BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆM TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BÁO CÁO THÍ NGHIỆM TỔNG HỢP VẬT LIỆU GVHD ThS Phạm Văn Phước SVTH Phạm Ngọc Lan MSSV 19512361 Lớp DHHC15 Nhóm 4 BÀI 1 TÁI SINH G.
TÁI SINH GIẤY CARTON TỪ GIẤY THU HỒI
M ỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
Giúp người học tìm hiểu thêm:
- Tìm hiểu về phương pháp sản xuất giấy thủ công
- Các tính chất cơ lý cơ bản của giấy
- Ảnh hưởng của phụ gia đến tính chất cơ lý của giấy
- Vai trò của giấy thu hồi trong bối cảnh: nguyên liệu gỗ khan hiếm, khí hậu nóng lên toàn cầu, nạn phá rừng và ô nhiễm môi trường gia tăng.
C Ơ SỞ LÝ THUYẾT
Giấy thu hồi là loại giấy đã qua sử dụng ít nhất một lần, bao gồm giấy vụn, giấy đứt và giấy xén không đạt tiêu chuẩn từ các nhà máy giấy Mặc dù được xem là nguồn nguyên liệu hạng hai do chất lượng xơ sợi kém hơn so với sợi mới, giấy thu hồi vẫn mang lại nhiều lợi ích đáng kể.
- Giá rẻ, tốn ít năng lượng nghiền;
- Có thể thay thế một phần bột giấy mới;
- Hiệu quả kinh tế cao, góp phần tiết kiệm nguồn tài nguyên gỗ từ rừng
2 Nguyên liệu sản xuất giấy
Hình 1.1 Cấu tạo phân tử của cellulose
Nguyên liệu sản xuất giấy cần có tính chất xơ sợi và khả năng đan kết để tạo ra tấm giấy đồng nhất Khi các sợi xơ tiếp xúc, chúng hình thành liên kết chặt chẽ Giấy chủ yếu bao gồm hai thành phần: bột giấy và các chất phụ gia.
Cellulose là thành phần chính của bột giấy là một loại polysaccarit được tạo thành từ các monome là α-glucose
Chất phụ gia trong ngành công nghiệp giấy là những thành phần được bổ sung nhằm nâng cao các tính năng sử dụng của giấy, bao gồm tính kháng kéo, tính kháng nước, độ phủ và độ trắng Các chất phụ gia này được phân loại theo công dụng, giúp cải thiện chất lượng và hiệu suất của sản phẩm giấy.
- Chất keo chống thấm là chất làm tăng khả năng kháng nước của giấy như keo nhựa thông, AKD, ASA
Chất trợ bảo lưu là một loại hóa chất quan trọng được sử dụng để giữ lại các hạt mịn trong thành phần bột giấy, bao gồm chất độn, xơ sợi và keo chống thấm, trên lưới xeo trong quá trình sản xuất giấy.
- Chất gia cường khô là chất có tác dụng làm tăng độ bền cơ lý của giấy khi ở trạng thái khô như tinh bột cation
- Chất gia cường ướt: có tác dụng gia tăng độ bền cơ lý của giấy khi ở trạng thái ướt
Chất độn là những thành phần giúp tăng cường tính quang học và giảm chi phí sản xuất giấy Thông thường, các chất này là các chất mịn vô cơ màu trắng, không tan trong nước, bao gồm cao lanh, bột talc và bột đá vôi.
Các phụ gia thường là các polymer điện li, có khả năng tan trong nước hoặc tạo hệ phân tán bền Chúng có thể có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp Mỗi loại phụ gia đảm nhận nhiều vai trò khác nhau, bao gồm chất độn, chất trợ bảo lưu và chất gia cường khô, đồng thời cũng hỗ trợ trong việc bảo lưu.
3 Quy trình sản xuất bột giấy từ giấy thu hồi
Giấy vụn Nghiền thủy lực Đánh tơi sợi Sàng sợi Tinh chế bột bằng cyclon thủy lực
Khử mực bằng phương pháp tuyển nổi
Rửa mực loại bột và tạp chất
Phân tán và xé tơi bột Tẩy trắng bột
Hình 1.2 Sơ đồ khối quy trình sản xuất bột giấy
T HỰC NGHIỆM
1 Thiết bị và hóa chất
- Hệ thống xeo giấy - Đũa thủy tinh
- Bàn ủi Phillip - Nồi nhôm
- Tủ sấy Memert - Bếp điện
- Becher 600ml - Giầy bìa bồi (Ballet)
- Nhiệt kế 100 o C - Chăn thoát nước
- (Al2SO4)3.18H2O - Dung dịch keo AKD 4%
2.1 Nấu tinh bột và pha hóa chất
10g Tinh bột Đun cách thủy Để nguội Pha loãng Hồ tinh bột 2%
Hình 1.3 Quy trình pha tinh bột 2%
- Pha dung dịch (Al2SO4)3.18H2O nồng độ 3% bằng nước cất
- Keo AKD 4%: Pha loãng từ keo AKD 15% theo công thức C1V1d = C2V2d với d= 0,887g/ml
2.2 Tái sinh giấy carton từ giấy thu hồi
2.2.1 Quy trình tái sinh giấy carton
Giấy đã qua sử dụng Đánh tơi Ngâm giấy
Xác định ml dung dịch bột giấy cần cho 1 tờ giấy
Rót lượng dung dịch bột ra becher phù hợp định lượng 200g/m 2
Làm khô và sấy khô
Hình 1.4 Sơ đồ khối quy trình tái sinh giấy carton
- Tính lượng giấy đã qua sử dụng cần thiết để tạo 8 tờ giấy định lượng g = 200g/m 2 : g = 𝑚
Trong đó: m: khối lượng bột giấy (g)
Ta có: rmặt giấy = 22 cm = 0,22 m
Suy ra: m = 7,6g bột giấy/ 1 tờ Vậy 8 tờ ta cần 61g bột giấy
- Bước 1: Cân 61g giấy đã qua sử dụng rồi cho nước vào ngâm rã
- Bước 2: Đánh tơi giấy trong máy xay cho tới khi tơi hoàn toàn
- Bước 3: Xác định ml dung dịch bột giấy cần cho 1 từ giấy:
Trích 20ml dung dịch bột giấy, sau đó vắt khô để thu được bột giấy Tiếp theo, sấy khô hoàn toàn bột giấy và tiến hành cân để xác định khối lượng bột giấy trong 20ml dung dịch.
Ta có: mbột giấy (20ml) = 0,35g vậy 7,6g ta phải cần 434 ml dung dịch bột giấy
- Bước 4: Rót dung dịch ra 8 becher mỗi becher chứa 434ml dung dịch bột giấy
- Bước 5: Phối trộn phụ gia để khảo sát
Để tạo ra giấy, bước 6 là đổ toàn bộ dung dịch bột giấy vào khung lưới xeo đã đặt trong bể nhựa chứa khoảng 2/3 nước Cần chú ý không để dung dịch tràn ra ngoài và sử dụng tay khuấy đều, đồng thời nhấc và lắc lưới xeo nhiều lần để bột phân tán đồng đều Quá trình này giúp hình thành giấy trên lưới xeo.
