Chế tạo và khảo sát một số tính chất đặc trưng của vi sợi Xenluloxơ và vi sợi Xenlulozơ Phtalat

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN MỸ XUÂN CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG CỦA VI SỢI XENLULOZƠ VÀ VI SỢI XENLULOZƠ PHTALAT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGHỆ AN – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN MỸ XUÂN CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG CỦA VI SỢI XENLULOZƠ VÀ VI SỢI XENLULOZƠ PHTALAT Chuyên ngành: Hóa học hữu cơ Mã số: 60.44.01.14 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ ĐỨC GIANG NGHỆ AN - 2014 LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: - TS. Lê Đức Giang đã giao đề tài, dành nhiều thời gian, tâm huyết hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong quá trình thực tập và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. - PGS.TS. Hoàng Văn Lựu, PGS.TS. Lê Văn Hạc đã đọc bản thảo, bổ sung và đóng góp vào luận văn rất nhiều ý kiến quý báu. - ThS. Cao Xuân Cường đã nhiệt tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong thời gian làm thí nghiệm và nghiên cứu các nội dung liên quan đến đề tài. - Ban chủ nhiệm khoa Hoá học, các thầy cô bộ môn Hoá hữu cơ, khoa Hóa học đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn chồng tôi, những người thân trong gia đình và bạn bè đồng nghiệp, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi học tập và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Vinh, tháng 9 năm 2014 Người viết đề tài Trần Mỹ Xuân MỤC LỤC MỤC LỤC 4 1.1. Tổng quan về sợi thực vật 1 1.1.1. Định nghĩa và phân loại sợi thực vật 1 1.1.2. Thành phần hóa học và cấu tạo của sợi thực vật 3 1.2. Tổng quan về vi sợi xenlulozơ 16 1.2.1. Khái niệm vi sợi xenlulozơ 16 1.2.2. Ứng dụng của vi sợi 16 1.3. Phương pháp nấu bột giấy 17 1.4. Giới thiệu về cây lùng 20 1.4.1. Hình thái 21 2.2.Xử lí sợi 23 2.2.1. Phương pháp nấu bột giấy 23 2.2.2. Phương pháp cơ học 25 2.3. Phương pháp điều chế vi sợi xenlulozơ phtalat 25 2.4. Phương pháp xác định thành phần hóa học 25 2.4.1 Xác định hàm lượng lignin không tan trong axit 26 2.4.2. Xác định hàm lượng xenlulozơ bằng phương pháp Klursher – Hofft 27 2.4.3. Xác định hàm lượng các chất tan trong axeton 28 2.5. Phương pháp khảo sát tính chất đặc trưng của vi sợi xenlulozơ phtalat 30 2.5.1. Phương pháp xác định cấu trúc hóa học 30 2.5.2. Phương pháp phân tích nhiệt 30 2.5.3. Phương pháp khảo sát hình thái học 31 2.5.4. Phương pháp chuẩn độ 31 CHƯƠNG 3 32 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 32 3.1. Khảo sát thành phần hóa học của bột giấy 32 3.2. Khảo sát cấu trúc bằng phổ hồng ngoại 32 3.3. Khảo sát hình thái học 36 KẾT LUẬN 42 Danh mục các ký hiệu và viết tắt Ký hiệu Diễn giải DrTGA giản đồ vi phân của TGA (Derivative thermogravimetry): DS Độ thế (Degree of subtitution) DSC Nhiệt lượng vi sai quét (Differential Scanning Calorimeter) DTA phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis): IR Hồng ngoại (Infrared spectroscopy) MFC Vi sợi xenlulo (Microfibrillated cellulose) SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) TGA Phân tích trọng lượng theo nhiệt độ (Thermogravimetry analysis) Danh