Khảo sát sự tạo màng composite sinh học tinh bột chuối sợi chuối

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

BÙI QUỲNH NHƯ

KHẢO SÁT SỰ TẠO MÀNG COMPOSITE TINH BỘT
CHUỐI - SỢI CHUỐI
Chuyên ngành : Công nghệ vật liệu cao phân tử và tổ hợp
Mã số: 10030678

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2013


 

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thị Lê Thanh
Cán bộ chấm xét 1: TS. La Thị Thái Hà.
Cán bộ chấm xét 2: TS. Nguyễn Cửu Khoa.
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 09 tháng 08 năm 2013.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1.

PGS.TS. Nguyễn Đắc Thành.

2.

TS. La Thị Thái Hà.

3.

TS. Nguyễn Cửu Khoa.

4.

TS. Nguyễn Thị Lê Thanh.

5.

TS. Nguyễn Thị Lệ Thu.

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

TRƯỞNG KHOA…………

PGS.TS. Nguyễn Đắc Thành

TS. Huỳnh Đại Phú
i


TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP. HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: BÙI QUỲNH NHƯ

Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 02/09/1986

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu cao phân tử và tổ hợp

MSHV: 10030678

I. TÊN ĐỀ TÀI:
“KHẢO SÁT SỰ TẠO MÀNG COMPOSITE SINH HỌC TINH BỘT CHUỐI - SỢI
CHUỐI”
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tìm hiểu tổng quan về đề tài biocomposite, tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
về màng sinh học tinh bột chuối và sợi chuối.
2. Nghiên cứu qui trình tách sợi cellulose (kích thước µm) từ sợi chuối.
3. Nghiên cứu qui trình tạo màng từ tinh bột chuối, tinh bột chuối- sợi chuối, đánh giá

các tính chất màng tạo thành.
4. Đưa ra các kết luận về đề tài nghiên cứu.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề tài):
21/06/2012.
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013.
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN THỊ LÊ THANH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TRƯỞNG KHOA

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

TS. Nguyễn Thị Lê Thanh

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. Huỳnh Đại Phú
ii

TS. La Thị Thái Hà


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt q trình nghiên cứu và hồn thành luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều
quan tâm và giúp đỡ của thầy cơ, gia đình, bạn bè. Tôi chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc
đến:
™ TS. Nguyễn Thị Lê Thanh người đã định hướng đề tài, hướng dẫn và tận tình giúp đỡ để tơi hồn
thành tốt luận văn.
™ Các Thầy Cô Khoa công nghệ vật liệu những người đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tôi những

kiến thức quý báu và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn.
™ Các bạn lớp cao học Cơng nghệ vật liệu khố 2010 những người đã nhiệt tình giúp đỡ để tơi có thể
hồn thành tốt luận văn.

™ Gia đình những người luôn động viên, luôn tạo điều kiện tốt nhất để tơi hồn
thành luận văn

Bùi Quỳnh Như

iii


 

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Sự kết hợp polymer nền tinh bột chuối với sợi chuối đã tạo ra một loại composite hồn
tồn thân thiện với mơi trường có thể thay thế một số bao bì nhựa khơng phân huỷ sinh học thải
ra hàng năm làm ảnh hưởng đến môi trường. Nghiên cứu này thực hiện dựa vào tình hình
nghiên cứu của thế giới, tính phổ biến của cây chuối và sự tương hợp giữa tinh bột chuối
(polysaccarit) và sợi chuối (polysaccarit). Hơn nữa, sợi chuối có độ bền tương đối cao nên khi
kết hợp với tinh bột chuối sẽ tạo được composite có tính chất cơ lý tương đối mặc dù thấp hơn
so với các composite đi từ nhựa tổng hợp - sợi tự nhiên, thích hợp cho các ứng dụng khơng địi
hỏi tính chất cơ lý cao như bao bì, màng thực phẩm,…Ngoài ra, composite đi từ nguyên liệu
thiên nhiên có giá thành rẻ.
Luận văn khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước và thành phần sợi cellulose qua các
phương pháp xử lý tách sợi cellulose từ sợi chuối như nồng độ kiềm, kích thước sợi chuối ban
đầu, các yếu tố ảnh hường đến tính chất cơ lý của màng như nồng độ tinh bột, nồng độ glycerol,
nồng độ sợi, kích thước sợi. Các tính chất của màng cần thiết để đáp ứng cho ứng dụng làm bao
bì thực phẩm cũng được đo như modul đứt, độ dãn đứt, tỉ trọng, độ hút ẩm, độ hòa tan trong
nước và sự phân bố sợi trong màng cũng như kích thước, bề mặt sợi được xem xét qua các ảnh

chụp SEM.
Kết quả nghiên cứu được là khi sử dụng sợi ban đầu có kích thước nhỏ vài chục μm thì hiệu
quả tách sợi bằng kiềm cao hơn sợi có kích thước vài mm do tăng khả năng xâm nhập của kiềm
vào sợi. Nồng độ tinh bột chuối 4% và nồng độ glycerol 20% so với khối lượng tinh bột là thích
hợp tạo màng tính chất cơ lý cao và có tính kinh tế. Sợi có kích thước càng nhỏ thì càng tăng
cường độ bền kéo cho màng do diện tích liên kết giữa hạt và sợi lớn, sợi phân bố đều. Hơn nữa,
khi thành phần sợi tăng thì độ bền kéo của màng cũng tăng, độ bền kéo đạt giá trị cao nhất ở
15% và sau đó giảm dần. Tỉ trọng màng tăng khi tăng thành phần sợi. Tính hút ẩm của màng
giảm khi thêm sợi vào nhưng vẫn cao hơn nhiều so với LDPE thương maị. Độ hoà tan của màng
cao tuơng tự kết quả một số nghiên cứu trước. Độ bền kéo của màng đạt 20 MPa thích hợp cho
các ứng dụng màng thực phẩm.

