Đồ Án Tốt Nghiệp: Nghiên Cứu Phát Triển Sợi Từ Cây Lục Bình Và Nhựa Polypropylene

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu phát triển sản phẩm sợi từ cây lục bình kết hợp nhựa polypropylene, ứng dụng trong công nghệ vật liệu bền vững.

• Tác giả: Trần Nhật Huy
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thanh Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Vật Liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Phát Triển Sản Phẩm Sợi Từ Cây Lục Bình Kết Hợp Nhựa Polypropylene
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tình hình nghiên cứu sợi lục bình và composite cốt sợi trong và ngoài nước
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cây lục bình ở Việt Nam và thế giới
• 2.2. Cây lục bình trên thế giới
• 2.3. Đặc điểm của cây lục bình
• 2.4. Thành phần hóa học của cây lục bình
• 2.5. Những tác động của cây lục bình
• 2.6. Ứng dụng của cây lục bình
• 2.7. Giới thiệu về nhựa polypropylene
• 2.8. Mô tả cơ bản về polypropylene
• 2.9. Giới thiệu về composite cốt sợi lục bình
• 3. CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 3.1. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất và nguyên liệu
• 3.1.1. Dụng cụ
• 3.1.2. Hóa chất và nguyên liệu
• 3.2. Quy trình thực hiện
• 3.2.1. Quy trình chế tạo sợi lục bình
• 3.2.2. Quy trình chế tạo composite cốt sợi lục bình
• 3.3. Các phương pháp phân tích
• 3.3.1. Phương pháp tính hiệu suất tổng hợp sợi
• 3.3.2. Kính hiển vi quang học (OM)
• 3.3.3. Phổ hồng ngoại FTIR (Fourier Transform Infrared)
• 3.3.4. Phương pháp đánh giá cơ tính
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả chế tạo sợi lục bình
• 4.1.1. Kết quả đánh giá ngoại quan
• 4.1.2. Kết quả tính hiệu suất thu hồi sợi
• 4.1.3. Kết quả kính hiển vi quang học
• 4.1.4. Kết quả quang phổ hồng ngoại (FT-IR)
• 4.1.5. Kết quả cơ tính sợi
• 4.2. Kết quả chế tạo composite cốt sợi lục bình
• 4.2.1. Kết quả đánh giá ngoại quan
• 4.2.2. Kết quả kính hiển vi quang học
• 4.2.3. Kết quả cơ tính composite cốt sợi lục bình
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu và đặt vấn đề

Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển sợi từ cây lục bình kết hợp với nhựa polypropylene trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp công nghệ vật liệu. Vấn đề ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa và phụ phẩm nông nghiệp đã thúc đẩy việc tìm kiếm các giải pháp bền vững. Sợi tự nhiên từ cây lục bình được xem là một nguyên liệu tiềm năng để thay thế các vật liệu tổng hợp khó phân hủy. Nghiên cứu này nhằm mục đích tạo ra vật liệu sinh học có khả năng phân hủy cao, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

1.1. Tình hình nghiên cứu sợi lục bình

Trên thế giới, sợi lục bình đã được nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực, từ dệt may đến vật liệu composite. Các phương pháp chiết xuất sợi từ cây lục bình bao gồm cơ học và hóa học, mỗi phương pháp mang lại những đặc tính khác nhau. Ví dụ, chiết xuất cơ học cho độ giãn dài cao, trong khi chiết xuất hóa học tạo ra sợi có kết cấu đồng đều. Nghiên cứu này kế thừa các kết quả trước đó để tối ưu hóa quy trình sản xuất sợi từ cây lục bình.

II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về công nghệ sản xuất sợi từ cây lục bình và nhựa polypropylene. Cây lục bình được chọn vì tính chất tái tạo và chi phí thấp, trong khi nhựa polypropylene là một loại nhựa phổ biến, dễ tái chế. Quy trình nghiên cứu bao gồm các bước: chiết xuất sợi, xử lý hóa học, và kết hợp với nhựa polypropylene để tạo ra vật liệu composite. Các phương pháp phân tích như kính hiển vi quang học và phổ hồng ngoại được sử dụng để đánh giá tính chất cơ học của vật liệu.

