Tổng Hợp Nanocomposite và Vật Liệu Che Chắn Tia UV Trên Nền Polyvinyl Alcohol và Bã Cà Phê

Khám phá tổng hợp nanocomposite và vật liệu che chắn tia UV từ polyvinyl alcohol và bã cà phê, ứng dụng trong bảo vệ sức khỏe và môi trường.

• Tác giả: Trần Công Chánh
• Người hướng dẫn: TS. Giang Ngọc Hà
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Tổng Hợp Nanocomposite Và Vật Liệu Che Chắn Tia UV Từ Polyvinyl Alcohol Và Bã Cà Phê
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu
• 1.1.1. Tình hình nghiên cứu về vật liệu che chắn tia UV (UV-SM)
• 1.1.2. Tình hình nghiên cứu về vật liệu polymer nanocomposites (PNC)
• 1.2. Mục tiêu của khóa luận
• 1.3. Cơ sở lý luận và giả thiết khoa học
• 1.4. Tổng quan về nguồn nguyên liệu
• 1.4.1. Vật liệu che chắn tia UV (UV-SM)
• 1.4.2. Vật liệu polymer nanocomposites (PNC)
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất và nguyên vật liệu
• 2.2. Phương pháp chế tạo mẫu
• 2.3. Phương pháp tạo dịch chiết
• 2.4. Phương pháp chế tạo các hạt nano (NPs)
• 2.5. Phương pháp chế tạo màng
• 2.6. Các phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu
• 2.6.1. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS
• 2.6.2. Phương pháp kính hiển vi quang học Optical microscope (OM)
• 2.6.3. Phương pháp tán xạ ánh sáng động Dynamic light scattering (DLS)
• 2.6.4. Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
• 2.6.5. Phương pháp nhiệt trọng lượng Thermogravimetric analysis (TGA)
• 2.6.6. Phương pháp kiểm tra độ bền kéo
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Vật liệu che chắn tia UV (UV-SM) trên cơ sở poly(vinyl alcohol) kết hợp với dịch chiết từ bã cà phê đã qua sử dụng
• 3.2. Kết quả phân tích dịch chiết tạo thành
• 3.3. Kết quả phân tích vật liệu che chắn tia UV (UV-SM)
• 3.4. Vật liệu polymer nanocomposites trên cơ sở poly(vinyl alcohol) và các hạt nano (NPs) được tạo thành từ bã cà phê đã qua sử dụng
• 3.4.1. Kết quả quá trình nghiền bi
• 3.4.2. Kết quả tạo các hạt nano (NPs) bằng phương pháp đồng hóa siêu âm (Sonication method)
• 3.4.3. Kết quả phân tích vật liệu polymer nanocomposites (PNC)
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nanocomposite và Vật Liệu Che Chắn Tia UV

Nanocomposite và vật liệu che chắn tia UV đang trở thành xu hướng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực vật liệu sinh học. Sự kết hợp giữa Polyvinyl Alcohol (PVA) và bã cà phê không chỉ mang lại hiệu quả trong việc bảo vệ khỏi tia UV mà còn góp phần vào việc phát triển các vật liệu thân thiện với môi trường. Việc sử dụng nguyên liệu tự nhiên như bã cà phê giúp giảm thiểu ô nhiễm và tạo ra các sản phẩm có khả năng phân hủy sinh học.

1.1. Tình hình nghiên cứu về Vật Liệu Che Chắn Tia UV

Tia UV có nhiều ứng dụng trong đời sống, nhưng cũng gây hại cho sức khỏe con người. Nghiên cứu gần đây cho thấy, việc sử dụng bã cà phê làm chất lọc tia UV có thể cải thiện đáng kể khả năng che chắn, với độ hấp thu lên đến 99,4% trong vùng UVB.

1.2. Tình hình nghiên cứu về Nanocomposite

Nanocomposite được tạo ra từ các nguyên liệu tự nhiên như bã cà phê đang được nghiên cứu mạnh mẽ. Các nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng bã cà phê không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn giúp tạo ra các sản phẩm an toàn cho sức khỏe.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên cứu Vật Liệu Che Chắn Tia UV

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc phát triển vật liệu che chắn tia UV từ Polyvinyl Alcohol và bã cà phê vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ bền, khả năng phân hủy và chi phí sản xuất cần được giải quyết để đảm bảo tính khả thi trong ứng dụng thực tiễn.

2.1. Độ bền và Tính ổn định của Vật Liệu

Độ bền của vật liệu che chắn tia UV là một yếu tố quan trọng. Nghiên cứu cho thấy, việc kết hợp PVA với bã cà phê có thể cải thiện độ bền kéo, nhưng cần phải kiểm tra tính ổn định nhiệt để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

2.2. Chi phí sản xuất và Tính khả thi

Chi phí sản xuất vật liệu từ bã cà phê cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc sử dụng nguyên liệu tự nhiên có thể giảm chi phí, nhưng quy trình sản xuất cần được tối ưu hóa để đảm bảo tính khả thi trong thương mại.

III. Phương pháp Chế tạo Vật Liệu Che Chắn Tia UV từ Bã Cà Phê

Phương pháp chế tạo vật liệu che chắn tia UV từ bã cà phê và PVA bao gồm nhiều bước quan trọng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, phương pháp đúc từ dung dịch (Solution casting) là một trong những cách hiệu quả nhất để tạo ra màng che chắn tia UV.

3.1. Quy trình Chế tạo Màng từ Dịch Chiết Bã Cà Phê

Quy trình chế tạo màng bắt đầu bằng việc chiết xuất dịch từ bã cà phê, sau đó hòa tan PVA trong nước cất. Dịch chiết được thêm vào dung dịch PVA và đổ khuôn để tạo thành màng. Kết quả cho thấy, màng có khả năng che chắn tia UV tốt.

3.2. Phân tích Tính chất của Màng Che Chắn Tia UV

Sau khi chế tạo, màng được phân tích bằng các phương pháp như quang phổ hấp thụ UV-Vis và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA). Kết quả cho thấy, màng có độ hấp thu tia UV cao và tính ổn định nhiệt tốt.

IV. Ứng dụng Thực tiễn của Nanocomposite và Vật Liệu Che Chắn Tia UV

Nanocomposite và vật liệu che chắn tia UV có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm và bao bì. Việc sử dụng bã cà phê làm nguyên liệu không chỉ giúp bảo vệ sản phẩm khỏi tia UV mà còn góp phần vào việc phát triển các sản phẩm bền vững.

