ĐẶT VẤN ĐỀ Lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng vật liệu tái tạo, vật liệu xanh để sản xuất các sản phẩm giá trị cao, ngày càng thu hút sự quan tâm của nhiều học giả và giới công nghiệp bởi sự nhận thức ngày càng tăng của cộng đồng và các chính phủ về việc tìm kiếm những giải pháp thay thế cho các nguồn tài nguyên hóa thạch đang ngày càng cạn. Đây cũng là yêu cầu bắt buộc của việc phát triển bền vững, giảm thiểu ô nhiễm và các tác động tiêu cực đến môi trường. Trong bối cảnh đó, các polyme sinh học như cellulose, tinh bột, alginate, chitin, chitosan và gelatin đã được xác định là những ứng cử viên đầy hứa hẹn, với trữ lượng dồi dào từ nhiều nguồn khác nhau và phân bố trải rộng ở khắp nơi trên thế giới. Trong số các polyme tự nhiên, cellulose và chitosan là hai vật liệu phong phú nhất, với tiềm năng trữ lượng lớn, có thể biến đổi và chức năng hóa nhằm ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau trong công nghiệp.
Rất nhiều các nghiên cứu về ứng dụng khác nhau của cellulose và chitosan ở cấp độ nano đã được thực hiện trong hai thập kỉ vừa qua. Nanocellulose và nanochitosan được đánh giá cao với nhiều lợi thế là loại vật liệu tự nhiên, phong phú, phân hủy sinh học, sản xuất không can thiệp vào chuỗi thức ăn và có nhiều đặc tính chức năng tốt như: tương thích sinh học, là vật liệu nhẹ với độ bền và mô đun cao, tỷ lệ hình dạng, diện tích bề mặt cao, có khả năng phản ứng hóa học, có thể biến tính, có tính ổn định kích thước, có tính chất rào cản và khả năng tạo màng. Với những ưu điểm đó, nanocellulose và nanochitosan trở thành những vật liệu rất phù hợp cho việc phát triển các công nghệ mới trong ngành công nghiệp bột giấy, giấy và bao bì. Đặc biệt là ứng dụng trong các loại lớp phủ bề mặt của giấy bao gói, bởi khả năng tạo màng, tính chất rào cản và độ bền cơ lý đặc biệt xuất sắc, thay thế các loại màng phủ làm từ vật liệu nilong không thể phân hủy sinh học.
Hơn nữa, vật liệu nanochitosan còn có khả năng kháng khuẩn độc đáo, cung cấp một đặc tính chức năng quan trọng cho nhiều loại giấy bao bì đặc biệt như giấy bao gói thực phẩm, giấy bao gói dùng trong y tế. Sự kết hợp của hai loại vật liệu nano, biopolyme: nanocellulose và nanochitosan mở ra cơ hội để giải quyết hai vấn đề quan trọng về tính chống thấm và tính kháng khuẩn cho các loại giấy bao gói như giấy bao gói thực phẩm. Do đó tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo giấy bao gói kháng khuẩn từ bột giấy sunfat tẩy trắng” để sử dụng nanocellulose, nanochitosan chế tạo được trong thành phần gia keo bề mặt của giấy bao bì nhằm cải thiện tính chống thấm và khả năng kháng khuẩn của giấy. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.
Tổng quan về giấy bao gói 1. Các loại giấy bao bì, bao gói Theo phân loại của Statistisches Bundesamt (Cơ quan Thống kê Liên bang Đức) đưa ra, dựa trên cơ sở của Hệ thống hài hòa mô tả và mã hóa hàng hóa (HS CODE) của Tổ chức Hải quan thế giới, các loại giấy và giấy bìa có thể được chia thành bốn nhóm chính: giấy đồ họa (graphic papers), giấy bao bì và các loại bìa (packaging paper and board grades), giấy vệ sinh (hygienic papers), các loại giấy và bìa đặc biệt (specialty paper and board grades) [1]. Trong các loại giấy và bìa, giấy bao bì là nhóm chiếm tỉ lệ lớn nhất trong cơ cấu sản xuất và tiêu thụ. Theo số liệu thống kê của Hiệp hội Giấy và Bột giấy Việt Nam, năm 2021 tổng sản lượng giấy các loại của Việt Nam đạt 5,45 triệu tấn, tăng trưởng 8,0% so với năm 2020.
