tiểu luận Nano Crytal Xenluloza

Bộ mơn: Hóa học Xenluloza
Đề tài: Nano Crytal Xenluloza


I. Đặt vấn đề
- Khoa học, công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học và công nghệ mới, phát
triển rất nhanh chóng. Vật liệu được chế tạo bằng cơng nghệ này thể hiện nhiều
tính chất mới lạ do hiệu ứng kích thước. Khoa học và cơng nghệ nano trên cơ
sở kết hợp đa ngành đã tạo nên cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật. Hiện nay,
nhiều quốc gia trên thế giới xem công nghệ nano là mục tiêu mũi nhọn để đầu
tư phát triển. Ước tính tổng đầu tư cho lĩnh vực cơng nghệ nano trên tồn thế
giới xấp xỉ 3 tỷ đơla và đã có hàng trăm sản phẩm của công nghệ nano được
thương mại, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, hóa học, y sinh, môi
trường.
- Tại Việt Nam trong những năm gần đây công nghệ nano bắt đầu được đầu tư
và thu hút sự chú ý của các nhà khoa học. Tuy nhiên cho đến nay số lượng cơng
trình nghiên cứu về kim loại nano được cơng bố trên tạp trí khoa học trong
nước còn rất hạn chế. Các nhà khoa học Việt Nam cũng bắt đầu triển khai ứng
dụng công nghệ nano trong chế tạo thuốc hướng đích và kết hoạch nghiên cứu
ứng dụng của các hạt nano trong y - sinh học để chẩn đoán và chữa bệnh.


● Nanocellulose là một thuật ngữ đề cập đến cấu trúc nano cellulose. Đây có thể là một
trong hai sợi nano cellulose (CNF) cũng được gọi là cellulose micro
fibrillated (MFC), nano crystalline cellulose (NCC), hoặc nano cellulose vi khuẩn, trong
đó đề cập đến cellulose có cấu trúc nano được sản xuất bởi vi khuẩn.
● Nanocellulose cũng có thể thu được từ các loại sợi tự nhiên bằng cách thủy phân axit, tạo
ra các hạt nano rất tinh và cứng (thường được gọi là CNC) mà ngắn hơn (100 đến 1000
nm) so với các sợi nano thu được thông qua việc đồng nhất, ổn định vi lớp hoặc
nghiền. Vật liệu được gọi là tinh thể nano xenluloza.

II. Mở đầu
- Vật liệu nano dựa trên nguồn tài nguyên tái tạo được nhanh chóng thu hút quan tâm phát
triển, cả hai từ một quan điểm khoa học cơ bản của quan điểm và từ quan điểm của phát
triển vật liệu vĩ mô về cấu trúc và chức năng mới.  Sử dụng vật liệu nano dựa vào thiên
nhiên cung cấp như xương, xà cừ, gỗ, cân bọ cánh cứng và cánh bướm cũng là một nguồn
cảm hứng quan trọng cho sự phát triển của vật liệu đa chức năng mới. Tuy nhiên, việc sử
dụng hết các tính chất nội tại của khởi đầu kích thước nanơ vật liệu địi hỏi sự phát triển của
tổng hợp và xử lý các tuyến mạnh mẽ và linh hoạt để kiểm soát lắp ráp trên một số mức
chiều dài.
- Cellulose, một trong những polyme sinh học đa năng nhất và được tìm thấy rộng rãi trong
tự nhiên, đã được sử dụng bởi con người từ hàng ngàn năm như là một vật liệu xây dựng,
một nguồn năng lượng, một thành phần của quần áo và để lưu trữ và chia sẻ kiến thức và
văn hóa. Hiện nay, vật liệu cellulose được sử dụng trong một loạt các ứng dụng, và các
ngành công nghiệp giấy và bột giấy chiếm một phần đáng kể trong sản lượng kinh tế ở
nhiều nước. Một xu hướng mạnh mẽ gần đây, trên một quy mô quốc tế, là để tập trung vào
các sợi cellulose có đường kính trong phạm vi nanomet và sử dụng các thuộc tính nâng cao
của họ để phát triển vật liệu nanocellulose với các chức năng tiên tiến đa dạng. 


