Vật liệu mới (PCNs)
Trên thực tế, sự kết hợp giữa 1 polymer và khoáng clay (clay mineral: bectonit, hectorite…) đã được tiến hành hơn 50 năm về trước nhưng đã không có được kết quả như mong muốn. Clay với khối lượng sử dụng lên đến 40 - 50 wt% chỉ tạo nên sự tăng lên ở tính cơ lý (moduhes) vào khoảng gấp 2 lần. Sự giới hạn ở hiệu quả gia cường chính do sự phân tán kém của clay trong chất nền (Matrix). Điều đó có nghĩa là clay đã tồn tại dưới dạng những hạt lớn (agglom erated tactoids) với kích thước nm và thậm chí đến mm. Nguyên nhân chính của vấn đề này là do sự không tương hợp giữa clay mang tính ưa nước (hydrophilic) và polymer mang tính kỵ nước (hydrophobic). Để khắc phục được điểm này, TCRD đã biến tính clay bằng cách thay thế những ion kim loại (Na +, Mg +, Li +…) tồn tại giữa hai lớp clay bằng các chất hoạt động bề mặt như muối alkylamnium thông qua phản ứng trao đổi ion thông thường (clay biến tính tạo thành được gọi tên ngắn gọn là organoclay). Hơn thế nữa họ đã thấy rằng quá trình biến tính clay này cũng kém với khả năng mở rộng clay galleries (swelling of clay) và dẫn đến khả năng tách lớp của clay (exfoliation or delamination of silicate layers) thành những đơn lớp với clay với chiều dày khoảng 1 nm và đường kính khoảng một trăm đến vài trăm nm. Kết quả nghiên cứu đã được áp dụng thành công trong điều chế vật liệu Nylon 6/clay nanocomposites (NCN s). Chỉ với hàm lượng organoclay 4,2 wt% trong Nylon 6/matrix, NCN sđã cho thấy một sự tăng lên gấp đôi của modulies, ứng suất tăng lên 50%, nhiệt độ biến dạng (heat distortion) tăng lên 80 0C so với polymer Nylon6. Sự thành công NCN sđã mở ra một kỷ nguyên vật liệu mới mà chúng ta gọi tên chung là “polymer/clay nanocomposites” đến nay đã có nhiều nghiên cứu về PCN s, được điều chế trên cơ sở nền epoxy, polyurethnes (PU, polyetherimides (PEI), polylenzoxazin, polypropylen, polystyreme (PS), polu (methyl methacrylate) (PMMA), polycaprolactonne (PCL), v.v… sử dụng những kỹ thuật phù hợp cho từng loại hợp chất. Các kỹ thuật ngày nay sử dụng cho điều chế PCN scó thể được chia làm hai loại cụ thể: Đó là kỹ thuật insitu polymorization (như được sử dụng cho điều chế NCN strước đây) và kỹ thuật direct blending giữa organoclay với polymer, đặc biệt cho những nanocomposite với nền matrix là 1 polyolefin.
Polypropylene (PP) là một trong những themoplastics được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới hiện nay. Vì vậy cùng với sự phát triển của công nghệ PCN sđã có một vài nghiên cứu về PPCN svới mong muốn rằng vật liệu PPCN strên cơ sở những đặc tính tốt vốn có của PP sẽ cung cấp những khả năng tốt trong thực tế.
Theo các tài liệu [3, 4] thì PP không tương tác với organoclay do tính hyđrophobic quá mạnh của chúng. Chính vì thế trong nghiên cứu PP được biến tính với maleic - anhydricde (MAH) tiến hành ở TCRD thông qua phương pháp direct goafting ở nhiệt độ cao. Sản phẩm biến tính PP (PP - MA) được kết hợp với những hàm lượng khác nhau (từ 2 đến 7,5 wt%) của organoclay (montmorilonite biến tính với muối dimethyl steary; ammonium chloride) thông qua melt - extruding để điều chế PPCN s.
