Nghiên cứu khả năng cấy ghép Ethyl Acrylate và Methyl Methacrylate lên sợi Keratin tách chiết từ lông gà Luận văn ThS. Khoa học môi trường và bảo vệ môi trường

  • Số trang: 74 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 70 |
  • Lượt tải: 0
tailieuonline

Đã đăng 27609 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- Mai Thị Phƣơng Thảo NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CẤY GHÉP ETHYL ACRYLATE VÀ METHYL METHACRYLATE LÊN SỢI KERATIN TÁCH CHIẾT TỪ LÔNG GÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội-2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- Mai Thị Phƣơng Thảo NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CẤY GHÉP ETHYL ACRYLATE VÀ METHYL METHACRYLATE LÊN SỢI KERATIN TÁCH CHIẾT TỪ LÔNG GÀ Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 60440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS. Phạm Hùng Việt 2. PGS. TS. Kajiyama Mikio Hà Nội - 2014 Lời cảm ơn Lời đầu tiên, em bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn thầy GS.TS Phạm Hùng Việt, người đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. Em chân thành cảm ơn PGS.TS. Kajiyam Mikio, người đã nhiệt tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện để em thực tập và hoàn thành các thí nghiệm trong luận văn tại trường Đại học Tsukuba, Nhật Bản. Em xin trân trọng cảm ơn TS Phạm Thị Kim Trang đã dìu dắt và tạo mọi điều kiện tốt nhất để em hoàn thành luận văn này. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh chị và các bạn trong trung tâm Nghiên Cứu Công Nghệ Môi Trường và Phát Triển Bền Vững, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên đã nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt quá trình làm việc, học tập và nghiên cứu. Em xin gửi tới các thầy cô giáo trong khoa môi trường đã giảng dạy và truyền đạt những kiến thức bổ ích, giúp em tích luỹ được những cơ sở cần thiết để sử dụng cho luận văn cũng như các nghiên cứu sau này. Học viên Mai Thị Phương Thảo MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN ...................................................................................... 2 1.1. Tổng quan về nguồn rác thải polymer .............................................................. 2 1.2. Tổng quan về nguồn rác thải lông gà ................................................................ 3 1.3. Tổng quan về thành phần keratin trong lông gà................................................ 5 1.3.1. Cấu trúc và tính chất của keratin trong lông gà......................................5 1.3.2. Một số nghiên cứu về khả năng tận dụng nguồn keratin lông gà...........9 1.4. Một số phương pháp chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo từ lông gà .................... 11 1.4.1. Phương pháp cấy ghép đồng trùng hợp ................................................11 1.4.2. Phương pháp acetyl hoá .......................................................................16 1.4.3. Phương pháp cyanoethyl hoá ...............................................................17 1.5. Chất lỏng ion và các ứng dụng trong cấy ghép-đồng trùng hợp polymer ...... 18 1.5.1. Chất lỏng ion ........................................................................................18 1.5.2. Ứng dụng chất lỏng ion trong phản ứng cấy ghép-đồng trùng hợp .....19 Chƣơng 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................... 23 2.1. Đối tượng nghiên cứu...................................................................................... 23 2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 23 2.2.1. Phương pháp tách chiết keratin từ lông gà ...........................................23 2.2.2. Phương pháp cấy ghép ethyl acrylate và methyl methacrylate lên sợi keratin lông gà ................................................................................................25 2.2.3. Thí nghiệm đổ khuôn film từ các mẫu vật liệu polymer cấy ghép.......28 2.2.4. Các phương pháp xác định tính chất nhiệt của vật liệu ........................28 2.2.5. Phương pháp phổ hồng ngoại ...............................................................32 2.3. Hoá chất, thiết bị và dụng cụ ........................................................................... 