Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo nanocellulose làm vật liệu gia cường cho polylactic acid

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:67

Thêm vào BST

Báo xấu

71
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận văn nhằm tìm ra được phương pháp sản xuất và điều kiện tối ưu trong quá trình sản xuất nanocellulose, chế tạo polyme nanocompozit có khả năng tự phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường và an toàn cho người sử dụng. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo nanocellulose làm vật liệu gia cường cho polylactic acid

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Đặng Thị Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANOCELLULOSE LÀM VẬT LIỆU GIA CƯỜNG CHO POLYLACTIC ACID LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2020
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Đặng Thị Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANOCELLULOSE LÀM VẬT LIỆU GIA CƯỜNG CHO POLYLACTIC ACID Chuyên ngành : Hóa hữu cơ Mã số: 8440114 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Ngô Trịnh Tùng Hà Nội - 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “ Nghiên cứu chế tạo nanocellulose làm vật liệu gia cường cho polylactic axit” là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Ngô Trịnh Tùng. Đây không phải là bản sao chép của bất kỳ cá nhân hay tổ chức nào. Các số liệu trong luận văn là do tôi tiến hành, tính toán, một số thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày 28 tháng 5 năm 2020 Học viên Đặng Thị Mai
ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Ngô Trịnh Tùng là người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành Luận văn. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các cán bộ nghiên cứu tại Phòng Polyme chức năng và vật liệu nano thuộc Viện Hóa học (Viện Hàn Lâm khoa học và công nghệ Việt Nam) đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện trong thời gian tôi thực hiện luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo Học Viện, các thầy cô trong khoa Hóa học, Học Viện khoa học và Công nghệ đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho cho chúng tôi trong suốt thời gian tôi theo học và hoàn thành luận văn; Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp, các bạn cùng lớp CHE18A-1 về sự giúp đỡ, chia sẻ và những tình cảm tốt đẹp trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 28 tháng 5 năm 2020 Học viên Đặng Thị Mai
iii Danh mục các chữ viết tắt Chữ viết tắt Diễn giải BNC Baterial nanocellulose: nanocellulose vi khuẩn CNC Cellulose nanocrystal: tinh thể nanocellulose CNF Cellulose nanofiber: nano sợi cellulose PBS Poly (butylene succinate) PCL Polycaprolactone PE Polyetylen PEG Polyethylene glycol PGA Polyglycolic acid PHB Polyhydroxybutyrat PLA Polylactic axit PLGA Poly (lactic-co-glycolic) axit PP Polypropylen PVA Polyvinyl ancol
iv Danh mục bảng biểu Bảng 3. 1. Thành phần hóa học của bã mía .................................................................. 36 Bảng 3. 2. Giá trị độ bền kéo đứt, độ giãn dài khi đứt và modun đàn hồi của nanocompozit. ................................................................................................................ 49 Danh mục hình vẽ Hình 1.1. Đơn vị lặp lại chuỗi cellulose cho thấy định hướng của liên kết β-(1-4)- glycozit và liên kết hydro trong phân tử. ........................................................... 6 Hình 1.2 . Sơ đồ cấu tạo của chuỗi cellulose: (a) sợi cellulose, (b) vi sợi cellulose, (c) sợi sơ cấp, (d) cấu trúc hóa học của cellulose cơ bản. ......................................... 7 Hình 1.3. Liên kết hydro trong và ngoài mạch cellulose ............................................. 8 Hình 1.4. Cấu tạo của chuỗi cellulose (a) Micro cellulose bao gồm vùng vô định hình và vùng tinh thể; (b) Nano cellulose sau khi thủy phân bằng axit .......................... 