- Nội dung đề tài này bao gồm: tinh chế khoáng sét, hữu cơ hoá khoáng sét thu được và khảo sát quá trình trùng hợp của stiren và metyl metacrylat với sự có mặt của nanoclay đã hữu cơ hóa.. - Tổng quan về clay và điều chế clay hữu cơ 1.1.1. - Tên khoáng sét. - Chính những tâm này là nơi xảy ra các phản ứng và cũng là nơi có khả năng hấp phụ các chất phân cực hay các chất hữu cơ. - ã Trong tinh thể của sét tồn tại các nhóm OH, nguyên tử H trong nhóm này trong điều kiện nhất nhất định có thể tham gia phản ứng trao đổi . - Các cation dương Na+, Ca2+ này có thể được thay thế một cách có mục đích bằng các cation khác có khả năng hidrat hoá nhưng có tính ưa hữu cơ. - Phản ứng trao đổi giữa 2 cation kết hợp với đất sét có thể được biểu diễn như sau: (Đất sét)Na + NH4OH ( (Đất sét)NH4 + NaOH Một đương lượng. - Chỉ số acid luôn thấp hơn giá trị CEC cho thấy dung môi không phân cực trong các khe hở của lớp sét không là môi trường hiệu quả cho các phản ứng acid - bazơ. - Tương tác bề mặt rắn của đất sét với phân tử chất hữu cơ phụ thuộc vào tính kị nước. - Nhờ có các nhóm chức ở viền ngoài và bề mặt phân bố đều, đất sét có khả năng hấp phụ được nhiều chất hữu cơ. - Khái niệm Biến tính clay là chuyển các clay từ dạng ưa nước sang dạng clay ưa hữu cơ do giữa các lớp của nó có chứa các cation có khả năng trao đổi với các cation hữu cơ. - Để làm được điều này, người ta thường cho các cation hữu cơ trao đổi với các ion kim loại trong cấu trúc lớp của clay. - Do clay có cấu trúc lớp, giữa các lớp có một số ion mà có thể được trao đổi với các ion hữu cơ khác, vì vậy clay có thể được biến tính bằng các muối hữu cơ amoni. - Do có các gốc hữu cơ trong các amoni nên MMT sau khi đã biến tính có thể trương nở được trong các dung môi kém phân cực. - MMT + Na+ ã Tương tác ion lưỡng cực Đây là một phương pháp tương đối mới, nó bao gồm việc gắn các phân tử hữu cơ có chứa các nhóm như alcolhol, carbonyl, ether vào các cation có khả năng trao đổi trên bề mặt của clay. - Do vậy các nhà khoa học đã sử dụng khoáng sét với thành phần chính là MMT để làm vật liệu gốc chế tạo vật liệu nanocomposit vô cơ lai hữu cơ. - Mục đích của việc hữu cơ hoá MMT là chuyển từ vật liệu ưa nước sang ưa dầu với những gốc thế khác nhau và có khả năng trương nở trong dung môi hữu cơ, khuyếch tán và tương tác tốt trong các polyme thông qua các quá trình hoà tan trong dung môi hữu cơ. - Hay nói cách khác quá trình hữu cơ hoá khoáng sét là quá trình chuyển MMT vô cơ thành MMT hữu cơ. - Đây chính là quá trình trao đổi ion Na+, K+ với nhóm mang điện tích dương phần đầu của hợp chất hữu cơ (điển hình là nhóm amoni cation) có phần đuôi là các gốc hữu cơ khác nhau:. - Tiếp theo khi các chất hữu cơ hoặc polyme ở khoảng giữa các lớp MMT sẽ thúc đẩy quá trình khuyếch tán những hạt nano MMT lai hữu cơ trong dung môi hữu cơ hoặc trong polyme. - Hầu hết các tác nhân biến tính hữu cơ MMT đều có mạch hydro cacbon dài. - Phản ứng hữu cơ hoá khoáng sét trong dung dịch nước phụ thuộc nhiều vào quá trình trương nở của MMT. - Hình 5.