2.3. Các phương pháp đặc trưng cho vật liệu
2.3.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Nguyên tắc cơ bản của SEM là sử dụng chùm tia electron để tạo ảnh mẫu nghiên cứu. Chùm tia electron được tạo ra từ catôt (súng điện tử) qua hai tụ quang điện tử sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Khi chùm tia electron đập vào mẫu nghiên cứu sẽ phát ra các chùm electron phản xạ thứ cấp, các electron phản xạ này được đi qua hệ gia tốc điện thế vào phần thu và biến đổi thành tín hiệu ánh sáng, tín hiệu được khuếch đại, đưa vào mạng điều khiển tạo độ sáng trên màng ảnh. Mỗi điểm trên mẫu cho một điểm tương ứng trên màn. Độ sáng tối trên màn ảnh phụ thuộc vào lượng electron phát ra tới bộ thu và phụ thuộc vào hình dạng mẫu nghiên cứu.
Ảnh SEM được chụp trên máy Hitachi-S4800 tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Phổ hồng ngoại (IR)
Phổ IR của bã cà phê chưa và đã biến tính kiềm, composite PP/bã cà phê và PP/bã cà phê biến tính khơng hoặc có sử dụng chất trợ tương hợp PP-g-MA được thể hiện trong hình 3.1.
Hình 3.1. Phổ IR của bã cà phê chưa và đã biến tính kiềm và các mẫu composite PP/bã cà phê
Trên phổ IR của bã cà phê chưa và đã biến tính thấy rằng xuất hiện pic ở 3327 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá tri của nhóm OH, pic ở 2918 và 2852 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá tri cuả C-H. Thành phần chính của sợi xenlulo lingo là xenlulo, hemi xenlulo và lignin, thành phần phụ bao gồm các khoáng, pectin, sáp và các chất
tan trong nước. Đỉnh hấp thụ ở 1743 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá tri của nhóm
C=O có trong este của acetyl và axit uronic trong thành phần pectin hoặc hemicellulose, cũng có thể đó là dao động của liên kết este trong nhóm carboxylic của axit ferrulic có trong lignin hoặc hemicellulose. Pic này ở phổ IR của bã cà phê biến tính kiềm thấp hơn nhiều so với của bã cà phê chưa biến tính. Điều này chứng tỏ xử lý với kiềm đã làm giảm đáng kể hàm lượng của hemicellulose và lignin trong bã cà phê. Ngoài ra có thể quan sát thấy pic ở 1647 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá tri của nhóm
CH3, pic ở 1029 cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm C-O-C và C-O trong cellulose và lignin.
Kết quả còn cho thấy không có sự khác biệt giữa các phổ IR của các mẫu composite PPCG-15, PPCG8-15 và PPMA5-CG8-15. Điều này chứng tỏ tương tác giữa PP và bã cà phê chỉ là tương tác vật lý thơng thường.
3.2. Tính chất cơ lý của composite PP/bã cà phê
Tính chất cơ lý của các composite PP/bã cà phê không sử dụng tác nhân trợ tương hợp PP-g-MA ở các hàm lượng bã cà phê khác nhau được tổng hợp trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Tính chất cơ lý của các composit PP/bã cà phê ở các hàm lượng bã cà phê khác nhau Mẫu Độ bền kéo đứt (MPa) Độ dãn dài khi đứt (%) PP 27,6 15,2 PPCG-5 17,2 7,5 PPCG-10 16,2 5,9 PPCG-15 14,1 4,6 PPCG-20 11,4 3,2 PPCG8-5 22,5 9,5 PPCG8-10 22,7 9,3 PPCG8-15 22,1 8,9 PPCG8-20 17,3 7,5
Kết quả cho thấy độ bền kéo và độ dãn dài khi đứt của các mẫu composite chứa bã cà phê dù chưa hay đã xử lý kiềm đều thấp hơn so với nhựa PP. Điều nay là do PP khơng phân cực, cịn bã cà phê chứa các nhóm chức phân cực nên khó trộn lẫn vào nhau. Ở các mẫu composite chứa bã cà phê chưa xử lý, tính chất cơ lý của mẫu giảm khi tăng hàm lượng bã cà phê từ 5-20%. Độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt của composite PP/bã cà phê chưa xử lý ở hàm lượng 20% bã cà phê còn lần lượt là 11,4 MPa và 3,2%. Ở các mẫu composite chứa bã cà phê đã xử lý kiềm, tính chất cơ lý của composite ở hàm lượng bã cà phê 5-15% hầu như không có sự thay đổi. Tuy nhiên khi tăng hàm lượng bã cà phê biến tính lên 20% thì tính chất cơ lý của composite lại giảm,
chứng tỏ ở hàm lượng này bã cà phê biến tính phân tán vào nền nhựa PP kém hơn. So sánh tính chất cơ lý các mẫu composite chứa bã cà phê chưa và đã biến tính thấy rằng với cùng hàm lượng bã cà phê thì tính chất cơ lý ở mẫu composite đã xử lý kiềm đều cao hơn so với mẫu chứa bã cà phê chưa biến tính. Điều này chứng tỏ sau khi xử lý kiềm, bã cà phê đã phân tán vào nền nhựa PP dễ hơn.
