Tác giả: ThS. Trương Thị Ngân
Đơn vị: Khoa CNSD
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Dân số thế giới ngày càng tăng kéo theo nhu cầu sợi dệt liên tục gia tăng [1]. Nhu cầu sợi này gần đây đã được đáp ứng bằng việc tăng sản lượng sợi nhân tạo từ các sản phẩm hóa dầu được xử lý bằng các phương pháp hóa học cực độc và không phân hủy tự nhiên [2]. Hơn nữa, giá dầu tăng, trữ lượng dầu mỏ giảm và mối quan ngại ngày càng tăng về sinh thái đã gióng lên hồi chuông cảnh báo. Do đó, các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất dệt may đang tìm kiếm các giải pháp thay thế sợi dệt có thể phân hủy sinh học, bền vững và tái tạo như một công cụ hiệu quả để bù đắp nhu cầu sợi thế giới đồng thời giảm ảnh hưởng của ngành dệt may đến môi trường do nhận thức và nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng về các sản phẩm thân thiện với môi trường và hữu cơ [2]. Cây đậu nành là nguồn cung cấp một trong những loại sợi tái tạo, bền vững và phân hủy sinh học đầy hứa hẹn cho sản xuất dệt may bền vững hơn trên thế giới. Cây đậu nành là một loài cây họ đậu có nguồn gốc từ Đông Á và hạt của nó không chỉ ăn được mà còn có nhiều công dụng. Một trong những công dụng đó là sản xuất xơ, sợi, vải trong ngành dệt may. Cây đậu nành có thể được sử dụng để sản xuất sợi dệt từ cả cellulose và protein. Những nỗ lực đầu tiên để sản xuất sợi dệt từ protein đậu nành đã được thực hiện vào giữa thế kỷ XX. Tuy nhiên, có những thách thức đáng chú ý về tính năng của sợi như độ bền của sợi dẫn đến sự quan tâm ngày càng giảm đối với sợi protein đậu nành vào thời điểm đó. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, vào cuối thế kỷ XX, người ta ngày càng chú ý đến sợi phân hủy sinh học bền vững có nguồn gốc tự nhiên thân thiện với môi trường do các mối quan tâm về sinh thái, dẫn đến sự thức tỉnh của sợi protein đậu nành đầy hứa hẹn.. Việc trồng đậu nành gần đây đã trở nên hiệu quả hơn về mặt chi phí và đậu nành là một trong những loại cây trồng nông nghiệp phổ biến. Hơn nữa, việc cải tiến hiệu suất kỹ thuật gần đây của sợi protein đậu nành thông qua các kỹ thuật kỹ thuật di truyền mở rộng phạm vi thương mại của loại sợi này. Do đó, vào những năm 2000, sợi protein đậu nành mới, được làm từ protein đậu nành và polyvinyl alcohol, đã được phát triển và một quy trình sản xuất sợi đậu nành mới đã được thúc đẩy thương mại, chuẩn hóa và đưa ra thị trường dệt may. Các vấn đề liên quan đến độ bền trước đây cũng đã được khắc phục khi đưa polyvinyl alcohol vào. Các kỹ thuật hiện đại để sản xuất sợi đậu nành sử dụng các nguyên tắc kỹ thuật sinh học tiên tiến thông qua protein có thể sử dụng được chiết xuất từ vật liệu thải: cặn bã còn sót lại từ quá trình sản xuất dầu đậu nành, đậu phụ và sữa đậu nành [3].
Do đó, bài viết này nhằm mục tiêu tìm hiểu quá trình sản xuất, tính chất vật lý, hóa học và các ứng dụng thực tiễn của xơ đậu nành trong ngành dệt may, qua đó khẳng định tiềm năng phát triển của loại vật liệu thân thiện môi trường này trong xu hướng thời trang bền vững hiện nay.
