Đặt vấn đề Rác thải nhựa là mối đe dọa môi trường toàn cầu, có tác động tiêu cực đến hệ sinh thái, môi trường sống, sức khỏe con người và sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia. Cùng với các nước trên thế giới, Việt Nam đang nỗ lực loại bỏ ô nhiễm do rác thải nhựa gây ra. Theo phân tích của các chuyên gia, rác thải nhựa là những chất không thể phân hủy trong nhiều môi trường, trong đó có nhiều loại chai, túi, đồ chơi đã qua sử dụng… Rác thải nhựa gồm các vật dụng trong sinh hoặc đời sống bằng polypropylene (PP), sau khi sử dụng sẽ trở thành rác thải. Có nhiều loại nhựa khác trong rác thải sinh hoạt, trong đó nhựa PP chiếm tỷ lệ chủ yếu.
Phần lớn rác thải nhựa không được xử lý đúng cách mà được chôn lấp hoặc vứt xuống biển. Trên thực tế, nguồn rác thải nhựa phát sinh trong môi trường chúng ta rất đa dạng, từ lối sống hiện đại con người ưa chuộng sử dụng các sản phẩm tiện ích như cốc nhựa dùng một lần, chai nhựa, ống hút, túi nhựa. Vì vậy, rác thải nhựa có thể đến từ rác thải sinh hoạt của người dân, khách du lịch, chợ, trung tâm thương mại, khách sạn, nhà hàng. Hơn 50% nhựa tiêu thụ hàng ngày là sản phẩm nhựa dùng một lần.
Nó lại là tác nhân đẩy môi trường đến nguy cơ thảm họa ô nhiễm [1]. Tại Việt Nam, theo báo cáo của Hiệp hội Nhựa Việt Nam, năm 2015, Việt Nam sản xuất và tiêu thụ khoảng 5 triệu tấn nhựa, trong đó, khoảng 80% nguyên liệu nhập khẩu được sử dụng từ nhựa phế liệu. Chỉ số tiêu thụ nhựa bình quân đầu người ở Việt Nam tăng nhanh từ 3,8kg/năm/người năm 1990 lên 41kg/năm/người năm 2015 (Hình 1. Ước tính ở Việt Nam mỗi năm có hơn 1,8 triệu tấn rác thải nhựa thải ra nhưng chỉ có 27% trong số đó được tái chế.
Việt Nam cũng đang đối mặt với nguy cơ trở thành bãi rác toàn cầu với tỷ lệ rác thải nhựa tăng 200% trong những năm qua [1]. Theo Báo cáo thường niên năm 2018 của Môi Trường Liên Hợp Quốc, mỗi năm có khoảng 500 tỷ túi nhựa được sử dụng và 40% nhựa được sản xuất để đóng gói trên toàn thế giới. Lượng rác thải nhựa đủ để bao phủ gấp 4 lần diện tích bề mặt Trái đất, trong đó 13 triệu tấn rác thải nhựa đổ ra đại dương [1]. Tiêu thụ nhựa bình quân đầu người giai đoạn 1990-2015 (Kg) [1].
Điều đó đã đặt ra vấn đề cho chúng tôi nghiên cứu về những sản phẩm composite cốt sợi thiên nhiên giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và có những tính năng tốt để có thể đưa vào ứng dụng và sử dụng trong cuộc sống hàng ngày của con người và dần thay thế cho sản phẩm composite cốt sợi nhân tạo khó phân hủy và tốn kém. Nhưng hiện nay những sản phẩm composite cốt sợi thiên nhiên còn gặp nhiều khó khăn trong việc ứng dụng vào đời sống con người do những mặt hạn chế về cách chế tạo và các tính chất cơ học của sản phẩm. Xuất phát từ những lí do trên, đề tài này nhằm mục đích tạo ra sản phẩm composite cốt sợi thiên nhiên có khả năng phân hủy cao hơn so với cốt sợi nhân tạo và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, cụ thể ở đây là composite từ nhựa PP kết hợp với cốt sợi lục bình được phối trộn với những thành phần khối lượng và kích thước khác nhau để tăng cơ tính và có đủ khả năng đưa vào ứng dụng trong đời sống.2 Tình hình nghiên cứu sợi lục bình và composite cốt sợi trong và ngoài nước Nhu cầu về vật liệu và sản phẩm bền vững đang ngày càng trở nên quan trọng trên toàn cầu. Dân số ngày càng tăng, nguồn tài nguyên thiên nhiên giảm sút và các mối lo ngại về sức khỏe do sử dụng và thải bỏ các sản phẩm dựa trên polymer tổng hợp khiến việc tìm kiếm các vật liệu tái tạo, bền vững và rẻ tiền trở nên cần thiết.