10 Hình 1.5. Ảnh TEM của tinh thể nanocellulose từ vỏ chuối (a) và sợi nanocellulose từ sợi gai (b) ....................................................................................................... 11 Hình 1.6. Ảnh SEM của nanocellulose vi khuẩn ..................................................... 11 Hình 1.7. Mối quan hệ giữa các loại nanocellulose khác nhau .................................. 12 Hình 1.8. Một số ứng dụng của nanocellulose ......................................................................... 17 Hình 1.9. Chu trình sản xuất, sử dụng và tái sinh của polme có khả năng phân hủy sinh học................................................................................................................. 19 Hình 1.10. Công thức cấu tạo của polylactic axit .................................................... 20 Hình 1.11. Một số ứng dụng của PLA ..................................................................... 22 Hình 2.1. Quy tình chế tạo cellulose từ bã mía ........................................................................ 26 Hình 2.2. Quy trình chế tạo nanocellulose ............................................................... 28
v Hình 2.3. Các tín hiệu nhận được khi dùng kỹ thuật hiển vi điện tử quét. .................. 31 Hình 3.1. (a) Mẫu bã mía sau khi sấy khô; (b) Mẫu bã mía sau khi tẩy trắng bằng NaClO2 lần 1; (c) cellulose tinh chế; (d) nanocellulose sau khi được đông khô............... 35 Hình 3.2. Phổ FT-IR của (a) bã mía (b) cellulose và (c) nanocellulose. ..................... 38 Hình 3.3. Giản đồ XRD của nanocellulose chế tạo được ở các thời gian thủy phân khác nhau. .............................................................................................................. 40 Hình 3.4. Tinh thể nano cellulose thủy phân ở các nhiệt độ khác nhau sau thời gian thủy phân 3h. ......................................................................................................... 41 Hình 3.5. Ảnh SEM của (a) bã mía chưa xử lý (b) cellulose (c) nano cellulose. ........ 42 Hình 3.6. Giản đồ phân bố kích thước hạt nancellulose ............................................ 43 Hình 3.7. Giản đồ XRD của (a) bã mía (b) cellulose (c) nano cellulose.................... 44 Hình 3.8. Giản đồ TGA của (a) bã mía, (b) cellulose, (c) nano Cellulose .................. 45 Hình 3.9. Phổ FT-IR của PLA và nanocompozit. ..................................................... 46 Hình 3.10. Ảnh SEM của (a) PLA và các mẫu nanocompozit C1(b) ......................... 47 Hình 3.11. Giản đồ TGA của PLA và nanocompozit PLA/CNC. .............................. 48 Hình 3.12. Độ bền kéo đứt của nanocompozit PLA/CNC. ........................................ 50 Hình 3.13. Độ giãn dài khi đứt (a) và modun đàn hồi (b) của nanocompozit ............. 51
1 MỤC LỤC Lời cam đoan .......................................................................................................... i Lời cảm ơn ............................................................................................................ ii Danh mục các chữ viết tắt .................................................................................... iii Danh mục bảng biểu............................................................................................. iv Danh mục hình vẽ ................................................................................................ iv MỤC LỤC .............................................................................................................. 1 MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 6 1.1. Giới thiệu về cellulose và tính chất của cellulose ........................................... 6 1.1.1. Nguồn gốc và cấu trúc của cellulose............................................................ 6 1.1.2. Tính chất hóa lý của cellulose ...................................................................... 