Tài liệu Nghiên cứu biện pháp nâng cao chất lượng nguyên liệu tre bằng phương pháp xử lý nhiệt dầu

1 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG NGUYÊN LIỆU TRE BẰNG PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NHIỆT DẦU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN SU PHẠM SVTH: PHAN THỊ HIỀN GVHD: PGs.TS Lê Tự Hải Đà Nẵng - Năm 2012 2 PHẦN MỞ ĐẦU I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay khi tài nguyên gỗ dần cạn kiệt thì nguyên liệu tre được coi là sự thay thế hữu hiệu nhất cho một số lĩnh vực như làm vật liệu xây dựng, đồ nội thất, công cụ lao động, hàng thủ công mỹ nghệ… Hiện nay, khoảng hơn 1.000 loài thuộc họ tre đã được trồng ở nhiều nơi trên thế giới, nhất là ở các nơi có khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới. Các nước phát triển ngày càng coi trọng cây tre và ưa thích các loại sản phẩm chế biến từ tre. ở các nước Đông á, nơi được coi là quê hương của cây tre, đang có xu hướng quay trở lại sử dụng loại vật liệu có nhiều đặc tính quý báu này trong mọi mặt của đời sống. Một ngành công nghiệp chế biến các sản phẩm từ tre đã ra đời và đang phát triển mạnh ở một số nước Châu Á mà đi đầu trong những nước này là Trung Quốc. Tre ở Việt Nam được trồng rất phổ biến từ Bắc chí Nam, là loại cây có sức sống mãnh liệt, dễ thích nghi với nhiều vùng đất kể cả khô cằn hay bạc màu. Chính vì vậy mà nguồn nguyên liệu tre dùng cho các lĩnh vực sản xuất trên luôn dồi dào. Để tạo ra những sản phẩm bền đẹp và có giá trị cao thì đòi hỏi nguồn nguyên liệu tre phải thật tốt. Nhưng nhược điểm lớn nhất của tre là dễ bị mối, mọt, nấm mục mốc phá hoại làm giảm chất lượng của nguyên liệu. Từ lâu đời nhân dân ta đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm và tìm ra các biện pháp hạn chế sự tấn công này như: chặt tre, gỗ vào mùa đông để giảm lượng dinh dưỡng trong cây, ngâm tre, gỗ dưới ao hồ để phá hủy một phần lượng dinh dưỡng đó, để gác bếp, hun khói... nhưng có nhiều hạn chế về hiệu quả bảo quản và điều kiện áp dụng. Tre trước khi sử dụng chỉ ở những nơi có điều kiện thuận lợi mới được bảo đảm theo một số phương pháp truyền thống. Do đó tre rất dễ bị mối, mọt, nấm, mục, mốc phá hoại làm mất khả năng chịu lực chỉ sau 4-5 năm sử dụng. Đặc điểm nổi bật là chúng ta sống trong môi trường nhiệt đới nóng ẩm. Điều kiện này thuận lợi cho sự phát triển của sinh vật nói chung, đối với sinh vật gây hại cũng hoạt động mạnh quanh năm. Để khắc phục hạn chế của phương pháp truyền thống ngâm tre dưới ao bùn là điều kiện áp dụng khó khăn, thời gian lâu, ảnh hưởng đến môi trường. Nhằm nâng cao chất 3 lượng nguồn nguyên liệu tre là chống được mối, mọt, nấm mốc đồng thời tăng độ bền, kéo dài tuổi thọ của sản phẩm, thì phương pháp xử lý nhiệt bằng cách nấu dầu (gọi tắt là xử lý nhiệt dầu) là giải pháp đơn giản, hiệu quả và dễ tiến hành. Xuất phát từ nhận thức trên nay tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu biện pháp nâng cao chất lượng nguyên liệu tre bằng phương pháp xử lý nhiệt dầu” II. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1. Đối tượng: Cây tre ở Hòa Phong - Hòa Vang - Đà Nẵng. 2. Phạm vi nghiên cứu: Phòng thí nghiệm Trường Đại học Sư Phạm Đà Nẵng III. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 1. Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu biện pháp xử lý nguyên liệu tre bằng phương pháp xử lý nhiệt dầu 2. Nhiệm vụ nghiên cứu - Xác định quy trình lấy mẫu - Xác định độ ẩm mẫu ban đầu - Xác định độ hút nước của mẫu - Xác định cường độ chịu nén và cường độ chịu uốn mẫu - Xác định nhiệt độ tối ưu và thời gian nấu mẫu bằng phương pháp xử lý nhiệt dầu IV. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1. Chuẩn bị mẫu + Xử lí nguyên liệu tre sơ bộ, các mẫu tre dùng nghiên cứu phải có kích thước, khối lượng nhất định và đồng nhất + Xử lý mẫu tre ở độ ẩm (w) 70% + Chuẩn bị mẫu dầu thực vật: dầu phộng + Chuẩn bị mẫu dầu máy: dầu Diesel (DO) 2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý mẫu tre + Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian trong phương pháp xử lý nhiệt dầu 3. Nghiên cứu sản phẩm mẫu tre sau khi ngâm + Chụp SEM + Xác định độ hút nước của mẫu 4 + Xác định độ trương nở của mẫu + Xác định cường độ chịu nén dọc thớ mẫu + Xác định cường độ chịu uốn tĩnh mẫu + Xác định ảnh hưởng của yếu tố môi trường đến mẫu V. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Tên phương pháp nghiên cứu a. Phương pháp nghiên cứu hóa học b. Phương pháp nghiên cứu vật lý c. phương pháp nghiên cứu cơ học 2. Nội dung phương pháp nghiên cứu + Phương pháp xây dựng chế độ sấy mẫu đã xử lý + Phương pháp xác định độ ẩm của mẫu + Phương pháp xác định độ hút nước của mẫu + Phương pháp xác định độ trương nở của mẫu + Phương pháp xác định cường độ chịu nén + Phương pháp xác định cường độ chịu uốn VI. PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 1. Thiết bị. - Kính hiển vi điện tử quét - Máy cưa, dao, thước kẹp pan-me - Tủ sấy, thiết bị hút ẩm - Cân điện tử, cốc thủy tinh, thiết bị ngâm - Máy xác định cường độ chịu uốn tĩnh mẫu - Máy xác định cường độ chịu nén dọc thớ mẫu 2. Dụng cụ, hóa chất. - Cốc thủy tinh 200ml, 500ml, bếp điện, chậu thủy tinh, đũa thủy tinh, ống đong, buret, cốc sứ... - Tủ sấy có nhiệt độ, thước kẹp ban-me, cân phân tích... - Hóa chất: Dầu thực vật (dầu phộng), dầu Diesel 5 VII. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Phần mở đầu Chương I: Tổng quan lý thuyết Chương II: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu Chương III: Kết quả và thảo luận Kết luận Tài liệu tham khảo 6 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN Tre (Bamboo) thuộc giới Plantae, bộ Poales, họ Poaceae, phân họ Bambuoideae, liên tông Bambusodea, tông Bambusea Hình 1.1: Cây tre 1.1. Cấu tạo tre [10] N i r về cấu tạo!!!) Cấu tạo tre là nhân tố ảnh hưởng đến tính chất tre. Cấu tạo và tính chất liên quan mật thiết với nhau. Cấu tạo có thể xem là biểu hiện bên ngoại của tính chất. Những hiểu biết về cấu tạo là cơ sở để giải thích bản chất các hiện tượng sản sinh trong quá trình gia công, chế biến và sử dụng tre. 1.2. Đặc điểm sinh thái [10] Tre là nhóm thực vật thân gỗ lâu năm. Được coi là lớn nhất trong bộ Hòa thảo (Poales). Thân tre có các lóng rỗng, các bó mạch nằm rải rác khắp thân tre thay vì sắp xếp hình trụ như gỗ. Tre là một trong các thực vật phát triển nhanh nhất trên thế giới. Một số loài có khả năng phát