Chế tạo và khảo sát một số tính chất đặc trưng của vi sợi Xenluloxơ và vi sợi Xenlulozơ Phtalat

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
TRẦN MỸ XUÂN
CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC
TRƯNG CỦA VI SỢI XENLULOZƠ VÀ VI SỢI
XENLULOZƠ PHTALAT
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
NGHỆ AN – 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
TRẦN MỸ XUÂN
CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT
ĐẶC TRƯNG CỦA VI SỢI XENLULOZƠ VÀ VI SỢI
XENLULOZƠ PHTALAT
Chuyên ngành: Hóa học hữu cơ
Mã số: 60.44.01.14
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
Người hướng dẫn khoa học:
TS. LÊ ĐỨC GIANG
NGHỆ AN - 2014
LỜI CẢM ƠN
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn
đến:
- TS. Lê Đức Giang đã giao đề tài, dành nhiều thời gian, tâm huyết
hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong quá trình thực tập và giúp đỡ tôi hoàn thành luận
văn này.
- PGS.TS. Hoàng Văn Lựu, PGS.TS. Lê Văn Hạc đã đọc bản thảo, bổ
sung và đóng góp vào luận văn rất nhiều ý kiến quý báu.
- ThS. Cao Xuân Cường đã nhiệt tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong
thời gian làm thí nghiệm và nghiên cứu các nội dung liên quan đến đề tài.
- Ban chủ nhiệm khoa Hoá học, các thầy cô bộ môn Hoá hữu cơ, khoa

Hóa học đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên
cứu.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn chồng tôi, những người thân trong
gia đình và bạn bè đồng nghiệp, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi học
tập và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn.
Vinh, tháng 9 năm 2014
Người viết đề tài
Trần Mỹ Xuân
MỤC LỤC
MỤC LỤC 4
1.1. Tổng quan về sợi thực vật 1
1.1.1. Định nghĩa và phân loại sợi thực vật 1
1.1.2. Thành phần hóa học và cấu tạo của sợi thực vật 3
1.2. Tổng quan về vi sợi xenlulozơ 16
1.2.1. Khái niệm vi sợi xenlulozơ 16
1.2.2. Ứng dụng của vi sợi 16
1.3. Phương pháp nấu bột giấy 17
1.4. Giới thiệu về cây lùng 20
1.4.1. Hình thái 21
2.2.Xử lí sợi 23
2.2.1. Phương pháp nấu bột giấy 23
2.2.2. Phương pháp cơ học 25
2.3. Phương pháp điều chế vi sợi xenlulozơ phtalat 25
2.4. Phương pháp xác định thành phần hóa học 25
2.4.1 Xác định hàm lượng lignin không tan trong axit 26
2.4.2. Xác định hàm lượng xenlulozơ bằng phương pháp Klursher – Hofft 27
2.4.3. Xác định hàm lượng các chất tan trong axeton 28
2.5. Phương pháp khảo sát tính chất đặc trưng của vi sợi xenlulozơ phtalat 30
2.5.1. Phương pháp xác định cấu trúc hóa học 30
2.5.2. Phương pháp phân tích nhiệt 30

2.5.3. Phương pháp khảo sát hình thái học 31
2.5.4. Phương pháp chuẩn độ 31
CHƯƠNG 3 32
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 32
3.1. Khảo sát thành phần hóa học của bột giấy 32
3.2. Khảo sát cấu trúc bằng phổ hồng ngoại 32
3.3. Khảo sát hình thái học 36
KẾT LUẬN 42
Danh mục các ký hiệu và viết tắt
Ký hiệu Diễn giải
DrTGA giản đồ vi phân của TGA (Derivative thermogravimetry):
DS Độ thế (Degree of subtitution)
DSC Nhiệt lượng vi sai quét (Differential Scanning Calorimeter)
DTA phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis):
IR Hồng ngoại (Infrared spectroscopy)
MFC Vi sợi xenlulo (Microfibrillated cellulose)
SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
TGA
Phân tích trọng lượng theo nhiệt độ (Thermogravimetry
analysis)
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Hình 1.1: Cấu trúc của sợi thực vật
Hình 1.2: Cấu tạo hóa học của phân tử xenluloza thể hiện theo phương
pháp phối cảnh Haworth
Hình 1.3: Cấu trúc hóa học của xenlulozơ
Hình 1.4: Liên kết hydro giữa các phân tử xenlulozơ
Hình 1.5: Các monosacarit tạo thành mạch đại phân tử polysacarit
Hình 1.6: Đơn vị cấu tạo cơ bản của lignin
Hình 2.1: Quy trình nấu bột giấy bằng phương pháp sunfat
Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của vi sợi xenlulozơ

