Tóm tắt Luận án tiến sĩ Hóa học: Chế tạo, khảo sát một số tính chất đặc trưng, ứng dụng của vi sợi cellulose và dẫn xuất từ lùng phế thải ở Nghệ An

Mục đích của luận án nhằm đề xuất quy trình chế tạo MFC từ phế thải cây lùng đạt kích thước micro-nano và nano; Chế tạo và khảo sát cấu trúc hóa học của vi sợi cellulose acetyl hoá; Khảo sát tính chất cơ lý (độ bền kéo đứt, độ bền uốn, độ bền va đập và độ bền mỏi) của polymer composite nền nhựa polyeste không no; Khảo sát tính chất cơ lý (độ bền kéo đứt, độ bền uốn, độ bền va đập và độ bền mỏi) của polymer composite nền nhựa epoxy;

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

CAO XUÂN CƯỜNG

CHẾ TẠO, KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG, ỨNG DỤNG CỦA VI SỢI CELLULOSE VÀ DẪN XUẤT

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Vinh

Người hướng dẫn khoa học: 1 PGS.TS Tạ Thị Phương Hòa

2 PGS.TS Lê Đức Giang

Phản biện 1: ………

………

Phản biện 2: ………

………

Phản biện 3: ………

………

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại ………

………

vào hồi …… giờ…….phút, ngày……tháng……năm………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

Thư viện quốc gia Việt Nam Thư viện Nguyễn Thúc Hào – Trường Đại học Vinh

MỞ ĐẦU

Hiện nay, sợi thực vật là đối tượng được nhiều nhà khoa học trên thế giới cũng như trong nước quan tâm nghiên cứu do sợi thực vật có tính chất cơ học đặc biệt, là nguồn tài nguyên tái tạo phong phú, có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường Trong đó, vi sợi cellulose (MFC) đã được nghiên cứu từ những năm 1980 bởi Tabark và các cộng sự Vi sợi cellulose được hình thành trong tế bào thực vật trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây, có kích thước khoảng vài chục nanomet tới vài micromet Vi sợi cellulose là tập hợp các mạch phân tử cellulose sắp xếp song song với trục của vi sợi, là một bó xoắn dài các phân tử được liên kết với nhau bằng các liên kết ngang hydro giữa các nhóm chức hydroxyl của các phân tử liền kề Cấu trúc này tạo cho vi sợi có tính chất cơ học đạt gần tới giới hạn lý thuyết của các tinh thể cellulose hoàn thiện Độ bền kéo của vi sợi có thể đạt 2GPa, modun kéo đạt 140 GPa Như vậy,

về mặt lý thuyết, vật liệu có sử dụng MFC sẽ có tính chất cao hơn rất nhiều so với sợi thực vật thông thường

Do vi sợi cellulose có kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn, độ bền cơ học cao nên vi sợi có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất giấy, thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, vật liệu compozit, xử lý môi trường, … Nghiên cứu chế tạo vi sợi cellulose và dẫn xuất của vi sợi cũng như nghiên cứu các ứng dụng của chúng mới phát triển trong những năm gần đây ở trên thế giới Trong khi đó, Việt Nam là nước

có nguồn nguyên liệu sợi thực vật rất phong phú và dồi dào nhưng mới có rất ít công nghiên cứu chế tạo vi sợi cellulose có kích thước micro và bước đầu ứng dụng trong chế tạo vật liệu polyme compozit [2] Các nghiên cứu đã công bố cho thấy rằng việc đưa vi sợi cellulose vào một số vật liệu sẽ tăng cường độ bền, độ cứng và độ bền nhiệt của vật liệu

