Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng sử dụng các sản phẩm nhựa có nguồn gốc từ dầu mỏ đang tạo ra áp lực nghiêm trọng đối với môi trường toàn cầu do tính chất khó phân hủy sinh học trong điều kiện tự nhiên. Đặc biệt, các polyme polyolefin truyền thống như polyetylen (PE) và polypropylen (PP) hoàn toàn không có khả năng thủy phân, dẫn đến tình trạng tích tụ chất thải rắn kéo dài. Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu phát triển các loại vật liệu polyme có khả năng phân hủy sinh học với chi phí sản xuất hợp lý trở thành định hướng cấp thiết. Bên cạnh mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm rác thải, vật liệu polyme phân hủy sinh học còn mở ra triển vọng ứng dụng trong lĩnh vực y học (như màng phủ vết thương nhờ tính thấm nước, khả năng tương thích sinh học, không gây đau và hạn chế nhiễm trùng) cũng như nông nghiệp và bao bì thực phẩm.

Tinh bột sắn là nguồn polysacarit tự nhiên dồi dào, giá thành thấp và sẵn có tại Việt Nam. Tuy nhiên, màng polyme chế tạo thuần từ tinh bột có nhược điểm lớn là độ bền cơ lý thấp, tính giòn cao và kém bền trong môi trường nước do mật độ nhóm hydroxyl (-OH) ưa nước quá lớn. Việc phối trộn tinh bột với polyvinyl ancol (PVA) – một polyme tổng hợp tan trong nước có tính tương hợp sinh học và cơ tính tốt – là một giải pháp khả thi, song hệ blend này vẫn dễ bị hòa tan hoặc trương nở mạnh khi tiếp xúc với nước. Do đó, việc sử dụng glutaraldehyde (GA) làm tác nhân khâu mạch liên kết ngang nhằm cố định cấu trúc không gian ba chiều của hệ blend tinh bột/PVA là giải pháp kỹ thuật trọng tâm của đề tài.

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Thùy Trang xác định mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu tài liệu: Tổng quan và phân tích các ưu, nhược điểm của các công trình nghiên cứu đi trước về màng phân hủy sinh học trên cơ sở tinh bột và PVA.
  2. Nghiên cứu thành phần của màng phân hủy sinh học trên cơ sở tinh bột sắn kết hợp PVA.
  3. Lựa chọn chất nối ngang thích hợp cho màng tinh bột và khảo sát xác định hàm lượng chất nối ngang sử dụng tối ưu.
  4. Khảo sát ảnh hưởng của chất nối ngang đến độ bền cơ (độ bền kéo đứt, độ dãn dài), độ hút nước (độ trương, độ hút ẩm) và cấu trúc hình thái của màng tinh bột.

Mục tiêu chung của đề tài là cải thiện tính chất cơ lý và độ bền nước của màng phân hủy sinh học trên hệ nền tinh bột chiếm tỷ lệ chính (80% tinh bột - 20% PVA), sử dụng glutaraldehyde làm chất tạo liên kết ngang, hướng tới ứng dụng trong đời sống và y học.

  • Đối tượng nghiên cứu: Màng polyme phân hủy sinh học hệ blend giữa tinh bột sắn biến tính và polyvinyl ancol (PVA), được khâu mạch bằng tác nhân glutaraldehyde.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Thí nghiệm tổng hợp, chế tạo màng và thử nghiệm cơ lý được thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Các phép phân tích hóa lý chuyên sâu (FTIR, DSC, XRD) được phối hợp thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
    • Thời gian thực hiện: Từ ngày 01/12/2019 đến ngày 01/08/2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

Khung lý thuyết và cơ chế phản ứng

Nghiên cứu dựa trên cơ sở hóa học polyme của hai cấu phần chính: tinh bột và polyvinyl ancol (PVA):