Tính chất cơ lý của các composit chứa 15% bã cà phê đã xử lý kiềm với hàm lượng tác nhân trợ tương hợp PP-g-MA khác nhau được tổng hợp trong bảng 3.2.
Bảng 2.2. Tính chất cơ học của các composit PP/bã cà phê ở các hàm lượng PP-g-MA khác nhau
Mẫu Độ bền kéo đứt (MPa) Độ dãn dài khi đứt (%)
PPCG8-15 22,1 8,9
PPMA1-CG8-15 23,2 9,7
PPMA3-CG8-15 26,8 13,5
PPMA5-CG8-15 24,1 10,2
Kết quả cho thấy khi bổ sung thêm chất trợ tương hợp thì tính chất cơ lý của các mẫu đều tăng so với không sử dụng chất trợ tương hợp (PPCG8-15). Khi tăng hàm lượng PP-g-MA từ 1% lên 3% thì tính chất cơ lý tăng. Điều này đã chỉ ra rằng PP-g- MA giúp kết dính nền nhựa PP và bã cà phê tốt hơn. Tuy nhiên khi tăng tiếp hàm lượng PP-g-MA lên 5% thì tính chất cơ lý lại giảm.
3.3. Tính chất nhiệt của bã cà phê và composite PP/bã cà phê
Hình 3.2 là giản đồ phân tích nhiệt khối lượng TGA của bã cà phê chưa và đã xử lý kiềm, nhựa PP và composite PP/bã cà phê.
Hình 3.2. Giản đồ TGA của các mẫu
Giản đồ TGA của bã cà phê chưa và đã xử lý kiềm đều có giai đoạn mất khối
lượng đầu tiên ở nhiệt độ 80 - 150oC, là do sự bay hơi của lượng ẩm liên kết yếu trên
bề mặt. Giai đoạn 2 từ 220 - 320oC được cho là quá trình phân hủy của hemicellulose
và sự phân cắt liên kết glycosidic của cellulose. Nhiệt độ phân hủy của cellulose nằm trong khoảng 275 - 400oC.
Kết quả còn cho thấy nhiệt độ phân hủy của các mẫu composite đều thấp hơn so với nhựa PP và thấp nhất là mẫu PPMA3-CG8-15 (nhiệt độ phân hủy cực đại của PP,
PPCG-15, PPCG8-15, PPMA3-CG8-15 lần lượt là 447, 445, 439, 434oC). Như vậy bã
cà phê đã làm giảm độ bền nhiệt của PP.
3.4. Hình thái cấu trúc của bã cà phê và composite PP/bã cà phê
Các tính chất cơ học của composite phụ thuộc vào sự tương tác của chất độn trong polyme. Ảnh SEM được sử dụng để đánh giá mức độ phân tán của bã cà phê trong nền nhựa PP. Hình thái cấu trúc của bã cà phê trước và sau xử lý kiềm và của các composite được tổng hợp trong hình 3.3.
Bã cà phê ban đầu Bã cà phê xử lý kiềm
Nhựa PP Composite PPCG-15
Composite PPCG8-15 Composite PPMA3-CG8-15
Hình 3.3. Ảnh SEM của bã cà phê chưa/đã xử lý kiềm và ảnh SEM bề mặt gãy của các mẫu composit PP/bã cà phê
Quan sát ảnh SEM của bã cà phê trước và sau xử lý kiềm thấy rằng bề mặt bã cà phê sau xử lý kiềm xuất hiện các vết lõm sâu. Điều này chứng tỏ các thành phần phụ đã bi loại bỏ. Quan sát ảnh SEM bề mặt gãy của các mẫu composite chứa bã cà phê chưa xử lý thấy rằng xuất hiện các vết nứt, gãy do sự tách rời của bã cà phê. Điều này chứng tỏ bã cà phê chưa biến tính phân tán kém vào nền nhựa PP.