Cây lùng (Bambusa longissima) là một trong 69 loài tre đặc hữu của Việt Nam

Phân bố từ tây nam tỉnh Sơn La (huyện Mộc Châu), qua phía tây tỉnh Thanh Hóa (huyện Quang Hóa, Lang Chánh) đến miền tây tỉnh Nghệ An (huyện Anh Sơn, Quỳ Châu, Quế Phong); phía tây Quảng Bình (Quảng Ninh, Lệ Thủy) Do thân có lóng rất dài nên được dùng để đan phên cót, tăm mành Lùng còn dùng làm nguyên liệu cho công nghiệp chế biến ván ép, làm sợi, làm giấy và để đan lát làm hàng mỹ nghệ Người dân chủ yếu sử dụng thân cây lùng để đan lát làm hàng mỹ nghệ phục vụ xuất khẩu nhưng mới chỉ sử dụng được 30% khối lượng, còn lại là phế thải hoặc làm nhiên liệu

Do đó, để tận dụng nguồn nguyên liệu giá rẻ và góp phần vào lĩnh vực nghiên cứu chế tạo, khảo sát ứng dụng của vi sợi và dẫn xuất của vi sợi cũng như làm tăng giá

trị kinh tế của cây lùng ở Nghệ An, chúng tôi chọn đề tài: “Chế tạo, khảo sát một số

tính chất đặc trưng, ứng dụng của vi sợi cellulose và dẫn xuất từ lùng phế thải ở Nghệ An”

Mục tiêu của đề tài

- Chế tạo vi sợi cellulose và vi sợi cellulose acetate có kích thước micro-nano

và nano từ nguyên liệu là phế thải cây lùng ở Nghệ An;

- Sử dụng vi sợi cellulose và vi sợi cellulose acetate trong gia cường vật liệu polymer composite và hấp phụ ion kim loại nặng

Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

- Đề xuất quy trình chế tạo MFC từ phế thải cây lùng đạt kích thước micro-nano

và nano;

- Chế tạo và khảo sát cấu trúc hóa học của vi sợi cellulose acetyl hoá;

- Khảo sát tính chất cơ lý (độ bền kéo đứt, độ bền uốn, độ bền va đập và độ bền mỏi) của polymer composite nền nhựa polyeste không no;

- Khảo sát tính chất cơ lý (độ bền kéo đứt, độ bền uốn, độ bền va đập và độ bền mỏi) của polymer composite nền nhựa epoxy;

- Bước đầu khảo sát khả năng hấp phụ của vi sợi và vi sợi acetyl hóa theo mô hình Langmuir

Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và đóng góp mới của luận án

- Chế tạo được MFC có kích thước micro-nano và kích thước dưới 100 nanomet (nano) từ phế thải của cây lùng ở Nghệ An;

- Điều chế, khảo sát cấu trúc hóa học của vi sợi acetyl hóa từ MFC và anhydride acetic với xúc tác N-bromsucxinimit;

- Đã sử dụng vi sợi và vi sợi acetyl hóa để cải thiện đáng kể một số tính chất cơ

lý của vật liệu polymer composite trên nền nhựa polyeste không no và nhựa epoxy;

- Bước đầu khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại Cu2+ của vi sợi và vi sợi acetyl hóa

Cấu trúc luận án

Luận án bao gồm phần Mở đầu, 3 chương, Kết luận và tài liệu tham khảo Toàn

bộ luận án được trình bày trong 137 trang, 23 bảng, 64 hình và đồ thị, 122 tài liệu tham khảo Trong đó, Mở đầu: 3 trang, Chương 1 – Tổng quan: 33 trang, Chương 2 – Thực nghiệm: 22 trang, Chương 3 – Kết quả và thảo luận: 53 trang, Kết luận và kiến nghị:

2 trang, Tài liệu tham khảo 12 trang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Trong phần này chúng tôi trình bày các kết quả nghiên cứu và lý thuyết và thực nghiệm trong lĩnh vực chế tạo vi sợi cellulose, cellulose acetyl hóa, ứng dụng của sợi thực vật, vi sợi cellulose và cellulose acetyl hóa Tổng quan bao gồm:

