1.4. Một số loại vật liệu polyme nanocompozit điển hình
1.4.2. Vật liệu polyme silica nanocompozit
Vật liệu polyme silica nanocompozit là một trong những vật liệu nanocompozit được chú ý bởi các tính năng đặc biệt của nó. Dưới đây là một số phương pháp chế tạo và tính chất của vật liệu silica nanocompozit [5,10, 36].
- Phương pháp chế tạo polyme silica nanocompozit
Vật liệu polyme silica nanocompozit là một trong những vật liệu lai giữa hai pha vô cơ và hữu cơ với pha vơ cơ ở kích thước nanomet. Vật liệu này, như phần trên đã nói, có thể được chế tạo theo một số phương pháp dưới đây:
+ Phương pháp trộn hợp: Phương pháp này chỉ đơn giản là phối trộn các hạt nano silica vào trong nền polyme. Q trình phối trộn có thể thực hiện trong dung dịch hay ở trạng thái nóng chảy. Khó khăn lớn nhất trong q trình trộn hợp là phân tán nano silica trong nền polyme một cách hiệu quả. Người ta có thể trộn hợp ở trạng thái nóng chảy, trộn hợp trong dung dịch với khuấy trộn cơ học, khuấy trộn bằng siêu âm hoặc phối hợp cả khuấy trộn cơ học với siêu âm. Từ những kết quả
nghiên cứu thu được cho thấy, khi trộn hợp trong dung dịch thì cách thứ 3 - phối hợp khuấy trộn cơ học và rung siêu âm có hiệu quả cao hơn.
+ Phương pháp sol-gel: Phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi để chế tạo
vật liệu lai vơ cơ - hữu cơ. Ưu điểm chính của phương pháp này là điều kiện phản ứng êm dịu: nhiệt độ và áp suất tương đối thấp. Trong trường hợp polyme nanocompozit, mục tiêu của phương pháp là tiến hành phản ứng sol-gel với sự có mặt của polyme và polyme chứa các nhóm chức để nâng cao khả năng liên kết với pha vô cơ.
Điểm đặc biệt của phương pháp ở chỗ mạng lưới oxit được tạo thành từ alkoxide cơ kim ngay trong nền hữu cơ. Nếu phản ứng sol-gel xảy ra hồn tồn, silica được hình thành và có thể tóm tắt theo phương trình:
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến động học của quá trình thuỷ phân và ngưng tụ trong phản ứng sol-gel: tỉ lệ nước/silan, xúc tác, nhiệt độ và bản chất của dung mơi,.... Phương pháp sol-gel có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác bởi có thể điều khiển được đặc tính bề mặt và hình thái học của pha vô cơ thơng qua điều kiện phản ứng. Có thể sử dụng cả xúc tác axit và xúc tác bazơ, xúc tác axit có nhiều ưu điểm hơn nên trong phương pháp sol-gel thường sử dụng xúc tác axit.
Có nhiều kỹ thuật tổng hợp khác nhau trong quá trình sol-gel để tạo được nanocompozit. Hai cách thường được sử dụng:
* Tạo silica trong polyme được hình thành trước;
* Tạo thành đồng thời cả polyme lẫn silica để tạo mạng lưới đan xen. Hai kỹ thuật này chỉ khác nhau ở thứ tự hình thành các cấu tử vơ cơ và hữu cơ trong vật liệu.
+ Trùng hợp in-situ: Phương pháp này có ưu điểm là dễ chế tạo, nhanh và tính
chất sản phẩm tốt. Quá trình trùng hợp in-situ trải qua ba giai đoạn: đầu tiên các phụ gia nano được xử lý bởi chất biến tính bề mặt thích hợp và sau đó được phân tán
H+ hoặc OH_
vào monome rồi tiến hành trùng hợp trong dung dịch hoặc trong khối để tạo nanocompozit.
- Tính chất của vật liệu polyme silica nanocompozit
+ Tính chất cơ học: Tùy thuộc vào hệ polyme nền và phương pháp chế tạo, tính
chất cơ học của polyme silica nanocompozit thay đổi khác nhau. Trong các hệ polyme silica nanocompozit chế tạo bằng phương pháp in-situ, phương pháp sol-gel thường cho tính chất cơ học cao hơn chế tạo bằng phương pháp trộn hợp do các pha phân tán tốt và có liên kết tốt với nhau hơn. Đối với các hệ nanocompozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo và nanosilica thường có hàm lượng nanosilica tối ưu dưới 10%, trong khi đó, đối với một số cao su thì hàm lượng này có thể tới 15-20% hoặc cao hơn. Riêng về độ dẻo, dai của vật liệu nanocompozit trên cơ sở polyme và nanosilica có ưu thế hơn vật liệu polyme nền. Độ cứng của vật liệu tăng không nhiều khi tăng hàm lượng nanosilica, trong khi micro silica thì tính chất này tăng mạnh khi tăng hàm lượng silica.
+ Tính chất ma sát: Khác với vật liệu gia cường silica kích cỡ micro thơng
thường, vật liệu polyme silica nanocompozit có độ ma sát giảm, đặc biệt dưới tải trọng cao. Mặt khác cũng giống như micro silica, nanosilica làm tăng độ bền mài mòn cho vật liệu.
+ Tính chất nhiệt: Vật liệu polyme silica nanocompozit có khả năng ổn định
nhiệt tốt hơn so với polyme nền tương ứng bởi nanosilica có độ bền nhiệt cao, các hạt nanosilica phân tán vào nền đã che chắn, hạn chế tác động của nhiệt môi trường vào các đại phân tử polyme. Từ những kết quả thực nghiệm còn cho thấy, nhìn chung nhiệt độ hóa thủy tinh của vật liệu tăng với sự tăng của hàm lượng nanosilica. Tuy nhiên sự biến đổi này cũng có nhiệt độ tới hạn của nó. Trong khi đó các chất độn micro silica hầu như khơng có ảnh hưởng tới nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) của vật liệu.
+ Tính chất chống cháy: Sự có mặt của silica nói chung và nanosilica nói riêng
đã làm tăng khả năng bền chống cháy cho vật liệu. Thể hiện ở chỉ số oxy tới hạn của polyme silica nanocompozit cao hơn vật liệu polyme nền tương ứng.
+ Tính chất quang học: Dù sự có mặt của nanosilica trong vật liệu có làm giảm
độ trong suốt của vật liệu so với polyme nền tương ứng, song đây có thể coi như một trong những vật liệu gia cường giữ được độ trong của vật liệu cao. Đặc biệt ở các hệ nanocompozit phân tán tốt nanosilica. Mức độ tương hợp của polyme nền và silica gia cường càng cao, độ phân tán càng tinh, độ trong vật liệu càng cao.
+ Độ thấm khí: Khác với các vật liệu gia cường vô cơ khác, khi có mặt của
nanosilica làm tăng khả năng thấm khí của vật liệu. Điều này có thể được giải thích do thể tích tự do của nanosilica lớn, dẫn đến hiệu ứng làm tăng độ thấm khí của vật liệu.