triển 100cm (39 in) hoặc nhiều hơn mỗi ngày do hệ thống rễ độc đáo. Tuy nhiên, tỷ lệ tăng trưởng một phần phụ thuộc vào điều kiện thổ nhưỡng và khí hậu. 7 Tre có nhiều ý nghĩa về kinh tế và văn hóa đáng chú ý ở khu vực Nam Á, Đông Nam Á và Đông Á. Tre đang được sử dụng cho vật liệu xây dựng, là một nguồn thực phẩm và là nguyên liệu linh hoạt cho nhiều sản phẩm. 1.3. Quá trình thu hoạch tre [10] Tre được sử dụng cho mục đích xây dựng phải được thu hoạch khi các cây đạt sức mạnh lớn nhất và lượng đường trong nhựa ở mức thấp nhất, vì lượng đường cao dễ gây sâu bệnh. Thu hoạch tre thường được thực hiện theo các chu kỳ sau: - Vòng đời của thân tre: Khi mỗi thân tre đã được 5-7 năm tuổi, cây lý tưởng đạt tới độ trưởng thành trước khi thu hoạch. Chặt hết hoặc làm giảm bớt số cây, đặc biệt là các cây lâu năm nhằm đảm bảo ánh sáng và nguồn lực cho sự phát triển mới. Việc duy trì tốt các cụm tre có thể cho năng suất gấp 3-4 lần so với một cụm hoang dã. Tùy theo chu kỳ sống được mô tả ở trên, tre được thu hoạch 2-3 năm hoặc 5-7 năm tùy theo từng loài. - Chu kỳ hằng năm: Tất cả sự tăng trưởng của tre mới xảy ra vào mùa mưa, gây rối các cụm trong giai đoạn này sẽ có khả năng thiệt hại vụ tới. Đồng thời lượng nhựa trong tre cũng cao nhất vào mùa mưa và giảm dần vào mùa khô. Do đó thời gian thu hoạch tốt nhất là vào cuối mùa khô một vài tháng trước khi bắt đầu ẩm ướt. - Chu kỳ hằng ngày: Ban ngày là thời gian quang hợp của tre, làm sản sinh lượng nhựa cao nhất. Những người thu hoạch truyền thống tin rằng thời gian thu hoạch tốt nhất là lúc bình minh hoặc hoàng hôn. 1.4. Thành phần h a học của tre [2] Tre do nhiều tế bào tạo nên, nó là một thực thể hỗn hợp rất phức tạp của các chất cao phân tử polysaccarit gồm có nhóm cacbonyl và nhân benzen tạo thành. Thành phần hóa học của tre được biểu diễn như sau : 8 Tre Thành phần phụ Thành phần chính Holocellulose Cellulose Sơ cấp Lignin Polyosen Hemicellulose Hexoxan Mannan Tinh bột Đường Chất béo Protein Thứ cấp Chất tạo lõi Chất vô cơ Chất sáp Axitamin Pentoxan Xylan Glucan Araban Galactan Hexoxan Hình 1.2: Thành phần hóa học của tre 1.2.1. Thành phần nguyên tố hóa học của tre Thành phần hóa học của tre tương tự như gỗ. Các thành phần chính của tre là cellulose, hemicellulose và lignin, các thành phần này chiếm trên 90% khối lượng của tre. Các thành phần phụ là nhựa, tannin, sáp và muối vô cơ. Tuy nhiên, so với gỗ thì tre có hàm lượng kiềm, tro và silica cao hơn. Holocellulose bao gồm cellulose và hemicellulose. Cellulose là thành phần chính của tre, chiếm khoảng 40%-50%, lượng lignin trong tre chiếm khoảng 20%-30%. Hàm 9 lượng lignin cao của tre gốp phần giúp tre chịu nhiệt tốt và tăng độ cứng của tre làm cho nó trở thành một vật liệu xây dựng có giá trị. Ngoài ra, tre còn chứa khoảng 2%-6% tinh bột, 2% đường saccharide khử, 2%-4% chất béo và 0,8%-6% protein. Thành phần tre được tạo thành từ khoáng chất vô cơ, chủ yếu là silica, canxi và kali. Thành phần silica có cao nhất trong lớp biểu bì, rất ít trong các nút và vắng mặt trong các lóng tre. Số lượng các thành phần hóa học của tre thay đổi theo độ tuổi, chiều cao, lớp và thành phần hóa học của tre tương quan với tính chất vật lý và các thuộc