Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa ngày càng nghiêm trọng, việc phát triển các vật liệu polymer phân hủy sinh học trở thành một hướng đi cấp thiết. Tại Việt Nam, tinh bột sắn là nguồn nguyên liệu tái tạo dồi dào với giá thành thấp, đồng thời poly (butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) là loại nhựa phân hủy sinh học có tính chất cơ học tốt nhưng chi phí cao. Nghiên cứu chế tạo màng phân hủy sinh học dựa trên blend tinh bột sắn nhiệt dẻo (TPS) và PBAT nhằm mục tiêu tạo ra vật liệu có tính phân hủy sinh học cao, đồng thời giảm giá thành và duy trì các tính chất cơ học phù hợp cho ứng dụng trong bao bì và nông nghiệp.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo màng polymer blend từ tinh bột sắn nhiệt dẻo và PBAT, sử dụng axit tartaric làm chất biến tính và glycerol cùng polyethylene glycol làm chất hóa dẻo. Quá trình biến tính tinh bột được xác nhận qua phổ hồng ngoại FTIR, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các chất biến tính đến tính chất cơ học, chỉ số chảy, cấu trúc vi mô và khả năng phân hủy sinh học của màng. Thời gian nghiên cứu tập trung trong giai đoạn năm 2020 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, với mục tiêu phát triển vật liệu màng phân hủy sinh học có độ bền kéo 17,8 MPa, giãn dài 465% và khả năng phân hủy đạt trên 94% sau 55 ngày trong điều kiện phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn ISO.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu thân thiện môi trường, góp phần giảm thiểu ô nhiễm nhựa, đồng thời mở rộng ứng dụng của tinh bột sắn trong công nghiệp polymer phân hủy 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: Thuật ngữ chỉ các polymer có khả năng bị vi sinh vật phân hủy thành các sản phẩm vô hại như CO2, nước và sinh khối trong điều kiện môi trường thích hợp. Tiêu chuẩn ISO 20200 và ISO 14855-2 được sử dụng để đánh giá khả năng phân hủy sinh học.

  • Tinh bột nhiệt dẻo (TPS): Là tinh bột tự nhiên được biến tính bằng cách xử lý nhiệt kết hợp với chất hóa dẻo như glycerol, polyethylene glycol để tạo thành vật liệu có tính dẻo, dễ gia công. TPS có tính phân hủy sinh học cao nhưng tính cơ học và tính ổn định nhiệt thấp.

  • Poly (butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT): Là polymer tổng hợp có tính phân hủy sinh học, có tính cơ học tốt, độ bền kéo cao và giãn dài lớn, thích hợp làm vật liệu bao bì thân thiện môi trường.

  • Blend polymer: Kỹ thuật kết hợp hai hoặc nhiều polymer nhằm tận dụng ưu điểm của từng thành phần, cải thiện tính chất vật liệu cuối cùng. Trong nghiên cứu này, blend TPS và PBAT nhằm giảm giá thành và tăng tính phân hủy sinh học.

  • Chất biến tính và chất hóa dẻo: Axit tartaric được sử dụng làm chất biến tính để cải thiện sự tương thích giữa TPS và PBAT thông qua phản ứng ester hóa, tạo liên kết copolymer ghép PBAT-g-TA. Glycerol và polyethylene glycol là chất hóa dẻo giúp tăng tính dẻo và giảm độ giòn của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính gồm tinh bột sắn nhiệt dẻo (TPS) được chế tạo từ tinh bột sắn nguyên chất, PBAT nhập khẩu, axit tartaric, glycerol, polyethylene glycol và bột talc làm chất độn.

  • Phương pháp chế tạo:

    • Tinh bột sắn nhiệt dẻo được tạo thành bằng phương pháp trộn nóng chảy trên máy trục vít đôi với tỷ lệ glycerol:PEG 80:20 và axit tartaric làm chất biến tính.
    • Blend PBAT/MTPS được chế tạo bằng phương pháp trộn nóng chảy trên máy trục vít đôi với các tỷ lệ khác nhau, sau đó tạo hạt và thổi màng bằng thiết bị Labtech.

  • Phương pháp phân tích:

    • Phổ hồng ngoại FTIR để xác định phản ứng ester hóa giữa tinh bột và axit tartaric.
    • Xác định tính chất cơ học (độ bền kéo, độ giãn dài) theo tiêu chuẩn ISO 527 trên thiết bị kéo Lloyd 5kN.
    • Chỉ số chảy (MFI) đo theo tiêu chuẩn ISO 1133-1:2011.
    • Quan sát cấu trúc vi mô bằng kính hiển vi điện tử quét SEM.
    • Đánh giá khả năng phân hủy sinh học theo tiêu chuẩn ISO 20200 (phân rã vật lý) và ISO 14855-2 (chuyển hóa cacbon thành CO2).

