Khảo sát quá trình điều chế sét hữu cơ từ bentonit và muối amin bậc 4, bước đầu thăm dò ứng dụng của chúng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SỰ PHẠM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ TỪ
BENTONIT VÀ MUỐI AMIN BẬC 4,
BƯỚC ĐẦU THĂM DÒ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG
Mã số: ĐH2011-04-11

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Phạm Thị Hà Thanh


Thái Nguyên, năm 2012


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SỰ PHẠM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ TỪ
BENTONIT VÀ MUỐI AMIN BẬC 4,
BƯỚC ĐẦU THĂM DÒ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG
Mã số: ĐH2011-04-11

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Phạm Thị Hà Thanh
Người tham gia thực hiện: TS . Đỗ Trà Hương
Ths. Nguyễn Văn Trung

Ths. Nghiêm Thị Hương
Ths. Nguyễn Văn Thọ

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài
(ký, họ tên, đóng dấu)

Thái Nguyên, năm 2012


MỤC LỤC
Mở đầu

Trang
1

Chương 1. Tổng quan

3

1.1. Sét hữu cơ

3

1.1.1. Cấu trúc sét hữu cơ

3

1.1.2. Tính chất của sét hữu cơ

5

1.1.3. Ứng dụng của sét hữu cơ

6

1.1.4. Tổng hợp sét hữu cơ

6

1.2. Vật liệu polyme clay nanocompozit

13

1.2.1. Một số khái niệm

13

1.2.2. Các loại vật liệu polyme clay nanocompozit

14

1.2.3. Công nghệ tổng hợp vật liệu polyme clay nanocompozit

15

1.2.4. Tính chất của vật liệu polyme clay nanocompozit

16

1.2.5. Một số hướng nghiên cứu vật liệu polyme clay nanocompozit từ bentonit

19

1.2.6. Giới thiệu về epoxy

19

Chương 2. Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

22

2.1. Hóa chất, thiết bị

22

2.1.1. Hóa chất

22

2.1.2. Thiết bị

22

2.2. Thực nghiệm

23

2.2.1. Khảo sát quá trình điều chế sét hữu cơ trong môi trường nước

23

2.2.2. Khảo sát quá trình điều chế sét hữu cơ trong môi trường rượu nước

24

2.2.3. Chế tạo màng phủ epoxy clay nanocompozit

24

2.3. Các phương pháp nghiên cứu

25

2.3.1. Phương pháp nhiễu xa ̣ Rơnghen

25

2.3.2. Phương pháp phân tích nhiệt

25

2.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại

25

2.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét

25

2.3.6. Phương pháp xác định hàm lượng cation hữu cơ trong sét hữu cơ

26


2.3.7. Phương pháp xác định hàm lượng chất đóng rắn trong sơn epoxy

26

2.3.8. Các phương pháp xác định tính chất cơ lý của màng phủ

26

Chương 3. Kết quả và thảo luận

30

3.1. Điều chế sét hữu cơ trong môi trường nước

30

3.1.1. Điều chế sét hữu cơ từ bent-P

30

3.1.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

30

3.1.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng DMDOA/bentonit

32

3.1.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch

35

3.1.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng

36

3.1.2. Điều chế sét hữu cơ từ bent-B

37

3.1.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

37

3.1.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng DMDOA/bentonit

38

3.1.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch

40

3.1.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng

41

3.1.3. So sánh, đánh giá cấu trúc và tính chất hai loại sét hữu cơ được

43

điều chế từ bent-P và bent-B trong môi trường nước
3.1.3.1. Nghiên cứu bằng phương pháp phổ nhiễu xạ tia X

43

3.1.3.2. Nghiên cứu bằng phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại

44

3.1.3.3. Nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt

46

3.1.3.4. Nghiên cứu bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét

49

3.2. Điều chế sét hữu cơ trong môi trường rượu nước
3.2.1. Điều chế sét hữu cơ từ bent-P

50
50

3.2.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

50

3.2.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng DMDOA/bentonit

51

3.2.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch

53

3.2.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng

54

3.2.2. So sánh, đánh giá cấu trúc và tính chất hai loại sét hữu cơ được

55

điều chế từ bent-P và bent-B trong môi trường rượu nước
3.2.2.1.Nghiên cứu bằng phương pháp phổ nhiễu xạ tia X

55

3.2.2.2. Nghiên cứu bằng phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại

56


3.2.2.3. Nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt

57

3.2.2.4. Nghiên cứu bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét

61

3.3. Khảo sát khả năng gia cường của sét hữu cơ cho màng phủ epoxy

63

3.3.1. Xác định hàm lượng chất đóng rắn

63

3.3.2. Tính chất của màng phủ epoxy clay nanocompozit

64

3.3.2.1. Tính chất cơ lý của màng phủ

64

3.3.2.2. Độ bền nhiệt của màng phủ

66

Kết luận

70

Tài liệu tham khảo

71


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tên gọi

Viết tắt

Bentonit Bình Thuận, Việt Nam

Bent-B

Bentonit Prolabo, Pháp

Bent-P

Đimetylđioctađecylammoni clorua

DMDOA

Dung lượng trao đổi ion

CEC

Dung môi của epoxy

DMT3-EP

Epoxy

Ep

Epoxy được gia cường n% B-DMDOA

Ep-B-n

Epoxy được gia cường n% P-DMDOA

Ep-P-n

High density poly ethylene

HDPE

Khoáng sét

Clay

Mili đương lượng gam

mđlg

Phổ hấp thụ hồng ngoại

FT-IR

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét

SEM

Phương pháp nhiễu xạ Rơn ghen

XRD

Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng

TG

Poly propylen

PP

Poly vinyl alcol

PVA

Sét hữu cơ điều chế từ bent-B trong môi trường nước

B-C18

Sét hữu cơ điều chế từ bent-B trong môi trường rượu nước

B-DMDOA

Sét hữu cơ điều chế từ bent-P trong môi trường nước

P-C18

Sét hữu cơ điều chế từ bent-P trong môi trường rượu nước

P-DMDOA


DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng

Trang

Bảng 1.1. Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001

4

và diện tích sét bị che phủ
Bảng 1.2. Sự phụ thuộc d001 của sét hữu cơ vào lượng cation hữu cơ

