Nghiên Cứu Tổng Hợp Polyme Phân Hủy Sinh Học Từ Polyvinyl Ancol Và Polysaccharit Tự Nhiên

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp polyme phân hủy sinh học từ polyvinyl ancol và polysaccarit tự nhiên, góp phần bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thu Thảo
• Người hướng dẫn: PGS. Hồ Sơn Lâm
• Trường học: Viện Khoa Học Vật Liệu
• Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Polyme Phân Hủy Sinh Học Từ Polyvinyl Ancol Và Polysaccharit Tự Nhiên
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. PHẦN I: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về polyme phân hủy sinh học
• 1.1.1. Khái niệm về phân hủy sinh học
• 1.1.2. Môi trường cho quá trình PHSH
• 1.1.3. Tốc độ phân hủy
• 1.1.4. Tác nhân gây PHSH
• 1.1.5. Ứng dụng của polyme PHSH
• 1.2. Tổng quan về polyme blend
• 1.2.1. Khái niệm về polyme blend
• 1.2.2. Phân loại polyme blend
• 1.2.3. Các phương pháp xác định độ tương hợp của polyme blend
• 1.2.4. Các biện pháp tăng cường tương hợp polyme blend
• 1.2.5. Các phương pháp chế tạo polyme blend
• 1.3. Tổng quan về các nguyên liệu sử dụng để tổng hợp màng polyme PHSH
• 1.4. Tình hình nghiên cứu polyme PHSH trên thế giới và ở Việt Nam
• 1.4.1. Tình hình nghiên cứu polyme PHSH trên thế giới
• 1.4.2. Tình hình nghiên cứu polyme PHSH ở Việt Nam
• 2. PHẦN II: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Nguyên liệu
• 2.2. Phương pháp tổng hợp màng polyme PHSH trên cơ sở PVA và polysaccarit tự nhiên
• 2.2.1. Phương pháp tổng hợp màng polyme PHSH trên cơ sở PVA và tinh bột sắn
• 2.2.2. Phương pháp tổng hợp màng polyme PHSH trên cơ sở PVA và CMC
• 2.2.3. Phương pháp tổng hợp màng polyme PHSH trên cơ sở PVA và chitosan
• 2.3. Các phương pháp phân tích cấu trúc, tính chất của màng polyme PHSH
• 2.3.1. Các phương pháp phân tích cấu trúc
• 2.3.2. Các phương pháp phân tích tính chất
• 3. PHẦN III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Chương 1: KẾT QUẢ TỔNG HỢP MÀNG POLYME CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ POLYVINYL ANCOL VÀ POLYSACCARIT TỰ NHIÊN
• 3.1.1. Kết quả tổng hợp màng polyme phân hủy sinh học trên cơ sở polyvinyl ancol và tinh bột
• 3.1.2. Kết quả tổng hợp màng polyme phân hủy sinh học trên cơ sở polyvinyl ancol và cacboxymetyl xenlulo
• 3.1.3. Kết quả tổng hợp màng polyme phân hủy sinh học trên cơ sở polyvinyl ancol và chitosan
• 3.2. Chương 2: ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT HÓA DẺO VÀ CHẤT TẠO LIÊN KẾT NGANG LÊN TÍNH CHẤT CỦA MÀNG POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC
• 3.2.1. Ảnh hưởng của chất hóa dẻo lên hiện tượng kết tinh lại của màng polyme phân hủy sinh học trên cơ sở polyvinyl ancol và tinh bột
• 3.2.2. Ảnh hưởng của chất tạo liên kết ngang lên tính chất của màng polyme phân hủy sinh học trên cơ sở PVA và tinh bột
• 3.2.2.1. Ảnh hưởng của glyoxal lên tính chất cơ học của màng polyme PHSH
• 3.2.2.2. Ảnh hưởng của glyoxal lên độ hấp thụ nước của màng polyme PHSH
• 3.3. Chương 3: CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
• 3.3.1. Quy trình tổng hợp polyme PHSH VINAPOL®
• 3.3.2. Khảo sát ứng dụng
• 3.3.2.1. Khảo sát ứng dụng của VINAPOL®-PL/AW dùng bọc phân NPK
• 3.3.2.2. Khảo sát ứng dụng của VINAPOL®-FfS dùng làm bầu ươm cây
• 3.3.2.3. Khảo sát ứng dụng của VINAPOL®-FfF dùng bọc hoa quả
• KẾT LUẬN
• CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Polyme Phân Hủy Sinh Học

Polyme phân hủy sinh học đang trở thành một trong những giải pháp quan trọng để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp polyme từ polyvinyl ancol và polysaccharit tự nhiên. Những polyme này không chỉ có khả năng phân hủy mà còn đảm bảo các tính năng cơ lý tương đương với polyme truyền thống. Việc phát triển các loại vật liệu này có thể giúp giảm thiểu lượng rác thải nhựa, đồng thời đáp ứng nhu cầu sử dụng của con người.

