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 để 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 nhựa truyền thống, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

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, phù hợp ứng dụng trong lĩnh vực bao bì thân thiện môi trường. Nghiên cứu khảo sát các điều kiện tổng hợp prepolymer PLA diol (Mn ≈ 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. Thời gian nghiên cứu từ tháng 7/2014 đến tháng 12/2014 tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả tổng hợp polymer phân hủy sinh học có tính tương hợp cao, trọng lượng phân tử lớn, độ đa phân tán thấp, giảm độ kết tinh, từ đó mở rộng ứng dụng trong sản xuất bao bì phân hủy sinh học, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Polymer phân hủy sinh học: Được định nghĩa theo tiêu chuẩn ASTM (D20.01) là polymer có khả năng thay đổi cấu trúc hóa học dưới tác động môi trường, dẫn đến mất tính chất vật lý, phân hủy thành các sản phẩm không độc hại như CO2 và H2O nhờ hoạt động của vi sinh vật và enzym.

  • 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 kỵ nước, độ kết tinh cao, nhiệt độ chuyển thủy tinh khoảng 50-65°C và nhiệt độ nóng chảy 170-180°C.

  • Copolymer PLA-PEG multiblock: PEG được sử dụng để cải thiện tính ưa nước của PLA, giảm độ kết tinh, tăng 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 qua phản ứng nhóm hydroxyl (-OH) với nhóm isocyanate (-NCO). Phản ứng xúc tác bởi các amin bậc ba và acid Lewis, cơ chế xúc tác bao gồm liên kết hydro và acid-base Lewis.

Các khái niệm chính bao gồm: nhóm chức 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 phương pháp phân tích cấu trúc polymer như NMR, FTIR, GPC, DSC.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Hóa học Polymer, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Tổng hợp các mẫu prepolymer PLA với trọng lượng phân tử khoảng 3.000 g/mol, copolymer PLA-PEG multiblock và poly(ester-urethane) PEU với các điều kiện phản ứng khác nhau nhằm khảo sát ảnh hưởng của xúc tác, thời gian, tỷ lệ mol, và trọng lượng phân tử.

  • Phương pháp tổng hợp:

    • Prepolymer PLA diol được tổng hợp bằng phản ứng trùng ngưng nóng chảy trong chân không với xúc tác Sn(Oct)2 và 1,4-butanediol.
    • Copolymer PLA-PEG multiblock tổng hợp bằng phản ứng trùng ngưng trong dung môi CH2Cl2, tỷ lệ mol OH/COOH = 1/1, sử dụng DCC làm chất gắn kết và DMAP làm xúc tác.
    • Poly(ester-urethane) tổng hợp từ prepolymer PLA và diisocyanate với tỷ lệ mol NCO/OH được điều chỉnh.

  • Phương pháp phân tích:

    • Cân bằng trọng lượng phân tử và độ đa phân tán bằng sắc ký gel (GPC).
    • Xác định cấu trúc hóa học và nhóm chức bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR).
    • Đánh giá tính chất nhiệt bằng nhiệt quét vi sai (DSC).
    • Chuẩn độ chỉ số acid và hydroxyl để định lượng nhóm chức trong polymer.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 7/2014 đến tháng 12/2014, gồm các giai đoạn tổng hợp prepolymer PLA, tổng hợp copolymer PLA-PEG, tổng hợp poly(ester-urethane), 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 trung bình (Mn) 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, dưới 1.5, cho thấy phân bố kích thước phân tử đồng đều.

  2. Tổng hợp copolymer PLA-PEG multiblock:

    • Phản ứng trùng ngưng giữa PLA diol và PEG diacid trong dung môi CH2Cl2 với tỷ lệ mol OH/COOH = 1/1, xúc tác DCC và DMAP, tạo ra copolymer có trọng lượng phân tử cao trên 25.000 g/mol.
    • Hiệu suất thu hồi copolymer đạt trên 90%.
    • Độ đa phân tán thấp, dưới 1.6, cho thấy tính đồng nhất cao.
    • Copolymer có tính tương hợp tốt giữa PLA và PEG, giảm độ kết tinh so với prepolymer PLA ban đầu, giúp tăng khả năng phân hủy sinh học.

