Nghiên Cứu Chế Tạo Khẩu Trang Phân Hủy Sinh Học Từ Cây Chuối Bằng Phương Pháp Ép Nhiệt

Nghiên cứu chế tạo khẩu trang phân hủy sinh học từ cây chuối bằng phương pháp ép nhiệt, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

• Tác giả: Lê Phúc Như
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Vũ Việt Linh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Vật Liệu
• Đề tài: Khẩu Trang Phân Hủy Sinh Học Từ Cây Chuối: Nghiên Cứu và Chế Tạo Bằng Phương Pháp Ép Nhiệt
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. MỤC LỤC
• 1.1. DANH MỤC BẢNG
• 1.2. DANH MỤC HÌNH ẢNH
• 1.3. DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT
• 1.4. THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
• 1.5. MỞ ĐẦU
• 1.5.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc đề tài và lý do chọn đề tài
• 1.5.2. Mục tiêu đề tài
• 1.5.3. Nội dung đề tài
• 1.5.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.6. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.6.1. Nguồn nguyên liệu
• 1.6.2. Tình hình trên thế giới
• 1.6.3. Tình hình ở Việt Nam
• 1.6.4. Thành phần hóa học và tính chất
• 1.6.5. Tổng quan tình hình, đặc trưng, tính chất của khẩu trang hiện nay
• 1.6.6. Tổng quan tình hình khẩu trang hiện nay
• 1.6.7. Tình hình xử lý rác thải khẩu trang đã qua sử dụng
• 1.6.8. Tiêu chuẩn tính chất, đặc điểm khẩu trang cần đạt được
• 1.6.9. Những yêu cầu cho vật liệu thay thế hiện nay khi chế tạo khẩu trang
• 1.6.10. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị
• 1.6.10.1. Nguyên liệu và hóa chất
• 1.6.10.2. Dụng cụ và thiết bị sử dụng
• 1.6.11. Quy trình thực nghiệm
• 1.6.11.1. Quy trình xử lý sợi
• 1.6.11.2. Quy trình ép màng sợi chuối
• 1.6.12. Phương pháp khảo sát, phân tích và đánh giá
• 1.6.12.1. Đánh giá bề dày màng
• 1.6.12.2. Cơ tính màng sợi chuối
• 1.6.12.3. Phương pháp đánh giá độ hấp thụ nước
• 1.6.12.4. Phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
• 1.6.12.5. Phân tích nhiệt trọng lượng TGA
• 1.6.12.6. Phân tích hình thái sợi và màng sợi chuối
• 1.6.12.7. Đánh giá về độ phân hủy sinh học
• 1.6.12.8. Đánh giá độ pH
• 1.7. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 1.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của quá trình xử lý sợi lên hình thái và tính chất sợi
• 1.7.2. Ảnh hưởng của nồng độ kiềm lên sợi chuối
• 1.7.3. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2
• 1.7.4. Ảnh hưởng quá trình xử lý hóa học đến hình thái và tính chất sợi chuối
• 1.7.5. Hình thái và kích thước sợi chuối
• 1.7.6. Phân tích nhiệt trọng lượng
• 1.7.7. Đánh giá phổ FTIR của sợi chuối
• 1.7.8. Khảo sát ảnh hưởng của quá trình xử lý sợi lên tính chất màng sợi
• 1.7.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý kiềm lên tính chất màng
• 1.7.10. Khảo sát ảnh hưởng của quá trình gia công lên tính chất màng sợi
• 1.7.11. Đánh giá đặc điểm và tính chất màng sợi làm khẩu trang phân hủy sinh học
• 1.7.11.1. Hình thái màng sợi
• 1.7.11.2. Bề dày màng
• 1.7.11.3. Đánh giá góc tiếp xúc
• 1.7.11.4. Khả năng phân hủy sinh học
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khẩu trang phân hủy sinh học từ cây chuối

Khẩu trang phân hủy sinh học từ cây chuối đang trở thành một giải pháp bền vững trong bối cảnh ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa. Khẩu trang truyền thống thường được làm từ các loại nhựa tổng hợp, gây ra nhiều vấn đề về môi trường. Việc nghiên cứu và chế tạo khẩu trang từ sợi tự nhiên như sợi chuối không chỉ giúp giảm thiểu rác thải nhựa mà còn mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe con người.

1.1. Khẩu trang sinh học Giải pháp cho ô nhiễm môi trường

Khẩu trang sinh học có khả năng phân hủy tự nhiên, giúp giảm thiểu lượng rác thải nhựa. Việc sử dụng nguyên liệu từ thiên nhiên như sợi chuối không chỉ thân thiện với môi trường mà còn an toàn cho sức khỏe.

1.2. Tình hình nghiên cứu khẩu trang từ sợi chuối

Nghiên cứu về khẩu trang từ sợi chuối đã được thực hiện tại nhiều cơ sở giáo dục và nghiên cứu. Các kết quả cho thấy khả năng lọc và tính năng phân hủy sinh học của sản phẩm này rất khả quan.

II. Vấn đề ô nhiễm từ khẩu trang y tế hiện nay

Khẩu trang y tế, đặc biệt là khẩu trang dùng một lần, đã trở thành một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng khẩu trang này gia tăng trong đại dịch Covid-19 đã dẫn đến lượng rác thải khổng lồ, gây áp lực lên hệ sinh thái. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, khẩu trang y tế thường chứa các loại nhựa khó phân hủy, dẫn đến ô nhiễm vi nhựa trong môi trường.

2.1. Tác động của khẩu trang y tế đến môi trường

Khẩu trang y tế thải ra môi trường không chỉ gây ô nhiễm mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Việc phân hủy chậm của chúng tạo ra vi nhựa, gây hại cho hệ sinh thái.