32 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 33 3.1. Kết quả thí nghiệm tách chiết keratin từ lông gà ............................................ 33 3.2. Kết quả thí nghiệm cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà ..................... 36 3.3. Tính chất nhiệt của các mẫu vật liệu ............................................................... 40 3.3.1. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) .........................................40 3.2.2. Kết quả phân tích nhiệt vi sai (DTA) ...................................................43 3.2.3. Kết quả quét nhiệt vi sai (DSC)............................................................45 3.4. Thí nghiệm đổ khuôn film............................................................................... 51 3.5. Kết quả phổ hồng ngoại .................................................................................. 53 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 57 KIẾN NGHỊ .......................................................................................................... 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 59 PHỤ LỤC .............................................................................................................. 63 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT * AIBN: 2,2 azobis isobutylnitrile * [BDIM]Cl : 1-butyl-2,3 dimethyl-imidazolium chloride * [BMIM]Cl: 1-butyl-3-methyl-imidazolium chloride * DMF: N, N-dimethylformamide * DMSO: Dimethyl Sulfoxide * DSC: Quét nhiệt vi sai * DTA: Phân tích nhiệt vi sai * EA: Ethyl acrylate * MMA: Methyl methacrylate * NMP: N-methyl-2-prolidone * TGA: Phân tích nhiệt trọng lượng DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Số lượng gia cầm và sản lượng thịt gia cầm tại Việt Nam .......................5 Hình 1.2. Liên kết disulfide trong cấu trúc keratin ....................................................6 Hình 1.3. Mô hình của polymer cấy ghép .................................................................12 Hình 1.4. Cơ chế của phản ứng cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà ...........14 Hình 1.5. Cơ chế của phản ứng cấy ghép monomer lên sợi keratin ........................15 Hình 1.6. Cơ chế phản ứng acetyl hoá kerain lông gà .............................................17 Hình 1.7. Cơ chế phản ứng cyanoethyl hoá keratin lông gà ....................................17 Hình 1.8. Một số gốc cation và anion phổ biến cấu tạo nên chất lỏng ion ...............19 Hình 1.9. Ảnh hưởng của chất lỏng ion đối với liên kết hydrogen trong collagen ...20 Hình 1.10. Ảnh hưởng của chất lỏng ion đối với liên kết ion trong collagen ..........21 Hình 2.1. Quy trình thí nghiệm tách chiết keratin từ lông gà ...................................25 Hình 2.2. Quy trình thí nghiệm cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà.............27 Hình 2.3. Máy phân tích nhiệt TGA-DTA ................................................................31 Hình 3.1. Kết quả tách chiết keratin từ lông gà ........................................................34 Hình 3.2. Kết quả thí nghiệm cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà ...............38 Hình 3.3. Hình ảnh của các mẫu vật liệu ..................................................................40 Hình 3.4. Đường TGA của các mẫu B1 , B1E, B1M ...............................................40 Hình 3.5. Đường TGA của các mẫu B2, B2E, B2M ................................................41 Hình 3.6. Đường TGA của mẫu keratin biến tính và ................................................42 Hình 3.7. Đường DTA của các mẫu vật liệu B1, B1E, B1M....................................43 Hình 3.8. Đường DTA của các mẫu vật liệu B2, B2E, B2M....................................43 Hình 3.9. Đường DSC của mẫu vật liệu B1 ..............................................................45 Hình 3.10. Đường DSC của mẫu vật liệu B1E ..........................................................45 Hình 3.11. Kết quả đo DSC của mẫu vật liệu B1M ..................................................46 Hình 3.12. Kết quả đo DSC của mẫu vật liệu B2 ......................................................46 Hình 3.13. Kết quả đo DSC của mẫu vật liệu B2E....................................................47 Hình 3.14. Kết quả đo DSC của mẫu vật liệu B2M ..................................................47 Hình 3.11. Hình ảnh các tấm fim mỏng ....................................................................53 Hình 3.12: Phổ hồng ngoại của các mẫu vật liệu ......................................................55 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Sản lượng thịt gia cầm tại một số khu vực trên thế giới ............................3 Bảng 1.2. Thành phần các amino acid trong keratin lông gà .....................................6 Bảng 1.3. Độ cứng của vật liệu composite sử dụng keratin làm chất gia cường ......10 Bảng 2.1: Bảng tóm tắt các thí nghiệm tách chiết keratin từ lông gà và cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà .......................................................................27 Bảng 3.1. Khối lượng các mẫu vật liệu keratin tách chiết từ lông gà .......................34 Bảng 3.2. Khối lượng các mẫu vật liệu thu được trong thí nghiệm cấy ghép monomer lên sợi keratin lông gà .......................................................................38 Bảng 3.3. Nhiệt độ đặc trưng của các hiệu ứng nhiệt ...............................................48 Bảng 3.4. Khả năng hoà tan của các mẫu vật liệu trong một số dung môi ...............52 Bảng 3.5. Bảng so sánh các tính chất của các mẫu vật liệu ......................................56 MỞ ĐẦU Polymer là một trong những loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, rác thải của loại vật liệu này lại là một mối nguy hại lớn đối với môi trường do số lượng rác thải lớn và thời gian phân huỷ lâu dài. Vì vậy, một số nghiên cứu đã hướng tới việc tách chiết, biến tính các sợi tự nhiên để chế tạo vật liệu polymer thân thiện với môi trường, có thể thay thế cho các polymer đang được sử dụng hiện nay. Một trong những nguồn vật liệu tiềm năng được nghiên cứu gần đây nhất là keratin- một loại protein tách chiết từ lông gà. Loại vật liệu này đem lại lợi ích cho môi trường ở 2 khía cạnh: tận dụng các sợi polymer tự nhiên, qua đó giảm thiểu lượng rác thải hữu cơ thải vào môi trường và rút ngắn thời gian phân huỷ của vật liệu polymer trong môi trường. Trong hầu hết các nghiên cứu trước đây, loại vật liệu polymer này chủ yếu được chế tạo bằng phương pháp cấy ghép-đồng trùng hợp monomer lên sợi cellulose và chưa có nhiều nghiên cứu thực hiện đối với sợi keratin lông gà. Vì vậy, đề tài ''Nghiên cứu khả năng cấy ghép ethyl acrylate và methyl methacrylate lên sợi keratin có nguồn gốc từ lông gà'' được lựa chọn nhằm nghiên cứu khả năng chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo từ lông gà bằng phương pháp cấy ghép đồng trùng hợp. Đề tài gồm 4 nội dung chính như sau: - Đánh giá hiệu quả tách chiết keratin sử dụng dung môi hoà tan [BMIM]Cl và [BDIM]Cl. - Đánh giá hiệu quả thu hồi vật liệu cấy ghép EA và MMA lên sợi keratin trong dung môi [BMIM]Cl and [BDIM]Cl. - Đánh giá các tính chất nhiệt của vật liệu thu được. - Đánh giá khả năng hình thành các tấm film mỏng từ vật liệu thu được. 