Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự bùng phát của đại dịch COVID-19 đã làm biến đổi sâu sắc thói quen sinh hoạt và gia tăng đột biến nhu cầu sử dụng các phương tiện bảo vệ cá nhân, trong đó khẩu trang y tế và khẩu trang dùng một lần (KT1L) đóng vai trò như lá chắn phòng chống lây nhiễm mầm bệnh qua đường hô hấp. Tuy nhiên, việc sản xuất và tiêu thụ khẩu trang quy mô lớn đã tạo ra gánh nặng môi trường nghiêm trọng. Quá trình sản xuất một chiếc khẩu trang phát thải trung bình 59 g CO2, góp phần vào hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu toàn cầu. Đáng chú ý, phần lớn khẩu trang y tế hiện nay được sản xuất từ các loại polymer nhiệt dẻo tổng hợp như polypropylene (PP), polyurethane, polyacrylonitrile, polystyrene (PS) và polyethylene (PE), với hàm lượng PP trong khẩu trang phẫu thuật và khẩu trang dùng một lần dao động từ 4,5 g đến 9 g.

Dưới tác động của bức xạ cực tím (UV), nhiệt độ cao, tính kỵ nước và biến động độ pH của môi trường tự nhiên, các liên kết polymer nhiệt dẻo này bị phân mảnh thành các hạt vi nhựa (microplastics) và hạt nhựa kích thước nano. Các hạt vi nhựa này tồn lưu lâu dài trong môi trường đất, nguồn nước và không khí, xâm nhập vào chuỗi thức ăn và gây tổn hại hệ sinh thái. Ước tính trên phạm vi toàn cầu có khoảng 129 tỷ chiếc khẩu trang dùng một lần bị thải bỏ mỗi tháng (tương đương 3 triệu chiếc mỗi phút). Tại Việt Nam, khảo sát tại địa bàn Hà Nội với khoảng 8 triệu dân cho thấy lượng chất thải y tế phát sinh mỗi ngày lên tới 160 tấn. Trong khi đó, năng lực xử lý chất thải y tế an toàn tại nhiều quốc gia còn rất hạn chế; theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), tỷ lệ cơ sở y tế có khả năng xử lý chất thải y tế an toàn tại 24 quốc gia khảo sát chỉ đạt 58%, và tại khu vực Đông Nam Á (SEARO) con số này chỉ đạt 44%. Các giải pháp xử lý hiện hành như chôn lấp, thiêu đốt hay tái sử dụng qua khử trùng (nhiệt ẩm, nhiệt khô, chiếu xạ UV, hóa hơi H2O2) đều tồn tại nhược điểm về phát thải thứ cấp hoặc giảm hiệu suất bảo vệ. Do đó, việc nghiên cứu các vật liệu sinh học tự nhiên có khả năng phân hủy sinh học (như sợi thân chuối, lá chuối, gai dầu, xương rồng, bông, màng PLA, chitosan) để chế tạo màng lọc và khẩu trang thân thiện với môi trường là một nhu cầu cấp thiết.

Từ thực tiễn đó, khóa luận xác định mục tiêu tổng quát là nghiên cứu chế tạo khẩu trang có khả năng phân hủy sinh học từ sợi chuối bằng phương pháp ép nhiệt, nhằm tận dụng phế phẩm nông nghiệp dồi dào, giảm thiểu ô nhiễm rác thải nhựa tổng hợp. Để đạt được mục tiêu này, các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được triển khai theo văn bản bao gồm:

  1. Tổng quan tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
  2. 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.
  3. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật ép nhiệt đến hình thái và tính chất màng làm từ sợi chuối.
  4. 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 trọng lượng (TGA), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), cơ tính.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nguồn sợi thu nhận từ lá cây chuối (Musa paradisiaca L), thuộc họ Musacae. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Bộ môn Công nghệ Vật liệu, Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh; các phép đo cơ tính màng được tiến hành tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (Quatest 3) và phân tích nhiệt tại Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về mặt lý thuyết vật liệu, sợi chuối là loại sợi thực vật tự nhiên có hàm lượng cellulose cao. Thành phần hóa học chính của sợi lá chuối bao gồm cellulose (chiếm 63% - 64%), hemicellulose (khoảng 29%) và lignin (khoảng 5%), cùng một số chất béo, sáp và tro. Bảng so sánh thành phần của một số loài sợi thực vật được tác giả tổng hợp từ y văn:

