Khảo sát mối quan hệ giữa cấu trúc tinh thể và các đặc trưng cơ lý của xơ bông

Đề tài này tiến hành khảo sát mối quan hệ giữa cấu trúc tinh thể một số giống bông Việt Nam niên vụ 2007-2008 và bông Mỹ - ngoại nhập với các đặc trưng cơ lý của chúng nhằm đánh giá mối

CHƯƠNG I-TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC HÌNH THÁI, ĐẶC

TRƯNG CƠ LÝ CỦA XƠ BÔNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

ĐO CÁC ĐẶC TRƯNG NÀY Error! Bookmark not defined

1.1 Tình hình sử dụng xơ bông trong công nghiệp Dệt MayError! Bookmark not defined 1.1.1 Tình hình sử dụng và sản xuất bông trên thế giớiError! Bookmark not defined

1.1.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất bông ở Việt NamError! Bookmark not defined 1.2 Các vấn đề liên quan đến cấu trúc xơ bôngError! Bookmark not defined

1.2.1 Nguồn gốc Error! Bookmark not defined

1.2.2 Hình thái và cấu trúc vật lý của xơ bông.Error! Bookmark not defined

1.2.3 Thành phần hoá học của xơ bông Error! Bookmark not defined

1.2.4 Cấu trúc tinh thể của xenlulô Error! Bookmark not defined

1.2.4.1 Khái quát hình thái cấu trúc tinh thể của xenlulô-bông.Error! Bookmark not defined 1.2.4.2 Cấu trúc tinh thể xenlulo nguyên bản Error! Bookmark not defined

1.2.5 Mối quan hệ giữa cấu trúc tinh thể và đặc trưng cơ lý của xơ bôngError! Bookmark no 1.3 Phương pháp xác định cấu trúc tinh thể xơ bôngError! Bookmark not defined

1.3.1 Các phương pháp xác định cấu trúc xơ bôngError! Bookmark not defined

1.3.2 Phương pháp đo nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined

1.3.1.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined

1.3.1.4 Ứng dụng của tia X trong nghiên cứu khoa học và Dệt MayError! Bookmark not de 1.4 Phương pháp đo các tính chất cơ lý của xơ bông trên HVIError! Bookmark not define 1.4.1 Các tính chất cơ lý của xơ bông xác định trên HVIError! Bookmark not defined 1.4.1 Phương pháp đo các đặc trưng cơ lý của xơ bông trên HVIError! Bookmark not defin 1.3.2.4 Ứng dụng của thiết bị HVI trong nghiên cứu dệt mayError! Bookmark not defined

2.3 Phương pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined

2.3.1 Phương pháp xác định các đặc trưng cơ lýError! Bookmark not defined

2.3.2 Phương pháp xác định các thông số cấu trúc tinh thểError! Bookmark not defined

2.3.3 Xác định tương quan giữa các đặc trưng cơ lý và thông số cấu trúc của

xơ bông Error! Bookmark not defined

2.3.3.1 Phương pháp hệ số tương quan và phương trình hồi quiError! Bookmark not define 2.3.3.2 Các bước tiến hành xử lý dữ liệu Error! Bookmark not defined

2.3.3.3 Kết luận Error! Bookmark not defined

NHẬN XÉT VÀ BIỆN LUẬN KẾT QUẢ Error! Bookmark not defined

3.1 Kết quả xác định các đặc trưng cơ lý của các mẫu xơ bôngError! Bookmark not define 3.2 Kết quả nghiên cứu tỷ lệ tinh thể của các mẫu xơ bôngError! Bookmark not defined 3.2.1 Khoảng cách các mặt tinh thể và độ định hướngError! Bookmark not defined

3.2.2 Tỷ lệ vùng tinh thể, vùng vô định hình và kích thước hạtError! Bookmark not defined 3.3 Tương quan giữa các đặc trưng cơ lý và cấu trúc tinh thể của bông

Việt Nam và Bông Mỹ nhập ngoại Error! Bookmark not defined

KẾT LUẬN CHUNG Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined

LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I-TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC HÌNH THÁI, ĐẶC TRƯNG

CƠ LÝ CỦA XƠ BÔNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO CÁC

ĐẶC TRƯNG NÀY 9

1.1 Tình hình sử dụng xơ bông trong công nghiệp Dệt May 9

1.1.1 Tình hình sử dụng và sản xuất bông trên thế giới 9

1.1.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất bông ở Việt Nam 12

1.2 Các vấn đề liên quan đến cấu trúc xơ bông 15

1.2.1 Nguồn gốc 15

1.2.2 Hình thái và cấu trúc vật lý của xơ bông 16

1.2.3 Thành phần hoá học của xơ bông 23

1.2.4 Cấu tạo xenlulô 25

1.2.5 Cấu trúc tinh thể của xenlulô 29

1.2.5.1 Khái quát hình thái cấu trúc tinh thể của xenlulô-bông 29

1.2.5.2 Cấu trúc tinh thể xenlulo nguyên bản 32

1.2.6 Mối quan hệ giữa cấu trúc và đặc trưng cơ lý của xơ bông 40

1.3 Phương pháp xác định cấu trúc tinh thể xơ bông 41

1.3.1 Các phương pháp xác định cấu trúc xơ bông 41

1.3.2 Phương pháp đo nhiễu xạ tia X 43

1.4 Phương pháp đo các tính chất cơ lý của xơ bông trên HVI 51

1.4.1 Các tính chất cơ lý của xơ bông xác định trên HVI 53

1.4.2 Phương pháp đo các đặc trưng cơ lý của xơ bông trên HVI 56

CHƯƠNG II-NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 62

2.1 Mục đích của đề tài 62

2.2 Đối tượng nghiên cứu 62

2.3 Nội dung nghiên cứu 63

2.4 Phương pháp nghiên cứu 64

2.4.1 Phương pháp xác định các đặc trưng cơ lý 65

2.4.2 Phương pháp xác định các thông số cấu trúc tinh thể 65

2.4.3 Xác định tương quan giữa các đặc trưng cơ lý và các thông số cấu trúc của xơ bông 73

2.4.3.1 Phương pháp hệ số tương quan 73

2.4.3.2 Các bước tiến hành xử lý dữ liệu 74

2.4.3.3 Kết luận 75

CHƯƠNG III-NHẬN XÉT VÀ BIỆN LUẬN KẾT QUẢError! Bookmark not defined 3.1 Kết quả xác định các đặc trưng cơ lý của các mẫu xơ bôngError! Bookmark not defined 3.2 Kết quả nghiên cứu tỷ lệ tinh thể của các mẫu xơ bôngError! Bookmark not defined 3.2.1 Khoảng cách các mặt tinh thể và độ định hướngError! Bookmark not defined 3.2.2 Giá trị bề rộng 1/2 cường độ cực đại Error! Bookmark not defined 3.2.3 Tỷ lệ vùng tinh thể, vùng vô định hình và kích thước hạt Error! Bookmark not defined 3.3 Tương quan giữa các đặc trưng cơ lý và cấu trúc tinh thể của bông Việt Nam và Bông Mỹ nhập ngoại Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN CHUNG Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Dệt may Việt Nam(VN) đã lọt vào top 10 nước xuất khẩu (XK) hàng dệt may lớn nhất thế giới Kim ngạch XK hàng dệt may luôn đứng ở vị trí nhóm ngành hàng đứng đầu nhưng giá trị gia tăng còn thấp và vẫn phụ thuộc vào nguyên liệu của nước ngoài Trong đó, sản lượng bông tại VN cũng chỉ mới đáp ứng được khoảng 2% nhu cầu bông xơ cho ngành sợi Theo thống kê, ở thời điểm năm 2008-2009, diện tích trồng bông trên cả nước trên khoảng 3.000 ha, năng suất trung bình đạt khoảng 400kg bông xơ/ha Ngành dệt sợi của VN phải nhập khẩu gần 100% bông xơ từ nước ngoài Tập đoàn Dệt May Việt Nam (Vinatex) đang xây dựng chương trình phát triển cây bông vải với nhiều dự án sản xuất quy mô trên diện tích rộng lớn như nông trường, trang trại tại các tỉnh Tây Nguyên và vùng duyên hải miền Trung Công ty Cổ Phần Bông Việt Nam cho biết, theo kế hoạch, diện tích trồng bông vải trên cả nước trong niên vụ 2009-2010 này sẽ tăng từ 3.000 ha lên 8.500 ha, sản lượng bông hạt thu hoạch trong niên vụ 2009-2010 năm nay ước đạt khoảng 10.000 tấn Hiện nay, diện tích trồng bông tại VN tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên (42%), vùng duyên hải miền Trung (33%), miền Bắc (20%) và Đông Nam bộ (5%), trong đó có 8 dự án phát triển cây bông của VinatexMart, Viện nghiên cứu bông Nha Hố, Công ty Cổ Phần Bông Tây Nguyên… được đầu tư quy mô, tập trung ở các tỉnh Bình Thuận, Ninh Thuận, Gia Lai, Đắc Lắc, Đắc Nông Vinatex dự kiến, đến năm 2020 diện tích trồng bông tại VN sẽ tăng lên