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nguồn rác thải polymer Polymer là sản phẩm được tạo ra từ hoá dầu rất quen thuộc trong đời sống hàng ngày ở hầu hết mọi quốc gia trên thế giới. Hàng năm, có khoảng hơn 200 triệu tấn polymer được sản xuất để phục vụ nhu cầu của con người và con số này ngày càng tăng theo đà tăng dân số và đời sống. Sản xuất polymer thương mai tiêu thụ khoảng 5% trữ lượng toàn cầu về nhiên liệu hoá thạch hữu hạn như khí thiên nhiên hoặc dầu mỏ. Song song với điều này, số lượng rác thải từ các sản phẩm này cũng tăng lên đáng kể và trở thành thách thức đối với môi trường của trái đất. Túi chất dẻo phế thải là một trong những ví dụ điển hình về vấn đề rác thải vật liệu polymer. Mỗi năm, con người tiêu thụ hơn 1 nghìn tỷ túi poly etylen để đựng các loại hoàng hoá khác nhau. Ở một số nước, ví dụ Pháp, tỷ lệ tái chế đối với loại chất dẻo này tương đối cao (>80%), trong khi ở một số nước, tỉ lệ này khá thấp (<30%). Trong khi một số sản phẩm chất dẻo đã qua sử dụng được xử lý bằng cách thiêu huỷ để thu hồi năng lượng, phần lớn các sản phẩm khác hoặc được chôn lấp hoặc thải bỏ ra môi trường. Ứơc tính mỗi năm có khoảng 5 triệu tấn chất dẻo thải bỏ ra các đại dương mỗi năm. Đối với biện pháp chôn lấp, nhược điểm của loại vật liệu này là không thể tự phân huỷ sinh học. Vật liệu chỉ có thể phân huỷ sau 500 năm thậm chí 1 triệu năm. Chỉ có những tác động về cơ học và nhiệt mới có thể phá huỷ nó, nhưng lại tạo ra nhiều chất độc hại hơn và đòi hỏi chi phí khổng lồ, vượt qua cả giá thành tạo ra chúng. Do đó, rác thải của vật liệu polymer là một mối nguy hiểm tiềm ẩn cho môi trường sinh thái, trở thành một thách thức lớn cho môi trường. Tại với Việt Nam, theo thống kê của Bộ tài nguyên-Môi trường, trung bình mỗi ngày, người tiêu dùng sử dụng ít nhất một túi ni lông. Như vậy, với số dân hơn 80 triệu người, mỗi ngày nước ta phải tiêu thụ hơn 80 triệu túi ni lông và con số này ngày càng tăng theo đà tăng dân số. Bên cạnh đó, nguồn rác thải polymer từ các hoạt động sản xuất công nghiệp và nông nghiệp cũng tăng lên không ngừng. Tuy nhiên, việc tái chế, tái sử dụng cũng như xử lý rác thải vật liệu này còn nhiều hạn 2 chế. Trước thực trạng này, nhiều nhóm nghiên cứu đã hướng tái phát triển những dạng vật liệu tương ứng tính năng của polymer truyền thống để thay thế. Đó chính là polymer có khả năng phân huỷ sinh học khi gặp tác động của nước, không khí, nấm, vi khuẩn trong môi trường tự nhiên. Bên cạnh yếu tố giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, việc sản xuất polymer sinh học còn hướng tới mục đích tận dụng nguồn sản phẩm phụ trong hoạt động sản xuất nông nghiệp cũng như một số ngành công nghiệp. 1.2. Tổng quan về nguồn rác thải lông gà Trong những năm gần đây, sản xuất thịt gia cầm đang dần trở thành một lĩnh vực phát triển nhanh chóng trong ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm nói chung. Theo Belove và cộng sự (2012), tỉ lệ thịt gia cầm so với tổng khối lượng thịt gia súc và gia cầm tăng đáng kể từ 12.5% năm 1961 lên 33,5% năm 2010 [7]. Thống kê của tổ chức lương thực thế giới (FAO) cũng cho thấy lĩnh vực sản xuất thịt gia cầm đang phát triển một cách nhanh chóng. Mức tiệu thụ thịt gia cầm tăng đều đặn trong vòng 5 năm trở lại đây và được dự đoán là sẽ tiếp tục tăng nhanh trong những năm tiếp theo. Năm 2013, tổng sản lượng thịt gà trên toàn thế giới là 85 triệu tấn, con số này được dự đoán sẽ tăng lên 94,8triệu tấn vào năm 2014. Trong đó, Châu Mĩ và Châu Á là 2 khu vực có sản lượng thịt gia cầm lớn nhất với gần 40-30 triệu tấn sản phẩm được sản xuất mỗi năm [41]. Sản lượng thịt gia cầm tại một số khu vực trên thế giới được tóm tắt trong bảng 1.1 dưới đây. Bảng 1.1. Sản lượng thịt gia cầm tại một số khu vực trên thế giới (triệu tấn) [41] Khu vực 2010 2011 2012 2013 2014 Châu Phi 4.5 4.6 4.7 4.7 4.8 Châu Mĩ 38.6 39.9 40.4 41.2 41.2 Châu Á 29.1 29.8 30.3 30.7 31.2 Châu Âu 13.9 14.6 14.9 15.2 15.5 3 Đối với môi trường, số liệu thống kê trên cho thấy sự tăng lên của sản lượng thịt gia cầm đồng nghĩa