Luận văn Nghiên cứu chế tạo cao su mặt lốp trên cơ sở Nanocomposite (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu chế tạo cao su mặt lốp trên cơ sở Nanocomposite (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯƠNG SỸ LUÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CAO SU MẶT LỐP TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÁY - 605204 S KC 0 0 0 2 5 9 Tp. Hồ Chí Minh, 2005
2. BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ DƯƠNG SỸ LUÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CAO SU MẶT LỐP TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE Chuyeân ngaønh : COÂNG NGHEÄ CHEÁ TAÏO MAÙY Maõ soá ngaønh : 60 52 04 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. HOÀNG TRỌNG BÁ Tp. Hoà Chí Minh, 2005
3. COÂNG TRÌNH ÑÖÔÏC HOAØN THAØNH TAÏI TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH Caùn boä höôùng daãn khoa hoïc: TS. HOÀNG TRỌNG BÁ Caùn boä chaám nhaän xeùt 1: Caùn boä chaám nhaän xeùt 2: Luaän vaên thaïc só ñöôïc baûo veä taïi HOÄI ÑOÀNG CHAÁM LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ- TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT ngaøy thaùng naêm 2005.
4. LYÙ LÒCH KHOA HỌC Hoï vaø teân : Döông Só Luaân Ngaøy sinh : 10/03/1975 Nôi sinh: Saøi Goøn Ñòa chæ lieân laïc: 560/8 Vöôøn Laøi, P. Taân Thaønh, Q. Taân Phuù, TP.HCM Quaù trình ñaøo taïo: - 1994 – 1999: hoïc taïi tröôøng Ñaïi hoïc Sö Phaïm Kyõ Thuaät TP. HCM Quaù trình coâng taùc: - 1999- 2005: Coâng taùc taïi Cty CP SX & TM Minh Phuùc.
5. LÔØI CAÛM ÔN Toâi xin baøy toû loøng bieát ôn saâu saéc ñeán thaày Hoaøng Troïng Baù, ngöôøi ñaõ höôùng daãn vaø giuùp ñôõ toâi thöïc hieän luaän vaên naøy. Xin chaân thaønh caûm ôn nhöõng yù kieán ñoùng goùp cuûa thaày Ñinh Taán Thaønh - Giaùm Ñoác Coâng Ty TNHH Cao Su Kyõ Thuaät Tieán Boä, ñaõ taïo ñieàu kieän thuaän lôïi cho toâi thöïc hieän caùc moät soá thí nghieäm taïi coâng ty. Xin gôûi lôøi caûm ôn ñeán taäp theå nhaân vieân trung taâm thí nghieäm cao su Bình Lôïi (Bình Trieäu), Coâ Thaùi Thò Thu Haø trung taâm thí nghieäm polymer Tröôøng Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM Caûm ôn anh Nguyeãn Thanh Phi Vaân (NV: kyõ thuaät hoùa) vaø taäp theå nhaân vieân phoøng kyõ thuaät coâng ty coå phaàn SX & TM Minh Phuùc ñaõ taïo ñieàu kieän veà thôøi gian trong quaù trình thöïc hieän luaän vaên naøy. Xin caûm ôn gia ñình, baïn beø baèng höõu luoân chia seû khoù khaên vôùi toâi trong nhöõng ngaøy thaùng hoïc taäp. Döông Só Luaân 1
