KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập-Tự do-Hạnh phúc ******* NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: Bùi Huy Hoàng M
TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
Tre là một loài thực vật có ở hầu hết các nước nhiệt đới, tre thuộc loại vật liệu composie có nguồn gốc tự nhiên Tre là loài thực vật thân cỏ có tốc độ phất triển nhanh nhất thế giới khoảng 1m trên một ngày và là loài thực vật nở hoa một lần duy nhất vào cuối đời Tre là composite vì nó gồm sợi cellulose còn phần chất nền là lignin Các sợi cellulose được xếp theo dọc chiều dài của cây tre tạo ra độ bền uốn tối đa cho cây tre tạo ra độ bền cho tre
Có khoảng 1200 loài tre đã được tìm thấy trên thế giới Tre là loại vật liệu có từ rất lâu đời cùng tồn tại với còn người Nó được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm gia dụng, thủ công mỹ nghệ và mở rộng sang các lĩnh vực công nghiệp do sự tiến bộ của công nghệ và nhu cầu ngày càng cao của con người Hiện có khoảng 35 loài dùng làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp giấy và bột giấy
Tre ra loài thực vật không hạt phong phú nhất trên Trái Đất thuộc họ Poaceae và nó bao phủ một khu vực rộng lớn của các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới Tre là loài thực vật có tốc độ phát triển nhanh chóng, có vai trò quan trọng giúp bảo vệ Trái Đất của con người khỏi nguy cơ ô nhiễm và cải tạo đất Tre được sử dụng trong hầu hết 1500 mặt hàng thương mại, được sử dụng theo nhiều cách, từ vật liệu xây dựng, sơ chế thực phẩm, nhạc cụ đến sản xuất bột giấy, hàng rào, rổ rá, ống nước, đồ dùng và nhà ở thấp tầng Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của tre là tốc độ trưởng thành nhanh chóng, có thể là ba năm, trong khi các loại gỗ khác cần khoảng 20 năm để trưởng thành Tốc độ phát triển của tre cũng đáng kinh ngạc; trong một số trường hợp được báo cáo, nó là xấp xỉ hai inch mỗi giờ và chiều cao có thể đạt 60 feet chỉ trong 3 tháng
Tre có thể hấp thụ khoảng 3,73cm³ cho thấy vai trò quan trọng của tre trong bảo vệ môi trường Trong những năm gần đây, sự xâm nhập của tre vào ngành công nghiệp dệt đã tạo ra quần áo tre có khả năng kháng khuẩn và hấp thụ tia cực tím, nguyên nhân là do đặc tính của lignin trong sợi tre Nhìn chung, tre ngày nay đóng một vai trò quan trọng trong đời sống con người, đáp ứng nhiều nhu cầu của con người từ bảo vệ môi trường đến sử dụng làm đồ gia dụng Mục đích của bài báo này là để xác định loại tre được sử dụng phổ biến nhất cho các nhà nghiên cứu và phát triển
Hình 1 1: Hình ảnh cây tre trong tự nhiên Ở Việt Nam tre đã gắn bó với người dân từ xa xưa với truyền thuyết Thánh Gióng cầm tre đánh giặc đến tre trong cuộc sống hằng ngày tre làm nhà, vật dụng sinh hoạt, vật dụng nông nghiệp, đến tre trong kháng chiến sử dụng làm vũ khí chiến đấu thời các xưa Ngày nay tre vẫn đang được sử dụng và ngày càng được ưu chuộng: tre trong xây dựng; tre trong thực phẩm như măng, tre làm bột than trong các sản phẩm ăn uống tạo màu; tre trong sản xuất sợi dùng trong may mặc và trong trang trí nội ngoại thất… Tre ở Việt Nam được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau và đem lại nhiều công dụng cho con người.