hấp

phụ
Bảng 1.3. Thành phần hoá học, một số đặc trưng của bentonit Bình Thuận,
Việt Nam và Prolabo, Pháp
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến giá trị d001
Bảng 3.2. Hàm lượng cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ điều
chế khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ (phương pháp 1)
Bảng 3.3. Hàm lượng cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ điều
chế khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ (phương pháp 2)
Bảng 3.4. Hàm lượng cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ điều
chế ở các tỉ lệ khối lượng DMDOA/bentonit khác nhau (phương pháp 1)
Bảng 3.5. Hàm lượng cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ được
điều chế ở các tỉ lệ khối lượng DMDOA/bentonit khác nhau (phương pháp 2)

Bảng 3.6. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến giá trị d001 và hàm lượng cation
hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến giá trị d001và hàm lượng
cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ
Bảng 3.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến giá trị d001và hàm lượng
cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng DMDOA/bentonit đến giá trị d001
và hàm lượng cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ
Bảng 3.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng DMDOA/bentonit đến giá trị
d001 và hàm lượng cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ
Bảng 3.11. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến giá trị d001 và hàm lượng
cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ

5

9
31
32

33

34

34

35

37

38

40

41

42


Bảng 3.12. Kết quả phân tích nhiệt của các mẫu bentonit và sét hữu cơ tương
ứng
Bảng 3.13. Hàm lượng (%) cation hữu cơ trong sét hữu cơ điều chế từ
bentonit Prolabo, Pháp và bentonit Bình Thuận, Việt Nam
Bảng 3.14. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến giá trị d001 và hàm lượng cation hữu
cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ được điều chế
Bảng 3.15. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng DMDOA/bentonit đến giá trị
d001 và hàm lượng cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ 79

48

48

51

52

Bảng 3.16. Sự phụ thuộc của giá trị d001 vào pH của dung dịch phản ứng

53

Bảng 3.17. Sự phụ thuộc của giá trị d001 vào thời gian phản ứng

54

Bảng 3.18. Kết quả phân tích nhiệt của các mẫu bentonit và sét hữu cơ

61

Bảng 3.19. Hàm lượng cation hữu cơ xâm nhập của P-DMDOA, B-DMDOA
điều chế môi trường rượu nước
Bảng 3.20. Điều kiện phản ứng, giá trị d001 và hàm lượng cation hữu cơ trong
các môi trường khảo sát của các mẫu sét hữu cơ
Bảng 3.21. Kết quả xác định hàm lượng chất đóng rắn
Bảng 3.22. Tính chất cơ lý của màng phủ epoxy clay nanocompozit được
gia cường bởi sét hữu cơ P – DMDOA
Bảng 3.23. Tính chất cơ lý của màng phủ epoxy clay nanocompozit được gia
cường bởi sét hữu cơ B-DMDOA
Bảng 3.24. Kết quả phân tích nhiệt của các mẫu Ep, Ep-P-(0,5÷5), Ep-B-1

61

62
63
65

66
68


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Tên hình vẽ, đồ thị

Trang

Hình 1.1: Sự định hướng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat

4

Hình 1.2: Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp

4

Hình 1.3: Các dạng vật liệu polyme clay nanocompozit

14

Hình 1.4: Sơ đồ biểu diễn khả năng che chắn của vật liệu polyme clay
nanocompozit

18

Hình 2.1: Quy trình tổng hợp sét hữu cơ trong môi trường nước

23

Hình 2.2: Quy trình chế tạo màng phủ epoxy clay nanocompozit

24

Hình 3.1. Giản đồ XRD của bent – P

30

Hình 3.2. Giản đồ XRD các mẫu sét hữu cơ được điều chế ở các nhiệt độ 400C,

500C, 600C, 700C, 800C
Hình 3.3. Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ được điều chế ở các tỉ lệ
khối lượng DMDOA/bentonit
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo tỷ lệ khối lượng
DMDOA/bentonit của các mẫu sét hữu cơ
Hình 3.5. Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ điều chế ở môi trường có
các giá trị pH: 6, 7, 8, 9, 10
Hình 3.6. Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ phản ứng trong thời gian 1h,
2h, 3h, 4h, 5h, 6h
Hình 3.7. Giản đồ XRD của bent-B
Hình 3.8. Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ điều chế ở các nhiệt độ:
400C, 500C, 600C, 700C, 800C
Hình 3.9. Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ ở các tỉ lệ khối lượng
DMDOA/bentonit là 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1
Hình 3.10: Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ điều chế ở các giá trị pH là
6, 7, 8, 9, 10, 11
Hình 3.11. Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ phản ứng trong thời gian

31

33

33

35

36
38
38

39

41
42


2h, 3h, 4h, 5h, 6h
Hình 3.12. Giản đồ XRD của bentonit và sét hữu cơ tương ứng với các
nguồn: bent-P (a) và bent-B (b)
Hình 3.13: Phổ FT- IR của bent-P (P); sét hữu cơ (P-C18) (a) và của bent-B
(B); sét hữu cơ (B-C18) (b)

43

45

Hình 3.14: Giản đồ phân tích nhiệt của bent-P (a) và sét hữu cơ P-C18 (b)

46

Hình 3.15:Giản đồ phân tích nhiệt của bent-B (a) và sét hữu cơ B-C18 (b)

47

Hình 3.16: Ảnh SEM của bentonit và sét hữu cơ tương ứng điều chế từ bentP (a) và bent-B (b)

