Bài tập lớn Đề tài tổng quan về vật liệu nanocellulose

Nanocellulose, là sản phẩm của sự tiến bộ trong công nghệ và nghiên cứu, được tạo ra từ cellulose - một thành phần chính trong thân và lá của các lòai thực vật.. Tính chất tự nhiên của c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Khoa Kỹ thuật Hoá học

BÀI TẬP LỚN

Đề tài: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU

NANOCELLULOSE

GVHD: PGS TS Trần Thụy Tuyết Mai

Sinh viên thực hiện:

TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2024

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ Sinh viên thực hiện:

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

1 Vật liệu nanocellulose 5

1.1 Các định nghĩa 5

1.2 Phân loại vật liệu nanocellulose 6

2 Cấu trúc và tính chất của nanocellulose 7

2.1 Cấu trúc của nanocellulose 7

2.2 Tính chất cơ học và vật lý của vật liệu 9

3 Ứng dụng của nanocellulose 10

4 Các phương pháp tổng hợp nanocellulose từ phụ phẩm nông nghiệp 12

4.1 Thủy phân bằng acid 12

4.2 Thủy phân enzyme 13

4.3 Phương pháp oxy hóa 13

4.4 Phương pháp cơ học 14

4.4.1.Phương pháp đồng hóa áp suất cao 14

4.4.2 Phương pháp đồng hóa lực cắt cao 14

4.4.3 Phương pháp siêu âm 15

4.4.4 Phương pháp nghiền bi 15

5 Tương lai và triển vọng 16

KẾT LUẬN 17

MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường và các nguồn tài nguyên đang dần cạn kiệt đã và đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhân loại Nhu cầu tìm kiếm các giải pháp vật liệu thân thiện với môi trường và đa dạng ứng dụng ngày càng trở nên cấp bách Các nhà khoa học không ngừng tìm tòi và nghiên cứu tìm ra các nguyên liệu mới, các loại vật liệu mới, trong đó có xu hướng nghiên cứu về các loại vật vật liệu nano Trong bối cảnh đó, vật liệu nanocellulose đã nổi lên như một lựa chọn đáng chú ý, mang lại những tiềm năng đầy hứa hẹn và sự đổi mới đáng kể Với tính mới

mẻ, độc đáo và sự thân thiện với môi trường, nanocellulose không chỉ là một vật liệu mới mà còn là một cánh cửa mở ra cho các ứng dụng sáng tạo trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Nanocellulose, là sản phẩm của sự tiến bộ trong công nghệ và nghiên cứu, được tạo ra từ cellulose - một thành phần chính trong thân và lá của các lòai thực vật Tính chất tự nhiên của cellulose, kết hợp với kích thước nano và cấu trúc đặc biệt của nanocellulose, tạo nên một vật liệu có khả năng biến đổi và ứng dụng đa dạng

Trong tiểu luận này, nhóm sẽ trình bày tổng quan về vật liệu nano, sự ra đời và phát triển của vật liệu này; đồng thời tìm hiểu các tính chất, đặc điểm của vật liệu, khám phá các ứng dụng tiềm năng của nanocellulose trong y tế, công nghệ, và nhiều lĩnh vực khác Qua việc nghiên cứu và thảo luận về nanocellulose, nhóm hy vọng sẽ có cái nhìn tổng quan về sức mạnh và tiềm năng của vật liệu này trong việc tạo ra những giải pháp sáng tạo và bền vững cho thế giới hiện nay và tương lai