với lượng rác thải sinh ra từ ngành công nghiệp này cũng tăng lên. Một khảo sát tại Mĩ cho thấy, có khoảng 2 triệu tấn lông gà sinh ra từ ngành công nghiệp này mỗi năm. Tại Philippin, mỗi năm nước này sản xuất khoảng 60 triệu kg thịt gia cầm và thải ra môi trường khoảng 6 triệu kg rác thải [28]. Cho đến này, chỉ có một lượng nhỏ rác thải lông gà được sử dụng làm phân bón và thức ăn chăn nuôi, số còn lại được xử lý bằng phương pháp chôn lấp hoặc thiêu huỷ.Tuy nhiên, cả 2 phương pháp này đều có thể gây ra những ảnh hưởng nhất định đối với môi trường do khả năng ô nhiễm môi trường đất trong quá trình keratin phân huỷ hoặc khả năng phát sinh các khí nhà kính như CO2, SO2 nếu bãi chôn lấp hoặc lò thiêu huỷ không đạt tiêu chuẩn. Tại Việt Nam, mặc dù chăn nuôi gia cầm thường có quy mô nhỏ, tuy nhiên tổng số gia cầm tính trên phạm vi cả nước tăng đều qua các năm, và đóng góp một phần không nhỏ vào thu nhập của ngành nông nghiệp nói chung. Theo số liệu của tổng cục thống kê và đo lường Việt Nam, tổng sản lượng thịt gà đã tăng lên đáng kể từ 321 nghìn tấn năm 2005 đến 615 nghìn tấn năm 2010[42]. Theo Arun Gupta và cộng sự (2012), 1 cở sở sản xuất có mức sản xuất là 50000 con gà một ngày, cơ sở này sẽ thải ra 2-3 tấn lông gà khô. Theo tính toán này, tại Việt Nam mỗi năm sẽ có khoảng 80000-120000 tấn lông gà thải ra môi trường. Mặc dù một số lượng nhỏ lông gà được thu mua để sản xuất thức ăn chăn nuôi, áo lông vũ nhưng phần lớn nguồn rác thải này tại Việt Nam chủ yếu được chôn lấp, thiêu huỷ hoặc thải bỏ ngoài môi trường. Vì vậy, nếu có thể tận dụng nguồn rác thải này để chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo không những có thể giảm thiểu nguồn rác thải rắn thải ra ngoài môi trường mà còn góp phần đem lại lợi ích môi trường lâu dài. 4 Hình 1.1. Số lượng gia cầm và sản lượng thịt gia cầm tại Việt Nam [42] (Nguồn: Tổng cục thống kê và đo lường Việt Nam) 1.3. Tổng quan về thành phần keratin trong lông gà 1.3.1. Cấu trúc và tính chất của keratin trong lông gà Cấu trúc của keratin lông gà Keratin hay còn gọi là chất sừng, thường được biết đến là thành phần chính trong tóc, móng tay, sừng gia súc và lông gia cầm. Hầu hết các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào cấu trúc và tính chất của thành phần keratin trong tóc để đưa ra các sản phẩm chăm sóc tóc tốt hơn và chưa có nhiều nghiên cứu về thành phần keratin trong các nguồn vật liệu khác. Tuy nhiên, do lượng rác thải lông gà từ ngành công nghiệp thực phẩm ngày càng tăng nhanh và yêu cầu về tái chế, tận dụng các nguồn rác thải nhằm giảm thiểu lượng rác thải trong môi trường, các nghiên cứu về cấu trúc, tính chất và ứng dụng của keratin trong lông gà đã bắt đầu được tiến hành trong những năm gần đây. Theo nghiên cứu của Lederer (2005), keratin là thành phần chính trong lông gà. Thành phần này chiếm tới 91% khối lượng, trong khi các thành khác như nước, lipit ...chỉ chiếm 8% khối lượng còn lại [22]. Về thành phần của keratin lông gà, nghiên cứu của Kannappan Sarawanan và cộng sự (2012) cho thấy keratin đặc trưng bởi hàm lượng cao của các amino acid như serin, prolin, cystein và gluramin (Table 5 1). Trong đó, thành phần các amino acid ưa nước chiếm tới 20%, các amino acid kỵ nước chiếm tới 60%. Vì vậy, keratin lông gà hầu như không tan trong nước. Ngoài ra, do trong thành phần keratin có tới 8% cystein - một loại amino acid có chứa nhóm chức -SH nên trong cấu trúc của keratin còn có các liên kết disulfua bền vững. Đặc điểm này chính là một trong những nguyên nhân giới hạn khả năng hoà tan keratin lông gà trong các dung môi [20]. Bảng 1.2. Thành phần các amino acid trong keratin lông gà [20] Amino acid Arginine Aspartic acid Glutamine Theronine Serine Tyrosine Leucine Isoleucine Valine Cystine Alanine Phenylalanine methionine Proline Asparagine % Khối lƣợng 4,3 6,0 7,6 4,0 16,0 1,0 2,6 3,3 1,6 8,8 3,5 0.8 1,0 12,0 4,0 Chuỗi polypeptide 1 Chuỗi