Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu tính chất của vật liệu compozit chế tạo từ cao su thiên nhiên và sét biến tính

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài này nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu CSTN/clay nanocompozit có cấu trúc xen lớp bằng phương pháp dung kết hợp khuấy trộn 4h và rung siêu âm 2h. Xác định được với 4 pkl sét hữu cơ (P-DMDOA và I.28E) gia cường, tính chất cơ lý của vật liệu đạt cực đại và không có sự khác nhau đáng kể. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu tính chất của vật liệu compozit chế tạo từ cao su thiên nhiên và sét biến tính

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  TỪ ĐỨC HÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT CHẾ TẠO TỪ CAO SU THIÊN NHIÊN VÀ SÉT BIẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Thái Nguyên, năm 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  TỪ ĐỨC HÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT CHẾ TẠO TỪ CAO SU THIÊN NHIÊN VÀ SÉT BIẾN TÍNH Chuyên ngành : Hoá vô cơ Mã số: 60.44.25 LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Nghiêm Xuân Thung Thái Nguyên, năm 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nghiêm Xuân Thung đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa sau Đại học, Khoa Hóa học Trường ĐHSP Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài. Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo và các cán bộ phòng thí nghiệm Khoa Hóa học Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Hà Nội, phòng Polyme - Viện Khoa Học Vật Liệu và đặc biệt là TS. Ngô Kế Thế, NCS. Phạm Thị Hà Thanh đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực nghiệm. Cùng với sự biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, tổ chuyên môn Trường THPT Hải Đảo đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Thái Nguyên, tháng 7 năm 2011 Tác giả Từ Đức Hà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả Từ Đức Hà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
i MỤC LỤC Trang bìa phụ Lời cảm ơn Mục lục ................................................................................................................. i Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .............................................................. iv Danh mục các bảng ............................................................................................. v Danh mục các hình ............................................................................................. vi MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................. 2 1.1. Tổng quan về khoáng sét bentonit. .......................................................... 2 1.1.1. Thành phần và cấu trúc của bentonit ........................................................ 2 1.1.2. Tính chất của bentonit............................................................................... 4 1.2. Tổng quan về sét hữu cơ ............................................................................ 6 1.2.1. Phương pháp điều sét sét hữu cơ .............................................................. 6 1.2.2. Cấu trúc sét hữu cơ ................................................................................... 9 1.2.3. Tính chất của sét hữu cơ ......................................................................... 10 1.2.4. Ứng dụng của sét hữu cơ ........................................................................ 10 1.3. Tổng quan cao su thiên nhiên. ................................................................ 11 1.3.1. Thành phần của cao su thiên nhiên (CSTN) . ......................................... 11 1.3.2. Cấu tạo hóa học của CSTN ..................................................................... 13 1.3.3. Tính chất của cao su thiên nhiên. ............................................................ 