TÌM HIỂU VỀ MONTMORILLONITE VÀ ỨNG DỤNG TRONG SƠN

Montmorillontine (MMT) là nguyên liệu cho nanoclay và là thành phần khoáng vật chủ yếu trong bentonite thiên nhiên. Việc chế tạo MMT được thực hiện bằng cách loại bỏ các tạp chất khác có chứa trong bentonite. MMT cho phép hoạt hóa và biến tính để chế tạo hàng loạt vật liệu nanocompositecác loại chất dẻo và cao su có độ bền cơ và nhiệt cao có khả năng ứng dụng vào thực tiễn to lớn như: dùng làm chất hấp phụ và chế tạo xúc tác trong công nghiệp hóa học và xử lý môi trường, chất lưu biến trong công nghiệp sơn và mực in, chế tạo dung dịch khoan cho công nghiệp dầu khí và xây dựng, chất làm khuôn đúc trong công nghiệp luyện kim, chất giữ ẩm và chất mang yếu tố vi lượng cho sản xuất nông nghiệp, phụ gia sản xuất dược phẩm, mỹ phẩm,...

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU POLYMER & COMPOSITE

- -

Seminar chuyên ngành TÌM HIỂU VỀ MONTMORILLONITE VÀ ỨNG

DỤNG TRONG SƠN

NGUYỄN TRUNG TÍNH LƯƠNG TRỌNG NHƠN

-

TP HỒ CHÍ MINH – 10/2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU POLYMER VÀ COMPOSITE

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về các loại khoáng sét 3

1.1.1 Bentonite 3

1.1.2 Montmorillonit 4

1.1.2.1 Dạng không gian của MMT 4

1.1.2.2 Các tính chất của Montmorllonit 6

1.1.3 Sét hữu cơ (nanoclay hữu cơ) 7

1.1.4 Ứng dụng của sét hữu cơ 7

1.1.4.1 Làm chất xúc tác trong các quá trình tổng hợp hữu cơ 7

1.1.4.2 Làm vật liệu hấp phụ 8

1.1.4.3 Ứng dụng trong sơn 9

1.2 Giới thiệu về sơn 10

1.2.1 Định nghĩa 10

1.2.2 Thành phần chính của sơn 10

1.2.3 Phân loại sơn 11

1.3 Giới thiệu về nhựa epoxy 11

1.3.1 Cấu tạo, tính chất của nhựa epoxy 11

1.3.2 Phân loại nhựa epoxy 13

1.3.3 Sơn epoxy 13

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, BIẾN TÍNH ĐẤT SÉT 15

2.1 Các phương pháp điều chế MMT từ nguồn khoáng thiên nhiên 15

2.1.1 Phương pháp khô 15

2.1.2 Phương pháp ướt 16

2.1.3 Phương pháp rây 17

2.1.4 Phương pháp ly tâm 17

2.1.5 Phương pháp siêu âm 17

2.1.6 Phương pháp hóa học 17

2.1.7 Phương pháp điện di 18

2.1.8 Phương pháp tuyển từ 18

2.1.9 Phương pháp tổng hợp 18

2.2 Các phương pháp biến tính 18

2.2.1 Phương pháp nhiệt hóa 18

2.2.2 Biến tính bằng axit/kiềm 19

2.2.3 Hoạt hóa bentonite bằng các chất hoạt động bề mặt 19

2.2.4 Biến tính bằng phương pháp phủ bọc 20

2.2.5 Biến tính bằng phương pháp tạo cột chống 21

2.2.6 Zeolit hóa 22

CHƯƠNG III: MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA MMT TRONG SƠN 23

3.1 Bảo vệ thép chống ăn mòn bằng các chất phủ epoxy-organoclay nanocomposite [9] 23

3.1.1 Vật liệu thử nghiệm 23

3.1.2 Tiến hành thí nghiệm 23

3.1.3 Các phương pháp thử 24

3.1.4 Kết quả và thảo luận 24

3.1.4.1 Cấu trúc và hình thái học 24

3.1.4.2 Tính chất cơ nhiệt 28

3.1.4.3 Kiểm tra ăn mòn muối 30

3.1.5 Kết luận 33

3.2 Ảnh hưởng của việc bổ sung MMT đã biến tính lên một số tính chất của sơn [8] 34

3.2.1 Nguyên vật liệu 34

3.2.2 Tiến hành thí nghiệm 35

3.2.3 Các phương pháp thử 35

3.2.4 Kết quả và thảo luận 36

3.2.4.1 Kết quả bề mặt và thời gian khô 36

3.2.4.2 Các loại sơn nhanh khô 37

3.2.5 Kết luận 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

FTIR Fourier Transform Infrared Spectropy Quang phổ hồng ngoại biến đổi

Fourier

HRTEM

High-resolution Transmission Electron

Microsopy

Kính hiển vi điện tử truyền qua

độ phân giải cao

SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét

TEM Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thành phần nguyên tố cơ bản của sét (không kể Si) 3

Bảng 1.2 Các thành phần của sơn 10

Bảng 1.3 Phân loại sơn dựa trên chất tạo màng 11

Bảng 3.1 Tính cơ nhiệt của các hạt nano epoxy-đất sét 28

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của việc bổ sung montmorillonit đã biến tính lên một số tính chất của sơn 42