Trong đó, giấy bao bì (testliner và medium) được sản xuất chủ yếu từ nguyên liệu giấy thu hồi, đạt sản lượng 4,728 triệu tấn, tăng 11% so với năm 2020 (Hình 1. Về thị trường, tổng tiêu dùng giấy toàn ngành năm 2021 ước đạt 5,71 triệu tấn (tăng trưởng 4,2%), trong đó giấy bao bì chiếm 79,6% đạt 4,545 triệu tấn, tăng trưởng 6,0% so với cùng kỳ năm 2020. Cả về sản xuất và tiêu thụ, giấy bao bì đều đang có mức tăng trường cao hơn so với mức tăng trưởng chung của toàn ngành [2]. Sản xuất giấy các loại của Việt Nam trong năm 2021 (Đơn vị: nghìn tấn) Nhiều cách phân loại khác nhau có thể được sử dụng cho giấy bao bì nói 2 chung, ví dụ như phân loại theo số lớp giấy, phân loại theo nguồn gốc nguyên liệu, phân loại theo mục đích sử dụng.
Theo số lớp giấy, giấy bao bì bao gồm: giấy bao bì một lớp, giấy bìa hai lớp/ giấy duplex (two-layer board), giấy bìa ba lớp (three-layer board), giấy bìa nhiều lớp (multi-layer board). Các lớp giấy có thành phần giống hoặc khác nhau, được hình thành và dán dính vào nhau trong quá trình sản xuất khi ở trạng thái ướt mà không sử dụng keo dán. Theo nguồn gốc, giấy bao bì có thể là giấy kraft (kraft paper), loại giấy làm từ 100% bột giấy kraft hoặc hỗn hợp bột giấy kraft và các loại bột giấy khác trong đó bột giấy kraft là chủ yếu. Định lượng của giấy kraft nằm trong khoảng rộng từ 40-350 g/m2.
Giấy bao bì cũng có thể là giấy bao gói sulfite (sulfite wrapping paper), một loại giấy có thành phần chứa khoảng 70% bột giấy sợi nguyên sinh và không quá 30% xơ sợi từ bột giấy sulfit với định lượng thông thường trên 30 g/m2. Tuy nhiên, cách phân loại phổ biến nhất là phân chia giấy bao bì theo các mục đích bao gói (packaging) khác nhau [1, 3, 4]. Giấy bao gói thông thường (Wraping paper) Theo tiêu chuẩn ngành 24 TCN 73:1999 của Bộ Công nghiệp nay là Bộ Công thương ban hành năm 1999 cho Giấy bao gói (Wraping paper), giấy bao gói được làm từ 100% bột kraft hoặc hỗn hợp của bột kraft với bột cơ học, bột tái chế; định lượng giấy 30-125 g/m2; chất lượng giấy được phân thành 2 cấp A và B với các yêu cầu về tính chất cụ thể. Sau đó, năm 2002, Bộ Khoa học và Công nghệ cũng ban hành Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7063:2002 cho Giấy bao gói (Wrapping paper).
Theo đó, nguyên liệu sản xuất giấy bao gói được làm từ bột giấy kraft hoặc hỗn hợp của bột giấy kraft với bột giấy cơ học, bột giấy tái chế. Chất lượng giấy cũng được phân thành 2 cấp A và B riêng biệt, với các yêu cầu cụ thể được trình bày trong như trong Bảng 1. Những tiêu chuẩn này chỉ áp dụng cho các loại giấy được sử dụng để bao gói thông thường, không áp dụng cho các loại giấy dùng làm túi, dùng để bao gói thực phẩm hoặc các mục đích đặc biệt khác. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7063:2002 về Giấy bao gói Mức Tên chỉ tiêu Phương pháp thử Cấp A Cấp B 1.
Định lượng*, g/m2 30 - 125 45 - 125 TCVN 1270 : 2000 2. Chiều dài đứt, m, không nhỏ hơn TCVN 1862: 2000 - Chiều dọc 5500 4200 3 Mức Tên chỉ tiêu Phương pháp thử Cấp A Cấp B - Chiều ngang 3000 2500 3. Chỉ số xé, mN.m2/g, không nhỏ hơn TCVN 3229 : 2000 - Chiều dọc 11,0 8,6 - Chiều ngang 12,3 10,4 4. Chỉ số bục, kPa.m2/g, không nhỏ hơn TCVN 3228-1: 2000 - Với định lượng đến 75 g/m2 4,5 3,0 - Với định tượng bằng và lớn hơn 75 3,8 2,5 g/m2 5.
