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 hồn thành tại phịng 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 hồn thành tốt khóa luận tốt nghiệp của mình.
Em xin cảm ơn các Thầy, Cơ giáo trong bộ mơn Hóa Lý, cảm
ơn các bạn trong phịng 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
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................................1
MỤC LỤC..................................................................................................................................2
MỞ ĐẦU..............................................................................3
..........................................................................................................3
CHƯƠNG 1................................................................................................................................4
TỔNG QUAN VỀ NANO CLAY HỮU CƠ.............................................................................4
VÀ KHỐNG SÉT BÌNH THUẬN..........................................................................................4
1.1. Nano clay hữu cơ ................................................................................................................4
1.1.1. Giới thiệu chung về khoáng sét ...................................................................................4

1.1.2. Giới thiệu về Montmorillonit.......................................................................................6
1.1.3. Các phương pháp nghiên cứu tính chất đặc trưng của bentonit .................................9
1.1.4. Chế tạo nano clay hữu cơ ..........................................................................................11
1.1.4.1.Q trình biến tính hữu cơ khống sét.....................................................................12
1.1.4.2. Chế tạo vật liệu nano clay hữu cơ...........................................................................13
1.1.5. Ứng dụng clay hữu cơ trong vật liệu composit..........................................................14
1.1.5.1. Vật liệu composit.........................................................................................................14
1.1.5.2. Polyme clay nanocomposit..........................................................................................16
1.2. Giới thiệu về khống sét Bình Thuận................................................................................18
1.3. Trùng hợp polyacrylamit clay nanocomposit....................................................................20
CHƯƠNG 2..............................................................................................................................22
THỰC NGHIỆM......................................................................................................................22
2.1. Mục đích thí nghiệm..........................................................................................................22
2.2. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất............................................................................................22
2.3. Nội dung thí nghiệm..........................................................................................................23
2.3.1. Tinh chế clay...............................................................................................................23
2.3.2. Chế tạo clay hữu cơ....................................................................................................24
2.3.3. Chế tạo màng phủ clay nanocomposit.......................................................................26
2.4. Các phương pháp xác định và phân tích...........................................................................27
2.4.1. Phương pháp xác định độ bền va đập........................................................................27
2.4.2. Phương pháp xác định độ bền uốn dẻo......................................................................27
2.4.3. Phương pháp xác định độ bền bám dính....................................................................27
2.4.4. Phương pháp xác định độ bền cào xước....................................................................28
2.4.5. Phương pháp phân tích bằng nhiễu xạ tia X (XRD)..................................................28
*.................................................................................................................................................29
CHƯƠNG 3..............................................................................................................................30
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................................................................30
3.1. Xác định khoảng cách giữa các lớp của bentonit Bình Thuận đã tinh chế......................30
3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acrylamit......................................................................31
3.3 Khảo sát trùng hợp acrylamit ken giữa .............................................................................34

3.4. Ứng dụng chế tạo vật liệu màng phủ................................................................................36
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................40

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 mịn 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 khơng cao, dễ bị phân hủy khi tiếp xúc với mơi trường nước,…Nhưng
lại có ưu điểm: hịa tan trong dung môi nước là loại dung môi phổ biến, khơng gây ơ
nhiễm mơi 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 cơng nghệ nano. Vì thế, chúng tơi 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 khống 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

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NANO CLAY HỮU CƠ
VÀ KHỐNG SÉT BÌNH THUẬN
1.1. Nano clay hữu cơ
1.1.1. Giới thiệu chung về khoáng sét
Khoáng sét là chất thuộc họ alumosilicat tồn tại trong tự nhiên thành mỏ. Nó
có cấu trúc lớp bao gồm lớp của nhơm ơxít và silic ơxít. Các lớp được liên kết với
nhau qua cầu nguyên tử ôxi. Ở dạng tinh thể, lớp silicat được cấu tạo từ các tứ diện
ơxít silic sắp xếp thành mạng lục diện, liên kết với các mạng bát diện. Khi phân tán
trong nước, hạt sét tạo huyền phù có kích thước rất nhỏ khoảng một vài micromet.
Khoáng sét ngậm nước là vật liệu mềm dẻo.[1]
Thành phần hóa học của sét: Silic là nguyên tố chiếm thành phần nhiều nhất
và có trong tất cả mọi loại sét. Al thành phần chiếm nhiều thứ hai trong sét sau Silic.
Ngoài ra là các nguyên tố Fe, Mg, K, Na, Ca, ... Tùy theo hàm lượng của các nguyên
tố có mặt trong sét mà có các loại sét khác nhau.

Bảng 1.1. Các loại khoáng sét theo thành phần nguyên tố cấu tạo chủ yếu
Tên khoáng sét
Montmorillonit (bentonit)
Saponit
Baidellit
Vermiculit
Illit
Glauconit
Nontronit
Celaconit
Chlorit
Kaolinit
Sepionit
Talc
Palygorskit

Thành phần cấu tạo chủ yếu
Si, Al, Mg2+, Fe2+
Si, Al, Mg
Si, Al
Si, Al, Mg, Fe2+
Si, K, Al, Fe2+ , Mg2+
Si, K, Fe2+, Fe3+
Si, Fe3+
Si, Al, Mg, K, Fe2+, Fe3+
Si, Mg, Al, Fe
Si, Al
Si, Al, Mg
Si, Mg, Fe2+
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 khơng trương nở.
Nhóm sét trương nở gồm có: montmorillonit (bentonit), saponit, nontronit,
baidellit, vermiculit…
Nhóm sét khơng trương nở gồm: illit, glauconit, celaconit, chlorit, berthierin,