6. MÔÛ ÑAÀU Nanocomposite laø loaïi vaät lieäu môùi ra ñôøi töø thaäp nieân 90 cuûa theá kyû 20. Vaãn ñöôïc laøm töø nhöõng nguyeân lieäu thoâng thöôøng nhö neàn höõu cô, khoaùng seùt bieán tính vôùi chaát hoaït ñoäng beà maët, vaät lieäu taïo thaønh coù nhöõng tính chaát raát öu vieät ñaõ thu huùt söï quan taâm ñaëc bieät cuûa caùc nhaø nghieân cöùu cô baûn, cuõng nhö nhöõng nghieân cöùu öùng duïng trong coâng ngheä composite hieän nay. ÔÛ nöôùc ta, trong nhöõng naêm gaàn ñaây ngaønh coâng nghieäp cheá taïo loáp xe ñaõ vaø ñang daàn chieám lónh thò tröôøng trong nöôùc bôûi nhöõng tính naêng vöôït troäi so vôùi nhöõng thaäp nieân 70, cuï theå laø thöông hieäu loáp xe CASUMINA cuûa toång coâng ty cao su Mieàn Nam, song vaãn chöa ñuû söùc caïnh tranh vôùi caùc thöông hieäu noåi tie áng khaùc nhö: Bridgestone Corporation, Goodyear Tire & Rubber Co, Akron USA, Yokohama Rubber Company Ltd, Tokyo, Japan Tuy nhieân, ôû moãi coâng ty ñeàu coù nhöõng ñôn pha cheá rieâng ñeå saûn xuaát ra nhöõng chuûng loaïi saûn phaåm ñaëc tröng cho töøng khu vöïc (quoác gia, chaâu luïc), töøng muøa. Ñaëc bieät, nöôùc ta laø moät quoác gia ñang phaùt trieån, heä thoáng giao thoâng ñöôøng boä coøn nhieàu baát caäp vôùi tình traïng caùc xe löu thoâng quaù taûi neân caùc saûn phaåm loáp xe khi söû duïng thöôøng coù hieän töôïng moøn loáp dieãn ra nhanh choùng. (khoâng xaõy ra ñoái vôùi caùc loáp oâtoâ cuûa Nhaät, Myõ Do ñoù ñeå giaûi quyeát ñöôïc vaán ñeà treân, trong luaän vaên naøy chuùng toâi tieán haønh nghieân cöùu cheá taïo hoãn hôïp cao su maët loáp baèng phöông phaùp in-situ vôùi khoaùng seùt nhaèm taïo ra moät hoãn hôïp cao su maët loáp ñaùp öùng ñöôïc caùc yeâu caàu veà tính naêng cô lyù theo tieâu chuaån kyõ thuaät cuûa Coâng ty Coâng Nghieäp Cao Su Mieàn Nam. Hieän nay pha cheá cao su maët loáp cuûa Casumina vaãn khoâng toát, loáp thöôøng hay bò beå gai, noå hoâng vaø quan troïng nhaát laø giöõa lôùp vaûi vaø cao su maët loáp khoâng coù lieân keát chaët cheõ. 2
7. Keát caáu voû xe 3
8. MUÏC LUÏC Trang phuï bìa Trang MÔÛ ÑAÀU 2 MUÏC LUÏC 3 CHÖÔNG I: TOÅNG QUAN 6 I. TOÅNG QUAN 7 I.1 Tính chaát cuûa cao su thieân nhieân 7 I.1.1 Tính chaát vaät lyù cuûa cao su thieân nhieân 7 I.1.2 Tính chaát hoaù hoïc cuûa cao su thieân nhieân 7 I.1.3 Löu hoaù cao su 9 I.2 Sô löôïc veà vaät composite 10 I.2.1 Ñònh nghóa 10 I.2.2 Phaân loaïi 10 I.2.3 Ñaëc ñieåm vaø caùc yeáu toá aûnh höôûng leân tính chaát cuûa composite 11 I.3. Nanocomposite 12 I.3.1 Söï khaùc bieät giöõa composite & nanocomposite 12 I.3.2 Vaät lieäu gia cöôøng 12 I.3.3 Tính chaát cuûa montmorillonite 16 I.3.4 Khoaùng seùt bieán tính 17 I.4 Phaân loaïi nanocomposite 21 I.5 Caùc phöông phaùp toång hôïp vaø cô cheá taïo thaønh nanocomposite 22 I.5.1 Phöông phaùp taùch lôùp – haáp phuï 22 I.5.2 Phöông phaùp truøng hôïp insitu 24 I.5.3 Phöông phaùp melt intercalation 25 II. MUÏC TIEÂU CUÛA LUAÄN VAÊN 26 4
9. CHÖÔNG II: PHÖÔNG PHAÙP THÖÏC NGHIEÄM 27 A. PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU 28 I . NGUYEÂN LIEÄU VAØ THIEÁT BÒ THÍ NGHIEÄM 28 I.1 Nguyeân lieäu 28 I.2 Thieát bò thí nghieäm 28 II. PHÖÔNG PHAÙP PHAÂN TÍCH NANOCOMPOSITE 30 II.1 Phöông phaùp söû duïng nhieãu xaï tia X (XRD) 30 II.2 Phöông phaùp phaân tích cô lyù ñoäng DMA 33 II.3 Caùc phöông phaùp khaùc 34 B. THÖÏC NGHIEÄM 37 I. XAÙC ÑÒNH KHAÛ NAÊNG TÖÔNG HÔÏP CUÛA HOÃN HÔÏP CAO SU NR + BR BAÈNG CAÙCH XAÙC ÑÒNH NHIEÄT ÑOÄ THUÛY TINH HOAÙ 37 II. XAÙC ÑÒNH KHAÛ NAÊNG TROÄN KHOAÙNG SEÙT, MUOÁI, NR (70%) VAØ BR (30%) 38 III. QUY TRÌNH THÖÏC HIEÄN 41 IV. CHOÏN CAÙC YEÁU TOÁ KHAÛO SAÙT 42 V. CHOÏN ÖÙNG DUÏNG 42 VI. ÑÔN PHA CHEÁ 43 VII. CAÙC TIEÂU CHUAÅN XAÙC ÑÒNH CÔ LYÙ THEO TCVN 1592-87 43 CHÖÔNG III: KEÁT QUAÛ VAØ BAØN LUAÄN 46 I. KHAÛO SAÙT VAØ BAØN LUAÄN TREÂN GIAÕN ÑOÀ LÖU HOAÙ 47 I.1 Khaûo saùt caùc maãu A, B, C, D, E 47 I.2 Khaûo saùt caùc maãu D, E, F, G 47 II. KEÁT QUAÛ VAØ BAØN LUAÄN TREÂN PHOÅ ÑOÀ X –RAY 49 5
10. III. KEÁT QUAÛ VAØ BAØN LUAÄN TREÂN CAÙC TÍNH NAÊNG CÔ LYÙ 61 III.1. Caùc ñôn pha cheá 61 III.1.1 Maãu A 61 III.1.2 Maãu B 62 III.1.3 Maãu C 62 III.1.4 Maãu D 63 III.1.5 Maãu E 64 III.1.6 Maãu F 65 III.1.7. Maãu G 66 III.2. Bieåu ñoà coät bieåu dieãn caùc giaù trò trung bình 66 III.3. Baûng giaù trò trung bình bieåu dieãn % Ñònh daõn vaø Löïc ñöùt 72 III.4 Khaûo saùt ñoä maøi moøn, ñoä cöùng caùc maãu A, E & G 74 III.5 Khaûo saùt ñoä baùm ñöôøng vaø bon ñöôøng caùc maãu A, E & G 75 IV. TOÁI ÖU HOAÙ TRONG VAÁN ÑEÀ SÖÛ DUÏNG MUOÁI ALIQUAT 76 CHÖÔNG IV: KEÁT LUAÄN VAØ KIEÁN NGHÒ 79 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 82 PHUÏ LUÏC 84 6
11. CHÖÔNG I: TOÅNG QUAN 7
12. I. TOÅNG QUAN I.1. Tính chaát cuûa cao su thieân nhieân I.1.1. Tính chaát vaät lyù cuûa cao su thieân nhieân [6]. Vaøi tính chaát vaät lyù cuûa cao su thieân nhieân: - Tyû troïng: 0,92 - Chieát suaát 1,52 - Heä soá tröông nôû theå tích 0,00062 / 0C - Khaû naêng toaû nhieät khi ñoát 10,7 ca l / gam - Ñoä daãn nhieät 0,00032 cal/ giaây / cm3 / 0C - Haèng soá ñieän moâi 2,37 - Heä soá coâng