Thí nghiệm đổ khuôn film là thí nghiệm đầu tiên cần thực hiện với các mẫu vật liệu thu được để khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu trong thực tế. Các mẫu vật liệu polymer cấy ghép thu được đều ở dạng bột hoặc vẩy rắn. Vì vậy, để có thể tạo thành các hình dạng nhất định, các mẫu vật liệu cần được hoà tan trong một dung môi nào đó sau đó đổ khuôn trên tấm thuỷ tinh mỏng. Mẫu vật liệu được lựa chọn là mẫu có khả năng đổ khuôn thành các tấm film mỏng, không bị gãy vỡ. Thí nghiệm này gồm 2 bước như sau:
- Bước 1: Khảo sát khả năng hoà tan của mẫu vật liệu trong các dung môi khác nhau
Dựa trên kết quả thí nghiệm tách chiết keratin từ lông gà và thí nghiệm cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà, các mẫu vật liệu được lựa chọn để tiến hành thí nghiệm khảo sát sự hoà tan của vật liệu trong các dung môi khác nhau. Trong thí nghiệm này, các mẫu vật liệu được hoà tan trong các dung môi sau: nước, methanol, acetone, pyridine, N, N-dimethylformamide (DMF), Pyridine, N-methyl-2- prolidone (NMP), Dimethyl Sulfoxide (DMSO). 0.05 (g) mẫu vật liệu được cho vào các lọ thuỷ tinh 5ml, mỗi lọ có chứa 2ml dung môi hoà tan. Sau 48 giờ, các mẫu vật liệu chưa được hoà tan hoàn toàn được gia nhiệt ở nhiệt độ 1100C trong 4 giờ. Trong quá trình gia nhiệt, sử dụng máy khuấy từ để tăng khả năng hoà tan của mẫu vật liệu trong dung môi.
Bước 2: Đổ khuôn film
Dung dịch các mẫu vật liệu đã hoà tan hoàn toàn ở nhiệt độ thường được sử dụng để đổ khuôn film. Các mẫu dung dịch được dàn đều trên tấm kính mỏng, sau đó sấy khô ở 800C trong 24 giờ. Khả năng hình thành các tấm film mỏng cho thấy khả năng tạo thành các hình dạng khác nhau của các mẫu vật liệu khi đưa vào ứng dụng trong thực tế.
2.2.4. Các phƣơng pháp xác định tính chất nhiệt của vật liệu
Các phương pháp xác định tính chất nhiệt được sử dụng để khảo sát độ bền nhiệt của các mẫu vật liệu, xác định các nhiệt độ đặc trưng cho các quá trình thay
29
đổi trạng thái vật lý của mẫu. Ngoài ra, từ các kết quả phân tích nhiệt cũng có thể dự đoán được 1 phần cấu trúc của các mẫu vật liệu thu được. Trong luận văn này, tính chất nhiệt của các mẫu vật liệu thu được được xác định bởi phương pháp phân tích nhiệt trọng lực (TGA) kết hợp với phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) và phương pháp quét nhiệt vi sai (DSC). Các yếu tố khảo sát gồm có:
- Sự biến thiên trọng lượng của mẫu theo nhiệt độ. Từ đó các định được độ giảm khối lượng của mẫu khi nhiệt độ tăng, nhiệt độ phá huỷ mẫu, từ đó đánh giá độ bền nhiệt của vật liệu.
- Nhiệt chuyển pha thuỷ tinh (Tg:) là nhiệt độ mà tại đó vật liệu chuyển từ tính pha cao su sang pha thuỷ tinh. Đây là một đặc trưng rất quan trọng đối với các vật liệu polymer. Khi làm lạnh polyme xuống dưới Tg, vật liệu trở nên cứng và giòn như thuỷ tinh (thuỷ tinh hoá), không còn đặc tính mềm dẻo đặc trưng của cao su nữa. Chính vì đặc tính này, một số polymer có Tg tương đối cao, thường cao hơn nhiệt độ môi trường , khi sử dụng vật liệu tồn tại trong trạng thái thuỷ tinh, được gọi là nhựa cứng. Ngược lại, một số loại polymer được gọi là nhựa nhiệt dẻo do có Tg thấp, thường dưới 00C, khi dùng vật liệu thường tồn tại ở trạng thái cao su.