9 1.2. Nanocellulose và ứng dụng ............................................................................. 9 1.2.1. Giới thiệu chung về nanocellulose ............................................................... 9 1.2.2. Tính chất cơ học của nanocellulose ........................................................... 12 1.2.3. Tính phân hủy sinh học của nanocellulose ................................................ 13 1.2.4. Các phương pháp chế tạo tinh thể nanocelulose ........................................ 13 1.2.4.1. Thủy phân bằng axit ................................................................................ 14 1.2.4.2. Thủy phân bằng enzym ........................................................................... 14 1.2.4.3. Các phương pháp cơ học ......................................................................... 15 1.2.5. Ứng dụng của nanocellulose ...................................................................... 16 1.3. Polyme phân hủy sinh học ............................................................................ 18 1.3.1. Giới thiệu chung về polyme phân hủy sinh học ........................................ 18
2 1.3.2. Cấu tạo, tính chất và ứng dụng của PLA ................................................... 20 1.3.2.1. Cấu tạo và tính chất của PLA.................................................................. 20 1.3.2.2. Ứng dụng của PLA.................................................................................. 21 1.3.3. Nanocompozit PLA/tinh thể nanocellulose ............................................... 23 CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............. 25 2.1. Hóa chất, dụng cụ thí nghiệm ....................................................................... 25 2.2. Quy trình chế tạo nano cellulose từ bã mía ................................................... 26 2.2.1. Tách cellulose từ bã mía ............................................................................ 26 2.2.2. Chế tạo tinh thể nanocellulose bằng phương pháp thủy phân ................... 27 2.3. Quy trình Chế tạo nanocompozit PLA/nanocellulose .................................. 29 2.4. Các phương pháp nghiên cứu........................................................................ 30 2.4.1. Phân tích thành phần bã mía ...................................................................... 30 2.4.2. Nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................................................ 30 2.4.3. Phổ hồng ngoại (FT-IR) ............................................................................. 30 2.4.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .................................................. 31 2.4.5. Nghiên cứu phân bố kích thước hạt ........................................................... 32 2.4.6. Phương pháp phân tích nhiệt (TGA) .......................................................... 32 2.4.7. Phương pháp đông khô .............................................................................. 33 2.4.8. Đo tính chất cơ lý ....................................................................................... 34 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 35 3.1. Chế tạo cellulose từ bã mía ........................................................................... 35 3.1.1. Thành phần của bã mía .............................................................................. 35 3.1.2. Phổ FT-IR của cellulose ............................................................................. 37
3 3.2. Chế tạo nanocellulose ................................................................................... 39 3.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo tinh thể nano cellulose......... 39 3.2.1.1. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân ........................................................ 39 3.2.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................... 41 3.2.2. Cấu trúc của Nanocellulose........................................................................ 42 3.2.2.1. Cấu trúc hình thái học của nanocecllulose .............................................. 42 3.2.2.2. Giản đồ XRD của nanocellulose ............................................................. 43 3.2.2.3. Tính chất nhiệt của cellulose và nanocellulose ....................................... 44 3.3. Cấu trúc và tính chất của nanocompozit PLA/CNC ..................................... 46 3.3.1. Phổ FT-IR của PLA và nanocompozit PLA/CNC ..................................... 46 3.3.2. Cấu trúc hình thái của PLA và nanocompozit PLA/CNC ......................... 47 3.3.3. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) ............................................................ 48 3.3.4. Tính chất cơ lý của nanocompozit PLA/CNC ........................................... 49 3.3.4.1. Độ bền kéo đứt ........................................................................................ 49 3.3.4.2. Độ giãn dài khi đứt và modun đàn hồi .................................................... 50 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 52 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ........................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 54
4 MỞ ĐẦU Hiện nay, tình hình ô nhiễm môi trường ở Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung đang diễn biến ngày càng nghiêm trọng. Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm môi trường trong đó có ô nhiễm do phế thải từ các loại nhựa nhiệt dẻo như polyetylen, polypropylen, polystiren…hay các chế phẩm từ cao su. Các sản phầm này khi thải ra môi trường sẽ gây ô nhiễm nặng do chúng tồn tại trong đất thời gian khá lâu và rất khó phân hủy. Yêu cầu đặt ra cho các nhà khoa học là phải nghiên cứu tìm ra một loại vật liệu có khả năng thay thế các sản phẩm gây ô nhiễm môi trường từ nhựa hay cao su nói trên. Đồng thời chúng phải có khả năng giảm thiểu hoặc không gây hại cho người sử dụng và thân thiện với môi trưởng. Trước những yêu cầu đó, việc nghiên cứu và ứng dụng polyme phân hủy sinh học ngày càng phát triển mạnh mẽ. Vấn đề nghiên cứu và chế tạo polyme phân hủy sinh học mới được đặt ra trong thời gian gần đây, tuy còn khá mới mẻ nhưng cũng đã nhận được rất nhiều sự quan tâm của các tổ chức và các nhà khoa học. Ở Việt Nam, một số đơn vị nghiên cứu tại Viện Hóa học Công nghiệp, Trung tâm nghiên cứu polyme (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) đã thu nhận được một số kết quả khả quan ban đầu. Tuy nhiên, cũng phải thừa nhận rằng còn rất nhiều thách thức trong lĩnh vực này, đòi hỏi sự đầu tư nhiều hơn nữa của đội ngũ cán bộ và các nhà nghiên cứu khoa học. Nanocellulose là một loại vật liệu nano tự nhiên thu hút nhiều sự quan tâm bởi các ưu điểm nổi bật về tính chất vật lý, khả năng tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học và tính không độc hại. Nanocellulose được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống như trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, dệt may, kỹ thuật điện tử và đặc biệt là làm vật liệu gia cường cho compozit… Nguồn nguyên liệu chính để sản xuất nanocellulose là nguồn dư lượng nông, lâm nghiệp. Với đặc thù là một nước nông nghiệp như nước ta, nguồn dư lượng từ nông nghiệp rất dồi dào bao gồm rơm, rạ, bã mía, xơ dừa… Đây là nguồn nguyên liệu rất tiềm năng và có giá thành rẻ.
5 Với mong muốn bước đầu có thể chế tạo ra một loại polyme phân hủy sinh học được gia cường bằng nanocellulose được lấy từ bã mía thải, tôi đã chọn đề tài ‘Nghiên cứu chế tạo nanocellulose làm vật liệu gia cường cho polylactic acid ”. Mục đích của luận văn nhằm tìm ra được phương pháp sản xuất và điều kiện tối ưu trong quá trình sản xuất nanocellulose, chế tạo polyme nanocompozit có khả năng tự phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường và an toàn cho người sử dụng. Nội dung luận văn bao gồm:  Xác định thành phần của nguyên liệu bã mía  Xây dựng quy trình chế tạo tinh thể nanocellulose từ bã mía và phân tích cấu trúc của sản phẩm nanocellulose thu được.  Chế tạo biopolyme nanocompozit polylactic axit/nanocellulose và khảo sát tính chất của vật liệu.
