Khả năng tái sinh của fibroin tơ tằm

9. Kết cấu của luận án

3.2.2.Khả năng tái sinh của fibroin tơ tằm

Để tái sinh fibroin từ dung dịch, đầu tiên cần loại muối LiBr dư và tiếp theo dùng các dung môi kém (poor solvent) để keo tụ fibroin. Phương pháp thường dùng để loại LiBr dư khỏi dung dịch là dùng màng thẩm tích. Quá trình thẩm tích sử dụng nhiều dung môi, thường là nước đã loại ion, và mất rất nhiều thời gian, thường kéo dài vài ngày. Do đó, để rút ngắn thời gian loại bỏ muối dư, nghiên cứu đã thực hiện theo hai phương án là keo tụ fibroin trực tiếp từ dung dịch và sử dụng thiết bị lọc dòng ngang với các màng siêu lọc để loại bỏ lượng muối LiBr dư, sau đó tái sinh trên vải viscose.

3.2.2.1. Tái sinh trong các hệ dung môi, dung dịch

Trong phương án keo tụ fibroin trực tiếp từ dung dịch, LiBr dư trong dung dịch fibroin được loại bằng cách hoà tan trực tiếp vào dung môi, dung dịch chứa tác nhân keo tụ fibroin. Kết quả tái sinh fibroin khi sử dụng các dung môi, dung dịch trình bày trong Bảng 2.4 được thể hiện trên Hình 3.18. Theo đó, ngoại trừ dung dịch CaCl2

không làm keo tụ fibroin, dung môi etanol keo tụ một phần, các dung môi và dung dịch còn lại đều keo tụ tốt fibroin, tạo kết tủa trắng. Đặc biệt, dung môi axeton và dung dịch Al2(SO4)3 kết tụ fibroin và loại LiBr dư rất tốt do fibroin tái sinh bền khi rửa bằng nước cất. Điều này có thể giải thích rằng axeton là dung môi kém (poor solvent) cho fibroin, làm các mạch polypeptit bị co cụm trong dung môi này, và ion Al3+ có thể đã thay thế ion Li+ trong phức fibroin-Li+, làm keo tụ các polymer này.

92

Hình 3.18: Hình ảnh kết quả tái sinh fibroin tơ tằm trong hệ dung môi, dung dịch. (ReS.Ca, ReS.Al, ReS.Me, ReS.Et, ReS.Ax: Fibroin tái sinh bằng canxi clorua, nhôm

sunphat, metanol, etanol và axeton).

Hình 3.19: Ảnh OM của Fib biến đổi qua các quá trình chuội, hòa tan và tái sinh. (So-Tơ tằm mộc, DeSilk-Tơ tằm đã chuội keo, ReS.Ax, ReS.Al -Fibroin tái sinh bằng

axeton và nhôm sunphat)

Để quan sát sự biến đổi hình thái cấu trúc fibroin tơ tằm qua các quá trình chuội, hòa tan và tái sinh bằng phân tích ảnh chụp OM, kết quả được thể hiện trên Hình 3.19. Quan sát ảnh OM của tơ tằm mộc (So) ta thấy rõ lớp keo sericin bao bọc hai sợi tơ fibroin, trong khi tơ tằm đã chuội keo (DeSilk) có bề mặt nhẵn bóng, đồng đều. Theo các nghiên cứu đã công bố, keo sericin ngăn cản sự hòa tan fibroin nên cần loại bỏ [225]. Mẫu fibroin tái sinh bằng axeton (ReS.Ax) và bằng muối nhôm sunphat (ReS.Al) đều tạo màng film khi kết tụ trên bề mặt kính. Tuy nhiên, màng film của ReS.Ax liên tục trong khi màng film của ReS.Al bị phân mảnh. Điều này có thể là do tác dụng thay thế các ion Li+ trong phức với mạch polypeptit của fibroin bằng ion Al3+ dẫn đến sự kết tụ cao của mạch polypeptit, làm màng ReS.Al dễ bị phân mảnh hơn. Vì vậy, trong những nghiên cứu tiếp theo luận án đã lựa chọn phương án tái sinh trong muối nhôm sunphat (ReS.Al).