- Nhiệt độ tái kết tinh (Tc): Là nhiệt độ mà tại đó diễn ra quá trình tái sắp xếp các tinh thể trong cấu trúc của vật liệu.
- Nhiệt độ nóng chaỷ (Tm): Là nhiệt độ mà tại đó, vật liệu tồn tại ở trạng thái lỏng. Đây là một trong những đặc điểm quan trọng của vật liệu polymer, vì đặc điểm này quyết định khả năng tái chế và tái sử dụng của polymer.
Phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng kết hợp phƣơng pháp phân tích nhiệt vi sai (TGA và DTA)
Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)
- Cơ sở của phương pháp: Khi gia nhiệt đối với 1 mẫu vật liệu, khối lượng của nó sẽ bị giảm đi do bay hơi nước, hoặc do xảy ra các phản ứng hoá học có giải phóng khí. Một số vật liệu cũng có thể nhận được khối lượng do chúng phản ứng với môi trường kiểm tra. Dựa vào đặc điểm này, phương pháp TGA ghi lại sự thay đổi khối lượng của mẫu như một hàm của nhiệt độ trong suốt quá trình gia nhiệt.
30
- Ứng dụng của phương pháp: Xác định sự thay đổi của khối lượng mẫu vật liệu theo nhiệt độ. Từ đó dự đoán độ bền nhiệt vủa vật liệu và các quá trình phá huỷ cấu trúc vật liệu dẫn đến sự thay đổi về mặt khối lượng.
- Nguyên lý hoạt động của thiết bị TGA: Mẫu vật liệu được cân liên tục theo một chương trình nhiệt độ đã cài đặt. Trong quá trình tăng nhiệt độ, các quá trình hoá lý xảy ra trong mẫu đo dẫn tới sự thay đổi khối lượng của mẫu. Bộ phận cảm biến ghi lại sự thay đổi này sau đó chuyển tín hiệu về máy tính và kết quả thu được là giản đồ TGA biểu diễn sự thay đổi khối lượng mẫu vật liệu theo thời gian.
Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA)
- Cơ sở của phương pháp: Khi gia nhiệt với cả mẫu đo và một mẫu trơ về nhiệt độ, do xảy ra các quá trình chuyển pha trong mẫu đo tương ứng với sự thu nhiệt và toả nhiệt, nên hiệu nhiệt độ giữa mẫu đo và mẫu so sánh (∆T) sẽ thay đổi. Dựa vào đặc điểm này, phương pháp DTA sẽ ghi lại liên tục sự khác biệt nhiêt độ giữa mẫu đo và mẫu so sánh khi tác động chương trình nhiệt đồng thời lên cả 2 mẫu.
- Ứng dụng của phương pháp: Cho biết các giá trị nhiệt độ mà tại đó xảy ra các quá trình thu nhiệt và toả nhiệt khi gia nhiệt đối một mẫu vật liệu.
- Nguyên lý hoạt động của thiết bị DTA: Lò chứa mẫu có dạng đối xứng gồm 2 buồng và có chứa một cặp nhiệt. Mẫu đo được đặt trong 1 buồng, mẫu chuẩn được đặt trong buồng còn lại. Hiệu nhiệt độ giữa mẫu đo và mẫu chuẩn được đo liên tục, được khuếch đại và thể hiện dưới dạng đồ thị.
Trong nghiên cứu này, kết quả TGA và DTA được ghi đồng thời bởi thiết bị kết hợp TG-DTA. Chương trình nhiệt độ khảo sát từ 50-5000C, tốc độ gia nhiệt là 100C/phút.
