Nghiên cứu chế tạo màng polymer trên cơ sở chitosan và poly vinyl alcohol

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  LÂM THỊ NI NA NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG POLYMER TRÊN CƠ SỞ CHITOSAN VÀ POLY (VINYL ALCOLHOL) LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  LÂM THỊ NI NA NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG POLYMER TRÊN CƠ SỞ CHITOSAN VÀ POLY (VINYL ALCOLHOL) Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS DƯƠNG THẾ HY Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Với tình cảm chân thành trân trọng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Q Thầy, Cơ Khoa Hóa, Cán giảng viên - Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng phía Trường Đại học Phạm Văn Đồng – Quảng Ngãi tạo điều kiện cho tơi hồn tất khóa đào tạo Thạc sĩ định hướng, hoàn thành nghiên cứu Luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Cán Hướng dẫn khoa học TS Dương Thế Hy trực tiếp tận tụy hướng dẫn để tơi hồn thành đề tài Luận văn Trân trọng! LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công tin khác Tác giả luận văn Lâm Thị Ni Na TÓM TẮT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG POLYMER TRÊN CƠ SỞ CHITOSAN VÀ POLY(VINYL ALCOHOL) Học viên: Lâm Thị Ni Na Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 8520101 Khóa:35 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt- Nghiên cứu kết hợp nguyên liệu Chitosan Poly(vinyl alcohol), để tạo màng polymer phân hủy sinh học, có khả kháng khuẩn nhằm hướng đến ứng dụng làm bao bì ngành thực phẩm, y tế, từ giảm thực trạng nhiễm mơi trường rác thải từ bao bì nhựa tổng hợp khơng phân hủy sinh học, tăng hiệu kinh tế cho ngành công nghiệp Việt Nam Đề tài nghiên cứu sơ điều kiện ảnh hưởng đến q trình đóng rắn PVA, bao gồm hàm lượng acid acetic, glutaraldehyde, nhiệt độ thời gian đóng rắn Điều kiện tốt cho q trình tạo màng PVA đóng rắn là: hàm lượng acid acetic GA 3,5/100 1/100 phần khối lượng so với PVA, nhiệt độ đóng rắn 900C thời gian đóng rắn 7h Đưa chitosan vào màng PVA cải thiện tính kị nước màng, tạo khả kháng khuẩn làm tăng độ bền kéo màng Cả màng PVA PVA/chitosan cho thấy tương thích sinh học sau chơn đất 50 ngày Từ khóa: Polymer, Poly (vinyl alcohol), Glutaraldehyde, Chitosan, độ trương BIODEGRADABLE POLYMER FILM BASED ON CHITOSAN AND POLY (ALCOHOL VINYL) Abstract-This study combines Chitosan and Poly(vinyl alcohol) (PVA) to create antibacterial, biodegradable polymer film This film is aimed to alternate nonbiodegradable synthesized plastic packaging, a main cause of environmental pollution, using in food and medical packaging industries Conditions for PVA curing process, including content of acetic acid, glutaraldehyde (GA) as well as temperature and curing time were investigated The best conditions for curing PVA film are: the ratios of acetic acid and GA to PVA (by mass) are of 3.5/100 and 1/100, respectively, curing temperature is 90oC and curing time is hours Adding chitosan to PVA improves the hydrophobicity, creates antibacterial properties and increases the tensile strength of the film Both PVA and PVA/chitosan films show the sign of biocompatibility Key words-Film, Poly(vinyl alcohol), Glutaraldehyde, Chitosan, biodegradable MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề .1 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu polymer phân hủy sinh học 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Các loại polymer phân hủy sinh học 1.1.3 Tình hình nghiên cứu nước giới loại polymer phân hủy sinh học 1.1.4 Ứng dụng polymer phân hủy sinh học 1.2 Nguyên liệu sử dụng đề tài 1.2.1 Chitosan (CS) 1.2.2 Poly(vinyl alcohol) (PVA) .14 1.2.3 Glutaraldehyde (GA) 21 1.2.4 Acid acetic 22 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 24 2.1 Sơ đồ nghiên cứu 24 2.2 Thực nghiệm 26 2.2.1 Hóa chất 26 2.2.2 Dụng cụ thiết bị 26 2.2.3 Cách tiến hành: 27 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Kết nghiên cứu 31 3.1.1 Ảnh hưởng hàm lượng Acid acetic nhiệt độ, thời gian đến đóng rắn màng PVA .31 3.1.2 Ảnh hưởng hàm lượng Chitosan đến tính chất lí, khả kháng khuẩn độ trương màng 39 3.1.3 Phân tích nhiệt trọng lượng TGA 43 3.1.4 Độ thấm nước 46 3.1.5 Khả phân hủy sinh học 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) DANH MỤC VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên đầy đủ PLA Polylactic acid PBS Polybutylenne succinate AAC Polyester đồng trùng hợp mạch thẳng PBAT Polybutyrate adipate terephthalate PHB Polyhydroxyl butyrate PHV Polyhydroxyl valeate PCL Polycaprolactone PET Polyethylene terephthalate PVA Poly(vilnyl alcohol) EVOH Ethylene vinyl alcohol CS Chitosan GA Glutaraldehyde DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1.2: 3.1: Tên bảng Tính chất glutaraldehyde Kết khảo sát độ trương màng PVA hàm lượng acid acetic thời gian, nhiệt độ đóng rắn khác Trang 21 32 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1: Sơ đồ polymer phân hủy sinh học 1.2: Một vài ứng dụng Chitosan 12 1.3: PVA thủy phân hoàn toàn thủy phân phần 14 2.1: Chitosan deacetyl hóa 27 2.2: Phổ hồng ngoại chitosan 28 Biến thiên độ trương màng hàm lượng acid acetic 3.1: khác (sử dụng 3/100 (GA/PVA) phần khối lượng) với nhiệt độ đóng rắn 90oC 7h) 33 3.2: Ảnh hưởng thời gian đóng rắn đến độ trương màng (sử dụng 3/100 GA 3,5/100 acid acetic phần khối lượng so với PVA), đóng rắn 90 0C 35 3.3: Ảnh hưởng hàm lượng GA đến độ trương màng PVA nhiệt độ đóng rắn 90 0C 7h 36 3.4: Ảnh hưởng hàm lượng chitosan đến độ trương màng 39 3.5: Độ bền kéo màng (N/mm ) 40 3.6: Khả kháng khuẩn màng 42 3.7: TGA màng PVA 43 3.8: DTG màng PVA CS 45 3.9: Đồ thị biểu diễn độ tăng khối lượng (gam) màng PVA theo thời gian (giờ) 46 3.10: Độ thấm nước màng 47 3.11: Màng PVA khơng đóng rắn (a), PVA đóng rắn (b) PVA có 15% chitosan (c) sau chôn đất 50 ngày 49 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt: [1] Bằng Độc quyền Giải pháp hữu ích “Sử dụng chitosan phụ gia thực phẩm thay hàn the”, Cục Sở hữu Công nghiệp Việt Nam, số 493/A10854/QĐ-ĐK năm 2005 [2] Phạm Lê Dũng, Nguyễn Thị Đông, Phạm Thị Mai, Lê Thanh Sơn, Nguyễn Kim Thanh, Chu Đình Kính, Belguise A (2000), “Dẫn xuất N-cacboxy Chitosan, chất tương tự chitin, Phần II: 5-metyl pyrolidion Chitosan (N-PC)”, Tạp chí Hóa học, 3, tr.15-18 [3] Nguyễn Văn Khơi (2007), Polymer ưa nuớc hóa học ứng dụng, NXB Khoa học tự nhiên Công nghệ [4] Minh Sơn, Việt Nam chế tạo màng polyme tự phân hủy, Báo điện tử Vietnamnet, ngày 19/11/2003 [5] Trần Đại Lâm, Nguyễn Thị Thúy Nga, Vũ Đình Hồng, Trần Việt Hùng (2006), “Nghiên cứu phân