Nghiên cứu khả năng cấy ghép ethyl acrylate và methyl methacrylate lên sợi keratin tách chiết từ lông gà

MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 2 1.1. Tổng quan về nguồn rác thải polymer 2 1.2. Tổng quan về nguồn rác thải lông gà 3 1.3. Tổng quan về thành phần keratin trong lông gà 5 1.3.1. Cấu trúc và tính chất của keratin trong lông gà 5 1.3.2. Một số nghiên cứu về khả năng tận dụng nguồn keratin lông gà 9 1.4. Một số phương pháp chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo từ lông gà 11 1.4.1. Phương pháp cấy ghép đồng trùng hợp 11 1.4.2. Phương pháp acetyl hoá 16 1.4.3. Phương pháp cyanoethyl hoá 17 1.5. Chất lỏng ion và các ứng dụng trong cấy ghép-đồng trùng hợp polymer 18 1.5.1. Chất lỏng ion 18 1.5.2. Ứng dụng chất lỏng ion trong phản ứng cấy ghép-đồng trùng hợp 19 Chƣơng 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1. Đối tượng nghiên cứu 23 2.2. Phương pháp nghiên cứu 23 2.2.1. Phương pháp tách chiết keratin từ lông gà 23 2.2.2. Phương pháp cấy ghép ethyl acrylate và methyl methacrylate lên sợi keratin lông gà 25 2.2.3. Thí nghiệm đổ khuôn film từ các mẫu vật liệu polymer cấy ghép 28 2.2.4. Các phương pháp xác định tính chất nhiệt của vật liệu 28 2.2.5. Phương pháp phổ hồng ngoại 32 2.3. Hoá chất, thiết bị và dụng cụ 32 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1. Kết quả thí nghiệm tách chiết keratin từ lông gà 33 3.2. Kết quả thí nghiệm cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà 36 3.3. Tính chất nhiệt của các mẫu vật liệu 40 3.3.1. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 40 3.2.2. Kết quả phân tích nhiệt vi sai (DTA) 43 3.2.3. Kết quả quét nhiệt vi sai (DSC) 45 3.4. Thí nghiệm đổ khuôn film 51 3.5. Kết quả phổ hồng ngoại 53 KẾT LUẬN 57 KIẾN NGHỊ 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 63 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT * AIBN: 2,2 azobis isobutylnitrile * [BDIM]Cl : 1-butyl-2,3 dimethyl-imidazolium chloride * [BMIM]Cl: 1-butyl-3-methyl-imidazolium chloride * DMF: N, N-dimethylformamide * DMSO: Dimethyl Sulfoxide * DSC: Quét nhiệt vi sai * DTA: Phân tích nhiệt vi sai * EA: Ethyl acrylate * MMA: Methyl methacrylate * NMP: N-methyl-2-prolidone * TGA: Phân tích nhiệt trọng lượng DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Số lượng gia cầm và sản lượng thịt gia cầm tại Việt Nam 5 Hình 1.2. Liên kết disulfide trong cấu trúc keratin 6 Hình 1.3. Mô hình của polymer cấy ghép 12 Hình 1.4. Cơ chế của phản ứng cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà 14 Hình 1.5. Cơ chế của phản ứng cấy ghép monomer lên sợi keratin 15 Hình 1.6. Cơ chế phản ứng acetyl hoá kerain lông gà 17 Hình 1.7. Cơ chế phản ứng cyanoethyl hoá keratin lông gà 17 Hình 1.8. Một số gốc cation và anion phổ biến cấu tạo nên chất lỏng ion 19 Hình 1.9. Ảnh hưởng của chất lỏng ion đối với liên kết hydrogen trong collagen 20 Hình 1.10. Ảnh hưởng của chất lỏng ion đối với liên kết ion trong collagen 21 Hình 2.1. Quy trình thí nghiệm tách chiết keratin từ lông gà 25 Hình 2.2. Quy trình thí nghiệm cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà 27 Hình 2.3. Máy phân tích nhiệt TGA-DTA 31 Hình 3.1. Kết quả tách chiết keratin từ lông gà 34 Hình 3.2. Kết quả thí nghiệm cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà 38 Hình 3.3. Hình ảnh của các mẫu vật liệu 40 Hình 3.4. Đường TGA của các mẫu B1 , B1E, B1M 40 Hình 3.5. Đường TGA của các mẫu B2, B2E, B2M 41 Hình 3.6. Đường TGA của mẫu keratin biến tính và 42 Hình 3.7. Đường DTA của các mẫu vật liệu B1, B1E, B1M 43 Hình 3.8. Đường DTA của các mẫu vật liệu B2, B2E, B2M 43 Hình 3.9. Đường DSC của mẫu vật liệu B1 45 Hình 3.10. Đường DSC của mẫu vật liệu B 1 E 45 Hình 3.11. Kết quả đo DSC của mẫu vật liệu B 1 M 46 Hình 3.12. Kết quả đo DSC của mẫu vật liệu B 2 46 Hình 3.13. Kết quả đo DSC của mẫu vật liệu B 2 E 47 Hình 3.14. Kết quả đo DSC của mẫu vật liệu B 2 M 47 Hình 3.11. Hình ảnh các tấm fim mỏng 53 Hình 3.12: Phổ hồng ngoại của các mẫu vật liệu 55 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Sản lượng thịt gia cầm tại một số khu vực trên thế giới 3 Bảng 1.2. Thành phần các amino acid trong keratin lông gà 6 Bảng 1.3. Độ cứng của vật liệu composite sử dụng keratin làm chất gia cường 10 Bảng 2.1: Bảng tóm tắt các thí nghiệm tách chiết keratin từ lông gà và cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà 27 Bảng 3.1. Khối lượng các mẫu vật liệu keratin tách chiết từ lông gà 34 Bảng 3.2. Khối lượng các mẫu vật liệu thu được trong thí nghiệm cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà 38 Bảng 3.3. Nhiệt độ đặc trưng của các hiệu ứng nhiệt 48 Bảng 3.4. Khả năng hoà tan của các mẫu vật liệu trong một số dung môi 52 Bảng 3.5. Bảng so sánh các tính chất của các mẫu vật liệu 56 1 MỞ ĐẦU Polymer là một trong những loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, rác thải của loại vật liệu này lại là một mối nguy hại lớn đối với môi trường do số lượng rác thải lớn và thời gian phân huỷ lâu dài. Vì vậy, một số nghiên cứu đã hướng tới việc tách chiết, biến tính các sợi tự nhiên để chế tạo vật liệu polymer thân thiện với môi trường, có thể thay thế cho các polymer đang được sử dụng hiện nay. Một trong những nguồn vật liệu tiềm năng được nghiên cứu gần đây nhất là keratin- một loại protein tách chiết từ lông gà. Loại vật liệu này đem lại lợi ích cho môi trường ở 2 khía cạnh: tận dụng các sợi polymer tự nhiên, qua đó giảm thiểu lượng rác thải hữu cơ thải vào môi trường và rút ngắn thời gian phân huỷ của vật liệu polymer trong môi trường. Trong hầu hết các nghiên cứu trước đây, loại vật liệu polymer này chủ yếu được chế tạo bằng phương pháp cấy ghép-đồng trùng hợp monomer lên sợi cellulose và chưa có nhiều nghiên cứu thực hiện đối với sợi keratin lông gà. Vì vậy, đề tài ''Nghiên cứu khả năng cấy ghép ethyl acrylate và methyl methacrylate lên sợi keratin có nguồn gốc từ lông gà'' được lựa chọn nhằm nghiên cứu khả năng chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo từ lông gà bằng phương pháp cấy ghép đồng trùng hợp. Đề tài gồm 4 nội dung chính như sau: - Đánh giá hiệu quả tách chiết keratin sử dụng