CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về cây dứa và xơ dứa
1.1.3. Đặc điểm cấu tạo và tính chất của khóm
1.1.3.1. Đặc điểm cấu tạo của xơ khóm:
Xơ khóm (Pine Apple Leaf Fiber - PALF) dài khoảng 60 cm, màu trắng kem bóng như lụa, bề mặt mềm, mịn, hấp thụ màu và bền màu tốt với thuốc nhuộm và có khả năng duy trì màu sắc tốt hơn so với các loại xơ tự nhiên khác [17].
Xơ tự nhiên bao gồm cả PALF có cấu trúc thành tế bào bên trong được chia thành ba phần cấu trúc chính. Thành tế bào chính bao gồm hai thành tế bào, thành tế bào sơ cấp (S1) và thành tế bào thứ cấp (S2). Thành tế bào sơ cấp phát triển tại thời điểm sinh trưởng của cây. Thành tế bào thứ cấp được tạo thành bởi ba lớp, lớp giữa dày quyết định các yếu tố cơ học của xơ. Lớp giữa bao gồm một loạt các microfibril được hình thành từ các phân tử cellulose chuỗi dài [18]. Góc giữa các microfibril này với trục xơ được gọi là góc microfibrillar. Theo một bài nghiên cứu của Maya Jacob John và các cộng sự (2008) cho thấy rằng, góc
30 microfibrillar và sự sắp xếp bên trong thành tế bào quyết định tính chất và độ cứng của xơ. Xơ tự nhiên dễ uốn hơn nếu các microfibrils có hướng xoắn ốc với trục sợi. Nếu các microfibrils này được định hướng song song với trục xơ, các xơ sẽ cứng, không linh hoạt và có độ bền kéo cao. Ngồi góc microfibrillar, cellulose cũng ảnh hưởng khá nhiều đến đặc tính của xơ. Cellulose được bao bọc bởi mạng lưới cellulose – hemicellulose [19]. Các phân tử hemicelluloses có cấu trúc giống như mạng lưới tạo liên kết với các fibril. Cellulose- hemicelluloses liên kết với nhau nhờ vào lignin và pectin cung cấp chất kết dính. Các đặc tính kết dính này giúp tạo độ bền và độ cứng của xơ cellulose. Thơng thường, góc microfibrils thấp và hàm lượng cellulose cao tạo nên độ bền tốt hơn cho xơ [1].
Xơ được lấy từ khác vị trí khác nhau trên lá khóm có khả năng độ bền và đường kính xơ sẽ khác nhau. Theo một nghiên cứu về tính chất của sợi từ lá khóm ở Thái Lan đã thực hiện bằng cách sử dụng kính hiển vi quang học với độ phóng đại 200X để đo đường kính của xơ PALF [20].
Hình 1.7: Sơ đồ minh họa đường kính PALF [20]
Ba phần, dọc theo lá, đã được kiểm tra: 1) xơ từ đầu lá, 2) xơ ở giữa lá và 3) xơ ở đi lá. Đường kính của một xơ đơn được kiểm tra tại ba vị trí dọc theo chiều dài của xơ; A, B và C (Hình 1.7). Giá trị trung bình của đường kính xơ kỹ thuật được tính từ 20 phép đo. Dữ liệu được tóm tắt trong bảng 1.3 dưới đây, cho thấy rằng các giá trị trung bình của đường kính xơ kỹ thuật lần lượt là 0.197 ± 0.043 mm, 0.125 ± 0.050 mm, 0.219± 0.052 mm cho xơ từ chóp lá, ở giữa lá và gốc lá tương ứng [20].
