Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Từ cuối thập niên 1990, poly(ethylene terephthalate) (PET) trở thành một trong những loại nhựa nhiệt dẻo được tiêu thụ phổ biến hàng đầu thế giới, đặc biệt trong ngành công nghiệp sản xuất bao bì và chai lọ chứa thực phẩm, đồ uống dùng một lần nhờ đặc tính nhẹ, bền cơ học, trơ hóa học và ngăn chặn vi sinh vật hiệu quả. Tuy nhiên, đi cùng với sản lượng tiêu thụ khổng lồ là sự gia tăng nghiêm trọng của lượng rác thải nhựa PET khó phân hủy sinh học, tạo ra áp lực lớn đối với môi trường toàn cầu. Dẫn chứng từ số liệu của Hiệp hội Phục hồi Tài nguyên Thùng chứa PET Hoa Kỳ (NAPCOR) năm 2017 cho thấy: chỉ riêng tại thị trường Mỹ, trong số gần 2.682 tấn chai nhựa PET bán ra, chỉ có khoảng 29,2% (khoảng 783 tấn) được thu hồi tái chế, để lại hơn 1.899 tấn rác thải xả trực tiếp ra môi trường tự nhiên; tỷ lệ tái chế giai đoạn 2014–2017 luôn dao động ở mức xấp xỉ 30%. Song song với bài toán xử lý chất thải rắn, hệ thống hạ tầng giao thông đường bộ tại Việt Nam đang đối mặt với tình trạng xuống cấp nhanh chóng dưới tác động của lưu lượng phương tiện và biến đổi nhiệt độ, dẫn tới các hư hỏng kết cấu phổ biến như nứt vỡ chân chim và lún vệt bánh xe. Xuất phát từ hai thực tiễn trên, khóa luận tốt nghiệp của tác giả Huỳnh Tấn Lộc hướng tới việc tận dụng nguồn rác thải chai nhựa PET phế thải, chuyển hóa bằng phương pháp hóa học kết hợp gia nhiệt vi sóng để tạo ra phụ gia polyme biến tính cho nhựa đường giao thông.

Khóa luận xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Rút ngắn thời gian phân hủy PET phế thải bằng phương pháp glycol giải dưới sự trợ giúp của bức xạ lò vi sóng;
  2. Ứng dụng các sản phẩm oligomer PET (oPET) thu được sau phản ứng làm chất phụ gia biến tính nhằm cải thiện các chỉ tiêu cơ lý và độ bền nhiệt của chất kết dính nhựa đường.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành ba nội dung chính:

  1. Tổng quan tình hình phân giải rác thải PET và ứng dụng PET cũng như oligomer PET trong cải tiến chất lượng nhựa đường;
  2. Khảo sát ảnh hưởng của các mốc thời gian bức xạ vi sóng đến quá trình phản ứng glycol giải PET (xác định khối lượng phân tử phân đoạn oligomer thông qua chỉ số acid và chỉ số hydroxyl);
  3. Phối trộn sản phẩm oPET vào nhựa đường 60/70 theo các tỷ lệ khác nhau, phân tích đánh giá cấu trúc hóa học, hình thái vi mô, đặc tính nhiệt và các chỉ tiêu cơ lý của nhựa đường cải tiến.

Đối tượng nghiên cứu trực tiếp bao gồm vỏ chai nước uống Aquafina phế thải (làm nguồn cấp PET) và nhựa đường đặc gốc dầu mỏ mác 60/70 do PV Oil Việt Nam cung cấp. Về phạm vi không gian và thời gian, các thực nghiệm được triển khai từ tháng 12/2019 đến tháng 08/2020 tại Phòng thí nghiệm Hóa Polyme (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh), Phòng thí nghiệm Vật liệu Polyme và Composite (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG TP.HCM), Phòng thí nghiệm Bộ môn Cầu đường (Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM) và Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng (Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải TP.HCM).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khóa luận xây dựng hệ thống luận điểm dựa trên cơ sở hóa học đại phân tử và công nghệ vật liệu đường bộ:

  • Cơ chế tái chế hóa học PET: Phân loại theo bốn cấp độ tái chế nhựa (cấp một: tái đùn phế liệu sạch tại nhà máy; cấp hai: tái chế cơ học/vật lý; cấp ba: tái chế hóa học chuyển đổi chuỗi polyme thành monome/oligomer; cấp bốn: thiêu đốt thu hồi năng lượng) và cấp độ "zero-order" (tái sử dụng trực tiếp). Nghiên cứu tập trung vào phản ứng tái chế cấp ba bằng phương pháp dung môi giải (solvolysis), cụ thể là phản ứng glycol giải (glycolysis). Bản chất phản ứng là sự bẻ gãy các liên kết este trong mạch đại phân tử PET dưới sự tấn công ái nhân của các nhóm hydroxyl từ ethylene glycol (EG), hình thành monome bis(2-hydroxyethyl) terephthalate (BHET) và các mạch ngắn oligomer (oPET). Phản ứng được gia tốc bằng hiệu ứng nhiệt cục bộ từ bức xạ vi sóng ở dải sóng điện từ thay vì gia nhiệt dẫn truyền truyền thống.
  • Mô hình keo và cấu trúc nhựa đường: Nhựa đường được mô tả theo mô hình hệ phân tán keo, bao gồm các mixen asphaltene (pha phân tán mang tính phân cực cao, quyết định độ nhớt và độ cứng) lơ lửng trong môi trường chất phân tán maltene (gồm nhựa, chất thơm và hợp chất no). Các chỉ tiêu chất lượng được đánh giá dựa trên tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia TCVN 7493-2005 (phân loại nhựa đường theo độ kim lún), cùng các phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn quốc tế như ASTM D5 (độ kim lún), ASTM D36 (nhiệt độ hóa mềm bằng dụng cụ vòng và bi) và ASTM D113 (độ giãn dài).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được thiết kế theo quy trình nhiều bước:

Công đoạn thực nghiệm Hóa chất / Thiết bị chính Thông số kỹ thuật / Tiêu chuẩn áp dụng
Tiền xử lý nguyên liệu Vỏ chai Aquafina phế thải, nước cất Bóc nhãn mác, rửa sạch, sấy khô ở 65 °C trong 6 giờ, cắt vảy kích thước 2×2 mm
Phản ứng glycol giải Ethylene glycol (EG 99,9%), kẽm acetate (Zn(CH3COO)2), Lò vi sóng LG MS2029U Tỷ lệ khối lượng PET : EG = 1 : 5 (30 g PET, 150 g EG); xúc tác 0,05% khối lượng hệ (0,09 g); công suất cố định 350 W; thời gian khảo sát: 25, 30, 35 phút
Tách phân đoạn sản phẩm Nước cất sôi, bể làm lạnh, phễu lọc chân không Rocker 300, tủ sấy Hòa hỗn hợp phản ứng vào nước sôi, lọc nóng thu bã rắn oPET (sấy 65 °C trong 8 giờ); dịch lọc làm lạnh ở 0 °C, lọc lạnh thu kết tinh BHET (sấy 65 °C trong 8 giờ)
Xác định chỉ số Acid ($I_A$) KOH 0,1 N, hỗn hợp dung môi THF : H2O (4 : 1), phenolphthalein, máy rửa siêu âm UC 300 Sturdy Cân 0,5 g oPET, siêu âm phân tán 30 phút, chuẩn độ bằng dung dịch KOH 0,1 N đến khi dung dịch giữ màu hồng bền 15 giây
Xác định chỉ số Hydroxyl ($I_H$) NaOH 2,0 N, Pyridine : Acetic anhydride (1000 : 127), hệ đun hoàn lưu cách thủy Cân 0,5 g oPET, axetyl hóa ở 95 °C trong 4 giờ, pha loãng với 100 ml nước cất, chuẩn độ bằng dung dịch NaOH 2,0 N
Khối lượng phân tử số trung bình ($M_n$) Công thức chuẩn độ hóa học $M_n = \frac{56,1 \times n \times 1000}{I_A + I_H}$ (với $n = 2$ là số nhóm chức tận cùng trên mỗi phân tử)
Chế tạo nhựa đường cải tiến Nhựa đường đặc PV Oil 60/70, máy khuấy từ IKA C-MAG HS7, máy khuấy đũa IKA EUROSTAR 40 Gia nhiệt nhựa đường nóng chảy ở 180 °C, phối trộn oPET (các mẫu 25, 30, 35 phút) theo tỷ lệ 5%, 10%, 15% khối lượng; khuấy cơ học 600 vòng/phút trong 2 giờ
Đánh giá cơ lý và cấu trúc Thiết bị kim lún, thiết bị vòng và bi, kính hiển vi quang học hai mắt BM100, FTIR PerkinElmer Spectrum 100, DSC 214 Polyma (NETZSCH) Đo độ kim lún (ASTM D5 ở 25 °C, tải 100 g, 5 giây); Đo nhiệt độ hóa mềm (ASTM D36); Quan sát vi cấu trúc ở vật kính 10X/0.25; Phổ FTIR quét dải 4000–400 cm⁻¹; Quét nhiệt vi sai DSC

