Tổng hợp đặc trưng và ứng dụng của sét chống ưa dầu pillared clays organophile làm phụ gia cho sơn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘ I TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN ■ ■ ■ ■ BÁO CÁO NGHIỆM THU ĐỀ TÀI TRỌNG ĐIỀM CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ■ ■ ■ MÃ SỐ: Q G T Đ - - TỐNG HỢP, ĐẶC TRUNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA SÉT CHỐNG ƯA DẦU (PILLARED CLAYS ORGANOPHILE) LÀM PHỤ GIA CHO SƠN CHỦ TRÌ ĐÈ TÀI: PGS.TS HOA HỮU THU nM N Ọ I ĐẠI HỌC T R U N G T À M T H Ô N G TIN THƯ V IẺ N Dir/9 6 HÀ NỘI - 2009 ' ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ N ộ! TRƯỜNG ĐẠĨ HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN ■ ■ ■ ■ BÁO CÁO NGHIỆM THU ĐẺ TÀI TRỌNG ĐIẺM CÁP ĐẠI HỌC QUÓC GIA HÀ NỘI ■ ■ ■ M Ã SỐ: QGTĐ - 07 - 02 TỒNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA SÉT CHÓNG ƯẦ DẦÚ (PILLARED CLAYS ORGANOPHILE) LÀM PHỤ GIA CHO SƠN Chủ trì đề tài: PGS.TS Hoa HữuThu Các thành viên tham gia: GS.TSKH Ngơ Thị Thuận Khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG HN GS.TS Tran Văn Nhan Khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG HN PGS.TS Trần Thị N hư Mai Khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG HN PGS.TS Lê Thanh Sơn Khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG HN ThS N guyễn Thị M inh Thư Khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG HN CN Khúc Quang Đạt Khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG HN CN Đặng Văn Long Khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG HN ThS Trần Ngọc Doanh Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam ThS Trương Đình Đức Trường Đại học Kinh tế Quốc dân HÀ NỘI - 2009 DANH MỤC NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐẺ TÀI ■ Chủ trì đề tài: ■ ■ PGS.TS Hoa HữuThu Các thành viên tham gia: ễễăễễẽễ GS.TSKH Ngô Thị Thuận Khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG GS.TS Trần Văn Nhân Khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG PGS.TS Trần Thị Như Mai Khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG PGS.TS Lê Thanh Sơn Khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG ThS Nguyễn Thị Minh Thư Khoa Hóa -ĐHKHTN-ĐHQG CN Khúc Quang Đạt Khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG CN Đặng Văn Long Khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG ThS Trần Ngọc Doanh Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam ThS Trương Đình Đức Trường Đại học Kinh tế Quốc dân Thực chuyên đề: Thực chuyên đề 1: Ths Nguyễn Thị M inh Thư Thực chuyên đề 2: CN Khúc Quang Đạt Thực chuyên đề 3: Lê Nguyên Giáp Thực chuyên đề 4: PGS.TS Trần Thị Như Mai Thực