76.000 ha.Sự phụ thuộc quá lớn vào nguồn nguyên liệu bông nhập khẩu đó ảnh hưởng trực tiếp đến ngành dệt may Việt Nam, bài toán đặt ra là làm thế nào để chọn tạo giống và sản xuất được bông chất lượng xơ cao, chọn điều kiện chăm sóc và gieo trồng tốt để cây bông cho năng suất cao, chất lượng xơ tốt đáp ứng phần nào nhu cầu của ngành Dệt May trong nước

Hơn nữa, cùng với sự phát triển của xã hội thì yêu cầu về chất lượng của sản phẩm may mặc cũng ngày càng khắt khe Người dân cũng ngày càng yêu cầu những sản phẩm cao cấp, để làm được những sản phẩm cao cấp thì tất nhiên nguyên liệu phải có những đặc tính kỹ thuật và đặc trưng cơ lý tốt, mà bản chất của đặc trưng này là cấu trúc của vật liệu Vi cấu trúc của xơ dệt là một vấn đề phức tạp, đây là một thông số chịu ảnh hưởng nhiều của nguyên liệu và quá trình hình thành Đối với các xơ thiên nhiên thực vật thì đó là giống và điều kiện sinh trưởng (như thời tiết và điều kiện chăm bón) Để hiểu

về mối tương quan giữa tính chất cơ lý, vi cấu trúc của vật liệu nói chung và các các giống bông Việt Nam nói riêng, nhất là các giống bông mới lai tạo đạt tiêu chuẩn quốc gia thì cần phải có nhiều nghiên cứu để làm sáng tỏ vấn đề này, từ đó mới hiểu được phần nào bản chất của sự ảnh hưởng giữa cấu trúc

và đặc trưng cơ lý của vật liệu, để từ đó có phương pháp chọn giống, chế độ chăm bón cũng như sử dụng vật liệu cho phù hợp Tuy nhiên vì hạn chế thời gian trong khuôn khổ một luận văn cao học, nên trong đề tài này chúng tôi chỉ thực hiện khảo sát mối quan hệ giữa vi cấu trúc và đặc trưng cơ lý của xơ bông Việt Nam, đây cũng chính là lý do thúc đẩy chúng tôi thực hiện đề tài: “

Khảo sát mối quan hệ giữa cấu trúc tinh thể và các đặc trưng cơ lý của

xơ bông”

Đề tài này tiến hành khảo sát mối quan hệ giữa cấu trúc tinh thể một số giống bông Việt Nam niên vụ 2007-2008 và bông Mỹ - ngoại nhập với các đặc trưng cơ lý của chúng nhằm đánh giá mối quan hệ giữa cấu trúc và tính

chất (chất lượng) của vật liệu, cũng như ảnh hưởng điều kiện sinh trưởng và phát triển của cây bông đến các đặc trưng này

Để đạt được mục tiêu này, đề tài được tiến hành theo các bước như sau:

1 Chương I: Tổng quan về cấu trúc hình thái, đặc trưng cơ lý của xơ bông và các phương pháp đo

2 Chương II: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

3 Chương III: Kết quả và bàn luận

Luận văn này được thực hiện tại Khoa Công nghệ Dệt May và Thời trang của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tại Viện Dệt May và Viện Khoa học Công nghệ và Vật liệu Việt Nam

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS TS Vũ Thị Hồng Khanh – một nhà giáo tâm huyết – người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài Xin được cảm ơn ban Chủ nhiệm Khoa Công nghệ Dệt May và Thời trang, ban Lãnh đạo Viện Dệt May, Viện Khoa Học Vật Liệu, các thầy cô giáo trong Khoa, Trung tâm Thí nghiệm Dệt May - Viện Dệt May và các anh chị em cùng bạn bè đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này

Các hình vẽ và bảng biểu

Bảng biểu

Bảng 1 1 - Diễn biến tình hình sản xuất bông của thế giới

Bảng 1.2 – Tình hình bông nhập khẩu một vài năm gần đây

Bảng 1.3 - Sự phân bố xenlulô và tạp chất ở xơ bông

Bảng 1.4 - Thành phần xơ bông theo thời gian sinh trưởng

Bảng 1.5 - Chu kỳ, góc và thể tích (V) của ô đơn vị mạng lưới tinh thể đối với

các loại xenlulo nguyên bản

Bảng 1.6 - Khoảng cách giữa các mặt phẳng và kích thước các tinh thể xenlulô

nguyên bản

Bảng 1.7- Các giá trị chiều dài sóng đặc trưng của một số kim loại thường

dùng làm đối catot (anot) trong phân tích Röntgen

Bảng 2.1- Các mẫu bông tiến hành nghiên cứu

Bảng 2.2- Cường độ nhiễu xạ pha tinh thể các mẫu bông Việt Nam

Bảng 2.3- Cường độ nhiễu xạ pha tinh thể các mẫu bông Mỹ

Bảng 2.4- Mối liên hệ cường độ nhiễu xạ giữa Ia và Ic

Bảng 2.5 – Các cặp thông số đặc trưng cấu trúc và cơ lý tiến hành tìm tương

quan

Bảng 3.1- Đặc trưng cơ lý của các mẫu xơ bông Việt Nam

Bảng 3.2- Đặc trưng cơ lý của các mẫu xơ bông Mỹ

Bảng 3.3- Khoảng cách giữa các mặt tinh thể xenlulô bông Việt Nam

Bảng 3.4- Khoảng cách giữa các mặt tinh thể xenlulô và cường độ nhiễu xạ

bông Mỹ

Bảng 3.5- Giá trị bề rộng ½ cường độ cực đại của các mẫu bông Việt Nam

Bảng 3.6- Giá trị bề rộng ½ cường độ cực đại của các mẫu bông Mỹ

Bảng 3.7- Tỷ lệ % vùng tinh thể và kích thước hạt các mẫu bông Việt Nam Bảng 3.8- Tỷ lệ % vùng tinh thể và kích thước hạt các mẫu bông Mỹ

Bảng 3.9- Tương quan giữa các thông số cấu trúc và đặc trưng cơ lý của bông

Việt Nam

Bảng 3.10- Tương quan giữa các thông số cấu trúc và đặc trưng cơ lý bông Mỹ

Hình vẽ Hình 1.1-Biểu đồ nhập khẩu bông một vài năm gần đây

Hình 1.2- Hình thái cấu trúc của xơ bông

Hình 1.3- Cấu trúc vi mô của xơ bông

Hình 1.4 a - vùng vô định hình; b - vùng kết tinh nhưng không định hướng;

c - vùng định hướng và kết tinh

Hình 1.5 a, liên kết H nội phân tử do Hermans đưa ra; b, liên kết H nội phân

tử do Champetier đưa ra

Hình 1.6- Mô hình mạng lưới tinh thể xenlulo

Hình 1.7- Hình chiếu bằng tinh thể cơ bản của xenlulô thiên nhiên (I) xenlulô

tái sinh (II)

Hình 1.8- Hình chiếu đứng tinh thể cơ bản của xenlulô Mạch trung tâm nằm

xen kẽ và song song với các mạch bên

Hình 1.9- Mô hình mạch xenlulo

Hình 1.10- Hình chiếu của ô đơn vị mạng lưới tinh thể của Xenlulô I trên mặt

phẳng bc do Honjo và Vatanabe đề nghị

Hình 1.11- Mô hình cấu trúc xenlulo nguyên bản

Hình 1.12- Hình ô đơn vị mạng tinh thể của xenlulô, sự kết bó các mạch

Hình 1.13- Mô hình xenlulô I α trong đó O- nguyên tử Oxi và lưới liên kết hydro Hình 1.14- Mô hình xenlulô I β trong đó O-nguyên tử và lưới liên kết hydro

Hình 1.15- Mối quan hệ giữa ô đơn vị tinh thể xenlulo I β và I α

Hình 1.16- Bước sóng của tia X

Hình 1.17- Phổ nhiễu xạ của xơ bông

Hình 1.18- Sơ đồ pha các tia X phản xạ trên tinh thể

Hình 1.19- Ghi lại hiện tượng nhiễu xạ

Hình 2.3- Đồ thị tương quan giữa cường độ nhiễu xạ Ic và Ia bông VNTB

Hình 2.4- Đồ thị tương quan giữa cường độ nhiễu xạ Ic và Ia bông Mỹ TB Hình 2.5 a-vạch nhiễu xạ; b-Cách xác định độ rộng I/2 cường độ vạch nhiễu xạ Hình 3.1- Biểu đồ phổ nhiễu xạ tia X của một mẫu bông

Hình 3.2- Đồ thị tương quan tỷ lệ kết tinh và độ bền bông VNTB

Hình 3.3- Đồ thị tương quan tỷ lệ vô định hình và độ bền bông VNT

Hình 3.4- Đồ thị tương quan tỷ lệ kết tinh và độ bền bông Mỹ

Hình 3.5- Đồ thị tương quan tỷ lệ vô định hình và độ bền bông Mỹ

Một số ký hiệu và ký tự viết tắt

Ký tự,

ký hiệu Từ được viết tắt

Ký tự,

ký hiệu Từ được viết tắt

SCI Chỉ số khả năng kéo sợi Ia Cường độ nhiễu xạ pha tinh thể

Len Chiều dài trung bình nửa trên Xc Cường độ nhiễu xạ pha vô định hình

đại

1.1 Tình hình sử dụng xơ bông trong công nghiệp Dệt May

1.1.1 Tình hình sử dụng và sản xuất bông trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới có khoảng hơn 50 quốc gia sản xuất bông vải, tập trung chủ yếu ở các nước có điều kiện khí hậu nhiệt đới và Á nhiệt đới, với diện tích khoảng 30,4 triệu ha (năm 2009-2010) và dự kiến sản lượng khoảng 23,6 tấn năm Trong đó, các nước có diện tích trồng bông đứng đầu thế giới là

Ấn Độ, Mỹ, Pakistan, Úc, Trung Quốc, Brazil, Uzbekistan, Thổ Nhĩ Kỳ, Hy Lạp, Mexico… Khi nền kinh tế thế giới dần ổn định và triển vọng kinh tế cho năm 2010 cải thiện ở hầu hết các nước trên thế giới, thì tiêu thụ sản phẩm bông và sợi bông sẽ dần hồi phục Lượng xơ bông toàn cầu sử dụng được dự báo sẽ tăng trưởng 2% trong niên vụ 2009-2010 lên 23.600.000 tấn Sự gia tăng nhỏ này sẽ được thúc đẩy bởi Châu Á, đặc biệt là Trung Quốc (Đại lục),

Ấn Độ và Pakistan, giúp cho lượng bông sử dụng trên thế giới tăng từ 76% đến 77% trong năm 2009-2010

Ấn Độ nước sản xuất bông lớn thứ 2 thế giới, có thể tăng gấp đôi trong niên vụ 2009-2010 bắt đầu từ tháng 10, bởi giá cao trên thị trường nội địa khuyến khích người trồng bông mở rộng diện tích trồng trọt, trong bối cảnh thiếu cung trên thị trường thế giới Tiêu thụ bông thế giới dự báo sẽ tăng trong năm tới, bởi kinh tế ổn định trở lại Hiệp hội Bông Ấn Độ dự báo xuất khẩu từ nước này sẽ đạt 6,5 triệu kiện (mỗi kiện bằng 170 kg) so với 3,2 triệu kiện trong vụ năm nay Vụ 2008-2009, xuất khẩu bông của Ấn Độ đã giảm 59% so với năm trước, do chính sách trợ giá bông của chính phủ nước này khiến bông

Ấn Độ không thể cạnh tranh được trên thị trường thế giới Sản lượng bông Ấn

Độ vụ 2009-2010 dự kiến đạt 31,2 triệu kiện, tăng 6,7% so với 29,3 triệu kiện niên vụ trước Diện tích trồng bông có thể đạt kỷ lục 10 triệu ha Ấn Độ sẽ là một trong số ít những quốc gia có sản lượng bông tăng trong năm nay

Sản lượng bông thế giới niên vụ 2009-2010 dự báo giảm xuống 23,3 triệu tấn, so với 23,4 triệu tấn niên vụ trước, do sản lượng giảm ở Trung Quốc - nước sản xuất bông lớn nhất thế giới, Trung Á, Brazil, Thổ Nhĩ Kỳ và Mexico Sản lượng có thể sẽ tăng ở Ấn Độ, Mỹ, Pakistan và Australia Ấn Độ

là một những quốc gia có phạm vi trồng và chế biến bông lớn nhất thế giới, thị phần của Ấn Độ tại thị trường bông thế giới luôn ở vị trí hàng đầu Trong thế kỷ 20, bông càng trở nên quan trọng trong việc tạo ra biểu tượng cho quốc gia này Bước vào thế kỷ 21, với kỹ thuật ngày càng phát triển và sự toàn cầu hoá thị trường, Ấn Độ trở thành quốc gia không thể thiếu trên thị trường bông quốc tế Mặc dù đôi lần bị phủ bởi chiếc bóng của Trung Quốc (quốc gia sản xuất, nhập khẩu và tiêu thụ bông lớn nhất thế giới), nhưng quốc gia Nam Á vẫn luôn chứng tỏ mình là một trong những nước chủ chốt của thị trường bông Dệt là ngành lớn thứ 2 tại quốc gia này (sau ngành nông nghiệp) với hơn 35 triệu lao động Sự lớn mạnh của ngành dệt phải kể đến sự mở rộng không ngừng của thị trường thế giới, đặc biệt là khi kết thúc Hiệp định WTO

về xơ vào cuối năm 2004 Ấn Độ dành nhiều đất cho trồng bông hơn bất cứ quốc gia nào trên thế giới Diện tích trồng bông của Ấn Độ chiếm 30,4% tổng diện tích bông của thế giới trong vụ mùa 2008-2009 Trong khi đó con số của Trung Quốc là 20,5% và Mỹ là 9,9% Thậm chí Ấn Độ chỉ đứng sau Trung Quốc về sản lượng bông trong vụ mùa 2008-2009 ở mức 17,8 triệu kiện (trong khi Trung Quốc là 33,5 triệu kiện) Tuy vậy về năng suất, Ấn Độ vẫn còn kém các nước khác Năng suất trồng bông tại quốc gia Nam Á này là 523kg/ha, thấp hơn nhiều so với năng suất 1.331kg/ha của Trung Quốc và mức trung bình của thế giới 766kg/ha Mức tiêu thụ bông của Ấn Độ đã tăng 35% từ 13,5 triệu kiện năm 2003-2004 lên mức dự đoán 22,5 triệu kiện trong

vụ mùa năm nay Ấn Độ là hiện là nhà xuất khẩu bông lớn thứ 3 tại Mỹ, chiếm khoảng 10% thị phần nước này Sự tăng trưởng kinh tế của Ấn Độ trong thập kỷ vừa qua đã mở rộng phạm vi thị trường nội địa, dẫn theo sự lớn mạnh của tiêu dùng quần áo và tạo ra nhiều sự lựa chọn cho người tiêu dùng quốc gia này

Với sự tăng trưởng kinh tế mạnh mẽ, lượng tiêu thụ bông của Ấn Độ trong 1 thập kỷ qua đã tăng 35% Tuy nhiên sức tiêu thụ nội địa này không tăng nhanh bằng mức tăng 105% của sản lượng nên tồn tại một lượng bông

dư thừa lớn Chính vì lẽ đó, Ấn Độ đó trở thành một trong những nước xuất khẩu bông thô hàng đầu thế giới Những nước nhập khẩu bông lớn nhất của

Ấn Độ là Trung Quốc (hơn 70%), Pakistan, Bangladesh và Thái Lan

Bảng 1 1 - Diễn biến tình hình sản xuất bông của thế giới

Tổng sản lượng Niên vụ

Triệu tấn Triệu kiện 2007-2008 26,39 121,2 2008-2009 23,1 106,0

(Nguồn: Ủy ban tư vấn bông quốc tế - ICAC, http://www.icac.org)

1.1.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất bông ở Việt Nam

Ngành sợi VN hiện có 4 triệu cọc sợi - trung bình 1 cọc sợi cần khoảng 100kg bông xơ/năm Nếu tính như trên thì ngành sợi cần khoảng 400.000 tấn nguyên liệu/năm cho sản xuất Hiện nay, ngành sợi sử dụng 50% sợi bông và 50% sợi tổng hợp Như vậy, bông xơ cần sử dụng khoảng 200.000 tấn/năm Khi tăng thêm diện tích trồng bông lên 8.500 ha trong năm nay, với sản lượng

dự kiến thu hoạch được 10.000 tấn bông hạt thì sản lượng bông xơ cả năm chỉ được khoảng 3.500÷3.700 tấn - chỉ đáp ứng 2% nhu cầu Bởi vậy nguồn nguyên liệu bông gần như nhập khẩu hoàn toàn

Bảng 1.2 – Tình hình bông nhập khẩu một vài năm gần đây

(nguồn vinatex: http://www.vinatex.org.vn)

Hình 1.1-Biểu đồ nhập khẩu bông một vài năm gần đây

Hiện nay, Chính phủ đã giao cho Vinatex làm đầu mối phục hồi phát triển cây bông, đi cùng với đó là các dự án phát triển thủy lợi phục vụ nước tưới ở vùng trọng điểm trồng bông Ông Nguyễn Hữu Bình, Chủ tịch Hội

đồng quản trị Công ty Cổ Phần Bông Việt Nam cho biết, hiện nay đã có 8 dự

án phát triển cây bông của VinatexMart, Viện nghiên cứu bông Nha Hố, Công

ty Cổ Phần Bông Tây Nguyên… được đầu tư quy mô, trồng theo mô hình trang trại, nông trường ở các tỉnh Tây Nguyên, duyên hải miền Trung trên diện tích 22.000 ha Diện tích mỗi trang trại từ 1.000 ha đến 4.500 ha, tập trung ở các tỉnh Bình Thuận, Ninh Thuận, Giai Lai, Đắc Lắc, Đắc Nông Vinatex dự kiến, đến năm 2020 diện tích trồng bông tại VN sẽ tăng lên 76.000 ha Tuy nhiên, đây là việc đầu tư mang tính lâu dài, sẽ trải qua nhiều quá trình Để chuẩn bị trồng trên diện rộng, hiện các đơn vị đó tiến hành trồng thử nghiệm trên diện tích nhỏ, ở hai trung tâm giống tại Phan Rang (Ninh Thuận) Hiện nay, việc đầu tư sản xuất cây bông vải chủ yếu là đầu tư liên kết sản xuất trong nông dân Theo kế hoạch của Công ty CP Bông VN, việc phục hồi phát triển cây bông mới bắt đầu, hiện tại chỉ dừng lại ở việc duy trì sản xuất và chuẩn bị cho việc mở rộng diện tích sau này Giống cây trồng vẫn sử dụng nguồn giống cũ sẵn trong nước Trước áp lực giá bông thế giới giảm, để duy trì giá bông và để đạt được hiệu quả, ngành bông VN đã thành lập Quỹ