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Một số Montmorillonit với các màu sắc khác nhau 4

Hình 1.2 Công thức khai triển không gian của MMT lý tưởng 4

Hình 1.3 Cấu trúc của MMT cho thấy hai lớp tứ diện trộn lẫn với một lớp bát diện 6

Hình 1.4 Bentonit sử dụng làm phụ gia trong pha chế dung dịch khoan 8

Hình 1.5 Bentonit dùng làm chất kết dính trong khuôn cát để đúc 8

Hình 1.6 Bentoint được dùng làm các viên quặng đưa vào lò nung 9

Hình 1.7 Bentonit được sử dụng làm chất lọc sạch và tẩy màu cho bia, rượu vang và mật ong 9

Hình 1.8 Công thức cấu tạo nhựa epoxy 12

Hình 2.1 Sơ đồ phương pháp tuyển khô bentonite 16

Hình 2.2 Quá trình tái cấu trúc bentonit ở các giai đoạn xử lý 20

Hình 2.3 Ảnh chụp SEM oxit silic không phủ bọc (a) và phủ bọc (b) 21

Hình 2.4 Lớp cơ sở của Montmorillonit được chèn bởi các chuỗi ankyl 21

Hình 3.1 Các mẫu nhiễu xạ tia X (XRD) của đất sét vô cơ (Na+ -PGW) và hai loại sét hữu cơ I.30E và I.28E 25

Hình 3.2 Mẫu XRD của các vật liệu nano epoxy có độ cứng cao với đất sét vô cơ Na+- PGW và hai chất đất sét hữu cơ I.28E và I.30E 25

Hình 3.3 Các hình ảnh TEM đại diện của các hạt nano epoxy-đất sét trát vôi được phủ một phần bằng 6% trọng lượng I.30E (A, B) và các hạt nano epoxy-đất nung xen kẽ chuẩn bị bằng 6% trọng lượng I.28E (C) Thanh tỉ lệ = 20 nm 27

Hình 3.4 Phân tích thang đo nhiệt độ (TGA) của (A) epoxy nguyên sơ (EPON 828RS + D-230 Jeffamine) và các hạt nano epoxy-đất sét với (B) Na+ -PGW, (C) I.30E, (D) I.28E (3% trọng lượng, cơ sở silicat), và (E) I.30E (6% trọng lượng cơ sở silicat) 29

Hình 3.5 Kết quả giảm cân từ các thí nghiệm phun muối cho thép tráng và thép tráng với nhựa epoxy nguyên chất và các vật liệu nano với I.28E và I.30E, sau 1 ngày (a) và 4 ngày (b) môi trường ăn mòn 100% độ bão hòa ẩm + 5% NaCl% dung dịch 30

Hình 3.6 Các mẫu thử nghiệm ăn mòn phun muối sau 1 ngày (A) và 4 ngày (B) trong môi trường ăn mòn 100% độ bão hòa ẩm + 5% NaCl: (a) thép trần; (b) tráng bằng nhựa nguyên sơ; (c) phủ một lớp nano I.28E; (d) phủ một lớp nano I.30E 31

cắt ngang của thép tráng với I.30E (B) và mẫu muội đã được kiểm tra muối sau 1 ngày (C) và 4 ngày (D) Môi trường ăn mòn 100% độ bão hòa ẩm + 5% NaCl NaCl: (a) Thép trần; (b) tráng Thanh tỉ lệ = 50µm 33

Hình 3.8 Kết quả thử nghiệm độ phủ trong các thành phần của sơn đã được biến tính

với N5 và PS1 MMT: (1) E6/Ep661, (2) E6011/IDA-2 và (3) E664/IDA-2 36

Hình 3.9 Thời gian khô (ở RT) của các chế phẩm phủ được biến đổi với MMT N5 và

PS1: (1) E6 / Ep661, (2) E6011 / IDA-2 và (3) E664 / IDA-2 37

Hình 3.10 Độ cứng của sơn/sơn lót với MMT đã được biến tính với N5 và PS1 MMT:

(1) E6/Ep661, (2) E6011/IDA-2 và (3) E664/IDA-2 38

Hình 3.11 Độ chống trầy xước của sơn đã được xử lý bằng MMT N5 và PS1:

E6/Ep661, E6011/IDA-2 và E664/IDA-2 39

Hình 3.12 Độ chống mài mòn của sơn mài/sơn đã được biến tính với MMT N5 và

PS1: (1) E6/Ep661, (2) E6011/IDA-2 và (3) E664/IDA-2 39

Hình 3.13 Độ bám dính của sơn mài/ sơn đã được biến tính với MMT N5 và PS1:

E6/Ep661, E6011/IDA-2 và E664/IDA-2 40

Hình 3.14 Khả năng hấp thụ nước (sau 7 ngày ngâm trong nước cất) của sơn mài/sơn

đã được biến tính bằng Nitroxit N5 và PS1: (1) E6/Ep661, (2) E6011/IDA-2 và (3) E664/IDA-2 41

