Nghiên cứu chế tạo biocomposites dựa trên poly (lactic) acid và microcelluilosechiets xuất từ lõi ngô ứng dụng làm vật liệu in 3d

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BIOCOMPOSITES DỰA
TRÊN POLY(LACTIC) ACID VÀ
MICROCELLULOSE CHIẾT XUẤT TỪ LÕI NGÔ ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU IN 3D

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ THANH
SVTH: HUỲNH NGỌC LAM TRƯỜNG
HUỲNH THÁI TƯỜNG

SKL009187

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 9/2022


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
BIOCOMPOSITES DỰA TRÊN POLY(LACTIC)
ACID VÀ MICROCELLULOSE CHIẾT XUẤT TỪ
LÕI NGÔ - ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU IN 3D
GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ THANH

SVTH: HUỲNH NGỌC LAM TRƯỜNG MSSV:
HUỲNH THÁI TƯỜNG

18130050
18130052
Khóa: K18

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2022


KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BỘ MÔN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 03 năm 2022

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Chí Thanh
Cơ quan cơng tác của giảng viên hướng dẫn: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ
Chí Minh.
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Ngọc Lam Trường
Huỳnh Thái Tường
1

MSSV: 18130050
MSSV: 18130052

Tên đề tài:

“Nghiên cứu chế tạo biocomposites dựa trên poly(lactic) acid và microcellulose
chiết xuất từ lõi ngô - ứng dụng làm vật liệu in 3D”
2

Nội dung chính của khóa luận:
 Tổng quan tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
 Chiết xuất microcellulose từ lõi ngô. Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến tính
chất của vật liệu (nhiệt độ, tỷ lệ chất, nồng độ acid, thời gian phản ứng).
 Đánh giá tính chất của NC bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), tán xạ tia X
(XRD), quang phổ hồng ngoại biến đổi fourier (FTIR), phân tích nhiệt trọng
lượng (TGA).
 Tạo vật liệu composite phân hủy sinh học từ PLA và NC, khảo sát các điều kiện
ảnh hưởng đến tính chất (đơn pha chế).
 Khảo sát tính chất của vật liệu tạo thành bằng phương pháp đo cơ lý tính (tensile).

i


3

Sản phẩm tạo thành: Vật liệu microcomposite

4

Ngày giao đồ án: 05/05/2022

5

Ngày nộp đồ án: 25/08/2022

6

Ngơn ngữ trình bày: Bảng báo cáo

Tiếng Anh  Tiếng Việt 
Tiếng Anh  Tiếng Việt 

Trình bày bảo vệ

TRƯỞNG BỘ MƠN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

ii


KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên: HUỲNH NGỌC LAM TRƯỜNG
HUỲNH THÁI TƯỜNG

MSSV: 18130050
MSSV: 18130052

Ngành: Công Nghệ Vật Liệu
Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo biocomposites dựa trên poly(lactic) acid và
microcellulose chiết xuất từ lõi nghô - ứng dụng làm vật liệu in 3D”
Ho ̣ và tên Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN CHÍ THANH
Cơ quan cơng tác: Đại Học Sư phạm Kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.
Địa chỉ cơng tác: Số 1 Võ Văn Ngân, Linh Chiểu, Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh
NHẬN XÉT
Về nội dung và khối lượng cơng việc:
.........................................................................................................
.........................................................................................................
.........................................................................................................
Tinh thần học tập nghiên cứu của sinh viên:
...........................................................................................................
...........................................................................................................
...........................................................................................................
Ưu điểm:
...........................................................................................................
...........................................................................................................
...........................................................................................................
Khuyết điểm:
...........................................................................................................
...........................................................................................................
...........................................................................................................
iii

Đề nghị được bảo vệ hay không:
...........................................................................................................
...........................................................................................................
...........................................................................................................
...........................................................................................................
Điểm: ........................... (Bằng chữ: .................................................... )
Tp. Hồ Chí Minh, ngày…, tháng…, năm 20….
Giảng viên hướng dẫn

iv


KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên sinh viên: HUỲNH NGỌC LAM TRƯỜNG
HUỲNH THÁI TƯỜNG