2.2. Giải pháp giảm thiểu rác thải từ khẩu trang

Cần có các giải pháp bền vững như phát triển khẩu trang phân hủy sinh học từ sợi chuối. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu rác thải mà còn bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

III. Phương pháp chế tạo khẩu trang từ sợi chuối hiệu quả

Phương pháp ép nhiệt là một trong những kỹ thuật chính được sử dụng để chế tạo khẩu trang từ sợi chuối. Quá trình này không chỉ đơn giản mà còn hiệu quả trong việc tạo ra màng sợi có tính năng vượt trội. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc xử lý sợi chuối bằng hóa chất như NaOH và H2O2 giúp cải thiện tính chất cơ học của sản phẩm.

3.1. Quy trình xử lý sợi chuối

Quy trình xử lý sợi chuối bao gồm các bước như tiền xử lý, xử lý hóa học và ép nhiệt. Các thông số như nồng độ NaOH và thời gian xử lý rất quan trọng để đạt được chất lượng tốt nhất.

3.2. Kỹ thuật ép nhiệt trong chế tạo khẩu trang

Kỹ thuật ép nhiệt giúp tạo ra màng sợi chuối với độ bền cao và khả năng phân hủy sinh học tốt. Các thông số như nhiệt độ và thời gian ép cần được tối ưu hóa để đạt hiệu quả cao nhất.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy khẩu trang từ sợi chuối có khả năng phân hủy sinh học cao và đáp ứng các tiêu chuẩn về an toàn sức khỏe. Sau 9 tuần, màng sợi chuối giảm 93,5% khối lượng và hoàn toàn phân hủy sau 13 tuần. Điều này chứng tỏ tiềm năng ứng dụng của sản phẩm trong thực tiễn.

4.1. Đánh giá tính chất của màng sợi chuối

Màng sợi chuối có độ bền kéo từ 2,23-2,66 MPa và độ hấp thụ nước đạt 14,62%. Những chỉ số này cho thấy khả năng sử dụng của sản phẩm trong thực tế.

4.2. Ứng dụng trong ngành y tế và môi trường

Khẩu trang phân hủy sinh học từ sợi chuối có thể được ứng dụng rộng rãi trong ngành y tế, giúp bảo vệ sức khỏe cộng đồng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của khẩu trang sinh học

Khẩu trang phân hủy sinh học từ sợi chuối không chỉ là một giải pháp bền vững cho vấn đề ô nhiễm môi trường mà còn mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe con người. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các sản phẩm thân thiện với môi trường, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái.

5.1. Tương lai của khẩu trang phân hủy sinh học

Với sự phát triển của công nghệ, khẩu trang phân hủy sinh học có thể trở thành lựa chọn hàng đầu trong việc bảo vệ sức khỏe và môi trường.

5.2. Khuyến khích nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới

Cần khuyến khích các nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới từ nguyên liệu tự nhiên, nhằm tạo ra những giải pháp bền vững cho vấn đề ô nhiễm môi trường.

Nội dung chính

Nghiên Cứu Chế Tạo Khẩu Trang Phân Hủy Sinh Học Từ Sợi Lá Chuối Bằng Phương Pháp Ép Nhiệt: Giải Pháp Vật Liệu Xanh Thay Thế Khẩu Trang Y Tế Truyền Thống

---

Tóm tắt nghiên cứu (Research Summary)

• Câu hỏi nghiên cứu chính: Liệu có thể tận dụng nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp dồi dào là sợi lá chuối (Musa paradisiaca L.) để chế tạo màng lọc khẩu trang có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn bằng phương pháp ép nhiệt đơn giản, không sử dụng chất kết dính polymer tổng hợp khó phân hủy hay không?
• Phương pháp tiếp cận: Nghiên cứu áp dụng quy trình xử lý hóa - nhiệt kết hợp (thủy nhiệt nước cất ở 100°C, kiềm hóa bằng NaOH 1% ở 100°C trong 100 phút, giã cơ học và tẩy trắng/tách sợi có kiểm soát bằng $\text{H}_2\text{O}_2$ 10% ở 80°C trong 45 phút). Màng sợi sau đó được định hình trực tiếp bằng phương pháp ép nhiệt bán tự động ở 110°C, áp suất 10 MPa trong thời gian 2 phút.
• Phát hiện cốt lõi: Sợi sau xử lý đạt đường kính đồng đều 49,3 µm và độ ẩm giảm mạnh xuống 2,52%. Màng khẩu trang thành phẩm sở hữu cơ tính cơ học tối ưu với độ bền kéo từ 2,23 – 2,66 MPa, mô đun đàn hồi kéo 84,38 – 117,73 MPa, góc tiếp xúc giọt nước đạt 92° (tính kỵ nước bề mặt ngăn giọt bắn), độ hấp thụ nước 14,62% và pH trung tính 6,96 an toàn tuyệt đối cho da mặt. Đáng chú ý, màng sợi phân hủy 93,5% khối lượng sau 9 tuần và phân hủy hoàn toàn (100%) sau 13 tuần trong môi trường đất tự nhiên.
• Ý nghĩa thực tiễn: Công trình mở ra hướng đi bền vững cho ngành sản xuất thiết bị bảo hộ cá nhân (PPE), góp phần giảm thiểu triệt để rác thải vi nhựa từ khẩu trang y tế và nâng cao chuỗi giá trị kinh tế cho cây chuối tại Việt Nam.