suaát 0,15 + 0,20 (1000 chu kyø) - Trôû khaùng theå tích 1015  / cm3 I.1.2 Tính chaát hoaù hoïc cao su thieân nhieân Cao su thieân nhieân laø ñaïi phaân töû goàm nhieàu ñôn vò isoprene (C5H8)n, Mn= 50.000 ñeán 3.000.000, coù hai loaïi ñoàng phaân: cis vaø trans. Ñoàng phaân cis thöôøng cho cao su coù tính chaát cô lyù toát hôn nhieàu so vôùi ñoàng phaân trans. HìnhI.1: Hai loaïi ñoàng phaân cuûa polyisopren ÔÛ Vieät Nam thöôøng troàng loaïi cao su gioáng Hevea Brasiliensis coù lôùn hôn 99% ñoàng phaân cis trong daây phaân töû cao su. Chính söï ñeàu ñaën naøy (khaùc vôùi polyisopren toång hôïp) laøm cho cao su keát tinh khi bò keùo caêng, löïc keùo ñöùt cuûa cao su soáng raát cao. 8
13. Moãi ñôn vò C5H8 cuûa daây phaân töû coù moät noái ñoâi (chöa baõo hoaø) neân coù theå löu hoaù deã daøng vôùi löu huyønh; vaø chính ñieàu naøy laøm cho cao su thieân nhieân deã bò oxy, ozon taùc kích daãn ñeán tình traïng laõo hoùa (ñöùt maïch), do ñoù tính chòu nhie ät cuûa cao su keùm. Cao su thieân nhieân deã bò phaân huûy ôû 1920C. Ngoaøi ra daây phaân töû cao su thieân nhieân khoâng coù cöïc neân deã bò hoaø tan trong daàu khoaùng nhöng laïi khoâng tan trong aceton. Ngoaøi phaûn öùng coäng vaøo caùc noái ñoâi bình thöôøng coøn coù theå xaûy ra caùc phaûn öùng khaùc nhö phaûn öùng theá, huûy, ñoàng phaân hoùa, voøng hoùa (nhôø hydro H  ôû nhoùm CH3) polymer hoaù. Tuy nhieân khoù phaân bieät chính xaùc loaïi phaûn öùng naøo xaûy ra vì coù theå nhieàu phaûn öùng xaûy ra cuøng moät luùc. Nhìn chung cao su thieân nhieân laø loaïi Polymer coù caùc tính chaát sau: . Cao su thoâ coù ñoä beàn vaø tính baét dính cao . Cô tính toát (khaùng ñöùt, khaùng xeù, ) . Nhieät noäi sinh thaáp . Meàm deûo ôû nhieät ñoä thaáp . Keát dính toát vôùi caùc loaïi sôïi . Chòu nöôùc, acid, baz loaõng . Khaùng laõo hoaù keùm (ozon, oxy, UV, nhieät ñoä) . Ñoä tröông nôû cao Cao su thieân nhieân ngaøy caøng ñöôïc duøng nhieàu cho caùc saûn phaåm tieâu duøng vaø coâng nghieäp nhö : thaûm loùt, ñeäm giaûm chaán, neäm hôi, keo daùn, ñöôøng oáng daãn khí, hôi, cuõng nhö caùc trang thieát bò y döôïc; cho ñeán nhöõng saûn phaåm yeâu caàu tính naêng cao nhö saêm, loáp xe oâtoââ, xe gaén maùy, xe ñaïp, xe noâng nghieäp, baêng taûi, 9