MSSV: 18130050
18130052

Ngành: Công Nghệ Vật Liệu
Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo biocomposites dựa trên poly(lactic) acid và
microcellulose chiết xuất từ lõi ngô - ứng dụng làm vật liệu in 3D”
Họ và tên Giảng viên phản biện :
...........................................................................................................................................
Cơ quan công tác:

...........................................................................................................................................
Địa chỉ công tác:
...........................................................................................................................................
NHẬN XÉT
Về nội dung và khối lượng công việc:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Tinh thần học tập nghiên cứu của sinh viên:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Ưu điểm:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Khuyết điểm:
v


...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Đề nghị được bảo vệ hay không:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Điểm: .................................... (Bằng chữ: ....................................................................)
Tp. Hồ Chí Minh, ngày…, tháng…, năm 20….
Giảng viên phản biện

vi


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến trường Đại Học Sư Phạm
KỹThuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã là ngơi trường giúp chúng tôi học tập và rèn
luyện trong bốn năm, bên cạnh đó trường cịn hỗ trợ cơ sở vật chất và tạo mơi trường
thuận lợi để chúng tơi hồn thành luận văn.
Chúng tôi chân thành cảm ơn đến quý thầy cô ttrong bộ môn Công Nghệ Vật Liệu
đã tạo điều kiện, hỗ trợ về cơ sở vật chất và đặc biệt hơn là những kiến thức quý báu về
chuyên ngành, đây vừa là nền tảng vừa là hành trang quan trọng cho công việc sau này.
Chúng tôi xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Nguyễn Chí
Thanh, người đã trực tiếp hướng dẫn luận văn này. Thầy luôn dành thời gian, sự quan
tâm, những lời nhận xét quý báu, chỉnh sửa chi tiết luận văn giúp luận văn vừa hoàn thiện
về nội dung vừa hoàn thiện về hình thức. Với sự nghiêm khắc của mình, thầy luôn nhắc
nhở chúng tôi về trách nhiệm, về quy tắc, kỷ luật và thầy còn là tấm gương để chúng tôi
tự nhắc với bản thân phải luôn chăm chỉ phấn đấu trong cơng việc. Cám ơn thầy vì sự
tận tình, những kiến thức quý báu lẫn kinh nghiệm mà thầy vất vả có được để truyền đạt
lại cho chúng tơi, đó ln ln là nguồn động viên trong những lúc khó khăn nhất và
hơn thế nữa đó cịn là hành trang kinh nghiệm quý báu để chúng tôi bước tiếp trên con
đường học vấn và làm việc của mình. Xin cảm ơn thầy vì tất cả.
Chúng tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, thầy cơ, các anh/chị, các bạn và
các em trong Khoa Khoa Học Ứng Dụng ngành Công Nghệ Vật Liệu đã luôn bên
cạnh động viên, chia sẻ và hỗ trợ chúng tôi trong suốt q trình làm luận văn. Trong q
trình hồn thành luận văn sẽ có những điều thiếu sót khơng thể tránh khỏi, chúng tôi rất
mong quý thầy cô, các bạn, các em thông cảm và hy vọng nhận được những lời góp ý
chân thành để hồn thiện luận văn trở nên tốt nhất.
Chúng tôi một lần nữa xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Chí Thanh, q thầy
cơ và các thành viên trong đại gia đình ngành Cơng nghệ vật liệu.

