Phân bố kích thước hạt của nanosilica trước và sau khi biến tính được trình bày trên hình 3.8 và hình 3.9. Khi chưa biến tính bề mặt, kích thước hạt của nanosilica không đồng đều với kích thước hạt lớn. Phân bố kích thước hạt theo số có hai pic tại 529,7nm (99,7 %) và 4962 nm (0,3 %), phân bố kích thước hạt theo cường độ tán xạ laze có 2 pic tại 656,7 nm (72,7 %) và 5078 nm (27,3 %). Điều này được giải thích do hiện tượng cộng kết của hạt nanosilica trong quá trình bảo quản dẫn đến tăng kích thước.
Đối với nanosilica biến tính, kích thước hạt nhỏ hơn rất nhiều so với nanosilica chưa biến tính. Phân bố kích thước hạt theo số có 1 pic tại 86,38 nm, phân bố kích thước hạt theo cường độ tán xạ laze cũng chỉ có một pic tại 84,58 nm.
0.00 0.80 1.60 2.40 3.20 4.00 4.80 5.60
keV 002
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400
Counts
C
O Si
P Ti
Ti
Ti Ti
(a) (b)
56
Điều này chứng tỏ, sử dụng hợp chất ghép cơ titan đóng vai trò quan trọng để tăng khả năng phân tán của hạt nanosilica nhờ phản ứng của nhóm chức hydroxyl trên bề mặt nanosilica với KR-12 tạo thành lớp polyme ngăn cản quá trình kết tụ của các hạt nanosilica.
Hình 3.8. Phân bố kích thước hạt của nanosilica trước khi biến tính (a) phân bố theo số (b) phân bố theo cường độ tán xạ laze
Hình 3.9. Phân bố kích thước hạt của nanosilica sau biến tính (a) phân bố theo số (b) phân bố theo cường độ tán xạ laze
Thế zeta là một thông số quan trọng quyết định đến sự ổn định hay sa lắng của hệ keo, nó đặc trưng cho lực đẩy giữa các hạt tích điện cùng dấu nằm cạnh nhau trong môi trường phân tán. Thế càng lớn hệ càng ổn định và ngược lại khi thế nhỏ hệ dễ bị sa lắng. Đặc trưng tích điện bề mặt của hạt nanosilica trước và sau biến tính được xác định thông qua thế zeta trong môi trường phân tán là nước.
Kết quả xác định thế zeta của nanosilica có và không biến tính tại pH=7 được trình bày trên hình 3.9. Khi hàm lượng KR-12 là 10 %, thế zeta của nanosilica chuyển dịch mạnh về phía điện thế dương, với 2 pic chính tại -21,7 mV và -6,3 mV, đồng thời trong hệ đã có một số hạt tồn tại ở điểm đẳng điện và một số có điện thế dương. Điều này có thể do khi lượng chất biến tính phản ứng đủ lớn, chúng tích tụ
Kích thước, nm
Kích thước, nm Kích thước, nm
Kích thước, nm
(a) (b)
)
(a) (b)
)
57
trên bề mặt hạt nanosilica với thành phần gốc hydrocacbon lớn làm tăng mạnh tính kỵ nước của hạt. Gốc hydrocacbon mang tính trung hòa điện nên sẽ chuyển dịch thế zeta về 0 làm hệ sa lắng. Khi tăng hàm lượng KR-12 đến 15 % thế zeta còn -9,0 mV, phần hạt trung hòa điện và tích điện dương tăng lên. Do tiếp tục phản ứng của KR- 12 với nhóm silanol, làm tính kỵ nước của hạt nanosilica tăng. Như vậy, có thể thấy ghép hợp chất cơ titan KR-12 lên bề mặt nanosilica sẽ chuyển hệ từ ưa nước sang kỵ nước.
Nanosilic a chưa biến tính
m-nanosilica
1,0 % KR-12 3,0 % KR-12 5,0 % KR-12 10 % KR-12 15 % KR- 12
Hình 3.10. Thế zeta của hệ nanosilica biến tính và không biến tính 3.1.7 . Hình thái cấu trúc của nanosilica trước và sau biến tính
Hình thái cấu trúc của hạt nanosilica trước và sau khi biến tính được quan sát trên các ảnh TEM (hình 3.11 và hình 3.12).
Hình 3.11. Ảnh TEM nanosilica chưa biến tính
Quan sát ảnh TEM trên hình 3.11 nhận thấy các hạt nanosilica có dạng hình cầu đặc, kích thước hạt không đều từ 20 nm đến 30 nm. Tuy nhiên, do sự hình thành liên kết hiđro liên phân tử nên các hạt nanosilica có xu hướng kết tụ với nhau thành
58
từng cụm hạt với kích thước lớn, cỡ 600-1000 nm, tương tự như đã xác định được bằng phương pháp tán xạ laze. Chính sự cộng kết các hạt nanosilica khi bảo quản đã hạn chế khả năng phân tán của nanosilica trong nền polyme.
Hình 3.12. Ảnh TEM của nanosilica sau khi biến tính
Sau khi biến tính với KR-12, kết hợp với khuấy và siêu âm, các hạt nanosilica có kích thước nhỏ hơn, cỡ 30-40 nm, sự kết tụ dạng đám lớn không còn, ranh giới bề mặt giữa các hạt khá rõ ràng. Điều này có thể giải thích do bề mặt các hạt silica lúc này được bao bọc bởi một lớp titan hữu cơ làm tăng tính kị nước cũng như làm giảm năng lượng bề mặt của hạt nanosilica.
Tuy nhiên, không thể phân tán m-nanoslica ở dạng đơn hạt do trong quá trình bảo quản một phần kết tụ đã hình thành liên kết cộng hóa trị bền vững dạng Si-O-Si.