Nghiên cứu chế tạo biocomposite dựa trên poly(lactic) acid và sợi cellulose trích ly từ lõi ngô – định hướng làm vật liệu in 3D

Khóa luận chế tạo biocomposite từ PLA và sợi cellulose lõi ngô in 3D tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Phạm Đức Thịnh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Chí Thanh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo biocomposite dựa trên poly(lactic) acid và sợi cellulose trích ly từ lõi ngô – định hướng làm vật liệu in 3D
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về biocomposite từ PLA và sợi cellulose lõi ngô

Nghiên cứu chế tạo biocomposite từ PLA và sợi cellulose lõi ngô tại HCMUTE mở ra giải pháp xanh cho ngành vật liệu. Poly(lactic) acid là nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học nguồn gốc từ tinh bột. Nhựa PLA có độ cứng cao, tính quang học tốt và khả năng gia công thuận lợi. Tuy nhiên, PLA nguyên bản có giá thành cao và độ dai va đập còn hạn chế. Sợi cellulose trích ly từ lõi ngô đóng vai trò pha gia cường lý tưởng. Nguồn phế phẩm nông nghiệp này dồi dào, giá rẻ và tái sinh nhanh tại Việt Nam. Quá trình trích ly giúp tách bỏ lignin và hemicellulose để thu hồi sợi cellulose tinh sạch. Việc kết hợp sợi cellulose với nền PLA tạo ra vật liệu composite sinh học đồng nhất. Biocomposite sở hữu đặc tính cơ học vượt trội, giảm tỷ trọng và tăng tốc độ phân hủy tự nhiên. Đây là hướng nghiên cứu trọng điểm của Bộ môn Công nghệ Vật liệu thuộc HCMUTE. Công trình đáp ứng xu hướng phát triển bền vững và giảm thiểu rác thải nhựa.

1.1. Đặc tính của nhựa sinh học PLA và sợi cellulose

Nhựa poly(lactic) acid sở hữu mô-đun đàn hồi cao và độ bền kéo ấn tượng. Vật liệu này nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 150 đến 180 độ C. Khả năng tương thích sinh học biến PLA thành vật liệu chuẩn mực trong in 3D. Ngược lại, sợi cellulose từ lõi ngô có cấu trúc dạng sợi xơ với độ bền riêng cao. Thành phần cellulose tự nhiên chứa mạng lưới liên kết hydro nội phân tử rất chặt chẽ. Hàm lượng cellulose trong lõi ngô chiếm tỷ lệ đáng kể sau khi loại bỏ lignin. Sự kết hợp giữa hai vật liệu này bổ trợ khuyết điểm cho nhau. Hạt nhựa PLA bao bọc các bó sợi cellulose giúp phân tán ứng suất đồng đều. Cấu trúc liên kết chặt chẽ nâng cao độ cứng vững cho sản phẩm hoàn thiện.

1.2. Xu hướng nghiên cứu vật liệu xanh tại HCMUTE

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn tiên phong nghiên cứu công nghệ vật liệu xanh. Đề tài tại HCMUTE tập trung giải quyết bài toán tái chế phụ phẩm nông nghiệp nội địa. Lõi ngô tại Việt Nam thường bị đốt bỏ hoặc vứt bỏ gây ô nhiễm môi trường. Nhóm nghiên cứu đã tận dụng nguồn sinh khối này để sản xuất vật liệu composite giá trị cao. Quá trình nghiên cứu định hướng trực tiếp đến ứng dụng in 3D FDM. Sản phẩm tạo ra có khả năng thay thế nhựa gốc dầu mỏ truyền thống. Đề tài khẳng định năng lực học thuật và tính ứng dụng thực tiễn của sinh viên kỹ thuật. Đây là bước tiến quan trọng thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn bền vững.

II. Thách thức tương thích pha khi chế tạo PLA sợi cellulose

Quá trình phối trộn trực tiếp sợi cellulose vào nhựa PLA đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Bản chất phân cực đối nghịch là nguyên nhân gốc rễ gây ra vấn đề. Sợi cellulose chứa nhiều nhóm hydroxyl tự do nên có tính ưa nước cực mạnh. Ngược lại, mạch polymer PLA lại mang đặc tính kỵ nước rõ rệt. Sự bất tương thích này làm suy giảm lực liên kết bề mặt giữa hai pha. Các sợi cellulose có xu hướng tự kết tụ lại với nhau thành cụm lớn. Hiện tượng vón cục cản trở sự phân tán sợi đồng đều trong nền nhựa lỏng. Khi chịu tác dụng của ngoại lực, vùng tiếp diện kém bám dính sẽ sinh ra vi nứt. Các khuyết tật cấu trúc khiến vật liệu dễ bị gãy giòn và giảm độ bền va đập. Ngoài ra, độ ẩm còn sót lại trong sợi tự nhiên dễ làm phân hủy nhiệt PLA khi gia công nóng. Khi đưa vào đầu đùn máy in 3D, sự vón cục sợi gây tắc nghẽn vòi phun nghiêm trọng. Bề mặt vật thể in ra trở nên xù xì, sai lệch kích thước và giảm chất lượng thẩm mỹ. Do đó, bài toán biến tính bề mặt sợi cellulose là yêu cầu cấp thiết.

2.1. Hiện tượng tách pha do bất đồng phân cực bề mặt

Sự khác biệt năng lượng bề mặt gây ra hiện tượng tách pha rõ rệt. Cellulose có mật độ nhóm phân cực hydroxyl rất dày đặc trên thành sợi. Nhựa PLA lại chứa khung carbon kỵ nước với chuỗi este dài. Hai pha này không thể tự hòa tan hay khuếch tán vào nhau. Lực liên kết liên diện giữa PLA và cellulose chỉ là tương tác Van der Waals yếu ớt. Khi chịu lực cơ học kéo trượt, các sợi cellulose dễ bị tuột ra khỏi nền nhựa. Hiện tượng rút sợi để lại các lỗ rỗng lớn trong cấu trúc vật liệu. Khối composite không thể truyền ứng suất hiệu quả từ nền sang sợi gia cường. Kết quả làm giảm đáng kể độ bền cơ học của composite.

2.2. Trở ngại khi định hình vật liệu in 3D FDM

Công nghệ in 3D FDM đòi hỏi vật liệu có dòng chảy nóng chảy ổn định. Khi sợi cellulose không đồng nhất, độ nhớt nóng chảy biến thiên liên tục. Sợi vón cục làm nghẽn đầu đùn có đường kính nhỏ từ 0.4 mm. Sự tắc nghẽn làm gián đoạn quá trình in và gây lỗi đùn thiếu nhựa. Bên cạnh đó, sợi cellulose hút ẩm nhanh trong không khí ẩm nhiệt đới. Hơi nước bốc hơi ở nhiệt độ gia công 180 đến 200 độ C tạo bọt khí. Bọt khí gây xốp cấu trúc và tạo ra các điểm tập trung ứng suất nguy hiểm. Chi tiết in ra dễ bị cong vênh, co ngót và nứt vỡ giữa các lớp. Vì vậy, xử lý sợi triệt để là điều kiện tiên quyết.

III. Quy trình chế tạo biocomposite PLA sợi cellulose tại HCMUTE

Quy trình chế tạo tại HCMUTE giải quyết triệt để rào cản phân tán và tương thích. Trước hết, sợi cellulose được trích ly từ lõi ngô qua xử lý kiềm và tẩy trắng. Phương pháp này loại bỏ hoàn toàn lignin và hemicellulose bọc ngoài. Để tăng độ tương hợp với PLA, nhóm nghiên cứu biến tính sợi bằng dầu cám gạo RBO. Hỗn hợp RBO và ethanol được phân tán bằng máy rung siêu âm năng lượng cao. Sợi cellulose được ngâm trong dung dịch này để các phân tử lipit phủ lên bề mặt. Quá trình phủ tạo ra lớp đệm kỵ nước giúp sợi tương thích tốt với mạch PLA. Sau bước biến tính, vật liệu được sấy khô hoàn toàn trong lò sấy chuyên dụng. Nhựa PLA và sợi cellulose đã xử lý được đưa vào máy trộn cơ học. Quá trình trộn diễn ra ở tốc độ cao đảm bảo phân bố sợi đồng nhất. Tiếp theo, hỗn hợp được gia nhiệt và ép bằng máy ép nhiệt ở 180 độ C trong 5 phút. Áp lực ép phù hợp giúp loại bỏ triệt để bọt khí phát sinh. Phôi composite sau khi ép nguội đạt độ đặc chắc cao và cấu trúc vi mô ổn định.