- Cấu trúc phân tử, hình thái cấu trúc của vi sợi cellulose;

- Sợi thực vật, vi sợi cellulose và ứng dụng của chúng;

- Phương pháp chế tạo vi sợi cellulose từ sợi thực vật;

- Acetyl hóa cellulose và ứng dụng của cellulose acetate

Dựa trên các kết quả phân tích tài liệu tham khảo thu thập được, các đối tượng chính của luận án đã được chúng tôi xác định và nghiên cứu

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu và thiết bị nghiên cứu

2.1.1 Nguyên liệu và hóa chất

- Phế thải cây lùng (Bambusa longissima) được thu gom tại các hộ gia đình đan

lát mỹ nghệ truyền thống của công ty TNHH Đức Phong tại xã Nghi Thái, xã Nghi Phong, xã Phúc Thọ, huyện Nghi Lộc, tỉnh Nghệ An

- Anhydride acetic: loại tinh thiết sản xuất tại Tây Ban Nha

- N-Bromosuccinimid: loại tinh thiết, được sản xuất bởi hãng Merck (Đức)

2.1.2 Thiết bị

- Bộ thiết bị phản ứng hóa học;

- Máy đánh siêu âm;

- Máy nghiền bi Ball Mill Of Planetary Type, Model: ND2L, Trung Quốc

2.2 Phương pháp chế tạo vi sợi

2.2.1 Phương pháp tiền xử lý

2.2.1.1 Phương pháp xử lý bằng kiềm

Quá trình xử lý lùng phế thải bằng phương pháp xử lý với dung dịch NaOH và khảo sát điều kiện tối ưu bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm bằng phần mềm Design Expert 7.0 Sợi sau khi xử lý kiềm được rửa sạch bằng nước tới khi đạt pH =

7

2.2.1.2 Phương pháp nấu bột giấy

Phế thải của cây lùng ở dạng sợi được cắt thành các đoạn nhỏ khoảng 3 - 5 cm rồi được đưa đi nấu bột giấy theo phương pháp sunphat tại Viện công nghiệp giấy và xenlulo thành bột giấy có chỉ số Kappa = 21 Bột giấy được bảo quản trong tủ lạnh tránh bị hư hỏng do vi khuẩn

2.2.2 Phương pháp nghiền cơ học

2.2.2.1 Phương pháp nghiền bằng máy nghiền hành tinh

Quy trình chế tạo và phân tán MFC trong PEKN được tiến hành bằng máy nghiền hành tinh với số lượng bi nghiền dùng theo chế độ khuyến khích của máy: 40

bi nghiền ∅ 10 mm; 150 bi nghiền ∅ 6 mm

2.2.2.2 Phương pháp nghiền bằng máy nghiền mặt đá

Bột giấy có chỉ số Kappa 21 được ngâm trong nước để rã đông Sau đó, bột giấy được đưa vào máy nghiền mặt đá để nghiền Máy nghiền mặt đá có mặt trên nặng 19

kg Trong quá trình nghiền bổ sung nước Mẫu được xay nhiều lần để giảm kích thước sợi Mẫu được lấy tại các lần nghiền khác nhau để xác định kích thước sợi

2.2.2.3 Phương pháp đánh siêu âm

Bột giấy có chỉ số Kappa 21 được ngâm trong nước với hàm lượng 1% bột khô Sau khi bột giấy rã đông, dùng máy xay sinh tố để đánh tơi Hỗn hợp thu được được đánh bằng máy siêu âm

2.2.2.4 Phương pháp nghiền lạnh bằng máy nghiền mặt đá

Bột giấy có chỉ số Kappa 21 được ngâm trong nước để rã đông Sau đó, bột giấy được đưa vào nitơ lỏng trong thời gian 10 phút Mẫu sau khi đã được đông đá bằng

nitơ lỏng được nghiền bằng máy nghiền mặt đá Máy nghiền mặt đá có mặt trên nặng

19 kg Trong quá trình nghiền bổ sung nitơ lỏng để mẫu luôn được lạnh Mẫu được xay nhiều lần để giảm kích thước sợi Mẫu được lấy tại các lần nghiền khác nhau để xác định kích thước sợi

