Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam hiện có diện tích trồng chuối lên đến khoảng 200,000 ha, trong đó diện tích chuối lấy quả khoảng 150,000 ha, tạo ra nguồn phế phẩm thân cây chuối rất lớn sau mỗi vụ thu hoạch. Thân cây chuối chứa khoảng 2-5% chất xơ, chủ yếu là cellulose, có tiềm năng ứng dụng trong ngành công nghiệp sợi tự nhiên. Tuy nhiên, hiện nay việc tận dụng nguồn phế phẩm này còn rất hạn chế, gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quy trình tạo sợi từ thân cây chuối và khả năng nhuộm màu tự nhiên bằng bột nghệ nhằm phát triển nguồn nguyên liệu sợi thân thiện môi trường, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về sợi tự nhiên trong ngành dệt may.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng quy trình tách xơ từ bẹ chuối, biến tính xơ bằng dung dịch NaOH và HCl để tăng độ bền cơ lý, se thành sợi đạt tiêu chuẩn ASTM D1445 và ASTM D2812, đồng thời khảo sát khả năng nhuộm màu tự nhiên từ dịch chiết củ nghệ lên sợi chuối. Nghiên cứu được thực hiện trên nguyên liệu thu gom từ huyện Long Khánh, tỉnh Đồng Nai trong khoảng thời gian từ tháng 10/2021 đến tháng 5/2022. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển kinh tế từ nguồn phế phẩm nông nghiệp mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường do rác thải hữu cơ và nhựa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về cấu trúc và tính chất của sợi cellulose tự nhiên, đặc biệt là sợi chuối với thành phần chính là cellulose (chiếm khoảng 81.8%) và lignin (15%). Các mô hình biến tính sợi bằng dung dịch kiềm (NaOH) và axit (HCl) được áp dụng nhằm làm tăng độ bền cơ lý và cải thiện cấu trúc sợi. Lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm phức hợp tâm trực giao (Central Composite Design - CCD) được sử dụng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cơ lý của sợi như nồng độ dung dịch, thời gian và nhiệt độ biến tính.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Độ bền cơ lý của sợi (đơn vị N)
  • Biến tính sợi bằng dung dịch NaOH và HCl
  • Quy trình tẩy trắng sợi bằng H2O2 và NaOH
  • Nhuộm màu tự nhiên bằng dịch chiết bột nghệ (Curcumin)
  • Phân tích cấu trúc sợi bằng phổ FTIR và đo độ bền theo tiêu chuẩn ASTM D1445, ASTM D2812

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là nguyên liệu thân cây chuối thu gom tại huyện Long Khánh, Đồng Nai và bột nghệ mua tại chợ Gò Vấp, TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 17 thí nghiệm theo mô hình CCD với ba biến độc lập: nồng độ NaOH (2-10%), thời gian biến tính (20-60 phút), nhiệt độ (25-55°C). Mẫu sợi sau biến tính được đánh giá độ bền cơ lý bằng máy đo tại công ty TNHH Cơ khí Nhựa Việt Úc.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Quy hoạch thực nghiệm tối ưu hóa để xác định điều kiện biến tính tối ưu
  • Đo độ bền cơ lý sợi theo tiêu chuẩn ASTM
  • Phân tích cấu trúc sợi bằng phổ FTIR để đánh giá sự thay đổi hóa học sau biến tính
  • Khảo sát ảnh hưởng các yếu tố tẩy trắng (nồng độ H2O2, NaOH, chất ngấm) đến chất lượng sợi
  • Nhuộm sợi bằng dịch chiết bột nghệ, đánh giá độ bền màu qua các phép thử giặt và mồ hôi
  • Thời gian nghiên cứu từ tháng 10/2021 đến tháng 5/2022

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu hóa biến tính sợi bằng NaOH:

    • Nồng độ NaOH 6% trong 40 phút ở nhiệt độ phòng (25°C) cho độ bền cơ lý cao nhất, đạt khoảng 650 N, tăng 25% so với sợi chưa biến tính (khoảng 520 N).
    • Thời gian và nồng độ NaOH có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền cơ lý, thể hiện qua phân tích phương sai với p < 0.05.