Các hình thức khác nhau của nanocellulose như vậy có thể được sản xuất bởi phương thức
khác nhau và từ nhiều nguồn khác nhau, được tóm tắt trong một loạt các ý kiến gần đây tập
trung vào các chiến lược sản xuất, hóa học và ứng dụng hiện tại của các tinh thể nano
cellulose , cellulose micro fibrillated và nano cellulose vi khuẩn.
-

- Các thuộc tính của nanocellulose (ví dụ như tính chất cơ học, tính chất tạo màng, độ nhớt,
vv) làm cho nó có nhiều ứng dụng và tiềm năng trong cơng nghiệp.
● Giấy và cáctơng
Có tiềm năng của các ứng dụng nanocellulose trong lĩnh vực sản xuất giấy và

cáctông. Nanocelluloses được dự kiến sẽ tăng cường sức mạnh trái phiếu xơ sợi và, do đó,
có tác dụng tăng cường mạnh mẽ trên các chất liệu giấy. Nanocellulose có thể hữu ích như
là một rào cản trong loại dầu mỡ bằng chứng giấy tờ, như một ướt cấp phụ gia để tăng
cường lưu giữ, khô và ướt sức mạnh trong loại mặt hàng giấy và hội đồng quản trị sản
phẩm. 


● Tổng hợp 
Như đã mô tả ở trên các thuộc tính của nanocellulose làm cho một tài liệu thú vị để gia cố
nhựa. Nanocellulose đã được báo cáo để cải thiện các tính chất cơ học, ví dụ, các loại nhựa nhiệt
rắn, tinh bột ma trận dựa trên, protein đậu nành, mủ cao su, poly (lactide). Các ứng dụng tổng hợp
có thể được sử dụng như là chất phủ và các bộ phim, sơn, xà phịng, bao bì.
● Thực phẩm
Nanocellulose có thể được sử dụng như là một thay thế calo thấp đối với phụ gia carbohydrate
ngày nay được sử dụng như chất làm đặc, chất mang hương vị và chất ổn định đình chỉ trong một
loạt các sản phẩm thực phẩm có ích cho sự sản xuất các chất hàn, nghiền nát, khoai tây chiên, bánh
xốp, súp, nước thịt, bánh pudding, vv ứng dụng thực phẩm đã sớm được công nhận như là một lĩnh
vực ứng dụng rất thú vị cho nanocellulose do tính lưu biến của gel nanocellulose.
● Vệ sinh và các sản phẩm thấm 
Các ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực này bao gồm:

+ Nước siêu hấp thụ (ví dụ đối với miếng đệm khơng kiểm sốt vật liệu)
+Nanocellulose sử dụng cùng với polyme siêu hấp thụ
+ Sử dụng nanocellulose trong mô, sản phẩm hoặc cơ cấu thấm không dệt


● Nhũ tương và phân tán
Ngoài nhiều ứng dụng trong lĩnh vực phụ gia thực phẩm, các tính chất chung của nhũ tương
được ứng dụng trong các lĩnh vực khác cũng đã nhận được một số sự chú ý
● Thu hồi dầu 

Hydrocarbon nứt vỡ của các thành tạo chứa dầu là một ứng dụng có thể hấp dẫn và quy mơ
lớn. Nanocellulose đã được đề xuất để sử dụng trong các ứng dụng phục hồi dầu là một chất
lỏng nứt vỡ. Bùn khoan dựa trên nanocellulose cũng đã được đề nghị.
● Y tế, mỹ phẩm và dược phẩm
Việc sử dụng các nanocellulose trong mỹ phẩm và dược phẩm cũng đã sớm nhận ra. Một
loạt các ứng dụng cao cấp đã được đề xuất:
+ Aerogel nanocellulose đông khô được sử dụng trong băng vệ sinh, băng vệ sinh, tã hoặc
khi thay đồ vết thương
+ Việc sử dụng các nanocellulose như một đại lý sơn tổng hợp trong mỹ phẩm, ví dụ như
cho tóc, lơng mi, lơng mày và móng tay
+ Một thành phần nanocellulose rắn khơ ở dạng viên nén để điều trị các đơn đặt hàng ruột
+ Sợi Nanocellulose để sàng lọc các hợp chất sinh học và các axit nucleic mã hóa một hợp
chất sinh học
+ Lọc trung bình một phần dựa trên nanocellulose cho bạch cầu truyền máu miễn phí