Polymer/ clay nanocomposites là một lĩnh vực mới của thế kỷ 21 rất có tiềm năng nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Với ưu thế về tính cơ ký, cũng như các tính chất tốt khác của PCN snhư đã nêu trên cộng với tính sẵn có của nguyên liệu (từ khoáng clay), qui trình biến tính clay không phức tạp (hiện tại clay được cung cấp rộng rãi trên thị trường với các nhà cung cấp như Nanocor, Nanomat…) và với việc sản xuất PCN sbằng phương pháp thông dụng melt - extruding, hiện tại lĩnh vực này được nghiên cứu và sản xuất rộng rãi ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản và các nước châu Âu (các hãng cung cấp Bayer AG, Gedlastics, Nanocor, Showa Denko, Ubc, v.v…). Các nước như Trung Quốc, Hàn Quốc cũng đang cố gắng cập nhật và phát triển, tuy nhiên cũng có mức độ hạn chế nhất định về mặt kỹ thuật. Trong vòng 10 năm tới, đây là ngành sẽ phát triển và mang lại nhiều lợi nhuận. PCN slà một ngành mới mẻ chưa được nghiên cứu nhiều về cơ bản nhưng cũng có những bước tiến cụ thể trong áp dụng thực tiễn, đặc biệt là ngành vật liệu cho sản xuất ô tô (Tosota, Gennerd, Motorsz…) sản xuất bao bì đựng và bảo quản thức ăn… các thông tin về chế tạo và ứng dụng nanocomposites có sẵn trên internet như: www.plasticestechnology.com, www.Uspo.to.gov/putft/index/html, v.v…
Với nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú và tiềm lực dồi dào của đội ngũ các nhà khoa học ở Việt Nam , tin tưởng rằng trong tương lai gần ngành PCN ssẽ được phát triển và được ứng dụng nhiều trên thực tế. Và bên cạnh đó để phát triển được những mũi nhọn đột phá về khoa học vật liệu mới như PCN sđòi hỏi sự quan tâm sâu sắc của Nhà nước về thiết bị cũng như kinh phí nghiên cứu và đào tạo con người của ngành này.
Tài liệu tham khảo
(1) Kojima Y; Usuki A; Kawasumi M; Okada A; Fukushima Y; Karauchi T; Kamigaito O. J. Mater. Res. 1993, 6, 1185
(2) Usuki A; Kawasumi M; Okada A; Fukushima Y; Karauchi T; Kamigaito O. J. Mater. Res. 1993, 8, 1179.
(3) Hasegawa N. Okamoto H; Kato M; Usuki A. J. Appl, Sci. 2000, 78, 1981.
(4) Hasegawa N. Okamoto H; Kato M; Tsukigase A; Usuki A. Macromol. Mater. Eng, 2000, 76, 280.
(5) Phan Hoai Nam, Pralay Maiti, Masami Okamoto, Tadao Kotaka, Mitsuko Tanaka, Masahiro Ahshima, Maoki Hasegawa and Arimitsu Usuki, Foam Processing and cellular structure of Polypropylene/ Clay Nanocomposites, Proc.of “The First WorldCongress of Nanocomposites”, Chicago – U. S. A, 2001, 281 – 287.
(6) Phan Hoai Nam, Pralay Maiti, Masami Okamoto, Tadao Kotaka, Naoki Hasegawa and Arimitsu Asuki, A hierarchical Structure and Properties of Intercalated Polỷpopylene Clay nanocomposites, Polymer 2001, 42, 9633.
(7) Masami Okamoto, Phan Hoai Nam, Pralay Maiti, Tadao Kotaka, Naoki Hasegawa and Arimitsu Usuki, A House of Card Structure in Polpropylene/ Clay Nanocomposites under Elongation Flow, Nanocomposites, 2001, 1, 295.
(8) Masami Okamoto, Phan Hoai Nam, Pralay Maiti, Tadao Kotaka, Takashi Nakayama, Mitsuko Takada, Masahiro Ohsima, Naoki Hasegawa and Arimitsu Usuki, Biaxial Flow – Induced Alignment of Silicate Layers in Polypropylene/ Clay Nanocomposites Foam, Nanoletters, 2001, 1, 503.
(9) Pham Hoai Nam, Pralay Maiti, Masima Okamoto, Tadao Kotaka, Takashi Nakayama, Mitsuko Takada, Masahiro Ohsima, Naoki Hasegawa and Arimitsu Usuki, Foam processing and cellular structure of Polypropylene/ Clay Nanocomposite, Polymer, Eng, Sci, 2002, in press.