polypeptide 2 Hình 1.2. Liên kết disulfide trong cấu trúc keratin [20] 6 Về cấu trúc, cấu trúc bậc 1 của keratin là các chuỗi polypeptide tạo thành bởi các amino acid khác nhau. Các chuỗi polympeptide này cuộn xoắn tạo thành các cấu trúc bậc 2 của keratin. Cho đến nay, chưa có một kết luận chính xác nào về cấu trúc bậc 2 của keratin lông gà. Các nghiên cứu đều cho thấy cấu trúc bậc 2 của keratin có cấu trúc cuộn xoắn α, β hoặc cấu trúc cuộn xoắn ngẫu nhiên. Tuy nhiên, tỷ lệ các cấu trúc này khác nhau trong từng nghiên cứu cụ thể. Theo Schor and Krimm (1961), keratin lông gà có 78% cấu trúc xoắn β, và 18% cấu trúc xoắn α [33]. Trong một nghiên cứu khác, Fraser và cộng sự (1971) chỉ ra rằng 41% keratin lông gà có cấu trúc α, 38% có cấu trúc β, 21% còn lại là cấu trúc xắn ngẫu nhiên [15]. Gần đây, Sun và cộng sự (2009) cho biết tỉ lệ các cấu trúc bậc 2 của keratin lông gà như sau: 9,38% là cấu trúc α, 79,44% là cấu trúc β và 11,18% là cấu trúc cuộn xoắn ngẫu nhiên. Mặc dù có sự khác biệt trong các nghiên cứu nhưng các tác giả đều cho rằng, do keratin có cấu trúc xoắn α, β và liên kết disulfide trong phân tử nên keratin có thể có tính chất hoá học, tính chất cơ học và tính bền nhiệt tốt. Tính chất của keratin lông gà Khả năng hoà tan của keratin lông gà trong các dung môi Theo các nghiên cứu trước đây, keratin không tan trong nước, acid, bazơ yếu và một số dung môi hữu cơ thông thường khác như methanol và acetone. Keratin tan trong acid, bazơ mạnh, 2-mercaptoethanol (HOCH2CH2SH) hoặc chất lỏng ionlà các muối có thể tồn tại ở dạng lỏng ở điều kiện nhiệt độ thấp và chỉ gồm cation và anion [10, 5, 34]. Theo các tác giả này, các dung môi có khả năng phá vỡ liên kết disulfua sẽ có khả năng hoà tan tốt keratin. Trong một nghiên cứu của Goddard và Michaelis (1935), keratin chỉ tan một phần trong 0,1M NaOH hoặc HCl, và tan hoàn toàn trong 0,1M Na2CO3 và NH4OH (pH: 10-13). Tuy nhiên, sản phẩm thu được bao gồm cả keratin tái kết tinh và các sản phẩm thuỷ phân của keratin [10]. Arun Gupta và cộng sự (2012) trong một nghiên cứu gần đây đã sử dụng 3 tác nhân khác nhau bao gồm thioglycolic acid, potassium cyanide and sodium sulfide để hoà tan keratin trong thí nghiệm tách chiết. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả tách chiết keratin đạt 8% trong trường hợp sử dụng thioglycolic acid, 30% đối với potassium cyanide và 52% đối với sodium sulfide [5]. Trong một nghiên cứu khác, 7 Yimei Ji và cộng sự (2014) chỉ ra rằng, keratin lông gà được hoà tan tốt trong chất lỏng ion [BMIM]Cl có sự có mặt của Na2SO3. Tỉ lệ hoà tan keratin đạt 96,7% và hiệu quả tách chiết đạt 75,1% [34]. Các kết quả nghiên cứu trên cho thấy, keratin lông gà là loại protein bền vững trong các dung môi thông thường và để tách chiết và thu hồi keratin một cách hiệu quả, cần phải lựa chọn được dung môi phù hợp. Tính chất nhiệt của keratin lông gà Theo nghiên cứu của Ana Laura Martinez-Hernandez và cộng sự (2005), khi gia nhiệt liên tục từ 250C đến 5000C, keratin lông gà trải qua 2 quá trình giảm khối lượng chính bao gồm giảm khối lượng do mất nước (khhoảng 5%) trong khoảng nhiệt độ từ 25-2000C, và giảm khối lượng do sự phá huỷ cấu trúc keratin (khoảng 78%) trong khoảng 200-5000C [4]. Tương tự với kết luận trên, nghiên cứu của Enqu Jin và cộng sự (2011) cũng chỉ ra rằng, nhiệt độ mà tại đó các liên kết trong cấu trúc keratin bắt đầu bị phá huỷ bởi nhiệt độ là 2080C [12]. Trong một nghiên cứu khác, Brebu và Spiridion nghiên cứu quá trình nhiệt phân keratin lông gà trong khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến 6000C. Ngoài quá trình giảm khối lượng do bay hơi nước ở khoảng 1000C, quá trình nhiệt phân của keratin ở khoảng nhiệt độ cao trải qua 2 giai đoạn với các sản phẩm đặc trưng cho từng giai đoạn. Trong khoảng nhiệt độ từ 170-3000C, sản phẩm của quá trình nhiệt phân keratin gồm có NH3(1670C) và CO2(1970C), sau đó là các sản phẩm vô cơ có