CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ & THẢO LUẬN
3.2. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất copolyme (MAA-EA)
3.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố lên quá trình đồng trùng hợp MAA và EA bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương
3.2.1.1. Nghiên cứu lựa chọn chất nhũ hóa cho quá trình tổng hợp copolyme (MAA-EA)
Để lựa chọn chất nhũ hóa cho quá trình đồng trùng hợp MAA và EA, phản ứng được thực hiện với các chất nhũ hóa khác nhau (Tween 65, NP9, natri lauryl sunfat) và tại nhiệt độ 70oC, thời gian 240 phút, nồng độ monome 30%, tỷ lệ mol MAA/EA = 1/1, nồng độ chất nhũ hóa 3,0%, nồng độ chất khơi mào APS 1,5%
khối lượng so với monome. Kết quả khảo sát được trình bày trong bảng 3.7.
Bảng 3.7. Kết quả lựa chọn chất nhũ hóa cho quá trình đồng trùng hợp MAA và EA
Chất nhũ hóa HLB Khả năng tạo nhũ
Độ bền nhũ (ngày)
Tween 65 10,5 Tạo khối
NP9 12,9 Tạo nhũ kém 12
Natri lauryl sunfat (NaDS) 40,0 Tạo nhũ tốt 43
* HLB - chỉ số cân bằng dầu - nước
Kết quả khảo sát cả 3 chất nhũ hóa cho thấy natri lauryl sulfat cho khả năng tạo nhũ tốt và độ bền nhũ tốt nhất, điều này là do độ tan của hỗn hợp monome (MAA và EA) là nhỏ trong môi trường phân tán nước, do vậy đòi hỏi chất hoạt động bề mặt phải có giá trị HLB lớn giúp làm tăng khả năng phân tán và ổn định giữa monome và nước. Hình ảnh quá trình tách pha được thể hiện tại hình 3.13.
Hình 3.13. Quá trình tách pha của nhũ tương (A- tạo nhũ, B- tách pha) Từ các kết quả thu được, lựa chọn chất tạo nhũ là natri lauryl sulfat (NaDS) cho quá trình tổng hợp MAA và EA.
3.2.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng tạo nhũ
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng tạo nhũ, phản ứng được thực hiện tại điều kiện nhiệt độ thay đổi từ 60 - 75oC, trong thời gian 240 phút, nồng độ monome 30%, tỷ lệ mol MAA/EA = 1/1, nồng độ chất nhũ hóa NaDS 3,0%, nồng độ chất khơi mào APS 1,5% khối lượng so với monome. Kết quả được trình bày trong bảng 3.8.
Bảng 3.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng tạo nhũ và độ bền nhũ tới quá trình đồng trùng hợp MAA và EA
Nhiệt độ (oC)
Khả năng tạo nhũ Độ bền nhũ (ngày)
60 Không tạo nhũ
65 Khả năng tạo nhũ kém 12
70 Tạo nhũ 43
75 Tạo nhũ, có hiện tượng vón cục 28
Kết quả cho thấy tại nhiệt độ < 70oC thì hệ phản ứng tạo nhũ kém, điều này là do chất tạo nhũ NaDS có điểm đục tại nhiệt độ ≥ 70oC (đây là yếu tố quan trọng quyết định đến khả năng tạo nhũ). Tuy nhiên, khi tiến hành ở nhiệt độ 75oC thì xuất hiện hiện tượng một phần nhỏ các hạt sản phẩm bị kết khối, điều này là do hiện tượng quá nhiệt trong quá trình phản ứng, làm giảm độ bền nhũ tương, dẫn tới hiện tượng các hạt nhũ tương bị kết lại với nhau. Hình ảnh hiện tượng kết khối được đưa ra tại hình 3.14.
Hình 3.14. Hiện tượng kết khối trong quá trình phản ứng
Từ các kết quả thu được, lựa chọn nhiệt độ 70oC làm nhiệt độ phản ứng cho quá trình đồng trùng hợp MAA và EA.
3.2.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ chất nhũ hóa
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chất nhũ hóa, phản ứng được thực hiện với các nồng độ chất nhũ hóa khác nhau thay đổi trong khoảng từ 2,0 - 4,0%
tại nhiệt độ 70oC, thời gian phản ứng 240 phút, nồng độ monome 30%, tỷ lệ mol MAA/EA = 1/1, nồng độ chất khơi mào APS 1,5% khối lượng so với monome. Kết quả ảnh hưởng của nồng độ chất nhũ hóa (NaDS) tới độ bền nhũ được trình bày trong bảng 3.9.