hủy sinh học q trình giải phóng thuốc invitro từ chất mang nano chitosan gắn hoạt chất artesunat”, Tạp chí phân tích Lý Hoá Sinh, 11(1), 57-60 [6] Phạm Ngọc Lân (2007), Vật liệu Polyme phân hủy sinh học, NXB Bách khoa, Hà Nội [7] Trần Thị Ý Nhi (2011), Nghiên cứu số phản ứng biến tính hóa học chitin/chitosan khả hấp thụ ion kim loại nặng, thuốc nhuộm sản phẩm chitin/chitosan biến tính, Luận án Tiến sĩ Hóa học, Hà Nội [8] Tạp chí cơng nghiệp hóa chất, số 06, 2007 [9] Nguyễn Thị Thu Thảo (2013), Nghiên cứu tổng hợp polyme phân hủy sinh học sở polyvinyl ancol polysaccarit tự nhiên, Luận án tiến sĩ khoa học Vật liệu [10] Lê Thị Minh Thùy (2008), “Nghiên cứu phối trộn chitosan-gelatin làm màng bao thực phẩm bao gói bảo quản phi lê cá ngừ đại dương”, Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, 1: 147-153 [11] Lê Thị Thu Trang (2016), Nghiên cứu Chế tạo, nghiên cứu số tính chấy vật liệu tổ hợp Polylactic Axit/Chitosan thăm dò khả mang thuốc Quinin vật tiệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam,18-19 [12] Phạm Thế Trinh (2004), Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KC-02.09: Nghiên cứu chế tạo ứng dụng polymer phân hủy sinh học, Viện Hóa Học Cơng Nghiệp Việt Nam 52 Tài liệu tiếng Anh: [13] Acid catalysed cross-linking of poly vinyl alcohol (PVA) by glutaraldehyde: Effect ofcrosslink density on the characteristics of PVA membrane used in single chambered microbial fuel cell [14] Aider M., 2010 Chitosan application for active bio-based films production and potential in the food industry: Review LWT - Food Science and Technology, 43(6): 837-842 [14] Bae K., E J Jun, S M Lee, D I Paik, J B Kim, 2006 Effect of water soluble reduced chitosan on Streptococcus mutans, plaque biofilmvitality Clinical Oral Investigations, 10: 102-107 regrowth and [16] Brandrup J., E H Immergut, and E A Grulke, 1999 Polymer handbook 4th edition, John Wlley & Sons, New York, USA, 2239 pages [17] Brandrup J., E H Immergut, and E A Grulke, 1999 Polymer handbook 4th edition, John Wlley & Sons, New York, USA, 2239 pages [18] Chang MM, Hadwiger LA, Horovitz D (1992), Molecular characterization of a pea beta-1,3-glucanase induced by Fusarium solani and chitosan challenge, Plant Molecular Biology, 1992 Nov; 20(4):609-18 [19] Douglas de Britto, odilio B.G de Assis (2005), Mechanical properties of N,N,N trimethyl chitosan Chloride Films, Polimeros: Ciência e Tecnologia, 15(2), pp.142-145 [20] Dornard A., Rinaudo M & Terrassin C (1986), New method for the quaternization of chitosan, International Journal of Biological Macromolecules, (8), p.105-107 [21] Emo Chiellini, 2001 Composite films based on poly(vinylalcohol) and lignocellulosic fibers: preparation and characteriztions, Sustaninable polymer science and technology 87-100 [22] Entsar I R., E T B Mohamed, V S Christian, S Guy, S Walter, 2003 Chitosan as antimicrobial agent: Applications and mode of action Biomacromolecules, 4(6): 1.458 [23] Esam A El-Hefian, Mohamed Mahmoud Nasef and Abdul Hamid Yahaya, Preparation and Characterization of Chitosan/Poly(Vinyl Alcohol) Blended Films: Mechanical, Thermal and Surface Investigations, 2010 [24] Guo, R.; Hu, C.; Li, B.; Jiang, Z J Membr Sci 2007, 289, 191, CH3COOH.