Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm rác thải nhựa đang là thách thức sinh thái nghiêm trọng khi mỗi năm toàn cầu phát sinh khoảng 300 triệu tấn chất thải nhựa khó phân hủy. Tại Việt Nam, lượng rác thải nhựa xả ra môi trường biển ước tính lên tới 730.000 tấn mỗi năm, xếp thứ 4 trên thế giới. Trước thực trạng các bãi rác chôn lấp quá tải và vi nhựa xâm nhập sâu vào chuỗi thức ăn, xu hướng phát triển polyme phân hủy sinh học như poly(lactic axit) (PLA) từ tinh bột lên men trở thành định hướng tất yếu. Tuy nhiên, giá thành thương mại của nhựa PLA còn ở mức cao từ 2,0 đến 3,2 USD/kg, đi kèm nhược điểm cơ lý như độ giòn lớn và độ dãn dài khi đứt chỉ đạt khoảng 5% đến 7%. Song song với đó, các nhà máy phân lân trong nước như DAP Đình Vũ tại Hải Phòng thải ra hàng triệu tấn thạch cao phế thải (phosphogypsum) chứa 75% canxi sulfat ngậm nước cùng nồng độ axit cao với độ pH từ 1,2 đến 2,5, tạo áp lực lớn lên môi trường đất và nguồn nước.

Nghiên cứu được triển khai tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam nhằm mục tiêu chế tạo vật liệu compozit thân thiện môi trường trên cơ sở nhựa nền PLA gia cường bằng thạch cao phế thải biến tính bề mặt. Đề tài tập trung tối ưu hóa các thông số công nghệ gia công nóng chảy, đánh giá chi tiết cấu trúc vi mô và cơ lý tính của vật liệu. Kết quả nghiên cứu mở ra giải pháp tuần hoàn chất thải công nghiệp hiệu quả, giảm 20% đến 25% tỷ lệ nhựa nền nguyên sinh đắt tiền mà vẫn duy trì độ bền kéo trên 30,1 MPa và mô đun đàn hồi đạt 2442 MPa, góp phần thúc đẩy kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu phát thải rác thải nhựa tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết vật liệu compozit nhiều pha kết hợp với lý thuyết tương tác bề mặt liên pha vô cơ - hữu cơ. Trong hệ compozit polyme nền nhiệt dẻo, pha liên tục PLA giữ vai trò liên kết và truyền ứng suất, trong khi pha phân tán là các hạt canxi sulfat vô cơ đóng vai trò chịu tải và cản trở sự lan truyền vết nứt. Để khắc phục sự không tương thích giữa bề mặt phân cực ưa nước của thạch cao tự nhiên và mạch polyme kỵ nước của PLA, lý thuyết biến tính hóa học bề mặt bằng chất hoạt động bề mặt đa chức năng được áp dụng. Tác nhân ethylene bis stearamide (EBS) có công thức C38H76N2O2 với nhiệt độ nóng chảy từ 140 °C đến 150 °C được lựa chọn nhờ cấu trúc mạch béo kỵ nước dài mềm dẻo kết hợp với nhóm amit phân cực, tạo liên kết hydro bền vững với nhóm hydroxyl trên bề mặt hạt thạch cao và tương hợp chặt chẽ với pha nền PLA thương mại mã 2002D có khối lượng phân tử 110 kDa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu sử dụng gồm nhựa PLA thương mại 2002D có khối lượng riêng 1,24 g/cm3, thạch cao phế thải từ nhà máy DAP Đình Vũ đã qua tiền xử lý, chất trợ phân tán EBS và dung môi cồn 99,5%. Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết kế thành 11 hệ mẫu với dải hàm lượng hạt độn từ 0%, 5%, 10%, 15%, 20% đến 25% theo khối lượng, phân thành hai nhóm gồm thạch cao chưa biến tính và thạch cao biến tính với 4% EBS. Phương pháp gia công phối trộn nóng chảy được thực hiện trên thiết bị trộn nội kín Haake Rheomix 610 ở nhiệt độ 190 °C, tốc độ trục quay 50 vòng/phút trong 5 phút nhằm đảm bảo hệ số điền đầy buồng trộn 0,75, sau đó ép tấm trên máy ép thủy lực Tokyoseiki ở 200 °C dưới áp suất 20 MPa trong 3 phút.