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở tri thức toàn diện về vật liệu PET, công nghệ tái chế hóa học, vật liệu nhựa đường và bức tranh nghiên cứu ứng dụng polyme phế thải trong xây dựng đường bộ:

  • Lịch sử và cấu trúc PET: Trình bày mốc lịch sử phát minh PET từ năm 1941 bởi John Rex Whinfield và James Tennant Dickson tại Anh, quá trình chế tạo tại Liên Xô năm 1949 với tên "Lavsan", thương mại hóa màng Mylar của DuPont năm 1951 và phát minh chai PET của Nathaniel Wyeth năm 1973. Cấu trúc PET bao gồm các vòng thơm liên kết este tạo độ cứng vững cao; tồn tại ở hai trạng thái: vô định hình (nhiệt độ chuyển thủy tinh $T_g = 67\ ^\circ\text{C}$, ngoại quan trong suốt) và bán kết tinh ($T_g = 81\ ^\circ\text{C}$, ngoại quan đục, kháng dung môi và bền kéo cao).
  • Các kỹ thuật tái chế PET: Phân tích hạn chế của phương pháp tái chế cơ học cấp hai (giảm cấp khối lượng phân tử do ẩm xúc tác thủy phân, ố vàng polyme do nhiệt) và phương pháp thiêu đốt cấp bốn (phát thải khí độc). Đi sâu vào các giải pháp tái chế cấp ba: thủy phân (tạo TPA và EG bằng axit/bazơ), methanol giải (tạo DMT và EG ở 180–280 °C, áp suất 2–4 MPa), amino giải (tạo diamide BHETA), ammono giải (tạo terephthalamide) và glycol giải. So sánh 4 nhánh công nghệ glycol giải: xúc tác muối kim loại (kẽm acetate, Ti(IV) phosphate), xúc tác hydrotalcite, xúc tác chất lỏng ion ([Bmim]Br), xúc tác enzyme, dung môi trung gian (xylene), trạng thái siêu tới hạn (supercritical EG ở 450 °C, 15,3 MPa của Imran năm 2010 cho hiệu suất BHET 93,5% sau 30 phút) và gia nhiệt bằng lò vi sóng (rút ngắn phản ứng từ 8 giờ xuống 35 phút theo nghiên cứu của Pingale và Shukla).
  • Đặc tính kỹ thuật nhựa đường: Tổng quan 3 hệ thống phân loại chất kết dính bitum: phân loại theo độ kim lún (TCVN 7493-2005 với 6 mác, thông dụng nhất là mác 60/70), phân loại theo độ nhớt và phân loại theo hiệu năng Superpave. Thành phần nguyên tố trung bình của nhựa đường gồm Carbon (82–88%), Hydro (8–11%), Lưu huỳnh (0–6%), Oxy (0–1,5%), Nitơ (0–1%) cùng vết kim loại (V, Fe, Ni, Mg, Ca). Phân tích vai trò của hàm lượng asphaltenes: khi tăng asphaltenes, độ nhớt và độ cứng tăng rõ rệt, trong khi độ kim lún giảm.
  • Tổng quan các nghiên cứu phối trộn PET vào nhựa đường: Bảng tổng kết các công trình khoa học trong và ngoài nước được tác giả trích dẫn:
Tác giả / Năm công bố Dạng phụ gia PET đưa vào Hàm lượng sử dụng Kết quả ghi nhận trên nhựa đường
Charles MecDonald (1964) Hạt nhựa phế thải nhỏ Thử nghiệm sân bay Phoenix Ứng dụng thực tế thành công đầu tiên của polyme phế thải trong bê tông nhựa
Gupta và cộng sự Sản phẩm amino giải PET 0,5% – 2% Độ bám dính tăng từ 80% lên 100%; độ kim lún giảm từ 87 xuống 71 ($10^{-1}\text{ mm}$); điểm hóa mềm tăng từ 45 °C
Zhen Leng, Anand Sreeram và cs Sản phẩm amino giải PET kết hợp vụn cao su 3%, 5%, 7% Độ kim lún giảm từ 45 xuống 35 ($10^{-1}\text{ mm}$); nhiệt độ hóa mềm tăng từ 55 °C lên 63 °C
Zhifei Tan và cs (2018) Phụ gia từ amino giải PET phế thải 1,5% – 4% (trên nhựa tái chế) Độ bám dính tăng từ 45% lên 90%; độ kim lún giảm từ 69 xuống 54 ($10^{-1}\text{ mm}$); điểm hóa mềm tăng từ 48 °C lên 49 °C
Metin Guru, S. Ali và cs (2014) Sản phẩm amino giải PET 1% – 5% Độ kim lún giảm từ 51,9 ($10^{-1}\text{ mm}$); điểm hóa mềm tăng từ 45 °C lên 56 °C
Ayob PET thô nghiền nhỏ 3% – 9% Độ kim lún giảm từ 85,3 ($10^{-1}\text{ mm}$); nhiệt độ hóa mềm tăng từ 48 °C lên 63,7 °C
Nguyễn Viết Huy (2015, Việt Nam) Hạt PET thô kích thước 1,5 mm 0% – 1% Độ kim lún giảm từ 64 xuống 57,7 ($10^{-1}\text{ mm}$); nhiệt độ hóa mềm tăng từ 46 °C lên 49 °C

