Biến tính khoáng MMT là một giai đoạn quan trọng trong quá trình tổng hợp vật liệu nanocomposite trên cơ sở pha gia cường MMT. Các polyme thường có bản chất kị nước (không phân cực), trong khi MMT thì lại rất ưa nước. Do đó khả năng phân bố các hạt khoáng sét vào polymer nền (matrix polymer) không tốt, sự tương tác vật lý yếu giữa thành phần hữu cơ của polymer nền và thành phần vô cơ của lớp khoáng sét dẫn đến sự tách pha trong vật liệu, kết quả là tính chất cơ lý giảm nhiều hơn so với polymer ban đầu. Vì vậy, biến tính đất sét là việc cần thiết để khoáng sét giảm năng lượng bề mặt và tương hợp tốt với polyme nền.[6, 12, 17]
* Một số hợp chất dùng biến tính đất sét
Việc lựa chọn chất biến tính đất sét đóng vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất và khả năng ứng dụng của đất sét thân hữu cơ (organoclay).
Biến tính đất sét bằng muối alkil amonium, sulfonium, phosphonium
Thông qua phản ứng trao đổi, các cation alkyl ammonium, sulfonium, hoặc phosphonium sẽ thay thế các cation tự do trên bề mặt khoang sét, làm giảm năng lượng bề mặt, làm tăng tính thấm ướt của bề mặt khoang sét đối với polyme. Đồng thời, sự hiện diện của các dây alkil dài trong cấu trúc của cation hữu cơ có khả năng nong rộng khoang sét, tạo điều kiện cho polyme nền dễ đi vào bên trong khoang sét.[12]
Muối alkil amonium tứ cấp là một dạng chất hoạt động bề mặt cation (một đầu mang điện tích dương, đầu còn lại là một dây carbon dài). Đây là hợp chất chủ yếu dùng để biến tính khoáng sét trên thị trường và áp dụng phương pháp trao đổi
Luận văn Thạc sĩ Chương 1 : Tổng quan
cation. Trong qui trình chế tạo bao bì thực phẩm, các nhà sản xuất thường dùng pha gia cường polyme là đất sét đã được biến tính bằng muối alkil ammonium tứ cấp. Nhược điểm của chất biến tính này là alkylammonium thường phân hủy ở nhiệt độ cao, làm giảm cấp polyme nền (như PVC, polyester, polyamide …) trong quá trình gia công ở nhiệt độ cao, từ đó ảnh hưởng đến màu sắc, độ sáng, mùi, cấu trúc và tính chất của vật liệu nanocomposite tạo thành.
Hình 1.9: Biến tính khoáng sét bằng alkylammonium. Biến tính đất sét bằng hợp chất không ion (non-ion)
Hợp chất non-ion có thể được chia làm hai loại là polyme (hay prepolyme) phân cực (PEO, PVA,…) và các chất có phân tử lượng thấp (alkyl alcol, alkyl pyrrolidone, alkyl andehid,…). Các hợp chất không ion này khi dùng biến tính đất sét sẽ tương tác tốt với các polyme nền không phân cực như PE, PP.
Theo nhà khoa học Marcus Goss [8],các chất phân tử lượng thấp như alkyl alcol, alkylpyrrolidone có thể biến tính đất sét vì những hợp chất này có khả năng sắp xếp và dựng đứng các dây alkil trong khoang sét (self-assembly) (hình 1.10), còn các nhóm OH thì tạo liên kết tĩnh điện lưỡng cực với các cation trong khoang. Khả năng nong rộng khoang của hợp chất này phụ thuộc vào chiều dài dây alkyl và tỉ lệ MMT so với chất biến tính. Đối với alcol, khả năng self-assembly chỉ xảy ra khi số carbon lớn hơn 10. Vì khi đó, nội bộ phân tử có sự tách thành hai phần là phần thân hữu cơ (dây carbon dài) và phần thân nước (nhóm OH) nên có hoạt tính như một chất hoạt động bề mặt.
Do đó, trong bài nghiên cứu này, chất được chọn biến tính đất sét là monoester béo của pentaerythritol vì phân tử ester này có dây alkil dài (số carbon dài hơn 10)
Luận văn Thạc sĩ Chương 1 : Tổng quan
và ba nhóm OH phân cực với hy vọng sẽ có thể tạo hiện tượng self-assembly của monoester trong khoang sét MMT.
