Chúng ta đều biết rằng các sợi tự nhiên gốc cellulose có thể đem lại cho vật liệu composite tính bền dai cao, cho tỷ lệ khối lượng riêng như ý và khả năng phân hủy sinh học. Hơn nữa sợi cellulose dễ kiếm từ các nguồn thực vật với giá thành rẻ. Thế nhưng chúng ta có một khó khăn trong việc triển khai sử dụng rộng rãi nguồn tài nguyên có thể tái sinh này. Đó là sự kém bám dính của sợi tự nhiên trong hầu hết các nền polymer. Bản chất ưa nước của sợi tự nhiên gây tác động ngược đến sự bám dính của sợi trong nền polymer kỵ nước dẫn đến độ bền vật liệu composite kém. Để hiểu rõ hơn điều trên, tôi xin mạo muội trình bày một bài viết tổng quan về những vấn đề cụ thể cần phải khắc phục khi sử dụng sợi tự nhiên thông qua các tính chất riêng của sợi tự nhiên và phương pháp xử lý những hạn chế.
Phần 1- Các tính chất của sợi tự nhiên
Tùy theo nguồn gốc xuất xứ, sợi cenllulose tự nhiên được nhóm thành:
-
sợi lấy từ vỏ thân cây (bast) : sợi đay (jute), sợi lanh (flax), sợi dâm bụt ( kenaf), sợi mesta.
-
sợi lấy từ lá: sợi dứa (pineapple), sợi sisal, sợi lá cây thùa (henequen), sợi dứa dại (screw pine)
-
Sợi từ bông -hạt : sợi sơ dừa (coir), sợi bông (cotton), sợi từ hạt cọ dầu (oil palm).
Cellulose là thành phần polymer chính của sợi tự nhiên. Đơn vị lặp lại của cellulose là anhydro-D-glucose chứa 03 nhóm hydroxyl –OH. Các nhóm hydroxyl này hình thành các liên kết hydro nội phân tử và ngoại phân tử (hình 1). Do đó , tất cả các sợi cellulose tự nhiên đều mang bản chất ưa nước cao.
Hình 1: Liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử trong mạch cellulose
Không như các sợi truyền thống có một phạm vi tính chất xác định như sợi thủy tinh, sợi aramid, sợi carbon, các sợi cellulose tự nhiên có tính chất thay đổi không xác định thấy rõ. Trong sợi tự nhiên, ngoài thành phần chính cellulose, sợi còn chứa các hợp chất thiên nhiên khác như lignin,sáp.Các sợi hình thành từ các vi sợi đơn. Các vi sợi đơn gắn kết nhau nhờ lignin. Tình chất vật lý của sợi như hàm lượng cellulose, độ trùng hợp, sự định hướng mạch polymer, và khả năng kết tinh bị ảnh hưởng cơ bản bời cấu trúc hóa học. Các tính chất này thay đổi theo các điều kiện trong suốt quá trình sinh trưởng của thực vật. Ngoài ra, tính chất hóa lý của sợi tự nhiên cũng bị tác động thay đổi bởi phương pháp trích xuất, hay nói cách khác là phụ thuộc vào cách lấy sợi ra từ cây, trái, bông, chất lượng câytrồng, điều kiện thỗ nhưỡng.
Thành phần hóa học, kích thước sợi tự nhiên
Sợi nhân tạo hình thành theo nhả tơ của nhện có cấu trúc hình ống trụ với đường kính tương đối đều đặn cũng như diện tích bề mặt riêng. Sợi cellulose tự nhiên thì không được như vậy. Nó có nhiều khuyết tật như những khúc gấp trên bề mặt sợi và ở những điểm nối kết. Khuyết tật có từ sự xoắn bện các bó mạch cellulose. Một thông số quan trọng của kết cấu hình học là tỷ số kích thước (chiều dài/ đường kính) là một yếu tố có ảnh hưởng đến vật liệu composite. Yếu tố này bị thay đổi mạnh do sự chà xát trong suốt quá trình gia công chế biến sợi (đùn, phun).