Bước 7: Làm khô và sấy giấy carton bằng cách nhẹ nhàng lấy lưới xeo ra khỏi bể chứa để nước thoát ra hoàn toàn Sau đó, gỡ khuôn và đặt lưới lên chăn, phủ giấy bìa bồi lên mặt lưới Lật ngược lưới và dùng miếng xốp để hút nước trên bề mặt Khi nước đã thoát hết, tách giấy ra khỏi lưới và đặt giữa hai tờ giấy bồi, ép trong khoảng một giờ Sau khi tách giấy bồi, để giấy sấy tự nhiên tránh ánh sáng mặt trời hoặc dùng bàn ủi ở nhiệt độ thấp cho đến khi khối lượng ổn định Cuối cùng, kiểm tra các tính chất cơ lý của giấy carton.
Hình 1.5 Hệ thống xeo giấy
2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột
Quy trình xeo giấy tiến hành như ở trên Ở giai đoạn phối trộn phụ gia, hàm lượng các phụ gia được giữ cố định gồm có:
- Dung dịch gia keo AKD 4%: 5kg/kg bột ⇒ Với 7,6g bột giấy cần 0,038g keo AKD 4%
- (Al2SO4)3.18H2O 3%: 5g/kg bột ⇒ Với 7,6g bột giấy cần 0,038g (Al2SO4)3.18H2O 3%)
- Hàm lượng tinh bột (2%) được thay đổi: 10/ 30/ 40/ 50 (g/kg bột) ⇒ Với 7,6g bột giấy cần 0,076/ 0,228/ 0,304/ 0,38 (g) tinh bột 2%
1,5 = 0,05 ml Tương tự ta được: 0,152/ 0,2/ 0,25 (ml)
2.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng AKD
Quy trình xeo giấy tiến hành như ở trên Ở giai đoạn phối trộn phụ gia, hàm lượng các phụ gia được giữ cố định gồm có:
- Hàm lượng tinh bột (2%): 4g/kg bột ⇒ Với 7,6g bột giấy cần 0,03g tinh bột 2%
- (Al2SO4)3.18H2O 3%: 5g/kg bột ⇒ Với 7,6g bột giấy cần 0,038g (Al2SO4)3.18H2O 3%)
- Dung dịch gia keo AKD 4% được thay đổi: 5/ 15/ 20/ 30 (kg/kg bột) ⇒ Với 7,6g bột giấy cần 0,038/ 0,114/ 0,152/ 0,228 (g) keo AKD 4%
0,887 = 0,04 ml Tương tự ta có: 0,128/ 0,17/ 0,26 (ml)
2.3 Kiểm tra chất lượng giấy carton
Hình 1.6 Sản phẩm giấy a Đánh giá cảm quan
- Màu sắc: Do quy trình xeo là giấy carton nên sản phẩm giấy không cần có độ trắng cao, độ sáng khoảng 24%, màu của sản phẩm hơi sẩm, nâu
Độ đồng đều của giấy xeo phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thao tác xeo và nồng độ hóa chất sử dụng Vì vậy, mức độ đồng đều có thể khác nhau giữa các tờ giấy xeo.
Độ thô ráp của giấy ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhẵn và độ bóng của bề mặt, đóng vai trò quan trọng trong tính thẩm mỹ của sản phẩm Để tạo ra tờ giấy có chất lượng cao, việc làm cho bề mặt giấy bóng láng là cần thiết nhằm mang lại cảm quan tốt cho người sử dụng Bên cạnh đó, việc kiểm tra định lượng giấy theo tiêu chuẩn TCVN 1270: 2008 cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình sản xuất giấy.
Định lượng giấy, được đo bằng gam trên mét vuông (g/m²), là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến nhiều đặc tính khác của giấy Khi định lượng thay đổi, hầu hết các đặc tính của giấy cũng sẽ thay đổi theo.
- Dao cắt mẫu phải sắc nhọn, độ sai lệch trong khoảng ±1% diện tích quy định
Cân cần đảm bảo độ chính xác trong khoảng 0,5% khối lượng thực tế để đạt hiệu quả đo lường Độ nhạy của cân cũng rất quan trọng, yêu cầu nhận biết sự thay đổi ở mức ±0,2% khối lượng Đối với loại cân đọc trực tiếp, việc chia độ là cần thiết để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đọc kết quả.
- Tiến hành cắt mẫu có diện tích không nhỏ hơn 500cm 2 (200mm x 250mm) và không lớn hơn 1000cm 2
- Cân khối lượng của mẫu và lấy đến 3 chữ số có nghĩa
- Công thức tính định lượng mẫu như sau: g = 𝑚
Trong đó: m: khối lượng bột giấy (g)
A: diện tích mặt giấy (m 2 ) c Kiểm tra độ kháng nước
- Bước 1: Cắt mẫu giấy kích thước 7x10cm
- Bước 2: Cho lượng vừa đủ nước cất vào buret
- Bước 3: Chỉnh chế độ nhỏ giọt
- Bước 4: Đưa mẫu giấy cần đo vào cách buret 1cm
- Bước 5: Bấm giờ lúc giọt nước đầu tiên rớt
- Bước 6: Quan sát lúc tờ giấy bị thấm hết thì dừng bấm giờ
Kết quả độ kháng nước được tính bằng giây (s)
K ẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ KẾT LUẬN
4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột lên giấy
- Diện tích giấy khảo sát: 70cm 2
Bảng 1.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột
Hàm lượng tinh bột 0,05 0,152 0,2 0,25 Khối lượng giấy (g) 8,64 11 10,8 11,31 Diện tích (m 2 ) 0,038 0,038 0,038 0,038 Định Lượng (g/m 2 ) 227,37 289,47 284,21 297,63 Độ kháng nước (s) 176 181 179 187
Hình 1.7 Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột
Hàm lượng tinh bột tăng có ảnh hưởng nhẹ đến định lượng giấy, vì tinh bột giúp quá trình xeo giấy diễn ra đồng bộ và liên kết tốt hơn, từ đó hạn chế sự trôi qua của các hạt bột mịn qua lưới xeo.
- Hàm lượng tinh bột tăng không ảnh hưởng nhiều đến độ kháng nước
4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng keo AKD lên giấy
- Diện tích giấy khảo sát: 70cm 2
Bảng 1.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng keo AKD
Hàm lượng keo AKD 0,04 0,128 0,17 0,26 Khối lượng giấy (g) 7,64 8,06 8,24 8,12 Diện tích (m 2 ) 0,038 0,038 0,038 0,038 Định Lượng (g/m 2 ) 201,05 212,11 216,84 213,68 Độ kháng nước (s) 180 243 311 396
Hàm lượng tinh bột Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột Định lượng (g/m2) Độ kháng nước (s)
Hình 1.8 Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng keo AKD
- Hàm lượng keo AKD (chống thấm) càng cao bề mặt giấy càng nhẵn, trơn bóng, độ kháng nước càng tăng
- Hàm lượng keo AKD tăng không ảnh hưởng nhiều đến định lượng giấy
B ÀN LUẬN
Quá trình định lượng không đạt yêu cầu 200g/m² do làm thủ công, với lượng phụ gia khảo sát quá nhỏ dẫn đến sai số không mong muốn Kỹ năng thực hành còn thiếu sót và sự lúng túng trong vận hành máy móc cũng góp phần vào vấn đề này, cùng với việc bột giấy không đồng đều giữa các lần xeo.