Nhóm sinh viên
Huỳnh Ngọc Lam Trường
Huỳnh Thái Tường

vii


LỜI CAM ĐOAN
Chúng tơi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp này là nghiên cứu của riêng nhóm
chúng tơi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Chí Thanh. Tơi xin cam đoan các số liệu
được báo cáo trong luận văn này là do chính chúng tơi thực hiện và xin hồn tồn chịu
trách nhiệm về nội dung của khóa luận. Các số liệu và kết quả trong luận văn tốt nghiệp
thuộc quyền sở hữu của giảng viên hướng dẫn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2022

viii


TÓM TẮT
Đề tài “Nghiên cứu chế tạo biocomposites dựa trên poly(lactic) acid và
microcellulose chiết xuất từ lõi ngô - ứng dụng làm vật liệu in 3D” sẽ tiến hành chiết
xuất microcellulose từ lõi ngơ sau đó nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến
tính chất của sợi microcellulose (CMF) và lựa chọn các điều kiện phản ứng tốt nhất
để chế tạo sợi microcellulose. Các thông số khảo sát bao gồm: thời gian phản ứng;
nhiệt độ phản ứng; nồng độ acid; tỷ lệ giữa nguyên liệu thô và acid (m/v). Thơng qua
các khảo sát chúng tơi đã tìm ra các điều kiện thích hợp: tỷ lệ ngun liệu thơ với
acid là 1/14; nộng độ acid HNO3 là 6.5M; thời gian phản ứng 6h; nhiệt độ phản ứng
ở 70oC. Kết quả cho thấy với phương pháp phân tích XRD, độ kết tinh của sợi
microcellulose đạt được ở điều kiện trên là 69,68%, phương pháp phân tích FI-IR
cũng cho thấy rằng mẫu CMF đã được loại bỏ hiệu quả lignin và hemicellulose. Từ

đó sử dụng sợi microcellulose được chiết xuất ở điều kiện tối ưu để tiến hành phối
trộn với Poly(lactic) acid và kéo thành sợi filament ứng dụng làm vật liệu in 3D. Sau
đó tiếp tục khảo sát tỉ lệ trộn giữa PLA và sợi nanocellulose để tìm ra tỉ lệ trộn tối
ưu nhất. Kết quả cho thấy với tỉ lệ trộn 85%-10% thì cơ tính của mẫu thể hiện cơ tính
tốt nhất so với các tỷ lệ cịn lại.

ix


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP .................................................................... i
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ....................................................... iii
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN.............................................................v
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................... vii
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ viii
TÓM TẮT...................................................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................1
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...............................................................................................4
PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................9
1.1 Tổng quan về nguyên liệu .....................................................................................9
1.1.1 Sơ lược về ngun liệu (lõi ngơ) ....................................................................9
1.1.2 Thành phần chính .........................................................................................10
1.2 Tổng quan về nanocellulose (NC) .......................................................................13
1.2.1 Giới thiệu chung về NC ................................................................................13
1.2.2 Nguồn nguyên liệu sản xuất CN...................................................................14
1.2.3 Đặc điểm của nanocellulose .........................................................................17
1.2.4 Phương pháp sản xuất CN ............................................................................19
1.2.5 Ứng dụng .....................................................................................................27

1.3 Định hướng ứng dụng của CNF theo hướng in 3D .............................................31
1.3.1 In 3D là gì .....................................................................................................31
1.3.2 Kỹ thuật in 3D FDM dành cho vật liệu có nguồn gốc sinh khối..................32
1.3.3 Vật liệu composites CNF/PLA sử dụng cho lĩnh vực in 3D ........................33
x


CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM.....................................................................................36
2.1

Nguyên liệu, hoá chất và thiết bị .....................................................................36

2.1.1 Nguyên liệu, hoá chất, bảng ghi chú ............................................................36
2.1.2 Thiết bị và dụng cụ sử dụng .........................................................................37
2.2

Quy trình thực hiện đề tài ................................................................................39

2.2.1 Các bước tiến hành .......................................................................................39
2.2.2 Sơ đồ quy trình tổng thể của đề tài ...............................................................40
2.3

Sơ đồ chi tết quy trình chiết xuất microcellulose từ lõi ngơ và hệ thống chưng

cất hoàn lưu ...................................................................................................................41
2.4

Khảo sát các điều kiện .....................................................................................42

2.4.1 Khảo sát thời gian phản ứng .........................................................................43

2.4.2 Khảo sát nhiệt độ phản ứng ..........................................................................44
2.4.3 Khảo sát nồng độ acid ..................................................................................45
2.4.4 Khảo sát tỷ lệ giữa nguyên liệu thô và acid .................................................46
2.5