chuyên đề 5: CN Đặng Văn Long Thực chuyên đề : PGS.TS Lê Thanh Sơn Thực chuyên đề 7: Ths Trương Đình Đức Thực chuyên đề : Ths Nguyễn Thị M inh Thư Thực chuyên đề 9: Ths Trương Đình Đức Thực chuyên đề 10: CN Đặng Văn Long DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU Tên danh muc Bảng 2.1 Kết phân tích thành phần khống Bent-DL Trang 18 Bảng 2.2 Kết phân tích thành phẩn hóa học mẫu Bent-DL 19 Bảng 3.3 Các giá trị dooithu từ giản đô nhiêu xạ tia X khoảng cách lófp sét A= door 9,6A° mẫu sét Bảng 3.4 Các vùng hấp thụ đặc trưng phổ hồng ngoại mẫu: Bent DL Na, Bent DL Me2/nO (Me=Al, Fe, Ti) Bent DL Me 2/nO.CTAB, cm ' Bảng 4.1 Các mẫu Bent.DL-CTAB với hàm lượng CTAB khác 23 24 32 đặc trưng phân tích phương pháp nhiễu xạ tia X Bảng 4.2 Khoảng cách không gian dooi(A°) khoảng cách hai lófp sét liền Bent.DL-CTAB (60%) xử lý nhiệt độ khác nhau, thời gian xử lý Bảng 4.3 Sự phụ thuộc khoảng cách không gian dooi khoảng cách hai lớp sét liền Bent.DL-CTAB(60%) vào dung môi, nhiệt độ xử lý 105°c, thời gian Bảng 5.1 Các tiêu chât lượng sơn ankit khô tự nhiên Bảng 5.2 Các tiêu kỹ thuật sơn ankit với phụ gia Bent.DL.CTAB Bảng 5.3 Các tiêu kỳ thuật sơn ankit với phụ gia Bent.DL.Al2 O CTAB Bảng 5.4 Các tiêu kỹ thuật sơn ankit với phụ gia Bent.DL.Fe O CTAB Bảng 5.5 Các tiêu kỹ thuật son ankit với phụ gia Bent.DL.TiO CTAB Bảng 5.6 Các tiêu kỹ thuật son ankit với phụ gia Bent.DL.Na (Sơn Bent.DL.Na) Bảng 5.7 Bảng so sánh chất lượng sơn chế tạo so với sơn ankit đặc biệt thông thường chấp nhận theo TCVN 33 33 42 43 44 44 44 44 45 BÁO CÁO TĨM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN u CHÍNH CỦA ĐÈ TÀI Tên đề tài: “Tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sét chống ưa dầu (Pillared Clays Organophile) làm phụ gia cho sơn” Mã số : QGTĐ -07-02 Chủ trì đề tài: PGS.TS.Hoa HữuThu Các cán tham gia: - GS.TSKH.Ngô Thị Thuận - GS.TS Trần Văn N hân - PGS.TS Trần Thị N hư M - PGS.TS Lê Thanh Sơn - ThS Trần Ngọc D oanh - ThS Nguyễn Thị M inh Thư - ThS Trương Đình Đức - CN Khúc Quang Đạt - CN Đặng Văn Long M ục tiêu nội dung nghiên cứu - M ụ c tiêu n ghiên c ứ u :Tổng hợp , đặc trưng cấu trúc vật liệu sét chống ưa dầu làm phụ gia (thickener) cho son thỏa mãn tiêu chuẩn A STM hay TCVN - N ộ i dung nghiên cứu: a) Tổng hợp tài liệu sét Việt Nam, đặc biệt sét Di Linh Lấy mẫu sét Di Linh mỏ khai thác b) Tinh chế sét tự nhiên Di Linh VN để thu bentonit natri (Bent-Na) Đặc trưng cấu trúc sét phương pháp vật lí:SEM, TGA-DTA, -DSC, IR, XRD, BET, CEC, TEM c) Tổng họp polixocation [A1i30 4(0H)24]7+, [Fe3 (OH)4]5+, [(TiO)8 (OH)i2]4+ Đặc trưng cấu trúc, thành phần hóa học chúng phương pháp vật lí AAS, ICP, RMN d) Chống lớp sét bentonit Di Linh polioxocation A li ?