4.1. Ứng dụng trong Ngành Bao Bì Thực Phẩm

Vật liệu che chắn tia UV có thể được sử dụng trong bao bì thực phẩm để bảo vệ sản phẩm khỏi tác động của ánh sáng. Điều này giúp kéo dài thời gian bảo quản và đảm bảo chất lượng thực phẩm.

4.2. Tiềm năng trong Ngành Công Nghiệp Sinh Học

Nanocomposite từ bã cà phê có tiềm năng lớn trong ngành công nghiệp sinh học. Việc phát triển các sản phẩm từ nguyên liệu tự nhiên không chỉ thân thiện với môi trường mà còn an toàn cho sức khỏe con người.

V. Kết luận và Tương lai của Nghiên cứu Vật Liệu Che Chắn Tia UV

Nghiên cứu về nanocomposite và vật liệu che chắn tia UV từ Polyvinyl Alcohol và bã cà phê mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển vật liệu thân thiện với môi trường. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn và giải pháp bền vững cho ngành công nghiệp.

5.1. Hướng nghiên cứu trong Tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và cải thiện tính chất của vật liệu. Việc khám phá thêm các nguyên liệu tự nhiên khác cũng là một hướng đi tiềm năng.

5.2. Tác động đến Ngành Công Nghiệp và Môi Trường

Việc phát triển vật liệu che chắn tia UV từ bã cà phê không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra các sản phẩm an toàn cho sức khỏe. Điều này có thể tạo ra tác động tích cực đến ngành công nghiệp và môi trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phổ biến của các vật dụng sinh hoạt và bao bì màng mỏng chế tạo từ polymer có nguồn gốc dầu mỏ như polyethylene (PE), polypropylene (PP) hay poly(vinyl alcohol) (PVA) đã dẫn đến áp lực lớn về ô nhiễm môi trường và cạn kiệt tài nguyên hóa thạch. Theo thống kê năm 2018 của Sở Tài nguyên và Môi trường Thành phố Hồ Chí Minh được trích dẫn trong văn bản, lượng chất thải rắn phát sinh mỗi ngày tại đô thị này dao động từ 8.000 đến hơn 9.000 tấn, trong đó chất thải nhựa và túi nylon chiếm từ 3% đến 8%. Mức tiêu thụ nhựa bình quân tại Việt Nam đạt khoảng 30 - 40 kg/người/năm. Riêng tại Thành phố Hồ Chí Minh, các chợ, siêu thị và trung tâm thương mại tiêu thụ khoảng 30 tấn nylon mỗi ngày; khu vực hộ dân thải ra từ 34 đến 60 tấn/ngày (tương đương 5 đến 9 triệu túi nylon/ngày). Tỷ lệ phát sinh tập trung cao nhất tại hệ thống chợ (70%), tiếp theo là siêu thị (25%) và trung tâm thương mại (3%). Số liệu khảo sát tại hệ thống siêu thị Maximark ghi nhận lượng tiêu thụ trung bình 10 tấn nylon/tháng (khoảng 1 triệu túi/tháng), trong khi hệ thống Big C tiêu thụ khoảng 20 tấn/tháng (khoảng 3 triệu túi/tháng). Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển các dòng vật liệu màng sinh học có khả năng phân hủy, thân thiện với môi trường nhằm thay thế dần polymer truyền thống.

Song song đó, Việt Nam là quốc gia xuất khẩu cà phê đứng thứ hai thế giới, chiếm 8,3% thị phần xuất khẩu toàn cầu (chỉ sau Brazil). Lượng bã cà phê thải ra sau quá trình chiết xuất đồ uống rất lớn nhưng phần lớn bị thải bỏ trực tiếp ra môi trường tự nhiên. Trong bối cảnh bã cà phê chứa nhiều hợp chất có giá trị sinh học cao (như polyphenol, chlorogenic acid, caffein, lignin, cellulose) và PVA là một polymer ưa nước có khả năng phân hủy sinh học, đề tài lựa chọn giải pháp kết hợp hai nguồn nguyên liệu này theo hướng kinh tế tuần hoàn: tách chiết các hợp chất chống oxy hóa và hấp thụ quang làm màng che chắn tia cực tím, đồng thời tận dụng phần bã rắn còn lại để chế tạo hạt nano gia cường cơ tính cho vật liệu polymer nanocomposite.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của khóa luận là tận dụng bã cà phê đã qua sử dụng để chế tạo vật liệu lọc UV (UV-filter) và vật liệu nanocomposite trên nền poly(vinyl alcohol). Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định như sau:

1. Tìm hiểu tổng quan về vật liệu che chắn/lọc tia tử ngoại (UV-SM) và vật liệu màng polymer nanocomposite (PNC).
2. Tận dụng bã cà phê chế tạo vật liệu lọc UV và nanocomposite trên nền PVA:
   • Phân tích hàm lượng caffein trong dịch chiết bã cà phê.
   • Chế tạo màng PVA kết hợp với dịch chiết và phân tích tính chất che chắn UV, độ truyền quang, độ bền nhiệt của màng.
   • Tổng hợp hạt nano (NPs) từ bã cà phê bằng phương pháp kết hợp nghiền cơ học và đồng hóa siêu âm.
   • Chế tạo và đánh giá cấu trúc hình thái, độ bền nhiệt và tính chất cơ học của màng PNC từ PVA và hạt nano bã cà phê.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài gồm có poly(vinyl alcohol), bã cà phê pha máy đã qua sử dụng, chất hoạt động bề mặt cation Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) và chất chuẩn caffein. Về phạm vi không gian, các thực nghiệm được triển khai tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Hóa học (Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) và phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Hóa học (Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM); các phép đo chuyên sâu được thực hiện phối hợp tại Trường Đại học Bách khoa TP.HCM và Viện Công nghệ Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam); nguồn bã cà phê thu nhận tại quán Jiangnam Coffee (thị xã Dĩ An, tỉnh Bình Dương). Về phạm vi thời gian, khóa luận được thực hiện từ ngày 15/02/2022 đến ngày 05/08/2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống cơ sở lý thuyết dựa trên các nội dung hóa học polymer, hóa học các hợp chất tự nhiên và khoa học vật liệu nano:

• Poly(vinyl alcohol) (PVA): Là polymer điều chế gián tiếp qua quá trình ancol hóa polyvinyl acetate (do monomer vinyl alcohol không bền). Mạch polymer chứa mật độ lớn nhóm chức hydroxyl (-OH), tạo khả năng hình thành mạng lưới liên kết hydro liên phân tử và nội phân tử. Khóa luận sử dụng loại PVA có độ thủy phân 87 - 89% mol (loại thủy phân một phần), độ nhớt 20,5 - 24,5 mPa.s, mã danh CAS 9002-89-5. Loại PVA này có khả năng hòa tan tốt trong nước ở nhiệt độ thích hợp và tạo màng thông qua quá trình bay hơi dung môi mà không cần chất đóng rắn.
• Hợp chất có hoạt tính trong bã cà phê và cơ chế kháng oxy hóa: Bã cà phê chứa các thành phần cellulose, hemicellulose, lignin, fatty acid, caffein và các hợp chất polyphenol (nổi bật là chlorogenic acid và caffeic acid). Khóa luận viện dẫn 3 cơ chế kháng oxy hóa của các hợp chất polyphenol: cơ chế chuyển nguyên tử hydro (HAT - Hydrogen Atom Transfer), cơ chế chuyển electron kèm chuyển proton (SET-PT - Single Electron Transfer followed by Proton Transfer) và cơ chế mất proton tuần tự kèm chuyển electron (SPLET - Sequential Proton Loss Electron Transfer).
• Vật liệu che chắn tia tử ngoại (UV-SM): Tia UV được phân chia thành các vùng UVC, UVB và UVA. Tác giả phân loại bộ lọc UV thành bộ lọc vô cơ (như các oxide kim loại TiO2, ZnO cỡ micro hoặc nanomet hoạt động theo cơ chế phản xạ, tán xạ và hấp thụ) và bộ lọc hữu cơ (các hợp chất có cấu trúc liên hợp hấp thụ năng lượng photon UV rồi chuyển hóa thành nhiệt năng). Các polyphenol và caffein trong dịch chiết cà phê đóng vai trò là tác nhân lọc UV hữu cơ tự nhiên có độ an toàn sinh học cao.
• Chất hoạt động bề mặt cation CTAB: Cetyltrimethylammonium bromide (C19H42BrN, CAS 57-09-0) là muối amoni bậc bốn với một đầu ưa nước mang điện tích dương và mạch kỵ nước dài. CTAB được ứng dụng làm chất hoạt hóa bề mặt nhằm định hướng kích thước, ngăn ngừa hiện tượng tái kết tụ của các hạt nano bã cà phê và tăng cường tính ổn định của hệ phân tán.
• Hiệu ứng hạt nano trong composite: Dựa trên hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt, tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích của hạt tăng vọt khi đạt kích thước nanomet, tạo điều kiện thuận lợi cho tương tác liên kết giữa pha gia cường với mạch polymer nền PVA, giúp phân tán ứng suất cơ học hiệu quả.

Về phương pháp thực nghiệm, nghiên cứu phối hợp giữa quy trình tổng hợp mẫu trong phòng thí nghiệm và hệ thống thiết bị đo kiểm hóa lý chuẩn hóa:

Phương pháp thực nghiệm / Phân tích	Thiết bị sử dụng	Thông số / Điều kiện thực nghiệm	Mục đích đo kiểm
Chiết xuất và ly tâm dịch chiết	Bếp đun; máy ly tâm Hermle Z206A	Nước cất 100 °C, t = 10 phút; ly tâm 5.000 vòng/phút trong 10 phút	Tách chiết hợp chất hoạt tính từ bã cà phê
Nghiền bi cơ học	Thiết bị nghiền bi Hsiangtai (Đài Loan)	Trục quay 225 vòng/phút, thời gian 40 phút, bi nghiền đường kính 2 cm	Phá vỡ liên kết khối, làm tơi xốp hạt bã thô
Đồng hóa siêu âm (Sonication)	Máy siêu âm Vibra Cell (Sonics)	Khảo sát biên độ 30%, 50%, 70%; chế độ liên tục và ngắt quãng; thêm CTAB	Giảm kích thước hạt xuống cấp độ nanomet
Đúc màng từ dung dịch	Máy khuấy từ C-MAG HS 7; khuôn mica / đĩa petri	Khuấy 750 - 1.000 vòng/phút; sấy màng tại 80 °C trong 12 giờ	Tạo màng UV-SM và màng PNC đồng nhất
Quang phổ hấp thụ UV-Vis	Máy quang phổ Jasco V-730	Bước sóng 200 - 700 nm; chất chuẩn caffein; mẫu màng kích thước 2 x 1 cm	Đo phổ hấp thu dịch chiết và độ truyền qua của màng
Kính hiển vi quang học (OM)	Kính hiển vi C-B1 Optika SN-520265	Quan sát vi cấu trúc bề mặt	Đánh giá độ mịn bã sau nghiền và độ kết tụ màng
Tán xạ ánh sáng động (DLS)	Thiết bị Zetasizer Pro (Malvern)	Phân tích chuyển động Brown, đo kích thước và thế zeta	Xác định Z-Average, chỉ số PDI và thế zeta của NPs
Quang phổ hồng ngoại FTIR	FTIR-8400S Shimadzu (KBr) & Agilent Cary 60 (ATR)	Vùng số sóng 4.000 - 500 cm⁻¹; lực ép viên KBr đạt 40 kPa	Xác định nhóm chức và tương tác liên kết hydro
Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)	Thiết bị TGA 55 (TA Instruments)	Tốc độ nâng nhiệt 10 K/phút, khoảng nhiệt độ RT - 600 °C, môi trường N2 và O2	Đánh giá độ bền nhiệt và các giai đoạn phân hủy
Đo độ bền kéo đứt	Máy đo cơ tính Tensile Testometer FS300	Tốc độ kéo 5 mm/phút, ngàm 25 mm, kích thước mẫu 1,5 x 5 cm, tiêu chuẩn ASTM D-882	Xác định ứng suất kéo đứt, độ giãn dài và mô-đun Young

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hai nhánh vật liệu:

• Đối với vật liệu che chắn UV: Công trình của Siyuan Xie và cộng sự (2015) sử dụng nano graphene oxide dạng ống (nano-GO) kết hợp PVA đạt khả năng hấp thu tia UV tại bước sóng 300 nm lên tới 97,5%, nhưng độ truyền qua tại 500 nm chỉ đạt khoảng 40%, gây mờ đục màng. Nghiên cứu của Yadong Lyu và cộng sự (2020) sử dụng dịch chiết từ cà phê hòa tan phối trộn với PVA chế tạo màng bằng phương pháp đúc dung dịch; kết quả cho thấy độ hấp thu tia UV vùng UVA, UVB, UVC đạt lần lượt 93%, 99,4% và 99,4%, độ truyền qua tại 550 nm đạt 77%, đồng thời cải thiện độ bền nhiệt so với PVA nguyên chất.
• Đối với vật liệu polymer nanocomposite: Công trình của Bong San Baek và cộng sự (2013) gia cường polylactic acid (PLA) bằng bã cà phê và bột tre, ghi nhận độ bền nhiệt tăng nhưng độ bền kéo suy giảm khi tăng hàm lượng chất độn. Nghiên cứu của Lee và cộng sự (2015) tách hạt nano từ bã cà phê qua hệ lưới lọc kích thước 700 nm rồi sấy khô để phân tán vào PVA; tuy nhiên tác giả khóa luận nhận định phương pháp sấy khô bột nano dễ gây tái kết tụ, gây khó khăn cho quá trình tái phân tán trong dung môi.
• Luận điểm khoa học của chương: Tận dụng trực tiếp nguồn bã cà phê thải bỏ (thay vì cà phê hòa tan thương phẩm) để hạ giá thành, sử dụng dịch chiết nước nóng làm chất lọc UV tự nhiên, kết hợp phương pháp đồng hóa siêu âm bảo toàn trạng thái phân tán của hạt nano trong dung dịch lỏng nhằm gia cường màng PVA mà không làm suy giảm cơ tính.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình chế tạo mẫu và quy chuẩn phân tích qua 3 quy trình công nghệ chính:

• Quy trình xử lý bã và tạo dịch chiết: Bã cà phê pha máy từ quán Jiangnam Coffee được rửa sơ bộ bằng nước máy 2 lần để loại tạp chất thô, lọc qua hệ thống lọc chân không sử dụng giấy lọc định tính New Star 103, sau đó sấy khô ở 80 °C. Tiếp theo, bã được ngâm chiết trong nước cất đun sôi ở 100 °C trong thời gian 10 phút. Hỗn hợp sau chiết được ly tâm trên máy Hermle Z206A ở tốc độ 5.000 vòng/phút trong 10 phút để thu dịch trong suốt. Tác giả khảo sát 7 tỷ lệ nguyên liệu ký hiệu từ PN1 đến PN7 (thể tích nước nóng cố định 200 mL, khối lượng bã biến thiên lần lượt: 30 g, 20 g, 10 g, 5 g, 1 g, 0,5 g và 0,1 g).
• Quy trình chế tạo hạt nano (NPs): Bã sau chiết được rửa kiệt màu bằng nước nóng, sấy khô tại 80 °C và đưa vào máy nghiền bi Hsiangtai với tốc độ trục 225 vòng/phút trong 40 phút (bi nghiền 2 cm) để tạo hạt mịn. Sau đó, bột bã được phân tán trong nước theo tỷ lệ 0,4 g bã / 40 mL nước và xử lý trên máy siêu âm Vibra Cell. Tác giả khảo sát hai chế độ đánh siêu âm: chế độ liên tục trong 10 phút (ký hiệu mẫu C_NPs) và chế độ ngắt quãng (đánh 5 phút, để nguội, tiếp tục đánh 5 phút, ký hiệu mẫu I_NPs) với 3 mức nồng độ CTAB gồm 0 ppm, 600 ppm và 2.500 ppm, cùng 3 mức biên độ siêu âm 30%, 50%, 70%. Hệ huyền phù sau đó được lọc chân không qua giấy lọc sợi thủy tinh GF/B (kích thước lỗ 1 µm, đường kính 47 mm) bằng bơm chân không Rocker để loại bỏ các vi hạt kích thước lớn.
• Quy trình tạo màng mỏng bằng phương pháp đúc dung dịch (Solution casting):
  • Màng UV-SM: Khuấy 5 g PVA vào 100 mL dịch chiết (tương ứng các mẫu PC1 đến PC7) trên máy khuấy từ C-MAG HS 7 ở nhiệt độ 60 °C, tốc độ 750 - 1.000 vòng/phút trong 2 - 3 giờ; đổ khuôn đĩa petri đường kính 90 mm, cho bay hơi dung môi tại 35 °C và sấy hoàn thiện ở 80 °C trong 12 giờ.
  • Màng PNC: Trộn PVA với các dịch nano bã cà phê (khảo sát cả hệ không chứa CTAB và hệ chứa CTAB) ở nhiệt độ phòng, khuấy từ 750 - 1.000 vòng/phút trong 4 - 6 giờ; đổ khuôn mica kích thước 10 x 10 cm, để bay hơi dung môi ở nhiệt độ phòng và sấy khô tại 80 °C trong 12 giờ trước khi đưa vào bình hút ẩm.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 tổng hợp dữ liệu thực nghiệm chia thành hai mảng nghiên cứu:

• Vật liệu che chắn tia UV (UV-SM):
  • Dịch chiết PN1 sau khi pha loãng 250 lần cho đường cong hấp thụ UV-Vis tương đồng với phổ của dung dịch chất chuẩn caffein 10 ppm. Đường chuẩn tuyến tính của caffein được thiết lập từ dãy nồng độ 0, 8, 10, 20, 30 ppm làm cơ sở định lượng nồng độ caffein tương đối trên khối lượng PVA trong các mẫu màng PC1 đến PC7.
  • Phép đo độ truyền quang (Transmittance) trong vùng 200 - 700 nm chỉ ra rằng các mẫu màng kết hợp dịch chiết có khả năng cản tia cực tím vượt trội so với mẫu màng PVA tinh khiết. Mẫu màng PC5 được xác định là mẫu tối ưu: màng ngăn chặn hiệu quả bức xạ trong vùng UVA và UVB nhưng vẫn duy trì độ truyền qua trung bình trong vùng ánh sáng khả kiến đạt khoảng 63% (thấp hơn mức 77% của nghiên cứu tham khảo từ Yadong Lyu dùng cà phê hòa tan).
  • Phân tích nhiệt trọng lượng TGA trong cả hai môi trường khí N2 và O2 chứng minh độ bền nhiệt của màng PC5 không bị suy giảm đáng kể so với màng PVA tinh khiết, duy trì ổn định nhiệt độ phân hủy qua các giai đoạn bay hơi nước hấp phụ và phân hủy mạch chính polymer.
• Vật liệu polymer nanocomposite (PNC):
  • Quá trình nghiền bi giúp giảm rõ rệt kích thước hạt bã cà phê, làm tơi mảng kết tụ khi quan sát qua kính hiển vi quang học (OM). Phổ FTIR trước và sau nghiền cho thấy các đỉnh hấp thụ đặc trưng của các nhóm chức hóa học chính trong bã không bị phá hủy hay biến đổi tiêu cực dưới tác động của lực va đập cơ học.
  • Khảo sát DLS chỉ ra biên độ siêu âm và nồng độ chất hoạt động bề mặt CTAB chi phối trực tiếp đến kích thước hạt. Chế độ đánh siêu âm liên tục kết hợp CTAB 2.500 ppm tạo ra dịch nano tối ưu có kích thước hạt trung bình Z-Average = 148,4 ± 0,65 nm và chỉ số đa phân tán PDI = 0,21 ± 0,002. Kết quả kiểm tra độ ổn định sau 2 tuần và 1 tháng cho thấy mẫu có mặt CTAB duy trì kích thước hạt ổn định, không bị sa lắng hay tái kết tụ nhờ lực đẩy tĩnh điện thể hiện qua thế zeta.
  • Phổ FTIR của màng PNC xác nhận sự dịch chuyển nhẹ của các dải hấp thụ nhóm -OH, minh chứng cho sự hình thành tương tác liên kết hydro bền chặt giữa bề mặt hạt nano bã cà phê và mạch polymer PVA dưới sự hỗ trợ của CTAB.
  • Phép thử kéo cơ học theo tiêu chuẩn ASTM D-882 ghi nhận sự cải thiện tính chất cơ lý: màng PVA tinh khiết có độ bền kéo đạt 24 MPa, trong khi mẫu màng PNC tối ưu đạt độ bền kéo cực đại lên tới 61,181 MPa (tăng hơn 2,5 lần). Bề dày màng thành phẩm dao động trong khoảng từ 40 µm đến 150 µm. Đường cong ứng suất - biến dạng và các biểu đồ mô-đun Young, độ giãn dài xác nhận vai trò phân tán tải trọng ứng suất của pha hạt nano trong nền polymer.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả định lượng cụ thể:

1. Đã tách chiết thành công dịch chiết bã cà phê bằng nước nóng 100 °C và chứng minh sự hiện diện của caffein cùng các hợp chất polyphenol hấp thụ tia cực tím thông qua so sánh phổ UV-Vis với chất chuẩn caffein.
2. Chế tạo thành công màng che chắn UV (UV-SM) trên nền PVA với tỷ lệ tối ưu ở mẫu PC5 (tương ứng tỷ lệ dịch chiết bã 1 g / 200 mL nước), đạt độ truyền qua ánh sáng nhìn thấy khoảng 63%, có khả năng hấp thụ và che chắn mạnh tại các vùng UVA và UVB, đồng thời giữ nguyên độ ổn định nhiệt trên phép đo TGA.
3. Chế tạo thành công hệ phân tán hạt nano từ bã cà phê bằng kỹ thuật nghiền bi kết hợp đồng hóa siêu âm với sự hiện diện của chất hoạt hóa bề mặt CTAB. Mẫu dịch nano tối ưu đạt kích thước Z-Average = 148,4 ± 0,65 nm, chỉ số PDI = 0,21 ± 0,002 và duy trì độ ổn định phân tán sau 1 tháng bảo quản.
4. Chế tạo thành công màng nanocomposite (PNC) nền PVA có độ dày từ 40 µm đến 150 µm; độ bền kéo cực đại của màng đạt 61,181 MPa, vượt trội so với mức 24 MPa của màng PVA nguyên chất đối chứng.

Dưới đây là bảng tổng hợp các chỉ số kỹ thuật chính của các mẫu vật liệu tiêu biểu được ghi nhận trong khóa luận:

Nhóm vật liệu / Thông số kỹ thuật	Mẫu màng PVA đối chứng	Mẫu màng UV-SM tối ưu (PC5)	Mẫu màng PNC tối ưu (có CTAB)
Nguồn phụ gia từ bã cà phê	Không sử dụng	Dịch chiết bã (1 g / 200 mL H2O)	Hạt nano bã cà phê (NPs)
Kích thước hạt Z-Average (nm)	-	-	148,4 ± 0,65
Chỉ số đa phân tán PDI	-	-	0,21 ± 0,002
Độ truyền qua ánh sáng khả kiến (%)	~85 - 90% (trong suốt)	~63%	Mờ nhẹ phụ thuộc hàm lượng NPs
Khả năng che chắn tia cực tím	Kém, truyền qua hầu hết vùng UV	Hấp thụ và che chắn tốt vùng UVA, UVB	Có tính chắn UV bổ trợ nhờ hạt nano
Độ bền kéo cực đại UTS (MPa)	24,000	Tương đương PVA nguyên chất	61,181
Độ dày màng thực tế (µm)	Không nêu chi tiết	Phụ thuộc thể tích đúc đĩa petri	40 - 150
Độ ổn định nhiệt (TGA)	Phân hủy qua các giai đoạn cơ bản	Không suy giảm đáng kể so với PVA	Ổn định nhiệt trong môi trường N2 và O2

Về mặt đóng góp khoa học và thực tiễn, đề tài chứng minh khả năng tái sử dụng toàn diện phụ phẩm nông nghiệp (bã cà phê đã qua sử dụng) mà không phát sinh chất thải thứ cấp: pha lỏng tách chiết làm tác nhân lọc UV, pha rắn tận dụng tổng hợp chất gia cường cơ tính nano. Khóa luận khắc phục được nhược điểm giảm cơ tính thường gặp của các dòng composite độn tự nhiên truyền thống nhờ làm chủ kỹ thuật phân tán siêu âm có chất trợ phân tán CTAB, mở ra tiềm năng ứng dụng vật liệu màng sinh học trong ngành bao bì thực phẩm và màng phủ bảo vệ thân thiện môi trường.

