1.3.1. Quá trình phát triển của tơ tằm
Cuộc sống của ấu trùng tằm được chia thành năm instars, cách nhau bởi bốn lần lột xác (Hình 1. 22). Bốn giai đoạn phát triển riêng biệt hoàn thành một thế hệ của loài:
1 Quả trứng 2. Ấu trùng 3. Nhộng 4. Sâu bướm
Sau khi nở ra từ trứng, ấu trùng trải qua bốn lần lột xác khi chúng lớn lên. Trong mỗi lần thay lông, lớp da cũ bị bong ra và lớp da mới lớn hơn được sản xuất.
Giai đoạn 1: Trứng (ủ 10 - 14 ngày)
18
Giai đoạn đầu tiên của vòng đời tơ tằm là trứng. Con sâu bướm cái đẻ một quả trứng có kích thước bằng một chấm mực trong mùa hè hoặc đầu mùa thu. Trứng vẫn còn trong giai đoạn ngủ đông cho đến khi mùa xuân đến. Hơi ấm của mùa xuân kích thích trứng nở. Trứng mới đẻ có màu vàng kem và sau vài ngày, trứng sống màu mỡ sẽ chuyển sang màu xám.
Giai đoạn 2: Ấu trùng (27 ngày)
Con tằm sau khi nở, dài khoảng 1/8 inch và cực kỳ nhiều lông. Tằm non chỉ có thể ăn lá dâu mềm. Tuy nhiên, trong giai đoạn tăng trưởng, chúng cũng có thể ăn lá dâu tằm cứng hơn. Giai đoạn ấu trùng kéo dài khoảng 27 ngày và con tằm trải qua năm giai đoạn tăng trưởng được gọi là instars trong thời gian này. Trong lần lột xác đầu tiên, con tằm rụng hết lông và có được làn da mịn màng.
Giai đoạn 3: Nhộng (14 ngày)
Nhộng hay kén là giai đoạn ấu trùng quay các sợi tơ xung quanh nó để bảo vệ bản thân khỏi những kẻ săn mồi. Ấu trùng nhốt mình bên trong cái kén để nhộng. Màu sắc của kén thay đổi, tùy thuộc vào những gì con tằm đã ăn. Nó có thể từ màu trắng đến màu vàng vàng. Sự lột xác thứ hai xảy ra bên trong cái kén, khi ấu trùng biến thành con nhộng màu nâu. Mất khoảng 2 - 3 tuần để con nhộng biến đổi thành một con sâu bướm trưởng thành. Con tằm sẽ quay một cái kén tơ để bảo vệ con nhộng. Kén là sắc thái của màu trắng, kem và vàng. Sự tỏa sáng lấp lánh của lụa mang lại ấn tượng về bạc và sắc vàng. Sau lần lột xác cuối cùng bên trong cái kén, ấu trùng biến thành con nhộng màu nâu.
Giai đoạn 4: Bướm đêm (5 - 7 ngày)
Một con sâu bướm tơ trưởng thành xuất hiện từ cái kén khoảng hai tuần sau khi hoàn thành. Đây là giai đoạn trưởng thành của tằm B. mori. Bướm đêm không thể bay hoặc tiêu thụ dinh dưỡng. Một khi bướm đêm trưởng thành ra khỏi cái kén của nó, mục đích duy nhất của nó là tìm một thành viên khác giới và giao phối. Con đực lớn hơn con cái và hoạt động nhiều hơn. Họ vỗ cánh nhanh chóng để thu hút con cái. Trong vòng 24 giờ sau khi giao phối, bướm đêm đực chết, trong khi con cái đẻ trứng dồi dào, sau đó nó cũng chết.