13 1.4. Tổng quan vật liệu polyme/clay nanocompozit. .................................... 15 1.4.1. Khái niệm ................................................................................................ 15 1.4.2. Các loại vật liệu polyme/clay nanocompozit ......................................... 17 1.4.3. Công nghệ tổng hợp vật liệu polyme - clay nanocompozit. ................... 18 1.4.4. Tính chất của vật liệu polyme - clay nanocompozit. .............................. 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ii 1.5. Các hƣớng nghiên cứu vật liệu polyme/clay nanocompozit và vật liệu CSTN/clay nanocompozit........................................................................ 20 CHƢƠNG II : THỰC NGHIỆM ................................................................... 25 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị ................................................................. 25 2.1.1 Hóa chất .................................................................................................. 25 2.1.2. Dụng cụ .................................................................................................. 28 2.1.3 Thiết bị .................................................................................................... 28 2.2. Phƣơng pháp chế tạo mẫu....................................................................... 29 2.2.1. Phương pháp điều chế sét hữu cơ ........................................................... 29 2.2.2. Phương pháp chế tạo hỗn hợp chủ CSTN/sét hữu cơ ............................. 29 2.2.3. Phương pháp chế tạo mẫu vật liệu CSTN clay nanocompozit ............... 29 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu mẫu ................................................................ 30 2.3.1. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR)............................................. 30 2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ...................................................... 31 2.3.3. Phương pháp phân tích nhiệt .................................................................. 32 2.3.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) ....................................... 33 2.3.5. Phương pháp xác định các tính chất cơ lý .............................................. 33 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................. 35 3.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế sét hữu cơ ...... 35 3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng .......................................................... 35 3.1.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng DMDOA/bentonit ............................... 37 3.1.3. Ảnh hưởng của pH dung dịch ................................................................. 39 3.2. Nghiên cứu khả năng gia cƣờng của sét hữu cơ đến tính chất cơ lý của CSTN ......................................................................................................... 43 3.2.1. Nghiên cứu phương pháp phân tán sét hữu cơ vào nền cao su............... 43 3.2.2. Nghiên cứu khả năng gia cường của sét hữu cơ (P-DMDOA) cho vật liệu CSTN ......................................................................................................... 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
iii 3.2.3. Nghiên cứu khả năng gia cường của sét hữu cơ I.28E cho vật liệu CSTN .. 50 3.2.4. So sánh ảnh hưởng của các chất phụ gia nanoclay đến tính chất cơ lý của vật liệu CSTN ............................................................................................. 51 3.2.5. Nghiên cứu tính chất nhiệt của vật liệu CSTN/clay nanocompozit ....... 52 3.3. Nghiên cứu khả năng gia cƣờng của sét hữu cơ đến tính chất cơ lý của vật liệu compozit CSTN/tro bay ............................................................. 52 3.3.1. Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất vật liệu cao su thiên nhiên. .......... 