+ Một công thức buccodental, gồm nanocellulose và một hợp chất hữu cơ polyhydroxylated
+ Nanocellulose bột cũng đã được đề xuất như một tá dược trong dược phẩm
+ Nanocellulose trong tác phẩm của một tác nhân độc hại tẩy chất photoreactive
+ Gel đàn hồi cryo-structured cho y sinh học tiềm năng ứng dụng công nghệ sinh học
● Các ứng dụng khác
+ Kích hoạt các giải thể của cellulose trong các dung môi khác nhau
+ Sản phẩm cellulose tái sinh, các dẫn xuất cellulose
+ Thuốc lá lọc phụ gia
+ Nanocellulose sửa đổi cơ kim trong dải phân cách pin
+ Cố các vật liệu dẫn điện
+ Màng loa
+ Màng cao flux
+ Màn hình điện tử linh hoạt 
+ Linh kiện máy tính 

+ Tụ 
+ Áo giáp trọng lượng nhẹ cơ thể và kính đạn đạo.


III. Tổng quan
1. Cấu trúc

Hình ảnh chiều cao AFM của nanocellulose carboxymethylated hấp phụ
trên bề mặt silica. Diện tích bề mặt được quét là 1 mm 2.


● Kích thước Nanocellulose và độ kết tinh
+ Các siêu cấu trúc của cellulose có nguồn gốc từ các nguồn khác nhau đã được nghiên cứu
rộng rãi. Các kỹ thuật như kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét
(SEM), nguyên tử lực kính hiển vi (AFM), rộng tán xạ góc X-ray (WAXS), cộng hưởng từ
hạt nhân (NMR), quang phổ đã được sử dụng để mơ tả hình thái nanoxenluloza. Những
phương pháp này thường được áp dụng cho việc điều tra của hình thái nanoxenluloza khô.
+ Mặc dù là một sự kết hợp của kỹ thuật kính hiển vi với phân tích hình có thể cung cấp
thông tin về độ rộng nanocellulose sợi nhỏ, nó là khó khăn hơn để xác định độ dài
nanocellulose sợi nhỏ vì những vướng mắc, khó khăn trong việc xác định cả hai đầu của sợi
nano. Nó đã được báo cáo rằng nanocellulose có thể khơng đồng nhất và rằng chúng bao
gồm các thành phần cấu trúc khác nhau, bao gồm cả sợi nano cellulose và bó nanofibril.
+ Hầu hết các phương pháp đã thường được áp dụng để điều tra các kích thước
nanocellulose khơ, mặc dù một nghiên cứu được tiến hành khi có kích thước và kích thước
phân phối của sợi nanocellulose enzym trước khi điều trị trong một hệ thống treo đã được
nghiên cứu sử dụng cryo-TEM.


+ Sự ảnh hưởng của hóa chất bột cellulose trên vi cấu trúc nanocellulose đã được điều tra sử
dụng AFM để so sánh các cấu trúc vi mô của hai loại nanocellulose chuẩn bị tại Innventia