2. NỘI DUNG
2.1. Đậu nành và quá trình tách lấy xơ
2.2.1. Đặc tính của đậu nành
Sợi đậu nành là sợi thực vật duy nhất có nguồn gốc từ protein và có nguồn gốc từ thực vật tái tạo và là sợi nhân tạo và được sản xuất tại Trung Quốc với số lượng lớn. Sợi đậu nành được sản xuất từ protein đậu nành có thể sản xuất với số lượng lớn và chi phí thấp. Sợi đậu nành là sợi protein tái sinh từ nguồn gốc tự nhiên. được tạo ra từ protein đậu nành GlycineMax tái sinh cùng với polyvinyl alcohol (PVA) là thành phần chiếm ưu thế. Vì vậy, nói cách khác, sợi đậu nành (SPF) là sợi protein tái sinh có nguồn gốc từ thực vật tự nhiên được sản xuất từ hỗn hợp protein đậu nành và polyvinyl alcohol [3]. Cây đậu nành, hạt và sợi protein đậu nành được thể hiện trong Hình 1
Cây đậu nành Hạt đậu nành Xơ đậu nành
Hình 1. Cây đậu nành, hạt đậu nành và sợi đậu nành (SPF) [3].
Đậu nành chứa một lượng lớn protein, khoảng 37–42%, so với protein đậu phộng (25%), sữa (3,2%) và ngô (10%). Protein đậu nành có thể được sử dụng làm thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, sợi dệt, dược phẩm, mực in, keo dán, nhũ tương, vật liệu làm sạch và nhựa. Protein đậu nành là protein hình cầu và chúng bao gồm nhiều loại protein riêng lẻ khác nhau và nhiều loại protein kết tụ có kích thước phân tử. Protein quan trọng nhất của đậu nành là globulin và protein đậu nành có hai loại protein dự trữ: glycinin (chiếm 30% tổng lượng protein hạt đậu nành) và β-conglycinin (chiếm ưu thế và chiếm 30–50% tổng lượng hạt đậu nành). Protein đậu nành bao gồm 18 loại axit amin và axit amin chiếm ưu thế của protein đậu nành là axit glutamic với 18,2%. Chi tiết hơn, protein đậu nành bao gồm glycine (8,8%), alanine (7,5%), phenylalanine (4,4%), valine (6,3%), leucine (9,8%), isoleucine (4,8%), serine (6,4%), threonine (4,3%), tyrosine, axit aspartic (12,8%), axit glutamic (18,2%), histidine (5,5%), arginine (0,8%), lysine (3,9%), tryptophan và proline (5,6%). Hơn nữa, protein đậu nành cũng bao gồm một lượng nhỏ các axit amin chứa lưu huỳnh như cysteine (1%) và methionine (0,35%). Protein hình cầu bao gồm các phân đoạn polypeptide được liên kết bằng liên kết hydro và disulfide và tương tác tĩnh điện và kỵ nước [3].
2.2.2. Quá trình tách lấy lấy xơ
Protein đậu nành, sau khi được tách ra từ bã đậu nành còn lại sau quá trình chiết xuất dầu, được hóa lỏng và xử lý bằng công nghệ kỹ thuật sinh học kết hợp với các phương pháp cơ học nhằm tạo ra sợi protein đậu nành. Các nhà sản xuất sợi protein đậu nành tuyên bố rằng sản xuất sợi đậu nành thân thiện với môi trường và không gây hại cho bầu khí quyển, môi trường, cơ thể con người và nước. Các bước sản xuất sợi đậu nành được trình bày trong Hình 2. Nhưng ban đầu, dầu được chiết xuất từ đậu nành và bã còn lại từ quá trình chiết xuất được giữ lại. Protein đậu nành không thích hợp để kéo sợi do cấu trúc hình cầu của nó và vì lý do này, các quá trình biến tính và phân hủy, là các quá trình quan trọng để hình thành sợi, được áp dụng cho protein đậu nành để chuyển dung dịch protein thành chất kéo sợi có thể kéo được. Quá trình biến tính của protein đậu nành có thể được thực hiện bằng