  • Tinh bột sắn: Cấu tạo từ hai dạng polyme là amyloza (polyme mạch thẳng liên kết bởi liên kết $\alpha$-1,4 glucozit, chiếm khoảng 17%) và amylopectin (polyme phân nhánh có thêm liên kết $\alpha$-1,6 glucozit, chiếm khoảng 83%). Quá trình hồ hóa tinh bột trong môi trường nước và gia nhiệt làm phá vỡ các liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử, giải phóng các chuỗi amyloza giúp tạo màng mỏng.
  • Polyvinyl ancol (PVA): Công thức phân tử $[CH_2CH(OH)]_n$, có khối lượng phân tử trung bình khoảng 60.000 g/mol, độ thủy phân 99%. PVA có độ bền kéo cao, khả năng chống thấm các chất khí (như oxy, nitơ, cacbonic) tốt, nhưng dễ tan trong nước nóng.
  • Cơ chế khâu mạch bằng glutaraldehyde (GA): Glutaraldehyde ($OHC-(CH_2)_3-CHO$) là một đialdehyt mạch thẳng. Trong môi trường phản ứng ở 80°C, hai nhóm cacbonyl (-CHO) ở hai đầu phân tử glutaraldehyde phản ứng với các nhóm hydroxyl (-OH) tự do tại liên kết metylol ($-CH_2OH$) của tinh bột và nhóm -OH của PVA thông qua phản ứng tạo liên kết axetal hoặc hemiaxetal, đồng thời tách loại các phân tử nước. Phản ứng này tạo thành mạng lưới không gian ba chiều đan xen giữa các mạch polyme, hạn chế sự thâm nhập của nước và tăng cường khả năng chịu ứng suất kéo của màng.

Phương pháp nghiên cứu và quy trình thực nghiệm

Khóa luận sử dụng hoàn toàn phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm:

  1. Quy trình biến tính điện hóa tinh bột sắn: Tinh bột sắn thô (400 g) được phân tán trong 4 lít dung dịch NaCl 5% để tạo huyền phù. Hỗn hợp được đưa vào hệ điện phân gồm hai điện cực Titan (khoảng cách 10 cm) đã mạ lớp chống ăn mòn bằng các oxit kim loại $RuO_2$, $IrO_2$, $TiO_2$. Dòng điện xoay chiều với hiệu điện thế 10 V, cường độ 3 A được duy trì trong 2 giờ ở nhiệt độ 30°C kết hợp khuấy nhẹ bằng máy khuấy cơ. Huyền phù sau đó được trung hòa về pH = 7 bằng dung dịch HCl 1 M, rửa lại bằng nước cất 4–5 lần đến khi dịch lọc không còn ion $Cl^-$ (kiểm tra bằng dung dịch $AgNO_3$ 0,1 M), sau đó sấy ở 50°C trong 10 giờ.

  2. Quy trình phối trộn và tạo màng bằng phương pháp cán tráng: PVA được hòa tan hoàn toàn trong 30 ml nước cất ở 90°C trong 1 giờ với tốc độ khuấy 400 vòng/phút để thu được dung dịch trong suốt. Tiếp tục đưa nhiệt độ về 80°C, cho đồng thời tinh bột sắn biến tính và glutaraldehyde vào hệ, phản ứng trong 2 giờ với tốc độ khuấy 400 vòng/phút. Dung dịch đồng nhất thu được (thể tích 16 ml) được rót và cán tráng đều lên đĩa petri, kiểm soát tránh tạo bọt khí, để khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng (25°C) trong vòng 24 giờ. Màng thành phẩm được bảo quản trong bình hút ẩm có hạt hút ẩm ở 25°C.

