Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu trùng hợp acrylamit và axit acrylic trong lớp nanoclay

• Tác giả: Phạm Nhựt Hoàn
• Người hướng dẫn: GS. TS Ngô Duy Cường
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu quá trình trùng hợp acrylamit và axit acrylic trong lớp nanoclay
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Polyme cấu trúc nano
• 1.2. Vật liệu nanocomposit (NC)
• 1.3. Vật liệu polyme clay nanocomposit
• 1.3.1. Giới thiệu khoáng sét Bentonite - clay
• 1.3.2. Các loại khoáng sét và thành phần cấu tạo chủ yếu
• 1.3.3. Biến tính hữu cơ khoáng sét
• 1.3.4. Cấu trúc màng tinh thể 2:1 của MMT
• 1.3.5. Quá trình trao đổi cation và biến tính MMT
• 1.3.6. Các tác nhân hữu cơ dùng làm tác nhân biến tính MMT
• 1.3.7. Công nghệ chế tạo vật liệu polyme clay nanocomposite

I. Giới thiệu

Nghiên cứu quá trình trùng hợp acrylamit và axit acrylic trong lớp nanoclay đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong ngành vật liệu polymer. Việc kết hợp giữa polymer và nanoclay không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ học mà còn nâng cao khả năng chịu nhiệt và độ bền của vật liệu. Hóa học polymer đóng vai trò then chốt trong việc phát triển các loại vật liệu mới, đặc biệt là trong việc tạo ra các sản phẩm có tính năng vượt trội. Nghiên cứu này nhằm mục đích tìm hiểu các điều kiện tối ưu cho quá trình trùng hợp và đánh giá các tính chất vật liệu thu được.

1.1. Tầm quan trọng của nanoclay

Nanoclay, đặc biệt là Montmorillonit (MMT), đã được chứng minh là có khả năng cải thiện đáng kể tính chất của polymer. Với diện tích bề mặt lớn và cấu trúc nano, nanoclay có thể tạo ra các tương tác mạnh mẽ với polymer, từ đó làm tăng độ bền và tính ổn định của vật liệu. Việc sử dụng nanoclay trong các ứng dụng công nghiệp như xây dựng, y tế và điện tử đang ngày càng phổ biến. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc bổ sung nanoclay vào polymer có thể làm tăng độ bền kéo và độ cứng của vật liệu, đồng thời giảm thiểu khả năng thấm nước.

II. Mục đích nghiên cứu

Mục đích chính của nghiên cứu này là tìm hiểu và tối ưu hóa quá trình trùng hợp acrylamit và axit acrylic trong lớp nanoclay. Cụ thể, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc xác định các điều kiện thích hợp cho quá trình trùng hợp và đánh giá khả năng hấp thụ của vật liệu thu được. Các mục tiêu cụ thể bao gồm: 1) Tạo ra vật liệu poly(acrylamit-co-acid acrylic) clay nanocomposit; 2) Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trùng hợp; 3) Đánh giá các tính chất cơ lý của vật liệu thu được. Việc đạt được những mục tiêu này sẽ mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các loại vật liệu polymer có tính năng ưu việt.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trùng hợp

Quá trình trùng hợp acrylamit và axit acrylic chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiệt độ, thời gian phản ứng, và tỷ lệ giữa các monome. Nghiên cứu sẽ tiến hành khảo sát các điều kiện này để xác định được điều kiện tối ưu nhất cho quá trình trùng hợp. Việc hiểu rõ các yếu tố này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của quá trình mà còn nâng cao chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Các thí nghiệm sẽ được thực hiện để đo lường các tính chất như độ nhớt, độ bền kéo và khả năng hấp thụ nước của vật liệu.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sẽ sử dụng phương pháp trùng hợp trong môi trường dung dịch để tạo ra vật liệu polyacrylamit clay nanocomposit. Các bước thực hiện bao gồm: 1) Chuẩn bị dung dịch monome acrylamit và axit acrylic; 2) Thêm nanoclay vào dung dịch; 3) Tiến hành trùng hợp dưới điều kiện nhiệt độ và thời gian đã xác định. Sau khi hoàn thành quá trình trùng hợp, vật liệu sẽ được thu hồi và phân tích các tính chất cơ lý. Phương pháp này không chỉ đơn giản mà còn hiệu quả trong việc tạo ra các vật liệu polymer có tính năng vượt trội.

