MỞ ĐẦU Hiện nay, các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dan cạn kiệt trong khi nhu cầu của xã hội ngày càng cao. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, loài người cũng dang tìm kiếm các nguồn nguyên liệu thay thế. Trong đó các loại vật liệu có nguồn sốc từ tự nhiên, thân thiện với môi trường đang được nghiên cứu và quan tâm hàng đâu. Aerogel hay gel khí là một loại vật liệu được tạo ra vào cudi thap nién 20 cua thé kỷ trước, day là loại vat chất rất độc đáo.
Nó là dạng hợp chất ở trạng thái răn nhẹ nhất có thé ton tại. Kế từ khi ra đời, công nghệ chế tạo aerogel đã được nghiên cứu và phát triển, rất nhi u loại aerogel đã được tông hợp nhưng chủ yếu là silica aerogel, oxít silicagel, cacbon silicagel. Với các tính chất nỗi bật như: siêu nhẹ, diện tích b mat lớn, dẫn điện, cách nhiệt cực tốt,. aerogel được ứng dụng nhi u trong các ngành công nghiệp như năng lượng, vũ trụ, dệt may, hóa mỹ phẩm.
Bên cạnh đó, trong những năm gần đây, cellulose là loại vật liệu có nguồn sốc tự nhiên với đặc tính thân thiện với môi trường, đáp ứng những tiêu chuẩn “hóa học xanh” đang được các nhà khoa học đầu tư nghiên cứu. Cellulose là một loại polymer tự nhiên có mặt trong hầu hết các loài thực vật, đặc biệt hơn trong các phế phẩm nông nghiệp với thành phan khá lớn. Việc phân lập nanocellulose từ các sinh khối đã được phát trién rộng rãi và có những ứng dụng to lớn. Sau đó, khi “khoa học nano” và “công nghệ nano” phát triển vượt bậc thì những đặc tính ưu việt của cellulose khi ở kích thước nano mới được phát hiện và thu hút nhi u sự quan tam nghiên cứu của cộng đồng khoa học.
Nanocellulose cho đến nay vẫn còn là vật liệu mới chưa được sử dụng rộng rãi nhưng lại có rất nhi u tính ưu việt như: được đi u chế tổng hop từ những phế phẩm nông nghiệp sẽ góp phan bảo vệ môi trường, không độc hại, tý trọng thấp, khả năng tái tạo và phân hủy sinh học tốt, có tính chất cơ lý và khả năng biến tính b_ mặt cao, góp phan tăng tudi tho của thiết bị chế biến, giảm lượng CO2 thải ra, giá thành tương đối thấp. Với những ưu điểm vượt bậc, nanocellulose sẽ hứa hẹn là vật liệu với nhi u ý nghĩa kinh tế, thân thiện môi trường và phù hợp với sự phát triển b n vững của khoa học hiện nay. Lại Việt Nam, một nước nông nghiệp hang dau, với nguồn cellulose phong phú từ các sản phẩm cũng như phế phẩm nông nghiệp, khái niệm nanocellulose vẫn khá là mới mẻ, chưa được mọi người quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Từ đó hình thành ý tưởng tổng hợp nanocellulose từ nguồn nguyên liệu lục bình, một loại thủy sinh phát triển mạnh mẽ ở đồng bang sông Cửu Long.
Đây sẽ là nguồn nguyên liệu déi dào, rẻ ti n, dễ kiếm cho tong hợp nanocellulose. Một ứng dụng quan trọng của nanocellulose được thể hiện trong quá trình tong hop vật liệu composite trên n n aerogel dé tạo ra một loại vật liệu mới trong tương lai. Cùng với sự phát triển của loài người, các ngành công nghiệp cũng chạy đua sản xuất đáp ứng nhu câu của nó, tuy nhiên mặt trái mang lại cho họ đó là ô nhiễm môi trường, tài nguyên cạn kiệt bởi khai thác không đi cùng với tái tạo, phục hoi. Đối mặt với hiện tại là 6 nhiễm không khí, ô nhiễm nguồn nước, kéo theo sau đó là bệnh tật và suy thoái giống nòi.
Bên cạnh những ưu điểm của nanocellulose và aerogel thì bản thân hai loại vật liệu này vẫn còn tôn tại những nhược điểm. Việc tông hợp aerogel nanocellulose sẽ kết hợp được các ưu điểm và cải thiện các nhược điểm còn tôn tai của aerogel hay nanocellulose riêng lẻ. Với tiêu chí này chúng tôi đ xuất đ tài: “Nghiên cứu tong hợp nanocellulose silica aerogel”. Do đó, chúng tôi tiến hành tong hop nanocellulose bằng phương pháp hóa học từ thân cây lục bình; nghiên cứu tổng hợp nanocellulose aerogel và khảo sát những tính chất của vật liệu này.
Tính mới của đề tài D xuât một nghiên cứu mới v chê tao vật liệu xôp, nhẹ đi từ nguồn nguyên liệu rẻ ti n. Mục dich đề tài Vấn đ ô nhiễm môi trường hiện nay đã và đang gây ra những hậu quả vô cùng to lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống của con người trên toàn cầu. Các loại vật liệu mới có nguồn sốc tự nhiên đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Trong đó, cellulose là một trong những loại polymer đa dạng và phong phú nhất.
Với đặc tính ưu việt của nanocellulose như: không độc hại, tỷ trọng thấp, có khả năng tái tạo, khả năng phân hủy sinh học tốt, chế tạo từ các nguén tài nguyên déi dào, rẻ ti n, năng lượng tiêu thụ thấp trên một don vi san pham, đảm bao tuổi thọ các thiết bị chế biến, tính chất cơ lý và khả năng biến tinh b mặt cao, giá thành tương đối thấp đã được phát hiện và nghiên cứu. Tuy nhiên nanocellulose vẫn còn là van đ mới mẻ chưa được quan tâm ở Việt Nam. Nước ta là nước nông nghiệp với lượng cellulose phong phú, déi dào, vì vậy việc phân lập nanocellulose khai thác nguồn cellulose tự nhiên lay từ phế phẩm nông nghiệp như lục bình thì đây là một hướng đi giải quyết khá nhi u bài toán kinh tế và vẫn nạn môi trường. Mục đích của đề t ¡ đặt ra là sử dụng nanocellulose làm chất gia cường trong vật liệu nanocomposite, từ đó tong hợp nanocellulose silica aerogel.
Đây là một loại vật liệu xốp mới và lần đầu tiên được nghiên cứu. Việc thực hiện những nghiên cứu như vậy có thể góp phần vào việc mở ra những ý tưởng mới, phát triển những ứng dụng của vật liệu có nguồn gốc tự nhiên vào các lĩnh vực kỹ trong đời sống và kỹ thuật. Mục tiêu đề tài Y Tong hợp nanocellulose từ thân cây lục bình. v Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tong hợp aerogel phối trộn với nanocellulose tạo vật liệu nanocellulose aerogel.
Y Khảo sát các tính chất của vật liệu nanocellulose aerogel. Pham vi nghiên cứu Nghiên cứu tong hop vật liệu nanocellulose silica aerogel. Đối tượng và nội dung nghiên cứu Y Từ nguồn nguyên liệu ban dau là lục bình khô, sodium hydroxide (NaOH), hydrogen peroxide (H;O;, 30%), oxalic acid (C›H;O¿.2HO), nanocellulose được tong hop bằng phương pháp hóa hoc theo quy trình [12 với mục đích phân lập nanocellulose. Y Với ti n chất ban dau là silica từ nguồn thủy tinh lỏng, tìm đi u kiện thích hợp cho việc tạo gel silica.
Y Với những kết quả đã có, tiễn hành tong hợp nanocellulose aerogel với các hàm lượng nanocellulose khác nhau. Y Từ kết quả của các phương pháp phân tích như : quang phố hấp thu hồng ngoại (FT-IR), phan tích nhiệt quét vi sai (DSC), kính hiển vi điện tử truy n qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM), hấp phụ - giải hap đăng nhiệt N> (BET), các đặc trưng câu trúc cua vật liệu sẽ được xác định. CHUONG 1 TONG QUAN 11 NANOCELLULOSE 1.1 i ithiu nanoe uoe Ngày nay khoa học kĩ thuật ngày càng phát triển, “khoa học nano” va “cong nghệ nano” đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển đó, từ đó những “Vật liệu Nano” được các nhà khoa học nghiên cứu ngày càng nhi u vì đây là đối tượng nghiên cứu liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chi u có kích thước nanomet.
V trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái: răn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu răn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Tính chất của vật liệu nano bat nguồn từ kích thước của chúng vào cỡ nano mét và đạt tới kích thước tới han của nhi u tính chất hóa lý của vật liệu thông thường. Nanocellulose được tổng hợp từ hai nguồn nguyên liệu là thân m m và thân 26 và day là một ti m năng lớn trong việc phát triển một loại vật liệu của tương lai mang lại nhi u lợi ích kinh tế, thân thiện với môi trường và phát triển b n vững mà con người đang hướng đến.
Nanocellulose chính là cellulose đã được thu nhỏ và tái cau trúc ở cấp độ nano. Cellulose - loại nguyên liệu phố biến nhất hành tinh, là thành phân chủ yếu của thành tế bào thực vật, chính là yếu tố tạo nên màu xanh cho hau hết thực vật trên Trái dat. Cellulose có tính chất đặc biệt là kết hợp với nước và trương lên, tạo thành một chiếc khung xương cho cây, giúp cây có thể đứng vững được. Ở Việt Nam, nanocellulose vẫn là một lĩnh vực mới mẻ chưa được quan tâm và phát triển đúng mức trong khi nước ta là một nước nông nghiệp năm trong vùng nhiệt đới, nguồn nguyên liệu cellulose déi dao với các chủng loại thực vật phong phú.
Thành phân chính của thực vật bao gồm: cellulose, hemicellulose và lignin. Cellulose và hemicellulose là các đại phân tử cấu tạo từ gốc đường khác nhau, trong khi lignin là một polymer dạng vòng được tổng hop từ ti n phenylpropanoid. Hơn nữa thành phan cấu tạo trong cùng một cây hay các cây khác nhau, tùy vào độ tudi, giai đoạn sinh trưởng phát triển của cây thì sẽ có những thành phan khác nhau [1]. Cellulose a ie 7 lignin] tỷ OH .1 Cầu trúc sinh khối của lignocellulose [7] Bảng 1.1 Ty lệ thành phan cellulose va lignin trong một số loại sinh khối [1] Loại sinh khôi Cellulose, % khôi lượng Lignin, % khôi lượng Soi xơ dừa 43 45 Thân ngồ 33 14 Hạt ngô 70 20 Soi bông 65 18 Soi gai 60-81 2-3 Thân gỗ cứng 40-55 18-25 Thân gỗ m m 45-50 25-35 Vỏ lạc 25-30 30-40 Vỏ trau 32,1 18 Rom lúa mì 30 15 Com m 45 120 Rơm rạ 62 18 Các loại co 25-40 10-30 Cellulose Cellulose là thành phan chủ yếu tao nên thành tế bao của thực vật.
Day là một hợp chất hữu cơ cao phân tử có công thức cau tạo (CsHj0Os),, trong đó n từ 5000-14000, mức độ polymer hóa thường từ 100 đến 20. Bất kế là có nguồn sốc từ thực vật loại nào thì cellulose luôn là một homopolysaccharide mạch thăng được cấu tạo bởi B-D-Glucopyranose liên kết với nhau qua cau nối B-1,4 glucoside. Liên kết giữa hai monome D-glucose tạo thành disaccharide gọi là cellobiose và có dạng 4-O- (§-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose. Trong vách tế bào thực vật, khoảng 36 phân tử cellulose riêng lẻ được sắp xếp thành đơn vị lớn hơn gọi là sợi cơ bản (sợi sơ cấp) có đường kính khoảng 3-3,5 nm.