Hồn thành mẫu microcellulose trước phân tích .............................................47

2.5.1 Ly Tâm .........................................................................................................47
2.5.2 Sấy nhiệt .......................................................................................................47
2.6

Tạo filament với biocomposite ........................................................................48

2.7

Phương pháp phân tích ....................................................................................50

2.5.1 Nhiễu xạ tia X (XRD)...................................................................................50
2.5.2 Phân tích nhiệt lượng (TGA) ........................................................................51
2.5.3 Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FT-IR) ....................................52
2.5.4 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................................53
2.5.5 Xác định cơ tính của filament PLA/CMF ....................................................53
xi


CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................55
3.1

Xử lý nguyên liệu thô thành bột lõi ngô ..........................................................55

3.2

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của microcellulose thành phẩm56

3.2.1 Khảo sát thời gian phản ứng .........................................................................56
3.2.2 Khảo sát nồng độ acid ..................................................................................57
3.2.3 Khảo sát nhiệt độ phản ứng ..........................................................................59
3.2.4 Khảo sát tỉ lệ giữa khối lượng mẫu và thể tích acid .....................................60
3.3

Khảo sát các đặc tính hóa lý khác của microcelluloses ...................................61

3.3.1 Đánh giá qua phổ FTIR ................................................................................61
3.3.2 Đánh giá qua giản đồ TGA và DTG .............................................................63
3.3.3 Đánh giá qua hình ảnh SEM .........................................................................65
3.4

Kết quả phối trộn tạo composites-filament PLA/CMF ....................................65

3.5

Đặc tính cơ lý của sợi filament ........................................................................66

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................68
4.1

Kết luận ............................................................................................................68

4.2

Kiến nghị ..........................................................................................................68

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................70

xii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng anh

Tiếng việt

CNC

Cellulose Nanocrystals

Tinh thể nanoocellulose

CNF

Cellulose Nanofibrils

Sợi nanocellulose (dưới 100nm)

CMF

Cellulose Microfibrils

Sợi microcellulose

FFF

Fused Filament Fabrication

Sợi tổng hợp Filament

PLA

Polylactic Acid

Polylactic Acid

LB

Lignocellulosic Biomass

Sinh khối Lignocellulosic

CNY

Cellulose Nanoyarn

Sợi Nano cellulose (từ 100-1000
nm)

BNC

Bacterial Nanocellulose

Vi khuẩn nanocellulose

CNP

Crystalline Nanoparticles

Hạt nano tinh thể

ANP

Amorphous Nanoparticles

Hạt nano vơ định hình

BC

Cellulose Bacterial

Cellulose vi khuẩn

NC

Nanocellulose

Nanocellulose

MC

Microcellulose

Microcellulose

FTIR

Fourier Transform Infrared

Quang phổ hồng ngoại biến đổi

Spectrocopy

Fourier

SEM

Scanning Electron Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

XRD

X-Ray Diffraction

Nhiễu xạ tia X

TGA

Thermogravimetric Analysis

Phân tích nhiệt trọng lượng

ChNC

Chitin Canocrystals

Tinh thể Chitin

ENCC

Electrosterically Stabilized

Nanocellulose tinh thể ổn định về

Nanocrystalline Cellulose

điện tích

1


RGO

Reduced Graphene Oxide

Khử graphene oxit

PEDOT

Poly (3,4-

Poly (3,4-Ethylenedioxythiophene)

Ethylenedioxythiophene)
TEMPO

(2,2,6,6-

(2,2,6,6-

Tetramethylpiperidin-1-Oxyl)

Tetramethylpiperidin-1-Oxyl)