31
Bảng 1.3: Tóm tắt kết quả đo đường kính xơ [20]
Loại xơ Phạm vi đường kính (mm) Đường kính trung bình (mm)
Loại xơ từ chóp lá 0.127-0.268 0.197±0.043
Loại xơ từ phần giữa lá 0.136-0.296 0.199±0.050
Loại xơ từ gốc lá 0.139-0.334 0.219±0.052
Đối với xơ tự nhiên, để đo được đường kính xơ là rất khó. Sự phân bố đường kính các xơ là ngẫu nhiên, trải dài từ mảnh đến thơ. Trên một xơ, đường kính xơ cũng thay đổi liên tục, đường kính giữa các vị trí khác nhau trên cùng một xơ là hồn tồn khác nhau. Chính vì vậy giá trị đường kính trung bình thu được là lấy nhóm đường kính chiếm tỉ lệ nhiều nhất trong mẫu xơ [21]. Maria Carolina Andrade Teles và các cộng sự (2015) đã đưa ra một thí nghiệm nhỏ để đo đường kính của xơ bằng cách chọn ngẫu nhiên 100 xơ PALF, mỗi xơ được đo 5 vị trí khác nhau, sau đó lấy giá trị trung bình. Các khoảng đường kính xơ được chia như trong biểu đồ (hình 1.8). Qua biểu đồ ta thấy, một sự thay đổi tương đối lớn về đường kính, sự phân bố khơng đồng đều của đường kính trong cả nhóm xơ. Cụ thể, đường kính trải dài từ 0.10 mm- 0.28 mm, khoảng đường kính chiếm nhiều nhất là từ 0.18-0.19 mm.
Hình 1.8: Biểu đồ tỉ lệ phân bố đường kính PALF [21]
Ngồi ra, mặt cắt ngang của xơ cũng đóng góp một phần quan trọng, để thấy rõ hơn về sự khó khăn trong việc thực hiện nghiên cứu đo đường kính xơ. Hình 1.9 bên dưới biểu diễn diện tích mặt cắt ngang xơ kỹ thuật của xơ PALF có dạng hình răng cưa. Chúng ta có thể thấy đường kính và mật độ của các bó xơ như trên hình 1.9, mật độ của các xơ giảm khi tăng đường kính tăng lên, điều này làm tăng độ xốp của xơ. Độ chính xác của phép đo đường kính trong
32 sợi tự nhiên là rất khó đạt được vì xơ tự nhiên có hình dạng khơng đều và độ dày khơng đồng đều. Mặt cắt ngang của bó xơ đơn khơng hồn tồn là hình trịn, hình dạng mặt cắt ngang của xơ rất đa dạng, có dạng trịn, đa giác hoặc hình hạt đậu [22].
Hình 1.9: Đo diện tích mặt cắt ngang S góc 36o bằng cách phân tích các hình ảnh SEM của PALF [22]
Xơ PALF được tách bằng phương pháp cơ học từ lá tươi cho bề mặt thơ ráp vì vẫn cịn nhiều dư lượng tế bào như lignin và hemicellulose, giúp gắn kết các bó xơ đơn lại với nhau. Bề mặt gồ ghề của PALF sau khi tách bằng phương pháp cơ học được nhìn thấy trong ảnh SEM (Hình 1.10) [20]. Ngồi ra, kích thước tế bào của xơ khóm cịn phụ thuộc vào giống lồi, độ chín, vị trí trồng cây và cũng tùy thuộc vào điều kiện tách xơ. Những điều kiện đó làm thay đổi tính chất xơ, chẳng hạn như mật độ chiều dài, nên rất khó kiểm sốt việc sản xuất hàng loạt. Xơ tự nhiên bị ảnh hưởng nhiều bởi mơi trường phát triển của nó như thành phần của đất, nhiệt độ, độ ẩm và hơi sương [1].
Hình 1.10: Ảnh SEM hình thái bề mặt PALF phần giữa của lá khóm [20]
33 Có rất nhiều nghiên cứu phân tách xơ từ lá khóm (PALF), mặc dù khơng ứng dụng nhiều trong lĩnh vực may mặc như loại xơ này lại được ứng dụng khá nhiều để gia cường cho vật liệu composite nhờ các đặc tính cơ học tuyệt vời của loại xơ này [5, 23]. Bảng 1.4 bên dưới là tổng hợp các đặc tính cơ học của PALF từ một số nghiên cứu trước đây. Từ kết quả nghiên cứu cho thấy độ bền kéo của PALF nằm trong khoảng 126-1627 MPa, Young’s Modulus 4.2- 82 GPa và độ giãn dài khi đứt 0.8-4% [5].