Từ tổng quan tài liệu, tác giả khẳng định việc ứng dụng oligomer phân cắt từ PET bằng vi sóng làm phụ gia nhựa đường là hướng tiếp cận hoàn toàn mới, chưa từng được công bố trong các tài liệu trước đó.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn gốc vật tư, thông số vận hành thiết bị, quy trình tổng hợp hóa học và kỹ thuật đo đạc phân tích:

  • Nguyên vật liệu và thiết bị: Chai phế thải PET Aquafina được thu gom, lột bỏ nhãn nilon, rửa trôi tạp chất bám dính, sấy khô tuyệt đối ở 65 °C trong 6 giờ và cắt thủ công thành các mảnh đồng đều kích thước 2×2 mm. Hóa chất phân tích gồm EG độ tinh khiết 99,9%, kẽm acetate, pyridine, THF, KOH, NaOH, phenolphthalein, acetic anhydride (hãng Xilong Scientific, Trung Quốc) và nhựa đường PV Oil 60/70. Hệ thiết bị phục vụ gồm lò vi sóng gia dụng LG MS2029U, máy khuấy từ gia nhiệt IKA C-MAG HS7, máy khuấy đũa IKA EUROSTAR 40, bể rửa siêu âm công suất 300 W (tần số 46 kHz), hệ đo nhiệt vi sai DSC 214 Polyma (hãng NETZSCH), kính hiển vi quang học hai mắt BM100 (đèn halogen 20W/6V) cùng các dụng cụ chuẩn độ thủy tinh tiêu chuẩn.
  • Quy trình glycol giải vi sóng: Thực hiện với lượng mẫu 30 g mảnh PET, 150 g EG (tỷ lệ PET : EG = 1 : 5) và 0,09 g xúc tác muối Zn(CH3COO)2 (0,05% khối lượng tổng). Sau khi khuấy đều trong 5 phút, cốc phản ứng được đặt trong buồng lò vi sóng hoạt động ở công suất cố định 350 W. Thời gian chiếu xạ vi sóng được khảo sát ở ba mức: 25 phút, 30 phút và 35 phút. Sau phản ứng, hỗn hợp lập tức được hòa tan vào nước cất đun sôi để tách chiết. Bã không tan được lọc nóng bằng phễu lọc chân không và sấy ở 65 °C trong 8 giờ, thu được phân đoạn oligomer PET (oPET) dạng bột trắng. Dịch lọc chứa monome hòa tan được chuyển vào bể làm lạnh ở 0 °C để kết tinh hoàn toàn, tiếp tục qua lọc lạnh và sấy khô 65 °C trong 8 giờ thu được monome BHET tinh khiết.