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình chế tạo và phân tích vật liệu kéo dài trong khoảng 6 tháng, từ chuẩn bị nguyên liệu, chế tạo blend, thổi màng đến đánh giá tính chất và phân hủy sinh học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến tính tinh bột bằng axit tartaric:
    Phổ FTIR cho thấy sự hình thành liên kết ester giữa nhóm hydroxyl của tinh bột và nhóm carboxyl của axit tartaric, xác nhận thành công quá trình biến tính. Tinh bột biến tính có khả năng tương thích tốt hơn với PBAT, tạo pha phân tán mịn hơn trong blend.

  2. Ảnh hưởng của chất biến tính và hóa dẻo đến tính chất cơ học:

    • Màng blend PBAT/MTPS với tỷ lệ 40/60 có độ bền kéo đạt 17,8 MPa, giãn dài 465%, chỉ số chảy 5,67 g/10 phút.
    • Khi tăng hàm lượng axit tartaric và chất hóa dẻo, độ bền kéo và độ giãn dài của blend được cải thiện rõ rệt, tăng khoảng 15-20% so với blend không biến tính.
    • Bột talc khi thêm vào làm tăng độ cứng nhưng giảm độ giãn dài, phù hợp với các ứng dụng cần độ bền cao.

  3. Hình thái vi mô và sự tạo thành copolymer ghép:
    Quan sát SEM cho thấy pha TPS phân tán đều trong PBAT khi sử dụng axit tartaric làm chất biến tính. Thí nghiệm Molau chứng minh sự hình thành copolymer PBAT-g-TA, giúp cải thiện sự tương thích pha và tính chất cơ học của blend.

  4. Khả năng phân hủy sinh học:

    • Màng PBAT/MTPS phân rã 94,61% sau 55 ngày trong điều kiện phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn ISO 20200.
    • Chuyển hóa cacbon thành CO2 đạt 94,30% sau 105 ngày theo tiêu chuẩn ISO 14855-2, chứng tỏ vật liệu có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn.
    • So với PBAT nguyên bản, blend có tốc độ phân hủy nhanh hơn khoảng 30%, nhờ sự góp phần của tinh bột biến tính.

Thảo luận kết quả

Sự biến tính tinh bột bằng axit tartaric tạo ra các liên kết ester giúp tăng cường tương tác pha, giảm hiện tượng phân tách pha thường gặp trong blend polymer không tương thích. Điều này được minh chứng qua phổ FTIR và hình ảnh SEM, đồng thời cải thiện đáng kể tính chất cơ học như độ bền kéo và độ giãn dài.

So với các nghiên cứu trước đây về blend PBAT với tinh bột không biến tính, việc sử dụng axit tartaric làm chất biến tính đã nâng cao khả năng phân tán pha TPS trong PBAT, giảm kích thước pha và tăng tính đồng nhất. Điều này cũng giúp giảm thiểu sự suy giảm tính chất cơ học do pha TPS giòn và kém bền.

Khả năng phân hủy sinh học của màng blend được cải thiện rõ rệt nhờ sự góp phần của tinh bột biến tính, phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế về vật liệu phân hủy sinh học. Biểu đồ phân rã vật lý và chuyển hóa cacbon thành CO2 theo thời gian có thể được trình bày để minh họa tốc độ phân hủy nhanh hơn của blend so với PBAT nguyên bản.

Tuy nhiên, việc bổ sung bột talc làm tăng độ cứng nhưng giảm độ giãn dài cần được cân nhắc tùy theo mục đích ứng dụng. Ngoài ra, việc tối ưu tỷ lệ blend và hàm lượng chất biến tính là cần thiết để cân bằng giữa tính cơ học và khả năng phân hủy.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ blend PBAT/TPS

    • Động từ hành động: Điều chỉnh
    • Mục tiêu: Tăng tính tương thích pha, cải thiện tính cơ học và phân hủy sinh học
    • Timeline: 3-6 tháng
    • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu polymer

  2. Phát triển quy trình biến tính tinh bột bằng axit tartaric

    • Động từ hành động: Chuẩn hóa
    • Mục tiêu: Tạo liên kết ester hiệu quả, tăng khả năng tương thích với PBAT
    • Timeline: 6 tháng
    • Chủ thể thực hiện: Trung tâm công nghệ polymer và composite

  3. Nghiên cứu bổ sung các chất biến tính tự nhiên khác

    • Động từ hành động: Khảo sát
    • Mục tiêu: Tìm kiếm chất biến tính thân thiện môi trường, tăng tính bền vật liệu
    • Timeline: 6-12 tháng
    • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu hóa học và vật liệu

  4. Ứng dụng màng phân hủy sinh học trong bao bì nông nghiệp và thực phẩm

    • Động từ hành động: Triển khai thử nghiệm thực tế
    • Mục tiêu: Đánh giá hiệu quả sử dụng, khả năng phân hủy trong môi trường tự nhiên
    • Timeline: 12 tháng
    • Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp sản xuất bao bì, hợp tác với các trang trại nông nghiệp

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật hóa học, Công nghệ polymer

    • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình biến tính tinh bột, kỹ thuật blend polymer phân hủy sinh học, phương pháp đánh giá tính chất vật liệu.
    • Use case: Phát triển các đề tài nghiên cứu mới về vật liệu thân thiện môi trường.