(b): Sơ đồ tách các hạt sét trong dung dịch Phản ứng hữu cơ hoá MMT được thực hiện ở giữa giai đoạn này bằng phản ứng trao đổi ion: Phản ứng này chỉ xảy ra với khoáng sét có cấu trúc lớp 2:1, đặc biệt là montmorillonit và vermiculite. - Cấu trúc của clay hữu cơ Sự thay thế các cation vô cơ bằng cation hữu cơ trên bề mặt giữa các lớp của clay hay MMT sẽ làm giãn rộng khoảng cách giữa các lớp. - Hình 6: Cấu trúc của các dạng Clay hữu cơ khác nhau 1.2. - Poli stiren Poli stiren ( Viết tắt và thường gọi là PS ) là một loại nhựa nhiệt dẻo được tạo thành từ phản ứng trùng hợp stiren:. - Polimetyl metacrylat được điều chế bằng phản ứng trùng hợp metyl metacrylat:. - ứng dụng clay hữu cơ trong vật liệu composit 1.3.1. - Giới thiệu về vật liệu composit. - ứng dụng của vật liệu composit. - Vì vậy việc bóc tách này phải thực hiện qua quá trình đưa các chất hữu cơ phân tử lượng thấp vào giữa các lớp MMT silicat, quá trình này được gọi là quá trình hữu cơ hoá khoáng sét. - Chất hữu cơ phân tử lượng thấp có chứa nitơ (amin) thường được dùng vào mục đích này. - Có thể tóm tắt quá trình hữu cơ hoá khoáng sét thường được sử dụng hiện nay bằng sơ đồ dưới đây:. - Hình 7: Quá trình hữu cơ hoá khoáng sét Các chất được dùng để hữu cơ hoá khoáng sét thường là các amin được cho ở bảng dưới đây:. - Quá trình phân tán MMT trong polyme có thể tiến hành theo ba phương pháp: ã Phương pháp dung dịch Polyme nền được tan trong dung môi hữu cơ, dung môi hữu cơ xâm nhập vào các lớp MMT đã biến tính hữu cơ hoá. - ã Phương pháp trùng hợp Đây là phương pháp phản ứng trùng hợp polyme được tiến hành trong các lớp MMT của khoáng sét. - Trong phương pháp trộn hợp và phương pháp dung dịch thì monome được trùng hợp tạo polime trước rồi sau đó khuyếch tán MMT lai hữu cơ vào polime. - Chế tạo nanoclay hữu cơ. - Clay hữu cơ được chế tạo bởi phản ứng trao đổi ion thông thường giữa các cation Na+ trong lớp MMT với tác nhân chèn lớp là acryamide đã axit hóa. - Hỗn hợp phản ứng được để qua đêm. - ã Clay hữu cơ được thu hồi bằng phương pháp ly tâm, sau đó lọc rửa để loại hết amonium. - Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng Thời gian phản ứng của stiren * Cho vào bình 3 cổ 90g dung môi xilen. - nhiệt độ phản ứng được giữ ở 700C. - Phản ứng được tiến hành với máy khuấy cơ trong bình 3 cổ trong các khoảng thời gian lần lượt là: 15 phút, 30 phút, 45 phút, 60 phút, 75 phút. - Thời gian phản ứng của metyl metacrylat. - Phản ứng được tiến hành với máy khuấy cơ trong bình 3 cổ trong các khoảng thời gian lần lượt là: 30 phút, 45 phút, 60 phút, 75 phút, 90 phút, 120 phút ã Kết tủa sản phẩm bằng rượu etylic rồi sấy khô sau đó đem xác định trọng lượng phân tử. - Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng Nhiệt độ phản ứng của stiren * Cho vào bình 3 cổ 90g dung môi xilen. - thời gian phản ứng là 45 phút. - Phản ứng được tiến hành với máy khuấy cơ trong bình 3 cổ ở các nhiệt độ là 500C, 600C, 700C, 800C, 900C Kết tủa sản phẩm bằng rượu metylic rồi sấy khô sau đó đem xác định trọng lượng phân tử. - Nhiệt độ phản ứng của metyl metacrylat. - thời gian phản ứng là 75 phút. - Phản ứng được tiến hành với máy khuấy cơ trong bình 3 cổ ở các nhiệt độ là 500C, 600C, 700C, 800C, 900C Kết tủa sản phẩm bằng rượu etylic rồi sấy khô sau đó đem xác định trọng lượng phân tử. - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào Phản ứng của stiren * Cho vào bình 3 cổ 90g dung môi xilen. - thời gian phản ứng là 45 phút, nhiệt độ 700C. - Phản ứng được tiến hành với máy khuấy cơ trong bình 3 cổ với lượng chất khơi mào lần lượt là 0.01g. - Phản ứng của metyl metacrylat. - thời gian phản ứng là 75 phút, nhiệt độ 700C. - Trùng hợp stiren và metyl metacrylat khi có mặt nanoclay Phản ứng của stiren * Cho vào bình 3 cổ 90g dung môi xilen. - thời gian phản ứng là 45 phút, nhiệt độ 700C, lượng chất khơi mào là 0,03g. - Phản ứng được tiến hành với máy khuấy cơ trong bình 3 cổ với lượng nanoclay đã hữu cơ hóa lần lượt