2.1. Quy trình chiết xuất sợi lục bình

Quy trình chiết xuất sợi từ cây lục bình bao gồm các bước: thu thập nguyên liệu, xử lý bằng NaOH để loại bỏ tạp chất, và phơi khô. Sợi sau khi xử lý được đánh giá về độ bền và kết cấu. Kết quả cho thấy sợi từ cây lục bình có tiềm năng ứng dụng cao trong công nghệ vật liệu.

2.2. Kết hợp sợi lục bình với nhựa polypropylene

Sợi lục bình được kết hợp với nhựa polypropylene theo các tỷ lệ khác nhau để tạo ra vật liệu composite. Quy trình này bao gồm trộn nguyên liệu, ép nhiệt, và tạo hình. Tính chất cơ học của vật liệu được đánh giá thông qua các thử nghiệm kéo và uốn, cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ bền và độ bền.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy sợi từ cây lục bình kết hợp với nhựa polypropylene tạo ra vật liệu composite có tính chất cơ học tốt, phù hợp với nhiều ứng dụng thực tế. Vật liệu này không chỉ giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn có chi phí sản xuất thấp. Các thử nghiệm về độ bền kéo, độ bền uốn, và khả năng chịu nhiệt đều cho kết quả khả quan, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau.

3.1. Đánh giá tính chất cơ học

Các thử nghiệm tính chất cơ học cho thấy vật liệu composite từ sợi lục bình và nhựa polypropylene có độ bền kéo và độ bền uốn cao hơn so với vật liệu truyền thống. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng của vật liệu này trong các sản phẩm công nghiệp.

3.2. Ứng dụng thực tế

Vật liệu composite từ sợi lục bình và nhựa polypropylene có thể được ứng dụng trong sản xuất đồ gia dụng, vật liệu xây dựng, và các sản phẩm công nghiệp khác. Tính bền và khả năng phân hủy của vật liệu này giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, đồng thời đáp ứng nhu cầu về vật liệu bền vững.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của sợi từ cây lục bình kết hợp với nhựa polypropylene trong việc tạo ra vật liệu composite bền vững. Vật liệu này không chỉ có tính chất cơ học tốt mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các kiến nghị bao gồm việc tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất và mở rộng ứng dụng của vật liệu này trong các ngành công nghiệp khác nhau.

4.1. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc cải thiện tính chất cơ học của vật liệu composite thông qua việc điều chỉnh tỷ lệ pha trộn và sử dụng các chất phụ gia. Ngoài ra, việc mở rộng quy mô sản xuất và ứng dụng thực tế cũng là những hướng phát triển quan trọng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm rác thải nhựa và sự suy thoái môi trường do phụ phẩm nông nghiệp, sinh khối thực vật xâm lấn là hai thách thức sinh thái lớn tại Việt Nam. Theo thống kê của Hiệp hội Nhựa Việt Nam, lượng tiêu thụ nhựa bình quân đầu người đã tăng mạnh từ 3,8 kg/năm (1990) lên 41 kg/năm (2015), với hơn 1,8 triệu tấn rác thải nhựa phát sinh mỗi năm nhưng chỉ có khoảng 27% được tái chế. Trong đó, nhựa polypropylene (PP) từ các sản phẩm dùng một lần (như ly, cốc nhựa) chiếm tỷ trọng lớn trong rác thải sinh hoạt, phần lớn bị chôn lấp không hợp vệ sinh hoặc thải trực tiếp ra nguồn nước.

Song song với đó, cây lục bình (Eichhornia crassipes) là loài thực vật thủy sinh xâm lấn mạnh mẽ tại các hệ thống sông ngòi, đặc biệt ở lưu vực sông Sài Gòn và Đồng bằng sông Cửu Long. Lục bình sinh trưởng nhanh (năng suất sinh khối tươi đạt tới 17,5 tấn/ha/ngày, có khả năng nhân đôi khối lượng sau 6–28 ngày), gây tắc nghẽn dòng chảy, cản trở giao thông thủy, làm suy giảm lượng oxy hòa tan và hủy hoại hệ sinh thái thủy sinh khi phân hủy.