Hình 1.10: Mô hình minh họa khả năng self-assembly của alkyl alcol trong khoang sét (một lớp self-assembly).
* Các phương pháp biến tính khoáng sét
Dựa vào tính chất hóa lý của chất biến tính mà lựa chọn phương pháp biến tính khoáng sét phù hợp. Có hai phương pháp chính để biến tính khoáng sét là phương pháp có dung môi và phương pháp không dung môi. [12]
Phương pháp có dung môi
Trong phương pháp này, chất biến tính và đất sét được phối trộn trong dung môi. Quá trình khuấy trộn tạo điều kiện cho chất biến tính có thể chui vào khoang sét. Tùy thuộc vào bản chất của chất biến tính mà cần hoặc không cần sử dụng nhiệt độ khi khuấy trộn. Lựa chọn dung môi là việc rất quan trọng. Dung môi được lựa chọn cần hòa tan tốt chất biến tính và trương nở đất sét tốt.
Nhược điểm của phương pháp này là dùng dung môi nhiều nên gây ảnh hưởng đến môi trường, việc lựa chọn dung môi đôi khi gây khó khăn và tốn kém.
Phương pháp không dung môi.
Trong phương pháp này, chất biến tính phối trộn với khoáng sét ở trạng thái rắn, sau đó nâng nhiệt độ lên nhiệt độ nóng chảy của chất biến tính để chất biến tính có thể chảy lỏng và hấp phụ vào khoang sét. Ở đây, việc lựa chọn nhiệt độ của quá
Luận văn Thạc sĩ Chương 1 : Tổng quan
trình biến tính rất quan trọng vì nếu nhiệt độ quá cao sẽ làm giảm cấp hay phân hủy chất biến tính. Phương pháp này thường được áp dụng với những chất biến tính có nhiệt độ nóng chảy không cao.
Ngoài ra, trong bài luận văn này, chúng tôi có dùng thêm phương pháp biến tính đất sét bằng cách trộn nóng chảy trên máy đùn hai trục. Dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất của máy đùn, chất biến tính có thể hấp phụ và chui vào khoang sét dễ dàng. Sau khi cho đất sét và chất biến tính vào máy đùn hai trục, máy sẽ cung cấp nhiệt làm nóng chảy chất biến tính và trộn đều hỗn hợp này. Nhờ vào ngẫu lực trộn hợp của máy, chất biến tính dễ dàng trộn hợp và chui vào khoang sét. Ưu điểm của phương pháp này là thời gian biến tính được rút ngắn rất nhiều so với phương pháp biến tính không dung môi thông thường (trong phương pháp biến tính khuấy trộn nóng chảy, thời gian biến tính đa số là 24 giờ), mô hình phương pháp dễ áp dụng trong công nghiệp và lượng đất sét biến tính thu được trong cùng một thời điểm nhiều.
Hình 1.11: Qui trình biến tính đất sét bằng máy đùn hai trục.
1.4. Vật liệu nanocomposite có pha gia cường đất sét đã biến tính
Vật liệu composit có nền polyme và pha gia cường đất sét đã biến tính (organoclay) là một trong những loại vật liệu composit quan trọng, được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm và nghiên cứu. Loại vật liệu này có các tính chất vượt trội so với polyme thông thường như chịu nhiệt độ cao, khả năng chống (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Luận văn Thạc sĩ Chương 1 : Tổng quan
thấm khí, tăng độ cứng, chống cháy, thân thiện với môi trường và chỉ sử dụng một lượng nhỏ pha gia cường (1% đến 10%) [15]. Vật liệu composit được gọi là nanocomposite khi pha gia cường có kích thước nano, cụ thể ở đây pha gia cường là đất sét đã biến tính có kích thước nano. Vật liệu nanocomposite polyme/đất sét đã biến tính được nghiên cứu trên rất nhiều loại nhựa khác nhau như: polyolefin (polyetylen, PP…), polyvinyl (polystyren, polyvinylalcol, polyvinylclorua …), polyme trùng hợp bậc (polyamid…) và các loại copolyme …[18]. Mỗi một loại nhựa có một số đặc điểm riêng, ứng dụng riêng nên cần chọn phương pháp tổng hợp, cũng như lựa chọn pha gia cường đất sét đã biến tính thích hợp.