52 3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro bay biến tính đến tính chất vật liệu cao su thiên nhiên/nanoclay P-DMDOA. ............................................ 54 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 57 PHỤ LỤC ......................................................................................................... 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ 1. ABS Acryonitrile butadiene styrene 2. CSTN Cao su thiên nhiên 3. DMDOA Đimetylđioctađecylammoni clorua 4. HDPE High density poly ethylene 5. MMT Montmorillonit 6. NBR Cao su nitril 7. PCL Poly ε – caprolactone 8. PEO Poly etylen oxit 9. PLA Poly lactide 10. PMMA Poly metyl metacrylat 11. PP Poly propylene 12. PS Poly styren 13. PVA Poly vinyl ancol 14. Tg Nhiệt độ thủy tinh hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các chất hữu cơ dùng làm tác nhân biến tính MMT đang được sử dụng [6] ......................................................................................................8 Bảng 1.2. Thành phần hoá học của cao su thiên nhiên .............................................12 Bảng 1.3. Thành phần tiêu chuẩn để xác định các tính chất cơ lý của CSTN ..........14 Bảng 2.1. Thành phần của bentonit Prolabo – Pháp. ...............................................25 Bảng 2.2. Đặc trưng kỹ thuật của nanoclay I. 28E. .................................................25 Bảng 2.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật của tro bay .............................................................26 Bảng 2.4 . Chỉ tiêu kỹ thuật CSTN ..........................................................................27 Bảng 2.5. Hợp phần tiêu chuẩn chế tạo mẫu CSTN .................................................30 Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến giá trị d001 ...................................36 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến (%) xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ. ................................................................................................36 Bảng 3.3. Hàm lượng DMDOA xâm nhập vào bentonit ở các tỉ lệ khối lượng DMDOA/bentonit khác nhau...................................................................38 Bảng 3.4. Tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/sét hữu cơ chế tạo bằng phương pháp khối và dung dịch :..........................................................................43 Bảng 3.5. Tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/sét hữu cơ chế tạo trong dung dịch bằng khuấy cơ học và kết hợp với rung siêu âm : ...........................44 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của hàm lượng sét hữu cơ P-DMDOA đến tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/P-DMDOA ............................................................48 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng sét hữu cơ I.28E đến tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/I.28E ................................................................................50 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của chất phụ gia nanoclay đến tính chất cơ lý của CSTN .....51 Bảng 3.9. Đánh giá vùng phân hủy nhiệt ban đầu ....................................................52 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay tới tính chất của vật liệu CSTN ......53 Bảng 3.11. Tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/tro bay biến tính. .............................53 Bảng 3.12. Tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/tro bay biến tính Si69/nanoclay. .....54 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay biến tính Si69 tới tính chất của vật liệu CSTN/sét hữu cơ .........................................................................55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc tứ diện SiO4 và bát diện MeO6 .....................................................2 Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT ...................................................................3 Hình 1.3. Quá trình xâm nhập của cation vào trao đổi cation Na+ trong khoảng giữa hai lớp MMT ......................................................................................4 Hình 1.4. Quá trình hữu cơ hóa khoáng sét ...............................................................7 Hình 1.5. Cấu trúc của sét hữu cơ ..............................................................................9 Hình 1.6. Các dạng vật liệu polyme/clay nanocompozit ..........................................17 Hình 1.7. Sơ đồ biểu diễn khả năng che chắn của vật liệu polyme - clay nanocompozit ...........................................................................................20 Hình 2.1. Phân bố kích thước hạt tro bay..................................................................26 Hình 2.2. Hình dạng và kích thước mẫu đo độ bền kéo đứt .....................................33 Hình 3.1. Giản đồ XRD của bentonit (Pháp) (a) và các mẫu sét hữu cơ ở các nhiệt độ 40oC, 50oC, 60oC; 70oC; 80oC tương ứng lần lượt với các đường 1, 2, 3, 4, 5 (b). .............................................................................36 Hình 3.2. Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ ở các tỉ lệ khối lượng DMDOA/bentonit là 0,6; 0,7; 0,8; 0,9;1,0; 1,1 tương ứng lần lượt với các đường 1, 2, 3, 4, 5, 6 (a) và đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 vào tỷ lệ khối lượng DMDOA/bentonit của các mẫu sét hữu cơ (b). ..........................................................................................38 Hình 3.3. Giản đồ XRD (a) của các mẫu sét hữu cơ ở các giá trị pH 7, 8, 9, 10 tương ứng lần lượt với các đường 1, 2, 3, 4 và đồ thị (b) biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 vào pH dung dịch của các mẫu sét hữu cơ.......40 Hình 3.4. Sự phụ thuộc của giá trị d001 vào thời gian phản ứng ...............................41 Hình 3.5. Phổ hấp thụ hồng ngoại của bentonit (1) và sét hữu cơ (2) ......................41 Hình 3.6. Ảnh SEM của mẫu bentonit (a) và sét hữu cơ (b).....................................42 Hình 3.7. Phổ XRD của sét hữu cơ P-DMDOA .......................................................45 Hình 3.8. Phổ XRD của hỗn hợp chủ CSTN/P-DMDOA ........................................46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
vii Hình 3.9. Phổ XRD của sét hữu cơ I.28E .................................................................47 Hình 3.10. Phổ XRD của hỗn hợp chủ CSTN/I.28E ................................................47 Hình 3.11. Ảnh hưởng của hàm lượng sét hữu cơ P-DMDOA đến độ bền kéo đứt của vật liệu CSTN/ P-DMDOA ........................................................49 Hình 3.12. Ảnh hưởng của hàm lượng sét hữu cơ I.28E đến độ bền kéo đứt của vật liệu CSTN/ I.28E .........................................................................50 Hình 3.13. Ảnh SEM vật liệu CSTN chứa 30 pkl tro bay (a)- Chưa được biến đổi bề mặt và (b)- Đã được biến đổi bề mặt ............................................53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
1 MỞ ĐẦU Trong thời gian gần đây, chúng ta được nghe nói nhiều đến vật liệu nano. Đây là một loại vật liệu mới, có nhiều tính năng ưu việt đáp ứng được những yêu cầu, đòi hỏi khá khắt khe của các ngành khoa học công nghệ cao như: công nghệ thông tin, điện tử viễn thông, công nghệ hàng không vũ trụ, công nghệ quân sự, công nghệ sinh học, y học... Vì vậy việc nghiên cứu về vật liệu nano là một trong những mục tiêu hàng đầu của nhiều viện nghiên cứu, phòng thí nghiệm trên thế giới. Kể từ khi lần đầu tiên chế tạo thành công vật liệu polyme/nanoclay compozit tại phòng thí nghiệm của công ty Toyota từ polyamit 6 và montmorillonit năm 1993 thì hướng nghiên cứu về vật liệu này