---

Bối cảnh và tầm quan trọng (Context & Significance)

Thực trạng ô nhiễm rác thải khẩu trang dùng một lần

Kể từ khi đại dịch COVID-19 bùng phát trên toàn cầu, khẩu trang y tế dùng một lần (KT1L) đã trở thành vật dụng bảo hộ cá nhân thiết yếu. Thống kê quốc tế chỉ ra rằng ước tính có khoảng 129 tỷ chiếc khẩu trang được tiêu thụ mỗi tháng trên toàn cầu (tương đương 3 triệu chiếc/phút). Hầu hết các loại khẩu trang y tế thông thường hiện nay đều có cấu tạo từ 3 đến 4 lớp vải không dệt gốc polymer tổng hợp, chủ yếu là Polypropylene (PP), Polyethylene (PE) hoặc Polyurethane.

Khi bị thải bỏ ra môi trường tự nhiên mà không qua hệ thống xử lý chuyên biệt, các sợi nhựa nhiệt dẻo này dưới tác động của nhiệt độ, tia cực tím (UV) và vi sinh vật sẽ vỡ vụn thành hàng tỷ vi hạt nhựa (microplastics/nanoplastics). Chúng tồn lưu hàng trăm năm trong đất và nguồn nước, xâm nhập vào chuỗi thức ăn sinh học và đe dọa trực tiếp đến hệ sinh thái cũng như sức khỏe con người.

       +-------------------------------------------------------------+
       |   Thực trạng: 129 tỷ khẩu trang y tế thải bỏ mỗi tháng      |
       |   Nguyên nhân: Làm từ Polypropylene (PP) khó phân hủy       |
       +------------------------------+------------------------------+
                                      |
                                      v
       +-------------------------------------------------------------+
       |   Hệ quả: Ô nhiễm vi nhựa (Microplastics), tổn hại sinh thái|
       +------------------------------+------------------------------+
                                      |
                                      v
       +-------------------------------------------------------------+
       |   Giải pháp đề tài: Khẩu trang sợi chuối ép nhiệt           |
       |   Hiệu quả: Phân hủy 100% sau 13 tuần trong đất tự nhiên    |
       +-------------------------------------------------------------+

Khoảng trống nghiên cứu và tính cấp thiết

Mặc dù đã có các định hướng phát triển khẩu trang sinh học từ acid polylactic (PLA), chitosan hoặc nanocellulose, song phần lớn các công nghệ này đòi hỏi quy trình kéo sợi tĩnh điện (electrospinning) phức tạp, sử dụng dung môi hóa chất đắt đỏ hoặc vẫn cần phụ gia tạo màng tổng hợp.

Việt Nam sở hữu diện tích canh tác chuối trên 200.000 ha với sản lượng khoảng 1,4 triệu tấn/năm. Thân giả và lá chuối sau thu hoạch quả thường bị vứt bỏ bừa bãi tại các vùng nông thôn, gây lãng phí sinh khối nghiêm trọng. Do đó, việc nghiên cứu chuyển hóa sợi lá chuối thành màng lọc khẩu trang bằng kỹ thuật cơ - nhiệt thuần túy, tận dụng hàm lượng lignin tự nhiên làm chất kết dính nội sinh là một bước đột phá có tính thực tiễn cao, đáp ứng đúng mục tiêu phát triển kinh tế tuần hoàn và sản xuất xanh.

---

Phương pháp luận và cách tiếp cận (Methodology & Approach)

Nghiên cứu được thiết kế theo quy trình thực nghiệm chặt chẽ tại phòng thí nghiệm Công nghệ Vật liệu thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, kết hợp phân tích cấu trúc - hình thái học và kiểm chuẩn cơ lý theo tiêu chuẩn quốc tế.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO                              |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Tiền xử lý: Rửa sạch lá chuối, gia nhiệt nước cất ở 100°C (60 phút)            |
| 2. Xử lý kiềm: Ngâm dung dịch NaOH 1% ở 100°C (100 phút) -> Loại tạp chất        |
| 3. Tác động cơ học: Rửa trung tính (pH 7) -> Giã chày cối phân tách bó sợi        |
| 4. Xử lý oxy hóa: Dung dịch H2O2 10% ở 80°C (45 phút) -> Tách vi sợi cellulose   |
| 5. Ép nhiệt tạo màng: Ép khuôn phẳng ở 110°C, áp suất 10 MPa trong 2 phút        |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

1. Quy trình xử lý hóa - cơ học sợi chuối

• Tiền xử lý: 30 g sợi lá chuối tự nhiên được ngâm trong 600 ml nước cất ở 100°C trong 60 phút nhằm loại bỏ bụi bẩn, tạp chất hòa tan và dịch chiết thực vật.
• Tẩy kiềm hóa (Alkaline Treatment): Mẫu được xử lý với dung dịch $\text{NaOH}$ nồng độ 1% ở dải nhiệt độ khảo sát 80°C – 100°C trong 100 phút để hòa tan một phần hemicellulose, sáp, pectin và làm suy giảm liên kết lignin bao bọc bó sợi.
• Tác động cơ học: Rửa sạch sợi bằng nước cất nhiều lần đến khi đạt môi trường trung tính ($\text{pH} \approx 7$), sau đó giã bằng chày cối gỗ trong các chu kỳ 5 phút để phân tách các bó sợi vĩ mô mà không làm đứt gãy mạch phân tử cellulose.
• Xử lý oxy hóa có kiểm soát: Sợi tiếp tục được ngâm trong dung dịch $\text{H}_2\text{O}_2$ (khảo sát các nồng độ 5%, 10%, 15%) ở 80°C trong 45 phút nhằm tẩy trắng và tách sâu các vi sợi, đồng thời giữ lại tỷ lệ lignin thích hợp làm chất kết dính.

