CHƯƠNG 1. Lý do chọn đề tài Polymer đã trở thành một trong những vật liệu quan trọng nhất trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, hàng triệu tấn nhựa được sản xuất hàng năm trên toàn thế giới. Việc sản xuất và tiêu thụ nhựa, đặc biệt từ các mặt hàng bao bì thực phẩm tiếp tục tăng, sự gia tăng này đã tạo ra các vấn đề môi trường nghiêm trọng do các vật liệu không có khả năng phân hủy sinh học (Debeaufort, Quezada Gallo, & Voilley, 1998). Với các quy định môi trường chặt chẽ hơn và tăng chi phí xử lý chất thải, các nhà sản xuất nhựa buộc phải tìm kiếm giải pháp thay thế.
Polymer tái chế là một giải pháp thực sự tối ưu đối với môi trường nhưng chưa thành công ở quy mô toàn cầu, ước tính chỉ có 1% nhựa sản xuất được tái chế trên toàn thế giới, trong khi phần còn lại thải ra môi trường bên ngoài mà không được phân huỷ do chúng có nguồn gốc từ dầu mỏ. Mỗi năm chúng ta thải ra 2,12 tỷ tấn rác. Lượng chất thải nhiều đến vậy là do việc sử dụng các sản phẩm nhựa và thải ra trong vòng 6 tháng mà chúng không bị phân huỷ (theo The World Counts, 2019). Với mối quan tâm ngày càng gia tăng về vấn đề ô nhiễm môi trường, nhiều nỗ lực nghiên cứu đã được thực hiện, nhằm tạo ra các vật liệu thân thiện với môi trường chắc chắn sẽ chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng.
Trong các vấn đề nghiên cứu nói trên polymer phân huỷ sinh học (Biopolymer) có nguồn gốc từ thiên nhiên, đã thu hút rất nhiều sự chú ý trong những năm gần đây. Polymer phân huỷ sinh học có tiềm năng thay thế cho polymer truyền thống nhờ chi phí thấp và sẵn có dễ dàng từ các tài nguyên có thể tái tạo và khả năng phân hủy sinh học (Janjarasskul & Krochta, 2010). Một số nghiên cứu về kết hợp polymer với tinh bột từ các nguồn thực vật khác nhau đã được thực hiện. Sử dụng các loại polymer phân huỷ sinh học không chỉ làm giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ mà còn giảm chất thải nhựa ra môi trường.
Tuy nhiên, polymer phân huy sinh học từ tinh bột không thể cạnh tranh với nhựa có nguồn gốc từ dầu mỏ vì tính chất cơ học kém. Được biết polymer có nguồn gốc tinh bột phải được kết hợp với polyme tổng hợp khác để sản xuất vì tinh bột tính giòn và ưa nước. Trang 1 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hầu hết các nghiên cứu về tinh bột và nhựa tổng hợp chủ yếu tập trung vào các loại polymer phổ biến hiện này là PE (Polyethylene). Tuy nhiên, PE và tinh bột không thể tổng hợp được vì sự khác biệt của chúng trong phân cực; đó là tinh bột ưa nước trong khi PE là kỵ nước.
Vì thế, để khắc phục những nhược điểm này thì polymer có nguồn gốc từ bã mía có tiềm năng rất lớn trong công nghiệp phát triển các loại bao bì từ PE thân thiện với môi trường. Đối với những sản phẩm nhựa truyền thống có thể mất 500 – 1000 để phân hủy còn đối với những sản phẩm được làm từ bã mía thì chỉ mất từ 15 – 30 ngày để phân hủy hoàn toàn. Sản xuất các loại bao bì PE từ bã mía thực sự làm giảm sự ô nhiễm không khí, thân thiện với môi trường. Đây là một giải pháp hiệu quả giúp thay thế các sản phẩm từ nhựa truyền thống và các sản phẩm giấy từ bột giấy thông thường.
