1.2. BIẾN ĐỔI BỀ MẶT KHOÁNG MICA
1.2.3. Biến đổi bề mặt khoáng mica bằng các hợp chất silan
Với bề mặt tương đối trơ về mặt hóa học và không tương thích với các chất nền polyme của mica đã hạn chế nhiều ứng dụng của nó. Vì vậy cũng như nhiều chất độn vô cơ khác, biến đổi bê mặt của mica là cần thiết trong nhiều trường hợp để nâng cao khả năng tương hợp với polyme nền.
Phương pháp biến đổi bề mặt mica được sử dụng phổ biến hiện nay là sử dụng các tác nhân ghép nối silan.
Phương pháp biến đổi bề mặt các chất độn nói chung bằng các hợp chất silan ngày càng trở nên phổ biến do có được nhiều ưu điểm, đặc biệt là trong khả năng tăng cường tính chất của vật liệu.
Một tác nhân ghép silan sẽ hoạt động ở bề mặt phân cách giữa chất độn vô cơ (như thuỷ tinh, kim loại hay khoáng chất) để liên kết hay ghép nối hai loại vật liệu ít tương thích này.
Sau khi biến đổi bằng các hợp chất silan, bề mặt của mica được hoạt hoá nhờ các nhóm chức hữu cơ như amino, epoxy hay vinyl. Khi gia cường cho các vật liệu polyme hay cao su, mica có thể tạo liên kết hoá học hay vật lý với các pha nền trên mô tả trong 2 trường hợp dưới đây [22]:
- Tham gia phản ứng lưu hoá cao su
- Tạo liên kết vật lý với polyme:
Như vậy tuỳ từng loại polyme hay cao su được gia cường mà cần phải lựa chọn hợp chất silan cho phù hợp để thực hiện quá trình xử lý biến đổi bề mặt mica.
Phương pháp biến đổi bề mặt gián tiếp
Như trên đã trình bày, trên bề mặt của các phiến mica không có nhóm hydroxyl. Các nhóm hydroxyl nằm bên trong tinh thể, dưới bề mặt khoáng 0.17 nm. Vì vậy khó có thể biến đổi bề mặt mica trực tiếp bằng liên kết hóa học tạo ra từ phản ứng giữa các nhóm hydroxyl của mica với các nhóm silanol tạo thành sau khi thủy phân các hợp chất silan.
Nhóm tác giả E. Kiss và C-G. Golander [23] đã thực hiện thành công quá trình biến đổi bề mặt của mica với nước ở thể plasma để tạo ra các nhóm Si-OH hoạt động trên bề mặt của mica, sau đó tiến hành quá trình silan hóa bề mặt bằng isocynatopropyldimethylchlorosilane:
Khi đã tạo được các nhóm silanol (Si-OH) trên bề mặt của mica, quá trình silan hóa trên bề mặt của nó như nhiều tài liệu đã đề cập diễn ra như sau [24]:
- Đầu tiên là sự thủy phân 3 nhóm alkoxy tạo ra các thành phần chứa silanol (Si-OH).
- Tiếp đó là quá trình ngưng tụ của các silanol tạo ra oligome.
- Các oligome sau đó tạo liên kết hydro với các nhóm OH trên bề mặt của chất nền.
- Cuối cùng là quá trình làm khô, 1 liên kết cộng hóa trị được hình thành đi kèm với sự tách nước.
Phương pháp biến đổi bề mặt trực tiếp
Nhiều tác giả khác cũng đã tiến hành biến đổi trực tiếp bề mặt của mica bằng các hợp chất silan trên cơ sở bề mặt tích điện âm của mica. Các phản ứng silan hóa diễn ra trên bề mặt chủ yếu là phản ứng trao đổi ion của các cation silan hoặc các phần mang điện tích dương trên phân tử silan với ion K+, nhằm mục đích trung hòa phần điện tích âm trên bề mặt mica [25].