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

4


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

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]
1Cấu trúc tứ diện của silic (hình 1.1)
2Cấu trúc bát diện của ơxít nhơm (hình 1.2)
Trên cơ sở sự sắp xếp của các đơn vị cấu trúc sét được phân thành các loại sau :
2Sét 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.
3Sét có cấu trúc 2 :1 điển hình là bentonit và vermiculit. Cấu trúc này có dạng
kẹp giữa hai lớp tứ diện ơxít silic là lớp bát diện ơxít nhơm (hydroxyt). (hình
1.3)

3,4A0

Ion Si (Al)
Oxi

Hình 1.1: Cấu trúc tứ diện SiO2

Cation Me: Al,
Oxi

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 khơng
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 khơ 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.
Khóa luận tốt nghiệp - 2008

5


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

- 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 ln 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]
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 khống 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%). Cơng
thức hóa học tổng qt Al2Si4O10(OH)2. Ngồi 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

khống vật chính là montmorillonit (MMT). Thành phần hóa học và độ tinh khiết ảnh

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

6


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

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
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 ngun tử nhơm bị thay thế bởi ngun
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 ngun tử nhơm. Điện tích âm của mạng được trung hịa bởi
các ion dương có độ linh động cao khơng 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. Ngồi 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 ngồi.

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

7


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học
Si

Si

O O
Lớp trao
đổi cation
O O
trong nước
Si

O
+

Na

OH

Na+

O

O

Na
O

O

O

Na+

Si
O

O

2-3 A0

OH

Mg

O

O

Lớp
bát
diện

Al

OH

Al

OH

Na+

Si

Al

O

O

O

Si

Al

Si

Na

O

+

O
+

O

O

O

Si

Si

Si

O

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

Si
O

Lớp
tứ
diện

O

O

Hình 1.4 : Cấu trúc của lớp MMT
Trong khơng gian giữa các lớp cịn 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
qng theo trục cịn lại, tạo khơng 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
9,2÷9,8A0. Khoảng cách giữa các lớp trong trạng thái trương nở (do các phân tử nước
xen vào) khoảng từ 5÷12A0 tùy theo cấu trúc tinh thể và trạng thái trương nở. Trong
khống MMT các ion Na+, K+, Li+ có thể trao đổi với các ion ngoài dung dịch với
dung lượng trao đổi khác nhau tùy thuộc vào mức độ thay thế đồng hình trong mạng,
lượng trao đổi ion trong mạng dao động trong khoảng 70 – 150 mdl/100g. Quá trình
trương nở và qúa trình xâm nhập của những cation khác vào không gian giữa hai lớp
MMT làm dãn khoảng cách cơ sở (từ mặt phẳng oxi của lớp oxit silic đến lớp tiếp
theo) từ 9,6A0 đến vài chục A0 tùy thuộc vào loại cation thế. [1]

Na+ Na+ Na+ Na+
+

+

+
+
+ Na + Na+

+

+
+

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

+
+

8

Nhỏ hơn 10A0

Lớn hơn 10A0


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

1.1.3. Các phương pháp nghiên cứu tính chất đặc trưng của bentonit
Những đặc tính cơ bản của bentonit được nghiên cứu qua các thơng số : Kích
thước hạt và sự phân bố cỡ hạt, thành phần hóa học, tính chất nhiệt, cấu trúc tinh thể,
diện tích bề mặt, khả năng trao đổi ion.
Thành phần hóa học của bentonit
Mẫu bentonit được sấy khơ ở 100 0C trong nhiều giờ, thành phần hóa học
được phân tích theo các phương pháp thơng dụng. Kết quả như sau.
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của bentonit[1]
Thành phần
SiO2
Al2O3
Fe2O3
FeO

(Ca, Mg)O
(K, Na)O
Thành phần khác
Mất khi nung

Hàm lượng (%)
51,90
15,60
2,83
0,21
2,12
4,05
7,62
15,67

Kích thước hạt
Kích thước hạt của sét phụ thuộc vào điều kiện sấy, được xác định bằng
phương pháp BET thông qua hấp phụ khí N2 hoặc tán xạ laser trong mơi trường chân
khơng. Kích thước hạt quyết định diện tích bề mặt riêng của sét và khả năng trao đổi
ion. Công thức cấu tạo cho biết số điện tích âm trên một lớp cấu trúc tinh thể do sự
thay thế đồng hình. Do có sự đứt gãy ở viền ngồi của tinh thể và sự có mặt nhóm –
OH nên giá trị CEC thực tế cao hơn 10%. Ví dụ, kết quả xác định kích thước hạt
bentonit Bình Thuận được phân tích trên thiết bị Mastersizer Microplus Ver 2.17 (Đại
học quốc gia Hà nội) vùng khảo sát từ 0,05 – 555,7 μm, kích thước hạt có xác suất
cao nhất là 7-8 μm tập trung trong vùng 1-90 μm chiếm trên 90%, diện tích bề ngồi
sét là 2,25 m2/g.
Xác định độ trương nở trong nước
Độ trương nở của bentonit được tính theo cơng thức
Độ trương nở (n) =

V − V0
×%
V0

V0 : thể tích ban đầu của bentonit thí nghiệm
V : thể tích trương nở trong nước

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

9


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

Nếu thế hoàn toàn M2+ bằng Na+ khả năng trương nở có thể lên tới 8 lần.
Phân tích rơnghen
Cấu trúc tinh thể của sét được xác định bằng cấu trúc Rơnghen. Trên giản đồ
Rơnghen pic đặc trưng cho sét ở góc quét 2θ = 60 cho khoảng cách d001. Giá trị này
cho ta biết khả năng tiến hành đưa các hữu cơ polyme vào khoảng giữa hai lớp.
Bảng 1.3. Khoảng cách d001 của một số hãng trên thế giới[1].
d001 (gallery Spacting A0)
12,3
12,1
12,57

