Nghiên cứu chế tạo clay nanocomposit từ khoáng sét Bình Thuận, polyacrylamit và việc ứng dụng nó trong lĩnh vực màng phủ

Thông tin tài liệu

Luận Văn: Nghiên cứu chế tạo clay nanocomposit từ khoáng sét Bình Thuận, polyacrylamit và việc ứng dụng nó trong lĩnh vực màng phủ

LỜI CẢM ƠN Khóa luận tốt nghiệp được hoàn thành tại phòng thí nghiệm Hóa học các hợp chất cao phân tử dưới sự hướng dẫn, giúp đỡ của các thầy giáo, các cô giáo và các bạn Em xin chân thành cảm ơn GS.TS Ngô Duy Cường, PGS.TS Phan Văn Ninh đã giao đề tài và tận tình giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp của mình Em xin cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong bộ môn Hóa Lý, cảm ơn các bạn trong phòng Hóa học các hợp chất cao phân tử đã giúp đỡ trong suốt thời gian học tập nghiên cứu thực hiện đề tài khóa luận Hà nội, tháng 6 năm 2008 Sinh viên Tài Thị Thanh Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN MỤC LỤC MỞ ĐẦU 2 CHƯƠNG 1 3 TỔNG QUAN VỀ NANO CLAY HỮU CƠ 3 VÀ KHOÁNG SÉT BÌNH THUẬN .3 1.1 Nano clay hữu cơ 3 1.1.1 Giới thiệu chung về khoáng sét .3 1.1.2 Giới thiệu về montmorillonit 5 1.1.3 Các phương pháp nghiên cứu tính chất đặc trưng của bentonit 8 1.1.4 Chế tạo nano clay hữu cơ 10 1.1.4.1.Quá trình biến tính hữu cơ khoáng sét 11 1.1.4.2 Chế tạo vật liệu nano clay hữu cơ 12 1.1.5 Ứng dụng clay hữu cơ trong vật liệu composit 13 1.1.5.1 Vật liệu composit 13 1.1.5.2 Polyme clay nanocomposit .15 1.2 Giới thiệu về khoáng sét Bình Thuận .17 1.3 Trùng hợp acrylamit trong nanoclay 19 CHƯƠNG 2 21 THỰC NGHIỆM 21 2.1 Mục đích thí nghiệm .21 2.2 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất 21 2.3 Nội dung thí nghiệm .22 2.3.1 Tinh chế clay 22 2.3.2 Chế tạo clay hữu cơ 23 2.3.3 Chế tạo màng phủ clay nanocomposit 25 2.4 Các phương pháp xác định và phân tích 26 2.4.1 Phương pháp xác định độ bền va đập .26 2.4.2 Phương pháp xác định độ bền uốn dẻo .26 2.4.3 Phương pháp xác định độ bền bám dính 26 2.4.4 Phương pháp xác định độ bền cào xước 27 2.4.5 Phương pháp phân tích bằng nhiễu xạ tia X (XRD) 27 Khóa luận tốt nghiệp - 2008 1 Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN * 28 CHƯƠNG 3 29 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .29 3.1 Xác định khoảng cách giữa các lớp của bentonit Bình Thuận đã tinh chế 29 3.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acrylamit 30 3.3 Khảo sát phản ứng trùng hợp acrylamit ken giữa 32 3.4 Chế tạo vật liệu màng phủ 35 KẾT QUẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO .39 Khóa luận tốt nghiệp - 2008 2 Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN MỞ ĐẦU Công nghệ nano là một trong số những công nghệ mới nhưng đã có những bước phát triển vượt bậc bởi rất nhiều thành tựu, hiệu quả và những ứng dụng to lớn mà nó đem lại Clay polyme nanocomposite là phát minh tạo ra những biến đổi mạnh mẽ trong hàng loạt các tính chất của polyme chỉ với một hàm lượng rất nhỏ clay Trong clay polyme nanocomposite các cấu trúclớp clay được phân tán một cách riêng rẽ, nhờ đó mà các lớp clay có tác dụng rất hiệu quả làm tăng cường các tính chất của polyme Số lượng các lớp clay lên đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìn trong mỗi hạt clay Vì vậy, qua nhiều nghiên cứu người ta thấy rằng chỉ với nồng độ dưới 5% (nano clay) thì tính năng cơ lí của vật liệu tăng lên đáng kể như: mođun đàn hồi, tính chống cháy, chịu được mài mòn cao, tăng cường bảo vệ và chống ăn mòn Polyacrylamit là loại polyme phân cực tốt nên dễ dàng bị hòa tan trong dung môi nước Qua chế tạo và gia công màng phủ polyacrylamit, mặc dù màng phủ này có tính năng cơ lí không cao, dễ bị phân hủy khi tiếp xúc với môi trường nước,… Nhưng lại có ưu điểm: hòa tan trong dung môi nước là loại dung môi phổ biến, không gây ô nhiễm môi trường, tiết kiệm được chi phí trong quá trình chế tạo Để khắc phục nhược điểm này của màng phủ nhằm nâng cao tính năng cơ lí của vật liệu người ta ứng dụng vào đó công nghệ nano Vì thế, chúng tôi đã chế tạo màng phủ acrylamit với sự gia cường bằng các hạt nano clay biến tính acrylamit Đề tài “Nghiên cứu chế tạo clay nanocomposit từ khoáng sét Bình Thuận, polyacrylamit và việc ứng dụng nó trong lĩnh vực màng phủ” trên cơ sở sử dụng công nghệ trùng hợp ken giữa các lớp clay Đây là một đề tài mới, nghiên cứu theo hướng công nghệ nano và vật liệu nanocomposit Khóa luận tốt nghiệp - 2008 3 Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp - 2008 4 Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp - 2008 5 Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN Tên khoáng sét Thành phần cấu tạo chủ yếu Montmorillonit Si, Al, Mg2+, Fe2+ Saponit (bentonit) Si, Al, Mg Baidellit Si, Al Vermiculit Si, Al, Mg, Fe2+ Illit Si, K, Al, Fe2+ , Mg2+ Glauconit Si, K, Fe2+, Fe3+ Nontronit Si, Fe3+ Celaconit Si, Al, Mg, K, Fe2+, Fe3+ Chlorit Si, Mg, Al, Fe Kaolinit Si, Al Sepionit Si, Al, Mg Talc Si, Mg, Fe2+ Palygorskit Al, Mg Dựa vào khả năng trương nở trong nước của khoáng sét, khoáng sét được chia làm hai nhóm: nhóm trương nở và nhóm không trương nở Nhóm sét trương nở gồm có: montmorillonit (bentonit), saponit, nontronit, baidellit, vermiculit… Nhóm sét không trương nở gồm: illit, glauconit, celaconit, chlorit, berthierin, kaolinit, holloysit, sipionit, palygorskit, talc… Về cấu trúc, khoáng sét tự nhiên có cấu trúc lớp, các lớp trong cấu trúc được hình thành từ hai đơn vị cấu trúc cơ bản :[7] 1 Cấu trúc tứ diện của silic (hình 1.1) 2 Cấu trúc bát diện của ôxít nhôm (hình 1.2) Trên cơ sở sự sắp xếp của các đơn vị cấu trúc sét được phân thành các loại sau : 2 Sét có cấu trúc 1 :1 như cấu trúc của tinh thể kaolinit, đây là sự sắp xếp theo trật tự kế tiếp liên tục của lớp tứ diện 3 Sét có cấu trúc 2 :1 điển hình là bentonit và vermiculit Cấu trúc này có dạng kẹp giữa hai lớp tứ diện ôxít silic là lớp bát diện ôxít nhôm (hydroxyt) (hình 1.3) 3,4A0 Ion Si (Al) Cation Me: Al, Oxi (Mg) Khóa luận tốt nghiệp - 2008 Oxi 6 Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN Hình 1.1: Cấu trúc tứ diện SiO2 Hình 1.2: Cấu trúc bát diện MeO6 Một số tính chất của clay Tính trương nở Do sự có mặt của nước liên kết nằm ở giữa khoảng không gian giữa các lớp làm khoảng cách cơ sở của sét tăng đáng kể Hiện tượng này gọi là hiện tượng trương nở tinh thể hay trương