Hình 3.2: Phổ hồng ngoại của vi sợi xenlulozơ phtalat
Hình 3.3: Ảnh SEM của sợi xử lý kiềm (hình a, hình c) và của sợi xử lý
nấu bột giấy (hình b, hình d)
Hình 3.4: Ảnh SEM của vi sợi xenlulozơ phtalat
Hình 3.5: Giản đồ TGA của vi sợi xenlulozơ
Hình 3.6: Giản đồ TGA của xenlulozơ phthalat
Danh mục các bảng
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của bột giấy
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, môi trường sinh thái đang bị ô nhiễm nghiêm trọng trên phạm vi
toàn cầu. Vấn đề ô nhiễm môi trường đã, đang và sẽ là vấn đề hết sức cấp bách,
được quan tâm hàng đầu của toàn nhân loại.
Vì vậy yếu tố bảo vệ môi trường luôn được xem xét trước tiên trong các
hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người.
Trong những năm gần đây, các nước trên thế giới đang chú ý đến nguồn
nguyên liệu sinh học vì khả năng tái tạo của nó. Trong số các nguyên liệu sinh
học đó thì nghiên cứu về sợi tự nhiên ngày càng phát triển mạnh mẽ.
Tre là một loại cây nhiệt đới và là nguồn tài nguyên có thể tái tạo mạnh
mẽ được trồng và sử dụng rất nhiều ở Châu Á, đặc biệt là các nước Đông Nam
Á. Ở Việt Nam có một loại cây đặc chủng thuộc họ tre là cây lùng, riêng huyện
Quỳ Châu của Nghệ An đã có hơn 12000 ha cây lùng. Lùng thường được sử
dụng chủ yếu để đan lát, làm hàng mỹ nghệ. Vì thế lượng phoi lùng phế thải
hàng năm là rất lớn.
Vi sợi xenlulozơ là một vật liệu sinh học với các ưu điểm là dễ phân hủy,
có khả năng tái tạo, giá thành thấp, và đặc tính cơ học tốt hơn vi sợi tổng hợp. Vi
sợi xenlulozơ được sử dụng như chất gia cường cho các vật liệu polime
compozit. Tuy nhiên, do tính phân cực nên khả năng hòa tan của vi sợi xenlulozơ
trong các dung môi không phân cực và khả năng tương hợp với các polime nền
kị nước là rất thấp. Đã có một số công trình nghiên cứu phản ứng este hóa của

xenlulozơ với các anhiđrit axetic, anhiđrit sucxinic, anhiđrit maleic, anhiđrit
phtalic, nhưng hầu như chưa có công trình nào nghiên cứu phản ứng của của vi
sợi xenlulozơ với anhiđrit phtalic và khảo sát tính chất của vi sợi xenlulozơ
phtalat. Do đó, chúng tôi chọn đề tài: “Chế tạo và khảo sát tính chất đặc trưng
của vi sợi xenlulozơ và vi sợi xenlulozơ phtalat”
2. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo vi sợi xenlulozơ từ phoi phế thải cây Lùng bằng phương pháp
nấu bột giấy, khảo sát sự thay đổi hàm lượng một số thành phần trong sợi Lùng;
- Chế tạo và vi sợi xenlulozơ phtalat bằng phản ứng của vi sợi xenlulozơ
với anhiđrit phtalic;
- Khảo sát cấu trúc hóa học của vi sợi xenlulozơ và vi sợi xenlulozơ
phtalat bằng phổ hồng ngoại;
- Nghiên cứu hình thái học và khảo sát độ bền nhiệt của vi sợi xenlulozơ
và vi sợi xenlulozơ phtalat.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Vi sợi xenlulozơ và vi sợi xenlulozơ phtalat từ
phoi phế thải của cây Lùng.
- Phạm vi nghiên cứu: quy trình chế tạo vi sợi xenlulozơ và vi sợi
xenlulozơ phtalat từ phoi phế thải cây Lùng; cấu trúc hóa học, hình thái học và
một số tính chất của vi sợi và vi sợi xenlulozơ phtalat.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Cấu trúc hóa học của vi sợi và vi sợi xenlulozơ phtalat được khảo sát
bằng phổ hồng ngoại ;
- Cấu trúc hình thái học của vi sợi và vi sợi xenlulozơ phtalat được khảo
sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM);
- Độ bền nhiệt của vi sợi và vi sợi xenlulozơ phtalat được khảo sát bằng
phương pháp phân tích nhiệt theo sự thay đổi khối lượng.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về sợi thực vật
1.1.1. Định nghĩa và phân loại sợi thực vật