Từ những phân tích trên, nhóm nghiên cứu chọn đề tài “Nghiên cứu tính chất của polyethylene (PE) nhằm ứng dụng trong sản xuất bao bì mềm” làm đồ án tốt nghiệp của mình. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu 1. Mục tiêu nghiên cứu • Nghiên cứu về PE “xanh” và quá trình sản xuất. • Công nghệ sản xuất bao bì đa lớp.
• Các lớp cấu thành hộp sữa và phương pháp ghép màng. • Các lỗi trong quá trình sản xuất của công nghệ này và cách khắc phục. Đối tượng nghiên cứu • Quy trình sản xuất từ bã mía thành PE “xanh”. • Nguyên vật liệu sử dụng: PE, mực in.
• Cấu trúc bao bì hộp sữa PE ”xanh”. • Công nghệ in. Giới hạn đề tài • Đề tài được giới hạn trong các công nghệ in phù hợp với đặc tính của vật liệu bao bì sữa. Trang 2 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP • Đề tài này chỉ đề cập đến bao bì sữa (bao bì sử dụng PE).
• Tập trung vật liệu in và công nghệ in vào bao bì. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu • Nghiên cứu lý thuyết về vật liệu polyethylene phân huỷ sinh học. • Ứng dụng vật liệu polyethylene phân huỷ sinh học bao bì mềm Nhóm nghiên cứu dựa vào các tài liệu có sẵn từ trong và ngoài nước. Trong quá trình nghiên cứu có tham khảo ý kiến của những giảng viên có kiến thức hay chuyên môn trong lĩnh vực nghiên cứu.
Trang 3 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ POLYETHYLENE PHÂN HỦY SINH HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT BAO BÌ MỀM 2. Tổng quan công nghệ “xanh” 2. Tổng quan về polyethylene Polyethylen là một loại nhựa nhiệt dẻo, màu trắng, hơi trong không dẫn điện, không dẫn nhiệt cũng như không cho không khí và nước thấm qua.
Hợp chất hữu cơ Polyetylen gồm nhiều nhóm etylen CH2-CH2 liên kết với nhau bằng các liên kết no (hình 2.1), được điều chế bằng phản ứng trùng hợp monome etylen (C2H4).1: Cấu trúc PE Phân tử PE có cấu trúc mạch thẳng, ngoài ra nó cũng có mạch nhánh tùy thuộc vào loại PE (hình 2. Khi các mạch nhánh này càng nhiều và càng dài thì độ kết tinh càng kém. Những phần sắp xếp không trật tự trong PE sẽ nằm ở vùng vô định hình. Các mắt xích của PE rất ngắn, cỡ khoảng 2,33Å nên PE có khả năng kết tinh nhanh.
Ở điều kiện nhiệt độ thường, độ kết tinh của PE ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất của PE như: tỷ trọng, độ cứng, mođun đàn hồi, độ bền kéo đứt, độ trương và khả năng hòa tan trong các dung môi hữu cơ. Dựa vào trọng lượng phân tử, tỷ trọng, độ kết tinh và cấu trúc, PE được phân loại như sau: PE tỷ trọng thấp (LDPE), PE tỷ trọng thấp mạch thẳng (LLDPE), PE tỷ trọng cao (HDPE), ngoài ra còn một số loại PE khác với công nghệ sản xuất phức tạp hơn và ít thông dụng hơn như: PE tỷ trọng rất thấp (VLDPE), PE tỷ trọng trung bình (MDPE), PE trọng lượng phân tử siêu cao (UHMWPE). Trong đó LDPE và HDPE được ứng dụng để sản xuất bao bì nhiều lớp. Trang 4 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.2: Hình ảnh minh hoạ phân tử của các loại PE 2.
Tính chất và ứng dụng PE Polyetylen là polyme không bị hoà tan trong bất cứ loại dung môi nào ở nhiệt độ thường. Tuy nhiên khi ngâm trong các hydrocarbon thơm, hydrocarbon clo hoá, dầu khoáng và parafin trong một thời gian dài thì PE bị trương lên và giảm độ bền cơ học. Ở nhiệt độ trên 70oC, PE tan một phần trong một số dung môi như xylen, decalin,… Tính chất cơ học của PE phụ thuộc vào trọng lượng phân tử và độ kết tinh của nó. Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ cũng làm thay đổi một số tính chất cơ lý của sản phẩm như: kích thước và độ cứng.