- Tẩy bằng NaOH mạnh làm đứt gẫy liên kết cellulose khiến định lượng giấy giảm
+ Khi ngâm giấy phải rã hoàn toàn để lúc đánh tơi được thuận lợi
Đánh tơi xơ sợi không hoàn toàn sẽ gây khó khăn trong quá trình xeo giấy, dẫn đến sản phẩm không đồng nhất và thiếu liên kết Ngược lại, nếu đánh quá mịn, bột giấy có thể lọt qua khe hở lưới xeo, gây ra giấy mỏng, lỗ thủng hoặc thậm chí thất bại trong sản xuất.
+ Nên nâng chất phụ gia lên gấp 10 lần để khảo sát chính xác hơn
+ Giấy thành phẩm phải trơn đều hai mặt không bị gấp khúc, gồ ghề
Hàm lượng keo AKD Ảnh hưởng của hàm lượng keo AKD Định lương (g/m2) Độ kháng nước (s)
GIA CÔNG VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA UPE
MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
Lý thuyết và kỹ năng tiến hành gia công vật liệu composite từ cốt sợi thủy tinh và nền nhựa nhiệt rắn
Thực nghiệm đóng rắn nhựa polyester không no sử dụng styrene làm cầu nối ngang trong sự hiện diện của chất khơi mào và chất xúc tiến
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đóng rắn của nhựa polyester không no
So sánh và rút ra kết luận về sự thay đổi những đặc trưng hóa lý của nguyên liệu và sản phẩm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1 Các khái niệm cơ bản
Vật liệu composite được hình thành từ sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo ra một sản phẩm mới với những đặc tính vượt trội hơn so với các vật liệu ban đầu.
Vật liệu composite bao gồm một hoặc nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất, với pha liên tục được gọi là vật liệu nền (matrix) và có chức năng liên kết các pha gián đoạn Pha gián đoạn, hay còn gọi là cốt hoặc vật liệu tăng cường (reinforcement), được trộn vào pha nền nhằm nâng cao các đặc tính cơ học, tính kết dính, khả năng chống mòn và chống xước.
Cốt gồm có các nhóm:
− Nhóm sợi khoáng chất: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi gốm, sợi Amiăng (asbestos), sợi silic, …
− Nhóm sợi tổng hợp: sợi Kemel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil, sợi polyester, sợi polyamide, …
− Nhóm sợi gốc thực vật (gỗ, cenlulose): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, xơ dừa, …
− Nhóm sợi kim loại: thép, đồng, nhôm, …
− Vật liệu nền gồm có:
− Vật liệu nền polymer nhiệt dẻo như: polyvinyl chloride (PVC), nhựa polyethylene (PE), nhựa polypropylene (PP), nhựa polyamide (PA), …
Vật liệu nền kim loại dẻo sở hữu modul đàn hồi cao, có thể đạt đến 110 GPa, yêu cầu chất gia cường cũng phải có modul đàn hồi tương tự Các kim loại phổ biến được sử dụng trong ứng dụng này bao gồm nhôm, nickel và đồng.
Vật liệu nền polymer nhiệt rắn bao gồm nhựa polyester và các loại nhựa cô đặc như phenol, furan, amine và epoxy Trong ngành công nghiệp composite, nhựa polyester không no là loại được sử dụng phổ biến nhất, tiếp theo là nhựa epoxy Nhờ vào các đặc tính cơ học vượt trội, nhựa epoxy được ưa chuộng trong việc sản xuất các composite có độ bền cao, phục vụ cho ngành chế tạo máy bay, vũ trụ và tên lửa Các đặc tính cơ học của nhựa epoxy, bao gồm độ kéo, nén, uốn, va đập và từ biến, đều tốt hơn so với polyester.
2 Quá trình đóng rắn nhựa nền polyester không no Để đóng rắn nhựa nền polyester không no người ta thường sử dụng styrene Phản ứng tạo liên kết ngang giữa nhựa polyester không no với styrene hình thành mạng lưới không gian ba chiều, làm cho nhựa polyester ban đầu ở trạng thái lỏng nhớt chuyển sang trạng thái nhựa nhiệt rắn Styrene vừa là tác nhân tạo liên kết ngang vừa là chất làm giảm độ nhớt của nhựa polyester để dễ gia công Sau khi đóng rắn, nhựa nền trở nên vững chắc với sự gia tăng đáng kể tính chất cơ học và cả tính chất vật lý và hóa học Nhựa polyester không no thương phẩm thường chứa một lượng từ 38 – 45% khối lượng styrene
Nghiên cứu cho thấy rằng chất khơi mào và chất xúc tiến có ảnh hưởng đáng kể đến thời gian gel hóa, thời gian đóng rắn và trạng thái nhiệt động của nhựa polyester không no Quá trình đóng rắn rất phức tạp và chịu tác động từ nhiều yếu tố như thời tiết, độ ẩm, độ đồng nhất của nhựa, điều kiện lưu trữ, nhà cung cấp nhựa và điều kiện thiết bị.
Nghiên cứu về trạng thái đóng rắn của nhựa polyester không no cho thấy rằng thời gian gel hóa và sự tỏa nhiệt chịu ảnh hưởng bởi nồng độ chất khơi mào như methyl ethyl ketone peroxide (MEKP) và acetyl acetone peroxide (AAP), cũng như chất xúc tiến Tăng nồng độ của các chất này sẽ làm giảm thời gian gel hóa và tăng tốc độ trùng hợp Để tối ưu hóa quá trình đóng rắn, có thể kết hợp hai loại hợp chất khơi mào với nhiệt độ phân hủy tạo gốc tự do thấp và cao, như MEKP và AAP cho nhiệt độ thấp, cùng với benzoyl peroxide (BOP) và t-butyl perbenzoate (TBPB) cho nhiệt độ trung bình và cao Việc sử dụng hệ thống hai chất khơi mào và hai chất xúc tiến giúp tránh các phản ứng tỏa nhiệt trong thời gian ngắn, nâng cao hiệu quả của quá trình đóng rắn.
Khi nhựa polyester không no được đóng rắn với sự hiện diện của nhựa vinyl ester, nhiệt độ đóng rắn sẽ tăng lên, cải thiện khả năng chịu nén và modul đàn hồi Tuy nhiên, nghiên cứu cho thấy khi tăng hàm lượng polyvinyl acetate (PVAc) trong quá trình đóng rắn, tính chất cơ học của nhựa nền sẽ bị giảm.
