Theo quan sát trên hình 3.1, ta nhận thấy tuy các thành phần tạp chất trên không chiếm nhiều trong xơ nhưng lại làm xơ bị thơ và khơ cứng, khó có thể kết hợp với một số loại xơ khác. Vì vậy, việc loại bỏ các thành phần tạp chất như pectin, lignin và hemicellulose trên xơ là hoàn tồn cần thiết.
3.1.2. Hình thái học của xơ sau khi xử lý với NaOH
82 Xử lý bằng NaOH có thể loại bỏ được một phần lignin và phân hủy hoàn toàn hemicellulose bằng cách làm thúc đẩy q trình ion hóa và tiếp xúc với nhóm hydroxyl trong thành phần cellulose với alkoxide [33]. Công đoạn này làm loại bỏ các nhóm hydroxyl của xơ khi nó phản ứng với NaOH để tạo ra các phân tử nước (H-OH). Sau khi xử lý kiềm, đường kính xơ giảm đi đáng kể, tuy nhiên bề mặt của xơ trở nên cứng hơn do mất đi các nhóm hydroxyl.
Ngồi ra, sau khi kiềm hố, thành tế bào hình thành bị ion hố các chất và tạo ra các nhóm fibre-cell-O-Na+ nhằm mục đích loại bỏ đi một phần dư lượng lignin, hemicellulose cịn dính nhiều trên bề mặt xơ. Vì loại bỏ được các thành phần liên kết bó xơ nên có thể gây ra hiện tượng các xơ cơ bản bị tách khỏi các bó xơ của chúng, và nếu nồng độ kiềm quá cao có thể gây ra sự loại bỏ quá mức các thành phần hemicellulose và lignin khỏi bề mặt cellulose, dẫn đến suy yếu hoặc làm hỏng cấu trúc xơ, làm mất đi tính chất tự nhiên vốn có của xơ như độ bền cao, thường được ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu tổng hợp composite [7, 12, 33]. Ảnh SEM ở độ phóng đại 400X của mẫu xơ thô và các mẫu xơ được xử lý trong dung dịch NaOH 4%, 5% và 6%, trong 6 giờ, ở nhiệt độ phòng 31oC được thể hiện ở hình 3.2 bên dưới
Hình 3.2: Ảnh chụp SEM 400X bề mặt xơ PALF chưa qua xử lý (a) và đã qua xử lý NaOH 4% (b), 5% (c), 6% (d) trong 6 giờ, ở nhiệt độ phòng 31oC
b
c a
83 Quan sát ảnh SEM có thể thấy kết quả rằng, xơ PALF được xử lý với nồng độ NaOH (4%, 5%, 6%) trong vòng 6 giờ ở nhiệt độ phịng mang lại các loại hình thái bề mặt xơ khác nhau. Xơ PALF được ngâm trong nồng độ 4% ở hình 3.2 (b) cho thấy vẫn cịn nhiều tạp chất thơ trên bề mặt, không khác nhiều so với xơ chưa qua xử lý ở hình 3.2 (a). Như vậy, nồng độ 4% ngâm trong 6 giờ vẫn chưa đủ hiệu quả để loại bỏ được các thành phần lignin và hemicellulose khỏi bề mặt xơ.
