Đặt vấn đề Hiện nay lượng tiêu thụ vật liệu từ nhựa tiếp tục tăng gần 100 triệu tấn một ngày. Trong đó ước tính khoảng 56% vật liệu nhựa thải ra dùng trong bao bì. Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Một trong những giải pháp cho vấn đề này là sử dụng bao bì có khả năng phân huỷ sinh học từ composite thân thiện môi trường [1].1: Tình hình sử dụng và vứt bao bì hiện nay Các sợi như sợi carbon, sợi aramid, sợi thuỷ tinh,… được sử dụng phổ biến để chế tạo ra composite có độ bền kéo cao.
Những composite cao cấp này đã tạo bước tiến mới trong lĩnh vực vật liệu, cung cấp một loại vật liệu vừa rất bền vừa nhẹ thay thế cho kim loại sử dụng trong nhiều năm qua. Nhìn chung, các composite cao cấp này có các ứng dụng trong hàng không ví dụ ứng dụng trong máy bay chiến đấu để làm máy bay nhẹ hơn và nhanh hơn, công nghệ composite hiện nay rất phổ biến và có thể được tìm thấy từ trong vi mạch điện tử đến các dụng cụ thể thao, từ các bộ phận xe máy đến các phần trong tàu vũ trụ. Những composite cao cấp này cũng được ứng dụng trong kĩ thuật xây dựng như cầu cống. Trong khi composite cho những tính chất cơ lý rất tốt và độ bền cao thì hầu hết các sợi thương mại và nhựa đều xuất phát từ dầu mỏ.
Có hai vấn đề chính liên quan đến dầu mỏ. Thứ nhất dầu mỏ là mặt hàng không thể tái tạo, với tốc độ tiêu thụ hiện tại thì người ta dự đoán rằng dầu mỏ chỉ còn đủ sử dụng trong khoảng 50 năm nữa bởi một ước tính là tốc độ tiêu thụ gấp khoảng 100,000 lần tốc độ trái đất GVHD: TS. Nguyễn Thị Lê Thanh Page 1 Đề tài: Khảo sát sự tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối tạo ra dầu mỏ. Và khi lượng dầu mỏ ít lại thì giá cả sẽ tăng lên.
Hiện tai chúng ta cũng đã chứng kiến các cuộc tăng giá của xăng dầu. Thứ hai là chủ yếu các composite được chế tạo từ dầu mỏ thì không phân huỷ được dưới điều kiện môi trường bình thường. Những composite chế tạo từ nhựa nhiệt rắn như epoxy, polyuretan,… thì không thể tái chế và tái sử dụng. Trong khi đó chỉ có một phần nhỏ composite bị nghiền thành bột sau đó đốt thành tro để sử dụng năng lượng nhiệt, cuối cùng tro này cũng được thải ra bãi rác và cũng sẽ làm đầy các bãi rác.
Trong những điều kiện hiếm khí trong bãi rác thì các đóng tro này cũng không phân huỷ trong vài chục năm thậm chí vài trăm năm, điều này làm cho đất không sử dụng được. Trong khi đó, việc đốt composite cháy thành tro cũng tạo ra lượng lớn các khí độc đòi hỏi thiết bị lọc khí đắt tiền. Cả bãi rác và việc đốt composite thành tro ngoài việc tốn tiến còn làm ô nhiễm đến môi trường. Vì vậy, số lượng đáng kể các nghiên cứu được thực hiện để tăng sự thân thiện môi trường, tạo polymer hoàn toàn thân thiện với môi trường, tạo nhựa và composite không có nguồn gốc từ dầu mỏ mà từ nguồn gốc có thể tái tạo được như cây cối.
