Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh dân số thế giới năm 2013 đạt khoảng 7,137 tỷ người và dự báo tăng lên khoảng 11 tỷ người vào năm 2100, lượng rác thải polymer không phân hủy ngày càng gia tăng, gây áp lực lớn lên môi trường toàn cầu. Năm 2010, sản lượng nhựa toàn cầu đạt 304 triệu tấn, trong đó Việt Nam sản xuất khoảng 3,8 triệu tấn. Rác thải polymer truyền thống mất hàng trăm đến hàng triệu năm mới phân hủy, gây ô nhiễm đất, nước và ảnh hưởng sức khỏe con người. Do đó, việc phát triển polymer phân hủy sinh học là giải pháp bền vững nhằm thay thế các vật liệu nhựa truyền thống.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp copolymer PLA-PEG multiblock và poly(ester-urethane) (PEU) dựa trên lactic acid, nhằm tạo ra vật liệu polymer phân hủy sinh học có trọng lượng phân tử cao, ứng dụng trong lĩnh vực bao bì thân thiện môi trường. Mục tiêu cụ thể gồm khảo sát điều kiện tổng hợp prepolymer PLA có 2 nhóm hydroxyl cuối mạch với khối lượng phân tử khoảng 3.000 g/mol, tổng hợp copolymer PLA-PEG từ PLA-diol và PEG diacid, cũng như tổng hợp poly(ester-urethane) từ prepolymer PLA với diisocyanate.

Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2014 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu polymer phân hủy sinh học có tính năng cơ lý và hóa học phù hợp, hỗ trợ giảm thiểu ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa, đồng thời mở rộng ứng dụng trong ngành bao bì sinh học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Polymer phân hủy sinh học: Được định nghĩa theo tiêu chuẩn ASTM là polymer có khả năng thay đổi cấu trúc hóa học dưới tác động môi trường, dẫn đến mất tính chất vật lý và hóa học, phân hủy thành các sản phẩm không độc hại như CO2 và H2O nhờ hoạt động của vi sinh vật.

  • Tổng hợp polylactic acid (PLA): PLA là polyester phân hủy sinh học được tổng hợp từ lactic acid hoặc lactide qua phản ứng mở vòng lactide với xúc tác Sn(Oct)2. PLA có tính chất cơ lý tốt, nhiệt độ chuyển thủy tinh khoảng 50-65°C, nhiệt độ nóng chảy 170-180°C, và khả năng phân hủy sinh học cao.

  • Copolymer PLA-PEG multiblock: PEG được sử dụng để cải thiện tính ưa nước và giảm độ kết tinh của PLA, nâng cao khả năng phân hủy sinh học. Copolymer được tổng hợp bằng phản ứng trùng ngưng giữa PLA-diol và PEG diacid với chất gắn kết DCC và xúc tác DMAP.

  • Poly(ester-urethane) (PEU): Tổng hợp từ prepolymer PLA và diisocyanate, phản ứng giữa nhóm hydroxyl (-OH) và nhóm isocyanate (-NCO) tạo liên kết urethane. Xúc tác amine bậc ba và acid Lewis (đặc biệt là xúc tác thiếc) được sử dụng để tăng hiệu quả phản ứng.

Các khái niệm chính bao gồm: nhóm hydroxyl và acid trong polymer, trọng lượng phân tử trung bình (Mn, Mw), độ đa phân tán (IDP), chỉ số acid (CA), chỉ số hydroxyl (CH), và các kỹ thuật phân tích như NMR, FTIR, GPC, DSC.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp polymer tại phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

  • Cỡ mẫu: Các mẫu polymer được tổng hợp với trọng lượng phân tử PLA-diol khoảng 3.000 g/mol, copolymer PLA-PEG multiblock có trọng lượng phân tử cao trên 25.000 g/mol.

  • Phương pháp chọn mẫu: Sử dụng phương pháp trùng ngưng giữa PLA-diol và PEG diacid với tỷ lệ mol OH/COOH = 1/1, sử dụng xúc tác DCC và DMAP trong dung môi CH2Cl2. Tổng hợp PEU từ prepolymer PLA và diisocyanate với tỷ lệ mol NCO/OH được điều chỉnh.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) để xác định cấu trúc hóa học, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để nhận diện nhóm chức, sắc ký gel (GPC) để đo trọng lượng phân tử và độ đa phân tán, nhiệt quét vi sai (DSC) để đánh giá tính kết tinh và nhiệt độ chuyển pha.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành trong 6 tháng, từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2014, bao gồm các giai đoạn tổng hợp prepolymer PLA, tổng hợp copolymer PLA-PEG, tổng hợp PEU và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp prepolymer PLA-diol:

    • Trọng lượng phân tử PLA-diol được kiểm soát trong khoảng 3.000 g/mol bằng cách điều chỉnh hàm lượng 1,4-butanediol từ 2% đến 4% khối lượng lactic acid.
    • Hiệu suất tổng hợp đạt khoảng 85-90% tùy điều kiện xúc tác và nhiệt độ.
    • Độ đa phân tán (IDP) thấp, cho thấy phân bố kích thước phân tử đồng đều.