Loại sợi thực vật Hàm lượng Cellulose (%) Hàm lượng Hemicellulose (%) Hàm lượng Lignin (%)
Lá chuối 63 - 64 29 5
Sợi bông gòn 64 1 - 5 13
Bã mía 40 30 -
Xơ dừa 64 - 22
Sợi lanh 56 - -

Cellulose là polysaccharide cấu tạo từ các mắt xích $\beta$-D-glucose liên kết với nhau qua cầu nối 1,4-glycosidic, có công thức tổng quát là $(C_6H_{10}O_5)_n$ hay $[C_6H_7O_2(OH)_3]_n$ với độ trùng hợp $n$ từ 2.000 đến 10.000. Cellulose có độ kết tinh cao (chiếm 65% - 73%), khối lượng riêng khoảng 1,5 g/cm3, nhiệt độ phân hủy bắt đầu từ 180 °C và nhiệt độ nóng chảy trong khoảng 260 °C - 270 °C. Hemicellulose là polymer vô định hình có mạch phân nhánh ngắn, độ trùng hợp thấp (80 - 200 đơn phân, khoảng 600 - 3.500 đơn vị đường), dễ bị thủy phân trong dung dịch kiềm loãng nóng hoặc lạnh. Lignin là hợp chất polyphenol vô định hình, kỵ nước, có cấu trúc không gian phức tạp tạo thành từ các đơn vị phenylpropan (chứa 62% - 65% Carbon, 5% - 6% Hydro, nhiều nhóm methoxy $-OCH_3$ và hydroxyl $-OH$ tự do), đóng vai trò như chất keo liên kết vách tế bào xơ sợi thực vật.

Đối với tiêu chuẩn sản phẩm, khóa luận viện dẫn các yêu cầu kỹ thuật của khẩu trang y tế và khẩu trang vải:

  • Khẩu trang y tế gồm 3 đến 4 lớp (lớp ngoài chống thấm nước, lớp giữa vi lọc thấu khí nhưng ngăn hạt bụi và vi khuẩn kích thước 5 - 10 $\mu$m với hiệu suất lọc ban đầu tối thiểu 95%, lớp trong thấm hút mồ hôi).
  • Tiêu chuẩn AFNOR của Hiệp hội Tiêu chuẩn hóa Pháp áp dụng cho khẩu trang vải (hiệu suất lọc tối thiểu 70% đối với hạt rắn hoặc giọt bắn; chênh lệch áp suất tối đa 0,6 mbar/cm2; lực cản hít vào tối đa 2,4 mbar và lực cản thở ra tối đa 3 mbar).

Về phương pháp thực nghiệm, nghiên cứu sử dụng các kỹ thuật gia công và đánh giá chuyên ngành công nghệ vật liệu:

  • Phương pháp xử lý hóa học kết hợp thủy nhiệt: Sử dụng nước cất gia nhiệt ở 100 °C trong 60 phút để làm sạch và trương nở sợi; xử lý kiềm hóa bằng dung dịch NaOH (nồng độ 0,5%, 1%, 1,5% ở nhiệt độ 80 °C, 90 °C, 100 °C trong 100 phút) nhằm hòa tan hemicellulose và loại bỏ sáp bề mặt; giã sợi cơ học bằng chày cối gỗ (chia làm 3 - 4 phần, mỗi lần giã 5 phút) để phân tách bó sợi; tẩy trắng và loại bỏ lignin bằng dung dịch $H_2O_2$ (nồng độ 5%, 10%, 15% ở nhiệt độ 80 °C trong 45 phút); rửa mẫu đến môi trường trung tính ($pH = 7$).
  • Phương pháp ép nhiệt: Sử dụng máy ép gia nhiệt tự động, khảo sát khoảng nhiệt độ từ 100 °C đến 130 °C trong thời gian 2 phút, sau đó làm nguội ở nhiệt độ phòng trong 3 phút để tạo màng sợi chuối đồng nhất.
  • Phương pháp khảo sát, phân tích và đánh giá tính chất:
    • Đo bề dày màng: Sử dụng thước kẹp điện tử Mitutoyo (độ hiển thị 0,001 mm, độ chính xác $\pm 3\ \mu$m), đo 10 điểm ngẫu nhiên trên mỗi màng và lấy trung bình trên 5 màng.
    • Đo cơ tính: Đánh giá độ bền kéo ($\sigma_m$), độ biến dạng khi đứt ($\sigma_b$) và mô đun đàn hồi ($E$) theo tiêu chuẩn ASTM D882-02 trên máy kéo nén vạn năng (Tension testing machine) với tốc độ kéo 12,5 mm/phút. Mẫu quả tạ có chiều rộng vùng eo $W_0 = 20 - 25$ mm, chiều dài $L_0 \ge 100$ mm, cự ly đo $G = 50$ mm, khoảng cách ngàm kẹp $D = 80$ mm và chiều dày $T \le 1$ mm.
    • Đo độ hấp thụ nước: Cắt mẫu kích thước 20 mm x 20 mm, sấy khô ở 50 °C trong 24 giờ để xác định khối lượng ban đầu ($M_0$), ngâm trong 10 ml nước cất ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ, lau khô bề mặt và cân lại ($M_1$), tính phần trăm hấp thụ nước theo công thức: $X = \frac{M_0 - M_1}{M_0} \times 100$ (theo ghi nhận tại văn bản).
    • Phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Thực hiện trên máy Nicolet 6700 (Thermo) để xác định sự thay đổi các nhóm chức hóa học đặc trưng trước và sau xử lý.
    • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Thực hiện trên thiết bị Labsys evo TG-DSC 1600 °C, gia nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 800 °C với tốc độ quét 10 °C/phút trong môi trường khí nitơ ($N_2$), khối lượng mẫu phân tích 4 - 6 mg.
    • Đánh giá hình thái bề mặt: Sử dụng kính hiển vi quang học Olympus MX51 (độ phóng đại x50, x100, kết hợp xử lý hình ảnh độ rỗng bằng phần mềm ImageJ) và kính hiển vi điện tử quét SEM (Model TM400 plus, Nhật Bản).
    • Đánh giá độ phân hủy sinh học trong đất: Mẫu màng kích thước 3 cm x 3 cm được chôn ủ trong cốc đất ở điều kiện tự nhiên, theo dõi sự suy giảm khối lượng theo thời gian (3 ngày, 7 ngày, 3 tuần, 5 tuần, 7 tuần, 9 tuần) theo công thức $X = \frac{M_0 - M_1}{M_0} \times 100$.
    • Đo góc tiếp xúc giọt nước và kiểm tra độ pH của màng sợi.

Nguồn nguyên liệu sử dụng gồm 8 kg sợi chuối thô thu thập tại huyện Thạnh Phú, tỉnh Bến Tre. Hóa chất sử dụng gồm Sodium hydroxide (NaOH dạng hạt màu trắng, độ tinh khiết 98%, khối lượng riêng $d = 2,13$ g/cm3, Trung Quốc), Hydro Peroxide ($H_2O_2$ dạng dung dịch nồng độ 30%, khối lượng riêng $d = 1,11$ g/cm3, Trung Quốc) và nước cất của phòng thí nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Phần Mở đầu thiết lập tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh rác thải khẩu trang y tế làm từ nhựa tổng hợp (polypropylene) gia tăng đột biến sau đại dịch COVID-19, gây ra ô nhiễm vi nhựa nghiêm trọng và phát thải khí nhà kính. Tác giả phân tích các giải pháp xử lý chất thải hiện tại và lập luận rằng việc sử dụng polyme sinh học tự nhiên, cụ thể là sợi lá chuối, là hướng đi bền vững. Chương này xác định rõ ràng mục tiêu nghiên cứu, 4 nhiệm vụ thực nghiệm cụ thể, ý nghĩa khoa học trong việc tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam, và giới hạn phạm vi nghiên cứu chế tạo màng sợi chuối tại phòng thí nghiệm.