Mẫu trong hình 3.2(c) được ngâm NaOH 5%, thời gian 6 giờ cho kết quả khả quan hơn. Cụ thể là, bề mặt xơ chỉ còn lại một vài tạp chất nhỏ và bề mặt nhẵn. Còn mẫu ngâm NaOH 6% trong 6 giờ ở hình 3.2(d) cho thấy bề mặt có một ít tạp chất nhỏ, bề mặt bị vỡ và nhiều rãnh trống dọc chiều dài xơ, điều này cho thấy các thành phần như lignin và hemicellulose đã bị loại bỏ gần như hoàn toàn ở những khu vực rãnh rỗng này, dẫn đến xơ đơn có xu hướng bị tách ra khỏi bó xơ. Điều này cũng đã chỉ ra rằng, xơ đã bị tác động rất mạnh khi được xử lý với nồng độ 6% ngâm trong 6 giờ và làm cho bó xơ bị phân tách ra quá nhiều xơ đơn như ở hình 3.3 (c), so với nồng độ 4% ờ hình 3.3 (a) và 5% ở hình 3.3 (b). Như vậy, nồng độ NaOH cao và thời gian ngâm quá lâu đã phá vỡ mạng lưới các xơ và tách các xơ cơ bản ra khỏi bó xơ. Việc loại bỏ quá mức này có thể làm các xơ cơ bản trong bó xơ dễ trượt lên nhau và đứt khiến độ bền xơ giảm. Nhưng nếu giảm thời gian ngâm thì sẽ hạn chế được việc xơ bị tác động quá mạnh bởi nồng độ hóa chất.
84
Hình 3.3: Ảnh chụp SEM 50X bề mặt chung các xơ PALF đã qua xử lý NaOH 4% (a), 5% (b), 6% (c) trong 6 giờ, ở nhiệt độ phòng 31oC
Kết luận: mẫu xơ ngâm trong nồng độ NaOH 5% và 6% được làm sạch bề mặt khá tốt so xơ
ngâm trong nồng độ NaOH 4%. Như vậy, nồng độ hóa chất cao hơn có thể loại bỏ tạp chất một cách hiệu quả hơn nhưng có thể làm giảm độ bền kéo do sự xuống cấp của lignocellulose và vỡ bề mặt xơ. Để giảm thiểu các tác động tiêu cực của hóa chất, tơi đã tiếp tục khảo sát thời gian cho hai nồng độ này để tìm ra nồng độ và thời gian tối ưu hơn.
3.1.2.2. Ảnh hưởng của sự thay đổi thời gian xử lý NaOH tới bề mặt xơ
Nhằm mục đích, đánh giá ảnh hưởng của việc thay đổi thời gian xử lý NaOH tới hình thái học của xơ, tôi đã tiến hành khảo sát thời gian ngâm của hai nhóm nồng độ có ảnh hưởng nhiều tới bề mặt xơ là nhóm NaOH 5% và NaOH 6%, cùng được ngâm trong khoảng thời gian 3 giờ, 4 giờ, 5 giờ và 6 giờ để tìm ra thời gian xử lý tốt nhất phù hợp với từng nồng độ. Dưới đây là kết quả phân tích bề mặt xơ bằng hình ảnh SEM của PALF sau khi xử lý ở các khoảng thời gian khác nhau.
NaOH 5%, ngâm trong khoảng thời gian khác nhau.
a
c
85
Hình 3.4: Ảnh chụp SEM bề mặt xơ xử lý NaOH 5%, ngâm trong thời gian 3 giờ (a), 4 giờ (b), 5 giờ (c) và 6 giờ (d)
Trong hình 3.4 (a) cho thấy xơ xử lý bằng NaOH 5% trong 3 giờ có bề mặt gồ ghề và thơ ráp hơn. Trong khi đó, xơ được xử lý bằng NaOH 5% ngâm trong 4 giờ, 5 giờ hầu như tương đương nhau, đều cho bề mặt nhẵn, sạch các tạp chất nhỏ (hình 3.4 b, c). Mẫu cịn lại là xơ được xử lý bằng NaOH 5% ngâm trong 6 giờ (hình 3.4 d), trên bề mặt lộ rõ nhiều các rãnh trống, ít các tạp chất nhỏ mịn rải rác trên bề mặt. Nhìn chung, xơ được xử lý bằng NaOH 5% trong 3 giờ vẫn không đủ hiệu quả để loại bỏ tạp chất khỏi bề mặt xơ như hình 3.4 (a). Trong khi đó các xơ được xử lý trong 4 giờ, 5 giờ và 6 giờ, ở nồng độ NaOH 5% cho hiệu quả xử lý làm sạch bề mặt là tương đối tốt. Chứng tỏ khi tăng thời gian xử lý hóa học các xơ, bề mặt xơ được xử lý tốt hơn, như ở hình 3.4 (b, c, d). Tuy nhiên, khi xử lý trong 6 giờ, xơ đang có xu hướng bị tác động sâu hơn và tạo ra nhiều các rãnh trống sọc dài trên bề mặt.