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ chất nhũ hóa NaDS tới độ bền nhũ Nồng độ chất nhũ hóa (%) Độ bền nhũ (ngày)
2,0 5
2,5 12
3,0 37
3,5 43
4,0 43
Kết quả cho thấy, với nồng độ chất nhũ hóa là 2 và 2,5% thì nhũ tương tách pha nhanh. Khi tăng nồng độ chất tạo nhũ lên 3,5% thì độ bền nhũ tăng cao, nhũ tương có xu hướng bền hơn khi tăng nồng độ chất nhũ hóa. Có thể giải thích điều này là do tác dụng liên kết hai pha không tan vào nhau của chất nhũ hóa, ở một nồng độ giới hạn nào đó độ bền nhũ sẽ đạt cực đại.
Bên cạnh đó sự ảnh hưởng nồng độ chất tạo nhũ tới phân bố kích thước hạt sản phẩm copolyme (MAA-EA) được phân tích trên thiết bị tán xạ laser (Laser
Scattering Particle Size Distribution Analyzer). Các phổ đồ phân bố kích thước hạt được đưa ra trong hình 3.15.
a) Nồng độ chất tạo nhũ 2% b) Nồng độ chất tạo nhũ 2,5%
c) Nồng độ chất tạo nhũ 3% d) Nồng độ chất tạo nhũ 3,5%
e) Nồng độ chất tạo nhũ 4%
Hình 3.15. Ảnh hưởng nồng độ chất tạo nhũ tới phân bố kích thước hạt
Chi tiết phân bố kích thước hạt sản phẩm copolyme (MAA-EA) được trình bày trong bảng 3.10.
Bảng 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng chất nhũ hóa tới KTHTB và phân bố kích thước hạt nhũ tương copolyme (MAA-EA)
Nồng độ NaDS(%)
Kích thước hạt TB (μm)
Mức độ phân tán cỡ hạt (trong khoảng từ 1,031 μm - 2,658 μm) (%)
2,0 1,76 82,35
2,5 1,73 86,62
3,0 1,71 91,41
3,5 1,69 93,75
4,0 1,68 93,75
Kết quả cho thấy khi tăng nồng độ chất tạo nhũ từ 2 - 3,5% cho thấy kích thước các hạt nhũ tăng và tập trung trong khoảng kích thước từ 1,031 μm - 2,658 μm. Tuy nhiên, khi tăng nồng độ chất nhũ hóa từ 3,5 - 4% thì phân bố kích thước hạt gần như không đổi. Bên cạnh đó sự tăng nồng độ chất nhũ hóa còn làm giảm kích thước hạt TB của sản phẩm. Từ các kết quả thu được, lựa chọn nồng độ chất nhũ hóa 3,5% cho quá trình phản ứng giữa MAA và EA.
3.2.1.4. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới hiệu suất chuyển hóa, phản ứng được thực hiện với các khoảng thời gian khác nhau từ 30 - 240 phút tại nhiệt độ 70oC, nồng độ monome 30%, tỷ lệ mol MAA/EA = 1/1, nồng độ chất nhũ hóa NaDS 3,0%, nồng độ chất khơi mào APS 1,5% khối lượng so với monome.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất chuyển hóa được biểu diễn trên hình 3.16.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 50 100 150 200 250
Thời gian (phút)
Hiệu suất chuyển hóa (%)
T (%) R (%)
Hình 3.16. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất chuyển hóa copolyme (MAA- EA)
(Hiệu suất chuyển hóa tổng T%, hiệu suất chuyển hóa thành copolyme R%)
Các kết quả cho thấy hiệu suất chuyển hóa tăng theo thời gian phản ứng, tăng nhanh trong 90 phút đầu tại những thời điểm ban đầu rồi sau đó chậm dần và gần như không đổi sau 210 phút và sản phẩm thu được chủ yếu là copolyme. Điều này là do ban đầu trong hệ vẫn còn nhiều giọt monome dự trữ bổ sung cho các hạt latex đang phản ứng, sau khi độ chuyển hóa đạt từ 50 - 60% thì nồng độ monome trong các hạt latex giảm dẫn tới tốc độ phản ứng chậm dần. Từ các kết quả đạt được, lựa chọn thời gian phản ứng 210 phút cho quá trình tổng hợp copolyme (MAA-EA).
3.2.1.5. Ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào, phản ứng được thực hiện với các nồng độ chất khơi mào APS khác nhau thay đổi từ 1,0 đến 2,5% tại nhiệt độ 70oC, thời gian phản ứng 210 phút, nồng độ monome 30%, tỷ lệ mol
MAA/EA = 1/1, nồng độ chất nhũ hóa NaDS 3,0%. Kết quả ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào tới hiệu suất chuyển hóa được trình bày trong hình 3.17.