iv


 

SUMMARY
The combination of banana starch and banana fiber leading to make a fully friendly
environment composite which can be replaced some un-biodegrable material thrown to
environment every year. This study was carried out based on the world way, the popularity of
banana tree, the compatibility between banana starch (polysaccharide) and banana fiber
(polysaccharide). In addition, banana fiber has rather high tensile strength so it can combine
with banana starch to make a composite having rather good property. However, it is lower
compared to composite of synthesis polymer and natural fiber. Therefore, this bio-composite is
suitable for indoor application such as packaging film, food packing film, car
panel,…Moreover, this composite coming from natural materials is cheap
This study researched some factors affecting the fiber dimension and concentration via a
fiber extract process such as soda concentration, dimension of initial fiber and something
affecting the properties of film such as starch concentration, glycerol concentration, fiber

concentration, fiber dimension. Some essential properties of packaging film are also measured
such as tensile strength, elongation at break, density, water permeability, solubility in water and
fiber dispersion in film as well as fiber dimension, fiber surface observed by SEM.
Some results got such as effectiveness of fiber extraction highly increases when initial fiber
dimension is about some micrometer compared to millimeter fiber dimension due to increasing
soda contacting to fiber. 4% banana starch concentration and 20% glycerol versus starch weight
are suitable to make good property and cheap film. Smaller fiber adds higher tensile strength is
due to increased fiber – starch interaction surface, good fiber dispersion. Moreover, the fiber
percentage increases the tensile strength increases with highest tensile strength at 15% and
decreases at fiber percentage higher than 15%. Film density increases with fiber addition. Water
permeability decreases with fiber addition but still higher than market LDPE. Solubility of film
is similar to other films made from previous study. Tensile strength is about 20 MPa suitable for
food packing film.
 
iv


 
 

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong
luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kì cơng trình nào khác

Bùi Quỳnh Như
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
v

 


 
 

MỤC LỤC
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH

i

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

ii

LỜI CÁM ƠN

iii

TĨM TẮT LUẬN VĂN

iv

LỜI CAM ĐOAN

v

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC BẢNG BIỂU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 1
1.1.Đặt vấn đề.................................................................................................................. 1
1.2.Tình hình chế tạo màng có khả năng phân huỷ sinh học trong và ngoài nước ......... 3
1.3.Vật liệu composite ..................................................................................................... 4
1.3.1.Khái niệm................................................................................................................ 4
1.3.2.Phân loại................................................................................................................. 4
1.3.3.Cấu tạo ................................................................................................................... 5
1.3.4. Lý thuyết về kết dính giữa nền và sợi .................................................................... 5
1.4.Vật liệu composite sinh học ..................................................................................... 6
1.4.1.Khái niệm................................................................................................................ 6
1.4.2.Phân loại................................................................................................................. 7
1.4.2.1.Composit xanh..................................................................................................... 7
1.4.2.2.Composite sinh học lai ........................................................................................ 8


 

1.4.3. Ứng dụng ............................................................................................................... 8
1.5.Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất vật liệu composite xanh:........................... 10
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU...................................................................................... 12
2.1.Tinh bột chuối [23] .................................................................................................. 12
2.1.1. Giới thiệu tinh bột................................................................................................ 12

2.1.2.Thành phần hoá học của tinh bột chuối ............................................................... 15
2.1.2.1.Thành phần cấu trúc của amylose ..................................................................... 18
2.1.2.2. Thành phần cấu trúc của amylopectin .............................................................. 19
2.1.3. Các phản ứng tiêu biểu của tinh bột chuối.......................................................... 20
2.1.3.1. Phản ứng thủy phân .......................................................................................... 20
2.1.3.2. Phản ứng tạo phức ............................................................................................ 21
2.1.3.3. Tính hấp thụ...................................................................................................... 21
2.1.4. Những tính chất vật lí của huyền phù tinh bột chuối trong nước........................ 21
2.1.4.1. Độ tan ............................................................................................................... 21
2.1.4.2. Sự trương nở ..................................................................................................... 22
2.1.4.3. Tính chất hồ hóa ............................................................................................... 22
2.1.4.4. Độ nhớt của hồ tinh bột chuối .......................................................................... 23
2.1.4.5. Khả năng tạo gel và sự thối hóa gel................................................................ 23
2.1.5. Hoá dẻo tinh bột chuối ........................................................................................ 24
2.1.5.1.Cơ chế hoá dẻo .................................................................................................. 24
2.1.5.2.Tác nhân hoá dẻo............................................................................................... 24
2.1.6. Phương pháp tạo màng tinh bột chuối................................................................. 25
2.2.Sợi chuối:................................................................................................................. 25
2.2.1.Giới thiệu sợi tự nhiên .......................................................................................... 25


 

2.2.2.Thành phần cấu tạo sợi chuối .............................................................................. 26
2.2.2.1.Cellulose ............................................................................................................ 28
2.2.2.2.Hemicellulose: ................................................................................................... 30
2.2.2.3.Lignin................................................................................................................. 31
2.2.2.4. Những thành phần cịn lại................................................................................. 32
2.2.3. Tính chất sợi chuối:............................................................................................. 33
2.2.4. Ứng dụng của sợi chuối: ..................................................................................... 34