đã và đang được nhiều quốc gia quan tâm phát triển. Khoáng sét khá phổ biến trong tự nhiên, quá trình tinh chế, biến tính tạo sét hữu cơ đơn giản.Với việc sử dụng sét hữu cơ có kích thước nano đưa vào trong mạng polyme đã cải thiện và tăng cường đáng kể tính chất của polyme. Cao su thiên nhiên là một loại polyme sẵn có ở Việt Nam với giá thành thấp. Loại polyme tự nhiên này được sử dụng để chế tạo từ những sản phẩm thông thường đến những sản phẩm cao cấp như: săm lốp, đế giày, găng tay, gối nệm… Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng của sét hữu cơ vào trong cao su thiên nhiên để nâng cao các tính chất cơ lý mong muốn là một hướng nghiên cứu rộng mở, cần thiết và có ứng dụng thực tiễn. Do đó, với mong muốn tiếp cận hướng nghiên cứu trong lĩnh vực mới này nhằm tạo ra vật liệu polyme-clay nanocompozit có tính chất ưu việt, tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu tính chất của vật liệu compozit chế tạo từ cao su thiên nhiên và sét biến tính”. Mục đích nghiên cứu: - Điều chế sét hữu cơ. - Chế tạo vật liệu cao su - clay nanocompozit. - Khảo sát một vài tính chất của vật liệu thu được. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về khoáng sét bentonit. 1.1.1. Thành phần và cấu trúc của bentonit Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên có thành phần chính là montmorillonit (MMT), vì vậy có thể gọi bentonit theo thành phần chính là MMT. Công thức đơn giản nhất của MMT là Al2O3.4SiO2.nH2O ứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc. Trong trường hợp lý tưởng, công thức của MMT là Si8Al4O20(OH)4 ứng với một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên, thành phần của MMT luôn khác với thành phần biểu diễn lý thuyết do có sự thay thế đồng hình của ion kim loại Al3+, Fe3+, Fe2+, Mg2+… với ion Si4+ trong tứ diện SiO4 và Al3+ trong bát diện AlO6. Như vậy thành phần hóa học của MMT ngoài sự có mặt của Si và Al còn thấy các nguyên tố khác như Fe, Zn, Mg, Na, K… trong đó tỷ lệ Al2O3: SiO2 thay đổi từ 1: 2 đến 1: 4. [6, 8]. Hình 1.1. Cấu trúc tứ diện SiO4 và bát diện MeO6 Cấu trúc tinh thể của MMT được tạo bởi hai mạng lưới tứ diện liên kết với mạng lưới bát diện ở giữa tạo nên một lớp cấu trúc, mỗi lớp cấu trúc được phát triển liên tục trong không gian theo hướng a và b. Trong không gian giữa các lớp còn tồn tại nước và nước có xu hướng tạo vỏ hydrat với các cation trong đó. Các lớp được chồng xếp song song và ngắt quãng theo trục c, cấu trúc này tạo không gian ba chiều của tinh thể MMT. Khi phân ly trong nước MMT dễ dàng trương nở và phân tán thành những hạt nhỏ cỡ micromet và dừng lại ở trạng thái lỏng lẻo theo lực hút Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3 Van der Waals. Chiều dày mỗi lớp cấu trúc của MMT là 9,2 ÷ 9,8 Å. Khoảng cách giữa các lớp trong trạng thái trương nở khoảng từ 5 ÷ 12 Å tùy theo cấu trúc tinh thể và trạng thái trương nở [8]. c b a Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT Trong tự nhiên, khoáng sét MMT thường có sự thay thế đồng hình của các cation hóa trị II (như Mg2+, Fe2+…) với Al3+ và Al3+ với Si4+ hoặc do khuyết tật trong mạng nên chúng tích điện âm. Để trung hòa điện tích của mạng, MMT tiếp nhận các cation từ ngoài. Chỉ một phần rất nhỏ các cation này (Na+, K+, Li+…) định vị ở mặt ngoài của mạng còn phần lớn nằm trong vùng không gian giữa các lớp. Trong khoáng MMT, các cation này có thể trao đổi với các cation ngoài dung dịch với dung lượng trao đổi cation khác nhau tùy thuộc vào mức độ thay thế đồng hình trong mạng. Lực liên kết giữa các cation thay đổi nằm giữa các lớp cấu trúc mạng. Các cation này (Na+, K+, Li+…) có thể chuyển động tự do giữa mặt phẳng tích điện âm và bằng phản ứng trao đổi ion ta có thể biến tính MMT. Lượng trao đổi ion của MMT dao động trong khoảng 70 ÷ 150 mgdl/100g. Quá trình trương nở và quá trình xâm nhập những cation khác vào khoảng xen giữa mạng và làm thay đổi khoảng cách