Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình tạo keo tanin glyoxal từ nguồn vỏ cây keo lá tràm và thử ứng dụng của keo sản phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐOÀN VĂN DƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO KEO TANIN-GLYOXAL TỪ NGUỒN VỎ CÂY KEO LÁ TRÀM VÀ THỬ ỨNG DỤNG CỦA KEO SẢN PHẨM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Đà Nẵng – Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐOÀN VĂN DƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO KEO TANIN-GLYOXAL TỪ NGUỒN VỎ CÂY KEO LÁ TRÀM VÀ THỬ ỨNG DỤNG CỦA KEO SẢN PHẨM Chuyên ngành: Hóa hữu Mã số: 60 44 27 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ TỰ HẢI Đà Nẵng – Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Đoàn Văn Dương MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 TỔNG QUAN VỀ KEO LÁ TRÀM 1.1.1 Sơ lược chi keo 1.1.2 Sơ lược keo tràm 1.1.3 Phân loại keo tràm 1.1.4 Đặc điểm keo tràm 1.1.5 Sự phân bố 1.1.6 Hướng sử dụng 11 1.2 TỔNG QUAN VỀ KEO DÁN 12 1.2.1 Lịch sử tìm keo dán 12 1.2.2 Định nghĩa keo dán 13 1.2.3 Các chức keo dán 14 1.2.4 Các tính chất quan trọng keo dán 14 1.2.5 Phân loại keo dán 14 1.2.6 Keo dán gỗ 20 1.2.7 Keo tanin-glyoxal 21 1.3 TỔNG QUAN VỀ TANIN 21 1.3.1 Khái niệm tanin 21 1.3.2 Phân loại tanin 22 1.3.3 Tính chất tanin 26 1.3.4 Ứng dụng tanin 27 1.3.5 Tình hình nghiên cứu sử dụng tanin 29 1.4 MỘT SỐ LOẠI GỖ CÔNG NGHIỆP THƯỜNG ĐƯỢC SỬ DỤNG 31 1.4.1 Gỗ Veneer 31 1.4.2 Gỗ PB - Particle board - Ván gỗ dăm 32 1.4.3 Gỗ MFC - Melamine Faced Chipboard 33 1.4.4 Gỗ HDF - High Density fiberboard 34 1.4.5 Gỗ PW 35 1.4.6 Gỗ MDF - Medium Density fiberboard - Gỗ ép 36 CHƯƠNG NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38 2.1 NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT TỔNG HỢP KEO TANINGLYOXAL 38 2.1.1 Tanin rắn 38 2.1.2 Glyoxal 38 2.1.3 Dung dịch NaOH 33% 39 2.1.4 Natri sunfit 39 2.2 NHỮNG HÓA CHẤT KHÁC 39 2.2.1 Dung dịch KMnO4 0.1N 39 2.2.2 Dung dịch Indigocarmin 0.1% H2SO4 39 2.2.3 Axit clohidric 40 2.2.4 Axit oxalic 40 2.2.5 Urotrophin 40 2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41 2.3.1 Xác định số tiêu hóa lý định tính tanin 41 2.3.2 Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến trình chiết tách tanin 43 2.3.3 Định lượng tanin mẫu sau cô cạn, xác định số Stiasny tanin rắn, phổ hồng ngoại (IR) 46 2.3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến trình tổng hợp keo tanin-glyoxal 49 2.3.5 Nghiên cứu tính chất keo dán tanin-glyoxal 51 2.3.6 Nghiên cứu ứng dụng tạo ép keo tanin-glyoxal 52 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 57 3.1 XÁC ĐỊNH MỘT SỐ CHỈ TIÊU HÓA LÍ VÀ ĐỊNH TÍNH TANIN 57 3.1.1 Xác định độ ẩm 57 3.1.2 Xác định hàm lượng tro 57 3.1.3 Định tính 57 3.1.4 Định tính phân biệt tanin ngưng tụ tanin thủy phân 57 3.2 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHIẾT TÁCH TANIN 58 3.2.1 Ảnh hưởng pH 58 3.2.2 Ảnh hưởng Na2SO3 59 3.2.3 Ảnh hưởng thể tích nước 60 3.3 ĐỊNH LƯỢNG TANIN, XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ STIASNY CỦA TANIN RẮN, PHỔ HỒNG NGOẠI IR 62 3.3.1 Định lượng tanin mẫu rắn 62 3.3.2 Xác định số Stiasny 62 3.3.3 Phổ hồng ngoại IR 63 3.4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP KEO TANIN-GLYOXAL 64 3.4.1 Ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng tanin : thể tích glyoxal 64 3.4.2 Ảnh hưởng thời gian 65 3.4.3 Ảnh hưởng pH 66 3.4.4 Ảnh hưởng nhiệt độ 67 3.5 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA KEO TANIN-GLYOXAL 68 3.5.1 Trạng thái vật lý phổ hồng ngoại keo 68 3.5.2 Các tính chất keo 69 3.6 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TẠO TẤM ÉP MDF CỦA KEO TANIN GLYOXAL 70 3.6.1 Ảnh hưởng hàm lượng keo đến độ bền uốn độ bền kéo MDF 70 3.6.2 Cấu trúc tế vi MDF (chụp SEM) 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu δ: Dao động biến dạng W: Độ ẩm mẫu (%) H: Hàm lượng tro mẫu (%) δk: Ứng suất kéo (MPa) δu: Ứng suất uốn (MPa) Các chữ viết tắt IR: Phổ hồng ngoại LDF: Low Density Fiberboard (tỉ trọng: 650kg/ m3) MDF: Medium Density Fiberboard (tỉ trọng: 700 - 800kg/m3) PVC: Nhựa polyvinyl clorua SEM: Scanning Electron Microscope TDS: Total Dissolved Solids DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 3.1 Độ ẩm mẫu bột 57 3.2 Hàm lượng tro mẫu bột 57 3.3 Ảnh hưởng pH 58 3.4 Ảnh hưởng Na2SO3 59 3.5 Ảnh hưởng thể tích nước 61 3.6 Hàm lượng tanin mẫu tanin rắn tách 62 3.7 Chỉ số Stiasny tanin 63 3.8 Tần số loại dao động phổ hồng ngoại tanin 64 3.9 Ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng tanin : thể tích glyoxal 64 3.10 Ảnh hưởng yếu tố thời gian đến độ nhớt keo 65 3.11 Ảnh hưởng yếu tố pH 66 3.12 Ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ 67 3.13 Kết tính chất keo 70 3.14 Ảnh hưởng hàm lượng keo đến độ bền uốn độ bền kéo MDF 71 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1 Acacia homalophylla 1.2 Acacia formosa 1.3 Acacia catechu 1.4 Acacia farnesiana 1.5 Acacia greggii 1.6 Acacia dealbata 1.7 Acacia mangium 1.8 Acacia auriculiformis 1.9 Keo tràm 1.10 Lá keo tràm 1.11 Hoa keo tràm 1.12 Quả keo tràm 1.13 Sự phân loại đơn giản keo dán 16 1.14 Axit galic 23 1.15 β-1,2,3,4,6-pentagaloyl-O-D-glucozơ 23 1.16 β-1,2,2,3,6-pentagaloyl-O-D-glucozơ 24 1.17 Naringenin 24 1.18 Eriodictyol 24 1.19 Cấu trúc Flavan-3-ol 25 1.20 Catechin (C) 26 1.21 Epicatechin (EC) 26 1.22 Epicatechin-(4β->8)- epicatechin 26 1.23 Epicatechin-(4β->8)- catechin 26 67 Hình 3.8 Ảnh hưởng yếu tố pH Ta thấy pH tăng độ nhớt tăng nên pH = 14 môi trường tốt cho phản ứng tổng hợp keo tanin-glyoxal Môi trường kiềm thuận lợi cho việc tạo keo, lượng keo tạo thành nhiều làm độ nhớt tăng 3.4.4 Ảnh hưởng nhiệt độ Sử dụng điều kiện tối ưu tỉ lệ khối lượng tanin : thể tích glyoxal, thời gian pH, tiến hành trình tổng hợp nhiệt độ 700, 800C, 900C 1000C Kết thu trình bày bảng 3.12 hình 3.9 Bảng 3.12 Ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ Nhiệt độ (0C) Thời gian chảy (s) Độ nhớt (cSt) 700 800 900 1000 3654 5767 5971 6063 449.442 709.341 734.433 745.749 68 Hình 3.9 Ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ Như nhiệt độ 1000C nhiệt độ tốt cho phản ứng Tóm lại: Điều kiện tối ưu cho trình tổng hợp tỉ lệ rắn : lỏng = 3g : 15 ml, thời gian 4h, pH = 14 nhiệt độ 1000C 3.5 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA KEO TANIN-GLYOXAL 3.5.1 Trạng thái vật lý phổ hồng ngoại keo Keo tanin-glyoxal tổng hợp có dạng đặc quánh, cô cạn đem chụp phổ hồng ngoại IR 69 Hình 3.10 Keo dạng đặc quánh Hình 3.11 Keo dạng rắn Hình 3.12 Phổ hồng ngoại keo tanin-glyoxal 3.5.2 Các tính chất keo Các tính chất đặc trưng keo xác định trình bày bảng 3.13 70 Bảng 3.13 Kết tính chất keo Hàm lượng Độ nhớt rắn (%) (cSt) 60.889 745.749 pH Tỉ trọng (g/cm3) 12 1.06 Thời gian gel hóa (phút) 125 phút 3.6 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TẠO TẤM ÉP MDF CỦA KEO TANIN GLYOXAL Hòa tan m (g) keo, 0.2g urotropin, 0.2g axit oxalic, 50g bột gỗ sàn lọc vào cốc chứa 200ml nước cất; ngâm 48h, lấy sấy khô 70oC 12h nhằm loại bỏ nước Mẫu ép thành phẩm có chiều rộng b: 13mm, chiều dày h: 3.5mm Hình 3.13 Bột gỗ sau sấy Hình 3.14 Tấm MDF 3.6.1 Ảnh hưởng hàm lượng keo đến độ bền uốn độ bền kéo MDF a Đo độ bền kéo vật liệu - Ứng suất kéo căng: tải trọng kéo căng cho đơn vị diện tích mặt cắt ngang, xác định vị trí có diện tích mặt cắt ngang bé 71 - Ứng suất kéo tính δk = Fmax/bh Với b: chiều rộng mẫu (13mm) h: chiều dày mẫu (3,5mm) Fmax: lực kéo cực đại tác dụng lên mẫu thời điểm gãy (N) b Đo độ bền uốn vật liệu - Ứng suất uốn gãy: ứng suất uốn đo thời điểm vật liệu bị gãy - Ứng suất uốn gãy tính theo cơng thức: δu = 3LFmax/2bh2 Với b: chiều rộng mẫu (13mm) h: chiều dày mẫu (3,5mm) Fmax: tải trọng thời điểm mẫu bị uốn gãy (N) l: chiều dài gối đỡ Bảng 3.14 Ảnh hưởng hàm lượng keo đến độ bền uốn độ bền kéo MDF % Keo Ứng suất uốn (MPa) Ứng suất kéo (MPa) 10 14.464 4.4908 15 16.081 4.8802 20 11.111 3.7147 25 11.332 3.7366 30 7.468 3.2606 Với 1MPa = 1N/mm2 72 Hình 3.15 Ảnh hưởng hàm lượng keo đến độ bền uốn Hình 3.16 Ảnh hưởng hàm lượng keo đến độ bền kéo 73 Dưới tác dụng điều kiện ép (nhiệt độ, thời gian ) hạt keo phủ lên bột gỗ chúng kết hợp với tạo khối composit hồn chỉnh độ bền mẫu MDF giải thích theo chế: tạo lớp keo định hướng; hình thành “pha liên tục” gỗ-keo Khi hàm lượng keo thấp, hàm lượng bột gỗ cao keo khơng đủ để bao phủ thấm sâu vào hạt gỗ, hạt gỗ dư nhiều nên khơng hình thành pha liên tục gỗ-keo, hạt gỗ dư hình thành nên pha riêng biệt phá vỡ cấu trúc đồng hệ gỗ-keo tạo thành vết nứt chỗ xung yếu dễ làm cho MDF bị phá hủy Khi tăng hàm lượng keo lên keo thấm ướt dần vào hạt gỗ, tạo lớp keo định hướng đồng với hạt gỗ hệ thống, lúc tồn “pha liên tục” keo - bột gỗ tồn khối vật liệu Do tác dụng ngoại lực ứng suất phân bố toàn khối mẫu MDF, nên độ bền học mẫu thu lớn tỉ lệ keo 15% Tại giá trị tối ưu này, tiếp tục tăng hàm lượng keo lên lúc hạt keo dư khơng cịn đóng vai trị lớp keo định hướng mà hình thành nên pha riêng biệt phá vỡ cấu trúc đồng hệ gỗ-keo nên độ bền mẫu lúc lại giảm, mẫu bị phá hủy tác dụng ngoại lực thấp Do độ bền học mẫu MDF giảm [15] Các kết