Phương án keo tụ fibroin trực tiếp trong hệ dung môi, dung dịch có quy trình thực hiện khá đơn giản nhưng một phần fibroin bị phân tán vào dung môi. Thêm nữa, lượng dung môi sử dụng để tái sinh là khá lớn.

3.2.2.2. Tái sinh fibroin trên vải viscose

Để khắc phục các nhược điểm của phương án tái sinh bằng hệ dung môi, dung dịch, luận án đã thực hiện phương án sử dụng hệ thống lọc dòng ngang với các cột lọc có màng siêu lọc kích thước lỗ xốp khác nhau để loại bỏ etanol và muối LiBr dư. Đây là phương pháp đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ở quy mô công nghiệp để làm sạch, phân tách chất [172]. Trong nghiên cứu này, dung dịch fibroin được lọc qua cột siêu lọc trên hệ thống lọc dòng ngangWatson-Marlow 323 để loại LiBr dư, etanol và thu được phân đoạn fibroin có KLPT lớn hơn 10 kDa. Trong dung dịch fibroin ở phân đoạn này đã xuất hiện các vi xơ màu trắng làm dung dịch bị đục. Hơn thế, dung dịch này có thể tạo gel trắng đục sau 24 giờ để tĩnh ở nhiệt độ phòng

ReS.CaRes.Ca ReS.AlRes.Al ReS.MeRes.Me ReS.EtRes.Et ReS.AxRes.Ax

400 400

ReS.Ax ReS.Al

400 400

93

trong khi dung dịch fibroin chưa lọc ổn định trong vài tháng thí nghiệm, kết quả được thể hiện trên Hình 3.20.

Hình 3.20: Quy trình loại bỏ muối LiBr, etanol dư bằng hệ thống lọc dòng ngang.

Điều này cho thấy quá trình lọc đã loại bỏ etanol và LiBr dư, làm fibroin dễ tái sinh và kết bó thành vi xơ. Hiện tượng gel hóa là do các vi xơ fibroin đã hình thành mạng cấu trúc không gian và giữ dung môi nước trong nó [170]. Do đây là hydrogel với các liên kết ngang vật lý nên khi gia nhiệt hệ gel bị phá vỡ trở về dạng dung dịch. Để tránh tạo gel, dung dịch fibroin sau lọc có thể pha loãng với nước xuống dưới nồng độ gel hóa tối thiểu. Để tái sinh fibroin trên vật liệu dệt, luận án đã xử lý vải viscose dệt thoi bằng dung dịch fibroin (KLPT lớn hơn 10 kDa) với nồng độ fibroin 1,0%; 2,5% và 5,0% (hàm lượng fibroin trong dung dịch được xác định bằng cân phân tích ẩm (MA35, Sartorius). Đánh giá khả năng tái sinh của fibroin trên vải viscose thông qua đánh giá hình thái bề mặt, cấu trúc, sự thay đổi một số tính chất của vải, khả năng nhuộm màu của vải sau xử lý và xác định hàm lượng fibroin còn lại trên vải sau các chu kỳ giặt.

a. Hình thái bề mặt và cấu trúc (SEM, FTIR)