+, [Fe (OH)4]5+ [(TiO) (O H )i2]4+ • Đặc trưng cấu trúc sét chống phương pháp vật lí kể phân tích nguyên tố e) Hâp phụ lên sét chông muối amoni bậc CTAB với nồng độ 1'u~~ ~ * — dầu có mức độ khác Đặc trưng cấu trúc DANH MỤC CÁC HÌNH Danh muc hình Hĩnh 1.1 Sự tạo thành công thức triến khai montmorillonit Trang Hình 1.2 Quá trình chống lớp sét Hình 1.3 Sơ đồ chổng lớp sét bẳng polioxocation Hình 1.4 Tác tương phụ gia cấu tử vật liệu sơn 10 Hình 3.1 Câu trúc ion keggin 21 Hình 3.2 Phổ 27 A1-MAS-NMR ion Keggin [Ali ( H) 24 (H )i ] /+ (a) Bent.DL.Al2 (b) Hình Sơ cơng nghệ chê tạo sét chơng ưa dâu Hình 6.2 Sơ đô công nghệ chê tạo sơn ankit Phụ lục II Photo kêt phân tích chi tiêu kỹ thuật sơn điêu chê II.2 Photo kêt phân tích khống II.3 Photo két chụp I3A1-MAS-NMR II.4 Photo kêt phàn tích nhiệt vi sai II.5 Photo kêt chụp XRD II.6 Photo kêt chụp IR II.7 Photo kết chụp SEM II.8 Photo kết chụp BET II.9 Photo kêt bentonite DiLinh Hữu 22 48 49 56 339 347 351 354 361 369 376 383 411 BÁOCÁO TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u CHÍNH CỦA ĐẺ TÀI Tên đề tài:“Tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sét chống ưa dầu (Pillared Clays Organophile) làm phụ gia cho sơn” Mã số : QGTĐ -07-02 Chủ trì đề tài: PGS.TS.Hoa HữuThu Các cán tham gia: - GS.TSKH.Ngô Thị Thuận - GS.TS Trần Văn N hân - PGS.TS Trần Thị N hư Mai - PGS.TS Lê Thanh Sơn - ThS Trần N gọc Doanh - ThS Nguyễn Thị M inh Thư - ThS Trương Đình Đức - CN Khúc Quang Đạt - CN Đặng Văn Long M ục tiêu nội dung nghiên cứu - M ụ c tiêu n ghiên c ứ u :Tổng họrp , đặc trưng cấu trúc vật liệu sét chống ưa dầu làm phụ gia (thickener) cho sơn thỏa mãn tiêu chuẩn ASTM hay TCVN - N ộ i dung nghiên cứu: a) Tổng hợp tài liệu sét Việt Nam, đặc biệt sét Di Linh Lấy mẫu sét Di Linh mỏ khai thác b) Tinh chế sét tự nhiên Di Linh VN để thu bentonit natri (Bent-Na) Đặc trưng cấu trúc sét phương pháp vật 1Í:SEM, TGA-DTA, -DSC, IR, XRD, BET, CEC, TEM c) Tổng họp polixocation [A1 i30 (0 H)24 ]7+, [Fe3 (OH)4]5+, [(TiO)8 (OH)12]4+ Đặc trưng cấu trúc, thành phần hóa học chúng phương pháp vật lí AAS, ICP, RMN d) Chống lớp sét bentonit Di Linh bàng polioxocation A l137+, [Fe (OH )4]5+ [(TiO) (O H )i2]4+ Đặc trưng cấu trúc sét chống phương pháp vật lí kể phân tích nguyên tố e) Hấp phụ lên sét chống muối amoni bậc CTAB với nồng độ — a rá m£c độ njiau £)ặc trưng cẩu trúc tính chất sét ưa dầu bàng phương pháp vật lý thích hợp, tính chất hấp phụ chúng f) Nghiên cứu tìm hiểu đơn pha chế dùng sét chống ưa dầu làm phụ gia cho sơn phủ theo tiêu chuẩn ASTM hay TCVN g) Đưa quy trình chế tạo vật liệu sét chống ưa dầu làm phụ gia cho sơn phủ Các kết đạt 5.1 Các kết