Mặc dù có sẵn một lượng lớn sinh khối tái tạo nhưng rất khó để xử lý và phát triển các sản phẩm từ sinh khối, đặc biệt là phế thải nông nghiệp chứa cellulose. Hầu hết sinh khối không dẻo, không dễ hòa tan và cũng là sự kết hợp của cellulose, hemicellulose và lignin khiến chúng khó xử lý. Lục bình là một loại sinh khối độc đáo và các thành phần của nó đã được sử dụng để nghiên cứu và phát triển vô số sản phẩm. Sự tăng trưởng nhanh chóng, chi phí tiềm năng thấp và tính chất tái tạo của chúng khiến lục bình rất hấp dẫn làm nguyên liệu thô cho nhiều nguồn khác nhau.
3 Mặc dù tính khả thi của việc sử dụng lục bình cho các ứng dụng khác nhau đã được chứng minh, nhưng hầu hết các nghiên cứu đều được thực hiện vì mục đích học thuật và hiện tại rất ít hoặc không có sản phẩm hoặc công nghệ làm từ lục bình nào có sẵn trên thị trường. Cho đến nay, lục bình chủ yếu được nghiên cứu làm nguồn nhiên liệu, chất hấp thụ kim loại và thuốc nhuộm, vật liệu composite và các loại khác. Việc tạo ra sợi lục bình là một nghiên cứu đầy mới mẽ và tiềm năng. Trên thế giới Hiện nay việc tạo ra sợi lục bình và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau đã thu hút sự quan tâm đáng kể với nhiều công trình nghiên cứu được công bố như: Ảnh hưởng của các phương pháp chiết khác nhau đến một số tính chất của sợi lục bình (Effects of different extraction methods on some properties of water hyacinth fiber) [10].
Đặc tính vật lý của lục bình thô cho thấy tất cả các sợi được chiết xuất bằng máy móc từ cây đều là những bó sợi đan chặt có thể cho luồng không khí lưu thông. Các sợi này cũng nhẹ nên cây có khả năng nổi trên mặt nước. Các sợi được tạo ra bằng các phương pháp chiết xuất khác nhau có kết cấu bề mặt khác nhau. Khai thác cơ học phương pháp mang lại độ giãn dài cao nhất, trong khi phương pháp chiết xuất hóa học tạo ra kết cấu đồng đều và có số lần phân tách sợi cao nhất [2].
Chiết xuất và xác định đặc tính của sợi từ thân lục bình bằng máy tuốt sợi (Extraction and Characterization of Fibers from Water Hyacinth Stem Using a Custom-Made Decorticator) [3]. Máy tuốt sợi lục bình trong nghiên cứu này có thể tiêu thụ 18–20 kg thân cây mỗi giờ. Sợi lục bình có năng suất và độ bền tương đối kém hơn so với các loại sợi lignocellulose phổ biến khác. Tuy nhiên, chúng rất giàu hàm lượng cellulose.
Phân tích FTIR và thành phần hóa học xác nhận đặc tính lignocellulose của sợi lục bình. Hình ảnh SEM cho thấy các sợi đơn thay vì cấu trúc dạng chùm hoặc dạng lưới. Việc xử lý kiềm làm tăng chỉ số kết tinh lên tới 80,45%. Kết luận rằng sợi được chiết xuất từ lục bình có thể có tiềm năng sử dụng trong dệt may và các ứng dụng liên quan [3].