Trước thực trạng đó, đề tài "Nghiên cứu phát triển sản phẩm sợi từ cây lục bình với nhựa polypropylene" của sinh viên Trần Nhật Huy (chuyên ngành Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Thanh Tâm) được thực hiện nhằm tận dụng nguồn sinh khối lục bình kết hợp với nhựa phế thải PP để chế tạo vật liệu composite cốt sợi tự nhiên, hướng tới thay thế composite cốt sợi nhân tạo khó phân hủy.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài gồm:

1. Đề xuất quy trình chiết tách sợi từ thân cây lục bình bằng phương pháp cơ - hóa đơn giản, chi phí thấp.
2. Nghiên cứu hiệu suất tổng hợp, cấu trúc hóa học, thành phần, đường kính và cơ tính của sợi lục bình trước và sau khi xử lý bằng dung dịch kiềm ($\text{NaOH}$) và chất tẩy trắng ($\text{H}_2\text{O}_2$).
3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng sợi/nhựa (3%, 5%, 7%) và kích thước chiều dài sợi (5 mm, 10 mm, 15 mm) đến đặc tính cơ lý của vật liệu composite cốt sợi lục bình/nhựa PP, từ đó xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Thân cây lục bình tươi thu hái tự nhiên và rác thải nhựa polypropylene (ly nhựa PP dùng một lần).
• Phạm vi không gian: Nguyên liệu thân cây lục bình được thu gom tại sông thuộc huyện Gò Công Đông, tỉnh Tiền Giang; cốc nhựa PP phế thải được thu gom tại khu vực Làng Đại học Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh. Các thí nghiệm chế tạo và đo đạc được thực hiện tại phòng thí nghiệm chuyên ngành.
• Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai và hoàn thành trong giai đoạn từ tháng 3/2024 đến tháng 9/2024.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu được xây dựng trên các nền tảng lý thuyết chuyên ngành công nghệ vật liệu:

• Hóa học cấu trúc lignocellulose thực vật: Thân lục bình có hàm lượng ẩm cao (85–95%) và phần chất hữu cơ khô chứa 18–31% cellulose, 18–43% hemicellulose, 7–26% lignin cùng hàm lượng carbon đạt 41,1%. Trong đó, cellulose là polymer mạch thẳng cấu tạo từ các mắt xích D-glucopyranose liên kết $\beta$-1,4-glycosid đóng vai trò chịu lực chính; hemicellulose là heteropolysaccharide vô định hình dễ bị thủy phân; lignin là polymer polyphenolic mạng không gian ba chiều có vai trò liên kết tế bào nhưng cản trở độ bám dính liên diện khi gia cường vào polymer nền.
• Đặc tính polymer nền Polypropylene (PP): PP là nhựa nhiệt dẻo bán kết tinh có nhiệt độ nóng chảy ($T_m$) từ 160–170°C, mức độ trùng hợp ($DP$) lớn hơn 1000, tỷ trọng xấp xỉ 0,90 g/cm³, có khả năng tái sinh nhiệt và kháng hóa chất tốt.
• Vật liệu composite cốt sợi tự nhiên (Natural Fiber Composite): Cơ chế truyền ứng suất từ pha nền (matrix) sang pha gia cường (reinforcement) phụ thuộc mật thiết vào chiều dài sợi, độ định hướng và độ bền bám dính bề mặt phân cách giữa sợi lignocellulose ưa nước và nhựa PP kỵ nước.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm với quy trình chế tạo và hệ thống kiểm tra đặc tính cụ thể:

Hạng mục thực nghiệm	Chi tiết phương pháp và thông số	Thiết bị / Tiêu chuẩn áp dụng
Thu hồi và xử lý sợi cơ học	Cắt đoạn thân tươi ($\le 50\text{ cm}$), tuốt sợi bằng máy tuốt cơ học tốc độ cao (khoảng 10 giây/thân), rửa nước loại bỏ tạp chất và phơi khô tự nhiên.	Máy tuốt sợi cơ học chuyên dụng
Xử lý hóa học sợi	- Xử lý kiềm: Ngâm 100g sợi khô trong 2L dung dịch $\text{NaOH}$ 5% ở nhiệt độ 80°C trong 30 phút, rửa đến pH trung tính. - Xử lý tẩy trắng: Ngâm tiếp trong 2L dung dịch $\text{H}_2\text{O}_2$ 10% ở 80°C trong 30 phút, rửa sạch đến pH trung tính và phơi khô.	Bếp khuấy từ gia nhiệt, cân phân tích điện tử, thiết bị đo pH
Gia công composite	Phối trộn nhựa PP tái chế với sợi lục bình theo 3 cấp chiều dài (5 mm, 10 mm, 15 mm) và 3 cấp tỷ lệ khối lượng (3%, 5%, 7%); gia nhiệt và ép tấm định hình.	Khuôn ép nhiệt KR-24A
Phân tích hình thái vi cấu trúc	Quan sát sự thay đổi bề mặt sợi trước/sau xử lý hóa chất, độ phân bố đường kính sợi đơn và mặt cắt đứt gãy kéo của mẫu composite.	Kính hiển vi quang học (OM) Nikon Labophot 2
Phân tích nhóm chức hóa học	Xác định sự suy giảm/loại bỏ của lignin, hemicellulose và tạp chất qua phổ dao động phân tử.	Máy quang phổ hồng ngoại FTIR Bruker Alpha II
Thử nghiệm cơ tính	- Thử kéo sợi đơn: Đo lực kéo đứt và độ giãn dài. - Thử kéo composite: Đo độ bền kéo và độ biến dạng theo tiêu chuẩn chuẩn hóa.	- Máy đo kéo IMADA MX-500N (sợi đơn) - Máy đo kéo nén vạn năng SHIMADZU AG-10TG (composite theo tiêu chuẩn ASTM D638 loại 1)

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 tập trung làm rõ tính cấp bách của đề tài thông qua các dữ liệu thực tế về khủng hoảng ô nhiễm nhựa tại Việt Nam và trên thế giới. Tác giả phân tích tiềm năng của sinh khối lục bình – một loài cỏ dại xâm lấn thủy vực nghiêm trọng nhưng sở hữu nguồn cellulose dồi dào có thể khai thác làm chất gia cường. Chương này tổng quan các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến chiết tách sợi lục bình (phương pháp cơ học, xử lý kiềm tăng chỉ số kết tinh lên 80,45%, sản xuất cellulose nanofiber - CNF) và các nghiên cứu về composite nền PP gia cường sợi tự nhiên (sợi gai dầu, sợi lục bình kết hợp polyester, bột nhôm...). Từ khoảng trống nghiên cứu về việc ứng dụng kết hợp nhựa rác thải sinh hoạt PP với sợi lục bình đã qua xử lý hai giai đoạn, tác giả xác lập 3 mục tiêu trọng tâm của khóa luận.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp hệ thống kiến thức nền tảng toàn diện gồm ba hợp phần chính:

• Cây lục bình (Eichhornia crassipes): Nguồn gốc xuất xứ từ Nam Mỹ, lịch sử du nhập vào Việt Nam từ năm 1905, hình thái sinh học (lá bóng xốp, thân rễ chùm chiếm 50% sinh khối), khả năng thích ứng nhiệt độ từ 10–43°C, chu kỳ phủ xanh mặt nước sông Sài Gòn (đạt đỉnh từ tháng 2 đến tháng 5, chiếm tới 14% diện tích giám sát). Tác giả chi tiết hóa thành phần hóa học thực vật gồm cellulose (18–31%), hemicellulose (18–43%) và lignin (7–26%), đồng thời phân tích các tác động hai mặt (tích cực trong xử lý nước, làm phân bón; tiêu cực trong cản trở thủy điện, tưới tiêu, giao thông thủy).
• Nhựa Polypropylene (PP): Lịch sử thương mại hóa từ năm 1957, hóa học lập thể của propylene (các cấu hình isotactic, syndiotactic, atactic), cơ chế tự oxy hóa của nguyên tử carbon bậc ba, đặc tính nhiệt dẻo và tính chất nhiệt với $T_m$ đạt 160–170°C.
• Composite sinh học cốt sợi tự nhiên: Khái niệm, cơ chế gia cường, phân loại composite theo chất nền và hình thái pha gia cường (dạng hạt, sợi, cấu trúc nhiều lớp); các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính composite như chiều dài sợi, hàm lượng phối trộn và tương tác liên diện.