giữa chúng theo sơ đồ: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4 Hình 1.3. Quá trình xâm nhập của cation vào trao đổi cation Na+ trong khoảng giữa hai lớp MMT Quá trình xâm nhập cation vào không gian hai lớp MMT làm dãn khoảng cách cơ sở lên vài chục Å tùy thuộc vào loại cation thế. Ở Việt nam, khoáng sét bentonit có hai nguồn chính là ở Di Linh - Lâm Đồng và ở Tuy Phong - Bình Thuận. Sét Di Linh - Lâm Đồng là chứa ion kiềm thổ (Ca2+, Mg2+), sét ở Tuy Phong - Bình Thuận chứa ion kiềm (Na+, K+) nên độ trương nở cao hơn, có khả năng trao đổi lớn hơn. Các kết quả của nhiều tác giả đã cho thấy rằng khả năng trao đổi ion của khoáng sét Tuy Phong - Bình Thuận từ 96 ÷ 105 mgdl/100g, trong khi đó dung lượng trao đổi ion trong bentonit của hãng Southerm clay Co là 110 ÷ 115 mgdl/100g, của hãng Merck khoảng 120 mgdl/100g [1, 3]. 1.1.2. Tính chất của bentonit 1.1.2.1. Tính trương nở Tính trương nở là khi bentonit hấp phụ hơi nước hay tiếp xúc với nước, các phân tử nước sẽ xâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cách này tăng lên từ 12,5Å đến 20Å tùy thuộc vào loại bentonit và lượng nước bị hấp phụ. Sự tăng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
5 khoảng cách d001 được giải thích do sự hydrat hóa của các cation giữa các lớp. Sự trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế đồng hình trong môi trường phân tán. Lượng nước được hấp phụ vào giữa các lớp phụ thuộc vào khả năng hydrat hóa của các cation [6]. V  V0 Độ trương nở (n) được tính theo công thức : n  100 0 0 V0 Trong đó: V0 là thể tích ban đầu của bentonit thí nghiệm V là thể tích trương nở trong nước của bentonit 1.1.2.2. Khả năng trao đổi ion Đặc trưng cơ bản của bentonit là trao đổi ion, tính chất đó là do sự thay thế đồng hình của các cation. Khả năng trao đổi ion phụ thuộc vào lượng điện tích âm bề mặt và số lượng ion trao đổi. Nếu số lượng điện tích âm càng lớn, số lượng cation trao đổi càng lớn thì dung lượng trao đổi ion càng lớn. Diện tích bề mặt là tính chất quan trọng của vật liệu bentonit đặc biệt là bentonit có cấu trúc 2:1. Điện tích lớp có ảnh hưởng tới dung lượng trao đổi cation, độ hấp thụ nước và các chất hữu cơ phân cực khác. Điện tích lớp phụ thuộc vào điện tích các đơn vị [O20(OH)4] và tổng điện tích của các tứ diện và bát diện. Dung lượng trao đổi cation không chỉ phụ thuộc vào điện tích lớp mà còn phụ thuộc vào pH môi trường [6]. Nếu biết khối lượng phân tử M và giá trị điện tích lớp của bentonit thì dung lượng trao đổi cation được tính bằng phương trình : CEC ( cmol/kg ) = 105ζ/M ζ : điện tích tổng cộng của các lớp. Nhờ tính chất trao đổi ion này mà người ta có thể biến tính Montmorillonit để tạo ra những mẫu có tính chất xúc tác hấp thụ và các tính chất hóa lí hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng chúng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
6 1.1.2.3.Tính hấp thụ/hấp phụ Tính chất hấp phụ của bentonit được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu trúc lớp của chúng. Bentonit có diện tích bề mặt riêng lớn gồm cả diện tích bề mặt ngoài và diện tích bề mặt trong. Trong đó, diện tích bề mặt trong của bentonit được xác định bởi bề mặt của khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể. Diện tích bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thước hạt. Sự hấp phụ bề mặt trong của bentonit có thể xảy ra với chất bị hấp phụ là các ion vô cơ, các chất hữu cơ ở dạng ion hoặc chất hữu cơ phân cực. Các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation trao đổi nằm giữa các lớp hoặc liên kết với các cation đó qua liên kết với nước. Nếu các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng phân tử lớn, chúng có thể kết hợp trực tiếp vào vị trí oxi đáy của tứ diện trong mạng lưới tinh thể bằng lực Van der Walls hoặc liên kết hidro. Sự hấp phụ các chất hữu cơ không phân cực, các polyme và đặc biệt là vi khuẩn chỉ xảy ra trên bề mặt của bentonit.