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và những đòi hỏi về môi trường, ngày nay, chúng ta cần rất nhiều chủng loại sơn có chất lượng tốt, phù hợp với yêu cầu thực tế Trong quá trình xây dựng, hầu hết các nhà xưởng, thiết bị cơ khí, giao thông vận tải, đều cần các loại sơn để bảo vệ và trang trí bề mặt Muốn được loại màng sơn tốt bền đẹp ngoài những yêu cầu về gia công, chất lượng màng cần thêm vào những chất

có khả năng nâng cao tính chất cơ lý cho sơn, đặc biệt là nâng cao khả năng chống ăn mòn kim loại Chất tạo màng không chỉ đơn thuần là nhựa thiên nhiên mà còn được tổng hợp trong phòng thí nghiệm Trong sản xuất, việc thử nghiệm, áp dụng các loại phụ gia khác nhau pha vào sơn để nâng cao tính chất của sơn là một hướng nghiên cứu còn nhiều triển vọng [1] [7]

Chất tạo màng sơn phổ biến và quan trọng bậc nhất hiện nay đó là nhựa epoxy, một loại nhựa đã được nghiên cứu từ rất lâu, có ứng dụng rộng khắp trong các ngành công nghiệp Việc đóng rắn epoxy để tạo màng sơn ở nhiệt độ phòng đóng vai trò quyết định cho việc lựa chọn loại nhựa này làm chất tạo màng Epoxy đóng rắn ở nhiệt độ phòng, thường sử dụng các chất đóng rắn polyamin mạch thẳng hoặc polyamit Tuy nhiên khi đóng rắn trong điều kiện độ ẩm cao thì phương pháp trên lại không hiệu quả

vì polyamin rất nhạy cảm với độ ẩm, đặc biệt là khí CO2, các amin chuyển hóa thành các muối cacbamat, làm sơn bị mờ đục và có độ bám dính kém trên bề mặt ẩm ướt

Nanoclay là loại sét được cấu tạo từ các phiến dày đặc có kích thước nano mét

và có thể biến đổi hóa học để có thể tương hợp với các monome hữu cơ và polyme Montmorillontine (MMT) là nguyên liệu cho nanoclay và là thành phần khoáng vật chủ yếu trong bentonite thiên nhiên Việc chế tạo MMT được thực hiện bằng cách loại bỏ các tạp chất khác có chứa trong bentonite MMT cho phép hoạt hóa và biến tính để chế tạo hàng loạt vật liệu nanocomposite-các loại chất dẻo và cao su có độ bền cơ và nhiệt cao có khả năng ứng dụng vào thực tiễn to lớn như: dùng làm chất hấp phụ và chế tạo xúc tác trong công nghiệp hóa học và xử lý môi trường, chất lưu biến trong công nghiệp sơn và mực in, chế tạo dung dịch khoan cho công nghiệp dầu khí và xây dựng, chất làm khuôn đúc trong công nghiệp luyện kim, chất giữ ẩm và chất mang yếu tố vi lượng cho sản xuất nông nghiệp, phụ gia sản xuất dược phẩm, mỹ phẩm, [3] Đặc biệt, việc bổ

sung nanoclay vào màng sơn giúp tăng tính chất cơ lý và bảo vệ chống ăn mòn kim loại tốt

Trong bài tiểu luận này, chúng em trình bày các vấn đề chính sau:

 Tổng quan về sét hữu cơ đặc biệt là tìm hiểu về MMT, công nghệ sơn và chất tạo màng phổ biến epoxy;

 Các phương pháp để điều chế, biến tính MMT;

 Tìm hiểu về 2 nghiên cứu về ứng dụng của MMT kết hợp với epoxy để tạo màng sơn

Trong quá trình thực hiện để hoàn thành đề tài này mặc dù đã cố gắn hết sức nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, mong các thầy cô và các bạn góp ý

Nhóm sinh viên

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về các loại khoáng sét

Khoáng sét là các loại khoáng vật được hình thành trong tự nhiên từ các quá trình phong hóa tại chỗ các khoáng vật silicat và nhôm silicat Thành phần hóa học chủ yếu bao gồm SiO2, Al2O3, H2O và một số oxit của kim loại kiềm và kiềm thổ, sắt, mangan, kẽm…, có kích thước hạt vài micromet Dựa vào thành phần hoá học, các tính chất hoá

lý và đặc biệt là cấu trúc tinh thể và cấu trúc lớp, hiện nay khoáng sét có hơn 100 loại khác nhau [1]

1.1.1 Bentonite [3]

Bentonite là loại khoáng sét tự nhiên thành phần chính là MMT Ngoài thành phần chính là MMT, trong bentonite còn chứa một số khoáng sét khác như hectorite, saponite, beidelite, nontronite,… các muối kiềm khác và một số hợp chất hữu cơ Có thể nhận biết nhanh từng loại khoáng dựa trên sự có mặt của ba nguyên tố Al, Fe, Mg ngoài nguyên tố Si theo bảng 1.1 trong thành phần của nó

Bảng 1.1 Thành phần nguyên tố cơ bản của sét (không kể Si)