tính cơ bản của nó. 1.2.2. Tính chất các thành phần hóa học của tre Các chất cấu tạo nên tre gồm có 2 loại: - Loại thứ nhất: gồm cacbonhydrat và lignin là những chất cấu trúc nên vách tế bào. - Loại thứ hai: là những chất dầu nhựa, chất màu, tinh dầu, chất béo, anbumin…tồn tại trong ruột tế bào. a. Celllose (C6H10O5)n (n > 200000) Cellulose là một hợp chất cao phân tử, với đơn vị mắt xích của mạch phân tử cellulose là anhydro-β-D-glucopyranoza (gọi ngắn gọn là D-glucozơ). Công thức phân tử của cellulose là (C6H10O5)n được Payen.A đưa ra năm 1883. Các đơn vị mắt xích của cellulose chứa ba nhóm hydroxyl tự do (không ở dạng liên kết), một nhóm hydroxyl rượu bậc 1, hai nhóm hydroxyl rươu bậc 2. Điều này có thể chứng minh rằng thực tế là các phản ứng ete hóa đến cùng luôn tạo ra sản phẩm chứa ba nhóm thế trên một đơn vị mắt xích. Các nhóm hydroxyl khác nhau về khả năng phản ứng. Các nhóm hydroxyl ở mỗi đơn vị mắt xích liên kết với nguyên tử Cacbon ở vị trí 2,3 và 6. Điều này có thể chứng minh nhờ ete hóa thu được Trimetyl-cellulose rồi thủy phân thu được 2,3,6-tri-O-metyl-D-cellulose. 10 Các đơn vị D-glucozơ trong cellulose có dạng vòng 6 cạnh, tương đối bền vững trong môi trường axit. Liên kết giữa các đơn vị mắt xích phải là 1,4-glycozit (ứng với vòng 6 cạnh). Các đơn vị mắt xích được nối với nhau nhờ liên kết glycozit. Dựa trên các nhận xét rút ra từ thực nghiệm, ta có thể biểu diễn cấu tạo phân tử cellulose như sau: H CH2OH O O H H OH H O H OH H O CH2OH H O CH2OH O H H OH H O H O O CH2OH N Cellulose n= 30000 Hình 1.3: Cấu tạo dạng mạch thẳng của Cellulose Hình 1.4: Cấu tạo dạng ghế của cellulose OH H 11 Xét về thành phần hóa học, đơn vị mắt xích của mạch phân tử cellulose là anhydroβ-D-glucopyranoza. Về phương diện cấu tạo mạch, cứ sau hai đơn vị mắt xích, cấu tạo mạch lại được lặp lại. Do đó, có thể coi cellulose là polyme điều hòa không gian: Hình 1.5: Cấu tạo mạng không gian của mạch cellulose Trong các phân tử cellulose có hai loại liên kết hydro được tạo thành: - Liên kết hydro nội phân tử: là liên kết được hình thành trong cùng một phân tử cellulose, có hai liên kết hydro nội phân tử: + Một liên kết hydro tạo thành do H của nhóm hydroxyl ở C2 của một mắt xích với O thuộc nhóm hydroxyl ở C6 của mắt xích liền kề. + Một liên kết hydro khác tạo thành do H của nhóm hydroxyl ở C3 của một mắt xích với O nằm trong vòng của đơn vị mắt xích liền kề. - Liên kết hydro liên phân tử: hai phân tử cellulose nằm trong cùng một mặt phẳng của mạng tinh thể tương tác với nhau, hình thành nên một lớp. Trong lớp này, có tạo liên kết hydro liên phân tử giữa H của nhóm hydroxyl ở C6 của đơn vị D-glucopyranoza trong một phân tử và O của nhóm hydroxyl ở C3 trong phân tử khác. - Ngoài ra, khi khoảng cách gần nhất của hai nguyên tử của hai đoạn mạch là 0,3 nm thì xuất hiện tương tác Vander Waals. Với liên kết hydro và liên kết Vander Waals tạo điều kiện cho sự tồn tại mạng tinh thể trong cấu trúc cellulose. Hơn nữa, với sự tồn tại của hai loại liên kết trên thì làm cho 12 cấu trúc của gỗ được bền chặt hơn, mặt khác khả năng thấm ướt, khả năng hấp phụ thuốc nhuộm, tốc độ hòa tan trong dung môi…của gỗ bị hạn chế rất nhiều, bởi vì trong cấu