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

    • Phản ứng giữa prepolymer PLA và diisocyanate với tỷ lệ mol NCO/OH được điều chỉnh từ 1.0 đến 1.2.
    • Độ nhớt và trọng lượng phân tử của PEU tăng theo tỷ lệ mol NCO/OH, đạt trọng lượng phân tử trung bình trên 30.000 g/mol.
    • Phổ FTIR xác nhận sự hình thành liên kết urethane đặc trưng.
    • Hiệu suất tổng hợp PEU đạt khoảng 88-92%.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy việc kiểm soát hàm lượng 1,4-butanediol và xúc tác Sn(Oct)2 trong tổng hợp prepolymer PLA diol là yếu tố quyết định trọng lượng phân tử và nhóm chức hydroxyl cuối mạch. So với các nghiên cứu trước đây, trọng lượng phân tử prepolymer PLA trong nghiên cứu này được duy trì ổn định ở mức khoảng 3.000 g/mol với độ đa phân tán thấp, phù hợp làm tiền chất cho các phản ứng tiếp theo.

Phản ứng trùng ngưng giữa PLA diol và PEG diacid trong dung môi CH2Cl2 với DCC và DMAP đã tạo ra copolymer PLA-PEG multiblock có trọng lượng phân tử cao và hiệu suất thu hồi lớn, đồng thời giảm độ kết tinh của PLA, cải thiện tính ưa nước và khả năng phân hủy sinh học. Kết quả này tương đồng với các báo cáo trong ngành về việc sử dụng PEG để nâng cao tính chất vật liệu của PLA.

Phản ứng tổng hợp poly(ester-urethane) PEU từ prepolymer PLA và diisocyanate với tỷ lệ mol NCO/OH được tối ưu hóa giúp tạo ra vật liệu có trọng lượng phân tử cao, cấu trúc urethane ổn định, mở rộng ứng dụng trong các sản phẩm polymer phân hủy sinh học có tính cơ lý tốt hơn. Các phổ FTIR và DSC minh họa rõ ràng sự hình thành liên kết urethane và tính chất nhiệt của PEU.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ trọng lượng phân tử theo hàm lượng xúc tác, tỷ lệ mol, cũng như bảng so sánh chỉ số acid, hydroxyl và hiệu suất tổng hợp giữa các mẫu polymer khác nhau, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng.

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 nhóm chức hydroxyl cuối mạch.
    • Mục tiêu: Đạt trọng lượng phân tử khoảng 3.000 g/mol với độ đa phân tán thấp.
    • Thời gian: 3-6 tháng.
    • Chủ thể: Các phòng thí nghiệm nghiên cứu polymer.

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

    • Hành động: Tối ưu tỷ lệ mol OH/COOH, sử dụng dung môi và xúc tác phù hợp để tăng hiệu suất và trọng lượng phân tử copolymer.
    • Mục tiêu: Trọng lượng phân tử trên 25.000 g/mol, hiệu suất thu hồi trên 90%.
    • Thời gian: 6 tháng.
    • Chủ thể: Các nhà sản xuất vật liệu polymer sinh học.

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

    • Hành động: Điều chỉnh tỷ lệ mol NCO/OH và loại diisocyanate để tối ưu hóa tính chất vật liệu.
    • Mục tiêu: Tăng trọng lượng phân tử và độ bền cơ học của PEU.
    • Thời gian: 6-9 tháng.
    • Chủ thể: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất polymer.

  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 thực tiễn.
    • Thời gian: 12 tháng.
    • Chủ thể: Các tổ chức nghiên cứu môi trường và cơ quan quản lý.

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 polymer phân hủy sinh học, phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu mới hoặc cải tiến vật liệu polymer sinh học.

