Để tổng hợp sét hữu cơ, người ta thường dùng hai phương pháp sau:
Phương pháp ướt
Là phương pháp trao đổi giữa cation hữu cơ với bentonit đã hoạt hóa trong môi trường nước. Giữa các lớp sét là lực liên kết yếu Van der Waals, sự liên kết các lớp sét với nhau rất kém nên các phân tử khác có thể dễ dàng xen vào khoảng giữa các lớp sét.
Để làm cho MMT trở nên kị nước, tương hợp tốt với polime, các cation ở khoảng giữa các lớp sét được thay thế bằng các chất hoạt động bề mặt cation như ankyl amoni, ankyl photphoni. Các cation có thể thay thế thông dụng nhất là Na+, Ca2+, Mg2+, H+, K+ và NH4+.
Có ba phương pháp điều chế sét hữu cơ trên cơ sở phương pháp ướt:
Phương pháp khuếch tán trong môi trường nước
Phương pháp này dựa trên sự khuếch tán của các chất hữu cơ và bentonit trong môi trường nước. Sự khuếch tán được thực hiện nhờ khuấy liên tục hỗn hợp bentonit và các tác nhân hữu cơ trong môi trường nước ở điều kiện (nhiệt độ, pH, tỉ lệ hữu cơ/sét,..) nhất định. Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, thực hiện dễ dàng và chi phí thấp do đó được sử dụng phổ biến nhất ở Việt Nam cũng như trên thế giới.
Trong luận văn này, phương pháp chúng tôi lựa chọn phương pháp khuếch tán trong môi trường nước để thực hiện phản ứng trao đổi cation.
Phương pháp lò vi sóng
Dựa trên nguyên tắc sử dụng vi sóng tác dụng lên hỗn hợp phản ứng và được thực hiện trong lò vi sóng. Ưu điểm của phương pháp này là thời gian phản ứng ngắn hơn, hiệu suất phản ứng cao hơn so với phương pháp khuếch tán do tập trung năng lượng trong quá trình điều chế sét hữu cơ. Tuy nhiên do chi phí lớn về thiết bị, năng lượng và hạn chế về công suất nên phương pháp này ít được sử dụng rộng rãi.
Phương pháp thủy nhiệt
Quá trình điều chế sét hữu cơ được thực hiện trong thiết bị thủy nhiệt, ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Phương pháp thủy nhiệt có nhiều ưu điểm: cho phép điều chế sản phẩm có tính đồng nhất cao, thành phần hóa học được điều chỉnh một cách dễ dàng hoặc điều chỉnh tính chất của sản phẩm thông qua điều chỉnh các điều kiện phản ứng như: pH, nhiệt độ, nồng độ, tốc độ, thời gian của sự thủy phân,... Tuy nhiên phương pháp này ít dùng vì thiết bị rất đắt tiền và dung lượng nhỏ.
Một số chất biến tính sét theo cơ chế trao đổi ion
Chất đầu tiên là amino axit được dùng để biến tính MMT trong công nghệ chế tạo vật liệu nanocompozit đã được đưa ra bởi các nhà nghiên cứu của hãng Toyota để chế tạo nanocompozit poliamit-6, nhưng phổ biến nhất là ion ankyl amoni do chúng có khả năng trao đổi dễ dàng với các ion nằm giữa các lớp sét.
Ion ankyl amoni: chỉ sử dụng ion ankyl amoni có ít nhất 4 nguyên tử cacbon,
các ion tạo bởi các ankyl bậc 1 trong môi trường axit (công thức hoá học chung là: CH3 - (CH2)n - NH3+, trong đó n từ 1 ÷ 18). Độ dài của ion amoni tạo ra tính bền của
vật liệu nanocompozit. Các nghiên cứu gần đây cho thấy, khi biến tính sét với hợp chất ankyl amoni có độ dài mạch ngắn hơn tạo nên cấu trúc nanocompozit xen lớp. Nếu biến tính sét với hợp chất ankyl amino có số nguyên tử cacbon lớn hơn 8 thì tạo nên cấu trúc nanocompozit tách lớp. Do mạch ankyl dài nên làm giảm độ phân cực và giảm năng lượng bề mặt của sét. Vì vậy khoảng cách giữa các lớp tăng lên, các phân tử hữu cơ với độ phân cực khác nhau có thể xen vào giữa các lớp sét.