Hình 3.17: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu cơ ở các nhiệt độ 20oC, 30oC,
40oC; 50oC; 60oC
Hình 3.18: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu cơ điều chế ở các tỉ lệ khối lượng
0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7
Hình 3.19. Giản đồ XRD của mẫu sét hữu cơ điều chế trong các môi trường
có pH bằng 6, 7, 8, 9, 10
Hình 3.20: Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ phản ứng trong thời gian
1h, 2h, 3h, 4h, 5h
Hình 3.21: Giản đồ XRD của bentonit và sét hữu cơ tương ứng với các
nguồn: bent-P (a) và bent-B (b)

49

50

52

53

54

56

Hình 3.22: Phổ hấp thụ hồng ngoại của bent-P (1) và sét hữu cơ tương ứng (2)

57

Hình 3.23: Phổ hấp thụ hồng ngoại của bent-B(1) và sét hữu cơ tương ứng (2)

57

Hình 3.24: Giản đồ phân tích nhiệt của bent – P (a) và P-DMDOA (b)

59

Hình 3.25: Giản đồ phân tích nhiệt của bent-B (a) và B-DMDOA (b)

60

Hình 3.26: Ảnh SEM của bentonit và sét hữu cơ tương ứng điều chế từ bent
– P (a) và bent-B (b)
Hình 3.27: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hàm lượng chất đóng rắn và
khối lượng suy giảm

62

64

Hình 3.28: Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu epoxy

67

Hình 3.29: Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu (Ep-P-1)

67

Hình 3.30: Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu (Ep-B-1)

68

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, vật liệu polyme clay nanocompozit là loại vật
liệu mới đang thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu cũng như công
nghệ sản xuất trong và ngoài nước vì chúng có nhiều tính chất kỹ thuật nổi trội hơn
nhiều so với vật liệu polyme compozit thông thường.
Bentonit là loại khoáng sét có sẵn trong tự nhiên, làm nguyên liệu để điều
chế sét hữu cơ. Các vật liệu có trữ lượng sét hữu cơ rất thấp (khoảng 1-5%) trong
polyme cũng làm tăng đáng kể các tính chất của vật liệu như tính chất cơ lý, khả
năng chịu nhiệt, chống cháy, chống thấm, khả năng bảo vệ chống ăn mòn. Vì vậy,
vật liệu polyme clay nanocompozit trên cơ sở bentonit đem lại hiệu quả kinh tế cao.
Để chế tạo polyme clay nanocompozit, bentonit thường được biến tính bề
mặt bằng các hợp chất hữu cơ phân cực hoặc các cation hữu cơ, đặc biệt là các amin
bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4 có mạch thẳng, mạch nhánh và mạch vòng để tạo sét hữu
cơ. Có nhiều phương pháp được sử dụng để biến tính bentonit và các khoáng sét
như phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion với các cation vô cơ và hữu
cơ,… Trong đó, phương pháp trao đổi cation trong bentonit với các ion ankylamoni
là phương pháp thông dụng và thường được sử dụng để tổng hợp sét hữu cơ.
Bên cạnh đó, nguồn tài nguyên bentonit của nước ta rất phong phú và đa
dạng được phát hiện ở nhiều nơi với hàm lượng lớn.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu tổng hợp, so sánh sét hữu cơ điều chế từ bentonit
Bình Thuận,Việt Nam và bentonit Prolabo, Pháp với cation đimetylđioctađecyl
amoni trong môi trường nước; môi trường rượu nước chưa được nghiên cứu đầy đủ.
Đồng thời, khả năng gia cường của sét hữu cơ đến tính chất cơ lý của vật liệu
polyme chưa được nghiên cứu nhiều, đặc biệt là ảnh hưởng của bentonit Việt Nam.
Từ thực tế trên, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: “Khảo sát quá trình điều chế sét
hữu cơ từ bentonit và muối amin bậc 4, bước đầu thăm dò ứng dụng của chúng”.
Mục đích của đề tài là tổng hợp sét hữu cơ làm nguyên liệu cho quá trình chế
tạo vật liệu polyme clay nanocompozit từ hai nguồn bentonit (Prolabo, Pháp và

Bình Thuận, Việt Nam). Với mục tiêu đó chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu các nội
dung sau:
1. Nghiên cứu tổng hợp sét hữu cơ với cation đimetylđioctađecyl amoni:
- Trong môi trường nước

1


- Trong môi trường rượu nước
2. Nghiên cứu khả năng gia cường của sét hữu cơ đến một số tính chất cơ lý
của vật liệu polyme clay nanocompozit với nền epoxy.

2


Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Sét hữu cơ
1.1.1. Cấu trúc sét hữu cơ
Sét hữu cơ là sản phẩm của quá trình tương tác giữa các khoáng có cấu trúc
lớp thuộc nhóm smectit, đặc trưng nhất là bentonit với các hợp chất hữu cơ phân
cực hoặc các cation hữu cơ, nhất là các amin bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4 có mạch
thẳng, mạch nhánh và mạch vòng.
Các nghiên cứu về tương tác giữa khoáng sét với các hợp chất hữu cơ được
thực hiện từ đầu thế kỷ XX. Kết quả cho thấy sự hấp phụ các chất hữu cơ phân cực
như rượu bậc thấp, glycol và các amin trên bề mặt phiến sét cũng tương tự như hấp
phụ nước với cùng một mức năng lượng. Vì vậy, các hợp chất hữu cơ phân cực khi
tiếp xúc với khoáng sét sẽ dễ dàng đẩy và chiếm chỗ các phân tử nước nằm ở
khoảng không gian giữa hai phiến sét. Các phân tử phân cực liên kết yếu với oxy bề
mặt của đỉnh tứ diện SiO4 nằm trong đơn vị cấu trúc sét bằng lực Van đec Van. Do
vậy, các phân tử hữu cơ phân cực trên bề mặt phiến sét rất linh động và dễ dàng bị