0 20 40 60 80 100
1 1.5 2 2.5
Nồng độ chất khơi mào (% )
Hiệu suất chuyển hóa (%)
T (%) R (%)
Hình 3.17. Ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào tới hiệu suất chuyển hóa phản ứng MAA và EA
(Hiệu suất chuyển hóa tổng T%, hiệu suất chuyển hóa thành copolyme R%)
Bên cạnh đó sự ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào tới KLPT và mức chỉ số đa phân tán KLPT của copolyme (MAA-EA) được trình bày trong bảng 3.11.
Bảng 3.11. Ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào tới Mwvà PDI của sản phẩm copolyme (MAA-EA)
Nồng độ chất khơi mào (%)
Mw
(g/mol)
PDI
1,0 295.000 1,65
1,5 276.000 1,68
2,0 251.000 1,70
2,5 214.000 1,78
Kết quả cho thấy khi tăng nồng độ chất khơi mào thì hiệu suất chuyển hóa tăng là do số lượng gốc tự do tăng lên tốc độ phản ứng tăng dẫn tới hiệu suất chuyển hóa tăng. Khi tăng nồng độ chất khơi mào cũng làm tốc độ chuyển mạch tăng theo dẫn tới làm giảm Mw của copolyme. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển hóa chỉ tăng khi nồng độ chất khơi mào tăng đến một giá trị nhất định, cụ thể ta thấy khi tăng nồng độ chất khơi mào lên 2,5% thì hiệu suất chuyển hóa thấp hơn so với nồng độ chất khơi mào 2%, điều này có thể lý giải là khi tăng nồng độ chất khơi mào tăng làm tăng gốc tự do dẫn đến tốc độ phản ứng tăng nhanh kèm theo quá trình tỏa nhiệt xảy ra mạnh gây ra hiện tượng phản ứng cục bộ. Với nồng độ xúc tác là 2% cho giá trị hiệu suất, Mw và PDI là phù hợp. Lựa chọn nồng độ chất khơi mào 2% cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.2.1.6. Ảnh hưởng nồng độ monome
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ monome, quá trình phản ứng được thực hiện với các nồng độ monome khác nhau thay đổi trong khoảng từ 25 - 35%
tại nhiệt độ 70oC, thời gian phản ứng 210 phút, tỷ lệ mol MAA/EA = 1/1, nồng độ chất khơi mào APS 2,0%, nồng độ chất nhũ hóa NaDS 3,0%. Kết quả khảo sát thu được như sau:
0 20 40 60 80 100
25 30 35
Nồng độ monome (%)
Hiệu suất chuyển hóa (%)
T (%) R (%)
Hình 3.18. Ảnh hưởng của nồng độ monome tới hiệu suất chuyển hóa phản ứng đồng trùng hợp MAA và EA
(Hiệu suất chuyển hóa tổng T%, hiệu suất chuyển hóa thành copolyme R%)
Kết quả cho thấy khi tăng nồng độ monome từ 25 - 30% thì hiệu suất chuyển hóa tăng, điều này có thể được giải thích như sau: khi tăng nồng độ monome làm tăng khả năng va chạm giữa các gốc tự do với monome và làm tăng hiệu suất phản ứng. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng nồng độ monome từ 30 - 35 % thì hiệu suất chuyển hóa lại giảm. Điều này là do khi tăng nồng độ monome thì độ nhớt của hệ phản ứng cũng tăng theo do đó cản trở quá trình phản ứng. Bên cạnh đó, sự ảnh hưởng của nồng độ monome tới Mw và PDI của sản phẩm được đưa ra tại bảng 3.12.
Bảng 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ monome tới Mw và PDI của copolyme (MAA-EA)
Nồng độ monome (%) Mw (g/mol) PDI
25 267.000 1,68
30 251.000 1,70
35 239.000 1,77
Kết quả cho thấy: Khi tăng nồng độ monome làm giảm Mw và làm tăng mức độ phân tán khối lượng phân tử, nguyên nhân là do khi tăng nồng độ monome làm tăng tốc độ phản ứng phát triển mạch và đồng thời cũng làm tăng tốc độ quá trình ngắt mạch, do đó làm giảm Mw và làm tăng chỉ số PDI.
Từ các kết quả thu được, lựa chọn nồng độ monome 30% cho quá trình đồng trùng hợp MAA và EA.