  2. Biến tính sợi bằng HCl:

    • Nồng độ HCl 4% trong 30 phút đạt độ bền cơ lý tối ưu khoảng 600 N, thấp hơn so với NaOH nhưng vẫn cải thiện 15% so với sợi gốc.
    • Thời gian biến tính quá dài hoặc nồng độ cao làm giảm độ bền do phân hủy cellulose.

  3. Ảnh hưởng của quá trình tẩy trắng:

    • Nồng độ H2O2 4 g/l kết hợp NaOH 3% và chất ngấm 0.2 g/l trong 30 phút tại 70°C giúp tăng độ trắng sợi lên 85% và giữ độ bền cơ lý trên 600 N.
    • Tăng nồng độ H2O2 vượt quá 8 g/l làm giảm độ bền do oxy hóa quá mức.

  4. Khả năng nhuộm màu tự nhiên:

    • Sợi chuối nhuộm bằng dịch chiết bột nghệ đạt độ bền màu với giặt trên 70% và độ bền màu với mồ hôi trên 65%, phù hợp cho ứng dụng thực tế.
    • Màu vàng cam của curcumin bám tốt trên sợi biến tính, tạo sản phẩm thân thiện môi trường.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy biến tính sợi chuối bằng dung dịch NaOH là phương pháp hiệu quả nhất để tăng độ bền cơ lý, phù hợp với các tiêu chuẩn ASTM D1445 và D2812. Sự gia tăng độ bền cơ lý có thể giải thích do quá trình loại bỏ tạp chất, lignin và hemicellulose, làm tăng độ kết tinh cellulose và cải thiện cấu trúc sợi. So sánh với các nghiên cứu trước đây về sợi tự nhiên như sợi bông và đay, sợi chuối biến tính có độ bền tương đương hoặc cao hơn, đồng thời giữ được đặc tính hút ẩm và thoáng khí.

Quá trình tẩy trắng với H2O2 và NaOH được tối ưu để vừa tăng độ trắng vừa giữ được độ bền cơ lý, điều này rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sợi trước khi nhuộm. Việc sử dụng thuốc nhuộm tự nhiên từ bột nghệ không chỉ tạo màu sắc đẹp mà còn thân thiện với môi trường, giảm thiểu ô nhiễm so với thuốc nhuộm tổng hợp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ Pareto thể hiện ảnh hưởng các yếu tố đến độ bền cơ lý, biểu đồ so sánh độ bền giữa các mẫu sợi biến tính và chưa biến tính, cũng như bảng kết quả đo độ bền màu sau nhuộm. Những phát hiện này góp phần mở rộng ứng dụng sợi chuối trong ngành dệt may, đồng thời thúc đẩy phát triển bền vững và kinh tế tuần hoàn từ nguồn phế phẩm nông nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình biến tính sợi bằng NaOH 6% trong 40 phút ở 25°C để sản xuất sợi chuối có độ bền cơ lý cao, đảm bảo tiêu chuẩn ASTM, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm dệt may tự nhiên. Thời gian thực hiện: ngay trong vòng 6 tháng tới. Chủ thể thực hiện: các nhà máy sản xuất sợi và doanh nghiệp dệt may.

  2. Tối ưu hóa công đoạn tẩy trắng với H2O2 4 g/l và NaOH 3% nhằm tăng độ trắng và giữ độ bền sợi, tạo điều kiện thuận lợi cho nhuộm màu tự nhiên. Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm và nhà sản xuất sợi.

  3. Phát triển sản phẩm nhuộm màu tự nhiên từ bột nghệ cho sợi chuối, tập trung vào nâng cao độ bền màu và đa dạng hóa màu sắc tự nhiên, đáp ứng xu hướng tiêu dùng xanh. Thời gian: 6-12 tháng. Chủ thể: doanh nghiệp dệt may, nhà nghiên cứu.

  4. Khuyến khích hợp tác giữa các hợp tác xã nông nghiệp và doanh nghiệp dệt may để thu gom phế phẩm thân chuối, tạo chuỗi cung ứng nguyên liệu bền vững, giảm thiểu lãng phí và ô nhiễm môi trường. Thời gian: liên tục. Chủ thể: chính quyền địa phương, hợp tác xã, doanh nghiệp.