thay thế bằng các phân tử khác. Khác với chất hữu cơ phân cực, cation hữu cơ thay
thế các cation vô cơ nằm ở giữa hai phiến sét và liên kết chặt chẽ với bề mặt phiến
sét. Sự tương tác này được gọi là hấp phụ trao đổi ion. Nguyên tử nitơ của cation
hữu cơ gắn chặt vào bề mặt phiến sét còn đuôi hyđrocacbon sẽ thay thế vị trí các
phân tử nước đã bị hấp phụ từ trước và nằm song song hoặc vuông góc với bề mặt
sét.
Sự sắp xếp của các phân tử hữu cơ giữa các lớp sét phụ thuộc vào điện tích
lớp, cấu trúc bề mặt, mức độ trao đổi của khoáng sét và chiều dài mạch của ion hữu
cơ. Hình 1.1 cho thấy các ion hữu cơ có thể sắp xếp tạo lớp phẳng (đơn hoặc kép)
trên bề mặt silicat. Ngoài ra, tùy thuộc vào chiều dài mạch ankyl và mật độ gói
ghém cho thấy sự tạo thành các cấu trúc nghiêng với mạch ankyl hướng ra xa bề
mặt silicat. Với các lớp “3 phân tử”, do một số đầu mạch chồng chập lên các đầu
mạch khác, nên khoảng cách giữa các lớp được xác định bởi chiều dày của ba mạch
ankyl [8], [10], [12].

3


Hình 1.1: Sự định hướng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat
(a) lớp đơn, (b) lớp kép, (c) lớp giả ba phân tử và (d, e) sự sắp xếp kiểu parafin
Năm 1976, Lagaly [18] và cộng sự đã nghiên cứu sự tạo thành các lớp đơn,
lớp kép và lớp “3 phân tử” của các ion ankylamoni trong khoảng không gian giữa
các lớp của MMT và nhận thấy khoảng cách cơ sở của ankylamoni MMT phụ thuộc
vào chiều dài mạch của ankylamoni (Hình 1.2).

Hình 1.2: Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp
Nếu mạch hydrocacbon trong muối amoni hữu cơ là mạch thẳng và có số
nguyên tử cacbon bằng 10 thì giá trị d001 là 13,6Å, nếu số nguyên tử C từ 12 đến 18
thì giá trị d001 khoảng 17Å (Bảng 1.1).
Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001

và diện tích sét bị che phủ
Số nguyên tử
cacbon
0
3
4
8
10
12
14
16
18

d001 (nm)
0,96
1,35
1,34
1,33
1,36
1,74
1,74
1,75
1,76

Số lớp cation
hữu cơ
1
1
1
1

2
2
2
2

4

Diện tích sét bị che phủ
(nm2)
(%)
0,38
23
0,44
27
0,69
42
0,81
49
0,94
57
1,06
64
1,19
72
1,31
79


Khi nghiên cứu phản ứng trao đổi cation giữa bentonit với các muối amoni
hữu cơ và sự tương quan giữa tỷ lệ bề mặt phiến sét bị che phủ bằng các cation hữu

cơ với số lớp cation hữu cơ sắp xếp trong không gian giữa hai phiến sét cho thấy
khi bề mặt phiến sét bị che phủ hơn 50% thì các cation hữu cơ bắt đầu sắp xếp
thành hai lớp. Ngoài ra giá trị của d001 còn phụ thuộc vào lượng cation hữu cơ bị
hấp phụ trên bề mặt phiến sét (Bảng 1.2).
Liên kết hydro giữa các hợp chất hữu cơ với khoáng sét cũng là một yếu tố
quan trọng, ảnh hưởng tới sự thay đổi khoảng cách d001 giữa các phiến sét, đặc biệt
là với phân tử chứa các nhóm OH, NH2 và NH3.
Bảng 1.2: Sự phụ thuộc d001 của sét hữu cơ vào lượng cation hữu cơ bị hấp phụ
Tetra n-propyl amoni
Lượng bị hấp phụ
(mđlg/100g sét)

Tetra n-butyl amoni
Lượng bị hấp phụ

d001(nm)

(mđlg/100g sét)

d001(nm)

0

1,20

14

1,28

16

1,28

20

1,33

23

1,38

35

1,40

58

1,40

54

1,47

72

1,42

65

1,47

88

1,45

84

1,55

1.1.2. Tính chất của sét hữu cơ
Tính chất hấp phụ [8], [11], [12], [16].
Do sét hữu cơ có tính ưa hữu cơ nên sự hấp phụ xảy ra chủ yếu đối với các
phân tử hữu cơ trong môi trường lỏng hoặc khí. Trong môi trường lỏng, khả năng
hấp phụ tăng khi điện tích lớp, khoảng không gian của các lớp, kích thước
alkylamoni tăng và lượng cation hữu cơ trong sét đạt xấp xỉ mức độ bão hòa với
dung lượng trao đổi cation.
Tính chất trương nở [12], [14], [17]
Sét hữu cơ có khả năng trương nở tốt trong các dung môi hữu cơ, do đó được
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như làm chất chống sa lắng trong sơn,
trong mực in, làm sạch nước bị ô nhiễm bởi dầu, mỡ,...
Độ bền của sét hữu cơ [12], [20], [23]
Độ bền của sét hữu cơ một phần là do lực hút Van de Van giữa các mạch hữu
cơ và giữa các mạch hữu cơ với bề mặt hạt sét (hiệu ứng này tăng nhanh theo chiều dài

5


mạch hữu cơ), một phần khác là do độ bền nhiệt động học của các cation amoni trên bề
mặt các hạt sét lớn hơn so với độ bền nhiệt động học của chúng được hyđrat hóa. Do
vậy, sét hữu cơ tương đối ổn định nhiệt, nó có thể sử dụng ở nhiệt độ lên tới 2500C.