Bã cà phê sau khi xử lý với kiềm phân tán vào nền nhựa PP tốt hơn, ảnh SEM bề mặt gãy hầu như không quan sát thấy vết nứt. Đặc biệt ở mẫu composite sử dụng thêm
tác nhân trợ tương hợp PP-g-MA, bề mặt vết gãy giòn hơn, các hạt bã cà phê được phân tán đồng đều và kết dính tốt với nền nhựa PP. Có thể thấy rằng đã xảy ra liên kết giữa nhóm OH của các hạt bã cà phê với nền nhựa PP thông qua tác nhân trợ tương hợp PP-g-MA.
KẾT LUẬN
Từ kết quả thu được của đề tài chúng em rút ra một số kết luận sau: 1. Đã biến tính thành cơng bã cà phê sử dụng dung dich NaOH 8%.
2. Chế tạo thành công composite sinh học trên cơ sở nhựa PP và bã cà phê (hàm lượng 5-20%) quy mơ phịng thí nghiệm.
3. Đã tiến hành xác đinh tính chất cơ lý và đặc trưng vật liệu bằng các phương pháp hóa lý hiện đại: Phổ hồng ngoại (IR), Hiển vi điện tử quét (SEM), Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).
4. Đánh giá được ảnh hưởng của hàm lượng chất trợ tương hợp PP-g-MA (1- 3%) đến tính chất của composite sinh học PP/bã cà phê, hàm lượng PP-g-MA tối ưu cho chế tạo composit PP/bã cà phê là 3%.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Geoffrey Haddou, Jany Dandurand, Eric Dantras, Huynh Maiduc, Hoang Thai, Nguyen Vu Giang, Tran Huu Trung, Philippe Ponteins, Colette Lacabanne, “Physical
structure and mechanical properties of polyamide/bamboo composites”, Volume 129,
Issue 3, pp 1463–1469, 2017.
[2]. Patrick Zierdt, Torsten Theumer, Gaurav Kulkarni, Veronika Däumlich, Jessica Klehm, Ulrike Hirsch, Andreas Weber, “Sustainable wood-plastic composites from
bio-based polyamide 11 and chemically modified beech fibers” Sustainable Materials
and Technologies 6, pp 6–14, 2015.
[3]. Phuong, V. T., “Sustainable Biocomposites from Renewable Ressources and Recycled
Polymers”, PhD Thesis - University of Pisa, 2012.
[4]. https://cdn.vietnambiz.vn/171464876016439296/2021/7/20/bao-cao-ca-phe-qii- final-16267699642011569442379.pdf.
[5]. Nguyễn Khởi Nghĩa, Nguyễn Vũ Bằng, Đỗ Hoàng Sang và Lâm Tử Lăng, “Hiệu
quả của việc bón hỗn hợp bã cà phê và vỏ trứng lên năng suất đậu bắp (Abelmoschus esculentus Moench) và dinh dưỡng đất trong điều kiện nhà lưới”, Tạp chí Khoa học
Trường Đại học Cần Thơ, Phần B: Nông nghiệp, Thủy sản và Công nghệ Sinh học, 39, 75-84, 2015.
[6]. Nguyễn Khởi Nghĩa, Đỗ Hoàng Sang, Nguyễn Vũ Bằng và Lâm Tử Lăng, “Hiệu
quả của bã cà phê và vỏ trứng lên sinh trưởng, năng suất hành tím (Allium ascalonicum) và một số đặc tính hóa và sinh học đất trong điều kiện nhà lưới”, Tạp chí ́Khoa học Trường Đại học Cần Thơ. Phần B: Nông nghiệp, Thủy sản và Công nghệ Sinh học, 41, 53-62, 2015.
[7]. Chu Thi Bích Phượng, Nguyễn Thi Trùng Uyển, Huỳnh Phương Thanh, Phạm Văn Lộc, Bùi Văn Thế Vinh, Nguyễn Công Hào, “Nghiên cứu khả năng tách chiết dầu từ
bã cà phê và sử dụng bã cà phê làm cơ chất trồng nấm Linh chi (Ganoderma lucidum)”, Tạp chí Sinh học, 34(3SE), 69-77, 2012.
[8]. Van Khoi Nguyen, Thanh Tung Nguyen, Thu Ha Pham Thi, Thu Trang Pham, “Effects of Pulp Fiber and Epoxidized Tung Oil Content on the Properties of
[9]. Lessa Emanuele F., Nunes Matheus L., & Fajardo Andr´ e R., “Chitosan/waste
coffee-grounds composite: An efficient and eco-friendly adsorbent for removal of pharmaceutical contaminants from water”, Carbohydrate Polymers,
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.02.018.
[10]. N. Jaya Chitra, R.Vasanthakumari and Syed Amanulla, “Preliminary Studies of
the Effect of Coupling Agent on the Properties of Spent Coffee Grounds Polypropylene Bio-Composites”, International Journal of Engineering Research and Technology, 7(1),