Một số chất phụ gia như chất ức chế, chất đóng rắn, chất độn, oxy, chất chống cháy, nhựa nền và nhiệt dung riêng của khuôn có thể làm giảm tốc độ phản ứng đóng rắn Đặc biệt, chất độn kích thước nano có thể làm giảm độ bền uốn của nhựa polyester mà không làm thay đổi các modul uốn Tuy nhiên, việc bổ sung chất độn nano cũng giúp cải thiện tính không cháy của nhựa polyester không no.
Khảo sát quá trình gia công composite với nhựa polyester không no cho thấy rằng việc tăng khối lượng chất độn và cốt sợi thủy tinh, trong khi giảm hàm lượng chất khơi mào và chất xúc tiến, sẽ làm tăng thời gian gel hóa Hơn nữa, sự thay đổi hàm lượng styrene trong nhựa polyester không no sẽ ảnh hưởng đến độ nhớt, thời gian gel hóa, nhiệt độ đóng rắn và các tính chất cơ học của nhựa Ngoài ra, khối lượng cốt sợi thủy tinh cũng có tác động đến các tính chất hóa lý của composite.
THỰC NGHIỆM
1 Dụng cụ và hóa chất
− Giấy nhám − Đũa thủy tinh
− Vật liệu làm khuôn − Giấy nhôm
− Mẫu vật − Nhựa polyester không no
− Cân phân tích − Methyl ethyl ketone peroxide
− Ống đong 100 mL − Nồi nhôm nhỏ
− Nồi nhôm nhỏ − Sợi thủy tinh
2 An toàn phòng thí nghiệm Đeo găng tay, kính bảo hộ và khẩu trang khi tiếp xúc với các hóa chất
Tuyệt đối không lấy các dụng cụ thủy tinh để làm khuôn gia công composite
Cẩn thận khi tiếp xúc với sợi thủy tinh vì dễ bị kích ứng da và đường hô hấp
Exercise caution when handling styrene, dimethyl aniline (DMA), and methyl ethyl ketone peroxide (MEKP), as these substances are highly toxic, can cause skin burns, and are extremely flammable.
Chọn loại vật liệu để tạo hình khuôn: silicone, đất sét, gỗ, xi măng, kim loại, …
Tạo hình khuôn: phủ vật liệu làm khuôn lên mẫu vật, tạo hình vật liệu giống với mẫu vật Phơi, sấy hoặc nung để định hình khuôn
Trước khi gia công vật liệu composite phải làm cho khuôn sạch và khô, bằng cách phủ lên khuôn một lớp mỏng sáp paraffin (wax)
Gia công vật liệu composite nền nhựa polyester không no
Quy trình thí nghiệm tổng quát nhằm khảo sát ảnh hưởng của phụ gia lên nhựa nền UPE trong sản xuất vật liệu composite Nghiên cứu tập trung vào tác động của hàm lượng styrene, MEKP và DMA đến trạng thái đóng rắn của nhựa nền ở nhiệt độ phòng.
Để chuẩn bị nền, cần phối trộn nhựa polyester không no (UP) với styrene (ST) theo tỉ lệ 60% UP và 40% ST Cụ thể, khi trộn 50g nhựa polyester không no với 60% UP và 40% ST cùng với 10g styrene, sẽ thu được tổng cộng 60g nhựa với tỉ lệ 50% UP và 50% ST.
− Mẫu 1: 5g nhựa 60% UP và 40% ST
− Mẫu 2: 5g nhựa 50% UP và 50% ST
Trong trường hợp không sử dụng chất xúc tiến, thêm methyl ethyl ketone peroxide (MEKP) vào nhựa UP với nồng độ 1, 2 và 3%, khuấy trong 30 giây rồi đổ nhanh vào khuôn để đóng rắn Ngược lại, khi sử dụng chất xúc tiến, thêm MEKP với nồng độ 1% và dimethyl aniline (DMA) với nồng độ 0,1% hoặc 0,2% vào nhựa UP, khuấy trong 30 giây và đổ nhanh vào khuôn Sau đó, cần đo các thông số như thời gian gel hóa, nhiệt độ tối đa và thời gian đóng rắn cho các mẫu thí nghiệm.
Sơ đồ khối: Ảnh hưởng của hàm lượng styrene và sợi thủy tinh lên trạng thái đóng rắn của nhựa nền ở nhiệt độ phòng
Chuẩn bị nền theo các nồng độ:
− Mẫu 1: 5g nhựa 60% UP và 40% ST
− Mẫu 2: 5g nhựa 50% UP và 50% ST
Để đạt được kết quả tốt nhất, cần cân chính xác lượng sợi thủy tinh với nồng độ 10% và 20% so với khối lượng nhựa nền Sau đó, xếp sợi thủy tinh vào khuôn một cách đồng đều tại các vị trí để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Trong thí nghiệm, nhựa nền được trộn với chất khơi mào methyl ethyl ketone peroxide (MEKP) với nồng độ 1% so với khối lượng nhựa UP, không sử dụng chất xúc tiến dimethyl aniline (DMA) Sau khi khuấy hỗn hợp trong 30 giây, hỗn hợp được đổ nhanh vào khuôn và để yên trong suốt thời gian đóng rắn Các thông số thời gian gel hóa, nhiệt độ tối đa và thời gian đóng rắn của các mẫu thí nghiệm được đo và ghi lại Tiếp theo, bề mặt của các mẫu composite được đánh bóng và kiểm tra độ bền kéo Kết quả cho thấy hàm lượng styrene, MEKP và sợi thủy tinh có ảnh hưởng đáng kể đến trạng thái đóng rắn của nhựa nền ở nhiệt độ phòng.
Cân chính xác lượng nhựa nền và sợi thủy tinh như sau:
− Mẫu 1: 5g nhựa 60% UP và 40% ST và 20% khối lượng sợi thủy tinh so với nhựa nền
− Mẫu 2: 5g nhựa 60% UP và 40% ST và 10% khối lượng sợi thủy tinh so với nhựa nền Xếp sợi thủy tinh vào khuôn sao cho đồng đều tại các vị trí
Thêm vào nhựa nền chất khơi mào methyl ethyl ketone peroxide (MEKP) với các nồng độ
Sử dụng 2-3% khối lượng nhựa UP mà không có chất xúc tiến dimethyl aniline (DMA), khuấy hỗn hợp trong 30 giây trước khi đổ nhanh vào khuôn và giữ yên trong suốt quá trình đóng rắn Đo các thông số như thời gian gel hóa, nhiệt độ tối đa và thời gian đóng rắn của các mẫu thí nghiệm Cuối cùng, thực hiện đánh bóng bề mặt và kiểm tra độ bền kéo của các mẫu composite.