6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU VỀ CELLULOSE VÀ TÍNH CHẤT CỦA CELLULOSE 1.1.1. Nguồn gốc và cấu trúc của cellulose Cellulose là thành phần chính của sợi thực vật và được bổ sung liên tục thông qua quá trình quang hợp của thực vật [1]. Nó là một loại polyme thiên nhiên mạch thẳng (công thức phân tử là [C6H7O2(OH)3]x) với đơn vị mắt xích là anhydro-β- glucopyranozo (AGU) liên kết với nhau bằng liên kết β-(1-4)- glycozit (hình 1.1). Mỗi một mắt xích AGU có các nhóm hydroxyl (OH) ở các vị trí C2, C3 và C6, có khả năng tham gia nhiều phản ứng đặc trưng cho các nhóm hydroxyl bậc 1 và bậc 2. Các nhóm hydroxyl ở cuối mạch phân tử cellulose tức là ở vị trí C1 và C4 có tính chất khác nhau: nhóm OH ở vị trí C1 có tính chất khử còn nhóm OH ở C4 không có tính chất này. Các nguyên tử oxy của các nhóm hydroxyl cũng như các nguyên tử oxy trong các vòng AGU tham gia tạo các tương tác nội và ngoại phân tử tạo cầu hydro và tham gia các phản ứng thủy phân khác[2]. Hình 1.1. Đơn vị lặp lại chuỗi cellulose cho thấy định hướng của liên kết β-(1-4)- glycozit và liên kết hydro trong phân tử. [3] Hoạt tính của cellulose phụ thuộc vào khả năng phản ứng của các nhóm hydroxyl bậc 1 và bậc 2 trên các vòng glycozit. Thông thường, các nhóm hydroxyl bậc 1 có khả năng phản ứng cao hơn nhóm hydroxyl bậc 2, nguyên nhân là do chúng ít bị cản trở không gian hơn. Tỷ lệ vùng tinh thể và vô định
7 hình trong cấu trúc của cellulose cũng ảnh hưởng tới sự tiếp cận các nhóm chức trên trong các phản ứng [4]. Các nhóm hydroxyl của gốc glucose ở mạch này tạo liên kết hydro với nguyên tử oxy của mạch khác giữ cho các mạch ở bên cạnh nhau một cách vững chắc, hình thành nên các vi sợi (microfibril) với độ bền cao. Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, người ta xác định được cellulose có những nét đặc trưng của vật liệu tinh thể, trong đó tinh thể định hướng theo trục của sợi, mật độ tinh thể có thể lên tới 1.588g/cm3. Ngược lại, vùng vô định hình có khoảng cách giữa các chuỗi phân tử lớn hơn do sự sắp xếp không đồng đều các đại phân tử, do đó mật độ cellulose trong vùng vô định hình thấp hơn, chỉ 1.5g/cm3[5,6]. Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo của chuỗi cellulose: (a) sợi cellulose, (b) vi sợi cellulose, (c) sợi sơ cấp, (d) cấu trúc hóa học của cellulose cơ bản [4]. Trong mạng tinh thể, các đoạn đầu mạch xếp theo hướng song song với nhau. Các phân tử cellulose có cấu trúc trật tự cao do độ cứng của vòng anhydroglucose và lực hấp dẫn mạnh liên hợp với liên kết hydro của các nhóm
8 hydroxyl. Các liên kết hydro có thể tạo thành trong và ngoài mạch cellulose (hình 1.3) hoặc giữa các lớp cellulose [2]. Hình 1.3. Liên kết hydro trong và ngoài mạch cellulose Do cấu trúc thẳng, khá cân đối và nhiều nhóm hydroxyl trong phân tử, các polyme cellulose có thể hình thành cấu trúc tinh thể cùng với nhau từ các liên kết hydro. Vùng tinh thể đóng vai trò quan trọng đến tính cơ lý của của sợi cellulose. Các nhóm hydroxyl trong polyme cellulose có thể hình thành liên kết hydro với các polyme cellulose khác (liên kết hydro ngoại phân tử) hoặc trong chính polyme (liên kết hydro nội phân tử). Liên kết nội phân tử tạo tính cứng của chuỗi polyme trong khi liên kết ngoại phân tử cho phép các polyme mạch thẳng hình thành các cấu trúc tấm. Các liên kết hydro trong sợi cellulose liên kết với nhau rất chặt chẽ tạo thành một hệ thống mạng liên kết dày đặc và bền vững, điều này khiến cho sợi cellulose không tan trong nước và hầu hết các dung môi hữu cơ thông thường.