Ngoài ra khi quan sát ảnh chụp SEM ở độ phóng đại 50X, xơ khóm sau khi được xử lý NaOH ở nồng độ 5% trong 3 giờ, 4 giờ, 5 giờ và 6 giờ đều cho thấy có xơ cơ bản bị tách ra khỏi xơ kỹ thuật nhưng số lượng khơng nhiều (hình 3.5). Điều này cho thấy nồng độ NaOH 5% tương đối hiệu quả trong việc loại bỏ tạp chất và không ảnh hưởng đến bề mặt xơ. Ở thời
a
c d
86 gian 6 giờ thì quan sát thực tế bằng mắt thường và cảm nhận bằng tay đều thấy có lượng xơ nhỏ (xơ cơ bản) tách ra khỏi bề mặt xơ khá nhiều. Trong khi đó xơ xử lý ở nồng độ 5% trong 4 giờ và 5 giờ mang lại hiệu quả xử lý tương đối tốt hơn, ít có lượng xơ cơ bản tách ra hơn.
Hình 3.5: Ảnh chụp SEM 50X bề mặt xơ xử lý NaOH 5%, ngâm trong thời gian 3 giờ (a), 4 giờ (b), 5 giờ (c) và 6 giờ (d)
NaOH 6%, ngâm trong khoảng thời gian khác nhau.
c d
87
Hình 3.6: Ảnh chụp SEM 400X bề mặt xơ xử lý NaOH 6%, ngâm trong thời gian 3 giờ (a), 4 giờ (b), 5 giờ (c) và 6 giờ (d)
Nhìn chung, các xơ được xử lý bằng NaOH 6%, ngâm trong thời gian 3 giờ, 4 giờ, 5 giờ và 6 giờ đều có bề mặt tương đối sạch tạp. Khơng có sự thay đổi nhiều về khả năng làm sạch bề mặt theo thời gian (hình 3.6 a, b, c, d). Tuy nhiên có thể thấy, khi càng tăng thời gian ngâm NaOH thì các liên kết xơ đơn với nhau trong bó xơ càng bị yếu đi. Cụ thể là, có nhiều phần xơ đơn bị tách ra khỏi bó xơ và tạo thành các rãnh sọc dài dọc trục xơ (hình 3.6 c, d).
Nguyên nhân của hiện tượng này là do NaOH 6% nồng độ hóa chất cao tác động mạnh tới các bó xơ, xơ được ngâm trong thời gian dài và kết hợp với tác các động cơ học trong quá trình rửa sạch xơ đã làm tổn thương xơ. Điều này không chỉ loại bỏ lignin và hemicellulose ở bên ngồi mà cịn loại bỏ cả lượng pectin cung cấp độ kết dính giữ các vi xơ với nhau khiến các xơ cơ bản tách ra một phần và dễ bị trượt lên nhau khi bị kéo. Điển hình, ở bề mặt của xơ được xử lý NaOH 6% ngâm trong 6 giờ (hình 3.6 d), mặc dù các xơ đơn chưa tách ra hoàn toàn nhưng việc loại bỏ quá mức hàm lượng pectin, lignin và hemicellulose đã để lại những rãnh trống dọc trục xơ, làm cho liên kết giữa các xơ cơ bản bị yếu và trở nên lỏng lẻo hơn. Nghiên cứu của M Asim và các cộng sự (2017) cũng cho kết quả tương tự. Cụ thể xơ được
a
d c
88 xử lý NaOH 6% cho thấy độ bền kéo giảm rất lớn. Từ 6h đến 12h các mẫu được ngâm với nồng độ NaOH 6% đã bị giảm mạnh về độ bền và đạt điểm thấp nhất là khoảng 250 Mpa. Như vậy, thời gian ảnh hưởng trực tiếp đến bề mặt và cả độ bền xơ [36].