  3. Phương pháp phân tích và kiểm tra tính chất màng:

    • Độ trương nước (Swelling Ratio - SR): Xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2752-78. Mẫu màng kích thước 20 x 20 mm được ngâm trong nước cất, sau các mốc thời gian vớt ra, thấm khô bề mặt bằng giấy không bụi và cân khối lượng trên cân phân tích độ chính xác 0,0001 g.
    • Độ bền kéo đứt và độ dãn dài: Đo theo tiêu chuẩn ASTM D882 trên máy kéo đứt chuyên dụng M350-10CT. Kích thước mẫu 70 x 30 mm; độ dày màng được đo tại 5 vị trí ngẫu nhiên bằng thiết bị BGD 541 để lấy giá trị trung bình; mỗi công thức đo 4 mẫu lặp lại.
    • Độ hút ẩm: Xác định theo tiêu chuẩn TCVN 4196:2012. Mẫu kích thước 7 x 3 mm được sấy ở 70°C đến khối lượng không đổi, sau đó đặt trong môi trường hơi bão hòa dung dịch NaCl ở 25°C và cân khối lượng tại các thời điểm 2, 4, 6, 8, 10, 12 ngày.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Ghi phổ trong dải sóng từ 400 đến 4000 $cm^{-1}$ trên thiết bị PerkinElmer Spectrum 10.5.2 để nhận danh các liên kết và nhóm chức đặc trưng.
    • Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC): Thực hiện trên thiết bị DSC 214 Polyma (NETZSCH), khối lượng mẫu xấp xỉ 5 mg trong chén nhôm, gia nhiệt từ 30°C đến 200°C với tốc độ quét 3 K/phút dưới môi trường khí bảo vệ nitơ, nhằm xác định nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh ($T_g$).
    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Khảo sát cấu trúc tinh thể trên thiết bị Bruker D8 Advance với bức xạ $Cu-K\alpha_1$ ($\lambda = 1,5406$ Å).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu polyme phân hủy sinh học và tổng hợp các nghiên cứu tiền nhiệm. Tác giả làm rõ khái niệm phân hủy sinh học gồm ba giai đoạn kế tiếp nhau: phản xạ sinh học (suy thoái bề mặt vật lý/cơ học do ánh sáng, nhiệt độ, áp suất), phản ứng sinh học (quá trình bẻ gãy mạch đại phân tử thành monome hoặc oligome thông qua con đường hiếu khí hoặc kỵ khí) và đồng hóa (tế bào vi sinh vật hấp thụ sản phẩm phân cắt để tạo sinh khối và ATP).

Tác giả phân loại polyme phân hủy sinh học thành ba nhóm: polyme tự nhiên (tinh bột, xenluloza, chitosan, gelatin), polyme tổng hợp nhờ vi sinh vật (PHB, PBS, PCL) và polyme tổng hợp hóa học (PLA, PGA, PVA). Trong đó, tinh bột sắn được nhấn mạnh nhờ hàm lượng tinh bột cao, giá rẻ và sản lượng dồi dào tại Việt Nam (thuộc top 10 thế giới).

Loại tinh bột Hàm lượng Amiloza (%) Hàm lượng Amilopectin (%) Nhiệt độ hồ hóa (°C)
Sắn 17 83 58,5 – 70
Ngô 24 76 62 – 70
Ngô nếp 0,8 99,2 -
Khoai tây 20 80 59 – 68
Lúa mì 25 75 -
Gạo 18,7 99,3 68 – 78
Đậu xanh 54 46 -
Dong riềng 47 53 -
Đại mạch - - 51,5

Chương này cũng phân tích tổng quan về PVA, vai trò của các chất tạo liên kết ngang (axit boric, axit xitric, glyoxal, glutaraldehyde) và lý do chọn glutaraldehyde: phân tử có 2 nhóm chức aldehyt linh động, có hoạt tính tạo liên kết axetal cao với nhóm hydroxyl, đồng thời ở nồng độ sử dụng thấp (0,1 – 1% trong ứng dụng y tế hoặc nồng độ khảo sát dưới 2,5%) đảm bảo khả năng liên kết tốt và có tác dụng diệt khuẩn. Điểm mới của đề tài được khẳng định là tập trung phát triển màng có hàm lượng tinh bột chiếm ưu thế (lên đến 80%) thay vì nền PVA chiếm đa số như hầu hết các công bố trước đó.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn gốc nguyên liệu, hóa chất và các bước tiến hành thực nghiệm. Các nguyên liệu chính gồm PVA dạng hạt màu trắng xuất xứ Ấn Độ (khối lượng phân tử trung bình 60.000 g/mol, độ thủy phân 99%), dung dịch glutaraldehyde 50% xuất xứ Trung Quốc, tinh bột sắn thô được biến tính bằng phương pháp điện cực titan.