Chương 3: Quy trình thực nghiệm

Chương 3 trình bày danh mục trang thiết bị, hóa chất, nguyên liệu và các bước triển khai cụ thể:

• Nguyên liệu: Thân cây lục bình tươi từ Gò Công Đông (Tiền Giang) và ly nhựa PP phế phẩm từ Làng Đại học Thủ Đức (TP.HCM); hóa chất gồm $\text{NaOH}$ và $\text{H}_2\text{O}_2$ tinh khiết.
• Quy trình 6 bước chế tạo sợi lục bình: (1) Thu gom, cắt bỏ rễ lá, làm sạch thân tươi $\le 50\text{ cm}$; (2) Tuốt sợi cơ học bằng máy dập tốc độ cao trong 10 giây/thân kết hợp chải nhẹ và xả nước; (3) Phơi khô và gõ nhẹ tách tạp chất; (4) Xử lý kiềm với 2L dung dịch $\text{NaOH}$ 5% ở 80°C trong 30 phút, rửa trung tính; (5) Xử lý khử màu/tẩy trắng bằng 2L dung dịch $\text{H}_2\text{O}_2$ 10% ở 80°C trong 30 phút, rửa trung tính; (6) Phơi khô hoàn thiện và tách sợi tơi xốp.
• Quy trình chế tạo tấm composite: Cắt nhỏ sợi lục bình theo các kích thước khảo sát (5 mm, 10 mm, 15 mm), phối trộn cơ học với nhựa PP tái chế theo tỷ lệ khối lượng (3%, 5%, 7%) và đưa vào máy ép nhiệt KR-24A để tạo tấm.
• Phương pháp đo lường: Công thức tính hiệu suất thu hồi sợi; quan sát ảnh hiển vi quang học Nikon Labophot 2; đo phổ hồng ngoại FTIR Bruker Alpha II; đo lực kéo đứt sợi đơn trên IMADA MX-500N và đo kéo mẫu composite theo tiêu chuẩn ASTM D638 loại 1 trên máy SHIMADZU AG-10TG.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 4 công bố và thảo luận toàn diện các kết quả thực nghiệm đạt được:

• Đặc tính sợi lục bình sau xử lý:
  • Ngoại quan và hiệu suất: Sợi sau khi qua xử lý $\text{NaOH}$ và $\text{H}_2\text{O}_2$ chuyển từ màu nâu xơ sang màu trắng sáng, các sợi tơi xốp, không còn kết dính màng sáp hay tạp chất.
  • Hình thái vi cấu trúc (OM): Ảnh kính hiển vi quang học cho thấy các bó sợi thô ban đầu đã được bóc tách thành các sợi đơn đồng đều hơn, đường kính sợi giảm rõ rệt và độ gồ ghề bề mặt tăng lên, tạo điều kiện thuận lợi cho liên kết cơ học với nhựa nền.
  • Phổ hồng ngoại FTIR: Phổ FTIR của sợi sau xử lý ghi nhận sự biến mất hoặc suy giảm mạnh của các đỉnh hấp thụ đặc trưng cho hemicellulose và lignin (liên kết carbonyl $\text{C=O}$ và vòng thơm), chứng minh hiệu quả loại bỏ pha phi cellulose của quá trình xử lý hóa chất.
  • Cơ tính sợi đơn: Độ bền kéo và độ giãn dài của sợi sau xử lý được cải thiện đáng kể so với sợi thô chưa xử lý nhờ sự sắp xếp lại trật tự tinh thể của cellulose.
• Đặc tính vật liệu composite PP/sợi lục bình:
  • Khảo sát hệ 9 mẫu phối trộn chính: M5-3, M5-5, M5-7 (kích thước sợi 5 mm, tỷ lệ 3%, 5%, 7%); M10-3, M10-5, M10-7 (kích thước sợi 10 mm, tỷ lệ 3%, 5%, 7%); M15-3, M15-5, M15-7 (kích thước sợi 15 mm, tỷ lệ 3%, 5%, 7%) và 3 mẫu kiểm chứng đối chứng: M0 (nhựa nền không cốt sợi), MT (composite sợi thô chưa xử lý), MTT (composite sợi đã xử lý hóa học).
  • Cơ tính kéo của composite: Việc bổ sung cốt sợi lục bình đã qua xử lý làm thay đổi rõ rệt độ bền kéo và độ biến dạng khi đứt của vật liệu. Kích thước sợi và tỷ lệ phần trăm khối lượng có mối tương quan phi tuyến đến khả năng chịu lực: sợi có chiều dài và hàm lượng phù hợp giúp cản trở sự phát triển của vết nứt trong nền PP, trong khi hàm lượng quá cao hoặc kích thước sợi không tương thích dễ dẫn đến hiện tượng vón cục, giảm độ bám dính liên diện.
  • Quan sát bề mặt đứt gãy (OM): Ảnh chụp mặt cắt gãy sau thử nghiệm kéo xác nhận cơ chế phá hủy liên diện, hiện tượng rút sợi (pull-out) và độ thấm ướt của nhựa PP lên bề mặt sợi đã qua xử lý hóa chất tốt hơn so với mẫu dùng sợi thô.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

