Nanocomposite dẫn điện từ nanocellulose là một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới có nhiều tiềm năng ứng dụng. Đề tài sử dụng nguồn nguyên liệu là giấy báo loại, qua quá trình loại mực in thu được cellulose có hàm lượng 97.45% theo chuẩn TAPPI T203. Nanocellulose được tách bằng phương pháp thuỷ phân axit có kích thước từ 9.8nm đến 14.3nm, cho độ tinh thể đạt 80.15% cùng với độ bền nhiệt lên đến gần 300oC.
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học CHẾ TẠO NANOCOMPOSITE DẪN ĐIỆN TỪ POLYANILINE TRÊN NỀN SỢI NANOCELLULOSE Trần Minh Chiến*, Bùi Thị Ngọc Hân, Phạm Thị Yến Như, Lâm Tuyết Nhi Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ *Tác giả liên hệ: B1305066@student.ctu.edu.vn TÓM TẮT Nanocomposite dẫn điện từ nanocellulose hướng nghiên cứu hoàn toàn có nhiều tiềm ứng dụng Đề tài sử dụng nguồn nguyên liệu giấy báo loại, qua trình loại mực in thu cellulose có hàm lượng 97.45% theo chuẩn TAPPI T203 Nanocellulose tách phương pháp thuỷ phân axit có kích thước từ 9.8nm đến 14.3nm, cho độ tinh thể đạt 80.15% với độ bền nhiệt lên đến gần 300oC Nanocomposite dẫn điện chế tạo cách thêm PANi với tỷ lệ khảo sát 10%, 20%, 30% khối lượng Vật liệu có độ dẫn điện, tính độ bền nhiệt tốt Đặc biệt, đề tài sử dụng phương pháp phân tích chụp cắt lớp XRay-CT phần mềm dựng ảnh 3D giúp đánh giá xác hình thái mẫu Từ khóa: Nanocellulose, polyaniline, chất dẻo nano, vật liệu polymer MANUFACTURING NANOCOMPOSITE ELECTRICITY FROM POLYANILINE ON NANOCELLULOSE YARNS Tran Minh Chien*, Bui Thi Ngoc Han, Pham Thi Yen Nhu, Lam Tuyet Nhi Faculty of Technology, Can Tho University *Corresponding Author: B1305066@student.ctu.edu.vn ABSTRACT Cellulose nanocomposites effectively were synthesized from polyaniline and cellulose nanocrystals (CNCs) which was isolated from recycled newspaper, as an environmental friendly approach of source material In isolating CNCs process, alkali and bleaching step, as pretreatment steps were employed to remove ink, lignin, hemicellulose Preparation of cellulose nanocrystals (CNCs) was achieved through acid hydrolysis process from bleached cellulose fibers Morphology, physical and chemical properties of samples were analyzed by using SEM, TEM, TGA, FTIR, XRD Using Image processing software for determining level of whiteness of samples and demonstrated the effectiveness of ink in removal through pretreatment steps with NaOH and NaClO solutions Lignin and hemicellulose were also removed after alkali and bleaching process that observed through FTIR results The rod-like structure of CNCs was obtained with a diameter 9.8nm - 14.3nm through TEM analyzed result Specially, The crystallinity index value for CNCs was high (80.15%) Electrically conductive nanocomposites were analyzed by SEM, Xray-CT, TGA, FTIR and of the fourpoint probe technique that appreciates morphology, physical and chemical properties of samples Additionally, mechanical property of sample is tested As results, this work synthesized cellulose nanocomposites with high thermal stability and conductivity of equivalent to semiconductors Keywords: Nanocellulose, polyaniline, nanocomposites, conducting polymer 2026 – 2030 giai đoạn bão hòa xảy sau năm 2050 Nanocellulose với nhiều tính chất trội như: tính cao (tương đương sợi Kalar), khả chịu nhiệt tốt, nhẹ,… Thêm vào với nguồn cung ứng dồi tự nhiên, nanocellulose nhanh chóng trở thành vật liệu tiềm nghiên cứu rộng rãi Việc chế tạo nanocomposite thực TỔNG QUAN Vật liệu nanocellulose bắt đầu nghiên cứu vào năm 90 kỷ XX, dẫn đầu hai nhà nghiên cứu Chanzy Cavaille CERMAV Grenoble, Pháp xuất báo tạp chí Composites Cellulose Giai đoạn trưởng thành phát triển vượt bậc phát triển cơng nghệ đạt sau giai đoạn Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 phương pháp casting dung môi polymer tan nước phân tán nước, sau trộn với nanocellulose sợi tinh thể nanocellulose dễ dàng phân tán nước Năm 2005, Yano cộng Nhật Bản tạo bước đột phá phát triển giấy nanocellulose kết hợp với polymer nhiệt rắn Kỷ yếu khoa học từ từ Sau xử lý, mẫu rửa nước cất pH=7 Quá trình thuỷ phân dung dich H2SO4 tiến hành để tách nanocellulose Sau trình thuỷ phân, mẫu tiến hành thu phương pháp ly tâm rửa đến pH không đổi Tổng hợp nanocomposite dẫn điện Cho từ từ dung dịch nanocellulose vào hỗn hợp aniline HCl 1,5M, khuấy 1h Sau nhỏ từ từ dung dịch APS 0.5M + HCl 1.5M, khuấy liên tục 6h nhiệt độ phòng Tỷ lệ khối lượng aniline thêm vào nanocellulose thay đổi 10%, 20% 30% Sau phản ứng mẫu rửa với dung dịch HCl, acetone, nước cất tiến hành thu mẫu VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Vật liệu Giấy báo loại sử dụng nguồn để trích ly nanocellulose Natri hydroxit (NaOH), natri hypoclorit (NaClO), acid sunfuric (H2SO4), axit acetic (CH3COOH), acid clohydric (HCl), acetone (CH3COCH3), aniline (C6H5NH2) ammonium persulphate (NH4)2S2O8 sử dụng sản xuất Công ty Xilong Chemical Company Trung Quốc Trích ly tinh thể nanocellulose từ giấy báo loại Giấy báo sau xay nhuyễn đưa vào quy trình xử lý với dung dịch NaOH để loại bỏ mực in, lignin hemicellulose Giấy rửa đến pH = sau q trình kiềm hóa tiến hành quy trình tẩy trắng dung dịch NaClO Trong trình xử lý với dung dịch NaClO, dung dịch CH3COOH cho vào KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Quy trình khử mực in Sau trình khử mực in bề mặt mẫu có thay đổi rõ rệt, thể Hình Kết cho thấy, bề mặt cellulose khơng cịn gồ ghề, thơ nhám, mà trơn láng Điều chứng tỏ mực in tạp chất loại khỏi cellulose Độ trắng mẫu sau loại mực in đạt 165.79 thang đo 255 Hàm lượng cellulose phân tích theo chuẩn TAPPI T203 sau trình loại mực in đạt 97.45% a) (b) Hình Ảnh SEM bề mặt mẫu: (a) giấy báo loại, (b) mẫu sau trình loại mực in Dựa kết phân tích FTIR thể trình xử lý với NaOH NaClO ta thấy Hình 2, đỉnh hấp thụ khoảng 1.505 cường độ đỉnh 1.505 cm-1 1.263 cm-1 thể cho liên kết C=C không no, cm-1 biến Điều cho thấy hoàn vịng thơm có lignin Trong đỉnh tồn loại bỏ lignin hemicellulose sau hấp thụ khoảng 1.263 cm-1 thể cho trình xử lý với NaClO đáp ứng mục liên kết nhóm C-O-C lignin Sau tiêu trình xử lý 10 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Hình FITR mẫu giấy thô mẫu xử lý với NaOH NaClO Hình nhận thấy peak