KẾT QUẢ
Ảnh hưởng của hàm lượng styrene, MEKP và DMA lên trạng thái đóng rắn của nhựa nền ở nhiệt độ phòng
Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng styrene và MEKP ( không sử dụng chất xúc tiến DMA) Mẫu 1: UP 3g, ST 2g
Bảng 2.1 Thông số thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng hàm lượng styrene và MEKP (không sử dụng chất xúc tiến DMA)
Hình 2.1 Mẫu composite khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng styrene, MEKP lên trạng thái đóng rắn của nhựa nền ở nhiệt độ phòng
Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng styrene trong quá trình sử dụng chất xúc tiến DMA (MEKP không đổi) đã được thực hiện Bảng 2.2 trình bày kết quả khảo sát này, cho thấy mối liên hệ giữa hàm lượng styrene và hiệu quả của chất xúc tiến DMA.
DMA 1 giọt 2 giọt 1 giọt 2 giọt
Mẫu composite được khảo sát nhằm đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng styrene, MEKP và DMA đến trạng thái đóng rắn của nhựa nền ở nhiệt độ phòng Nghiên cứu này cũng xem xét tác động của hàm lượng styrene và sợi thủy tinh đối với quá trình đóng rắn của nhựa nền trong điều kiện tương tự.
Thay sợi thủy tinh bằng bông gòn
Bảng 2.3 Thông số khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng styrene và sợi thủy tinh lên trạng thái đóng rắn của nhựa nền ở nhiệt độ phòng
Thời gian gel hóa Không khảo sát được do bông gòn hút hết nhựa
Thời gian đóng rắn 1h28' 1h37' 1h7 1h11' Ảnh hưởng của hàm lượng styrene, MEKP và sợi thủy tinh lên trạng thái đóng rắn của nhựa nền ở nhiệt độ phòng
Bảng 2.4 Thông số khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng styrene, MEKP và sợi thủy tinh lên trạng thái đóng rắn của nhựa nền ở nhiệt độ phòng
Thời gian gel hóa Không khảo sát được do bông gòn hút hết nhựa
Hình 2.3 Mẫu composite khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng styrene, MEKP và sợi bông gòn lên trạng thái đóng rắn của nhựa nền ở nhiệt độ phòng.
B ÀN LUẬN KẾT QUẢ
Việc bổ sung styrene vào nhựa giúp tăng cường độ cứng, tuy nhiên, lượng styrene càng lớn thì thời gian gel hóa càng kéo dài, dẫn đến quá trình đóng rắn của nhựa trở nên hoàn thiện hơn.
Tăng nồng độ chất khơi màu MEKP thì thời gian gel hóa ngắn lại, thời gian đông đặc nhanh hơn
Thêm chất xúc tiến DMA thì thời gian gel hóa ngắn hơn, thời gian đóng rắn nhanh hơn và nhiệt độ cao hơn khi không có xúc tiến DMA
Khi có thêm sợi thủy tinh (bông gòn) thì làm nhựa trơ nên cứng hơn.
TỔNG HỢP VẬT LIỆU MOFS
M ỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
- Lý thuyết và kĩ năng tiến hành tổng hợp vật liệu có bề mặt riêng có cấu trức xốp trên cơ sở bộ khung hữu cơ – kim loại MOFs
- Thực nghiệm tổng hợp vật liệu MOFs
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu MOFs
- Khảo sát các tính chất đặc trưng của sản phẩm
C Ơ SỞ LÝ THUYẾT TẠO THÀNH SẢN PHẨM
Vật liệu MOFs (Metal-Organic Frameworks) có cấu trúc tinh thể, được hình thành từ các cation kim loại kết hợp với phân tử hữu cơ, tạo ra một cấu trúc ba chiều xốp với diện tích bề mặt lớn Có thể hình dung MOFs như những giàn giáo, nơi các trục bánh xe kim loại được liên kết với các thanh chống bằng phân tử hữu cơ, nhằm tối đa hóa diện tích bề mặt mà vẫn đảm bảo độ bền cho cấu trúc Để được phân loại là MOFs, vật liệu cần có cấu trúc tinh thể trật tự cao, liên kết mạnh và bề mặt riêng đủ lớn để chịu đựng các điều kiện làm việc khác nhau.
Việc lựa chọn các đơn vị cấu trúc để tổng hợp vật liệu MOFs cần được thực hiện cẩn thận, đảm bảo rằng các tính chất của chúng được giữ nguyên trong sản phẩm cuối Khác với copolymer hữu cơ, trong đó bản chất và nồng độ monomer quyết định các đặc tính vật lý và quang học, tính chất của MOFs chủ yếu phụ thuộc vào cách bố trí mạng lưới liên kết giữa các đơn vị cấu trúc Quá trình tổng hợp vật liệu MOFs không chỉ yêu cầu lựa chọn và điều chế các module mong muốn, mà còn cần dự đoán chính xác cách sắp xếp các module này trong sản phẩm vật liệu rắn cuối cùng.
Việc tạo ra liên kết giữa các tâm kim loại bằng phân tử hữu cơ thường mất nhiều thời gian và yêu cầu điều kiện phản ứng êm dịu để bảo toàn cấu trúc và nhóm chức của phân tử Cần đảm bảo sự tương thích giữa việc duy trì các liên kết hữu cơ mong muốn và hình thành các liên kết mới Để đạt được khung carbon-kim loại bền vững, quá trình tổng hợp phải tạo ra vật liệu với cấu trúc tinh thể đồng nhất và trật tự cao.
Ngày nay, phương pháp phát triển tinh thể đã được cải tiến thông qua việc sử dụng dung môi mới kết hợp với nhiệt độ thích hợp Các thành phần trong nguyên liệu được hòa tan thành dung dịch loãng trong các dung môi phản cực, sau đó gia nhiệt trong các bình phản ứng cao áp Teflon Quá trình gia nhiệt này tự sinh ra áp suất mong muốn Đôi khi, việc sử dụng hỗn hợp các dung môi khác nhau là cần thiết để điều chỉnh độ phân cực của dung dịch và động học của quá trình trao đổi giữa dung môi và các ligand hữu cơ, từ đó nâng cao hiệu quả phát triển tinh thể.
Các muối kim loại sử dụng cho việc tổng hợp vật liệu MOFs thường là các muối như
Zn(NO3)2.4H2O, Cu(NO3)2.4H2O, và Co(OAc)2.4H2O là những hợp chất được sử dụng trong quá trình tổng hợp MOFs, nhằm tạo ra các liên kết hữu cơ kết nối các tâm kim loại và hình thành cấu trúc tinh thể xốp Các phân tử hữu cơ thường chứa nhóm chức –COOH và trong một số trường hợp, 1,2,3-Triazole và pyrrodiazole được sử dụng để hình thành các liên kết hữu cơ Hiện nay, các phân tử hữu cơ với cấu trúc đa dạng đang được nghiên cứu để cải thiện tính chất của vật liệu MOFs, hướng đến việc phát triển những vật liệu mới với hiệu suất cao hơn so với các loại MOFs ban đầu.
