện làm mở rộng mạng lưới Trong khoảng mức trung hòa, lực đẩy tĩnh điện tăng tăng mức trung hòa, dẫn đến độ hấp thụ + nước tăng Tuy nhiên, tiếp tục tăng mức độ trung hòa làm tăng ion Na , làm giảm …… Trong điều kiện thực nghiệm này, 60% cho hấp thụ nước cao Như vậy: Điều kiện phản ứng tối ưu là: lấy a (g) monomer nồng độ 20%, với chất khơi mào APS 1% lượng monome, chất tạo lưới MBA 0.28% khối lượng monome, clay 10% khối lượng monome Sản phẩm có độ hấp thụ nước cực đại 1650g/g mẫu polyme 3.2 Một số tính chất đặc trưng lý hóa 3.2.1 Phổ hồng ngoại Hình Phổ hồng ngoại (IR) polyme siêu hấp thụ nước Hình 10 Phổ hồng ngoại (IR) MMT Trên phổ hồng ngoại polymer compozit thấy xuất pic -1 1629,3cm đặc trưng cho nhóm –C=O acrylat.So sánh phổ ta thấy -1 -1 biến píc MMT 589cm 1055cm nhóm -O-Si-O- MMT.Như chứng minh phản ứng MMT axit acrylic Ngoài ra, -1 -1 pic 1629cm 1385,21cm đặc trưng cho tương tác C-O-C nhóm este Phổ hồng ngoại chứng tỏ monome kết hợp khung copolyme, phản ứng tổng hợp thành cơng 3.2.2 Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) Hình 11 Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng polyme compozit siêu hấp thụ nước (PAA-MMT) Trên hình thấy có hao hụt khối lượng nhỏ khoảng 0 nhiệt độ 100 C ẩm Mẫu có hao hụt khối lượng rõ rệt 350 C 0,649mg (21,641%) Hao hụt khối lượng chủ yếu bắt đầu 442,86 C mẫu tiếp tục khối lượng tới 515 C, 28.71% Như polyme compozit siêu hấp thụ nước tương đối bền nhiệt, với nhiệt độ phân hủy ban đầu 350,69 C 3.2.3 Hình thái học bề mặt (SEM) Hình thái học bề mặt mẫu polyme siêu hấp thụ nước có hàm lượng chất tạo lưới khác quan sát cách chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kết trình bày hình 12 Quan sát hình 12 thấy bề mặt hạt polyme không đồng đều, gợn có vi mao quản Mặc dù bề mặt gợn có vi bao quản phù hợp cho trình thâm nhập nước vào mạng lưới polyme, hạt polyme tổng hợp có hàm lượng chất tạo lưới cao (0,16%) có kích thước mao quản nhỏ cấu trúc xốp so với hạt polyme có hàm lượng chất tạo lưới thấp Sự khác biệt hình dạng ảnh hưởng đến độ hấp thụ nước, phù hợp với kết hình Độ hấp thụ nước polyme chứa 0,16% chất tạo lưới thấp so với mẫu polyme chứa 0,08% chất tạo lưới hàm lượng tạo lưới thấp cho cấu trúc xốp với kích thước mao quản nhỏ hơn, làm tăng diện tích bề mặt làm tăng độ hấp thụ nước KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu, khoá luận tốt nghiệp thu số kết cụ thể sau: - Đã tổng hợp thành công polyme compozit siêu hấp thụ nước sở trùng hợp axit acrylic Khảo sát ảnh hưởng điều kiện phản ứng tới độ hấp thụ nước sản phẩm Polyme có độ hấp thụ nước cực đại thu 1400g/g với điều kiện:hạt nano clay MMT 10%, nhiệt độ 70 C, hàm lượng chất tạo lưới 0,28%, hàm lượng chất khơi mào 1%, mức độ trung hoà axit acrylic 60% - Đặc trưng lý hoá polyme compozit siêu hấp thụ nước nghiên cứu phương pháp phân tích đại phổ hồng ngoại (FTIR), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), nhiễu xạ tia X, chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Đức Nghĩa, Vật liệu polyme cấu trúc nano nano compozit, Hội thảo Khoa học Công nghệ nano,2003 Tiếng Anh [2] Abd El- Rehim H A (2005), “Swelling of radiation crosslinked acrylamide-based microgels and their potential applications”, Radiation Physics and Chemistry, Vol 74, p 111-117 [3] An Li, Aiqin Wang, Jianmin Chen (2004), “Studies on Poly (acrylic acid)/Attapulgite Superabsorbent Composites II Swelling Behaviors of Superabsorbent Composites in Saline Solutions and Hydrophilic Solvent Water Mixtures” Journal of Applied Polyme Science, Vol 94, 1869-1876 [4] An Li, Aiqin Wang, Jianmin Chen, (2003), “Studies on Poly(acylic acid)/Attapulgite Superabsorbent Composite I Synthesis and Characterization” Journal of Applied Polymer Science, Vol 92, 1596-1603 [5] Chen Z., Liu M., Ma S.(2005), “Synthesis and modification of salt- resistant superabsorbent polymers”, Reactive & Functional Polymer, Vol 62 (2005), p 85-92 [6] Dayal U., Mehta S K., Choudhary M S and Jain R C “Synthesis of acrylic superabsorbents”, J M S.