1.1.3. Ứng dụng của sét hữu cơ
Sét hữu cơ đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:
Xử lý môi trường: Sét hữu cơ là chất hấp phụ mạnh để loại bỏ dầu, chất
hoạt động bề mặt và các dung môi như metyl etyl xeton, t-butyl ancol và các chất
khác. Do khả năng loại bỏ dầu và dầu nhờn của sét hữu cơ ở tỉ lệ thể tích cao, vì
vậy khi sử dụng sét hữu cơ để tách loại dầu có thể tiết kiệm tới hơn 50% chi phí.
Sét hữu cơ có thể dùng làm chất ổn định trong quá trình pha trộn nhiên liệu ở nhà
máy sản xuất nhựa đường [9], [19].
Chế tạo vật liệu polyme clay nanocompozit: Hiện nay, ứng dụng quan trọng
nhất của sét hữu cơ là trong lĩnh vực điều chế các polyme nanocompozit, sét hữu
cơ chiếm 70% các loại vật liệu nano thương mại được dùng để điều chế các
polyme compozit [13]. Quy trình làm tăng khả năng ưa dầu là bước quan trọng,
tạo điều kiện thuận lợi cho sự tách lớp thành công của các hạt khoáng sét trong
các polyme nền bởi tính ưa dầu làm giảm năng lượng của khoáng sét và làm nó
tương hợp nhiều hơn với các polyme hữu cơ. Việc thêm sét hữu cơ làm tăng các
đặc tính cơ học, lý học và hóa học của polyme nền. Chỉ với một lượng nhỏ sét hữu
cơ cỡ vài phần trăm khối lượng được đưa vào polyme để tạo vật liệu polyme clay
nanocompozit đã có thể nâng cao tính chất cơ lý của vật liệu, nâng cao khả năng
chống cháy, hệ số chống thấm khí lên rất nhiều lần mà không làm thay đổi đáng
kể trọng lượng, độ trong của vật liệu [28], [29], [32], [34].
Sét hữu cơ cũng được sử dụng làm chất chống sa lắng trong môi trường
hữu cơ do sét hữu cơ có khả năng trương nở và tạo gel trong dung môi hữu cơ.
Hiện nay, sét hữu cơ ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, như đã được dùng
làm chất tạo cấu trúc cho dung dịch khoan trong công nghiệp dầu khí, trong sơn
lưu hóa nhiệt, chất làm sạch dầu trong nhũ tương dầu/nước. Ngoài ra, sét hữu cơ
còn được sử dụng làm phụ gia sản xuất bôi trơn, sơn, mực, mỹ phẩm, chất chống
thấm [37], [39].
1.1.4. Tổng hợp sét hữu cơ
1.1.4.1. Nguyên liệu điều chế sét hữu cơ
Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên, với thành phần chính là monmorinolit

(MMT), có thành phần hoá học không ổn định. Trong trường hợp lý tưởng, công

6


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 bởi ion kim loại Al3+, Fe3+, Fe2+, Mg2+… với ion Si4+ trong tứ diện SiO4 và
Al3+ trong bát diện AlO6 [6], [8], [10], [15].
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. Các cation này có thể trao đổi với các cation ngoài dung dịch
với dung lượng trao đổi khác nhau tùy thuộc vào mức độ thay thế đồng hình trong
mạng, dao động trong khoảng 70÷150 mđlg/100g [17], [18], [21]. Quá trình trương
nở và quá trình xâm nhập những cation khác vào khoảng xen giữa các lớp sét làm
thay đổi khoảng cách giữa chúng.
Do đặc điểm cấu tạo và điều kiện địa chất tạo thành các mỏ bentonit khác
nhau nên hàm lượng MMT có trong bentonit cũng khác nhau và dao động trong một
khoảng rộng.
Ví dụ, ở mỏ bentonit kiềm Tuy Phong, Bình Thuận hàm lượng MMT trong
bentonit chỉ khoảng 15 – 20%, trong khi đó mỏ bentonit kiềm Wyoming ở Mĩ có
hàm lượng MMT lên đến hơn 80% [1].
Do bentonit có thành phần chính là MMT với cấu trúc lớp nên có các tính
chất đặc trưng: tính trương nở, khả năng hấp phụ, trao đổi ion, kết dính, nhớt, dẻo
và trơ, trong đó quan trọng nhất là khả năng trao đổi ion, tính trương nở và hấp
phụ [31], [32]. Khả năng trao đổi ion mạnh hay yếu phụ thuộc vào lượng điện tích
âm bề mặt và bản chất của các 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. Ngoài ra,
dung lượng trao đổi cation còn phụ thuộc vào hoá trị và bán kính của các cation
trao đổi [31].

Nguồn tài nguyên bentonit ở Việt Nam [1], [6]
Nước ta có nguồn bentonit khá dồi dào, hiện nay đã phát hiện được hơn hai
chục mỏ và điểm quặng bentonit. Đa phần các mỏ có trữ lượng lớn đều tập trung ở
phía Nam (Lâm Đồng, Bình Thuận, Thành phố Hồ Chí Minh,...). Ở phía Bắc,
bentonit tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng Bắc Bộ và Thanh Hoá. Một số mỏ
bentonit lớn ở nước ta đã được thăm dò, khai thác.
Mỏ bentonit Tam Bố - Di Linh - Lâm Đồng đã được thăm dò địa chất và xác
nhận mỏ có trữ lượng khoảng 542.000 tấn, chất lượng bentonit khá tốt, điều kiện địa
chất thuỷ văn, địa chất công trình thuận lợi. Tại mỏ Tam Bố có 5 thân sét bentonit,