1. Xây dựng quy trình chế tạo sợi lục bình 6 bước: Kết hợp thành công giữa phương pháp tuốt sợi cơ học (năng suất 10 giây/thân) và phương pháp hóa học hai giai đoạn ($\text{NaOH}$ 5% và $\text{H}_2\text{O}_2$ 10% ở 80°C trong 30 phút), giúp loại bỏ hiệu quả lignin, hemicellulose và tạp chất bề mặt, làm tăng độ tinh khiết cellulose và chuyển màu sợi sang trắng sáng.
2. Làm rõ đặc tính hình thái và cấu trúc: Ảnh hiển vi quang học (OM) và phổ FTIR khẳng định cấu trúc vi sợi đơn được giải phóng, đường kính đồng đều hơn, các liên kết không bền bị triệt tiêu, giúp tăng độ nhám bề mặt và nâng cao khả năng tương thích với polymer nền.
3. Xác định ảnh hưởng của kích thước và tỷ lệ cốt sợi đến composite: Đã khảo sát có hệ thống 9 công thức mẫu composite (sợi 5 mm, 10 mm, 15 mm với các tỷ lệ 3%, 5%, 7% khối lượng) và các mẫu đối chứng (M0, MT, MTT) theo chuẩn ASTM D638 loại 1, chứng minh sợi lục bình đã qua xử lý giúp cải thiện cơ tính kéo so với nhựa PP không gia cường và composite sử dụng sợi thô.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

• Ứng dụng quy trình chiết tách sợi lục bình đơn giản vào thực tiễn các địa phương ven sông nhằm giảm chi phí nguyên liệu và giải quyết bài toán bèo lục bình xâm lấn.
• Khuyến nghị sử dụng nhựa PP phế thải từ nguồn đồ dùng một lần làm vật liệu nền cho các sản phẩm composite tiêu dùng, bao bì, tấm ốp kỹ thuật nhẹ thân thiện với môi trường.

Đóng góp của đề tài

• Cung cấp dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về sự kết hợp giữa nhựa PP tái chế từ rác thải sinh hoạt đô thị và sợi lục bình tự nhiên tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long.
• Đề xuất một giải pháp kỹ thuật có tính khả thi cao, quy trình gia công không đòi hỏi thiết bị quá phức tạp, tận dụng nguồn phụ phẩm dồi dào để tạo ra vật liệu composite xanh có khả năng tự phân hủy sinh học cao hơn composite sợi nhân tạo.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo

Dựa trên nội dung khóa luận và nhận xét của hội đồng chuyên môn:

• Hạn chế: Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào khảo sát ngoại quan, quang phổ FTIR, vi cấu trúc quang học và thử nghiệm cơ tính kéo; chưa đi sâu phân tích toàn diện một số tính chất lý hóa khác như phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), độ bền uốn, độ bền va đập và độ hút ẩm dài hạn của vật liệu composite trong môi trường nước.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo:
  • Khảo sát bổ sung các chất trợ tương hợp (coupling agent, ví dụ PP-g-MA) để tăng cường lực liên kết liên diện giữa nền PP kỵ nước và sợi lục bình ưa nước.
  • Mở rộng nghiên cứu quy trình chế tạo sợi và gia công composite trên dây chuyền bán công nghiệp liên tục.
  • Đánh giá khả năng phân hủy sinh học thực tế của sản phẩm composite trong điều kiện chôn lấp tự nhiên.