Hãng
Southerm Clay Co.
Merck

Tuy Phong – Bình Thuận
Phân tích nhiệt

Phân tích nhiệt dựa trên động lực học để nghiên cứu vật liệu và khảo sát sự
biến đổi của vật liệu theo sự thay đổi của nhiệt độ. Khoáng sét là vật liệu dễ bị thay
đổi thành phần theo những điều kiện nhất định. Ví dụ như, khả năng bay hơi nước
thay đổi có tác động đến sự bền vững của lớp nước ngồivà lớp trong khống sét.
Mỗi mẫu khống sét có độ phân hủy nhiệt riêng. Khi nung nóng, khống sét
thường thay đổi cấu trúc và tính chất hóa lí. Những biến đổi này kèm theo sự thay đổi
thu hoặc tỏa nhiệt. Dựa vào hiệu ứng nhiệt ta có thể xác định hàm lượng nước liên
kết và nước cấu trúc cũng như sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể.
Dung lượng trao đổi ion
Điện tích bề mặt là tính chất quan trọng của vật liệu bentonit. Điện tích lớp có
ảnh hưởng tới dung lượng trao đổi ion, độ hấp thụ nước và các phân tử hữu cơ phân
cực khác. Giá trị điện tích lớp rất quan trọng đối với tính chất của loại sét cấu trúc
2 :1 bentonit. 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 (CEC) không chỉ
phụ thuộc vào giá trị điện tích lớp mà cịn phụ thuộc vào độ pH của môi trường. Nếu
ta biết khối lượng phân tử M và giá trị điện tích lớp của vật liệu bentonit thì dung
lượng trao đổi cation được tính bằng phương trình.
CEC (cmol/kg) = 105 ξ/M
ξ: điện tích tổng các lớp
Xác định điện tích lớp: Dung lượng trao đổi ion của bentonit được xác định
theo phương pháp sau.
Khóa luận tốt nghiệp - 2008

10


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

- Sử dụng ion Ba2+ (BaCl2) trao đổi với các ion trong MMT.
- Dùng axít H2SO4 (ion H+) trao đổi Ba-MMT.
- Dung lượng trao đổi ion tính qua độ suy giảm của axít trong dung dịch.
Bảng 1.4. Điện tích của một số vật liệu phylosilicat 2 :1
Vật liệu
Heclorit
Montmorillonit
Vermiculit
Llit
Bionit
Muscovit

Điện tích mỗi bán ô
mạng [O10(OH)2]
0,2-0,25
0,25-0,40
0,50-0,80
0,60-0,90
~ 1,00
~1,00

Khối lượng M Dung lượng trao đổi
trung bình
cation mgdl/100g
380
50-65
360

70-110
390
130-210
385
160-230
450
~ 220
390
~ 260

Nghiên cứu hình thái học
Nghiên cứu hình thái học của sét bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). SEM
cho ta thấy cấu trúc bề mặt của sét ở dụng trương nở có khoảng cách dãn rộng cịn ở
trạng thái khơ có dạng vảy, phoi bào. (hình 1.8)

Hình 1.5. Ảnh SEM bền mặt bentonit dạng trương nở [4]
1.1.4. Chế tạo nano clay hữu cơ
Khống sét có rất nhiều ứng dụng thực tiễn dựa trên cơ sở việc biến tính bề
mặt của sét rất dễ dàng. Gần đây các nhà khoa học đã sử dụng khoáng sét với thành
phần chính là Montmorillonit để làm vật liệu gốc chế tạo vật liệu nanocomposit hữu
cơ lai vơ cơ. Có nhiều cách cải biến khống sét bentonit 2 :1 trong đó bao gồm cải
biến làm tăng tính chất của khống sét như :
- Sự hấp thụ bề mặt.
- Trao đổi ion với các cation vơ cơ và những tổ hợp hữu cơ.

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

11

Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

- Trao đổi ion với các cation hữu cơ.
- Liên kết anion vô cơ với hữu cơ.
- Ghép các hợp chất lai hữu cơ lại với nhau.
- Phản ứng với các axít.
- Polyme hóa các lớp với polyme hóa nội hạt.
1.1.4.1.Q trình biến tính hữu cơ khống sét
Biến tính clay là chuyển các clay từ dạng ưa nước sang ưa hữu cơ với những
gốc thế hữu cơ khác nhau và có khả năng trương nở trong dung môi hữu cơ, khuếch
tán và tương hợp tốt trong các polyme thông qua quá trình hịa tan trong dung mơi
hữu cơ hoặc q trình nóng chảy.
Bảng 1.5. Một số chất hữu cơ làm tác nhân ưa dầu hố khống sét
điểm chảy
(0C)

Cơng thức hố học

Tên gọi

CH3N+H3ClCH3 (CH2)2 NH2
CH3 (CH2)3 NH2
CH3 (CH2)7 NH2
CH3 (CH2)9 NH2
CH3 (CH2)11 NH2
CH3 (CH2)15 NH2
CH3 (CH2)17 NH2
HOOC (CH2)5 NH2

HOOC (CH2)11 NH2
(CH3)4 N +Cl CH3 (CH2)17 NH (CH3)
CH3 (CH2)17 N + (CH3)3 Br CH3 (CH2)11 N + (CH3)3 Br (CH3 (CH2)17)2 N + (CH3)2 Br

Methylamine hydrochloride
Propyl amine
Butyl amine
Octyl amine
Decyl amine
Dodecyl amine
Hexadecyl amine
Octadecyl (hoặc Stearyl) amine
Axit 6- Aminohexanoic
Axit 12- Aminododecanoic
Tetramethyl amonium chloride
N- Methyl octadecyl amine
Octadecyl trimethyl amonium bromide
Dodecyl trimethyl amonium bromide
Dioctadecyl
dimethyl
amonium
bromide
Dimethyl benzyl octadecyl amonium
bromide
bis (2-hydroxyethyl) methyl octadecyl
amonium chloride
1- Hexadecylpyridium bromide