Tên khoáng sét

Nguyên tố có nhiều trong thành phần

Tên khoáng sét

Nguyên tố có nhiều trong thành phần

Montmorillonite Al, (ít Mg, Fe2+) Glauconit K, Fe3+ Fe2+

1.1.2 Montmorillonit

MMT là thành phần khoáng vật chủ yếu trong bentonite thiên nhiên, công thức đơn giản nhất của (Al2O3.4SiO2.nH2O) MMT có màu trắng, vàng, xanh lá cây, hồng nhạt Là khoáng vật tự nhiên được tạo ra từ quá trình phong hóa hoặc thuỷ nhiệt MMT thường có mặt cùng một số sét khác thuộc nhóm smectit và là thành phần chính trong bentonit [5]

Hình 1.1 Một số MMT với các màu sắc khác nhau

1.1.2.1 Dạng không gian của MMT [3]

Trong công thức của MMT, các nguyên tử Si nằm tâm mạng tứ diện, còn các nguyên tử Al nằm ở tâm mạng bát diện (trong trường hợp mạng nhôm silicat là trung hòa điện) Công thức khai triển của MMT được trình bày như hình 1.2

Hình 1.2 Công thức khai triển không gian của MMT lý tưởng

1.1.2.2 Cấu trúc tinh thể của MMT

MMT có cấu trúc lớp 2:1 Mạng tinh thể của MMT gồm có 2 lớp tứ diện SiO4 và xen giữa là một mạng bát diện MeO6 (Me = Al, Mg) Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hydrat hóa

Nguyên tử Si trong lớp tứ diện thì phối trí với 4 nguyên tử oxi định vị ở 4 gốc của tứ diện Nguyên tử Al hoặc Mg trong lớp bát diện thì phối trí với 6 nguyên tử oxi hoặc nhóm hydroxyl (OH) định vị ở 6 góc của bát diện đều Ba lớp này chồng lên nhau hình thành một tiểu cầu sét hoặc một đơn vị cơ sở của nanoclay Sự hình thành nanoclay trong tự nhiên có sự thay thế đồng hình, nguyên tử Si hoá trị 4 trong lớp tứ diện được thay thế một phần bởi nguyên tử Al hoá trị 3 và nguyên tử Al hoá trị III trong lớp bát diện thì được thay thế một phần bằng các nguyên tử có hoá trị II như Fe và Mg Sự thiếu hụt điện tích dương trong đơn vị cơ sở, dẫn đến bề mặt của các tiểu cầu sét mang điện tích âm Điện tích âm này được cân bằng bởi các ion kim loại kiềm và kiềm thổ (chẳng hạn ion Na+ và Ca2+) chiếm giữ không gian giữa các lớp này Như vậy, khả năng trao đổi cation của MMT là tương đương với điện tích của các lớp Những ion nằm giữa các lớp này có thể thay thế bằng cation hữu cơ, khi thay thế ion vô cơ giữa các lớp sét bằng các ion hữu cơ làm cho sét thích hợp với polymer hữu cơ Sự thay thế đồng hình bên trong mạng tinh thể bằng các nguyên tố khác nhau hoặc thay đổi ở các vị trí khác nhau đưa đến có nhiều loại khoáng chất đất sét MMT, notronite, saponite, hectorite Trong hình 1.3 cho thấy sự thay thế đồng hình của một số ion Al, Fe, Mg…Trong tứ diện và bát diện, cũng như khoảng cách của lớp sét Khoảng cách của một lớp MMT được chỉ ra trong hình 1.3 là khoảng 9,6 Å còn khoảng cách của sét khô (làm khô ở 70 oC) là 12,6 Å

Hình 1.3 Cấu trúc của MMT cho thấy hai lớp tứ diện và một lớp bát diện 1.1.2.2 Các tính chất của Montmorllonit

Cấu trúc và thành phần hoá học của MMT dẫn tới những tính chất đáng chú ý sau đây của nhóm khoáng vật này:

- Khả năng trao đổi ion: Sự thay thế Si4+ bằng Al3+ trong tứ diện và Al3+ bằng Mg2+

trong bát diện dẫn đến dư thừa phần điện tích âm trong mạng lưới, được bù trừ bằng các cation như Na+, Ca2+

- Khả năng trương nở: Khi các phân tử nước xâm nhập vào bên trong các lớp và hydrat hoá các cation sẽ làm tăng khoảng cách giữa các lớp Khả năng trương nở phụ thuộc bản chất cation trao đổi trong mạng Khi thay thế các ion trao đổi bằng các cation

vô cơ dạng polioxocation hoặc các cation hữu cơ (như các amin bậc 4), khoảng cách giữa các lớp tăng mạnh Đặc biệt các cation hữu cơ ưa dầu làm MMT có khả năng trương

nở mạnh trong các dung môi hữu cơ Sự biến tính MMT dẫn tới thay đổi thành phần và cấu trúc của bentonit như trên được ứng dụng trong các lĩnh vực xúc tác và vật liệu mới

- Khả năng hấp thu: MMT có cấu trúc xốp và bề mặt riêng lớn, khả năng phân tán cao trong môi trường, khi biến tính có thể thay đổi khoảng cách giữa các lớp cùng những đặc trưng ưa dầu hoặc ưa nuớc Những đặc điểm này làm cho MMT trở thành một vật liệu có tính hấp thu chọn lọc cao, tạo ra khả năng hấp phụ đặc biệt có thể được sử dụng trong xử lý môi trường rất hiệu quả