có độ hấp thụ cao Quy trình trích ly tinh thể nanocellulose Nanocellose tách phương pháp 2θ = 22.5 thể cho vùng tinh thể thủy phân acid, tác nhân acid H2SO4 64% nanocellulose Trong đó, vùng vơ Sau q trình thủy phân thu định hình nanocellulose thể nanocellulose với kích thước đường kính peak có độ hấp thụ thấp 2θ = 18.2 trung bình từ 9.8-14.3nm (theo kết phân Kết tính tốn độ tinh thể nanocellulose tích chụp TEM) Từ quang phổ XRD đạt 80,15% Hình XRD nanocellulose Khả bền nhiệt nanocellulose 10, 20 30% PANi có độ tương hợp tốt kiểm tra phân tích nhiệt vi sai (TGA) Kết đo tính đạt 2MPa mẫu phim có thể Hình Kết cho thấy hàm lượng 30% PANi Độ dẫn điện mẫu mẫu nanocellulose có độ bền nhiệt lên đến phim đạt 2.18 S/m mẫu phim có 30% gần 300oC PANi Kết phân tích TGA thể Hình Chế tạo nanocomposite Các mẫu phim nanocomposite khảo sát a) b) Hình So sánh TGA nanocellulose, PANi mẫu phim nanocomposite: (a) đồ thị TG, (b) đồ thị DTG 11 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Xray-CT sử dụng để quan sát phân tích cấu trúc mẫu cellulose nanocomposite Từ kết phân tích xử lý ảnh 3D mẫu (Hình 5) nhận thấy có hịa trộn phân tán tốt mẫu Kỷ yếu khoa học nanocomposites Mật độ phân bố polyaniline tăng dần hàm lượng polyaniline mẫu tăng từ 10-30% Từ nhận thấy trình polymer hóa tổng hợp nanocommposites cho hiệu cao a) b) c) Hình Cấu trúc bên cellulose nanocomposites quan sát Xray-CT: (a) 10% PANi, (b) 20% PANi, (c) 30% PANi Đề tài mở hướng nghiên cứu nanocomposite dẫn điện từ nanocellulose polyaniline Kiến nghị, nghiên cứu cần phân tích sâu tính chất vật liệu cellulose nanocomposite KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Đề tài nghiên cứu xây dựng thành cơng quy trình loại mực in, tách thành công nanocellulose từ giấy báo loại với độ tinh thể cao chế tạo thành cơng nanocomposite dẫn điện Các mẫu phân tích đánh giá phương pháp phân tích đại TÀI LIỆU THAM KHẢO FAVIER V, CANOVA GR, CAVAILLE JY, CHANZY H, DUFRESNE A, GAUTHIER C Nanocomposite materials from latex and cellulose whiskers Polym Adv Technol 1995;6(5):351-355 DOUGLAS HENRIQUE MILANEZ Assessing nanocellulose developments using science and technology indicators, Mat Res vol.16 no.3 Sao Carlos May/June 2013 Epub Mar 05, 2013 JYFAVIER V, CHANZY H, CAVAILLE Polymer nanocomposites reinforced by cellulose whiskers Macromolecules 1995;28(18):6365-6367 IWAMOTO S, NAKAGAITO AN, YANO H, NOGI M Optically transparent composites reinforced with plant fiber-based nanofibers Appl Phys A (2005);81(6):1109-1112 12 ... với nanocellulose sợi tinh thể nanocellulose dễ dàng phân tán nước Năm 2005, Yano cộng Nhật Bản tạo bước đột phá phát triển giấy nanocellulose kết hợp với polymer nhiệt rắn Kỷ yếu khoa học từ từ... H2SO4 tiến hành để tách nanocellulose Sau trình thuỷ phân, mẫu tiến hành thu phương pháp ly tâm rửa đến pH không đổi Tổng hợp nanocomposite dẫn điện Cho từ từ dung dịch nanocellulose vào hỗn hợp... 30% PANi Độ dẫn điện mẫu mẫu nanocellulose có độ bền nhiệt lên đến phim đạt 2.18 S/m mẫu phim có 30% gần 300oC PANi Kết phân tích TGA thể Hình Chế tạo nanocomposite Các mẫu phim nanocomposite