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

1 Vật liệu nanocellulose

1.1 Các định nghĩa

Vật liệu nano là vật liệu có cấu trúc các hạt, các sợi, các ống, các tấm mỏng,…

có một trong các kích thước là kích thước nano (từ 1nm đến 100nm) Ở kích thước nano, vật liệu biểu hiện các tính chất hóa, lý và sinh học khác biệt nhiều so với vật liệu ban đầu Có nhiều cách phân loại vật liệu nano, nếu dựa theo nguồn gốc thì có hai loại là vật liệu nano tự nhiên và vật liệu nano tổng hợp Trong những năm gần đây, các loại vật liệu nano tự nhiên đang càng càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển, tiêu biểu

là vật liệu nanocellulose

Cellulose là một loại polime tự nhiên phổ biến nhất trên trái đất, là thành phần chính của thành tế bào thực vật và sợi thực vật Nó là một polysaccharide bao gồm các chuỗi monome glucose Các bó sợi cellulose đơn có đường kính 25–30 µm, mỗi sợi tạo thành từ các bó vi sợi có đường kính 0,1–1 µm Các sợi nano có đường kính khoảng phạm vi 10–70 nm và chiều dài hàng nghìn nanomet, là thành phần của vi sợi

Hình 1.1.Sự liên kết của các phân tử cellulose trong thành tế bào thực vật 1

Nanocellulose là vật liệu cellulose có một chiều kích thước là kích thước nano,

nó được sản xuất từ cellulose bằng cách thu nhỏ và tái cấu trúc ở cấp độ nano Nanocellulose là sự kết hợp các đặc tính quan trọng của cellulose như tính ưa nước, khả năng biến đổi hóa học rộng và sự hình thành các hình thái sợi bán tinh thể đa dạng Và những đặc điểm riêng của vật liệu có kích thước nano do diện tích bề mặt rất lớn của chúng Sự kết hợp này đã giúp cho vật liệu có các đặc tính vật lý, cơ học, và hóa học độc đáo như độ cứng, khả năng hấp thụ nước, khả năng tạo ra màng mỏng, và tính năng chống vi khuẩn, điều này tạo ra tiềm năng ứng dụng đáng kể cho vật liệu này trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y tế, môi trường, và công nghệ

1 A E Aliev, J Y Oh, M E Kozlov, A A Kuznetsov, S L Fang, A F Fonseca, R Ovalle, M D Lima, M H Haque, Y

N Gartstein, M Zhang, A A Zakhidov, R H Baughman, Science 2009, 323, 1575–1578

1.2 Phân loại vật liệu nanocellulose

Dựa vào phương pháp tổng hợp thì NC được chia làm ba loại chính: tinh thể NC (cellulose nanocrystal – CNC), sợi NC (cellulose nanofiber – CNF), NC vi khuẩn (bacterial nanocellulose – BNC)

- Tinh thể nanocellulose có dạng hình que hoặc hình râu, với chiều rộng từ 10

đến 70 nm, chiều dài 100 nm đến vài trăm nm Tỉ lệ khung hình (L/d) rơi vào khoảng 1 đến 100 Thành phần hóa học của nó là 100% cellulose, độ kết tinh cao (54-88%) và là sản phẩm của quá trình thủy phân cellulose bằng acid

- Sợi nanocellulose là NC dạng sợi, có chiều rộng từ 4-20 nm, chiều dài từ

500-2000 nm, có thành phần 100% là cellulose bao gồm cả vùng kết tinh và vô định hình CNF là sản phẩm của quá trình phân rã cellulose bằng phương pháp cơ học như đồng hóa, vi lỏng hóa hoặc siêu nghiền, tuy nhiên, trước các quá trình này cần phải tiền xử lý hóa học cellulose

- Nanocellulose vi khuẩn gọi là cellulose vi sinh vật, thường được sản xuất từ

vi khuẩn Trái ngược với sinh tổng hợp CNC và CNF, sinh tổng hợp BC liên quan đến việc bổ sung các phân tử từ đơn vị cực nhỏ (Å) sang đơn vị nhỏ (nm) Sợi nano BC hình dải băng được hình thành khi glucose kết hợp với thành tế bào Cấu trúc hình mạng giống như dải băng này tạo ra một sợi dài 20–100 nm duy nhất hệ thống sợi nano