Thành phần hóa học của tre
Thành phần hóa học trong tre tương tự như thành phần hóa trong gỗ Các thành phần chính của thân tre là cellulose, hemicellulose và lignin chiếm khoảng 90% tổng khối lượng của tre Các thành phần phụ còn lại như: nhựa, tannin, sáp, chất vô cơ và một số muối khác Tuy nhiên tre có hàm lượng tro và silica cao hơn so với gỗ Tính chất của mỗi thành phần góp phần tạo nên tính chất chung cho tre [1]
Vì thành phần hóa học của tre thay đổi theo độ tuổi, chiều cao, từng lớp trong tre, các thành phần hóa học của tre có tương quan với vật lý của nó và các đặc tính cơ học
Lignin là một polymer tự nhiên tồn tại trong hầu hết các loại thực vật lignin là polymer có cấu trúc phức tạp không đồng nhất và là một polymer phenolic có nguồn gốc chủ yếu từ ba loại là hydroxycinnamyl hoặc monolignols, cụ thể là rượu p-coumaryl (MH), rượu coniferyl (MG) và rượu sinapyl (MS)
Hình 1 2: Các loại rượi tạo nên lignin
Các nhóm chức ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của lignin là nhóm hydroxyl phenol, nhóm hydroxyl rượi benzylic và nhóm carbonyl Hàm lượng nhóm chức thay đổi tùy theo các loài thực vật khác nhau
Cấu trúc của lignin rất phức tạp và là một polyphenol có mạng không gian mở tồn tại ở dạng vô định hình, khối lượng phân tử khoảng 4000-10000, độ trùng hợp từ 25-45 Trong cấu trúc của lignin có hơn 2 phần ba số đơn vị phenylpropane nối với nhau qua liên kết ete còn lại là liên kết C-C giữa các đơn vị mắt xích và liên kết este [2, 3,4]
Hình 1 3: Cấu tạo của lignin
Bản chất của lignin kị nước, không tan trong nước, không tan trong các dung môi thông thường ở nhiệt độ thông thường Lignin có khả năng chống thủy phân bằng axit, dễ bị oxy hóa, hòa tan trong kiềm nóng và bisulfit, và dễ dàng ngưng tụ với phenol hoặc thiols Lignin trong thành tế bào thứ cấp của thực vậtgóp phần vào độ cứng và tính chất kỵ nước của các tế bào chuyên biệt, cung cấp hỗ trợ cơ học và thực hiện vận chuyển nước [5]
Tính chất cơ học của lignin thấp hơn cellulose nhưng trong tre có tác dụng như chất kết dính với cellulose, lignin có khản năng ổn định nhiệt tốt nhưng dễ bị tác động của tia tử ngoại (UV) Lignin có nhiệt độ nóng chảy ở 140°C và phân hủy ở 160°C Trong tre lignin giúp ổn định kích thước của tre, chống côn trùng, nấm mốc, kháng vi sinh vật xâm nhập và giúp chống lại tác dụng của cơ học bên ngoài tác động lên tre tạo nên vật liệu composite tự nhiên là tre Liên kết giữa lignin và cellulose khá bền vững, hàm lượng lignin tăng khi tuổi thọ của tre tăng giúp cây tre dày hơn, cứng chắc hơn và chịu va đập tốt hơn.[5]
Cellulose (C6H10O5)n là polymer tự nhiên phong phú nhất có trên Trái Đất và là thành phần quan trong cấu thành nên thực vật, là polysaccharide bao gồm chuổi mạch thẳng có đến vài trăm nghìn đơn vị β glucozơ liên kết với nhau Cellulose là loại polymer dạng sợi, dai, không tan trong nước là thành phần cấu tạo nên thành tế bào thực vật.[6]
Cellulose có nguồn gốc từ các đơn vị glucozo, hình thành nhờ liên kết β (1,4 glicozit) Cellulose là polymer mạch thẳng Nhiều nhóm hydroxyl trên glucose từ một chuỗi tạo thành liên kết hydro với các nguyên tử oxy trên cùng hoặc trên một chuỗi lân cận, giữ các chuỗi này chắc chắn với nhau cạnh nhau và tạo thành các sợi nhỏ với độ bền kéo cao Các chuỗi glucose kết hợp với nhau tao thành polysaccarit Độ bền kéo cao của thân cây và gỗ cây cũng phát sinh từ sự sắp xếp của các sợi cellulose phân bố mật thiết thành chất nền lignin Tính chất cơ học của cellulose trong thành tế bào thực vật sơ cấp có tương quan với sự phát triển và mở rộng của tế bào thực vật
Hình 1 4: Cấu tạo của cellulose
Cellulose không màu, không vị ưa nước, không tan trong nước và tan hầu hết với tất cả các dung môi hữu cơ, là chất bất đới xứng và có khản năng phân hủy sinh học Cellulose nóng chảy ở 467 ℃ và nó có khản năng phân hủy hóa học thành các đơn vị glucose bằng axit ở nhiệt độ cao.[7]
So với tinh bột, cellulose cũng kết tinh hơn nhiều Trong khi tinh bột trải qua quá trình chuyển từ tinh thể sang vô định hình khi đun nóng trong nước vượt quá 60-70° C (như trong nấu ăn), cellulose yêu cầu nhiệt độ 320 ° C và áp suất 25 MPa để trở thành vô định hình trong nước
QUY TRÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Các loài tre khảo sát
Bảng 2 1 Các loài tre được khảo sát
Stt Tên loài tre Nguồn gốc Nơi cung cấp
1 Nứa lá lớn Phú Thọ Làng tre Phú An
2 Tre Mỡ Gai Hà Tĩnh Làng tre Phú An
3 Lôc Ngộc Hà Giang Làng tre Phú An
4 Tre Xiêm An Giang Làng tre Phú An
5 Tre Kiểng Long An Làng tre Phú An
Cao Bằng Làng tre Phú An
7 Tre Dựa MDG Làng tre Phú An
8 Tre Hóa Hà Tĩnh Làng tre Phú An
9 Luồng Đen Thanh Hóa Làng tre Phú An
10 Tre Bông Bến Tre Làng tre Phú An
11 Tre Đắng Tiền Giang Làng tre Phú An
12 Nứa S jaculans Phước Long Làng tre Phú An
13 Gầy Hà Tĩnh Làng tre Phú An
14 Le (Cư Jut) Dak Nong Làng tre Phú An
Nguồn các loài tre từ làng tre Phú An, Bình Dương đều là phần thân của tre
Hình 2 1; Làng tre Phú An, Bình Dương
Mục tiêu
Xác định thành phần chính của các loại tre Việt Nam và lập ra bảng thành phần của một số loài cơ bản:
- Xác định thành phần của hàm lượng cellulose, hàm lượng lignin và hàm lượng glucose có trong các loại tre
- Lập bảng hàm lượng các thành phần trong tre
- Đưa ra mối liên hệ giữa hóa tính và cơ tính.