Để minh chứng sự hình thành màng fibroin trên vải, phân tích SEM với các mẫu vải được tiến hành và kết quả trình bày trong Hình 3.21. Ở độ phóng đại trên ×1000, ảnh SEM của các mẫu vải sau xử lý fibroin cho thấy rõ lớp màng bao quanh các xơ viscose, trong khi mẫu vải viscose ban đầu có bề mặt xơ nhẵn bóng. Khi tăng nồng độ dung dịch fibroin xử lý từ 1,0% lên 5,0%, lớp màng phủ xơ viscose trở nên dày và gồ ghề hơn, thậm chí tạo thành các mảng bám vào khe giữa các xơ vải ở nồng độ xử lý cao. Kết quả phân tích ảnh SEM minh chứng fibroin tơ tằm đã được đưa lên vải viscose dệt thoi bằng phương pháp ngấm ép và sự phân bố màng fibroin trên bề xơ sợi khá đồng đều khi xử lý hoàn tất vải bằng dung dịch có nồng độ fibroin 1% và 2,5%. Với mẫu vải được xử lý bằng dung dịch fibroin 5%, bề mặt vải thấy rõ bề mặt xơ và khoảng trống giữa các xơ bị bao phủ bởi các mảng bám, phân bố không đồng đều. Để rõ hơn về điều này, phân tích EDX các mẫu vải được thực hiện, kết quả trên hình Hình 3.22 cho thấy mẫu vải viscose được xử lý bằng dung dịch fibroin ngoài các nguyên tố C, O thì có sự xuất hiện của N, Al và một số nguyên tố khác, khi tăng nồng độ fibroin xử lý thì các peak N, Al rõ ràng hơn. Sự xuất hiện các peak này chứng tỏ fibroin tơ tằm đã được đưa lên vải viscose nhờ quá trình ngấm ép.

Dung dịch fibroin >10 KDa Dung dịch fibroin Lọc dòng ngang 24 giờ tphòng Gel hoá fibroin

94

Hình 3.21: Ảnh SEM các mẫu vải viscose trước và sau xử lý bằng dung dịch fibroin. (VisFib1, VisFib2, VisFib3: vải viscose được xử lý bằng dung dịch fibroin nồng độ

1%; 2,5% và 5%)

Hình 3.22: Phổ EDX của vải viscose trước và sau xử lý bằng dung dịch fibroin.

Để xác định sự biến đổi các nhóm chức của fibroin tơ tằm qua quá trình hòa tan và tái sinh trong dung môi/dung dịch và trên vải viscose, luận án đã phân tích phổ hồng ngoại FTIR của tơ tơ tằm đã chuội keo (DeSilk), fibroin tái sinh bằng muối

Vis VisFib1 50 1000 3000 50 1000 3000 VisFib2 VisFib3 50 100 0 3000 50 1000 3000

95 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

nhôm sunphat (ReFib), vải viscose (Vis) và vải viscose được xử lý bằng fibroin (VisFib). Kết quả được trình bày trên Hình 3.23, trục hoành biểu thị số sóng (wavenumber, cm-1) ṽ = 1/λ (cm-1) và trục tung thể hiện cường độ phản xạ (Reflectance, a.u.).

Hình 3.23: Phổ FTIR của các mẫu.

(DeSilk – fibroin tơ tằm sau chuội; ReFib - fibroin tơ tằm tái sinh trong Al2(SO4)3; Vis – vải viscose và VisFib – vải viscose được xử lý bằng fibroin.

Từ phổ FTIR trình bày trong Hình 3.23 cho thấy các peak đặc trưng của DeSilk tại 3280,93; 1621,09; 1513,40; 1228,34 và 1064,63 cm-1 lần lượt đặc trưng cho liên kết N-H (amino), C=O (amide I), C-N và N-H (amide II), C-N và N-H (amide III) và nhóm O-C-N [152, 159, 165, 166, 172]. So sánh với fibroin tơ tằm đã chuội thì phổ FTIR của fibroin tơ tằm tái sinh có các peak đặc trưng thay đổi ít. Các peak đặc trưng cho các nhóm chức trong fibroin tơ tằm tái sinh lệch nhẹ về phía số sóng cao hơn lần lượt tại 1621,78; 1515,36; 1230,81 và 1068,43 cm-1. Trong khi đó peak có dao động đặc trưng cho liên kết N-H của nhóm amino lệch về phía có số sóng thấp hơn tại 3273 cm-1. Hơn nữa, cường độ hấp thụ của các peak trong phổ của ReFib giảm đáng kể. Điều này có thể do sự tương tác của ion Li+ và Al3+ với nhóm amino và nhóm amide của phân tử fibroin để hình thành phức fibroin-Li+ và fibroin-Al3+ thay thế.