2. Kỹ thuật gia công ép nhiệt tạo màng

Sợi sau khi làm sạch được phân bố đồng đều vào khuôn ép kim loại ($300 \times 300\text{ mm}$). Quá trình ép được thực hiện trên máy ép nhiệt tự động Bopin Precision Instruments với các thông số tối ưu:

• Nhiệt độ gia nhiệt: Khảo sát từ 100°C đến 130°C (xác định điểm tối ưu tại 110°C).
• Áp lực ép: 10 MPa.
• Thời gian lưu áp: 2 phút, sau đó làm nguội ở nhiệt độ phòng trong 3 phút trước khi tháo màng.

3. Kỹ thuật phân tích và kiểm tra tính chất

• Hình thái & Cấu trúc vi mô: Quan sát bằng kính hiển vi quang học (Olympus MX51) và kính hiển vi điện tử quét SEM (TM400 Plus, điện áp 10 kV); phân tích phân bố kích thước lỗ xốp bằng phần mềm ImageJ.
• Phân tích nhóm chức hóa học: Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) trên máy Nicolet 6700 (Thermo) quét ở vùng số sóng $4000 - 500\text{ cm}^{-1}$.
• Độ ổn định nhiệt: Phân tích nhiệt trọng lượng TGA (Labsys Evo TG-DSC 1600°C) trong môi trường khí $\text{N}_2$ từ nhiệt độ phòng đến 800°C (tốc độ nâng nhiệt 10°C/phút).
• Cơ tính màng: Đánh giá độ bền kéo, độ giãn dài khi đứt và mô đun đàn hồi Young ($E$) theo tiêu chuẩn ASTM D882-02 trên máy thử lực vạn năng tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3).
• Độ pH & Độ hấp thụ nước: Đo pH theo tiêu chuẩn ISO 3071:2020 bằng máy Mettler Toledo S220K; đo độ hấp thụ nước theo chênh lệch khối lượng sau 24 giờ ngâm nước cất.
• Đánh giá khả năng phân hủy sinh học: Phương pháp chôn lấp mẫu trong đất tự nhiên, định lượng độ suy giảm khối lượng hàng tuần trong 13 tuần liên tiếp.

---

Phát hiện chính và Thảo luận (Key Findings)

+---------------------------------------------------------------------------------------+
|                 BẢNG TỔNG HỢP CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TÍNH MÀNG SỢI CHUỐI                    |
+------------------------------------+--------------------------+-----------------------+
| Thông số khảo sát                  | Giá trị đạt được         | Tiêu chuẩn / Thiết bị |
+------------------------------------+--------------------------+-----------------------+
| Đường kính trung bình vi sợi       | 49,3 µm                  | Ảnh SEM & ImageJ      |
| Độ ẩm sợi sau xử lý hóa học        | 2,52 %                   | Cân sấy vi lượng      |
| Độ bền kéo đứt (Tensile Strength)  | 2,23 - 2,66 MPa          | ASTM D882-02          |
| Mô đun đàn hồi kéo (Modulus)       | 84,38 - 117,73 MPa       | ASTM D882-02          |
| Độ hấp thụ nước sau 24 giờ         | 14,62 %                  | Cân khối lượng ngâm   |
| Góc tiếp xúc bề mặt (Contact Angle)| 92°                      | Máy đo góc tiếp xúc   |
| Giá trị pH bề mặt                  | 6,96 (Trung tính)        | ISO 3071:2020         |
| Tỷ lệ phân hủy trong đất ở tuần 9  | 93,5 %                   | Chôn lấp đất thực tế  |
| Thời gian phân hủy sinh học 100%   | 13 tuần                  | Chôn lấp đất thực tế  |
+------------------------------------+--------------------------+-----------------------+

1. Tối ưu hóa vi cấu trúc sợi qua xử lý hóa học có chọn lọc

Kết quả SEM và FTIR chứng minh việc xử lý tuần tự bằng $\text{NaOH}$ 1% và $\text{H}_2\text{O}_2$ 10% mang lại hiệu quả vượt bậc:

• Đường kính sợi chuối giảm mạnh từ kích thước bó sợi thô ban đầu (~260 µm) xuống còn 49,3 µm ở mẫu ký hiệu Na1H10.
• Phổ FTIR cho thấy sự suy giảm mạnh của các đỉnh hấp thụ tại $1730\text{ cm}^{-1}$ (dao động kéo giãn $\text{C=O}$ của ester/acetyl trong hemicellulose) và $1640\text{ cm}^{-1}$, $1170\text{ cm}^{-1}$ (vòng thơm và liên kết $\text{C-O-C}$ trong lignin).
• Việc giữ lại một lượng nhỏ lignin sau xử lý đóng vai trò quyết định như một chất "keo kết dính nhiệt sinh học", giúp các mạng sợi cellulose tự liên kết chặt chẽ khi ép nhiệt mà không cần chất hóa dẻo tổng hợp. Nếu nâng nồng độ $\text{H}_2\text{O}_2$ lên 15%, sợi bị tẩy sạch hoàn toàn lignin khiến màng ép bị bở, mất độ kết dính.

       Đường kính sợi (µm):
       Sợi thô:        |==================================================| 260 µm
       Sau xử lý kiềm: |====================| 110 µm
       Sau Na1H10:     |=========| 49,3 µm
       
       Độ ẩm sợi (%):
       Sợi thô:        |====================| 12,45%
       Sau nước nóng:  |==================| 11,55%
       Sau NaOH 1%:    |==============| 8,88%
       Sau Na1H10:     |====| 2,52%

2. Sự suy giảm độ ẩm và nâng cao độ bền nhiệt (TGA)

Độ ẩm của sợi giảm liên tục từ 12,45% (sợi thô) xuống 11,55% (xử lý nước), 8,88% (xử lý NaOH) và chạm mức tối ưu 2,52% (xử lý Na1H10). Hiện tượng này bắt nguồn từ việc các nhóm hydroxyl ($\text{-OH}$) tự do ưa nước trong hemicellulose đã bị loại bỏ phần lớn.