mục các hình vẽ và đồ thị Hình 1.1: Cấu trúc của sợi thực vật Hình 1.2: Cấu tạo hóa học của phân tử xenluloza thể hiện theo phương pháp phối cảnh Haworth Hình 1.3: Cấu trúc hóa học của xenlulozơ Hình 1.4: Liên kết hydro giữa các phân tử xenlulozơ Hình 1.5: Các monosacarit tạo thành mạch đại phân tử polysacarit Hình 1.6: Đơn vị cấu tạo cơ bản của lignin Hình 2.1: Quy trình nấu bột giấy bằng phương pháp sunfat Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của vi sợi xenlulozơ Hình 3.2: Phổ hồng ngoại của vi sợi xenlulozơ phtalat Hình 3.3: Ảnh SEM của sợi xử lý kiềm (hình a, hình c) và của sợi xử lý nấu bột giấy (hình b, hình d) Hình 3.4: Ảnh SEM của vi sợi xenlulozơ phtalat Hình 3.5: Giản đồ TGA của vi sợi xenlulozơ Hình 3.6: Giản đồ TGA của xenlulozơ phthalat Danh mục các bảng Bảng 3.1: Thành phần hóa học của bột giấy MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, môi trường sinh thái đang bị ô nhiễm nghiêm trọng trên phạm vi toàn cầu. Vấn đề ô nhiễm môi trường đã, đang và sẽ là vấn đề hết sức cấp bách, được quan tâm hàng đầu của toàn nhân loại. Vì vậy yếu tố bảo vệ môi trường luôn được xem xét trước tiên trong các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người. Trong những năm gần đây, các nước trên thế giới đang chú ý đến nguồn nguyên liệu sinh học vì khả năng tái tạo của nó. Trong số các nguyên liệu sinh học đó thì nghiên cứu về sợi tự nhiên ngày càng phát triển mạnh mẽ. Tre là một loại cây nhiệt đới và là nguồn tài nguyên có thể tái tạo mạnh mẽ được trồng và sử dụng rất nhiều ở Châu Á, đặc biệt là các nước Đông Nam Á. Ở Việt Nam có một loại cây đặc chủng thuộc họ tre là cây lùng, riêng huyện Quỳ Châu của Nghệ An đã có hơn 12000 ha cây lùng. Lùng thường được sử dụng chủ yếu để đan lát, làm hàng mỹ nghệ. Vì thế lượng phoi lùng phế thải hàng năm là rất lớn. Vi sợi xenlulozơ là một vật liệu sinh học với các ưu điểm là dễ phân hủy, có khả năng tái tạo, giá thành thấp, và đặc tính cơ học tốt hơn vi sợi tổng hợp. Vi sợi xenlulozơ được sử dụng như chất gia cường cho các vật liệu polime compozit. Tuy nhiên, do tính phân cực nên khả năng hòa tan của vi sợi xenlulozơ trong các dung môi không phân cực và khả năng tương hợp với các polime nền kị nước là rất thấp. Đã có một số công trình nghiên cứu phản ứng este hóa của xenlulozơ với các anhiđrit axetic, anhiđrit sucxinic, anhiđrit maleic, anhiđrit phtalic, nhưng hầu như chưa có công trình nào nghiên cứu phản ứng của của vi sợi xenlulozơ với anhiđrit phtalic và khảo sát tính chất của vi sợi xenlulozơ phtalat. Do đó, chúng tôi chọn đề tài: “Chế tạo và khảo sát tính chất đặc trưng của vi sợi xenlulozơ và vi sợi xenlulozơ phtalat” 2. Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo vi sợi xenlulozơ từ phoi phế thải cây Lùng bằng phương pháp nấu bột giấy, khảo sát sự thay đổi hàm lượng một số thành phần trong sợi Lùng; - Chế tạo và vi sợi xenlulozơ phtalat bằng phản ứng của vi sợi xenlulozơ với anhiđrit phtalic; - Khảo sát cấu trúc hóa học của vi sợi xenlulozơ và vi sợi xenlulozơ phtalat bằng phổ hồng ngoại; - Nghiên cứu hình thái học và khảo sát độ bền nhiệt của vi sợi xenlulozơ và vi sợi xenlulozơ phtalat. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Vi sợi xenlulozơ và vi sợi xenlulozơ phtalat từ phoi phế thải của cây Lùng. - Phạm vi nghiên cứu: quy trình chế tạo vi sợi xenlulozơ và vi sợi xenlulozơ phtalat từ phoi phế thải cây Lùng; cấu trúc hóa học, hình thái học và một số tính chất của vi sợi và vi sợi xenlulozơ phtalat. 4. Phương pháp nghiên cứu - Cấu trúc hóa học của vi sợi và vi sợi xenlulozơ phtalat được khảo sát bằng phổ hồng ngoại ; - Cấu trúc hình thái học của vi sợi và vi sợi xenlulozơ phtalat được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM); - Độ bền nhiệt của vi sợi và vi sợi xenlulozơ phtalat được khảo sát bằng phương pháp phân tích nhiệt theo sự thay đổi khối lượng. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về sợi thực vật 1.1.1. Định nghĩa và phân loại sợi thực vật Sợi thực vật nói chung và sợi Lùng nói riêng bao gồm hai thành phần: tinh thể và vô định hình. Trong đó phần tinh thể bao gồm các vi sợi, chúng được tạo nên bởi các phân tử xenlulozơ. Các vi sợi được kết hợp với nhau bởi một phần vô định hình bao gồm hemixenlulozơ và lignin. Độ bền của sợi thực vật sẽ tăng khi hàm lượng phần tinh thể lớn. Bề mặt sợi được tạo nên bởi hỗn tạp của các polyme không đồng nhất về trạng thái pha bao gồm xenlulozơ, hemixenlulozơ và lignin. Nhóm chức –OH của xenlulozơ và nhóm –COOH, - OH của hemixenlulozơ tạo nên tính ưa nước cho bề mặt sợi. Khi cho sợi tiếp xúc với nước thì góc thấm ướt và năng lượng bề mặt của sợi giảm. Điều này được giải thích do sự xâm nhập của nước vào sợi và làm trương sợi. Hình 1.1. Cấu trúc của sợi thực vật 1 Hình 1.4. Cấu trúc của sợi thực vật [...]... hemixenlulozơ, lignin, pectin, sáp và các hợp chất hòa tan trong nước Xenlulozơ là thành phần chính của sợi thực vật rồi đến hemixenlulozơ, lignin và pectin Sợi đơn của tất cả sợi thực vật cấu tạo từ một số tế bào Những tế bào đó tạo thành từ các sợi tế vi (microfibril) có cấu trúc tinh thể của xenlulozơ, chúng liên kết với nhau nhờ lignin và hemixenlulozơ vô định hình để tạo thành lớp hoàn chỉnh bố trí... cacbon độn vi sợi xenlulozơ - Vật liệu ép toàn vi sợi được sử dụng trong ngành điện tử - Một số ứng dụng khác của vi sợi: + Ứng dụng làm giấy và bìa cứng đặc biệt + Nanocompozit xanh: compozit có nhựa nền và compozit không nhựa nền + Các ứng dụng làm thực phẩm + Mỹ phẩm/kem dưỡng da + Ứng dụng trong y khoa/dược phẩm: vi sợi được sử dụng như là một chất mang cho thuốc nhờ những đặc tính ưu vi t của nó như:... vi sợi xenlulozơ Vi sợi là một tập hợp các mạch phân tử xenlulozơ sắp xếp song song với trục của vi sợi, là một bó xoắn dài các phân tử được liên kết với nhau bằng các liên kết ngang hiđro giữa các nhóm chức hiđroxyl của các phân tử gần kề Cấu trúc này tạo cho vi sợi có tính chất cơ học đạt gần tới giới hạn lý thuyết của các tinh thể xenlulozơ hoàn thiện, mô đun đàn hồi ước tính tới 150 Gpa và độ bền... Tất cả các sợi thực vật là vật liệu đơn bào Ngoại trừ sợi lấy từ hạt, hầu hết các sợi thực vật đều tồn tại ở dạng bó của các sợi cơ bản Sợi được xác định là một đơn vị vật chất đặc trưng bởi độ mềm dẻo, tinh xảo và có tỷ lệ của chiều dài trên đường kính cao, còn sợi cơ bản được xác định là một đơn vị của tế bào thực vật [1] Tùy theo cấu trúc