CNM

Cellulosenano Material

Vật liệu nanocellulose

PIL

Protic Ion Liquid

Chất lỏng ion protic

FDM

Fused Deposition Modeling

Mơ hình lắng đọng hợp nhất

ABS

Acrylonitrile Butadiene Styrene

Acrylonitrile Butadiene Styrene

PA

Polyamide

Polyamide

PC

Polycarbonate

Polycarbonate

PEG

Polyethylen glycol

Polyethylen glycol

2


DANH MỤC BẢNG
STT

TÊN BẢNG

TRANG

1

Bảng 1.1: Modun đàn hồi của vật liệu kỹ thuật hiện đại so với cellulose

18

tinh thể
2

Bảng 1.2: Các phương pháp tiền xử lý lignocellulose

19

3

Bảng 1.3: Nhiệt độ biến đổi của NCC, CNF, PLA, PLA/PEG, and

34

PLA/PEG/CNF composites
4

Bảng 2.1: Bảng thống kê nguyên liệu và hoá chất sử dụng

36

5

Bảng 2.2: Bảng thống kê nguyên liệu và hoá chất sử dụng

37

6

Bảng 2.3: Thông số xử lý, khảo sát thời gian phản ứng

43

7

Bảng 2.4: Thông số xử lý, khảo sát nhiệt độ phản ứng

44

8

Bảng 2.5: Thông số xử lý, khảo sát nồng độ acid

45

9

Bảng 2.6: Thông số xử lý, khảo sát tỉ lệ giữa nguyên liệu thô và acid

46

10

Bảng 2.7: Biocomposites PLA/CMF với hàm lượng CMF khác nhau

50

11

Bảng 3.1: Kết quả đo độ cứng và phá vỡ của 3 mẫu PLA/CMF với hàm

66

lượng cellulose khác nhau

3


DANH MỤC HÌNH ẢNH
STT

TÊN ẢNH

TRANG

1

Hình 1.1: Phần lõi sao khi tách hết hạt của quả ngơ

9

2

Hình 1.2: Cấu trúc của lignocellulose trong lõi ngơ

10

3

Hình 1.3: Cấu trúc hóa học bên trong sinh khối linocellulosic

11

4

Hình 1.4: Phân loại các nguồn nguyên liệu dùng để tổng hợp nanocellulose

15

Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn quá trình hấp phụ và tách các chất gây ô nhiễm ra

22

5

6

7

khỏi nguồn nước của bộ màng lọc chế tạo từ nanocellulose

Hình 1.6: Sơ đồ mình họa của polyurethane trong nước được gia cố bằng

23

nanocellulsoe làm lớp sơn gỗ
Hình 1.7: Sơ đồ của quá trình xử lý sinh khối để điều chế nanocellulose và

25

hình ảnh TEM của nanocellulose được chiết xuất bằng các phương pháp hóa
học (a) sinh học (b) cơ học (c) và phương pháp kết hợp (d)

8

Hình 1.8: Mơ hình trực quan của một số phương pháp xử lý cơ học

27

9

Hình 1.9: Mơ hình trực quan của một số phương pháp xử lý hóa học

31

10

Hình 1.10: Cơ chế của FDM/FFF

32

Hình 1.11: Đặc tính cơ lý của các composite PLA/PEG/CNF ở các tỉ lệ CNF

35

11

khác nhau

12

Hình 2.1: Sơ đồ quy trình chiết xuất microcellulose và chế tạo compsites

40

13

Hình 2.2: Sơ đồ ảnh thực nghiệm chiết xuất CMF từ lõi ngơ

41

14

Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống chưng cất hồn lưu

41

15

Hình 2.4: Hệ thống chưng cất hồn lưu

42

16

Hình 2.5: Máy quay ly tâm Hermle Z206A

47

17

Hình 2.6: Tủ sấy Memmert Model 30-1060

48

4


18

Hình 2.7: Máy tạo sợi Felfil Evo Filament Extruder

48

19

Hình 2.8: Sơ đồ quy trình tạo biocomposite - sợi filament

49

20

Hình 2.9: Máy nhiễu xạ tia X EMPYREAN-Hãng PANalytical

51

21

Hình 2.10: Máy labSys Evo TG/DSC 1600- hãng Setaram (Pháp)