2.2.2.5 Phương pháp nghiền bằng máy nghiền mặt đá và đánh siêu âm

Bột giấy sau khi được nghiền 30 lần bằng máy nghiền mặt đá được đồng hóa bằng máy đánh siêu âm Hiệu suất 80%

2.3 Acetyl hóa vi sợi

Cho 20 g MFC vào bình cầu 3 cổ dung tích 250 ml chứa 100 ml (CH3CO)2O có lắp ống sinh hàn hồi lưu và nhiệt kế, phản ứng acetyl hóa được thực hiện với xúc tác lần lượt là H2SO4 đặc và NBS, ở 80oC, hỗn hợp được khuấy bằng máy khuấy từ gia nhiệt trong thời gian 5 giờ Sau phản ứng, sản phẩm được kết tủa trong dung dịch NaCl bão hòa ở nhiệt độ thường, rửa sản phẩm đến trung tính sau đó được sấy khô trong tủ sấy chân không ở 80oC

2.4 Phương pháp chế tạo mat sợi lùng

2.5 Phương pháp chế tạo vật liệu polymer composite

2.5.1 Phương pháp gia công polymer composite

Vật liệu PC được gia công bằng phương pháp lăn ép bằng tay và phương pháp túi chân không (vacuum bagging)

2.5.2 Phương pháp chế tạo polymer composite nền polyeste không no

Sợi thực vật sau khi xử lý bằng phương pháp nấu bột giấy được phân tán vào nhựa nền PEKN bằng phương pháp nghiền trên máy nghiền hành tinh với hàm lượng 3% với vận tốc 450 vòng/phút, trong thời gian 24 giờ Các mẫu có hàm lượng thấp hơn được pha loãng từ hàm lượng 3% bằng PEKN

Nhóm PEKN/MFC: Mẫu PEKN có MFC với tỉ lệ khối lượng MFC/PEKN lần lượt là 0%, 0,3%, 0,5%, 0,7% và 1% đóng rắn bằng chất khơi mào V388 ở nhiệt độ thường trong 12 giờ, sấy ở 70oC trong 4 giờ (nhóm 1)

Nhóm PEKN-GM/MFC: Chế tạo các mẫu composite gia cường 48% mat thủy tinh bằng phương pháp lăn tay với hàm lượng MFC và quy trình đóng rắn giống nhóm

1

Nhóm PEKN-GV/MFC: Tiến hành chế tạo các mẫu composite gia cường 48% mat thủy tinh bằng phương pháp túi hút chân không với hàm lượng MFC và quy trình đóng rắn giống nhóm 1

Nhóm PEKN-G,L/MFC: Mẫu polymer composite lai tạo PEKN/mat thủy tinh – mat sợi lùng với 04 lớp mat sợi lùng làm lõi và 02 lớp mat thủy tinh làm vỏ ngoài, tỉ

lệ mat thủy tinh – mat lùng/PEKN = 48% theo khối lượng, tỉ lệ khối lượng mat thủy tinh/mat lùng = 1 bằng phương pháp túi hút chân không với hàm lượng MFC và quy trình đóng rắn giống nhóm 1

2.5.3 Phương pháp chế tạo polymer composite nền nhựa epoxy

Vi sợi cellulose và vi sợi cellulose acetyl hóa được phân tán vào nhựa nền epoxy với hàm lượng 2% theo phương pháp trao đỏi dung môi Sau đó, phân tán vào nhựa

epoxy bằng máy khuấy ở tốc độ cao, sấy chân không ở 60oC tới khối lượng không đổi