Chương 1. Tổng quan lý thuyết và tình hình nghiên cứu

Chương này cung cấp hệ thống cơ sở lý thuyết toàn diện về nguồn gốc, đặc tính sinh học và cấu tạo của cây chuối (Musa paradisiaca L). Cây chuối có chiều cao thân giả từ 2 m đến 2,5 m, mỗi cây có từ 8 đến 12 lá lớn với chiều dài đạt gần 1,5 m và chiều rộng từ 30 cm đến 60 cm. Việt Nam có diện tích canh tác chuối đạt trên 150.000 ha quy mô trang trại (hoặc trên 200.000 ha nếu tính cả vườn hộ gia đình), sản lượng hàng năm khoảng 1,4 triệu tấn, phân bố tại các tỉnh Đồng Nai, Sóc Trăng, Cà Mau, Thanh Hóa, Quảng Trị, Hà Nội, Phú Thọ, Hưng Yên.

Tác giả tổng quan chi tiết thành phần hóa học của sợi chuối với cấu trúc phức hợp gồm cellulose tinh thể, hemicellulose vô định hình và mạng lưới lignin kỵ nước. Bên cạnh đó, chương 1 khảo sát tình hình nghiên cứu ứng dụng sợi chuối trong composite ô tô (chế tạo tấm lót sàn xe Mercedes), dệt may, sản xuất giấy thủ công và giấy lọc. Về lĩnh vực khẩu trang, chương 1 trình bày cấu trúc đa lớp của khẩu trang y tế thông thường, cơ chế lọc giọt bắn, thực trạng xả thải 129 tỷ khẩu trang/tháng trên toàn cầu, phân tích các nghiên cứu tiền đề về khẩu trang sinh học từ sợi thân chuối, sợi gai dầu (hiệu quả lọc 89% với hạt 3 $\mu$m), sợi nano PLA (hiệu quả lọc 99,996% với hạt 0,3 $\mu$m) và màng sinh học chitosan - PLA của nhóm nghiên cứu trong nước. Từ đó, tác giả đúc kết các yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu thay thế: khả năng giữ giọt bắn, độ thông khí, tính tương thích sinh học, độ bền nhiệt trên 60 °C và khả năng tự phân hủy.

Chương 2. Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết thông số các hóa chất (NaOH 98%, $H_2O_2$ 30%), nguồn sợi lá chuối Bến Tre, cùng danh mục thiết bị thực nghiệm: máy khuấy từ gia nhiệt DLAB (Mỹ, dải nhiệt 50 °C - 280 °C, tốc độ khuấy 200 - 1500 rpm), cân phân tích OHAUS Scout SPX 223 (Việt - Mỹ, tải trọng tối đa 220 g, độ nhạy 0,001 g), máy ép nhựa gia nhiệt tự động Baopin Precision Instruments Co. LTD (Trung Quốc, nhiệt độ ép tối đa 350 °C, kích thước bàn ép 300 mm x 300 mm, hành trình ép 150 mm).

Quy trình thực nghiệm được chuẩn hóa qua 5 bước xử lý sợi:

  • Bước 1: 30 g sợi lá chuối gia nhiệt trong 600 ml nước cất ở 100 °C trong 60 phút.
  • Bước 2: Xử lý sợi trong 500 ml dung dịch NaOH ở các nồng độ (0,5%, 1%, 1,5%) và các mức nhiệt độ (80 °C, 90 °C, 100 °C) trong thời gian 100 phút.
  • Bước 3: Rửa nước đến khi pH = 7, chia mẫu làm 3 - 4 phần và giã cơ học bằng cối chày gỗ trong 5 phút/phần.
  • Bước 4: Xử lý sợi tiếp tục trong 100 ml dung dịch $H_2O_2$ ở các nồng độ (5%, 10%, 15%) tại nhiệt độ 80 °C trong 45 phút.
  • Bước 5: Lọc, rửa mẫu bằng nước cất đến khi đạt giá trị trung tính ($pH = 7$).

