Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hiện đại, nhu cầu về các sản phẩm dệt may không chỉ dừng lại ở yếu tố thẩm mỹ mà còn mở rộng sang các chức năng bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng, đặc biệt là khả năng chống tia tử ngoại (UV). Tia UV, với bước sóng từ 100 đến 400 nm, có thể gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như ung thư da, lão hóa sớm và tổn thương mắt. Theo thống kê, tỷ lệ mắc ung thư da tại Việt Nam đang tăng khoảng 15% mỗi năm, làm nổi bật nhu cầu cấp thiết về các vật liệu dệt may có khả năng kháng UV hiệu quả.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu hiệu quả nhuộm và khả năng kháng tia UV của vải tơ tằm khi sử dụng chất màu anthocyanin chiết xuất từ hoa đậu biếc (Clitoria ternatea) bằng phương pháp chiết xuất có hỗ trợ vi sóng. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh và phòng thí nghiệm Công ty TNHH SGS Việt Nam. Mục tiêu chính là xây dựng quy trình chiết xuất anthocyanin hiệu quả, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ chất màu, nhiệt độ, thời gian nhuộm và chất cầm màu đến hiệu quả nhuộm và khả năng kháng UV của vải tơ tằm.

Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển công nghệ nhuộm vải thân thiện môi trường mà còn nâng cao giá trị sử dụng của vải tơ tằm trong ngành dệt may, đồng thời đáp ứng nhu cầu bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng trước tác động tiêu cực của tia UV. Các chỉ số như UPF (Ultraviolet Protection Factor) và độ bền màu được sử dụng làm thước đo chính cho hiệu quả nghiên cứu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về tác động của tia UV đến sức khỏe con người và lý thuyết về chiết xuất và nhuộm màu tự nhiên bằng anthocyanin.

  1. Tác động của tia UV: Tia UV được chia thành UVA, UVB và UVC, trong đó UVA chiếm khoảng 95% tia UV chiếu xuống mặt đất và có khả năng xuyên qua lớp ozone, gây lão hóa da và tổn thương mắt. UVB có năng lượng cao hơn, là nguyên nhân chính gây bỏng nắng và ung thư da. UVC bị hấp thụ hoàn toàn bởi tầng ozone. Tác động tiêu cực của tia UV lên da và mắt được mô tả qua các cơ chế phá vỡ liên kết phân tử, đột biến DNA và suy giảm hệ miễn dịch.

  2. Chiết xuất anthocyanin: Anthocyanin là nhóm flavonoid tan trong nước, tạo màu đỏ, tím hoặc xanh cho thực vật. Cường độ và độ bền màu phụ thuộc vào pH, nồng độ, nhiệt độ và sự hiện diện của các ion kim loại. Chiết xuất anthocyanin từ hoa đậu biếc được thực hiện bằng phương pháp truyền thống và phương pháp hỗ trợ vi sóng, trong đó vi sóng giúp tăng hiệu suất chiết xuất nhờ cơ chế quay cực và dẫn truyền ion, làm tăng nhiệt độ và áp suất cục bộ.

  3. Phương pháp nhuộm và cầm màu: Nhuộm vải tơ tằm với anthocyanin được khảo sát dưới các điều kiện khác nhau về nồng độ, nhiệt độ, thời gian và chất cầm màu (potassium aluminium sulfate, copper sulfate, ferrous sulfate, tannic acid). Chất cầm màu giúp tạo liên kết bền vững giữa chất màu và sợi tơ, nâng cao độ bền màu và khả năng kháng UV.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu hoa đậu biếc khô thu hoạch tại tỉnh Long An; vải tơ tằm chuẩn; hóa chất và thiết bị thí nghiệm tại Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM và Công ty TNHH SGS Việt Nam.

  • Phương pháp chiết xuất: So sánh chiết xuất thông thường (tỷ lệ 1:20 g/ml, nhiệt độ 70°C, thời gian 45 phút) và chiết xuất có hỗ trợ vi sóng (công suất 400 W, thời gian 5 phút). Hàm lượng anthocyanin được xác định bằng phương pháp pH vi sai, sử dụng dung dịch đệm potassium chloride (pH=1.0) và sodium acetate (pH=4.5), đo hấp thụ quang phổ tại bước sóng 520 nm và 700 nm.

  • Phương pháp nhuộm: Nhuộm vải tơ tằm với dung dịch anthocyanin ở các nồng độ khác nhau (tối ưu 80% o.f), nhiệt độ nhuộm (tối ưu 70°C), thời gian nhuộm (tối ưu 70 phút), và khảo sát ảnh hưởng của các loại chất cầm màu với tỷ lệ khác nhau. Mẫu nhuộm được giặt nhiều lần để đánh giá độ bền màu và khả năng kháng UV.

  • Phân tích và đánh giá: Đo độ chênh lệch cường độ màu ΔE, chỉ số K/S, độ bền màu giặt, ma sát, ánh sáng theo tiêu chuẩn AATCC. Khả năng kháng tia UV được đánh giá qua chỉ số UPF theo tiêu chuẩn AATCC TM183. Mẫu được quan sát bằng kính hiển vi quét điện tử (SEM), phân tích cấu trúc bằng phổ hồng ngoại (FTIR) và nhiễu xạ tia X (XRD).

  • Xử lý số liệu: Sử dụng thống kê mô tả, phần mềm Excel và các phần mềm phân tích chuyên dụng để xác định các yếu tố ảnh hưởng và tối ưu hóa quy trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất chiết xuất anthocyanin: Phương pháp chiết xuất có hỗ trợ vi sóng cho hàm lượng anthocyanin cao hơn 1.47 lần so với phương pháp chiết xuất thông thường (khoảng 39 mg/l so với 34.98 mg/l). Thời gian chiết xuất giảm từ 45 phút xuống còn 5 phút, chứng tỏ vi sóng giúp tăng hiệu quả và tiết kiệm thời gian.

  2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu quả nhuộm: Nồng độ dung dịch nhuộm 80% o.f, nhiệt độ 70°C và thời gian 70 phút là điều kiện tối ưu cho hiệu quả nhuộm vải tơ tằm với anthocyanin. Độ chênh lệch màu ΔE và chỉ số K/S tăng theo nồng độ và nhiệt độ nhuộm, đạt giá trị cao nhất tại điều kiện tối ưu. Sau 20 lần giặt, màu sắc vẫn giữ được độ bền cao với mức đánh giá 4.5 theo tiêu chuẩn AATCC.

  3. Khả năng kháng tia UV: Vải nhuộm với anthocyanin có chỉ số UPF trên 50, đáp ứng tiêu chuẩn vải chống tia UV cao cấp. Chỉ số UPF giảm nhẹ sau 20 lần giặt nhưng vẫn duy trì trên mức 50, chứng tỏ khả năng kháng UV bền vững. Sự tương quan thuận giữa hiệu quả nhuộm và khả năng kháng UV được xác nhận qua biểu đồ phân tích.

  4. Ảnh hưởng của chất cầm màu: Các loại chất cầm màu như potassium aluminium sulfate, copper sulfate và ferrous sulfate đều cải thiện độ bền màu và khả năng kháng UV. Trong đó, potassium aluminium sulfate cho kết quả tốt nhất về độ bền màu và ít độc hại hơn so với các muối kim loại khác.

  5. Độ bền màu ánh sáng: Mặc dù độ bền màu giặt và ma sát đạt mức cao (4.5), độ bền màu ánh sáng thấp hơn rõ rệt (mức 1.5), cho thấy màu sắc dễ bị phai khi tiếp xúc lâu với ánh sáng mặt trời, cần có biện pháp cải thiện.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả chiết xuất anthocyanin tăng đáng kể nhờ ứng dụng vi sóng, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về chiết xuất chất màu tự nhiên. Vi sóng giúp làm nóng nhanh và đồng đều, phá vỡ cấu trúc tế bào hoa đậu biếc, giải phóng nhiều anthocyanin hơn trong thời gian ngắn.

Điều kiện nhuộm tối ưu được xác định dựa trên sự cân bằng giữa nhiệt độ, thời gian và nồng độ để đạt được độ bền màu cao mà không làm hư hại cấu trúc sợi tơ tằm. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trước đây về nhuộm vải protein bằng thuốc nhuộm tự nhiên.

Khả năng kháng UV của vải nhuộm anthocyanin được giải thích bởi đặc tính hấp thụ tia UV của nhóm flavonoid trong anthocyanin, đồng thời chất cầm màu tạo liên kết bền vững giúp giữ màu và tăng khả năng chắn tia UV. Việc duy trì chỉ số UPF trên 50 sau nhiều lần giặt chứng tỏ tính ứng dụng thực tiễn cao.

Tuy nhiên, độ bền màu ánh sáng thấp là hạn chế cần khắc phục, có thể bằng cách bổ sung các chất ổn định màu hoặc cải tiến quy trình nhuộm để tăng khả năng chống oxy hóa của màu nhuộm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện sự thay đổi ΔE, K/S và UPF theo các điều kiện nhuộm và số lần giặt, giúp trực quan hóa mối quan hệ giữa các yếu tố và hiệu quả nhuộm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng phương pháp chiết xuất vi sóng: Khuyến nghị sử dụng phương pháp chiết xuất có hỗ trợ vi sóng trong công nghiệp để tăng hiệu quả chiết xuất anthocyanin, giảm thời gian và năng lượng tiêu thụ. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; Chủ thể: các nhà máy sản xuất thuốc nhuộm tự nhiên.

  2. Tối ưu quy trình nhuộm: Áp dụng điều kiện nhuộm với nồng độ 80% o.f, nhiệt độ 70°C, thời gian 70 phút để đạt hiệu quả nhuộm tối ưu. Chủ thể: các xưởng nhuộm vải tơ tằm; Timeline: 3-6 tháng để điều chỉnh quy trình.

  3. Sử dụng chất cầm màu an toàn: Ưu tiên sử dụng potassium aluminium sulfate để tăng độ bền màu và khả năng kháng UV, đồng thời giảm thiểu tác động độc hại. Chủ thể: nhà sản xuất và các phòng thí nghiệm phát triển sản phẩm; Timeline: 6 tháng.

  4. Nghiên cứu cải thiện độ bền màu ánh sáng: Đề xuất nghiên cứu bổ sung các chất ổn định màu hoặc phương pháp xử lý sau nhuộm để nâng cao độ bền màu ánh sáng, giảm phai màu khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Chủ thể: viện nghiên cứu và trường đại học; Timeline: 12-18 tháng.

  5. Phát triển sản phẩm vải chống UV thân thiện môi trường: Khuyến khích phát triển các sản phẩm dệt may sử dụng anthocyanin từ hoa đậu biếc nhằm đáp ứng nhu cầu bảo vệ sức khỏe và thân thiện môi trường. Chủ thể: doanh nghiệp dệt may; Timeline: 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Dệt May: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về chiết xuất và ứng dụng thuốc nhuộm tự nhiên, phương pháp phân tích và đánh giá hiệu quả nhuộm, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển nghiên cứu tiếp theo.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thuốc nhuộm và dệt may: Thông tin về quy trình chiết xuất anthocyanin hiệu quả và các điều kiện nhuộm tối ưu giúp cải tiến sản phẩm, giảm chi phí và tăng giá trị sản phẩm thân thiện môi trường.

  3. Chuyên gia trong lĩnh vực bảo vệ sức khỏe và môi trường: Nghiên cứu về khả năng kháng tia UV của vải nhuộm anthocyanin góp phần phát triển các giải pháp bảo vệ người tiêu dùng khỏi tác hại của tia UV, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường do thuốc nhuộm tổng hợp.

  4. Các nhà thiết kế thời trang và phát triển sản phẩm: Thông tin về màu sắc tự nhiên, độ bền màu và khả năng chống UV giúp thiết kế các sản phẩm thời trang có tính năng bảo vệ sức khỏe, đáp ứng xu hướng tiêu dùng xanh và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp chiết xuất vi sóng có ưu điểm gì so với chiết xuất thông thường?
    Phương pháp chiết xuất vi sóng giúp tăng hàm lượng anthocyanin thu được lên khoảng 47%, giảm thời gian chiết xuất từ 45 phút xuống còn 5 phút, tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả chiết xuất.

  2. Điều kiện nhuộm tối ưu cho vải tơ tằm với anthocyanin là gì?
    Nồng độ dung dịch nhuộm 80% o.f, nhiệt độ 70°C và thời gian 70 phút được xác định là điều kiện tối ưu để đạt hiệu quả nhuộm cao nhất, đảm bảo độ bền màu và khả năng kháng UV.

  3. Khả năng kháng tia UV của vải nhuộm anthocyanin có bền không sau nhiều lần giặt?
    Chỉ số UPF của vải nhuộm anthocyanin vẫn duy trì trên 50 sau 20 lần giặt, cho thấy khả năng kháng UV bền vững và phù hợp với tiêu chuẩn vải chống tia UV cao cấp.

  4. Tại sao độ bền màu ánh sáng của vải nhuộm anthocyanin thấp hơn so với các tiêu chí khác?
    Do anthocyanin dễ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng mặt trời, dẫn đến phai màu nhanh. Cần nghiên cứu bổ sung các chất ổn định màu hoặc cải tiến quy trình để khắc phục hạn chế này.

  5. Chất cầm màu nào được khuyến nghị sử dụng trong quá trình nhuộm?
    Potassium aluminium sulfate được ưu tiên do khả năng tạo liên kết bền vững với chất màu và sợi tơ, nâng cao độ bền màu và ít độc hại hơn so với các muối kim loại khác như copper sulfate hay ferrous sulfate.

Kết luận

  • Phương pháp chiết xuất có hỗ trợ vi sóng tăng hàm lượng anthocyanin lên 1.47 lần so với chiết xuất thông thường, đồng thời rút ngắn thời gian chiết xuất đáng kể.
  • Điều kiện nhuộm tối ưu cho vải tơ tằm với anthocyanin là nồng độ 80% o.f, nhiệt độ 70°C và thời gian 70 phút, đạt độ bền màu cao và khả năng kháng UV tốt.
  • Vải nhuộm anthocyanin có chỉ số UPF trên 50 sau 20 lần giặt, chứng tỏ khả năng bảo vệ da khỏi tia UV bền vững.
  • Độ bền màu ánh sáng còn hạn chế, cần nghiên cứu thêm để cải thiện tính ổn định màu dưới ánh sáng mặt trời.
  • Khuyến nghị ứng dụng quy trình chiết xuất và nhuộm này trong công nghiệp dệt may nhằm phát triển sản phẩm thân thiện môi trường và bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên tập trung vào việc hoàn thiện quy trình công nghiệp, mở rộng ứng dụng và cải tiến độ bền màu ánh sáng để nâng cao giá trị sản phẩm. Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp này để góp phần phát triển ngành dệt may bền vững và an toàn hơn cho cộng đồng.