Nhóm EP-L/MFC: Vật liệu PC nhựa nền epoxy với cốt sợi lùng hàm lượng 15% (so với khối lượng nhựa epoxy) được gia cường bằng MFC với các hàm lượng so với khối lượng nhựa epoxy tương ứng là 0%, 0,2%, 0,4%, 0,6% và 0,8% được trộn với chất khâu mạch PEPA theo tỉ lệ khối lượng PEPA/nhựa epoxy là 10% (nhóm 1)

Nhóm EP-G/MFC: Vật liệu PC nhựa nền epoxy với cốt sợi mat thủy tinh hàm lượng 30% (so với khối lượng nhựa epoxy) và tiến hành giống nhóm 1

Nhóm EP-L,G/MFC: Vật liệu PC nhựa nền epoxy với cốt sợi lai tạo mat thủy tinh và sợi lùng hàm lượng 30% (tỷ lệ khối lượng mat thủy tinh/sợi lùng =1) và tiến hành giống nhóm 1

Nhóm EP-G, L/CA: Vật liệu PC nhựa nền epoxy với cốt sợi lai tạo mat thủy tinh

và sợi lùng hàm lượng 30% (tỷ lệ khối lượng mat thủy tinh/sợi lùng =1) và tiến hành giống nhóm 1

Quá trình đóng rắn của tất cả các mẫu được tiến hành ở nhiệt độ thường trong

48 giờ Sau khi tháo khuôn, vật liệu được sấy trong tủ sấy chân không ở 70oC trong 4 giờ, để nguội và sau đó được xác định tính chất cơ lý

2.6 Phương pháp xác định thành phần hóa học

2.6.1 Xác định hàm lượng lignin không tan trong acid

2.6.2 Xác định hàm lượng cellulose bằng phương pháp Klursher – Hofft

2.6.3 Xác định hàm lượng pentozan

2.7 Phương pháp xác định tính chất, cấu trúc

Cấu trúc được xác định bằng phương pháp IR, 1H, 13C

Hình thái học của vật liệu được xác định bằng phương pháp SEM, FESEM

Độ bền nhiệt của vật liệu TGA, DGA

Cấu trúc tinh thể được xác định bằng phương pháp XRD

Mức độ tinh thể được tính theo phương trình của Segal

Độ thế được xác định bằng phương pháp phổ 1H-NMR và phương pháp chuẩn

độ bằng dung dịch NaOH

2.8 Phương pháp xác định độ bền cơ lý vật liệu polymer composite

Độ bền cơ lý vật liệu polymer composite được xác định bằng các tính chất:

- Độ bền kéo được xác định theo tiêu chuẩn ISO 527-1993;

- Độ bền uốn được xác định độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO178-1993(E);

- Độ bền va đập được xác định theo tiêu chuẩn ISO 180 & ASTM D256;

- Độ bền mỏi động được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D3479-96 (2007)

2.9 Phương pháp khảo sát khả năng hấp phụ ion Cu 2+

Khả năng hấp phụ ion Cu2+ được xác định theo phương pháp khảo sát tĩnh được đánh giá theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Hàm lượng ion Cu2+ trong dung dịch được xác định bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử AAS

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Chế tạo vi sợi cellulose

3.1.1 Phương pháp tiền xử lý phoi phế thải của lùng

Để loại bỏ bớt lượng lignin, hemicellulose, pectin, chúng tôi lựa chọn xử lý bằng kiềm và nấu bột giấy Trong đó quan trọng nhất là loại bớt hàm lượng lignin

3.1.1.1 Phương pháp xử lý bằng kiềm

Để lựa chọn điều kiện tối ưu quá trình xử lý kiềm, chúng tôi tiến hành quy hoạch hoá thực nghiệm theo mô hình thực nghiệm trực giao bậc 2 của Box-Behnken với dung dịch NaOH lần lượt 0,1N, 0,55N và 1N ở nhiệt độ 55oC và 80oC trong thời gian từ 3 đến 5 tiếng

