Nghiên cứu ứng dụng vi sợi xenlulo trong chế tạo vật liệu compozit thân thiện với môi trường

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Phạm Thị Anh Thư

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Nghiên cứu ứng dụng vi sợi xenlulo trong chế tạo vật liệu compozit thân thiện với
môi trường

Chuyên ngành :

Khoa học và kỹ thuật vật liệu phi kim

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Khoa học và kỹ thuật vật liệu phi kim

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS Tạ Thị Phương Hòa

1


2

Hà Nội – Năm 2011
MỤC LỤC
Trang phụ bìa………………………………………………………………………. 1
Lời cam đoan……………………………………………………………………….5
Lời cảm ơn………………………………………………………………………….6
Danh mục ký hiệu các chữ viết tắt………………………………………………… 7

Danh mục các bảng…………………………………………………………………8
Danh mục các hình vẽ, đồ thị……………………………………………………….9
MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………. .12

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN ………………………………………………… 14
I.1 Vi sợi xenlulo từ thực vật………………………………………………….. .14
I.1.1 Khái niệm vi sợi xenlulo…………………………………………….. .14
I.1.2 Cấu trúc vi sợi xenlulo………………………………………………..15
I.1.3 Các phương pháp chế tạo vi sợi xenlulo...............................................16
I.1.4 Ứng dụng của vi sợi xenlulo.................................................................21
I.1.5 Chế tạo và ứng dụng của vi sợi từ cây luồng ở Việt Nam....................22
I.2 Tổng quan về nhựa phân hủy sinh học............................................................27
I.2.1 Một số loại nhựa phân hủy sinh học thông dụng...................................27
I.2.2 Cơ chế phân hủy sinh học của polyme..................................................29
I.2.3 Polylactic axit (PLA)............................................................................ 31
I.2.3.1 Phương pháp tổng hợp nhựa PLA................................................31
I.2.3.2 Tính chất của nhựa PLA...............................................................31
I.2.3.3 Ứng dụng của nhựa PLA..............................................................33
I.3 Vật liệu polyme compozit (PC) PHSH............................................................34
I.3.1 Phân loại vật liệu PC phân hủy sinh học................................................34
I.3.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng chế tạo vật liệu PC trên cơ sở nhựa PHSH
có chứa MFC..........................................................................................................35

2


3

I.3.3 Ứng dụng của vật liệu PC PHSH...........................................................37

CHƯƠNG II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
II.1 Nguyên liệu..................................................................................................43
II.2 Nghiên cứu chế tạo vi sợi xenlulo...............................................................43
II.3 Nghiên cứu chế tạo chất chủ (master batch)................................................43
II.4 Phương pháp chế tạo vật liệu compozit PLA/MFC.....................................42
II.5 Phương pháp chế tạo vật liệu compozit PLA/MFC/Bột nứa.......................42
II.6 Các phương pháp nghiên cứu......................................................................48
II.6.1 Khảo sát sự phân tán của vi sợi trong nhựa PLA..................................48
II.6.2 Phương pháp độ bám dính của nhựa lên sợi..........................................48
II.6.3 Phương pháp xác định cơ tính của vật liệu............................................49
II.6.4 XRD........................................................................................................52
II.6.5 DSC.........................................................................................................52
II.6.6 Tính chất nhiệt.........................................................................................52

CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................53
III.1 Chế tạo vi sợi xenlulo từ bột giấy cây luồng................................................53
III.2 Ngiên cứu chế tạo chất chủ (master batch).................................................. 54
III.3 Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit PLA/MFC.........................................57
III.3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến tính chất cơ lý của vật liệu.........58
III.3.1.1 Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến độ bền va đập của vật liệu
PLA/MFC..............................................................................................58
III.3.1.2 Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến độ bền kéo của vật liệu
PLA/MFC.................................................................................................59
III.3.1.3 Ảnh SEM bề mặt gãy của vật liêu PC PLA/MFC...........................61
III.3.2 XRD...............................................................................................................61

3


4

III.3.3 DSC............................................................................................................64
III.3.4 Tính chất nhiệt............................................................................................67
III.3.4.1 TGA..................................................................................................67
III.3.4.2 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền va đập vật liệu....................69
III.3.5 Độ bền dai phá hủy của vật liệu.................................................................70
III.4 Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit PLA/MFC/Bột nứa..............…........77
III.4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến độ bám dính của
nhựa lên sợi nứa.....................................................................................77
III.4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến tính chất cơ lý của vật liệu
PLA/MFC/Bột nứa...................................................................................78
III.4.3 Ảnh SEM...................................................................................................84

PHẦN IV.KẾT LUẬN………………………………………………………….....87
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................89

4


5

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực
và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho
việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn
đã được chỉ rõ nguồn gốc.