1.1. Khái Niệm Về Polyme Phân Hủy Sinh Học

Polyme phân hủy sinh học là loại vật liệu có khả năng tự phân hủy dưới tác động của vi sinh vật, nước và các yếu tố môi trường khác. Chúng có thể phân hủy thành các sản phẩm không độc hại, góp phần bảo vệ môi trường.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Polyme Phân Hủy Sinh Học

Sự phát triển của polyme phân hủy sinh học không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra các sản phẩm thân thiện với môi trường. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh gia tăng dân số và nhu cầu sử dụng vật liệu nhựa.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Polyme

Mặc dù polyme phân hủy sinh học mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong quá trình nghiên cứu và phát triển. Các vấn đề như chi phí sản xuất, khả năng tương hợp và tính chất cơ lý của polyme cần được giải quyết để đảm bảo tính khả thi trong ứng dụng thực tiễn.

2.1. Chi Phí Sản Xuất Polyme Phân Hủy Sinh Học

Chi phí sản xuất polyme phân hủy sinh học thường cao hơn so với polyme truyền thống. Điều này có thể hạn chế khả năng cạnh tranh trên thị trường và cần có các giải pháp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

2.2. Tính Tương Hợp Của Polyme

Tính tương hợp giữa polyvinyl ancol và polysaccharit tự nhiên là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của polyme. Việc nghiên cứu các phương pháp cải thiện tính tương hợp sẽ giúp nâng cao hiệu suất của vật liệu.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Polyme Phân Hủy Sinh Học

Nghiên cứu này áp dụng các phương pháp tổng hợp hiện đại để tạo ra polyme phân hủy sinh học từ polyvinyl ancol và polysaccharit tự nhiên. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các chất hóa dẻo như ure và glyxerol để cải thiện tính chất của polyme.

3.1. Quy Trình Tổng Hợp Polyme

Quy trình tổng hợp polyme bao gồm các bước như hòa tan, trộn và làm đông. Việc kiểm soát các điều kiện này là rất quan trọng để đạt được sản phẩm có chất lượng cao.

3.2. Các Chất Hóa Dẻo Sử Dụng

Ure và glyxerol được sử dụng như các chất hóa dẻo trong quá trình tổng hợp. Chúng không chỉ cải thiện tính chất cơ lý mà còn giúp ngăn cản hiện tượng kết tinh lại của tinh bột trong quá trình bảo quản.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Polyme Phân Hủy Sinh Học

Polyme phân hủy sinh học có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp và bảo quản thực phẩm. Các sản phẩm như màng bảo quản trái cây và bầu ươm cây giống đang được nghiên cứu và phát triển để đáp ứng nhu cầu thị trường.

4.1. Màng Bảo Quản Trái Cây

Màng bảo quản trái cây từ polyme phân hủy sinh học giúp kéo dài thời gian bảo quản và giữ được chất lượng sản phẩm. Đây là một ứng dụng thiết thực cho người tiêu dùng.

4.2. Bầu Ơm Cây Giống

Việc sử dụng polyme phân hủy sinh học làm bầu ươm cây giống không chỉ thân thiện với môi trường mà còn giúp cải thiện tỷ lệ sống của cây giống trong giai đoạn đầu.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Nghiên Cứu Polyme

Nghiên cứu tổng hợp polyme phân hủy sinh học từ polyvinyl ancol và polysaccharit tự nhiên mở ra nhiều triển vọng cho việc phát triển vật liệu thân thiện với môi trường. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc cải thiện quy trình sản xuất và mở rộng ứng dụng trong thực tiễn.

5.1. Triển Vọng Nghiên Cứu

Triển vọng nghiên cứu polyme phân hủy sinh học rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh gia tăng nhu cầu về vật liệu thân thiện với môi trường. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất.

