24 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2 1 Nguyên liệu, thiết bị và hóa chất sử dụng 2 1 1 Nguyên vật liệu Vỏ của hạt cà phê được thu gom tại huyện Eakar, tỉnh ĐắkLắk Bã hạt cà phê được thu gom từ những quán cà phê rang xay ở khu vực Gò Vấp, thành phố Hồ Chí Minh Nguyên liệu sau khi thu gom được sơ chế và phơi khô đến khi độ ẩm còn khoảng 5% sau đón đem xay thành bột có kích thước 0 1 – 1 mm, được bảo quản nơi thoáng mát, khô ráo Vải tơ tằm trong luận văn là vải dệt thoi có chi số sợi 401, khối lượng 50gm.
Trang 1CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM
2.1 Nguyên liệu, thiết bị và hóa chất sử dụng
2.1.1 Nguyên vật liệu
Vỏ của hạt cà phê được thu gom tại huyện Eakar, tỉnh ĐắkLắk Bã hạt cà phê được thu gom từ những quán cà phê rang xay ở khu vực Gò Vấp, thành phố Hồ Chí Minh Nguyên liệu sau khi thu gom được sơ chế và phơi khô đến khi độ ẩm còn khoảng 5% sau đón đem xay thành bột có kích thước 0.1 – 1 mm, được bảo quản nơi thoáng mát, khô ráo
Vải tơ tằm trong luận văn là vải dệt thoi có chi số sợi 40/1, khối lượng 50g/m2, đã chuội sẵn đạt độ sáng L* = 88.65; có nguồn gốc từ làng dệt Nha xá, Mộc Nam, Duy Tiên, Hà Nam
2.1.2 Hóa chất, thiết bị
2.1.2.1 Hóa chất
Hóa chất sử dụng cho nghiên cứu được trình bày trong bảng sau:
Bảng 2.1 Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu
6 Nước cất
Trang 22.1.2.2 Dụng cụ và thiết bị
Bảng 2.2 Dụng cụ và thiết bị sử dụng trong nghiên cứu
STT Tên dụng cụ/ thiết bị Xuất xứ/ Nơi xác định
7 Máy nhuộm mẫu ĐH Công Nghiệp TP HCM
9 Máy đo màu L, a, b Viện Công Nghệ Hóa Học
10 Máy quang phổ UV-Vis ĐH Công nghiệp TP HCM
11 Máy đo phổ FT-IR Viện Công Nghệ Hóa Học
12 Máy đo HP-LC Viện Công Nghệ Hóa Học
13 Máy chụp XRD Viện Công Nghệ Hóa Học
2.2 Phương pháp đánh giá kết quả nghiên cứu
Luận văn sử dụng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại để phân tích, đánh giá kết quả nghiên cứu Dịch chiết được đánh giá bằng phương pháp đo UV – Vis, IR hoặc FT – IR, LC – MS, màu sắc và tính chất của vải tơ tằm sau nhuộm được xác định bằng phương pháp đo phổ XRD, đo màu L, a, b và chụp SEM [26] [27] [28] [29] [30]
Trang 32.2.1 Phương pháp UV–Vis
UV-Vis (Ultraviolet-Visible) là phương pháp phân tích sử dụng phổ hấp thụ hoặc phản xạ trong phạm vi vùng cực tím cho tới vùng ánh sáng nhìn thấy được Các đèn phát ra nguồn sáng chiếu vào hệ thống thấu kính tạo ra chùm sáng trắng đi qua khe hẹp vào bộ phận tán sắc Khi chùm sáng trắng chiếu vào lăng kính thì ngay lập tức sẽ
bị tán sắc thành các tia sáng đơn sắc chiếu về mọi phía Tia sáng phản xạ qua các thấu kính gương phẳng ra khỏi buồng tán sắc đến bộ phận phân chia chùm sáng, bộ phận này hướng chùm sáng đến các Curvet đựng mẫu nghiên cứu
Kết quả xác định UV-Vis được thực hiện trên thiết bị Evolution600 UV-Vis Spectrophotometer tại phòng thí nghiệm trường Đại học Công nghiệp Tp Hồ Chí Minh
2.2.2 Kính hiển vi điện tử (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt
là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của
bề mặt mẫu vật rắn bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật
SEM cho hình ảnh vi cấu trúc bề mặt, chứ không phải cấu trúc thực của vật liệu Trong thế giới hiển vi, hình ảnh bề mặt không hoàn toàn giống như những gì ta muốn thấy ở bên trong Mà độ phân giải của SEM tốt nhất đạt cỡ vài nanomet (cỡ dưới 10 nm) SEM rất hữu ích trong các quan sát bề mặt mà đòi hỏi không phá hủy mẫu, SEM hoạt động dễ dàng, không đòi hỏi nhiều trang thiết bị đắt tiền
SEM đã trở thành một công cụ mạnh để khảo sát các tính chất bề mặt của vật liệu trong các khoa học vật lý cũng như khoa học sự sống SEM đã trở nên phổ biến trong ngành công nghiệp bán dẫn mà ở đó chúng được sử dụng để tạo ra (các thiết bị khắc chùm điện tử) và khảo sát vi cấu trúc các cấu kiện cực nhỏ, nó đã trở thành một thiết
bị then chốt trong công nghệ nano
Trang 4Để xác định sự định hình và cấu trúc hình thái của vải trước và sau nhuộm bằng dịch chiết từ vỏ và bã cà phê, thường sử dụng phương pháp chụp SEM, phương pháp này được thực hiện trên thiết bị JFM5500 tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Tp Hồ Chí Minh và tại trung tâm Phân tích Công nghệ cao, Tp Hồ Chí Minh
và phòng thí nghiệm công nghệ Nano Tp Hồ Chí Minh
2.2.3 Nhiễu xạ tia X (XRD)
Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ
Kỹ thuật nhiễu xạ tia X được sử dụng để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu Xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X cũng gần giống với nhiễu xạ điện tử, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là do sự khác nhau về tương tác giữa tia X với nguyên
tử và sự tương tác giữa điện tử và nguyên tử Được dùng để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu, có thể xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể, định lượng pha tinh thể và kích thước hạt với độ tin cậy cao
Để xác định sự tác động của các phần tử mang màu lên cấu trúc tinh thể và cấu trúc
vô định hình trên vải tơ tằm sau nhuộm bằng dịch chiết từ vỏ và bã cà phê tối ưu, sử dụng phương pháp chụp XRD Kết quả XRD của luận án được thực hiện trên thiết bị Siemen D 5000 (Brucker, Đức) tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam,
Tp Hồ Chí Minh Thông số thiết bị đo với ống tia X bằng Cu có bước sóng Kα = 1,540 Åđiện áp 30 KW, cường độ dòng ống phát ra 0,01 A, góc quét 2θ, tốc độ quét 0,020/s
2.2.4 Quang phổ hồng ngoại FT-IR
Được thực hiện ở vùng hồng ngoại của phổ bức xạ điện từ, ánh sáng vùng này có bước sóng dài hơn và tần số thấp hơn so với vùng ánh sáng nhìn thấy Nhiều kỹ thuật
về quang phổ hồng ngoại dựa trên tính chất này, mà hầu hết dựa trên cơ sở của sự hấp thụ quang phổ Phổ kế hồng ngoại hiện đại là loại phổ kế biến đổi Fourier Loại phổ kế mới này khác loại phổ kế tán sắc cũ là thay bộ đơn sắc (lăng kính hoặc cách tử) bằng một giao thoa kế Michelson