( Swelling Behavior of Cross-link PVA with Glutaraldehyde) [25] Hadwiger, L.A., Kendra, D.F., Fristensky, B.W., et al Chitosan both activates genes in plants and inhibits RNA synthesis in fungi In: Muzzarelli, R.A.A., 53 Jeuniaux, C., Gooday, G.W Eds.; Chitin in Nature and Technology New York, USA: Plenum Press; 1985 pp 209–222) [26] Hang Thi Au, Lan Ngoc Pham, Thu Ha Thi Vu and Jun Seo Park (2012), Fabrication of An Antibacterial Non- Woven Mat of a poly(lactic acid)/Chitosan Blend by Electrospinning, Macromolecular Research, 20(1), pp 51-58 [27] Helander I M., E L Nurmiaho-Lassila, R Ahvenainen, J Rhoades, S Roller, 2001 Chitosan disrupts the barrier properties of the outer membrane of Gram negative bacteria International Journal of Food Microbiology, 71: 235-244 [28] Hitoshi Sashiwa, Naoki Namamori, Sei-ichi Aiba (2003), Michael reaction of chitosan with Various Acryl reagents in water, Biomacromolecules, 4, pp.1250-1254 [29] Honglue Tan, Rui Ma, Chucheng Lin, Ziwei Liu and Tingting Tang, “Quaternized Chitosan as an Antimicrobial Agent: Antimicrobial Activity Mechanism of Action and Biomedical Applications in Orthopedics”, International Journal of Molecular Sciences 2013, 14(1), pp.1854-1869 [30] Je-Lueng Shie, Yi-Hung Chen, Ching-Yuan Chang, Jyh-Ping Lin, Duu-Jong Lee, and Chao-Hsiung Wu, Thermal Pyrolysis of Poly(vinyl alcohol) and Its Major Products, 2011 [31] Jha N., I Leela, A.V.S Prabhakar Rao (1988), Removal of cadmium using chitosan, Journal of Environmental Engineering, 114, pp 962 [32] John Wiley & Sons, 2005 Film manufacture, Encyclopedia of Polymer Sceince and Technology, 06: 283-305 [33] James E Mark, 1998 Polymer data handbook Oxford University Press, 1003 pages [34] James E Mark, 1998 Polymer data handbook Oxford University Press, 1003 pages [35] Katia C S Figueiredo et al., “Poly(vinyl alcohol) Films Crosslinked by Glutaraldehyde Under Mild Conditions”, 2009, 11, pp 3074-3080 [36] Kurita K (1997), Soluble precursors for efficient chemical modifications of chitin and chitosan, In; Goosen M.F.A editor, Application of Chitin and Chitosan, lancater, PA: Technomic Publishing, pp.103-112 [37] Kurita K (2001), Controlled functionalization of the polysaccharide chitin, Progress in Polymer Science, 26, pp.1921-197167 54 [38] Kunihito Watanabe, Ikuo Saiki, Seiichi Tokura, et al (1990), 6- Ocarboxymethyl chitosan as a Drug Carrier, Chemical and Pharmaceutical [39] [40] Bulletin 38(2), pp 506-509 Kurita K (2001), Controlled functionalization of the polysaccharide chitin, Progress in Polymer Science, 26, pp.1921-197167 Kurita K., Shigeru Ishii, Koji Tomita, Shin-ichiro Nishimura, and Kayo Shomoda (1994), Reacivity Characteristics of Squid -Chitin as Compared with Those of Shrimp Chitin: High Potentials of Squid Chitin as a Starting Material for Facile Chemical Modifications, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 32, pp.1027-1032 [41] Lam Dai Tran, Hoang Vinh Tran, Trang Thu Mai, Thu Phuong Ha, Binh Hai Nguyen, Hoang Thai, Hoang Dinh Vu, Dien Gia Pham, Phuc Xuan Nguyen, Jae Kweon Park (2011): Biomedical and environmental applications of chitosan-based nanomaterials, Journal of Chitin and Chitosan, 16(1), 7-14 [42] Mattheus F A Goosen (1997), Application of Chitin and Chitosan, CRC Press LLC [43] Mayachiew, Devahastin, S., Mackey, B.M., et