19
Thông thường trong tự nhiên, chỉ có một mùa trong năm mà tằm sinh sản. Tuy nhiên, ở các nước như Ấn Độ và Trung Quốc tằm sinh sản liên tục, đó cũng là trường hợp khi tằm được nhân giống cho mục đích thương mại. Nó không thể tự ăn hoặc uống và mọi thứ từ thức ăn đến môi trường sống của nó phải được tổ chức một cách nhân tạo. Mặc dù tằm ăn lá dâu, nhưng không phải lúc nào cũng có thể tìm thấy chúng, đặc biệt là trong mùa thu và mùa đông. Do đó, các nhà lai tạo tằm thương mại cho ấu trùng ăn một chất gọi là chồn tằm, đây là một thay thế tốt cho lá dâu tằm [25].
1.3.2. Cấu trúc của tơ tằm
Tơ tằm hay còn gọi là lụa, một loại xơ do một loài tằm nhả ra trong quá trình làm tổ, có nhiều giống tằm và chất lượng tơ khác nhau tùy thuộc vào giống tằm. Tơ tằm thuộc dạng xơ dài liên tục, có tiết diện ngang thay đổi trong khoảng 24 ÷ 30 μm. Khác với các loại xơ thiên nhiên khác như bông, lanh, len... tơ tằm không có cấu tạo tế bào (giống như các loại xơ nhân tạo và tổng hợp).
Cấu trúc của tơ tằm được thể hiện trong Hình 1.23 Tơ của B. mori bao gồm các Fibroin (lõi) và Sericin (vỏ), cũng như các chất hữu cơ hòa tan như chất béo, sáp, sắc tố
20
cát và khoáng chất. Hàm lượng của tất cả các chất này không phải là hằng số và thay đổi trong giới hạn rộng, tùy thuộc vào loài tằm và vào vị trí và điều kiện nuôi. Sợi tơ chứa các chất sau (tính theo tổng trọng lượng):
72 – 81 % Fibroin
19 – 28 % Sericin
0.8 – 1.0 % Chất béo và sáp
1.0 – 1.4 % Chất màu và tạp.
Tơ tằm được cho là có cấu trúc bán tinh thể (semi-crystalline). Tơ dâu tằm 62-65% độ tinh thể, tơ tằm khác 50–63% độ tinh thể. Thành phần cơ bản lặp lại của tấm tinh thể beta chính là các mono alanine hoặc glycine-alanine. Tơ tằm có độ định hướng của các mắt xích peptide tương đối cao dọc trục xơ.
Cấu tạo xơ gồm hai pha tinh thể (crystalline) và vô định hình (amorphous). Vùng tinh thể gồm các chuỗi polypeptide (glycine, alanine và serine). Với các nhánh đơn giản nên các chuỗi được liên kết chặt chẽ với nhau. Phần còn lại (tyrosine, praline, diamine và acid dicarboxylic) khá cồng kềnh, không thể liên kết chặt, định hướng kém, vùng vô định hình, dễ phản ứng với các chất hóa học.
1.4. Phương pháp nhuộm cho vải tơ tằm 1.4.1. Giới thiệu phương pháp nhuộm 1.4.1. Giới thiệu phương pháp nhuộm
Nhuộm là quá trình gia công nhằm đưa chất màu lên vải, sợi làm cho nó phân bố đều và gắn chặt vào xơ hay nói cách khác là làm cho vải có màu và màu đó phải bền trên vải.
Quá trình nhuộm chia làm 4 giai đoạn:
21
Giai đoạn 1: Các hạt thuốc nhuộm khuếch tán từ dung dịch đến mặt ngoài của xơ. Giai đoạn 2: Các hạt thuốc nhuộm hấp phụ lên mặt ngoài xơ.
Giai đoạn 3: Các hạt thuốc nhuộm khuếch tán từ mặt ngoài vào lõi xơ. Giai đoạn 4: Thuốc nhuộm thực hiện liên kết với xơ.