1.1.3 Sét hữu cơ (nanoclay hữu cơ) [3]

Sét hữu cơ (nanoclay hữu cơ) là sản phẩm của quá trình tương tác giữa sét bentonite và các cation hữu cơ hoặc các hợp chất hữu cơ phân cực, đặc biệt là các amin bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4 có mạch thẳng, nhánh và vòng, với các mạch có độ dài ngắn khác nhau Sự hấp thu các chất hữu cơ vào khoảng trống giữa các lớp cấu trúc của của montorillonit và thay thế các cation trao đổi (Na+, Ca2+, Mg2+, ) bằng những cation hữu cơ (điển hình là những cation alkyl amoni bậc 4) dẫn tới tạo thành các MMT biến tính có tên gọi chung là organobentonit (nanoclay hữu cơ, hay sét hữu cơ) Quá trình biến tính bằng các chất hữu cơ làm MMT trở nên ưa dầu, làm tăng khả năng phân tán của sét trong các môi trường hữu cơ, nhờ đó mở rộng phạm vi ứng dụng của bentonit trong công nghiệp sơn, mực in, mỹ phẩm, … đặc biệt nhờ khả năng tiếp xúc với các dung môi và monome hữu cơ, chúng có thể phân tán tốt hơn trong những môi trường này và tạo ra những đặc tính nổi trội của vật liệu nanocomposit

Các phức sét-hữu cơ là chất hấp thu tốt đối với các gốc hữu cơ kém hòa tan trong nước Tính chất này được sử dụng để làm sạch môi trường nước khỏi các chất thải dầu

mỡ độc hại Hàng loạt công trình nghiên cứu về các sét hữu cơ đã được thực hiện Người

ta đưa vào sét các cation hữu cơ từ một trong các amin bậc 1 đến 4 và dùng các sản phẩm organoclay thu được để hấp thu các chất hữu cơ khác nhau

1.1.4 Ứng dụng của sét hữu cơ

Từ xa xưa con người đó biết sử dụng các loại sét tự nhiên để chế tạo ra các vật dụng: dụng cụ nấu nướng, bình đựng, đồ trang sức để phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt một trong số các loại khoáng sét được sử dụng nhiều nhất là bentonite [1] Hiện nay bentonite đó thâm nhập rộng rãi vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau:

1.1.4.1 Làm chất xúc tác trong các quá trình tổng hợp hữu cơ [3]

Biến tính bentonite bằng phương pháp trao đổi cation kim loại đa hóa trị, các chất hữu cơ tạo ra vật liệu xúc tác có độ axit và độ xốp cao hơn xúc tác cho một số phản ứng hữu cơ Ví dụ: sử dụng các xúc tác axit rắn trong phản ứng hữu cơ ở pha lỏng thuận lợi hơn nhiều so với axit lỏng Sau khi kết thúc phản ứng chỉ cần lọc hỗn hợp phản ứng có thể tách xúc tác rắn Ngoài ra, do bentonite có khả năng hấp phụ cao nên có thể hấp phụ

các chất xúc tác trên bề mặt trong giữa các lớp và được sử dụng làm chất xúc tác cho nhiều phản ứng

1.1.4.2 Làm vật liệu hấp phụ [3]

Bentonite được dùng rộng rãi làm chất hấp phụ trong nhiều ngành công nghiệp Trong công nghiệp lọc dầu, lượng bentonite được sử dụng rất lớn, bao gồm bentonite tự nhiên và bentonite đã hoạt hóa Lượng bentonite tự nhiên tiêu tốn cho quá trình lọc dầu

là 25% khối lượng dầu, phải có cùng với một lượng bentonite đã hoạt hoá bằng 10% khối lượng dầu Việc sử dụng bentonite làm chất hấp phụ là ưu việt hơn hẳn phương pháp cũ là phương pháp rửa kiềm Lượng bentonite mất đi trong quá trình tinh chế chỉ bằng 0,5% lượng dầu được tinh chế Ngoài ra, phương pháp dùng bentonite còn có mức hao phí dầu thấp do tránh được phản ứng thuỷ phân

Với tư cách là một chất hấp phụ đặc biệt tốt bentonite có thể tạo ra các dung dịch khoan với chất lượng đặc biệt cao và chi phí nguyên liệu thấp Vì thế, cùng với sự phát triển của ngành thăm dò và khai thác dầu, lượng bentonite được sử dụng trong việc chế tạo dung dịch khoan ngày càng tăng, và ngày nay ở Mỹ nó chiếm tới 40% tổng sản lượng bentonite của nước này Do có khả năng hấp phụ tốt nên bentonite còn được sử dụng làm chất hấp phụ các chất hữu cơ và đầu mỏ trong xử lý môi trường…

Hình 1.4 Bentonit sử dụng làm phụ

gia trong pha chế dung dịch khoan

Hình 1.5 Bentonit dùng làm chất kết dính trong khuôn cát để đúc.