Tác giả đề xuất giải pháp tiếp tục hoàn thiện công nghệ: nghiên cứu thay thế hoặc tối ưu hóa nồng độ CTAB bằng các chất hoạt động bề mặt có nguồn gốc sinh học để nâng cao tính thân thiện môi trường, đồng thời mở rộng quy mô thử nghiệm kiểm tra tính kháng khuẩn trực tiếp trên các sản phẩm nông sản và thực phẩm tươi sống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận còn tồn tại một số hạn chế do tác giả tự nêu và giới hạn trong phạm vi thực nghiệm:

• Thời gian nghiên cứu thực tế có giới hạn (khoảng 6 tháng từ tháng 02/2022 đến tháng 08/2022), các khảo sát chủ yếu dừng lại ở quy mô mẻ nhỏ trong phòng thí nghiệm, chưa tiến hành thử nghiệm gia công trên các thiết bị đùn thổi màng công nghiệp.
• Màng che chắn tia UV (UV-SM) từ dịch chiết bã cà phê đạt độ truyền qua khả kiến 63%, thấp hơn so với độ truyền qua 77% trong công bố của Yadong Lyu (2020) khi sử dụng cà phê hòa tan thương phẩm, do bã cà phê chứa nhiều hợp chất màu khó loại bỏ hoàn toàn bằng nước sôi đơn thuần.
• Chưa triển khai các phép đo thực nghiệm về tốc độ phân hủy sinh học thực tế trong môi trường đất tự nhiên hoặc môi trường ủ compost; chưa đánh giá độ hòa tan và độ thôi nhiễm của CTAB từ màng vào thực phẩm đóng gói.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được văn bản đề cập bao gồm:

• Tối ưu hóa quy trình tinh chế dịch chiết nhằm cải thiện độ truyền qua quang học của màng UV-SM lên mức trên 70%.
• Nghiên cứu cơ chế phân tán của hạt nano bã cà phê khi kết hợp với các loại polymer có khả năng phân hủy sinh học khác như poly(lactic acid) (PLA) hay chitosan.
• Đánh giá khả năng ức chế vi sinh vật bề mặt và thử nghiệm ứng dụng màng làm bao bì kéo dài thời gian bảo quản cho thực phẩm tươi sống.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Hóa Polymer, Khoa học Vật liệu và Công nghệ Thực phẩm.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

• Quy trình công nghệ kết hợp giữa nghiền bi cơ học (ball milling) và phân tán siêu âm (sonication method) để chế tạo huyền phù hạt nano từ phụ phẩm thực vật có kích thước dưới 200 nm và độ phân tán PDI hẹp.
• Kỹ thuật xây dựng đường chuẩn UV-Vis định lượng hàm lượng hợp chất tự nhiên và phương pháp đúc màng dung dịch (solution casting method) kiểm soát độ dày màng trong khoảng 40 - 150 µm.
• Chuỗi phương pháp phân tích đặc tính liên hoàn kết hợp giữa quang phổ FTIR, tán xạ ánh sáng động DLS (kích thước hạt và thế zeta), phân tích nhiệt trọng lượng TGA trong hai môi trường khí khác nhau (N2 và O2) và phép thử cơ tính kéo đứt theo tiêu chuẩn ASTM D-882.

Câu hỏi thường gặp

1. Tác giả đã xử lý sơ bộ bã cà phê thu gom từ quán như thế nào trước khi đưa vào chiết xuất và nghiền bi?
Bã cà phê được thu nhận từ nguồn cà phê pha máy tại quán Jiangnam Coffee (Bình Dương) nên tương đối sạch. Quy trình xử lý sơ bộ gồm việc rửa bã bằng nước máy 2 lần, sau đó lọc chân không qua giấy lọc định tính New Star 103 để loại tạp chất lạ, rồi sấy khô trong tủ sấy ở nhiệt độ 80 °C và bảo quản trong túi zip ở nhiệt độ phòng.

2. Hạt nano bã cà phê (NPs) tổng hợp ở điều kiện tối ưu đạt kích thước hạt và độ đa phân tán bao nhiêu?
Dưới điều kiện đánh siêu âm liên tục trong 10 phút với sự hiện diện của chất hoạt động bề mặt CTAB ở nồng độ 2.500 ppm, hệ phân tán hạt nano tối ưu đạt kích thước hạt trung bình Z-Average = 148,4 ± 0,65 nm và chỉ số đa phân tán PDI = 0,21 ± 0,002 trên thiết bị Malvern Zetasizer Pro.

3. Khả năng che chắn tia tử ngoại và độ trong suốt của mẫu màng UV-SM tối ưu (PC5) đạt mức nào?
Mẫu màng PC5 (chế tạo từ dịch chiết tỷ lệ 1 g bã / 200 mL nước nóng kết hợp 5 g PVA / 100 mL dịch) che chắn gần như hoàn toàn bức xạ cực tím ở vùng UVA và UVB, đồng thời duy trì độ truyền quang trung bình trong vùng ánh sáng nhìn thấy đạt khoảng 63%.

4. Độ bền kéo của màng nanocomposite nền PVA thay đổi như thế nào khi được gia cường bằng hạt nano bã cà phê?
Theo phép thử kéo đứt tiêu chuẩn ASTM D-882 trên máy Tensile Testometer FS300, độ bền kéo cực đại (UTS) của mẫu màng PNC tối ưu đạt 61,181 MPa, tăng hơn 2,5 lần so với mẫu màng PVA nguyên chất không chứa hạt nano (đạt 24 MPa).