3.1. Phương pháp biến tính sợi cellulose bằng dầu cám gạo

Biến tính bề mặt bằng dầu cám gạo RBO là kỹ thuật xanh mang tính đột phá. Đầu tiên, dầu RBO được hòa tan vào ethanol nguyên chất theo tỷ lệ chuẩn. Máy đánh siêu âm hỗ trợ tán mịn các giọt dầu thành kích thước micro. Bột sợi cellulose sau đó được ngâm trực tiếp vào hỗn hợp dung dịch này. Sóng siêu âm giúp các phân tử axit béo len lỏi sâu vào từng sợi xơ. Đuôi kỵ nước của axit béo hướng ra ngoài tạo màng chắn ẩm hiệu quả. Mẫu sợi sau xử lý được hong khô tự nhiên rồi sấy cưỡng bức trong 90 phút. Phương pháp này nâng cao rõ rệt độ bám dính liên diện mà không dùng hóa chất độc hại.

3.2. Kỹ thuật gia công nhiệt tạo hỗn hợp đồng nhất

Công đoạn ép nhiệt quyết định độ đồng nhất và độ bền của mẫu biocomposite. Các thành phần PLA và sợi cellulose được sấy kiệt ẩm trước khi trộn. Nhiệt độ khuôn ép được cài đặt chính xác ở mức 180 độ C. Hỗn hợp sau khi phối trộn được đưa vào lòng khuôn và ủ nóng trong 3 phút. Thao tác ép sơ bộ giúp nền nhựa PLA chảy đều qua các khe sợi. Quá trình ép chính diễn ra liên tục trong 5 phút dưới áp suất thủy lực ổn định. Áp lực nén đẩy toàn bộ bọt khí ra khỏi khối vật liệu nóng chảy. Biocomposite được giữ nguyên trong khuôn cho đến khi nguội và rắn chắc hoàn toàn.

IV. Đánh giá ứng dụng biocomposite PLA sợi cellulose in 3D

Nghiên cứu chế tạo biocomposite từ PLA và sợi cellulose lõi ngô tại HCMUTE đạt kết quả xuất sắc. Vật liệu composite sinh học sau khi gia cường sợi cellulose biến tính thể hiện cơ tính vượt trội. Độ bền uốn và mô-đun đàn hồi tăng trưởng rõ rệt so với nhựa PLA nguyên chất. Sự kết hợp này cũng giúp giảm giá thành nguyên liệu đầu vào một cách đáng kể. Đặc biệt, sản phẩm duy trì hoàn toàn khả năng phân hủy sinh học trong môi trường tự nhiên. Vật liệu không phát sinh vi nhựa độc hại gây ô nhiễm nguồn đất và nguồn nước. Định hướng lớn nhất của đề tài là sản xuất sợi filament phục vụ công nghệ in 3D FDM. Sợi nhựa composite có đường kính chuẩn xác, dòng chảy ổn định và không làm tắc vòi phun. Ứng dụng tiềm năng bao gồm sản xuất bao bì sinh học tự hủy, chi tiết trang trí nội thất và vỏ thiết bị điện tử. Đề tài mở ra tiềm năng thương mại hóa các sản phẩm xanh từ nguồn phế phẩm ngô dồi dào. Nghiên cứu khẳng định giá trị thực tiễn to lớn trong chiến lược bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế tuần hoàn.

4.1. Tiềm năng ứng dụng làm sợi filament in 3D FDM

Sợi filament biocomposite PLA kết hợp sợi cellulose biến tính sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội. Đường kính sợi đùn đạt độ đồng nhất cao, đáp ứng dung sai khắt khe của máy in 3D. Độ kết dính giữa các lớp in FDM được cải thiện rõ rệt nhờ sự hỗ trợ của pha sợi gia cường. Sản phẩm in hoàn thiện giảm thiểu cong vênh ở góc mép so với nhựa PLA nguyên bản. Màu sắc tự nhiên của sợi lõi ngô mang lại tính thẩm mỹ mộc mạc và độc đáo cho mô hình. Vật liệu này phù hợp in các chi tiết kiến trúc, vỏ ốp mỹ thuật và nguyên mẫu kỹ thuật. Đây là giải pháp thay thế hoàn hảo cho các cuộn nhựa in nguồn gốc dầu mỏ.