Bentonit khi trộn với nước có khả năng kết dính mạnh nên từ thời xa xưa con người đã biết sử dụng loại sét này để nặn thành các vật dụng nhằm mục đích phục vụ đời sống của mình Lợi dụng tính chất két dính này, trong các xưởng đúc gang bentonit được vê thành viên bột trước khi đưa vào lò nung hoặc làm chất kết dính trong khuôn cát để đúc

Hình 1.6 Bentoint được dùng làm các

viên quặng đưa vào lò nung

Hình 1.7 Bentonit được sử dụng làm chất lọc sạch và tẩy màu cho bia, rượu vang và mật ong.

1.1.4.3 Ứng dụng trong sơn

Trong công nghiệp sơn hiện nay, MMT được hữu cơ hóa và đưa vào sơn làm tăng đặc trưng lưu biến của sơn Do đặc trưng của sét hữu cơ, người ta có thể pha trộn trực tiếp vào thành phần của sơn mà không cần phân tán trước trong dung môi Kết quả của việc thêm sét hữu cơ vào thành phần của sơn như thế tiết kiệm được giá thành do không dùng dung môi và giảm thời gian phân tán sét hữu cơ trước khi thêm vào sơn

Thông thường sét hữu cơ được sử dụng để cải thiện tính chất lưu biến của sơn để khống chế sự tạo thành màng lỏng và ngăn sự sa lắng, đóng cặn pigment có trong sơn Trong thực tế sét hữu cơ được dùng từ 1 tới 5% trọng lượng chất kết dính (chất tạo màng chủ yếu) [1]

1.2 Giới thiệu về sơn

1.2.1 Định nghĩa

Sơn là hợp chất hóa học bao gồm nhựa hoặc dầu chưng luyện có chất màu hoặc không có chất màu Khi sơn lên bề mặt sản phẩm ta được lớp màng mỏng bám trên bề mặt, có tác dụng cách ly với môi trường khí quyển bảo vệ và làm đẹp sản phẩm [7]

Polymer (chất kết dính) Cung cấp chất nền tạo màn liên tục, kết dính và bảo vệ

bề mặt của vật cần sơn Thay đổi thành phần hóa học theo mục đích sử dụng Các loại nhựa như Alkyd, Acrylic, Epoxy, Polyurethane, Fluorocarbon Dung môi hoặc chất pha loãng Hòa tan tốt chất tạo màng, điều chỉnh độ nhớt

Chất phụ gia Các thành phần nhỏ, đa dạng và có tác dụng cao, giúp

tăng độ bóng cứng và độ phủ cho sơn, tăng thời gian bảo quản của sơn, chóng nấm mốc,…

Mở rộng ( các chất vô cơ thô) Được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau bao gồm

độ mờ đục (như một chất phụ trợ cho sắc tố gốc); để tạo thuận lợi cho việc chà nhám, ví dụ: trong sơn lót

1.2.3 Phân loại sơn [7]

Sơn có rất nhiều loại và tính chất khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dung và điều kiện kinh tế mà chọn nguyên vật liệu pha chế thích hợp Phân loại các loại sơn nên lấy chất tạo màng làm cơ sở nếu như chất tạo màng là hỗn hợp nhựa, lấy một loại nhựa làm cơ sở có thể phân ra các loại sơn phổ biến và ưu nhược điểm của chúng như Bảng 1.3

Bảng 1.3 Phân loại sơn dựa trên chất tạo màng

Số thứ

tự

1 Sơn dầu Chịu khí hậu tốt, dùng

trong nhà, ngoài trời

Khô chậm, tính năng cơ lý thấp, không thể mài, đánh

bóng

2 Sơn thiên

nhiên

Khô nhanh, sơn gầy cứng

dễ đánh bóng, sơn béo dẻo chịu khí hậu tốt

Sơn gày, chịu khí hậu kém, sơn béo không thể đánh bóng

3 Sơn ankyl Chịu khí hậu tốt, bóng bền Màng sơn mềm, chịu kiềm kém

amin

Độ cứng cao, bóng, chịu nhiệt, chịu bền, bám chắc

tốt

ở nhiệt độ cao bị đóng rắn, màng sơn sấy giòn

polyeste

Lượng chất rắn cao, chịu nhiệt, chịu mài mòn hóa học, cách điện

1.3 Giới thiệu về nhựa epoxy [6]

1.3.1 Cấu tạo, tính chất của nhựa epoxy

Nhựa epoxy là một polyme mạch thẳng mà trong phân tử chứa những nhóm epoxy (oxietilen) thu được do phản ứng đa ngưng tụ của một phenol lưỡng chức (điển hình nhất là điphenolpropan – Bisphenol A) với epiclohidrin

Công thức cấu tạo tổng quát của nhựa epoxy từ bisphenol A như sau:

Hình 1.8 Công thức cấu tạo nhựa epoxy

Ưu điểm của keo epoxy:

- Nhờ những nhóm hiđroxyl màng keo epoxy có tính kết dính rất cao, ngay cả với những bề mặt nhẵn của kim loại, thủy tinh, gốm sứ, chất dẻo;

- Nhựa epoxy đã đóng rắn có độ bền rất cao vì tính kết dính nội cao;

- Khi đóng rắn, không tách ra các sản phẩm phụ (nước, dung môi, v.v…) nên là loại keo rất thích hợp cho các bề mặt không có tính hấp phụ như kim loại, thuỷ tinh, v.v… mà không cần nén;