Kết thu được phương trình tương quan theo mức độ thực của các biến độc lập (nhân tố):

Y = 39,15288 – 0,14856*Z1 – 0,086441*Z2 – 0,63607*Z3 – 0,090148*Z1Z2 – 0,084667*Z1Z3 – 1,42667*10-4*Z2Z3 + 9,03909*Z12 + 7,52074*10-4*Z22 + 5,06467*10-3*Z32 (1)

Trong đó: Y: hàm lượng lignin (%); Z1: Nồng độ dung dịch NaOH (N); Z2: Thời gian xử lý (phút); Z3: Nhiệt độ xử lý (oC)

Dựa trên mô hình xây dựng được, phân tích tối ưu hóa quá trình tách lignin nhằm đạt được hiệu quả tách tối đa Kết quả phân tích thu được nồng độ NaOH 0,1N, thời gian 69,69 phút, nhiệt độ 64,62oC phương án cho giá trị hiệu quả tách cao 10,7811

%

Kết quả kiểm định được thực hiện các lần khác nhau cho thấy kết quả thu được

từ thực nghiệm tương đương với kết quả lý thuyết tính toán từ mô hình

3.1.1.2 Phương pháp nấu bột giấy

Để thu được bột giấy có chỉ số Kappa = 21 phoi lùng được xác định độ ẩm, tính lượng hóa chất sử dụng: kiềm hoạt tính; độ sunfua, và nước, nạp nguyên liệu và hóa chất vào nồi, nắp nồi vào thiết bị nấu, cài đặt chế độ gia nhiệt, bảo ôn ở nhiệt độ tối đa,

dỡ nồi, rửa bột và vắt khô

3.1.1.3 Thành phần hóa học của phoi lùng sau khi xử lý

Bảng 3.5 Thành phần hóa học của phoi lùng sau xử lý

Thành phần hóa học Cellulose (%) Lignin (%) Pentozan (%)

3.1.1.4 Hình thái học của phoi lùng sau khi xử lý

Hình thái bề mặt của phoi lùng sau khi xử lý bằng kiềm và phương pháp nấu bột giấy được thể hiện ở hình 3.3

Hình 3.3 Ảnh SEM của phoi lùng sau khi xử lý (a) phương pháp xử lý kiềm; (b)

phương pháp nấu bột giấy Kết quả hình 3.3 cho thấy quá trình tiền xử lý bằng cả hai phương pháp đều thu được đường kính sợi tập trung trong khoảng từ 10 đến 20 µm Tuy vậy, phoi lùng sau khi xử lý nấu bột giấy cho thấy bề mặt sợi trơn và sạch hơn

3.1.1.5 Khảo sát cấu trúc hóa học bằng phổ hồng ngoại (IR)

Từ phổ hồng ngoại của phoi lùng trước và sau khi xử lý có thể thấy các dải hấp thụ quan trọng nhất đặc trưng cho cellulose

Sự khác biệt giữa phoi lùng trước xử lý và sau khi xử lý (xử lý kiềm và nấu bột giấy) là pic ở 1732,08 cm-1 (của nhóm carbonyl) xuất hiện trong phoi lùng trước khi

xử lý và bị mất đi sau quá trình xử lý Điều này chứng tỏ quá trình xử lý đã loại bỏ được lignin