Trang 5FT-IR là một phương pháp xác định nhanh và khá chính xác các nhóm chức có trong sản phẩm Phân tử hấp thu năng lượng sẽ thực hiện các dao động (xê dịch các hạt nhân nguyên tử xung quanh vị trí cân bằng), làm giảm độ dài liên kết các phân tử và các góc hoá trị sẽ thay đổi một cách tuần hoàn Đường cong biểu thị sự phụ thuộc độ truyền quang vào bước sóng là phổ hồng ngoại của mẫu phân tích Mỗi nhóm chức hoặc liên kết có một tần số đặc trưng bằng các peak trên phổ hồng ngoại Như vậy căn cứ vào các tần số đặc trưng này có thể xác định được liên kết giữa các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử, từ đó xác định được cấu trúc đặc trưng của chất cần phân tích Các dao động cơ bản gây ra sự thay đổi trong momen lưỡng cực của phân tử sẽ hấp thu năng lượng hồng ngoại ở những tần số nhất định và dẫn đến sự xuất hiện của các dải hấp thu Các dải hấp thu của dao động cơ bản bao gồm dải dao động hóa trị và dải dao động biến dạng
Kết quả đo phổ Raman sử dụng trong luận văn được thực hiện tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Tp Hồ Chí Minh và thiết bị Tensor 37 tại phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia, trung tâm Vật liệu Polymer và composite, đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
2.3 Phương pháp tính toán màu sắc trên vải
Hệ thống màu CIELAB có khoảng cách thị giác màu bằng nhau, sử dụng ba giá trị L*, a*, b*; trong đó, L* là độ sáng của màu, a* là tọa độ màu trên trục đỏ lục, b* là tọa độ màu trên trục vàng lam [2] Các tông màu và độ bão hòa màu được vẽ trên các trục a* và b*; giao điểm của hai trục a* và b* là điểm vô sắc (đen, ghi, trắng tùy thuộc vào độ sáng) Trục độ sáng L* có giá trị từ 0 (đen ở đáy đến 100 (trắng ở đỉnh)
Trang 6Sự thay đổi màu sắc và độ bền màu của vải sau nhuộm được xác định bằng phương pháp đo màu trên hệ thống CIELAB đo 3 thông số L, a, b Cường độ màu, ánh màu được xác định bằng máy đo màu X-Rite-model SP60 của Mỹ
Để thuận tiện cho việc tính toán và so sánh các màu với nhau, người tìm cách thể hiện các màu bằng những con số và sắp xếp chúng một cách có hệ thống, trong đó mỗi màu
có một vị trí nhất định được xác định bởi ba đại lượng: tông màu hoặc ánh màu (H ; độ bão hòa hoặc độ thuần sắc (C và độ sáng (L) [1] Ủy Ban Quốc Tế CIE (Commission Internationale del Eclairage đã phát triển hệ màu CIE vào năm 1931 dựa trên dữ liệu của sắc kế, một loại thiết bị có thể đo lường chính xác bước sóng ánh sáng Đồng thời dựa trên mô hình do James Maxwell đưa ra năm 1857, hệ màu của CIE dùng ba màu cơ bản: đỏ, lục, lam (Red, Green, Blue - RGB); mô hình phổ biến này còn có đặc tính bổ sung là trộn ánh sáng đỏ, lục, lam để có màu trắng Đến năm
1976, CIE đã giới thiệu hệ thống màu CIELAB, hiện vẫn là một trong những hệ màu cho độ chính xác cao nhất để đo lường và tạo ra màu sắc, thường dùng cho hóa học
và những ngành khoa học khác
Hệ thống màu CIELAB có khoảng cách thị giác màu bằng nhau, sử dụng ba giá trị L*, a*, b*; trong đó, L* là độ sáng của màu, a* là tọa độ màu trên trục đỏ lục, b* là tọa độ màu trên trục vàng lam [1] Các tông màu và độ bão hòa màu được vẽ trên các trục a* và b*; giao điểm của hai trục a* và b* là điểm vô sắc (đen, ghi, trắng tùy thuộc vào độ sáng) Trục độ sáng L* có giá trị từ 0 (đen ở đáy đến 100 (trắng ở đỉnh) Một
hệ thống màu được xem là biến thể của hệ thống CIELAB chính là L*C*H*, hệ thống này sử dụng chung biểu đồ với hệ thống CIELAB; nhưng L*C*H* không sử dụng tọa độ vuông mà sử dụng tọa độ góc Trong hệ thống màu này L* biểu thị độ sáng, C* là cường độ màu hay độ bão hòa và H* là góc tông màu Khi biết các giá trị a*, b* sẽ tính được các giá trị cường độ màu C*và H* theo công thức sau:
Trang 7Sự khác nhau giữa hai màu 1 và 2 trong hệ thống CIELAB được xác định thông qua các hiệu số sau:
H*: Sự khác nhau về tông màu
E*: Khoảng cách hình học của hai màu (tổng giá trị sai lệch giữa hai màu)
Nếu L* mang dấu (+): sự lệch màu theo hướng sáng lên, mang dấu (- thì ngược lại Nếu a* mang dấu (+): sự lệch màu theo chiều đỏ hơn, mang dấu (-) thì lục hơn
Nếu b* mang dấu (+): sự lệch màu theo chiều hướng vàng hơn, mang dấu (- thì lam hơn
2.4 Các phương pháp kiểm tra các chỉ tiêu về độ bền và tính sinh thái của vải
tơ tằm
Vải sau nhuộm với dịch chiết từ bã và vỏ cà phê với đơn công nghệ tối ưu được xác định các chỉ tiêu về độ bền màu, độ bền ma sát, độ bền cơ lý và tính sinh thái tại Phân viện Dệt may, 345/128A Trần Hưng Đạo, quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh và Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 3, 49 Pasteur, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh theo các chỉ tiêu cơ bản của ngành dệt may như sau:
2.4.1 Kiểm tra các chỉ tiêu bền màu
Đơn công nghệ của độ bền màu giặt:
− Xà phòng: 4 – 5 g/l
− Na2CO3 : 2 – 3 g/l
− Dung tỷ : 1/40
Trang 8− Thời gian: 30 phút
− Nhiệt độ: 40 – 50 0C
Các mẫu giặt có thể được tiến hành theo qui trình công nghệ sau:
− Giặt ấm ở nhiệt độ 35 – 400C, trong thời gian 30 phút
− Giặt nóng ở nhiệt độ 50 – 600C, trong thời gian 45 phút
− Giặt sôi ở nhiêt độ 93 – 1000C, trong thời gian 30 phút
Đơn công nghệ kiểm tra độ bền màu với mồ hôi:
− NaCl: 5 g/l
− NH4OH 25%: 6 ml/l
− CH3COOH: 7 ml/l
− Nhiệt độ: 40 – 500C
− Thời gian: 30 phút
Ta tiến hành đo L, a, b tính độ lệch màu ΔEch và suy ra độ mềm màu
2.5 Quy trình nghiên cứu
Bã và vỏ cà phê sau khi thu gom tiến hành phơi khô cho ráo nước dưới ánh nắng mặt trời khoảng 120 – 130 phút (hoặc có thể tiến hành sấy nhẹ ở nhiệt độ 60- 70 oC trong vòng 8 tiếng), đối với vỏ thì đem xay nhỏ
Sau quá trình xử lý sơ bộ, tiến hành khảo sát lần lượt các yếu tố sau: tỉ lệ chiết (tỉ lệ
bã (vỏ)/nước), thời gian chiết, nhiệt độ chiết Các sản phẩm sau chiết được đo độ hấp thu để tìm ra điều kiện tối ưu nhất Qua quá trình khảo sát thu được quy trình chiết tối ưu và tiến hành đo độ hấp thu bằng máy đo quang phổ UV – Vis để xác định bước sóng cực đại λmax của dịch chiết, đồng thời kết hợp với việc sử dụng các phương pháp phân tích hóa lý FT- IR để xác định thành phần các chất có trong dịch chiết
Sau khi hình thành quy trình chiết tối ưu từ bã và vỏ, sử dụng dịch chiết để tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhuộm vải tơ tằm của dịch chiết từ bã
và vỏ cà phê như tỉ lệ dịch chiết/nước, thời gian nhuộm, nhiệt độ nhuộm Các sản phẩm dịch trước và sau nhuộm được đo độ hấp thu để xác định độ tận trích và đo chỉ
số L, a, b để đánh giá và chọn ra những điều kiện nhuộm tốt nhất (trước khi tiến hành công đoạn nhuộm, vải được chuẩn bị ở kích thước Công đoạn nhuộm vải được tiến hành ở dung tỉ 1:40) Qua quá trình khảo sát các yếu tố trên sẽ thu được quy trình