3.1. Phân tích tính chất vật liệu

Sau khi thu hồi vật liệu, các tính chất như độ bền kéo, độ dãn dài, và khả năng hấp thụ nước sẽ được phân tích. Các phương pháp như phân tích hóa học và mô hình hóa hóa học sẽ được áp dụng để đánh giá cấu trúc và tính chất của vật liệu. Việc phân tích này sẽ giúp xác định mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của vật liệu, từ đó đưa ra những nhận định về khả năng ứng dụng trong thực tế. Kết quả phân tích sẽ được so sánh với các vật liệu polymer truyền thống để đánh giá sự cải thiện về tính chất.

Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu và phát triển vật liệu polymer nanocomposit đã trở thành một lĩnh vực trọng điểm trong khoa học vật liệu hiện đại. Theo ước tính, vật liệu polymer nanocomposit có kích thước hạt nano từ 10 đến 100 nm, mang lại nhiều tính năng ưu việt như độ bền cơ học cao, khả năng chống mài mòn, chịu nhiệt tốt và tính năng điện từ cải thiện so với vật liệu composite truyền thống. Luận văn tập trung nghiên cứu quá trình đồng trùng hợp acrylamit và axit acrylic trong sự có mặt của nanoclay nhằm tạo ra vật liệu poly(acrylamit-co-acrylic acid) clay nanocomposit với các tính chất ưu việt.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là khảo sát điều kiện tối ưu cho quá trình đồng trùng hợp acrylamit và axit acrylic trên nền nanoclay hữu cơ, đồng thời đánh giá khả năng hấp thụ nước và các dung dịch muối của vật liệu thu được. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc biến tính khoáng sét bentonite Montmorillonit (MMT) tại Việt Nam, sử dụng phương pháp đồng trùng hợp cation để tạo ra polyacrylamit clay nanocomposit. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng vài tháng với các bước tổng hợp, phân tích cấu trúc và đánh giá tính chất vật liệu.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển vật liệu polymer nanocomposit có khả năng hấp thụ nước và muối cao, ứng dụng trong nông nghiệp, xử lý môi trường và công nghiệp hóa chất. Việc cải thiện tính năng cơ lý và hóa học của vật liệu giúp nâng cao hiệu quả sử dụng, giảm chi phí và tăng tuổi thọ sản phẩm trong các ứng dụng thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết cấu trúc nanocomposit và lý thuyết đồng trùng hợp cation.

1. Lý thuyết cấu trúc nanocomposit: Vật liệu nanocomposit được tạo thành khi các hạt nano (kích thước 10-100 nm) phân tán đều trong ma trận polymer, tạo ra sự tương tác mạnh mẽ giữa pha vô cơ (nanoclay) và pha hữu cơ (polymer). Cấu trúc nanocomposit có thể ở trạng thái xen kẽ (intercalated) hoặc tách lớp (exfoliated), ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất vật liệu.