ổn định sản xuất bông cho người trồng Hiện nay, các doanh nghiệp liên kết đầu tư sẽ cung cấp giống, thuốc trừ sâu, kỹ thuật trồng miễn phí cho nông dân Giá thu mua tăng lên 9.000 đồng/kg bông hạt so với giá 7.000 đồng/kg thời điểm năm 2008 Dự kiến diện tích trồng bông trên cả nước trong niên vụ sau sẽ tăng lên khoảng 10.500 ha Đây là thuận lợi cho việc nghiên cứu phát triển sản xuất bông ở nước ta Với những tiềm năng vốn có về đất đai, giống bông, các biện pháp kỹ thuật nhằm tăng năng suất, chúng ta cần phải có những giải pháp và định hướng cụ thể trong thời gian tới để nâng cao năng suất và mở rộng diện tích

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và sử dụng các giống bông Việt Nam bắt đầu từ những năm 1980 cho đến nay đã đạt được những thành tựu đáng kể,

việc nhập nội nhiều giống có nguồn gen quý giúp thay đổi khả năng của cây bông như kháng sâu, kháng rầy, chất lượng xơ tốt đã giúp cho công tác nghiên cứu chọn tạo giống bông ở nước ta có những bước đột phá mới Thông qua đó, từ năm 2001 đến nay, nhiều giống lai mới lần lượt ra đời và ứng dụng vào sản xuất, đáp ứng kịp thời nhu cầu đa dạng hoá bộ giống sản xuất trên nhiều vùng sinh thái trồng bông của Việt Nam, trong đó nổi bật nhất là các giống bông lai: VN01-2, VN35, KN06 Các giống bông này bên cạnh khả năng cho năng suất với ưu thế lai khá cao (20-30%), chúng còn có khả năng kháng sâu xanh tốt, trong đó giống VN15, VN01-2 bên cạnh khả năng kháng sâu xanh còn kết hợp được khả năng kháng rầy xanh chích hút; giống VN35 kết hợp được khả năng kháng sâu và chống chịu thuốc trừ cỏ Sản xuất bông nước ta trong những năm qua có sự biến động lớn Vụ 2008-2009 diện tích chỉ còn 3.000 ha với sản lượng 2.500 tấn Sản lượng bông xơ sản xuất trong nước hiện chỉ mới đảm bảo khoảng 2% nhu cầu của ngành Dệt

Về nghiên cứu xơ bông Việt Nam cũng đã có nhiều tác giả nghiên cứu: Chúng ta đã có một số nghiên cứu như: Đề tài 16.01.02 “ Thiết lập và áp dụng quy trình công nghệ mặt hàng vải , chỉ từ xơ bông trong nước pha trộn với các

xơ khác để tạo khả năng dệt các sản phẩm tiêu dùng và xuất khẩu” (1981- 1985)do PTS Nguyễn Thị Báu – Viện Công nghiệp Dệt Sợi là chủ nhiệm”; “ Chương trình 16 A Cây bông” (1986-1990) do PTS Nguyễn Hữu Bình – Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu cây bông là chủ nhiệm; đề tài KC07-02 (1991-1995) “ Tạo giống, kỹ thuật trồng trọt phòng trừ sâu bệnh, xác định cấu trúc, tính chất cơ lý – hoá, công nghệ và thiết bị kéo sợi-dệt-hoàn tất mặt hàng từ các giống bông mới” do PGS-.PTS Nguyễn Thị Báu chủ trì; luận văn Thạc sỹ khoa học (2004) "So sánh sự tương quan giữa các đặc trưng độ chín,

độ mảnh của xơ bông Việt Nam và xơ bông ngoại nhập đo bằng phương pháp

cổ điển và phương pháp hiện đại" do Trần Thu Dung thực hiện; luận văn Thạc

sỹ khoa học (2005) "Nghiên cứu cấu tạo và thành phần hóa học của một số mẫu bông xơ sản xuất ở nước ta" do Cao Hữu Hiếu thực hiện; đề tài cấp bộ công thương (2006) "Nghiên cứu ảnh hưởng của một số đặc trưng cấu tạo và tính chất của bông Việt Nam trong niên vụ 2005-2006 đến quá trình xử lý hóa học của xơ bông" do Ths Trần Minh và KS Trần Thị Mỹ Hải thực hiện v.v nhưng các tác giả chủ yếu tập trung vào nghiên cứu thành phần hóa học, độ trùng hợp (DP), khối lượng phân tử, phân tích một số đặc điểm về cấu trúc hình thái, cấu tạo và tính chất sử dụng, về cấu trúc tinh thể mới chỉ dừng lại ở việc xác định BM, tỷ lệ tinh thể, khoảng cách giữa các mạng tinh thể và chưa

đi vào nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc tinh thể và các đặc trưng cơ lý của xơ bông, trong đề tài này chúng tôi muốn tiếp nối và tập trung vào khảo sát mối quan hệ trên

1.2 Các vấn đề liên quan đến cấu trúc xơ bông

1.2.1 Nguồn gốc

Bông là xơ thiên nhiên có nguồn gốc thực vật, thu được từ quả cây bông, được dựng phổ biến trong ngành dệt từ lâu đời Theo các tài liệu khảo cổ học thì bông đó được sử dụng làm sợi dệt ở ấn Độ cách đây 5000 năm Cây bông thuộc họ Malvacae, là loại cây ưa nắng ấm và cần nhiều ánh sáng để phát triển Từ khi gieo hạt đến khi bông chín tùy theo giống cây bông cần từ 90 đến 200 ngày nắng ấm Có hai loài bông thích hợp với kỹ thuật kéo sợi là bông Hải đảo (Gossipium barbadence) và bông lục địa (Gossipium hirsitum), ngoài ra còn có bông cá (Gossipium arboreum)và bông Gossipium herbaceum Trong quá trình sinh trưởng và phát triển sau khi trổ hoa và kết quả, xơ bông non mọc từ hạt của quả, mỗi xơ bông là một tế bào hình ống có đầu khép kín Các chùm xơ mọc quanh hạt bông làm chức năng bảo vệ khi hạt còn non và phát tán hạt theo chiều gió khi quả bông đó chín, mảnh vỏ được mở ra Mỗi xơ bông tự dài hay ngắn đều chỉ cấu tạo từ một tế bào hình ống có thành

máng bên trong chứa đầy nguyên sinh chất và trải qua hai thời kỳ phát triển: Thời kỳ đầu xơ phát triển theo chiều dài khoảng 20- 40 ngày; thời kỳ sau 20-

30 ngày phát triển bề dầy Nguyên sinh chất làm chức năng phát triển các mạch phân tử xenlulô vào bên trong làm cho thành xơ ngày càng dầy thêm lên Các tế bào (tức xơ bông) tuy cùng trên một hạt nhưng phát triển không đều Khi quả bông chín, xơ có chiều dài và bề dầy không giống nhau, tuy đều

có dạng dải dẹt nhưng độ xoắn tự nhiên cũng khác nhau Phần chất nguyên sinh ở dạng lỏng có trong lõi xơ khi xơ chín, sẽ khô đi trở thành những rãnh hẹp tạo cho xơ có độ xoắn tự nhiên Xơ càng chín kỹ thì rãnh chứa chất nguyên sinh càng hẹp, lượng chất nguyên sinh càng ít và thành xơ càng dầy Bởi vậy độ chín của xơ bông thể hiện tỷ lệ giữa kích thước bề dầy của thành

xơ và đường kính xơ, cũng như độ xoắn tự nhiên của xơ nhiều hay ít

Tùy theo giống và điều kiện trồng trọt mà chất lượng của xơ bông có khác nhau Chẳng hạn bông Hải đảo có chiều dài từ (25,4÷ 63,5) mm, độ mảnh rất cao (0,13 ÷ 0,15 tex) độ bền đứt (30 ÷ 38cN/tex), còn bông lục địa có chiều dài chỉ từ (12,7÷33,3) mm, độ mảnh từ 0,16 ÷ 0,22 tex và độ bền đứt từ 25 ÷ 30cN/tex Độ giãn đứt trung bình của xơ bông là 7÷ 8%, khối lượng riêng là 1,52÷1,53g/cm3 Ở điều kiện tiêu chuẩn (20 ± 20C, độ ẩm tương đối của không khí là 65 ± 3%) hàm ẩm của xơ bông là 8 ÷ 8,5%, trong không khí có