- Rev Macromol (1999), Chem Phys., C39(3) (1999), p 507-525 [7] Dayal U., Mehta S K., Choudhary M S and Jain R “Synthesis of C (1999), acrylic superabsorbents”, J M S.- Rev Macromol Chem Phys., C39(3) (1999), p 507-525 [8] El- Hamshary H (2007), “Synthesis and water sorption studies of pH sensitive poly(acrylamide-co-itaconic acid) hydrogels”, European Polymer Journal, Vol 43 (2007), p 4830-4838 [9] Isik B., Kis M (2004), “Preparation and determination of swelling behavior of poly(acrylamide-co-acrylic acid) hydrogels in water”, Journal of Applied Polymer Science, Vol 94 (2004), p 1526-1531 [10] Jihuai Wu, Jinfeng Zhong, Jianming lin, YueLin Wei, Yimin Xie (2006).”Swelling Behavior of Poly(sodium acrylate)/cao lanh Superabsorbent Composite”.POLYMER ENGINEERING AND SCIENCE- 2006 [11] Jihuai Wu, Jianming Lin, Guoqing Li and Congrong Wei (2001) ”Influence of the COOH and COONa groups and crosslink of poly(acrylic acid)/montmorillonite superabsorbent composite on water absorbency” Polymer International Polym Int 50: 1050-1053.DOI: 10 1002/pi.728 [12] Junping (2006).”Preparation, Zhang, Ruifeng Liu, swelling An behaviors Li and polyacryamide/attapulgite and Aiqin Wang application of superabsorbent composite”.Polyme.Adv.Technol.2006;17:12-19 [13] Junping Zhang, Hao Chen, superabsorbent compozsite Aiqin III Wang.(2005).”Study Swelling behaviors on of polyacrylamine/attapulgite composite based on acidified attapulgite and organo-attapulgite”.European polymer Journal 41(2005)2434-2442 [14] Kabiri K., Omidian H., Hashemi S A., Zohuriaan- Mehr M J (2003), “Synthesis of fast-swelling superabsorbent hydrogels: effect of crosslinker type and concentration on porosity and absorption rate”, European Polymer Journal, Vol 39 (2003), p 1341-1348 Khoa Hóa học, Lớp K33C 50 Đại học Sư Phạm Hà Nội [15] Kabiri K., Zohuriaan- Mehr M J., “Superabsorbent hydrogels from concentrated solution terpolymerization”, Iranian Polymer Journal, Vol 13 (2004), p 423-430 [16] Ketan Krishxakant Manias, Polymeric nanocomposites, Polyme Plastic Technology and Engineering, 43 (2), 2004,p.427-443 [17] Liu Z S., Rempel G L (1997), “Preparation of superabsorbent polymers by crosslinking acrylic acid and acrylamide copolymers”, J Appl Polym Sci., Vol 64 (1997), p 1345-1353 [18] Lu G D., Yan Q Z., Ge C C (2007), “Preparation of porous polyacrylamide hydrogels by frontal polymerization”, Polym Int., Vol 56 (2007), p 1016- 1020 [19] Mi Y., Wang J., Zhang Y., Chen E., Cheng S Z D (2001), “Preparation of single- molecule particles of water- soluble polymers”, Polymer, Vol 42 (2001), p 4533-4535 [20] Raju K M., Raju M P (2001), “Synthesis of novel superabsorbing copolymers for agricultural and horticultural applications”, Polym Int., Vol 50 (2001), p 946- 951 [21] Raju K M., Raju M P., Mohan Y M (2003), “Synthesis of superabsorbent copolymers as water manageable materials”, Polym Int., Vol 52 (2003), p 768-772 [22] Rosa F., Bordado J., Casquilho M (2008), “Ground particle size influence on the swelling of a copolymer of AA/AMPS in water”, Journal of Applied Polymer Science, Vol 107 (2008), p 3413-3418 [23] Scott R A and Peppas N A (1997), “Kinetic study of acrylic acid solution polymerization”, AIChe J., Vol 43(1) (1997), p 135-144 [24] S.Shinha Ray, M.Okamoto (2003), “Polyme/ layered silicate nanocomposites: areview from preparation to prosessing”, Progress in Polyme Science, Vol 28, No 11, (2003), 1539-1641 [25] Thomas C.Farrow, Chris A Rasmussen, William R.Menking, David hugh Durha, Paul W.Carroll, (2000) “Organoclay, composite and method of preparation”, United States Patent, March 14, (2000),6 [26] Turan E., Caykara T (2000-2007), “Swelling and network parameters of pH-sensitive poly(acrylamide-co-acrylic acid) hydrogels”, Journal of Applied Polymer Science, Vol 106 (2007), p 2000-2007 [27] Wan T., Yao J., Ma X (2008), “Preparation of poly(AA-AM) water superabsorbent by inverse microemulsion