Khảo sát sự tạo màng composite sinh học tinh bột chuối sợi chuối

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI QUỲNH NHƯ KHẢO SÁT SỰ TẠO MÀNG COMPOSITE TINH BỘT CHUỐI - SỢI CHUỐI Chuyên ngành : Công nghệ vật liệu cao phân tử tổ hợp Mã số: 10030678 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2013   CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thị Lê Thanh Cán chấm xét 1: TS La Thị Thái Hà Cán chấm xét 2: TS Nguyễn Cửu Khoa Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 09 tháng 08 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS.TS Nguyễn Đắc Thành TS La Thị Thái Hà TS Nguyễn Cửu Khoa TS Nguyễn Thị Lê Thanh TS Nguyễn Thị Lệ Thu Xác nhận chủ tịch hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… PGS.TS Nguyễn Đắc Thành TS Huỳnh Đại Phú i TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc TP HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2013 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: BÙI QUỲNH NHƯ Phái: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 02/09/1986 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu cao phân tử tổ hợp MSHV: 10030678 I TÊN ĐỀ TÀI: “KHẢO SÁT SỰ TẠO MÀNG COMPOSITE SINH HỌC TINH BỘT CHUỐI - SỢI CHUỐI” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu tổng quan đề tài biocomposite, tình hình nghiên cứu nước màng sinh học tinh bột chuối sợi chuối Nghiên cứu qui trình tách sợi cellulose (kích thước µm) từ sợi chuối Nghiên cứu qui trình tạo màng từ tinh bột chuối, tinh bột chuối- sợi chuối, đánh giá tính chất màng tạo thành Đưa kết luận đề tài nghiên cứu III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực LV ghi QĐ giao đề tài): 21/06/2012 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THỊ LÊ THANH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TRƯỞNG KHOA (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) TS Nguyễn Thị Lê Thanh CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS Huỳnh Đại Phú ii TS La Thị Thái Hà LỜI CẢM ƠN Trong suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận văn, nhận nhiều quan tâm giúp đỡ thầy cơ, gia đình, bạn bè Tơi chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến: ™ TS Nguyễn Thị Lê Thanh người định hướng đề tài, hướng dẫn tận tình giúp đỡ để tơi hồn thành tốt luận văn ™ Các Thầy Cơ Khoa cơng nghệ vật liệu người tận tình giảng dạy, truyền đạt cho kiến thức quý báu giúp đỡ tơi q trình học tập thực luận văn ™ Các bạn lớp cao học Cơng nghệ vật liệu khố 2010 người nhiệt tình giúp đỡ để tơi hồn thành tốt luận văn ™ Gia đình người ln động viên, ln tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Bùi Quỳnh Như iii   TÓM TẮT LUẬN VĂN Sự kết hợp polymer tinh bột chuối với sợi chuối tạo loại composite hoàn toàn thân thiện với mơi trường thay số bao bì nhựa khơng phân huỷ sinh học thải hàng năm làm ảnh hưởng đến môi trường Nghiên cứu thực dựa vào tình hình nghiên cứu giới, tính phổ biến chuối tương hợp tinh bột chuối (polysaccarit) sợi chuối (polysaccarit) Hơn nữa, sợi chuối có độ bền tương đối cao nên kết hợp với tinh bột chuối tạo composite có tính chất lý tương đối thấp so với composite từ nhựa tổng hợp - sợi tự nhiên, thích hợp cho ứng dụng khơng địi hỏi tính chất lý cao bao bì, màng thực phẩm,…Ngồi ra, composite từ nguyên liệu thiên nhiên có giá thành rẻ Luận văn khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến kích thước thành phần sợi cellulose qua phương pháp xử lý tách sợi cellulose từ sợi chuối nồng độ kiềm, kích thước sợi chuối ban đầu, yếu tố ảnh hường đến tính chất lý màng nồng độ tinh