Những vật liệu xanh từ cây cối có thể phân huỷ sinh học vì vậy những vật liệu này dễ dàng bỏ đi mà không làm hại đến môi trường. Các sợi như sợi đay, sợi lanh, sợi gai dầu, sợi tre, … đã từng được dùng chủ yếu làm quần áo trong các thế kỉ qua. Các sợi này không những có khả năng bảo tồn mà còn được tái tạo hàng năm. Bởi vì sợi tự nhiên có tính chất cơ lý trung bình nên có nhiều nghiên cứu tạo composite dùng sợi tự nhiên gia cường cho nền nhựa dùng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Composite hoàn toàn thân thiện với môi trường là composite sử dụng sợi tự nhiên và nhựa sinh học như tinh bột biến tính và protein. Vì tính chất cơ lý các sợi này thấp hơn sợi carbon, sợi aramid, … nên các composite từ sợi này có tính chất cơ lý thấp. Kết quả là các composite này thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tính chất cơ lý cao như bao bì, pano trong nhà hay trong xe ôto, đồ đạc trong nhà, …Tuy nhiên, những ứng dụng này chiếm thị trường lớn và nếu các composite được dùng trong nhiều ứng dụng thì sẽ giảm được tiêu thụ polymer hay chất dẻo từ dầu mỏ một cách đáng kể. Để góp phẩn bảo vệ môi trường tôi chọn đề tài chế tạo màng composite từ tinh bột và sợi tự nhiên ứng dụng làm bao bì.
Với điều kiện khí hậu Việt Nam, cây chuối được trồng phổ GVHD: TS. Nguyễn Thị Lê Thanh Page 2 Đề tài: Khảo sát sự tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối biến và phát triển nhiều nơi trên toàn quốc. Vào mùa mưa bão thì trái chuối xanh bị rụng và bị bỏ đi. Ở Việt Nam cũng như một số nước khác trên thế giới, thân chuối bị bỏ đi sau khi thu hoạch.
Hiện nay, một công ty ở Úc đã phát triển được công nghệ sản xuất giấy từ sợi chuối, giấy làm từ sợi thân chuối có khả năng chống thấm nước, và bền gấp 3000 lần so với giấy làm từ bột gỗ. Vì vậy, dựa vào tính phổ biến của cây chuối, nguồn nguyên liệu rẻ, tận dụng phế phẩm sau thu hoạch, tính chất sợi chuối không thua kém các sợi tự nhiên khác tôi chọn tinh bột là tinh bột chuối và sợi tự nhiên là sợi từ thân cây chuối.Tình hình chế tạo màng có khả năng phân huỷ sinh học trong và ngoài nước Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu chế màng sinh học cả trong và ngoài nước để góp phần bảo vệ môi trường sinh thái như sau: 9 Tình hình trong nước -Tác giả Trương Thị Minh Hạnh, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng (năm 2008) đã nghiên cứu chế tạo màng tinh bột sắn nồng độ 10.9% có sử dụng chất hóa dẻo PEG 0.35% đạt độ bền kéo là 1. Màng tạo thành có độ bền kéo rất thấp thích hợp cho ứng dụng làm màng bọc thực phẩm. -PGS-TS Trương Vĩnh, Đại học Nông Lâm-TPHCM đã nghiên cứu thành công màng sinh học từ bột khoai mì kết hợp với glycerol ứng dụng làm túi đựng các thực phẩm khô (năm 2007).
Màng có độ bền cao có thể chế tạo thành chiếc túi kích thước 9cm x 19cm chứa được vật nặng từ 0.5-1 kg, phân hủy hoàn toàn trong 60 ngày khi chôn dưới đất và phân huỷ sau vài ngày khi ngâm trong nước. Nhưng túi này chỉ thích hợp đựng thực phẩm khô vì khả năng hút ẩm của tinh bột cao. 9 Tình hình ngoài nước -Tác giả Natcharee Pitak từ Thái Lan (năm 2011) đã nghiên cứu chế tạo màng composite sinh học nền tinh bột chuối và chitosan kháng khuẩn với tỉ lệ 2:0.5 có độ bền kéo là 14.22MPa, độ dãn dài là 2. Màng có tính kháng khuẩn.