2.2.5.Các phương pháp xử lý tách sợi cellulose kích thước nano................................. 34
2.2.5.1.Phương pháp cơ học .......................................................................................... 35
2.2.5.2.Phương pháp hoá học ........................................................................................ 35
2.2.5.3.Sự nổ bằng hơi nước tạo sợi kích thước nano ................................................... 38
2.2.5.4.Phương pháp sóng siêu âm cường độ cao tạo sợi kích thước nano................... 39
CHƯƠNG 3: HOẠCH ĐỊNH THÍ NGHIỆM............................................................... 40
3.1. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 40
3.2.Nguyên liệu, hoá chất và dụng cụ ........................................................................... 41
3.2.1.Nguyên liệu ........................................................................................................... 41
3.2.2.Hoá chất ............................................................................................................... 42
3.2.3.Dụng cụ, thiết bị ................................................................................................... 42
3.3.Qui trình thực nghiệm.............................................................................................. 44
3.3.1.Qui trình tạo nguyên liệu bột chuối...................................................................... 44
3.3.2.Qui trình tách cellulose từ sợi chuối .................................................................... 46
3.3.2.1.Qui trình 1.......................................................................................................... 46
3.3.2.2.Qui trình 2.......................................................................................................... 49
3.3.3.Qui trình tạo màng ............................................................................................... 51


 

3.3.3.1.Tạo màng khơng có sợi ..................................................................................... 51
3.3.3.2.Tạo màng có sợi: ............................................................................................... 53
3.4.Phương pháp phân tích và đánh giá......................................................................... 55
3.4.1. Đo nhiệt độ hồ hoá của tinh bột chuối ................................................................ 55
3.4.2. Đo độ ẩm tinh bột chuối ...................................................................................... 55
3.4.3. Đo tính chất cơ lý màng ...................................................................................... 55
3.4.4. Kiểm tra sự hiện diện các nhóm chức trong sợi cellulose................................... 56
3.4.5. Xem bề mặt sợi, kích thước sợi............................................................................ 56
3.4.6.Đo tỉ trọng màng................................................................................................... 56

3.4.7.Đo tốc độ truyền hơi ẩm của màng ...................................................................... 57
3.4.8. Đo độ hoà tan màng ............................................................................................ 57
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN................................................................... 59
4.1. Quá trình tạo tinh bột chuối.................................................................................... 59
4.1.1. Đánh giá độ ẩm ................................................................................................... 59
4.1.2. Đo nhiệt độ hồ hố bằng phương pháp DSC ...................................................... 59
4.2.Q trình tách sợi cellulose từ sợi chuối: ................................................................ 59
4.3.Quá trình tạo màng khi chưa có sợi:........................................................................ 68
4.3.1.Khảo sát nồng độ tinh bột chuối........................................................................... 68
4.3.2.Khảo sát thời gian nấu tinh bột chuối .................................................................. 70
4.3.3.Khảo sát nồng độ chất hố dẻo glycerol .............................................................. 71
4.4.Q trình tạo màng có sợi: ...................................................................................... 73
4.4.1.Khảo sát kích thước sợi để tạo màng có tính chất cơ lý tốt nhất ......................... 73
4.4.2.Khảo sát hàm lượng sợi thích hợp nhất cho sự tăng cường tính chất màng ....... 75
4.4.3. Khảo sát ảnh hưởng cuả kích thước sợi ban đầu ................................................ 76


 

4.5.Các tính chất trong ứng dụng màng làm bao bì: ..................................................... 77
4.5.1.Đo tỉ trọng màng................................................................................................... 77
4.5.2.Đo tốc độ truyền hơi ẩm ....................................................................................... 78
4.5.3. Độ hoà tan ........................................................................................................... 79
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN............................................................................................. 80
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng

Trang

Bảng 2.1: Hàm lượng tinh bột của một số thực phẩm giàu tinh bột ................... 13
Bảng 2.2: Đặc điểm cuả một số hệ thống tinh bột .............................................. 13
Bảng 2.3:Sản lượng chuối của các nước trên thế giới theo FAO năm 2003....... 15
Bảng 2.4: Thành phần trong trái chuối thay đổi trong q trình chuối chín ....... 16
Bảng 2.5: Thành phần hoá học, độ ẩm của các loại sợi tự nhiên ........................ 33
Bảng 2.6: Những phương pháp tách sợi cellulose có kích thước nano............... 34
Bảng 4.1: Phổ dao động đặc trưng của các nhóm chức ...................................... 59
Bảng 4.2: Độ bền kéo của các màng thay đổi nồng độ tinh bột chuối................ 66

Bảng 4.3: Độ bền kéo các màng thay đổi theo thời gian nấu.............................. 68
Bảng 4.4: Tính chất cơ lý các màng khi thay đổi nồng độ glycerol.................... 69
Bảng 4.5: Tính chất cơ lý của các màng khi thay đổi kích thước sợi ................. 73
Bảng 4.6: Tính chất cơ lý màng khi thay đổi hàm lượng sợi .............................. 75
Bảng 4.7: Độ bền kéo của màng khi thay đổi qui trình xử lý ............................. 76
Bảng 4.8: Tỉ trọng màng khơng sợi và có sợi ..................................................... 77
Bảng 4.9: Tốc độ hút ẩm của màng khơng sợi và màng có sợi........................... 78
Bảng 4.10: Độ hịa tan của màng có sợi.............................................................. 79