5. Vai trò kỹ thuật của chất hoạt động bề mặt Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) trong nghiên cứu này là gì?
CTAB là chất hoạt động bề mặt cation đóng vai trò làm giảm sức căng bề mặt, bao bọc bề mặt hạt nano bã cà phê để tạo lực đẩy tĩnh điện, ngăn chặn quá trình kết tụ kích thước hạt trong dung môi nước, giúp duy trì độ ổn định huyền phù sau 1 tháng bảo quản và tăng cường tương thích bề mặt với mạch polymer PVA.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Công Chánh đã hoàn thành việc chế tạo vật liệu che chắn tia UV và vật liệu polymer nanocomposite trên nền PVA bằng cách tận dụng nguồn bã cà phê đã qua sử dụng. Màng UV-SM tối ưu (mẫu PC5) thể hiện khả năng ngăn cản hiệu quả bức xạ UVA/UVB với độ truyền qua vùng ánh sáng nhìn thấy đạt khoảng 63%, trong khi màng nanocomposite gia cường hạt nano đạt độ bền kéo 61,181 MPa (so với 24 MPa của PVA nền) nhờ hệ hạt nano có kích thước trung bình 148,4 nm. Toàn bộ quy trình thực nghiệm từ chiết xuất, nghiền bi, phân tán siêu âm đến đúc màng dung dịch đã cung cấp dữ liệu khoa học tin cậy cho hướng phát triển vật liệu màng bao bì sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu về vật liệu che chắn tia UV (UV-SM) Tia UV là sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn so với bước sóng của ánh sáng nhìn thấy. Tia UV có rất nhiều tác dụng trong đời sống như: hình thành vitamin D, tác nhân khử trùng thiết bị y tế,… đặc biệt trong ngành thực phẩm, tia UV đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng ức chế sự phát triển của vi sinh vật bề mặt bao bì đóng gói thực phẩm, khử trùng các thực phẩm tươi sống như: thịt, thuộc da,…khử khuẩn trong xử lý nước uống đóng chai,… Tuy nhiên, tia UV mang năng lượng rất cao và có thể phá vỡ các liên kết hóa học của nhiều loại vật liệu thường xuyên tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, đặt biệt là các loại vật liệu hữu cơ.

Ngoài ra, nó cũng là tác nhân chính gây ra các bệnh nguy hiểm cho con người, đặc biệt là bệnh ung thư da. Đứng trước tình trạng này, việc nghiên cứu một loại vật liệu vừa có khả năng che chắn tia UV trong vùng UV tự nhiên (UVA, UVB) vừa thân thiện với môi trường, có thể tái chế đang được quan tâm gần đây. Theo nghiên cứu [2] của Siyuan Xie và cộng sự vào năm 2015, tác giả đã sử dụng nano - graphene oxide (nano – GO) dạng ống làm bộ lọc tia UV trên nền PVA. Kết quả cho thấy, độ hấp thu tia UV ở bước sóng 300 nm có thể đạt đến 97,5%, trong khi độ truyền qua của vật liệu tại 500 nm khoảng 40%.

Gần đây vào năm 2020, Yadong Lyu và cộng sự đã sử dụng dịch chiết từ cà phê hòa tan kết hợp với PVA tạo thành vật liệu màng có khả năng che chắn tia UV. Tác giả đã sử dụng phương phương pháp đúc từ dung dịch (Solution method) để tạo màng, PVA được hòa tan vào nước cất, khuấy trộn ở 80 °C trong 30 phút, sau đó thêm dịch chiết vào với các nồng độ khác nhau, tiến hành đổ khuôn, cho bay hơi tạo thành sản phẩm. Kết quả nghiên cứu cho thấy, với nồng độ dịch chiết từ cà phê hòa tan tối ưu, độ hấp thu tia UV của màng tại vùng UVA, UVB, UVC lần lượt là 93%, 99,4%, 99,4% trong khi độ truyền qua của màng tại bước sóng 550 nm là khoảng 77%. Ngoài ra, độ bền nhiệt của màng cũng được cải thiện rõ rệt so với màng PVA so sánh.

Tình hình nghiên cứu về vật liệu polymer nanocomposites (PNC) Việc sử dụng các nguyên liệu tự nhiên trong việc tổng hợp nano gần đây đang được nghiên cứu mạnh mẽ. Lý do chọn các nguồn nguyên liệu thiên nhiên tổng hợp nano ứng dụng trong ngành bao bì thực phẩm như đã báo cáo ở trên về việc cải thiện rất lớn tính chất của vật liệu PNC khi chỉ sử dụng một lượng rất nhỏ nano. Ngoài ra, vật liệu PNC có nguyên liệu từ thiên nhiên rất an toàn cho sức khỏe con người, dễ sản xuất, rẻ tiền và có thể tái chế [3]. Theo như nghiên cứu [4], trong bã cà phê có chứa các hợp chất như: phenolic, Chlorogenic acid, flavonoid,…cũng như một số hợp chất hoạt động như chất chống oxy hóa.

Vì vậy, việc sử dụng bã cà phê đã qua sử dụng để tổng hợp NPs có tiềm năng rất lớn trong việc cải thiện các tính chất như: tính kháng khuẩn, che chắn tia UV, cơ tính,… trong vật liệu PNC. Năm 2013, Bong San Baek và các cộng sự đã tận dụng bã cà phê và bột tre đã qua sử dụng làm chất độn tự nhiên cho việc tổng hợp vật liệu composite trên nền polylactic acid (PLA). Trong nghiên cứu này, tác giả đã kiểm tra sự ảnh hưởng của chất độn tự nhiên từ bã cà phê và bột tre đến tính chất cơ học và tính chất nhiệt của vật liệu composite. Kết quả cho thấy, độ bền kéo của vật liệu giảm khi lượng chất độn tăng lên, trong khi độ bền nhiệt của vật liệu được cải thiện.

Theo như nghiên cứu [5] của Lee và cộng sự năm 2015 đã sử dụng NPs tự nhiên từ bã cà phê làm vật liệu gia cường để tổng hợp vật liệu PNC trên nền PVA. Ở nghiên cứu này, bã cà phê đã qua sử dụng được lấy tại địa phương và được nghiền. Bã cà phê được chiết xuất nhiều lần với nước nóng và sau đó phân tán vào nước cất. Dung dịch được lọc bằng bộ lọc thủy tinh có kích thước lưới là 700 nm.

Dung dịch lọc sau đó được sấy khô, và bã cà phê kết quả được cân. PVA được hòa tan trong nước cất ở 60 °C và các chất làm đầy được phân phối vào dung dịch với máy khuấy và đổ khuôn tạo thành vật liệu PNC. Mục tiêu của khóa luận Từ việc khái quát về tình hình nghiên cứu ta thấy: 4 Đối với vật liệu UV-SM: các hợp chất hữu cơ được sử dụng làm bộ lọc tia UV bị hạn chế do một số hợp chất kém bền có thể gây hại cho sức khỏe con người. Còn đối với bộ lọc tia UV vô cơ như đã đề cập trong nghiên cứu [2], tuy khả năng che chắn tia UV rất tốt nhưng độ trong suốt của vật liệu chỉ khoảng 40%, có thể không thích hợp trong việc ứng dụng làm bao bì thực phẩm.