kiềm, nhiệt hoặc enzyme bằng cách sử dụng các kỹ thuật kỹ thuật sinh học. Chỉ có những thay đổi về cấu hình xảy ra trong giai đoạn biến tính và trong bước này, phân tử protein mở ra để tạo ra các chuỗi protein tuyến tính giữ nguyên cấu trúc chính của nó. Sau đó, dung dịch kéo sợi được kéo bằng phương pháp kéo ướt. Trong phần này, dung dịch kéo sợi, bao gồm đậu nành và polyvinyl alcohol, được lọc và sau đó được đưa qua ống kéo sợi. Trong ống kéo sợi, các chuỗi phân tử được định hướng và sắp xếp thành một cấu trúc bao gồm các vùng kết tinh và vô định hình. Trạng thái này được duy trì đáng kể trong hai bồn đông tụ tuần tự và sau các bước đông tụ, các liên kết ngang được hình thành trong cấu trúc xơ đậu nành để cải thiện các tính chất cơ học của chúng (Hình 2). Các giai đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất sợi protein đậu nành là rửa, sấy khô, tiếp theo là quá trình kéo để tăng cường các tính chất độ bền kéo của sợi đậu nành. Sau đó, sợi có thể trải qua các quá trình quấn, định hình nhiệt và cắt. Cuối cùng, sợi đậu nành với nhiều thông số kỹ thuật khác nhau và chiều dài khác nhau có thể được sản xuất [3]
Tại các lỗ của gương sen, các chuỗi phân tử được định hướng và sắp xếp thành cấu trúc gồm cả vùng tinh thể và vùng vô định hình. Sự định hướng này được duy trì ổn định qua hai bể đông tụ liên tiếp. Sau các bước đông tụ là quá trình hình thành liên kết ngang cho sợi đậu nành để cải thiện các tính chất cơ học của chúng (Hình 2). Các sợi sau khi đông tụ được đưa vào bồn tạo liên kết ngang và được quấn lại. Các nghiên cứu cho thấy quá trình liên kết ngang với glutaraldehyde có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học của sợi protein đậu nành [3]. Các giai đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất sợi protein đậu nành là rửa, sấy khô, tiếp theo là quá trình kéo để tăng cường các tính chất độ bền kéo của sợi đậu nành. Sau đó, sợi có thể trải qua các quá trình quấn, định hình nhiệt và cắt theo chiều dài mong muốn. Cuối cùng, xơ sợi đậu nành với nhiều quy cách và chiều dài khác nhau được sản xuất ra [3]
1. Đậu nành
↓
2. Tách dầu đậu nành (ép hoặc chiết)
↓
3. Tách protein từ bã đậu nành (qua hòa tan và lọc)
↓
4. Làm sạch protein đậu nành (lọc, kết tủa, ly tâm)
↓
5. Biến tính protein (xử lý bằng dung dịch hóa học để thay đổi cấu trúc)
↓
6. Pha dung dịch kéo sợi (dissolving protein vào dung môi như urea, NaOH)
↓
7. Kéo sợi ướt (wet spinning)
↓
8. Đông tụ sợi (qua bể đông tụ chứa acid/saline)
↓
9. Rửa sợi (loại bỏ hóa chất dư)
↓
10. Kéo căng sợi (định hình, tăng độ bền)
↓
11. Sấy khô
↓
12. Cán và cuộn sợi
↓
13. Xơ đậu nành thành phẩm
Hình 2. Sơ đồ các bước sản xuất sợi đậu nành
2.1.3. Cấu trúc xơ
Hình dạng mặt cắt ngang của các sợi protein đậu nành đã qua sử dụng có hình dạng hạt đậu với đường kính 11-20 mm, theo trục dài và 6-7 mm theo trục ngắn (Hình 5). Bề mặt xơ rất nhẵn bóng tạo cho xơ độ bóng cao. Trên hình ảnh quan sát theo phương dọc, có thể thấy các rãnh và nếp nhăn không đều. Các rãnh này giúp vận chuyển độ ẩm dọc theo xơ. Quan sát dưới kính hiển vi quang học, xơ có cấu trúc không đồng nhất với nhiều khoảng rỗng [5].