Tác giả thiết lập các ma trận thí nghiệm khảo sát ba yếu tố công nghệ chính:

Bảng khảo sát Thông số khảo sát Các mức khảo sát Điều kiện cố định
Bảng 2.1 Tỷ lệ khối lượng Tinh bột/PVA 100/0; 80/20; 0/100 (g/g trên tổng 2 g) 30 ml nước cất, 80°C, 1 giờ, 400 vòng/phút, không dùng GA
Bảng 2.2 Hàm lượng Glutaraldehyde 0%; 0,5%; 1,0%; 1,5%; 2,0%; 2,5% (theo tổng khối lượng TB + PVA) Tỷ lệ nền TB/PVA = 80/20 (0,6 g tinh bột), 80°C, 2 giờ, 400 vòng/phút
Bảng 2.3 Tỷ lệ Tinh bột/PVA khi có mặt GA 50/50; 60/40; 70/30; 80/20; 90/10; 100/0 Hàm lượng GA cố định 2%, 80°C, 2 giờ, 400 vòng/phút

Bên cạnh đó, chương 2 thiết lập quy chuẩn đo lường cơ lý (độ bền kéo theo ASTM D882, độ trương nước theo TCVN 2752-78, độ hút ẩm theo TCVN 4196:2012) và quy trình chuẩn bị mẫu cho các phép phân tích phổ FTIR, nhiệt DSC và nhiễu xạ XRD.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm, đồ thị biến thiên và biện luận cơ chế hóa lý:

  1. Cảm quan mẫu màng: Màng sau khi sấy khô tự nhiên có độ dày đồng đều trung bình khoảng 0,01 mm, thể hiện tính giòn cơ học và ngả màu vàng nhạt khi có mặt glutaraldehyde.
  2. Ảnh hưởng của tỷ lệ Tinh bột/PVA (khi chưa có GA): Khi tăng hàm lượng PVA từ 0% lên 100%, độ bền kéo đứt của màng tăng từ 23,90 MPa lên các giá trị cao hơn, độ dãn dài tăng từ 1,x% lên trên 100% (ở tỷ lệ 80% và 100% PVA, đường cong ứng suất - biến dạng thể hiện rõ tính dẻo). Tại tỷ lệ 40% PVA xuất hiện hiện tượng giảm cơ tính cục bộ, được giải thích do PVA ở nồng độ này phân tán như một chất độn làm gián đoạn liên kết liên pha. Tỷ lệ 80% tinh bột - 20% PVA đạt độ bền kéo 27,80 MPa được chọn làm hệ nền để tiếp tục nghiên cứu bổ sung chất nối ngang.
  3. Ảnh hưởng của hàm lượng Glutaraldehyde (trên hệ nền TB/PVA 80/20):
    • Cơ tính: Độ bền kéo đứt tăng mạnh từ 26,79 MPa (ở 0% GA) lên giá trị cực đại khi bổ sung 2,0% GA. Tuy nhiên, khi tăng tiếp hàm lượng GA lên 2,5%, độ bền kéo đứt suy giảm về mức 38,33 MPa do mật độ liên kết ngang quá cao làm tăng độ cứng và tạo ứng suất nội tại. Độ dãn dài của màng có xu hướng giảm dần khi tăng hàm lượng GA (từ 3,5% xuống khoảng 2,4 – 3,0%).
    • Độ trương nước: Mẫu màng không có GA bị trương nở rất nhanh trong 30 phút đầu và bị tan rã hoàn toàn ngay sau đó. Ngược lại, mẫu chứa 1% GA đạt độ trương 491,97% sau 2 giờ ngâm nước; mẫu chứa 2% GA có độ trương nước giảm mạnh chỉ còn 49,10% sau 2 giờ và giữ nguyên hình dạng không bị rách hay nứt. Màng chứa 2% GA duy trì độ bền trong nước lên đến 2 giờ 30 phút trước khi bắt đầu rã.
    • Độ hút ẩm: Thử nghiệm trong môi trường bão hòa NaCl cho thấy độ hút ẩm tăng nhanh trong 2 ngày đầu (đạt xấp xỉ 11%), đạt trạng thái cực đại ở ngày thứ 10 và duy trì ổn định đến ngày 12. Khi tăng hàm lượng GA từ 0% lên 2,5%, độ hút ẩm cực đại giảm rõ rệt từ trên 14% xuống dưới 12%.
  4. Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột (khi cố định 2% GA): Khảo sát tỷ lệ tinh bột từ 50% đến 100% cho thấy độ bền kéo đứt đạt cực đại ở mức 43,39 MPa tại tỷ lệ 80% tinh bột - 20% PVA. Khi tỷ lệ tinh bột vượt quá 80% (mẫu 90% và 100%), độ bền kéo giảm dần về 27,80 MPa. Độ dãn dài giảm liên tục từ 14,99% (ở mẫu 50% tinh bột) xuống còn 1,78% (ở mẫu 100% tinh bột), phản ánh rõ tính chất giòn của mạng tinh bột khi hàm lượng PVA giảm.
  5. Ảnh hưởng của thời gian khuấy phản ứng: Khảo sát các mốc thời gian khuấy ở 80°C xác định 2 giờ là khoảng thời gian tối ưu để phản ứng khâu mạch diễn ra đồng đều, giúp màng đạt cơ tính cao nhất.
  6. Phân tích hóa lý (FTIR, DSC, XRD):
    • FTIR: Phổ hồng ngoại của các mẫu chứa 1% và 2% GA xuất hiện các biến đổi ở vùng dao động đặc trưng cho liên kết ete/axetal (vùng 1000 – 1150 $cm^{-1}$), chứng minh nhóm -CHO của GA đã phản ứng tạo liên kết ngang với nhóm -OH.
    • DSC: Giản đồ quét nhiệt vi sai ghi nhận sự dịch chuyển của nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh ($T_g$), phản ánh tính tương hợp pha giữa tinh bột và PVA khi có mặt tác nhân nối ngang.
    • XRD: Giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy các đỉnh nhiễu xạ tinh thể của tinh bột thô bị suy giảm cường độ mạnh sau quá trình hồ hóa và tạo màng blend, chứng minh vật liệu chuyển sang trạng thái vô định hình.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính kèm số liệu thực nghiệm