 
 
 
 
 


 

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình

Trang

Hình 1.1: Tình hình sử dụng và vứt bao bì hiện nay .......................................... 1
Hình 1.2: Sự phân loại polymer phân huỷ sinh học ........................................... 6
Hình 1.3: Ván ép bằng composite sợi tự nhiên................................................... 9
Hình 1.4: Mái nhà bằng composite sợi tự nhiên................................................. 9
Hình 1.5: Màng composite từ chitosan và sợi cellulose kích thước nano .......... 9
Hình 2.1: Ảnh SEM của các hạt tinh bột .......................................................... 14
Hình 2.2: Màu sắc vỏ chuối thay đổi trong q trình chín của trái chuối ........ 16

Hình 2.3: Ảnh SEM của hạt tinh bột chuối sau khi thu hoạch 18 ngày ........... 17
Hình 2.4: Cấu tạo của tinh bột chuối ................................................................ 18
Hình 2.5: Cấu trúc amylose .............................................................................. 19
Hình 2.6: Cấu trúc amylopectin........................................................................ 19
Hình 2.7: Phản ứng thủy phân của tinh bột chuối ............................................ 20
Hình 2.8: Khả năng tạo gel và thối hố gel..................................................... 24
Hình 2.9: Phân loại sợi tự nhiên ....................................................................... 26
Hình 2.10: Kéo sợi chuối bằng tay ................................................................... 27
Hình 2.11: Các thành phần cấu tạo sợi cellulose.............................................. 27
Hình 2.12: Cấu trúc phân tử cellulose .............................................................. 28
Hình 2.13: Cấu trúc phân tử hemicelluloses..................................................... 31
Hình 2.14: Cấu trúc phân tử lignin ................................................................... 31
Hình 2.15: Các liên kết được đề xuất giữa lignin và hemicelluloses ............... 32
Hình 2.16: Cơ tính của một số loại sợi tự nhiên............................................... 33
Hình 2.17: Mơ phỏng sự xử lý sợi.................................................................... 35
Hình 2.18: Phản ứng phân huỷ liên kết ete β-aryl của lignin ........................... 36
Hình 2.19: Phản ứng ngưng tụ lignin trong mơi trường kiềm .......................... 36
Hình 2.20: Phản ứng oxi hố nhóm OH ........................................................... 37
Hình 2.21: Phản ứng thuỷ phân cellulose......................................................... 37
Hình 3.1: Khn nhựa tạo màng....................................................................... 42


 

Hình 3.2: Nồi áp suất ........................................................................................ 42
Hình 3.3: Máy khuấy tốc độ cao....................................................................... 42
Hình 3.4: Lị nướng........................................................................................... 42
Hình 3.5: Máy kiểm tra độ bền kéo và độ dãn dài............................................ 42
Hình 3.6: Qui trình tạo bột chuối...................................................................... 44
Hình 3.7: Chuối xanh sau khi lát mỏng........................................................... 45

Hình 3.8: Chuối sau khi sấy.............................................................................. 45
Hình 3.9: Bột chuối................................................................................................... 45
Hình 3.10: Qui trình tách sợi cellulose thứ 1.................................................... 46
Hình 3.11: Qui trình tách sợi chuối khơ ........................................................... 48
Hình 3.12: Qui trình tách sợi cellulose thứ 2.................................................... 49
Hình 3.13: Qui trình tạo màng khơng có sợi .................................................... 51
Hình 3.14: Qui trình tạo màng có sợi ............................................................... 53
Hình 3.15: Thiết bị đo độ ẩm............................................................................ 55
Hình 3.16: Đo tính chất cơ lý màng.................................................................. 56
Hình 3.17: Q trình truyền hơi ẩm qua màng ................................................. 57
Hình 3.18: Quá trình đun màng trong nước sơi................................................ 58
Hình 4.1: Giản đồ DSC của mẫu tinh bột chuối ............................................... 59
Hình 4.2: Phổ FT-IR các sợi từ qui trình 1....................................................... 60
Hình 4.3: Ảnh SEM của (A) sợi chưa xử lý, (A) sợi xử lý 2%, (C) sợi xử lý 4%, (D) sợi
xử lý 6%, (E) sợi xử lý 8% ............................................................................................ 64
Hình 4.4: Phổ FT-IR của các sợi từ qui trình 2 ................................................... 65
Hình 4.5: Ảnh SEM của (A) sợi chưa xử lý, (B) sợi xử lý NaOH 4%, (C) sợi xử lý NaOH
8%, (D) sợi xử lý NaOH 8% sau nổ ............................................................................. 67
Hình 4.6: Đồ thị độ bền kéo của màng theo phần trăm tinh bột chuối................ 69
Hình 4.7: Các màng có phần trăm tinh bột chuối thay đổi .................................. 70
Hình 4.8: Đồ thị độ bền kéo của màng theo thời gian nấu .................................. 70
Hình 4.9: Đồ thị biểu hiện tính chất cơ lý của màng theo nồng độ glycerol....... 72
Hình 4.10: Các màng tinh bột chuối với các nồng độ glycerol khác nhau.......... 73


 

Hình 4.11: Đồ thị độ bền kéo các màng theo kích thước sợi............................... 74
Hình 4.12: Màng có sợi kích thước khác nhau .................................................... 74
Hình 4.13: Đồ thị độ bền kéo của các màng khi thay đổi hàm lượng sợi............ 75

Hình 4.14: Đồ thị độ bền kéo của màng khi thay đổi qui trình xử lý .................. 77
 
 
 
 


Đề tài: Khảo sát sự tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối 
 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.Đặt vấn đề
Hiện nay lượng tiêu thụ vật liệu từ nhựa tiếp tục tăng gần 100 triệu tấn một ngày. Trong
đó ước tính khoảng 56% vật liệu nhựa thải ra dùng trong bao bì. Điều này ảnh hưởng nghiêm
trọng đến mơi trường. Một trong những giải pháp cho vấn đề này là sử dụng bao bì có khả
năng phân huỷ sinh học từ composite thân thiện mơi trường [1].