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

    • Lợi ích: Áp dụng quy trình tổng hợp copolymer PLA-PEG và PEU để sản xuất bao bì thân thiện môi trường.
    • Use case: Nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng tiêu chuẩn phân hủy sinh học.

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

    • Lợi ích: Hiểu về công nghệ polymer phân hủy sinh học, đánh giá tiềm năng thay thế nhựa truyền thống.
    • Use case: Xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển vật liệu xanh.

  4. Phòng thí nghiệm kiểm định và đánh giá vật liệu polymer:

    • Lợi ích: Áp dụng các phương pháp phân tích NMR, FTIR, GPC, DSC trong đánh giá polymer phân hủy sinh học.
    • Use case: Kiểm tra chất lượng và tính đồng nhất của sản phẩm polymer.

Câu hỏi thường gặp

  1. Polymer phân hủy sinh học là gì?
    Polymer phân hủy sinh học là loại polymer có khả năng bị vi sinh vật và enzym trong môi trường tự nhiên phân hủy thành các sản phẩm không độc hại như CO2 và H2O trong một khoảng thời gian nhất định. Ví dụ, PLA được phân hủy nhờ enzym và vi sinh vật trong đất.

  2. Tại sao cần tổng hợp copolymer PLA-PEG?
    PLA có tính kỵ nước và độ kết tinh cao, làm giảm khả năng phân hủy. PEG được thêm vào để tăng tính ưa nước, giảm độ kết tinh, từ đó cải thiện khả năng phân hủy và tính tương hợp của vật liệu.

  3. Phương pháp tổng hợp prepolymer PLA diol như thế nào?
    Prepolymer PLA diol được tổng hợp bằng phản ứng trùng ngưng nóng chảy trong chân không, sử dụng xúc tác Sn(Oct)2 và 1,4-butanediol để kiểm soát trọng lượng phân tử và nhóm hydroxyl cuối mạch.

  4. Poly(ester-urethane) được tổng hợp ra sao?
    PEU được tổng hợp từ prepolymer PLA và diisocyanate qua phản ứng giữa nhóm hydroxyl (-OH) và nhóm isocyanate (-NCO), xúc tác bởi amin bậc ba và acid Lewis, tạo liên kết urethane đặc trưng.

  5. Làm thế nào để đánh giá cấu trúc và tính chất của polymer tổng hợp?
    Các phương pháp phổ biến gồm: NMR để xác định cấu trúc hóa học, FTIR để nhận diện nhóm chức, GPC để đo trọng lượng phân tử và độ đa phân tán, DSC để đánh giá tính chất nhiệt như nhiệt độ chuyển thủy tinh và nhiệt độ nóng chảy.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công prepolymer PLA diol với trọng lượng phân tử khoảng 3.000 g/mol và nhóm hydroxyl cuối mạch được kiểm soát tốt.
  • Copolymer PLA-PEG multiblock có trọng lượng phân tử cao trên 25.000 g/mol, hiệu suất thu hồi cao và tính tương hợp tốt giữa PLA và PEG.
  • Poly(ester-urethane) PEU được tổng hợp với trọng lượng phân tử lớn, cấu trúc urethane ổn định, mở rộng ứng dụng polymer phân hủy sinh học.
  • Các phương pháp phân tích NMR, FTIR, GPC và DSC đã xác nhận cấu trúc và tính chất vật liệu của các polymer tổng hợp.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu khả năng phân hủy sinh học và đánh giá an toàn môi trường để hoàn thiện ứng dụng thực tiễn.

Hành động tiếp theo: Thực hiện các thử nghiệm phân hủy sinh học trong điều kiện thực tế, tối ưu hóa quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng trong sản xuất bao bì sinh học. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai nghiên cứu ứng dụng.

Kêu gọi hành động: Các tổ chức nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý cần quan tâm đầu tư phát triển polymer phân hủy sinh học nhằm góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.