trúc của các mạch cellulose lúc này còn lại rất ít nhóm hydroxyl tự do vì đã tạo nhiều liên kết hydro và làm cho các mạch cellulose bị giữ chặt hơn. Về kích thước của đại phân tử cellulose khoảng 500nm, các mạch cellulose có thể trải qua nhiều vùng tinh thể và vùng vô định hình, các vùng này hợp thành tố chức lớn hơn gọi là vi xơ, các vi xơ lại hợp thành tổ chức lớn hơn gọi là xơ. Như vậy, cellulose không tập hợp hoàn toàn thành các tinh thể mà một phần ở trạng thái vô định hình, ở đó tương tác giữa các phân tử không đang kể. Khi xử lý gỗ bằng phương pháp ngâm tẩm hóa chất sau khi đi vào ben trong gỗ thì tương tác giữa hóa chất với các mạch cellulose xảy ra chủ yếu trên vùng tinh thể. Như ta đã biết cellulose tự nhiên là mạch thẳng, với các đơn vị mắt xích là anhydroβ-D-glucopyranoza (vòng 6 cạnh). Mỗi đơn vị mono mang một nhóm hydorxyl ancol bậc một và hai nhóm hydroxyl ancol bậc hai. Cuối cùng cellulose là nhóm cacbonyl (khi ở dạng mở) làm cho cellulose có tính khử. Từ bức tranh chung về cấu tạo phân tử cellulose, ta có thể đưa ra các hướng phản ứng có thể có của cellulose như sau:  Phản ứng biến đổi polyme tương tự, dựa trên các nhóm chức hydroxyl. - Trong các quá trình này, cấu trúc của đơn vị mắt xích không thay đổi và cellulose vẫn giữ nguyên dạng cấu tạo mạch ban đầu. Ngoài ra, không xuất hiện nối đôi trong vòng (ở sản phẩm cuối), các nguyên tử Cacbon trong vòng không mang liên kết C=O. Sự chuyển hóa theo hướng này là các phản ứng thế electrophil hoặc nucleophil ở các nhóm (-OH).  Các biến đổi hóa học cấu trúc vòng anhydro-β-D-glucopyranoza - Quá trình chuyển hóa theo hướng này bao gồm các phản ứng oxi hóa xảy ra ở các nhóm ancol bậc hai của đơn vị mắt xích tạo thành nhóm xeton hoặc aldehyt và acid cacboxylic.  Các phản ứng đứt mạch cellulose ở liên kết glycozit - Đại diện cho hướng phản ứng này là thủy phân, nhiệt phân, oxi hóa dẫn tới đứt mạch và phản ứng bào mòn trong môi trường kiềm. 13  Các phản ứng tạo nhánh trên cellulose - Cellulose tự nhiên là polyme mạch thẳng. Qua phản ứng trùng hợp ghép, đa tụ ghép, phân tử cellulose nhận thêm các mạch nhánh. Đây là một trong các hướng biến tính quan trọng của cellulose. - Các phản ứng tạo mạng không gian ba chiều cho cellulose và dẫn xuất. - Tạo mạng không gian ba chiều là phản ứng quen thuộc trong công nghệ các hợp chất cao phân tử. Đối với cellulose cũng như các dẫn xuất của cellulose, quá trình tạo mạng có thể dựa trên các phản ứng của nhóm hydroxyl có sẵn trong cellulose hoặc các nhóm hoạt động khác được đưa vào cellulose một cách có chủ định. Do phạm vi của đề tài chúng tôi chỉ trình bày các phản ứng hóa học đặc trưng của cellulose như sau: - Phản ứng thủy phân trong nước: Cellulose có thể bị thủy phân với tốc độ chậm trong môi trường nước ở nhiệt độ cao. Dưới xúc tác axit, quá trình thủy phân xảy ra với tốc độ lớn hơn. Liên kết glycozit trong hợp chất glycozit kém bền trong môi trường axit. Đây là quá trình hóa học thường gặp trong công nghiệp thủy phân tre. Cơ chế của phản ứng thủy phân cellulose được mô tả như sau: 14 O CH2OH O H H OH H H CH2OH O H H OH H O H CH2OH O H H OH H O H OH H H O OH H OH + H+ O CH2OH O H H OH H H HO O + H H OH O OH + O CH2OH O H H