Hình 1.1: Tình hình sử dụng và vứt bao bì hiện nay
Các sợi như sợi carbon, sợi aramid, sợi thuỷ tinh,… được sử dụng phổ biến để chế tạo ra
composite có độ bền kéo cao. Những composite cao cấp này đã tạo bước tiến mới trong lĩnh
vực vật liệu, cung cấp một loại vật liệu vừa rất bền vừa nhẹ thay thế cho kim loại sử dụng
trong nhiều năm qua. Nhìn chung, các composite cao cấp này có các ứng dụng trong hàng
khơng ví dụ ứng dụng trong máy bay chiến đấu để làm máy bay nhẹ hơn và nhanh hơn, công
nghệ composite hiện nay rất phổ biến và có thể được tìm thấy từ trong vi mạch điện tử đến
các dụng cụ thể thao, từ các bộ phận xe máy đến các phần trong tàu vũ trụ. Những composite
cao cấp này cũng được ứng dụng trong kĩ thuật xây dựng như cầu cống. Trong khi composite
cho những tính chất cơ lý rất tốt và độ bền cao thì hầu hết các sợi thương mại và nhựa đều
xuất phát từ dầu mỏ.
Có hai vấn đề chính liên quan đến dầu mỏ. Thứ nhất dầu mỏ là mặt hàng không thể tái
tạo, với tốc độ tiêu thụ hiện tại thì người ta dự đốn rằng dầu mỏ chỉ còn đủ sử dụng trong

khoảng 50 năm nữa bởi một ước tính là tốc độ tiêu thụ gấp khoảng 100,000 lần tốc độ trái đất

GVHD: TS. Nguyễn Thị Lê Thanh 
 

Page 1 


Đề tài: Khảo sát sự tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối 
 

tạo ra dầu mỏ. Và khi lượng dầu mỏ ít lại thì giá cả sẽ tăng lên. Hiện tai chúng ta cũng đã
chứng kiến các cuộc tăng giá của xăng dầu. Thứ hai là chủ yếu các composite được chế tạo từ
dầu mỏ thì khơng phân huỷ được dưới điều kiện mơi trường bình thường. Những composite
chế tạo từ nhựa nhiệt rắn như epoxy, polyuretan,… thì khơng thể tái chế và tái sử dụng.
Trong khi đó chỉ có một phần nhỏ composite bị nghiền thành bột sau đó đốt thành tro để sử
dụng năng lượng nhiệt, cuối cùng tro này cũng được thải ra bãi rác và cũng sẽ làm đầy các
bãi rác. Trong những điều kiện hiếm khí trong bãi rác thì các đóng tro này cũng khơng phân
huỷ trong vài chục năm thậm chí vài trăm năm, điều này làm cho đất khơng sử dụng được.
Trong khi đó, việc đốt composite cháy thành tro cũng tạo ra lượng lớn các khí độc địi hỏi
thiết bị lọc khí đắt tiền. Cả bãi rác và việc đốt composite thành tro ngoài việc tốn tiến cịn làm
ơ nhiễm đến mơi trường.
Vì vậy, số lượng đáng kể các nghiên cứu được thực hiện để tăng sự thân thiện mơi trường,
tạo polymer hồn tồn thân thiện với mơi trường, tạo nhựa và composite khơng có nguồn gốc
từ dầu mỏ mà từ nguồn gốc có thể tái tạo được như cây cối.
Những vật liệu xanh từ cây cối có thể phân huỷ sinh học vì vậy những vật liệu này dễ
dàng bỏ đi mà không làm hại đến môi trường. Các sợi như sợi đay, sợi lanh, sợi gai dầu, sợi
tre, … đã từng được dùng chủ yếu làm quần áo trong các thế kỉ qua. Các sợi này khơng
những có khả năng bảo tồn mà cịn được tái tạo hàng năm. Bởi vì sợi tự nhiên có tính chất cơ
lý trung bình nên có nhiều nghiên cứu tạo composite dùng sợi tự nhiên gia cường cho nền

nhựa dùng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Composite hoàn toàn thân thiện với môi trường
là composite sử dụng sợi tự nhiên và nhựa sinh học như tinh bột biến tính và protein. Vì tính
chất cơ lý các sợi này thấp hơn sợi carbon, sợi aramid, … nên các composite từ sợi này có
tính chất cơ lý thấp. Kết quả là các composite này thích hợp với những ứng dụng khơng địi
hỏi tính chất cơ lý cao như bao bì, pano trong nhà hay trong xe ôto, đồ đạc trong nhà, …Tuy
nhiên, những ứng dụng này chiếm thị trường lớn và nếu các composite được dùng trong
nhiều ứng dụng thì sẽ giảm được tiêu thụ polymer hay chất dẻo từ dầu mỏ một cách đáng kể.
Để góp phẩn bảo vệ mơi trường tôi chọn đề tài chế tạo màng composite từ tinh bột và sợi
tự nhiên ứng dụng làm bao bì. Với điều kiện khí hậu Việt Nam, cây chuối được trồng phổ
GVHD: TS. Nguyễn Thị Lê Thanh 
 