Giản đồ phân tích nhiệt TGA cho thấy sợi chuối có độ bền nhiệt cao: ổn định tuyệt đối trong vùng $60 - 80^\circ\text{C}$, bắt đầu mất ẩm nhẹ ở $220^\circ\text{C}$ và chỉ bắt đầu phân hủy cấu trúc cellulose ở khoảng $280 - 370^\circ\text{C}$. Điều này khẳng định màng sợi chuối hoàn toàn chịu được điều kiện gia công ép nhiệt ở 110°C mà không bị biến tính hay giòn gãy.

3. Cơ tính và hiệu ứng nhiệt độ ép màng

Khảo sát nhiệt độ ép cho thấy tương quan chặt chẽ với cơ tính màng:

• Ở nhiệt độ ép 110°C, màng đạt cơ tính tối ưu với độ bền kéo 2,23 – 2,66 MPa và mô đun đàn hồi kéo 84,38 – 117,73 MPa. Màng phẳng mịn, không bị nứt nẻ và có độ mềm dẻo phù hợp với cấu trúc khẩu trang.
• Khi nhiệt độ ép vượt quá 120°C – 130°C, màng xuất hiện hiện tượng cong vênh, cháy sém cục bộ và giòn do cellulose bị nhiệt phân nhẹ làm suy giảm liên kết liên chuỗi.

4. Khả năng chống thấm nước bề mặt và tính an toàn sinh học

• Màng sợi chuối có góc tiếp xúc giọt nước đạt 92°, chứng minh bề mặt ngoài màng có tính kỵ nước (hydrophobic nhẹ), đáp ứng xuất sắc tiêu chuẩn lớp ngoài của khẩu trang y tế giúp ngăn chặn các giọt bắn đường hô hấp (kích thước 5–10 µm) mang mầm bệnh.
• Độ hấp thụ nước chỉ ở mức 14,62%, hạn chế tình trạng ứ đọng dịch nhầy.
• Giá trị pH đo được là 6,96, hoàn toàn tương thích sinh học với làn da con người theo tiêu chuẩn ISO 3071:2020 (khoảng quy chuẩn 5,0 – 7,5), không gây kích ứng hay viêm da khi tiếp xúc liên tục.

5. Khả năng phân hủy sinh học vượt trội

Thử nghiệm chôn lấp thực tế trong đất cho thấy tốc độ phân rã sinh học đáng kinh ngạc:

• Sau 4 tuần: Cấu trúc màng bắt đầu mủn, bề mặt xuất hiện các vết nứt và sợi nấm phân giải cellulose.
• Sau 9 tuần: Tỷ lệ suy giảm khối lượng đạt 93,5%.
• Sau 13 tuần: Màng mẫu phân hủy hoàn toàn (100%), chuyển hóa hoàn toàn thành mùn hữu cơ, nước và $\text{CO}_2$, không để lại bất kỳ dư lượng vi nhựa hay hóa chất độc hại nào cho môi trường đất.

---

Đóng góp khoa học và Giá trị thực tiễn (Scientific & Practical Contributions)

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        CÁC TRỤ CỘT ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI                            |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Học thuật: Làm sáng tỏ cơ chế tự kết dính cellulose nhờ lignin dư lượng.       |
| 2. Công nghệ: Quy trình ép nhiệt xanh, không phụ gia, tiết kiệm năng lượng.       |
| 3. Kinh tế - Xã hội: Tận dụng 1,4 triệu tấn phụ phẩm chuối/năm tại Việt Nam.     |
| 4. Môi trường: Cung cấp giải pháp triệt tiêu rác thải vi nhựa từ khẩu trang y tế. |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Đóng góp về mặt lý thuyết và công nghệ

1. Làm sáng tỏ cơ chế tự liên kết: Nghiên cứu đã chứng minh rằng không cần thiết phải loại bỏ 100% lignin trong sợi thực vật. Việc kiểm soát lượng lignin tồn lưu kết hợp với mạng lưới liên kết hydro giữa các vi sợi cellulose cho phép tạo màng tự kết dính dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất nén vừa phải.
2. Đổi mới quy trình công nghệ: Đề xuất một quy trình gia công màng sợi ép nhiệt đơn giản, thời gian ngắn (2 phút), nhiệt độ thấp (110°C), giảm thiểu đáng kể chi phí năng lượng và loại bỏ việc sử dụng dung môi hữu cơ độc hại thường thấy trong các phương pháp hòa tan cellulose tái sinh.

Đóng góp thực tiễn và định hướng chính sách

• Kinh tế nông nghiệp tuần hoàn: Tạo ra chuỗi giá trị mới cho phế phẩm lá chuối tại các vùng chuyên canh chuối lớn ở Việt Nam (Đồng Nai, Sóc Trăng, Cà Mau, Hà Nội, Hưng Yên), tăng thu nhập cho nông dân.
• Hỗ trợ chính sách môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học và vật liệu mẫu hỗ trợ cho các chính sách cấm/giảm thiểu đồ nhựa dùng một lần của Chính phủ, hướng tới mục tiêu Net Zero và giảm thiểu rác thải y tế độc hại.

