Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường do chất thải nhựa nhiệt dẻo như polyetylen, polypropylen và polystiren đang là vấn đề nghiêm trọng tại Việt Nam và trên thế giới. Các vật liệu này tồn tại lâu dài trong đất, khó phân hủy và gây tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu và phát triển polyme phân hủy sinh học trở thành hướng đi cấp thiết nhằm thay thế các sản phẩm nhựa truyền thống. Trong đó, polylactic acid (PLA) được xem là một trong những polyme sinh học tiềm năng nhờ khả năng phân hủy sinh học, nguồn gốc tái tạo và tính thân thiện với môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo nanocellulose từ bã mía – một phụ phẩm nông nghiệp dồi dào tại Việt Nam – làm vật liệu gia cường cho PLA nhằm cải thiện tính chất cơ lý và duy trì khả năng phân hủy sinh học của vật liệu compozit. Mục tiêu cụ thể là xây dựng quy trình sản xuất nanocellulose tối ưu từ bã mía, chế tạo nanocompozit PLA/nanocellulose và đánh giá các tính chất vật liệu thu được. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2019-2020 tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu sinh học mới, thân thiện môi trường, giảm thiểu ô nhiễm do nhựa truyền thống, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu nông nghiệp sẵn có. Các chỉ số đánh giá như độ bền kéo đứt, modun đàn hồi và độ phân tán nanocellulose trong PLA được sử dụng làm thước đo hiệu quả của vật liệu compozit.

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:

  • Cấu trúc và tính chất của cellulose: Cellulose là polyme thiên nhiên mạch thẳng, gồm các đơn vị anhydro-β-glucopyranose liên kết β-(1-4)-glycosid, có vùng tinh thể và vùng vô định hình. Liên kết hydro nội và ngoại phân tử tạo nên cấu trúc bền vững, ảnh hưởng đến tính chất cơ lý và khả năng phân hủy.

  • Nanocellulose và các loại nanocellulose: Bao gồm tinh thể nanocellulose (CNC), sợi nanocellulose (CNF) và nanocellulose vi khuẩn (BNC). CNC có độ kết tinh cao (54-88%), kích thước nano (3-5 nm chiều rộng, 50-500 nm chiều dài), modun đàn hồi từ 58 đến 180 GPa, tương đương sợi Kevlar. Nanocellulose có tính phân hủy sinh học nhanh ở nhiệt độ thường (20-30°C).

  • Polyme phân hủy sinh học và PLA: PLA là polyme nhiệt dẻo bán tinh thể, có công thức (C3H4O2)n, nhiệt độ thủy tinh hóa ~60°C, nhiệt độ nóng chảy 175-180°C, khối lượng riêng 1,25 g/cm³. PLA có khả năng phân hủy sinh học, tương thích sinh học và được ứng dụng rộng rãi trong y tế, bao bì, điện tử và ô tô.

  • Nanocompozit PLA/nanocellulose: Việc gia cường nanocellulose vào PLA nhằm cải thiện tính chất cơ học như độ bền kéo, modun đàn hồi, đồng thời duy trì khả năng phân hủy sinh học. Thách thức chính là sự phân tán nanocellulose do tính ưa nước của nó trong môi trường PLA kỵ nước, được giải quyết bằng biến tính bề mặt hoặc phương pháp chế tạo phù hợp.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là bã mía đã ép nước, thu thập tại Việt Nam. Hóa chất sử dụng gồm NaClO2, NaOH, H2SO4, PLA thương mại, dung môi như chloroform, acetone.

  • Quy trình chế tạo nanocellulose: Bao gồm tách cellulose từ bã mía qua các bước loại bỏ sáp, lignin, hemicellulose bằng phương pháp Soxhlet, xử lý NaClO2 và NaOH. Tiếp theo, thủy phân cellulose bằng axit sunfuric 64% với tỉ lệ 1:20 (g/ml), khuấy ở 50°C trong 3 giờ, sau đó rửa, ly tâm, siêu âm và đông khô để thu nanocellulose.

  • Chế tạo nanocompozit PLA/nanocellulose: Sử dụng phương pháp trao đổi dung môi, hòa tan PLA trong chloroform 5%, trộn huyền phù nanocellulose trong acetone với PLA ở các tỉ lệ 1%, 2%, 4%, khuấy 12 giờ, đúc màng và sấy chân không ở 40°C.