  2. Tổng hợp copolymer PLA-PEG multiblock:

    • Copolymer PLA-PEG có trọng lượng phân tử cao trên 25.000 g/mol, hiệu suất thu hồi đạt trên 90%.
    • Tỷ lệ mol OH/COOH được duy trì 1/1, sử dụng DCC làm chất gắn kết và DMAP làm xúc tác trong dung môi CH2Cl2.
    • Copolymer có độ đa phân tán thấp, tính tương hợp giữa PLA và PEG tốt, làm giảm độ kết tinh so với prepolymer PLA ban đầu.
    • Phổ FTIR và NMR xác nhận sự hình thành liên kết ester giữa PLA và PEG.

  3. Tổng hợp poly(ester-urethane) PEU:

    • Phản ứng giữa prepolymer PLA và diisocyanate được khảo sát với tỷ lệ mol NCO/OH khác nhau, ảnh hưởng đến độ nhớt và cấu trúc polymer.
    • Độ nhớt tăng theo tỷ lệ NCO/OH, cho thấy sự gia tăng khối lượng phân tử và mạng lưới liên kết urethane.
    • Phổ FTIR cho thấy sự xuất hiện của nhóm urethane đặc trưng, xác nhận thành công phản ứng tổng hợp PEU.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy việc kiểm soát hàm lượng 1,4-butanediol và điều kiện xúc tác là yếu tố quyết định trọng lượng phân tử và tính chất của prepolymer PLA-diol. So với các nghiên cứu trước đây, trọng lượng phân tử PLA-diol trong nghiên cứu này đạt mức ổn định và phù hợp để tổng hợp copolymer đa khối.

Việc sử dụng DCC và DMAP trong phản ứng trùng ngưng PLA-diol với PEG diacid giúp tạo ra copolymer PLA-PEG multiblock có trọng lượng phân tử cao và độ đa phân tán thấp, cải thiện tính tương hợp và giảm độ kết tinh, từ đó nâng cao khả năng phân hủy sinh học và tính ứng dụng trong bao bì sinh học. Kết quả này tương đồng với các báo cáo trong ngành về việc cải thiện tính chất vật liệu PLA bằng PEG.

Phản ứng tổng hợp PEU từ prepolymer PLA và diisocyanate với sự xúc tác của amine và acid Lewis cho thấy khả năng điều chỉnh cấu trúc polymer qua tỷ lệ mol NCO/OH, ảnh hưởng đến tính chất cơ lý và nhiệt của vật liệu. Các phổ FTIR và DSC minh họa rõ ràng sự hình thành liên kết urethane và thay đổi tính kết tinh, phù hợp với các nghiên cứu về poly(ester-urethane) trên cơ sở lactic acid.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ trọng lượng phân tử theo hàm lượng xúc tác, hiệu suất tổng hợp theo thời gian phản ứng, phổ FTIR và NMR minh họa cấu trúc polymer, cũng như biểu đồ DSC thể hiện nhiệt độ chuyển pha và độ kết tinh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp prepolymer PLA:

    • Hành động: Điều chỉnh hàm lượng 1,4-butanediol và xúc tác Sn(Oct)2 để kiểm soát trọng lượng phân tử và độ đa phân tán.
    • Mục tiêu: Đạt trọng lượng phân tử PLA-diol ổn định khoảng 3.000 g/mol với hiệu suất trên 90%.
    • Thời gian: 3 tháng.
    • Chủ thể: Phòng thí nghiệm polymer tại các trường đại học và viện nghiên cứu.

  2. Nâng cao hiệu quả tổng hợp copolymer PLA-PEG multiblock:

    • Hành động: Sử dụng tỷ lệ mol OH/COOH chính xác, kiểm soát thời gian và nhiệt độ phản ứng, đồng thời áp dụng các chất xúc tác hiệu quả như DCC và DMAP.
    • Mục tiêu: Tăng trọng lượng phân tử copolymer trên 25.000 g/mol, giảm độ kết tinh và tăng tính tương hợp.
    • Thời gian: 4 tháng.
    • Chủ thể: Các nhà sản xuất vật liệu sinh học và phòng thí nghiệm nghiên cứu.