Quá trình tổng hợp vật liệu MOFs được thực hiện qua phương pháp Solvothermal synthesis, sử dụng dung môi phân cực và nhiệt độ thích hợp Các phản ứng tinh thể diễn ra trong bình phản ứng kín chịu áp suất, được kiểm soát nhiệt độ theo chương trình Sau khi phản ứng hoàn tất, tinh thể MOFs được tách bằng ly tâm hoặc lọc, loại bỏ dung môi và tạp chất dư, sau đó làm khan dưới áp suất chân không.
Cấu trúc và các thông số hóa lý của vật liệu MOFs được xác định qua các phương pháp phân tích hiện đại như phỗ nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Các nhóm chức trong vật liệu được phân tích bằng phổ hồng ngoại (FT-IR) Độ tinh khiết của vật liệu được kiểm tra thông qua phân tích nguyên tố, xác định tỷ lệ các nguyên tố carbon, hydrogen, niềm và kim loại, so sánh với giá trị lý thuyết Bề mặt riêng và kích thước lỗ xốp được xác định theo phương pháp hấp phụ BET, trong khi độ bền nhiệt của vật liệu được đánh giá bằng phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và phân tích nhiệt vi sai (DSC).
Q UY TRÌNH THỰC HÀNH
1 Tái sinh acid terepthalic để điều chế tinh thể MOFs
Hình 3.1 Sơ đồ khối điều Tái sinh acid terepthalic để điều chế tinh thể MOFs
Chuẩn bị nhựa PET của chai nước suối, cắt nhỏ
Cho 10g NaOH và 2g PET vào cốc thủy tinh, sau đó thêm 20ml nước Đun hỗn hợp trên bếp điện và khuấy đều cho đến khi nhựa PET được thủy phân hoàn toàn.
Để thực hiện quá trình thủy phân nhựa PET, đầu tiên, thêm 200ml nước vào cốc thủy tinh và khuấy đều Sau đó, lọc dung dịch để loại bỏ chất rắn, thu được dung dịch trong Tiếp theo, từ từ thêm acid HCl đậm đặc vào dung dịch đã lọc cho đến khi xuất hiện kết tủa trắng và đạt pH 2, sau đó dừng lại.
Hình 3.4 Lọc và thử pH
Tiếp theo, lọc lấy kết tủa để thu được acid terephthalic màu trắng Rửa sạch kết tủa bằng nước Ta thu được acid terephthalic tinh khiết
Hình 3.4 Acid terephthalic tinh khiết
❖ Hiệu suất tái sinh acid được tính theo công thức:
Trong đó: macid: là khối lương tinh thể acid terephthalic thu được (g) mnhựa: là khối lượng nhựa PET ban đầu
2 Quy trình điều chế tinh thể Cu(BDC)
Hình 3.5 Sơ đồ khối điều chế tinh thể Cu(BDC)
• Giai đoạn tạo tinh thể
Cân 1,2705g Cu(NO3).3H2O và H2BDC 0,996g hòa tan trong 90ml dung môi DMF Hỗn hợp được khuấy đến khi hoàn tan được đậy nắp và gia nhiệt ở nhiệt độ 100℃
Hình 3.6 Hòa tan hỗn hợp và gia nhiệt
Sau khi hỗn hợp được hòa tan hoàn toàn, hãy để nguội và cho vào thau đá để tiến hành quá trình kết tinh, tạo ra các tinh thể màu xanh trong vòng vài giờ.
Hình 3.7 Tinh thể màu xanh xuất hiện
• Giai đoạn rửa tinh thể:
Sau khi quá trình kết tinh hoàn tất, dung môi sử dụng trong tổng hợp sẽ được loại bỏ Tinh thể Cu(BDC) thu được sẽ được rửa nhiều lần bằng dung môi DMF để đảm bảo độ tinh khiết.
Hình 3.8 Lọc lấy tinh thể
• Thu tinh thể Cu(BDC)
Sau khi rửa sạch, tinh thể Cu(BDC) được sấy khô để thu được sản phẩm tinh khiết Quá trình sấy khô giúp loại bỏ hoàn toàn độ ẩm, đảm bảo tinh thể Cu(BDC) đạt chất lượng cao nhất.
Hình 3.9 Tinh thể Cu(BDC) tinh khiết
• Hiệu suất của quá trình được tính theo công thức:
IV Số liệu thực nghiệm
Bảng 3.1 Thông số vận hành điều chế acid terphtalic
Thông số khảo sát Thông số vận hành
Bảng 3.2 thông số vận hành điều chế tinh thể Cu(BDC)
Thông số khảo sát Thông số vận hành
Khối lượng acid terephthaliic tinh khiết thu được m1 = 1,12g
Khối lượng tinh thể MOFs Cu(BDC) m2 = 0,2g
• Hiệu suất của quá trình thực hiện: Điều chế acid terephthalic:
2 × 100% = 56% Điều chế tinh thể MOFs Cu(BDC)
Ta có nCu(BDC) = = 5,25 mol
Suy ra khối lượng tinh thể lí thuyết: = 5,25 × (164+ 64) = 1,25g
V Khó khăn và cách khắc phục
• Khó thủy phân hoàn toàn nhựa PET
• Thu sản phẩm tinh thể MOFs ít
• Kết tinh ít sản phẩm MOFs
• Cắt nhỏ nhựa PET càng nhỏ càng dễ thủy phân
• Thêm NaOH để thúc đẩy quá trình thủy phân diễn ra nhanh hơn
• Lọc rửa kết tủa nhiều lần bằng dung môi DMF
• Hạn chế khuấy khi hòa tan hoàn toàn hỗn hợp
• Sau khi hỗn hợp hòa tan hoàn toàn tiến hành hạ nhiệt độ, cho vào khay đá Không bắt trên bếp ở nhiệt độ cao
BÀI 4: TỔNG HỢP THUỐC NHUỘM AZO ORANGE II VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG GẮN MÀU LÊN VẬT LIỆU DỆT
Cung cấp cho sinh viên
− Lý thuyết và thực nghiệm về phản ứng ghép đôi azo để tổng hợp thuốc nhuộm azo orange II và methyl orange
− Kỹ năng kiểm tra và phân tích các thông số kỹ thuật đặc trưng của hai loại thuốc nhuộm điều chế được
Kỹ năng kiểm tra và phân tích số liệu thí nghiệm là rất quan trọng, giúp so sánh và rút ra những kết luận cơ bản về tính chất cũng như khả năng ứng dụng của màu azo tổng hợp trên các vật liệu khác nhau.
II Cơ sở lý thuyết
1 Thuốc nhuộm azo và phản ứng ghép đôi azo
Thuốc nhuộm đã có vai trò quan trọng trong lịch sử nhân loại từ thời cổ đại, trở thành một đặc trưng nổi bật của nhiều nền văn minh Chúng được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm thương mại như thực phẩm, quần áo, tạo màu và nghệ thuật vẽ.
Thuốc nhuộm azo là một trong những loại thuốc nhuộm quan trọng nhất trong ngành công nghiệp, chiếm khoảng một nửa tổng số thuốc nhuộm được sử dụng Cấu trúc cơ bản của thuốc nhuộm azo là Ar-N=N-Ar’, trong đó Ar và Ar’ đại diện cho các nhóm hợp chất thơm.