dung môi hoà tan [BMIM]Cl và [BDIM]Cl. - Đánh giá hiệu quả thu hồi vật liệu cấy ghép EA và MMA lên sợi keratin trong dung môi [BMIM]Cl and [BDIM]Cl. - Đánh giá các tính chất nhiệt của vật liệu thu được. - Đánh giá khả năng hình thành các tấm film mỏng từ vật liệu thu được. 2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nguồn rác thải polymer Polymer là sản phẩm được tạo ra từ hoá dầu rất quen thuộc trong đời sống hàng ngày ở hầu hết mọi quốc gia trên thế giới. Hàng năm, có khoảng hơn 200 triệu tấn polymer được sản xuất để phục vụ nhu cầu của con người và con số này ngày càng tăng theo đà tăng dân số và đời sống. Sản xuất polymer thương mai tiêu thụ khoảng 5% trữ lượng toàn cầu về nhiên liệu hoá thạch hữu hạn như khí thiên nhiên hoặc dầu mỏ. Song song với điều này, số lượng rác thải từ các sản phẩm này cũng tăng lên đáng kể và trở thành thách thức đối với môi trường của trái đất. Túi chất dẻo phế thải là một trong những ví dụ điển hình về vấn đề rác thải vật liệu polymer. Mỗi năm, con người tiêu thụ hơn 1 nghìn tỷ túi poly etylen để đựng các loại hoàng hoá khác nhau. Ở một số nước, ví dụ Pháp, tỷ lệ tái chế đối với loại chất dẻo này tương đối cao (>80%), trong khi ở một số nước, tỉ lệ này khá thấp (<30%). Trong khi một số sản phẩm chất dẻo đã qua sử dụng được xử lý bằng cách thiêu huỷ để thu hồi năng lượng, phần lớn các sản phẩm khác hoặc được chôn lấp hoặc thải bỏ ra môi trường. Ứơc tính mỗi năm có khoảng 5 triệu tấn chất dẻo thải bỏ ra các đại dương mỗi năm. Đối với biện pháp chôn lấp, nhược điểm của loại vật liệu này là không thể tự phân huỷ sinh học. Vật liệu chỉ có thể phân huỷ sau 500 năm thậm chí 1 triệu năm. Chỉ có những tác động về cơ học và nhiệt mới có thể phá huỷ nó, nhưng lại tạo ra nhiều chất độc hại hơn và đòi hỏi chi phí khổng lồ, vượt qua cả giá thành tạo ra chúng. Do đó, rác thải của vật liệu polymer là một mối nguy hiểm tiềm ẩn cho môi trường sinh thái, trở thành một thách thức lớn cho môi trường. Tại với Việt Nam, theo thống kê của Bộ tài nguyên-Môi trường, trung bình mỗi ngày, người tiêu dùng sử dụng ít nhất một túi ni lông. Như vậy, với số dân hơn 80 triệu người, mỗi ngày nước ta phải tiêu thụ hơn 80 triệu túi ni lông và con số này ngày càng tăng theo đà tăng dân số. Bên cạnh đó, nguồn rác thải polymer từ các hoạt động sản xuất công nghiệp và nông nghiệp cũng tăng lên không ngừng. Tuy nhiên, việc tái chế, tái sử dụng cũng như xử lý rác thải vật liệu này còn nhiều hạn 3 chế. Trước thực trạng này, nhiều nhóm nghiên cứu đã hướng tái phát triển những dạng vật liệu tương ứng tính năng của polymer truyền thống để thay thế. Đó chính là polymer có khả năng phân huỷ sinh học khi gặp tác động của nước, không khí, nấm, vi khuẩn trong môi trường tự nhiên. Bên cạnh yếu tố giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, việc sản xuất polymer sinh học còn hướng tới mục đích tận dụng nguồn sản phẩm phụ trong hoạt động sản xuất nông nghiệp cũng như một số ngành công nghiệp. 