chứa sulfur: H2S(2550C), SO2(2532600C) and thiol(2570C). Ở khoảng nhiệt độ trên 3000C, có sự hình thành các hợp chất vòng như phenol(3700C) và 4-methyl phenol (4000C), sau đó các hợp chất này bị phân huỷ ở khoảng nhiệt độ gần 6000C [23]. Như vậy, các kết quả nghiên cứu trên cho thấy, keratin là hợp chất bền nhiệt, trong quá trình gia nhiệt, các cấu trúc của keratin không bị phá huỷ cho đến khi nhiệt độ lên đến khoảng 150-1600C. Tính chất cơ học Cho đến nay, chỉ có một số ít các nghiên cứu về độ cứng và độ bền của loại vật liệu này đã được công bố. Theo nghiên cứu của Hertel (1996), độ cứng của lông gà là 9,02GPa, cao hơn độ cứng của lông chim bồ câu (2,52GPa) [17]. Trong một 8 nghiên cứu khác của Fraser and Macrae (1980), độ cứng của lông gà là 5,2 GPa [14]. Về độ bền, theo Reddy and Yang (2007), độ bền của lông gà là 187.2± 59.8 MPa, với lực kéo dãn là 4.628± 1.45GPa và độ kéo dãn đạt 7.7± 0.85% [24]. Kết quả tương tự cũng được thông báo trong một nghiên cứu của Zhan and Wool (2011), theo nghiên cứu này, độ bền của lông gà đạt 203± 74MPa [37]. Các giá trị này gần như tương đương với độ bền của các vật liệu tự nhiệt khác như sợi đay (393MP), lông cừu (156-234 MPa), sợi lanh (344MPa) [29]. 1.3.2. Một số nghiên cứu về khả năng tận dụng nguồn keratin lông gà Theo một số nghiên cứu đã công bố, vật liệu lông gà có thể được tận dụng làm vật liệu hấp phụ xử lý nước thải, chất gia cường trong vật liệu composit và gần đây nhất là làm nguyên liệu để chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo. Một số nghiên cứu tận dụng nguồn rác thải lông gà để chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý nước thải cho thấy, vật liệu lông gà biến tính có thể loại bỏ các kim loại nặng như Cr, Pb, Hg, Ni, Zn trong nước thải. Al-Asheh và cộng sự đã tiến hành biến tính lông gà bằng NaOH, Na2S and sodium dodecyl sulphate (CH3(CH2)11SO4Na+, sau đó khảo sát khả năng hấp phụ Zn2+ và Cu2+ đối với dung dịch Zn2+ và Cu2+ tại các 5 nồng độ khác nhau (20-100ppm đối với dung dịch Zn2+ và 10-50ppm đối với dung dịch Cu2+ ). Theo nghiên cứu này, cả vật liệu lông gà đã biến tính và chưa biến tính đều có khả năng hấp thụ Zn2+ và Cu2+ ở tất cả các khoảng nồng độ khảo sát. Tuy nhiên khả năng hấp phụ của mẫu lông gà biến tính trội hơn hẳn so với vật liệu lông gà chưa được biến tính. Đối với dung dịch Cu2+, khả năng hấp thụ của cả vật liệu biến tính và chưa biến tính đạt hiệu quả tốt nhất ở nồng độ 50ppm, trong đó khả năng hấp thụ của lông gà chưa biến tính đạt 0.07mmol/g và lông gà biến tính đạt 1,12-1,14mmol/g. Đối với dung dịch Zn2+, các mẫu vật liệu đạt hiệu quả cao nhất ở nồng độ Zn2+ 100pm, khả năng hấp thụ của lông gà chưa biến tính đạt 0,09mmol/g, lông gà đã được biến tính đạt 0,14-0,18mmol/g [31]. Trong một nghiên cứu khác, S. A. Sayed và cộng sự (2005) cho biết lông gà sau khi được biến tính bằng NaOH hoặc NaOCl có thể loại bỏ tới 90% các kim loại nặng Ca, Fe, Mn 9 và khoảng 75% Mg trong nước thải công nghiệp. Ngoài ra, lông gà sau khi được biến tính trong chất lỏng ion có thể loại bỏ 63.5 - 87.7% Cr(VI) ngay cả khi nồng độ Cr(VI) tương đối thấp (2ppm) [32]. Một hướng nghiên cứu khác nhằm tận dụng nguồn rác thải lông gà trong chế tạo vật liệu đó là chế tạo vật liệu composit sử dụng lông gà làm chất gia cường. Theo một số nghiên cứu, sợi keratin lông gà có thể kết hợp với nền polymer như polyethylen tỷ trọng thấp (LDPE) hoặc polyethylene tỷ trọng cao (HDPE) để chế tạo vật liệu composite thân thiện với môi trường. Justin R. Barone và cộng sự (2005) đã chế tạo vật liệu composite bằng cách trộn lẫn sợi lông gà cắt nhỏ 0,1cm với nền polymer là LDPE ở các tỉ lệ khối lượng khác nhau 0-50%. Nghiên cứu chỉ ra rằng ở tất cả các tỉ lệ khối lượng, lực đàn hồi của các mẫu vật liệu composite lông gà tăng khoảng 3 lần so với mẫu LDPE. Ngoài ra, tỷ trọng của mẫu vật liệu mới cũng giảm 2% so với vật liệu LDPE [19]. Trong một nghiên cứu