Bảng ký hiệu các mẫu sợi tương ứng với điều kiện xử lý hóa học trong nghiên cứu:

Tên mẫu Điều kiện xử lý nhiệt với Nước Nồng độ dung dịch NaOH (%) Nồng độ dung dịch $H_2O_2$ (%)
M 100 °C - -
Na0,5 100 °C 0,5 -
Na1 100 °C 1,0 -
Na1,5 100 °C 1,5 -
Na1H5 100 °C 1,0 5
Na1H10 100 °C 1,0 10
Na1H15 100 °C 1,0 15

Quy trình ép tạo màng được thực hiện trên máy ép nhiệt ở dải nhiệt độ 100 °C - 130 °C trong thời gian 2 phút, sau đó giữ ổn định ở nhiệt độ phòng 3 phút trước khi bóc tách màng. Chương này cũng chuẩn hóa các công thức tính toán và quy trình đo đạc: đo cơ tính kéo đứt theo tiêu chuẩn ASTM D882-02, đo độ hấp thụ nước, phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier trên máy Nicolet 6700, phân tích nhiệt TGA trên máy Labsys evo TG-DSC từ nhiệt độ phòng đến 800 °C, soi kính hiển vi OM Olympus MX51 và SEM Model TM400 plus, thử nghiệm chôn lấp đánh giá phân hủy sinh học trong đất theo chu kỳ 9 tuần, và đo độ pH của màng thành phẩm.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và thảo luận chuyên sâu về cơ chế biến đổi vật liệu qua từng giai đoạn gia công:

  • Ảnh hưởng của xử lý hóa học lên hình thái và tính chất sợi: Ảnh chụp SEM cho thấy sợi chuối thô ban đầu có bề mặt gồ ghề, bị bao phủ bởi lớp sáp, pectin và lignin. Sau khi xử lý với NaOH ở nồng độ 1% (mẫu Na1), lớp vỏ ngoài bị hòa tan, làm lộ rõ các bó sợi microfibril song song, đường kính sợi giảm và diện tích bề mặt tiếp xúc tăng lên. Khi tăng nồng độ NaOH lên 1,5%, sợi xuất hiện dấu hiệu tổn hại cấu trúc do bị kiềm ăn mòn quá mức. Xử lý tiếp theo với $H_2O_2$ ở nồng độ 10% (mẫu Na1H10) giúp tẩy trắng sợi hiệu quả, loại bỏ phần lớn lignin dư thừa mà không làm đứt gãy mạch cellulose.
  • Phân tích quang phổ FTIR: Phổ FTIR ghi nhận sự biến mất hoặc suy giảm rõ rệt của dải hấp thụ ở số sóng khoảng 1730 cm$^{-1}$ (đặc trưng cho dao động kéo dãn liên kết $C=O$ của nhóm acetyl và acid uronic trong hemicellulose) và số sóng khoảng 1510 - 1600 cm$^{-1}$ (dao động khung vòng thơm của lignin) ở các mẫu Na1 và Na1H10 so với sợi thô. Ngược lại, các đỉnh hấp thụ đặc trưng cho cellulose ở vùng 3300 - 3400 cm$^{-1}$ (dao động kéo dãn liên kết $-OH$) và 1030 - 1050 cm$^{-1}$ (liên kết $C-O-C$ vòng pyranose) trở nên sắc nét hơn, minh chứng cho việc làm giàu hàm lượng cellulose sau xử lý.
  • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Giản đồ TGA chỉ ra sợi sau xử lý kiềm và tẩy trắng có độ bền nhiệt tăng lên rõ rệt. Quá trình mất khối lượng diễn ra qua các giai đoạn: mất nước ẩm hấp phụ ở nhiệt độ dưới 120 °C, tiếp theo là sự phân hủy của cellulose trong khoảng 280 °C - 380 °C. Sợi đã xử lý NaOH và $H_2O_2$ có nhiệt độ bắt đầu phân hủy nhiệt cao hơn so với sợi thô do các thành phần kém bền nhiệt (hemicellulose) đã bị loại bỏ.
  • Ảnh hưởng của thông số gia công lên màng sợi: Nhiệt độ xử lý kiềm và $H_2O_2$ ở 80 °C - 90 °C cho màng sợi có liên kết tốt nhất. Khi khảo sát quá trình ép nhiệt từ 100 °C đến 130 °C, nhiệt độ ép 110 °C - 120 °C giúp màng đạt độ nén chặt và liên kết cơ học tối ưu. Nếu ép ở nhiệt độ vượt quá 130 °C, màng sợi xuất hiện hiện tượng biến màu sẫm do bị cháy nhiệt và cong vênh cục bộ do ứng suất nhiệt không đều.
  • Đặc điểm cơ lý và tính chất màng làm khẩu trang:
    • Hình thái và bề dày: Màng sợi ép nhiệt tạo thành cấu trúc mạng ngẫu nhiên đan xen chặt chẽ. Kết quả đo bề dày màng trên thước kẹp điện tử Mitutoyo cho thấy màng có độ dày đồng đều, phù hợp cho việc định hình lớp lọc khẩu trang.
    • Cơ tính: Biểu đồ kéo nén theo ASTM D882-02 thể hiện độ bền kéo ($\sigma_m$) và mô đun đàn hồi ($E$) của màng sợi đạt giá trị cao nhất tại điều kiện xử lý Na1 kết hợp ép ở dải nhiệt độ thích hợp.
    • Góc tiếp xúc và hấp thụ nước: Các mẫu Na1H5, Na1H10, Na1H15 thể hiện sự biến đổi góc tiếp xúc giọt nước trên bề mặt. Màng sợi sau xử lý giữ được tính chất hút ẩm ở mức độ kiểm soát, phù hợp cho lớp tiếp xúc bề mặt mặt người đeo.
    • Độ pH màng: Kết quả đo pH của màng sợi chuối thành phẩm đạt mức trung tính ($pH \approx 7$), đảm bảo an toàn sinh học, không gây kích ứng da mặt khi sử dụng.
    • Khả năng phân hủy sinh học trong đất: Mẫu màng chôn lấp thực tế qua các mốc 3 ngày, 7 ngày, 3 tuần, 5 tuần, 7 tuần và 9 tuần cho thấy màng sợi bị vi sinh vật tấn công liên tục. Cấu trúc màng mềm rã, xuất hiện các vết đứt gãy sau 3 - 5 tuần và tiêu hao phần lớn khối lượng sau 9 tuần khảo sát trong đất tự nhiên.
  • Thiết kế sản phẩm khẩu trang: Tác giả xây dựng bản vẽ kích thước và mô hình tạo hình sản phẩm khẩu trang phân hủy sinh học từ màng sợi chuối, bao gồm các cấu phần mặt trước, mặt sau và mặt bên ôm sát khuôn mặt.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả thực nghiệm định lượng và đóng góp khoa học cụ thể:

  • Xác lập được bộ thông số công nghệ tối ưu cho quy trình xử lý sợi lá chuối: Tiền xử lý nhiệt trong nước ở 100 °C trong 60 phút; xử lý kiềm hóa bằng NaOH 1% ở 80 °C - 90 °C trong 100 phút; kết hợp giã cơ học 5 phút và tẩy trắng bằng $H_2O_2$ 10% ở 80 °C trong 45 phút. Quy trình này loại bỏ hiệu quả hemicellulose và lignin, làm tăng hàm lượng và độ kết tinh của cellulose mà không phá hủy cấu trúc sợi.
  • Làm chủ chế độ gia công màng bằng phương pháp ép nhiệt: Xác định dải nhiệt độ ép tối ưu trong khoảng 100 °C - 120 °C với thời gian ép 2 phút và thời gian ổn định nguội 3 phút; kiểm soát được hiện tượng cháy mẫu và cong vênh xảy ra khi nhiệt độ vượt quá 130 °C.
  • Xác định đầy đủ các đặc trưng hình thái, cấu trúc và nhiệt của màng: Dữ liệu ảnh SEM khẳng định cấu trúc vi sợi đan kết tạo mạng lỗ xốp vi mô; phổ FTIR chứng minh sự loại bỏ các liên kết $C=O$ và vòng thơm đặc trưng của hợp chất phi cellulose; giản đồ TGA khẳng định độ ổn định nhiệt của màng mỏng sợi chuối được nâng cao rõ rệt sau xử lý hóa học.
  • Đánh giá độ an toàn và khả năng phân hủy sinh học: Màng sợi chuối có giá trị pH trung tính (khoảng 7), đáp ứng yêu cầu tiếp xúc da; vật liệu có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn trong môi trường đất ẩm tự nhiên qua chu kỳ theo dõi 9 tuần mà không để lại hạt vi nhựa khó phân hủy.
  • Đóng góp thực tiễn: Khóa luận đề xuất một giải pháp kỹ thuật khả thi trong việc tận dụng nguồn phế phẩm lá chuối dồi dào tại Việt Nam (đặc biệt từ vùng nguyên liệu Bến Tre) để tạo ra sản phẩm màng sinh học tự nhiên, định hướng thay thế lớp màng nhựa polypropylene trong khẩu trang dùng một lần, góp phần giảm thiểu ô nhiễm rác thải y tế và hạt vi nhựa ra hệ sinh thái.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số hạn chế gắn liền với điều kiện thực hiện tại phòng thí nghiệm:

  • Toàn bộ quy trình tách và giã sợi vẫn tiến hành thủ công bằng chày cối gỗ với quy mô mẻ nhỏ (30 g sợi/mẻ), dẫn đến độ đồng đều giữa các mẻ sợi chưa đạt mức tuyệt đối và hạn chế về năng suất gia công.
  • Nghiên cứu chưa tiến hành các thử nghiệm chuyên sâu về y tế và cơ học dòng khí, bao gồm: kiểm tra hiệu suất lọc khuẩn (BFE), hiệu suất lọc hạt bụi mịn (PFE), và đo chênh lệch áp suất/trở lực hô hấp (khả năng thở) theo các tiêu chuẩn khẩu trang y tế quốc tế hoặc tiêu chuẩn AFNOR.
  • Nghiên cứu chưa phủ lớp kỵ nước sinh học chuyên biệt cho bề mặt ngoài của khẩu trang để đạt khả năng chống giọt bắn tuyệt đối như lớp vải không dệt PP thương mại.

Các hướng nghiên cứu mở rộng được đề xuất:

  • Nghiên cứu cơ giới hóa hoặc tự động hóa công đoạn nghiền, giã và phân tán sợi để nâng cao năng suất và độ đồng đều của màng sợi chuối trên diện tích lớn.
  • Bổ sung các chất kháng khuẩn có nguồn gốc tự nhiên (chiết xuất thảo dược như nghệ, đinh hương, tiêu đen hoặc hạt nano kim loại sinh học) vào cấu trúc màng sợi chuối để tăng cường tính năng diệt khuẩn.
  • Thực hiện đầy đủ các phép kiểm tra y sinh học chuyên dụng: đo độ thoáng khí, trở lực thở, thử nghiệm hiệu suất lọc vi khuẩn và kiểm nghiệm độ bền sinh học trong điều kiện độ ẩm cao trước khi thử nghiệm tiền lâm sàng.

Giá trị tham khảo

Khóa luận tốt nghiệp này cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn cho sinh viên, học viên và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Dệt may, Công nghệ Sinh học và Kỹ thuật Môi trường.

Các nội dung và dữ liệu cụ thể có giá trị tham khảo cao bao gồm:

  • Quy trình thực nghiệm xử lý sợi thực vật kết hợp giữa phương pháp thủy nhiệt, kiềm hóa NaOH và tẩy trắng $H_2O_2$ với các thông số nồng độ, tỷ lệ dung môi, nhiệt độ và thời gian phản ứng cụ thể.
  • Phương pháp luận chi tiết và bộ thông số đo đạc cơ tính màng mỏng polymer tự nhiên theo tiêu chuẩn quốc tế ASTM D882-02 (cách tạo mẫu dạng quả tạ, thiết lập tốc độ kéo 12,5 mm/phút, công thức tính ứng suất và mô đun đàn hồi).
  • Quy trình phân tích toàn diện cấu trúc vật liệu màng mỏng thông qua sự kết hợp của FTIR (nhận diện nhóm chức), TGA (phân tích biến tính nhiệt đến 800 °C), kính hiển vi quang học OM (phân tích độ rỗng bằng ImageJ) và kính hiển vi điện tử quét SEM.
  • Phương pháp thiết kế thử nghiệm và theo dõi độ tiêu hao khối lượng của vật liệu phân hủy sinh học trong môi trường đất tự nhiên theo chuỗi thời gian định kỳ.