độ ẩm cao hơn thì chỉ tiêu này có thể đạt đến 11 ÷ 12%

1.2.2 Hình thái và cấu trúc vật lý của xơ bông

Các công trình nghiên cứu về hình thái học và cấu trúc vật lý của xơ bông khá phong phú Trong các tài liệu các tác giả đều cho rằng mỗi xơ bông là một tế bào đơn, có hình dải dẹt, có nhiều nếp xoắn, đầu gắn với hạt nhẵn, còn đầu kia khép kín và nhọn Tiết diện ngang của xơ có hình hạt đậu, trong lõi có một rãnh nhỏ Các chỉ tiêu để đánh giá chất lượng của xơ bông là: độ bền, độ giãn dài, độ dài, độ đều theo chiều dài, độ chín, độ mảnh, hàm lượng tạp chất

và một vài chỉ tiêu khác nữa Những loại xơ bông có độ dài cao thường có độ mảnh cao Hình 1.2 sau đây thể hiện rõ các cấu trúc hình thái của xơ bông: hình 1.2 a- xơ bông chưa chín hay xơ chết, thành xơ máng; hình 1.2b- xơ bông chín vừa, tiết diện có hình hạt đậu; hình 1.2c- xơ bông chín kỹ, tiết diện gần tròn, thành dầy, rãnh trong lõi xơ nhỏ, nhiều nếp xoắn; hình 1.2d- xơ bông với độ chín khác nhau; hình 1.2e- hình thái xoắn tự nhiên của xơ bông; hình 1.2g- mặt cắt ngang của xơ bông đã chín; hình 1.2h- Các đường xoắn ốc ngược chiều trong xơ bông

g f

Hình 1.2- Hình thái cấu trúc của xơ bông

Xơ bông bao gồm lớp biểu bì, lớp thành thứ nhất, lớp thành thứ hai và lumen, xơ phát triển đến gần hết chiều dài của nó ở dạng rãnh rỗng, sau đó lớp thành thứ hai mới bắt đầu thành hình

Lớp biểu bì là một lớp màng dạng sáp bao phủ lên lớp thành thứ nhất hay lớp vỏ ngoài Lớp thành thứ hai gồm rất nhiều lớp xenlulô, các lớp xenlulô tạo thành vào ban đêm có mật độ khác với các lớp xenlulô tạo thành ban

d

e

ngày, điều này làm xơ phát triển có hình dạng giống cái nhẫn, ta có thể nhìn thấy trên mặt cắt ngang của xơ Các lớp xenlulô bao gồm các thớ, đây chính

là các bó chuỗi xenlulô được sắp xếp thành đường xoắn ốc, các đường xoắn

ốc này đôi khi ngược hướng nhau Các đường xoắn ốc ngược chiều nhau tạo cho xơ có những nếp cuộn, điều này ảnh hưởng đến độ phục hồi co giãn và độ giãn dài của xơ Những chỗ này cũng giảm bền khoảng 15 đến 30% so với phần còn lại của lớp thành thứ hai Xenlulô được tạo thành hàng ngày trong vòng từ 20 đến 30 ngày cho đến khi trong xơ chín, ống xơ hầu như đã rắn chắc Rãnh ở giữa là nơi chất dinh dưỡng được vận chuyển để nuôi dưỡng xơ Khi xơ chín, các chất dinh dưỡng trong rãnh giữa bị khô đi và có thể biến thành vùng mầu sẫm, vùng này có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi Các nếp cuộn có dạng xoắn như vỏ đỗ, đặc trưng cho bông, khi xơ chín, quả nang mở

ra, chúng được khô dần và ống ở giữa đổ xuống Các đường xoắn ốc ngược chiều ở lớp thành thứ hai tạo cho xơ có độ xoắn Độ xoắn tạo cho xơ có độ nhún tự nhiên, giúp xơ có thể bám vào các xơ khác Do đó mặc dù có chiều dài ngắn, nhưng bông vẫn có thể được kéo thành sợi một cách dễ dàng Tuy nhiên các chỗ vặn có thể bắt bẩn, đòi hỏi làm sạch tích cực mới khử được bẩn Bông xơ dài có khoảng 300 lần xoắn/inch, bông xơ ngắn có khoảng 200 lần xoắn/ inch

Nghiên cứu về cấu trúc vi mô của xơ bông các tác giả thống nhất rằng: trong

xơ các đại phân tử xenlulô (hay mạch xenlulô) không nằm riêng rẽ mà kết hợp với nhau thành từng chùm, nhiều chùm hợp thành các thớ sợi (hình 1.3d) Theo tiết diện ngang các thớ sợi nằm thành các lớp đồng tâm (xem hình 1.3a), các lớp này chính là các vòng sinh trưởng của xơ có tới 40 vòng trưởng thành như vậy, ứng với quá trình tổng hợp xenlulô và tăng dần bề dầy từ ngoài vào trong lõi xơ Các lớp đại phân tử xenlulô này khác nhau về độ dày (hình 1.3b,c), cách

sắp xếp và độ định hướng dọc theo trục xơ, và được chia làm hai thành: thành bậc nhất hay thành sơ cấp và thành bậc hai hay thành thứ cấp

Thành bậc nhất được tạo thành trước là một lớp mỏng (0,1 ÷ 0,2µm) làm nhiệm vụ che trở cho thân xơ Đặc điểm của thành bậc nhất là các mạch xenlulô sắp xếp kém trật tự, kém định hướng so với trục xơ, hàm lượng xenlulô thấp (chỉ chiếm 54%), các tạp chất thiên nhiên như sáp bông, chất béo

và chất péctin nằm chủ yếu ở thành này

Thành bậc hai nằm tiếp sau thành bậc nhất, là phần chính của thân xơ được chia làm 3 lớp: lớp ngoài (S1), lớp giữa (S2) và lớp trong (S3) Lớp ngoài mỏng (0,2 ÷ 0,3µm) nằm tiếp giáp với thành bậc nhất, nhưng các chùm mạch xenlulô nằm tương đối trật tự hơn theo kiểu xoắn ốc, góc nghiêng của các thớ sợi so với trục xơ khoảng 20 – 350 Lớp giữa (S2) là lớp chủ yếu của thành bậc hai với độ dày đến 1µm hoặc hơn nữa ở lớp này các chùm đại phân tử xenlulô sắp xếp tương đối trật tự và định hướng cao hơn các trục xơ, độ lệch với trục xơ là 20 – 300 Hướng của các thớ sợi ở hai lớp này ngược chiều nhau: hướng của lớp S1 đi theo hình chữ S, còn hướng của lớp S2 đi theo hình chữ Z Lớp trong của thành bậc hai (S3) với độ dày chỉ đạt 0,1µm, có cấu trúc tương tự như lớp S1, nằm tiếp xúc với rãnh của lõi xơ

Phần rãnh (Lumen): Khi đang sinh trưởng và phát triển xơ bông bị căng ra

do áp lực của dung dịch chất dinh dưỡng và nguyên sinh chất bên trong lõi

xơ Khi xơ già, chín và chết, dung dịch này khô đi để lại rãnh trống dọc theo tâm xơ, rãnh này gọi là lumen Kích thước của lumen phụ thuộc vào độ chín của xơ Xơ càng chín thì rãnh càng hẹp, lượng nguyên sinh chất còn lại càng

ít Nghiên cứu về cấu trúc của xơ bông người ta còn thấy rằng xơ bông chín có thành bậc hai dầy và số nếp xoắn trên một đơn vị chiều dài cao hơn xơ chưa chín Xơ chưa chín là những xơ có thành bậc hai mỏng hơn do quá trình sinh trưởng của chúng bị hạn chế và được gọi chung là xơ chết, về cơ bản những xơ

này mới chỉ có thành bậc nhất Do đó những xơ chết và xơ chưa chín có độ đàn hồi cao hơn nên trong quá trình kéo sợi và dệt chúng dễ tạo thành các chùm xơ rối nhỏ, được gọi là điểm kết Thành bậc hai của những xơ chết mỏng, làm cho chúng mờ đục, có màu nhạt hơn khi nhuộm so với những xơ chín Những xơ chết gần như không nhuộm màu Vì vậy những loại vải bông xấu chứa những điểm kết nhuộm màu nhạt hơn trên mặt vải Từ bản chất của hiện tượng này cho thấy độ chín của xơ bông là một chỉ tiêu không kém phần quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cuối cùng của sản phẩm

Bằng phương pháp hiển vi điện tử người ta đã đi đến kết luận rằng xơ bông không phải là một khối đặc, mà ngược lại nó là vật liệu xốp Giữa các chùm đại phân tử xenlulô, các vi thớ và các thớ sợi là một hệ thống mao quản có đường kính 1 ÷ 100nm Thể tích các mao quản này chiếm tới 31 ÷ 41% thể tích chung của xơ Diện tích riêng của xơ bông khô là 19m2/g (bao gồm diện tích mặt ngoài và diện tích các thành mao quản trong xơ), còn ở trạng thái ướt, khi xơ trương nở mạnh thì diện tích này đạt tới 100 ÷ 200m2/g Trong các mao quản này chứa đầy không khí, khử phần không khí này ra khỏi xơ không dễ dàng, và đây là một trong những nguyên nhân làm cho xơ bông khó thấm nước và các dung dịch hoá chất

a - Vòng phát triển của xơ; b, c - Vị trí của các thớ sợi ở thành bậc nhất

và các lớp của thành bậc hai; d - ảnh hiển vi điện tử của các thớ sợi ở xơ bông

Hình 1.3- Cấu trúc vi mô của xơ bông

Hình ảnh qua kính hiển vi điện tử của lớp thành thứ hai cho thấy các thớ xơ dầy khoảng 20 nm và rất bền với các tác động cơ học Tuy nhiên có thể nhìn thấy một số thớ được chia thành các thớ nhỏ hơn với bề dầy khoảng 5 nm Sự kết hợp nhau lại để tạo thành thớ lớn cũng xảy ra tạo nên các bó thớ xơ dầy khoảng 200 nm, các bó thớ xơ này có thể nhìn thấy qua kính hiển vi thông thường