Page 2 


Đề tài: Khảo sát sự tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối 
 

biến và phát triển nhiều nơi trên tồn quốc. Vào mùa mưa bão thì trái chuối xanh bị rụng và
bị bỏ đi. Ở Việt Nam cũng như một số nước khác trên thế giới, thân chuối bị bỏ đi sau khi thu
hoạch. Hiện nay, một công ty ở Úc đã phát triển được công nghệ sản xuất giấy từ sợi chuối,
giấy làm từ sợi thân chuối có khả năng chống thấm nước, và bền gấp 3000 lần so với giấy
làm từ bột gỗ. Vì vậy, dựa vào tính phổ biến của cây chuối, nguồn nguyên liệu rẻ, tận dụng
phế phẩm sau thu hoạch, tính chất sợi chuối không thua kém các sợi tự nhiên khác tôi chọn
tinh bột là tinh bột chuối và sợi tự nhiên là sợi từ thân cây chuối.
1.2.Tình hình chế tạo màng có khả năng phân huỷ sinh học trong và ngồi nước
Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu chế màng sinh học cả trong và ngồi nước để góp phần
bảo vệ mơi trường sinh thái như sau:
9 Tình hình trong nước
-Tác giả Trương Thị Minh Hạnh, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng (năm 2008) đã nghiên cứu

chế tạo màng tinh bột sắn nồng độ 10.9% có sử dụng chất hóa dẻo PEG 0.35% đạt độ bền
kéo là 1.281N/cm2. Màng tạo thành có độ bền kéo rất thấp thích hợp cho ứng dụng làm màng
bọc thực phẩm.
-PGS-TS Trương Vĩnh, Đại học Nông Lâm-TPHCM đã nghiên cứu thành công màng
sinh học từ bột khoai mì kết hợp với glycerol ứng dụng làm túi đựng các thực phẩm khơ
(năm 2007). Màng có độ bền cao có thể chế tạo thành chiếc túi kích thước 9cm x 19cm chứa
được vật nặng từ 0.5-1 kg, phân hủy hồn tồn trong 60 ngày khi chơn dưới đất và phân huỷ
sau vài ngày khi ngâm trong nước. Nhưng túi này chỉ thích hợp đựng thực phẩm khơ vì khả
năng hút ẩm của tinh bột cao.
9 Tình hình ngồi nước
-Tác giả Natcharee Pitak từ Thái Lan (năm 2011) đã nghiên cứu chế tạo màng composite
sinh học nền tinh bột chuối và chitosan kháng khuẩn với tỉ lệ 2:0.5 có độ bền kéo là
14.22MPa, độ dãn dài là 2.59% [1]. Màng có tính kháng khuẩn. Nhưng giá thành cao, độ bền
kéo và độ dãn dài cịn thấp thích hợp cho chứa thực phẩm khô.

GVHD: TS. Nguyễn Thị Lê Thanh 
 

Page 3 


Đề tài: Khảo sát sự tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối 
 

-Tác giả Amanda từ Brazil (năm 2011) đã nghiên cứu chế tạo màng composite sinh học từ
bột gạo 5% (w/w) và sợi cellulose từ cây bạch đàng sử dụng 30% so với khối lượng tinh bột
khơ, 20% chất hóa dẻo glycerol 17]. Màng có độ bền kéo là 20.64MPa, độ dãn dải là 4.03%,
tỉ trọng 0.96 g/cm3. So với màng bao bì LDPE thương mại thì màng này có độ bền kéo trung
bình, độ dãn dài thấp, tỉ trọng cao hơn một ít vì vậy thích hợp trong ứng dụng màng bao bì
chứa thực phẩm khô.

-Tác giả Susana từ Bồ Đào Nha (năm 2010) đã nghiên cứu chế tạo màng composite sinh
học nền chitosan 1.5% (w/v) có gia cường sợi cellulose kích thước nano 10% so với khối
lượng chitosan khơ, màng có độ bền kéo rất cao là 80MPa, độ giãn dài là 10% [16]. Màng có
tính kháng khuẩn, độ bền kéo cao thích hợp cho ứng dụng làm bao bì thực phẩm nhưng giá
thành cao do chitosan và sợi cellulose kích thước nano được chế tạo khá phức tạp.
Các nhà khoa học đã sử dụng nhiều loại polymer nền kết hợp với nhiều loại sợi gia
cường, từ việc sử dụng sợi tự nhiên thay thế cho các sợi nhân tạo trên nền polymer có nguồn
gốc từ dầu mỏ khó phân hủy đến việc chỉ sử dụng các polymer nền tự nhiên, và hiện tại là sử
dụng polymer nền tự nhiên kết hợp với gia cường sợi tự nhiên. Tuy nhiên, chưa có nghiên
cứu nào chế tạo màng phân hủy sinh học kết hợp từ polymer nền là tinh bột chuối và polymer
gia cường là sợi chuối mà chỉ có một số nghiên cứu riêng lẻ ứng dụng tinh bột chuối hay sợi
chuối. Vì vậy, tôi chọn tinh bột chuối và sợi chuối cho nghiên cứu này để tạo màng
composite ứng dụng làm bao bì thực phẩm có giá thành rẻ, phân hủy sinh học nhanh, góp
phần khai thác thêm ứng dụng của nguyên liệu tự nhiên trong lĩnh vực bao gói.
1.3.Vật liệu composite
1.3.1.Khái niệm
Vật liệu composite là loại vật liệu được tổ hợp ít nhất từ hai loại vật liệu khác nhau và
phải có sự tương tác chặt chẽ giữa các thành phần với nhau. Vật liệu tạo thành phải có tính
năng vượt trội hơn các thành phần hợp thành.
1.3.2.Phân loại
Composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần.
GVHD: TS. Nguyễn Thị Lê Thanh 
 