đo độ bền học thu MDF chế tạo với keo tanin-glyoxal độ bền uốn δu = 16.081 MPa, độ bền kéo δk = 4.8802 MPa 3.6.2 Cấu trúc tế vi MDF (chụp SEM) Sau đo ứng suất kéo ứng suất uốn xong, mẫu MDF đem chụp SEM, kết sau: 74 Hình 3.17 Mẫu (10% keo) Hình 3.18 Mẫu (15% keo) 75 Hình 3.19 Mẫu (20% keo) Hình 3.20 Mẫu (25% keo) 76 Hình 3.21 Mẫu (30% keo) Kết chụp SEM cho thấy mẫu MDF 15% keo tanin-glyoxal có tương thích keo bột gỗ Bên cạnh cấu trúc đồng hệ gỗ-keo bị phá vỡ thiếu keo MDF 10% keo tanin-glyoxal, mẫu 20%, 25%, 30% lượng keo nhiều tương hợp giảm có xuất khe nứt, nguyên nhân keo có tượng vốn cục nên giảm tương hợp keo bột gỗ 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Qua trình nghiên cứu, cho phép đưa số kết luận sau: - Mẫu bột vỏ keo tràm nghiên cứu có hàm lượng tro 15.244% độ ẩm 10.976% - Đã tìm điều kiện tối ưu cho trình chiết tách tanin tỉ lệ khối lượng bột gỗ : thể tích nước = 5g : 300ml, pH = 14 khối lượng Na2SO3 0.4 gam - Hàm lượng tanin mẫu tanin rắn tách 83.66% - Hàm lượng tanin Stiasny 72.948% cho phép tiến hành phản ứng tạo keo tanin-glyoxal - Đã tìm điều kiện tối ưu cho phản ứng tạo keo tanin-glyoxal tỉ lệ rắn : lỏng = 3g : 15 ml, thời gian 4h, pH = 14 nhiệt độ 1000C - Keo sản phẩm có tính chất hàm lượng rắn 60.889%, độ nhớt 745.749cSt, pH = 12, tỉ trọng 1.06 g/cm3, thời gian gel hóa 125 phút - Đã khảo sát khả ứng dụng keo tanin-glyoxal tạo MDF với bột gỗ: + Tấm ép chịu độ bền uốn tốt 15% ứng với ứng suất uốn 16.081 MPa; chịu lực kéo tốt 15% ứng với ứng suất kéo 4.8802 MPa + Cấu trúc tế vi ép MDF với tỉ lệ keo 15% có tương hợp bột gỗ keo KIẾN NGHỊ - Thay nguồn nguyên liêu vỏ keo tràm nguồn nguyên liệu khác vỏ bạch đàn, vỏ thông 78 - Tiếp tục nghiên cứu thay glyoxal hợp chất tương tự - Tiếp tục nghiên cứu xác định lượng formaldehyde thoát - Thay bột gỗ vỏ trấu - Tiếp tục nghiên cứu thêm độ trương nở, độ bền tia UV MDF 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phan Thế Anh (2008), Kỹ thuật sản xuất chất dẻo, Đại học Đà Nẵng [2] Bộ Y tế (1980), Bài giảng dược liệu tập 1, NXB Y học, Hà Nội [3] Bộ Y tế (1997), Dược điển Việt Nam tập 1, NXB Y học, Hà Nội [4] Võ Văn Chi (1997), Từ điển thuốc, NXB Y học, Hà Nội [5] Trần Vĩnh Diệu cộng (2007), “Nghiên cứu chế tạo ép MDF sở sợi tre phế liệu nhựa phenol – ure – formaldehyde”, Tạp chí hóa học, trang 104 – 110 [6] Lê Tự Hải, Phạm Thị Thùy Trang (2008), “Nghiên cứu tính chất ức chế ăn mòn thép CT3 dung dịch NaCl 3,5% tanin tách từ chè xanh”, Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học, Lần thứ 6, Đại học Đà Nẵng [7] Nguyễn Văn Khôi (2006), Keo dán hóa học cơng nghệ, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam [8] Nguyễn Thị Thu Lan (2007), Bài giảng hóa học hợp chất thiên nhiên, Khoa Hóa, Đại học Khoa học, Đại học Huế [9] Phan Kế Lộc (1973), Danh mục loài thực vật chứa tanin miền Bắc Việt Nam, Tập san sinh vật địa học, Tập 10, Số 1, [10] Huỳnh Đại Phú (2010), Hướng dẫn thí nghiệm hóa học polyme, NXB ĐHQG Hồ Chí Minh [11] Hồng Thị San (1986), Phân loại thực vật, tập 1, NXB