Đối với vật liệu PNC: việc sử dụng vật liệu tự nhiên làm chất độn thường làm giảm tính chất cơ học của vật liệu. Ngoài ra, trong nghiên cứu [5] của Lee và cộng sự, việc tạo NPs từ bã cà phê làm chất độn có khả năng cải thiện cơ tính của màng tốt, nhưng việc tổng hợp NPs bằng cách sử dụng lưới lọc 700 nm sau đó sấy khô tạo NPs có thể không khả thi nếu việc phân tán NPs vào trong dung môi gặp khó khăn. Mục tiêu của khóa luận này là sử dụng bã cà phê đã qua sử dụng làm nguồn nguyên liệu trong việc tổng hợp hai loại vật liệu trên. Một mặt, bã cà phê sẽ được chiết xuất thành dịch chiết đóng vai trò như là bộ lọc tia UV.

Mặt khác, phần bã sau khi đã chiết xuất thành dịch chiết, sẽ được tái sử dụng làm chất độn tự nhiên trong tổng hợp vật liệu PNC. Việc thay thế nguồn nguyên liệu là bã cà phê đã qua sử dụng thay vì cà phê hòa tan thì khả năng che chắn tia UV và khả năng chống oxy hóa của màng có bị biến đổi hay không được thực hiện trong khóa luận này. Ngoài ra, việc sử dụng phương pháp đồng hóa siêu âm (Sonication method) để tổng hợp NPs tự nhiên đảm bảo sự phân tán tốt của hạt trong môi trường phân tán cũng như sự ổn định của hạt khi bảo quản trong thời gian dài, đồng thời việc sử dụng NPs theo phương pháp này để gia cường cho vật liệu PNC trên nền PVA trong việc cải thiện tính chất cơ học cũng được thực hiện trong khóa luận. Cơ sở lý luận và giả thiết khoa học 1.

Tổng quan về nguồn nguyên liệu 1. Poly(vinyl alcohol) (PVA) Khái niệm PVA được tạo ra từ quá trình ancol hóa từ polyvinyl acetate, là loại polymer có tính ưa nước do có nhiều gốc –OH chạy dọc theo mạch chính. PVA không thể được tổng hợp 5 trực tiếp từ monomer bởi vì vinyl ancol không bền và không thể phân lập. Các tính chất vật lý và tính chất hóa học của nó phụ thuộc và độ trùng hợp và độ thủy phân trong quá trình tổng hợp PVA [6] .PVA thường được chia làm hai loại: PVA thủy phân một phần và PVA thủy phân hoàn toàn.

Công thức cấu tạo của PVA Tính chất Các tính chất ưu việt như: khả năng tạo màng không cần chất đóng rắn, tan được trong nước, kháng dầu mở, kháng dung môi, khả năng kết dính tốt, có thể hoạt động như một chất phân tán ổn định,… Khả năng hòa tan Đối với loại PVA thủy phân hoàn toàn tan trong nước nóng và không tan trong nước lạnh. Loại PVA thủy phân một phần có thể tan được cả trong nước nóng và nước lạnh, Loại PVA mức độ thủy phân 80% chỉ hòa tan ở nước có nhiệt độ khoảng 10 °C – 40 °C, nếu hoàn tan polymer trên 40 °C dung dịch sẽ mờ đi và sau đó kết tủa [7]. Ngoài ra, trọng lượng phân tử cũng ảnh hưởng đến khả năng tan trong nước của PVA. Khối lượng phân tử càng lớn thì PVA càng khó tan.

PVA thường rất dễ hòa tan trong nước do trong polymer có rất nhiều nhóm -OH tương tác với các phân tử nước tự do tạo thành liên kết hydro. PVA thủy phân một phần rất dễ tan trong nước do các nhóm acetate trong PVA thủy phân một phần là các nhóm kỵ nước làm cho sự hình thành liên kết hydro nội phân tử khó khăn hơn, trong khi khả năng hình thành liên kết hydro với các phân tử nước tự do dễ dàng hơn [7][8]. Khả năng tạo màng và cơ tính 6 Đặc tính quan trọng của PVA là khả năng tạo màng không cần chu kỳ đóng rắn, chỉ cần hòa tan trong nước, khuấy trộn, sau đó để bay hơi dung môi nước. Cơ chế tạo màng của PVA có thể giải thích như sau: khi PVA hòa tan trong nước, các phân tử nước tự do sẽ hình thành liên kết liên phân tử với các nhóm –OH của polymer.

Lúc này PVA sẽ hòa tan trong nước. Sau khi khuấy trộn và làm bay hơi dung môi, các phân tử nước giảm dần, dần dần các liên kết nội phân tử giữa các nhóm –OH trong PVA chiếm càng dày đặc và tạo thành màng có cơ tính khá tốt. Độ bền kéo của màng PVA phụ thuộc vào: độ thủy phân, độ ẩm, độ trùng hợp, thêm chất hóa dẻo. Chất hóa dẻo được thêm vào có thể làm cho cấu trúc của màng trở nên linh động hơn, độ giãn dài của màng có thể tăng đáng kể.

Khả năng chịu dầu và dung môi PVA có khả năng kháng một số loại dung môi hữu cơ. Mức độ thủy phân càng cao thì khả năng kháng dầu và dung môi càng tốt [9]. Khả năng kết dính Khả năng kết dính của PVA có được là do khả năng tạo màng. PVA là một trong các loại nhựa sản xuất kéo dán nhiều nhất trong ngành công nghiệp keo dán trên thế giới.

Khả năng phân hủy PVA là loại polymer có khả năng phân hủy sinh học, nó có thể được phân hủy bởi nhiều loài sinh vật khác nhau như: nấm men, nấm mốc,…[10] Gia công và sản xuất PVA trong công nghiệp Như đã đề cập ở trên, PVA không thể điều chế trực tiếp từ monomer vinyl alcohol. Trước tiên phải điều chế polyvinyl acetate từ monomer vinyl acetate, sau đó mới thủy phân poly(vinyl acetate) thành PVA.