Nhóm azo, với liên kết đôi nito, ảnh hưởng đến màu sắc và khả năng hòa tan của hợp chất nhuộm azo Bản chất của nhóm thế trên hai nhánh của nhóm azo quyết định cách thuốc nhuộm liên kết với từng loại vải cụ thể.
Phản ứng diazo hóa sử dụng muối diazo với amin thơm hoặc phenol để tạo ra phẩm màu azo theo cơ chế thế ái điện tử (SE) Trong quá trình này, amin và phenol thường được thế vào vị trí para hoặc ortho so với nhóm thế của chúng Nếu nhóm thế R’ trong vòng thơm Ar-R’ là nhóm tăng hoạt, phản ứng ngưng tụ diễn ra dễ dàng, trong khi nếu R’ là nhóm giảm hoạt, phản ứng sẽ khó khăn hơn Phản ứng được thực hiện trong môi trường có pH 7-9 cho các dẫn xuất phenol, thường sử dụng Na2CO3 để điều chỉnh pH, và pH 4-7 cho các dẫn xuất amin Đối với ngưng tụ trong môi trường kiềm, phản ứng diễn ra ở nhiệt độ 10-15°C, trong khi trong môi trường acid, nhiệt độ phản ứng là 30-40°C.
Cơ chế của các phản ứng ghép đôi azo (diazo hóa) trong tổng hợp orang II và methyl orange từ muối diazonium của acid sunfanilic được thể hiện trong hình 6.1.
Để xác định bước sóng cực đại và độ hấp thu quang A của hỗn hợp orange II và methyl orange qua phản ứng ghép đôi azo, phương pháp quang phổ khả kiến-tử ngoại (UV-Vis) thường được sử dụng Phương pháp này rất hiệu quả trong việc xác định sự có mặt và giải thích bản chất của các hệ liên hợp có vòng thơm, mặc dù chỉ một số ít nhóm chức có thể được xác định nhờ phổ UV-Vis.
Các chất có màu xuất phát từ sự hiện diện của nhiều nhóm nối đôi trong phân tử như C=C, C=O, C=N, N=N, C≡C, N≡N, và -NO2, được gọi là các nhóm mang màu Khi các nhóm này liên kết tạo thành mạch dài, màu sắc sẽ trở nên đậm hơn Những chất có màu đậm khi đo phổ phân tử ngoại khả kiến sẽ có bước sóng tối đa (λ_max) nằm trong vùng có bước sóng dài Trong khoảng 400÷800 nm, mỗi gam màu được xác định bằng một bước sóng hấp thu cực đại λ_max riêng biệt.
2 Phương pháp nhuộm và phương pháp tính độ tận trích
Quá trình nhuộm được thực hiện qua ba phương pháp chính: nhuộm gián đoạn, nhuộm liên tục và nhuộm bán liên tục, trong đó nhuộm gián đoạn (hay còn gọi là nhuộm tận trích) là phương pháp phổ biến nhất Phương pháp này đặc trưng bởi việc thuốc nhuộm bị tận trích vào vật liệu, dẫn đến nồng độ thuốc nhuộm trong dung dịch giảm dần, trong khi nồng độ trong vật liệu tăng lên Mức độ tận trích trong bể nhuộm phụ thuộc vào thời gian, mô tả tốc độ và mức độ của quy trình nhuộm.
Độ tận trích của thuốc nhuộm theo thời gian được xác định bằng tỷ lệ giữa khối lượng thuốc nhuộm còn lại trên vật liệu nhuộm và tổng khối lượng thuốc nhuộm ban đầu sử dụng trong bể nhuộm.
K HÓ KHĂN VÀ CÁCH KHẮC PHỤC
• Khó thủy phân hoàn toàn nhựa PET
• Thu sản phẩm tinh thể MOFs ít
• Kết tinh ít sản phẩm MOFs
• Cắt nhỏ nhựa PET càng nhỏ càng dễ thủy phân
• Thêm NaOH để thúc đẩy quá trình thủy phân diễn ra nhanh hơn
• Lọc rửa kết tủa nhiều lần bằng dung môi DMF
• Hạn chế khuấy khi hòa tan hoàn toàn hỗn hợp
• Sau khi hỗn hợp hòa tan hoàn toàn tiến hành hạ nhiệt độ, cho vào khay đá Không bắt trên bếp ở nhiệt độ cao
BÀI 4: TỔNG HỢP THUỐC NHUỘM AZO ORANGE II VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG GẮN MÀU LÊN VẬT LIỆU DỆT
M ỤC ĐÍCH THỰC HÀNH
Cung cấp cho sinh viên
− Lý thuyết và thực nghiệm về phản ứng ghép đôi azo để tổng hợp thuốc nhuộm azo orange II và methyl orange
− Kỹ năng kiểm tra và phân tích các thông số kỹ thuật đặc trưng của hai loại thuốc nhuộm điều chế được
Kỹ năng kiểm tra và phân tích số liệu thí nghiệm là rất quan trọng để so sánh và rút ra những kết luận cơ bản về tính chất cũng như khả năng ứng dụng của màu azo tổng hợp trên các vật liệu khác nhau.
II Cơ sở lý thuyết
1 Thuốc nhuộm azo và phản ứng ghép đôi azo
Thuốc nhuộm đã đóng vai trò quan trọng trong lịch sử nhân loại từ xa xưa, trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều nền văn minh Quy trình nhuộm không chỉ thể hiện sự sáng tạo mà còn là yếu tố quan trọng trong sản xuất các sản phẩm thương mại như thực phẩm, quần áo, mỹ phẩm và nghệ thuật.
Thuốc nhuộm azo là một trong những loại thuốc nhuộm quan trọng nhất, chiếm khoảng một nửa số thuốc nhuộm trong ngành công nghiệp Cấu trúc cơ bản của thuốc nhuộm azo là Ar-N=N-Ar’, với Ar và Ar’ là các nhóm hợp chất thơm.
Nhóm azo, với liên kết đôi nito, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định màu sắc của hợp chất nhuộm azo Bản chất của nhóm thế trên hai nhánh của nhóm azo không chỉ ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của thuốc nhuộm mà còn quyết định cách thức thuốc nhuộm liên kết với từng loại vải cụ thể.
Phản ứng diazo hóa diễn ra khi muối diazo tác dụng với amin thơm hoặc phenol, tạo ra phẩm màu azo thông qua cơ chế thế ái điện tử (SE) Các amin và phenol thường thế tại vị trí para hoặc ortho so với nhóm thế Nếu nhóm thế R’ trong vòng thơm là nhóm tang hoạt, phản ứng ngưng tụ diễn ra dễ dàng; ngược lại, nếu là nhóm giảm phản ứng, quá trình này khó khăn hơn Điều kiện pH tối ưu cho phản ứng là 7-9 đối với dẫn xuất phenol, sử dụng Na2CO3 để điều chỉnh, và 4-7 đối với dẫn xuất amin Ngưng tụ trong môi trường kiềm được thực hiện ở nhiệt độ 10-15°C, trong khi ngưng tụ trong môi trường acid diễn ra ở 30-40°C.