1.2. Tổng quan về nguồn rác thải lông gà Trong những năm gần đây, sản xuất thịt gia cầm đang dần trở thành một lĩnh vực phát triển nhanh chóng trong ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm nói chung. Theo Belove và cộng sự (2012), tỉ lệ thịt gia cầm so với tổng khối lượng thịt gia súc và gia cầm tăng đáng kể từ 12.5% năm 1961 lên 33,5% năm 2010 [7]. Thống kê của tổ chức lương thực thế giới (FAO) cũng cho thấy lĩnh vực sản xuất thịt gia cầm đang phát triển một cách nhanh chóng. Mức tiệu thụ thịt gia cầm tăng đều đặn trong vòng 5 năm trở lại đây và được dự đoán là sẽ tiếp tục tăng nhanh trong những năm tiếp theo. Năm 2013, tổng sản lượng thịt gà trên toàn thế giới là 85 triệu tấn, con số này được dự đoán sẽ tăng lên 94,8triệu tấn vào năm 2014. Trong đó, Châu Mĩ và Châu Á là 2 khu vực có sản lượng thịt gia cầm lớn nhất với gần 40-30 triệu tấn sản phẩm được sản xuất mỗi năm [41]. Sản lượng thịt gia cầm tại một số khu vực trên thế giới được tóm tắt trong bảng 1.1 dưới đây. Bảng 1.1. Sản lượng thịt gia cầm tại một số khu vực trên thế giới (triệu tấn) [41] Khu vực 2010 2011 2012 2013 2014 Châu Phi 4.5 4.6 4.7 4.7 4.8 Châu Mĩ 38.6 39.9 40.4 41.2 41.2 Châu Á 29.1 29.8 30.3 30.7 31.2 Châu Âu 13.9 14.6 14.9 15.2 15.5 4 Đối với môi trường, số liệu thống kê trên cho thấy sự tăng lên của sản lượng thịt gia cầm đồng nghĩa với lượng rác thải sinh ra từ ngành công nghiệp này cũng tăng lên. Một khảo sát tại Mĩ cho thấy, có khoảng 2 triệu tấn lông gà sinh ra từ ngành công nghiệp này mỗi năm. Tại Philippin, mỗi năm nước này sản xuất khoảng 60 triệu kg thịt gia cầm và thải ra môi trường khoảng 6 triệu kg rác thải [28]. Cho đến này, chỉ có một lượng nhỏ rác thải lông gà được sử dụng làm phân bón và thức ăn chăn nuôi, số còn lại được xử lý bằng phương pháp chôn lấp hoặc thiêu huỷ.Tuy nhiên, cả 2 phương pháp này đều có thể gây ra những ảnh hưởng nhất định đối với môi trường do khả năng ô nhiễm môi trường đất trong quá trình keratin phân huỷ hoặc khả năng phát sinh các khí nhà kính như CO 2 , SO 2 nếu bãi chôn lấp hoặc lò thiêu huỷ không đạt tiêu chuẩn. Tại Việt Nam, mặc dù chăn nuôi gia cầm thường có quy mô nhỏ, tuy nhiên tổng số gia cầm tính trên phạm vi cả nước tăng đều qua các năm, và đóng góp một phần không nhỏ vào thu nhập của ngành nông nghiệp nói chung. Theo số liệu của tổng cục thống kê và đo lường Việt Nam, tổng sản lượng thịt gà đã tăng lên đáng kể từ 321 nghìn tấn năm 2005 đến 615 nghìn tấn năm 2010[42]. Theo Arun Gupta và cộng sự (2012), 1 cở sở sản xuất có mức sản xuất là 50000 con gà một ngày, cơ sở này sẽ thải ra 2-3 tấn lông gà khô. Theo tính toán này, tại Việt Nam mỗi năm sẽ có khoảng 80000-120000 tấn lông gà thải ra môi trường. Mặc dù một số lượng nhỏ lông gà được thu mua để sản xuất thức ăn chăn nuôi, áo lông vũ nhưng phần lớn nguồn rác thải này tại Việt Nam chủ yếu được chôn lấp, thiêu huỷ hoặc thải bỏ ngoài môi trường. Vì vậy, nếu có thể tận dụng nguồn rác thải này để chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo không những có thể giảm thiểu nguồn rác thải rắn thải ra ngoài môi trường mà còn góp phần đem lại lợi ích môi trường lâu dài. 5 Hình 1.1. Số lượng gia cầm