bột, nồng độ glycerol, nồng độ sợi, kích thước sợi Các tính chất màng cần thiết để đáp ứng cho ứng dụng làm bao bì thực phẩm đo modul đứt, độ dãn đứt, tỉ trọng, độ hút ẩm, độ hòa tan nước phân bố sợi màng kích thước, bề mặt sợi xem xét qua ảnh chụp SEM Kết nghiên cứu sử dụng sợi ban đầu có kích thước nhỏ vài chục μm hiệu tách sợi kiềm cao sợi có kích thước vài mm tăng khả xâm nhập kiềm vào sợi Nồng độ tinh bột chuối 4% nồng độ glycerol 20% so với khối lượng tinh bột thích hợp tạo màng tính chất lý cao có tính kinh tế Sợi có kích thước nhỏ tăng cường độ bền kéo cho màng diện tích liên kết hạt sợi lớn, sợi phân bố Hơn nữa, thành phần sợi tăng độ bền kéo màng tăng, độ bền kéo đạt giá trị cao 15% sau giảm dần Tỉ trọng màng tăng tăng thành phần sợi Tính hút ẩm màng giảm thêm sợi vào cao nhiều so với LDPE thương maị Độ hoà tan màng cao tuơng tự kết số nghiên cứu trước Độ bền kéo màng đạt 20 MPa thích hợp cho ứng dụng màng thực phẩm iv   SUMMARY The combination of banana starch and banana fiber leading to make a fully friendly environment composite which can be replaced some un-biodegrable material thrown to environment every year This study was carried out based on the world way, the popularity of banana tree, the compatibility between banana starch (polysaccharide) and banana fiber (polysaccharide) In addition, banana fiber has rather high tensile strength so it can combine with banana starch to make a composite having rather good property However, it is lower compared to composite of synthesis polymer and natural fiber Therefore, this bio-composite is suitable for indoor application such as packaging film, food packing film, car panel,…Moreover, this composite coming from natural materials is cheap This study researched some factors affecting the fiber dimension and concentration via a fiber extract process such as soda concentration, dimension of initial fiber and something affecting the properties of film such as starch concentration, glycerol concentration, fiber concentration, fiber dimension Some essential properties of packaging film are also measured such as tensile strength, elongation at break, density, water permeability, solubility in water and fiber dispersion in film as well as fiber dimension, fiber surface observed by SEM Some results got such as effectiveness of fiber extraction highly increases when initial fiber dimension is about some micrometer compared to millimeter fiber dimension due to increasing soda contacting to fiber 4% banana starch concentration and 20% glycerol versus starch weight are suitable to make good property and cheap film Smaller fiber adds higher tensile strength is due to increased fiber – starch interaction surface, good fiber dispersion Moreover, the fiber percentage increases the tensile strength increases with highest tensile strength at 15% and decreases at fiber percentage higher than 15% Film density increases with fiber addition Water permeability decreases with fiber addition but still higher than market LDPE Solubility of film is similar to other films made from previous study Tensile strength is about 20 MPa suitable for food packing film   iv     LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Bùi Quỳnh Như                     v       MỤC LỤC CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH i NHIỆM VỤ LUẬN VĂN ii LỜI CÁM ƠN iii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv LỜI CAM ĐOAN v MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.