14. 5% 2% 2% 10% Voû ruoät xe Saûn phaåm cô khí Saûn phaåm latex Ngaønh giaày 14% Keo daùn 67% Saûn phaåm khaùc Hình I.2: Ñoà thò phaân boá löôïng cao su thieân nhieân söû duïng trong caùc lónh vöïc I.1.3 Löu hoùa Baûn chaát cuûa phaûn öùng löu hoùa laø taïo caùc lieân keát ngang, ngaên söï tröôït giöõa caùc maïch cao su. Löu huyønh taùc duïng vôùi H2 taïi vò trí cuûa caû hai maïch cao su vaø taïo thaønh caàu noái lieân keát. Caàu noái naøy coù theå bao goàm hai hay nhieàu nguyeân töû löu huyønh. Coù nhieàu loaïi coâng thöùc löu hoùa khaùc nhau vaø nhieàu phuï gia ñi keøm. Trong ñoù coù ba coâng thöùc chính: löu hoùa thoâng thöôøng (conventional-CV), löu hoùa baùn hieäu quaû (Semi-effcient vulcanization-SEV), vaø löu hoùa hieäu quaû (effcient vulcanization- EV). Caùc coâng thöùc naøy khaùc nhau chuû yeáu ôû haøm löôïng löu huyønh vaø tæ leä chaát xuùc tieán, keát quaû seõ taïo caùc kieåu caáu truùc maïng löôùi khaùc nhau trong vaät lieäu cao su [18, 19]. Coâng thöùc cuûa phöông phaùp löu hoùa thoâng thöôøng: Cao su 100% ZnO 5% Acid Stesric 2% Phoøng laõo CBS .2% Xuùc tieán . 1.5% Löu huyønh . 2 % 10
15. Ngoaøi nhöõng thaønh phaàn cô baûn treân, trong caùc coâng thöùc löu hoùa thöôøng coù chaát taêng hoaït hoaëc trì hoaõn löu hoùa, chaát phoøng laõo, boät ñoän, chaát taïo xoáp. HìnhI.3: Moâ hình lieân keát trong löu hoùa I.2 Sô löôïc veà vaät lieäu composite I.2.1. Ñònh nghóa Composite laø loaïi vaät lieäu ñöôïc toå hôïp töø nhöõng vaät lieäu coù baûn chaát khaùc nhau, goàm hai thaønh phaàn chính laø neàn (matrix) vaø coát (reinforced materials), ngoaøi ra coøn coù caùc phuï gia khaùc. Vaät lieäu taïo thaønh coù tính naêng vöôït troäi hôn haún caùc vaät lieäu thaønh phaàn khi xeùt rieâng leû [1]. I.2.2. Phaân loaïi Composite ñöôïc phaân loaïi theo hai caùch: - Theo hình daïng cuûa vaät coát. - Theo baûn chaát cuûa vaät lieäu neàn. a. Theo hình daïng cuûa vaät lieäu coât, composite ñöôïc chia thaønh hai loaïi: - Composite coát sôïi: vaät lieäu coát laø caùc sôïi (sôïi thuûy tinh, sôïi cacbon, amid, sôïi kim loaïi, ), coù theå phaân boá ôû daïng lieân tuïc hay giaùn ñoaïn trong neàn. Ngöôøi ta coù theå ñieàu khieån söï phaân boá, phöông cuûa sôïi ñeå taïo ra nhöõng vaät lieäu coù cô tính theo muïc ñích söû duïng rieâng. 11
16. - Composite coát haït: vaät lieäu coát laø caùc haït nhö silica, khoaùng seùt, haït kim loaïi, ñöôïc duøng ñeå naâng cao cô tính cuûa vaät lieäu neàn, giaûm ñoä co ngoùt, taêng khaû naêng chòu va ñaäp, chòu maøi moøn, b. Theo baûn chaát cuûa vaät lieäu neàn, coù ba loaïi: - Composite neàn höõu cô: laø caùc loaïi nhöïa neàn coù nguoàn goác höõu cô nhö nhöïa nhieät deûo PP, PE, PVC, PET, vaø nhöïa nhieät raén: polyester, polyurethane, epoxy, - Composite neàn khoaùng (goám). - Composite neàn kim loaïi (hôïp kim AL, Ti, ). Vaät lieäu neàn höõu cô thöôøng ñöôïc söû duïng roäng raõi trong nhieàu lónh vöïc khaùc nhau nhöng nhieät haïn cheá trong khoaûng 2000 – 3000C, trong khi ñoù composite neàn kim loaïi coù theå chòu nhieät ôû 6000C vaø treân 10000C vôùi composite neàn khoaùng (goám).