Lục bình: Nguồn cellulose nghèo Lignin bền vững để sản xuất sợi nano cellulose (Water Hyacinth: A Sustainable Lignin-Poor Cellulose Source for the Production of Cellulose Nanofibers) [4]. Thành phần hóa học của lục bình được sử dụng trong nghiên cứu này chủ yếu bao gồm 57% cellulose, 25.1% lignin, có tiềm năng thay thế gỗ và phế thải nông nghiệp làm nguồn cellulose để sản xuất CNF [4]. 4 Mối đe dọa môi trường nghiêm trọng Lục bình (Eichhornia crassipes) sợi tự nhiên thực vật: Các phương pháp chiết xuất khác nhau và đặc tính hình thái cho các ứng dụng tổng hợp polymer (Serious Environmental Threat Water Hyacinth (Eichhornia crassipes) Plant Natural Fibers: Different Extraction Methods and Morphological Properties for Polymer Composite Applications). Nghiên cứu chỉ ra phương pháp chiết cơ học được đo bằng độ bền kéo của sợi luôn vượt trội hơn phương pháp kia về các tính chất vật lý [5].
Hỗn hợp Polypropylene đa năng chứa chất thải sau in (Versatile Polypropylene Composite Containing Post-Printing Waste) [6]. Việc đưa vào chất thải sau in sẽ gây ra sự suy giảm các đặc tính của vật liệu thu được, nhưng mức giảm này hoàn toàn có thể chấp nhận được xét về mặt ứng dụng theo kế hoạch của vật liệu tổng hợp mới. Vật liệu tổng hợp polypropylene được gia cố bằng sợi gai dầu: Ảnh hưởng của việc xử lý vật liệu ( Hemp fiber reinforced polypropylene composites: The effects of material treatments) [7]. Nghiên cứu này nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp xử lý vật liệu đến đặc tính kéo và uốn của vật liệu tổng hợp polypropylene được gia cố bằng sợi gai dầu.
Xử lý sợi kiềm hoặc bổ sung chất liên kết cải thiện độ bám dính bề mặt giữa sợi và nền trong hỗn hợp PP gia cố bằng sợi gai dầu và tăng đặc tính uốn và kéo của nó. Sự phát triển gần đây về vật liệu tổng hợp polypropylene được gia cố bằng sợi tự nhiên (Recent Development in Natural Fiber Reinforced Polypropylene Composites) [8]. Các tính chất hóa học, cơ học và vật lý của sợi tự nhiên có những đặc tính riêng biệt; hàm lượng cellulose của các loại sợi này thay đổi tùy theo từng loại sợi. Độ ẩm làm giảm tính chất cơ học.
Tính chất cơ học của vật liệu composite bị ảnh hưởng chủ yếu bởi độ bám dính giữa nền và sợi. Như trong trường hợp sợi thủy tinh, đặc tính bám dính có thể được thay đổi bằng cách xử lý trước sợi. Nghiên cứu tính chất cơ học của sợi lục bình/Polyester với vật liệu composite bột nhôm ( Investigation of Mechanical Behavior of Water Hyacinth Fiber/Polyester with Aluminium Powder Composites) [9]. Với 7 tỷ lệ trọng lượng khác nhau của vật liệu tổng hợp từ sợi lục bình, bột nhôm và nhựa polyester được điều chế bằng cách sử dụng phương pháp ngâm tẩm dung dịch và xử lý nóng.
Từ đó, mẫu 3 (30% sợi lục bình tự nhiên và 70% nhựa polyester) và 5 (20% lục bình NF, 5% bột nhôm và 75% nhựa polyester) là thành phần tốt nhất. 5 Trong nước: Vật liệu thân thiện với môi trường của vật liệu tổng hợp polyme dựa trên sợi lục bình (Eco-friendly Materials of Polymer Composites Based on Water Hyacinth Fibers/Roving). Nghiên cứu đã ứng dụng lục bình làm nguyên liệu sản xuất vật liệu composite xanh. Sản phẩm đã tiến hành thí nghiệm trên hai loại sợi: lục bình chưa qua xử lý và lục bình đã qua xử lý bằng dung dịch NaOH.
Các tính chất cơ học như độ bền uốn và cường độ nén của các mẫu tổ hợp được gia cố bằng sợi lục bình có sự cải thiện rõ rệt sau khi xử lý sợi lục bình [10]. Hiện nay tình hình nghiên cứu sợi lục bình trong nước đầy mới mới mẽ và tiềm năng để phát triển các ứng dụng khác nhau.