7


với chiều dài thay đổi từ 400 đến 840 m, chiều dày khoảng 1-7 m, diện tích phân bố
2,36 km2. Hàm lượng MMT trong sét dao động từ 40 đến 50%. Hệ số độ keo từ
0,29 – 0,42. Dung lượng trao đổi cation khoảng 25,01- 48,5 mgđl/100 g sét khô.
Mỏ bentonit Tuy Phong - Bình Thuận đã được phát hiện tại Nha Mé, Vĩnh Hảo
(huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận) với diện tích gần 10 km2, bao gồm các lớp
bentonit chiều dày tối đa 11 m, trung bình 4 m. Đây là loại bentonit kiềm tập trung ở
đới khô Thuận Hải (cũ) chiếm diện tích khoảng 4 km2, thành phần khoáng vật chính
gồm MMT, thạch anh, calxit, ilmenit. Hàm lượng MMT từ 10-20%. Hệ số độ keo từ
0,20 – 0,22. Dung tích trao đổi cation khoảng 15,62-19,67 mđlg/100 g.
Mỏ bentonit Cổ Định (Thanh Hoá) nằm trong khu bãi thải của chân Núi Nưa.
Bentonit là sản phẩm thải trong quá trình khai thác và làm giàu quặng cromit. Hàm
lượng MMT nguyên khai dao động khoảng 35 đến 43,9%. Dung lượng trao đổi
cation khoảng 40 đến 52,9 mđlg/100 g sét khô.
Tại Cheo Reo, Phú Túc và cao nguyên Vân Hòa đã phát hiện 26 tụ khoáng,
điểm quặng bentonit. Các mỏ bentonit khác nói chung có trữ lượng ít, hàm lượng
thấp và chưa được điều tra, đánh giá đầy đủ.
Dự báo khả năng khai thác quặng bentonit ở Việt Nam

Giai đoạn đến năm 2015: Duy trì khai thác và chế biến mỏ Cổ Định (Thanh
Hoá) với công suất 20.000 tấn/năm. Đầu tư Nhà máy chế biến tại huyện Di Linh
(Lâm Đồng), công suất 25.000 - 30.000 tấn/năm, từ nguồn nguyên liệu mỏ Tam Bố.
Đầu tư Nhà máy chế biến tại Tuy Phong (Bình Thuận), công suất 30.000 - 35.000
tấn/năm từ nguồn nguyên liệu mỏ Nha Mé. Theo nhu cầu thị trường, đầu tư cơ sở thứ 2
có công suất 15.000 – 20.000 tấn/năm từ nguồn nguyên liệu mỏ Lòng Sông.
Giai đoạn 2016 – 2025: Dự kiến nâng công suất Nhà máy chế biến bentonit Di
Linh (Lâm Đồng) lên 50.000 - 60.000 tấn/năm. Tuỳ theo nhu cầu thị trường, dự kiến
nâng công suất Nhà máy chế biến tại huyện Tuy Phong (Bình Thuận) lên 60.00070.000 tấn/năm và cơ sở sản xuất Lòng Sông lên 70.000-80.000 tấn/năm. Nâng công
suất khai thác và chế biến bentonit tại Cổ Định lên 50.000 - 60.000 tấn/năm.
Từ Bảng 1.3. cho thấy sự có mặt của hầu hết các nguyên tố căn bản cấu thành
bentonit, tỷ lệ Al2O3/SiO2 của bentonit Bình Thuận khoảng 1/4,7 đó là tỷ lệ tương
đối cao so với các loại bentonite khác (có tỷ lệ 1/2  1/4). Điều này chứng tỏ trong
bentonit Bình Thuận chứa một lượng cát khá lớn. Đối chiếu thành phần hoá học của
bentonit Bình Thuận với bentonit Prolabo cho thấy chúng có thành phần hoá học tương
tự, nhưng hàm lượng nhôm oxit trong bentonit Bình Thuận thấp hơn so với bentonit

8


Wyoming và bentonit Prolabo, trong khi đó hàm lượng silic oxit và canxi oxit cao hơn
đáng kể, còn hàm lượng kim loại kiềm đều cao và không khác nhau nhiều.
Bảng 1.3: Thành phần hoá học, một số đặc trưng
của bentonit Bình Thuận, Việt Nam và Prolabo, Pháp
Hàm lượng (%)
TT

Thành phần

Bentonit

Bình Thuận, Việt Nam

Bentonit
Prolabo, Pháp

1

SiO2

60,15

59,70

2

Al2O3

13,34

16,50

3

Fe2O3

2,85

3,00

4

FeO

0,67

Ít

5

MgO

2,13

1,65

6

CaO

6,32

2,20

7

K2 O

0,62

0,40

8

Na2O

2,12

2,15

9

MKN

9,80

10,3

10

Hàm lượng MMT (%)

>90

>90

11

Dung lượng trao đổi ion
(mlđlg/100g)

110

115

12

Diện tích bề mặt (m2/g)

105

104

13

Kích thước hạt (m)

<10

<10

14

Độ trương nở (%)

500 - 800

500

Các hợp chất hữu cơ được sử dụng để điều chế sét hữu cơ
Các muối ankyl amoni bậc bốn

Các muối ankylamoni bậc bốn là loại hợp chất hữu cơ được sử dụng nhiều
nhất để điều chế sét hữu cơ. Chúng là chất hoạt động bề mặt kiểu cation và được
tổng hợp bằng cách ankyl hóa hoàn toàn amoniac hoặc các amin.
Các ion ankylamoni bậc bốn thường được sử dụng nhiều hơn các ion
ankylamoni bậc nhất vì chúng không bị thủy phân và do đó không có hiện tượng
giải hấp ankylamin tự do. Một thuận lợi nữa là lượng lớn các gốc hữu cơ trong
ankylamoni bậc bốn (30-40%) sẽ làm giảm mật độ của các hạt phân tán [39].
Với sét hữu cơ sử dụng trong lĩnh vực polyme nanocompozit, loại muối
ankylamoni bậc bốn được chọn tùy thuộc vào ái lực giữa khoáng sét với polyme