[2] I.2.3. Ñaëc ñieåm vaø caùc yeáu toá aûnh höôûng leân tính chaát cuûa composite Ñaëc ñieåm: - Cô tính cuûa vaät lieäu ñöôïc ñaëc tröng baèng hai thoâng soá: modul (E/ ) vaø öùng suaát ( / ) . Caùc thoáng soá naøy ôû composite thöôøng cao hôn so vôùi nhöïa neàn ban ñaàu. - Ñeå ñaït yeâu caàu söû duïng, haøm löôïng thaønh phaàn coát phaûi ôû möùc raát cao so vôùi neàn, tyû leä naøy coù theå taêng ñeán 40-50% veà khoái löôïng. - Vaät lieäu composite taïo thaønh coù theå caûi thieän nhöõng tính chaát cuûa vaät lieäu nhö ñoä cöùng, giaûm khaû naêng thaám daàu, giaûm tính baét chaùy cuûa saûn phaåm, [3] Caùc yeáu toá aûnh höôûng leân tính naêng cô lyù cuûa composite 12
17. Vôùi moät heä phöùc taïp nhö composite seõ coù raát nhieàu yeáu toá aûnh höôûng leân tính naêng cuûa vaät lieäu cuoái cuøng [4], caùc yeáu toá naøy khoâng chæ phuï thuoäc vaøo baûn chaát cuûa caùc nguyeân vaät lieäu söû duïng ban ñaàu maø coøn phuï thuoäc vaøo: - Caùch phaân boá, saép xeáp cuûa vaät lieäu coát trong nhöïa neàn, hình thaùi caùc pha trong heä composite. - Tính chaát beà maët giöõa caùc pha, söï töông taùc treân beà maët lieân dieän cuûa neàn vaø pha coát. I.3. Nanocomposite Gioáng nhö composite truyeàn thoáng, nanocomposite cuõng ñöôïc hình thaønh töø ít nhaát hai loaïi vaät lieäu coù baûn chaát khaùc nhau. Tuy nhieân, nanocomposite ñöôïc taïo ra khi pha pha neàn vaø pha coát lieân keát vôùi nhau ôû caáp ñoä nanomeùt[5]. I.3.1. Söï khaùc bieät giöõa composite vaø nanocomposite - Haøm1öôïng pha gia cöôøng ôû composite thöôøng chieám 40-50% khoái löôïng, vôùi nanocomposite, haøm löôïng naøy ôû möùc thaáp hôn raát nhieàu (< 5%). - Neáu nhö composite truyeàn thoáng lieân keát giöõa hai pha ôûp caáp ñoä milimet vaø micromet, trong nhieàu tröôøng hôïp ta coù theå quan saùt ñöôïc baèng maét thöôøng thì ngöôïc laïi, nanocomposite ñöôïc hình thaønh khi pha gia cöôøng phaân boá ôû caáp ñoä nanomet maø maét thöôøng khoântg theå thaáy. - Khaû naêng caûi thieän caùc tính chaát cuûa vaät lieäu composite (thöôøng laø moñul). Phuï thuoäc vaøo baûn chaát cuûa vaät lieäu gia cöôøng. Nanocomposite cho caùc tính naêng cô lyù cao hôn nhieàu so vôùi vaät lieäu neàn ban ñaàu [2]. I.3.2 Vaät lieäu coát (gia cöôøng): Caáp ñoä lieân keát giöõa hai pha trong heä nanocomposite laø ñieåm khaùc bieät cô baûn cuûa nanocomposite vôùi composite truyeàn thoáng. Ngöôøi ta choïn khoaùng seùt chuû yeáu ñeå gia cöôøng cho nanocomposite nhôø vaøo caáu truùc sau[7]: 13