  • Phương pháp xác định cấu trúc oligomer:
    • Chỉ số Acid ($I_A$): Hòa tan 0,5 g oPET trong 25 ml hỗn hợp THF : H2O (tỷ lệ thể tích 4 : 1), đưa vào bể rung siêu âm trong 30 phút để hòa tan hoàn toàn chuỗi polyme ngắn, nhỏ chỉ thị phenolphthalein và chuẩn độ bằng dung dịch chuẩn KOH 0,1 N. Điểm tương đương được nhận diện khi xuất hiện màu hồng nhạt bền vững trong 15 giây.
    • Chỉ số Hydroxyl ($I_H$): Cân 0,5 g oPET vào bình cầu ba cổ, thêm 20 ml hỗn hợp pyridine và acetic anhydride (tỷ lệ 1000 : 127 thể tích), lắp ống sinh hàn hồi lưu và đun cách thủy ở 95 °C suốt 4 giờ. Hỗn hợp sau đó làm nguội, thêm 100 ml nước cất để thủy phân anhydrit dư và chuẩn độ lượng axit axetic giải phóng bằng dung dịch chuẩn NaOH 2,0 N với chỉ thị phenolphthalein.
    • Xác định $M_n$: Tính toán khối lượng phân tử số trung bình qua công thức dựa trên tổng chỉ số $I_A$ và $I_H$ với giả định mỗi chuỗi oligomer mạch thẳng mang 2 nhóm chức hoạt tính ở hai đầu mạch ($n = 2$).
  • Quy trình chế tạo mẫu nhựa đường cải tiến: Nhựa đường 60/70 được cân chính xác và gia nhiệt trong cốc đốt lên 180 °C đến trạng thái chảy lỏng hoàn toàn. Bột oPET (thu từ các mẻ vi sóng 25, 30, 35 phút) được rắc từ từ vào nhựa đường nóng theo 3 mức nồng độ: 5%, 10% và 15% khối lượng.
Tỷ lệ oPET phối trộn Khối lượng oPET (g) Khối lượng nhựa đường 60/70 (g) Tổng khối lượng mẻ trộn (g)
5% 3,5 66,5 70,0
10% 7,0 63,0 70,0
15% 10,5 59,5 70,0

Hỗn hợp chất kết dính được khuấy luyện liên tục bằng máy khuấy đũa với tốc độ cố định 600 vòng/phút trong 2 giờ ở nhiệt độ 180 °C nhằm đảm bảo phân tán đồng nhất oPET vào nền bitum trước khi đổ khuôn thử nghiệm cơ lý.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các dữ liệu thực nghiệm thu được từ quá trình phân giải và kiểm tra đặc tính của mẫu nhựa đường biến tính:

  • Hiệu quả phân giải vi sóng và đặc trưng oligomer: Phản ứng vi sóng ở công suất 350 W chứng minh khả năng cắt mạch nhanh chóng chuỗi đại phân tử PET phế thải. Số liệu chuẩn độ hóa học phân đoạn oPET (theo các bảng 3.1, 3.2, 3.3, 3.4) cho thấy mối tương quan rõ nét giữa thời gian chiếu xạ và khối lượng phân tử $M_n$. Khi thời gian vi sóng tăng từ 25 phút lên 30 phút và 35 phút, mức độ cắt mạch este tăng lên, dẫn đến biến thiên giá trị chỉ số acid ($I_A$) và chỉ số hydroxyl ($I_H$), từ đó làm giảm khối lượng phân tử trung bình của mạch oPET thu được.
  • Tính chất cơ lý của nhựa đường biến tính:
    • Độ kim lún (theo Bảng 3.5): Giá trị độ kim lún ở 25 °C của các mẫu nhựa đường cải tiến biến thiên tỷ lệ nghịch với hàm lượng oPET bổ sung. Khi tăng hàm lượng oPET từ 5% lên 10% và 15%, độ kim lún của nhựa đường 60/70 giảm dần đều, phản ánh sự gia tăng độ cứng và khả năng chống biến dạng lún của chất kết dính.
    • Nhiệt độ hóa mềm (theo Bảng 3.6): Ngược lại với độ kim lún, điểm hóa mềm (vòng và bi) của nhựa đường cải tiến tăng tỷ lệ thuận với lượng oPET phối trộn và phụ thuộc vào thời gian vi sóng của mẫu phụ gia. Sự hiện diện của các vòng thơm bền vững trong mạch oligomer PET làm tăng tính ổn định nhiệt, nâng cao khả năng chống hóa mềm của màng bitum dưới tác động của nhiệt độ cao.
  • Hình thái học bề mặt qua kính hiển vi quang học: Ảnh chụp từ kính hiển vi BM100 (vật kính 10X/0.25) cho thấy sự khác biệt về cấu trúc tế vi giữa nhựa đường nguyên chất và nhựa đường phối trộn phụ gia. Ở các tỷ lệ phối trộn thích hợp, các phân tử oPET phân tán phân lớp đồng đều trong pha maltene của nhựa đường mà không xảy ra hiện tượng vón cục hay tách pha thô đại.
  • Độ bền nhiệt và tương tác hóa học (FTIR, TGA, DSC):
    • Phổ hồng ngoại FTIR: So sánh đường phổ của nhựa đường nguyên chất, bột oPET và nhựa đường cải tiến (Hình 3.5 và các Phụ lục 7, 8, 9). Phổ nhựa đường biến tính xuất hiện các dải hấp thụ đặc trưng của nhóm cacbonyl este ($-\text{C}=\text{O}$) và liên kết este của oPET, đồng thời giữ nguyên các dao động biến dạng của liên kết $-\text{C}-\text{H}$ béo và vòng thơm của bitum, minh chứng quá trình phối trộn là sự phân tán vật lý kết hợp tương tác xen kẽ mà không phá hủy cấu trúc nền bitum.
    • Phân tích nhiệt trọng lượng TGA/DTG: Các đường cong TGA và đạo hàm DTG (Hình 3.2, 3.3, 3.4 và Phụ lục 1–6) xác nhận nhựa đường phối trộn oPET có nhiệt độ bắt đầu phân hủy nhiệt và nhiệt độ phân hủy cực đại dịch chuyển về vùng nhiệt độ cao hơn so với nhựa đường 60/70 đối chứng, chứng minh độ bền nhiệt của chất kết dính được cải thiện.
    • Phân tích nhiệt vi sai DSC: Giản đồ quét DSC (Hình 3.6, 3.7, 3.8) chỉ ra sự dịch chuyển của nhiệt độ chuyển thủy tinh ($T_g$) và nhiệt độ nóng chảy của hệ blend nhựa đường biến tính, khẳng định tính tương thích nhiệt động học của oligomer phân đoạn ngắn trong cấu trúc keo nhựa đường.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đạt được các kết quả thực nghiệm và đóng góp khoa học - công nghệ cụ thể như sau:

  1. Về công nghệ phân giải polyme: Đã xây dựng thành công quy trình glycol giải PET phế thải từ vỏ chai nước khoáng bằng lò vi sóng công suất 350 W với xúc tác kẽm acetate (0,05% khối lượng). Bức xạ vi sóng giúp rút ngắn thời gian phản ứng phân hủy mạch xuống còn 25–35 phút (so với 8 giờ của phương pháp đun hồi lưu nhiệt truyền thống). Phản ứng tách chiết phân lập được hai hợp chất có giá trị: oligomer PET (oPET) và monome BHET.
  2. Về kiểm soát phân tử lượng: Đã áp dụng chuẩn mực quy trình phân tích hóa học ướt (chuẩn độ thể tích xác định chỉ số acid và chỉ số hydroxyl) kết hợp đánh siêu âm phân tán mẫu để định lượng chính xác khối lượng phân tử số trung bình ($M_n$) của oPET theo từng khoảng thời gian vi sóng.
  3. Về hiệu năng biến tính nhựa đường: Đã thiết lập quy trình phối trộn cơ học đồng thể oPET vào nhựa đường mác 60/70 ở 180 °C (tốc độ khuấy 600 vòng/phút, thời gian 2 giờ) ở các tỷ lệ 5%, 10% và 15% khối lượng. Các thử nghiệm chỉ ra rằng phụ gia oPET làm giảm độ kim lún (tăng độ cứng) và nâng cao nhiệt độ hóa mềm cũng như nhiệt độ phân hủy nhiệt (TGA) của nhựa đường.
  4. Đóng góp so với nghiên cứu tiền nhiệm: Khóa luận mở ra một hướng nghiên cứu mới so với các nghiên cứu trước đây (vốn chỉ sử dụng trực tiếp hạt PET thô nghiền cơ học hoặc dẫn xuất amino giải PET đắt đỏ). Việc ứng dụng oligomer mạch ngắn thu từ phân giải vi sóng giúp phụ gia tương thích tốt hơn với chất kết dính bitum, giảm thiểu rủi ro tách pha so với trộn hạt nhựa nguyên sinh, đồng thời biến rác thải nhựa thành nguồn vật liệu thứ cấp có giá trị gia tăng cao cho ngành giao thông vận tải.

Khóa luận được Hội đồng chuyên môn đánh giá cao: Cán bộ hướng dẫn (TS. Nguyễn Thái Ngọc Uyên) chấm 92/100 điểm; Cán bộ phản biện (ThS. Nguyễn Hưng Thủy) chấm 93/100 điểm, cùng xác nhận sinh viên hoàn thành tốt mục tiêu đặt ra.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Từ phạm vi thực nghiệm và nhận xét của cán bộ phản biện, khóa luận tồn tại các điểm hạn chế và định hướng nghiên cứu mở rộng sau:

  • Hạn chế thực nghiệm: Khóa luận mới khảo sát phản ứng phân giải trong lò vi sóng quy mô phòng thí nghiệm dung tích nhỏ ở một mức công suất cố định (350 W); chưa khảo sát ảnh hưởng của các dải công suất vi sóng khác nhau. Quá trình phối trộn oPET vào nhựa đường mới dừng lại ở quy mô mẫu nhỏ (mẻ 70 g), chưa tiến hành các thử nghiệm lão hóa dài hạn (thử nghiệm RTFOT, PAV) cũng như chưa đo độ dính bám của nhựa đường biến tính với các loại đá cốt liệu thực tế theo điều kiện thi công mặt đường. Văn bản khóa luận cũng còn tồn tại một số sai sót nhỏ về mặt chính tả.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Cần nghiên cứu mở rộng dải công suất và tối ưu hóa tỷ lệ dung môi EG/xúc tác để nâng cao hiệu suất phân giải vi sóng trên quy mô lớn hơn; tiến hành phối trộn nhựa đường cải tiến oPET với cốt liệu đá tiêu chuẩn để đúc mẫu bê tông nhựa và thí nghiệm kiểm tra cường độ nén, độ ổn định Marshall và khả năng kháng lún vệt bánh xe dưới tải trọng động.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và kỹ thuật thực hành cho các nhóm đối tượng sau:

  • Sinh viên và học viên ngành Hóa học, Kỹ thuật Polyme và Vật liệu Composite: Cung cấp tài liệu quy trình chi tiết về phản ứng glycol giải polyme bằng vi sóng, các bước tách phân đoạn oligomer/monome (lọc nóng và kết tinh lạnh) và phương pháp xác định khối lượng phân tử đại phân tử qua chuẩn độ chỉ số acid và chỉ số hydroxyl.
  • Kỹ sư và nhà nghiên cứu ngành Kỹ thuật Xây dựng, Kỹ thuật Cầu đường và Vật liệu Xây dựng: Cung cấp quy trình công nghệ chế tạo chất kết dính bitum biến tính polyme phân tán, phương pháp đánh giá cơ lý nhựa đường theo chuẩn ASTM D5, ASTM D36 cùng kỹ thuật phân tích nhiệt (TGA, DSC) và phổ quang học (FTIR) trong phân tích tương tác vật liệu bitum - polyme.