Cơ chế của phản ứng ghép đôi azo (diazo hóa) trong tổng hợp Orange II và methyl orange từ muối diazonium của axit sunfanilic được minh họa trong hình 6.1.
Để xác định bước sóng cực đại và độ hấp thu quang A của orange II và methyl orange thông qua phản ứng ghép đôi azo, phương pháp quang phổ khả kiến-tử ngoại (UV-Vis) thường được sử dụng Mặc dù một số nhóm chức có thể xác định bằng phổ UV-Vis, phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc phát hiện và phân tích các hệ liên hợp có vòng thơm.
Các chất có màu được hình thành do sự hiện diện của các nhóm nối đôi hoặc nối ba trong phân tử như C=C, C=O, C=N, N=N, C≡C, N≡N, và -NO2, được gọi là các nhóm mang màu Khi nhiều nhóm mang màu liên kết với nhau tạo thành mạch dài, màu sắc sẽ trở nên đậm hơn Các chất màu đậm khi đo phổ phân tử ngoại khả kiến sẽ có bước sóng tối đa (λ_max) nằm trong vùng bước sóng dài Trong khoảng 400÷800 nm, mỗi gam màu có thể được xác định bằng một bước sóng hấp thu cực đại (λ_max) riêng biệt.
2 Phương pháp nhuộm và phương pháp tính độ tận trích
Quá trình nhuộm được thực hiện qua ba phương pháp chính: nhuộm gián đoạn, nhuộm liên tục và nhuộm bán liên tục, trong đó nhuộm gián đoạn (hay nhuộm tận trích) là phương pháp phổ biến nhất Phương pháp này diễn ra với sự giảm dần nồng độ thuốc nhuộm trong dung dịch và tăng dần nồng độ trong vật liệu, cho thấy mức độ tận trích phụ thuộc vào thời gian, mô tả tốc độ và hiệu quả của quy trình nhuộm.
Độ tận trích là tỷ lệ khối lượng thuốc nhuộm còn lại trên vật liệu sau khi nhuộm so với tổng khối lượng thuốc nhuộm ban đầu trong bể nhuộm, và nó có ảnh hưởng đáng kể theo thời gian.
Trong nghiên cứu về quá trình nhuộm, nồng độ của thuốc nhuộm tại thời điểm bắt đầu (𝐶 0) và kết thúc (𝐶 𝑠) có thể được xác định thông qua giá trị mật độ hấp thu quang cực đại (𝐴 0 và 𝐴 𝑠) Công thức tính toán nồng độ này là 𝐶 0 × 100, giúp đánh giá hiệu quả của quá trình nhuộm.
III Quy trình thực hành
1.1 Tạo muối diazo sunfanilic acid
Hình 4.3 Sơ đồ tổng hợp muối diazonium
Hình 4.4 Sơ đồ tổng hợp Oranage II
Hỗn hợp tan có màu đỏ cam
Khuấy tan hỗn hợp Braker 2
Thau đá và để yên
Khuấy ra sản phẩm có màu đỏ cam
1.3 Khảo sát thuốc nhuộm Orange II trên vải
Hình 4.5 Sơ đồ khảo sát thuốc nhuộm orange II trên vải
600ml H 2 O 12g Na 2 SO 4 2.4g orange II
1g vải Đo mật độ quang
Khuấy đều và gia nhiệt đến 100 độ C
Khảo sát thời gian tận trich
1.4 Xử lý dung dịch sau nhuộm
1.4.1 Quy trình biến tính xơ dừa
Hình 4.6 Sơ đồ quy trình biến tính xơ dừa
1.4.2 Tiến hành xử lý nước thải
Hình 4.7 Sơ đồ xử lý nước thải sau nhuộm
Xơ dừa biến tính Xơ dừa làm sạch
100÷500 nước thải nhuộm 100÷500 nước thải nhuộm
Khảo sát thời gian hấp thụ Khảo sát thời gian hấp thụ
0' 20' 40' 60' 0' 20' 30' 60' Đo pH từng giai đoạn Đo pH từng giai đoạn
2.1 Quy trình tạo muối diazonium
Cân 2,4g acid sunfanilic cho vào beaker 100ml, tiếp tục cho thêm 25ml dung dịch
Trong thí nghiệm này, cho 2.5% Na2CO3 vào beaker, sau đó cân 1g NaNO2 và cho vào, khuấy đều cho đến khi tan hoàn toàn Tiếp theo, thêm 250ml nước và 15g đá, sau đó từ từ cho 2.6ml HCl đđ vào Dung dịch sẽ chuyển sang màu đỏ cam, cần kiểm tra pH liên tục để đảm bảo luôn ở mức acid Sau 1-2 phút, quan sát sẽ thấy kết tủa li ti của muối diazonium từ acid sunfanilic xuất hiện Nếu chưa có kết tủa, thêm vài giọt HCl cho đến khi tinh thể xuất hiện, sản phẩm thu được chính là muối diazonium.
2.2 Quy trình tổng hợp orange II
Hòa tan 1.8g 2-naphtol vào 10ml dung dịch NaOH 10% trong beaker 250ml Khuấy đều và rót hỗn hợp muối diazonium vào, kiểm tra pH luôn ở mức acid Thêm 5g NaCl vào hỗn hợp và khuấy cho tan hoàn toàn Đặt hỗn hợp vào thau đá và tiếp tục làm lạnh, khuấy cho đến khi sản phẩm có màu đỏ cam Cuối cùng, lọc hút chân không để thu được sản phẩm có tên là Orange.
2.3 Quy trình khảo sát thuốc nhuộm trên vải
Cho 12g Na2SO4, 2.4g thuốc nhuộm orange II và 600ml nước vào beaker 600ml, khuấy đều cho tan hoàn toàn và đo mật độ quang A0 Chia đều vào 6 beaker chứa 1g vải đã làm ướt, khuấy đều và gia nhiệt đến 100C Nhuộm vải theo thời gian 2.0’, 30’, 40’, 50’, 60’ và 70’ Sau khi để nguội, đem vải đi sấy ở 120C và đo quang nước nhuộm để xác định As.
2.4 Quy trình xử lý nước nhuộm
2.4.1 Quy trình biến tính xơ dừa
Xơ dừa được làm sạch bằng cách chỉ lấy phần xơ và nấu ở nhiệt độ 100°C để loại bỏ màu sắc và tạp chất mà vẫn giữ nguyên tính chất của sợi Sau 20 phút, xơ dừa được rửa sạch với nước và để ráo Tiếp theo, xơ dừa được ngâm trong dung dịch HCl 10% ở nhiệt độ 40°C trong 2 giờ Sau khi ngâm đủ thời gian, xơ dừa được rửa sạch và phơi khô ở nhiệt độ phòng, thu được xơ dừa đã biến tính.
2.4.2 Quy trình xử lý nước thải