khác, MartinezHernandez và cộng sự (2005) đã thực hiện khảo sát độ cứng của vật liệu composit được gia cường bằng keratin lông gà ở các tỉ lệ giữa khối lượng keratin lông gà và monomer methyl methacrylate khác nhau (1-5%). Kết quả cho thấy, độ cứng của các mẫu vật liệu sử dụng keratin lông gà làm chất gia cường cao hơn so với vật liệu ban đầu (Bảng 1.3) [4]. Jhorman Mena Ledezma và cộng sự (2013) cũng thông báo rằng vật liệu composite chế tạo bởi 20% sợi lông gà, 2% maleic anhydride, sử dụng HDPE làm nền polymer có độ bền, lực đàn hồi tương đương với vật liệu HDPE [18]. Bảng 1.3. Độ cứng của vật liệu composite sử dụng keratin làm chất gia cường Keratin/monomer(%) 0 1 2 3 4 5 Độ cứng(GPa) 5,05 5,5 5,66 5,97 6,17 6,5 Ngoài ra, một vài nghiên cứu gần đây cũng đề cập đến khả năng biến tính keratin lông gà để chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo. Đây là một trong những hướng nghiên cứu mới, hứa hẹn đem lại lợi ích lớn về mặt môi trường trong tương lai. Loại vật liệu nhựa nhiệt dẻo này do có nguồn gốc tự nhiên nên thời gian phân huỷ trong 10 môi trường ngắn hơn so với nhựa nhiệt dẻo truyền thống. Ngoài ra, do là vật liệu nhựa nhiệt dẻo nên loại vật liệu này có thể tái sử dụng lại nhiều lần. Tuy nhiên, cho đến nay, đây vẫn là hướng nghiên cứu mới và chưa có nhiều kết quả được công bố. Một số nghiên cứu về phương pháp chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo từ keratin lông gà sẽ được trình bày cụ thể trong các mục tiếp theo trong luận văn. 1.4. Một số phƣơng pháp chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo từ lông gà Nhựa nhiệt dẻo là nhóm vật liệu polymer có khả năng lặp lại quá trình chảy mềm dưới tác dụng nhiệt và trở nên đóng rắn khi được làm nguội. Trong quá trình gia nhiệt đến nhiệt độ nóng chảy, loại vật liệu này chỉ thay đổi tính chất vật lý và không có phản ứng hoá học xảy ra. Về cấu trúc, vật liệu nhựa nhiệt dẻo thường thường có cấu trúc vô định hình hoặc hỗn hợp cấu trúc vô định hình và cấu trúc tinh thể Do đặc tính như vậy mà nhựa nhiệt dẻo có khả năng tái sinh nhiều lần, và các phế phẩm phát sinh trong quá trình sản xuất đều có khả năng tái chế được. Một số vật liệu nhựa nhiệt dẻo thường gặp trong đời sống sản xuất: polyetylen (PE), polyvinyl clorua (PVC), polytetrafloetylen (Teflon), and polyamid (nylon). 1.4.1. Phƣơng pháp cấy ghép đồng trùng hợp Cấy ghép đồng trùng hợp là phương pháp chế tạo polymer dựa trên phản ứng đồng trùng hợp của 2 loại monomer khác nhau. Cấu trúc của một polymer cấy ghép đồng trùng hợp gồm có 2 phần chính: cấu trúc chính được hình thành bởi một loại monomer (A), các mạch nhánh được hình thành bởi một loại monomer khác (B). Mô hình của polymer cấy ghép đồng trùng hợp được minh hoạ trong hình 1.3 dưới đây. 11 Hình 1.3. Mô hình của polymer cấy ghép Do keratin có cấu trúc của polymer và có các ưu điểm về độ bền hoá học, độ bền nhiệt và độ bền cơ học nên phương pháp cấy ghép-đồng trùng hợp monomer nhân tạo lên sợi keratin được cho là một phương pháp có thể sử dụng để chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo từ loại vật liệu này. Polymer được tạo thành bởi keratin cấy ghép monomer nhân tạo thường có mạch chính là keratin, mạch nhánh được tạo thành bởi sự cấy ghép ngẫu nhiên của các chuỗi polymer nhân tạo. Monomer sử dụng cho quá trình cấy ghép là các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp, trong cấu trúc có chứa các liên kết không no, các vòng không bền hoặc các nhóm chức hoạt động [1]. Các nhóm chức hoạt động điển hình gồm có: vinyl (CH2=CH-), hydroxyl (-OH), carbonyl (-COOH), amin (-NH2). Một số monomer thường được sử dụng làm monomer cấy ghép lên các sợi tự nhiên gồm các monomer sau: H2C=CHCOOCH3 Methyl acrylate H2C=C(CH3)COOCH3 Methyl methacrylate H2C=CHCOOCH2CH3 Ethyl acrylate H2C=C(CH3)COOCH2CH3 Ethyl methacrylate H2C=C(CH3)COOCH2CH2CH2CH3 Butyl methacrylate 12 H2C=CHCOOCH2CH2CH2CH3 Butyl acrylate
- Xem thêm -