228
-83

-50
-3
13
30
46
57
205
186
>300
45

1,6- Hexamethylene diamine
1,12- Dodecane diamime

44
70

-

CH3 (CH2)17 N + (C6H5)CH2
(CH3)2 Br +
CH3
(CH2)17
N
(HOCH2CH2)2 CH3ClCH3
(CH2)14
+
(C6H5N )Br H2N(CH2)6 NH2
H2N(CH2)12 NH2

246

69

CH2

Quá trình tương tác giữa các chất MMT hữu cơ với các dung mơi hữu cơ hóa
MMT tạo lên vật liệu ưa dầu. Đấy chính là q trình trao đổi ion Na+, K+ với nhóm
Khóa luận tốt nghiệp - 2008

12


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

mang điện tích dương, phần đầu của hợp chất hữu cơ mà điển hình là nhóm amonium
với phần đi là các gốc hữu cơ khác nhau. Phần đuôi của hợp chất có tính ưa dầu là
tác nhân đẩy xa khoảng cách giữa các lớp khống sét. (hình 1.9).
Nhóm đầu
R

Nhóm đi
R
MMT

MMT

Na+ Na+ Na+ Na+

MMT

+

Na+ Na+ Na+ Na+

MMT

MMT

Hình 1.6. mơ hình hữu cơ hóa khống sét
Trong dung dịch nước phản ứng hữu cơ hóa khống sét phụ thuộc nhiều vào
q trình trương nở của MMT. Q trình này có thể chia làm ba giai đoạn.
- Giai đoạn 1: khoảng cách giữa các lớp sét tăng 1 - 2,2A0, nguyên nhân do
hiện tượng hidrat hóa các ion dương Na+, K+.
- Giai đoạn 2: MMT chứa các ion (+) hóa trị 1 tiếp tục trương nở hình thành
lực phát tán trên bề mặt do hình thành lớp điện tích kép. Lực này lớn hơn lực Van der
Walls dẫn tới tách li các lớp MMT. Lực liên kết chính là lực phần dưới lớp trên với
mặt trên lớp dưới, trạng thái này hình thành như dạng paste hoặc gel. Khi lượng nước
càng tăng thì liên kết bề mặt “dưới” – “trên” các lớp yếu đi dẫn tới trạng thái tách li.
Phản ứng hữu cơ hóa MMT được thực hiện ở giai đoạn này bằng phản ứng trao đổi
ion: MMT-Na+ + R4-N+X- MMT-N+R4 + Na+X-.
Phản ứng này chỉ xảy ra với khống sét có cấu trúc 2:1, đặc biệt
Montmorillonite (MMT) và Vermeculite có dung lượng trao đổi ion lớn nhất tương
đương 80-100 meq/100g và 100-150meq/100g.
1.1.4.2. Chế tạo vật liệu nano clay hữu cơ
Vật liệu nano MMT- hữu cơ hay nano clay hữu cơ được chế tạo dựa vào cơ
chế phản ứng trao đổi ion, giữa cation hữu cơ amoni với ion kim loại Na + hoặc K+ tồn
tại trong lớp giữa cấu trúc MMT. Tác nhân để chế tạo nano clay hữu cơ được sử dụng

chủ yếu là alkylamoni với bậc thế có thể là bậc 1, bậc 2, bậc 3.
Ion alkylamoni có thể trao đổi hồn tồn với các cation có trên bề mặt.

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

13


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

CnH2n+1N+H3Cl- + MMT-Na+

MMT-N+H3CnH2n+1 + NaCl

(MMT-N+H3CnH2n+1: Sét hữu cơ)
Khả năng trao đổi phụ thuộc: điện tích và kích thước của các phân tử amin.
Với nhóm alkyl có kích thước càng dài càng đẩy xa khoảng cách, cấu tạo gốc R càng
cồng kềnh thì khả năng trao đổi càng khó, mặt khác R như nhau khoảng cách hai lớp
MMT tăng lên theo bậc của amoni.
Công nghệ chế tạo nano clay hữu cơ được tiến hành theo sơ đồ sau [12]:
Clay bột
Nước

Khuếch tán trong nước
Thành phẩm

Khuấy trộn
(clay dạng huyền phù)

Dung dịch alkyl
amoni

Trao đổi
ion

Sấy khơ
800C

Lọc

Lọc
Rửa

Hình 1.7. Sơ đồ công nghệ chế tạo vật liệu nano clay hữu cơ.
1.1.5. Ứng dụng clay hữu cơ trong vật liệu composit
1.1.5.1. Vật liệu composit
Vật liệu composit là vật liệu được tổ hợp từ hai hay nhiều cấu tử có bản chất
khác nhau tạo thành vật liệu có tính chất và đặc tính đặc biệt nổi trội hơn mà từng cấu
tử riêng khơng có được [5] [6].
Vật liệu composit là loại vật liệu đồng nhất trong một thể tích lớn, bằng cách
hợp nhất các thể tích nhỏ của các vật liệu khác nhau về bản chất, do đó vật liệu
composit là một hệ thống gồm hai hay nhiều pha.
Đặc tính chung của vật liệu composit
Vật liệu composit gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha
liên tục. Nhờ sự can thiệp của kĩ thuật và công nghệ, chúng được kết hợp với nhau
theo một thiết kế trước nhằm tận dụng và phát triển những tính chất ưu việt của các