1.3 Lịch sử ra đời và phát triển của vật liệu nanocellulose

Sự ra đời và phát triển của vật liệu nanocellulose có thể chia thành các giai đoạn sau:

1.3.1 Khám phá và phát triển ban đầu (1980-2000):

Trong giai đoạn này, nghiên cứu ban đầu về nanocellulose tập trung chủ yếu vào việc phát triển các phương pháp sản xuất và phân tích Các quy trình hydrolysis axit và

cơ học đã được phát triển để sản xuất các loại nanocellulose như Cellulose Nanocrystals (CNC) và Microfibrillated Cellulose (MFC) Các ứng dụng tiềm năng cũng được đề xuất trong lĩnh vực vật liệu và y tế

Các thuật ngữ về nanocellulose / microfibrillate lần đầu tiên được sử dụng vào năm 1977, trong Phòng thí nghiệm ITT Rayonier Eastern Research Division (ERD) ở Whippany, New Jersey, Hoa Kỳ trong khi chuẩn bị cấu trúc loại gel từ bột gỗ Thuật ngữ này lần đầu tiên được sử dụng công khai vào đầu những năm 1980 khi một số bằng sáng chế và ấn phẩm được cấp cho ITT Rayonier cho thành phần mới của vật chất là nanocellulose

Trong những năm 1983–1984, Herrick đã nghiên cứu chế tạo dạng bột khô MFC tại phòng thí nghiệm Rayonier, Shelton, Washington, Hoa Kỳ Microfibrillated Cellulose (MFC) là một loại nanocellulose được tạo ra thông qua quá trình cơ học như cán nghiền hoặc xử lý cơ học khác để tách các sợi cellulose thành các sợi nhỏ hơn, có kích thước nano Ở những năm 80, quá trình sản xuất cellulose chỉ dừng lại ở mức độ thô sơ và tiêu tốn nhiều năng lượng, tuy nhiên công nghệ này đã mở ra cánh cửa cho nhiều ứng dụng mới của cellulose trong các lĩnh vực như công nghệ, y tế, và môi trường

1.3.2 Phát triển công nghiệp (2000-2010):

Ở giai đoạn này, sự quan tâm đến nanocellulose đã tăng lên đáng kể, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp và ứng dụng Các phương pháp sản xuất được tối ưu hóa để sản xuất lớn lượng nanocellulose, và các công ty và tổ chức nghiên cứu lớn đã bắt đầu tham gia vào lĩnh vực này Các ứng dụng thương mại đầu tiên bắt đầu xuất hiện, đặc biệt là trong ngành giấy và vật liệu

Trong đó có sự thành công của công ty CelluForce, một liên doanh giữa Domtar

và FPInnovations, trong việc phát triển quy trình sản xuất CNC quy mô lớn và thương mại hóa sản phẩm CNC Công nghệ sản xuất MFC được áp dụng trong ngành giấy để cải thiện tính chất và hiệu suất của giấy

1.3.3 Đa dạng hóa ứng dụng và nghiên cứu chi tiết (2010-2020):

Sự quan tâm đến nanocellulose trong giai đoạn này đã lan rộng sang nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau bao gồm vật liệu, y tế, môi trường, điện tử, và năng lượng Nghiên cứu chi tiết hơn về các tính chất và ứng dụng của nanocellulose đã được tiến hành, đồng thời các công nghệ sản xuất đã được cải tiến để đáp ứng nhu cầu đa dạng của thị trường

Tiêu biểu như nghiên cứu của Đại học Wisconsin-Madison về việc sử dụng CNC trong việc tạo ra vật liệu composite với đặc tính cơ học và điện tử đặc biệt Còn có sự phát triển của công nghệ sản xuất CNC từ nguồn gốc thức ăn và sinh vật phục vụ cho ứng dụng y tế và sinh học