  3. Phát triển poly(ester-urethane) PEU với tính chất cơ lý cải tiến:

    • Hành động: Điều chỉnh tỷ lệ mol NCO/OH và phối hợp xúc tác amine bậc ba với acid Lewis để kiểm soát cấu trúc mạng polymer.
    • Mục tiêu: Tạo vật liệu PEU có độ bền cơ học và tính phân hủy sinh học phù hợp cho ứng dụng bao bì.
    • Thời gian: 6 tháng.
    • Chủ thể: Các công ty sản xuất polymer và viện nghiên cứu vật liệu.

  4. Khảo sát khả năng phân hủy và an toàn môi trường của sản phẩm:

    • Hành động: Thực hiện các thử nghiệm phân hủy sinh học trong điều kiện môi trường thực tế và đánh giá độc tính.
    • Mục tiêu: Xác nhận tính thân thiện môi trường và khả năng ứng dụng rộng rãi của polymer tổng hợp.
    • Thời gian: 12 tháng.
    • Chủ thể: Các tổ chức nghiên cứu môi trường và phòng thí nghiệm kiểm định.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ vật liệu polymer:

    • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình tổng hợp và đặc tính của copolymer PLA-PEG và poly(ester-urethane) trên cơ sở lactic acid, áp dụng trong nghiên cứu và phát triển vật liệu phân hủy sinh học.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu bao bì sinh học:

    • Lợi ích: Áp dụng công nghệ tổng hợp polymer phân hủy sinh học có trọng lượng phân tử cao, cải thiện tính năng sản phẩm, đáp ứng yêu cầu thị trường và bảo vệ môi trường.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách:

    • Lợi ích: Nắm bắt các giải pháp công nghệ mới trong xử lý rác thải polymer, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển vật liệu thân thiện môi trường.

  4. Phòng thí nghiệm kiểm định và phát triển sản phẩm polymer:

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất polymer bằng NMR, FTIR, GPC, DSC, phục vụ đánh giá chất lượng và nghiên cứu sản phẩm mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tổng hợp copolymer PLA-PEG thay vì sử dụng PLA nguyên chất?
    PLA nguyên chất có tính kỵ nước cao, làm giảm khả năng phân hủy sinh học. Việc tổng hợp copolymer PLA-PEG giúp tăng tính ưa nước, giảm độ kết tinh, từ đó nâng cao khả năng phân hủy và tính ứng dụng trong bao bì sinh học.

  2. Phương pháp tổng hợp prepolymer PLA-diol được thực hiện như thế nào?
    Prepolymer PLA-diol được tổng hợp bằng phản ứng trùng ngưng nóng chảy trong chân không giữa lactic acid và 1,4-butanediol với xúc tác Sn(Oct)2, kiểm soát trọng lượng phân tử khoảng 3.000 g/mol.

  3. Các kỹ thuật phân tích nào được sử dụng để xác định cấu trúc polymer?
    NMR xác định cấu trúc hóa học, FTIR nhận diện nhóm chức, GPC đo trọng lượng phân tử và độ đa phân tán, DSC đánh giá tính kết tinh và nhiệt độ chuyển pha.

  4. Tỷ lệ mol OH/COOH ảnh hưởng thế nào đến phản ứng tổng hợp copolymer?
    Tỷ lệ mol OH/COOH cân bằng (1/1) giúp phản ứng trùng ngưng hiệu quả, tạo liên kết ester bền vững, nâng cao trọng lượng phân tử và hiệu suất tổng hợp copolymer.

  5. Poly(ester-urethane) PEU có ứng dụng gì trong thực tế?
    PEU có tính đàn hồi, bền cơ học và khả năng phân hủy sinh học, phù hợp làm vật liệu bao bì sinh học, màng phủ, và ứng dụng trong y tế như màng bọc mô cấy.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công prepolymer PLA-diol với trọng lượng phân tử khoảng 3.000 g/mol, kiểm soát tốt các nhóm chức hydroxyl và acid cuối mạch.
  • Copolymer PLA-PEG multiblock được tổng hợp với trọng lượng phân tử cao trên 25.000 g/mol, có tính tương hợp tốt và giảm độ kết tinh so với PLA nguyên thủy.
  • Poly(ester-urethane) PEU được tổng hợp từ prepolymer PLA và diisocyanate với khả năng điều chỉnh cấu trúc qua tỷ lệ mol NCO/OH, xác nhận bằng các phương pháp phân tích hiện đại.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu polymer phân hủy sinh học ứng dụng trong bao bì thân thiện môi trường, góp phần giảm thiểu ô nhiễm do rác thải nhựa.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa quy trình tổng hợp, khảo sát khả năng phân hủy và đánh giá an toàn môi trường để hoàn thiện sản phẩm ứng dụng thực tế.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích tiếp tục phát triển và ứng dụng các kết quả này nhằm thúc đẩy ngành công nghiệp vật liệu sinh học tại Việt Nam và trên thế giới.