31
Hình 2.3. Máy phân tích nhiệt TGA-DTA
Phƣơng pháp quét nhiệt vi sai (DSC)
- Cơ sở của phương pháp: Trong quá trình gia nhiệt đối với cả mẫu đo và một mẫu trơ nhiệt, để duy trì hiệu nhiệt độ giữa mẫu đo và mẫu chuẩn ∆T=0, mẫu đo cần phải nhận nhiệt lượng hoặc toả nhiệt lượng khi các quá trình chuyển pha vật lý xảy ra. Dựa vào cơ chế này, phương pháp DSC ghi lại lượng nhiệt mẫu đo nhận thêm hoặc toả ra trong suốt một quá trình gia nhiệt.
- Ứng dụng của phương pháp: Xác định nhiệt chuyển pha thuỷ tinh, nhiệt độ tái kết tinh và nhiệt độ nóng chảy của các mẫu vật liệu. So với phương pháp DTA, phương pháp DSC có độ nhạy cao hơn nhưng vùng nhiệt độ làm việc lại thấp hơn. Chính vì ưu thế về độ nhaỵ mà DSC có thể ghi nhận được hiện tượng chuyển thuỷ tinh thể, một hiệu ứng về bản chất không phải là hiệu ứng nhiệt , không kèm thu hay toả nhiệt mà chỉ là sự thay đổi về nhiệt dung [2].
- Nguyên lý hoạt động của thiết bị DSC: Mẫu đo và mẫu chuẩn được đưa vào bộ phận chứa mẫu. Thiết bị điều khiển nhiệt độ sẽ gia nhiệt theo một chương trình nhiệt độ nhất định. Hệ ghi kết quả đo sẽ ghi liên tục lượng nhiệt thêm vào hoặc mất đi trong mẫu đo để duy tri hiệu nhiệt độ giữa 2 mẫu này bằng 0. Kết quả thu được là giản đồ DSC biểu diễn các quá trình chuyển pha của vật liệu theo nhiệt độ.
Trong luận văn này, chương trình nhiệt độ được cài đặt từ -50-2500C, tốc độ gia nhiệt là 100C/phút.
32
2.2.5. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại
- Cơ sở của phương pháp: Khi một phân tử được chiếu xạ, nếu tần số của bức xạ phù hợp với tần số của các dao động trong phân tử, năng lượng bức xạ điện từ đó sẽ được hấp thụ. Mỗi loại dao động trong phân tử hấp thụ một tần số xác định. Khi có nhóm nguyên tử nào đó hấp thụ năng lượng và trạng thái dao động thì tạo nên một dải hấp thụ trên phổ hồng ngoại. Do đó phổ hồng ngoại giúp ta xác định được các loại dao động đặc trưng của các liên kết hay các nhóm chức.
- Ứng dụng của phương pháp: chứng minh cho sự có mặt của nhóm chức este trong polymer cấy ghép.
- Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo phổ hồng ngoại: Trong nghiên cứu này, các tấm film mỏng được tạo thành từ các mẫu vật liệu được sử dụng để đo phổ hồng ngoại. Khi chiếu bức xạ hồng ngoại qua tấm film mỏng, các nhóm chức đặc trưng thay đổi trạng thái dao động và tạo nên một dải hấp thụ trên phổ hồng ngoại.