5.2. Ứng Dụng Mở Rộng

Ngoài nông nghiệp, polyme phân hủy sinh học còn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như bao bì thực phẩm, y tế và xây dựng. Điều này sẽ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu của nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Thu Thảo, chuyên ngành Vật liệu cao phân tử và tổ hợp (mã số 62 44 50 10), được thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Hồ Sơn Lâm và TSKH. Hoàng Ngọc Anh, bảo vệ năm 2013 tại Thành phố Hồ Chí Minh. Luận án có dung lượng 144 trang văn bản chính (không tính các công trình liên quan, tài liệu tham khảo và phụ lục), bao gồm 34 bảng số liệu, 101 hình vẽ/đồ thị, 98 tài liệu tham khảo và 11 công trình khoa học đã công bố liên quan trực tiếp đến đề tài.

Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, tác giả đặt vấn đề từ áp lực gia tăng dân số toàn cầu (từ 6 tỷ người năm 2004 dự báo đạt 10 tỷ người trong vòng 50 năm tiếp theo), kéo theo sự gia tăng tiêu thụ tài nguyên và lượng chất thải từ polyme tổng hợp có nguồn gốc dầu mỏ gây ô nhiễm môi trường đất, sông suối và đại dương. Tại Việt Nam, theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường được nêu trong văn bản, với dân số hơn 80 triệu người thời điểm đó, mỗi ngày tiêu thụ trên 80 triệu túi nylon; các loại chất thải nhựa truyền thống này mất khoảng 500 năm hoặc lâu hơn mới có thể phân hủy. Mặc dù các polyme phân hủy sinh học tổng hợp từ vi sinh vật như poly(hydroxyalkanoat) (PHA) hay poly(lactit) (PLA) đã được thương mại hóa nhưng chi phí sản xuất cao, cản trở việc phổ biến diện rộng. Trong khi đó, các nguồn polysaccarit tự nhiên dồi dào như tinh bột sắn, xenlulo hay chitosan có giá thành thấp nhưng cơ tính kém dẻo, dễ giòn và chịu nước kém. Do đó, việc nghiên cứu phối trộn polyvinyl ancol (PVA) – một polyme tổng hợp tan trong nước có khả năng phân hủy sinh học – với các polysaccarit tự nhiên, kết hợp hệ phụ gia hóa dẻo và khâu mạch thích hợp nhằm giảm giá thành và ứng dụng vào thực tế là khoảng trống nghiên cứu trọng tâm được luận án lựa chọn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

1. Tổng hợp thành công màng polyme có khả năng phân hủy sinh học trên cơ sở polyvinyl ancol và các polysaccarit tự nhiên.
2. Khảo sát định hướng ứng dụng của các loại màng polyme có khả năng phân hủy sinh học phục vụ nhu cầu của cuộc sống.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là màng polyme blend trên cơ sở polyvinyl ancol (PVA) phối trộn với ba loại polysaccarit tự nhiên gồm tinh bột sắn (TBS), cacboxymetyl xenlulo (CMC) và chitosan; kết hợp với hệ chất hóa dẻo hai cấu tử là ure và glyxerol, cùng chất tạo liên kết ngang glyoxal.

Phạm vi nghiên cứu của luận án:

• Phạm vi không gian: Quá trình tổng hợp và phân tích tính chất vật liệu được tiến hành tại hệ thống phòng thí nghiệm của Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng và Viện Khoa học Vật liệu. Các khảo sát thử nghiệm phân hủy sinh học trong môi trường đất thực tế được triển khai tại đất của Công ty Hiếu Giang và đất của Nhà vườn Tư Nhuận. Các khảo sát ứng dụng nông nghiệp được thực hiện trên đối tượng cây ớt và quả cà chua.
• Phạm vi thời gian: Nghiên cứu được kế thừa từ các kết quả bước đầu của nhóm tác giả từ những năm 2000, hoàn thiện các nội dung thực nghiệm chuyên sâu và hoàn thành văn bản luận án vào năm 2013.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan, tác giả phân tích hệ thống các khái niệm và công trình nghiên cứu về vật liệu phân hủy sinh học cùng kỹ thuật chế tạo polyme blend:

• Về khái niệm và cơ chế phân hủy sinh học: Tác giả trích dẫn các tài liệu [1, 2, 3, 4, 5] và tiêu chuẩn của Hiệp hội Thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (ASTM) để phân biệt giữa "phân hủy" (degradation - bẻ gãy vô sinh, lão hóa nhiệt, bẻ gãy quang do tia UV) và "phân hủy sinh học" (biodegradation). Phân hủy sinh học đòi hỏi quá trình chuyển hóa vật liệu thành CO2, CH4, nước, hợp chất vô cơ hoặc sinh khối dưới tác động chủ đạo của vi sinh vật và enzym xúc tác (như enzym hydrolytic, enzym PVADH). Môi trường chôn ủ theo ASTM quy định điều kiện nhiệt độ trên 50°C trong khoảng 12 tuần để vật liệu phân rã hoàn toàn.
• Về phân loại vật liệu phân hủy sinh học: Văn bản hệ thống hóa ba nhóm chính: (1) Polyeste do vi sinh vật sản sinh (PHA, PHB); (2) Polysaccarit thiên nhiên (xenlulo, tinh bột, chitin, chitosan, heparin, pullulan, pectin, alginat); (3) Polyme phân hủy sinh học tổng hợp (các polyeste béo như poly(e-caprolacton), PLA/PLLA, poly(butylen succinat), poly(este amit), poly(este uretan) và vinyl-polyme có khả năng phân hủy như PVA). Lịch sử nghiên cứu chitin và chitosan được điểm lại từ công trình của H. Braconnot năm 1811 khi phân lập từ nấm và đặt tên là fungine [8]. Các copolyme lactit và glycosit dùng trong y tế, chỉ khâu tự tiêu, chỉnh hình xương được ghi nhận phát triển từ những năm 1960 [10, 11, 12, 13, 14]. Về sản phẩm thương phẩm, tác giả đề cập các dòng nhựa ENPOL (dạng màng, khay xốp) và các phụ gia impermex, mylogel từ tinh bột dùng trong khoan giếng dầu. Quá trình phân hủy sinh học của vật liệu khi có sự tấn công của các chủng vi khuẩn như Penicillium sp. và Cephalosporium sp. cũng được dẫn giải [16].
• Tình hình nghiên cứu trong nước: Tác giả chỉ ra rằng từ những năm 2000, các chương trình nghiên cứu cấp Nhà nước đã tập trung vào biến tính tinh bột với polyme truyền thống (PE, PP). Một số tác giả trong nước [61, 62, 63, 64] đã khảo sát khả năng phân hủy qua phương pháp thủy phân, đo độ hấp thụ nước ngoài môi trường tự nhiên, độ mất khối lượng trong môi trường nước và đất, hoặc đo suy giảm cơ tính.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết: Hầu hết các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam tập trung vào việc độn tinh bột vào nhựa nhiệt dẻo truyền thống khó phân hủy hoặc chỉ sử dụng chất hóa dẻo đơn lẻ (như nước hoặc glyxerol), dẫn tới hiện tượng màng tinh bột bị kết tinh lại (thoái hóa gel) trong quá trình bảo quản làm màng nhanh giòn gãy. Luận án đã lựa chọn giải quyết bài toán:

1. Tổng hợp màng polyme phân hủy sinh học hoàn toàn trên cơ sở PVA kết hợp với các polysaccarit tự nhiên (tinh bột sắn, CMC, chitosan) bằng phương pháp dung dịch.
2. Ứng dụng hệ chất hóa dẻo hai cấu tử ure và glyxerol nhằm ngăn cản hiện tượng kết tinh lại của tinh bột sắn, đồng thời cải thiện độ tương hợp và tính chất cơ lý.
3. Đưa chất tạo liên kết ngang glyoxal vào hệ blend PVA/tinh bột để cải thiện độ bền kéo và kiểm soát khả năng hút nước.
4. Mở rộng nghiên cứu sang định hướng ứng dụng nông nghiệp cụ thể (màng bao phân bón nhả chậm, bầu ươm cây tự tiêu và màng bảo quản quả tươi) thay vì chỉ dừng lại ở phạm vi bao bì túi màng thông thường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về cơ sở lý thuyết, luận án vận dụng lý thuyết về polyme blend và tương tác liên phân tử:

• Khái niệm hòa trộn (miscibility) và tương hợp (compatibility): Hòa trộn thể hiện sự phân tán ở cấp độ phân tử, tạo hệ đồng thể một pha có entanpy trộn lẫn $\Delta H < 0$ và xuất hiện một nhiệt độ thủy tinh hóa ($T_g$) duy nhất nằm giữa $T_g$ của hai cấu tử. Tương hợp thể hiện sự kết hợp đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, có thể là tương hợp một phần với hai giá trị $T_g$ dịch chuyển lại gần nhau, hoặc hệ không tương hợp với ranh giới phân chia pha tách biệt và giữ nguyên hai giá trị $T_g$ ban đầu.
• Tương tác hóa học và liên kết nội/liên phân tử: Sự tương hợp trong hệ blend được hình thành nhờ các liên kết hydro giữa nhóm hydroxyl (-OH) của PVA với nhóm hydroxyl của tinh bột hoặc CMC, hoặc giữa nhóm -OH của PVA với nhóm -OH và nhóm amin (-NH2) của chitosan; liên kết este hóa giữa PVA và nhóm cacboxyl của CMC; phản ứng tạo liên kết hemiacetal giữa các nhóm andehit (-CHO) của glyoxal với các nhóm -OH của PVA, tinh bột, glyxerol và ure tạo mạng lưới khâu mạch không gian ba chiều.

Về phương pháp thực nghiệm:

• Phương pháp chế tạo: Sử dụng phương pháp dung dịch (solution casting). PVA và các polysaccarit (tinh bột sắn, CMC, chitosan) cùng các chất phụ gia (chất hóa dẻo ure, glyxerol; chất khâu mạch glyoxal) được hòa tan, khuấy trộn gia nhiệt ở nhiệt độ thích hợp trong dung môi nước (hoặc dung dịch axit loãng đối với chitosan) để phân tán đồng nhất, sau đó tiến hành đổ màng và sấy đuổi dung môi ở áp suất và nhiệt độ phù hợp để thu được màng polyme mỏng đồng nhất.
• Các phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu:
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Xác định các nhóm chức đặc trưng, các dịch chuyển pic hấp thụ và sự hình thành liên kết hydro, liên kết este, liên kết hemiacetal.
  • Phân tích nhiệt lượng vi sai quét (DSC): Xác định nhiệt độ thủy tinh hóa ($T_g$), nhiệt độ nóng chảy ($T_m$) để đánh giá mức độ tương hợp pha.
  • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Xác định độ bền nhiệt, các khoảng nhiệt độ bắt đầu phân hủy ($T_{b1}, T_{b2}$) và kết thúc phân hủy ($T_{k1}, T_{k2}$) qua các giai đoạn mất khối lượng.
  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Đánh giá cấu trúc tinh thể, mức độ vô định hình và theo dõi hiện tượng kết tinh lại của màng theo thời gian bảo quản.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Quan sát hình thái vi cấu trúc bề mặt, độ đồng nhất pha của vật liệu trước và sau khi chôn trong đất.
• Các phương pháp phân tích tính chất:
  • Đo tính chất cơ lý: Xác định độ bền kéo đứt ($TS$) và độ giãn dài khi đứt ($E$) theo tiêu chuẩn ASTM.
  • Đo độ trong suốt: Đánh giá độ hấp thụ quang học của màng phim.
  • Khảo sát độ hấp thụ nước: Xác định tỷ lệ khối lượng nước hấp thụ của màng polyme theo thời gian.
  • Khảo sát khả năng phân hủy sinh học: Sử dụng phương pháp chôn mẫu thực tế trong đất (tại đất Công ty Hiếu Giang và Nhà vườn Tư Nhuận), định kỳ cân đo tỷ lệ giảm khối lượng của mẫu, kết hợp phân tích FTIR và chụp ảnh SEM bề mặt màng bị vi sinh vật xâm thực.

Nguồn vật liệu và dữ liệu thực nghiệm:

• Polyvinyl ancol (PVA): Dạng bột màu trắng tới kem, tỷ trọng riêng 1,27 – 1,31 g/cm3, chỉ số khúc xạ $n_D^{25} = 1,49 - 1,53$, độ giãn dài màng dẻo hóa dưới 600%, độ bền kéo màng khô chưa dẻo hóa dưới 22.000 psi, nhiệt độ hàn gắn nhiệt khô 165 – 210°C, nhiệt dung riêng 0,4 cal/g/°C. Tốc độ thấm khí: oxit, nitơ, hydro bằng 0; cacbon dioxit đạt 0,02 g/m2/h.
• Polysaccarit tự nhiên: Tinh bột sắn thương mại (chứa 8 – 29% amylo mạch thẳng và 71 – 92% amylopectin phân nhánh, nhiệt độ hồ hóa 55 – 80°C); Cacboxymetyl xenlulo (CMC, khối lượng riêng 1,59 g/cm3); Chitosan dạng vảy xốp màu trắng hoặc vàng nhạt, nhiệt độ nóng chảy 309 – 311°C, tan trong axit loãng ở pH = 6,0 – 6,6, khối lượng phân tử trung bình từ 10.000 Da.
• Hóa chất phụ trợ: Glyxerol, ure, glyoxal. Mẫu thử nghiệm ứng dụng: phân bón NPK thương phẩm, hạt giống cây ớt, quả cà chua.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Kết quả tổng hợp màng polyme có khả năng phân hủy sinh học trên cơ sở polyvinyl ancol và polysaccarit tự nhiên