4.2. Ý nghĩa môi trường và phát triển kinh tế tuần hoàn

Tận dụng lõi ngô chế tạo biocomposite mang lại lợi ích to lớn về mặt sinh thái. Giải pháp này giúp cắt giảm hàng triệu tấn phế phẩm nông nghiệp bị đốt bỏ lộ thiên mỗi năm. Việc giảm phát thải khí nhà kính và tro bụi góp phần bảo vệ chất lượng không khí. Bên cạnh đó, vật liệu biocomposite có khả năng tự phân hủy sinh học trong đất mà không độc hại. Sản phẩm thải bỏ chuyển hóa thành mùn hữu cơ nuôi dưỡng cây trồng. Nghiên cứu tại HCMUTE khẳng định tính khả thi của mô hình kinh tế tuần hoàn khép kín. Giá trị của nông sản được nâng cao, tạo thêm nguồn sinh kế mới cho nông dân và doanh nghiệp tái chế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu 1. Trên thế giới Ngô, “vua” của các loại cây trồng, mỗi năm cung cấp cho thế giới hơn 1,09 tỷ tấn [1]. Hoa Kỳ, với 30% sản lượng toàn cầu [1], đóng vai trò quan trọng trong chuỗi cung ứng này.

Tuy nhiên, đằng sau những con số ấn tượng là một vấn đề nan giải: lượng lõi ngô khổng lồ bị thải bỏ hàng năm đang gây áp lực lớn lên môi trường. Để biến thách thức thành cơ hội, các nhà khoa học đã tìm ra giải pháp: tái chế lõi ngô thành cellulose, nguyên liệu quý giá để sản xuất các vật liệu xanh như bao bì sinh học hay vật liệu xây dựng. Việc tận dụng tối đa nguồn tài nguyên này không chỉ giảm thiểu ô nhiễm mà còn mở ra cánh cửa cho một nền kinh tế tuần hoàn bền vững. Trước bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc tìm kiếm các giải pháp thay thế bền vững là vô cùng cấp thiết.

Nghiên cứu năm 2013 của Hudson Alves Silvérioa và cộng sự [2] đã mở ra một hướng đi mới bằng cách tận dụng lõi ngô, một loại phế phẩm nông nghiệp, để sản xuất cellulose nanocrystals (CNC). CNC60, được tạo ra sau 60 phút thủy phân, đã thể hiện khả năng tăng cường độ bền kéo của vật liệu composite PVA lên đến 140,2%. Kết quả này mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi CNC trong các ngành công nghiệp đòi hỏi vật liệu nhẹ, bền và thân thiện với môi trường. CNC không chỉ giúp giảm thiểu lượng rác thải mà còn tạo ra các vật liệu composite có độ bền cao, nhẹ và thân thiện với môi trường, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như ô tô, hàng không và xây dựng.

Nghiên cứu của Ng Wei Keat và cộng sự (2019) [3] đã chứng minh tiềm năng sử dụng lõi ngô, một nguồn tài nguyên tái chế dồi dào, để cải thiện tính chất nhiệt của nhựa PLA. Nhóm nghiên cứu đã trích ly nanocrystals cellulose (CNC) hình kim có tỷ lệ dài- rộng cao từ lõi ngô thông qua quá trình thủy phân axit. CNC có độ ổn định nhiệt cao và khả năng phân tán tốt trong nước. Khi kết hợp CNC với PLA, vật liệu composite thu được có độ kết tinh cao hơn và độ bền nhiệt vượt trội so với PLA.

Điều này mở ra hướng đi mới cho việc sử dụng các phế phẩm nông nghiệp để sản xuất vật liệu composite thân thiện với môi trường có tính năng nhiệt ưu việt. Việc bảo vệ môi trường và đảm bảo an toàn thực phẩm là hai vấn đề được quan tâm hàng đầu hiện nay. Nghiên cứu của M. Zulham Efendy Sinaga và cộng sự năm 2017 [4] đã mang đến một giải pháp tiềm năng cho cả hai vấn đề này.

Nghiên cứu đã chuyển đổi phế phẩm lõi ngô thành màng nanocomposite cellulose có tính sinh học cao. Sau khi tách chiết 17,4% cellulose tinh khiết, nhóm nghiên cứu đã sản xuất thành công màng nanocomposite với chất lượng tốt. Kết quả phân tích SEM cho thấy thời gian ngâm 60 1 phút là tối ưu để tạo ra bề mặt màng đồng đều. Màng nanocomposite này có tiềm năng lớn trong việc thay thế các loại nhựa truyền thống, góp phần bảo vệ môi trường và đảm bảo an toàn thực phẩm.

Một hướng nghiên cứu mới của Hongyan Chen, Yongli Yuan và Qingqing Li vào năm 2020 [5] đã giới thiệu một giải pháp sáng tạo và bền vững cho ngành bao bì thực phẩm. Bằng cách tận dụng tinh bột ngô và sợi cellulose từ lõi ngô - những nguồn phế thải nông nghiệp thường bị bỏ đi - nhóm nghiên cứu đã phát triển màng composite SCC.