1.6.1. Khái niệm chất trợ kết nối silan [9]
Chất trợ kết nối silan là các hợp chất có khả năng tạo ra một liên kết bền giữa vật liệu hữu cơ với vật liệu vô cơ. Sự kết nối này được thiết lập đòi hỏi ít nhất một trong hai vật liệu kể trên phải là chất silic hoặc bề mặt có tính chất silic như silicat, aluminat, borat…là những thành phần chính của vỏ Trái đất.
Công thức chung cho các hợp chất silan thể hiện hai loại nhóm chức (hình 1.2).
Hình 1.2. Công thức chung cho hợp chất silan
X là một nhóm có khả năng thủy phân như alkoxy, acyloxy, halogen hay amin. Sau quá trình thủy phân, X chuyển hóa thành một nhóm silanol hoạt tính và có thể ngưng tụ với các nhóm silanol khác (như các nhóm trên bề mặt của các chất độn silic) để tạo thành liên kết siloxan. Các sản phẩm ngưng tụ ổn định cũng được tạo ra với các oxyt khác nhau như oxyt của nhôm, zirconi, thiếc, titan, niken; kém ổn định với các oxyt của bo, sắt, cacbon; các oxyt kim loại kiềm và cacbonat không tạo được liên kết bền với Si – O. R là gốc hữu cơ không có khả năng thủy phân.
Phản ứng của một hợp chất hữu cơ silan với một cơ chất làm thay đổi tính dính hoặc thấm ướt của cơ chất.
Khoa học và kỹ thuật vật liệu Nguyễn Thị Thanh Nhàn 32 Tính chất tạo cầu nối của silan hữu cơ có ý nghĩa quan trọng đặc biệt trong
ba lĩnh vực sau:
- Xúc tiến kết dính - Biến tính bề mặt
- Tạo liên kết ngang giữa các polyme với nhau.
Hình 1.3. Các ứng dụng chủ yếu của silan
Khả năng tạo liên kết giữa vật liệu hữu cơ (polyme) và cơ chất thể hiện qua sơ đồ sau:
Hình 1.4. Liên kết giữa polymer và một hợp chất qua cầu nối silan
Khoa học và kỹ thuật vật liệu Nguyễn Thị Thanh Nhàn 33 1.6.2. Khả năng trợ kết nối của silan [8,9]
Hầu hết các chất hữu cơ silan được sử dụng rộng rãi có một nhóm thế hữu cơ và ba nhóm thế có khả năng thủy phân. Trong các ứng dụng rộng lớn xử lý bề mặt, các nhóm alkoxy của trialkoxysilan bị thủy phân tạo ra các phần nhứa nhóm silanol. Phản ứng của những silan này bao gồm bốn bước. Ban đầu xảy ra phản ứng thủy phân của ba nhóm không bền. Tiếp theo là ngưng tụ tạo oligome. Các oligome sau đó liên kết hydro với cơ chất. Cuối cùng, trong quá trình khô hoặc đóng rắn một liên kết đồng hóa trị được tạo ra với cơ chất kèm theo sự mất nước.
Mặc dù được mô tả là liên tiếp nhưng các phản ứng này có thể xảy ra đồng thời sau giai đoạn thủy phân ban đầu. Tại bề mặt phân chia pha, luôn chỉ có một liên kết của silicon của silan hữu cơ với bề mặt cơ chất. Hai nhóm silanol còn lại có thể ở dạng ngưng tụ hoặc tự do. Nhóm R còn lại có thể có tương tác đồng hóa trị hoặc tương tác vật lý với các pha khác.
Khoa học và kỹ thuật vật liệu Nguyễn Thị Thanh Nhàn 34 Sơ đồ phản ứng thủy phân và tạo liên kết với cơ chất của silan:
Hình 1.5. Sơ đồ phản ứng thủy phân và tạo liên kết với một hợp chất khác của silan
Tro bay với thành phần lớn nhất là silica (60%). Trong khi đó, silica là một polyme vô định hình cấu tạo từ Si và O. Polyme này có phần bề mặt phân tử là các nhóm silanol –Si-OH. Các nhóm silanol này được định hướng phù hợp để có các vị trí cho liên kết pha. Một tác nhân silan (ví dụ như Cl(CH3)2SiC18H37)
Khoa học và kỹ thuật vật liệu Nguyễn Thị Thanh Nhàn 35 phản ứng với nhóm silanol sẽ tạo thành một silyl ete (-Si-O-Si-). Do kích thước
cồng kềnh các nhóm thế ngăn cản liên kết của các nhóm –OH còn lại trên bề mặt tro bay, nên còn một số nhóm –OH “tự do”.
Sơ đồ của sự liên kết tro bay – silan trong trường hợp này có thể mô tả như sau (hình 1.6)
Hình 1.6. Sơ đồ của sự liên kết tro bay – silan
1.6.3. Lựa chọn chất trợ liên kết silan cho các ứng dụng polyme [8,9]
Silan chức hữu cơ là hợp phần lai ghép có sự kết hợp nhóm chức giữa một nhóm hữu cơ hoạt tính và nhóm chức vô cơ alkyl silicat trong một đơn phân tử.
Tính chất đặc biệt này có ý nghĩa là các silan này có thể sử dụng như các cầu nối phân tử giữa polyme hữu cơ và các vật liệu vô cơ.
Việc lựa chọn nhóm chức X phụ thuộc chủ yếu vào bản chất của polyme hữu cơ. Các silan có giá trị thương mại chứa các nhóm amino, epoxy và glycid-oxy, mercapto và sulfide, izoxyanat, anhydrite, metacryloxy và vinyl.