  5. Đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý và biến tính sợi chuối nhằm mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như vật liệu composite, nội thất thân thiện môi trường. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Hóa học: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về biến tính sợi tự nhiên, quy trình tối ưu hóa và ứng dụng nhuộm màu tự nhiên, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất sợi và dệt may: Tham khảo quy trình công nghệ tạo sợi chuối chất lượng cao, phương pháp nhuộm màu tự nhiên thân thiện môi trường, giúp nâng cao giá trị sản phẩm và đáp ứng xu hướng tiêu dùng xanh.

  3. Hợp tác xã nông nghiệp và các đơn vị thu gom phế phẩm nông nghiệp: Hiểu rõ tiềm năng kinh tế từ phế phẩm thân chuối, cách thức xử lý và chế biến thành nguyên liệu sợi, mở rộng thị trường và tăng thu nhập cho nông dân.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng nguyên liệu tái sinh, giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ phế phẩm nông nghiệp và hóa chất tổng hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quy trình biến tính sợi chuối bằng NaOH có ưu điểm gì so với HCl?
    Biến tính bằng NaOH 6% trong 40 phút cho độ bền cơ lý cao hơn khoảng 8% so với HCl 4%, đồng thời ít gây phân hủy cellulose, giúp sợi bền chắc và mềm mại hơn, phù hợp cho sản xuất sợi dệt may.

  2. Tại sao sử dụng bột nghệ để nhuộm sợi chuối?
    Bột nghệ chứa curcumin có màu vàng cam tự nhiên, thân thiện môi trường, có khả năng bám màu tốt trên sợi chuối biến tính, tạo sản phẩm có độ bền màu cao và an toàn cho người sử dụng.

  3. Quy trình tẩy trắng ảnh hưởng thế nào đến chất lượng sợi?
    Tẩy trắng với H2O2 4 g/l và NaOH 3% giúp loại bỏ tạp chất, tăng độ trắng sợi lên 85% mà không làm giảm độ bền cơ lý, tạo điều kiện thuận lợi cho nhuộm màu và nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

  4. Sợi chuối có thể ứng dụng trong ngành dệt may như thế nào?
    Sợi chuối có độ bền cơ lý tương đương sợi cotton, khả năng hút ẩm và thoáng khí tốt, thích hợp làm vải may mặc, khăn tắm, đồ nội thất, góp phần phát triển sản phẩm thân thiện môi trường.

  5. Làm thế nào để tận dụng phế phẩm thân chuối hiệu quả?
    Thu gom thân chuối sau thu hoạch, tách xơ bằng máy chuyên dụng, biến tính và xử lý theo quy trình tối ưu để tạo sợi chất lượng cao, kết hợp nhuộm màu tự nhiên, giảm lãng phí và ô nhiễm môi trường.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình biến tính sợi chuối bằng dung dịch NaOH 6% trong 40 phút ở 25°C, đạt độ bền cơ lý tối ưu trên 650 N, đáp ứng tiêu chuẩn ASTM.
  • Quá trình tẩy trắng với H2O2 4 g/l và NaOH 3% giúp tăng độ trắng sợi lên 85% mà không làm giảm độ bền cơ lý.
  • Sợi chuối nhuộm màu tự nhiên từ bột nghệ có độ bền màu cao, thân thiện môi trường, phù hợp ứng dụng thực tế trong ngành dệt may.
  • Nghiên cứu góp phần tận dụng nguồn phế phẩm thân chuối, giảm ô nhiễm môi trường và phát triển kinh tế bền vững.
  • Đề xuất triển khai áp dụng quy trình trong sản xuất công nghiệp và mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai quy trình tối ưu hóa này để phát triển sản phẩm sợi chuối chất lượng cao, đồng thời thúc đẩy sử dụng thuốc nhuộm tự nhiên nhằm bảo vệ môi trường và đáp ứng xu hướng tiêu dùng xanh hiện nay.