Hình 3. Ảnh chụp SEM theo chiều dọc của xơ protein đậu nành [5]
2.2. Tính chất của xơ đậu nành
Thực tế cho thấy, loại sợi này không chỉ sở hữu nhiều đặc tính thẩm mỹ khi pha trộn với sợi tự nhiên, mà còn có các tính chất vật lý tương đương với sợi tổng hợp. Sợi đậu nành mềm, mịn, nhẹ và có độ bóng tự nhiên như sợi lụa, mang lại vẻ ngoài sang trọng cho vải. Sợi đậu nành thể hiện khả năng tạo nếp tốt mang lại vẻ ngoài và cảm giác thanh lịch với điều kiện mặc thoải mái. Hơn nữa, sợi đậu nành thể hiện hiệu suất hấp thụ độ ẩm tuyệt vời như sợi bông nhưng có đặc tính thông gió và truyền độ ẩm vượt trội dẫn đến khả năng quản lý độ ẩm hoàn hảo. Vải sợi đậu nành ấm và thoải mái với nhiệt độ làm ướt cao. Sợi đậu nành sở hữu các tính chất cơ học tốt như độ bền của sợi đậu nành đơn là 3,0 cN/dtex cao hơn sợi tơ tằm, len và bông. Tuy nhiên, độ bền ướt của sợi đậu nành chỉ bằng 35–50% độ bền khô. Hơn nữa, loại sợi này cũng thể hiện khả năng giặt dễ dàng, khô nhanh và chống nhăn tuyệt vời. Sợi protein đậu nành có khả năng kháng khuẩn đối với Styphalococcus aureuses, Coli bacillus và Candica albicans. Chúng cũng có tác dụng có lợi cho da người và sức khỏe con người do hàm lượng axit amin của chúng. Các axit amin của sợi protein đậu nành có thể kích hoạt protein collagen trong da người, chống nhột và làm bay hơi ẩm trên da. Hơn nữa, hiệu suất hấp thụ bức xạ cực tím tốt hơn so với sợi bông, viscose và lụa và có thể đạt tới 99,7% [3]
Bảng 2. So sánh một số đặc tính của xơ đậu nành [5]
|
Property |
Xơ đậu nành (SPF) |
Cotton |
Viscose |
Tơ tằm |
Len |
Độ bền kéo đứt
(CN/dtex) |
Khô |
3,8-4,0 |
1,9-3,1 |
1,5-2,0 |
2,6-3,5 |
0,9-1,6 |
|
Ướt |
2,5-3,0 |
2,2-3,1 |
0,7-1,1 |
1,9-2,5 |
0,7-1,3 |
|
Độ giãn đứt khô (%) |
18-21 |
7-10 |
18-24 |
14-25 |
25-35 |
|
Lực kéo (kgl/mm2) |
700-1300 |
850-1200 |
850-1150 |
650-1250 |
|
|
Độ bền nút thắt (%) |
85 |
92-100 |
45-60 |
80-85 |
|
|
Độ hồi ẩm (%) |
8,6 |
9,0 |
13,0 |
11,0 |
14-16 |
|
Khối lượng riêng (g/cm3) |
1,29 |
1,50-1,54 |
1,46-1,52 |
1,34-1,38 |
1,33 |
Độ bền nhiệt |
Vàng và tackifing khoảng 120°C
(Không tốt) |
Chuyển màu nâu khi ở 150° C trong thời gian dài
(Rất tốt) |
Bền hơn ở 150° C
trong thời gian dài (Tốt) |
Ổ định ở ≤ 148° C
(Tốt) |
(Tốt) |
|
Tính kháng kiềm |
Trung bình |
Rất tốt |
Rất tốt |
Tốt |
Không tốt |
|
Tính kháng acid |
Rất tốt |
Không tốt |
Không tốt |
Rất tốt |
Rất tốt |
|
Tính kháng tia cực tím |
Tốt |
Trung bình |
Không tốt |
Không tốt |
Không tốt |
Xơ protein đậu nành có thể đáp ứng các yêu cầu về hiệu năng, sự thoải mái và chức năng của hàng dệt may thông thường và kỹ thuật. Do đó, sợi protein đậu nành có nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau trong ngành dệt may như vải không dệt, quần áo trẻ sơ sinh, trang phục, áo phông, váy, khăn trải giường, đồ lót, đồ ngủ, đồ thể thao, ga trải giường, khăn tắm, chăn, v.v. Ngoài ra, sợi đậu nành có thể được sử dụng riêng lẻ và/hoặc pha trộn với sợi cashmere, len, cotton, lụa, sợi đàn hồi và sợi tổng hợp.