18. - Dieän tích beà maët tieáp xuùc raát lôùn, ñaëc bieät laø montmorillonite 700-800 m2/g. - Coù khaû naêng trao ñoåi cation vaø ñoä tröông nôû toát. a. Caáu truùc cuûa khoaùng seùt [7] Khoaùng seùt töï nhieân laø caùc alumosilicat coù caáu truùc töø hai ñôn vò cô baûn: 4- - Töù dieän SiO4 - Baùt dieän MO6 (M: Al, Fe, Mg, ) 4- Caùc lôùp töù dieän SiO4 lieân keát thaønh maïng töù dieän qua nguyeân toá oxy theo khoâng gian hai chieàu. Oxy goùp chung naèm treân moät maët phaúng vaø goïi laø oxy ñaùy. Caùc oxy ñaùy naøy lieân keát vaø taïo ra nhöõng khoaûng troáng coù saùu caïnh, moãi ñænh cuûa hình saùu caïnh chính laø nguyeân toá oxy. Oxy cuoái maïng töù dieän ñöôïc goïi laø oxy ñænh. Hình I.4: Caáu truùc maïng töù dieän cuûa khoaùng seùt Töông töï nhö maïng töù dieän, maïng baùt dieän cuõng ñöôïc taïo thaønh töø caùc baùt dieän MO6 qua nguyeân toá oxy theo khoâng gian hai chieàu. Hình I.5 : Caáu truùc maïng baùt dieän cuûa khoaùng seùt. Hai loaïi caáu hình naøy saép xeáp luaân phieân nhau theo nhöõng traät töï nhaát ñònh taïo ra nhöõng lôùp khoaùng seùt coù caáu truùc lôùp 1:1, 2:1, 2:1:1. 14
19. - Nhoùm khoaùng seùt 1:1: caáu truùc lôùp cô baûn goàm moät maïng töù dieän lieân keát vôùi maïng baùt dieän, ñaïi dieän lôùp naøy laø kaolinite, halloysite - Nhoùm khoaùng seùt 2:1: caáu truùc lôùp cô baûn goàm hai maïng töù dieän lieân keát vôùi maïng baùt dieän, ñaïi dieän nhoùm naøy laø montmorillonite, vermiculite, - Nhoùm khoaùng seùt 2:1:1: goàm moät caáu truùc töông töï nhoùm 2:1 nhöng coù theâm moät maïng baùt dieän, ñaïi dieän nhoùm naøy laø clorite. Khoaùng seùt söû duïng cho nanocomposite thöôøng thuoäc nhoùm bentonite coù caáu truùc lôùp 2:1 vôùi caùc khoaùng chính laø montmorillonite, hectorite, saponite. Coâng thöùc toång quaùt cuûa caùc khoaùng thöôøng duøng ñöôïc cho trong baûng I.I Teân khoaùng Coâng thöùc Maät ñoä ñieän tích lôùp (treân ñôn vò O200 Montmorillonite Mx(Al4Mgx)[Si8O20](OH)4 0.6-1.0 Hectorite Mx(Mg6-xLix)[Si8O20](OH)4 0.4-1.2 Saponite MxMg6 (Si8-xalx)[Si8O20](OH)4 0.6-1.2 M = cation hoaù trò I x : möùc ñoä thay theá ñoàng hình Trong [ ] laø coâng thöùc caáu truùc ñaëc tröng, ( ) chæ roõ söï thay theá ñoàng hình cuûa caùc nguyeân toá trong daáu ngoaëc naøy. b. Caáu truùc cuûa montmorillonite: 15