Sợi thực vật nói chung và sợi Lùng nói riêng bao gồm hai thành phần:
tinh thể và vô định hình. Trong đó phần tinh thể bao gồm các vi sợi, chúng
được tạo nên bởi các phân tử xenlulozơ. Các vi sợi được kết hợp với nhau bởi
một phần vô định hình bao gồm hemixenlulozơ và lignin. Độ bền của sợi thực
vật sẽ tăng khi hàm lượng phần tinh thể lớn. Bề mặt sợi được tạo nên bởi hỗn
tạp của các polyme không đồng nhất về trạng thái pha bao gồm xenlulozơ,
hemixenlulozơ và lignin. Nhóm chức –OH của xenlulozơ và nhóm –COOH,
- OH của hemixenlulozơ tạo nên tính ưa nước cho bề mặt sợi. Khi cho sợi tiếp
xúc với nước thì góc thấm ướt và năng lượng bề mặt của sợi giảm. Điều này
được giải thích do sự xâm nhập của nước vào sợi và làm trương sợi.
Hình 1.1. Cấu trúc của sợi thực vật
1
Hình 1.4. Cấu trúc của sợi thực vật
Tất cả các sợi thực vật là vật liệu đơn bào. Ngoại trừ sợi lấy từ hạt, hầu
hết các sợi thực vật đều tồn tại ở dạng bó của các sợi cơ bản. Sợi được xác định
là một đơn vị vật chất đặc trưng bởi độ mềm dẻo, tinh xảo và có tỷ lệ của chiều
dài trên đường kính cao, còn sợi cơ bản được xác định là một đơn vị của tế bào
thực vật [1].
Tùy theo cấu trúc hình thái, sợi thực vật được chia làm 3 nhóm:
+) Sợi vỏ lấy từ thân cây.
+) Sợi lá lấy từ lá cây.
+) Sợi dính vào hạt.
Những sợi lấy từ thân cây, lá và quả thường ở dạng bó nên gọi là bó sợi,
trong lúc đó lấy từ hạt là những tế bào đơn nên gọi thẳng là sợi.
Các quá trình được sử dụng để tách các bó sợi từ vỏ hay lá cây là khá đơn
giản. Đối với sợi lấy từ hạt (ví dụ xơ bông) thường tách khỏi hạt bằng cách rung
hay lắc cho đến khi sợi không còn bám vào hạt. Kỹ thuật bóc vỏ và ngâm cho
mềm thường được áp dụng để tách các bó sợi từ vỏ và lá của cây cho sợi. Kích
thước của bó sợi phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật của quá trình. Một loại
máy bóc vỏ được sử dụng để tước các bó sợi từ thân hay lá. Theo phương án

khác nhau, lá được cào và đập vỡ bằng một hệ thống trục quay với các lưỡi dao
cùn sao cho chỉ còn sợi ở lại. Sợi tách ra như vậy được rửa sạch trước khi sấy
dưới ánh sáng mặt trời hay dùng không khí nóng. Tiến hành chải sợi khô và
phân loại thành các mức chất lượng khác nhau. Hạt hoặc vỏ đã tách khỏi hạt (ví
dụ trấu) đưa đi xử lý hóa học hay sinh học để nhận được các bó sợi. Đồng thời
ở đây có hai phương án làm mềm: phơi ngoài trời và ngâm nước. Phơi ngoài
trời nhằm mục đích làm cho thân cây mục rữa. Trong quá trình đó phải bảo đảm
sợi vỏ tách ra khỏi phần ruột mà không giảm chất lượng đáng kể. Phương án
2
phơi ngoài trời khá phổ biến ở châu âu mặc dù phụ thuộc rất nhiều vào địa lý,
sợi nhận được thô hơn và chất lượng thấp hơn so với phương án ngâm nước.
Ngâm nước bằng cách cho thân cây vào bồn đựng nước hay dìm dưới sông có
nước chảy chậm – phương án này đòi hỏi một lượng nước lớn để rửa sạch nên
đắt nhưng sợi có chất lượng cao hơn.
1.1.2. Thành phần hóa học và cấu tạo của sợi thực vật
Thành phần hóa học của sợi thực vật nói chung bao gồm: xenlulozơ,
hemixenlulozơ, lignin, pectin, sáp và các hợp chất hòa tan trong nước. Xenlulozơ
là thành phần chính của sợi thực vật rồi đến hemixenlulozơ, lignin và pectin.
Sợi đơn của tất cả sợi thực vật cấu tạo từ một số tế bào. Những tế bào đó
tạo thành từ các sợi tế vi (microfibril) có cấu trúc tinh thể của xenlulozơ, chúng
liên kết với nhau nhờ lignin và hemixenlulozơ vô định hình để tạo thành lớp
hoàn chỉnh bố trí theo hình xoắn ốc [1].
1.1.2.1. Xenlulozơ
Xenlulozơ là hợp chất cao phân tử, cấu tạo từ nhiều mắt xích anhyđro-β-
D-glucopyranoza (gọi ngắn gọn là D-glucoza).
Các đơn vị mắt xích của xenlulozơ chứa ba nhóm hyđroxi tự do (không ở
dạng liên kết), một nhóm hydroxi ancol bậc 1, hai nhóm hidroxi ancol bậc 2. Các
nhóm hydroxi ở mỗi đơn vị mắt xích liên kết với nguyên tử cacbon ở vị trí 2,3 và
6. Các đơn vị mắt xích D-glucoza trong xenlulozơ có dạng vòng 6 cạnh
(pyranoza). Các mắt xích được nối với nhau nhờ liên kết glucozit. Liên kết giữa

