Chế tạo và xác định đặc trưng của vi sợi xenlulozơ trích ly từ lùng phế thải ở nghệ an luận văn thạc sỹ hóa học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH CAO XUÂN CƯỜNG CHẾ TẠO VÀ XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG CỦA VI SỢI XENLULOZƠ TỪ LÙNG PHẾ THẢI Ở NGHỆ AN LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC VINH - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH CAO XUÂN CƯỜNG CHẾ TẠO VÀ XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CỦA VI SỢI XENLULOZƠ TRÍCH LY TỪ LÙNG PHẾ THẢI Ở NGHỆ AN Chuyên ngành: Hóa học hữu cơ Mã số: 60.44.27 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ ĐỨC GIANG VINH - 2012 i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành cuốn luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của các quý thầy cô trường Đại học Vinh và các nghiên cứu viên của Phòng thí nghiệm trọng điểm vật liệu polyme và compozit – trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: PGS.TS. Tạ Thị Phương Hòa, TS. Lê Đức Giang đã giao đề tài, dành nhiều thời gian, tâm huyết hưỡng dẫn, chỉ bảo tôi trong quá trình thực tập và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. GS.TS. Bùi Chương đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp tại Phòng thí nghiệm trọng điểm vật liệu polyme và com pozit – trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 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. Các cô, chú, các anh, chị và các bạn Phòng thí nghiệm trọng điểm vật liệu polyme và compozit – trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực tập. Ban chủ nhiệm Khoa Hoá, Tổ bộ môn Hoá hữu cơ 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 bố mẹ, các anh chị và những người thân trong gia đình đã nuôi dạy, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi học tập và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn, cảm ơn các bạn bè đã luôn sát cánh và ủng hộ tôi trong suốt thời gian qua. Vinh, tháng 9 năm 2012 Tác giả luận văn Cao Xuân Cường ii MỤC LỤC iii Danh mục các ký hiệu và viết tắt Ký hiệu Diễn giải DSC Nhiệt lượng vi sai quét (Differential Scanning Calorimeter) IR Hồng ngoại (Infrared spectroscopy) MFC Vi sợi xenlulo (Microfibrillated cellulose) SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) TGA Trọng lượng theo nhiệt độ (Thermogravimetry) TNHH Trách nhiệm hữu hạn XRD Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) iv Danh mục các hình vẽ và đồ thị Trang Hình 1.1: Cấu trúc hóa học của xenlulozơ Hình 1.2: Liên kết hydro giữa các phân tử xenlulozơ 6 Hình 1.3: Tế bào đơn vị của xenlulozơ I – IV. Chiều c (vuông góc với mặt phẳng) trong các tế bào là 10,31 – 10,38 o A 7 Hình 1.4: Chuyển hóa của các dạng khác nhau của xenlulozơ 8 Hình 1.5: Các monosacarit tạo thành mạch đại phân tử polysacarit 12 Hình 1.6: Các tiền chất phenolic tạo thành lignin 14 Hình 1.7: Rừng Lùng thuộc lâm trường Quỳ Châu quản lý(Khe Cạn, xã Châu Tiến, huyện Quỳ Châu, tỉnh Nghệ An) 21 Hình 1.8: Lược đồ thành tế bào xenlulozơ và nguồn vi sợi 22 Hình 3.1: Phổ IR của phoi trước khi xử lý dung dịch NaOH 1N 38 Hình 3.2: Phổ IR của phoi sau khi xử lý với dung dịch NaOH 1N ở 80 0 C thời gian 3 giờ 39 Hình 3.3: Ảnh SEM độ phóng đại 300 lần 40 Hình 3.4: Ảnh SEM độ phóng đại 1,5k lần và 10k lần 40 Hình 3.5: Phổ X-ray của MFC 41 Hình 3.6: Phổ DSC của MFC 42 Hình 3.7: Phổ TGA của MFC 43 Biểu đồ 3.1: Hàm lượng chất tan trong axeton 34 Biểu đồ 3.2: Hàm lượng xenlulozơ xử lý với dung dịch NaOH 80 0 C 35 Biểu đồ 3.3: Hàm lượng lignin không tan trong axit khi xử lý với dung dịch NaOH 1N 36 Biểu đồ 3.4: Hàm lượng lignin không tan trong axit khi xử lý ở 80 0 C 37 v Danh mục các bảng Trang Bảng 1.1: Các lại sợi thực vật, tên, nguồn gốc, sản lượng hàng năm 3 Bảng 1.2: Thành phần hóa học của một số sợi thực vật 4 Bảng 1.3: Diện tích rừng và mật độ cây ở các vùng điển hình 20 Bảng 3.1: Thành phần hóa học của cây lùng và phoi chưa xử lý 33 Bảng 3.2: Hàm lượng chất tan trong axeton 34 Bảng 3.3: Hàm lượng xenlulozơ xử lý với dung dịch NaOH 80 0 C 34 Bảng 3.4: Hàm lượng lignin không tan trong axit khi xử lý với dung dịch NaOH 1N 35 Bảng 3.5: Hàm lượng lignin không tan trong axit khi xử lý ở 80 0 C 36 Bảng 3.6: Hàm lượng pentoza 38 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong thời gian gần đây, các nghiên cứu về sợi tự nhiên để chế tạo vật liệu compozit ngày càng phát triển. Với những ưu điểm nổi trội như độ bền cơ học cao, khối lượng riêng nhỏ, có khả năng tái tạo tự nhiên và dễ dàng phân hủy trong môi trường, sợi thực vật là một đối tượng thu hút sự quan tâm ngày càng lớn như một loại sợi tiềm năng để gia cường cho vật liệu polyme compozit. Việc điều chế và ứng dụng của vi sợi xenlulozơ từ thực vật trong polyme compozit đang thu hút các nhà khoa học. Lùng là 1 trong những loại cây đặc chủng ở nước ta. Người dân chủ yếu sử dụng lùng để đan lát làm hàng mỹ nghệ. Ở Nghệ An, Công ty TNHH Đức Phong, Công ty TNHH Phương Anh, Doanh nghiệp tư nhân Đình Triều là những doanh nghiệp, công ty sử dụng một lượng lớn lùng trong lĩnh vực này. Ví dụ đối với Công ty TNHH Đức Phong, mỗi năm công ty sử dụng 3000 tấn nguyên liệu, nhưng lượng sử dụng để phục vụ đan lát chỉ chiếm 30%, lượng còn lại là phế thải. Những phế thải này công ty chỉ sử dụng để đốt chạy máy phát điện khi trường hợp không có điện hoặc giá điện quá cao, còn đối với những hộ đan lát mỹ nghệ xuất khẩu chỉ dùng để đốt phục vụ sinh hoạt. Với mục đích tận dụng lượng phế thải từ cây lùng và nâng cao giá trị sử dụng của cây lùng trong khuôn khổ của luận văn thạc sỹ này, vấn đề: “Chế tạo và xác định tính chất đặc trưng của vi sợi xenlulozơ từ lùng phế thải ở Nghệ An” được lựa chọn thực hiện. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của đề tài luận văn là chế tạo và xác định đặc trưng của vi sợi xenlulozơ từ nguồn phế thải cây lùng ở Nghệ An. 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Trong luận văn này chúng tôi có các nhiệm vụ: - Nghiên cứu và lựa chọn quy trình chế tạo tối ưu chế tạo vi sợi xenlulozơ. - Khảo sát thành phần hóa học của phoi cây lùng trong quá trình chế tạo. - Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vi sợi xenlulozơ. 4. Đối tượng nghiên cứu Vi sợi xenlulozơ và quy trình chế tạo vi sợi xenlulozơ từ phế thải cây lùng. 5. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu, lựa chọn quy trình phù hợp, chuẩn bị vật tư hóa chất, thiết bị thực hiện đề tài. - Sử dụng các phương pháp phân tích phổ XRD, IR, SEM, TGA, DSC để xác định đặc trưng của vi sợi xenlulozơ. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Khái niệm và phân loại sợi thực vật/sinh học 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 [1,18]. Tùy theo cấu trúc hình thái, sợi thực vật được chia thành ba nhóm: 1. Sợi vỏ lấy từ thân cây. 2. Sợi lá lấy từ lá cây. 3. Sợi dính vào hạt. Bảng 1.1: Các lại sợi thực vật, tên, nguồn gốc, sản lượng hàng năm. TT Loại sợi Tên thực vật học Nguồn gốc Sản lượng hàng năm, 10 3 tấn 1 Abaca a) Musa textilis Lá 91 2 Bã mía (bagasse) Saccharum officinarum L. Thân 102.000 3 Chuối (Banana) Musa ulugurensis Warb Lá 200 4 Tre (Bamboo) Gigantochloa scortechinii Dendrocalamus apus Thân 10.000 5 Dừa (Coir) Cocos nucifera L. Quả 650 6 Bông (Cotton) Gossypium spp. Hạt 19.010 7 Lanh (Flax) Linum usitatissimum Thân 830 8 Gai dầu (Hemp) Cannabis sativa L. Thân 214 9 Đay (Jute) Corchorus capsularis, Corchorus olitorius Thân 2.850 10 Bông gòn (Kapok) Ceiba pentandra Hạt 123 11 Kenaf b) Hibiscus cannabinus Thân 970 12 Phormium c) Phormium tenax Lá - 13 Dứa ăn (Pineapple) Ananas cosmosus Merr. Lá - 14 Gai (ramie) Boehmeria nivea Gaud Thân 100 15 Dứa dại (Sisal) Agave sisilana Lá 318.8