Xác định cơ tính tre
- Tre: 14 loài tre có nguồn gốc từ làng tre Phú An (Bình Dương) với độ tuổi trung bình từ 2-3 năm tuổi, tre được say ra để tạo mẫu nhỏ theo (tiêu chuẩn TCVN 3649:2007)
- Keo dán Keo dán được sử dụng để tạo mẫu đo trượt vì cấu trúc của mẫu đo trượt khó sử dụng với ngàm kẹp của mấy đo cơ tính nên cần sử dụng thêm keo dán thêm một lớp tre ở 2 đầu của mẫu đo xé Loại keo được sử dụng là 502 SUPER GLUE một thành phần
2.3.2 Thiết bị và dụng cụ
• Máy đo ứng suất kéo đứt Testometric JTM-S210
– Hãng sản xuất: JTM-Đài Loan
– Thiết bị đạt tiêu chuẩn quốc tế ISO, ASTM, DIN, EN, GB, BS, JIS, CNS
– Kiểm tra phạm vi tốc độ: 0 - 700 mm/phút
– Các đơn vị của hệ thống lựa chọn lực đo: kN, kg, lb, g, N, tấn
– Độ giãn dài: mm, cm, m
Hình 2 3: Máy đo ứng suất kéo
Máy đo ứng suất kéo đứt Testometric JTM-S210
• Các thiết bị/dụng cụ khác
Hình 2 4: Quy trình đo cơ tính
Tre sau khi chặt cần khô ngoài không khí 4 tuần để tre đạt tới trạng thái cân bằng ẩm Giải thích quy trình
Tre Để mẫu ổn định
Tạo mẫu Đo kích thước Đo cơ tính
Nguyên liệu được lấy từ phần thân của 14 loài tre được cưa bỏ các mặt tre và trẻ nhỏ thành mẫu theo kích thước và hình dạng theo tiêu chuẩn
+ Mẫu đo độ bền uốn: chiều dài 110 mm, chiều rộng 10 mm, độ dày 4-5 mm
+ Mẫu đo độ bền trượt: Chiều dài 10 mm, chiều rộng 10 mm, bề dày 4 – 5 mm
Hình 2.6 Mẫu đo độ bền trượt
+ Mẫu đo độ bền kéo: Chiều dài 110mm, chiều rộng 2mm, bề dày 4 – 5 mm
Hình 2 7: Mẫu tre trước khi sấy Hình 1.9: Mẫu đo độ bền uốn
Hình 1.11: Mẫu đo độ bền trượt
Hình 2 5: Mẫu đo độ bền uốn
Hình 2 6: Mẫu đo độ bền uốn
Hình 2 5: Mẫu đo độ bền uốn
Hình 2 6: Mẫu đo độ bền uốn
Hình 2 8: Mẫu tre sau khi sấy
Bắt đầu đo cơ tính
Tiến hành đo kích thước sau khi sấy: chiều rộng, độ dày
Hình 1.14: Chiều rộng mẫu Hình 2 9: Chiều rộng mẫu
Hình 2 10: Độ dày mẫu Đo cơ tính các mẫu tre bằng máy đo cơ tính Model JTM-S210 Số liệu theo từng phép đo kéo, đo uốn, đọ trướt được ghi lại và tiến hành phân tích
Hình 2 11: Hệ đo mẫu uốn
Hình 2 12: Hệ đo mẫu trượt
2.3.4 Phương pháp và tiêu chuẩn đánh giá Độ bền uốn:
- Tiều chuần đánh giá ASTM D790
- Phép đo 3 điểm uốn, máy đo cơ tính Model JTM-S210
Hình 2 13: Phép đo 3 điểm uốn
+ Tốc độ uốn: 4.167 mm/phút
+ Nhiệt độ: Nhiệt độ phòng
Hình 2 14: Đường cong biến dạng Đường cong biến dạng
- Tính ứng suất uốn max 2
- σ u : ứng suất uốn lớn nhất khi mẫu bị phá vỡ (MPa)
- P: lực lớn nhất mẫu chịu tác động (N)
- b: chiều rộng của mẫu đo (mm)
- h: bề dày của mẫu đo (mm)
- L: khoảng cách giữa hai gối đỡ (mm)
Eu: modul uốn (MPa) m: độ dốc đường cong uốn tại vùng tuyến tính (N/mm) Đo độ bền trượt
Hình 2 15: Mẫu đo độ bền trượt
Thông số thử : Tốc độ uốn : 5 mm/phút ở điều kiện nhiệt độ phòng
A : diện tích bề mặt tại nơi đứt Đo độ bền kéo Phương pháp được thực hiện dựa trên tiêu chuẩn ASTM D638 đễ xác định tính chất kéo của vật liệu nhựa gia cường hoặc không gia cường và cả vật liệu composite dưới một điều kiện nhất định
Hình 2 16: Đo độ bền kéo
Thực hiện trên thiết bị máy đo cơ tính Model JTM-S210 Thông số thử: Tốc độ uốn: 5 mm/phút ở nhiệt độ: 25 0 C (nhiệt độ phòng)
- σ K : ứng suất kéo lớn nhất khi mẫu bị phá vỡ (MPa)