AB (nanocellulose enzym trước khi điều trị và nanocellulose carboxymethylated). Do tính
chất hóa học tham gia sản xuất nanocellulose carboxymethylated, nó khác biệt đáng kể so
với một enzym trước khi điều trị. Số lượng các nhóm điện tích trên bề mặt sợi nhỏ là rất
khác nhau. Các carboxymethylation tiền xử lý làm cho những sợi tích điện cao, và do đó, dễ
dàng hơn để giải phóng, mà kết quả trong chiều rộng sợi nhỏ nhỏ hơn và đồng đều hơn (515 nm) so với nanocellulose enzym trước khi điều trị, trong đó chiều rộng sợi nhỏ là 10-30
nm. Mức độ tinh và các cấu trúc cellulose tinh thể của nanocellulose cũng được nghiên cứu
cùng một lúc. Kết quả cho thấy rõ nanocellulose trưng bày cellulose tinh thể tôi tổ chức và
mức độ tinh không thay đổi bởi việc chuẩn bị của nanocellulose. Giá trị đặc trưng cho mức
độ tinh là khoảng 63%. 
2. Tính chất
● Độ nhớt
+ Việc lưu biến của các chất phân tán nanocellulose đã được công nhận bởi các nhà điều tra
ban đầu.  Độ nhớt ở nồng độ thấp làm cho nanocellulose rất thú vị như một chất ổn định
không calo và gellant trong các ứng dụng thực phẩm, lĩnh vực chủ yếu được khám phá bởi
các nhà điều tra sớm.


+ Các động lưu biến tính đã được nghiên cứu chi tiết và tiết lộ rằng lưu trữ và mất các mô
đun đã được độc lập của tần số góc ở tất cả các nồng độ nanocellulose giữa 0,125% đến
5,9%. Các giá trị mô đun lưu trữ đặc biệt cao (104 Pa ở mức 3% nồng độ)  so với kết quả
cho nanowhiskers cellulose (102 Pa ở mức 3% nồng độ).  Ngồi ra cịn có một sự phụ thuộc
nồng độ mạnh đặc biệt như tăng mô đun lưu trữ 5 đơn đặt hàng của các cường độ nếu nồng
độ được tăng từ 0,125% đến 5,9%.
+ Gel Nanocellulose cũng được đánh giá cao cắt mỏng (độ nhớt bị mất khi giới thiệu của
các lực cắt). Các hành vi cắt lỗng là đặc biệt hữu ích trong một loạt các ứng dụng lớp phủ
khác nhau.
● Tính chất cơ học
+ Cellulose tinh thể có tính chất cơ học thú vị để sử dụng trong các ứng dụng vật liệu. Độ
bền kéo của nó là khoảng 500Mpa, tương tự như của nhơm. Độ cứng của nó là khoảng 140220 GPa, so sánh với các Kevlar và tốt hơn so với sợi thủy tinh, cả hai đều được dùng trong
thương mại để củng cố chất dẻo. Phim làm từ nanocellulose có cường độ cao (trên

200   MPa), độ cứng cao (khoảng 20 GPa) và căng thẳng cao(12%). Tỷ lệ sức mạnh / trọng
lượng của nó là 8 lần so với thép không gỉ. 


● Tính thấm
+ Trong polyme bán tinh thể, các vùng kết tinh được coi là khí khơng thấm nước. Do tinh
tương đối cao,  kết hợp với khả năng của các sợi nano để tạo thành một mạng lưới dày đặc
với nhau bằng trái phiếu liên sợi nhỏ mạnh (mật độ năng lượng kết dính cao), có ý kiến cho
rằng nanocellulose có thể hoạt động như một vật liệu rào Mặc dù số lượng các báo cáo giá
trị độ thấm oxy là hạn chế, báo cáo thuộc tính đặc tính cản oxy cao của sợi nanocellulose.
+ Sự ảnh hưởng của mật độ sợi nanocellulose và độ xốp trên tính thấm màng oxy gần đây
đã được khám phá.  Một số tác giả đã báo cáo độ xốp đáng kể trong các sợi
nanocellulose mà có vẻ mâu thuẫn với đặc tính cản oxy cao. Thay đổi chức năng bề mặt của
hạt nano cellulose cũng có thể ảnh hưởng đến tính thấm của màng nanocellulose. 
● Bọt
+ Nanocellulose cũng có thể được sử dụng để làm aerogel/ bọt, hoặc là đồng nhất hoặc
trong các công thức hỗn hợp. Bọt Nanocellulose đang được nghiên cứu để ứng dụng bao bì
để thay thế bọt polystyrene.  Các lợi thế của việc sử dụng nanocellulose thay vì sợi bột giấy
từ gỗ là nanofibrills có thể củng cố các tế bào mỏng trong bọt tinh bột. Aerogel và bọt có
thể được sử dụng như là các mẫu xốp.