2.3. Hoá chất, thiết bị và dụng cụ Hoá chất Hoá chất
- Dung dịch monomer: ethyl acrylate, methyl methacrylate. Wako - Chất khơi mào: 2,2 azobis isobutylnitrile (AIBN)
- Dung môi: 1-butanol, N, N-dimethylformamide (DMF), Pyridine, N-methyl-2-prolidone (NMP), Dimethyl Sulfoxide (DMSO). Wako
Thiết bị và dụng cụ
-Thiết bị phân tích nhiệt trọng lượng kết hợp với phân tích nhiệt vi sai TG- 60A và DTG-60. Shimazu. Japan)
- Thiết bị quét nhiệt vi sai DSC -60. Shimazu. Japan - Máy khuấy từ MGH-310,
- Lò sấy. Sibata. Japan
- Máy cô cất chân không. Shimazu. Japan - Bình cầu 200ml, Bình cầu 3 cổ, cốc thuỷ tinh
33
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả thí nghiệm tách chiết keratin từ lông gà
Trong thí nghiệm này, lông gà được hoà tan trong chất lỏng ion [BMIM]Cl và [BDIM]Cl, sau đó thêm butanol để thu hồi keratin dưới dạng rắn. Cơ chế hoà tan của keratin trong chất lỏng ion được cho là tương tự như cơ chế hoà tan của cellulose và chitosan trong loại dung môi này [29,38,39]. Theo như các tài liệu nghiên cứu trươcs đây, keratin có thể được hoà tan trong chất lỏng ion [BMIM]Cl và [BDIM]Cl là do sự hình thành các liên kết giữa gốc anion tự do của chất lỏng ion (Cl-) với H+ và liên kết giữa gốc cation tự do ([BMIM]+ và [BDIM]+) với nhóm OH- của phân tử keratin. Trong một nghiên cứu gần đây, Yimei Ji và cộng sự cũng cho rằng các chất lỏng ion còn có thể phá vỡ liên kết disulfide- một liên kết bền vững trong phân tử keratin dẫn đến khả năng hoà tan tốt keratin của chất lỏng ion [34].
Kết quả thí nghiệm tách chiết keratin được đánh giá theo 2 nhóm mẫu vật liệu như sau:
- Nhóm 1: Gồm các mẫu vật liệu thu được khi sử dụng chất lỏng ion [BMIM]Cl làm dung môi hoà tan. Nhóm vật liệu này gồm 3 mẫu vật liệu :B1, B1a, B1b tương ứng với 3 bước thu hồi khác nhau như đã được trình bày ở chương 2.
- Nhóm 2: Gồm các mẫu vật liệu thu được khi sử dụng chất lỏng ion [BDIM]Cl làm dung môi hoà tan. Nhóm vật liệu này gồm 3 mẫu vật liệu B2, B2 a, B2b.
Khối lượng của các mẫu vật liệu được thống kê và so sánh trong bảng 3.1 và hình 3.1 dưới đây.
34
Bảng 3.1. Khối lượng các mẫu vật liệu keratin tách chiết từ lông gà
Mẫu
Nhóm 1 Nhóm 2
B1 B1a B1b B2 B2a B2b
Khối lượng
(g) 0.417 0.012 0.0367 0.7902 0.0632 0.042
Hình 3.1. Kết quả tách chiết keratin từ lông gà
Kết quả thí nghiệm tách chiết keratin từ lông gà cho thấy, keratin có thể được hoà tan trong chất lỏng ion [BMIM]Cl và [BDIM]Cl và các mẫu keratin thu hồi được ở các giai đoạn khác nhau có sự khác biệt về khả năng hoà tan trong butanol và nước:
Mẫu B1, B2: thu hồi được sau khi thêm butanol vào dung dịch keratin hoà tan. 2 mẫu vật liệu này không tan trong butanol.
Mẫu B1a, B2a: thu hồi từ dung dich sau lọc 1 (sau khi thu hồi mẫu B1, B2). 2 mẫu vật liệu này tan trong butanol, không tan trong nước.
Mẫu B1b, B2b: thu hồi bằng phương pháp đông khô dung dịch sau lọc 2 (sau khi thu hồi mẫu B1a, B2a). 2 mẫu vật liệu này tan trong nước.
35
Từ kết quả được biểu diễn trên hình 3.1 cho thấy, khối lượng các mẫu vật liệu thu hồi ở giai đoạn 2 (B1a, B2a) và giai đoạn 3 (B1b, B2b) là không đáng kể so với khối lượng mẫu vật liệu thu hồi trong giai đoạn 1(B1, B2). Kết quả này phù hợp với kết quả nghiên cứu của Kannappan Saravanan và cộng sự (2012) về tỉ lệ nhóm chức kị nước và nhóm chức ưa nước trong phân tử keratin. Theo nhóm tác giả nay, do trong phân tử keratin có chứa khoảng 60% các nhóm chức kị nước và 40% các nhóm chức ưa nước nên keratin có thể tan một phần trong nước và trong butanol.