Tùy theo dạng vật liệu và điều kiện cụ thể mà người ta dùng các phương pháp nhuộm khác nhau nhưng nhìn chung có 3 phương pháp nhuộm là: nhuộm liên tục, bán liên tục và nhuộm gián đoạn. Trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp nhuộm tận trích cho vải tơ tằm, phương pháp này đơn giản và dễ thực hiện tại phòng thí nghiệm.
1.4.2. Phương pháp nhuộm tận trích
Nhuộm tận trích là quá trình công nghệ nhuộm đưa thuốc nhuộm vào sâu bên trong lõi xơ sợi chủ yếu bằng quá trình dịch chuyển cân bằng nồng độ từ dung dịch nhuộm vào xơ sợi thông qua các quá trình nhiệt động học, vải được cấp vào máy một cách gián đoạn .
Nhuộm tận trích là phương pháp nhuộm mà vật liệu trong dung dịch suốt quá trình nhuộm. Nhờ vậy chất màu có trong dung dịch nhuộm được đưa lên vật liệu đồng thời thực hiện các liên kết với vật liệu để gắn màu cho vật liệu. Phương pháp này ứng dụng cho tất cả các loại vật liệu và tất cả các loại thuốc nhuộm do đơn giản dễ thực hiện và yêu cầu kỹ thuật không cao. Nó được áp dụng cho cả quy mô công nghiệp và quy mô thủ công.
1.5. Phương pháp và chất cầm màu
1.5.1. Giới thiệu về các phương pháp cầm màu
Dựa vào thời điểm thực hiện cầm màu, có 3 phương pháp cầm màu thường được áp dụng như sau:
a. Cầm màu trước nhuộm
Trong phương pháp cầm màu trước nhuộm, chất cầm màu được đưa vào vật liệu trước khi được nhuộm. Đối với xơ có nguồn gốc protid, một số thuốc nhuộm tự nhiên cũng cần thực hiện quá trình này để tạo ra được ánh màu tốt hơn. Ưu điểm của phương pháp này là dung dịch cũ có thể được tái sử dụng cho việc cầm màu, bể nhuộm có thể
22
được sử dụng lại vài lần sau đó và làm cho quá trình này kinh tế hơn khi giảm được lượng chất thải ô nhiễm môi trường.
b. Cầm màu đồng thời
Trong phương pháp cầm màu đồng thời, quá trình nhuộm và cầm màu cùng được thực hiện trong bể nhuộm. Chất cầm màu được thêm vào bể nhuộm và bắt đầu quá trình nhuộm. Do đó quá trình nhuộm và cầm màu diễn ra đồng thời trong bể nhuộm. Với phương pháp này, thời gian nhuộm giảm do giảm số bước thực hiện. Do chất cầm màu không thể tái sử dụng nên phương pháp này chỉ thích hợp để nhuộm mẻ nhỏ.
c. Cầm màu sau nhuộm
Trong phương pháp cầm màu sau nhuộm, vật liệu sau khi nhuộm được cầm màu trong bể riêng biệt. Màu sắc cuối cùng đạt được chủ yếu phụ thuộc vào giai đoạn này.
Trong luận văn này tôi khảo sát phương pháp cầm màu đồng thời đối với dịch chiết từ hạt điều nhuộm với vải tơ tằm.
Tuy nhiên cầm màu trước và cầm màu đồng thời thì khả năng lên màu đậm rất là khó và rất tốn dung dịch nhuộm, do đó tôi chọn phương pháp cầm màu đồng thời nhưng khi đó vải được ngâm trong dung dịch muối và dung dịch thuốc nhuộm cùng 1 lúc nên có thể xảy ra trường hợp sau:
- Ion kim loại có trong dung dịch muối sẽ bám vào bề mặt vải và liên kết với vải, sau đó các ion thuốc nhuộm mới vào liên kết với các ion kim loại này, chúng tạo phức trên vải làm cho liên kết thuốc nhuộm với xơ bền vững hơn.