Các xơ được sắp xếp thành nhóm tuỳ theo thành phần hoá học của chúng Các xơ có thành phần hoá học tương tự nhau được xếp vào trong cùng một nhóm đặc trưng Các tính chất của xơ trong một nhóm đặc trưng sẽ khác so với các xơ ở trong nhóm khác

Xơ bao gồm hàng triệu chuỗi phân tử dài Sự trùng hợp là quá trình liên kết các phân tử nhỏ - phân tử đơn - hợp thành dạng chuỗi dài hay còn gọi là polymer hóa Chiều dài của polymer phụ thuộc vào số lượng các phân tử liên kết thành chuỗi Chiều dài này được thể hiện là mức độ trùng hợp Chuỗi phân tử dài cho thấy mức độ trùng hợp cao và độ bền xơ cao Chuỗi phân tử rất nhỏ, ngay cả khi nhìn qua kính hiển vi cũng khó có thể nhìn thấy

Chiều dài chuỗi phân tử cũng có thể được thể hiện bằng khối lượng phân

tử, đây là một trong những đặc trưng cấu trúc có ảnh hưởng đến tính chất của

xơ như độ bền và khả năng duỗi thẳng Xơ có chuỗi dài hoặc khối lượng phân

tử lớn thì bền hơn và khó tách rời hơn là xơ có chuỗi phân tử ngắn hoặc khối lượng phân tử thấp hơn

Tuỳ thuộc vào từng loại xơ, chuỗi phân tử sẽ có hình dạng khác nhau Nếu chuỗi phân tử trong xơ được sắp xếp ngẫu nhiên không theo tổ chức thì chúng thuộc dạng không định hình Nếu các chuỗi phân tử được sắp xếp song song

có tổ chức với nhau, chúng ở dạng kết tinh Các chuỗi phân tử song song với nhau và với trục dọc của xơ thì được gọi là có định hướng theo chiều trục xơ Nhiều tài liệu nghiên cứu về xơ bông cho biết xơ bông có cấu trúc hai pha: pha tinh thể và pha vô định hình Dựa vào ảnh nhiễu xạ tia X người ta đã xác định được các vùng tinh thể của xơ bông có kích thước 50nm Còn khi nghiên cứu ảnh chụp bằng hiển vi điện tử người ta khẳng định rằng kích thước trung bình của các vùng tinh thể của xơ bông là 40nm Mặt khác khi nghiên cứu ảnh chụp bằng tia X còn cho thấy có khoảng 30% các mạch xenlulô không nằm trong miền tinh thể, nghĩa là có khoảng 30% thể tích của xơ có cấu trúc vô định hình Vì mạch đại phân tử của xenlulô bông khá dài nên mỗi đại phân tử

có thể vừa nằm trong miền tinh thể, lại vừa nằm trong miền vô định hình

Ở những vùng các mạch đại phân tử xenlulô của xơ bông sắp xếp trật tự, nằm kết bó chặt với nhau và có độ định hướng cao với trục xơ, ngoài việc hình thành cấu trúc tinh thể, các mối liên kết hydro cũng có điều kiện thực hiện, làm cho độ bền của xơ tăng lên Bằng nghiên cứu quang phổ hồng ngoại người ta đã xác định rằng ở những vùng các mạch xenlulo sắp xếp trật tự có 58÷60% các nhóm hydroxyl của mỗi mạch tham gia vào liên kết hydro với các mạch bên cạnh

Hình 1.4 a - vùng vô định hình; b - vùng kết tinh nhưng không định hướng;

c - vùng định hướng và kết tinh

Việc có tỷ lệ tinh thể cao (gần 70%) làm cho xơ bông có độ bền cơ lý cao,

tuy nhiên xơ sẽ cứng hơn và khó thấm nước Để làm cho xơ mềm mại, dễ

thấm nước, và dễ nhuộm màu hơn, trước khi nhuộm màu, vải bông mộc phải

qua giai đoạn tiền xử lý nhằm làm cho vải sạch tạp chất và nở đều, giảm tỷ lệ

tinh thể, tăng tỷ lệ vô định hình, tăng tỷ lệ các nhóm hydroxyl tự do trong xơ

1.2.3 Thành phần hoá học của xơ bông

Theo những số liệu nghiên cứu đã được công bố thì thành phần chủ yếu của

xơ bông là α-xenlulô chiếm từ 93 ÷ 95% khối lượng xơ (tính theo lượng chất

khô tuyệt đối), còn nếu tính theo xơ khô không khí, nghĩa là có chứa ẩm thì

hàm lượng xenlulô chỉ khoảng 85 – 88%; Phần còn lại là tạp chất thiên nhiên

của xơ Tuỳ thuộc vào giống bông, điều kiện trồng trọt và thời gian thu hoạch

mà thành phần xơ bông có thay đổi

Bảng 1.3- Sự phân bố xenlulô và tạp chất ở xơ bông

Thành phần hoá học Tính chung cho cả xơ

(%)

Tính riêng cho thành bậc nhất (%)

Qua đây cho thấy, hàm lượng xenlulô ở thành bậc nhất của xơ thấp hơn

nhiều so với hàm lượng xenlulô chung của cả xơ, còn các tạp chất thiên nhiên

của xơ bông thì tập trung chủ yếu ở thành bậc nhất

Thành phần hoá học của xơ bông thay đổi theo độ chín nghĩa là theo thời gian sinh trưởng cũng được một số tác giả nghiên cứu và cho biết số liệu như sau:

Bảng 1.4- Thành phần xơ bông theo thời gian sinh trưởng

có thể hoà tan trong dung dịch xút 2% thì giảm dần do mạch đại phân tử của

xenlulô đến khi xơ chín đã phát triển đến mức hoàn chỉnh, không hoà tan trong dung dịch kiềm này nữa

1.2.4 Cấu tạo xenlulô

Xenlulô là thành phần chính của các tế bào thực vật, tạo cho thực vật có độ bền cơ học nhất định Trong các loại gỗ xenlulô chiếm từ 50,5 ÷ 55%; trong

vỏ cây lanh, gai, đay chiếm 60 ÷ 70%, còn trong xơ bông hàm lượng xenlulô chiếm 88 ÷96% (tính theo chất khô tuyệt đối) Bông đã qua làm sạch hóa học (nấu và tẩy trắng) thì hàm lượng xenlulô đạt tới 99%

Xenlulô là polyme thiên nhiên, thuộc về hợp chất polysaccarit, được loài người sử dụng từ lâu trong nhiều lĩnh vực của đời sống và kỹ thuật Hoá học

về xenlulô cũng như hoá học về các hợp chất tự nhiên khác đã được nhiều tác giả nghiên cứu Như chúng ta biết, trong quá trình quang hợp của cây xanh, từ khí cacbonic và nước sẽ chuyển hoá thành nhiều hợp chất hữu cơ, trong đó có đường glucô Sau đó nhờ một loạt các quá trình sinh tổng hợp, đại phân tử xenlulô (hay mạch xenlulô) sẽ được tạo thành từ glucô theo phản ứng tổng quát: nC6H12O6 ⎯→ (C6H10O5)n + nH2O

Như vậy glucô là monome để tạo thành đại phân tử xenlulô, n là hệ số trùng hợp hay độ trùng hợp DP, (C6H10O5) là một đơn vị mắt xích hay một khâu đơn giản trong mạch thường gọi tắt là gốc glucô

D Glucô pyranôzơ

OH

H H

H

H

o

CH.OH 4C

HO

OH

5C 6ch 2 oh

C = C

h2c

Các nhà nghiên cứu đã thống nhất rằng đại phân tử của xenlulô được tạo thành từ các phân tử β-D glucô pyranôzơ, còn tinh bột được tạo thành từ α-D glucô pyrannôzơ Công thức hoá học của các hợp chất này như sau:

Như vậy nếu lấy gốc β - D – glucô làm một đơn vị mắt xích thì cấu tạo hoá học của xenlulô theo mẫu của Haworth sẽ như sau:

Công thức tổng quát của xenlulô trên cơ sở này được viết là (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n Với cấu tạo phân tử như vậy thì thành phần hoá học của xenlulô là: C = 44,4%, H = 6,2% và O = 49,4%; n: độ trùng hợp hay trị số DP Ngoài ra do cấu tạo của β - D – glucô nên cứ hai gốc nằm liền kề trong mạch xenlulô sẽ quay lệch nhau 1800 quanh trục phân tử, nên cứ hai gốc β-D