khoa học - Đã xây dựng qui trình cơng nghệ qui mơ phịng thí nghiệm chế tạo sét hữu cơ, sét chống ưa dầu làm phụ gia cho sơn phủ: Bent.DL-CTAB, Bent.DL-Al2 -CTAB, Bent.DL-Fe2 -CTAB, Bent.DL-Ti02-CTAB kiện cấu trúc chúng - Số báo công bố: 05 (đăng ký là: 05, có báo gửi tạp chí nước ngồi) - Số báo khoa học: 5.2 01 (đăng ký 01 ) Kết ứng dụng Đã nghiên cứu khả ứng dụng sản phẩm thu - Sét chống hữu ưa dầu: loại X 0,5kg = 1,5 kg (đăng ký l,5kg) - Sơn phủ có chứa phụ gia sét chống ưa dầu: loại sơn, loại lkg (đăng ký kg), - Đã chế tạo son đỏ sở thành phần gồm: • Chất kết dính: nhựa ankid, • Dung mơi: hỗn hợp xylen, butanol axeton, • Chất màu: chất màu đỏ Fe2 3, • Phụ gia: Sét chổng ưa dầu, sét hữu Đã xác định số tiêu kĩ thuật sơn theo tiêu chuẩn TCVN Trung Tâm kỹ thuật Tiêu chuẩn chất lượng 1, Tổng cục Tiêu chuẩn đo đường chất lượng Việt Nam - Sơ đồ công nghệ chế tạo: Bent.DL-Al2 -CTAB, Bent.DL-Fe2 -CTAB, Bent.DL-Ti0 -CTAB, Bent.DL-CTAB 5.3 Kết đào tạo Trong khuôn khổ đề tài đào tạo được: - Cử nhân: 09 (đăng ký 04), - Thạc sỹ: 02 (đăng ký: 02), - Tiến sỹ : 02 (đăng ký - 2) 5.4 Kết tăng cường tiềm lực cho đơn vị - Đã lôi số cán trẻ Bộ mơn Hóa học Dầu mỏ tham gia đề tài Hướng dẫn nghiên cứu sét Việt Nam, sét chóng, sét hữu cơ, sét chống ưa hữu làm vật liệu hấp phụ xử lý môi trường, xúc tác, phụ gia cho vật liệu polime, dung dịch khoan, đặc biệt làm phụ gia (thickener) cho sơn, mực, Tình hình kỉnh phí cho đề tài - Kinh phí cấp: 300 triệu đồng, - Đã chi tiền : 300 triệu KHOA QUẢN LÝ CHỦ TRÌ ĐẺ TÀI PGS.TSKH L u V ăn Bôi TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN • • • ■ SUMMARY REPORT TITLE: Synthesis, characterization and application of Pillared Clays Organophile as the paint additives CODE: QGTD.07-02 COORDINATOR: Dr Ass Pr HOA HUƯ THU MEMBERS Dr Pr Ngo Thi Thuan Dr Pr Tran Van Nhan Dr Ass Pr Tran Thi Nhu Mai M Sc Tran Ngoe Doanh Dr Ass Pr Le Thanh Son M Sc Nguyen Thi Minh Thu M Sc Truong Dinh Due Bac Khuc Quang Dat Bac Dang Van Long Aims and Research Issues: -Aim s • Synthesizing several pillared clays organophile, organoclays such as Bent.DL-Al2 3CTAB, Bent.DL- Fe2 - CTAB, Bent.DL-Ti02-CTAB and Bent.DL-CTAB • Establishing the technological processes for producing the pillared clays organophile and the organoclays at laboratory scale • Investigating their properties textural and structural by physic methods • Investigating theừ applications by using them to be thickener additives for alkyde paints - Research Issues • Studying the conditions operating to synthesize the pillared clays organophile organoclays and then elaborating technological schemes of producing these materials • Studying their properties structural