- Trường hợp thứ ba là khi các phân tử thuốc nhuộm tạo phức với gốc kim loại mà chưa liên kết với vải thì thuốc nhuộm sẽ bị kết tủa, kết tụ lại thành hạt lớn không có khả năng liên kết với vật liệu nữa.
1.5.2. Lựa chọn chất cầm màu
Với mục đích làm tăng độ bền màu của mẫu sau nhuộm tôi tiến hành quá trình cầm màu theo cơ chế tạo phức kim loại cho chất màu bằng cách xử lý vật liệu trong dung dịch có chứa muối kim loại. Từ những loại chất cầm màu được giới thiệu ở trên, xét đến
23
độ bền màu, ánh màu của sản phẩm nhuộm với chất cầm màu phổ biến, ít tác hại tôi chọn kali nhôm sunfat, đồng sunfat, sắt sunfat và tanin acid.
Nhôm: Kali nhôm sunfat (phèn chua) KAl(SO4)2.12H2O, là đại diện thông dụng nhất của chất cầm màu nhôm cho quá trình nhuộm tự nhiên. Lượng chất cầm màu yêu cầu phụ thuộc vào ánh màu cần nhuộm, nếu ánh màu đậm cần nhiều chất cầm màu. Hiện nay có rất nhiều bài báo nghiên cứu đã chứng minh vải được cầm màu với muối nhôm vừa không gây độc mà lại bền màu cao và khả năng gây hại cho con người thấp.
Đồng: Đồng sunfat CuSO4.5H2O đã được sử dụng từ rất lâu. Bằng kết quả thực nghiệm với nhiều nồng độ khác nhau, cho ra những gam màu khác với gam màu ban đầu, quá trình tạo muối phức.
Sắt: Sắt sunfat FeSO4.7H2O được sử dụng trong ngành dệt may như một chất cố định thuốc nhuộm. Nó được sử dụng trong lịch sử để làm đen da và như là một thành phần của mực.
Tanin Acid: Ở trạng thái rắn, tanin là chất kết tinh hoặc vô định hình có vị chát đắng ở mức độ khác nhau, tanin của một số cây dùng để làm thuốc, trong công nghiệp tanin đựoc dùng trong kỹ nghệ thuộc da. Khi tác dụng với các dung dịch gelatin, protein, alcaloit và một số hợp chất hữu cơ khác có tính kiềm, tanin sẽ tạo thành những chất kết tủa tương ứng, cụ thể được sử dụng để nhuộm cho tơ tằm.
1.6. Phương pháp chiết tách 1.6.1. Khái niệm chiết tách: 1.6.1. Khái niệm chiết tách:
Chiết tách là phương pháp dùng một dung môi (đơn hay hỗn hợp) để tách lấy một chất hay một nhóm các chất từ hỗn hợp cần nghiên cứu. Do các nguyên liệu tự nhiên không chứa duy nhất một chất hóa chất mang màu nên việc chiết tách rất phức tạp.
1.6.2. Cơ chế quá trình chiết tách
Quá trình chiết tách bằng dung môi được biết đến như là một quá trình bao gồm 4 cơ chế vật lý của các quá trình sau đây:
- Sự tương tác của dung môi trong quá trình trao đổi chất trên bề mặt vật liệu chiết tách.
24
- Quá trình truyền dung môi bên trong sản phẩm được thực hiện ở thể lỏng bởi những quá trình khác nhau như: sự mao dẫn, khuếch tán phân tử và gradient của nồng độ dung môi là động lực cho quá trình này.
- Quá trình truyền chất tan vào dung môi xảy ra ở bên trong sản phẩm, nó được thực hiện bằng quá trình khuếch tán bên trong vật liệu, gradient của nồng độ chất tan là động lực của quá trình này.
- Quá trình vận chuyển chất tan từ bề mặt vật liệu ra ngoài môi trường dung môi, quá trình này được thực hiện bằng quá trình khuếch tán đối lưu.