nở giai đoạn một, trong đó cấu trúc hình thái của mạng không thay đổi Sự có mặt của các cation hóa trị +1 dẫn đến khoảng cách này tăng đột biến và trong trường hợp này, khả năng khuếch tán trương nở trong nước của MMT là tốt nhất Số hiệu diện tích bề mặt của MMT rất khác nhau Ví dụ, đo ở trạng thái khô chỉ là vài chục m2/g nhưng nếu đo ở trạng thái trương nở thì có thể lên đến 700 – 800 m2/g Tính trương nở của mỗi loại khoáng sét là khác nhau phụ thuộc nhiều yếu tố - Phụ thuộc vào bản chất và nồng độ các cation ở lớp cấu trúc Mỗi cation bị hydrat hóa bởi 3 đến 6 phân tử nước, do vậy lượng nước hấp phụ vào giữa các lớp là khác nhau Nồng độ cation thấp thì điện tích của lớp thấp và sự trương nở kém - Phụ thuộc độ bền liên kết giữa hai lớp sét: nếu độ bền kém, lượng nước nhiều làm sự trương nở lớn dẫn đến phá vỡ cấu trúc sét Tính hấp phụ Sau khi hoạt hóa, trên bề mặt lớp sét luôn xuất hiện các tâm axit Bronsted và tâm Lewis, chính những tâm này là nơi xảy ra các phản ứng và là nơi có khả năng hấp phụ các chất phân cực hay các chất hữu cơ Tính trao đổi ion Sự trao đổi ion của sét với ion dung dịch bên ngoài chủ yếu xảy ra giữa các lớp cấu trúc Sự trao đổi ion được thực hiện hoàn toàn khi phân tán sét trong dung dịch muối có nồng độ thích hợp Khả năng trao đổi ion do các nguyên nhân Sự xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới cấu trúc được bù trừ bởi các cation trao đổi Dung lượng trao đổi ion phụ thuộc vào số điện tích âm trên bề mặt Lượng anion càng lớn thì trao đổi càng lớn Mặt khác, trong tinh thể sét tồn tại các nhóm -OH và nguyên tử H trong nhóm này cũng tham gia trao đổi ion ở điều kiện nhất định [1] Khóa luận tốt nghiệp - 2008 7 Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN Khả năng trao đổi ion của sét phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của các cation trao đổi Các cation có hóa trị nhỏ dễ trao đổi hơn với các cation có hóa trị lớn theo thứ tự: M+ > M2+ > M3+ Đối với các cation có cùng hóa trị, bán kính càng nhỏ khả năng trao đổi ion càng lớn Khả năng trao đổi theo thứ tự: Li+ > Na+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Fe2+ > Al3+ Trong các loại khoáng sét thì Montmorillonit khả năng trao đổi ion là lớn nhất 1.1.2 Giới thiệu về Montmorillonit Montmorillonit (MMT) là thành phần chính của sét bentonit (60-70%) Công thức hóa học tổng quát Al2Si4O10(OH)2 Ngoài ra, vì bentonit tồn tại ở trạng thái khoáng sét tự nhiên nên trong thành phần khoáng sét bentonit chứa nhiều loại khoáng sét khác như: saponit - Al2O3[MgO]4SiO2.nH2O, beidelit – Al2O3.3SiO2.nH2O, kaolin, mica, biolit… và các muối, các chất hữu cơ Vì vậy, bentonit được gọi theo tên khoáng vật chính là montmorillonit (MMT) Thành phần hóa học và độ tinh khiết ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của nó.[10] Bentonit thuộc loại sét có cấu trúc 2:1, tinh thể MMT có cấu trúc gồm hai mạng lưới tứ diện liên kết với mạng lưới bát diện ở giữa tạo lên một lớp cấu trúc (hình 1.4) Hình 1.3 cấu trúc mạng tinh thể montmorillonit Na1/3(Al5/3Mg1/3)Si4O10(OH)2.