và sản lượng thịt gia cầm tại Việt Nam [42] (Nguồn: Tổng cục thống kê và đo lường Việt Nam) 1.3. Tổng quan về thành phần keratin trong lông gà 1.3.1. Cấu trúc và tính chất của keratin trong lông gà Cấu trúc của keratin lông gà Keratin hay còn gọi là chất sừng, thường được biết đến là thành phần chính trong tóc, móng tay, sừng gia súc và lông gia cầm. Hầu hết các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào cấu trúc và tính chất của thành phần keratin trong tóc để đưa ra các sản phẩm chăm sóc tóc tốt hơn và chưa có nhiều nghiên cứu về thành phần keratin trong các nguồn vật liệu khác. Tuy nhiên, do lượng rác thải lông gà từ ngành công nghiệp thực phẩm ngày càng tăng nhanh và yêu cầu về tái chế, tận dụng các nguồn rác thải nhằm giảm thiểu lượng rác thải trong môi trường, các nghiên cứu về cấu trúc, tính chất và ứng dụng của keratin trong lông gà đã bắt đầu được tiến hành trong những năm gần đây. Theo nghiên cứu của Lederer (2005), keratin là thành phần chính trong lông gà. Thành phần này chiếm tới 91% khối lượng, trong khi các thành khác như nước, lipit chỉ chiếm 8% khối lượng còn lại [22]. Về thành phần của keratin lông gà, nghiên cứu của Kannappan Sarawanan và cộng sự (2012) cho thấy keratin đặc trưng bởi hàm lượng cao của các amino acid như serin, prolin, cystein và gluramin (Table [...]... 2.1 Quy trình thí nghiệm tách chiết keratin từ lông gà 2.2.2 Phƣơng pháp cấy ghép ethyl acrylate và methyl methacrylate lên sợi keratin lông gà Quy trình thí nghiệm cấy ghép ethyl acrylate và methyl methacrylate lên sợi keratin lông gà về cơ bản tương tự như thí nghiệm tách chiết keratin từ lông gà Thí nghiệm này được thực hiện nhằm tạo ra vật liệu polymer: keratin lông gà cấy ghép monomer Quy trình... thu hồi keratin từ lông gà và cấy ghép monnomer lên sợi keratin 22 Chƣơng 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu Trong nghiên cứu này, đối tượng nghiên cứu là hiệu quả thu hồi vật liệu sau khi tiến hành cấy ghép monomer ethyl acrylate và methyl methacrylate lên sợi keratin lông gà trong chất lỏng ion 1-butyl-3-methylimidazolium chloride ([BMIM]Cl) và 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium... pháp tách chiết keratin từ lông gà Thí nghiệm tách chiết keratin từ lông gà được thực hiện với mục đích khảo sát khả năng hoà tan lông gà của chất lỏng ion [BMIM]Cl và [BDIM]Cl và khối lượng keratin thu hồi được từ lông gà ở các bước khác nhau Quy trình thí nghiệm được mô tả như trong hình 2.1 Thí nghiệm tách chiết keratin từ lông gà được thực hiện cụ thể như sau: - Bước 1: Cho 1 (g) lông gà và 15... sợi tự nhiên gồm các monomer sau: H2C=CHCOOCH3 Methyl acrylate H2C=C(CH3)COOCH3 Methyl methacrylate H2C=CHCOOCH2CH3 Ethyl acrylate H2C=C(CH3)COOCH2CH3 Ethyl methacrylate H2C=C(CH3)COOCH2CH2CH2CH3 Butyl methacrylate 12 H2C=CHCOOCH2CH2CH2CH3 Butyl acrylate Theo các nghiên cứu trước đây, quá trình cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà trải qua 2 giai đoạn chính - Giai đoạn đầu: các liên kết trong keratin. .. poly methyl methacrylate trong quá trình thu nhiệt Ngoài