Sợi tự nhiên khi ngâm trong môi trường lỏng có tính phân cực như nước, dimethylforamide, dimethylsulfoxyde,tetrahydrofuran, pyridine thì sẽ bị trương nở. Các nhóm hydroxyl trong mạch cellulose của sợi đang trương nở vẫn còn có thể sử dụng tiếp cho phản ứng hóa học khác nhưng các phân tử dung môi phân cực thì bị bẫy giữ lại bên trong cấu trúc cellulose. Ngược lại, các môi trường không phân cực như benzene, toluene, xăng thì buốc các nhóm hydroxyl trở đầu quay vào bên trong cấu trúc của mạch cellulose. Các phân tử dung môi không phân cực này có khả năng thay thế dần dần phân tử dung môi phân cực đang bị bẫy giữ lại bên trong bó sợi celluso chuyển môi trường từ phân cựcsang thấp phân cực hơn. Nhờ vậy , nó tạo và duy trì được một mội trường không phân cực bên trong sợi cellulose đang trương nở.
Bảng: Thành phần hóa học, kích thước sợi tự nhiên
Khả năng kết tinh của cellulose
Các vật liệu cellulose có các vùng vô định hình và vùng kết tinh, đồng thời có mức độ tổ chức cao. Tỷ lệ vùng kết tinh với vùng vô định hình tùy thuộc vào nguồn gốc xuất xứ của vật liệu. Vật liệu cellusoe có nguồn gốc từ vi khuẩn có mức độ tổ chức cao nhất và được xem là chuẩn tham khảo. Sợi bông, đay và cây gai có mức độ kết tinh cao nhất (65-70%) nhưng sự kết tinh của cellulose chỉ ở mức 35-40%. Sự loại trừ dần dần các phần ít trật tự bởi sự hoà tan trong dung môi hay tấn công của vi khuẩn sẽ làm các cellulose trong vi sợi gia tăng sự trật tự sắp xếp dẫn đến kết tinh cao gần 100%. Sự kết tinh của cellulose một phần là nhờ các liên kết hydro giữa các mạch cellulose.
Tính ưa nước của cellulose
Do cấu trúc hóa học của cellulso, nhiều nhóm hydroxyl có thể tạo tương tác với nước thông qua việc tạo liên kết hydro. Trong khi sợ thủy tinh chỉ có hiện tượng hấp thụ nước trên bề mặt thì sợi cellulose tương tác với nước không chỉ trên bề mặt mà còn cả bên trong bó sợi. Lượng phân tử nước bị hấp thụ phụ thuộc và cân bằng theo độ ẩm tương đối của không khí. Đường cong đẳng nhiệt hấp thụ của vật liệu cellulose ( lượng nước hấp thụ theo áp suất riêng phần của nước) phụ thuộc theo:
- Độ tinh khiết của sợi cellulose. Ví dụ sợi sisal chưa rửa kiềm có mức độ hấp thụ nước ít gấp hai lần so với sợi sisal sau rửa kiềm.Lý do sợi sisal chưa rửa kiềm có thành phần pectic.
- Mức độ kết tinh: tất cả các nhóm hydroxyl trong pha vô định hình là đều tương tác với nước trong khi chỉ vài số ít các nhóm hydroxyl –OH trong vùng kết tinh có tương tác với nước.
Phân lập sợi tự nhiên
Sợi cellulose thường có các chất hữu cơ khác nằm trong sợi như pectic, tannin, hemicellulose và lignin. Những chất này cần được tách ra khỏi sợi. Việc phân lập sử dụng các phương pháp như phơi ủ, đánh tơi, rửa kiềm để loại pectic, lignin, hemicellulose và xông hơi nước. Quá trình phân lập nói trên giúp loại giải các thành phần không mong muốn có trong sợi cellulose tự nhiên nhưng cũng làm giảm đi tính cơ lý của sợi.
(còn tiếp)