2. Lý thuyết đồng trùng hợp cation: Quá trình đồng trùng hợp acrylamit và axit acrylic diễn ra trong sự có mặt của nanoclay biến tính, với phản ứng trao đổi ion giữa các cation kim loại trong khoáng sét và monome acrylamit. Phản ứng này tạo ra mạng polyme liên kết ngang, giúp cải thiện tính bền cơ học và khả năng hấp thụ của vật liệu.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Montmorillonit (MMT): khoáng sét dạng lớp 2:1, có khả năng trao đổi cation cao, là nền tảng cho vật liệu nanocomposit.
• Polyacrylamit: polymer có khả năng hấp thụ nước cao, được tổng hợp từ monome acrylamit.
• Poly(acrylic acid): polymer có tính acid, tan trong nước, tham gia đồng trùng hợp để tạo vật liệu hydrogel.
• Nanoclay biến tính hữu cơ: MMT được biến tính bằng các ion amoni hữu cơ để tăng khả năng tương tác với polymer.
• Hydrogel siêu hấp thụ: vật liệu polymer có khả năng hấp thụ nước gấp nhiều lần khối lượng bản thân, ứng dụng trong nông nghiệp và xử lý môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu polyacrylamit clay nanocomposit được tổng hợp trong phòng thí nghiệm Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Cỡ mẫu khoảng 20-50 g polymer, với các tỷ lệ nanoclay biến tính từ 2% đến 5% so với tổng lượng monome.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Phân tích cấu trúc: phổ hồng ngoại (FT-IR), nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM) để xác định cấu trúc nanocomposit và mức độ phân tán nanoclay.
• Phân tích tính chất vật lý: xác định độ bền cơ học (độ bền va đập, độ bền kéo, độ bền uốn), độ bền nhiệt (TGA), và khả năng hấp thụ nước/dung dịch muối (đo độ trương nở Q).
• Quy trình tổng hợp: đồng trùng hợp acrylamit và axit acrylic trong dung dịch nước có mặt nanoclay biến tính, sử dụng amoni persulfat làm chất khởi tạo, điều chỉnh nhiệt độ phản ứng từ 30 đến 80°C, thời gian phản ứng 2 giờ.
• Timeline nghiên cứu:
  • Chuẩn bị và biến tính nanoclay: 2 tuần
  • Tổng hợp polymer và nanocomposit: 1 tháng
  • Phân tích cấu trúc và tính chất: 1 tháng
  • Đánh giá và hoàn thiện luận văn: 1 tháng

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng hấp thụ nước và dung dịch muối: Vật liệu polyacrylamit clay nanocomposit với 10% nanoclay biến tính có khả năng hấp thụ nước tinh khiết đạt khoảng 1414 g/g, gấp gần 7 lần so với polyacrylamit nguyên gốc (khoảng 200 g/g). Đối với dung dịch muối NaCl 0,9%, khả năng hấp thụ đạt 117 g/g, cao hơn nhiều so với polymer không có nanoclay.

2. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay: Khi tăng hàm lượng nanoclay từ 2% lên 5%, độ bền cơ học của vật liệu tăng đáng kể, với mô đun kéo tăng gần 50%, độ bền va đập tăng 40%. Tuy nhiên, vượt quá 5% nanoclay, tính chất cơ học không cải thiện rõ rệt do hiện tượng kết tụ hạt.

3. Cấu trúc nanocomposit: Phân tích XRD cho thấy sự xen kẽ của polymer trong các lớp nanoclay, với khoảng cách lớp tăng từ 9,6 Å lên 20-30 Å, chứng tỏ quá trình đồng trùng hợp đã thành công tạo ra cấu trúc nanocomposit dạng xen kẽ. SEM cho thấy phân tán nanoclay đồng đều, không có hiện tượng kết tụ lớn.

4. Tính bền nhiệt: Kết quả TGA cho thấy vật liệu nanocomposit có nhiệt độ phân hủy bắt đầu cao hơn 30-50°C so với polymer nguyên gốc, chứng tỏ sự cải thiện tính bền nhiệt nhờ sự tương tác giữa polymer và nanoclay.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện tính chất vật liệu là do sự phân tán đều nanoclay biến tính trong ma trận polymer, tạo ra mạng liên kết ngang bền vững và tăng diện tích tương tác giữa các pha. So với các nghiên cứu trước đây trên thế giới, kết quả này tương đồng với các báo cáo về vật liệu nanocomposit polyacrylamit trên nền MMT biến tính, nhưng có ưu điểm là sử dụng nguồn khoáng sét bentonite trong nước với hàm lượng MMT > 90%, giúp giảm chi phí sản xuất.

Việc tăng khả năng hấp thụ nước và dung dịch muối có ý nghĩa lớn trong ứng dụng nông nghiệp, giúp giữ ẩm đất và cải thiện hiệu quả sử dụng nước. Tính bền nhiệt và cơ học được cải thiện mở rộng phạm vi ứng dụng trong các ngành công nghiệp đòi hỏi vật liệu chịu nhiệt và chịu lực tốt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ trương nở Q theo hàm lượng nanoclay, biểu đồ mô đun kéo và nhiệt độ phân hủy TGA, cũng như hình ảnh SEM minh họa cấu trúc phân tán nanoclay.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa hàm lượng nanoclay: Khuyến nghị sử dụng nanoclay biến tính trong khoảng 3-5% để đạt hiệu quả tối ưu về tính chất cơ lý và khả năng hấp thụ, giảm thiểu hiện tượng kết tụ hạt. Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu.

2. Phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp: Xây dựng quy trình tổng hợp đồng trùng hợp trên quy mô lớn, đảm bảo kiểm soát nhiệt độ và khuấy trộn để duy trì cấu trúc nanocomposit đồng đều. Thời gian: 6-12 tháng. Chủ thể: doanh nghiệp sản xuất vật liệu polymer.

3. Ứng dụng trong nông nghiệp: Triển khai thử nghiệm thực tế vật liệu hydrogel nanocomposit trong giữ ẩm đất và cải thiện năng suất cây trồng tại các vùng khô hạn như Tây Nguyên và Trung Trung Bộ. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: viện nghiên cứu nông nghiệp, các trang trại.

4. Nghiên cứu mở rộng tính năng vật liệu: Khảo sát khả năng hấp thụ các ion kim loại nặng và ứng dụng trong xử lý môi trường nước thải công nghiệp. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: các trung tâm nghiên cứu môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu polymer và nanocomposit: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tổng hợp vật liệu polymer nanocomposit trên nền nanoclay, giúp phát triển các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu chức năng.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu polymer: Thông tin về quy trình tổng hợp và cải thiện tính chất vật liệu giúp doanh nghiệp nâng cao chất lượng sản phẩm, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp.

3. Chuyên gia nông nghiệp và môi trường: Vật liệu hydrogel nanocomposit có khả năng giữ ẩm và hấp thụ ion kim loại nặng, phù hợp cho các giải pháp cải thiện đất trồng và xử lý nước thải.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành hóa học, vật liệu: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về kỹ thuật tổng hợp polymer nanocomposit, phương pháp phân tích cấu trúc và đánh giá tính chất vật liệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu polymer nanocomposit là gì?
   Vật liệu polymer nanocomposit là sự kết hợp giữa polymer và các hạt nano như nanoclay, tạo ra vật liệu có tính năng vượt trội về cơ học, nhiệt và hóa học so với polymer truyền thống. Ví dụ, nanoclay Montmorillonit được sử dụng phổ biến để cải thiện tính chất vật liệu.

2. Tại sao cần biến tính nanoclay?
   Nanoclay biến tính bằng các ion amoni hữu cơ giúp tăng khả năng tương tác với polymer, cải thiện sự phân tán và tạo cấu trúc nanocomposit đồng đều, từ đó nâng cao tính chất vật liệu.

3. Quá trình đồng trùng hợp cation diễn ra như thế nào?
   Quá trình này bao gồm việc monome acrylamit xâm nhập vào khoảng giữa các lớp nanoclay, sau đó phản ứng trùng hợp tạo mạng polyme liên kết ngang với sự tham gia của chất khởi tạo như amoni persulfat, tạo ra vật liệu nanocomposit.

4. Khả năng hấp thụ nước của vật liệu nanocomposit có ưu điểm gì?
   Khả năng hấp thụ nước cao giúp vật liệu giữ ẩm tốt, ứng dụng trong nông nghiệp để cải thiện đất trồng, giảm tần suất tưới nước và tăng năng suất cây trồng.

5. Vật liệu này có thể ứng dụng trong xử lý môi trường không?
   Có, vật liệu nanocomposit có khả năng hấp thụ ion kim loại nặng và các chất ô nhiễm khác, phù hợp cho xử lý nước thải công nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường.

Kết luận

• Luận văn đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu poly(acrylamit-co-acrylic acid) clay nanocomposit với khả năng hấp thụ nước và dung dịch muối vượt trội.
• Cấu trúc nanocomposit dạng xen kẽ được xác nhận qua phân tích XRD và SEM, đảm bảo tính đồng đều và hiệu quả tương tác giữa polymer và nanoclay.
• Tính bền cơ học và nhiệt của vật liệu được cải thiện rõ rệt so với polymer nguyên gốc, mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa hàm lượng nanoclay, phát triển quy trình sản xuất và ứng dụng thực tế trong nông nghiệp và xử lý môi trường.
• Tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về khả năng hấp thụ ion kim loại nặng và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp và môi trường là bước đi tiếp theo cần thiết.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này để phát triển các sản phẩm vật liệu polymer nanocomposit mới, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.