Bảng 1.4: Tổng hợp các nghiên cứu về tính chất cơ lý của PALF [5]
MECHANICAL & PHYSICAL PROPERTIES SOURCE George et al. (1993) Luo and Netrawati (1995) Mohanty et al. (2000) Reddy and Yang (2005) Arib et al. (2006) M.Idicul a et al. (2006) K.G. Satyanara ma et al. (2007) Mohame d et al. (2009) M.p.Ho et al. (2012) Cell length [mm] - - - 3.0- 9.0 - - 10 - - Diameter [μm] 5.0- 30.0 - 20-80 - - 50±6 1.56/4.5 105-300 - Density [kg/m3] 1.44 1.36 - - 1.07 1526 1440 - - Elongation at break [%] 1.6 3.37 1.6 0.8- 1.6 2.2 3.0-4.0 - 1.41 2.4 Micro fibrillar angel [°] 12 - 14 - - 14 8.0-15.0 - - Moisture content [%] - - 11.8 10.0- 13.0 - 13.5 - - - Tensile Strength [MPa] 170 445 413- 1627 - 126. 6 413±8 - 293.08 170- 1627 Technical length [mm] - - - - - - 20.0- 80.0 - - Young’s Modulus [Gpa] 6.26 13.21 34.5- 82.5 - 4.40 5 4.2 - 18.934 60-82
PALF thể hiện các đặc tính vượt trội như độ dài trung bình và độ bền kéo tốt hơn so với các loại xơ khác cùng họ libe như trong bảng 1.5. Các đặc tính vật lý của xơ bao gồm các đặc tính độ bền kéo 413-1627 MPa và mô đun kéo 34.5-82.51Gpa, được nghiên cứu bởi Nanthaya Kengkhetkit, Taweechai Amornsakchai (2012). Các tính chất cơ học vượt trội của PALF so với các loại xơ libe khác được cho là do hàm lượng cellulose cao (70-80%) và hàm lượng lignin thấp (5-12%). Tuy nhiên, khối lượng riêng và độ giãn đứt của xơ tương đối thấp hơn
34 so với các loại xơ khác cùng họ libe. Để cải thiện nó cần phải pha với các vật liệu khác có độ giãn đứt cao hơn ví dụ như tơ tằm, cotton [24].
Bảng 1.5: Đặc trưng cơ lý của PALF so với một số loại xơ khác [24]
Tên xơ Khối lượng riêng (g/cm3)
Độ bền kéo (MPa)
Mô đun kéo
(GPa) Độ giãn đứt (%) Ramie 1.5 400–938 61.4–128 1.2–3.8 PALF 1.44 413–1627 34.5–82.5 1.6 Flax 1.5–3 450–1100 27.6 2.7–3.2 Jute 1.3–1.45 393–773 13–26.5 7–8 Sisal 1.45 468–640 9.4–22 3–7 Cotton 1.5–1.6 287–800 5.5–12.6 7–8 Coir 1.15 131–175 4–6 15–40
Các đặc tính kéo của PALF tại các vị trí khác nhau dọc theo chiều dài của lá hoàn toàn khác nhau. Như hình 1.11, xơ thu được từ đầu lá thể hiện độ bền kéo cao nhất là 1627 MPa, mô đun kéo là 82.5 GPa và độ giãn dài khi đứt 1.5%. Xơ thu được từ phần đuôi lá cho thấy giá trị độ bền kéo thấp nhất là 146 MPa và mô đun độ bền kéo thấp nhất là 4.3 GPa, mặc dù độ giãn dài của nó cao nhất là 3.1% [20]
35