- P: lực lớn nhất mẫu chịu tác động (N)
- W: chiều rộng của phần chịu lực (mm)
- T: bề dày của mẫu đo (mm)
- l: bề dày phần chịu lực (mm)
- m: độ dốc đường cong kéo tại vùng tuyến tính (N/m)
Xác định thành phần hóa học trong tre
2.4.1 Thiết bị và dụng cụ
Hình 2 19: Nồi cách thủy điều khiển theo nhiệt độ
Hình 2 25: Bình cầu nhám 3 cổ-1000mL
Hình 2 27: Cân phân tích 2 số lẻ
2.4.2 Xác định hàm lượng tạp chất trong tre bằng Eanol-toluene
Tre là loài thực vật nên có rất nhiều thành phần hóa học có trong nó nên tao cần loại bỏ Các thành phần hóa học trong tre (tạp chất) tan với etanol và toluene sẽ được loại bỏ Các tạp chất trong tre phân cực sẽ tan trong toluene Các tạp chất còn lại sẽ tan trong dung môi linh động etanol do sự hoạt động của nhóm hydroxyl (OH), do mạch carbon ngắn và các hợp chất không phân cực cũng bị hòa tan theo
2.4.1.1 Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị
- Nguyên liệu 14 loài tre ở dạng bột (làng tre Phú An, Bình Dương)
- Dụng cụ và thiết bị
Bảng 2 2: Dụng cụ và thiết bị tách tạp bằng etanol-toluene
- Thông số kĩ thuật + Dung tích: 53 lít
+ Kích thước buồng sấy: 400x400x330mm
+ Khối lượng: 35kg + Điện áp: 220V + Công suất: 1400W
+ Trọng lượng tối đa: 250g + Độ chính xác: 0,01g + Màn hình: LCD backlit
Dụng cụ và thiết bị Số lượng Ống chiết soxhlet 1 Ống sinh hàn 1
2.4.1.2 Quy trình và thao tác thực hiện
Hình 2 29: Sơ đo quy trình soxhlet
Cân 1-2g tre cho vào túi lọc
Lắp hệ trưng cất soxhlet
Sấy và cân mẫu Tre loại tạp
Giải thích quy trình: lắp hệ Soxhlet như hình 2.16 Thiết bị chiết bao gồm một ống chiết soxhlet được nối trên đầu trên của ống sinh hàn hồi lưu và nối ở đáy với bình nước đun sôi Lấy 2 gam bột tre đã được sấy khô vào trong ống chiết soxhlet sau đó lắp ống chiết với bình cầu và cho dung môi etanol 95% và toluene với tỉ lệ là 2:1 sau đó bật bếp và bắt đầu trưng cất Và tiến hành chưng cất trong 8 giờ với tốc độ khoảng 6 xi phông mỗi giờ, sau khi chưng cất hoàn thành thì phần chất rắn còn lại trong túi lọc sẽ được đun nóng sao cho các dung dịch bay hơi hết Phần bột tre thu được sau khi chiết sẽ được làm khô ở tủ sấy ở nhiệt độ 103±2°C, làm nguội trong bình hút ẩm và được cân đến khi khối lượng không đổi lấy mẫu trừ đi khối lượng túi lọc sẽ cho ra kết quả của tre [1]
Hình 2 30: Mẫu tre sau khi chạy soxhlet
Sau đó sử dụng công thức để tính độ tan của etanol-toluene trong tre: Độ tan của etanol-toluene = W 2
W1: trọng lương ban đầu của mẫu tre (gam)
W2: trong lượng cặn tre chiết khô sau khi sấy (gam)
2.4.3 Loại bỏ tạp bằng nước nóng
Các tạp chất hòa tan được trong nước nóng sẽ theo nước đi ra và chúng ta thu được tre loại tạp
2.4.2.1 Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị
- Nguyên liệu 14 loài tre ở dạng bột( từ làng tre Phú An, Bình Dương) đã được loại bỏ tạp chất quá hệ Soxhlet
- Dụng cụ và thiết bị
Bảng 2 3 Dụng cụ và hóa chất khi loại tạp bằng nước nóng
Dụng cụ và thiết bị Số lượng
Tiến hành gia nhiệt trong 3 giờ
Hình 2 31: Sơ đồ loại tạp bằng nước nóng
