Để khắc phục những nược điểm của các polyme như modun đàn hồi thấp, độ bền kéo đứt thấp, kém bền nhiệt, tính chất che chắn không cao, không bền với nhiều dung môi hữu cơ,… người ta đưa vòa các chất phụ gia có kích thước nano. Nhờ kích thước nano nên các hạt nano có thể phân tán dễ dàng trong polyme nền. Khi đó, do sự tương tác giữa hạt nano với các đại phân tử polyme nên hình thái cấu trúc của polyme bị thay đổi. Các hạt nano có thể cải thiện rõ rệt một số thuộc tính hóa lý của polyme. Tuy nhiên, để các hạt nano có thể mang lại những hiệu quả như trên, chúng phải được phân tán đồng đều vào polyme nền. Do các hạt nano có khả năng kết tụ với nhau vì
năng lượng bề mặt lớn nên cần phải tìm biện pháp tăng sự phân tán của các hạt nano nhằm cải thiện sự tương tác bề mặt giữa phụ gia nano và polyme.
Sự phân tán tốt của các hạt nano trong nền polyme nền có thể đạt được bằng cách thay đổi tính chất hóa học bề mặt của các hạt nano hoặc các phương pháp vật lý như quá trình trộn năng lượng cao và xử lý siêu âm. Ở đây tôi chỉ đề cập đến việc sử dụng hạt nanosilica.
Sự khác nhau lớn về tính chất của polyme và silica thường do sự phân cách pha. Có nhiều phương pháp đã được sử dụng nhằm nâng cao tính tương thích giữa polyme (kị nước) và nanosilica (ưa nước). Phương pháp hay sử dụng nhất là biến tính silica trước khi cho phân tán trong polyme nền.
Có 2 phương pháp biến tính silica là: phương pháp hóa học và phương pháp vật lý.
- Phương pháp hóa học: người ta thường các tác nhân có chứa silan
(bảng 4). Chúng có khả năng thủy phân và có chứa các nhóm chức hữu cơ ở cuối mạch. Tác nhân này thường có dạng RSiX3, trong đó X là nhóm có khả năng thủy phân như cloro, etoxy, metoxy. Phần hữu cơ R là nhóm có khả năng phản ứng. Nhóm X phản ứng với nhóm hydroxyl trên bề mặt SiO2, còn nhóm ankyl có khả năng tương tác, trộn lẫn với polyme nền. Khi đó ta có thể thu được silica kị nước:
Cơ chế phản ứng biến tính bề mặt nanosilica bằng hợp chất silian:
Năm 1997, L.A Belyakova và cộng sự đã sử dụng trimetylclosilan (TMCS) (CH3)3SiCl để biến tính silica như sau: silica gel sau khi được làm khô hết hơi nước trong chân không, cho phản ứng với dung dịch TMCS 10% trong toluen ở 110oC trong 6 giờ:
Si – OH + (CH3)3SiCl → Si – O – Si(CH3)3 + HCl
Sau đó, silica gel đã biến tính được rửa bằng toluen, axeton và được làm khô ở 200oC trong 2 giờ.
- Phương pháp vật lý: thường được thực hiện bằng cách hấp phụ lên
bề mặt silica các đại phân tử hoặc chất hoạt động bề mặt [16]. Nguyên tắc của việc xử lý bề mặt là sự hút bám của các nhóm thế có cực của hợp chất hoạt động bề mặt lên bề mặt silica bằng tương tác tĩnh điện. Một số chất hoạt động bề mặt có thể làm giảm xu hướng kết tụ của các hạt silica bằng cách làm giảm lực vật lý và dễ dàng kết hợp với polyme nền. Ví dụ, silica được xử lý bởi cetyl trimetylamonium bromua (CTAB) nhằm cải thiện tương tác hóa học giữa SiO2 và polyme nền; hạt nano silica được biến tính bởi axit stearic nhằm
tăng khả năng phân tán và khả năng kết dính với polyme nền; silica được biến tính bằng axit oleic, khi đó axit oleic tạo liên kết hidro với bề mặt silica.
Reculusa và cộng sự đã sử dụng monome lớn oxyetylen để biến tính bề mặt silica. Monome lớn này do có chứa nhóm etylen oxit nên có tính hút nước, những nhóm thế này sẽ tạo liên kết hidro với nhóm silanol trên bề mặt silica.
Lu và công sự đã chọn đại phân tử sinh học chitosan làm chất hấp phụ để thay đổi tính chất bề mặt của silica. Nhóm axetyl amino trong chitosan sẽ tạo liên kết hidro với nguyên tử hidro trên nguyên tử nitơ của poly pyrol (PPy) và đảm bảo vị trí bám cố định của PPy trên silica.
Bảng 4: Một số chất liên kết silan dùng biến tính hóa học bề mặt hạt SiO2
Viết tắt Tên đầy đủ Công thức hóa học
APMDES Amino-
propylmetyldietoxysilian
H2N(CH2)2(CH3)Si(OC2H5)2
APTES 3-Amino propyltrietoxylsilan H2N(CH2)3Si(OC2H5)3
APTMS 3-Amino propyltrimetoxysilan H2N(CH2)3Si(OCH3)3
DDS Đimetyl điclosilan (CH3)2SiCl2
GPTMS 3-Glyxydoxy
propyltrimetoxylsilan
CH2(O)CHCH2O(CH2)3Si(OCH3)3
ICPTES 3-Izoxianato
propyltrietoxysilan
OCN(CH2)3(OC2H5)3
MMS Metacryloxymetyltrietoxysilan CH2=C(CH3)COOCH2Si(OC2H5)3
MPTES Metacryloxypropyltrietoxysilan CH2=C(CH3)COO(CH2)3Si(OC2H5)3
MTES Metyltrietoxysilan CH3Si(OC2H5)3
PTMS Phenyltrimetoxysilan C6H5Si(OCH3)3
VTES Vinyltrietoxysilan CH2=CHSi(OC2H5)3
VTMS Vinyltrimetoxysilan CH2=CHSi(OCH3)3
CHƯƠNG II:
MỤC TIÊU, CHƯƠNG TRÌNH VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU