CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về xơ Chuối Chuối là tên gọi các loài cây thuộc chi Musa. Cây chuối là một loại cây thảo lớn sống lâu năm, có bẹ lá tạo thành thân giả. Chiều cao của nó có thể là 3,0-12,2 mét xung quanh có 8-12 lá lớn. Những chiếc lá dài tới 2,7m và rộng 0,61m.
Quả của nó dài khoảng 10,2-30,5cm [1]. Cây chuối khi lớn ở tuổi trưởng thành nó sẽ phát triển ra thành bụi, các cây con của nó được mọc ra từ các phần rễ của cây chuối già trưởng thành, mỗi cây chuối già trưởng thành có thể mọc ra được từ 12 cây tới 30 cây chuối con. Thân cây chuối chủ yếu là nước, nó chiếm tới 90%, phần còn lại là sáp, chất xơ và các tế bào mô mềm, xơ chiếm khoảng 2-5%. Thân cây chuối gồm nhiều lớp vỏ bọc xếp khít nhau từ trong ra ngoài, các lớp vỏ này có hình cong lưỡi liềm , được chia thành 4 lớp có khoảng 20 vỏ bọc từ trong ra ngoài, đó là lớp vỏ bọc bên ngoài, lớp gần kề, sau đó tới lớp giữa và cuối cùng là lớp trong, ở mỗi lớp sẽ cho các xơ có tính chất khác nhau.1 Cây chuối mặt cắt ngang Các bộ phận khác nhau của cây chuối phục vụ các nhu cầu khác nhau, bao gồm quả làm nguồn thực phẩm, lá làm bao bì thực phẩm, thân cây làm chất xơ và bột giấy.
Chuối có ở Việt Nam và các nước khu vực Đông Nam Á, Ấn Độ, Indonesia, Malaysia, Philippines, Hawaii và một số đảo ở Thái Bình Dương. Nguồn sợi này rất nhiều ứng dụng, sử dụng nói chung trong các sản phẩm cụ thể, chẳng hạn như túi trà,…[2]. Điển hình là cây chuối được trồng với 3 mục đích: (1) nguồn thực phẩm, (2) trang trí (3) nguồn tinh bột và sợi abaca[3]. 4 Ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa gây ra hiện đang là vấn nạn chung của toàn thế giới.
Vì thế xu hướng ngày nay là vấn đề thân thiện và bảo vệ môi trường, việc tìm ra các sản phẩm thân thiện với môi trường luôn là bài toán khó đối với nhiều quốc gia. Mặt khác xơ chuối là một loại xơ rất có tiềm năng về kinh tế nên nó rất được sự quan tâm và chú ý của các nhà sản xuất tơ sợi trên thế giới đầu tư và phát triển trong những năm gần đây.2 Một số sản phẩm làm từ xơ chuối Xơ chuối là một loại xơ mới, có nguồn gốc tự nhiên và là xơ libe, xơ được tách từ thân cây của chuối. Trong khoảng 15 năm đến 20 năm nay thị trường sợi chuối phát triển rất sôi động ở một số quốc gia trong đó có các nước xuất khẩu sợi chuối thô lớn nhất thế giới như Trung Quốc, Ấn Độ, Philippines, trong các báo cao gần đây trong 10 năm qua thì mức độ tăng trưởng trong ngành sợi chuối là 16% tới 30%/năm [2].1 Tính chất vật lý Sợi chuối hút ẩm tốt, thoáng khí, nhanh khô với độ bền kéo cao. Cấu trúc cellulose trong sợi chuối được sắp xếp theo dạng xoắn ở góc 110-120 với đường kính sợi từ 100-200 µm trái ngược với sợi xơ dừa, ở đó góc xoắn được tìm thấy thay đổi từ 400- 5 470 đối với đường kính từ 100-500 µm [4].
Chiều dài sợi thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào cách xử lý sợi trong quá trình khai thác sợi. Nếu sợi được loại bỏ khỏi toàn bộ chiều dài của vỏ bọc, như bằng tay hoặc tước bằng máy, các sợi xơ từ vỏ giữa có thể dài tới 15 feet hoặc hơn, chiều dài trung bình dao động từ 3 đến 15 feet. Tỷ lệ hút ẩm của xơ chuối cao so với xơ bông khoảng 11-15% [5-7]. So với các loại sợi khác như bông, đay và lanh, sợi chuối có khả năng thấm hút nước và đặc tính thoát nước cao hơn do hàm lượng vật liệu cellulose cao hơn và độ kết tinh thấp hơn (19-24%) trong cấu trúc sợi [7].
Soi kính hiển vi quang học sợi của thân giả cây chuối cho thấy đây là một loại sợi đa bào, giống như loại sợi của của các thực vật đa bào khác ( gai, lanh, đay,. Các tế bào sợi có đường kính xấp xỉ 10 µm và chiều dài 4,5 µm với tỉ lệ L/D là 450. Độ dày tế bào sợi là chuối là 8,3 µm. Sợi có cấu trúc phức tạp, lớp ngoài cùng là biểu bì có chức năng bảo vệ lớp thành sợi bên trong, hình a và b (của hình 1.
Các vết ngang trên bề mặt sợi là do cấu trúc bó của sợi, trong bao mỗi bó bao gồm một số sợi. Mặt cắt ngang của sợi giả gốc được thể hiện trong hình c và d (của hình 1.3) cấu trúc của sợi thô được thể hiện trong hình e và f (của hình 1. Trong hình bên trong của thân giả cây chuối được thể hiện rất rõ trong mặt cắt ngang (được chỉ bởi mũi tên số 2), các sợi tế bào cũng được thể hiện rõ (được chỉ bởi mũi tên số 1). Cấu trúc rỗng của thân giả chuối cho thấy sợi sẽ có đặc tính cách nhiệt và hấp thụ tốt [7].3 Hình đo SEM của sợi giả cây chuối 6 Bảng 1.1 Tính chất vật lí của một số loại sợi [8] Chiều rộng-đường Mật độ Độ bền kéo Độ giãn Sợi kính(µm) (Kg/m3) (Mpa) dài(%) Chuối 80-250 1350 54-754 10-35 Xơ dừa 100-450 1150 106-175 17-47 Lá dứa 20-80 1440 413-1627 0,8-1 Sical 50-200 1450 568-640 3-7 Palmyra 70-1300 1090 180-2157 7-15 Độ trùng hợp Độ trùng hợp có liên quan đến tính chất cơ học của xơ chuối, ngoài ra nó còn được đánh giá bởi sự sụt giảm lượng cellulose qua sự phá hủy của bức xạ hoặc các tác nhân vật lí, hóa học khác.
Độ trùng hợp của một số loại xơ - Xơ Chuối : 1.920 Dựa vào độ trùng hợp của các loại xơ trên ta thấy độ trùng hợp của xơ cotton và xơ chuối gần tương đương nhau, và xơ chuối so với xơ lanh và gai thì thấp hơn, điều này chỉ ra rằng xơ chuối sẽ ít giòn và cứng hơn xơ gai, lanh nhưng ngược lại thì xơ chuối cũng sẽ có độ bền cơ thấp hơn hai loại xơ trên, độ bền cơ lý của xơ chuối tương đương tới xơ cotton.2 Độ xốp và khối lượng riêng của một số loại xơ [8] Khối lượng Khối lượng riêng Loại xơ Độ xốp (%) riêng biểu đúng(g/cc) kiến (g/cc) Đay 14-15 1,23 1,44 Sial 17 1,2 1,45 Chuối 17-21 1,2-1,2 1,45-1,4 Lanh 10,7 1,36 1,54 Gai (ramie) 7,5 1,44 1,56 Qua bảng 1.2 trên ta thấy rằng xơ chuối có khối lượng riêng thấp hơn xơ gai và xơ lanh, và ở cột độ xốp thì ta cũng thấy được rằng độ xốp của xơ chuối cao hơn hai loại xơ kia, nên tính cách nhiệt của xơ chuối sẽ tốt hơn xơ gai và xơ lanh, đây cũng là yếu tố ưu việt của xơ chuối so với các loại xơ kia.3 Nhiệt dung riêng của một số loại xơ [9] Loại xơ Nhiệt dung riêng (cal.g/oc) Gai 0,323 Đay 0,324 Lanh 0,322 Sial 0,317 Cotton 0,292 Chuối 0,322 1.2 Tính chất hóa học Tính chất cơ học của sợi thực vật chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố như nguồn gốc, tuổi, loài, các thông số xử lý và cấu trúc bên trong. Các tính chất cơ học của sợi chuối với các đường kính khác nhau đã được nghiên cứu. Không có sự thay đổi đáng kể nào về tính chất cơ học của sợi với sự gia tăng đường kính của sợi trong phạm vi được khảo sát từ 50-250 µm. Mô đun ban đầu giảm dần khi tăng đường kính của sợi trong khoảng từ 100-450 µm.