  • Phân tích và đánh giá: Thành phần hóa học bã mía theo tiêu chuẩn TAPPI; cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (XRD); phổ hồng ngoại (FT-IR); hình thái học bằng hiển vi điện tử quét (SEM); phân bố kích thước hạt bằng kỹ thuật tán xạ laze; phân tích nhiệt trọng lượng (TGA); đo tính chất cơ lý gồm độ bền kéo đứt, độ giãn dài khi đứt và modun đàn hồi theo tiêu chuẩn ISO 527.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi phép đo được thực hiện trên ít nhất 3 mẫu độc lập, mẫu được chọn có phân tán đồng đều, không có bọt khí hay khuyết tật.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2019-2020, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, chế tạo nanocellulose, tổng hợp nanocompozit, phân tích và đánh giá tính chất vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành phần hóa học của bã mía và cellulose thu được: Bã mía ban đầu chứa 38,9 ± 0,44% cellulose, 29,2 ± 0,5% hemicellulose và 23,9% lignin. Sau xử lý tẩy trắng bằng NaClO2, lignin giảm xuống còn 4,22%, cellulose tăng lên 64,23%. Tiếp tục xử lý kiềm làm giảm hemicellulose còn 6,05%, cellulose đạt 87,19%, tăng hơn 2 lần so với ban đầu.

  2. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến độ kết tinh nanocellulose: Độ kết tinh tăng từ 72,1% (1 giờ) lên 84,3% (3 giờ) khi tăng thời gian thủy phân. Tuy nhiên, thủy phân quá 4 giờ làm giảm độ kết tinh do phá hủy vùng tinh thể. Thời gian tối ưu là 3 giờ.

  3. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân: Ở 35°C, nanocellulose có kích thước lớn, không phân tán tốt. Nhiệt độ 50°C cho sản phẩm phân tán ổn định, màu trắng đục, kích thước nano đồng đều. Nhiệt độ trên 55°C gây phân hủy cellulose, màu vật liệu chuyển sang nâu đậm hoặc đen. Nhiệt độ tối ưu là 50°C.

  4. Kích thước và hình thái nanocellulose: SEM và phân bố kích thước hạt cho thấy nanocellulose có đường kính 30-65 nm, chiều dài 200-500 nm, phù hợp với kích thước nano tiêu chuẩn. Hình thái học cho thấy sợi nanocellulose mịn, đồng đều, cấu trúc xốp sau đông khô.

  5. Tính chất cơ lý của nanocompozit PLA/nanocellulose: Khi bổ sung nanocellulose 1-4%, độ bền kéo đứt tăng đáng kể, modun đàn hồi cải thiện rõ rệt. Ví dụ, mẫu C1 (1% nanocellulose) có độ bền kéo đứt tăng khoảng 15% so với PLA nguyên chất. Độ giãn dài khi đứt giảm nhẹ do tính giòn tăng lên. Phổ FT-IR và TGA cho thấy sự tương tác tốt giữa nanocellulose và PLA, cải thiện tính ổn định nhiệt.

Thảo luận kết quả

Việc tăng hàm lượng cellulose trong bã mía sau xử lý tẩy trắng và kiềm cho thấy hiệu quả loại bỏ lignin và hemicellulose, làm tăng độ tinh khiết nguyên liệu đầu vào cho quá trình chế tạo nanocellulose. Độ kết tinh nanocellulose tăng theo thời gian thủy phân do phá hủy vùng vô định hình, phù hợp với các nghiên cứu trước đây. Tuy nhiên, thủy phân quá mức làm giảm độ kết tinh do phá hủy vùng tinh thể, ảnh hưởng đến tính chất cơ học.

Nhiệt độ thủy phân 50°C được xác định là điều kiện tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả thủy phân và hạn chế phân hủy cellulose. Kích thước nanocellulose thu được phù hợp với tiêu chuẩn vật liệu nano, đảm bảo tính chất cơ học và khả năng phân tán trong PLA.

Sự cải thiện tính chất cơ lý của nanocompozit PLA/nanocellulose thể hiện rõ vai trò của nanocellulose như chất gia cường. Mặc dù độ giãn dài giảm nhẹ, nhưng độ bền kéo và modun đàn hồi tăng cho thấy vật liệu có khả năng chịu lực tốt hơn. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về nanocompozit PLA/CNC.

Phổ FT-IR không ghi nhận sự thay đổi nhóm chức chính, chứng tỏ quá trình thủy phân và tổng hợp không làm biến đổi cấu trúc hóa học cơ bản của cellulose và PLA. Phân tích TGA cho thấy nanocompozit có tính ổn định nhiệt cao hơn PLA nguyên chất, phù hợp cho ứng dụng trong công nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD thể hiện độ kết tinh theo thời gian và nhiệt độ thủy phân, biểu đồ phân bố kích thước hạt nanocellulose, cũng như bảng so sánh tính chất cơ lý giữa PLA nguyên chất và các mẫu nanocompozit.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình thủy phân nanocellulose: Áp dụng nhiệt độ 50°C và thời gian 3 giờ để đạt độ kết tinh và kích thước nano tối ưu, giảm thiểu phân hủy vật liệu. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu sinh học. Thời gian: 6 tháng.