Hình 3.4 Phổ hồng ngoại của phoi lùng và

phoi lùng qua xử lý

0 10 20 30 40 50 60 70 0

100 200 300 400 500

Phoi Bot giay Kiem

2 theta

0 100 200 300 400 500

0 100 200 300 400 500

Hình 3.5 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)

của phoi lùng trước và sau xử lý

3.1.1.6 Khảo sát cấu trúc tinh thể

Kết quả đo cấu trúc tinh thể bằng phương pháp XRD cho thấy, hình dạng phổ XRD của phoi lùng chưa xử lý và phoi lùng xử lý bằng phương pháp nấu bột giấy, phương pháp xử lý bằng kiềm gần như thay đổi không đáng kể Hàm lượng tinh thể (bảng 3.6) cho thấy sau khi xử lý bằng kiềm và nấu bột giấy thì hàm lượng tinh thể tăng lên lần lượt từ 61,26% lên 76,02% và 79,84% Kết quả này cho thấy sau khi lignin

và các thành phần khác bị tách ra, các sợi cellulose có xu hướng sắp xếp lại

Tiểu kết: Xử lý phoi lùng bằng kiềm và nấu bột giấy đều đã loại bỏ một phần

lignin và các thành phần khác Trong đó, khi xử lý bằng nấu bột giấy thì hàm lượng lignin trong sợi còn lại là 5,24% và hàm lượng pentozan còn lại là 5,48% (thấp hơn so với xử lý phoi lùng bằng kiềm), bề mặt sợi sạch và nhẵn hơn, hàm lượng tinh thể cao hơn Như vậy, xử lý phoi lùng bằng nấu bột giấy cho kết quả tốt hơn so với xử lý bằng kiềm

3.1.2 Quá trình nghiền cơ học

3.1.2.1 Nghiền trên máy nghiền bi hành tinh

a Ảnh hưởng của tốc độ nghiền đến khả năng chế tạo

Điều kiện nghiền được tiến hành cùng thời gian nghiền 24 giờ với các tốc độ

220 vòng/phút, 350 vòng/phút, 450 vòng/phút Kết quả cho thấy Ở vận tốc 450 vòng/phút, kích thước sợi trung bình đạt được là 400 - 500 nm Có nhiều sợi có kích thước trong khoảng 100 - 200 nm (hình 3.7)

Ảnh SEM chụp khả năng chế tạo và phân tán MFC trong PEKN sau 24 giờ ở vận tốc

220 vòng/phút (hình 3.6.a), 350 vòng/phút (hình 3.7.a) và 450 vòng/phút (hình 3.7.b)

b Ảnh hưởng của thời gian nghiền tới kích thước vi sợi

a- 14 giờ nghiền b-18 giờ nghiền

c-24 giờ nghiền d-30 giờ nghiền Hình 3.8 Sự phân tán của bột giấy trong PEKN theo thời gian với vận tốc 450

vòng/phút

Chế độ nghiền 450 vòng/phút, sau 14 giờ, 18 giờ, 24 giờ, 30 giờ lấy mẫu, đem đóng rắn rồi tiến hành chụp SEM đo kích thước MFC trong PEKN, sau 24 giờ, kích thước sợi trung bình đạt được từ 100 nm đến 1 µm, tập trung chủ yếu trong khoảng

400 - 500 nm (hình 3.8)

3.1.2.2 Nghiền trên máy nghiền mặt đá

Sau 45 lần nghiền, đường kính của các sợi tập trung chủ yếu từ 100 nm đến 500

nm (hình 3.12.b) Hình 3.12.a cho thấy sợi đường kính tập trung trong khoảng từ 2 µm đến 5 µm, có một số sợi đường kính lớn hơn 10 µm, một số sợi có đường kính nhỏ đường kính khoảng 300 nm

Hình 3.12 Ảnh SEM của lùng phế thải đã qua xử lý sau 45 lần nghiền; (a) Xử lý

kiềm, (b) Nấu bột giấy (độ phóng đại 35.000 lần)

3.1.2.3 Nghiền lạnh với máy nghiền mặt đá

Hình 3.13 Ảnh SEM mẫu nấu bột giấy sau 1 lần nghiền lạnh

Hình 3.14 Ảnh SEM mẫu nấu bột giấy sau 5 lần nghiền lạnh

Hình 3.13 cho thấy sau 1 lần nghiền mẫu bị cuộn lại thành các viên nhỏ có đường kính 500 µm Sợi có kích thước nhỏ hơn từ 1 µm đến 3 µm, xuất hiện một số sợi có đường kính từ 500 nm đến vài micromet