al Effects of drying methods and conditions on P., antimicrobial activity of edible chitosan films enriched with galangal extract Food Res Int 2010; 43: 125–132 [44] Muzzarelli R.A.A, Weckx M., Filippini O., Lough C (1989), Characterisation properties of N- Carboxybutyl chitosan, Carbohydrate Polymers, 11, pp.307320 [45] Mattheus F A Goosen (1997), Application of Chitin and Chitosan, CRC Press LLC [46] Nam, Young Sik, Park, Won Ho, Ihm, Daewoo, & Hudson, Samuel M, ) Effect of the degree of deacetylation on the thermal decomposition of chitin and chitosan nanofibers Carbohydrate Polymers, 80(1), 291-295), 2010 [47] Poly(vinyl alcohol) Films Crosslinked by Glutaraldehyde Under Mild Conditions [48] Po-Jung Chien, Fuu Sheu, Feng-Hsu Yang (2007), Effects of edible of Food Engineering, 78, pp 225-229 [49] Preparation and characterization ò crosslinked poly (vinyl) alcohol films with waterproof properties [50] Rao B M., Rao P R., Sreenivasulu P (1999), Polymer blends of nylon-12 and ABS: Synthesis and characterization, Polymer-Plastics Technology and Engineering, Vol 38(2), 311-318 55 [51] Richardson S C W., V J Kolbe Hanno, R Duncan, 1999 Chitosan copolymers for intranasal delivery of insulin C.A, 130(25), 1.141(342,853u), England [52] Uragami T., Kinoshita H., Okuno H (1993), Characteristics of permeation and separation of aqueous alcoholic solutions with chitosan derivative membranes, Die Angewandte Makromolekulare Chemie, 209, pp 51-93 [53] Vishu Kumar A B., M C Varadaraj, R G Lalitha, R N Tharanathan, 2004 Low molecular weight of chitosans: preparation with the aid of papain and Zhang Y., C Xue, Y Xue, R Gao, X Zhang, 2005 Determination of the degree of deacetylation of chitin and chitosan by X-ray powder diffraction Carbohydrate Research, 340: 1.914-1.917 [54] Yaowen Liu cộng sự, “Fabrication and Testing of PVA/Chitosan Bilayer Films for Strawberry Packaging”,Coatings 2017, 7(109),p.1 – 16 [55] Yoshihiro Shigemasa and Saburo Minami (1995), Applications of chitin and chitosan for Biomaterials, Biotechnology and Genetic Engineering Reviews, 13 [56]Yumiko Nakano cộng sự, “Structure and Mechanical Properties of Chitosan/Poly(Vinyl Alcohol) Blend Films”, Macromol Symp 2007, 258, p.63–81 [57] Zhao Guohua, Liu Ya, Fang Cuilan, Zhang Min, Zhou Caiqiong, Chen Zongdao, 2006 Water resistance, mechanical properties and biodegradability of methylated-cornstarch/poly(vinyl alcohol) blend film, Polymer Degradation and Stability, 91: 703-711 [58] Yoshihiro Shigemasa and Saburo Minami (1995), Applications of chitin and chitosan for Biomaterials, Biotechnology and Genetic Engineering Reviews, 13 ... Chế tạo màng từ chitosan poly( vinyl alcohol) xác định số đặc tính Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu: Màng polymer sở chitosan poly( vinyl alcohol) 3.2 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên. .. loại polymer tổng hợp khơng có khả phân hủy sinh học, đặc biệt lĩnh vực bao bì thực phẩm Đó lí thực đề tài ? ?Nghiên cứu chế tạo màng polymer sở chitosan poly( vinyl alcohol) ” Mục tiêu nghiên cứu Chế. .. cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công tin khác Tác giả luận văn Lâm Thị Ni Na TÓM TẮT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG POLYMER TRÊN CƠ SỞ CHITOSAN VÀ POLY( VINYL