Trang 9nhuộm tối ưu (quá trình nhuộm được thực hiện ở điều kiện tối ưu) và sản phẩm sau khi nhuộm bằng quy trình nhuộm tối ưu cũng được xác định các thông số sau: độ bền (bền giặt, bền mồ hôi), Lab, độ tận trích; kết hợp với phân tích FT- IR và LC –MS để xác định khả năng gắn màu của bã cà phê lên vải tơ tằm
Hình 2.1 Quy trình nghiên cứu
Trang 102.6 Khảo sát quá trình trích ly bã và vỏ cà phê
2.6.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ bã (vỏ)/nước đến khả năng trích ly
Bảng 2.3 Thông số các giá trị khảo sát tỉ lệ bã (vỏ)/nước
STT Tỉ lệ bã (vỏ) /nước Nhiệt độ ( o C) Thời gian (phút)
Để khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ bã (vỏ)/nước đến khả năng trích ly, các thí nghiệm được bố trí như sau: Phản ứng được thực hiện ở 60 oC, trong 60 phút với các tỉ lệ bã (vỏ)/nước lần lượt là 1:4, 1:5, 1:6, 1:7 , 1:8, 1:9, 1:10
Các mẫu thí nghiệm này được kiểm tra bằng phương pháp đo UV-Vis để xác định giá trị λmax và độ hấp thu A So sánh các giá trị vừa tìm được từ đó xác định được tỉ lệ chiết thích hợp nhất
2.6.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng trích ly bã và vỏ cà phê
Phản ứng được thực hiện trong 60 phút, tỉ lệ bã (vỏ)/nước lấy kết quả từ (2.6.1), tương ứng với nhiệt độ lần lượt là 50, 60, 70, 80, 100 oC trong 60 phút
Các mẫu thí nghiệm này được kiểm tra bằng phương pháp đo UV-Vis để xác định giá trị λmax và độ hấp thu A So sánh các giá trị vừa tìm được từ đó xác định được nhiệt độ chiết thích hợp nhất
Trang 11Bảng 2.4 Thông số các giá trị khảo sát nhiệt độ
STT Tỉ lệ bã (vỏ)/nước Nhiệt độ ( o C) Thời gian (phút)
2.6.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng trích ly bã và vỏ cà phê
Phản ứng thực hiện ở tỉ lệ bã (vỏ) cà phê/nước lấy từ kết quả làm tại (2.6.1), nhiệt độ tại kết quả của (2.6.2) với thời gian khảo sát lần lượt là 40, 50, 60, 70, 80, 100 phút Các mẫu thí nghiệm này được kiểm tra bằng phương pháp đo UV-Vis để xác định giá trị λmax và độ hấp thu A So sánh các giá trị vừa tìm được từ đó xác định được thời gian chiết thích hợp nhất
Bảng 2.5 Thông số các giá trị khảo sát thời gian
STT Tỉ lệ bã (vỏ)/nước Nhiệt độ ( o C) Thời gian (phút)
Trang 122.6.4 Trích ly theo điều kiện tối ưu và đo mẫu
Với tỉ lệ, nhiệt độ và thời gian vừa thu được, tiến hành trích ly theo điều kiện này, để tạo ra dịch chiết phù hợp dùng cho quá trình nhuộm và sử dụng kiều kiện chiết này
cố định cho tất cả khảo sát, chọn dung tỉ 1/40 để thực hiện toàn bộ thí nghiệm
2.7 Khảo sát quá trình nhuộm từ dịch chiết bã và vỏ cà phê
2.7.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ dịch chiết/ nước đến khả năng nhuộm màu
Để khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ dịch chiết bã (vỏ)/nước đến khả năng nhuộm, các thí nghiệm được bố trí như sau: Dung tỉ 1/40, phản ứng được thực hiện ở 60 ℃, trong thời gian 60 phút với các tỉ lệ dịch chiết bã (vỏ)/nước lần lượt là 1:1, 1:2, 1:4, 1:6 , 1:8, 1:10, 2:1, 3:1
Các mẫu thí nghiệm này được kiểm tra bằng phương pháp đo UV-Vis để xác định độ hấp thu quang A ở 2 thời điểm trước nhuộm và sau nhuộm từ đó tính được độ tận trích So sánh giữa các kết quả thu được để lựa chọn được tỉ lệ dịch nhuộm thích hợp
Bảng 2.6 Thông số các giá trị khảo sát tỉ lệ dịch chiết bã (vỏ)/nước
STT Tỉ lệ dịch chiết
bã (vỏ)/nước Nhiệt độ ( o C) Thời gian (phút)