Câu hỏi thường gặp

Khóa luận sử dụng nguồn nguyên liệu sợi chuối từ đâu và thuộc loài chuối nào?
Nghiên cứu sử dụng 8 kg sợi thô được bóc tách từ bộ phận lá của cây chuối có tên khoa học là Musa paradisiaca L, thuộc họ Musacae, được thu thập trực tiếp tại huyện Thạnh Phú, tỉnh Bến Tre.

Quy trình xử lý hóa học và cơ học đối với sợi lá chuối gồm những bước cụ thể nào?
Quy trình thực nghiệm gồm 5 bước: (1) Đun 30 g sợi trong 600 ml nước cất ở 100 °C trong 60 phút; (2) Xử lý trong 500 ml dung dịch NaOH (khảo sát nồng độ 0,5%, 1%, 1,5%) ở nhiệt độ 80 °C - 100 °C trong 100 phút; (3) Rửa nước đến $pH = 7$ và giã cơ học bằng chày cối gỗ trong 5 phút/phần; (4) Xử lý trong 100 ml dung dịch $H_2O_2$ (khảo sát 5%, 10%, 15%) ở 80 °C trong 45 phút; (5) Lọc và rửa lại bằng nước cất đến khi đạt môi trường trung tính ($pH = 7$).

Phương pháp và tiêu chuẩn nào được áp dụng để đánh giá cơ tính màng sợi chuối?
Cơ tính màng được đo tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (Quatest 3) theo tiêu chuẩn ASTM D882-02. Mẫu đo có dạng quả tạ với bề rộng vùng eo $W_0 = 20 - 25$ mm, chiều dài $L_0 \ge 100$ mm, cự ly đo $G = 50$ mm, chiều dày $T \le 1$ mm; phép đo được tiến hành ở nhiệt độ phòng với tốc độ kéo 12,5 mm/phút nhằm xác định độ bền kéo cực đại ($\sigma_m$), độ biến dạng khi đứt ($\sigma_b$) và mô đun đàn hồi ($E$).

Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) được tiến hành trong điều kiện thiết bị và thông số kỹ thuật nào?
Phép phân tích nhiệt TGA được thực hiện trên thiết bị Labsys evo TG-DSC 1600 °C tại Trường Đại học Sư phạm TP.HCM. Mẫu có khối lượng 4 - 6 mg sau khi sấy khô được gia nhiệt trong môi trường khí nitơ ($N_2$) từ nhiệt độ phòng đến 800 °C với tốc độ gia nhiệt ổn định 10 °C/phút.

Khả năng phân hủy sinh học của màng sợi chuối được khảo sát trong môi trường nào và theo dõi qua những mốc thời gian nào?
Khả năng phân hủy sinh học được khảo sát trực tiếp trong môi trường đất tự nhiên bằng cách chôn lấp các mẫu màng có kích thước 3 cm x 3 cm trong các cốc đất có khối lượng đồng đều. Khối lượng mẫu và mức độ phân rã bề mặt được theo dõi, cân đo và chụp ảnh ghi nhận qua các mốc thời gian: 3 ngày, 7 ngày, 3 tuần, 5 tuần, 7 tuần và 9 tuần.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Văng Hoài Ân và Trần Quốc Viển đã nghiên cứu và chế tạo thành công màng khẩu trang phân hủy sinh học từ sợi lá chuối Bến Tre bằng phương pháp ép nhiệt. Bằng việc kết hợp xử lý thủy nhiệt, kiềm hóa bằng dung dịch NaOH 1%, giã cơ học và tẩy trắng bằng dung dịch $H_2O_2$ 10%, nghiên cứu đã làm giàu hàm lượng cellulose và tạo ra màng sợi có cấu trúc mạng đan kết tốt, độ bền nhiệt cao và độ pH trung tính an toàn. Kết quả thử nghiệm chôn lấp thực tế khẳng định màng vật liệu có khả năng phân hủy sinh học nhanh chóng trong môi trường đất tự nhiên sau 9 tuần khảo sát. Đề tài đã cung cấp luận cứ khoa học và quy trình công nghệ cụ thể trong việc chuyển đổi phế phẩm nông nghiệp thành vật liệu bảo vệ sức khỏe thân thiện với môi trường, mở ra tiềm năng thay thế màng nhựa tổng hợp polypropylene trong sản xuất khẩu trang dùng một lần.