Hình 3.7: Ảnh chụp SEM 50X bề mặt xơ xử lý NaOH 6%, ngâm trong thời gian 3 giờ (a), 4 giờ (b), 5 giờ (c) và 6 giờ (d)
Ngồi ra, thơng qua phương pháp chụp ảnh SEM với độ phóng đại 50X (hình 3.7), cho thấy bề mặt chung các xơ PALF sau khi xử lý bằng NaOH 6% trong 3 giờ, 4 giờ, 5 giờ và 6 giờ gây ra hiện tượng xơ đơn bị phân tách ra khỏi bó xơ tương đối nhiều. Khi các xơ đơn bị tách ra khỏi bó xơ sẽ khiến bề mặt và đường kính các bó xơ khơng đều, chúng có xu hướng quấn rối vào nhau và có thể tạo thành neps trong quá trình kéo sợi sau này. Thậm chí, các xơ đơn gây tăng ma sát và trở thành liên kết làm dính các xơ kỹ thuật lại với nhau, tạo thành các chùm xơ lớn và thơ. Các chùm xơ kỹ thuật này bị dính vào nhau rất đều và chặt chẽ, đôi khi bằng mắt thường cũng không thể phân biệt được giữa xơ thô và xơ kỹ thuật bị dính, điều này cũng sẽ trở thành một thách thức lớn cho việc chải và phân tách xơ sau khi xử lý (hình 3.7 d). Như vậy, nồng độ hóa chất cao hơn có thể loại bỏ tạp chất một cách hiệu quả. Nhưng đi kèm với điều kiện tăng thời gian ngâm và có tác động cơ học sẽ làm tổn thương quá mức tới bề mặt hình thái xơ. Thậm chí, có thể làm giảm độ bền kéo của xơ do sự xuống cấp của
a
d b
89 lignocellulose và sự vỡ bề mặt xơ. Do đó, trong nghiên cứu này, nồng độ 6% không được lựa chọn để tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả xử lý xơ.
3.1.2.3. Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ xử lý NaOH tới bề mặt xơ
Nhiệt độ cũng là 1 yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý xơ với NaOH, nhiệt độ càng cao thì khả năng phân hủy lignin và pectin trong môi trường kiềm càng tốt [13, 15, 34, 36- 38]. Từ kết quả phân tích ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian xử lý đến hình thái bề mặt xơ thì khoảng nồng độ và thời gian cho hiệu quả xử lý tương đối tốt là NaOH 5% và thời gian là 4 giờ và 5 giờ. Trong phạm vi báo cáo này sẽ chọn NaOH 5%, thời gian xử lý 4 giờ và tiếp tục khảo sát ở các khoảng nhiệt độ là: nhiệt độ phòng 31oC, 40oC và 50oC.
Ảnh chụp SEM của các mẫu xơ được xử lý trong NaOH 5%, trong 4 giờ ở nhiệt độ phòng 31oC, 40oC và 50oC được thể hiện ở hình 3.8 bên dưới
Hình 3.8: Ảnh chụp SEM 1000X bề mặt xơ xử lý NaOH 5%, trong 4 giờ, ở nhiệt độ 31oC (a), 40oC (b) và 50oC (c)
Quan sát ảnh chụp SEM có thể thấy rằng, các mẫu xơ được xử lý ở nồng độ NaOH 5%, trong 4 giờ, với các điều kiện nhiệt độ khác nhau 31oC, 40oC và 50oC đều cho thấy hiệu quả xử lý tương đối tốt với bề mặt tương đối sạch tạp. Ở nhiệt độ nhiệt độ phòng 31oC và ở 40oC hiệu quả xử lý tương đương nhau, số lượng rãnh xuất hiện trên bề mặt xơ khơng nhiều và vẫn cịn 1 ít tạp chất nhỏ trên bề mặt. Tuy nhiên, ở nhiệt độ 50oC trên bề mặt xơ bắt đầu xuất hiện 1 số rãnh nhỏ nhưng không đáng kể, số lượng xơ đơn tách khỏi bề mặt cũng tương đối ít và bề mặt xơ cũng tương đối sách tạp chất hơn. Điều này cho thấy nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình xử lý xơ, cụ thể trong thí nghiệm này với NaOH 5%, trong 4 giờ, thì nhiệt độ 50oC cho hiệu quả xử lý tốt hơn so với ở nhiệt độ 31oCvà 40oC.