9


nền. Với các polyme không phân cực như polypropylen và polyetylen, các khoáng
sét biến tính với điankyl đimetylamoni halogenua được sử dụng, trong khi với
polyme phân cực như polyamit, thì các khoáng sét được biến tính với ankyl benzyl
đimethylamoni halogenua hoặc ankyl hydroxyetylamoni halogenua lại thường
được sử dụng.
Năm 2004, Lee [19] đã xử lý bentonit với 1-hexadecylamin, 1-octadecylamin,
cetyltrimetylamoni và octadecyltrietylamoni bromua. Tất cả các sét hữu cơ thu được
đều bị đề amin hóa trong epoxy nền. Cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi của các
nanocompozit tăng lên khi hàm lượng sét hữu cơ tăng.
Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy khi sử dụng các chất hoạt động bề mặt
thì tính bền nhiệt và tính tương hợp của sét hữu cơ tăng lên. Các hợp chất này cung
cấp cho khoáng sét khả năng bền nhiệt cao và hầu như không có hiện tượng thoái
hóa ở các nhiệt độ dưới 3000C [40], [41].
Các phân tử sinh học
Các khoáng sét cũng có thể được biến tính với các phân tử sinh học như
protein, enzym, amino axit, peptit … và điều này sẽ mở ra nhiều ứng dụng mới. Ví
dụ: bentonit với những ưu điểm như không chứa độc tố, độ hoạt động hóa học và tính

hút nước cao có thể được sử dụng làm chất mang để cố định các phân tử sinh học.
1.1.4.2. Các phương pháp điều chế sét hữu cơ
Quá trình tổng hợp sét hữu cơ được dựa trên cơ chế của các phản ứng có thể
xảy ra giữa khoáng sét với các hợp chất hữu cơ. Phản ứng thay thế xảy ra khi các
phân tử nước giữa các lớp sét được thay thế bởi các phân tử phân cực. Các hợp chất
hữu cơ trung hoà có thể hình thành phức với các cation giữa các lớp sét. Trong
trường hợp bentonit hấp phụ các hợp chất hữu cơ trung hoà, có thể hình thành nhiều
loại tương tác hoá học như: liên kết hydro, tương tác momen lưỡng cực, liên kết
phối trí, lực Van de Van... Các cation giữa các lớp sét có thể trao đổi với nhiều loại
cation hữu cơ khác nhau. Sét hữu cơ thường được điều chế bằng phản ứng trao đổi
cation trong dung dịch (phương pháp ướt) hoặc bằng phản ứng trạng thái rắn
(phương pháp khô) [26].
Tổng hợp sét hữu cơ bằng phương pháp ướt
Phản ứng trao đổi cation đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ qua. Kỹ thuật
này dựa trên sự trao đổi cation giữa các lớp sét bởi các cation hữu cơ trong dung
dịch. Bên cạnh các cation hữu cơ được sử dụng làm tác nhân trao đổi, người ta còn
sử dụng một số hợp chất hữu cơ khác. Đã có nhiều công trình nghiên cứu điều chế

10


vật liệu sét hữu cơ ở các điều kiện khác nhau được công bố [26],[28], [32], [33]. Sét
hữu cơ tổng hợp bằng phương pháp ướt theo các bước: đầu tiên phân tán sét trương
nở trong nước với nồng độ nhỏ hơn 10% theo khối lượng, tốt nhất từ 2% đến 4%,
khuấy mạnh để các hạt sét bị hyđrat hoá và phân tán hoàn toàn trong nước, giữ
huyền phù ở trạng thái tĩnh để các hạt khoáng khác như thạch anh, canxit, phenspat
lắng xuống, tách cặn ra khỏi huyền phù bằng li tâm tốc độ cao. Khuấy và giữ huyền
phù đã được làm sạch ở một nhiệt độ và pH nhất định rồi từ từ cho muối amoni hữu
cơ vào huyền phù sét. Lượng muối amoni hữu cơ biến tính tuỳ thuộc vào chất lượng
sét, nói cách khác phụ thuộc vào dung lượng trao đổi cation của sét. Ưu điểm của

phương pháp này là đơn giản, dễ thực hiện và chi phí thấp. Đây là phương pháp
được sử dụng phổ biến nhất hiện nay ở Việt Nam [2], [3], [6] cũng như trên thế
giới. Trong luận án này, phương pháp để thực hiện phản ứng trao đổi cation được
lựa chọn là phương pháp khuếch tán trong môi trường nước và môi trường rượu
nước.
Tổng hợp sét hữu cơ bằng phương pháp khô
Các phân tử chất hữu cơ có thể được chèn vào giữa các lớp sét khô bởi phản
ứng ở trạng thái rắn. Phương pháp này có ưu điểm là không sử dụng dung môi trong
quá trình điều chế và có khả năng ứng dụng trong công nghiệp.
1.1.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế sét hữu cơ bằng phương
pháp khuếch tán trong dung dịch nước
Ảnh hưởng của cấu hình phân tử hữu cơ
Các nghiên cứu khả năng hấp phụ và giải hấp phụ của hàng loạt các muối
amoni hữu cơ như cetylpiriđin bromua, cetyltrimetylamoni bromua, đođecylpiridin
bromua trên bentonit đã tìm thấy qui luật sau: lượng cation hữu cơ bị hấp phụ trên
bề mặt không bị giới hạn bởi dung lượng trao đổi ion của bentonit, ái lực hấp phụ
của bentonit đối với các cation hữu cơ tăng tỷ lệ theo kích thước của cation hữu cơ
nhờ việc tăng lực Van de Van giữa bề mặt sét và các cation hữu cơ. Đồng thời, các
tác giả cũng nhận thấy cation hữu cơ có kích thước càng lớn và cấu trúc càng cồng
kềnh thì càng khó bị khử hấp phụ ra khỏi bề mặt bentonit. Vì vậy, sét hữu cơ tạo
thành trên cơ sở trao đổi với các cation hữu cơ rất bền vững dưới tác dụng của dung
môi và nhiệt.
Ảnh hưởng của nồng độ tác nhân hữu cơ
Lượng cation hữu cơ dùng để trao đổi có thể lớn hơn dung lượng trao đổi
cation của sét. Với hợp chất muối amoni hữu cơ có ba nhóm metyl và một nhóm