Phương pháp phân tích được lựa chọn theo các tiêu chuẩn quốc tế nghiêm ngặt: phổ hồng ngoại biến đổi Fourier Nicolet iS10 quét 16 lần từ 4000 cm-1 đến 400 cm-1 để kiểm tra liên kết hóa học; máy kéo nén đa năng Zwick Z2.5 đo độ bền kéo theo chuẩn ASTM DIN 53503 với tốc độ kéo 50 mm/phút (lặp lại 5 lần lấy giá trị trung bình); máy đo va đập Testresources xác định độ bền va đập Izod theo chuẩn ASTM D256 (3 lần lặp lại); phân tích nhiệt trọng lượng TGA từ 25 °C đến 950 °C với tốc độ gia nhiệt 10 °C/phút trong môi trường khí nitơ; và kính hiển vi điện tử quét SEM Jeol JSM-6510LV chụp hình thái bề mặt đứt gãy trong nitơ lỏng sau khi phủ lớp bạch kim.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát điều kiện gia công đã xác định thông số tối ưu tại nhiệt độ 190 °C, tốc độ trục vít 50 vòng/phút và thời gian trộn 5 phút. Tại chế độ này, mẫu compozit chứa 20% thạch cao đạt độ bền kéo đứt 30,1 MPa, mô đun đàn hồi 2442 MPa và độ bền va đập 3,1 kJ/m2, vượt trội so với khi gia công ở 180 °C (26,2 MPa) hoặc 200 °C (24,0 MPa) do PLA bắt đầu bị suy giảm nhiệt.

Khi tăng hàm lượng thạch cao chưa biến tính từ 0% lên 25% khối lượng, độ bền kéo của compozit giảm mạnh từ 57,5 MPa xuống 27,1 MPa (giảm 52,87%), độ dãn dài khi đứt giảm từ 2,1% xuống 1,6%, và mô đun Young giảm từ 3059 MPa xuống 2034 MPa do hiện tượng tách pha và tập trung ứng suất tại các hạt vô cơ. Ngược lại, khi biến tính thạch cao với 4% EBS, phổ FT-IR ghi nhận sự xuất hiện rõ nét của dao động hóa trị N-H tại số sóng 3303 cm-1, dao động C-H đối xứng tại 2918 cm-1 và 2850 cm-1, cùng sự dịch chuyển píc biến dạng của nước kết tinh từ 1620 cm-1 lên 1625 cm-1, chứng minh liên kết hydro chặt chẽ giữa EBS và thạch cao. Nhờ đó, mẫu PLA biến tính cải thiện rõ rệt độ bền uốn, khả năng chịu va đập và độ ổn định nhiệt trên giản đồ TGA.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm cơ tính ở hệ thạch cao chưa biến tính bắt nguồn từ kích thước hạt thạch cao thô không đồng đều, dễ vón cục tạo thành các siêu hạt kích thước trên 5 µm làm suy yếu cấu trúc nền polyme. Khi có mặt của tác nhân EBS, mạch béo dài đóng vai trò chất bôi trơn nội và ngoại, giảm ma sát dòng chảy và hạ thấp mô men xoắn cân bằng trong quá trình trộn nóng chảy từ 48 N.m xuống mức ổn định hơn. Ảnh SEM bề mặt đứt gãy cho thấy hạt thạch cao biến tính phân tán đồng đều ở kích thước sub-micron, không còn lỗ xốp tách pha giữa hạt và nền PLA.

