Bentonite là chất vô cơ, có tính ưa nước, trong khi đó nền po l y me có tính kỵ nước nên bentonite rất khó trộn hợp với polyme. Để tăng sự tương hợp giữa bentonite và polyme, người ta đã phải biến tính bentonite. Một số phương pháp có thể dùng để biến tính bentonite như: phương pháp trao đổi ion, phương pháp dùng chất hoạt động bề mặt, phương pháp trùng hợp các monome tạo polyme trực tiếp, trong đó thường sử dụng là phương pháp trao đổi ion được mô tả trong Hình 1.5.
Phản ứng hữu cơ hóa MMT xảy ra theo phương trình sau:
R - N+ + Na+ - MMT MMT - N+ - R + Na+
Khả năng khuếch tán của muối alkyl amoni phụ thuộc vào điện tích thứ bậc của muối amoni và cấu tạo gốc R. Các gốc hữu cơ càng cồng kềnh thì khả năng khuếch tán càng khó nhưng khả năng làm giãn khoảng cách giữa hai lớp MMT càng lớn [2].
Phương pháp trao đổi ion
Để làm cho MMT trở nên kị nước, tương hợp tốt với polyme, các cation ở khoảng giữa các lớp clay được thay thế bằng các c hất h o ạt đ ộ ng b ề m ặt cation như
ankyl amoni hay ankyl photphat. Các cation có thể thay thế thông dụng nhất là Na+,
Ca2+, Mg2+, H+, K+ và NH4+. Quá trình thay thế xảy ra như sau:
- Khi biến tính bằng các chất hoạt động bề mặt cation thì đầu mang điện dương hướng về phía các mặt sét (do tương tác điện Culong) còn các mạch ankyl hướng ra ngoài.
- Sau khi biến tính hữu cơ, bề mặt sét trở nên kị nước một phần, năng lượng bề mặt của nó giảm nên dễ tương hợp với các polyme hữu cơ. Kích thước của nhóm ankyl càng lớn thì tính kỵ nước và khoảng cách giữa các lớp sét càng cao.
- Sự sắp xếp mạch ankyl trong khoảng giữa các lớp sét phụ thuộc vào 2 yếu tố là mật độ điện tích của sét và loại chất hoạt động bề mặt. Mạch ankyl càng dài, mật độ điện tích của sét càng lớn thì khoảng cách giữa các lớp càng lớn.
- Mạch ankyl có thể sắp xếp song song với bề mặt sét tạo nên cấu trúc đơn lớp (khi mạch ankyl ngắn), hai lớp (khi mạch ankyl trung bình), hoặc giả ba lớp (khi mạch ankyl dài. Tuy nhiên mạch ankyl cũng có thể không nằm song song mà lại nằm chéo so với bề mặt sét, khi đó tạo ra cấu trúc paraffin. Cấu trúc paraffin cũng có thể đơn lớp hoặc hai lớp. Khi mật độ điện tích sét cao và chất hoạt động bề mặt có kích thước lớn thường tạo thành dạng 2 lớp giống chất lỏng. Với dạng đơn lớp, hai lớp, giả ba lớp, khoảng cách cơ sở giữa các lớp sét tương ứng là d = 13,2 Å; 18,0 Å; 22,7 Å thể hiện sự sắp xếp không trật tự, giống chất lỏng. Với dạng prafin, thì sự sắp xếp có trật tự hơn, các mạch ankyl không nằm song song với các mặt sét nữa mà nằm chéo với các ion dương ở vị trí đối nhau.
Chất đầu tiên được dùng để biến tính benonite trong công nghệ chế tạo vật liệu nanocomposite là amino axit. Nhưng nhóm chất phổ biến nhất là các ion ankyl amoni, do chúng có khả năng trao đổi dễ dàng với các ion nằm giữa các lớp sét.
- Ion ankyl amoni: MMT sau khi trao đổi cation với các ion ankyl amoni mạch dài thì có thể phân tán được trong các chất lỏng hữu cơ phân cực tạo nên cấu trúc gel. Các ion ankyl amoni có thể xen vào giữa các lớp sét một cách dễ dàng tạo ra amino axit để tổng hợp nên nanocomposite trên cơ sở polyme. Ion ankyl amoni được sử dụng rộng rãi nhất là các ion tạo bởi các ankyl bậc 1 trong môi trường axit. Công thức hoá học chung của chúng là: CH3 - (CH2)n - NH3+, trong đó n =1 ÷ 18.
- Amino axit: Amino axit là những phân tử có chứa cả nhóm amino (- NH2)
mang tính bazơ và nhóm cacboxylic (-COOH) mang tính axit. Trong môi trường axit,
một proton của nhóm -COOH chuyển sang nhóm -NH2 tạo thành NH3+. Lúc này có sự
trao đổi cation giữa NH3+ và các cation tồn tại ở giữa các lớp sét (như Na+, K+) làm cho bentonite biến tính có tính ưa dầu. Trong công trình nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite trên cơ sở polyamit-6 và bentonite của nhóm các nhà khoa học thuộc tập đoàn Toyota, loại ω-amino axit này đã được sử dụng thành công để biến tính bentonite [12].
Một số phương pháp biến tính khác
Ngoài phương pháp trao đổi ion, người ta còn có thể dùng một số chất hoạt động bề mặt để biến tính bentonite mà tiêu biểu trong số đó là hợp chất silan.
Silan thường được sử dụng trong chế tạo vật liệu nanocomposite trên cơ sở
po
l y este không no và bentonite. Silan là các monome silicon hữu cơ được đặc trưng
bởi công thức hoá học R-SiX3. Trong đó, R là nhóm chức hữu cơ được gắn vào Si, X
là nhóm có thể bị thuỷ phân để tạo thành nhóm silanol. Silan có thể phản ứng với bề mặt của các chất vô cơ tạo nên các liên kết oxan hoặc hyđro. Các bề mặt này có đặc trưng là chứa các nhóm OH gắn vào nguyên tử Si hoặc Al. Trong nanoclay, các nhóm OH xuất hiện trên bề mặt các lớp sét. Silan trước tiên được chuyển thành các hợp chất silanol bằng phản ứng thuỷ phân. Sau đó silanol phản ứng với các nhóm OH trên bề mặt sét tạo thành các liên kết oxan và liên kết hyđro [18].