các mắt xích là -glycozit. Đơn vị mắt xích của glucozơ có dạng -anome.
3
Hình 1.2. Cấu tạo hóa học của phân tử xenluloza thể hiện theo phương
pháp phối cảnh Haworth
Đơn vị mắt xích của xenlulozơ là anhyđro-β-D-glucopyranoza. Về phương
diện cấu tạo mạch, cứ sau hai đơn vị mắt xích, cấu tạo mạch lại được lặp lại. Do
đó ta có thể coi xenlulozơ là polyme điều hòa không gian.

Hình 1.2.1. Phân tử xenluloza được biểu diễn trên cơ sở
Coi xenlobioza là đơn vị cấu trúc mạch
Các đơn vị mắt xích của xenlulozơ có cấu dạng hình ghế. Ứng với sự định
hướng khác nhau của nhóm thế, có thể tồn tại hai cấu trúc dạng ghế khác nhau.
Ở các cấu trúc dạng ghế khác nhau, các nhóm hydroxyl có hoạt tính khác nhau.
Nói chung, ở điều kiện thường, các mắt xích có cấu dạng ghế
4
C
1
Hình 1.3: Cấu trúc hóa học của xenlulozơ
4
Xenlulozơ là polyme tương đối cứng, các đại phân tử có mức độ bất đối
xứng cao do cấu trúc mạch vòng của mắt xích, do nhóm –OH có cực cao và liên
kết mạnh giữa các phân tử của chúng. Liên kết giữa các phân tử xenlulozơ được
thực hiện bằng các lực vật lý với năng lượng liên kết nhỏ (thí dụ, lực Van der
Waals) và bằng liên kết hiđro. Trong xenlulozơ khô hầu như tất cả các nhóm –
OH đều tham gia tạo thành liên kết hiđro [1].
Hình 1.4: Liên kết hiđro giữa các phân tử xenlulozơ
Cấu trúc cơ bản của xenlulozơ trong tự nhiên có chiều dài khoảng 100
250 nm, với tiết diện ngang hình chữ nhật có cạnh khoảng 3nm và 7 10 nm.
Với đại phân tử xenlulozơ có kích thước khoảng 5000 nm, các mạch xenlulozơ
có thể trải qua nhiều vùng tinh thể và vô định hình hoặc tồn tại ở dạng gấp nếp

trong phạm vi một tinh thể. Các tinh thể cùng với các vùng vô định hình tập hợp
5
thành tổ chức lớn hơn gọi là vi xơ. Các vi xơ tập hợp thành tổ chức lớn hơn gọi
là xơ. Các bó mạch có dạng sợi tập hợp lại thành lớp [25].
1.1.2.2. Hemixenlulozơ
Hemixenlulozơ là hỗn hợp của một số loại polysaccarit phi xenlulozơ.Khi
thủy phân, chủ yếu tạo ra một số đồng phân lập thể thuộc pentozơ và một số
đồng phân lập thể thuộc hexozơ. Các đơn vị mắt xích của các polysaccarit
hemixenlulozơ thường là vòng anhydro của các saccarit như D-glucozơ, D-
mannozơ, D-galactozơ (thuộc hexozơ), D-xylozơ, L-arabinozơ (thuộc pentozơ).
Hemixenlulozơ gồm các polysaccarit mà phân tử có thể là homopolyme
hoặc copolyme. Hemixenlulozơ dạng homopolyme, tức là mạch phân tử chỉ tạo
thành từ một loại đơn vị mắt xích, tồn tại rất ít trong thực vật. Dạng
hemixenlulozơ thường gặp hơn cả là copolyme, hay polysaccarit hỗn tạp, mạch
phân tử bao gồm các loại đơn vị mắt xích khác nhau.
Ngoài anhiđro của các saccarit thuộc hexoza và pentoza đã kể ở trên, trong
thành phần của một số polysaccarit hemixenlulozơ còn có các đơn vị axit D-
glucuronic, axit 4-O-metyl-D-glucuronic và D-galacturonic. Thêm nữa, một số
polysaccarit hemixenlulozơ còn liên kết với nhóm axetyl, làm cho thành phần
của hemixenlulozơ trở nên phức tạp hơn [9].
С
С
С
С
O
CH
2
OH
H
H