B. D. Favis và đồng nghiệp [26] đã sử dụng phương pháp phân tích cacbon để xác định lượng cation vinyl benzyl silan (CVBS) hấp phụ trên bề mặt mica. Kết quả cho thấy CVBS có thể hấp phụ khá tốt trên bề mặt mica trong một khoảng pH rộng của dung dịch xử lý và tốt nhất trong môi trường trung tính hoặc axit. Trong một nghiên cứu khác, Favis cũng đã sử dụng CVBS để biến đổi bề mặt của mica và đưa vào polystyren. Sản phẩm mica đã được biến đổi bề mặt bằng hợp chất silan có khả năng tương tác tốt với chất nền polystyren [27].
C. R. G. Furtado và các đồng nghiệp [3] đã sử dụng bis(3- triethoxysilylpropyl) tetrasunphide biến đổi bề mặt của mica để thay thế một phần oxit silic dùng làm chất độn cho cao su styren butadien. Các tác giả đã chỉ ra rằng, các tác nhân ghép silan đã tăng cường tương tác giữa
chất độn với cao su từ đó nâng cao một số tính chất của vật liệu.
Để sử dụng các phiến mica gia cường cho HDPE, Tariq M. Malik đã tiến hành xử lý bề mặt của chất độn bằng α-aminopropyltriethoxysilan và alkoxy trimethacryl titanat. Kết quả cho thấy với các chất độn đã được xử lý bề mặt, tính chất cơ lý của vật liệu đã được tăng lên, đặc biệt là trong trường hợp xử lý bề mặt bằng hợp chất silan [28].
Khả năng hấp phụ của hợp chất silan phụ thuộc vào pH và thực tế là các lớp silan trên bề mặt có thể bị giải hấp nếu được ngâm trong dung dịch chất điện ly cũng cho thấy rằng liên kết của các silan với bề mặt mica là các liên kết tĩnh điện tạo thành do sự hút bám giữa các nhóm amoni và bề mặt tích điện âm của mica. Trong nghiên cứu khả năng hấp phụ của các aminsilan trên bề mặt của mica, Peter Herder và cộng sự đã sử dụng 3- aminopropyltriethoxysilan và N-(N-vinylbenzyl-2-aminoethyl)-3- aminopropyltrimethoxysilan hydroclorit để biến đổi bề mặt của mica. Phân tích các kết quả thu được, các tác giả rút ra kết luận rằng với các bề mặt tích điện cao như của mica thì cơ chế cho sự ghép nối với các aminsilan là các tương tác tĩnh điện với bề mặt tĩnh điện âm trên bề mặt của mica [25]:
Phòng nghiên cứu vật liệu Polyme và Compozit đã nghiên cứu biến đổi bề mặt của mica bằng 3-aminopropyltrimethoxysilan (3-APTMS) để sử dụng làm chất độn gia cường cho sơn epoxy. Phản ứng silan hóa bề mặt mica được thực hiện theo phương pháp trực tiếp trong dung dịch etanol trong môi trường axit. Đầu tiên, các phân tử silan được thủy phân trong
dung dịch etanol, dung dịch được điều chỉnh về môi trường axit để thúc đẩy quá trình thủy phân, đồng thời cation hóa các nhóm amin. Kết quả phân tích nhiệt cho biết quá trình silan hóa trong dung dịch 1% silan đã tạo ra lượng hấp phụ 3,06% 3-APTMS trên bề mặt mica. Kết quả nghiên cứu đã nhận thấy được sự cần thiết của việc biến đổi bề mặt mica bằng các hợp chất silan khi đã làm cho chất độn có thể tương tác tốt với chất nền và làm tăng các tính chất cơ lý của vật liệu [19].
Trước đó, phòng nghiên cứu vật liệu Polyme và Compozit cũng đã nghiên cứu biến đổi bề mặt mica bằng hai hợp chất silan là 3- aminopropyltriethoxysilan và vinyltrimethoxysilan. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, mica đã biến đổi bề mặt có khả năng tương tác tốt với chất nền cao su, và tăng cường một số tính chất cơ lý của vật liệu, trong đó các mẫu khoáng mica biến đổi bề mặt bằng hợp chất vinylsilan tỏ ra tương tác tốt với cao su hơn là biến đổi bề mặt bằng hợp chất aminsilan [20].