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

14


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

pha trong vật liệu composit cần chế tạo.
Vật liệu composit gồm nhiều pha gián đoạn gọi là composit hỗn tạp. Pha gián đoạn
thường có cơ lí tính trội hơn, do đó trong vật liệu composit thông thường bao gồm
các pha sau:
1Pha liên tục gọi là nền.
2Pha gián đoạn gọi là vật liệu gia cường.
Cơ lí tính của vật liệu composit phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: cơ lí tính của
vật liệu thành phần, sự phân bố hình học của vật liệu gia cường, diện tích và sự liên
kết giữa bề mặt các pha, ...
Vật liệu composit được xây dựng bởi hai thành phần cơ bản: vật liệu nền (các
polyme) và vật liệu gia cường (cịn gọi là chất độn), ngồi ra còn một số loại phụ gia
(chất màu, chất tăng cường đặc biệt, các chất thuộc hệ đóng rắn polyme). Các tính
chất ưu việt mà vật liệu composit đạt được phụ thuộc chủ yếu vào cấu tạo hóa học,
trạng thái cấu trúc và hình thái phân bố của các chất độn trong chất nền, khả năng
tương tác qua lại giữa chúng và điều kiện công nghệ gia công.
Vật liệu nền là một chất kết dính và là một pha liên tục. Vật liệu nền đóng vai
trị chuyển ứng suất tập trung cho chất độn khi chất độn có tính chất cơ lí cao hơn
nhựa (polyme). Bản chất của nền polyme có ảnh hưởng lớn tới q trình bám dính
lên bề mặt của chất độn (sự tương tác giữa các pha), do đó ảnh hưởng đến tính chất
của vật liệu. Tiêu chuẩn của nền polyme làm chất kết dính cho vật liệu composit là:
- Có khả năng thấm ướt tồn bộ bề mặt vật liệu độn để tạo sự tiếp xúc cũng
như diện tích tiếp xúc tối đa.
- Có khả năng tăng độ nhớt hoặc hóa rắn trong q trình kết dính.

- Có khả năng biến dạng trong q trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra
do co ngót thể tích khi đóng rắn.
Vật liệu gia cường là một pha khơng liên tục đóng vai trị làm tăng độ bền và
modun đàn hồi cho vật liệu composit. Vật liệu gia cường ảnh hưởng đến tính chất và
khả năng gia cơng vật liệu composit do: cấu trúc và hình dạng ban đầu, hàm lượng và
phân bố kích thước hạt, khả năng tương tác và độ bền liên kết giữa bề mặt các hạt với
chất kết dính (nhựa). Vật liệu gia cường làm thay đổi tính chất cơ bản của vật liệu gọi
là vật liệu gia cường hoạt tính cịn gọi là chất độn trơ. Chất độn trơ có khả năng làm

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

15


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

tăng độ bền của vật liệu gọi là cốt tăng cường. Sự liên kết giữa cốt tăng cường và nền
polyme quyết định bởi tính chất hóa học của polyme và đặc trưng bề mặt của cốt và
nền polyme.
Chất lượng của vật liệu gia cường được đánh giá dựa trên các đặc điểm:
- Có khả năng tăng cường độ bền cơ học, phân tán vào nhựa tốt.
- Bền hóa chất, mơi trường, bền nhiệt và có khả năng truyền nhiệt.
- Thuận lợi cho q trình gia cơng, nhẹ, giá thành hạ và phổ biến.
Các loại vật liệu gia cường dạng sợi thường sử dụng:
- Sợi hữu cơ: sợi tự nhiên (bông, đay, gai, len) và sợi tổng hợp (sợi polyeste,
polyamit, polyacrylonitrin).
- Sợi vô cơ: sợi thủy tinh, sợi amiăng, sợi thạch anh, sợi cacbon và một số loại
oxit kim loại thường dùng cho hệ nhiệt rắn làm tăng một số tính chất của vật liệu như

tăng độ bền nhiệt.
1.1.5.2. Polyme clay nanocomposit
Khái quát về vật liệu polyme clay nanocomposit
Từ những năm cuối của thế kỉ trước, các nhà khoa học đã tiến hành cho các
monome tấn công trực tiếp vào giữa các lớp MMT- biến tính hữu cơ, chế tạo vật liệu
nanocomposit. Vật liệu nanocomposit trở thành vật liệu kĩ thuật cao được ứng dụng
sớm nhất trong công nghệ nano kể từ những phát minh về hệ thống vật liệu
nanocomposit. Vật liệu nanocomposit xuất phát từ sự cấu thành tương hợp của hai
hoặc nhiều loại hạt kích thước nano với polyme.
Sự phát minh clay nanocomposit đã tạo ra một biến đổi mạnh mẽ trong hàng
loạt các tính chất của polyme chỉ với hàm lượng rất nhỏ clay. Trong clay polyme
nanocomposit các cấu trúc lớp clay được phân tán riêng rẽ, do đó các lớp clay có tác
dụng rất hiệu quả làm tăng các tính chất của polyme. Mỗi hạt clay có số lượng các
lớp clay đến hàng trăm, hàng nghìn. Vì vậy, chỉ với nồng độ dưới 5% mà hàng loạt
tính chất cơ lí của vật liệu tăng lên đáng kể như: modun đàn hồi, tính chống cháy, khả
năng chịu mài mịn, bảo vệ chống ăn mòn. [5] [6] [7]
Các loại polyme trong polyme clay nanocomposit ứng dụng trong lớp phủ bảo
vệ là các polyme nhiệt dẻo, có trọng lượng phân tử tương đối thấp như: polyeste,
polyarcrylic, polyuretan, epoxy...