Khóa luận đã xác lập thành công các thông số công nghệ và bộ số liệu cơ lý thực nghiệm của màng polyme phân hủy sinh học trên cơ sở tinh bột sắn biến tính và PVA:

Thông số / Chỉ tiêu Mẫu không có GA (80% TB - 20% PVA) Mẫu tối ưu (80% TB - 20% PVA - 2% GA)
Độ bền kéo đứt 26,79 – 27,80 MPa 43,39 MPa
Độ dãn dài ~3,5% 3,71%
Độ trương nước sau 2 giờ Rã hoàn toàn sau 30 phút 49,10% (mẫu 1% GA là 491,97%)
Thời gian bắt đầu rã trong nước < 30 phút 2 giờ 30 phút
Độ dày màng trung bình ~0,01 mm ~0,01 mm
Thời gian khuấy phản ứng tối ưu - 2 giờ (ở 80°C, 400 vòng/phút)

Giải pháp và quy trình đề xuất

  • Đề xuất quy trình tiền xử lý tinh bột sắn thô bằng phương pháp điện hóa sử dụng điện cực titan phủ oxit kim loại quý ($RuO_2$, $IrO_2$, $TiO_2$) trong dung dịch NaCl 5% trước khi đưa vào phản ứng tạo màng.
  • Xác định công thức chế tạo màng phân hủy sinh học tối ưu: 80% tinh bột sắn biến tính, 20% PVA và 2% glutaraldehyde (tính trên tổng khối lượng polyme khô), cán tráng ở nhiệt độ phòng với thể tích 16 ml trên đĩa petri.

Đóng góp về mặt học thuật và thực tiễn

  • Hầu hết các công trình nghiên cứu hệ blend tinh bột/PVA trước đây (như nghiên cứu của Nguyễn Hường Hảo, Mubarak A. Khan) thường chọn nền PVA chiếm tỷ lệ đa số (từ 50% đến 80% PVA) để đảm bảo độ bền cơ học cao, dẫn đến giá thành sản phẩm còn đắt và giảm tỷ lệ thành phần sinh học tự nhiên. Khóa luận này đã giải quyết bài toán kỹ thuật khi nâng hàm lượng tinh bột sắn lên mức 80%, giảm tỷ lệ PVA xuống còn 20%, nhưng vẫn đạt độ bền kéo đứt cao (43,39 MPa) nhờ mạng lưới liên kết ngang do glutaraldehyde tạo ra.
  • Bước đầu chứng minh được sự biến đổi cấu trúc mạng lưới không gian và khả năng tương hợp giữa tinh bột sắn và PVA thông qua các phép đo hóa lý FTIR, DSC và XRD.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được ghi nhận trong văn bản