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

    • Lợi ích: Áp dụng công nghệ blend PBAT/TPS để giảm chi phí nguyên liệu, nâng cao tính cạnh tranh sản phẩm.
    • Use case: Thiết kế sản phẩm bao bì thân thiện môi trường, đáp ứng tiêu chuẩn phân hủy sinh học quốc tế.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách phát triển bền vững

    • Lợi ích: Tham khảo các giải pháp công nghệ giảm thiểu ô nhiễm nhựa, thúc đẩy sử dụng vật liệu phân hủy sinh học.
    • Use case: Xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển vật liệu xanh trong công nghiệp.

  4. Người tiêu dùng và tổ chức phi chính phủ quan tâm đến môi trường

    • Lợi ích: Nắm bắt thông tin về vật liệu phân hủy sinh học, lựa chọn sản phẩm thân thiện môi trường.
    • Use case: Thúc đẩy tiêu dùng xanh, giảm thiểu rác thải nhựa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Blend PBAT/TPS có ưu điểm gì so với PBAT nguyên chất?
    Blend PBAT/TPS giảm đáng kể chi phí nguyên liệu do sử dụng tinh bột sắn giá rẻ, đồng thời tăng khả năng phân hủy sinh học nhanh hơn khoảng 30% so với PBAT nguyên chất. Ngoài ra, chất biến tính axit tartaric giúp cải thiện tính tương thích pha, nâng cao tính cơ học của vật liệu.

  2. Tại sao cần biến tính tinh bột bằng axit tartaric?
    Axit tartaric tạo liên kết ester với nhóm hydroxyl của tinh bột, giúp tăng cường tương tác pha giữa TPS và PBAT, giảm hiện tượng phân tách pha, cải thiện tính chất cơ học và độ bền của màng blend.

  3. Khả năng phân hủy sinh học của màng blend được đánh giá như thế nào?
    Màng blend PBAT/MTPS phân rã 94,61% sau 55 ngày theo tiêu chuẩn ISO 20200 và chuyển hóa cacbon thành CO2 đạt 94,30% sau 105 ngày theo ISO 14855-2, chứng tỏ vật liệu phân hủy sinh học hoàn toàn trong điều kiện phòng thí nghiệm.

  4. Ảnh hưởng của bột talc đến tính chất của blend là gì?
    Bột talc làm tăng độ cứng và độ bền kéo của blend nhưng giảm độ giãn dài, phù hợp với các ứng dụng cần vật liệu cứng hơn nhưng có thể làm giảm tính dẻo dai.

  5. Có thể ứng dụng màng blend PBAT/TPS trong lĩnh vực nào?
    Màng blend thích hợp cho bao bì thực phẩm, túi phân hủy sinh học trong nông nghiệp, màng phủ bảo vệ cây trồng, giúp giảm ô nhiễm nhựa và tăng tính bền vững trong sản xuất và tiêu dùng.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo màng phân hủy sinh học từ blend tinh bột sắn nhiệt dẻo và PBAT với chất biến tính axit tartaric và chất hóa dẻo glycerol/PEG.
  • Phản ứng ester hóa giữa tinh bột và axit tartaric được xác nhận qua phổ FTIR, tạo copolymer ghép PBAT-g-TA giúp cải thiện tính tương thích pha.
  • Màng blend có tính cơ học tốt với độ bền kéo 17,8 MPa, giãn dài 465% và chỉ số chảy 5,67 g/10 phút, phù hợp cho ứng dụng màng bao bì.
  • Khả năng phân hủy sinh học đạt trên 94% sau 55 ngày theo tiêu chuẩn ISO, chứng minh tính thân thiện môi trường của vật liệu.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu tỷ lệ blend, phát triển quy trình biến tính và mở rộng ứng dụng thực tế trong bao bì và nông nghiệp.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng công nghệ blend PBAT/TPS biến tính axit tartaric để phát triển vật liệu phân hủy sinh học giá thành thấp, thân thiện môi trường. Liên hệ để nhận tư vấn kỹ thuật và hợp tác nghiên cứu ứng dụng.

Luận văn này cung cấp nền tảng khoa học và công nghệ quan trọng cho phát triển vật liệu polymer phân hủy sinh học tại Việt Nam, góp phần thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn và bảo vệ môi trường bền vững.