Một mẫu nặng hai gam được làm khô bằng tủ sấy và được cho vào bình Erlen 250 mLvới 100 mL nước cất Gắn và lắp hệ sau đó đun cách thủy trong 3 giờ và lưu ý mực nước trong bình phản ứng phải luôn thấp hơn mực nước bên ngoài bếp đun cách thủy Sau đó, mẫu được lấy ra khỏi nồi cách thủy và lọc bằng chân không hút vào giấy lọc đã
Cho vào erlen 250mL thêm 100mL nước cất
Lọc rửa bằng nước nóng
Tre loại tạp Bột tre 2g
39 biết khối lượng Phần cặn được rửa bằng nước nóng trước khi để lên đĩa thủy tinh ở nhiệt độ 103 ± 2°C Sau đó sấy và cân cho đến khi thu được khối lượng không đổi [1]
Tạp chất tan trong nước nóng = W 2
W 1× 100 (7) Trong đó: w1 là trọng lượng ban đầu của mẫu tre (gam) w2 là trọng lượng sau khi chiết trong nước nóng
2.4.4 Hàm lượng lignin trong tre
Do lignin không thể bị phân hủy bằng axit H2SO4 nên tao dùng axit hòa tan các thành phần còn lại trong tre từ đó thu được lignin sau đó tính toàn tìm ra phần trăm lignin trong tre
2.4.4.1 Nguyên liệu và dụng cụ, thiết bị
- Nguyên liệu các loài tre ở dạng bột đã được loại bỏ tạp chất qua hệ Soxhlet và hệ nước nóng
- Dụng cụ và thiết bị
Bảng 2 4 Dụng cụ và hóa chất để xác định hàm lượng lignin
Dụng cụ và thiết bị Số lượng
Bình cầu 3 cổ nhám 1 lít 1 Ống sinh hàn 1
Hình 2 33: Quy trình xác định lignin
Cho mẫu vào bình 3 cổ thêm 650mL nước
Lắp hệ trưng cất và máy khuấy cơ đũa
Lignin Bột tre đã loại tạp
Rửa mẫu đến khi pH trung hòa
Một mẫu tre đã được sấy khô được cho vào hũ bi sau đó thêm từ từ H2SO4 72% vào khuấy đều xong cho phản ứng trong tủ lạnh ở nhiệt độ 20°C trong 2h sau đó cho 560ml nước cất cho vào bình cầu 3 cổ nhám từ từ cho mẫu trong hũ bi vào bình cầu để dung dịch được pha loãng xuống 3% Gắn hệ sinh hàn như hình 2.23
Mẫu tiếp tục đun cách thủy và gắn với hệ thống sinh hàn để loại bỏ dung môi còn lai trong 4 giờ, kết thúc phản ứng thì phần vật liệu không tan sẽ lắng xuống đáy Lọc phần
43 không tan qua máy hút chân không bằng giấy lọc biết trước khối lượng, rửa lại bằng nước cất sao cho mẫu trở về trạng thai trung tính (pH=7) Mẫu được cho vào tủ sấy ở nhiệt độ khoảng 103±2°C sau đó cân đến khối lượng không đổi Một loài tre thực hiện chạy hệ 3 lần lấy sô liệu trung bình.[1]
Hình 2 35: Một vài mẫu sau khi chạy lignin
Tính toán hàm lượng lignin trong tre bằng công thức:
Hàm lượng lignin trong tre (%) = W 3
Trong đó: w1 là hàm lượng tạp chiết bằng etanol-toluene (%) w2 là trọng lượng của mẫu không chiết xuất đã sấy khô trong tủ sấy (gam) w3 là khối lượng mẫu sau khi chạy lignin (gam)
2.4.5 Hàm lượng cellulose trong tre
Khi acid CH3COOH tác dụng với NaClO2 tạo thành ClO2 màu vàng là hợp chất oxy hóa mạnh giúp tẩy trắng tre
2.2.4.1 Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị
- Nguyên liệu các loài tre ở dạng bột được loại bỏ tạp chất quá 2 hệ là Soxhlet và nước nóng
- Dụng cụ và thiết bị
Bảng 2 5: Dụng cụ và thiết bị phân tích hàm lượng cellulose
Dụng cụ và thiết bị Số lượng
Bếp khuấy từ gia nhiệt 1 Đĩa thủy tinh 1
Tiến hành phản ứng trong 5 giờ mỗi giờ cho thêm 2.22ml acid acetic và 1g NaClO2
Hình 2 36: Sợ đồ hệ chạy cellulose
2g bột tre cho vào erlen 250mL thêm 150mL nước và 0.2mL acid acetic
Lấy mẫu và ngâm trong nước đá 10°C
Cellulose Bột tre đã loại tạp