5

6

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian làm việc, cùng với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ của các
thầy giáo, cô giáo trong Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme, em đã hoàn thành luận
văn của mình. Mặc dù đã cố gắng song do sự hạn chế và thời gian cũng như trình độ
nên trong luận văn này không thể tránh được những sai sót. Em mong nhận được sự
thông cảm và những ý kiến đóng góp của các thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Trung tâm nghiên cứu vật liệu
polyme, đặc biệt là PGS.TS Tạ Phương Hòa và đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành luận
văn này

Sinh viên thực hiện
Phạm Thị Anh Thư

6


7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
PC:

Polyme compozit

MFC: Vi sợi xenlulo
PLA : Polylactic axit
PHSH: Phân hủy sinh học
d: khoảng cách giữa các lớp

DSC: Phân tích nhiệt quyets vi sai
GIC: Năng lượng phá hủy tới hạn
GQ: Năng hủy phá hủy tạm tính
KIC: Hệ số cường độ ứng suất tới hạn
KQ: Hệ số cường độ ứng suất tạm tính
SEM: Kính hiển vi điện tử quyét
SEBN: Mẫu uốn có khía
TGA: Phân tích nhiệt khối lượng
Tm: Nhiệt độ nóng chảy
XRD: Nhiễu xạ tia X
DMA: Phân tích cơ nhiệt động

7


8

DANH MỤC BẢNG
STT

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Kích thước một số loại vi sợi xenlulo

15

Bảng 1.2

Bảng tính chất cơ lý của một số loại sợi thực vật

23

Bảng 1.3

Bảng thành phần hóa học của sợi tre

24

Bảng 1.4

Tính chất của một số nhựa phân hủy sinh học

30

Bảng 1.5

Các phương pháp để phân hủy polymer

31

Bảng 1.6

Một số ứng dụng thương mại của PLA

35

Bảng 1.7

Mức độ tinh thể của PLA bằng phương pháp DSC

40

Bảng 2.1

Các chất dung môi sử dụng

44

Bảng 3.1

Bảng hàm lượng vi sợi được sử dụng trong chế tạo chất chủ

54

Bảng 3.2

Bảng thành phần MFC trong vật liệu PLA/MFC

57

Bảng 3. 3

Các thông số đặc trưng của mẫu

67

Bảng 3.4

Các nhiệt độ phân hủy của mẫu

69

Bảng 3.5

Độ bền va đập của mẫu PLA khi gia nhiệt lần 2

70

Bảng 3. 6

Các giá trị năng lượng phá hủy của mẫu với phép thử SENB

76

Bảng 4.1

Bảng thành phần các chất trong chế tạo vật liệu 79
PLA/MFC/sợi tre ngắn

8


9

DANH MỤC HÌNH
STT

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Ảnh SEM của vi sợi xenlulo từ bột giấy

14

Hình 1.2

Hình ảnh về cấu trúc của vi sợi

16

Hình 1.3

Qui trình chế tạo vi sợi theo phương pháp hóa học kết hợp

17

với phương pháp cơ học
Hình 1.4

Qui trình nghiền lạnh

19

Hình 1.5

Máy nghiền Manto- Gaulin

20

Hình 1.6

Ảnh SEM của vi sợi sau khi được trích ly từ sợi bột gỗ

21

Hình 1.7

Qui trình tách sợi luồng bằng phương pháp tách nổ hơi nước

25

Hình 1.8

Qui trình chế tạo sợi luồng theo phương pháp cơ học

26

Hình 1.9

Qui trình chế tạo vi sợi phương pháp một giai đoạn

27

Hình 1.10

Qui trình chế tạo vi sợi phương pháp hai giai đoạn

28

Hình 1.11

Ảnh SEM của vi sợi được chế tạo từ bột giấy

29

Hình 1.12

Cấu trúc PLA giản đơn.