PE cũng rất nhạy cảm với bức xạ tử ngoại. Hiện tượng này chính là sự phân huỷ quang PE. Tương tự như parafin, PE bắt cháy chậm, cháy không khói. Trong môi trường không có oxy, PE bền tới 2900C.
Ở nhiệt độ khoảng 290 ÷ 3500C PE bị phân huỷ thành sản phẩm phân tử khối nhỏ, bề ngoài tương tự như sáp. Ở nhiệt độ trên 3500C sản phẩm phân huỷ là polyme dạng lỏng và các sản phẩm khác như: buten, etylen, etan, hydro, oxit carbon, khí carbonnic và các chất khác. PE có năng lượng bề mặt thấp nên không thấm nước và các dung môi phân cực. Độ bám dính và khả năng hấp phụ của PE thấp, chính vì vậy, PE khó nhuộm mầu, khó kết dính bằng các chất kết dính phân cực.
HDPE trong suốt nhưng mức độ mờ đục cao hơn LDPE, độ bền cơ học, sức bền kéo và sức bền xé đều tương đối cao. Từ các ưu điểm như trên, HDPE có chức năng bảo vệ các lớp bên trong. LDPE có mật độ thấp nên các tính chất của nó yếu hơn HDPE nhưng khả năng kháng hoá chất cao hơn. Đặc trưng của LDPE thể hiện ở tính kháng hoá tốt, không phản ứng với các axit loãng, bazo cũng như este.
Phản ứng tương đối, đối với các hydro cacbon có nhiều chất béo, dầu khoáng, các chất oxy hoá. Vì tính kháng hoá Trang 5 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP cao, chịu được các tác nhân hoá học cho nên LDPE được dùng để làm lớp tiếp xúc với thực phẩm có nhiều chất oxy hoá và chất béo như sữa, nước trái cây,… Bảng 2.1: Tính chất LDPE và HDPE STT Nhựa Đặc tính Ứng dụng PE - d = 0,915 – 0,935 g/cm3 - Cán màng - Tm: 105 – 1100C - Các loại túi và lớp lót khi - Mạch hỗn độn chứa cả nhánh không yêu cầu độ bền, bao bì 1 LDPE ngắn và dài thực phẩm, màng co. - Có độ bền cao khi nóng chảy - Có độ trong cao, mềm dẻo - d= 0.97 g/cm3 - Túi siêu thị, túi đựng hàng tạp - Tm: 130 – 1350C phẩm, lớp lót đựng ngũ cốc. - Có ít hoặc không phân nhánh - Ống dẫn - Độ bền cơ học cao, độ cứng - Đồ đựng được cao - Chai đựng được đúc thổi: chai, 2 HDPE - Có khả năng chịu nứt ứng suất thùng, lọ đựng chất tẩy rửa, thực tốt, chống thẩm thấu hơi tốt phẩm, hóa mỹ phẩm.
- Có khả năng chịu được va đập ở nhiệt độ thấp tốt hơn so với các loại vật liệu cứng khác - Màu trắng đục 2. Tác động đối với môi trường Sử dụng bao bì PE tuy tiện lợi nhưng cũng là tác nhân gây ô nhiễm môi trường vì: • Phân huỷ chậm có thể là không phân huỷ được • Rác thải từ PE làm ảnh hưởng đến các vi sinh vật biển. Trang 6 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP • Làm ùng tắc các rãnh lưu thông nước, rác thải PE trong đất khiến oxy khó xâm nhập vào làm cây trồng phát triển chậm. • Không thể tái chế • Ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người.
Không những thế quá trình sản xuất PE cũng ảnh hưởng rất nhiều đến hệ sinh thái. Dầu thô là nguyên liệu chính để sản xuất polyethylen.