Lọc và rửa mẫu từ vàng sang trắng
Mẫu tre đã được sấy khô ta cân 2 gam bột tre cho vào cốc 250 mL Mẫu vật được sử lý bằng 150 mL nước cất, 0,2 mL acid axetic lạnh, 1 gam NaClO2 và đạt trong bếp khấy từ gia nhiệt có nhiệt độ trong khoảng 70°C-80°C Tiến hành thí nghiệm trong 5 giờ, mỗi giờ cho thêm vào 0,22 mL acid axetic lạnh, 1 gam NaClO2, sau khi kết thúc thí nghiệm thì đạt mẫu trong chậu nước đá đến khi nhiệt độ giảm xuống còn 10°C.[1]
Sau đó lọc mẫu và rửa bằng nước cất lạnh cho đến khi cặn mẫu chuyển từ vàng sang trắng sau đó đem đi sấy ở nhiệt độ 103±2°C sau đó được cân đến khi khối lượng không đổi Một loài tre ta cần tẩy trắng 3 lần sau đó lấy số liệu trung bình cho từng loài.[1]
Hình 2 38: Mẫu tre trước khi sấy
Hình 2 39: Mẫu tre sau khi sấy
Hình 2.39: Mấu tre trước khi tẩy Hình2.40: Mẫu tre sau khi tẩy
Công thức sau được sử dụng để xác định hàm lượng holocellulose trong tre:
Hàm lượng holocellulose trong tre = W 3
100×W 2× (100 − w 1 ) (9) Trong đó w1 là hàm lượng tạp chiết xuất etanol-toluene (%) w2 là trọng lượng của mẫu không chiết xuất đã sấy khô trong tủ sấy (gam) w3 là khối lượng mẫu sau khi chạy cellulose (gam)
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Nghiên cứu khảo sát cơ tính kéo của tre
Tre sau khi được tạo mẫu và sấy sau đo cân đến khối lượng không đổi ta tiến hành đi đo cơ tính kéo ghi nhận lại kết quả đo kích thước và cuối cùng tiến hành đo theo tiêu chuẩn ASTM D638 - 00, ghi lại số liệu
Bảng 3 1 Cơ tính kéo của 14 loài tre
Stt Tên loài tre Ứng suất trung bình (MPa)
Modul trung bình (MPa) Độ giãn dài trung bình(%)
Hình 3.1: Biểu đồ khảo sát ứng suất kéo của 14 loài tre Ứng suất kéo của 14 loài tre khảo sát nằm trong khoảng từ 154.36 MPa đến 282.09 MPa Trong tất cả các loài tre khảo sát thì Tre mỡ gai có ứng suất cao nhất khoảng 282.09 MPa Bên cạnh đo tre Lộc ngộc và tre Xiêm cũng có ứng suất cao không kém đều tre 250MPa Ứng suất thấp nhất thuộc về loài tre Luồng đen và tre Hóa Ứng suất trung bình của 14 loài tre khoảng 225.07 MPa cho thấy hầu hết các loài tre đều có ứng suất kéo lớn và đồng đều ở 14 loài tre được khảo sát Ứng suất kéo của 14 loài tre được khảo sát khá cao so với các loài gỗ ở nhóm 1 đựa theo TCVN 1072-71 Khi so sánh với các loài gỗ phổ biến thì ứng suất kéo của tre thấp hơn so với Su Sung (420 MPa), Đước (229 MPa) và cao hớn so với các loài như: Bông gòn (31 MPa), Gáo Trắng (71 MPa0), Bạch Đàn Uro (98 MPa).[12]
Le (Cư Jut) Ứng suất kéo (MPa)
Kết quả khảo sát ứng suất kéo của 14 loài tre
Hình 3.2: Modul kéo của 14 loài tre
Về modul kéo của tre nằm trong khoảng từ 2247MPa đến 27761MPa Loài có modul kéo thấp nhất là tre Đắng với 2247 MPa và cao nhất ở tre Lộc Ngộc với 27761 MPa Modul kéo trung bình nằm trong khoảng 14901.93 MPa Đa số các loài tre được khảo sát đều có modul kéo cao 7 loài trên mức trung bình
Khảo sát Modul kéo của 14 loài tre
Hình 3.2: Độ giãn dài trung bình của 14 loài tre Độ giãn dài của các loài tre không đồng đều cho thấy tre khá cứng và một số loài có độ giãn dài lớn thể hiện tính chất mền dẻo, dai của tre như tre Đắng, tre Bông và tre Hóa Lộc Ngộc có độ biến dạng kéo thấy nhất 1.17% Độ giãn dài của 15 loài tre chủ yêu trong khoảng từ 1.17% đến 2.73%, có 3 loài có độ giãn dài vượt trội so với các loài còn lại là Tre Đắng, Tre Bông và Tre Hóa