Nhưng giá thành cao, độ bền kéo và độ dãn dài còn thấp thích hợp cho chứa thực phẩm khô. Nguyễn Thị Lê Thanh Page 3 Đề tài: Khảo sát sự tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối -Tác giả Amanda từ Brazil (năm 2011) đã nghiên cứu chế tạo màng composite sinh học từ bột gạo 5% (w/w) và sợi cellulose từ cây bạch đàng sử dụng 30% so với khối lượng tinh bột khô, 20% chất hóa dẻo glycerol 17]. Màng có độ bền kéo là 20.64MPa, độ dãn dải là 4. So với màng bao bì LDPE thương mại thì màng này có độ bền kéo trung bình, độ dãn dài thấp, tỉ trọng cao hơn một ít vì vậy thích hợp trong ứng dụng màng bao bì chứa thực phẩm khô.
-Tác giả Susana từ Bồ Đào Nha (năm 2010) đã nghiên cứu chế tạo màng composite sinh học nền chitosan 1. Màng có tính kháng khuẩn, độ bền kéo cao thích hợp cho ứng dụng làm bao bì thực phẩm nhưng giá thành cao do chitosan và sợi cellulose kích thước nano được chế tạo khá phức tạp. Các nhà khoa học đã sử dụng nhiều loại polymer nền kết hợp với nhiều loại sợi gia cường, từ việc sử dụng sợi tự nhiên thay thế cho các sợi nhân tạo trên nền polymer có nguồn gốc từ dầu mỏ khó phân hủy đến việc chỉ sử dụng các polymer nền tự nhiên, và hiện tại là sử dụng polymer nền tự nhiên kết hợp với gia cường sợi tự nhiên. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào chế tạo màng phân hủy sinh học kết hợp từ polymer nền là tinh bột chuối và polymer gia cường là sợi chuối mà chỉ có một số nghiên cứu riêng lẻ ứng dụng tinh bột chuối hay sợi chuối.
Vì vậy, tôi chọn tinh bột chuối và sợi chuối cho nghiên cứu này để tạo màng composite ứng dụng làm bao bì thực phẩm có giá thành rẻ, phân hủy sinh học nhanh, góp phần khai thác thêm ứng dụng của nguyên liệu tự nhiên trong lĩnh vực bao gói.Vật liệu composite 1.Khái niệm Vật liệu composite là loại vật liệu được tổ hợp ít nhất từ hai loại vật liệu khác nhau và phải có sự tương tác chặt chẽ giữa các thành phần với nhau. Vật liệu tạo thành phải có tính năng vượt trội hơn các thành phần hợp thành.Phân loại Composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần. Nguyễn Thị Lê Thanh Page 4 Đề tài: Khảo sát sự tạo màng composite sinh học từ tinh bột chuối - sợi chuối -Theo hình dạng: sợi, hạt -Theo bản chất, thành phần: nền hữu cơ, nền kim loại, nền khoáng.Cấu tạo *Polymer nền: -Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu. -Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục.
-Các loại nền nhựa: nhiệt dẻo và nhiệt rắn. *Chất độn (cốt): Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thông thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa. - Sợi khoáng chất: sợi thuỷ tinh, sợi carbon, sợi gốm, … - Sợi có nguồn gốc từ thiên nhiên: sợi đay, sợi gai, sợi dứa,… - Sợi nhựa tổng hợp: sợi polyester, sợi polyamid 1. Lý thuyết về kết dính giữa nền và sợi Phân tích các liên kết dựa trên cơ sở kết dính, người ta nhận thấy giữa bề mặt nhựa và sợi có những liên kết sau: *Liên kết vật lý: -Liên kết nhờ hấp phụ và thấm ướt: bề mặt sợi luôn tồn tại các mao quản rỗng, số lượng và kích thước mao quản tuỳ thuộc vào bản chất và cách chế tạo sợi.
Nhựa ở dạng lỏng thấm ướt qua bề mặt của sợi bằng lực vật lý ứng với năng lượng liên kết bề mặt.