Các peak đặc trưng cho các nhóm chức của viscose tại 3331,97 cm-1 là đặc trưng dao động kéo giãn của liên kết (O-H), tại 2887,51 cm-1 là đặc trưng dao động kéo giãn của liên kết (C-H), tại 1638,63 cm-1 là đặc trưng dao động uốn của liên kết (C=O), tại 1364,85 cm-1 là đặc trưng dao động uốn của liên kết (C-H) và tại 1017,85 cm-1 là đặc trưng dao động kéo giãn của liên kết (C-O-H) [9, 127, 159, 166]. Những peak này cũng được xuất hiện trong phổ của VisFib chứng tỏ cấu trúc hóa học của VisFib gần như không thay đổi qua quá trình xử lý. Mặc dù phổ của Vis và VisFib tương tự nhau nhưng cường độ của các peak đặc trưng cho các nhóm chức trong phổ của Vis cao hơn trong phổ của VisFib tại 3331,97; 1638,63 và 1017,85 cm-1. Điều này chỉ ra rằng các tương tác có thể xảy ra thông qua sự hình thành liên kết hydro giữa các nhóm amin của fibroin và nhóm -OH của viscose và cũng có thể thông qua sự hình thành phức giữa ion Al3+ với các nhóm chức của fibroin và viscose.

Cườ n g đ ộ (a .u ) Số sóng (cm-1)

96

b. Một số tính chất của vải

Sự hình thành lớp màng fibroin trên xơ sợi có thể ảnh hưởng đến một số tính chất của vải. Để minh chứng giả thuyết này, một số tính chất bao gồm độ thoáng khí, mao dẫn, độ rủ, phục hồi nếp gấp, độ bền kéo đứt và độ giãn đứt của vải trước và sau khi xử lý được xác định theo các tiêu chuẩn trong nước và quốc tế.

Hình 3.24: Độ thoáng khí và hệ số độ rủ của các mẫu vải VisFib.

Kết quả phân tích độ thoáng khí và độ rủ của vải được đồ thị hóa trên Hình 3.24. Độ thoáng khí của mẫu vải ban đầu là 508,6 l.m2/s. Sau khi xử lý với fibroin ở các nồng độ (1,0%; 2,5% và 5,0%), độ thoáng khí của các mẫu vải giảm không nhiều, từ 2,4 - 3,7%. Nguyên nhân giảm độ thoáng khí của vải sau xử lý có thể do sự hình thành lớp màng fibroin trên các xơ, sợi viscose. Lớp màng fibroin này không phủ kín các khe trống trong cấu trúc vải nên độ thoáng khí của vải giảm nhẹ so với mẫu vải ban đầu. Hơn nữa, sự giảm độ thoáng khí của vải tỉ lệ thuận với nồng độ fibroin xử lý. Nồng độ fibroin xử lý càng cao thì sự tái sinh fibroin trên trên xơ sợi càng nhiều và ảnh hưởng nhiều hơn đến độ thoáng khí của vải. Điều này được thể hiện rõ qua phân tích ảnh SEM của bề mặt vải sợi viscose.

Độ rủ của vải được đánh giá thông qua giá trị hệ số độ rủ (%). Vải có hệ số độ rủ càng lớn thì độ rủ của vải càng kém, vải cứng và ngược lại. Từ đồ thị biểu diễn hệ số độ rủ của các mẫu vải trước và sau xử lý bằng fibroin ở trên Hình 3.24, ta thấy hệ số độ rủ của các mẫu vải giảm dần khi tăng nồng độ fibroin xử lý, có nghĩa là vải sau xử lý cho độ rủ tốt hơn. Hệ số độ rủ của mẫu vải ban đầu là 52,9%. Sau khi xử lý với fibroin ở các nồng độ (1,0%, 2,5% và 5,0%), hệ số độ rủ của các mẫu vải giảm tương ứng 13,1%, 14,1% và 17,6% so với ban đầu. Sự giảm hệ số độ rủ hay độ rủ của vải được cải thiện sau khi xử lý fibroin có thể là do sự hình thành lớp màng fibroin trên các xơ sợi viscose đã làm giảm số liên kết hydro hình thành giữa các mạch đại phân tử cellulose trên bề mặt các xơ viscose liền kề. Sự giảm số liên kết hydro giữa các đại phân tử cellulose trên bề mặt xơ có thể ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vải. Do vậy, độ bền kéo đứt và độ giãn đứt theo hướng sợi dọc và hướng sợi ngang của các mẫu vải trước và sau xử lý bằng fibroin tơ tằm được xác định (Hình 3.25). Kết quả phân tích cho thấy, độ bền kéo đứt của mẫu vải ban đầu theo hướng dọc và hướng ngang lần lượt là 294,9 N và 298,1 N. Khi xử lý các mẫu vải với nồng độ fibroin tăng dần (1,0%, 2,5% và 5,0%) độ bền kéo đứt của các mẫu vải giảm nhẹ từ 2,5 - 2,7% theo hướng sợi dọc và 1,5 - 3,2% theo hướng sợi ngang. Tuy nhiên, độ giãn đứt của các mẫu vải theo hướng dọc và theo hướng ngang so với vải ban đầu có mức giảm nhiều hơn so với mức giảm của độ bền kéo đứt. Cụ thể, độ giãn đứt của vải chưa xử