ra, kết quả phân tích nhiệt trọng lực cũng cho thấy tốc độ giảm khối lượng của mẫu keratin không cấy ghép nhanh hơn cơ với mẫu keratin cấy ghép Đặc điểm này chứng minh keratin cấy ghép bền nhiệt hơn so với keratin không cấy ghép [3] 13 Câý ghép H+ Trong đó: M: methyl methacrylate R*: gốc tự do Hình 1.4 Cơ chế của phản ứng cấy ghép monomer lên sợi. .. sợi keratin lông gà [3] Trong một nghiên cứu khác, Enqui Jin và cộng sự (2011) cũng tiến hành thí nghiệm cấy ghép monomer lên sợi keratin để chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo Thí nghiệm sử dụng methyl acrylate làm monomer cấy ghép, K2S2O8/NaHSO3 là chất khơi mào và HCl là tác nhân tạo vị trí cấy ghép trên sợi keratin Theo khảo sát của tác giả, phản ứng đạt hiệu quả cao nhất (80% monomer được cấy ghép) ... trí có liên kết yếu này Theo các nghiên cứu trước đây, các vị trí cấy ghép thường là các liên kết trong các nhóm SH, -NH2 và -OH Trong một nghiên cứu về vấn đề này, Martinez-Hernandez và cộng sự (2003) đã tiến hành cấy ghép methyl methacrylate lên sợi keratin lông gà sử dụng malic acid/KMnO4 làm chất khơi mào và H2SO4 làm tác nhân để tạo các vị trí cấy ghép trên sợi keratin Phản ứng được tiến hành ở... lông gà) 1,2 : Kí hiệu cho biết thí nghiệm được thực hiện trong dung môi [BMIM]Cl và [BDIM]Cl E: monomer ethyl acrylate M: methyl methacrylate - Bước 3: Đông khô dung dịch sau lọc 2 Mẫu thu được kí hiệu là B1Eb, B1Mb, B2Eb và B2Mb (b: Kí hiệu cho biết mẫu thu hồi được ở bước 3 trong thí nghiệm cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà) 26 Hình 2.2 Quy trình thí nghiệm cấy ghép monomer lên sợi keratin lông. .. không cấy ghép monomer và có thể sử dụng chất lỏng ion làm dung môi cho phản ứng cấy ghép monomer lên sợi chitosan Như vậy, từ các kết quả nghiên cứu này có thể dự đoán rằng việc sử dụng chất lỏng ion làm dung môi cho quá trình cấy ghép monomer lên sợi keratin là hoàn toàn khả thi.Trong nghiên cứu này, tôi sử dụng 2 chất lỏng ion phổ biến là [BMIM]Cl và [BDIM]Cl làm dung môi cho 2 quy trình tách chiết, ... được thông báo trong một nghiên cứu của Zhan and Wool (2011), theo nghiên cứu này, độ bền của lông gà đạt 203± 74MPa [37] Các giá trị này gần như tương đương với độ bền của các vật liệu tự nhiệt khác như sợi đay (393MP), lông cừu (156-234 MPa), sợi lanh (344MPa) [29] 1.3.2 Một số nghiên cứu về khả năng tận dụng nguồn keratin lông gà Theo một số nghiên cứu đã công bố, vật liệu lông gà có thể được tận dụng . acrylate Ethyl acrylate Methyl acrylate Ethyl methacrylate Methyl methacrylate Butyl methacrylate 13 Theo các nghiên cứu trước đây, quá trình cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà. acrylate và methyl methacrylate lên sợi keratin có nguồn gốc từ lông gà& apos;' được lựa chọn nhằm nghiên cứu khả năng chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo từ lông gà bằng phương pháp cấy ghép đồng. pháp cấy ghép- đồng trùng hợp monomer lên sợi cellulose và chưa có nhiều nghiên cứu thực hiện đối với sợi keratin lông gà. Vì vậy, đề tài '&apos ;Nghiên cứu khả năng cấy ghép ethyl acrylate