Dữ liệu lưu biến nóng chảy và cơ tính có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường mô men xoắn theo thời gian và biểu đồ cột so sánh độ bền kéo, độ bền uốn giữa hai hệ vật liệu biến tính và không biến tính ở các dải hàm lượng 5% đến 25%. Đồng thời, thử nghiệm ban đầu về khả năng phân hủy sinh học với chủng vi khuẩn khử sulfat KSF Desulfovibrio oryzae M10 sau 14 ngày đã chứng minh các liên kết canxi sulfat bị vi sinh vật xâm thực mạnh mẽ, tạo tiền đề nâng cao tốc độ tự phân hủy của vật liệu compozit sau khi thải bỏ ra môi trường tự nhiên.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Chuẩn hóa quy trình tiền xử lý thạch cao phế thải công nghiệp: Các nhà máy sản xuất phân bón DAP Đình Vũ và các viện nghiên cứu vật liệu cần phối hợp xây dựng hệ thống rửa lọc và trung hòa axit dư thừa, hạ nồng độ tạp chất P2O5 từ mức 8.250 mg/l và nâng độ pH lên ngưỡng an toàn từ 6,5 đến 7,0 trước quý IV/2026 nhằm cung cấp nguồn nguyên liệu bột độn ổn định đạt độ tinh khiết canxi sulfat trên 90%.
  2. Triển khai ứng dụng công nghệ biến tính bề mặt với 4% EBS ở quy mô pilot: Doanh nghiệp sản xuất hạt nhựa compozit cần áp dụng kỹ thuật phối trộn nhiệt ẩm kết hợp chất trợ tương hợp EBS với liều lượng cố định 4% so với khối lượng thạch cao nhằm duy trì độ bền kéo thành phẩm trên 32 MPa và tối ưu hóa chi phí sản xuất trong giai đoạn 2026-2027.
  3. Đầu tư dây chuyền đùn ép trục vít đôi liên tục: Các đơn vị gia công cơ khí nhựa nhiệt dẻo cần thiết lập hệ thống kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt ở mức 190 °C và áp suất ép 20 MPa, đảm bảo thời gian lưu vật liệu trong buồng đùn dưới 5 phút nhằm triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ phân hủy nhiệt của nhựa nền PLA sinh học.
  4. Mở rộng thử nghiệm phân hủy sinh học và đánh giá vòng đời sản phẩm: Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng các cơ sở nghiên cứu cần tiến hành thử nghiệm chôn lấp thực tế tại hiện trường trong thời gian từ 90 đến 180 ngày kết hợp chủng vi khuẩn KSF Desulfovibrio oryzae M10 để cấp chứng nhận nhãn sinh học cho các sản phẩm compozit xanh trước năm 2028.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Hóa Polyme, Khoa học Vật liệu: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn mực về quy trình biến tính bề mặt hạt khoáng vô cơ bằng hợp chất phân tử đa cực EBS, phương pháp phân tích lưu biến nóng chảy và giải phổ hồng ngoại FT-IR chuyên sâu.
  2. Kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp bao bì và đồ gia dụng tự hủy: Nắm bắt quy trình công nghệ chế tạo hạt nhựa compozit PLA/CaSO4 với tỷ lệ độn lên đến 20% khối lượng, giúp hạ giá thành sản phẩm từ 15% đến 20% mà vẫn đáp ứng tiêu chuẩn cơ lý cho bao bì màng mỏng, khay hộp thực phẩm.
  3. Đơn vị quản lý môi trường và doanh nghiệp hóa chất phân bón: Tìm kiếm giải pháp công nghệ tuần hoàn chất thải rắn, tái chế hàng trăm nghìn tấn bã thải thạch cao tồn đọng tại bãi chứa công nghiệp thành sản phẩm gia cường có giá trị thương mại cao.
  4. Cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức tiêu chuẩn chất lượng: Tham khảo số liệu kiểm định thực tế về độ bền va đập, nhiệt phân TGA và cơ chế phân hủy sinh học để xây dựng bộ tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia cho vật liệu compozit nguồn gốc sinh học tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần phải biến tính thạch cao phế thải bằng EBS trước khi phối trộn với PLA? Thạch cao phế thải có bản chất vô cơ ưa nước với các cụm hạt lớn, không tương thích với nhựa nền PLA kỵ nước. Xử lý với 4% EBS giúp các nhóm amit tạo liên kết hydro với nước kết tinh của thạch cao, đưa các mạch béo dài ra ngoài để tăng độ phân tán và triệt tiêu hiện tượng vón cục.