Đ ộ thoá ng khí (l. m 2/s)

Vis VisFib1 VisFib2 VisFib3

0 100 200 300 400 500 Th oá ng khí H ệ số độ rủ (%)

Vis VisFib1 VisFib2 VisFib3

0 10 20 30 40 50 Ru (a) (b)

97

lý theo hướng dọc và hướng ngang lần lượt là 29,2% và 24,5%. Sau khi xử lý với fibroin, độ giãn đứt của các mẫu vải giảm theo hướng sợi dọc từ 4,5 - 10,6% và theo hướng sợi ngang từ 3,5 - 4,2%. Sự giảm tính chất cơ học của vải viscose khi xử lý với fibroin tơ tằm có sự tương đồng với sự giảm hệ số độ rủ của vải và có liên quan đến sự giảm số liên kết hydro giữa các đại phân tử cellulose trên bề mặt xơ liền kề đã được giải thích trong phần trên. Một nguyên nhân khác cũng có thể do ảnh hưởng của quá trình tái sinh fibroin tơ tằm trên xơ sợi viscose bằng muối nhôm sunphat. Theo học thuyết axit-bazơ của Bronsted-Lowry thì Al3+ là một axit yếu nên có thể ảnh hưởng đến độ bền cơ học của vật liệu cellulose, ở đây là viscose. Kết quả phân tích góc hồi nhàu theo hướng dọc, hướng ngang và độ mao dẫn của vải trước và sau khi xử lý bằng fibroin được thể hiện trên Hình 3.26. Kết quả cho thấy góc hồi nhàu của các mẫu vải viscose được xử lý bằng fibroin tơ tằm tăng đáng kể, đặc biệt là khi tăng nồng độ fibroin. Góc hồi nhàu theo hướng sợi dọc tăng gần 16% khi tăng nồng độ fibroin lên đến 5% trong khi đó góc hồi nhàu theo hướng sợi ngang tăng lên đến 60%. Xử lý vải viscose bằng dung dịch fibroin có thể cải thiện góc hồi nhàu tức là giảm nhàu hơn so với không xử lý.

Hình 3.25: Độ bền kéo đứt và độ giãn đứt của các mẫu vải VisFib.

Từ Hình 3.26 cho thấy có sự khác biệt rất lớn về độ mao dẫn giữa các mẫu vải được xử lý với fibroin tơ tằm theo các nồng độ khác nhau. Khi so sánh mẫu vải viscose ban đầu với các mẫu được xử lý fibroin ở các nồng độ khác nhau (1,0; 2,5 và 5%) thì nhận thấy các mẫu sau khi xử lý có độ mao dẫn theo phương ngang thấp hơn rất nhiều lần so với mẫu ban đầu. Cụ thể mẫu VisFib1 có độ mao dẫn giảm đến 1,92 lần; mẫu VisFib2 có độ mao dẫn giảm đến 2,04 lần; mẫu VisFib3 có độ mao dẫn giảm đến 2,24 lần. Mặc dù tơ tằm, liti bromua đều là những thành phần có khả năng thấm