  2. Phát triển công nghệ biến tính bề mặt nanocellulose: Nghiên cứu các phương pháp biến tính hóa học hoặc vật lý nhằm cải thiện khả năng phân tán nanocellulose trong PLA, tăng tính tương thích và hiệu suất gia cường. Chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất vật liệu. Thời gian: 1 năm.

  3. Ứng dụng nanocompozit PLA/nanocellulose trong sản xuất bao bì sinh học: Triển khai thử nghiệm sản xuất màng mỏng, túi đựng thực phẩm phân hủy sinh học, giảm thiểu ô nhiễm nhựa. Chủ thể: doanh nghiệp ngành bao bì, hợp tác với viện nghiên cứu. Thời gian: 1-2 năm.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức về vật liệu sinh học: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho cán bộ nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp về công nghệ nanocellulose và polyme phân hủy sinh học. Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu. Thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về quy trình chế tạo nanocellulose và nanocompozit PLA, phương pháp phân tích vật liệu, giúp phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học và bao bì: Hướng dẫn kỹ thuật chế tạo nanocellulose từ nguyên liệu nông nghiệp, ứng dụng trong sản xuất vật liệu phân hủy sinh học, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách khuyến khích phát triển vật liệu thân thiện môi trường, giảm thiểu ô nhiễm nhựa.

  4. Các tổ chức phát triển nông nghiệp bền vững: Khai thác hiệu quả phụ phẩm nông nghiệp như bã mía, tạo giá trị gia tăng, thúc đẩy kinh tế tuần hoàn và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nanocellulose là gì và có ưu điểm gì so với cellulose thông thường?
    Nanocellulose là dạng cellulose có kích thước nano (1-100 nm), gồm tinh thể nanocellulose (CNC) và sợi nanocellulose (CNF). Ưu điểm gồm độ bền cơ học cao, diện tích bề mặt lớn, khả năng phân hủy sinh học nhanh và tính tương thích sinh học tốt, vượt trội so với cellulose thô.

  2. Tại sao chọn bã mía làm nguyên liệu chế tạo nanocellulose?
    Bã mía là phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, giá thành thấp, chứa hàm lượng cellulose cao (38,9%) và dễ dàng xử lý để loại bỏ lignin, hemicellulose. Việc sử dụng bã mía giúp tận dụng nguồn nguyên liệu tái tạo, giảm chi phí và thân thiện môi trường.

  3. Phương pháp thủy phân axit có ưu và nhược điểm gì?
    Ưu điểm: đơn giản, hiệu quả cao trong việc phá vỡ vùng vô định hình của cellulose để tạo nanocellulose tinh thể. Nhược điểm: thải ra axit gây ô nhiễm môi trường, cần xử lý nước thải kỹ lưỡng, dễ gây phân hủy quá mức nếu điều kiện không kiểm soát.

  4. Nanocompozit PLA/nanocellulose có ứng dụng thực tiễn nào?
    Được ứng dụng trong sản xuất màng bao bì phân hủy sinh học, vật liệu y tế như cấy ghép mô, thiết bị y tế tự tiêu, vật liệu đóng gói thực phẩm, và các bộ phận trong ngành ô tô, điện tử nhằm giảm thiểu ô nhiễm nhựa và tăng tính bền vững.

  5. Làm thế nào để cải thiện sự phân tán nanocellulose trong PLA?
    Có thể biến tính bề mặt nanocellulose bằng các phương pháp hóa học (ghép polyme, tạo dẫn xuất) hoặc vật lý (phủ chất hoạt động bề mặt), đồng thời sử dụng phương pháp chế tạo phù hợp như trao đổi dung môi hoặc ép đùn nóng chảy để tăng khả năng tương thích và phân tán đồng đều.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình chế tạo nanocellulose từ bã mía với điều kiện thủy phân axit tối ưu là 50°C trong 3 giờ, thu được nanocellulose có kích thước 30-65 nm và độ kết tinh 84,3%.
  • Nanocompozit PLA/nanocellulose được tổng hợp bằng phương pháp trao đổi dung môi, với nanocellulose chiếm 1-4%, cải thiện đáng kể độ bền kéo đứt và modun đàn hồi so với PLA nguyên chất.
  • Phân tích FT-IR và TGA chứng minh sự tương tác tốt giữa nanocellulose và PLA, đồng thời duy trì tính ổn định nhiệt và khả năng phân hủy sinh học của vật liệu.
  • Nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu sinh học thân thiện môi trường, tận dụng nguồn nguyên liệu nông nghiệp sẵn có, hướng tới giảm thiểu ô nhiễm nhựa truyền thống.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu biến tính bề mặt nanocellulose và ứng dụng nanocompozit trong sản xuất công nghiệp, đồng thời đào tạo nhân lực và nâng cao nhận thức về vật liệu sinh học.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp phát triển công nghệ biến tính nanocellulose, mở rộng ứng dụng nanocompozit PLA trong các ngành công nghiệp thân thiện môi trường.