52

Hình 2.11: Máy đo quang phổ hồng ngoại FT-IR NICOLET 6700-Hãng

53

22

Thermo

23
24

Hình 2.12: Máy đo cấu trúc TA XT plus

54

Hình 3.1: Lõi ngơ a) thu từ các nguồn; b) chọn lọc và rửa sạch; c) thái nhỏ; d)

55

nghiền và ray

25

Hình 3.2: Mẫu khảo sát thời gian xử lý a) mẫu 6-5h; b) mẫu 14-6h; c) mẫu 9-

56

7h

26
27

Hình 3.3: Phổ XRD bột lõi ngơ thơ; mẫu 6-5h; mẫu 14-6h; mẫu 9-7h

56

Hình 3.4: Mẫu khảo sát nồng độ acid thêm vào a) mẫu 13-5.5M; b) mẫu 14-

57

6.5M; c) mẫu 7-7.5M

28
29

30

31

Hình 3.5: Phổ XRD bột lõi ngơ thơ; mẫu 13-5.5M; mẫu 14-6.5M; mẫu 7-7.5M

58

Hình 3.6: Mẫu khảo sát độ gia nhiệt a) mẫu 12-50; b) mẫu 8-60; c) mẫu 14-

59

70; d) mẫu 11-80
Hình 3.7: Phổ XRD bột lõi ngơ thơ; mẫu 12-50; mẫu 8-60; mẫu 24-70 và

59

mẫu 11-80
Hình 3.8: Mẫu khảo sát tỉ lệ giữa khối lượng mẫu và thể tích acid thêm vào a)

60

mẫu 14-1/14; b) mẫu 15-1/12; c) mẫu 16-1/10; d) mẫu 17-1/8

32

Hình 3.9: Phổ XRD bột lõi ngơ thơ; mẫu 14-1/14; mẫu 15-1/12; mẫu 16-1/10;

61

mẫu 17-1/8

33

Hình 3.10: Phổ FT-IR của bột lõi ngô thô và mẫu 14

62

34

Hình 3.11: Phổ TGA và DTG của 2 mẫu: a) mẫu thơ; b) mẫu CMF-14

63

35

Hình 3.12: Ảnh SEM a) mẫu thô; b) mẫu CMF-14

65

5


36

Hình 3.13: Sợi filament chế tạo từ composite PLA/CMF với hàm lượng sợi

66

cellulose khác nhau.

37

Hình 3.14: Đồ thị đo cấu trúc của 3 mẫu filament PLA/CMF với hàm lượng

cellulose khác nhau

6

67


PHẦN MỞ ĐẦU
Sự gia tăng dân số thế giới và đơ thị hóa ngày càng tăng đã dẫn đến những tác động
tiêu cực bất biến cho xã hội, chẳng hạn như nhu cầu sản xuất thực phẩm ngày càng tăng
và lượng lớn chất thải từ động vật và con người gây ô nhiễm môi trường. Việc xử lý các
dư lượng hay phụ phẩm này đã trở thành vấn đề gia tăng chi phí cho ngành nơng nghiệp,
nơng dân và cộng đồng. Đặc biệt là trong bối cảnh các quy định về môi trường chặt chẽ
hơn đã được ban hành.
Việt Nam là một trong những nước có nền nơng nghiệp phát triển của Đông Nam
Á. “Năm 2020, Việt Nam sản xuất lương thực, thực phẩm đáp ứng nhu cầu tiêu dùng
của hơn 97 triệu dân trong nước và xuất khẩu, thu về trên 41 tỷ USD. Trong quá trình
sản xuất, bảo quản, sơ chế và chế biến nông sản, tỉ lệ phụ phẩm nơng nghiệp ước tính
lên tới 156 triệu tấn” theo ơng Tống Xn Chinh, Phó Cục trưởng Cục Chăn nuôi thuộc
Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cho biết [1]. Với sản lượng lên tới 156 triệu tấn
mỗi năm thì phụ phẩm được mệnh danh là “mỏ vàng” của ngành nông nghiệp Việt Nam.
Nhưng những nguồn sinh lợi này đã bị bỏ quên trong nhiều năm qua.
Trong số sinh khối dựa trên thực vật thì các phụ phẩm của nơng nghiệp đóng vai
trị là ngun liệu thơ bền vững. Sinh khối thực vật bao gồm các vật liệu lignocellulosic
như lignin, hemicellulose và cellulose. Ví dụ, lõi ngơ là một nguồn giàu cellulose
(41,27%), hemicellulose (46%) và cũng chứa một lượng lignin đáng kể (7,4%). Do đó,
phụ phẩm nơng nghiệp được xem là một nguồn tiềm năng để sản xuất nanocellulose,
chẳng hạn như tinh thể nano cellulose (CNC) và sợi nano cellulose (CNF). Sợi micro
cellulose và các dẫn xuất của nó đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học do các ứng
dụng tuyệt vời từ dệt may, lọc nước, cảm biến, bao bì, giấy đến các thiết bị y sinh và