[4][11] Các lớp được liên kết với nhau qua cầu nguyên tử oxi Sự thay thế đồng hình Khóa luận tốt nghiệp - 2008 8 Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN của các ion kim loại Fe3+, Fe2+, Mg2+, Al3+ với Si4+ trong tứ diện SiO4 và Al3+ trong bát diện AlO6 nên thành phần của MMT luôn khác so với lí thuyết Cấu trúc lớp của MMT được trình bày trên hình 1.4 Lớp bát diện mang điện tích âm, khi nguyên tử nhôm bị thay thế bởi nguyên tử hóa trị thấp như magie, sắt và tương tự lớp tứ diện mang điện tích âm khi nguyên tử silic bị thay thế bởi nguyên tử nhôm Điện tích âm của mạng được trung hòa bởi các ion dương có độ linh động cao không có vị trí cố định như Na+, K+, Li+ trong vùng không gian giữa các lớp Các ion này có thể chuyển động tự do giữa các mặt phẳng tích điện âm và ta có thể biến tính MMT bằng các phản ứng trao đổi ion MMT có khả năng trao đổi ion với môi trường tiếp xúc, đây là đặc trưng cơ bản của chúng Sự trao đổi diễn ra trong mạng tinh thể khoáng sét, các cation Si4+ và Al3+ dễ bị thay thế bởi các cation hóa trị thấp Ngoài ra, nhóm -OH trong mạng cấu trúc có nguyên tử H rất linh động có khả năng trao đổi với các cation trong mạng và với bên ngoài Si Si Si Si Lớp trao O OO O OO đổi cation 2-3 A0 trong nước Na Na Na Na Na Na + + + + + + OO O OO O Si Si Si Si O O OH O O OH Lớp bát Al Al Mg Al diện O O OH O O OH Lớp O O tứ Si Si Al Si diện OO OO Hình 1.4 : Cấu trúc của lớp MMT Trong không gian giữa các lớp còn tồn tại nước và nước có xu hướng tạo vỏ hydrat với cation trong đó Các lớp được chồng xếp song song với nhau và ngắt quãng theo trục còn lại, tạo không gian ba chiều của tinh thể MMT Khi ở trong nước, MMT dễ trương nở và phân tán thành những hạt nhỏ cỡ micromet và dừng lại ở trạng thái lỏng theo lực hút Van der Walls Chiều dày mỗi lớp cấu trúc là 9,N2a÷+9,8NAa+0 NKah+oNảan+g c+ách giữa các+lớpNatr+o+ng Ntra+ạ+ng thái trương nở (0do các phân tử Nhỏ hơn 10A nư+ớc xen vào) khoảng từ 5÷12A0 tùy theo cấu trúc tinh thể và trạng thái trương nở Khóa luận tốt nghiệp - 2008 9 + ++ Lớn hơn 10A0 ++ ... Đề tài ? ?Nghiên cứu chế tạo clay nanocomposit từ khoáng sét Bình Thuận, polyacrylamit việc ứng dụng lĩnh vực màng phủ? ?? sở sử dụng công nghệ trùng hợp ken lớp clay Đây đề tài mới, nghiên cứu theo... q trình chế tạo Để khắc phục nhược điểm màng phủ nhằm nâng cao tính lí vật liệu người ta ứng dụng vào cơng nghệ nano Vì thế, chúng tơi chế tạo màng phủ acrylamit với gia cường hạt nano clay biến... 2.2 Thiết bị, dụng cụ hóa chất 21 2.3 Nội dung thí nghiệm .22 2.3.1 Tinh chế clay 22 2.3.2 Chế tạo clay hữu 23 2.3.3 Chế tạo màng phủ clay nanocomposit

Ngày đăng: 10/12/2012, 11:29

Xem thêm: Nghiên cứu chế tạo clay nanocomposit từ khoáng sét Bình Thuận, polyacrylamit và việc ứng dụng nó trong lĩnh vực màng phủ, Nghiên cứu chế tạo clay nanocomposit từ khoáng sét Bình Thuận, polyacrylamit và việc ứng dụng nó trong lĩnh vực màng phủ, Giới thiệu về Montmorillonit, Các phương pháp nghiên cứu tính chất đặc trưng của bentonit, Giới thiệu về khống sét Bình Thuận, Mục đích thí nghiệm Thiết bị, dụng cụ và hóa chất Nội dung thí nghiệm 1. Tinh chế clay, Chế tạo clay hữu cơ, Chế tạo màng phủ clay nanocomposit. Phương pháp xác định độ bền uốn dẻo