1.3.4 Tiềm năng ứng dụng rộng lớn và phát triển tương lai (2020-đến nay):

Hiện nay, nanocellulose đang nhận được sự quan tâm lớn từ cả cộng đồng nghiên cứu và doanh nghiệp Tiềm năng ứng dụng của nanocellulose trong các lĩnh vực như vật liệu xanh, y tế thông minh, và công nghệ sạch đang được khám phá và phát triển Công nghệ sản xuất và ứng dụng tiếp tục được cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường

Người ta đã sử dụng nanocellulose trong các ứng dụng điện tử linh hoạt như cảm biến và thiết bị điện tử Ngoài ra còn có các nghiên cứu về nanocellulose hydrogel để ứng dụng trong y học, bao gồm các ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe và dược phẩm

2 Cấu trúc và tính chất của nanocellulose

2.1 Cấu trúc của nanocellulose

Dựa vào phương pháp tổng hợp thì NC được chia làm ba loại chính: (1) tinh thể

NC (cellulose nanocrystal – CNC), (2) sợi NC (cellulose nanofiber – CNF) (3) NC vi khuẩn (bacterial nanocellulose – BNC) Cấu trúc của mỗi loại được thể hiện qua Hình 1.1 [1]

Hình 2.1: a) Sợi NC b) Tinh thể NC c) NC vi khuẩn

CNC có dạng hình que hoặc hình râu, với chiều rộng từ 10 đến 70 nm, chiều dài

100 nm đến vài trăm nm Tỉ lệ khung hình (L/d) rơi vào khoảng 1 đến 100 [2] Thành phần hóa học của nó là 100% cellulose, độ kết tinh cao (54-88%) và là sản phẩm của quá trình thủy phân cellulose bằng acid [3] Celulose thực vật tự nhiên nằm trong thành

tế bào của các sợi Một sợi là một tế bào thực vật kéo dài đã chết Trong sợi có một khoang rỗng hình ống - nội (lumen) Các sợi cellulose có kích thước và hình dạng khác nhau [4] Sợi bông, lanh và gai có chiều dài vài cm, trong khi sợi cellulose gỗ ngắn hơn, khoảng 1-3 mm Chiều rộng của các loại sợi khác nhau từ 10-30 μm và độ dày của thành

tế bào từ 3-6 μm Sợi bông xoắn, trong khi sợi bột gỗ phẳng; sợi lanh và gai thẳng và tròn (Hình 3.2)

Hình 2.2: a) Sợi bông xoắn, b) sợi bột gỗ phẳng

Thành tế bào của sợi bao gồm thành tế bào sơ cấp P (dày 0,1-0,2 μm) và thành

tế bào thứ cấp S ở bên trong (dày 3-6 μm) Thêm vào đó, thành tế bào S được cấu tạo bởi ba lớp, S1, S2 và S3; trong đó lớp S2 là lớp cơ bản và có độ dày khoảng 2-5 μm [4]

(Hình 3.3)

Hình 2.3: Mặt cắt ngang thành tế bào S của sợi cellulose

CNF là một loại nanocellulose trong dạng sợi, có kích thước chiều rộng dao động

từ 4 đến 20 nanomet, và chiều dài từ 500 đến 2000 nanomet Đặc điểm độc đáo của CNF là nó chứa 100% cellulose, bao gồm cả cấu trúc kết tinh rõ ràng và các vùng vô định hình.[3] CNF được tạo ra thông qua việc phân hủy cellulose bằng các phương pháp cơ học như nghiền, xử lý nước hoặc quá trình siêu nghiền Tuy nhiên, trước khi tiến hành các phương pháp này, việc tiền xử lý hóa học của cellulose là bắt buộc.[5]

BC gọi là cellulose vi sinh vật, thường được sản xuất từ vi khuẩn Trái ngược với sinh tổng hợp CNC và CNF, sinh tổng hợp BC liên quan đến việc bổ sung các phân

tử từ đơn vị cực nhỏ (Å) sang đơn vị nhỏ (nm) Sợi nano BC có hình dạng dải hẹp được hình thành khi glucose liên kết với thành tế bào Mạng lưới dạng dải này tạo ra một hệ thống sợi nano dài từ 20 đến 100 nm [6]