α - D gluco« pyran«z¬

OH H H

H

H

o

C1 4C

HO OH 5C 6

c2 c3

ch2oh

OH H

H OH ch2oh

c3 c2

6

5 C

OH HO 4C

o H

OH H

H

n

h

– glucô hợp thành một gốc xenluôbiôzơ Với đặc điểm này, công thức cấu tạo của xenlulô còn được viết như sau:

(Sơ đồ đại phân tử xenlulô được biểu diễn trên cơ sở coi xenlobiôzơ là đơn vị

cấu trúc mạch; n vẫn là độ trùng hợp)

Nhờ cấu tạo này mà các đại phân tử xenlulô ở dạng thẳng, gần như phẳng, giúp cho chúng khi tiếp cận với các mạch liền kề thì có thể phát sinh ra các lực tương tác phân tử mạnh và phát triển các miền có cấu trúc tinh thể của xơ bông Cấu tạo xenlôbiôzơ của xenlulô đã được chứng minh bằng đồ thị nhiễu xạ của tia X Kích thước đo được theo chiều dài trục của mỗi gốc xenlobiôzơ là 1,03nm

Sơ đồ cấu tạo gốc xenlobiôzơ

Nghiên cứu về sự sắp xếp theo trật tự không gian các nguyên tử của xenlulô cho thấy các nhóm hydroxyl ở nguyên tử cacbon số 6 (nghĩa là nhóm – CH2OH) cũng tạo thành liên kết hydro với nguyên tử oxy của mối liên kết glucozit 1-4 Sơ đồ các liên kết hydro nội phân tử xenlulô (nét gạch đứt) được trình bày như sau:

0

0

0 0 0

0 0 0

6

H

5 1 2 3

4 00

HO

0 4 3

HO

Sơ đồ các liên kết nội phân tử của xenlulô (nét gạch đứt)

Các chuỗi phân tử được gắn kết với nhau nhờ nội lực giữa các phân tử có tên gọi là liên kết hydro Liên kết hydro và lực Vandecvan xuất hiện trong vùng kết tinh và khiến cho các polyme kết tinh bền hơn so với các polyme không định hình

Các nghiên cứu về hấp thụ tia hồng ngoại đã chỉ ra rằng hầu hết tất cả các nhóm hydroxyl đều có liên kết hydro, chính xác là liên kết H xuất hiện như thế nào thì cũng chưa được xác lập nhưng hình 1.5 đã chỉ ra hai khả năng sắp xếp thông thường của liên kết H trong nội phân tử Trong cả hai trường hợp dạng phẳng có thể được hình thành nhờ các liên kết giữa các nhóm hydroxyl

và các nguyên tử oxy trong các chuỗi liền kề Liên kết giữa các mặt phẳng là nhờ nội tương tác dạng vandecvan

Hình 1.5 a, liên kết H nội phân tử do Hermans đưa ra

b, liên kết H nội phân tử do Champetier đưa ra

Ở nước ta hiện nay, thành phần hoá học của các giống bông xơ bông Việt Nam chưa được nghiên cứu một cách có hệ thống Điều này có lẽ do việc sản

xuất bông xơ ở nước ta còn mới bắt đầu, và còn đang trong quá trình chọn lọc, lai tạo và mở mang thêm diện tích trồng trọt Việc nghiên cứu và xác định thành phần hoá học của bông Việt Nam để có thêm cơ sở đánh giá chất lượng của mỗi giống bông vẫn còn là một vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, khảo sát

để đem lại những thông số mang cả ý nghĩa thực tế và ý nghĩa khoa học một cách thiết thực

1.2.5 Cấu trúc tinh thể của xenlulô

1.2.5.1 Khái quát hình thái cấu trúc tinh thể của xenlulô-bông

Hình thái cấu trúc của xenlulô đã được nhiều tác giả nghiên cứu từ đầu thế

kỷ XX và nhận thấy đồ thị tia X của xenlulô có những nét đặc trưng cho vật liệu tinh thể, trong đó có tinh thể định hướng theo trục của xơ sợi

Hình 1.6- Mô hình mạng lưới tinh thể xenlulo

Xenlulo tinh khiết có công thức thực nghiệm là (C6H10O6)n có thể trình bày

ở dạng (C6H7O2(OH)3)n với 3 nhóm hydroxyl trong mỗi đơn vị mắt xích Từ năm 1858 Vonnageli đã cho rằng xenlulo là một hợp chất có cấu tạo tinh thể Phải 70 năm sau đó vấn đề này mới được chứng minh bằng phương pháp Rơnghen dạng bột trong công trình của Meyer-Misch

Trong mô hình cấu trúc được đề nghị của xenlulo bông, dựa vào mạng lưới không gian (hình 1.6), các tác giả này đã cho rằng ô đơn vị của mạng lưới tinh thể có hình hộp chữ nhật, có tiết diện hình bình hành Bốn cạnh phân tử định hướng song song với trục của khối hộp và nằm dọc theo các cạnh đứng của hộp Đoạn mạch tham gia tạo mạng tinh thể là hai đơn vị β - D glucô - pyrannôzơ, các thông số mạng: a (khoảng cách giữa hai mặt phẳng nằm trong một mặt phẳng mạng) = 8,35A0; b (chiều cao hộp)= 10,38A0; c (cạnh thứ 3 của hộp)= 7,95A0 Ô đơn vị của mạng lưới tinh thể chứa hai đoạn mạch: một

ở trung tâm, một ở góc Tiết diện hình bình hành của khối hộp với góc lệch β

= 840, theo cách biểu diễn hiện này thì β = 1800 – 840 = 960 Hai đơn vị mắt xích β - D glucô pyranôzơ nối với nhau bằng liên kết glucozit, nằm quay 1800

đối với nhau Tuy nhiên mô hình trên chưa được xem là hoàn hảo, nên cấu tạo tinh thể của xenlulô đã được làm sáng tỏ hơn khi kết hợp các kết quả phân tích theo phương pháp tia X với phương pháp phổ hồng ngoại

Hình 1.7- Hình chiếu bằng tinh thể cơ

bản của xenlulô thiên nhiên (I) xenlulô tái

sinh (II)

Hình 1.8- Hình chiếu đứng tinh thể cơ bản của xenlulô Mạch trung tâm nằm xen kẽ và song song với các mạch bên

Từ những kết quả thu được, các nhà khoa học đã thống nhất quan điểm rằng đoạn mạch xenlobiozơ là phần tham gia vào cấu tạo mạng tinh thể

Trong đoạn mạch đó các đơn vị mắt xích nằm quay 1800 đối với nhau Trong mạng tinh thể, các đoạn mạch đều xếp theo một hướng và song song với nhau

Đoạn mạch xenlôbiôzơ có hai liên kết nội phân tử Một liên kết hydro tạo

ra do H của nhóm hydroxyl ở C2 của một mắt xích tác dụng với O thuộc nhóm hydroxyl ở C6 của mắt xích liền kề Một liên kết hydro khác tạo thành

do H của nhóm hydroxyl ở C3 của một đơn vị mắt xích tác dụng với oxy nằm trong vòng của đơn vị mắt xích liền kề

Hai đoạn mạch cùng nằm trong một mặt phẳng của mạng tinh thể tương tác với nhau hình thành một lớp Trong lớp này, có liên kết hydro giữa H của nhóm hydroxyl ở C6 của đơn vị D - glucôpyranôzơ trong một đoạn mạch và O của nhóm hydroxyl ở C3 trong đoạn mạch khác Nhiều tác giả cũng xác định rằng trong xenlulô thiên nhiên (xenlulô I) không có liên kết hydro giữa các lớp khác nhau, giữa chúng chỉ tồn tại lực tương tác Van Der Waals

Dựa vào mô hình đã đề nghị, các nhà khoa học đã cho rằng các gốc glucôpyranôzơ của mỗi đoạn mạch được định hướng tương đối theo trục với mức độ khác nhau, do vậy người ta gọi mô hình cấu tạo này là mô hình chéo Trong mô hình của Meyer-Misch, chiều dài của hai đơn vị mắt xích (gốc) glucôpyranôzơ tạo thành đoạn mạch xenlulôbiôzơ, tương ứng với một chu kỳ như nhau Các nhà khoa học đã giải thích điều này do ô đơn vị mạng lưới tinh thể nhỏ hơn chiều dài gốc xenlulôbiôzơ đã được kéo giãn hoàn toàn, và cho rằng nó có dạng gấp khúc Hiện nay hình dạng và kích thước của mạch xenlulô đã được xác định dựa vào cấu trúc tinh thể xunlulô

Góc lệch mạch (góc của mối liên kết C1-O1-C4’) là 1150 Đoạn mạch xenlulôbiôzơ tạo thành mạch có trục xoắn đối xứng bậc 2 (21) có hướng dọc theo chiều dài của mạch (trục xơ) Sự quay quanh trục này được thực hiện như thế nào để các đơn vị mắt xích trên và dưới của đoạn xenlulôbiôzơ có thể

nằm trùng khít nhau Có thể hình dung sự chuyển tiếp của nguyên tử O1’ nằm

ở dưới của đoạn mạch: quay 1800 quanh trục 21 và sự chuyển tiếp sau đó bằng 1/2 chiều dài của mạch (5,18A0) đưa nguyên tử O1 sau đó lại quay 1800 quanh trục 21 và sự chuyển tiếp đó ở cả chiều dài của mạch (5,18A0) đưa nguyên tử