phân phối thuốc bởi các đặc tính ưu việt của chúng như mật độ thấp, diện tích bề mặt
cao và độ bền cơ học tốt.
Mục tiêu đề tài
- Chiết xuất thành công sợi microcellulose từ phế phẩm nông nghiệp lõi ngô.
- Chế tạo thành công biocomposites dựa trên polylactic acid và sợi microcellulose
chiết xuất được ứng dụng làm vật liệu in 3D.

7


Nội dung đề tài
- Nghiên cứu chiết xuất sợi microcelluloses từ lõi ngơ bằng phương pháp hóa học.
- Nghiên cứu các tính chất hóa lý của sợi microcelluloses thu được.
- Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố phản ứng lên tính chất hóa lý của sợi
microcelluloses chiết xuất được.
- Nghiên cứu chế tạo biocomposites dựa trên polylactic acid và sợi microcelluloses
thu được bằng phương pháp trộn nóng chảy.
- Đánh giá các đặc tính hóa lý của biocomposites thu được.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
CNF là một loại vật liệu có nhiều ứng dụng thực tế trong đời sống hiện nay mà các
nhà khoa học đang quan tâm. Bằng việc áp dụng phương pháp sản xuất sử dụng ít hóa
chất, thân thiện với mơi trường để chế tạo CMF từ nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi
dào, chứa hàm lượng cellulose cao như lõi ngô. Việc này không những tạo ra được sản
phẩm có giá trị cao ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau mà cịn góp phần giải
quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do phế phẩm nông nghiệp gây ra.
Bằng việc chế tạo thành công biocomposites từ polylactic acid và CMF ứng dụng
trong lĩnh vực in 3D vốn là phương pháp gia cơng đóng vai trị cực kì quan trọng trong
thời kì cơng nghiệp 4.0. Điều này góp phần vào việc tận dụng hiệu quả các loại phế
phẩm nông nghiệp từ môi trường phục vụ đời sống con người, hạn chế sử dụng các sản
phẩm nhựa có nguồn gốc hóa thạch, điều này làm giảm ảnh hưởng của vấn đề rác thải

nhựa đến sức khỏe con người và hệ sinh thái của trái đất.

8


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về nguyên liệu
1.1.1 Sơ lược về ngun liệu (lõi ngơ)
Lõi ngơ là phần cịn lại của ngô sau khi tước hết hạt, chiếm khoảng 75-85% trọng
lượng ngô. Lõi ngô hiện đang được dùng để sưởi ấm ở một số vùng của châu Âu; trong
khi ở Hoa Kì, lõi ngơ được chú ý hơn vì khi xay xát nó trở thành sản phẩm cơ bản cho
các ngành công nghiệp khác nhau (làm chất hút ẩm, chất hấp phụ dùng cho khoan dầu,...)
[2]. Còn ở một số vùng nơng thơn Việt Nam thì lõi ngơ được xay nhỏ và trộn với thức
ăn để bổ sung chất xơ cho gia súc.