Trong luận văn này, do keratin thu hồi được ở giai đoạn 1 là chủ yếu nên mẫu vật liệu B1, B2 được lựa chọn để tính toán hiệu quả tách chiết và tiến hành các thí nghiệm khảo sát tính chất nhiệt.
Hiệu quả tách chiết keratin được tính toán bởi công thức sau:
Trong đó
m1: Khối lượng mẫu vật liệu B1 hoặc B2 m: Khối lượng lông gà
Theo công thức trên, hiệu quả tách chiết keratin từ lông gà sử dụng chất lỏng ion [BMIM]Cl và [BDIM]Cl làm dung môi hoà tan như sau:
- Trường hợp sử dụng dung môi [BMIM]Cl, hiệu quả tách chiết đạt 79,02% - Trường hợp sử dụng dung môi [BDIM]Cl, hiệu quả tách chiết đạt 47,17% So sánh với các kết quả nghiên cứu đã được công bố, sử dụng chất lỏng ion [BMIM]Cl và [BDIM]Cl làm dung môi hoà tan trong quy trình tách chiết keratin nhìn chung cho hiệu quả tách chiết cao hơn so với chất lỏng ion 1-hydroxyethyl-3- methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfony) amide ([HOEMIm][NTf2]) và tương đương với chất lỏng ion [AMIM]Cl. Theo nghiên cứu của Wang và cộng sự (2012), keratin có thể được hoà tan trong dung môi [HOEMIm][NTf2]. Tuy nhiên hiệu quả tách chiết chỉ đạt 21% với các điều kiện tối ưu như sau: tỉ lệ khối lượng giữa lông gà và chất lỏng ion là 1:40, thời gian hoà tan lông gà trong chất lỏng ion là 4 giờ, nhiệt độ tối ưu là 800C. Trong một nghiên cứu khác, Azila Idris và cộng sự (2013) đã tiến hành thí nghiệm khảo sát sự hoà tan của keratin lông gà trong 1 (g)
36
chất lỏng ion [AMIM]Cl ở 1300C trong 10 giờ. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi tỉ lệ khối lượng của lông gà và khối lượng chất lỏng ion là 1:2, hiệu quả tách chiết là cao nhất với 51% keratin được tách chiết so với khối lượng lông gà ban đầu [4].
Như vậy, từ kết quả thí nghiệm tách chiết keratin và so sánh với các kết quả đã được công bố, 2 chất lỏng ion [BMIM]Cl và [BDIM]Cl có thể sử dụng làm dung môi hoà trong quy trình tách chiết keratin từ lông gà với tỉ lệ khối lượng giữa lông gà và chất lỏng ion là 1:15, thời gian và nhiệt độ phản ứng là 24 giờ và 1200C. Trong đó, chất lỏng ion [BMIM]Cl cho hiệu quả tách chiết keratin cao hơn chất lỏng ion [BDIM]Cl. Từ kết quả tách chiết keratin trong lông gà, 2 dung môi [BMIM]Cl và [BDIM]Cl tiếp tục được sử dụng làm dung môi hoà tan keratin lông gà, đồng thời cũng là dung môi cho phản ứng cấy ghép monomer ethyl acrylate và methyl methacrylate lên sợi keratin lông gà.
3.2. Kết quả thí nghiệm cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà
Theo các nghiên cứu của Ana Laura Martinez-Hernandez cùng cộng sự (2003) và Enqui Jin cùng cộng sự (2011), phương pháp cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà được thực hiện dựa trên phản ứng trao đổi gốc tự do. Trước tiên, các liên kết trong phân tử keratin bị suy yếu bởi các tác nhân có thể hoà tan keratin như axit mạnh hoặc bazơ mạnh.... Tại các vị trí liên kết này, diễn ra phản ứng trao đổi gốc tự do giữa gốc tự do được hình thành từ chất khơi mào hoặc hệ oxy hoá khử và phân tử keratin để hình thành gốc keratin tự do. Monomer sẽ được cấy ghép vào các