Độ lèn chặt và nhiệt độ còn ảnh hưởng đến sự xen kẽ của các ion giữa các lớp sét. Sét hữu cơ hình thành có thể phân tán được trong các chất lỏng hữu cơ phân cực tạo nên cấu trúc gel. Các ion ankyl amoni từ amin bậc 2 cũng đã được sử dụng thành công trong việc biến tính sét.
Muối photphoni: khả năng trao đổi với muối photphoni của MMT phụ thuộc nhiều vào cấu tạo gốc R. Các gốc R có cấu tạo càng cồng kềnh thì khả năng trao đổi thấp nhưng giá trị d001 của sét càng tăng và khả năng khuếch tán sét trong polime tăng lên. Bằng phản ứng trao đổi, các cation photphoni bậc 4 (hexađecyltributyl photphoni, tetraphenyl photphoni, metyltriphenyl photphoni, etyl và propyltriphenyl photphoni) đã xen vào lớp giữa của MMT. Theo tác giả [22], cation photphoni ảnh hưởng đáng kể tới kích thước hạt sét, với các gốc ankyl mạch dài thì hạt sét hình thành sẽ mịn. Sự ổn định nhiệt của tetrabutyl photphoni, tetraphenyl photphoni-MMT được tăng cường (300 ÷ 400°C) và là vật liệu hữu ích để chế tạo polime/silicat nanocompozit.
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 sét mà tiêu biểu trong số đó là hợp chất silan.
Silan thường được sử dụng trong chế tạo vật liệu nanocompozit trên cơ sở polieste không no và khoáng sét. 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 tạo thành nhóm silanol. Silan trước tiên được chuyển thành các hợp chất silanol bằng phản ứng thuỷ phân. Sau đó silanol phản ứng với các nhóm
OH gắn vào nguyên tử Si hoặc Al trên bề mặt sét tạo thành các liên kết oxan và liên kết hiđro. Các hợp chất silan thường dùng để biến tính sét như trimetoxysilan, metyl trimetoxysilan. Tuy nhiên do đặc trưng hợp chất silan là dễ thuỷ phân nên nước không được dùng làm dung dịch.
Một số chất biến tính sét khác có thể được sử dụng trực tiếp để tổng hợp vật liệu polime-nanocompozit vì các chất này có thể hoặc tham gia trực tiếp vào phản ứng trùng hợp hoặc xúc tác phản ứng trùng hợp. Ví dụ: khi tổng hợp vật liệu polime- nanocompozit trên cơ sở polistiren và khoáng sét, người ta có thể sử dụng amino metyl stiren hoặc LFRP (chất khơi mào phản ứng trùng hợp gốc tự do sống) làm chất biến tính cho sét. Ngoài các hợp chất trên, khi biến tính sét người ta cũng hay sử dụng các monome như: anhiđrit maleic(AM), axit acrylic(AAC) để biến tính. Kết quả thu được cũng khả quan. Hoặc dùng các oligome có nhóm chức phân cực để làm tăng tính tương hợp giữa polime và nền sét.
Phương pháp khô
Các phân tử chất hữu cơ có thể được chèn vào giữa các lớp sét khô bởi phản ứng ở trạng thái rắn. Các cation có thể duy trì sự tiếp xúc với một lớp sét, nghĩa là các nguyên tử oxi của bề mặt silicat chiếm cứ các vị trí phối trí của các cation. Phương pháp này có ưu điểm là không sử dụng dung môi trong quá trình điều chế và có khả năng ứng dụng trong công nghiệp, thời gian phản ứng ngắn hơn so với phương pháp ướt. Phản ứng ở trạng thái rắn đầu tiên của sét và cation hữu cơ được báo cáo bởi Ogawa và cộng sự. Breakwell và cộng sự cũng sử dụng phương pháp khô thực hiện phản ứng của sét và muối amoni hữu cơ tại 60oC trong thiết bị có tốc độ khuấy trộn lớn [10].
Thực tế, người ta ít áp dụng phương pháp khô để sản xuất sét hữu cơ vì mức độ hấp phụ thay thế bằng các cation hữu cơ chỉ đạt được giá trị cực đại là 80% trên bề mặt lớp sét [11].