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

16


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

Lớp phủ clay nanocomposit có các tính ưu việt như:

- Có tính che chắn, bảo vệ chống ăn mịn cao.
- Khả năng chống xước, chịu mài mịn.
- Có độ thấm oxi và hơi nước thấp.
- Có tính chất cơ lí, độ bền cao và có khả năng chống cháy tốt.
Cơng nghệ chế tạo vật liệu polyme clay nanocomposit.
Khác với công nghệ chế tạo vật liệu composit thông thường, công nghệ chế
tạo vật liệu nanocomposit chế tạo được composit có chất gia cường phân tán đều với
kích thước dưới 1k m đến cỡ nanomet. Với đặc điểm phân tán và kích thước đó dẫn
đến vật liệu nanocomposit có nhiều đặc tính mà vật liệu composit thơng thường
khơng có được như: độ bền cơ học, độ trong suốt, khả năng chịu nhiệt, không tách
pha.
Cơng nghệ chế tạo vật liệu nanocomposit hệ khống sét phân tán trong polyme
bao gồm:
*. Lựa chọn khoáng sét bentonite mà thành phần chính là Montmorillonite
(MMT).
*. Biến tính hữu cơ khoáng sét để thu được MMT-hữu cơ.
*. Khuếch tán các phần tử MMT vào polyme bằng các phương pháp:
- Phương pháp dung dịch: Polyme nền được hòa tan trong dung môi
hữu cơ. Khuếch tán MMT-hữu cơ vào dung dịch polyme. Dung môi xâm nhập vào
các lớp MMT-hữu cơ.
- Phương pháp trộn hợp: khuếch tán trực tiếp MMT-hữu cơ trong dung
dịch polyme nóng chảy. Đây là phương pháp áp dụng chủ yếu cho những polyme
nhiệt dẻo và phải dùng máy trộn siêu tần. Với phương pháp này, đầu tiên MMT được
hữu cơ hóa, sau đó đưa tiếp chất đóng rắn sẽ thu được vật liệu nanocomposit dạng
nhiệt rắn.
- Phương pháp trùng hợp: Đây là phương pháp thu được vật liệu
nanocomposit nhờ phản ứng trùng hợp tạo polyme được tiến hành ngay trong các lớp
aluminosilicat của khoáng sét. Đầu tiên, đưa monome có điện tích dương vào trong
các lớp MMT. Tiến hành trùng hợp xen kẽ trong các lớp MMT. Phương pháp này chỉ
trùng hợp cation, sự xâm nhập monome đóng vai trị hữu cơ hóa MMT. Phản ứng

khơi mào xảy ra qua sự cộng hợp của ion hidro vào monome tiếp theo. Cuối cùng ta
Khóa luận tốt nghiệp - 2008

17


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

nhận được vật liệu polyme nanocomposit với polyme xâm nhập ken giữa hai lớp
MMT. Tùy theo cách tiến hành có thể tạo ra các kiểu vật liệu khác nhau với trạng
thái xen lớp hoặc tách lớp [13].

Hình 1.8. Cấu trúc các dạng clay hữu cơ khác nhau[13]
1.2. Giới thiệu về khoáng sét Bình Thuận
Khống sét ở Việt Nam có hai nguồn chính ở Di Linh – Lâm Đồng và ở Tuy
Phong – Bình Thuận. Sét ở Di Linh – Lâm Đồng là sét chứa ion kiềm thổ (Ca 2+,
Mg2+) độ trương nở thấp. Sét ở Tuy Phong – Bình Thuận chứa ion kiềm (Na+, K+) nên
có độ trương nở cao hơn và dung lượng trao đổi ion lớn hơn.
Chất lượng của khống sét Bình thuận đã được nghiên cứu đánh giá thông qua
một loạt các thông số. Hàm lượng Montmorillonit (MMT), độ phân tán, điện tích bề
mặt, dung lượng trao đổi ion (CEC)...
- Kích thước hạt có xác xuất cao nhất 7-8μm nằm trong vùng 1-90 μm chiếm
trên 90%. Diện tích bề mặt: 57m2/g, kích thước ngồi 2,25 m2/g, diện tích trong
chiếm khoảng 96% diện tích ngồi tương đương 2,16 m2/g.
- Độ trương nở của khoáng sét đã tinh chế bằng thí nghiệm đưa 1cm3 bentonit
Bình Thuận vào trong ống thí nghiệm. Độ trương nở tăng 6 lần. Nếu thực hiện thế
hoàn toàn ion kim loại kiềm thổ Ca2+ bằng ion Na+ bằng cách dùng nước muối NaCl
ngâm rửa thì thể tích trương nở tăng gấp 8 lần. Độ trương nở nn 500%.

- Khoảng cách (d001) là 12,57 A0, cao hơn so với một số hãng trên thế giới.
- Phân tích nhiệt cho thấy, ở koảng nhiệt độ 90-200 0C xảy ra q trình tách
nước hấp thụ vật lí trong mẫu và giảm đến 10,094% trọng lượng. Quá trình đạt cực
đại ở khoảng 1600C. Tiếp theo là quá trình mất nước trong cấu trúc tinh thể ở nhiệt
Khóa luận tốt nghiệp - 2008

18


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

độ 6450C với độ giảm trọng lượng là 5,828%.
- Dung lượng trao đổi ion: bentonit Bình Thuận là bentonit kiềm nên các
cation trong nó chủ yếu là Na+, Ca2+, K+ nằm ở khoảng giữa các lớp. Ngồi ra, các
nhóm OH trong liên kết Si-OH, Al-OH tùy thuộc vào môi trường pH sẽ tham gia vào
quá trình trao đổi ion. Xác định dung lượng trao đổi ion, PGS.Nguyễn Đức Nghĩa và
cộng sự đã tiến hành đo độ trao đổi ion của bentonit Bình Thuận đã tinh chế ở pH = 7
đến pH = 10. Kết quả đo nhiều loại mẫu cho thấy, ở pH = 7 dung lượng trao đổi ion
đạt 96 – 105 mgdl/100g, ở pH = 9 dung lượng trao đổi ion đạt 107 – 120mgdl/100g.
Trong khi đó, dung lượng trao đổi ion trong bentonit của hãng Southerm Clay Co là
110-115mgdl/100g, của hãng Merck khoảng 100-120mgdl/100g [1].
- Hình thái học của bentonit Bình Thuận tinh chế được nghiên cứu bằng kính
hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy:
Ở dạng trương nở cấu trúc bề mặt của nó với khoảng cách lớp dãn rộng (hình
1.11). Khoảng cách này rất dễ tiến hành phản ứng hữu cơ hóa biến tính khống sét.
Khi nung khơ, khống sét tạo thành những hình thù dạng phoi bào (hình 1.12).

