I. Giới thiệu về cellulose và tính chất của cellulose
Cellulose là thành phần chính của sợi thực vật, được hình thành qua quá trình quang hợp. Đây là một loại polyme thiên nhiên mạch thẳng với công thức phân tử [C6H7O2(OH)3]x. Cellulose có cấu trúc phức tạp với các nhóm hydroxyl (OH) có khả năng tham gia nhiều phản ứng hóa học. Tính chất hóa lý của cellulose rất đặc trưng, nó không tan trong nước và chỉ hòa tan trong một số dung môi đặc biệt. Cellulose có thể bị thủy phân thành glucose khi đun nóng trong môi trường axit hoặc kiềm. Việc xử lý cellulose bằng kiềm không chỉ gây trương mà còn loại bỏ các thành phần hemicellulose và lignin, tạo ra lỗ trống trong cấu trúc của sợi. Điều này làm tăng khả năng tiếp xúc của cellulose với các tác nhân hóa học, từ đó cải thiện khả năng chế tạo các sản phẩm từ cellulose.
1.1 Nguồn gốc và cấu trúc của cellulose
Cellulose được hình thành từ các đơn vị anhydro-β-glucopyranozo (AGU) liên kết với nhau bằng liên kết β-(1-4)-glycozit. Cấu trúc của cellulose bao gồm vùng tinh thể và vùng vô định hình, ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của nó. Các nhóm hydroxyl trong cellulose tạo ra các liên kết hydro, giữ cho các mạch cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, tạo thành các vi sợi với độ bền cao. Sự sắp xếp của các phân tử cellulose trong mạng tinh thể và vô định hình quyết định đến tính chất cơ học của vật liệu này.
1.2 Tính chất hóa lý của cellulose
Cellulose có tính chất phân cực mạnh và kết tinh cao, không tan trong nước. Sự trương nở của cellulose xảy ra khi dung môi lọt vào vùng vô định hình, làm cho các phân tử cellulose tách rời nhau. Cellulose có thể bị thủy phân thành glucose dưới tác dụng của axit, điều này cho thấy tính chất hóa học của cellulose rất đa dạng và có thể được điều chỉnh để tạo ra các sản phẩm khác nhau.
II. Nanocellulose và ứng dụng
Nanocellulose là vật liệu cellulose có kích thước nano, từ 1-100nm, được chia thành hai loại chính: tinh thể nanocellulose (CNC) và sợi nanocellulose (CNF). CNC có độ kết tinh cao và được sản xuất từ quá trình thủy phân cellulose bằng axit, trong khi CNF được tạo ra từ các phương pháp cơ học. Nanocellulose có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm, và đặc biệt là làm vật liệu gia cường cho các loại composite. Tính chất cơ học của nanocellulose rất ấn tượng, với độ cứng và modun đàn hồi cao, cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn trong sản xuất vật liệu mới.
2.1 Giới thiệu chung về nanocellulose
Nanocellulose được tạo ra từ cellulose thông qua các phương pháp chế tạo khác nhau. Tính chất của nanocellulose phụ thuộc vào nguồn gốc và phương pháp chế tạo. Nanocellulose có khả năng phân hủy sinh học tốt, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng nanocellulose trong sản xuất vật liệu composite không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
2.2 Tính chất cơ học của nanocellulose
Tính chất cơ học của nanocellulose rất đa dạng, tùy thuộc vào tỷ lệ giữa vùng tinh thể và vùng vô định hình. CNC có độ cứng và modun đàn hồi cao hơn CNF, cho thấy khả năng ứng dụng trong sản xuất vật liệu composite. Các nghiên cứu cho thấy modun đàn hồi của CNC có thể đạt tới 300 GPa, tương đương với sợi Kevlar, cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện tính chất cơ học của các vật liệu khác.
III. Quy trình chế tạo nanocellulose
Quy trình chế tạo nanocellulose từ bã mía bao gồm các bước tách cellulose, thủy phân bằng axit và chế tạo tinh thể nanocellulose. Phương pháp thủy phân bằng axit là phổ biến nhất, sử dụng axit sunfuric để thúc đẩy quá trình phân cắt các liên kết glycozit. Các yếu tố như thời gian phản ứng, nhiệt độ và nồng độ axit ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm thu được. Việc tối ưu hóa quy trình chế tạo nanocellulose là rất quan trọng để đảm bảo tính chất và hiệu suất của vật liệu cuối cùng.
3.1 Tách cellulose từ bã mía
Quy trình tách cellulose từ bã mía bao gồm các bước xử lý hóa học để loại bỏ hemicellulose và lignin. Việc này không chỉ giúp thu được cellulose tinh khiết mà còn tạo ra cấu trúc lỗ trống trong sợi, tăng khả năng tiếp xúc với các tác nhân hóa học trong quá trình chế tạo nanocellulose. Sự tối ưu hóa quy trình tách cellulose là cần thiết để nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
3.2 Chế tạo tinh thể nanocellulose
Chế tạo tinh thể nanocellulose thông qua phương pháp thủy phân bằng axit là một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất. Axit sunfuric được sử dụng để thúc đẩy quá trình phân cắt các liên kết glycozit, tạo ra các tinh thể nanocellulose với độ kết tinh cao. Các yếu tố như thời gian và nhiệt độ phản ứng cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp chế tạo mới sẽ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng cho nanocellulose trong tương lai.