32

Hình 1.13

Phản ứng thủy phân của PLA

34

Hình 1.14

Phân loại vật liệu PC dựa trên đặc tính phân hủy sinh học

37

Hình 1.15

Ảnh SEM bề mặt phá hủy của vật liệu compozit PLA/BF

39

Hình 1.16

Đồ thị biểu diễn modul của PLA bằng phương pháp DMA

40

Hình 1.17

Compozit trong ô tô và trong điện thoại

41

Hình 1.18

Compozit trong nội thất tấm lợp

42

Hình 2.1

Qui trình chế tạo vi sợi xenlulo từ bột giấy cây luồng

43

Hình 2.2

Qui trình chế tạo chất chủ

46

Hình 2.3

Thiết bị kính hiển vi điện tử quyét SEM

48

Hình 2.4

Thiết bị đo độ bền kéo của vật liệu

50

9


10

Hình 2.5

Thiết bị đo độ bền va đập izod của vật liệu

51

Hình 2.6

Kích thước trong phép thử SENB

51

Hình 3.1

Ảnh SEM vi sợi xenlulo được chế tạo từ bột giấy từ cây luồng

53

Hình 3.2

Ảnh SEM của chất chủ với hàm lượng MFC khác nhau

57

Hình 3.3

Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến độ bền va đập của vật liệu 59
PLA/MFC

Hình 3.4

Ảnh hưởng hàm lượng vi sợi đến độ bền kéo của vật liệu 60
PLA/MFC

Hình 3.5

Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến độ giãn dài của vật liệu 60

PLA/MFC

Hình 3.6

Ảnh SEM bề mặt gãy của vật liệu PLA/MFC

61

Hình 3.7

Sơ đồ nhiễu xạ tia X

63

Hình 3.8

Giãn đồ nhiễu xạ tia XRD của PLA và PLA/MFC

64

Hình 3.9

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của DSC

65

Hình 3.10

Đường nóng chảy của PLA và PLA/MFC

66

Hình 3.11

Giản đồ phân hủy và tốc độ phân hủy của PLA và PLA/MFC

68

Hình 3.12

Độ bền va đập của mẫu PLA/MFC gia nhiệt lần hai

68

Hình 3.13

Sự phụ thuộc của ∆U và a

72

Hình 3.14

Sự phụ thuộc của F vào độ dãn dài của mẫu

75

Hình 3.15

Độ bền dai phá hủy của mẫu PLA và PLA/MFC

76

Hình 4.1

Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến độ bám dính của nhựa lên 77
sợi nứa

Hình 4.2

Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến độ bền va đập của vật liệu 79
PLA/MFC/Bột nứa (Hàm lượng bột nứa 10 PKL)

Hình 4.3

Ảnh hưởng hàm lượng bột nứa đến độ bền va đập của vật liệu 80
PLA/MFC/Bột nứa (hàm lượng vi sợi 3PKL)

10


11

Hình 4.4

Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến độ bền kéo của vật liệu 81
PLA/MFC/Bột nứa (hàm lượng bột nứa 10%)

Hình 4.5

Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến modul kéo của vật liệu

82

PLA/MFC/Bột nứa(hàm lượng bột nứa 10%)
Hình 4.6

Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến độ bền kéo của vật liệu

83

PLA/MFC/Bột nứa (hàm lượng vi sợi 3 %)
Hình 4.7

Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến modul kéo của vật liệu

84

PLA/MFC/Bột nứa (hàm lượng vi sợi 3 %)
Hình 4. 8

Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu 0% MFC, 10% Bột nứa

85

Hình 4.9

Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu 3% MFC, 10% Bột nứa

85

Hình 4.10

Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu 5% MFC, 10% Bột nứa

86

11


12

LỜI NÓI ĐẦU
Vật liệu compozit đã được sử dụng từ hàng nghìn năm trước Công Nguyên, khi
con người bắt đầu sử dụng các vật liệu để làm công cụ lao động phục vụ cuộc sống
hằng ngày. Ngày nay, nhiều loại vật liệu mới có chất lượng cao phù hợp với các yêu
cầu kỹ thuật hiện đại đã được con người liên tục nghiên cứu và phát minh, trong đó có
vật liệu polyme compozit (PC). Vật liệu PC là một loại vật liệu mà ngay từ khi ra đời
đã chứng tỏ được nhiều tính chất ưu việt như: nhẹ, độ bền cơ học cao, chịu mài mòn,
chịu hóa chất, dễ chế tạo. Nhưng loại vật liệu PC phổ biến nhất hiện nay là vật liệu PC
sợi thủy tinh rất khó phân hủy nên rác thải từ sản phẩm này đang gây ra những tác
động xấu đến môi trường. Từ thập niên 80, dưới áp lực của các vấn đề rác thải gây ô
nhiễm môi trường các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay đã nhiều sự
quan tâm đến các loại vật liệu PC có khả năng phân hủy sinh học, có khả năng tái tạo
để giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Trong khoảng 10 năm trở lại đây việc tách được vi sợi xenlulo (MFC) từ các nguồn
nguyên liệu thực vật khác nhau đã và đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của
rất nhiều các nhà khoa học. Bởi chúng có ưu điểm như có kích thước nhỏ kích thước
cỡ micro/nano nhẹ, có khả năng phân hủy sinh học khi hết thời gian sử dụng và vô hại
đối với môi trường. Với kích thước nano/micro vi sợi có khả năng hạn chế các khuyết
tật của vật liệu polyme compozit và ngăn chặn sự phát triển của các vết nứt của vật liệu

khi chịu tải trọng trong quá trình sử dụng vì vậy có khả năng tăng tuổi thọ cho vật liệu
Trên thế giới, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vi sợi xenlulo được phát triển mạnh
khoảng 5 năm gần đây và đã đạt được một số thành tựu đáng kể. Vi sợi xenlulo (MFC)
được nghiên cứu cho một số polyme compozit phân hủy sinh học như Poly lactic axit
(PLA), Poly vinyl (PVA) [6,8,19].
Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa phân hủy sinh học
có chứa MFC” là một hướng nghiên cứu mới ở Việt Nam, góp phần đưa công nghệ

12


13

micro/nano vào chế tạo các vật liệu có chất lượng cao và thân thiện với môi trường đi
từ nguồn nguyên liệu tái tạo dồi dào trong nước.

13


14

CHƯƠNG I :TỔNG QUAN
I.1 . Vi sợi xenlulo từ thực vật.
I.1.1. Khái niệm vi sợi xenlulo
• Vi sợi xenlulo được hình thành trong tế bào thực vật trong quá trình sinh trưởng
và phát triển của cây có kích thước cỡ vài chục nanomet [1].
• Vi sợi xenlulo là tập hợp của các mạch phân tử xenlulo sắp xếp song song với
trục của vi sợi, cấu trúc này làm cho vi sợi có tính chất cơ học đạt gần tới giới
hạn lý thuyết của các tinh thể xenlulo lý tưởng [2].
• Vi sợi là bó xoắn dài của các phân tử được gia cố bằng các liên kết ngang là các

liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl của các phân tử xenlulo gần kề [3].
Hình 1.1 dưới đây là hình ảnh kích thước của vi sợi xenlulo chế tạo từ bột giấy
P21,trên máy nghiền đá cho thấy kích thước vi sợi rất nhỏ cỡ vài trăm nanomet đến
vài micromet.

Hình 1.1 Ảnh SEM của vi sợi xenlulo từ bột giấy.

14


15

I.1.2. Cấu trúc vi sợi xenlulo
Các hình thái cấu trúc của vi sợi xenlulo bao gồm :

•

Xenlulo I (Iα và Iβ): Đây là tinh thể tự nhiên có cấu trúc gồm các sợi song song
và không có liên kết hydro giữa các bề mặt liền kề.

• Xenlulo II: Là tinh thể có cấu trúc nhiệt động bền vững hơn bao gồm các sợi đối
song song và có liên kết hydro giữa các bề mặt liền kề.
• Xenlulo III: Là cấu trúc vô định hình thu được sau khi sử lý bằng các hợp chất
amin từ cấu trúc xenlulo I hoặc xenlulo II.
• Xenlulo IV: là cấu trúc vô định hình thu được sau khi sử lý ở nhiệt độ cao với
glycerol từ xenlulo III [4].
Các phân tử xenlulo liên kết với nhau tạo thành vi sợi. thông số kích thước của
một số loại vi sợi xenlulo được trình bày ở bảng sau: [4].
Bảng 1.1 Kích thước một số loại vi sợi xenlulo

Cotton

Tunicin

Valonia

Rộng (nm)

1-5

1-5

5-20

Dài (nm)

100

100

2000

Hệ số hình dạng

20

70

100

15


16

Dưới đây là hình ảnh về cấu trúc của vi sợi xenlulo nằm trong sợi đơn kỹ thuật

Hình 1.2 Hình ảnh về cấu trúc của vi sợi
Theo mô tả ở trên, một bó sợi bao gồm nhiều sợi đơn, mỗi sợi đơn có đường kính
khoảng 20 ± 10 nm và bao gồm từ 32-72 vi sợi. Mỗi vi sợi có đường kính khoảng 4
nm và có từ 30-40 mạch xenlulo hợp thành.
Sự liên kết giữa các vi sợi có được là nhờ thành phần pectin và hemixenlulo nằm
xen kẽ với nó trong sợi đơn (hay macrofibril). Hai thành phần pectin và hemixenlulo
có vai trò như một chất kết dính giữa các vi sợi. Liên kết hydro giữa các nhóm
hydroxyl gần kề trong các mạch xenlulo đã tạo nên sự bền vững cho các vi sợi. Vậy để
tách vi sợi cần có sự hòa tan và hủy phân các chất liên kết (pectin và hemixenlulo)
bằng cách xử lý hóa học và cơ học kết hợp [4].
I.1.3 Các phương pháp chế tạo vi sợi xenlulo

16


17

Vi sợi đươc hình thành trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây,nằm xen kẽ
giữa các nền liên kết như pectin,hemixenlulo… trong sợi đơn (Sợi kỹ thuật). Để tách
lấy vi sợi cần có các quá trình xử lý hòa tan và phân hủy các chất nền liên kết.
Có hai phương pháp chính đã được sử dụng để tách vi sợi từ sợi thực vật: phương
pháp cơ học và phương pháp hóa học kết hợp với cơ học.
™ Phương pháp hóa học kết hợp với cơ học

Sơ đồ thu vi sợi trên hình 1.3 như sau:
Sợi thực vật

Quá trình xử lý
hóa học

Quá trình xử lý
cơ học

Quá trình nghiền
đồng nhất

Vi sợi

Hình 1.3 Qui trình chế tạo vi sợi theo phương pháp hóa học kết hợp với cơ học.
Trong nghiên cứu của mình về vi sợi tế bào nhu mô của loài xương rồng Opuntia
ficus-indica, tác giả Mohamed [5] có đưa ra quy trình xử lý hóa học như sau: Trước hết
sợi được làm sạch bằng cách ngâm chiết trong dung dịch kiềm NaOH, sau đó được tẩy
trắng bằng NaClO2. Giai đoạn xử lý này nhằm tách loại các thành phần gồm: lignin,
pectin, hemixenlulo và protein lẫn trong sợi. Sau đó sợi được xử lý bằng dung dịch axit
HNO3 và được rửa sạch bằng nước đến trung tính để đồng thời loại bỏ các tinh thể
oxalat.
Sợi được làm sạch đem ngâm nổi trong nước cất theo nồng độ 2% khối lượng và
được phân ly trong thiết bị Waring Elender ở nhiệt độ 60˚C trong thời gian 15 phút.

17


18

Sản phẩm sau đó được đem đi nghiền đồng nhất trong máy Manto Gaulin ở áp suất 500
bar và nhiệt độ là 90- 95˚C.
Theo tác giả Alain Dufresne [3] thì quy trình xử lý sợi thực vật qua các công đoạn
sau: Trước hết ngâm trong dung dịch NaOH nồng độ 2% khối lượng ở 80˚C trong vòng
2 giờ để thủy phân pectin và hemixenlulo. Sau đó, sợi được lọc rửa bằng nước cất đến
trung tính. Tiếp theo, quá trình tẩy trắng bằng dung dịch NaClO2 trong dung dịch đệm
natri axetat (pH = 4,9) trong 2 giờ ở 70˚C. Quá trình này xảy ra trong một máy khuấy
cơ học để đồng thời tách các hợp chất phenolic và các phân tử có nhóm chức
Chromophore (nhóm mang màu). Cuối cùng chúng được lọc tách bởi sàng lọc có kích
thước mắt sàng từ 20- 70 µm để loại bỏ phần lớn các tinh thể canxi oxalat.
Ngoài ra, cũng có một quy trình xử lý khác cũng được trình bày khá rõ ràng trong
nghiên cứu của tác giả A. Bhatnagar và M. Sain [5]. Theo đó, sợi tre được cắt thành
các sợi nhỏ có kích thước dài từ 2-3 mm, sau đó được ngâm trong dung dich NaOH
nồng độ 17,5% về khối lượng trong vòng 2h. Mục đích chính của nó là tăng diện tích
bề mặt của lignoxenlulo để dễ dàng bị thủy phân. Sau đó, sợi được rửa sạch bằng nước
cất đến trung tính. Dùng axit HCl 1M ở 60-80oC để xử lý sợi. Lại rửa sạch sợi bằng
nước cất. Tiếp theo sợi được xử lý bằng NaOH ở 60-80oC trong 2h để phá vỡ liên kết
giữa lignin với cacbonhydrat và bẻ gãy cấu trúc của lignin. Để loại bỏ hoàn toàn pectin
và hemixenlulo, sợi lại tiếp tục được rửa bằng nước cất và đem đi lọc chân không.
™ Phương pháp cơ học.
Theo Alain Dufresne [3], vi sợi được chế biến theo hai công nghệ sau:
• Công nghệ nghiền lạnh:
Sợi được làm lạnh sâu bằng nitơ lỏng đến mức hình thành các tinh thể băng
trong các tế bào. Dưới tác dụng của sự nghiền cơ học với lực cơ học rất lớn, các tinh
thể này khía vào thành tế bào làm các thành tế bào bị xé rách và giải phóng các vi sợi
có kích cỡ nano. Cuối cùng là công đoạn pha loãng bằng nước cất và lọc để tách các
tinh thể canxi oxalat.

18

19

Sơ đồ khối:
.
Sợi đã được
nghiền nhỏ

Nghiền lạnh

Quá trình lọc

Quá trình nghiền
đồng nhất

Vi sợi

Hình 1.4 Qui trình nghiền lạnh.
• Sử dụng máy Manto-Gaulin:
Máy Manto-Gaulin ( APV France, Evreux, France ) vốn dĩ dùng trong công
nghệ thực phẩm. Nó bao gồm một bơm pittong áp suất cao và hệ thống van
homogenizing. Các sợi tre đã nghiền nhỏ được đẩy đi với áp suất 500 bar qua hai van.
Do vậy các sợi được gia tốc đến 300 m/s. Do có sự chuyển từ thế năng sang động năng
và nội năng nên hình thành một lực cắt và ứng suất rất lớn khiến các sợi tre bị tách
thành các vi sợi đơn.
Ngoài ra, sợi cũng có thể được nghiền thành bột sau đó được phân tán vào dung
dịch nước đã khử ion hóa. Huyền phù thu được đem đi xử lý ultra-turrax ( FA IKA,
24000 rpm, 8h) [6], để tách các vi sợi từ thành tế bào tre. Quá trình dispersing và
homogenization các sơi thô được thực hiện trên máy hóa lỏng vi tầng sôi
(microfluidizer) M-100 y (FA Microfluidics, 1000 bar, 60 phút) [3].

- Quá trình homogenization:
Sự phân rã trong quá trình homogenization [7] được miêu tả ở hình 1.5:

19


20

Hình 1.5 Máy nghiền Manto- Gaulin
Nhờ tác dụng của hệ thống gồm hai van: van cố định ( valve seat ) và van lò xo (
homogenizer valve ) và áp lực đẩy của bơm pittong mà sợi bị nghiền nhỏ thành vi sợi
khi đi qua khe hở giữa van lò xo và van cố định.
- Ưu điểm của quá trình homogenization là: nhờ tác dụng của áp suất cao và hệ
thống van lò xo mà các sợi thô bị phân tách thành các vi sợi nhờ ứng suất cắt rất
lớn.
- Nhược điểm của quá trình homogenization:
+ Sợi có thể bị tắc trong máy.
+ Năng lượng tiêu hao lớn: Theo STFI (1980) là 27000 kW/ tấn.
Ngoài ra, sợi thô cũng được phân tách thành vi sợi bằng phương pháp lên men
enzym. Nguyên tắc của phương pháp này cũng là khử liên kết hydro giữa các vi sợi
bằng axit được sinh ra nhờ quá trình lên men.

20


21

Hình 1.6 Ảnh SEM của vi sợi sau khi được trích ly từ sợi bột gỗ [8].
Bằng các phương pháp trên người ta có thể thu được các vi sợi từ bột gỗ, củ
khoai tây, sợi đay, sợi henequen (sợi thùa), sợi gai, sợi dứa, sợi dừa… [5,6,7].

I.1.4. Ứng dụng của vi sợi
™ Ưu điểm của vi sợi
• Tính chất cơ lý tiệm cận với tính chất của xenlulo tinh thể
• Do vi sợi có kích thước cỡ nanomet nên diện tích bề mặt riêng của nó rất
lớn.
• Có tính chất cơ học cao và liên kết chặt chẽ với vật liệu nền trong polymer
compozit
• Loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng đến sợi thực vật như: thổ nhưỡng, khí hậu,
tuổi của cây, giống cây… và có tính chất ổn định [9].
™ Ứng dụng của vi sợi
Vi sợi được sử dụng để làm chất gia cường cho các polyme tổng hợp và các
polyme phân hủy sinh học. Đặc biệt trong công nghệ compozit chất lượng cao, với
kích thước nano/micro, vi sợi có khả năng hạn chế khuyết tật của vật liệu và ngăn cản

21


22

sự phát triển của các vết nứt khi vật liệu chịu tải trọng trong quá trình sử dụng, sử dụng
vi sợi trong chế tạo compozit sẽ hứa hẹn cho những tính chất đột biến. Mặc dù có rất
nhiều công trình nghiên cứu về quá trình tách sợi xenlulo từ các sợi thực vật hoặc các
sinh vật biển đặc biệt, nhưng vẫn còn khá nhiều vấn đề cần được khắc phục triệt để hơn
như: sự phân tách xenlulo mà không làm giảm độ bền của chúng và ở một chi phí hợp
lý hơn.
Một số ứng dụng khác của vi sợi
• Ứng dụng làm giấy và bìa cứng đặc biệt.
• Nano compozit xanh: compozit nhựa nền và compozit không nhựa nền.
• Các ứng dụng làm thực phẩm.
• Mỹ phẩm/ kem dưỡng da.

• ứng dụng trong y khoa/ dược phẩm: vi sợi được sử dụng như một chất mang cho
thuốc nhờ có những tính chất ưu việt của nó như: diện tích bề mặt riêng lớn, bề
mặt có nhiều nhóm chức hoạt động như nhóm hydroxyl….
• Làm các sản phẩm hấp thụ hoặc vệ sinh [4].
I.1.5 Chế tạo và ứng dụng của vi sợi xenlulo từ cây luồng ở Việt Nam.
Hướng nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vi sợi ở Việt Nam còn hoàn toàn mới.
Hiện nay, Trung Tâm Nghiên Cứu Vật Liệu Polyme đã bước đầu đi vào nghiên cứu
chế tạo và ứng dụng vi sợi từ tre (luồng). Hiện đã có một số kết quả bước đầu trong chế
tạo vi sợi từ sợi tre (luồng), một nguồn nguyên liệu phong phú và sẵn có ở Việt Nam
[10].
* Giới thiệu về tre
Tre là loài thực vật phân bố khắp thế giới. Trên thế giới có tới 1200 loại tre với 70
dòng. Ở Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa rất thuận lợi cho sự phát triển

22


23

của tre. Người ta đẫ thống kê rằng ở Việt Nam có 102 loại tre với 19 dòng. Các cây
thuộc họ nhà tre như: tre, luồng, giang, trúc….
Tre là loài thực vật phát triển với tốc độ rất nhanh. Không giống gỗ phải mất nhiều
năm trưởng thành mới đem vào sử dụng được, tre chỉ cần sau 4 năm phát triển là có thể
đem vào sử dụng được [11].
Tre có độ bên riêng rất lớn, nhất là theo chiêu dọc của sợi và tỷ trọng nhỏ nên được
gọi là “sợi thủy tinh tự nhiên”.
Bảng 1.2 dưới đây là bảng tính chất cơ lý của một số sợi thực vật [9].

Bảng 1.2 Bảng tính chất cơ lý của một số loại sợi thực vật.
Các loại sợi

Tỷ

trọng, Độ bền kéo Mô đun đàn Độ dãn dãi dư,

g/cm3

đứt, Mpa

hồi, Gpa

%

Sợi Lanh

1.45

500-900

50-70

1.5-4.0

Sợi Gai Dầu

1.48

350-800

30-60

1.6-4.0

Sợi Dâm Bụt

1.3

400-700

25-50

1.7-2.1

Sợi Đay

1.3

300-700

20-50

1.2-3.0

Sợi tre

1.4

500-740

30-50

~2

1.5

300-500

30-50

2-5

1.2

150-180

4-6

20-40

Sợi
xidan
Sợi Dừa

Cây

Bảng thành phần hoá học của tre (bảng 1.3)

23

24

Bảng 1.3 Bảng thành phần hóa học của sợi tre [12].
Thành phần

Tỉ lệ (%)

Xenlulo

46- 48

Hemi-xenlulo

20- 22

Lignin

16- 17

Độ tro

2- 3

Phần tan trong nước lạnh

8- 10

Phần tan trong nước nóng

6- 8

Trong lĩnh vực chế tạo vi sợi, sợi tre có thể được tiếp tục xử lý qua các công
đoạn sâu hơn nhằm thu được vi sợi.Vi sợi có nhiều tính chất ưu việt hơn và khắc phục
được các nhược điểm của sợi tre trước đó .
* Phương pháp chế tạo vi sợi xenlulo từ sợi luồng kỹ thuật
Tại Trung Tâm Nghiên Cứu Vật Liệu Polyme Trường Đại Học Bách Khoa Hà
Nội, các tác giả Nguyễn Châu Giang, Tạ Phương Hòa, Nguyễn Huy Tùng, Nguyễn
Mậu Chức đã nghiên cứu và chế tạo được vi sợi xenlulo từ cây luồng [9].
Phương pháp chế tạo vi sợi từ luồng có hai giai đoạn:
Giai đoạn 1: Tách sợi kỹ thuật từ cây luồng
Dưới đây là một số phương pháp tách sợi đã được ứng dụng tại TT NCVL
Polyme ĐHBK HN.
Luồng chuẩn bị để chế tạo được loại bỏ hết gốc và đốt sau đó được chẻ thành
các thanh nhỏ và lại tiếp tục được tước bỏ vỏ và lõi. Các thanh luồng sau đó lại được
chẻ nhỏ hơn nữa đến đạt kích thước thích hợp và được cho vào máy cắt. Sợi luồng có

24


25

thể được chế tạo theo hai phương pháp sau: phương pháp tách nổ hơi nước (hình 1.7)
và phương pháp cơ học (hình 1.8). Sơ đồ khối của hai phương pháp theo như sau:
• Phương pháp tách nổ hơi nước
Tách nổ hơi
nước

Luồng

Sợi tre kỹ

thuật

Cán

Xử lý kiềm

Nghiền khô

Nghiền ẩm

Hình 1.7 Qui trình tách sợi luồng bằng phương pháp tách nổ hơi nước.
Quá trình tách nổ hơi nước (theo hình 1.7) bao gồm các công đoạn như sau: các
thanh luồng được chẻ nhỏ sau đó bỏ vào buồng hơi. Mở van cho hơi nước quá nhiệt
vào. Hơi nước quá nhiệt có nhiệt độ là 175o C và áp suất là 0,7-0,8 MPa. Sau 60 phút
giảm áp lực hơi một cách đột ngột để gây nên sự nổ tế vi trong các tế bào. Khi đó,
lignin và hemixenlulo trong các tế bào nhu mô và các bó sợi bị thủy phân. Lặp đi lặp
lại quá trình tách nổ hơi nước khoảng 9 lần để đảm bảo lignin và hemixenlulo bị thủy
phân triệt để.
• Phương pháp cơ học
Luồng

Cán dập

Xử lý kiềm
(NaOH 1N)

Cán dập

Sợi kỹ thuật

Cào tách sợi

Hình 1.8 Qui trình chế tạo sợi luồng theo phương pháp cơ học.

25