polymerization”, Journal of Applied Polymer Science, Vol 110 (2008), p 3859-3864 [28] Wang D., Song Z Q., Shang S B (2008), “Characterization and biodegradability of amphoteric superabsorbent polymers”, Journal of Applied Polymer Science, Vol 107 (2008), p 4116-4120 [29] Weiqing R., Xiaogong W., Yanqing L., Yuli H., Aijie N (2006), “Superabsorbent hydrogel of acrylic acid/potassium acrylat copolymers by ultraviolet photopolymerization synthesis and properties”, Journal of Applied Polymer Science, Vol 101 (2006), p 1181-1187 Chemistry, Vol 74 (2005), p 111-117 [30] Wen- Fu Lee, Yung- Chu Chen.(2005).”Effect of intercalated reactive mica on water absorbency for poly(sodium acrylate) composite superabsorbents” European Polymer Journal 41(2005) 1605-1612 [31] Wen- Fu Lee, Yung- Chu Chen (2004) “Superabsorbent polymeric materiajs XIV Prepation and water absorbency of nanocomposite superabsorbents containing intercalated hydrotalcite”.Journal of Applied polyme Science, Vol 94, 2417-2424 [32] Wen- Fu Lee, Lin- Gi Yang (2004) “Superabsorbent Polymeric Materials XII Effect of Montmorilloniteon Water Absorbency for Poly(Sodium Acrylate) and montmorillonite Nanocomposite” Department of Chemical Lngineering, Tatung University, tapei, Tawan, Pepublic of China [33] Woodhouse J and Johnson M S (1991), “Effect of superabsorbent polymers on survival and growth of crop seedlings”, Agricultural Water Management, Vol 20 (1991), p 63-70 [34] Xavier Kornmann, Synthesis and characterization of Thermoset- clay nanocomposites, Lulea Tekniska Universitet MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vật liệu nanoclay phương pháp chế tạo vật liệu compozit 1.1.1 Hạt độn kích thước nano 1.1.1.1 Các loại hạt độn kích thước nano đặc tính 1.1.1.2 Các phương pháp chế tạo hạt có kích thước nano 1.1.2 Nanoclay 1.1.2.1 Khoáng sét tự nhiên bentonit 1.1.2.2 Bentonit 1.1.2.3 Tính chất clay 10 1.1.2.4 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc 15 1.1.3 Các phương pháp chế tạo vật liệu polyme/clay nanocompozit [34, 25] .16 1.1.3.1 Phương pháp chèn lớp 17 1.1.3.2 Phương pháp trùng hợp chỗ (in-situ polymerization) 19 1.1.3.3 Phương pháp sol-gel 19 1.2 Giới thiệu vật liệu polyme siêu hấp thụ nước polyme compozit siêu hấp thụ nước20 1.2.1 Giới thiệu polyme siêu hấp thụ nước 20 1.2.2 Giới thiệu polyme compozit siêu hấp thụ nước 31 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 36 2.1.Nguyên liệu, hóa chất thiết bị 36 2.1.1 Nguyên liệu, hóa chất 36 2.1.2 Thiết bị 36 2.2 Thực nghiệm 36 2.2.1 Phương pháp tiến hành 36 2.2.2 Xác định số tính chất đặc trưng lý hóa polyme compozit siêu hấp thụ nước 37 2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện phản ứng tới độ hấp thụ nước polyme compozit siêu hấp thụ nước 38 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1 Tổng hợp polyme compozit siêu hấp thụ nước 39 Khoa Hóa học, Lớp K33C 54 Đại học Sư Phạm Hà Nội 3.1.1 Ảnh hưởng nồng độ monme 39 3.1.2 Ảnh hưởng hàm lượng chất tạo lưới 39 3.1.2 Ảnh hưởng hàm lượng MMT 40 3.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ 41 3.1.4 Ảnh hưởng hàm lượng chất khơi mào 42 3.1.4 Ảnh hưởng mức độ trung hòa 43 3.2 Một số tính chất đặc trưng lý hóa 44 3.2.1 Phổ hồng ngoại 44 3.2.2 Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 45 3.2.3 Hình thái học bề mặt (SEM) 46 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 55 ... nước/g polyme khơ Q trình trương copolyme nghiên cứu hỗn hợp ancol/nước có hàm lượng ancol tăng 294, 304 314K Quá trình chuyển tiếp hỗn hợp etanol/nước metanol/nước giảm nhanh khả hấp thụ polyme... tán nước polyme Turan cộng [26] nghiên cứu trình trương thông số mạng lưới hydrogel poly(acrylamit-co-axit acrylic) Hydrogel poly(acrylamit-co-axit acrylic) tổng hợp từ trình đồng trùng hợp gốc... chức khác biến tính sản phẩm polyme sau trùng hợp [6] El-Hamshary [8] tổng hợp nghiên cứu trình hấp thụ nước hydrogel poly(acrylamit-co-itacinic axit) nhạy pH Polyme siêu hấp thụ nước acrylamit