1.6.3. Nguyên tắc chiết tách
Phương pháp chiết tách là bao gồm việc chọn dung môi, dụng cụ chiết và cách chiết. Mỗi phương pháp chiết tách thích hợp chỉ có thể được hoạch định một khi đã biết rõ thành phần của các chất cần trích li trong cây ra. Mỗi loại hợp chất có độ hòa tan khác nhau trong từng loại dung môi. Vì vậy, không có một phương pháp chiết tách chung áp dụng cho tất cả các hợp chất thiên nhiên. Phương pháp chiết tách cổ điển là dùng một dãy dung môi từ không phân cực đến phân cực mạnh để trích ly, phân đoạn các hợp chất ra khỏi hợp chất thiên nhiên. Dựa vào tính phân cực của dung môi và của các nhóm hợp chất ta có thể dự đoán sự có mặt của các chất trong mỗi phân đoạn trích ly.
1.6.4. Các phương pháp chiết tách
Việc chiết tách là một bước quan trọng để tạo ra dịch chiết tinh khiết, chuẩn bị cho các công đoạn nhuộm sau đó. Do các nguyên liệu chứa chất màu tự nhiên không chỉ có một chất hóa học duy nhất trong thành phần mà còn chứa rất nhiều chất không thể nhuộm được, vì thế chiết tách chất màu tự nhiên là một quá trình phức tạp. Sau đây là một số phương pháp thường được áp dụng để chiết tách chất màu tự nhiên.
a. Chiết tách trong nước:
Chiết tách trong nước là phương pháp truyền thống dùng để tách chất màu ra khỏi nguyên liệu mang màu. Trong phương pháp này, nguyên liệu mang màu trước tiên sẽ bị nghiền thành các mảnh nhỏ hoặc thành bột và sàng lọc lại để tăng hiệu quả chiết tách. Sau đó, chúng được ngâm trong nước và đựng trong các bình bằng đất, gỗ hoặc kim loại (tốt hơn là đồng hoặc thép không gỉ) trong một thời gian, thường là để qua đêm để làm cho các liên kết giữa các phân tử trở nên lỏng lẻo. Sau đó đun sôi, lọc và thu được dịch
25
nhuộm. Quá trình đun sôi và lọc được lặp đi lặp lại nhiều lần để có thể thu được càng nhiều chất màu càng tốt. Khi quá trình chiết tách được thực hiện với số lượng lớn để sản xuất ra bột màu sạch, người ta dùng các bình bằng thép không gỉ và thời gian ngâm có thể giảm bằng cách đun nóng dung dịch. Việc lọc nhỏ giọt có thể đảm bảo loại bỏ các cặn mịn và cũng đảm bảo tính tan của thuốc nhuộm tự nhiên. Do hầu hết các công đoạn nhuộm đều được thực hiện trong môi trường nước, dịch chiết bằng phương pháp này có thể dễ dàng được gắn lên vật liệu dệt.
Nhược điểm của phương pháp này là thời gian chiết dài, cần lượng nước lớn, sử dung nhiệt độ cao, hiệu suất chiết tách thấp do chỉ những thành phần có thể tan trong nước mới được chiết trong khi đa số vật liệu đều ít tan trong nước.
b. Chiết tách trong acid hoặc kiềm:
Do một số chất màu là một dạng của glycoside, chúng có thể được chiết tách trong môi trường kiềm hoặc acid loãng. Sự có mặt của kiềm và acid tạo điều kiện để thủy phân glycoside, giúp cho việc chiết tách tốt hơn và hiệu suất chiết cao hơn. Nước chứa acid thường được dùng trong việc tách chiết chất màu gốc flavonoid nhằm ngăn quá trình (O) - khử. Chiết tách trong môi trường kiềm rất thích hợp cho các chất màu thuộc nhóm phenolic vì chúng có thể tan trong kiềm, điều đó có thể cải thiện hiệu suất chiết. Chất