Độ hút nước Cobb60, g/m2, không lớn 30,0 TCVN 6726 : 2000 hơn 6. Độ ẩm, % 7±2 TCVN 1867 : 2001 *Chú thích - Sai số cho phép ± 4%. Bìa carton (Cartonboards) Thông thường hầu hết các loại giấy (paper) có định lượng dưới 225 g/m2. Khi định lượng trên 225 g/m2, những sản phẩm này thường được gọi là (giấy) bìa (paper board).
Các loại giấy bìa có định lượng trên 600 g/m2 thường được gọi là giấy bìa cứng (cardboards). Trong khi, bìa carton (cartonboard) là nhóm các loại giấy với định lượng trung bình 200-600 g/m2, thường bao gồm hai, ba hoặc nhiều lớp sợi được hình thành và dán dính vào nhau trong quá trình sản xuất khi ở trạng thái ướt mà không sử dụng keo dán. - Giấy bìa hộp gấp (FBB, folding boxboard): là loại giấy bìa một hoặc nhiều lớp làm từ sợi nguyên sinh (bột giấy hóa học hoặc bột cơ) và sử dụng để sản xuất hộp gấp chứa các sản phẩm mĩ phẩm, các loại thực phẩm, bánh kẹo. FBB thường được tráng phủ pigment trên bề mặt để có tính chất in ấn tốt hơn.
- Solid bleached board (SBB) hay solid bleached sulphate (SBS): là một loại giấy bìa làm từ 100% bột giấy hóa học tẩy trắng nguyên sinh, tráng phủ 2 mặt bằng một hay nhiều lớp pigment. SBB/SBS có màu trắng đẹp cả 2 mặt, với đặc tính in ấn tốt, lí tưởng sử dụng cho mục đích đồ họa và đóng gói đặc biệt là các sản phẩm nhạy cảm với hương thơm và hương vị như sô-cô-la , thuốc lá, mỹ phẩm. 4 - Solid unbleached board (SUB): là một loại giấy bìa thường được làm từ bột giấy hóa học chưa tẩy trắng hoặc từ xơ sợi tái chế. SUB thông thường được tráng phủ 1 mặt bởi lớp pigment.
Mục đích sử dụng chính của loại giấy bìa này là để đóng gói thực phẩm đông lạnh, đồ uống mang theo, bột giặt, ngũ cốc, giày dép, đồ chơi và các loại khác. - Giấy chipboard (Chipboard paper): là loại giấy bìa nhiều lớp được sản xuất từ giấy tái chế. Giấy chipboard được sử dụng rộng rãi để làm ống giấy (lõi cuộn sợi, chỉ), lon đựng trà hoặc làm pallet giấy, mắc áo, giấy lót container. - White-lined chipboard (WLC): là một dạng giấy bìa chipboard được tráng phủ pigment trên bề mặt và sử dụng cho mục đích tương tự như FBB, nhưng có nguồn gốc chủ yếu từ sợi tái chế.
Đôi khi lớp trên của WLC có thể được sản xuất từ sợi nguyên sinh. - Duplex Coated Board: là giấy có 2 mặt trong đó một mặt làm từ bột giấy tẩy trắng một mặt làm từ loại bột giấy khác và được tráng phủ trên bề mặt bởi một lớp pigment. Giấy bao bì cho carton sóng hòm hộp (Containerboards) Carton sóng hòm hộp (corrugated container) gồm tối thiểu 3 lớp giấy dính với nhau bởi các loại keo dán: giấy lớp mặt ngoài (liner), giấy lớp sóng (corrugated medium) và giấy lớp mặt trong (liner).3 là mô phỏng cấu trúc của carton sóng hòm hộp. Giấy lót bên ngoài hộp thường sẽ được in và đại diện cho hàng hóa bên trong, do đó, loại giấy này yêu cầu chất lượng bề mặt cao để có kết quả in ấn tốt và đảm bảo độ bền bục phải cao để bảo vệ hàng hóa.