H
H
OH
OH
HO
HO
OH
OH
H
H
H
С
С
С
С
CH
2
O
O
H
H
H
H
HOH
OH
OH
H
HO
hoÆc
HO

H

D-xyloza β-D-xylopiranoza
6

С
С
С
С
O
CH
2
OH
H
H
H
OH
HO
HO
OH
H
H
HС
С
С
С
O
hoÆc
HO
H

HO
H
CH
2
OH
H
OH
OH
OH H
H
O
HOCH
2
H
L-arabinoza α-L-abinofuranoza
С
С
С
С
O
CH
2
OH
H
H
H
H
OH
HO
O

O
H
H
H
H
OH
OH
H
HO
hoÆc
C
HO
OHH
H
HO
C
HO
OH
H
H
H
H
CH
2
OH
С
С
С
С
HO

OH
CH
2
OH
D-mannoza β-D-mannopiranoza
С
С
С
С
O
CH
2
OH
H
H
H
H
OH
HO
O
O
H
H
H
HOH
OH
H
HO
hoÆc
C

HO
OHH
H
HO
C
HO
OH
H
H
H
H
CH
2
OH
С
С
С
С
HO
OH
CH
2
OH
D-galactoza β-D-galactopiranoza
7
С
С
С
С
O

H
H
H
H
OH
HO
O
O
H
H
H
HOH
OH
H
HO
hoÆc
C OHH
H C
HO
OH
H
H
H
H
С
С
С
С
OH
OH OH

OH
COOH
COOH
COOH
OH
H
OH
OH H
H
H
H
O
H
3
CO
;
COOH
Axit D-glucoronic Axit α-D-glucoronic Axit 4-O-metyl-α-D-glucoronic
С
С
С
С
O
H
H
H
H
OH
HO
O

O
H
H
H
HOH
OH
H
HO
hoÆc
C
HO
OHH
H
HO
C
HO
OH
H
H
H
H
С
С
С
С
OH
COOH
OH
COOH
COOH

Axit D-galacturonic Axit α-D-galacturonic
С
С
С
С
O
H
H
H
H
OH
HO
O
O
H
H
H
H
OH
OH
H
HO
hoÆc
C
HO
OH
H
H
HO
C

OH
H
H
H
H
С
С
С
С
OH
CH
3
OH
CH
3
CH
3
HO
L-ramnoza α-L-ramnopiranoza
8
С
С
С
С
O
H
H
H
H
OH

HO
O
O
H
H
H
H
OH
OH
H
HO
hoÆc
C
HO
OH
H
H
HO
C
OH
H
H
H
H
С
С
С
С
OH
CH

3
OH
CH
3
CH
3
HO
L-fucoza α-L-fucopiranoza
Hình 1.5: Các monosacarit tạo thành mạch đại phân tử polysacarit
Hemixenlulozơ khác với xenlulozơ ở ba điểm. Thứ nhất, chúng chứa một
vài đơn vị đường, trong lúc đó xenlulozơ chỉ chứa các đơn vị 1,4-β-D-
glucopyrano. Thứ hai, chúng thể hiện độ phân nhánh cao của mạch phân tử,
trong lúc đó xenlulozơ là một polyme mạch thẳng thuần túy. Thứ ba, độ trùng
hợp của xenlulozơ từ mười đến một trăm lần cao hơn so với hemixenlulozơ.
Khác với xenlulozơ, thành phần của hemixenlulozơ không đồng nhất giữa các
loại cây cho sợi [1]. Hemixenlulozơ, cũng như các polysacarit tan trong nước,
không hòa tan trong các dung môi hữu cơ mà người ta thường sử dụng để tách
các chất cần chiết xuất, song khác với các polysacarit này, các hemixenlulozơ
không tan trong nước. Khác với xenlulozơ, hemixenlulozơ lại hòa tan trong các
dung dịch kiềm và dễ chịu tác dụng của các dung dịch axít vô cơ loãng, tức dễ bị
thủy phân.
Độ trùng hợp của hemixenlulozơ vào khoảng 100-200 với chênh lệch dao
động từ 30 đến 300 và hơn nữa, có nghĩa là chuỗi mạch của hemixenlulozơ ngắn
hơn của xenlulozơ rất nhiều. Hemixenlulozơ không đồng nhất về phân tử lượng.
Độ đa tán của chúng lớn hơn so với của xenlulozơ. Sự đa dạng về tính chất của
các polysacarit gây rất nhiều khó khăn trong việc phân loại chúng. Polysacarit
9
của hemixenlulozơ còn được phân loại thành nhóm axit (chứa các mạch axit
uronic) và trung tính.
Về thành phần hóa học, hemixenlulozơ phức tạp hơn nhiều so với