Hình 1.9. Ảnh SEM của clay Bình Thuận đã tinh chế dạng trương nở

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

19


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

Hình 1.10 : Ảnh SEM của clay Bình Thuận đã tinh chế dạng khô [8]
1.3. Trùng hợp polyacrylamit clay nanocomposit
Các thông số của phân tử acrylamit:
Công thức phân tử

H2C CH
C

Một số thơng số hóa lí:

O

NH2

Phân tử khối: 71,04 g
Nhiệt độ sơi: 391.32 K
Nhiệt độ nóng chảy: 254.5 K
Acrylamit là một hợp chất hữu cơ phân cực có các đặc điểm: kích thước nhỏ,
có một nối đơi C=C, một liên kết peptip. Do đó, là một phân tử dễ trùng hợp, hịa tan
tốt trong nước.

Acrylamit có thể trùng hợp tạo thành polyacrylamit ở nhiệt độ khơng cao,
khơng cần xúc tác. Khi có xúc tác và ở nhiệt độ cao phản ứng trùng hợp xảy ra nhanh
chóng.
Phản ứng trùng hợp
CH2 - CH - CH2 - CH

n H2 C CH + n H2C CH
H2N

C

O

H 2N

C

O

H 2N

C

O H 2N

C

O

n

Xúc tác sử dụng: (NH4)2S2O8
Polyacrylamit có màu trong suốt, chứa nhóm amit phân cực, tan tốt trong nước
có nhiều ứng dụng trong sản xuất và xử lí mơi trường: làm trong nước, phủ láng giấy,
Khóa luận tốt nghiệp - 2008

20


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

hồ vải sợi, dịch khoan …
Với đặc điểm monome acrylamit có kích thước nhỏ khả năng khuếch tán tốt,
việc nghiên cứu q trình thế các cation trong khống sét có nhiều thuận lợi. Polyme
của nó dễ trùng hợp, cho phép tiến hành trùng hợp acrylamit ken giữa hai lớp clay và
khảo sát q trình hữu cơ hóa khống sét ở điều kiện thường. Bên cạnh đó, bước đầu
nghiên cứu chế tạo màng phủ nanocomposit và khảo sát các đặc tính cơ lí của nó.
Polyacrylamit clay nanocomposit được chế tạo bởi phản ứng trùng hợp cation
monome acrylamit ken trong khoảng giữa hai lớp của clay. Quá trình trùng hợp được
tiến hành qua từng giai đoạn.
Đưa acrylamit vào giữa hai lớp MMT của clay:
Clay là vật liệu cấu trúc lớp, giữa các lớp tồn tại cation kim loại Na+, Li +, K +
... Những ion này đóng vai trị trung hồ điện tích trong clay. Bằng phản ứng trao đổi
cation giữa monome acrylamit và ion kim loại ta nhận được clay nano biến tính
acrylamit.
Trùng hợp cation polyacrylamit clay nanocomposit
Polyacrylamit clay nanocomposit nhận được bằng phản ứng trùng hợp cation
khi có mặt của chất xúc tác oxy hoá như: amonipesunfat theo cơ chế sau.

H 2C CH
CONH 3

-CH 2-CH-CH2-CH-

H2C CH
CONH 3

CONH 3 CONH3

Hình 1.11. Sơ đồ phản ứng trùng hợp cation monome acrylamit
*

*
*

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

21


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

CHƯƠNG 2
THỰC NGHIỆM
2.1. Mục đích thí nghiệm
- Nghiên cứu chế tạo clay hữu cơ từ acrylamit và khống sét qua đó tiến hành:

Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ acrylamit đến khả năng chèn acrylamit
vào trong clay để đạt được clay hữu cơ với kích thước d001 bền nhất.
Nghiên cứu sự trùng hợp các monome ken giữa các lớp trong clay sau khi đã
chèn được ở điều kiện thường với xúc tác amonithiosulphat.
- Nghiên cứu chế tạo clay nanocomposit, khảo sát các tính năng cơ lí cơ bản
của màng phủ (độ bền uốn, độ bền va đập, độ bền cào xước và độ bám dính), nhằm
hướng tới nghiên cứu khả năng chế tạo loại sơn phủ bê tông sử dụng dung mơi là
nước có chất lượng tốt, bảo vệ mơi trường và có giá trị kinh tế.
2.2. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất
Thiết bị, dụng cụ
- Máy khuấy cơ
- Máy khuấy từ
- Tủ sấy
- Cốc, ống đong 1000ml, ống sa lắng 4500ml
- Máy li tâm.
- Tiêu bản mẫu thép CT3: 10 - 10 1 0.1 (cm); 9
- Tiêu bản mẫu đồng dày 0.1 cm.
- Chổi qt mẫu.
Hóa chất
- Khống sét thơ Bình Thuận
- Acrylamit. (Trung Quốc)
- HCl.1M
- Xúc tác (NH4)2S2O8 Trung Quốc.