Giáo dục [12] Nguyễn Minh Thảo (1998), Hóa học hợp chất dị vịng, NXB Giáo Dục [13] Trần Bích Thủy cộng (1989), “Nghiên cứu q trình trích ly tanin từ vỏ đước”, Tạp chí dược học, Tập 27, Số 80 [14] Nguyễn Quốc Tín, Phạm Lê Dũng (1985), Keo dán, NXB khoa học kĩ thuật, Hà Nội Tiếng Anh [15] Ann E Hagerman (1998), Tanin Chemistry, Department of Chemistry and Biochemistry, Miani University, Ofoxd, USA [16] Anthony D Covington, Modern Tanning Chemistry, British School Leather Technology, Northampton, UK NN2 7AL [17] Anthony H Conner and Melissa S Reeves (2010), “Reaction of formaldehyde at the Ortho and Para positions of Phenol: Exploration of mechanisms using computational chemistry”, USDA Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison, WI and Dept of Chemistry, Tuskegee Univ, Tuskegee, [18] Forest Starr, Kim Starr, and Lloyd Loope (2003), Acacia auriculiformis, United States Geological Survey - Biological Resources Division Haleakala Field Station, Maui, Hawai'I [19] Hazizan Md Akil (2007), “Phenol formaldehyde”, School of Materials and Mineral Resources Engineering [20] Jingge Li,1 BE(ChEng), MSCENZ (1998), “Commercial production of tannins from radiata pine bark for wood adhesives”, Frances Maplesden, BSc(For Hons), MNZIF, MFIEA, IPENZ Transactions, Vol 25, No 1/EMCh [21] John K (2008), Acacia auriculiformis A cunn ex Benth, Fracis International Institute of Tropical Forestry, USDA Forest Service [22] P Schofield, D.M Mbugua, A.N Pell, Department of animal science, 325 Morrison Hall, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA (2008), “Analysis of condensed tannins: a review”, Proceedings of the 81 51st International Convention of Society of Wood Science and Technology, November 10-12, Concepción, CHILE [23] S E Drewers and D G Roux (1966), “A New Flavan – 3,4 – diol from Acacia auriculiformis by Paper Ionophoresis”, Biochem J, (98/1966), page 493 - 500 [24] S Sowunmi, RO Ebewele, O Peters and AH Conner (2000), “Differential scanning calorimetry of hydrolysed mangrove tannin”, Polymer International, (49/2000), page 574 - 578 [25] W E Hillis and Gerda Urbach (1959), Reaction of polyphenols with formaldehyde, J appl Chem, 9, December, page 665 - 672 Internet [26] http://vi.wikipedia.org/wiki/K%C3%ADnh_hi%E1%BB%83n_vi_%C4 %9li%E1%BB%87n_t%E1%BB%AD_qu%C3%A9t [27] http://en.wikipedia.org/wiki/Medium-density_fibreboard ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐOÀN VĂN DƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO KEO TANIN- GLYOXAL TỪ NGUỒN VỎ CÂY KEO LÁ TRÀM VÀ THỬ ỨNG DỤNG CỦA KEO SẢN PHẨM Chuyên... ta, tạo công ăn việc làm tăng nguồn thu nhập cho người dân Vì vậy, chúng tơi chọn đề tài ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến trình tạo keo tanin- glyoxal từ nguồn vỏ keo tràm thử ứng dụng keo sản phẩm? ??... vỏ keo tràm 3 - Ứng dụng keo dán gỗ tanin- glyoxal tạo gỗ ép MDF Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Vỏ keo tràm - Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình chiết tách tanin;