1.3. Tình hình nghiên cứu phát triển vật liệu polyme nanocompozit và cao su
1.3.1.1. Tình hình chung
Khoa học và cơng nghệ nano có thể được coi là mơn khoa học có tính cách mạng trong lĩnh vực đa ngành bao gồm sinh học, vật lý, hóa học, khoa học vật liệu và điện tử. Công nghệ nano là một công nghệ đầy tiềm năng của thế kỷ 21, từ các vật liệu y sinh, chế tạo máy, xây dựng cho đến các loại vật liệu sử dụng trong đời sống hàng ngày. Bình thường, thuật ngữ nano bao gồm phạm vi 1-100 nm. Do có sự đa dạng trong ứng dụng công nghệ, công nghệ nano hứa hẹn mang đến sự mới mẻ và tính đa dụng chưa từng được thấy trong bất cứ lĩnh vực nào khác [63].
Hiện nay, vật liệu polyme nanocompozit nhận được sự quan tâm đặc biệt bởi những tính năng và cơng dụng độc đáo, do vậy nhanh chóng phát triển thành loại vật liệu thay thế dần cho polyme compozit hoặc vật liệu cao su dưới dạng blend truyền thống. Giá trị của polyme nanocompozit khơng chỉ dựa trên các tính chất cơ học được tăng cường, mà còn gia tăng các giá trị khác mà khơng mất đi tính dễ gia cơng và tính chất cơ học vốn có của polyme. Ứng dụng cơng nghiệp đầu tiên của polyme nanocompozit được tạo ra bởi nhóm tác giả Okada [64]. Các tác giả đã tiến hành chế tạo vật liệu nanocompozit Nylon-6 bằng cách polyme hóa các monome với nanoclay. Sản phẩm được thương mại hóa bởi các hãng UBE industries và
Bayer, hiện tại được sử dụng làm lớp phủ cho dây curoa của động cơ ô tơ Toyota và để chế tạo màng bao bì.
Trong những năm gần đây, nhiều nhà khoa học đã thảo luận rộng rãi về cao su nanocompozit bằng cách xem xét một số cấu tử nano tiềm năng như silicat dạng lớp, bột talc, silica, các phụ gia nano sinh học và ống nano carbon. Mặc dù tất cả những phụ gia nano này đã được sử dụng hàng chục năm qua, song mối quan tâm chính được đặt vào silicat dạng lớp (clay) và ống nano carbon. Việc phân tán khoáng clay (hay silicat dạng lớp) vào nền polyme có thể tạo ra 3 dạng cấu trúc khác nhau: (a) tách lớp và phân tán hoàn toàn, (b) chèn lớp và phân tán hoàn toàn, (c) thơng thường (microcompozit). Tuy nhiên, trong thực tế thì đa phần ở dạng một phần chèn lớp và tách lớp (hình 1.21) [13].
Có sự phụ thuộc lẫn nhau giữa lượng bột sét, mức độ tách lớp và phân bố của bột sét trong compozit.
Hình 1.21. Mức độ phân tán của khoáng sét (clay) trong nền polyme [13]
+ Microcompozit phân tách pha: việc các lớp xếp chồng nhau vẫn giữ nguyên khoảng cách giữa các lớp ban đầu của chúng mà khơng trộn lẫn hay khơng có sự chèn lớp với chất nền polyme. Các đặc tính vẫn tương tự như microcompozit
thơng thường, mà khơng có sự tăng cường tính chất, trong đó cấu trúc các lớp clay không bị phồng lên bởi polyme và vẫn ở dạng kết tụ trong nền polyme.
+ Vật liệu nanocompozit chèn lớp: một (hoặc đôi khi nhiều hơn) chuỗi polyme thâm nhập vào không gian giữa các lớp, do đó tạo ra sự gia tăng khoảng cách giữa các lớp mỏng, trong khi vẫn giữ được lớp silica ở mức độ tinh thể được sắp xếp đều đặn. Khoảng cách giữa các lớp nhỏ hơn 30 Å.
+ Vật liệu nanocompozit tách lớp: các lớp silica kích cỡ một vài nm được tách riêng rẽ và định hướng ngẫu nhiên, phân tán trong nền polyme (pha liên tục) và các khơng gian bị phá hủy hồn toàn. Điều này thường xảy ra khi khoảng cách giữa các lớp lớn hơn 8 nm và phụ thuộc vào nồng độ của khoáng sét. Nanocompozit dạng tách lớp cho thấy tính chất tốt hơn do tương tác polyme/chất gia cường đạt mức tối đa. Trong cấu trúc tách lớp, toàn bộ bề mặt của các lớp được dùng để tương tác với polyme. Do vậy, thách thức lớn trong lĩnh vực polyme clay nanocompozit là đạt được cấu trúc tách lớp hoàn toàn.