xenlulozơ. Xenlulozơ là homopolyme, chỉ tạo thành từ một loại đơn vị mắt xích
β-D-glucoza. Trong khi đó, các polysaccarit đã nghiên cứu ở trên đều được tạo
thành từ hai hoặc nhiều loại đơn vị mắt xích. Các đơn vị mắt xích là đồng phân
lập thể thuộc hexoza hoặc pentoza cũng như dẫn xuất uronic của hexoza. Thành
phần của copolyme hay tỷ lệ giữa các loại đơn vị mắt xích phụ thuộc vào loài
cây.
Cấu tạo đơn vị mắt xích và liên kết giữa chúng trong mạch phân tử
polysaccarit của hemixenlulozơ cũng phức tạp hơn nhiều so với xenlulozơ.
Ở xenlulozơ, đơn vị mắt xích chỉ có cấu tạo vòng pyranoza, dạng β, trong
khi đó, ở hemixenlulozơ, đơn vị mắt xích có thể ở dạng vòng pyranoza và
furanoza, anome α hoặc β.
So với xenlulozơ, liên kết giữa các đơn vị mắt xích trong hemixenlulozơ
cũng phức tạp hơn. Ở xenlulozơ, các đơn vị nối với nhau nhờ liên kết glycozit 1-
4. Trong khi đó, ở hemixenlulozơ, liên kết giữa các đơn vị mắt xích có thể là
glycozit 1-6, 1-4, 1-3 và 1-2.
Do có nhiều loại liên kết và cấu tạo mạch phức tạp, các polysaccarit của
hemixenlulozơ có độ bền khác nhau đối với phản ứng phân hủy mạch, đồng thời
cũng có độ bền khác với xenlulozơ.
Về hình dạng mạch, xenlulozơ là polyme mạch thẳng. Ngược lại,
hemixenlulozơ có cả mạch thẳng và mạch phân nhánh. Một số ít polysaccarit có
độ phân nhánh cao.
10
Về trạng thái pha hoặc trạng thái tập hợp phân tử, do cấu tạo phân tử phức
tạp và không đồng nhất, hemixenlulozơ phần lớn tồn tại ở trạng thái vô định
hình, chỉ một phần nhỏ ở vùng tinh thể. Do đó, đối với hemixenlulozơ, các tác
nhân hóa lý và hóa học dễ tiếp cận hơn so với xenlulozơ. Hơn nữa
hemixenlulozơ thường có độ trùng hợp nhỏ (100-200). Trong khi đó, độ trùng
hợp của xenlulozơ đạt tới bốn hoặc năm chữ số, nên khả năng hòa tan của
hemixenlulozơ cao hơn so với xenlulozơ. Chẳng hạn, hemixenlulozơ hòa tan
được trong dung dịch NaOH 16-18%, trong khi đó, xenlulozơ tự nhiên không

hòa tan được trong dung dịch này. Chỉ có phần xenlulozơ mạch ngắn, sản phẩm
của quá trình phân hủy dưới tác động của quá trình nấu, tẩy là hòa tan được
trong dung dịch trên. Tất nhiên, khả năng hòa tan của hemixenlulozơ tốt hơn
xenlulozơ còn do các đặc điểm về cấu tạo và cấu trúc của hemixenlulozơ:
hemixenlulozơ chứa nhóm uronic, phân tử tồn tại ở vùng vô định hình.
Giữa hemixenlulozơ và xenlulozơ có nét tương đồng, đó là khả năng tham
gia phản ứng biến đổi tương tự polyme, tức là các quá trình hóa học chỉ dựa trên
cơ sở biến đổi nhóm chức hiđroxyl.
Tuy vậy, do mạch phân tử quá ngắn, lại dễ bị phân hủy đứt mạch trong
quá trình nấu, tẩy nên hemixenlulozơ ít được sử dụng dưới dạng dẫn xuất cao
phân tử như đối với xenlulozơ [9].
1.1.2.3. Lignin
Lignin là hợp chất cao phân tử có đặc tính thơm,bộ khung của đơn vị mắt
xích là phenyl propan.
11