OH H H H H OH O OH OH + HO H + + HO CH2OH O H OH H H O OH OH - H+ CH2OH O H H OH H H C H OH H2O + HO O H H OH CH2OH O H H OH H O + H OH OH CH2OH O H H OH H H H O H H CH2OH O H H OH H O OH OH H + HO CH2OH O H OH H H O OH OH Hình 1.6: Cơ chế phản ứng thủy phân cellulose Đầu tiên, xúc tác proton nhanh chóng kết hợp vào oxi của liên kết glycozit tạo thành ion oxoni. Tiếp đó ion này phân ly dần dần thành hai đoạn mạch. Trong đó một đoạn mang nhóm hydroxyl, một đoạn mạch mang ion cacbonyl. Sau đó, ion cacbonyl tác dụng nhanh với nước giải phóng proton và tạo ra một đoạn mạch đơn vị saccarit cuối mạch có tính khử. 15 Như vậy, một liên kết glycozit bị đứt tạo thành hai phân tử cellulose mới với độ trùng hợp thấp. Phản ứng thủy phân tổng quát được biểu diễn. - Tác dụng với kiềm: Nếu là bazo yếu thì không có tác dụng với cellulose. Nếu là bazo mạnh nồng độ cũng phải đạt từ 17,5 – 25% mới làm cho cellulose nở ra và thu ngắn lại tạo thành hợp chất cellulose – kiềm. n [C6H7O2(OH)3] + nNaOH → n [C6H7O2(ONa)(OH)2] + nH2O Dưới tác dụng của nước, cellulose – kiềm bị phân hủy trở lại: n [C6H7O2(ONa)(OH)2] + nH2O → n [C6H7O2(OH)3] + nNaOH Qúa trình này gọi là sự mecxe hóa (Mecxe là nhà khoa học Anh, ông quan sát hiện tượng này vào năm 1884). Phản ứng này được dùng vào làm mới sợi vải vì cellulose được mecxe hóa rất bóng và hút thuốc nhuộm rất mạnh. - Tác dụng với dung dịch axit: Khi đun nóng với axit vô cơ, cellulose bị thủy phân để biến thành đường (đây là quá trình thủy phân của cellulose trong nước với xúc tác là axit vô cơ). Nếu cho HNO3 đậm đặc tác dụng lên cellulose có sự hỗ trợ của H2SO4 thì tạo thành các este của cellulose. Tùy theo điều kiện mà số nhóm hydroxyl (-OH) của cellulose tham gia phản ứng ít hay nhiều. n [C6H7O2(OH)3] + nHO-NO2 → n [C6H7O2(OH)2(O-NO2)] + nH2O mononitro cellulose Và phản ứng được biểu diễn theo sơ đồ sau: CH 2OH O H H OH H H O H + HONO 2 OH CH 2ONO 2 O H H OH H H H O + H2O OH Nếu nồng độ axit còn đậm đặc, phản ứng xảy ra ở cấp 2 và 3: n [C6H7O2(OH)3] + nHO-NO2 → n [C6H7O2(OH)(O-NO2)2] + nH2O đinitro cellulose 16 n [C6H7O2(OH)3] + nHO-NO2 → n [C6H7O2(O-NO2)3] + nH2O trinitro cellulose b. Lignin Sau cellulose, lignin là thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào. Thành phần cấu tạo của lignin rất phức tạp, đến nay vẫn chưa xác định được công thức cấu tạo, tuy nhiên với kỹ thuật đánh số dùng C phóng xạ (14C) có thể đưa ra thành phần cấu tạo của lignin gồm 3 nhóm chính: + Nhóm metoxi (-CH3) chiếm 8 ÷ 16% + Nhóm hydroxyl (-OH) + Các hạt nhân benzen (C6H6). Đơn vị cấu trúc có thể có của lignin là: OH OH OH OCH 3 OH OCH 3 H3CO OH OH 4-(3-hydroxypropyl)phenol Coniferyl alcohol 4-(3-hydroxypropyl)-2-methoxyphenol 4-(3-hydroxypropyl)-2,6-dimethoxyphenol Sinapyl alcohol Hình 1.7: Một số đơn vị cấu trúc của lignin p-coumaryl alcohol 17 Hình 1.8: Mạch lignin Hình 1.9: Mạng cấu trúc không gian của lignin 18 Lignin là chất bột màu nâu sẫm, thuộc loại cacbua vòng cao phân tử, là loại nhựa dẻo, bị mềm đi dưới tác dụng của nhiệt độ và bị hòa tan trong một số tác nhân hóa học. Do có nhóm metoxi nên khi bị nhiệt phân lignin cho ra ancol metanol (CH3OH). Đây là chỗ khác với cellulose. Lignin là một polyme thơm