Page 4 


Đề tài: Khảo sát sự tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối 
 

-Theo hình dạng: sợi, hạt
-Theo bản chất, thành phần: nền hữu cơ, nền kim loại, nền khống.
1.3.3.Cấu tạo
*Polymer nền:
-Là chất kết dính, tạo mơi trường phân tán, đóng vai trị truyền ứng suất sang độn khi có
ngoại lực tác dụng lên vật liệu.
-Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất
tạo thể liên tục.
-Các loại nền nhựa: nhiệt dẻo và nhiệt rắn.
*Chất độn (cốt):
Đóng vai trị là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thơng thường có tính chất cơ lý cao
hơn nhựa.
-

Sợi khoáng chất: sợi thuỷ tinh, sợi carbon, sợi gốm, …

-

Sợi có nguồn gốc từ thiên nhiên: sợi đay, sợi gai, sợi dứa,…

-

Sợi nhựa tổng hợp: sợi polyester, sợi polyamid

1.3.4. Lý thuyết về kết dính giữa nền và sợi
Phân tích các liên kết dựa trên cơ sở kết dính, người ta nhận thấy giữa bề mặt nhựa và sợi
có những liên kết sau:
*Liên kết vật lý:
-Liên kết nhờ hấp phụ và thấm ướt: bề mặt sợi luôn tồn tại các mao quản rỗng, số lượng
và kích thước mao quản tuỳ thuộc vào bản chất và cách chế tạo sợi. Nhựa ở dạng lỏng thấm

ướt qua bề mặt của sợi bằng lực vật lý ứng với năng lượng liên kết bề mặt. Sự thấm ướt càng
tốt khi sức cản giữa 2 bề mặt càng bé, ẩm và tạp chất sẽ làm giảm sự thấm ướt.

GVHD: TS. Nguyễn Thị Lê Thanh 
 

Page 5 


Đề tài: Khảo sát sự tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối 
 

-Liên kết nhờ lực tĩnh điện: bề mặt sợi ln tích điện dương hay âm tuỳ thuộc vào thành
phần và cách xử lý bề mặt, nhựa nền cũng có sự phân cực nhất định nên dẫn đến sự tương tác
giữa sợi và nhựa thông qua việc tạo lớp tĩnh điện kép trên bề mặt vật liệu này.
-Liên kết cơ học: liên kết nhờ lực cơ học do bề mặt sợi và nhựa có độ gồ ghề. Tuy nhiên,
liên kết loại này rất yếu, yếu hơn rất nhiều so với liên kết hóa học.
*Liên kết hoá học
Cơ chế liên kết hoá học cho rằng lực liên kết hố học có thể hình thành xun qua giao
diện, liên kết hố học rất mạnh và có sự đóng góp đáng kể vào việc kết dính. Đây là loại liên
kết có độ bền cao nhất, phụ thuộc vào số lượng liên kết.
Khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu, độn là những điểm chịu ứng suất tập trung do
mạng nhựa truyền sang. Sự truyền ứng suất ở liên diện giữa 2 pha sợi-nền được xác định bởi
mức độ kết dính. Mức độ kết dính này phụ thuộc sự tương đồng tính phân cực cuả vật liệu
nền và độn. Vì vậy, tính chất của composite phụ thuộc nhiều vào sự tuơng hợp giữa vật liệu
nền và độn. Nghiên cứu này sử dụng tinh bột chuối làm nền và sợi chuối làm độn, nền và
độn này đều là polysaccarit đều phân cực nên hoàn toàn tương hợp nhau.
1.4.Vật liệu composite sinh học [20]
1.4.1.Khái niệm
Vật liệu composite sinh học được định nghĩa chung là vật liệu tạo từ sợi tự nhiên và

polymer nền là polymer khơng có khả năng phân huỷ sinh học có nguồn gốc từ dầu mỏ (PE,
PP) hoặc từ polymer có khả năng phân huỷ sinh học (PLA, PHA,…) liệt kê trong hình 1.2.
Loại composite sinh học có cấu tạo từ nền tinh bột và sợi tự nhiên từ thực vật hay động vật
thì hồn tồn thân thiện với mơi trường và cịn được gọi là composite xanh.
Phân hủy sinh học được định nghĩa theo ASTM (hội tiêu chuẩn thử nghiệm và vật liệu
Mỹ) là khả năng phân huỷ thành CO2, khí metan, nước, các hợp chất vơ cơ hoặc sinh khối,
trong đó cơ chế áp đảo là tác động của enzyme từ vi sinh vật.