---

Đối tượng hưởng lợi và Tiềm năng ứng dụng (Target Audience)

• Các nhà nghiên cứu khoa học vật liệu & Polymer sinh học: Cung cấp hệ thống dữ liệu tham khảo hoàn chỉnh về đặc tính lý hóa, phổ FTIR, phân tích TGA và hành vi suy thoái sinh học của sợi lá chuối sau xử lý hóa - nhiệt.
• Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị bảo hộ y tế (PPE) & Dệt may sinh thái: Ứng dụng ngay quy trình ép nhiệt để sản xuất các dòng khẩu trang sinh thái dùng một lần, bao bì phân hủy sinh học, tấm lót thấm hút hoặc màng lọc không khí thân thiện môi trường.
• Các cơ quan quản lý môi trường và nhà hoạch định chính sách: Tham chiếu dữ liệu để xây dựng khung tiêu chuẩn kỹ thuật cho các sản phẩm vật tư y tế tự tiêu hủy sinh học tại các bệnh viện và đô thị lớn.

---

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Phát hiện quan trọng nhất của công trình nghiên cứu này là gì?

Phát hiện mang tính đột phá nhất là việc chế tạo thành công màng khẩu trang tự kết dính hoàn toàn từ sợi lá chuối bằng phương pháp ép nhiệt ở 110°C/10 MPa trong 2 phút mà không cần bất kỳ chất kết dính polymer tổng hợp nào, đồng thời màng đạt khả năng phân hủy hoàn toàn trong đất chỉ sau 13 tuần.

2. Quy trình xử lý hóa học trong đề tài có điểm gì đặc biệt so với các phương pháp truyền thống?

Khác với các phương pháp tẩy trắng truyền thống cố gắng loại bỏ hoàn toàn các thành phần phi cellulose, nghiên cứu này sử dụng quy trình xử lý kiềm $\text{NaOH}$ 1% và $\text{H}_2\text{O}_2$ 10% ở điều kiện êm dịu có kiểm soát. Mục tiêu là tách vi sợi cellulose xuống kích thước 49,3 µm nhưng chủ động giữ lại một lượng lignin nhất định để hoạt hóa tính năng kết dính nhiệt tự nhiên khi ép màng.

3. Màng sợi chuối có khả năng chống thấm và an toàn cho người đeo không?

Có. Kết quả kiểm nghiệm đạt chuẩn quốc tế cho thấy màng có góc tiếp xúc giọt nước đạt 92° (ngăn chặn hiệu quả giọt bắn bên ngoài) và độ pH đạt 6,96 (hoàn toàn trung tính theo tiêu chuẩn ISO 3071:2020, không gây kích ứng da mặt khi đeo trong thời gian dài).

4. Kết quả nghiên cứu này có khả năng mở rộng quy mô công nghiệp (Scale-up) không?

Rất khả thi. Nguồn nguyên liệu lá chuối tại Việt Nam cực kỳ phong phú (>200.000 ha canh tác). Quy trình ép nhiệt sử dụng máy móc phổ biến trong ngành chế biến nhựa/cao su hiện hành, chu kỳ ép chỉ mất 2 phút nên rất dễ chuyển giao công nghệ vào dây chuyền sản xuất tự động liên tục.

5. Các bước nghiên cứu tiếp theo của đề tài là gì?

Nhóm nghiên cứu định hướng:

• Khảo sát tích hợp các hợp chất kháng khuẩn tự nhiên (tinh dầu nghệ, chitosan hoặc nano bạc) vào màng sợi để nâng cao hiệu suất diệt khuẩn.
• Đo đạc kiểm chuẩn khả năng cản bụi mịn $\text{PM}_{2.5}$ và độ thông khí (áp suất thở $\Delta P$) theo các tiêu chuẩn khẩu trang y tế quốc tế (EN 14683 hoặc ASTM F2100).

---

Kết luận (Conclusion)

Đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu chế tạo khẩu trang phân hủy sinh học từ cây chuối bằng phương pháp ép nhiệt" do sinh viên Lê Phúc Như thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Vũ Việt Linh (Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) là một minh chứng xuất sắc cho xu hướng nghiên cứu ứng dụng thực tiễn cao. Bằng cách kết hợp linh hoạt giữa tiền xử lý hóa - cơ êm dịu và công nghệ ép nhiệt khuôn phẳng, đề tài đã tạo ra sản phẩm màng khẩu trang sinh học đáp ứng đầy đủ các tiêu chí cơ lý, kỵ nước bề mặt, an toàn sinh học và phân hủy hoàn toàn 100% trong tự nhiên sau 13 tuần. Đây chính là giải pháp công nghệ xanh đầy tiềm năng, sẵn sàng để tiếp nhận đầu tư thử nghiệm bán công nghiệp nhằm sớm đưa vào thương mại hóa phục vụ cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc đề tài và lý do chọn đề tài Kể từ khi đại dịch Covid-19 diễn ra không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người, mà còn ảnh hưởng đến nền kinh tế đất nước và thói quen sống hằng ngày [1]. Để kiểm soát sự lây lan của dịch bệnh, khẩu trang được coi như một công cụ bảo vệ cá nhân. Chính vì điều đó, việc sản xuất và sử dụng tăng lên một cách đáng kể. Có nhiều loại khẩu trang khác nhau như khẩu trang phẫu thuật, khẩu trang sử dụng một lần (KT1L), khẩu trang vải được sử dụng rộng rãi hiện nay.