là 0,1g. - 1g ( Tương ứng với tỉ lệ % nanoclay so với chất phản ứng lần lượt là Kết tủa sản phẩm bằng rượu metylic rồi sấy khô sau đó đem xác định trọng lượng phân tử. - thời gian phản ứng là 75 phút, nhiệt độ 700C, lượng chất khơi mào là 0,04g . - Phản ứng được tiến hành với máy khuấy cơ trong bình 3 cổ với lượng nanoclay đã hữu cơ hóa lần lượt là 0.2g. - 1g ( Tương ứng với tỉ lệ % nanoclay so với chất phản ứng lần lượt là Kết tủa sản phẩm bằng rượu etylic rồi sấy khô sau đó đem xác định trọng lượng phân tử. - Xác định khả năng hữu cơ hoá nanoclay bằng acryamide. - Chưa hữu cơ hóa). - ảnh hưởng của thời gian phản ứng Bảng 3.1. - thời gian phản ứng Thời gian phản ứng ( phút). - Trọng lượng phân tử x 1000 15. - thời gian phản ứng. - ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng. - nhiệt độ phản ứng. - Nhiệt độ phản ứng. - Trọng lượng phân tử x 1000 500C. - ảnh hưởng của tỉ lệ chất khơi mào phản ứng. - Trọng lượng phân tử x 1000 0.1%. - Khi thời gian phản ứng tăng thì trọng lượng phân tử tăng. - Theo nguyên tắc thời gian phản ứng càng lâu thì trọng lượng phân tử càng lớn tuy nhiên sau thời gian phản ứng là 45 phút thì trọng lượng phân tử tăng không đáng kể do vậy ở đây chúng tôi chọn thời gian phản ứng là 45 phút. - Phản ứng xảy ra do xúc tác của gốc tự do. - Khi nhiệt độ thấp sự phân hủy của benzoylpeoxit chậm nên tốc độ phản ứng chậm do đó trọng lượng phân tử thấp. - Khi nồng độ thấp, lượng benzoylpeoxit ít nên tốc độ phản ứng chậm do đó trọng lượng phân tử thấp. - Với thời gian phản ứng là 45 phút, nhiệt độ 700C, nồng độ chất khơi mào là 0,3% thì trọng lượng phân tử có thể đạt khoảng . - ảnh hưởng của thời gian phản ứng Bảng 3.4. - Trọng lượng phân tử x 1000 30. - nhiệt độ phản ứng 3.2.2.3. - ảnh hưởng của tỉ lệ chất khơi mào phản ứng Bảng 3.6. - Theo nguyên tắc thời gian phản ứng càng lâu thì trọng lượng phân tử càng lớn tuy nhiên sau thời gian phản ứng là 75 phút thì trọng lượng phân tử tăng không đáng kể do vậy ở đây chúng tôi chọn thời gian phản ứng là 75 phút. - Với thời gian phản ứng là 75 phút, nhiệt độ 700C, nồng độ chất khơi mào là 0,4% thì trọng lượng phân tử có thể đạt khoảng 450.000 Như vậy việc giải thích các yếu tố ảnh hưởng tới trọng lượng phân tử hoàn toàn tương tự như trường hợp của PS. - Thời gian phản ứng lâu hơn có thể là do phân tử metyl metacrylat cồng kềnh hơn. - Nhiệt độ phản ứng vẫn được lựa chọn ở 700C có thể là do lựa chọn cùng 1 chất xúc tác.. - Trùng hợp stiren khi có mặt nanoclay Tiến hành trùng hợp Stiren ở 700C , thời gian phản ứng là 45 phút , chất khơi mào 0.3% Với tỉ lệ nanoclay lần lượt là 1%, 2%, 3. - Trọng lượng phân tử x 1000 1%. - Trùng hợp metylmetacrylat khi có mặt nanoclay Tiến hành trùng hợp Metyl metacrylat ở 700C , thời gian phản ứng là 75 phút , chất khơi mào 0.4% Với tỉ lệ nanoclay lần lượt là 2%, 3. - Trọng lượng phân tử x 1000 2%. - Qua bảng 3.7 và 3.8 cũng như các đồ thị ta thấy với cùng điều kiện nhiệt độ, thời gian phản ứng và nồng độ chất xúc tác thì trọng lượng phân tử hầu như không phụ thuộc vào sự có mặt của nanoclay. - Clay hữu cơ. - Khoảng cách giữa các lớp MMT sau khi hữu cơ hoá bằng acryamide. - Đã khảo sát được sự ảnh hưởng của nanoclay hữu cơ đến tính cơ lý của màng. - Hàm lượng nanoclay hữu cơ có ảnh hưởng tốt nhất đến màng là 3% khối lượng của hệ polyme đối với Stiren và 5% đối với Metyl metacrylat.. - Nhìn chung vật liệu polyme nanoclay composit được chế tạo từ nanoclay hữu cơ đều thể hiện tính năng cơ lý tương đối tốt. - Phản ứng