tự nhiên, là hỗn hợp phức tạp của nhiều polyme dạng phenolic có cấu tạo không gian. Lignin là chất liên kết giữa các tế bào, làm cho thành tế bào cứng hơn, chịu va đập, chịu nén tốt hơn. c. Hemicellulose COOH H3CO HO O HO O O OH O HO O O O OH O O O OH HO HOH2C O OH Hình 1.10: Cấu trúc của hemicellulose Cũng như cellulose, hemicellulose là những chất polysacarit cấu tạo nên vách tế bào. Hemicellulose có cấu trúc vô định hình và ít bền vững. Nó dễ bị thủy phân bởi các enzyme hemicellulase. Hemicellulose chứa nhiều đơn phân đường khác nhau. Ngoài glucozo, các phân tử đường có trong phân tử hemicellulose có thể là xylose, mannose, galactose, rhamnose, arabinose. Hemicellulose chứa hầu hết các đường D-pentose và một ít các đường dạng L. O O H OH HO H H H CH2OH O OH OH CH2OH D - Glucoce CH 2OH HO H HO H H H OH OH CH2 OH D - Mannose O 19 O H HO H H H O COOH O OH HO O H H OH H OH HO OH H OH H OH H OH CH2OH COOH D - Glucuronic acid CH2OH D - Xylose D - Arabinos e Hình 1.11: Một số monomer của hemicelluloses Độ bền hóa học và độ bền nhiệt học của hemicellulose thấp hơn so với cellulose, vì chúng có độ kết tinh và độ trùng hợp thấp hơn. So với cellulose, nó dễ bị thủy phân hơn rất nhiều trong môi trường kiềm hay axit. Hemicellulose thường tồn tại ở dạng mạch nhánh ở trạng thái vô định hình. Có 3 loại hemicellulose: + Loại đơn giản: có thể tách ra dưới tác dụng của hóa chất trong quá trình nấu. + Loại phức tạp: loại này liên kết chặt chẽ với lignin làm cho cấu trúc của tre chặt hơn. + Loại cellulosesan: gồm có pentosan (C5H8O4)n và hexosan (C6H10O5)n. Pentose thủy phân biến thành đường pentose: (C5H8O4)n nH2O → + n C5H8O4 Hexosan thủy phân biến thành đường glucozo: (C6H10O5)n nH2O → n C6H12O6 + Trong cấu trúc của tre, hemicellulose có tạo liên kết với lignin làm cho cấu trúc của tre bền hơn, giúp chống lại các tác động cơ học từ bên ngoài: H3CO HOH2C HO OCH3 O HO RO O O O HO OH R R = H, CH 3, CH=CH 2 O HO OH R = H, CH 3 OCH 3 20 H 3CO RO O HO O OCH 3 HO OH R = H, CH 3 Hình 1.12: Liên kết giữa hemicellulose và lignin 1.5. Tính chất vật lý của tre [2, 3] 1.5.1. Độ ẩm của tre Độ ẩm của tre (W) là đại lượng đánh giá lượng nước có thật trong tre tại một thời điểm xác định và được tính bằng % giữa khối lượng nước hiện có với khối lượng tre khô kiệt. Hàm lượng nước trong tre rất khác nhau ở các loại tre khác nhau vì tre là một vật liệu có độ rỗng lớn, các lỗ rỗng đều hở và thông nhau, mặt khác các thành phần vật liệu tre gồm nhiều chất ưa nước, vì vậy tre có khả năng trao đổi nước rất nhanh và mạnh. Độ ẩm có ảnh hưởng đến hầu hết các tính chất kỹ thuật của tre, đặc biệt ảnh hưởng rất lớn đến cường độ của tre và mối quan hệ giữa độ ẩm với cường độ của tre được biểu diễn theo phương trình sau:   aW 2  bW  c (1.1) Trong đó:  : Các yếu tố cường độ tre W: Độ ẩm của tre a, b, c: Các hệ số 1.5.2. Tính chất hút nước và thấu nước của tre a. Tính chất hút nước của tre Là khả năng hút lấy nước vào tre khi ngâm nó trong nước. Tre hút nước nhanh hay chậm, nhiều hay ít phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Nhân tố ảnh hưởng nhiều nhất là khối lượng thể tích, khối lượng thể tích càng lớn thì khả năng hút nước càng thấp và ngược lại.