Câu hỏi thường gặp

1. Lò vi sóng được vận hành ở công suất bao nhiêu và thời gian phản ứng glycol giải khảo sát trong nghiên cứu là bao lâu?
Phản ứng glycol giải PET được tiến hành trong lò vi sóng gia dụng model LG MS2029U ở công suất cố định là 350 W. Thời gian chiếu xạ vi sóng được tác giả khảo sát ở ba mốc thời gian lần lượt là 25 phút, 30 phút và 35 phút (phần chuẩn độ đối chứng có đề cập thêm mốc 20 phút).

2. Nguồn nguyên liệu PET phế thải được thu gom và tiền xử lý như thế nào trước khi đưa vào phản ứng?
Tác giả thu gom vỏ chai nước khoáng Aquafina phế thải, sau đó bóc tách toàn bộ phần nhãn mác, nắp chai và mực in, rửa sạch bằng nước cất để loại bỏ bụi bẩn, đem sấy khô hoàn toàn trong tủ sấy ở nhiệt độ 65 °C trong vòng 6 tiếng và dùng kéo cắt thành các mảnh nhỏ kích thước khoảng 2×2 mm.

3. Tỷ lệ phối liệu và xúc tác cho phản ứng phân giải PET được thiết lập ra sao?
Trong mỗi mẻ phản ứng, tác giả sử dụng 30 g mảnh chai PET và 150 g dung môi ethylene glycol (tương ứng tỷ lệ khối lượng PET : EG = 1 : 5). Chất xúc tác sử dụng là muối kẽm acetate (Zn(CH3COO)2) với hàm lượng bằng 0,05% tổng khối lượng hỗn hợp phản ứng (tương đương 0,09 g).

4. Khối lượng phân tử của oligomer PET ($M_n$) được xác định thông qua những phép thử và công thức nào?
Khối lượng phân tử số trung bình ($M_n$) được xác định bằng phương pháp chuẩn độ hóa học để tìm chỉ số Acid ($I_A$, chuẩn độ bằng dung dịch KOH 0,1 N với dung môi THF : H2O tỷ lệ 4 : 1 sau khi đánh siêu âm 30 phút) và chỉ số Hydroxyl ($I_H$, axetyl hóa bằng pyridine và acetic anhydride ở 95 °C trong 4 giờ rồi chuẩn độ bằng NaOH 2,0 N). Giá trị $M_n$ được tính theo công thức: $$M_n = \frac{56,1 \times n \times 1000}{I_A + I_H}$$ với số nhóm chức đầu mạch $n = 2$.

5. Quá trình phối trộn oligomer PET vào nhựa đường được thực hiện ở các tỷ lệ nào và trong điều kiện kỹ thuật gì?
Phụ gia oPET được phối trộn vào nhựa đường mác 60/70 ở ba mức tỷ lệ: 5% (3,5 g oPET + 66,5 g nhựa đường), 10% (7,0 g oPET + 63,0 g nhựa đường) và 15% (10,5 g oPET + 59,5 g nhựa đường) trên tổng khối lượng mẻ trộn 70 g. Quá trình phối trộn diễn ra ở nhiệt độ 180 °C, khuấy cơ học liên tục bằng máy khuấy đũa ở tốc độ 600 vòng/phút trong 2 giờ.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Huỳnh Tấn Lộc đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu chuyển hóa rác thải chai nhựa PET phế thải thành các oligomer chức năng nhờ phương pháp glycol giải dưới bức xạ lò vi sóng ở công suất 350 W trong thời gian ngắn (25–35 phút). Sản phẩm oPET tạo thành khi được phối trộn cơ học vào nhựa đường giao thông mác 60/70 ở các nồng độ 5%, 10% và 15% khối lượng đã nâng cao rõ rệt độ cứng, độ ổn định nhiệt và giảm độ lún của chất kết dính. Nghiên cứu mang tính khả thi cao, đóng góp một giải pháp xử lý chất thải rắn thân thiện với môi trường gắn liền với việc cải thiện chất lượng vật liệu hạ tầng giao thông đường bộ tại Việt Nam.