20. ~10A 0 Hình I.6: Caáu truùc cuûa moät lôùp khoaùng montmorillonite Giöõa caùc lôùp khoaùng seùt laø khoaûng khoâng gian chöùa caùc cation trao ñoåi nöôùc vaø haáp phuï. Chieàu daøy cuûa moät lôùp caáu truùc montmorillonite (caáu truùc 2:1) laø 9.6 0. neáu keå caû lôùp cation trao ñoåi vaø lôùp nöôùc haáp phuï thì beà daøy taêng leân khoaûng 15A0. Hình I.7: Moâ hình taäp hôïp caùc haït seùt Hình I.8: Moâ hình caáu truùc loã troáng cuûa haït seùt 16
21. I.3.3 Tính chaát cuûa montmorillonite [8] a. Tính tröông nôû: Ñaây laø ñaëc tính quan trong cuûa montmorillonite. Khi hai lôùp khoaùng seùt ôû caïnh nhau, chuùng lieân keát vôùi nhau baèng löïc Van Der Waals yeáu gaây neân bôûi daõy –O-Si-O- maø khoâng phaûi laø nhoùm –OH neân khoâng coù lieân keát hydro. Chính vì vaäy maø khoaûng caùch giöõa hai lôùp khoaùng seùt ñöôïc noâng ra bôûi nöôùc vaø caùc chaát loûng phaân cöïc khaùc gaây ra hieän töôïng tröông nôû maïnh raát ñaëc tröng cuûa montmorillonite. Coù theå thay ñoåi söï tröông nôû, khaû naêng haáp phuï nöôùc vaø ñoä phaân taùn cuûa montmorillonite baèng caùch thay theá caùc cation giöõa caùc lôùp khoaùng baèng caùc cation khaùc ñeå taïo ra montmorillonite coù tính chaát khaùc phuø hôïp vôùi yeâu caàu söû duïng. b. Tính trao ñoåi ion Trao ñoåi ion noùi chung ñöôïc ñònh nghóa laø khaû naêng cuûa vaät lieäu raén haáp thuï caùc ion coù ñieän tích aâm hoaëc döông töø dung dòch ñieän ly vaø giaûi phoùng moät löôïng caân baèng caùc ion khaùc trôû laïi dung dòch. Ñaây laø quaù trình caân baèng, coù theå xaõy ra theo chieàu ngöôïc laïi. Ñoái vôùi ñaát seùt chæ xaõy ra söï trao ñoåi cation do beà maët mang ñieän tích aâm, ñaát seùt haáp thuï nhöõng ion mang ñieän tích döông töø dung dòch ñieän ly. Clay-Xn+ + Ym+ Clay-Ym+ + Xn+ Nguyeân nhaân taïo ra khaû naêng naøy cuûa montmorillonite laø söï thay theá ñoàng hình Si4+ baèng Al3+ (Fe3+) trong maïng töù dieän vaø Al3+ bôûi Mg2+ trong maïng baùt dieän laø xuaát hieän ñieän tích aâm trong caáu truùc. Ñieän tích aâm ñoù buø tröø bôûi caùc cation trao ñoåi giöõa caùc lôùp, thoâng thöôøng laø caùc kim loaïi kieàm (Na+, K+) vaø caùc loaïi kieàm thoå (Ca+, Ba+, ) Dung löôïng trao ñoåi cation naøy (ñöôïc theå hieän qua khaû naêng trao ñoåi cation) thay ñoåi trong khoaûng roäng töø 80 – 140 meq/100g, chuùng phaûn aùnh hai tính chaát cô baûn cuûa montmorillonite: dieän tích beà maët vaø ñieän tích aâm trong maïng löôùi khoaùng seùt. 17