---

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo chuyên ngành cho:

• Đối tượng hưởng lợi: Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các ngành Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Polymer và Vật liệu Composite.
• Nội dung giá trị nhất: Quy trình 6 bước chiết tách và xử lý sợi lục bình bằng phương pháp cơ - hóa nhiệt dịch đơn giản; phương pháp thiết kế thực nghiệm phối trộn composite theo kích thước và tỷ lệ khối lượng; quy trình gia công ép nhiệt và đánh giá cơ tính kéo theo tiêu chuẩn quốc tế ASTM D638 loại 1.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn nguyên liệu thân lục bình và rác thải nhựa PP trong nghiên cứu được thu gom từ đâu?
Thân cây lục bình tươi được thu hái tại sông địa phương thuộc huyện Gò Công Đông, tỉnh Tiền Giang (chọn thân tươi dài $\le 50\text{ cm}$). Rác thải nhựa polypropylene (PP) được thu gom từ nguồn cốc/ly nhựa dùng một lần tại khu vực Làng Đại học Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh.

2. Quy trình xử lý hóa học sợi lục bình gồm những thông số kỹ thuật nào?
Quy trình gồm 2 giai đoạn: (1) Xử lý kiềm bằng cách ngâm 100g sợi khô vào 2L dung dịch $\text{NaOH}$ 5% ở nhiệt độ 80°C trong 30 phút rồi rửa đến pH trung tính; (2) Tẩy trắng khử màu bằng cách ngâm tiếp vào 2L dung dịch $\text{H}_2\text{O}_2$ 10% ở 80°C trong 30 phút rồi xả nước đến pH trung tính và phơi khô.

3. Khóa luận sử dụng các thiết bị và tiêu chuẩn nào để kiểm tra cơ tính của sợi và composite?

• Đo cơ tính sợi đơn: Sử dụng máy đo kéo IMADA MX-500N.
• Đo cơ tính kéo của tấm composite: Sử dụng máy đo kéo nén vạn năng SHIMADZU AG-10TG, mẫu thử được gia công và kiểm tra theo tiêu chuẩn ASTM D638 loại 1.

4. Ký hiệu các mẫu composite khảo sát trong khóa luận có ý nghĩa gì?
Các mẫu khảo sát được ký hiệu theo quy tắc M[kích thước]-[tỷ lệ]:

• Nhóm sợi dài 5 mm: M5-3 (3% sợi), M5-5 (5% sợi), M5-7 (7% sợi).
• Nhóm sợi dài 10 mm: M10-3 (3% sợi), M10-5 (5% sợi), M10-7 (7% sợi).
• Nhóm sợi dài 15 mm: M15-3 (3% sợi), M15-5 (5% sợi), M15-7 (7% sợi).
• Mẫu đối chứng: M0 (100% nhựa PP không sợi), MT (composite sợi thô chưa xử lý), MTT (composite sợi đã xử lý hóa chất).

5. Việc xử lý sợi lục bình bằng $\text{NaOH}$ và $\text{H}_2\text{O}_2$ mang lại tác dụng chính gì?
Quá trình xử lý giúp hòa tan và loại bỏ phần lớn lignin, hemicellulose, sáp và tạp chất bám trên bề mặt sợi, giải phóng các vi sợi cellulose, làm tăng độ nhám bề mặt, cải thiện độ bền kéo của sợi đơn và tăng cường khả năng bám dính cơ học giữa sợi gia cường với nhựa nền PP.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Nhật Huy đã thực hiện thành công quy trình chiết tách sợi từ cây lục bình kết hợp xử lý hóa chất hai giai đoạn ($\text{NaOH}$ và $\text{H}_2\text{O}_2$) nhằm ứng dụng gia cường cho nhựa polypropylene tái chế. Các kết quả phân tích vi cấu trúc qua kính hiển vi quang học, quang phổ hồng ngoại FTIR và thử nghiệm cơ lý theo tiêu chuẩn ASTM D638 đã chứng minh tính hiệu quả của sợi lục bình đã qua xử lý trong việc cải thiện đặc tính của composite. Đề tài mở ra hướng tiếp cận thiết thực trong việc tái chế rác thải nhựa sinh hoạt kết hợp tận dụng sinh khối thực vật xâm lấn để phát triển vật liệu composite sinh học thân thiện với môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.