9 1.1.2. Tính chất hóa lý của cellulose Cellulose là polyme vừa phân cực mạnh vừa kết tinh cao, không tan trong nước và chỉ hòa tan trong một số ít dung môi đặc biệt có khả năng làm trương cellulose. Sự trương nở này xảy ra khi dung môi lọt vào vùng vô định hình của phân tử, ở đó các phân tử liên kết lỏng lẻo với nhau. Vùng vô định hình có thể hấp thụ nước và trương lên, còn vùng kết tinh mạng lưới liên kết hydro ngăn cản sự trương này. Sự trương trong tinh thể xảy ra khi có mặt dung môi gây trương có ái lực mạnh hơn tương tác giữa các phân tử cellulose và gây ra hiện tượng phá vỡ liên kết giữa các phân tử cellulose. Các dung môi thường được sử dụng để gây trương nở cellulose là NaOH đậm đặc, dung dịch Cu(OH)2 trong amoniac…[7]. Cellulose có thể bị thủy phân thành glucose khi đun nóng trong môi trường axit hoặc kiềm. Liên kết glicozit trong phân tử không bền với axit, và dưới tác dụng của axit chúng bị phân hủy tạo thành các sản phẩm thủy phân. Xử lý bằng kiềm là một phương pháp gây trương khá hiệu quả và tiết kiệm thường được áp dụng. Trong quá trình này, kiềm không chỉ gây trương mà còn hòa tan và loại bỏ các thành phần hemicellulose và lignin có trong sợi thực vật. Quá trình hòa tan các thành phần này tạo ra lỗ trống trong cấu trúc của sợi. 1.2. NANOCELLULOSE VÀ ỨNG DỤNG 1.2.1. Giới thiệu chung về nanocellulose Vật liệu cellulose gồm sợi cellulose hoặc sợi fibril (vật liệu cấu trúc sinh học, được tìm thấy trong hầu hết các sinh vật sống) có ít nhất một kích thước bên ngoài cỡ nano, tức là khoảng từ 1-100nm thường được gọi là nanocellulose. Nanocellulose được tạo ra từ đại phân tử cellulose bao gồm cả 2 miền, miền tinh thể gồm các phân tử được sắp xếp theo trật tự nhất định và miền vô định hình gồm các phân tử sắp xếp một cách ngẫu nhiên.
10 Chuỗi xenlulozơ Vùng vô định hình Vùng tinh thể 100nm (a) Nano xenlulozơ (b) Hình 1.4. Cấu tạo của chuỗi cellulose (a) Micro cellulose bao gồm vùng vô định hình và vùng tinh thể; (b) Nano cellulose sau khi thủy phân bằng axit. Nanocellulose được chia thành 2 nhóm đặc trưng dựa vào kỹ thuật chế tạo chúng bao gồm: tinh thể nanocellulose (CNC: cellulose nanoccrystals hoặc nanocellulose whisker hay nanocrystal cellulose) và sợi nanocellulose (CNF: cellulose nanofibrils hoặc cellulose nanofiber) [8]. CNC có dạng hình que hoặc hình râu, với chiều rộng từ 3-5 nm, chiều dài từ 50-500 nm, thành phần hóa học của nó là 100% cellulose, độ kết tinh cao (54- 88%) và là sản phẩm của quá trình thủy phân cellulose bằng axit.[3] CNF là nanocellulose dạng sợi, có chiều rộng từ 4-20 nm, chiều dài từ 500- 2000 nm, có thành phần 100% là cellulose bao gồm cả vùng kết tinh và vô định hình [3]. CNF là sản phẩm của quá trình phân rã cellulose bằng phương pháp cơ học như đồng nhất hóa, vi lỏng hóa hoặc siêu nghiền, tuy nhiên, trước các quá trình này cần phải tiền xử lý hóa học cellulose.[8]
11 Hình 1.5. Ảnh TEM của tinh thể nanocellulose từ vỏ chuối (a) và sợi nanocellulose từ sợi gai (b).[9] Ngoài CNC và CNF còn có nanocellulose vi khuẩn (BNC) hay còn gọi là microbial cellulose. Khác với 2 loại trên có nguồn gốc từ sinh khối lignocellulose, BNC được tạo ra từ các phân tử đường phân tử thấp thông qua quá trình lên men bằng vi khuẩn. Chính vì vậy, BNC là loại tinh khiết hơn cả vì nó không chứa các thành phần không phải cellulose [10]. Hình 1.6. Ảnh SEM của nanocellulose vi khuẩn [11]
12 Hình 1.7. Mối quan hệ giữa các loại nanocellulose khác nhau [12] 1.2.2. Tính chất cơ học của nanocellulose [13] Tính chất cơ học của nanocellulose ở các vùng tinh thể và vô định hình là khác nhau. Ở các vùng bị rối loạn (vùng vô định hình) vật liệu có tính dẻo và linh hoạt hơn so với các vùng được sắp xếp trật tự (vùng tinh thể)[13]. Tương tự vậy, nanocellulose từ các nguồn khác nhau cũng có các tính chất cơ lý khác nhau, tùy thuộc vào tỉ lệ giữa vùng tinh thể và vùng vô định hình trong vật liệu. Cũng vì như vậy, do có số lượng tinh thể nhiều hơn nên độ cứng và modun của CNC cao hơn CNF [14]. Modun đàn hồi của tinh thể cellulose được nghiên cứu lần đầu tiên vào năm 1930 bằng cả phương pháp phân tích lý thuyết và thực nghiệm như phổ Raman, nhiễu xạ tia X và kính hiển vi lực nguyên tử [13]. Tuy nhiên, việc xác định chính xác các giá trị này là tương đối khó khăn.