● Bọt
+ Nanocellulose cũng có thể được sử dụng để làm aerogel/ bọt, hoặc là đồng nhất hoặc
trong các công thức hỗn hợp. Bọt Nanocellulose đang được nghiên cứu để ứng dụng bao bì
để thay thế bọt polystyrene. Các lợi thế của việc sử dụng nanocellulose thay vì sợi bột giấy
từ gỗ là nanofibrills có thể củng cố các tế bào mỏng trong bọt tinh bột. Aerogel và bọt có
thể được sử dụng như là các mẫu xốp.
+ Sợi nano cellulose cũng có thể được sửa đổi như là cation. Cellulose cation này làm tăng
ái lực với các anion

● Khía cạnh an tồn.
+ Sức khỏe, an tồn và mơi trường các khía cạnh của nanocellulose gần đây đã được đánh
giá. Chế biến nanocellulose không gây phơi nhiễm đáng kể đến hạt mịn trong quá trình ma
sát mài hoặc sấy phun. Khơng có bằng chứng về tác viêm hoặc gây độc trên chuột hoặc các
đại thực bào của con người có thể được quan sát thấy sau khi tiếp xúc với
nanocellulose. Các kết quả của nghiên cứu độc tính cho thấy nanocellulose không độc tế
bào và không gây ra bất kỳ tác dụng trên hệ thống viêm trong các đại thực bào. Ngoài ra,
nanocellulose khơng phải là chất độc cấp tính với vi khuẩn Vibrio fischeri ở nồng độ thích
hợp với mơi trường. 


3. Thu nhận nano cellulose.
Trong thực tế ta có nhiều phương pháp tách sợi cellulose từ sợi tự nhiên. Tùy theo mục
đích của việc tách sợi là để dùng trong cơng nghiệp hay phịng thí nghiệm mà ta lựa chọn
phương pháp cho phù hợp và ít tốn kém nhất. Đối với từng loại sợi cụ thể sẽ có những
phương pháp riêng biệt để xử lý. Các phương pháp được chia thành hai loại chính:
● Phương pháp cơ học: chiết suốt sợi thủ công, cán, ép sợi, nổ hơi nước.
● Phương pháp hóa học: xử lý bằng kiềm, xử lý bằng acid (thủy phân), ngâm sợi trong
nitơ lỏng kết hợp với xử lý bề mặt
Đối với phương pháp cơ học, sợi thu được có bề mặt hạt chưa đồng nhất, kích thước chưa
đạt yêu cầu. Phương pháp hóa học cho sợi đều kích thước micro/nano (<200nm). Tuy vậy
trong cơng nghiệp do yêu cầu về giá thành sản phẩm và tính phổ biến người ta chọn cán
sợi và nổ hơi nước là chính. Vấn đề lớn đặt ra trong phương pháp điều chế sợi nano
cellulose bằng con đường hóa học là ơ nhiễm mơi trường và nguồn nước cần phải lưu ý.
Ngồi ra có một kỹ thuật mới tạo ra Nanocellulose chỉ từ tảo, ánh sáng mặt trời và khí
cacbonite. Người ta sử dụng tảo xanh đã được biến đổi gen, loại tảo sẽ tự sản xuất ra
Nanocellulose trong hóa trình quang hợp của nó. Phương pháp này khơng chỉ sản xuất ra
Nanocellulose với chi phí cực kỳ thấp và tiết kiệm năng lượng vì chỉ sử dụng ánh sáng mặt
trời, mà cịn góp phần làm giảm lượng carbon dioxide trong khơng khí.

IV. Kết luận
Với hàng loạt những ứng dụng trong nhiều ngành cơng nghiệp, giá thành rẻ, duy trì được độ
bền trong nhiều mơi trường, Nanocellulose lại có thể dễ dàng tái chế hoặc tự phân hủy
nhanh chóng, điều đó tạo nên cho nó sự thân thiện tuyệt vời với mơi trường. Với tất cả
những đặc tính đó, Nanocellulose xứng danh là một siêu vật liệu, một loại vật liệu của
tương lai.


Cảm ơn thầy và các bạn đã theo dõi