and textural by physical methods: XRD, IR DTA-TGA, BET, SEM, TEM, 27A1-MAS-NMR • Investigating for producing the paint from Vietnam materials in using the pillared clays organophlie and the organoclays as thickener agents • Testing the paints obtained according to TCVN Main results a Results in science: The technological processes at laboratory scale for producing the pillared clays DiLing organophile and thẠ_organoclav DiLing, the characteristics structural 1.1.3 K h a i thác sét tự nhiên 1.1.3.1 C c phương pháp khai thác sét côn g nghiệp 1.1.3.2 Cách nâng cao hàm lư ợng m otm orillonite 1.2 C c h nghiên cứu cấu trúc sét 1.2.1 N ghiên cứu cấu trúc sét phương pháp X R D 1.2.2 M o rp h o lo g y hạt sét Phương pháp S E M , T E M 1.2.3 T ín h chất nhiệt cùa sét, phương pháp D T A -T G A -D S C 1.2.4 N h ó m cấu trúc cùa sét phổ IR, RMN 1.3 T ín h chất bề mặt sét 1.3.1 B ề mặt riêng X c định bề mặt riêng 1.3.2 D u ng lượng trao đổi cation ] 3.3 K h ả hấp phụ cùa sét 1.4 B iến tính sét 1.4.1 Sét biến tính làm vật liệ u hấp phụ 1.4.2 Sét biến tính làm vật liệ u xúc tác 1.4.3 Sét làm phụ gia cho sơn phủ K ế t luận Chuyên đe 2: Bien tính sét tự nhiên d ùn g vào mục đích khác 2.1 L ý biến tính sét tự nhiên 2.2 Biến tính sét tự nhiên kiềm 2.2.1 Cách biến tính 2.2.2 C chế biến tính 2.2.3 T ín h chất sét biến tính kiềm 2.3 Biến tính sét tự nhiên bàng axit 2.3.1 C ch biến tính 2.3.2 C chế biến tính 3.3 T ín h chất sét biến tính axit 3.4 ứ n g dụng sét biến tính bazơ /2 0 /2 0 T ậ p b o cá o CÍC c h u y đ ề -3 tr a n g knổ A 12.5.1 Đ ặ c tính cấu trúc hạt sét 12.5.2 C h u yển dung dịch huyền phù sét ithành gel lử n g dụng cùa sét biến tính IKet luậrT Chuyên đê 3: Khoáng sét /2 0 /2 0 '3.1 C ấ u trúc khoáng sét T ậ p b o cáo c h đ ề - tr a n g A -3.L I C c đơn v i tế bào c '3.1.2 K íc h thước tế bào thay th ế io n '3.1.3 Đ iệ n tích bề mặt cùa hạt sét '.3.2 C c cấu trúc sét tự nhiên ' C ẩ u trúc 2:1 13.2.2 C ấ u trúc 1:1 -3.2.3 C ấ u trúc 2:1 + '3.3 C c nhóm khoáng sét 13.3.1 C c khoáng sét điocta -3.3.2 C c khoáng sét triocta 23.3.3 C c khoáng sét điocta 1:1 3.3.4 C c khoáng sét triocta 1:1 23.4 C ch đồng khoáng sét V iệ t N am 33.4.1 Đ n g bàng X R D 33.4.2 Đ n g bàng phân tích nhiệt vi sai 33.4.3 Đ n g IR 23.5 Sử dụng côn g nghiệp khống sét 13.5.1 C c tính chất hóa học -3.5.2 C c tính chất vật lý '3.5.3 Gốm 33.5.4 Scm IK Ìt luận ‘4 Chuyên đê 4: Khoáng sét - loại 'vật liệu hấp phụ, xúc tác tiềm 4.1 M đầu 4.2 K h o án g sét, Polim e vô c 4.2.1 C ấ u trúc thành phần *4.2.2 C h ứ c xúc tác /2 0 /2 0 T ậ p báo cáo c h u đề, -3 tra n g A d, Đ ộ hoạt đ ộn g xúc tác axit e, M ố i quan hệ hiệu xúc tác độ hoạt động cù a sét chống 4.2.2.2 