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

22

9

0.1 (cm)


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

2.3. Nội dung thí nghiệm
2.3.1. Tinh chế clay
Để tinh chế khống sét bentonit nguyên lí cơ bản là lợi dụng tính chất trương
nở cao của bentonit so với các khoáng sét khác để loại bỏ tạp chất lẫn trong nó.
Bentonit Bình Thuận thuộc loại kiềm có độ trương nở cao nên tinh chế chỉ ứng dụng
tách lọc cơ học và phân đoạn để thu được hạt MMT có kích thước thích hợp cho việc
sử dụng.
Bentonit thơ

Hịa trong nước

Sa lắng

Tách cặn

Pha lỗng

Bentonit tinh chế

Sấy khơ

Li tâm

Tách cặn
Sa lắng
Hình 2.1. Sơ đồ tinh chế bentonit từ bentonit thơ Bình Thuận
Khóa luận tốt nghiệp - 2008

23


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

Thực hiện tinh chế.
Cân 10 gram khống sét Bình Thuận ở dạng thơ hịa trong 1 lit nước cất.
Khuấy mạnh trong 1 giờ để khoáng sét trương nở. Dung dịch thu được dạng huyền
phù đổ vào ống đong 1lít để sa lắng trong 2 giờ. Loại bỏ hạt to bằng cách tách cặn
phần đáy chiếm khoảng 15% chiều cao ống đong .
Phần trên được pha loãng 3 lần bằng nước cất, tiếp tục sa lắng trong 24 giờ
tách phần ở đáy chiếm 5 – 10% chiều cao, phần còn lại đem li tâm loại hạt to. Dung
dịch sau li tâm được cô bớt nước bằng cách khuấy mạnh ở nhiệt độ 800C, đến khi thể
tích cịn lại 1/3 so với ban đầu. Dung dịch này là dung dịch khoáng sét tinh chế, lấy ra
một thể tích dung dịch li tâm lấy cặn, làm khơ thu được khống sét khơ tinh chế.
Phân tích XRD, khống sét khơ tinh chế được sấy ở 800C trong nhiều giờ (4 giờ).
Để dùng cho việc nghiên cứu q trình hữu cơ hóa, bentonit sau khi tinh chế
được giữ ở dạng dung dịch huyền phù.
2.3.2. Chế tạo clay hữu cơ
Clay hữu cơ được chế tạo bởi phản ứng trao đổi ion thông thường giữa các
cation Na+ trong MMT với cation ankyl amonium trong tác nhân chèn acrylamit.
Sơ đồ chế tạo như sau:

Acrylamit
Nước
Dung dịch
Acrylamit
Khuấy trộn

Clay tinh chế
Clay tinh chế
dạng huyền phù

Dung dịch
HCl 1M

Dd Cation
amonium
Khuấy trộn (A)
Li tâm
Lọc rửa
Sấy khơ

Hình 2.2. Sơ đồ chế tạo clay hữu cơ

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

24


Tài Thị Thanh 49A- Khoa Hóa học

Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN

- Lấy 2g MMT trong dung dịch sét dạng huyền phù đã tinh chế cho vào bình
phản ứng (bình A).
- Điều chế cation amonium.
Lấy một lượng chính xác acrylamit hịa tan hoàn toàn trong 30ml nước cất.
Khuấy mạnh đồng thời thêm từ từ dung dịch HCl.1M. Sau khi kết thúc điều chỉnh pH
=3-4. Tiếp tục khuấy trộn 1 giờ cho phản ứng xảy ra hoàn toàn.
- Chế tạo clay hữu cơ.
Với mỗi hàm lượng acrylamit đem tạo ankyl amonium thu được cho vào bình
A bằng buret với tốc độ 1ml/phút. Bình A luôn được khuấy mạnh, sau khi hết ankyl
amonium tiếp tục khuấy mạnh trong 30 phút. Hỗn hợp phản ứng được để qua nhiều
giờ (qua đêm).
Phương trình điều chế cation amonium:
CH2CHCONH2 + HCl = CH2CHCON+H3ClClay hữu cơ được tách ra khỏi dung dịch bằng phương pháp li tâm, sau đó lọc
rửa để loại hết ankyl amonium và Cl- dư.
+ Để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acrylamit đến quá trình hữu cơ hóa
khống sét, chúng tơi lấy acrylamit ở các nồng độ khác nhau là: 5%; 10%; 15%;
25%; so với lượng clay có trong dung dịch.
+ Khảo sát khả năng trùng hợp polyacrylamit ken giữa, chúng tôi lấy clay hữu
cơ đã điều chế được ở nồng độ acrylamit (đã cation hóa) tốt nhất đã chèn so với
lượng clay có trong dung dịch. Xúc tác sử dụng là (NH4)2S2O8.
Tiến hành như sau:
Mẫu 1: sử dụng clay hữu cơ đã lai với hàm lượng acrylamit đạt kết quả tốt
nhất, đem đo nhiễu xạ tia X.
Mẫu 2: Sử dụng clay hữu cơ được làm sạch hòa vào nước cất khuấy trộn đều.
Lấy 1% (NH4)2S2O8 (đã hoàn tan trong nước) so với lượng clay biến tính acrylamit,
Cho vào dung dịch khuấy trộn mạnh trong 1 giờ. Hỗn hợp phản ứng để nhiều giờ (4
giờ), li tâm, lọc, rửa và sấy khô. Đem đo nhiễu xạ tia X
Mẫu 3: sử dụng 200ml dung dịch clay hữu cơ đã lai với hàm lượng acrylamit
đạt kết quả tốt nhất, cho vào một lượng acrylamit đã cation hóa như lần một tiến hành

chèn lần 2. Sau đó, dung dịch hỗn hợp tiếp tục khuấy trộn mạnh trong 1 giờ. Để hỗn

Khóa luận tốt nghiệp - 2008

25