Căn cứ trên các nhận xét của người hướng dẫn (TS. Lê Thị Duy Hạnh) và người phản biện (TS. Giang Ngọc Hà):

  1. Độ đồng đều của màng: Hình ảnh cảm quan (Hình 3.1) cho thấy bề mặt màng chế tạo bằng phương pháp cán tráng thủ công trên đĩa petri chưa đạt độ đồng đều cao tuyệt đối về độ dày trên toàn bộ diện tích, điều này có khả năng ảnh hưởng đến độ phân tán của số liệu thử nghiệm độ bền kéo.
  2. Độ giòn vật liệu: Màng có hàm lượng tinh bột cao (80%) tuy đạt độ bền kéo đứt lớn nhưng độ dãn dài tương đối thấp (chỉ đạt 3,71%), màng còn biểu hiện tính chất cứng và giòn.
  3. Chỉ tiêu kiểm tra khâu mạch: Khóa luận chưa tiến hành xác định hàm lượng gel (gel fraction) sau phản ứng khâu mạch với glutaraldehyde để định lượng chính xác mức độ liên kết ngang của mạng polyme.
  4. Phương pháp đo độ trương nước: Phương pháp xác định độ trương nước theo khối lượng gặp khó khăn đối với các mẫu màng chưa có liên kết ngang hoặc có hàm lượng liên kết ngang thấp do mẫu bị hòa tan hoặc rã nhanh trong nước, dễ dẫn đến sai số thực nghiệm.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Bổ sung các chất hóa dẻo thân thiện môi trường (như glycerol, sorbitol) với tỷ lệ phù hợp nhằm cải thiện độ dãn dài và tính dẻo dai của màng mà không làm suy giảm nghiêm trọng độ bền kéo.
  • Thực hiện bổ sung phép thử đo hàm lượng gel để định lượng chính xác hiệu suất tạo mạng lưới của glutaraldehyde.
  • Tiến hành các thử nghiệm đánh giá khả năng phân hủy sinh học thực tế trong môi trường đất chôn lấp tự nhiên theo thời gian, kiểm tra độc tính tế bào và hoạt tính kháng khuẩn nhằm định hướng cụ thể ứng dụng làm màng phủ vết thương trong y sinh.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận cung cấp nguồn dữ liệu thực nghiệm hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên và nghiên cứu viên: Thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Vật liệu Polyme, Kỹ thuật Hóa Dược và Công nghệ Thực phẩm đang định hướng nghiên cứu về vật liệu polyme phân hủy sinh học trên cơ sở polysacarit tự nhiên.
  • Nội dung tham khảo trọng tâm:
    • Quy trình kỹ thuật biến tính điện hóa tinh bột sắn bằng hệ điện cực titan phủ oxit kim loại hỗn hợp (Ru/Ir/Ti).
    • Phương pháp kiểm soát phản ứng khâu mạch giữa tinh bột và PVA bằng glutaraldehyde ở quy mô phòng thí nghiệm.
    • Bộ số liệu thực nghiệm đối sánh về tính chất cơ lý kéo đứt (ASTM D882), độ trương nước (TCVN 2752-78) và độ hút ẩm (TCVN 4196:2012) của hệ vật liệu blend polyme ưa nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy trình xử lý biến tính tinh bột sắn thô trong khóa luận được thực hiện bằng phương pháp nào và thông số kỹ thuật ra sao?

Tinh bột sắn thô được biến tính bằng phương pháp điện phân huyền phù. 400 g tinh bột sắn được phân tán trong 4 lít nước chứa NaCl 5%. Hệ thống sử dụng 2 điện cực Titan (khoảng cách 10 cm) mạ lớp chống ăn mòn $RuO_2$, $IrO_2$, $TiO_2$. Quá trình điện phân dùng dòng điện xoay chiều 10 V, cường độ 3 A trong 2 giờ ở nhiệt độ 30°C có khuấy nhẹ. Sau đó, dung dịch được trung hòa bằng HCl 1 M về pH = 7, rửa sạch ion $Cl^-$ bằng nước cất (kiểm tra bằng $AgNO_3$ 0,1 M) và sấy khô ở 50°C trong 10 giờ.