- Keo có độ co ngót rất nhỏ vì vậy nếu đưa keo epoxy vào công thức pha chế chất độn thì hầu như không cần tính đến độ co ngót;

- Độ lão hóa của keo rất nhỏ, giữ được hình dạng khi chịu tải trọng lâu dài;

- Độ chịu ẩm và dung môi cao, khá chịu nhiệt và tính cách điện cao;

- Có thể điều chỉnh được tính năng trong phạm vi rộng bằng cách thêm chất độn, thay đổi hàm lượng chất đóng rắn và các chất phụ gia biến tính

Trong mạch, ngoài liên kết C-C, còn có cả những liên kết ete Những hóm hidroxyl và epoxy sắp xếp dọc theo mạch với khoảng cách tối ưu để các chất đóng rắn

dễ dàng khâu các đại phân tử mạch thẳng để biến nhựa thành nhiệt rắn, nhưng đồng thời cũng đủ xa nhau để nhựa đã đóng rắn có tính đàn hồi do sự linh động của các phân

tử Nhóm hidroxyl của phenol bị ete hóa khiến nhựa không có màu và không bị thay đổi màu khi bảo quản

1.3.2 Phân loại nhựa epoxy

Trên cơ sở nhựa epoxy, người ta chế biến thành 2 loại keo: keo đóng rắn lạnh

và keo đóng rắn nóng, khác nhau về cơ chế đóng rắn, tính chất và kỹ thuật sử dụng

Keo đóng rắn lạnh dùng chất đóng rắn là các amin béo khác nhau thông dụng nhất là hexametilendiamin và polietilenpoliamin Keo đóng rắn nóng có độ bền cao hơn, chịu nhiệt tốt hơn keo đóng rắn lạnh và có thể dùng để dán các kết cấu chịu lực bằng kim loại và vật liệu phi kim loại

Độ cứng, độ bền cơ học của mối dán phụ thuộc rất nhiều vào loại chất đóng rắn

và hàm lượng của nó Nếu hàm lượng đóng rắn lớn thì quá trình đóng rắn xảy ra rất nhanh, nhưng mối dán lại giòn Mặt khác, khi dùng các chất đóng rắn khác nhau thì sau khi keo đã tạo thành mạng không gian, trong bản thân nó cũng tồn tại những nhóm

có cực khác nhau Các nhóm này gây ra sự tương tác khác nhau đối với vật liệu đem dán Như vậy rõ ràng là tuỳ đối tượng dán, mục đích dùng keo epoxy (làm keo dán hay làm chất tạo màng) mà người ta phải chọn chất đóng rắn một cách thích hợp

1.3.3 Sơn epoxy

Sơn epoxy bao gồm hai thành phần là phần sơn và phần đóng rắn Phần sơn là thành phần chính của sơn epoxy có tác dụng che lấp khuyết tật, chứa hạt màu tạo tính thẩm mỹ, độ bóng sáng cho nền sau thi công Phần đóng rắn công dụng chính là làm đóng rắn khi trộn hai thành phần của sơn epoxy lại với nhau, phần đóng rắn giúp sơn epoxy có khả năng chống chịu các lực tác động từ bên ngoài (một yêu cầu bắt buộc đối với nền nhà xưởng) Sơn epoxy là phải trộn đều và đúng theo tỉ lệ của nhà sản xuất đây

là yếu tố bắt buộc

Sơn epoxy nằm trong nhóm các họ sơn trang trí và sơn bảo vệ chất lượng cao

Hệ sơn hóa rắn ở nhiệt độ phòng cho màng sơn đạt chất lượng tương tự các hệ sơn alkyd, sơn polyester hóa rắn nóng Epoxy được sử dụng làm sơn bảo quản phủ bên trong đồ hộp đựng thức ăn, sơn các thùng, bể chứa lớn Các hệ sơn epoxy biến tính có tính năng rất đa dạng và được dùng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật quan trọng như sơn

ô tô, sơn đồ gia dụng, sơn trang trí, sơn bảo vệ tàu biển, sơn phản nhiệt cho các bể chứa xăng dầu…

- Sản phẩm sơn epoxy gốc dầu Sử dụng cho những nhà máy với yêu cầu thẩm mỹ, chống phát sinh bụi, chịu tải trọng vừa phải đến trung bình;

- Sơn epoxy kỹ thuật: Dùng cho nền nhà xưởng với yêu cầu tính thẩm mỹ, sang trọng cao cùng yêu cầu chịu tải trọng, mài mòn, hóa chất cao Đặc biệt sản phẩm epoxy

kỹ thuật còn mang tính kháng khuẩn chuyên dùng cho các môi trường với yêu cầu kháng khuẩn, chống nấm mốc như phòng sạch, bệnh viện, nhà máy thực phẩm…;

- Sơn epoxy chống thấm hay còn gọi là chống thấm Polyurethane là sản phẩm epoxy chuyên dùng cho việc chống thấm sàn mái;

- Sơn epoxy chống tĩnh điện là sản phẩm sơn epoxy với tính năng chống tĩnh điện chuyên dùng cho các nhà máy sản xuất, lắp ráp linh kiện điện tử công nghệ cao với yêu cầu chống tĩnh điện

