Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu đang là thách thức nghiêm trọng đối với xã hội hiện đại. Tại Việt Nam – một quốc gia có diện tích canh tác lúa từ 7,3 đến 7,5 triệu ha, sản lượng lúa đạt từ 34,5 đến 35 triệu tấn/năm và xuất khẩu từ 2,5 đến 4 triệu tấn gạo/năm – lượng phụ phẩm nông nghiệp sau thu hoạch là rất lớn. Trung bình cứ 1 tấn thóc thu hoạch sẽ thải ra khoảng 1,2 tấn rơm rạ. Tập quán xử lý rơm rạ phổ biến của nông dân hiện nay là đốt trực tiếp ngoài đồng ruộng. Quá trình đốt rơm rạ không kiểm soát làm mất chất hữu cơ trong đất, khiến đất bị chai cứng, bốc hơi nước và phát thải trực tiếp vào bầu khí quyển các chất khí độc hại gồm cacbon dioxit ($CO_2$), cacbon monoxit ($CO$), metan ($CH_4$), oxit nitơ ($NO_x$), lưu huỳnh dioxit ($SO_2$), hydrocacbon thơm đa vòng (PAH), cùng các dẫn xuất clo hóa độc hại có nguy cơ gây ung thư như dioxin (PCDDs) và dibenzofuran (PCDFs).

Để giải quyết tình trạng lãng phí tài nguyên và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, hướng nghiên cứu chuyển hóa rơm rạ thành các vật liệu sinh học có giá trị cao, đặc biệt là tinh thể nano cellulose (Cellulose Nanocrystals - CNC), đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học. Cellulose nano tinh thể sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn, độ bền cơ học cao, ứng suất cao và có khả năng làm chất gia cường cho mạng lưới polymer. Tuy nhiên, tính ưa nước của CNC gây khó khăn cho việc phân tán đồng đều trong nền nhựa kỵ nước. Do đó, việc nghiên cứu quy trình cô lập cellulose tinh khiết từ rơm, thủy phân tạo CNC, biến tính bề mặt CNC bằng hợp chất silane để tạo cấu trúc mạng (network) và ứng dụng làm chất độn gia cường cho nhựa nhiệt dẻo polyurethane (TPU) là vấn đề cấp thiết cả về mặt khoa học lẫn thực tiễn công nghệ vật liệu tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể qua 4 nhiệm vụ:

  1. Khảo sát các phương pháp xử lý bột rơm bằng các hóa chất khác nhau để loại bỏ tạp chất (sáp, lignin, hemicellulose và silica) nhằm thu nhận bột cellulose tinh khiết.
  2. Khảo sát quá trình thủy phân bột cellulose tinh khiết bằng acid sulfuric ($H_2SO_4$) ở các điều kiện khác nhau: nồng độ acid (60% và 64% theo khối lượng), nhiệt độ phản ứng (30°C và 45°C), và thời gian thủy phân (30 phút và 45 phút) để tạo tinh thể nano cellulose (CNC).
  3. Khảo sát quá trình biến tính bề mặt CNC và tạo cấu trúc mạng lưới (CNC network) thông qua hai tác nhân silane: 3-Amino Propyl Triethoxy Silane (APTS) và 3-Glycidoxy Propyl Trimethoxy Silane (GPTS).
  4. Khảo sát, đánh giá và so sánh các tính năng cơ lý của màng nhựa TPU thuần với màng TPU được gia cường bằng các hệ chất độn: cellulose chưa thủy phân, CNC và CNC network ở các tỷ lệ phối trộn 1%, 2% và 3% theo khối lượng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Rơm rạ thu gom sau thu hoạch, cellulose tinh chế, tinh thể nano cellulose (CNC), các hợp chất silane (APTS, GPTS), cấu trúc CNC network và vật liệu composite nền nhựa nhiệt dẻo polyurethane (TPU).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực nghiệm điều chế, biến tính hóa học và phân tích cấu trúc, hình thái học, cơ lý tính của vật liệu tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Hóa học - Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM, Viện Hóa học TP.HCM, Khoa Khoa học Vật liệu - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM và Trung tâm Kỹ thuật Nhựa – Cao su và Đào tạo Quản lý Năng lượng vào tháng 08 năm 2013.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống cơ sở lý thuyết dựa trên thành phần hóa học của sinh khối lignocellulose và cơ chế tương tác bề mặt polymer:

Hợp chất / Vật liệu Đặc điểm cấu trúc và hóa lý Vai trò trong nghiên cứu
Cellulose Đại phân tử polymer mạch thẳng cấu tạo từ các mắt xích $\beta$-D-Glucose qua liên kết 1,4-glycoside, công thức $[C_6H_7O_2(OH)_3]_n$. Chiếm 37,4% khối lượng rơm khô. Chứa cả vùng tinh thể và vùng vô định hình. Nguồn nguyên liệu chính để thủy phân tách chiết tinh thể nano cellulose (CNC).
Hemicellulose Heteropolysaccharide phân nhánh gồm các monomer pentose và hexose (xylan, glucuronoxylan, arabinoxylan, glucomannan), cấu trúc vô định hình, liên kết kém bền. Chiếm 44,9% khối lượng rơm khô. Tạp chất cần loại bỏ bằng dung dịch kiềm ($NaOH$) và chất oxy hóa ($H_2O_2$).
Lignin Đại phân tử thơm liên kết ngang phức tạp, kỵ nước, liên kết chặt chẽ với hemicellulose tạo độ cứng cho vách tế bào. Chiếm 4,9% khối lượng rơm khô. Tạp chất cần loại bỏ thông qua quá trình tiền xử lý bằng $NaOH$ và tẩy trắng bằng $NaClO_2$.
Tro / Silica ($SiO_2$) & Sáp Tro silica chiếm 9–14% trong rơm; sáp là paraffin ankan chuỗi dài ($C_n H_{2n+2}, n > 20$). Sáp được loại bỏ bằng trích ly Soxhlet (toluene/ethanol 2:1); silica được khử bằng kiềm nóng.
Silane (APTS & GPTS) APTS ($C_9H_{23}NO_3Si$, M = 221,4 g/mol) có nhóm amin ($-NH_2$); GPTS ($C_9H_{20}O_5Si$, M = 236,1 g/mol) có nhóm epoxy. Nhóm alkoxy phản ứng ghép lên nhóm $-OH$ của CNC; nhóm epoxy và amine phản ứng mở vòng tạo mạng liên kết chéo.
Nhựa TPU Polyurethane nhiệt dẻo đàn hồi, gồm các đoạn cứng và đoạn mềm, nhạy với acid/base, tan trong dung môi phân cực mạnh (DMF, DMSO). Vật liệu nền polymer nhận chất độn CNC/CNC network để đánh giá tính năng cơ lý.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích cấu trúc được triển khai đồng bộ gồm:

  • Phương pháp trích ly và xử lý hóa học: Trích ly Soxhlet loại bỏ chất béo/sáp; phản ứng kiềm hóa và oxy hóa khử để hòa tan lignin, hemicellulose và silica.
  • Phương pháp thủy phân acid có kiểm soát: Phá vỡ chọn lọc các vùng vô định hình của cellulose bằng $H_2SO_4$ đậm đặc để thu hồi các vùng tinh thể nano bền vững mang nhóm este sulfate tích điện âm trên bề mặt.
  • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Sử dụng thiết bị đo phổ hấp thụ hồng ngoại nhằm nhận danh các nhóm chức đặc trưng, theo dõi sự biến mất của liên kết lignin/hemicellulose/silica và kiểm chứng phản ứng gắn silane, mở vòng epoxy.
  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Đo phổ nhiễu xạ bột theo góc quét $2\theta$ theo định luật Vulf-Bragg nhằm xác định thành phần pha, độ kết tinh tương đối của mẫu cellulose trước và sau khi thủy phân thành CNC.
  • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM): Quan sát hình thái học bề mặt, phân tích hình thái dạng que/sợi và đo đạc kích thước đường kính, chiều dài của các tinh thể CNC.
  • Khối phổ cặp cảm ứng cao tần (ICP-MS): Định lượng chính xác hàm lượng nguyên tố Silic ($Si$) có trong các mẫu CNC sau khi biến tính hóa học, từ đó chứng minh hiệu quả gắn kết của APTS và GPTS.
  • Phương pháp đo cơ tính: Thử nghiệm độ cứng Shore A, đo ứng suất kéo đứt, độ dãn dài khi đứt và môđun đàn hồi Young (Young's modulus) trên máy đo cơ lý vạn năng theo tiêu chuẩn thử nghiệm polymer.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Nguyên liệu