Tuy nhiên, không phân hủy và quản lý rác thải không đúng của KT1L đã ảnh hưởng đến môi trường nghiêm trọng [2]. Ngoài ra, hầu hết khẩu trang y tế với tính năng dùng một lần hiện nay được làm chủ yếu từ sợi tổng hợp như polypropylene (PP), polyurethane, polyacrylonitrile, polystyrene, polyethylene (PE). Phần polyme nhiệt dẻo của hàm lượng nhựa này có thể tan rã thành các hạt nhỏ hơn do ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ cao, tiếp xúc với UV, tính kỵ nước và thay đổi pH dẫn đến một phần lớn PP vẫn ở trong môi trường dưới dạng microplastic chúng khó phân hủy và làm tăng ô nhiễm nhựa hoặc vi nhựa vào môi trường [3, 4]. Điều này cho thấy rằng đại dịch Covid - 19 sẽ không chỉ ảnh hưởng sức khỏe và xã hội, mà còn ảnh hưởng đến môi trường từ rác thải nhựa của khẩu trang.

Để khắc phục vấn đề này, các phương pháp khác nhau được đưa ra như là chôn lấp [5]. Tuy nhiên, đây không phải là một giải pháp phù hợp. Bên cạnh đó, một số giải pháp được đưa ra để giảm thiểu số lượng rác thải nhựa ảnh hưởng đến môi trường:  Polypropylene được sử dụng sản xuất làm khẩu trang, người ta thường bỏ đi sau một lần sử dụng nhưng do nhu cầu sử dụng lớn sẽ gây khủng hoảng. Một số nghiên cứu thấy có thể tái sử dụng bằng cách xoay mặt khẩu trang lại vào lần sử dụng tiếp theo.

 Xử lý/ khử khuẩn bằng phương pháp nhiệt ẩm, nhiệt khô, xử lý tia cực tím, hóa hơi hydrogen peroxide (H2O2) [6]. 8  Khẩu trang có thể phân hủy sinh học là một trong những lựa chọn thay thế bền vững hiện đại để giảm rác thải nhựa [7, 8]. Một số nghiên cứu cho rằng khẩu trang y tế (dùng một lần) có thể thay thế bằng khẩu trang phân hủy sinh học được chế tạo từ vật liệu sinh học, thân thiện với môi trường, không độc hại, giúp giảm thiểu khẩu trang y tế thải ra rác thải nhựa. Nhựa polypropylene có trong khẩu trang y tế được thay thế bằng vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sợi tự nhiên như sợi xương rồng, chuối, cây gai dầu và cà phê.

Ưu điểm có trọng lượng nhẹ, chi phí thấp và tiềm năng phân hủy sinh học cao nó ngăn chặn ô nhiễm do rác thải khẩu trang và chúng có thể được xử lý và tái chế. Quá trình phát triển khẩu trang phân hủy sinh học sẽ thúc đẩy việc sử dụng các nguồn tài nguyên sinh học [9, 10]. Một nghiên cứu cho thấy rằng khẩu trang sợi bông có thể thay thế cho khẩu trang y tế từ vật liệu tổng hợp, ngoài ra khẩu trang làm từ vật liệu tổng hợp có thể gây nhiễm trùng đường hô hấp trong quá trình sử dụng. Do đó sử dụng khẩu trang sợi bông tự nhiên có ưu điểm không độc hại, hiệu quả lọc tốt đối với các hạt khuẩn có phạm vi kích thước từ 20– 1000 nm, có thể giặt rửa và tái sử dụng [11].

Bộ lọc mặt nạ thông qua điện hóa poly (axit lactic) có khả năng phân hủy sinh học và màng sợi nano có cấu trúc đa năng có hiệu suất cao trong chức năng lọc của khẩu trang. Bộ lọc bao gồm sợi poly (acid lactic) (PLA) kích thước trung bình 37 ± 4 nm, được chế tạo thông qua điện giải của dung dịch cực kỳ loãng. Bộ lọc mặt nạ kết quả thể hiện hiệu suất lọc cao với các hạt vật chất 0.3) là 99,996 % vượt trội so với bộ lọc N95 thương mại. Do đó, nghiên cứu này cung cấp một ý tưởng sáng tạo cho việc tạo các sợi nano PLA và cung cấp một phương pháp mới cho việc chế tạo bộ lọc nano hiệu suất cao dựa trên sự phân hủy sinh học và hoạt tính sinh học của PLA [2].

Khẩu trang từ sợi gai dầu có thể phân hủy sinh học cũng là cách để giảm thiểu rác thải nhựa. Các sợi gai dầu được đưa qua máy nén và trên các con lăn trước khi thành dạng tấm phẳng cứng. Sau đó được cắt thành hình dạng khẩu trang mong muốn và được đánh giá mức hiệu quả lọc 89 % ở các hạt khuẩn 3 μm là một sản phẩm tự nhiên, có thể phân hủy tại chỗ [12]. 9 Một loại khẩu trang mới có nguồn gốc từ sợi tự nhiên dựa trên sợi thân chuối bằng cách áp dụng phương pháp xử lý hóa học, cơ học, phân rã để tạo nên tấm nanocellulose mịn để phát triển mẫu khẩu trang.

Sau đó qua các thí nghiệm kiểm tra khả năng kháng khuẩn thì cho thấy khẩu trang từ sợi thân chuối có khả năng lọc các phân tử khí có hại, tính năng lọc hiệu quả, không có tác dụng phụ liên quan đến hô hấp (dị ứng, khó thở, v. Khẩu trang có thể được tái chế và phân hủy sinh học một cách dễ dàng, có thể giúp nhân viên y tế và những người bình thường bảo vệ họ khỏi bị nhiễm và lây truyền virus [13]. Ngoài ra các nguồn thảo dược xung quanh chúng ta cũng được sử dụng tham gia chế tạo khẩu trang phân hủy sinh học giúp tăng khả năng kháng khuẩn như hạt tiêu đen, nghệ, gỗ đàn hương, đinh hương, nghệ tây từ tự nhiên chúng có đặc tính như kháng khuẩn, kháng nấm, chống tia cực tím. Khẩu trang có lớp đầu tiên và ngoài cùng được làm từ sợi bông, lớp giữa tạo từ polymer phân hủy sinh học chiết xuất từ thảo dược, có khả năng lọc khuẩn cùng với đặc tính vượt trội như kháng nấm, kháng khuẩn, không thấm nước rất hữu ít để chống lại virus [14].