Nhiệt độ gia công 190 °C ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng vật liệu compozit? Tại 190 °C, nhựa PLA đạt độ chảy nhớt tối ưu để bao bọc và phân tán đều các hạt thạch cao, giúp độ bền kéo đạt cực đại 30,1 MPa. Nếu gia công ở 200 °C, mạch polyme PLA bị cắt mạch do kém bền nhiệt, làm độ bền kéo giảm xuống còn 24,0 MPa.

Hàm lượng thạch cao 20% mang lại lợi ích kinh tế và kỹ thuật gì nổi bật? Tỷ lệ 20% thạch cao giúp thay thế một phần năm lượng nhựa PLA nguyên sinh đắt tiền (2,0-3,2 USD/kg) bằng chất thải công nghiệp giá rẻ. Ở tỷ lệ này, vật liệu duy trì mô đun đàn hồi cao 2442 MPa và độ bền va đập 3,1 kJ/m2, phù hợp cho sản phẩm định hình cứng.

Biến tính bằng EBS có ưu điểm gì vượt trội so với axit stearic hay SDS? EBS có nhiệt độ nóng chảy cao từ 140 °C đến 150 °C, không bị phân hủy hay bay hơi trong quá trình đùn ép ở 190 °C như axit stearic (nóng chảy ở 67-72 °C), đồng thời không sinh ra khí độc hại như chất hoạt động bề mặt SDS khi gặp nhiệt độ cao.

Chủng vi khuẩn KSF Desulfovibrio oryzae M10 đóng vai trò gì trong sự phân hủy của vật liệu? Vi khuẩn Desulfovibrio oryzae M10 sử dụng nguồn canxi sulfat trong pha độn làm chất nhận điện tử trong quá trình trao đổi chất. Sau 14 ngày tiếp xúc, cấu trúc hạt thạch cao bị ăn mòn mạnh, tạo ra các lỗ rỗng vi mô thúc đẩy nước và vi sinh vật phân hủy mạch PLA nhanh hơn.

Kết luận

  • Luận văn đã chế tạo thành công vật liệu compozit sinh học thân thiện môi trường từ nhựa poly(lactic axit) và thạch cao phế thải nhà máy phân bón DAP Đình Vũ.
  • Xác lập điều kiện công nghệ gia công tối ưu trên thiết bị trộn kín ở nhiệt độ 190 °C, tốc độ trục quay 50 vòng/phút trong thời gian 5 phút.
  • Chứng minh hiệu quả vượt trội của tác nhân biến tính ethylene bis stearamide (EBS) với hàm lượng 4% trong việc tăng cường tương tác liên pha và phân tán hạt độn.
  • Đạt được các thông số cơ lý tối ưu tại hàm lượng 20% thạch cao biến tính với độ bền kéo 30,1 MPa, mô đun đàn hồi 2442 MPa và độ bền va đập 3,1 kJ/m2.
  • Bước đầu khẳng định khả năng phân hủy sinh học của vật liệu compozit dưới tác động của chủng vi sinh vật kỵ khí KSF Desulfovibrio oryzae M10 sau 14 ngày.

Nghiên cứu mở ra hướng đi bền vững kết hợp giữa tái chế chất thải vô cơ công nghiệp và phát triển vật liệu polyme sinh học thế hệ mới. Trong giai đoạn 2026-2028, các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung mở rộng quy mô sản xuất bán công nghiệp và khảo sát độ bền thời tiết nhiệt đới. Doanh nghiệp và nhà nghiên cứu quan tâm vui lòng kết nối trực tiếp với nhóm tác giả tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới để tiếp nhận chuyển giao công nghệ và hợp tác thương mại hóa sản phẩm.