c
90
3.1.3. Kết luận
Từ các phân tích trên có thể thấy rằng, xơ khóm được xử lý hóa học với NaOH cho hiệu quả xử lý xơ tốt hơn so với xơ chưa qua xử lý hóa học. Cụ thể, đối với nồng độ NaOH 5% và 6% đều cho hiệu quả xử lý tốt, bề mặt xơ tương đối sạch tạp. Cụ thể ở nhiệt độ phòng, nồng độ NaOH 5% và thời gian xử lý 4 giờ và 5 giờ cho hiệu quả tương đối tốt, cịn ở nồng độ 6% thì thời gian xử lý không ảnh hưởng quá nhiều, xơ xử lý trong 3 giờ, 4 giờ, 5 giờ hoặc 6 giờ đều cho hiệu quả tương tự. Tuy nhiên ở nồng độ 6% thì thời gian xử lý càng lâu các xơ cơ bản sẽ tách ra khỏi bề mặt xơ càng nhiều do việc loại bỏ quá mức hàm lượng pectin, lignin và hemicellulose. Nhiệt độ cũng là yếu tố được đưa vào khảo sát và kết quả cho thấy rằng ở nhiệt độ 50oC, nồng độ NaOH 5% trong 4 giờ cho hiệu quả xử lý khá tốt, ảnh chụp SEM hình thái học bề mặt xơ tương đối sạch và ít xơ cơ bản tách ra khỏi bề mặt xơ.
3.2. Đánh giá và so sánh mặt cắt ngang của PALF
Ngồi được quan sát hình thái học bề mặt, PALF sau khi xử lý còn được quan sát và chụp mặt cắt ngang trên kính hiển vi điện tử quét SEM. PALF thuộc dạng xơ kỹ thuật, bao gồm các xơ cơ bản dính vào nhau thành bó rất bền vững bởi các chất lignin, pectin và hemicellulose. Hình 3.9 là mặt cắt ngang của PALF được chụp ở độ phóng đại 2000X. Hình ảnh cho thấy biên dạng mặt cắt ngang của các xơ khóm đơn (xơ cơ bản) khơng hồn tồn giống nhau và đa phần biên dạng là hình dẹt (tương tự với biên dạng của xơ gai – Hình 3.10 d), ở giữa xơ đơn có rãnh – rãnh này là lumen của xơ.
Việc đo đường kính trong xơ 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 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 [11]. Do đó, để có thể đánh giá sơ bộ đường kính của PALF (xơ cơ bản) so với các xơ tự nhiên khác (ví dụ như xơ bơng), tơi đã tiến hành đo đường kính ngẫu nhiên của 5 xơ dựa vào ảnh chụp SEM và lấy giá trị trung bình. Kết quả cho thấy đường kính của xơ PALF đơn vào khoảng 5 – 6 µm. Đường kính này nhỏ hơn đường kính xơ bơng (12 – 25 µm) [40].
91
Hình 3.9: Hình ảnh mặt cắt ngang xơ khóm
Hình 3.10: Hình ảnh mặt cắt ngang của một số xơ thực vật (a) Linen, (b) Cotton, (c) Jute, (d) Ramine [42]
Để so sánh mặt cắt ngang của PALF trước khi xử lý hóa học và PALF sau khi xử lý hóa học