GVHD: TS. Nguyễn Thị Lê Thanh 
 

Page 6 


Đề tài: Khảo sát sự tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối 
 

Polyme phân huỷ sinh học

Sản phẩm sinh khối

Polysaccarit

Từ vi sinh vật

Protein,Lipid

Từ CN sinh học

Polyhydroxy

Polylactide

alkanoat

(PLA)

Từ dầu khí
Polycaprolacton

Polyester amid
Tinh bột

Động vật: sữa, gelatin

Sợi cellulose

Thực vật: đậu nành

Pectin, Chitosan

Polyester mạch
thẳng, vịng

Hình 1.2: Sự phân loại polymer phân huỷ sinh học [18]
Trong sơ đồ phân loại polymer phân hủy sinh học, ngoại trừ polymer loại thứ tư có nguồn
gốc từ hố thạch, thì các loại polymer cịn lại có nguồn gốc có thể tái tạo được. Loại polymer
thứ nhất là polymer từ nơng nghiệp (ví dụ: polysaccarit). Loại polymer thứ hai và thứ ba là
polyester tạo thành từ sự lên men từ sinh khối hay thực vật biến tính gen (ví dụ: PHA) hay
tổng hợp từ monomer từ sinh khối (ví dụ: polylactid axit: PLA). Nhóm polymer thứ tư là

polyester tổng hợp hồn tồn từ dầu khí (ví dụ: polycaprolacton PCL, co-polyester mạch
thẳng hay mạch vòng). Số lượng lớn các loại polymer phân huỷ sinh học này đều có trên thị
trường. Các polymer này thể hiện khoảng tính chất rộng và có thể cạnh tranh với các polymer
khơng phân huỷ sinh học trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau.
1.4.2.Phân loại
1.4.2.1.Composit xanh
Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu chế tạo composite xanh. Composite xanh thu hút mọi
người chính là ở tính chất thân thiện với mơi trường, phân huỷ hoàn toàn và nguồn gốc bền

GVHD: TS. Nguyễn Thị Lê Thanh 
 

Page 7 


Đề tài: Khảo sát sự tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối 
 

vững. Sau khi sử dụng, composite này được bỏ đi một cách dễ dàng mà không gây hại đến
môi trường.
Sự quan trọng khác trong composite xanh là composite xanh được chế tạo từ polymer nền
là polymer từ nông nghiệp, chủ yếu tập trung vào vật liệu tinh bột. Tinh bột được hố dẻo
cịn được gọi là tinh bột nhựa nhiệt dẻo (TPS) có từ sự cắt mạch hay hoá dẻo tinh bột nguyên
thuỷ, bằng nước hay chất hố dẻo (ví dụ: polyol). Nhưng, TPS có vài nhược điểm như tính ưa
nước, tính chất cơ lý kém hơn các polymer truyền thống. Để cải thiện nhược điểm này, TPS
thường được kết hợp với hợp chất khác. Composit xanh được sử dụng rất hiệu quả trong
nhiều ứng dụng như sản phẩm sử dụng trong thời gian ngắn hay những sản phẩm sử dụng
một lần rồi bỏ. Composite xanh cũng sử dụng được trong vài năm đối với các ứng dụng trong
nhà.
1.4.2.2.Composite sinh học lai

Sự kết hợp nhiều loại sợi trong một nền polymer tạo nên một loại composite sinh học lai.
Tính chất của composite này là tổng hợp các tính chất của các thành phần, cân bằng các ưu
điểm và nhược điểm. Composite này gồm hai hay nhiều hơn hai loại sợi trong đó ưu điểm
của một loại sợi sẽ bổ sung cho tính chất cịn thiếu của các loại sợi khác. Kết quả là giá cả thì
cân bằng mà tính năng sản phẩm phù hợp với mong muốn. Tính chất của loại composite lai
này chủ yếu phụ thuộc vào thành phần sợi, độ dài của các sợi, sự định hướng sợi, độ đa dạng
của sự trộn lẫn sợi, liên kết giữa sợi và nền, sự sắp xếp các sợi. Độ bền của loại composite
này cũng phụ thuộc vào độ dãn dài của từng sợi riêng lẻ.
Composite sinh học lai này có thể được thiết kế bằng cách kết hợp sợi tổng hợp và sợi tự
nhiên trong một nền polymer hay kết hợp sợi tự nhiên và sợi sinh học trong một nền polymer
ví dụ như sự lai tạo với sợi thuỷ tinh sẽ cải thiện được tính chất cơ lý của sợi tự nhiên.
1.4.3. Ứng dụng
Composite gia cường sợi tự nhiên được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực:
-Những tấm ván ép gần đây cũng được sản xuất từ composite gia cường sợi tự nhiên như
từ hỗn hợp vỏ hạt hướng dương và gỗ dương với tỉ lệ xác định nhựa ureformaldehyde.

GVHD: TS. Nguyễn Thị Lê Thanh 
 

Page 8 


Đề tài: Khảo sát sự tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối 
 

Hình 1.3: Ván ép bằng composite gia cường sợi tự nhiên
-Mái nhà cũng được sản xuất từ composite gia cường sợi tự nhiên như composite sinh học
từ nền nhựa dầu đậu nành và sợi cellulose.

Hình 1.4: Mái nhà bằng composite sợi tự nhiên

-Màng bọc composite sinh học từ chitosan và sợi cellulose kích thước nano

Hình 1.5: Màng composite từ chitosan và sợi cellulose kích thước nano
Đặc biệt composite gia cường sợi chuối có một số ưu điểm sau:
-Có khả năng phân huỷ sinh học.
-Giá nguyên liệu thấp.
-Tái sử dụng sản phẩm phụ từ cây chuối.
GVHD: TS. Nguyễn Thị Lê Thanh 
 

Page 9