Đặt vấn đề 1.2.Tình hình chế tạo màng có khả phân huỷ sinh học nước 1.3.Vật liệu composite 1.3.1.Khái niệm 1.3.2.Phân loại 1.3.3.Cấu tạo 1.3.4 Lý thuyết kết dính sợi 1.4.Vật liệu composite sinh học 1.4.1.Khái niệm 1.4.2.Phân loại 1.4.2.1.Composit xanh 1.4.2.2.Composite sinh học lai   1.4.3 Ứng dụng 1.5.Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất vật liệu composite xanh: 10 CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU 12 2.1.Tinh bột chuối [23] 12 2.1.1 Giới thiệu tinh bột 12 2.1.2.Thành phần hoá học tinh bột chuối 15 2.1.2.1.Thành phần cấu trúc amylose 18 2.1.2.2 Thành phần cấu trúc amylopectin 19 2.1.3 Các phản ứng tiêu biểu tinh bột chuối 20 2.1.3.1 Phản ứng thủy phân 20 2.1.3.2 Phản ứng tạo phức 21 2.1.3.3 Tính hấp thụ 21 2.1.4 Những tính chất vật lí huyền phù tinh bột chuối nước 21 2.1.4.1 Độ tan 21 2.1.4.2 Sự trương nở 22 2.1.4.3 Tính chất hồ hóa 22 2.1.4.4 Độ nhớt hồ tinh bột chuối 23 2.1.4.5 Khả tạo gel thối hóa gel 23 2.1.5 Hoá dẻo tinh bột chuối 24 2.1.5.1.Cơ chế hoá dẻo 24 2.1.5.2.Tác nhân hoá dẻo 24 2.1.6 Phương pháp tạo màng tinh bột chuối 25 2.2.Sợi chuối: 25 2.2.1.Giới thiệu sợi tự nhiên 25   2.2.2.Thành phần cấu tạo sợi chuối 26 2.2.2.1.Cellulose 28 2.2.2.2.Hemicellulose: 30 2.2.2.3.Lignin 31 2.2.2.4 Những thành phần lại 32 2.2.3 Tính chất sợi chuối: 33 2.2.4 Ứng dụng sợi chuối: 34 2.2.5.Các phương pháp xử lý tách sợi cellulose kích thước nano 34 2.2.5.1.Phương pháp học 35 2.2.5.2.Phương pháp hoá học 35 2.2.5.3.Sự nổ nước tạo sợi kích thước nano 38 2.2.5.4.Phương pháp sóng siêu âm cường độ cao tạo sợi kích thước nano 39 CHƯƠNG 3: HOẠCH ĐỊNH THÍ NGHIỆM 40 3.1 Nội dung nghiên cứu 40 3.2.Nguyên liệu, hoá chất dụng cụ 41 3.2.1.Nguyên liệu 41 3.2.2.Hoá chất 42 3.2.3.Dụng cụ, thiết bị 42 3.3.Qui trình thực nghiệm 44 3.3.1.Qui trình tạo nguyên liệu bột chuối 44 3.3.2.Qui trình tách cellulose từ sợi chuối 46 3.3.2.1.Qui trình 46 3.3.2.2.Qui trình 49 3.3.3.Qui trình tạo màng 51                                   PHỤ LỤC 1.Bảng kết độ bền kéo màng thay đổi nồng độ tinh bột chuối STT 10 Tinh bột (g) Độ dày (mm) 0.080 0.090 0.080 0.140 0.130 0.165 0.170 0.160 0.230 0.220 Lực kéo max (N) Độ dãn dài (%) Độ bền kéo (MPa) 9.3 11.2 11.8 21.7 19.1 24.8 24.6 23.9 34.7 31.8 8.54 7.90 6.47 17.40 12.24 18.40 11.37 7.24 12.28 8.51 4.65 4.98 5.90 6.2 5.88 6.01 5.79 5.98 6.03 5.78 Độ bền kéo trung bình (MPa) 5.17 6.03 5.88 5.91 Bảng kết độ bền kéo màng thay đổi theo thời gian nấu STT 10 11 Thời gian nấu (phút) 10 15 20 Độ dày (mm) Lực kéo max (N) Độ dãn dài (%) Độ bền kéo (MPa) 0.170 0.130 0.140 0.130 0.165 0.150 0.120 0.160 0.140 0.130 0.130 12.3 18.2 21.7 19.1 24.8 22.8 17.0 25.5 18.0 17.5 18.2 12.3 14.6 17.4 12.2 18.4 11.2 11.6 11.7 18.3 18.4 20.4 6.26 5.60 6.20 5.88 6.01 6.08 5.67 6.38 5.14 5.39 5.60 Bảng kết tính chất lý màng thay đổi nồng độ glycerol   Độ bền kéo trung bình (MPa) 5.90 6.03 6.04 5.34   Độ Lực dày kéo đứt (mm) (N) 0.140 25.9 0.160 30.4 0.140 25.7 0.140 21.7 0.130 19.1 0.165 24.8 0.160 17.0 0.130 15.5 0.150 18.1 Glycerol (%) STT 10 20 30 Độ dãn dài (%) 8.44 6.80 4.20 17.40 12.24 18.40 17.64 17.67 16.99 Độ bền kéo (MPa) 7.40 7.60 7.34 6.20 5.88 6.01 4.25 4.77 4.83 Độ bền kéo trung bình (MPa) Độ dãn dài trung bình (%) 7.44 6.48 6.03 16.01 4.62 17.43 Bảng kết tính chất lý màng thay đổi kích thước sợi Kích thước sợi (μm) 90-106 Độ dày (mm) 0.160 0.190 0.160 0.170 0.140 0.140 0.180 0.150 0.150 0.147 0.143 0.118 56-90 45-56 20-45 Lực kéo max (N) 27.6 34.9 35.3 40.7 36.1 27.2 36.8 42.3 33.4 53.1 44.9 34.5 Độ dãn dài (%) 6.40 7.30 3.10 1.70 2.60 5.40 2.86 2.45 1.38 4.42 5.81 2.64 Độ bền kéo (MPa) 6.90 