H iệ u quà xúc tác sét chống 4.3 K h ả trao đổi cation 4.4 Sự thay đồng hình S i lie, nhôm lớ p sét 4.5 T ín h chất xúc tác sét tổng hợp 4.6 T ín h chất hấp phụ xừ lý m trường K Ì t luận Chuyên đ ề Sét ưa dầu sét chổng ưa dầu 5.1 Sét ưa dầu (C la y s organophile organoclays) 5.1.1 Cá ch đ iều chế sét ưa dầu 5.1.2 T ín h chất sét ưa dầu 5.1.2.1 T ín h chất cùa sét ưa dầu phổ IR 5.1.2.2 Tính chất cùa sét ira dầu phân tích nhiệt v i sai 5.1.2.3 T ín h chất cùa organoclays phổ RMN 5.1.3 ứ n g dụng cùa organoclay 5.1.3.1 n g dụng cho dung dịch khoan 5.1.3.2 ứ n g dụng cho sơn phù 5.2 Sét chống ưa dầu (Pillared C la y s organophile) 5.2.1 Sét chố ng po lioxocation kim loại (Pillar) 5.2.1.1 P illa r A I 137* 5.2.1.2 P illa r [Fe ] 4+ 5.2.1.3 P illa r [(TiO)g ( O H ) 12]4+ 5.2.2 Cá ch nhận biết P illar 5.2.3 C c đặc trưng cấu trúc sét chống po liox oca tion kim loại: X R D , D T A - T G A - /2 0 /2 0 T ậ p b o c o đ ề -3 a n g a ch 5.4 ứ n g dụng sét chơng ưa dầu Klếít lu ận C h u y ê n đê : Sét D i L in h ira dâu c h íố n g oxit kim loại A I, Fe, T i ira dầu /2 0 /2 0 T ập báo cáo -4 A v ề sét D i L in h X ứ lý nâng cao hàm lượng bentonit v sét D i L in h C h ố n sét D i L in h 1 X lý sơ 6.1 X lý hóa học ] D iệ n tích bề mặt dung lượng trao đtổii C E C 2! S é t D i Lin h ưa dầu 2: C c pha hữu xem kẽ lớp sng ưa dầu 6.4 P h ổ IR N hiễu xạ tia X 6.4 Phân tích nhiệt vi sai 6.5 n g dụng sét D i Lin h ưa dầu làm phụ gia m đặc cho sơn 6.5 Phụ gia D L Bent - AI - C T A B Phụ gia D L Bent - Fe - C T A B k i m lo i A l , F e , T i 6.6.3 Sơn + phụ gia D L Bent - T i - C T A B 6.6.4 Sơn + phụ gia D L B ent - K L - R N + K ế t luận C h u y ê n đề P h ụ gia c h o sơn p h ủ /2 0 /2 0 7.1 M đầu C ác khái niệm c T ập báo cáo 30 - A4 p h ụ g i í ch 7.2 C c phụ gia hoạt hóa bề mặt phủ 7.2.1 C c tác nhân dính ướt phân tán 7.2.2 L o i bọt sơn nước 7.2.3 Ch ất tăng tốc bám dính 7.3 Ph ụ g ia biến đổi bề mặt 7.3.1 C c phụ gia tăng cư ờng trượt bề mặt 7.3.2 M attin g 7.4 Phụ gia làm phẳng bề mặt kết tụ 7.4.1 Phụ gia làm phảng (L e v e llin g A d d itiv e s ) 7.4.2 T c nhân kết tụ 7.5 Phụ gia hoạt động xúc tác 7.5.1 C h ấ t làm khô 7.5.2 C h ấ t xúc tác 7.6 Ph ụ gia có chức đặc biệt 7.6.1 Phụ gia chổng tạo da 7.6.2 Phụ gia bền vững quang hóa 7.6.3 Phụ gia kìm hãm ăn mịn 7.6.4 Phụ gia diệt khuẩn 7.6.5 Phụ gia chống cháy 7.7 V ệ sinh công nghiệp sản xuất sơn K ế t luận Chuyên đề 8: Phụ gia làm đặc 8.1 K hái niệm sở /2 0 /2 0 Tập báo cáo tra n g v ề p h ụ g:a 8.2 Phụ gia làm đặc vô ( th ic k e n e r s ) 8.2.1 Sét hữu 8.2.2 Sán xuất sét hữu 8.2.3 Liru biến sét hữu 8.2.4 Ả n h hưởng cùa sét hưu lên tính 20 Phụ gia làm đặc cho sơn dùng dung m o i hữu