hình thái, sợi thực vật được chia làm 3 nhóm: +) Sợi vỏ lấy... dụng của các dung dịch axít vô cơ loãng, tức dễ bị thủy phân Độ trùng hợp của hemixenlulozơ vào khoảng 100-200 với chênh lệch dao động từ 30 đến 300 và hơn nữa, có nghĩa là chuỗi mạch của hemixenlulozơ ngắn hơn của xenlulozơ rất nhiều Hemixenlulozơ không đồng nhất về phân tử lượng Độ đa tán của chúng lớn hơn so với của xenlulozơ Sự đa dạng về tính chất của các polysacarit gây rất nhiều khó khăn trong vi c... nhiều vào địa lý, sợi nhận được thô hơn và chất lượng thấp hơn so với phương án ngâm nước Ngâm nước bằng cách cho thân cây vào bồn đựng nước hay dìm dưới sông có nước chảy chậm – phương án này đòi hỏi một lượng nước lớn để rửa sạch nên đắt nhưng sợi có chất lượng cao hơn 1.1.2 Thành phần hóa học và cấu tạo của sợi thực vật Thành phần hóa học của sợi thực vật nói chung bao gồm: xenlulozơ, hemixenlulozơ,... Hemixenlulozơ Hemixenlulozơ là hỗn hợp của một số loại polysaccarit phi xenlulozơ. Khi thủy phân, chủ yếu tạo ra một số đồng phân lập thể thuộc pentozơ và một số đồng phân lập thể thuộc hexozơ Các đơn vị mắt xích của các polysaccarit hemixenlulozơ thường là vòng anhydro của các saccarit như D-glucozơ, Dmannozơ, D-galactozơ (thuộc hexozơ), D-xylozơ, L-arabinozơ (thuộc pentozơ) Hemixenlulozơ gồm các polysaccarit... vỏ và ngâm cho mềm thường được áp dụng để tách các bó sợi từ vỏ và lá của cây cho sợi Kích thước của bó sợi phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật của quá trình Một loại máy bóc vỏ được sử dụng để tước các bó sợi từ thân hay lá Theo phương án khác nhau, lá được cào và đập vỡ bằng một hệ thống trục quay với các lưỡi dao cùn sao cho chỉ còn sợi ở lại Sợi tách ra như vậy được rửa sạch trước khi sấy dưới ánh... bền khoảng 10 Gpa [3,4] 1.2.2 Ứng dụng của vi sợi Các vi sợi được sử dụng để làm chất gia cường cho các polyme tổng hợp và các polyme sinh học để sản xuất các sản phẩm thuộc lĩnh vực phim ảnh hoặc sơn mài Tùy thuộc vào cấp độ phân tách của xenlulozơ mà các compozit có thể được tăng cường hơn nữa về các tính chất cơ học Sản phẩm nanocompozit xenlulozơ với các sợi gia cường có kích thước nhỏ được dùng... này Chỉ có phần xenlulozơ mạch ngắn, sản phẩm của quá trình phân hủy dưới tác động của quá trình nấu, tẩy là hòa tan được trong dung dịch trên Tất nhiên, khả năng hòa tan của hemixenlulozơ tốt hơn xenlulozơ còn do các đặc điểm về cấu tạo và cấu trúc của hemixenlulozơ: hemixenlulozơ chứa nhóm uronic, phân tử tồn tại ở vùng vô định hình Giữa hemixenlulozơ và xenlulozơ có nét tương đồng, đó là khả năng . anhiđrit phtalic và khảo sát tính chất của vi sợi xenlulozơ phtalat. Do đó, chúng tôi chọn đề tài: Chế tạo và khảo sát tính chất đặc trưng của vi sợi xenlulozơ và vi sợi xenlulozơ phtalat 2. Nhiệm. GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN MỸ XUÂN CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG CỦA VI SỢI XENLULOZƠ VÀ VI SỢI XENLULOZƠ PHTALAT Chuyên ngành: Hóa học hữu cơ Mã số: 60.44.01.14 LUẬN. Phạm vi nghiên cứu: quy trình chế tạo vi sợi xenlulozơ và vi sợi xenlulozơ phtalat từ phoi phế thải cây Lùng; cấu trúc hóa học, hình thái học và một số tính chất của vi sợi và vi sợi xenlulozơ phtalat. 4.