[6, 8] Do bentonit có cấu trúc tinh thể và độ phân tán cao nên có cấu trúc xốp và bề mặt riêng lớn. Cấu trúc xốp ảnh hưởng rất lớn đến tính chất hấp phụ của các chất, đặc trưng của nó là tính chọn lọc chất bị hấp phụ. Chỉ có phân tử nào có đường kính đủ nhỏ so với lỗ xốp thì mới chui vào được. Dựa vào điều này người ta hoạt hóa sao cho có thể dùng bentonit làm vật liệu tách chất. Đây cũng là một điểm khác nhau giữa bentonit và các chất hấp phụ khác. 1.2. Tổng quan về sét hữu cơ Sét hữu cơ là khoáng sét được biến tính bằng tác nhân hữu cơ hóa là các muối alkyl amoni. 1.2.1. Phương pháp điều sét sét hữu cơ Việc hữu cơ hóa MMT thông qua phản ứng trao đổi giữa các cation kim loại có trong cấu trúc khoáng sét với các cation amoni hữu cơ. Đây chính là quá trình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
7 trao đổi ion Na+, K+ với nhóm mang điện tích dương phần đầu của hợp chất hữu cơ mà điển hình là nhóm cation amoni với phần đuôi là các gốc hữu cơ khác nhau. Phần đuôi của hợp chất này có tính ưa dầu và là tác nhân làm giãn khoảng cách giữa các lớp khoáng sét theo mô hình sau: Hình 1.4. Quá trình hữu cơ hóa khoáng sét Quá trình giãn khoảng cách các lớp MMT làm tăng khả năng xâm nhập của các chất hữu cơ, polyme vào giữa các lớp. Các chất hữu cơ hay polyme ở khoảng giữa các lớp MMT - hữu cơ thúc đẩy quá trình khuếch tán phân ly cỡ nano MMT - hữu cơ trong dung môi hữu cơ hoặc trong polyme. Các tác nhân hữu cơ hay được sử dụng để biến tính khoáng sét được liệt kê trong bảng 1.1. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
8 Bảng 1.1. Các chất hữu cơ dùng làm tác nhân biến tính MMT đang đƣợc sử dụng [6] Điểm Công thức hóa học Tên gọi chảy (0C) CH3N+Cl- Methylamine hyđrochloride 228 CH3(CH2)2NH2 Propyl amine - 83 CH3(CH2)3NH2 Butyl amine -50 CH3(CH2)7NH2 Octyl amine -3 CH3(CH2)9NH2 Decyl amine 13 CH3(CH2)11NH2 Dodecyl amine 30 CH3(CH2)15NH2 Hexadecyl amine 46 CH3(CH2)17NH2 Octadecylamine 57 HOOC(CH2)5NH2 Axit 6 - Aminohexanoic 205 HOOC(CH2)11NH2 Axit 12 - Aminododecanoin 186 (CH3)4 N+Cl- Tetramethyl ammonium chloride > 300 N - Methyl octadecyl ammonium CH3 (CH2 )17 NH(CH3) 45 bromide Octadecyl trimethyl ammonium CH3(CH2)17N+(CH3)3Br- 6 bromide CH3(CH2)11N+ (CH3)3Br- Dodecyl dimethyl ammonium bromide - Dimetyl dioctadecyl amonium (CH3(CH2)17)2N+(CH3)2Cl- 69 chloride CH2(CH2)17N+(C6H5)CH2 Dimethyl benzyl octadecyl aminium - (CH3)2Br- bromide CH3(CH2)17 Bis(2-hydroxyethyl)methyl octadecyl - N (HOCH2CH2)2CH2CI- + ammonium chloride H2 N(CH2)6NH2 1,6 - Hexamethylene diamine 44 H2N(CH2)12NH2 1,12 - Dodecane diamine 70 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
9 1.2.2. Cấu trúc sét hữu cơ Số các ion có thể xếp vào các lớp phụ thuộc vào mật độ điện tích của sét và dung lượng cation trao đổi. Độ dài mạch của chất hoạt động bề mặt cũng sẽ ảnh hưởng đến khoảng cách cơ bản giữa các lớp. Ở mật độ điện tích nhỏ, chất hoạt động bề mặt thâm nhập và tạo thành cấu trúc đơn lớp trong khoảng giữa các lớp. Khi mật độ điện tích tăng lên có thể tạo ra hai lớp, ba lớp chất hoạt động bề mặt trong khoảng giữa các lớp. Ở những chất có dung lượng trao đổi cation rất cao (trên 120 mgdl/100g) và các chất hoạt động bề mặt có mạch cacbon dài (trên 15C) sự thâm nhập có thể được sắp xếp như cấu trúc loại parafin. Các đầu điện tích dương gắn chặt vào bề mặt của lớp sét, còn đuôi hữu cơ lấp đầy khoảng không gian giữa các lớp, vì vậy mà khoảng cách cơ bản d001 của sét hữu cơ sẽ lớn hơn rất nhiều của sét ban đầu. Hình 1.5. Cấu trúc của sét hữu cơ Đặc tính của các ion amoni là tính ưa hữu cơ, khả năng trương nở và sự hình thành hệ sol - gel thuận nghịch trong các dung môi hữu cơ. Trong dung dịch nước, phản ứng hữu cơ hóa khoáng sét phụ thuộc nhiều vào quá trình trương nở của MMT. Phản ứng hữu cơ hóa MMT xảy ra theo phương trình sau: R - N+ Cl- + Na+ - MMT ---> MMT - N+ - R + Na+ Cl- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn