Nghiên cứu vật liệu composite phân hủy sinh học từ tinh bột khoai mì, pva và sợi xơ dừa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CAO LƯU NGỌC HẠNH

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOSITE
PHÂN HỦY SINH HỌC TỪ
TINH BỘT KHOAI MÌ, PVA VÀ SỢI XƠ DỪA

CHUN NGÀNH CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
MÃ SỐ CHUN NGÀNH: 60 52 76

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HCM – 12/ 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CAO LƢU NGỌC HẠNH

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOSITE
PHÂN HỦY SINH HỌC TỪ
TINH BỘT KHOAI MÌ, PVA VÀ SỢI XƠ DỪA

CHUN NGÀNH CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
MÃ SỐ CHUN NGÀNH: 60 52 76

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HCM – 12/ 2014


Cơng trình được hồn thành tại: Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Võ Hữu Thảo ...............................................................
TS. Trương Chí Thành .........................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1:

TS. Văn Phạm Đan Thủy .....................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2:

PSG.TS. Phạm Thành Quân ................................................

Luận văn này được bảo vệ tại Trường Đại học Cần Thơ, ngày 27 tháng 12 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch:

PGS.TS. Nguyễn Ngọc Hạnh ...................................................................

2. Thư ký:

TS. Nguyễn Quang Long ..........................................................................

3. Phản biện 1: TS. Văn Phạm Đan Thủy ..........................................................................
4. Phản biện 2: PSG.TS. Phạm Thành Quân. ....................................................................
5. Ủy viên:

TS. Trương Chí Thành .............................................................................

Xác nhận của chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được chỉnh sửa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA
KỸ THUẬT HÓA HỌC


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Cao Lưu Ngọc Hạnh

MSHV: 13050184

Ngày, tháng, năm sinh: 12/08/1984

Nơi sinh: Cần Thơ

Chun ngành: Cơng nghệ hóa học (CT)

Mã số : 605276

I. TÊN ĐỀ TÀI:

"Nghiên cứu vật liệu composite thân thiện mơi trường từ tinh bột khoai mì, PVA và
sợi xơ dừa"
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tạo các dạng preform xơ dừa có khả năng kết hợp với nhựa thân thiện mơi trường
Tổng hợp polymer thân thiện mơi trường có khả năng kết hợp với mat xơ dừa
Gia công và kiểm tra cơ tính của vật liệu composite từ các dạng preform xơ dừa và
polymer thân thiện môi trường
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/02/2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/11/2014
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. Võ Hữu Thảo
TS. Trƣơng Chí Thành
Tp. HCM, ngày … tháng … năm …
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC


LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn các q thầy, cơ Khoa Kỹ thuật Hóa Học,
trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã khơng ngại đường xa đến tận
Cần Thơ nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt cho chúng em những kiến thức hữu ích
trong suốt khóa học.
Với lịng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cám ơn thầy Võ Hữu Thảo và thầy
Trương Chí Thành đã tận tâm hướng dẫn, chỉ bảo cho em những kiến thức và kinh
nghiệm vô cùng quý báo trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Em xin cám ơn các quý thầy, cô bộ môn Cơng Nghệ Hóa Học, Khoa Cơng
Nghệ , Trường Đại Học Cần Thơ đã nhiệt tình giúp đỡ về cơ sở vật chất, tạo điều kiện

giúp em hoàn thành tốt luận văn với tất cả sự nhiệt tình.
Tơi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến bạn bè, đặc biệt là các bạn lớp Cao học Kỹ
Thuật Hóa Học khóa 2011- Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh, những
người đã đồng hành, chi sẻ kinh nghiệm và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và
nghiên cứu.
Con xin cảm ơn tạo hóa đã ban cho con người ba và người mẹ tuyệt vời. Ba,
mẹ không chỉ nuôi con lớn, cho con ăn học, dạy con cách làm người mà bên cạnh con
lúc nào cũng có ba mẹ động viên, chia sẻ và giúp đỡ con vượt qua mọi khó khăn mà
con vấp phải.
Sau cùng, tơi xin gửi lời cám ơn đến chồng tôi, người đã cổ vũ, động viên tôi,
luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho tơi vượt qua mọi khó khăn để hồn thành tốt
khóa học.

Cao Lưu Ngọc Hạnh


TÓM TẮT
Đề tài đã thực hiện các nghiên cứu, khảo nghiệm để kết hợp giữa nhựa phân hủy
sinh học và sợi xơ dừa trong việc chế tạo vật liệu mới và thân thiện với mơi trường.
Trong đó, điểm nổi bật của đề tài là cải thiện được tính hút nước và nâng cao được cơ
tính cho polymer phân hủy sinh học từ tinh bột sắn và PVA thông qua việc kết mạng.
Các nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm PVA, tinh bột sắn,
glutaraldehyde và glycerol, chúng được trộn lẫn vào nhau bằng phương pháp nóng
chảy với hai thiết bị chính được sử dụng là máy trộn kín Haake và máy ép thủy lực
Panstone. Kết quả khảo sát cho thấy rõ hiệu quả sử dụng chất khâu mạng glu và chất
hóa dẻo gly trong việc cải thiện cơ tính kéo và giảm độ hút nước của vật liệu nhựa
nghiên cứu. Ngoài ra, kết quả cũng cho thấy đã kết hợp thành công giữa nhựa phân
hủy sinh học và sợi xơ dừa trong việc chế tạo vật liệu mới và thân thiện với môi
trường.

ABTRACT
A number of study and characterization were carried out in order to combine
biodegradable polymer with coconut fibers into a new type and environmental
friendly material. In particular, the highlights of this project is to improve the
hydrophilic properties and improved mechanical properties for biodegradation
polymer of starch and PVA through networking. PVA, cassava starch, glutaraldehyde
and glycerol were used as samples in this study. By using melt-blending method, the
samples were prepared by Haake Polydrive and hydraulic machine Panstone. The
results show that crosslinker and plasticizer improve significantly tensile mechanical
properties and reduce water absorption of the products. In addition, the experiments
show that it was successful to combine biodegradable polymer with coconut fibers
into a new type and environmental friendly material.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên Cao Lƣu Ngọc Hạnh, học viên cao học lớp Kỹ thuật Hóa Học (CT)
khóa 2013. Tơi xin cam đoan luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu vật liệu composite thân
thiện từ tinh bột khoai mì, PVA và sợi xơ dừa” là cơng trình nghiên cứu của riêng
tơi, số liệu nghiên cứu được từ thực nghiệm và không sao chép. Tôi xin chịu trách
nhiệm về nghiên cứu của mình.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2014
Học Viên

Cao Lưu Ngọc Hạnh


Luận văn tốt nghiệp cao học

MỤC LỤC
............................................................................................................................ i

.............................................................................................................. iii
............................................................................................................... iv
...................................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................. 3
1.1.
nghiên cứu
....................................................... 3
12
121

....................................................... 8
.................................................................................................. 8

122
............................................................................................... 10
1.2.3. Poly Vinyl Alcohol ............................................................................................. 12
1.2.4. Polymer thân thi
ường t PVA và tinh b t nhi t d o ........................... 14
1.3. ậ
s
xơ
............................................... 22
1.3.1. Vật li u composite thân thi
ường .......................................................... 22
1.3.2. S
14

xơ

141
142
143
144

s

a .......................................................................................................... 23
ứ .............................................................................................. 26
a

ươ

.................................................................................... 26
.............................................................................................. 27
ứ ........................................................................................... 27
ứ .................................................................................... 28

Chương 2. THỰC NGHIỆM...................................................................................... 30
2.1. Hóa ch t và thi t bị ................................................................................................ 30
2.1.1. Hóa ch t ..................................................................................................... 30
2.1.2.Thi t bị ........................................................................................................ 30
2.2
ước ti n hành ................................................................................................ 33
2.2.1. Tổng h p polymer thân thi
ường .................................................. 33
2.2.2. Chuẩn bị
f
xơ a ........................................................................... 38
2.2.2.1.

ẩ ị
s xơ
.......................................................... 38
2.2.2.2.
ẩ ị s xơ
ẳ ..................................................... 40
2.2.2.3.
ẩ ị s xơ
......................................................... 41
i


Luận văn tốt nghiệp cao học
2.2.3. Gia công vật li u composite t polymer thân thi
ường và các d ng
f
xơ
............................................................................................ 41
2.2 3 1

xơ

2.2 3 2

s

2.2 3 3

s xơ
ơ

224

................................................................................ 41

xơ

ẳ

............................................................... 41
................................................................... 42

s

ẩ

Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN ......................................... 43
31
ổ
â
ườ ................................................. 43
3.1.1. Kh o sát h nhựa n n PVA/TB ................................................................. 43
3.1.2. Chọn tỷ l ch t hóa d o thích h p cho s n phẩm ...................................... 50
3.1.2.1. Chọn tỷ l ch t hóa d o cho tinh b t .............................................. 50
3.1.2.2. Chọn tỷ l ch t hóa d o cho PVA .................................................. 51
3.1.2.3. Chọn tỷ l ch t hóa d o thích h p cho hỗn h p ............................. 52
3.1.3. Kh o sát tính hút ẩm c a hỗn h p PVA/TB .............................................. 53

32

33
xơ

3.1.1.1. Kh o sát, lựa chọ
ươ
i quy t tính hút ẩm.................... 53
3.1.1.2. Bi n tính hỗn h p bằ
ươ
ật lý ................................. 53
3.1.1.3. Khâu m ng hóa học ....................................................................... 55
3.1.1.4. Khâu m ng hỗn h p PVA/TB bằng glutaraldehyde ..................... 56
f
xơ
........................................................... 73
321
xơ
............................................................ 73
322

s

323

s

xơ

ẳ

..................................................... 73

xơ
.................................................. 74
ậ
s
ỗ
/
f
............................................................................................................................ 74
331
s xơ
................................................................................... 74
3.3.1.1.
s xơ
xử ý ...................................................... 74
3 3 12
s xơ
xử ý ớ
OH................................................. 82
3.3.1.3.
s xơ
xử ý ớ H2O2.................................................. 83
332
s xơ
ẳ
xử ý xử ý ớ H2O2 ......................... 86
3.3.3. S xơ
xử ý xử ý ớ H2O2 ..................................... 87

Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 91

4.1. K t luận .................................................................................................................. 91
4.2. Ki n nghị ................................................................................................................ 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO
ii


Luận văn tốt nghiệp cao học

DANH MỤC BẢNG
B ng 1.1. M t s tính ch t vật lí khác c a PVA ........................................................... 13
B ng 1.2. So sánh tính ch t c a tinh b t nhi t d o và PVA ......................................... 14
B

13 S s

ư

ư

B ng 1.4. Thành phần hóa học c a s
B ng 1.5. Tính ch t c a s
B

2.1.

ướ

ẫ

B

2.2.

ướ

ẫ

B

2.3.

ướ

ươ

mc

xơ

xơ

n ................................. 21

a ............................................................. 23

a .............................................................................. 24
ơ

é .................................................................... 42
..................................................................... 42

ẫ

ơ

ậ ......................................................... 42

B ng 3.1. K t qu
é
a các mẫu hỗn h p PVA/TB khi tỷ l thành phầ
ổi
t 100/0 n 50/50 ở tỷ l glycerol là 30 phr ................................................................ 44
B

32

ơ

é

B ng 3.3. Tính ch
B ng 3.4. H

ơ ý

ẫ

/ B

ư ng ch t khâu m ng

B

3.5

B

3.6.

B

3.7. ơ

B

3.8. S s
xử ý s

B

a các ch t khâu m ng khác nhau ........................................... 56
ổ

ư ng glutaraldehyde . 58

ưở

ú

ước c a PVA/TB .... 65

ơ
é
s
ư
ườ
ở
s xơ
xử ý ........................................................................................................... 75
ơ

ẫ

s

s
ơ
é
xử ý ớ

s
ị

3.9. ơ

s

ờ

é ............................ 77

xơ

xử ý .................. 81

s
ư
OH 3%, ờ
ườ

ằ

ườ
2
s

xơ

ằ
s
.......................... 82
xử ý ớ H2O2 83

B
3.10. Cơ
s
ườ
ở s
ẳ ,
xử ý xử ý

ớ H2O2 ........................................................................................................................ 86
B

3.11. So s
ơ
xử ý xử ý ớ

ị

s
ư
ườ s xơ
H2O2..................................................................... 88

B ng 3.12 S s
ơ
at
s
ư
ường bằng s xơ a có các
ước khác nhau .................................................................................................... 89

iii


Luận văn tốt nghiệp cao học

DANH MỤC H NH
Hình 1.1. C u trúc khơng gian c a amylose .................................................................. 9
Hình 1.2. C u trúc không gian c a amylopectin .......................................................... 10

Hình 1.3. M t s c u trúc có kh ă
o liên k t khâu m ng với PVA .................... 19
Hình 1.4. S xơ a d ng r i và d ng thẳng .............................................................. 23
Hình 2.1. Hình nh máy tr n kín HAAKE ................................................................... 30
Hình 2.2. Hình nh cho máy ép th y lực PANSTONE ................................................ 31
Hình 2.3. B ngàm c
b n kéo .................................................................. 32
Hình 2.4. Quy trình t o t m ép polymer tr n h p giữa PVA và tinh b t ..................... 33
Hình 2.5. Quy trình tr n PP – g – MA vào hỗn h p PVA/tinh b t .............................. 35
Hình 2.6. Quy trình tr n parafin vào hỗn h p PVA/tinh b t ........................................ 36
Hình 2.7. Q
.......................................................................... 39
Hình 2.8
Hình 2.9 S
Hình 2.10. G

ẳ

Hình 3.1. Đ thị ơ

s
s

ẳ

....................................................................................... 40
................................................................................... 40
s
ớ
s xơ

xử ý ớ H2O2 ..................... 41

é

a các mẫu PVA/TB khi thay ổi tỷ l thành phần v kh i

ư ng t 100/0 n 50/50, 30 phr glycerol ................................................................... 44
Hình 3.2. Liên k t hydrogen giữa phân tử tinh b t và PVA ......................................... 45
Hình 3.3. Ả
ưởng c a tỷ l PVA/TB lên nhi
mẫu........................................... 46
Hình 3.4: Ả
ưởng c
ư ng tinh b
h p th ước c a polymer ....... 47
Hình 3.5. Mẫu có tỷ l PVA và tinh b
â
ước 8 giờ ................ 48
Hình 3.6. Gi
DSC c a mẫu tinh b (
ư ng glycerol là 30 phr) ................... 48
Hình 3.7. Gi
DSC mẫ
(
ư ng ch t hóa d o là 30% glycerol) ........... 49
Hình 3.8. Gi
DSC c a hỗn h p PVA/TB tỷ l 60/40 (30 phr glycerol) ............... 50
Hình 3.9. Mẫu nhựa PVA không ch y (5 phr glycerol) ............................................... 51
Hình 3.10. Đ thị th hi
s,

b
é
dãn dài tới h n c a mẫu PVA/TB
60/40 hóa d o với tỷ l
ổi t 25-35 phr ................................................ 52
Hình 3.11. Đ thị bi u diễ ơ
é
a các mẫ
/ B
ổi tỷ l thành
phần v kh ư ng t 100/0 n 50/50, 35 phr glycerol .............................................. 53
Hình 3.12. Ảnh SEM b mặt mẫu PP-g-MA ................................................................ 54
Hình 3.13. Ảnh SEM b mặt mẫu tr n sáp paraffin ..................................................... 54
Hình 3.14. Đ thị kh s ơ tính c a các ch t khâu m ng ......................................... 55
iv


Luận văn tốt nghiệp cao học
Hình 3.15. Ả
Hình 3.16: Ả

ưởng c
ưởng c a tỷ l

Hình 3.17. Ả

ưởng c a tỷ l

ơ

a polymer tr n h p ............. 57
ơ
a hỗn h p . 59

ơ

a mẫu khâu m ng bằng 10 phr

dung dịch 25% glutaraldehyde ..................................................................................... 59
Hình 3.18. G ã
DSC mẫu PVA/Tinh b t, 30 phr glycerol, 10 phr glutaraldehyde 60
Hình 3.19. G ã
DSC mẫu PVA/Tinh b t, 21 phr glycerol, 10 phr glutaraldehyde 61
Hình 3.20. Ph n ứng khâu m ng PVA bằng glutaraldehyde ........................................ 62
Hình 3.21. Gi
Hình 3.22. Gi

TGA c a mẫu PVA 30 phr glycerol ............................................. 62
TGA c a mẫu tinh b t 30 phr glycerol ......................................... 63

Hình 3.23. Gi
Hình 3.24. Gi
Hình 3.25. Gi

TGA c a mẫu PVA/TB 60/40 30 phr glycerol ............................. 64
TGA mẫu PVA/TB:60/40, 30phr glycerol, 10phr glutaraldehyde 64
TGA mẫu PVA/TB:60/40, 21phr glycerol, 10phr glutaraldehyde 65

Hình 3.26. Đ thị
ưởng c

ư ng ch t khâu m
n tính h p th ước c a
polymer ......................................................................................................................... 66
Hình 3.27. Mẫu 10 phr glutaraldehyde 25 phr glycerol,20 phr n â
ước 16 giờ ..... 67
Hình 3.28. Mẫ 20
ầu ....................................................................... 68
Hình 3.29. Mẫu 20% ngâm 18 ngày trong bùn ............................................................. 69
Hình 3.30. Mặt c t mẫu 20% ngâm 18 ngày trong bùn ................................................ 69
Hình 3.31. Mẫu 20% phân h 24
ù ( ư s y) ..................................... 69
Hình 3.32. Mẫu phân h y 20% trong 24 ngày trong bùn (mặt c t) .............................. 70
Hình 3.33. B mặt mẫ 20

s

ưới kính hi n vi quang ........................... 70

Hình 3.34. Các th n
ư c quan sát chi ti t ............................................................. 71
Hình 3.35: M t tập h p th n
s ưới kính hi n vi quang ............................. 71
H
3 36: G
ư
s ưới kính hi n vi quang ...................................... 72
Hình 3.37.
ẩ .................................................................................. 73
H
3 38 S xơ

ẳ
xử ý xử ý ớ H2O2 .............................. 73
Hình 3.39. S xơ a c t ng n xử lý với H2O2............................................................ 74
Hình 3.40
s
é
s
s
xử ý
... 75
Hình 3.41. Đ
é
s
s
xử ý
................... 75
Hình 3.42. Đ
ậ
s
xơ
xử ý
........ 76
Hình 3.43.
s
é
s
s
xử ý
ờ
é .... 77

Hình 3.44. Đ
Hình 3.45. Đ
Hình 3.46.
Hình 3.47. Đ
Hình 3.48. Đ
Hình 3.49 S s

é

s
ậ

s

s

s

s

é
é
ơ

s
s

ậ

s

s

é

xử ý
xử ý
s xơ

s

xơ
s xơ
ư
ườ

ờ

é ..... 77
ờ
é ........ 78
xử lý .. 81
xử ý ................. 81
xử ý ............. 81
ằ
.... 82
v


Luận văn tốt nghiệp cao học
Hình 3.50 S s

ơ
xơ
xử ý s
Hình 3.51.

ậ
xơ

s

s
ư

xử ớ

é

ị

s

H 2 O2 ở

ư

ư

ườ
ằ
OH 3%, 2

ườ

ờ

ằ

s
............ 83
s

xơ

xử ý ớ

ị

Hình 3.52. Đ
ị H 2 O2 ở
Hình 3.53. Đ

é

xử ý ớ
ị
Hình 3.54. ơ

H2O2 .............................................................................................. 85
é
s
ườ s xơ

ẳ ,

s
ờ
ậ

ư
xử ý
s
ư

................................ 84
ườ

ở
s xơ
xử ý vớ
....................................... 84
ườ
ằ
s xơ

xử ý xử ý ớ H2O2................................................................................................. 87
Hình 3.55 Đ
ậ
s
ư
ườ s xơ
ẳ , ,
xử ý xử ý ớ H2O2 ........................................................... 87

Hình 3.56. S s
ơ
xử ý xử ý ớ

é
ị

s
ư
ườ
ờ s
,
H2O2..................................................................... 88

Hình 3.57. S s
ậ
s
ư
ườ s xơ
,
xử ý xử ý ớ H2O2 ............................................................................ 89
Hình 3.58 S s
ơ
é
ập c
s
ư
ườ
ằ
xơ a

ó
ước khác nhau ......................................................................................... 90

vi


Luận văn tốt nghiệp cao học

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TPS .......................... Thermalplastic starch ( Tinh b t nhi t d o)
PVA......................... Polyvinyl alcohol
Gly........................... Glycerol
GA ........................... Glutaraldehyde
CA ........................... Citric acid
AP............................ Alhydride phtalic
Tg ............................. Glass transition temperature (Nhi

chuy n th y tinh)

Tm ............................ Melt temperature (Nhi

nóng ch y)

DMA .......................

ss(

â

ơ ý

ng)

DSC ......................... Differential Scanning Calorimetry analysis (Phân tích nhi
quét vi sai)
TGA ........................ Thermogravimetric analysis (Phân tích nhi t theo trọ
SEM ........................ Scanning electron microscope (Kính hi

ư ng

ư ng)

n tử quét)

MFI ......................... Melt Flow Index (Chỉ s ch y)
FT – IR .................... Fourier Transform Infrared spectroscopy
TEM ........................ Transmission electron microscopy

vii


Luận văn tốt nghiệp cao học

MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, ngành công nghiệp vật liệu đang ngày
càng có chỗ đứng quan trọng, đặc biệt trong đó có vật liệu polymer và composite. Với
những ưu điểm vượt trội như: cơ tính cao, khả năng bắt lửa chậm, chống thấm khí tốt,
bền trong các mơi trường acid, base, giá thành vừa phải, dễ gia công,… nên các loại
vật liệu này đã được sử dụng rộng rãi từ rất lâu và ngày càng được ưa chuộng hơn.
Tuy nhiên, sự xuất hiện của các vật liệu này với tần suất càng cao thì tình trạng báo

động về ơ nhiễm môi trường và cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên càng được báo
động mạnh mẽ. Nguyên nhân là do các loại vật liệu này chủ yếu được tạo ra từ các sản
phẩm của dầu mỏ và việc sử dụng sinh ra rất nhiều rác thải khó phân hủy. Trước tình
hình đó, các nhà khoa học đã, đang và khơng ngừng nghiên cứu để tìm ra các vật liệu
mới có khả năng phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường mà không làm chậm
tiến độ phát triển của khoa học và kỹ thuật. Kết quả là trong những năm gần đây, có
rất nhiều đề tài trong và ngồi nước nghiên cứu về lĩnh vực này và đạt được nhiều
thành công bước đầu như: Sự thối hóa vì nhiệt của composite cellulose/tinh bột biến
tính gia cường bằng sợi sisal (Alvarez, Vázquez, 2004), Nghiên cứu sơ lược về sự gia
cường của sợi tự nhiên cho composite nền tinh bột – gluten – glycerol (Corradini,
Morais, Rosa, Mazzetto, Mattoso, Agnelli,2006), Vật liệu nanocomposite thành phần
tinh bột (Medeiros, Dufresne, Orts, 2008), Sản xuất composite gia cường sợi tự nhiên
từ nhựa nhiệt dẻo và sinh khối giàu polyhydroxybutyrate (Coats, Loge, Wolcott,
Englund, McDonald, 2008), Ảnh hưởng của việc xử lý đến tính chất cơ và nhiệt của
composite có khả năng phân hủy sinh học nền poly ethylene vinyl alcohol/tinh bột gia
cường bằng sợi xơ dừa (Morsyleide F. Rosa, Bor-sen Chiou, Eliton S. Medeiros,
Delilah F. Woodb, Tina G. Williams, Luiz H.C. Mattoso, William J. Orts, Syed H.
Imam, 2009), Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu nanocomposite phân hủy sinh học trên
cơ sở hỗn hợp tinh bột (Trương Phước Nghĩa, Trần Quang Thuận, Đặng Tấn Tài, Hà
Thúc Huy, 2009),…
Tuy nhiên, việc ứng dụng này còn rất nhiều hạn chế như giá thành của vật liệu
cịn khá cao, cơ tính thấp, ít có khả năng phân hủy sinh học hồn toàn, thời gian và
điều kiện phân hủy nghiêm ngặt, khả năng hấp thụ nước cao, và đặc biệt là chưa có
nghiên cứu nào kết hợp giữa nhựa thân thiện mơi trường với sợi xơ dừa để tạo ra vật
liệu composite hồn tồn thân thiện với mơi trường. Chính vì thế, đề tài “Nghiên cứu
vật liệu composite thân thiện môi trường từ tinh bột khoai mì, PVA và sợi xơ dừa”
1


Luận văn tốt nghiệp cao học

được thực hiện với mục tiêu bước đầu tìm ra phương pháp tổng hợp màng polymer
phân huỷ sinh học có khả năng tương hợp với sợi xơ dừa để làm nền cho vật liệu
composite thân thiện với mơi trường. Nghiên cứu này khơng những góp phần tạo nên
bước đột phá lớn cho ngành vật liệu composite với việc sử dụng polymer thân thiện
môi trường làm vật liệu nền và sợi xơ dừa làm vật liệu gia cường cho composite mà
còn nâng cao giá trị kinh tế của cây khoai mì, cây dừa. Tận dụng nguồn nguyên liệu
dồi dào sẵn có và giải quyết sự phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu tổng hợp nhập khẩu.
Ngoài ra, việc phát triển thành công composite từ hai thành phần chính là polymer
phân huỷ sinh học và sợi xơ cịn nhằm vào mục đích chung tay bảo vệ mơi trường.

2


Luận văn tốt nghiệp cao học

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Các cơng trình nghiên cứu liên quan đến đề tài
Để phối trộn tinh bột và PVA người ta thường dùng hai phương pháp: phương
pháp dung dịch và phương pháp nóng chảy. Phương pháp dung dịch là phương pháp
dùng một lượng lớn dung mơi (thường là nước) hịa tan tinh bột và PVA theo tỷ lệ
khối lượng, sau đó màng được tạo bằng phương pháp đổ khuôn. Ưu điểm của phương
pháp này là đạt được sự đồng nhất cao nên thường được dùng để bước đầu khảo sát
các tính chất của hỗn hợp tinh bột và PVA. Để phù hợp với gia cơng trong cơng
nghiệp thì phương pháp nóng chảy cho nhiều lợi thế. Sau đây là tóm tắt một số nghiên
cứu trên thế giới về trộn hợp tinh bột và PVA.
Tác giả J.W.Lawton ở bộ nông nghiệp Hoa Kỳ nghiên cứu tạo màng từ hỗn hợp
tinh bột nhiệt dẻo và PVA bằng phương pháp dung dịch. Tác giả khuấy trộn hỗn hợp ở
nhiệt độ 90oC, khn được lót giấy chống dính và được gia nhiệt trước lên đến 95oC.
Kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của các loại tinh bột khác nhau là đến tính
chất của sản phẩm là khơng đáng kể. Tuy nhiên tinh bột bắp với hàm lượng amylose

cao sẽ cho sản phẩm có độ biến dạng và độ bền va đập cao [63].
Hai tác giả Dayangku Intan Munthoub & Wan Aizan Wan Abdul Rahman ở
Malaysia đã tiến hành nghiên cứu độ bền kéo và tính chất hấp thụ nước của vật liệu
composite thân thiện mơi trường có nguồn gốc từ vỏ khoai mì và PVA được hóa dẻo
bằng glycerol. Bằng phương pháp đùn trục vít, tác giả đã tạo ra các mẫu thử với các tỷ
lệ vỏ khoai mì và glycerol khác nhau và tiến hành khảo sát. Kết quả cho thấy độ giãn
dài tới hạn và modulus của hỗn hợp tăng khi tăng lượng glycerol, tuy nhiên độ bền kéo
lại giảm. Tính hút ẩm của vật liệu composite tăng khi tăng hàm lượng vỏ khoai mì do
tính chất ưa nước nhưng độ hút nước lại giảm khi có mặt glycerol [64].
Nhóm tác giả Lijun Mao, Syed Imam, Sherald Gordon, Patrizia Cinelli và Emo
Chiellini dùng kết hợp hai phương pháp dung dịch và đùn để nghiên cứu ảnh hưởng
của hàm lượng chất hóa dẻo (glycerol) lên cơ tính, tính chất cơ lý động (DMA), tính
chất nhiệt và khả năng phân hủy của hỗn hợp tinh bột/PVA. Kết quả nghiên cứu cho
thấy khi thêm PVA vào hỗn hợp tinh bột – glycerol sẽ làm tăng độ dãn dài của hỗn
hợp. Kết quả phân tích DMA cho thấy Tg của hỗn hợp giảm khi tăng lượng glycerol.
Ngồi ra, thơng qua những phân tích hình thái bằng chụp ảnh SEM, nghiên cứu đã cho
thấy rằng việc thêm PVA vào hỗn hợp tinh bột – glycerol giúp giảm các vết nứt trên

3


Luận văn tốt nghiệp cao học
bề mặt và cải thiện được cơ tính. Hỗn hợp được đánh giá là phân hủy khá nhanh trong
môi trường đất, hàm lượng PVA càng cao thì khả năng phân hủy càng chậm.
Nhóm Xiang Yang Zhou, Yao Fei Cui, De Min Jia và Dong Xie tại viện khoa học
và công nghệ, thuộc trường Đại Học công nghệ Nam Trung Quốc đã nghiên cứu về
ảnh hưởng của chất hóa dẻo phức hợp lên cấu trúc và tính chất của hỗn hợp nhựa nhiệt
dẻo PVA – tinh bột. Kết quả cho thấy phức hợp của glycerol/urea đạt độ ổn định cao
hơn và tạo các lên kết hydro mạnh hơn giữa nước và các phân tử hỗn hợp PVA/tinh
bột hơn là sử dụng riêng từng loại chất hóa dẻo. Bằng phương pháp chụp ảnh SEM,

nhóm đã cho thấy được, khi sử dụng kết hợp glycerol/urea làm chất hóa dẻo cho hỗn
hợp PVA/tinh bột thì khả năng phân tán của các hạt tinh bột vào nhựa tốt hơn, hỗn hợp
đạt độ đồng nhất cao hơn. Khảo sát tính chất lưu biến, tính cơ học và tính chất tinh thể
của hỗn hợp PVA/tinh bột, kết quả cho thấy, tinh bột khi được hóa dẻo bằng hỗn hợp
glycerol/urea (20/10 phr) có tính chất lưu biến và tính cơ học cao hơn khi chỉ sử dụng
glycerol. Ngồi ra, phức hợp chất hóa dẻo glycerol/urea còn làm tăng độ bền kéo và độ
giãn dài tới hạn lên 7,23 MPa và 203% [65].
Nghiên cứu của nhóm Lee Tin Sin, W.A.W.A. Rahman, A.R. Rahmat, M.I. Khan
(Khảo sát sự tương hợp của vật liệu trộn hợp PVA – tinh bột khoai mì bằng phương
pháp DSC), mẫu được chuẩn bị bằng phương pháp dung dịch sau đó được ép nóng và
được xác định tính chất bằng phương pháp DSC. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng
khi hàm lượng PVA < 20% có hiện diện mũi thu nhiệt với điểm bắt đầu và kết thúc
đều có nhiệt độ cao hơn PVA. Vật liệu PVA – tinh bột khoai mì với hàm lượng PVA
lớn hơn hoặc bằng 30% thể hiện enthalpy nóng chảy cao hơn so với dự đốn lý thuyết,
điều này chứng tỏ có các liên kết mạnh giữa PVA và tinh bột. Đồng thời nghiên cứu
công nhận rằng khi hàm lượng PVA từ 65 ÷ 75% thì mật độ các liên kết tương đương
với PVA. Do đó giá thành của vật liệu của PVA có thể được giảm xuống mà khơng
ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của sản phẩm [66].
Nhóm tác giả Nadras Othman và cộng sự ở trường đại học Sains, Malaysia cũng
sử dụng phương pháp dung dịch để tạo thành màng polymer từ tinh bột bắp và PVA
thủy phân 90%, với chất hóa dẻo là glycerol, chất gây biến dạng là tweenum – 80 cùng
với sáp parafine, đồng thời có thêm một lượng hexamethylenetetramine (HMTA). Kết
quả đo DSC cho thấy PVA và tinh bột bắp có thể trộn lẫn với nhau và có thể tương
hợp tốt do có tồn tại lực tương tác giữa các mạch PVA và tinh bột. Lực tương tác làm
tăng cường khả năng trộn hợp của PVA và tinh bột nhưng lại làm chậm quá trình kết
tinh của PVA. Cấu trúc tinh thể có nhiệt độ phân hủy cao hơn cấu trúc vơ định hình
cũng như có độ ổn định về nhiệt độ cao hơn cấu trúc vô định hình. Kết quả đo TGA
4

Luận văn tốt nghiệp cao học
cho thấy hỗn hợp PVA/tinh bột bắp bị hạn chế về mặt ổn định nhiệt và giảm lực tương
tác giữa PVA và tinh bột nhiệt dẻo. Vì thế, việc đưa tinh bột bắp vào hệ thống sẽ làm
giảm tính ổn định nhiệt của PVA [67].
Khả năng tương tác giữa tinh bột và PVA tốt nhưng chưa đủ mạnh để có thể tạo
những sản phẩm có tính chất cơ như mong muốn. Nhiều nghiên cứu của các tác giả
trên thế giới tập trung vào việc gia tăng thêm cơ tính của hỗn hợp bằng nhiều cách
khác nhau. Ngồi ra, hỗn hợp tinh bột và PVA có độ hút ẩm rất cao, do cả hai polymer
thành phần đều là polymer ưa nước và có khả năng tan rất tốt trong nước. Điều này
góp phần làm cho việc ứng dụng sản phẩm vào thực tế gặp nhiều khó khăn, do đó việc
biến tính hỗn hợp nhằm làm giảm tính hút nước cũng là một vấn đề cần thiết. Một
trong những khả năng đó là khâu mạng hỗn hợp tinh bột và PVA. Đã có một số cơng
trình nghiên cứu về khâu mạng hỗn hợp tinh bột và PVA cho kết quả rất khả quan.
Nhóm tác giả Fahmida Parvin, Md. Arifur Rahman, Jahid M. M. Islam, Dr.
Mubarak A. Khan và A. H. M. Saadat sử dụng tinh bột gạo, với glycerol làm chất hóa
dẻo, đồng thời cịn trộn thêm đường vào để làm tăng độ bền kéo và độ giãn dài, nghiên
cứu cho thấy với tỷ lệ tinh bột:PVA:đường là 1:8:1 thì sản phẩm cho độ bền kéo và độ
dãn dài cao nhất. Sử dụng tỷ lệ này, tác giả dùng thêm methylmethacrylate (MMA) để
biến tính hỗn hợp bằng phương pháp ghép. Kết quả đo cơ tính của màng có ghép
MMA cao hơn so với màng khơng được ghép. Khả năng hút nước và phân hủy trong
đất thấp hơn so với màng khơng ghép [68].
Nhóm tác giả N. Tudorachi, C.N. Cascaval, M. Rusu, M. Pruteanu đã tiến hành
kiểm tra hỗn hợp polyvinyl alcohol và tinh bột về khả năng phân hủy sinh học và một
vài đặc tính kỹ thuật. Mẫu thử được chế tạo bằng phương pháp dung dịch với thành
phần gồm có PVA, tinh bột, glycerol và urea. Để kiểm tra khả năng phân hủy sinh học,
tác giả đã phân lập hai dòng vi sinh vật là Penicilium viridicztum và Fusarium sp từ
bùn trong nước thải và hai loại nấm là Penicilium sp và Cephalosporium sp. từ bãi
chôn lấp rác. Hai dịng vinh sinh vật được ni cấy trên các đĩa petri, mỗi mẫu thử cho
vào được cân chính xác (±0,0001) và được ngâm trong 18 ngày sau đó được cân để
xác định lại khối lượng bị mất. Kết quả cho thấy độ bền kéo của hỗn hợp nhựa tăng lên

khi tăng hàm lượng PVA cũng như giảm hàm lượng tinh bột. Độ bền kéo giảm khi
tăng hàm lượng glycerol, điều này cho thấy PVA hoạt động như một chất hóa dẻo thực
sự cho hỗn hợp, sự hiện diện của glycerol làm tăng độ linh động cho mạch PVA và
tinh bột dẫn đến sự giảm cơ tính. Kết quả đo phân hủy sinh học cho thấy sự suy giảm
của cơ tính và độ mất khối lượng của mẫu. Độ mất khối lượng phụ thuộc nhiều vào
thành phần trong mẫu và loại vi sinh vật tồn tại trong môi trường. [69]
5


Luận văn tốt nghiệp cao học
Nhóm tác giả Xiaozhao Han, Sensen Chen, Xianguo Hu nghiên cứu ứng dụng
làm màng bao cho phân bón, tận dụng khả năng phân hủy sinh học của màng PVA để
giải phóng từ từ phân bón vào đất. Các tác giả sử dụng tỷ lệ PVA/TB là 70/30 và thực
hiện khâu mạng với chất khâu mạng là formaldehyde. Việc tạo màng và khâu mạng
được thực hiện trong môi trường dung dịch. Mẫu được khảo sát về độ hút nước trong
nước cất và độ phân hủy trong môi trường đất. Kết quả cho thấy độ hút nước tăng khi
tăng lượng PVA, khi có thêm formaldehyde thì độ hút nước giảm, hàm lượng
formaldehyde càng cao thì độ hút nước càng giảm. Mẫu đo phân hủy trong đất cho kết
quả sau 50 ngày chơn mẫu vật trở nên giịn và giảm khối lượng hơn 50% [70].
Tác giả N. A. Azahari và hai đồng sự ở Malaysia đã tiến hành nghiên cứu sự
phân hủy của hỗn hợp polymer PVA/tinh bột bắp trong cả hai môi trường rắn và dung
dịch, đồng thời khảo sát tính hấp thụ nước của màng. Màng PVA/CS được tổng hợp
bằng phương pháp dung dịch, thành phần màng bao gồm PVA, tinh bột bắp,
hexamethylenetetramine (HMTA), glycerol, sáp paraffin, tween–80 (polysorbate) [71].
Để khảo sát sự phân hủy trong các môi trường, tác giả tạo các mẫu polymer trộn
hợp theo kích thước tiêu chuẩn với các thành phần tinh bột, PVA và các chất hóa dẻo
khác nhau. Để khảo sát khả năng phân hủy trong môi trường dung dịch, các mẫu này
được cho vào ngâm trong dung dịch có enzyme amylase và lắc trong 60 giờ. Khảo sát
sự phân hủy trong môi trường rắn, tác giả chọn hai phương pháp là chôn trong đất và ủ
phân sinh học. Kết quả nghiên cứu cho thấy trong môi trường enzyme amylase, hàm

lượng tinh bột càng cao thì độ phân hủy càng cao (cao nhất là tỷ lệ PVA/TB là 70/30,
mất hơn 92.47% trong 60 giờ). Kết quả đo phân hủy trong đất và ủ phân sinh học cho
kết quả rất khả quan, cả hai điều kiện đều làm mất hơn 85% khối lượng sau 8 tuần. Về
việc khảo sát tính hút nước, nghiên cứu lại một lần nữa cho thấy khả năng hút nước
của vật liệu càng tăng khi hàm lượng tinh bột tăng.
Nhóm tác giả Rui Shi, Jingliang Bi, Zizheng Zhang, Aichen Zhu, Dafu Chen,
Xinhua Zhou, Liqun Zhang, Wei Tian ở Trung Quốc nghiên cứu ảnh hưởng của acid
citric lên cấu trúc của hỗn hợp nhựa PVA và tinh bột và khả năng gây độc của nhựa
khi gia công bằng phương pháp ép ở nhiệt độ cao. Các màng của tinh bột và PVA
được ép ở 140oC với sự hiện diện của glycerol và acid citric. Q trình ester hóa diễn
ra dễ dàng giữa CA và tinh bột và khó khăn hơn đối với PVA. Chính q trình ester
hóa và đa carboxyl tạo ra các liên kết ngang, chính sự thay đổi cấu trúc này đã làm
thay đổi một loạt các tính chất của hỗn hợp nhựa. Sau q trình ester hóa, hỗn hợp
nhựa có độ ổn định nhiệt cao hơn, mức độ trương giảm từ 33 đến 20% khi tỷ lệ CA
tăng từ 5 – 30 phr, khi 5 phr CA được thêm vào độ bền kéo tăng từ 39 lên 48 MPa,
6


Luận văn tốt nghiệp cao học
nhưng khi tăng lượng CA lên thì độ bền kéo lại giảm từ 48 về 42 MPa, độ dãn dài tới
hạn tăng từ 102% đến 208%. Để giải thích hiện tượng này, tác giả cho rằng do hiệu
ứng hóa dẻo của CA dư tương tự như glycerol. Về độ độc của hỗn hợp nhựa, các kết
quả về độ tăng trưởng tương đối (RGR) với tất cả các mẫu có lượng CA vượt quá 80%
sau 7 ngày ủ. Kết quả cho thấy khơng có ảnh hưởng tiêu cực đáng kể khi quan sát các
tế bào khi hàm lượng CA ít hơn 20 phr [72].
Nhóm tác giả Melissa A.L. Russo, Cathryn O’Sullivan, Beth Rounsefell, Peter J.
Halley, Rowan Truss, William P. Clarke nghiên cứu về khả năng phân hủy kị khí của
hỗn hợp nhựa tinh bột:PVA và khả năng ứng dụng của polymer trộn hợp làm vật liệu
đóng gói thực phẩm. Mục đích của nghiên cứu này là đo tốc độ và mức độ hòa tan cho
các tỷ lệ của tinh bột và PVA. Các số liệu thực nghiệm về khả năng phân hủy cho thấy

ở cuối quá trình phân hủy chì cịn lại PVA, tinh bột thì hồn tồn bị phân hủy. Hàm
lượng PVA có ảnh hưởng đáng kể đến độ hòa tan. Hằng số tốc độ phân hủy giai đoạn
1 (k1) được tính theo độ hịa tan của tinh bột, hằng số giai đoạn hai (k2) giảm khi tăng
lượng PVA. Một giả thuyết được đặt ra là PVA hình thành một pha liên tục và bao lấy
tinh bột, chính điều này làm chậm tốc độ phân hủy tinh bột với hàm lượng tinh bột có
thể lên đến 50% [73].
Năm 2003, Tiến sĩ Phạm Thế Trinh đã tổng hợp màng polyme tự hủy trên cơ sở
nhựa polyetylen tỷ trọng thấp (LDPE) với tinh bột khoai mì biến tính bằng phương
pháp phốt phát hóa trên máy đùn trục vít. Tác giả đã tạo được màng có tỷ lệ tinh
bột/LDPE từ 20 đến 70%. Kết quả là tính chất cơ học giảm dần khi tăng hàm lượng
tinh bột phốt phát hóa [34].
Trương Phước Nghĩa và cộng sự đã tổng hợp thành công vật liệu
nanocomposite phân hủy sinh học trên cơ sở hỗn hợp tinh bột nhiệt dẻo, polyvinyl
alcol và khoáng sét montmorillonite bằng phương pháp dung dịch. Kết quả là khi độn
thêm khống sét khơng có hiện tượng tách pha và khả năng phân tán của khoáng sét
trong hỗn hợp nhựa nền là rất tốt [33].
Mai Văn Tiến và cộng sự thuộc Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam cũng đã
nghiên cứu vật liệu polymer phân hủy sinh học trên cơ sở polyvinylalcol và tinh bột
khoai mì. Tác giả đã xác định được tỷ lệ thích hợp để gia cơng chế tạo vật liệu là
polyvinylalcol/tinh bột/glycerin/polycaprolacton là 85/15/10/10 [35].
Nhìn chung, các nghiên cứu nêu trên chủ yếu là thực hiện việc tổng hợp nhựa
thân thiện môi trường bằng phương pháp dung dịch, phương pháp này rất phù hợp cho
việc nghiên cứu trong phịng thí nghiệm do độ đồng nhất cao. Tuy nhiên, nếu ứng
7


Luận văn tốt nghiệp cao học
dụng thực tế thì sử dụng phương pháp này khơng đạt hiệu quả cao vì việc sử dụng
dung môi không những tạo ra sản phẩm có tính kinh tế thấp mà cịn nguy hại cho mơi
trường. Ngồi ra, với phương pháp dung dịch chỉ tạo được những sản phẩm dạng

màng, từ đó việc ứng dụng của loại nhựa sau tổng hợp bị hạn chế. Chính vì thế, hướng
đề tài chọn là phương pháp trộn nóng chảy để có thể đa dạng hóa ứng dụng của loại
nhựa này.
Ứng dụng của nhựa thân thiện môi trường không chỉ dừng lại ở những vật dụng
hoàn toàn từ loại nhựa này mà còn được kết hợp với các loại sợi tự nhiên tạo nên vật
liệu composite hoàn toàn thân thiện với mơi trường. Đây cũng chính là hướng mới mà
đề tài sẽ thực hiện. Tuy nhiên, cơ tính của vật liệu composite được dự đốn sẽ khơng
cao do cơ tính thấp và tính hút ẩm của nhựa nên đề tài sẽ tập trung giải quyết hai vấn
đề trên. Hướng giải quyết là sẽ dùng chất khâu mạng và chọn loại chất khâu mạng phù
hợp, tương đối thân thiện với môi trường, dự kiến sẽ dùng dung dịch glutaraldehyde.
1.2. Polymer trộn hợp từ tinh bột khoai mì và PVA
1.2.1. Tinh bột khoai mì
Tinh bột khoai mì chứa hai thành phần chính là amylose (15-25%) và
amylopectin (75-85%). Tinh bột khoai mì có hàm lượng amylopectin và phân tử lượng
trung bình tương đối cao [25].
Trong đó, amylose (hình 1.1) là chuỗi polymer mạch thẳng có khối lượng phân tử
105 ÷ 106 g/mol, được liên kết bởi α-1,4 glucozit, chiều dài trung bình khoảng 500 ÷
2000 đơn vị glucose, phụ thuộc vào nguồn gốc và quá trình chế biến. Trong hạt tinh
bột hoặc trong dung dịch hoặc ở trạng thái thối hóa, amylose thường có cấu hình
mạch giãn, khi thêm tác nhân kết tủa vào, amylose mới chuyển thành dạng xoắn ốc.
Mỗi vòng xoắn ốc gồm 6 đơn vị glucose, đường kính của xoắn ốc là 12.97 Å, chiều
cao của vòng xoắn là 7.91 Å. Các nhóm hydroxyl của các gốc glucose được bố trí ở
phía ngồi xoắn ốc, bên trong là các nhóm C-H. Phân tử amylose có một đầu khử và
một đầu khơng khử, cấu hình α- glucose tạo cho phân tử có đặc tính mềm dẻo hơn
[28].
Amylose có tính ưu nước do đó dễ hồ tan trong nước ấm và tạo nên dung dịch
có độ nhớt khơng cao. Khi hạ thấp nhiệt độ, dung dịch của nó khơng bền. Tuy nhiên
do có chứa nhiều nhóm OH nên các phân tử amylose sắp xếp khít và song song với
nhau. Ngồi ra, cịn có khả năng tạo liên kết hydro giữa các mạch, do đó làm giảm ái
lực giữa amylose và nước, vì vậy dung dịch amylose trở nên mờ đục. Với dung dịch

đậm đặc các phân tử liên kết với nhau tạo cấu trúc mạng lưới không gian ba chiều, tạo
8


Luận văn tốt nghiệp cao học
ra sự gel hoá gọi là q trình thối hóa. Tốc độ q trình thối hóa phụ thuộc vào pH,
sự có mặt của các ion, nồng độ và khối lượng của amylose. Khi có mặt của các acid
hoặc monoglycerit, chúng sẽ hình thành với amylose phức chất, làm giảm sự trương
phồng và độ nhớt của hỗn hợp, bảo vệ hợp phần khỏi sự thối hóa. Tốc độ q trình
thối hóa phụ thuộc vào pH, sự có mặt của các ion, nồng độ và khối lượng của
amylose. Khi có mặt của các acid hoặc monoglycerit, chúng sẽ hình thành với amylose
phức chất, làm giảm sự trương phồng và độ nhớt của hỗn hợp, bảo vệ hợp phần khỏi
sự thối hóa [28].
Cấu trúc phân tử của amylose tạo điều kiện cho quá trình hình thành màng
mỏng, chắc và dai. Ngồi ra, các phân tử amylose cịn có ái lực với iode và các phân tử
khác như rượu, acid béo, hợp chất ưa nước… Amylose tạo ra các phức xoắn, phức này
tạo với iode có màu xanh đậm, tạo kết tủa với buthanol và các hợp chất ưa nước. Dựa
trên đặc điểm này có thể dùng để nhận biết và định lượng sơ bộ hàm lượng amylose.

Hình 1.1. Cấu trúc không gian của amylose [30]
Ngược lại, amylopectin là polymer mạch nhánh (hình 1.2), có khối lượng phân
tử 107–109 g/mol, được liên kết với nhau chủ yếu thông qua liên kết α-1,4 glucozit.
Ngồi ra cịn có liên kết α-1,6 glucozit và chính liên kết này đã tạo ra cấu trúc mạch
nhánh cho amylopectin. Mỗi mạch nhánh này chứa khoảng 25 ÷ 30 mắt xích glucose.
Phân tử amylopectin có thể chứa tới 100000 đơn vị glucose [30].

9


Luận văn tốt nghiệp cao học

Hình 1.2. Cấu trúc khơng gian của amylopectin [30]
Phần tử amylopectin có một đầu khử duy nhất, có mức độ kết tinh thấp hơn
nhiều so với amylose. Amylopectin có khả năng hấp thụ nhiều nước đun nóng với sự
có mặt của nước và là thành phần chủ yếu tạo nên sự trương phồng của hạt tinh bột.
Do có cấu trúc khơng gian lập thể nên phân tử amylopectin khơng có xu hướng kết
tinh và có khả năng giữ nước lớn, nhưng khơng hồ tan trong nước. Đây là đặc điểm
khác biệt với amylose. Vì vậy, dung dịch amylopectin khơng bị hiện tượng thối hóa
[30].
Sự khác biệt giữa amylose và amylopectin đôi khi là không rõ rệt, do các phân
tử amylose có khoảng 2000 gốc glucose và một phần nhỏ có nhánh nên nó cũng có
tính chất giống với amylopectin. Amylose và amylopectin có thể tách riêng biệt với
nhau theo nhiều phương pháp như hoà trong dung dịch alcohol, các dung dịch ưa
nước. Một trong những phương pháp thông dụng là đun dung dịch huyền phù ở nhiệt
độ 90-100ºC. Amylopectin khơng hồ tan, amylose hồ tan hoàn toàn.
1.2.2. Tinh bột nhiệt dẻo
Tinh bột được biết đến trong một thời gian dài như là một loại thực phẩm cung
cấp nhiều năng lượng cho cơ thể con người. Tuy nhiên, xem xét tinh bột dưới khía
cạnh một polymer nhựa nhiệt dẻo chỉ thực sự được quan tâm trong thời gian gần đây.
10


Luận văn tốt nghiệp cao học
Tinh bột chỉ được gọi là tinh bột nhiệt dẻo (Thermo Plastic Starch - TPS) khi tinh bột
đã hóa dẻo bởi một q trình gelatin hóa (nấu chín) hay q trình hóa dẻo. Q trình
này chỉ xảy ra khi tinh bột được nung nóng (có thể kết hợp với áp suất cao) với sự hiện
diện của một hoặc nhiều hợp chất có khả năng hóa dẻo tinh bột như nước, glycerol, …
Q trình hóa dẻo bao gồm việc làm cho hạt tinh bột trương lên, mất định hướng cấu
trúc, và làm giảm độ kết tinh. Các chất có thể tham gia vào q trình gelatin hóa tinh
bột gọi là chất hóa dẻo. Q trình hóa dẻo có thể thực hiện với lượng thừa hoặc vừa đủ

chất hóa dẻo, nhiệt độ hoặc áp suất. TPS hóa dẻo bằng các chất hóa dẻo khác nhau có
tính chất khác nhau. Các chất hóa dẻo được hấp thu vào trong cấu trúc tinh bột và có
sự tương tác với các mạch tinh bột. Độ nhớt của TPS cũng như tính chất của TPS phụ
thuộc khá nhiều vào thành phần tinh bột [33-46].
Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu trên thế giới về hóa dẻo tinh bột nhằm nổ
lực biến tinh bột trở thành một polymer nhiệt dẻo, có thể dễ dàng gia công bằng các
phương pháp thông dụng như đùn, ép phun, cán…Sau đây là một số cơng trình tiêu
biểu nghiên cứu về hóa dẻo tinh bột.
Chất hóa dẻo được dùng đầu tiên và đến nay vẫn còn được tiếp tục nghiên cứu
sử dụng đó là nước. Tác giả R.F.T Stepto ở Đại học Manchester, Anh đã nghiên cứu
kỹ về việc dùng chất hóa dẻo là nước. Bằng phương pháp phân tích nhiệt vi sai, tác giả
nhận thấy lượng nước khác nhau sẽ làm thay đổi đáng kể nhiệt độ nóng chảy (Tm) của
tinh bột và Tm giảm khi hàm lượng nước tăng. Điều này gây trở ngại cho việc xác định
Tm chính xác vì TPS dễ hút ẩm. Sản phẩm TPS hóa dẻo bằng nước có độ nhớt gần
giống nhựa polyethylene và có thể gia cơng bằng máy ép phun, ứng dụng vào lĩnh vực
bao bì chứa dựng và phân phối thuốc [33-46].
Ngồi việc dùng hóa chất dẻo cổ điển là nước, rất nhiều tác nhân hóa dẻo khác
cũng được nghiên cứu sử dụng như sorbitol, ethylene glycol (EG), threitol, xylitol,
glucose, glycerol, ure, formamide, 1-octanol, 1-hexanol, 1-dodecanol, 1-octadecanol,
1,4-butanediol (BTU), 1,6-hexanediol, propylene glycol (PG), triethyleneoxide glycol
(TEG), ethylene glycol monomethyl ether, D-sorbitol (SOR), aliphatic amidediol, dầu
đậu nành,… Những nỗ lực tìm kiếm chất hóa dẻo hiệu quả hơn mục đích nhằm góp
phần làm chậm q trình tái kết tinh, tăng cường tương tác giữa chất hóa dẻo và tinh
bột tránh hiện tượng di hành, giúp gia công dễ dàng hơn, tăng ứng suất, tăng độ biến
dạng…Nhìn chung, ứng với mỗi chất hóa dẻo khác nhau sẽ cho tính chất của TPS
khác nhau nhưng khơng nhiều. Hiện nay, họ chất hóa dẻo được quan tâm nhiều hơn là
họ nhóm chức amin hoặc amide như: athanolamide, foramide và ethylenebisforamide.

11