2.2 Tính chất cơ học và vật lý của vật liệu

a) Tính chất cơ học

Tính chất cơ học của nanocellulose ở các vùng tỉnh thể và vô định hình là khác nhau Ở các vùng bị rối loạn (vùng vô định hình) vật liệu có tính dẻo và linh hoạt hơn

so với các vùng được sắp xếp trật tự (vùng tinh thể) Tương tự vậy, nanocellulose từ các nguồn khác nhau cũng có các tính chất cơ lý khác nhau, tùy thuộc vào tỉ lệ giữa vùng tỉnh thể và vùng vô định hình trong vật liệu Cũng vì như vậy, do có số lượng tinh thể nhiều hơn nên độ cứng và modun của CNC cao hơn CNF

Modun đàn hồi của tỉnh thể cellulose được nghiên cứu lần đầu tiên vào năm 1930 bằng cả phương pháp phân tích lý thuyết và thực nghiệm như phổ Raman, nhiễu xạ tia

X và kính hiển vi lực nguyên tử Tuy nhiên, việc xác định chính xác các giá trị này là tương đối khó khăn

Một số nghiên cứu đưa ra giá trị modun đàn hồi của tỉnh thể cellulose (giống như CNC) là 58180 GPa, giá trị này tương đương với sợi Kevlar (60-125 GPa) và có khả năng chắc chắn hơn thép Một công trình nghiên cứu của Gillis đã báo cáo rằng, nếu tính toán cả các liên kết hydro liên chuỗi và sức căng của chuỗi cellulose thì độ cứng của tinh thể cellulose có thể lên đến 300 GPa Một nghiên cứu khác của Dri và cộng sự

đã sử dụng cơ học lượng tử để tính toán modun đàn hồi của tỉnh thể cellulose và đưa ra giá trị xấp xỉ 206 GPa

Do có số lượng tinh thể trong phân tử ít hơn nên giá trị modun đàn hồi của CNF

và BNC cũng thấp hơn so với CNC Giá trị modun đàn hồi trung bình của CNF được ước tính là 81 ± 12 GPa Dựa trên ước tính biến dạng phân tử cục bộ của BNC thông qua sự dịch chuyển ở vị trí trung tâm của dải Raman 1095 cm²¹, người ta tính được giá trị modun của BNC là xấp xỉ 114 GPa

Do có các tính chất cơ học tuyệt vời, CNC cho thấy tiềm năng ứng dụng của nó dưới dạng chất gia cường trong sản xuất vật liệu compozit nhằm cải thiện các tính chất

cơ học của vật liệu như độ cứng, độ bền và khả năng đàn hồi Một ưu điểm quan trọng hơn cả là các loại sợi nanocellulose được tạo ra từ phế phẩm nồng nghiệp có giá thành

rẻ hơn rất nhiều so với nhiều loại vật liệu tổng hợp Chính vì vậy, loại vật liệu nano này vẫn rất hấp dẫn và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

b) Tính phân hủy sinh học

Một trong những ưu điểm lớn nhất của vật liệu tổng hợp thân thiện với môi trường là khả năng tự phân hủy sinh học của chúng Tuy nhiên, đa số các loại vật liệu sinh học nhân tạo lại cần nhiệt độ ủ khá cao (khoảng 60 °C) để đẩy nhanh quá trình phân hủy Ngược lại, do có tính ưa nước nên nanocellulose có khả năng phân hủy nhanh chóng ở nhiệt độ thường, tức là trong khoảng 20-30 °C

3 Ứng dụng của nanocellulose

Nhờ những tính chất đặc biệt của nó, NC được ứng dụng trong rất nhiều ngành, lĩnh vực khác nhau có thể kể đến như vật liệu composite, công nghiệp giấy, bao bì, sơn phủ, y sinh, điện tử và xử lý môi trường