O1 về vị trí O1’ nằm ở đoạn trên của mạch

Hình 1.9- Mô hình mạch xenlulo

a Ký hiệu các nguyên tử trong đoạn mạch xenlulôbiôzơ

σ Chiều dài và góc liên kết trong mạch

1.2.5.2 Cấu trúc tinh thể xenlulo nguyên bản

Xenlulo nguyên bản, cấu tạo nguyên tử của nó đã được nghiên cứu nhiều năm, các dạng biến đổi thường gặp trong các vật liệu thiên nhiên: bông, đay

và hầu hết các loại xenlulo gỗ

Bảng 1.5- Chu kỳ, góc và thể tích (V) của ô đơn vị mạng lưới tinh thể đối với

các loại xenlulo nguyên bản

Bacterial 8,205±0,035 7,908±0,01 98009’±11’ 664±4 Lanh 8,181±0,039 7,873±0,025 97014’±24’ 663±5 Đay 8,171±0,032 7,846±0,019 96023’±08’ 660±4

mô hình Meyer-Misch), còn giá trị của góc β thì tương ứng với góc của mô hình Meyer-Misch, trong khoảng 81,80 – 83,70 (180-γ)0 Khi để ý đến mô hình cấu tạo của xenlulo đã xem xét dùng để mô tả cấu tạo của tất cả các dạng xenlulo nguyên bản kể trên, Wellard đã giải thích sự khác nhau của các thông số ô đơn vị mạng lưới tinh thể của các loại xenlulo nguyên bản là do có sự khác nhau về

nguồn gốc xenlulo và khác nhau về độ ẩm khi tiến hành thực nghiệm

Hình 1.10- Hình chiếu của ô đơn vị mạng lưới tinh thể của Xenlulô I trên mặt phẳng

bc do Honjo và Vatanabe đề nghị

Honjo và Vatanabe đã chỉ ra rằng ảnh nhiễu xạ điện tử của một số xenlulô trong đó có rong biển không thể giải thích được trên cơ sở mô hình Meyer-Misch Họ đề nghị cái gọi là ô đơn vị của mạng lưới tinh thể siêu lớn với chu kỳ a= 15,76; b=16,42, c (trục của thớ) = 10,34A0, γ= 96,80, chứa 8 mạch nằm định hướng song song Sự sắp xếp các trục toạ độ được chỉ ra trong hình 11, khi xem xét trong cùng một hệ thống toạ độ, các mô hình được đề nghị

đối với xenlulo valoni, Sarko và Muggli (hình 1.11A) và đối với xenlulo đay woodcock và sarko (hình1.11B) đã xếp loại như là kiểu song song đi lên Các mô hình của Gardner và Blackwell đối với xenlulo valonia (hình 1.11C) và

bông-xenlulo đay- bông, Miller và Li (hình 1.11D) đã xếp chúng vào loại song song

đi xuống Mô hình E được French là loại chéo, nghĩa là tương ứng với mô hình của Meyer-Misch

Hình 1.11- Mô hình cấu trúc xenlulo nguyên bản

A Sarko và Muggi B Woocock và Sarko C Cardner và Blackwell

D Miller và Li E French F Hệ thống tọa độ dùng để xây dựng

Như vậy ô đơn vị mạng lưới tinh thể chứa đựng các mạch song song nếu như chiều của mối liên kết O1- C4 giống nhau trong cả hai mạch, và chéo nhau nếu như trong một mạch chiều của liên kết O1- C4 tương ứng với hướng dương của trục xơ, còn ở mạch thứ 2 thì chiều của mối liên kết O1- C4 tương ứng với hướng âm của trục xơ (hình 1.11) Cấu hình tương ứng trong ô đơn vị mạng

tinh thể được giới thiệu trong hình 1.12 ở dạng đồ thị, mép của mỗi cạnh được chỉ ra như một hình chữ nhật, trong đó mỗi cặp góc được ký hiệu bằng cách kết

hợp chữ A và B đặt theo một trật tự nhất định

Hình 1.12- Hình ô đơn vị mạng tinh thể của xenlulô, sự kết bó các mạch

a Song song đi lên b Song song đi xuống c Chéo nhau

Kết quả nghiên cứu khi sử dụng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân đã dẫn đến giả thuyết mới: cấu trúc tinh thể của xenlulo nguyên bản được cấu tạo

từ hai biến dạng tinh thể khác nhau: Iα và Iβ Sự có mặt của hai pha tinh thể này trong xenlulo nguyên bản (xenlulo tự nhiên chưa qua xử lý) đã được chứng minh bằng phương pháp nhiễu xạ điện tử, quang phổ hồng ngoại và vi nhiễu xạ điện tử Theo các mô hình được xây dựng bằng máy tính thì với xenlulo Iα có ô đơn vị mạng tinh thể đơn mạch có kích thước như sau: a=6,74Ao; b=9,53Ao; c=10,36Ao; α= 117o; β= 113o; γ= 81o, có nhóm đối xứng không gian P1 Cấu trúc của pha Iβ được mô tả có ô đơn vị mạng tinh thể với cấu trúc : a=8,01Ao; b=8,17Ao; c=10,36Ao; γ= 93,7o, có nhóm không gian đối xứng là P2

Hình 1.13- Mô hình xenlulô I α trong đó O- nguyên tử Oxi và lưới liên kết hydro

Ở mô hình đơn mạch của xenlulo Iα các mạch kết bó song song với nhau,

và nếu như tồn tại mối liên kết hydro nội phân tử loại thông thường O3-H…O5

và O2-H…O3 thì nhóm hydroxymetyl nằm ở sự bảo toàn theo cấu hình, tất cả các mạch song song được liên kết bằng mối liên kết giữa các mạch O6-H…O3

(hình 1.13) Năng lượng của cấu trúc có sự kết bó như vậy, theo tính toán có giá trị bằng 19,5Kcal/mol

Đối với xenlulo Iβ cả mô hình song song và mô hình chéo nhau có thể dễ dàng thích ứng với các giá trị của chu kỳ thực nghiệm nhất định và các góc của ô đơn vị mạng tinh thể Giả thiết rằng các mối liên kết hydro nội phân tử

và giữa các phân tử trong mô hình cấu trúc lưỡng mạch được đề nghị với mô hình đã mô tả trên đối với xenlulo Iα ; giá trị của năng lượg mạng lưới xenlulo

Iβ đã tính toán khác đôi chút so với giá trị đã nêu trên đối với xenlulo Iα và bằng 19,9kcal/mol Trong giả định về sự định hướng chéo của các mạch khi giữ nguyên đặc trưng của các mối liên kết hydro (các mối liên kết hydro nội phân tử thông thường: O3-H…O5 và O2-H…O3 thì nhóm hydroxymetyl nằm ở

sự bảo toàn theo cấu hình, và tất cả các mạch chéo được liên kết với nhau bằng mối liên kết giữa các mạch O6-H…O3 (hình 1.14)) năng lượng của mạng lưới xenlulo Iβ cao hơn: 15,5kcal/mol Trên cơ sở tính toán năng lượng, giả thiết về độ định hướng song song của các mạch trong mạng lưới của Iβ được đáp ứng

Sự tồn tại của hai dạng tinh thể của xenlulo nguyên bản I đã nêu ra bởi Atalla va Vanderhard Năm 1988, Simon và cộng sự đã giả định rằng loại xenlulo tinh thể có tinh thể gần mặt ngoài, khác về cấu trúc với tinh thể trong tâm Vào năm 1987, Horri và công sự khi nghiên cứu xenlulo nguyên bản bằng cộng hưởng từ hạt nhân đã quan sát thấy có 02 quang phổ cộng hưởng

từ hạt nhân và đã giả thiết rằng chúng tương ứng với cộng hưởng của các

miền của ô đơn vị mạng tinh thể của các đa hình xenlulo hai và tám mạch

Hình 1.14- Mô hình xenlulô I β trong đó O-nguyên tử và lưới liên kết hydro

Hai pha tinh thể này đã được gọi là xenlulo Iα và Iβ, có ý kiến cho rằng các loại xenlulo nhận được từ các sinh vật nguyên thuỷ (tảo) có nhiều pha Iα đối xứng thấp , trong khi đó ở các loại xenlulo thu được từ thực vật bậc cao (bông, đay, gỗ…) trội hơn về Iβ, các nghiên cứu ảnh chụp bằng tia X đã chứng minh điều này Như vậy có thể kết luận rằng ở xenlulo nguyên bản tồn tại hai pha tinh thể khác nhau

Kích thước các tinh thể đã được đánh giá bằng phương pháp thế chiều rộng bằng một nửa chiều cao theo phương trình Serrer Giá trị thu được dẫn ra trong bảng 1.6, từ đó thấy rõ ràng khoảng cách được đo giữa các mặt phẳng khác nhau đối với loại xenlulo rong biển- bacterial và bông đay, sự khác nhau này gây nên chủ yếu bởi sự tồn tại hệ thống hai pha và ở mức độ thấp hơn bởi kích thước các tinh thể