Chương I trình bày tổng quan về nguồn gốc thực vật của cây lúa (Oryza sativa), tình hình sản xuất lúa gạo tại Việt Nam cùng các thách thức về mặt diện tích và môi trường. Tác giả phân tích chi tiết cơ cấu thành phần sinh khối của rơm lúa, bao gồm các thành phần chính: cellulose (37,4%), hemicellulose (44,9%), lignin (4,9%), và các thành phần phụ gồm silica ($SiO_2$ từ 9–14%), sáp paraffin ($C_n H_{2n+2}$ với $n > 20$). Các phản ứng hóa học đặc trưng của cellulose như phản ứng thủy phân bằng acid vô cơ tạo glucose, phản ứng tạo cellulose kiềm và xantogenat trong sản xuất tơ visco, phản ứng tạo este với $HNO_3$ và $(CH_3CO)_2O$ được hệ thống hóa đầy đủ. Đồng thời, chương này cung cấp kiến thức nền tảng về tính chất cơ lý, hóa học, khả năng chịu dung môi, kháng vi sinh và độ bền thủy phân của nhựa nhiệt dẻo TPU; tính chất phân tử và vai trò cầu nối tương hợp của 2 chất ghép nối silane là 3-Amino Propyl Triethoxy Silane (APTS, A-1100, M = 221,4) và 3-Glycidoxy Propyl Trimethoxy Silane (GPTS, A-187, M = 236,1).

Chương II: Tinh thể nano cellulose và ứng dụng

Chương II tổng kết lịch sử phát triển và các tính chất hóa lý của tinh thể nano cellulose (CNC). Tác giả tổng hợp các công trình nghiên cứu trên thế giới về kích thước hình học của CNC chiết xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau (gỗ, bông, vi khuẩn, vỏ bọc biển, gai, sisal), chỉ ra rằng CNC có dạng que cứng với đường kính điển hình từ 10–20 nm và chiều dài vài trăm nanomet. Cơ chế thủy phân bằng acid sulfuric được làm rõ: acid tấn công phân cắt các liên kết glycoside ở vùng vô định hình mật độ thấp, giữ lại các miền kết tinh và tạo nhóm ester mang điện tích âm trên bề mặt giúp huyền phù CNC ổn định chống vón cục trong nước. Các phương pháp sản xuất CNC bằng acid hydrochloric ($HCl$), thủy phân bằng enzyme dưới sự hỗ trợ của vi sóng cũng được so sánh. Chương này còn phân tích tiềm năng ứng dụng của CNC trong chế tạo vật liệu nanocomposite gia cường polymer, hệ mang thuốc hướng đích y sinh, cố định protein và chế tạo màng đa lớp bằng kỹ thuật Langmuir-Blodgett hoặc phủ quay.

Chương III: Các phương pháp phân tích

Chương III trình bày nguyên lý vận hành và cơ sở toán học/vật lý của 4 phương pháp phân tích công cụ hiện đại:

  1. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Nguyên lý giao thoa kế Michelson, biến đổi toán học Fourier để ghi nhận phổ hấp thụ toàn dải bước sóng, các kỹ thuật kết hợp như GC-IR và TG-IR.
  2. Nhiễu xạ tia X (XRD): Định luật Vulf-Bragg ($2d\sin\theta = n\lambda$), công thức tính cường độ nhiễu xạ dựa trên thừa số cấu trúc ô đơn vị ($F_g$), kỹ thuật nhiễu xạ tia X dạng bột xác định cấu trúc mạng và độ kết tinh của mẫu.
  3. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM): Kỹ thuật chùm điện tử năng lượng cao cung cấp ảnh bề mặt độ phân giải nanomet.
  4. Khối phổ cặp cảm ứng cao tần (ICP-MS): Nguyên lý ion hóa mẫu bằng plasma cảm ứng argon để phân tích vết và định lượng hàm lượng nguyên tố $Si$.

Chương IV: Phương pháp thực nghiệm

Chương IV mô tả toàn bộ quy trình thực nghiệm được tiến hành theo 5 giai đoạn:

  1. Tạo bột rơm: Rơm thô được rửa sạch bằng nước để loại đất cát, phơi khô dưới ánh nắng, sau đó đem xay nhỏ và sàng phân loại kích thước hạt.
  2. Cô lập cellulose tinh khiết:
    • Khử sáp: Bột rơm được chiết Soxhlet bằng hỗn hợp dung môi toluene : ethanol (tỷ lệ thể tích 2:1) trong 6 giờ, sau đó rửa lại bằng ethanol và sấy khô.
    • Loại bỏ lignin: Bột rơm sau khi khử sáp được xử lý bằng dung dịch $NaOH$ nóng, tiếp tục tẩy trắng bằng dung dịch $NaClO_2$ 1,4% ở pH acid nhẹ (điều chỉnh bằng acid acetic) ở 70–80°C.
    • Loại bỏ hemicellulose và silica: Xử lý tiếp bằng dung dịch $NaOH$ 5% kết hợp $H_2O_2$ để thu được bột cellulose màu trắng tinh khiết.
  3. Thủy phân tạo CNC: Bột cellulose được phản ứng với dung dịch $H_2SO_4$ ở 2 nồng độ (60% và 64% w/w), tại 2 mức nhiệt độ (30°C và 45°C), trong 2 khoảng thời gian (30 phút và 45 phút). Sau phản ứng, hỗn hợp được làm nguội nhanh bằng nước cất lạnh để dừng phản ứng, ly tâm nhiều lần, thẩm tích bằng màng bán thấm đến khi pH trung tính, xử lý sóng siêu âm và sấy đông khô.
  4. Biến tính bề mặt và tạo CNC network: CNC được phân tán trong dung môi hữu cơ, thực hiện phản ứng silane hóa riêng biệt với APTS (gắn nhóm amine) và GPTS (gắn nhóm epoxy). Sau đó, trộn 2 hệ dịch huyền phù CNC-APTS và CNC-GPTS theo tỷ lệ mol thích hợp để phản ứng mở vòng epoxy xảy ra, liên kết các thanh nano tạo cấu trúc mạng 3 chiều (CNC network).
  5. Phối trộn chất độn vào nhựa TPU: Hòa tan hạt nhựa TPU trong dung môi phù hợp, đưa các chất độn (Cellulose thô, CNC, CNC network) vào với tỷ lệ 1%, 2% và 3% so với khối lượng nhựa, khuấy phân tán siêu âm đồng nhất, sau đó đổ khuôn tạo màng và loại bỏ dung môi để tiến hành đo tính năng cơ lý.

Chương V: Kết quả và biện luận

Chương V phân tích chi tiết dữ liệu thực nghiệm:

  • Phổ FTIR phân lập cellulose: Phổ FTIR của bột rơm sau xử lý cho thấy các đỉnh hấp thụ đặc trưng của lignin (vòng thơm tại $1510\text{ cm}^{-1}$) và hemicellulose (liên kết carbonyl $C=O$ tại $1730\text{ cm}^{-1}$) biến mất hoàn toàn. Đỉnh dao động của liên kết $Si-O-Si$ đặc trưng cho silica tại vùng $800–1080\text{ cm}^{-1}$ bị triệt tiêu, khẳng định độ tinh khiết cao của cellulose thu nhận.
  • Khảo sát độ kết tinh (XRD): Mẫu cellulose chưa thủy phân cho các pic nhiễu xạ đặc trưng của cellulose tự nhiên. Các mẫu CNC thủy phân bằng $H_2SO_4$ 60% ở 45°C trong 30 phút và 45 phút cho thấy các đỉnh nhiễu xạ nhọn và hẹp hơn, chứng minh tỷ lệ vùng vô định hình đã bị hòa tan và độ kết tinh của vật liệu tăng lên đáng kể.
  • Khảo sát độ hòa tan và kích thước nano (FE-SEM): Nồng độ acid $H_2SO_4$ 64% làm tăng mức độ hòa tan cellulose, dẫn đến hao hụt khối lượng mẫu lớn hơn so với nồng độ 60%. Ảnh FE-SEM của mẫu CNC 60% – 45°C – 30 phút và 45 phút ghi nhận rõ cấu trúc dạng que nano đồng đều, chiều dài vài trăm nanomet và đường kính đạt chuẩn kích thước nano.
  • Xác nhận biến tính Silane và tạo mạng: Phổ FTIR của CNC-APTS xuất hiện đỉnh dao động của nhóm $-NH_2$ và liên kết $Si-O-C$; phổ CNC-GPTS xuất hiện tín hiệu vòng epoxy. Phân tích ICP-MS xác định sự có mặt của nguyên tố $Si$ trong mẫu, khẳng định silane đã gắn hóa học lên bề mặt CNC. Phổ FTIR của mẫu CNC network ghi nhận sự suy giảm/biến mất của mũi epoxy kèm theo sự xuất hiện của liên kết mới giữa nhóm amin và epoxy đã mở vòng.
  • Tính năng cơ lý màng nanocomposite TPU:
Mẫu thử nghiệm Độ cứng (Shore A) Độ bền kéo (MPa) Độ dãn dài khi đứt (%) Môđun Young (MPa)
TPU thuần (Neat TPU) Chuẩn cơ sở Chuẩn cơ sở Giá trị cao nhất Chuẩn cơ sở
TPU + 1%, 2%, 3% Cellulose thô Tăng nhẹ theo hàm lượng độn Tăng không đáng kể, dễ tách pha Giảm nhẹ Tăng nhẹ
TPU + 1%, 2%, 3% CNC Tăng rõ rệt so với TPU thuần Cải thiện đáng kể Giảm vừa phải Tăng tỷ lệ thuận với % độn
TPU + 1%, 2%, 3% CNC network Đạt giá trị cao nhất ở mọi tỷ lệ Đạt giá trị tối ưu, tương hợp pha cao Duy trì độ đàn hồi tốt Tăng vượt trội so với TPU thuần

Dữ liệu thực nghiệm chứng minh rằng cấu trúc mạng CNC network tạo ra liên kết liên pha bền vững trong nền nhựa nhiệt dẻo polyurethane, giúp phân tán ứng suất tốt hơn hẳn so với việc độn sợi cellulose thông thường hay các thanh CNC đơn lẻ.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu thực nghiệm đề ra với những kết quả cụ thể:

  • Thiết lập thành công quy trình xử lý hóa học 3 giai đoạn (trích ly Soxhlet toluene/ethanol 2:1 $\rightarrow$ xử lý $NaOH$ + $NaClO_2$ $\rightarrow$ xử lý $NaOH$ 5% + $H_2O_2$) loại bỏ triệt để sáp, lignin, hemicellulose và silica từ rơm lúa, thu được bột cellulose tinh khiết.
  • Xác định được điều kiện thủy phân tối ưu bằng acid sulfuric: nồng độ $H_2SO_4$ 60% ở 45°C trong thời gian 30 đến 45 phút cho hiệu suất thu hồi CNC cao, bảo toàn được cấu trúc tinh thể nano dạng que (khẳng định qua XRD và FE-SEM) mà không làm phân hủy sâu thành glucose như ở nồng độ 64%.
  • Phát triển thành công phương pháp chức hóa bề mặt CNC bằng phản ứng ghép đồng thời 2 loại silane (APTS và GPTS), sau đó kích hoạt phản ứng mở vòng epoxy bởi nhóm amin để tạo cấu trúc mạng không gian 3 chiều (CNC network), được kiểm chứng bằng phân tích FTIR và định lượng nguyên tố $Si$ qua phổ ICP-MS.
  • Khảo sát toàn diện tính chất cơ lý của vật liệu nanocomposite nền TPU: Chất độn CNC network ở tỷ lệ 1%, 2% và 3% nâng cao vượt trội độ cứng Shore A, độ bền kéo và môđun đàn hồi Young so với màng TPU thuần và TPU độn cellulose chưa thủy phân.

Đóng góp khoa học và ứng dụng của công trình:

  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về việc chuyển đổi phụ phẩm nông nghiệp phổ biến của Việt Nam (rơm lúa) thành vật liệu nano kỹ thuật cao.
  • Đề xuất giải pháp biến tính bề mặt kết hợp tạo mạng lưới CNC network, giải quyết triệt để rào cản phân tán kém và tương hợp pha yếu giữa các hạt nano ưa nước với nền polymer kỵ nước trong công nghệ vật liệu composite.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận đã chỉ rõ các giới hạn trong khuôn khổ đề tài và định hướng phát triển:

  • Hạn chế về quy mô và quy trình: Toàn bộ quy trình từ xử lý rơm, thủy phân acid đến biến tính silane mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm theo mẻ nhỏ (batch process); việc thu hồi và tái sử dụng lượng lớn acid sulfuric ($H_2SO_4$) sau thủy phân cũng như dung môi hữu cơ chưa được tối ưu hóa về mặt kinh tế kỹ thuật.
  • Hạn chế về chỉ tiêu đánh giá vật liệu: Đề tài tập trung chủ yếu vào các phép đo cơ lý tĩnh (kéo, dãn đứt, độ cứng Shore A); chưa thực hiện các thử nghiệm phân tích nhiệt động cơ học (DMA), phân tích độ bền nhiệt (TGA), độ truyền qua quang học hay kiểm tra độ bền lão hóa thời tiết ngoài trời của màng TPU composite.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Nghiên cứu thu hồi acid và dung môi để hạ giá thành quy trình; tối ưu hóa tỷ lệ mol giữa APTS và GPTS để kiểm soát mật độ liên kết mạng lưới; mở rộng ứng dụng hệ gia cường CNC network trên các nền nhựa nhiệt dẻo và cao su kỹ thuật khác (như cao su tự nhiên, cao su tổng hợp, PLA).

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu tham khảo có giá trị cao đối với:

  • Sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ Hóa học, Khoa học Vật liệu, Công nghệ Vật liệu Polymer: Tham khảo chi tiết phương pháp luận trích ly cellulose từ sinh khối thực vật, kỹ thuật thủy phân acid chế tạo vật liệu nano và quy trình biến tính hóa học bề mặt bằng hợp chất silane.
  • Các nhóm nghiên cứu về công nghệ xanh và tái chế phụ phẩm nông nghiệp: Kế thừa các thông số thực nghiệm (nồng độ hóa chất, nhiệt độ, thời gian phản ứng, tỷ lệ dung môi) để tinh chế cellulose và tách silica từ rơm rạ hoặc các nguồn phụ phẩm khác như bã mía, trấu, xơ dừa.
  • Kỹ sư công nghệ vật liệu tại các doanh nghiệp sản xuất nhựa, cao su và composite: Tham khảo giải pháp cải thiện cơ tính cho nhựa polyurethane (TPU) bằng chất độn nano sinh học thân thiện với môi trường, phục vụ định hướng phát triển sản phẩm vật liệu mới hiệu năng cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Thành phần hóa học chính của rơm rạ được công bố trong khóa luận gồm những gì và yếu tố nào gây trở ngại lớn nhất cho việc sử dụng rơm?
Theo số liệu trong khóa luận, thành phần chính của rơm lúa gồm: cellulose (37,4%), hemicellulose (44,9%), lignin (4,9%) và hàm lượng tro (chủ yếu là oxit silic $SiO_2$) chiếm từ 9 đến 14%. Hàm lượng tro silica cao chính là yếu tố gây cản trở lớn nhất cho việc xử lý và tận dụng rơm rạ một cách kinh tế.

2. Quy trình loại bỏ hoàn toàn các tạp chất phi cellulose từ bột rơm được tiến hành qua các bước nào?
Quy trình gồm 3 bước xử lý hóa học kế tiếp nhau: (1) Khử sáp bằng phương pháp trích ly Soxhlet với hỗn hợp dung môi toluene : ethanol theo tỷ lệ thể tích 2:1; (2) Khử lignin bằng cách nấu bột rơm với dung dịch $NaOH$ và tẩy trắng bằng dung dịch $NaClO_2$ 1,4%; (3) Khử hemicellulose và silica bằng dung dịch $NaOH$ 5% kết hợp chất oxy hóa $H_2O_2$.

3. Khóa luận đã khảo sát quá trình thủy phân tạo tinh thể nano cellulose (CNC) ở những điều kiện thực nghiệm nào?
Quá trình thủy phân bột cellulose tinh khiết bằng acid sulfuric ($H_2SO_4$) được khảo sát ở các thông số: 2 nồng độ acid (60% và 64% theo khối lượng), 2 mức nhiệt độ phản ứng (30°C và 45°C), và 2 khoảng thời gian phản ứng (30 phút và 45 phút).

4. Cơ chế hình thành cấu trúc mạng (CNC network) từ hai loại silane APTS và GPTS diễn ra như thế nào?
Một đầu của phân tử silane chứa nhóm alkoxy ($-OC_2H_5$ đối với APTS hoặc $-OCH_3$ đối với GPTS) sẽ phản ứng ngưng tụ với nhóm hydroxyl ($-OH$) trên bề mặt tinh thể CNC. Ở đầu còn lại, nhóm amine chức năng ($-NH_2$) của APTS trên hạt CNC này sẽ tham gia phản ứng cộng mở vòng epoxy của GPTS trên hạt CNC khác, tạo thành liên kết chéo bền vững và hình thành mạng lưới không gian 3 chiều (CNC network).

5. Những kỹ thuật phân tích hiện đại nào đã được tác giả sử dụng để chứng minh cấu trúc và hình thái của vật liệu?
Khóa luận sử dụng 4 phương pháp phân tích: Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để xác định các nhóm chức hóa học; Nhiễu xạ tia X (XRD) để đo độ kết tinh của cellulose và CNC; Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) để quan sát hình thái và đo kích thước hạt nano; Khối phổ cặp cảm ứng cao tần (ICP-MS) để định lượng hàm lượng nguyên tố Silic ($Si$) nhằm chứng minh silane đã gắn thành công lên bề mặt CNC.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trương Nguyễn Đạt Thành đã nghiên cứu thành công quy trình công nghệ cô lập cellulose tinh khiết từ nguồn phụ phẩm rơm lúa và chế tạo tinh thể nano cellulose (CNC) bằng phương pháp thủy phân acid sulfuric có kiểm soát. Bằng việc ứng dụng phản ứng biến tính bề mặt kết hợp giữa hai hợp chất silane APTS và GPTS, tác giả đã tạo ra cấu trúc mạng lưới CNC network có tính tương hợp pha vượt trội trong nền nhựa nhiệt dẻo polyurethane (TPU). Các kết quả đo đạc cơ lý khẳng định hệ chất độn CNC network ở tỷ lệ từ 1% đến 3% giúp nâng cao rõ rệt độ cứng, độ bền kéo và môđun đàn hồi của màng vật liệu nanocomposite so với nhựa TPU nguyên bản. Công trình mang lại giá trị học thuật và thực tiễn cao, mở ra hướng đi bền vững trong việc nâng cao giá trị gia tăng của phế phẩm nông nghiệp và phát triển vật liệu polymer composite thân thiện với môi trường tại Việt Nam.