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, BIẾN TÍNH ĐẤT SÉT

2.1 Các phương pháp điều chế MMT từ nguồn khoáng thiên nhiên [3]

Các sản phẩm có chung tên gọi bentonite bao gồm nhiều loại khác nhau Tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các sản phẩm này, người ta áp dụng các phương pháp chế biến khác nhau để:

 Loại bỏ các tạp chất khoáng không thuộc nhóm monotmorillonit;

 Thay thế các ion trao đổi giữa các lớp như thay đổi Ca2+ Mg2+ bằng Na+ (hoạt hóa kiềm);

 Thay thế các ion trao đổi (Ca2+, Mg2+, Na+) và một phần các cation trong mạng (Al3+, Fe3+) bằng H+ hoặc acid

Bentonite thương phẩm có hàm lượng monotmorillonit tối thiểu 70%, hàm lượng các khoáng vật phi sét nhỏ (thường <10%) Quá trình xử lý để thu được bentonite thương phẩm tương đối đơn giản, bao gồm các bước sau: khai thác, sấy, đập nghiền và chế hóa

2.1.1 Phương pháp khô

Kỹ thuật làm giàu theo phương pháp khô dựa trên sự phân cấp các hạt quặng thao

độ lớp của chúng dưới tác động của dòng khí Những thông số cơ bản của quá trình làm giàu bằng phương pháp khô là: Chi phí khối lượng quặng trên 1 tấn bentonite được làm giàu, nhiệt độ sấy khô quặng và hàm lượng monotmorillonit trong tinh quặng bentonite

Sơ đồ phương phá tuyển khô được đưa ra ở Hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ phương pháp tuyển khô bentonite

Bên cạnh những ưu điểm của phương pháp khô (chi phí thấp, chu trình kín, cho phép có thể tự động hóa, không đòi hỏi những thao tác chân tay phức tạp) phương pháp khô làm giàu bentonite có những nhược điểm sau: làm giảm tính dẻo của bentonite, mất mát bentonite theo dòng khí, hiệu suất phân chia thấp và pàm bẩn môi trường

2.1.2 Phương pháp ướt

Với phương pháp này sự phân cấp hạt được thực hiện trong môi trường nước Bên cạnh những ưu điểm của phương pháp (kỹ thuật đơn giản, sử dụng những thiết bị không phức tạp, không đắt tiền, thu thập được bentonite có hàm lượng monotmorillonit cao) phương pháp này có những hạn chế như cần một diện tích lớn, tiêu hao một lượng nước lớn vì tỷ trọng của bùn bentonite thấp

2.1.3 Phương pháp rây

Quá trình phân cấp hạt được tiến hành rây có mặt phẳng nằm ngang với vận tốc dòng nước bé và tỷ trọng huyền phù bentonite thấp Sau khi loại nước, huyền phù đặc được chuyển sang công đoạn làm khô Những thông số chính của quá trình: chi phí khối lượng quặng trên 1 tấn bentonite được làm giàu, thể tích của các bể lắng, diện tích của các bể lắng, hiệu suất thu hồi bentonite trong quá trình, hàm lượng monotmorillonit trong tinh quặng bentonite

2.1.4 Phương pháp ly tâm

Với phương pháp này việc tách các tạp chất ra khỏi bentonite được thưc hiện bằng phương pháp ly tâm, việc tách các tạp chất được thực hiên trong máy ly tâm với vận tốc quay khác nhau Những hạt đất sét nặng hơn sẽ nằm ở phần dưới của máy ly tâm, còn những phần bentonite có kích thước bé hơn sẽ nằm ở lớp trên Máy ly tâm có thể được dùng để tách các phần và máy cũng được dùng để tách nước ra khỏi tinh quặng

Ưu điểm của phương pháp dùng máy ly tâm là: có thể phân chia những huyền phù bền vững và thu nhận sản phẩm có độ hạt như yêu cầu Tuy vậy nó vẫn còn những hạn chế như, năng suất thấp, quá trình gián đoạn và tiêu hao nhiều năng lượng

2.1.5 Phương pháp siêu âm

Dưới tác dụng của sóng siêu âm lên dung dịch huyền phù bentonite sẽ đạt được

2 hiệu ứng mà có thể làm giàu bentonite làm phân tán các tạp chất có kích thước lớn và làm sa lắng các hạt Những thông số căn bản của quá trình siêu âm là: tần số âm thanh, thời gian siêu âm, số bậc siêu âm, nồng độ huyền phù, hàm lượng tạp chất trong huyền phù, hiệu suất thu hồi bentonite trong tinh quặng, hàm lượng monotmorillonit thu được trong tinh quặng Ưu điểm của phương pháp: tỷ trọng huyền phù cao, nâng cao được tốc

độ lọc, sự ổn định các tinh chất của sản phẩm, hiệu suất thu hồi và độ sạch sản phẩm cao Hạn chế của phương pháp là tiêu hao nhiều năng lượng hơn so với các phương pháo khác

2.1.6 Phương pháp hóa học

Cơ sở của làm giàu bentonite theo phương pháp hóa học là hiện tượng biến đổi thành phần hóa học của khoáng khi xử lý chúng bằng acid hữu cơ, bằng các muối của