11


hydrocacbon mạch dài thì sét có thể hấp phụ một lượng cation trao đổi bằng 2,5 lần

dung lượng trao đổi cation của sét. Khi đó, lượng cation hữu cơ dư bị hấp phụ vật lý
bởi lực Van de Van trên các cation hữu cơ đã bị hấp phụ từ trước. Theo [36], các
cation hữu cơ bị giữ trên bề mặt phiến sét nhờ liên kết giữa hydro của cation hữu cơ
với oxy đỉnh trên tứ diện SiO4 của phiến sét. Với mạch hydrocacbon có số nguyên
tử C nhỏ hơn hoặc bằng 8 thì lượng muối amoni hữu cơ bị hấp phụ tương đương với
dung lượng trao đổi cation của sét. Còn khi số nguyên tử C lớn hơn 8 thì lượng
muối amoni hữu cơ bị hấp phụ có thể sẽ lớn hơn dung lượng trao đổi cation của sét.
Khi đó các cation hữu cơ bị hấp phụ sẽ sắp xếp thành hai lớp.
Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
Sự hấp phụ và trao đổi của cation hữu cơ trên bề mặt bentonit cũng biến đổi
theo nhiệt độ: ở nhiệt độ thấp phản ứng diễn ra khó vì ở nhiệt độ này các hợp chất
amoni ở trạng thái đông đặc, ở nhiệt độ cao huyền phù bentonit có hiện tượng đặc
lên (tăng độ nhớt).
Ảnh hưởng của pH dung dịch
pH dung dịch có ảnh hưởng tới chất lượng sét hữu cơ. Ở pH cao (từ 9 đến 10),
bentonit-Na bị trương nở mạnh đến từng lớp sét tạo điều kiện cho phản ứng trao đổi
với cation hữu cơ dễ dàng hơn [37]. Ngoài ra, ở pH cao trên các cạnh của phiến sét
các trung tâm tích điện dương sẽ chuyển dần thành điện tích âm, điện tích âm tạo
điều kiện cho các cation hấp phụ lên các cạnh, lượng cation tham gia vào phản ứng
trao đổi tốt hơn. Do vậy, quá trình hấp phụ cation hữu cơ vào giữa các lớp bentonit
xảy ra tốt hơn.
Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Bản chất của tương tác giữa phân tử hữu cơ với bentonit là sự khuếch tán các
cation hữu cơ vào giữa hai lớp sét nên thời gian phản ứng có ảnh hưởng đến chất
lượng sét hữu cơ. Khi thời gian phản ứng tăng, sự khuếch tán và hấp phụ của cation
hữu cơ vào bentonit tăng lên và sau đó đạt giá trị bão hòa [37].
Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy, nung
Khi làm khô mẫu sét hữu cơ trong khoảng nhiệt độ từ 50 đến 150oC, khoảng
cách cơ bản d001 tăng, sau đó giảm dần khi tăng nhiệt độ. Tại nhiệt độ sấy khô lớn
hơn 200oC, khoảng cách giữa các lớp cấu trúc giảm mạnh vì sự phân huỷ của chất

hữu cơ. Giá trị này tiếp tục giảm khi tăng nhiệt độ tới 425oC. Điều đó có thể được
giải thích do có liên quan tới sự phân bố dị thể của cation hữu cơ vào giữa các lớp
aluminosilicat. Việc tăng khoảng trống trong khoảng nhiệt độ từ 50 đến 100oC liên

12


quan tới sự nóng chảy chất hoạt động bề mặt, tạo ra môi trường giống như chất lỏng
ở giữa các lớp. Từ 100÷1500C, do sự giãn nở nhiệt của chất hoạt động bề mặt dẫn
tới việc tăng khoảng trống [34], [36].
1.2. Vật liệu polyme clay nanocompozit
1.2.1. Một số khái niệm
Vật liệu compozit: là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo
nên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này
làm việc riêng rẽ. Vật liệu compozit truyền thống chứa các loại cốt liệu gia cường
như bột vô cơ, hữu cơ, các loại sợi... được phân tán trong pha liên tục hay là còn gọi
vật liệu nền [2].
Vật liệu nanocompozit: là vật liệu compozit với hàm lượng chất gia cường
thấp (1-7%) và chất gia cường này phải ở kích thước nanomet. Với sự xuất hiện của
các chất độn gia cường có kích thước nano đã tạo ra sự khác biệt rất lớn so với các
chất độn thông thường. Trước hết là do kích thước nhỏ hơn hàng trăm đến hàng
nghìn lần và khả năng tạo ra các tương tác vượt trội giữa pha liên tục với chất độn.
Do có kích thước nano mà các chất độn gia cường này đã khắc phục được rất nhiều
các hạn chế của vật liệu compozit truyền thống như độ trong, độ bền cơ lý được cải
thiện, khả năng bền nhiệt tốt hơn,... Khi phân tán đều các chất độn này trong nền
polyme, chúng sẽ tạo ra diện tích tương tác lớn giữa các tiểu phân nano và nền
polyme. Diện tích này có thể đạt đến hàng trăm m2/g. Khi đó, khoảng cách giữa các
phân tử nano sẽ tương đương với kích thước của chúng và tạo ra những tương tác
khác biệt khác so với các chất độn truyền thống.
Vật liệu vô cơ dùng trong nanocompozit gồm hai loại:

- Vật liệu có kích thước hạt nano như các hạt vô cơ Au, Ag, TiO2, SiO2…
- Vật liệu có cấu trúc nano như bentonit, cacbon ống nano, sợi nano…
Pha gia cường ở kích thước nanomet được sử dụng trong lĩnh vực
nanocompozit thường là hạt nano và cacbon ống nano (carbon nanotube). Các
phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay để chế tạo vật liệu polyme
nanocompozit là phương pháp trùng hợp, phương pháp trộn hỗn hợp, phương pháp
dung dịch [2], [8].
Vật liệu polyme clay nanocompozit: Trong số các vật liệu có kích thước hay
cấu trúc nano thì nanoclay thu hút được sự quan tâm chú ý của rất nhiều nhà khoa
học bởi các đặc tính ưu việt của nó như diện tích bề mặt riêng lớn cỡ 700800 m2/g,
giá thành rẻ, dễ điều chế... Chỉ với một lượng nhỏ cỡ vài phần trăm khối lượng được

13