2.3. Ứng dụng
Các tính năng: Vải từ SPF có các tính năng sau đây:
+ Sáng bóng: SPF có ánh bóng như tơ rất đẹp;
+ Thoải mái: Vải mềm mại, mịn màng và nhẹ;
+ Khả năng hấp thụ: Hấp thụ độ ẩm tương tự như bông và truyền độ ẩm tốt hơn so với bông;
+ Dễ nhuộm: Thuốc nhuộm thâm nhập tốt và bền màu;
+ Bền: Nó có độ bền đứt cao hơn bông, len và tơ tằm, nhưng kém hơn so với polyester.
+ Co rút: Vải không bị co rút trong nước sôi;
+ Bảo quản dễ dàng: Vải không bị nhăn, dễ giặt và khô nhanh.
Ứng dụng: SPF là loại vải lý tưởng dùng may các sản phẩm mặc gần với da như:
+ Đồ lót;
+ Đồ ngủ;
+ Đồ thể thao;
+ Quần áo trẻ em và trẻ sơ sinh;
+ Khăn trải giường;
+ Khăn tắm;
+ Chăn
Hình 4. Một số sản phẩm từ xơ đậu nành
3. KẾT LUẬN
Sợi protein đậu nành được biết đến là loại sợi dệt vải tốt cho sức khỏe, thoải mái và là sản phẩm xanh của thế kỷ mới. Nguyên liệu chính của nó là protein đậu nành, với số lượng nguyên liệu để sản xuất lớn, đồng thời hữu ích cho việc phục hồi và tái phát triển tài nguyên. Sợi protein đậu nành không chỉ sở hữu những ưu điểm vượt trội của sợi tự nhiên mà còn sở hữu những đặc tính vật lý của sợi nhân tạo. Xét về mọi mặt, đây là nguyên liệu tiềm năng cho ngành may mặc trung và cao cấp trong ngành dệt may. Hàm lượng protein đậu nành cao trong sợi kéo sợi được ưu tiên để tăng cường tính bền vững, cải thiện độ nhám bề mặt, mang lại cảm giác sờ tay mong muốn và hỗ trợ khả năng nhuộm vải.
Qua bài viết này người viết muốn giới thiệu về quá trình sản xuất, tính chất vật lý, hóa học và các ứng dụng thực tiễn của xơ đậu nành trong ngành dệt may. Đây là một sản phẩm thân thiện với môi trường trong ngành dệt thay cho các loại sợi tổng hợp. Các sản phẩm từ sợi đậu nành dự báo sẽ có nhu cầu lớn trên thị trường quốc tế vì chúng không gây độc hại cho con người và môi trường, xu thế ngành dệt may hướng đến các sản phẩm xanh.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
-
Krezhova D, editor . Recent Trends for Enhancing the Diversity and Quality of Soybean Products. InTech; Croatia, 2011. DOI:10.5772/1005
-
Özgen B. New biodegradable fibres, yarn properties and their applications in textiles: A review. Industria Textile. 2012; 63: 3–6.
-
Ozan Avinc and Arzu Yavas, Soybean: For Textile Applications Soybean: For textile applications and its printing, http://dx.doi.org/10.5772/66725.
-
Tatjana Rijavec and Živa Zupin, Soybean Protein Fibres (SPF), University of Ljubljana Slovenia, https://www.researchgate.net/publication/221918717