Từ các số liệu trên cho ta thấy tre Hóa là tre dai và khó đứt nhất về chiều dọc thân tre, còn tre có độ bền cao nhất là tre Lộc Ngộc nên độ bền cao nhất Từ các số liệu về độ bền kéo ta thấy tre có độ bền ngang với các loài gỗ và có tiềm năng lớn vào thay thế cho gỗ
Le (Cư Jut) Độ giãn dài trung bình(%) Độ giãn dài trung bình(%) của 14 loài tre
Cơ tính uốn của 14 loài tre
Kết quả ghi nhận theo tiêu chuẩn ASTM D790 - 03
Bảng 3 2: Kết quả đo cơ tính uốn của 14 loài tre
Stt Loài tre Ứng suất (MPa) Modun (MPa) Độ biến dạng uốn
Hình 3.3: Ứng suất uốn của 14 loài tre Ứng suất uốn giao động trong khoảng từ 58.16 MPa đến 252.02 MPa loài có ứng suất cao nhất là tre Đắng với 252.02 MPa, sau đó là Gầy với 242.24 MPa và thấp nhất là Tre Kiểng với 58.16 MPa 14 loài tre được đo có ứng suất uốn trung bình là 166.65 MPa từ đo có đến 8 loài tre có ứng suất uốn hơn mức trung bình Tất cả các loài được đo đều có ứng suất uốn gần bằng nhau không chênh lêch nhau qua lớn trừ loài Tre Kiểng
Le (Cư Jut) Ứng suất uốn (MPa) Ứng suất uốn của 14 loài tre
Hình 3.4: Modul uốn của 14 loài tre
Tre có modul uốn kha cao từ khoảng 8196.55 MPa đến 22142 MPa tương ứng với tre Dựa và tre Kiểng trong số 14 loài tre được khảo sát Modul uốn trung bình của các loài tre trong khoảng 14111.75 MPa
Modul uốn của 14 loài tre
Hình 3.5: Độ biến dạng của 14 loài tre
Nhận xét qua biểu đồ ta thấy độ biến dạng của 14 loài tre đồng đều ở cả 14 loài tre với mức trung bình của 14 loài khoảng 2.6% không chênh lệch nhau quá nhiều Độ biến dạng đồng đều cho thấy tre là loài có độ bền uốn gần như nhau Độ bền uốn cao thể hiện cụ thể khi so với các loài như: Bạch Đàn uro (104 MPa), Su sung (78 MPa), Gáo trắng (66 MPa), Bông gòn (33 MPa)… và thấp hơn các loài như: Đước (216 Mpa), Đưng (291 MPa)… Qua số liệu và biểu đồ so sánh độ bền uốn của tre ta so sánh tre với các loài gỗ thông dụng thuộc nhóm VI của tiêu chuẩn (TCVN 1072-71) có thể thấy tre là vật liệu tự nhiên có độ bền uốn cao và ứng dụng tiêu biểu là làm đồ thủ công mỹ nghệ
Le (Cư Jut) Độ biến dạng (%) Độ biến dạng
Cơ tính trượt của 14 loài tre
Kết quả đo ứng suất trượt của 14 loài tre đo theo tiêu chuẩn ASTM D5868 – 01
Bảng 3 3: Số liệu đo ứng suất trượt
Stt Loài tre Ứng suất (MPa) Stt Loài tre Ứng suất (MPa)
1 Nứa Lá Lớn 10.15 8 Tre Hóa 13.93
2 Tre Mỡ Gai 17.89 9 Luồng Đen 23.74
7 Tre Dựa 20.17 14 Le (Cư Jut) 15.23
Hình 3.6: Ứng suất trượt của 14 loài tre Ứng suất trượt của 14 loài tre được khảo sát không chênh lệch nhau quá lớn cho thấy thân tre có có các sợi cellulose kết đính với nhau chắc chắn tạo nên tính ổn định cho tre về chiều dọc với ứng suất cao nhất của loài Tre Bông và thấp nhất tre Nữa Lá Lớn là
Le (Cư Jut) Ứng suất (MPa) Ứng suất trượt của 14 loài tre