Hình 1.6. Đơn vị cấu tạo cơ bản của lignin [9].
Lignin không tồn tại trong thực vật bậc thấp như rong, tảo, nấm, Thành
phần hóa học của lignin thay đổi tùy theo loài thực vật. Lignin của thực vật được
chia làm ba loại:
1. Lignin gỗ lá kim
2. Lignin gỗ lá rộng.
3. Lignin cây thân thảo và cây hàng năm.
Lignin gỗ lá kim gồm các đơn vị mắt xích guaiacylpropan (I) (4-hiđroxi-3-
metoxy phenylpropan).
Lignin gỗ lá rộng, ngoài guaiacylpropan, còn chứa các đơn vị mắt xích
3,5-dimetoxy-4-hiđroxi phenylpropan (II).
Lignin các loài thân thảo, ngoài các đơn vị mắt xích trên, còn có 4-hiđroxi
phenylpropan (III).
Lignin họ tre và họ cọ có thể xếp vào nhóm III.

Các nhóm chức có ảnh hưởng nhiều nhất đến tính chất của lignin là nhóm
hiđroxyl phenol, hiđroxyl ancol benzylic và nhóm cacbonyl. Hàm lượng của các
12
nhóm chức thay đổi tùy theo loài thực vật và tùy thuộc vị trí của lignin ở lớp liên
kết, lớp sơ cấp hay thứ cấp của tế bào thực vật [9].
Trong tế bào thực vật, lignin tham gia liên kết hidro với xenlulozơ và
hemixenlulozơ với năng lượng liên kết lớn.Bên cạnh liên kết hidro, giữa các hợp
chất cao phân tử của thành tế bào còn có tương tác Van der waals, tương tác này
cũng góp phần cản trở quá trình hòa tan của lignin dưới tác dụng của dung môi
hoặc khi nấu xenlulozơ.
Lignin không tan trong các dung môi thông thường ở điều kiện thường, do
giữa lignin và các polisaccarit của thực vật tồn tại liên kết hóa học.
Để phân chia các đại phân tử lignin thành các phần nhỏ hơn, hòa tan được
vào dung dịch, cần phải dùng các hóa chất có tác dụng mạnh. Ngay cả trong các
trường hợp đó, ta cũng không thể tách hoàn toàn lignin khỏi sợi thực vật.
1.1.2.4. Pectin
Pectin là một polysaccharide phi xenlulozơ tồn tại phổ biến trong thực vật,
là thành phần tham gia xây dựng cấu trúc tế bào thực vật. Ở thực vật pectin tồn
tại chủ yếu ở 2 dạng là pectin hòa tan và protopectin không hòa tan. Dưới tác
dụng của acid, enzyme protopectinaza hoặc khi gia nhiệt thì protopectin chuyển
thành pectin. Phân tử của chúng bao gồm các đơn vị mắt xích axit α-D-
galacturomic. Các đơn vị này nối với nhau nhờ liên kết glucozit 1-4. Phân tử khối
từ 20.000 - 200.000 đvC.
Mỗi đơn vị mắt xích chứa một nhóm cacboxyl ở vị trí C
6
. Các nhóm axit
này tồn tại ở trạng thái tự do hoặc dưới dạng liên kết este (metyl este). Trong
pectin tự nhiên thường ở khoảng ¾ số nhóm axit bị metyl hóa.
13
Ở thực vật pectin tồn tại chủ yếu ở 2 dạng là pectin hòa tan và protopectin

không hòa tan. Dưới tác dụng của acid, enzyme protopectinaza hoặc khi gia nhiệt
thì protopectin chuyển thành pectin.
Pectin thương mại được phân chia thành hai loại với mức độ thế DS khác
nhau. Loại pectin mức độ este hóa thấp có DS < 0,5, loại pectin với mức độ thế
cao có DS > 0,5. Tùy theo mục đích sử dụng, ta có thể lựa chọn loại pectin với
mức độ este hóa thích hợp.
Ở pectin tự nhiên, các nhóm hiđroxyl ở C
2
và C
3
của mỗi đơn vị mắt xích
có thể bị este hóa một phần bởi axit axetic hoặc axit photphoric.
Một phần nhóm axit không este hóa tham gia tạo liên kết ngang với ion
canxi và magie.
Dưới tác dụng của xúc tác axit hoặc xúc tác sinh học pectinlaza, pectin bị
thủy phân thành axit D-galacturonic. Trong đó, metyl este cũng bị phân hủy.
Pectin dạng polyme, trong đó nhóm cacboxyl hoàn toàn tự do, gọi là axit pectinic.
Trong tự nhiên, pectin không tồn tại độc lập mà thường đi kèm với
polysaccarit khác, khi thủy phân tạo ra L-arabinoza và D-galactoza. Pectin cùng
với các polysaccarit này gọi là các chất pectin. Tỷ lệ giữa các đơn vị
monosaccarit và dẫn xuất thay đổi trong khoảng rộng. Các chất pectin thuộc
nhóm polyuronit vì có nhóm monome uronic.
Các nhà khoa học cho rằng, trong thực vật, các thành phần trong các chất
pectin không chỉ tương tác hóa lý mà còn có liên kết hóa học. Có tác giả cho
rằng, các chất pectin có mạch chính là polyme tạo thành từ các đơn vị mắt xích
14
D-galacturonic, với các nhánh gồm các đơn vị mắt xích D-galacotopyranoza và
L-arabinofuranoza, liên kết 1-2 và 1-3.
Khối lượng phân tử pectin dao động trong khoảng 3000 – 280000, tùy
thuộc nguồn gốc thực vật.

Dung dịch pectin có độ nhớt cao và có khả năng gelatin hóa. Khả năng
này xuất hiện ở pectin có khối lượng phân tử cao hơn 20000.
Độ hòa tan của pectin trong nước phụ thuộc vào mức độ este hóa nhóm
cacboxyl. Mức độ este hóa càng cao, độ hòa tan càng cao, nhưng khả năng
gelatin hóa lại càng giảm.
Ở các loài thực vật khác nhau, các chất pectin có thể tồn tại ở quả, lá hay ở
thân gỗ hoặc vỏ cây.
Pectin có ở lớp liên kết các tế bào. Trong thời kỳ sinh trưởng, pectin ở lớp
này liên tục biến đổi. Có lẽ pectin đảm bảo độ bền và độ dẻo của phần cây non.
Sau đó, chất pectin chuyển hóa và hàm lượng của chúng giảm đi.
Chất pectin trương mạnh trong nước. Nước được giữ bởi các chất pectin
rất khó bay hơi. Do đó, thực vật có nhiều pectin có thể chịu được điều kiện khí
hậu khắc nhiệt. Có lẽ pectin cũng đóng vai trò trao đổi nước trong thời kỳ sinh
trưởng của cây.
Tuy vậy, về cấu tạo hóa học, các chất pectin rất gần với hemixenlulozơ.
Với các đặc tính riêng, pectin được ứng dụng trong nhiều nghành công
nghiệp và đời sống như sau:
+) Ứng dụng chính của pectin là như một chất tạo keo, làm dày và ổn định
trong thực phẩm.
+) Trong y học, pectin làm tăng độ nhớt, khối lượng phân để nó được sử
dụng để chống táo bón và tiêu chảy. Pectin cũng được sử dụng trong viên ngậm
15
họng như một chất làm giảm đau.
+) Trong dinh dưỡng động vật nhai lại, tùy theo mức độ của lignification
của thành tế bào, pectin tiêu hóa lên đến 90% bởi các enzyme của vi khuẩn.
+) Trong ngành công nghiệp xì gà, pectin được xem là một chất thay thế
tuyệt vời cho keo thực vật .
+) Pectin cũng được sử dụng trong kẹo nhân rau câu.
1.1.2.5. Sáp
Sáp có thể trích ly bằng các dung môi hữu cơ. Những hợp chất sáp này

chứa các rượu khác nhau không hòa tan trong nước cũng như một số axit
(panmitic, oleic, stearic) [1].
1.2. Tổng quan về vi sợi xenlulozơ
1.2.1. Khái niệm vi sợi xenlulozơ
Vi sợi là một tập hợp các mạch phân tử xenlulozơ sắp xếp song song với
trục của vi sợi, là một bó xoắn dài các phân tử được liên kết với nhau bằng các
liên kết ngang hiđro giữa các nhóm chức hiđroxyl của các phân tử gần kề. Cấu
trúc này tạo cho vi sợi có tính chất cơ học đạt gần tới giới hạn lý thuyết của các
tinh thể xenlulozơ hoàn thiện, mô đun đàn hồi ước tính tới 150 Gpa và độ bền
khoảng 10 Gpa [3,4].
1.2.2. Ứng dụng của vi sợi
Các vi sợi được sử dụng để làm chất gia cường cho các polyme tổng hợp
và các polyme sinh học để sản xuất các sản phẩm thuộc lĩnh vực phim ảnh hoặc
sơn mài. Tùy thuộc vào cấp độ phân tách của xenlulozơ mà các compozit có thể
được tăng cường hơn nữa về các tính chất cơ học. Sản phẩm nanocompozit
xenlulozơ với các sợi gia cường có kích thước nhỏ được dùng cho các ứng dụng
16