Hình 3.14 cho thấy sau 5 lần nghiền xuất hiện một số sợi có đường kính trong khoảng 100 nm đến 300 nm

Hình 3.15 cho thấy sau 15 lần nghiền các bó sợi có đường kính tập trung trong khoảng từ 300 nm đến 500 nm bên cạnh đó có một số bó sợi có đường kính khoảng 1

µm Có nhiều sợi có đường kính vài chục nm tách ra từ các bó sợi

Hình 3.15 Ảnh SEM mẫu nấu bột giấy sau 15 lần nghiền lạnh

Kết quả cho thấy quy trình chế tạo sợi theo phương pháp máy nghiền bi hành tinh thu được các sợi có đường kính đồng đều cao hơn so với quy trình sử dụng máy nghiền mặt đá, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu vừa chế tạo vi sợi vừa trộn vi sợi vào nhựa nền Bề mặt đá của máy nghiền mặt đá cho triển vọng để làm thiết bị chế tạo

vi sợi với giá thành rẻ hơn các thiết bị nhập ngoại với chi phí cao hơn

3.1.2.4 Phương pháp khuấy siêu âm sau khi nấu bột giấy

Phoi lùng sau xử lý bằng phương pháp nấu bột giấy được đánh tơi bằng máy xay Sau khi được đánh tơi mẫu được tiến hành khuấy siêu âm với chế độ: chu kỳ khuấy 30 giây tạm dừng 5 giây, thời gian khuấy 8 giờ, công suất khảo sát lần lượt là 50%, 80%, 100%

Hình 3.16 Ảnh SEM của MFC với công suất máy siêu âm 50%

Hình 3.16 cho thấy với khuấy siêu âm bằng 50% công suất của máy, các sợi bắt đầu bị tách ra, đường kính sợi còn lớn khoảng 2 µm đến 10 µm Các sợi có đường kính nhỏ hơn 1 µm không tách rõ rệt

Hình 3.17 Ảnh SEM của MFC với công suất máy siêu âm 80%

Phương pháp khuấy siêu âm cho các sợi có kích thước lớn hơn so với các phương pháp khác đã sử dụng (khoảng 4 µm đến 16 µm với công suất 80%; khoảng 2 µm đến

11 µm với công suất 100%) nhưng lại cho sợi có bề mặt nhẵn và kích thước đồng đều hơn

Hình 3.18 Ảnh SEM của MFC với công suất máy siêu âm 100%

3.1.2.5 Phương pháp nghiền bằng máy nghiền mặt đá và đánh siêu âm

Từ các kết quả thu được ở trên, chúng tôi tiến hành nghiền bằng máy nghiền mặt

đá sau đó được đồng hóa bằng phương pháp siêu âm

Hình 3.19 cho thấy, sợi thu được sau khi được nghiền bằng máy nghiền mặt đá

và tiếp tục khuấy siêu âm có kích thước đồng đều hơn, đường kính các sợi tập trung trong khoảng 50 nm, bề mặt sợi khá nhẵn

Hình 3.19 Ảnh SEM của MFC thu được khi kết hợp nghiền bằng máy nghiền mặt đá

và khuấy siêu âm

Tiểu kết:

Từ các kết quả khảo sát ảnh hưởng của các phương pháp chế tạo đến kích thước

và bề mặt vi sợi thu được ở trên, chúng tôi thấy:

- Phương pháp nghiền hành tinh phù hợp để chế tạo vi sợi cellulose ứng dụng làm vật liệu polymer composite nền polyeste không no

- Kết quả quy trình chế tạo vi sợi cellulose từ phế thải cây lùng bằng phương pháp cơ học:

Thời gian: 14 giờ 5 µm