2. Tỷ lệ phối trộn nào giữa tinh bột sắn biến tính, PVA và glutaraldehyde cho độ bền kéo đứt cao nhất?

Tỷ lệ phối trộn tối ưu đạt độ bền kéo đứt cao nhất là 80% tinh bột sắn biến tính - 20% PVA kết hợp với 2% glutaraldehyde (tính trên tổng khối lượng tinh bột và PVA khô). Tại tỷ lệ này, màng đạt độ bền kéo đứt cực đại là 43,39 MPa và độ dãn dài đạt 3,71%.

3. Tác nhân glutaraldehyde cải thiện độ bền nước của màng như thế nào so với màng không khâu mạch?

Màng không chứa glutaraldehyde có tốc độ trương nở nhanh và bắt đầu phân rã, tan rã hoàn toàn chỉ sau 30 phút ngâm nước. Khi được bổ sung 2% glutaraldehyde, các liên kết axetal/hemiaxetal hình thành mạng lưới không gian ngăn cản nước thâm nhập, giúp màng giữ nguyên hình dạng không nứt rách, thời gian duy trì trước khi bắt đầu rã kéo dài đến 2 giờ 30 phút và độ trương nước sau 2 giờ giảm mạnh xuống chỉ còn 49,10% (so với 491,97% của mẫu chứa 1% GA).

4. Những điểm hạn chế kỹ thuật nào của khóa luận đã được giảng viên phản biện chỉ ra?

Giảng viên phản biện (TS. Giang Ngọc Hà) đã nêu hai câu hỏi phản biện và chỉ ra các thiếu sót kỹ thuật gồm:

  • Màng thể hiện trên hình ảnh cảm quan (Hình 3.1) có độ đồng đều chưa cao, cần làm rõ ảnh hưởng của độ không đồng đều này đến độ lặp lại và khả năng tái thực hiện số liệu khi đo kéo đứt.
  • Khóa luận chưa tiến hành khảo sát hàm lượng gel (gel fraction) để chứng minh mức độ khâu mạch định lượng khi cho glutaraldehyde vào hệ.
  • Phương pháp khảo sát độ hút nước khi chưa có liên kết ngang dễ dẫn đến sai số do mẫu bị hòa tan vào nước trong quá trình đo.

5. Vì sao khi tăng hàm lượng tinh bột vượt quá 80% thì độ bền kéo đứt của màng lại suy giảm?

Trong hệ blend, PVA đóng vai trò tạo màng liên tục và tăng độ mềm dẻo, hỗ trợ phân tán ứng suất. Khi hàm lượng tinh bột tăng từ 50% lên 80%, sự kết hợp giữa các mạch tinh bột với PVA dưới tác dụng của chất nối ngang GA giúp tối ưu hóa mật độ liên kết. Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng tinh bột lên 90% và 100%, tỷ lệ PVA quá thấp khiến màng mất đi pha liên kết dẻo dai, ứng xử cơ học của màng chuyển hẳn sang tính chất giòn tự nhiên của tinh bột, làm suy giảm khả năng chịu lực kéo đứt từ 43,39 MPa xuống còn 27,80 MPa.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thị Thùy Trang đã nghiên cứu và chế tạo thành công màng polyme phân hủy sinh học trên hệ nền giàu tinh bột sắn biến tính (80%) phối trộn với 20% PVA và khâu mạch bằng 2% glutaraldehyde. Kết quả thực nghiệm khẳng định tác nhân glutaraldehyde đóng vai trò quyết định trong việc cải thiện độ bền kéo đứt của màng lên mức 43,39 MPa, đồng thời kéo dài thời gian ổn định trong môi trường nước lên 2 giờ 30 phút với độ trương nở kiểm soát ở mức 49,10%. Công trình đã cung cấp đầy đủ quy trình thực nghiệm từ khâu biến tính điện hóa nguyên liệu đến phân tích cấu trúc hóa lý bằng FTIR, DSC và XRD, tạo tiền đề khoa học cho các nghiên cứu ứng dụng màng phân hủy sinh học trong bao bì thân thiện môi trường và y sinh.