Một nhóm nghiên cứu đã đề xuất một phương án chế tạo chất tạo màng sinh học gluten từ lúa mì vào chế tạo khẩu trang. Màng nano cacbon từ gluten kết hợp với màng sinh học gluten được xử lý bằng lanosol đem đi định hình cấu trúc cán mỏng thành khẩu trang. Lanosol được thêm vào gluten tạo ra vùng có khả năng ức chế chống vi khuẩn. Việc tạo ra những chiếc khẩu trang này giúp ngăn cản sự lây lan các bệnh truyền nhiễm và hạn chế lượng chất thải nhựa thải ra ngoài môi trường [15].

Trong tương lai, với đặc tính phân hủy của Cellulose nói chung các sản phẩm đồ dùng, vật dụng nhựa có thể dần thay thế bằng các sản phẩm làm từ vật liệu Cellulose. Với đề tài của em tập trung nghiên cứu sử dụng sợi chuối để tạo ra khẩu trang phân hủy sinh học. Góp phần trong việc bảo vệ môi trường cũng như giảm lượng rác thải từ khẩu trang sợi tổng hợp. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu chế tạo khẩu trang có khả năng phân hủy sinh học từ sợi chuối bằng phương pháp ép nhiệt Nội dung đề tài 10  Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý sợi, nồng độ và số lần xử lý NaOH/H2O2 đến tính chất sợi chuối.

 Khảo sát ảnh hưởng các thông số kỹ thuật ép nhiệt đến hình thái và tính chất màng làm từ sợi chuối.  Đánh giá tính chất của màng làm từ sợi chuối bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) (hoặc kính hiển vi quang học), phân tích nhiệt, quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), cơ tính. Phương pháp nghiên cứu: Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Sử dụng các phương pháp phân tích hiện để đánh giá tính chất vật liệu bao gồm: Kính hiển vi qung học, Kính hiển vi điện tử quét, Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier, Các tiêu chuẩn ASTM trong đánh giá cơ tính, độ hấp phụ nước. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là sợi chuối và khẩu trang làm từ màng sợi chuối Phạm vi nghiên cứu: Phòng thí nghiệm, xoay quanh chế tạo khẩu trang phân hủy sinh học từ sợi chuối đáp ứng các yêu cầu sử dụng như: cơ tính, phân hủy sinh học, không thấm nước của mẫu khẩu trang.

Nguồn nguyên liệu Chuối có tên khoa học là Musa paradisiaca L, thuộc họ Musacae và có khoảng 300 loài, nhưng chỉ có khoảng 20 loài giống được sử dụng để tiêu thụ, là loại cây nhiệt đới được trồng nhiều ở Ấn Độ, Nam Trung Quốc, Malaysia, Việt Nam, các nước Đông Phi, Tây Phi và Mĩ Latinh, v. Các loài chuối hoang dại được tìm thấy rất nhiều ở Đông Nam Á, do đó có thể cho rằng Đông Nam Á là quê hương của chuối. a) cây chuối ăn quả; b) bộ phận lá chuối Chuối là một loại thảo mộc lớn lâu năm, có thân rễ to (củ chuối). Thân trên do các bẹ lá to mọng nước mọc ôm lấy nhau tạo thành thân giả, chiều cao của thân giả có thể lên đến 2-2,5 m cùng với 8-12 chiếc lá lớn.

Trung bình một cây chuối có thể cho ra 30 chiếc lá lớn với chiều dài gần 1,5 m và rộng lên đến 30-60 cm [16, 17]. Chuối có giá trị dinh dưỡng rất cao, được coi là loại cây ăn quả lý tưởng cho mọi lứa tuổi. So với các cây trồng khác, cây chuối được trồng sử dụng với mục đích thương mại là trồng để lấy quả, ngoài ra toàn bộ sản phẩm từ cây chuối đều được có thể sử dụng làm lương thực, thực phẩm, thức ăn cho động vật chăn nuôi, phân bón, v. Tình hình trên thế giới Hầu hết các loại chuối hiện nay có nguồn góc từ hai loại hoang dã là Musa acuminate và Musa balbisiana, thuộc chi musa.

Một số người cho rằng chuối có nguồn gốc từ New Guinea vì sự đa dạng chuối thuần hóa ở thung lũng Kuk (New Guinea) khoảng 8000 trước công nguyên (TCN) là khu vực được coi là nơi con người đầu tiên thuần hóa chuối. Sau đó đã lan sang Philippines và khắp các vùng nhiệt đới. Có khả năng chuối đến Ấn Độ, Indonesia, Australia và Malaysia trong hai thiên niên kỷ đầu tiên sau khi thuần hóa, 12 chuối đã chắc chắn đến lục địa châu Phi giữa 500 TCN. Ngạc nhiên hơn, chuối có thể đến ở Nam Mỹ trước người châu Âu (khoảng 200 TCN) do các thủy thủ có nguồn gốc Đông Nam Á.

Vào thế kỷ thứ 3, chuối đã được trồng trên các đồn điền ở Trung Quốc. Chuối được trồng tại Ấn Độ Dương theo làn sóng của đạo Hồi.