7.30 8.80 9.58 10.30 7.77 9.89 11.30 8.90 14.45 12.55 11.70 Avg Độ bền kéo (MPa) 7.70 9.21 10.00 12.90 Bảng kết tính chất lý màng thay đổi hàm lượng sợi Thành phần sợi (%)   Mẫu Chiều rộng (mm) 25 25 Chiều daỳ (mm) 0.117 0.107 Độ Độ dãn bền kéo dài (%) (MPa) 29.06 9.93 5.50 25.83 9.66 4.98 Lực kéo tối đa (N) Avg Độ bền kéo (MPa) Avg Độ dãn dài (%) 10.65 4.84   10 15 20 3 3 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 0.128 0.109 0.109 0.104 0.106 0.119 0.121 0.136 0.149 0.13 39.56 26.42 35.97 39.32 35.14 41.90 42.83 43.10 52.86 47.14 12.36 9.69 13.20 15.12 13.26 14.08 14.16 12.67 14.19 14.50 4.03 4.76 6.95 5.09 3.97 4.37 2.80 1.90 1.69 1.95 12.67 5.60 13.83 3.71 13.79 1.85 Bảng kết độ bền kéo màng thay đổi kích thước sợi ban đầu Loại sợi Chưa xử lý sau nổ Xử lý 8% NaOH qui trình Xử lý 8% NaOH qui trình Mẫu 3 Chiều Độ bền Bề daỳ Lực kéo Độ dãn rộng kéo (mm) tối đa (N) dài (%) (mm) (MPa) 25 0.147 53.12 14.45 4.42 25 0.143 44.87 12.55 4.18 25 0.118 34.51 11.70 2.64 25 0.119 28.31 9.51 4.20 25 0.095 27.56 11.60 2.66 25 0.099 22.27 8.99 1.38 25 0.116 53.67 18.51 2.59 25 0.106 57.11 21.55 1.19 25 0.109 59.28 21.75 1.15 Bảng kết tỉ trọng màng khơng sợi có sợi Thành phần sợi (%)   Bề dày (mm) 0.100 0.103 0.103 0.101 0.101 0.104 0.107 Avg bề Khối lượng dày (mm) (g) Tỉ trọng (g/cm3) 0.102 0.0466 1.14 0.102 0.0484 1.19 0.108 0.0508 1.18 Avg Độ bền kéo (MPa) Avg Độ dãn dài (%) 12.90 3.75 10.04 2.75 20.60 1.64   0.108 0.11 0.102 0.104 0.106 0.111 0.112 0.111 0.119 0.116 0.127 0.138 0.139 0.15 0.11 0.112 0.115 0.12 0.122 0.126 10 15 0.097 0.0462 1.19 0.111 0.0521 1.17 0.121 0.0562 1.16 0.142 0.0723 1.27 0.112 0.0544 1.21 0.122 0.0571 1.17 Bảng kết tốc độ truyền ẩm màng khơng sợi màng có sợi Màng Có sợi Khơng sợi \   Mẫu Khối lượng nước (g) Diện tích màng (m2) Độ hút ẩm (g/m2/24h) Độ hút ẩm (g/100 in2/24h) 1.0830 1.0415 1.0747 1.0185 1.0270 1.0090 0.0079 0.0079 0.0079 0.0050 0.0050 0.0050 138.0 132.7 136.9 202.7 204.4 200.8 8.9 8.6 8.8 13.1 13.2 13.0   Bảng kết độ hịa tan màng có sợi Mẫu màng   Khối lượng màng Khối lượng sau Độ hòa tan (%) ban đầu (g) đun (g) 0.0243 0.0139 42.8 0.0261 0.0153 41.2 0.0299 0.0165 44.8   LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Bùi Quỳnh Như Ngày tháng năm sinh: 02/09/1986 Nơi sinh: Tiền Giang Địa liên lạc: 769/21/16 Phạm Thế Hiển- Phường 4-Quận 8-TP HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Năm 2004-2008: Học đại học Bộ môn Khoa học vật liệu - chuyên ngành Vật liệu polymer – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP Hồ Chí Minh Năm 2010 đến nay: Học cao học chuyên ngành Vật liệu cao phân tử tổ hợp - Khoa Công Nghệ Vật Liệu - Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC Từ năm 2008 đến 2010: Làm việc Công ty TNHH Hyosung Việt Nam – Khu Công Nghiệp Nhơn Trạch - Tỉnh Đồng Nai Từ năm 2011 đến nay: Làm việc Công ty TNHH Unilever Việt Nam – Khu Công Nghiệp Tây Bắc - Huyện Củ Chi – TP HCM       ... TÀI: “KHẢO SÁT SỰ TẠO MÀNG COMPOSITE SINH HỌC TINH BỘT CHUỐI - SỢI CHUỐI” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu tổng quan đề tài biocomposite, tình hình nghiên cứu ngồi nước màng sinh học tinh bột chuối. .. Page 3  Đề tài: Khảo sát tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối? ?   -Tác giả Amanda từ Brazil (năm 2011) nghiên cứu chế tạo màng composite sinh học từ bột gạo 5% (w/w) sợi cellulose... Đề tài: Khảo sát tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối? ?   tan nước nóng Tinh bột chuối bị kết tủa cồn, cồn tác nhân tốt để tăng hiệu thu hồi tinh bột chuối 2.1.4.2 Sự trương