13 Một số nghiên cứu đưa ra giá trị modun đàn hồi của tinh thể cellulose (giống như CNC) là 58 - 180 GPa [15], giá trị này tương đương với sợi Kevlar (60 - 125 GPa) và có khả năng chắc chắn hơn thép [16]. Một công trình nghiên cứu của Gillis [17] đã báo cáo rằng, nếu tính toán cả các liên kết hydro liên chuỗi và sức căng của chuỗi cellulose thì độ cứng của tinh thể cellulose có thể lên đến 300 GPa. Một nghiên cứu khác của Dri và cộng sự [18] đã sử dụng cơ học lượng tử để tính toán modun đàn hồi của tinh thể cellulose và đưa ra giá trị xấp xỉ 206 GPa. Do có số lượng tinh thể trong phân tử ít hơn nên giá trị modun đàn hồi của CNF và BNC cũng thấp hơn so với CNC. Giá trị modun đàn hồi trung bình của CNF được ước tính là 81 ± 12 GPa [16]. Dựa trên ước tính biến dạng phân tử cục bộ của BNC thông qua sự dịch chuyển ở vị trí trung tâm của dải Raman 1095 cm- 1 , người ta tính được giá trị modun của BNC là xấp xỉ 114 GPa [16]. Do có các tính chất cơ học tuyệt vời, CNC cho thấy tiềm năng ứng dụng của nó dưới dạng chất gia cường trong sản xuất vật liệu compozit nhằm cải thiện các tính chất cơ học của vật liệu như độ cứng, độ bền và khả năng đàn hồi. Một ưu điểm quan trọng hơn cả là các loại sợi nanocellulose được tạo ra từ phế phẩm nồng nghiệp có giá thành rẻ hơn rất nhiều so với nhiều loại vật liệu tổng hợp. Chính vì vậy, loại vật liệu nano này vẫn rất hấp dẫn và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. 1.2.3. Tính phân hủy sinh học của nanocellulose Một trong những ưu điểm lớn nhất của vật liệu tổng hợp thân thiện với môi trường là khả năng tự phân hủy sinh học của chúng. Tuy nhiên, đa số các loại vật liệu sinh học nhân tạo lại cần nhiệt độ ủ khá cao (khoảng 60 °C) để đẩy nhanh quá trình phân hủy. Ngược lại, do có tính ưa nước nên nanocellulose có khả năng phân hủy nhanh chóng ở nhiệt độ thường, tức là trong khoảng 20-30 °C. 1.2.4. Các phương pháp chế tạo tinh thể nanocelulose Hiện nay, một số kỹ thuật được phát triển để chế tạo nanocellulose từ vật liệu cellulose. Tùy thuộc vào phương pháp chế tạo, người ta có thể thu được nanocellulose khác nhau về loại và tính chất. Các phương pháp chế tạo cellulose