10.15 MPa và ứng suất trượt trung bình của 14 loài tre là 17.43 MPa Với 14 loài được đo ứng suất trượt thì tre có sự liên kết chặt chẽ đồng đều ở tất cả các loài và ta tiếp tục so sánh với gỗ thì: Bông gòn với 5.3 MPa, Gáo Trắng với 10.4 MPa, Su Sung có ứng suất trượt là 13 MPa, Bạch Đàn Uro là 14.1 và cao nhất là Đước với 22 MPa Điều này thể hiện tre là loài có liên kết giữa các đoạn cellulose khá bền cũng để tre không bị tách về chiều dọc.[12]
Nghiên cứu hóa tính của 14 loài tre (phần thân tre)
Sau khi phân tích hóa tính và tính toàn ta được kết quả như sau:
Hàm lương lignin chất kết dinh trong tre luôn duy trì ở mức ổn định thay đổi không quá nhiều trong quá trình phát triển của tre từ 16.28% đến 27.84 % cao nhất với loài Tre Đắng Các loài tre được khảo sát có hàm lượng lignin trung bình trong khoảng 22.21%
Lượng lignin của các loài đa số đều cao hơn mức trung bình như Nứa Lá Lớn, Tre
Mỡ Gai, Tre Kiểng, Tre Dựa, Tre Hóa, Luồng Đen, Tre Bông, Tre Đắng, Nứa S
Jaculans và Gầy Tỉ lệ lignin trong hầu hết các loài tre đều giữa ở mức ổn định là
22.21% tùy thuộc vào độ tuổi mà hàm lượng sẽ tăng giảm đôi chút nhưng không đáng kể và ngang bằng nhau ở các loài tre được khảo sát Khi so sánh với gỗ Bạch Đàn Trắng (hàm lượng lignin là 21.16%) thì tre có hàm lượng lignin trung bình cao hơn 1.05% Từ các số liệu tre ta thấy tre có hàm lượng lignin khá cao, hàm lượng này có vai trò như là chất nền trong tre (composite tự nhiên) và nó giúp tre bền hơn với môi trường được đánh giá qua tiêu chuẩn ASTM D 1106-56 (Được phê duyệt lại năm
1977) Hàm lượng lignin tồn tại trong tre khá cao có thể tách và khảo sát phục vụ cho nghiên cứu hay ứng dụng vào đời sống
Hàm lượng lignin trong 14 loài tre
Bảng 3 5: Kết quả tính toán thành phần cellulose của 14 loài tre
Hàm lượng cellulose trong rất cao trong 3 thành phần chính của 14 loài tre được nghiên cứu từ 15.33% với tre Luồng Đen và cao nhất Trúc Chỉ Vàng Xọc 56.83% từ đó có thể thay thế cho gỗ trong các ngành như sản suất giấy thân thiện với môi trường hơn
Tỉ lệ trung bình thành phần cellulose trong tre tương ứng là 42.12% Cellulose là thành phần chính quyết định nên tính chất của tre và có thể chiết tách ra dễ dàng
Khi khảo sát hàm lượng cellulose trong tre thì hàm lượng của tre so với Bạch Đàn Trắng 41.02% [13], gỗ Tràm 49.7% với cây 5 năm tuổi… tre luôn có ưu thế hơn hẵn các loài thực vật đặc biệt là gỗ bởi vòng đời và thới gian sinh trưởng của tre nhanh hơn gỗ nên có thể tạo ra sản phẩm mà tốn ít thời gian và bảo vệ môi trường rừng Chính nhờ hàm lượng cao nên tre là nguồn nguyên liệu tiềm năng trong tương lai thay thế cho gỗ Tre với nhiều ưu điểm về hàm lượng cellulose, thời gian trưởng thành, kháng khuẩn, nấm mốc… vừa thân thiện với môi trường giúp hạn chế chặt phá rừng là nguồn nguyên liệu, vật liệu tương lai
Hàm lượng cellulose của 14 loài tre
Mối liên hệ giứa cơ tính và hóa tính của 14 loài tre được khảo sát: hàm lượng cellulose càng cao thì cơ tính càng cao khi hàm lượng cellulose giảm dẫn đến cơ tính giảm Tuy vậy hàm lượng lignin cũng đóng vai trò như chất nền giúp tre có cơ tính cao Hàm lượng lignin cao giúp cellulose gắn chặt với nhau hơn cơ tính tốt hơn Tỉ lệ giữa hàm lượng cellulose và hàm lượng lignin trung bình của 14 loài tre là khoảng 1.9, tỉ lệ để tre có cơ tính tốt nhất là cellulose:lignin là 2.33