Hình 1.1: Phần lõi sao khi tách hết hạt của quả ngô

“Ngô lai là một trong những loại cây trồng chủ lực của huyện An Phú – Tiền Giang.
Diện tích trồng ngơ lai hằng năm khoảng 3000 hecta, năng suất bình qn 9,5 tấn/hecta.
Ngơ lai được trồng ở nhiều nơi nhưng tập trung chủ yếu tại các xã: Khánh An, Khánh
Bình, Phú Hữu,... Sau khi thu hoạch, Ngô được tách lấy hạt phơi khô rồi bán, một phần
lõi ngô được sử dụng làm củi đốt, nhưng đa số là bỏ đi, gây ơ nhiễm mơi trường. Ước
tính mỗi công, phần lõi ngô bỏ đi khoảng 200kg/vụ”. Từ một ví dụ ở một huyện thuộc
miền tây nước ta, có thể thấy lượng lõi ngơ thải ra hằng năm của nước ta là khá cao.

9


Lõi ngô là một trong những phụ phẩm của nông nghiệp hiện đang được sử dụng
làm nhiên liệu cho quá trình đốt cháy. Do có hàm lượng Cl cao, q trình đốt cháy phải

diễn ra trong các nhà máy điện công nghiệp và được giám sát liên tục. Trong những năm
gần đây, theo sự phát triển của khoa học và cơng nghệ, lõi ngơ đã có thể ứng dụng trong
cơng nghệ xanh. Nó có nhiều ứng dụng, chẳng hạn như cải thiện đất, xử lí nước thải, ủ
phân, siêu tụ điện, pin nhiên liệu và vật liệu sinh học [3].
1.1.2 Thành phần chính
Thành phần chính của lõi ngơ gồm 41,27% cellulose, 46% hemicellulose và 7,4%
lignin. Các thành phần khác có thể bao gồm một số hợp chất hữu cơ (acid uronic và
nhóm axetyl) và các thành phần vi lượng khác như khoáng, chất sáp, chất béo, tinh bột,
nhựa và chất kết dính [4].

Hình 1.2: Cấu trúc của lignocellulose trong lõi ngô [5]

1.1.2.1 Lignocellulose
Sinh khối linocellulosic (LB) là một nguồn tài nguyên dồi dào và có thể tái tạo từ
thực vật chủ yếu bao gồm polysaccharid (cellulose và hemicelluloses) và một polyme
thơm (lignin). LB có tiềm năng cao như một giải pháp thay thế cho các nguồn tài nguyên
hóa thạch để sản xuất nhiên liệu sinh học, các hóa chất và vật liệu có nguồn gốc sinh

10


học mà không làm tổn hại đến an ninh lương thực toàn cầu. Một trong những hạn chế
lớn đối với việc đánh giá LB là cellulose, hemicellulose và lignin tồn tại trong một chất
nền phức tạp, có khả năng chống lại sự phân hủy của enzym rất tốt của thành tế bào thực
vật. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính bền cơ của LB dẫn đến các mối liên kết chặt chẽ với
nhau và khó phân ly trong tế bào. Chúng có thể được chia thành các yếu tố cấu trúc
(cellulose - cụ thể như: diện tích bề mặt, độ kết tinh cellulose, mức độ trùng hợp, kích
thước và thể tích lỗ) và yếu tố hóa học (thành phần và hàm lượng trong các nhóm lignin,
hemicelluloses, acetyl).

Hình 1.3: Cấu trúc hóa học bên trong sinh khối linocellulosic [5]

1.1.2.2 Cellulose
Cellulose là một trong những vật liệu sinh học phong phú nhất trên trái đất. Nó
thường được tổng hợp bởi thực vật nhưng nó cũng được sản xuất bởi một số vi
khuẩn. Giống như tinh bột cellulose là một homopolyme của glucose và không giống
như tinh bột, các đơn phân glucose được nối bằng liên kết β-1,4. Cellulose là một
polysaccharid có dạng sợi dai và khơng tan trong nước, đóng một vai trị khơng thể thiếu
trong việc giữ cho cấu trúc của thành tế bào thực vật ổn định [6], [7]. Các chuỗi cellulose
được sắp xếp thành các sợi nhỏ hoặc các bó polysaccarit được sắp xếp thành các sợi

11