Trong khi độ bền kéo cuối cùng và biến dạng đứt tăng lên đến đường kính 200 µm, sau đó chúng không đổi [10].4 Tính chất sợi chuối [10] Tính chất sợi Sự bền bỉ 29,98 g/denier Độ mịn 17,15 Denier Hút ẩm 13,00 % Kéo dài 6,54% Các chất chiết xuất từ alcohol-ben 1,70% Tổng số celuloza 81,80% Celuloza alpha 61,50% Lignin 15,00% Tác dụng với kiềm Khi được xử lý bằng kiềm xơ chuối cũng như các loại xơ libe khác sẽ bị trương nở, Một phần hemi-cellulose sẽ bị phân hủy, tùy theo thời gian xử lí mà các thành phần của xơ sẽ có sự thay đổi, các liên kết hóa học sẽ bị bẻ gãy, cấu trúc xơ sẽ mở ra hơn để cho dung dịch kiềm ngấm sâu vào xơ hơn. Sự ảnh hưởng của xơ khi được nấu kiềm (Nhiệt độ 95 độ C, thời gian 1-2h, nồng độ NaOH 17,5%) lên độ kết tinh của các xơ libe, được thể hiện như sau: Bảng 1.5 Độ kết tinh của xơ Độ kết tinh của xơ thô(%) Độ kết tính xơ đã xử lý(%) Chuối 52 62 Độ kết tinh tăng từ 5-15% do lượng mất đi của chất lignin trong xơ và hemixenlulo trong quá trình xử lý kiềm [10]. Tác dụng với acid Xơ bị trương nở trong dung dịch axit sunfuric có nồng độ trên 50%, ở nồng độ 60%, thành phần cellulose sẽ bị chia tách làm giảm khối lượng phân tử và bị phân hủy. Tương tự, các axit vô cơ khác như HCl, HNO3, H3PO4 cũng có thể làm xơ bị trương nở và phân hủy ở nồng độ cao [3].
9 Tác dụng với chất oxi hóa Ở nồng độ thấp, chất oxy hóa có thể phá hủy màu tự nhiên. Ở nồng độ cao, chất oxy hóa có thể phá hủy xơ [3].3 Tính chất nhiệt Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) được thực hiện để phân tích độ bền nhiệt hoặc sự phân huỷ nhiệt của sợi giả thân chuối. Máy phân tích TGA ghi lại sự giảm trọng lượng dưới dạng một hàm của nhiệt độ với độ phân giải 0,1mg. Các mẫu sợi (khoảng 3–6 mg) được cân chính xác và phân phối ngẫu nhiên trong khay chứa mẫu.
Một lượng nhỏ mẫu được sử dụng để đảm bảo tính đồng nhất hoặc độ lập lại của kết quả TGA. Sau đây là một ví dụ về TGA của sợi giả thân chuối. Sự phân huỷ nhiệt của sợi bắt đầu ở nhiệt độ 25-700°C trong môi trường N2 với tốc độ gia nhiệt không đổi 10°C/ phút. Sự phân hủy nhiệt của sợi thân giả chuối xảy ra trong ba giai đoạn [11].
Giai đoạn 1: Giai đoạn đầu của quá trình phân huỷ là bay hơi ẩm ở khoảng nhiệt độ 30-144°C [23]. Khi sợi được gia nhiệt liên tục, trọng lượng của sợi giảm bằng cách giải phóng độ ẩm và một số chất ngoại vi dễ bay hơi. Đây là hiện tượng phổ biến xảy ra ở sợi thực vật, làm cho sợi trở nên mềm dẻo và dễ xẹp xuống, đồng thời làm tăng tính truyền nhiệt [11]. Tuy nhiên, không thể loại bỏ hoàn toàn độ ẩm có trong sợi do cấu trúc của sợi và bản chất ưa nước của sợi.
Trong giai đoạn đầu tiên này, khối lượng chất xơ mất đi trong khoảng 5–10% trọng lượng [11].