Chương 1 trình bày kết quả thực nghiệm chế tạo và khảo sát cấu trúc, tính chất của ba hệ polyme blend giữa PVA và ba loại polysaccarit tự nhiên (tinh bột sắn, CMC, chitosan).

Hệ polyme blend PVA/tinh bột sắn (các mẫu BS2, BS3, BS4, BS5, BS6):

• Phân tích phổ IR: Ghi nhận sự dịch chuyển các pic hấp thụ của nhóm hydroxyl (-OH), chứng minh sự hình thành liên kết hydro liên phân tử giữa mạch đại phân tử PVA và các mạch amylo/amylopectin của tinh bột sắn.
• Phân tích nhiệt DSC và TGA: Giản đồ DSC của các mẫu BS4, BS5 cho thấy sự thay đổi nhiệt độ chuyển pha nhiệt động so với hai cấu tử ban đầu, phản ánh tính tương hợp giữa PVA và tinh bột khi có mặt chất hóa dẻo. Giản đồ TGA chỉ ra quá trình phân hủy nhiệt diễn ra qua hai giai đoạn chính: giai đoạn 1 ($T_{b1} - T_{k1}$) tương ứng với sự bay hơi ẩm và chất hóa dẻo; giai đoạn 2 ($T_{b2} - T_{k2}$) là quá trình phân hủy khung mạch polyme.
• Hình thái bề mặt và độ trong suốt: Ảnh SEM cho thấy các hạt tinh bột đã được hồ hóa và phân tán tương đối đồng nhất trong pha nền PVA. Độ trong suốt của màng blend giảm dần khi tỷ lệ tinh bột sắn trong hỗn hợp tăng lên.
• Tính chất cơ lý: Độ bền kéo đứt ($TS$) và độ giãn dài khi đứt ($E$) phụ thuộc chặt chẽ vào tỷ lệ PVA/tinh bột; mẫu có hàm lượng PVA cao cho độ bền kéo và độ dẻo dai tốt hơn.
• Khả năng phân hủy sinh học trong đất: Mẫu được chôn tại đất Công ty Hiếu Giang và Nhà vườn Tư Nhuận. Kết quả đo độ giảm khối lượng cho thấy màng phân hủy nhanh theo thời gian chôn; sau 12 đến 30 ngày chôn mẫu, bề mặt màng xuất hiện nấm mốc rõ rệt. Ảnh SEM mẫu BS5 sau 12 ngày chôn đất thể hiện bề mặt bị rỗ, xói mòn sâu; phổ IR ghi nhận sự suy giảm cường độ pic đặc trưng do enzym cắt mạch polyme.

Hệ polyme blend PVA/cacboxymetyl xenlulo (các mẫu CC0, CC1, CC2, CC3, CC4):

• Phổ IR: Phát hiện các dải hấp thụ đặc trưng của liên kết hydro và liên kết este hình thành giữa nhóm hydroxyl của PVA và nhóm cacboxyl/hydroxyl của phân tử CMC.
• Nhiệt vi sai và độ bền nhiệt: Phép đo DSC trên mẫu CC2 cho thấy sự dịch chuyển của nhiệt độ thủy tinh hóa. Giản đồ TGA thể hiện các vùng mất khối lượng nhiệt tương ứng với quá trình phân hủy cấu trúc blend.
• Hình thái học và tính chất cơ lý: Ảnh SEM cho thấy màng blend có bề mặt tương đối nhẵn, đồng nhất ở tỷ lệ thành phần thích hợp. Độ bền kéo đứt và độ giãn dài biến thiên theo hàm lượng CMC đưa vào.
• Khảo sát phân hủy sinh học: Sau 40 ngày chôn trong đất Công ty Hiếu Giang, các mẫu CC2, CC3, CC4 giảm khối lượng rõ rệt. Ảnh SEM mẫu CC2 sau 14 ngày chôn đất bộc lộ các vết nứt vỡ và lỗ xốp do vi sinh vật phân giải phân đoạn CMC.

Hệ polyme blend PVA/chitosan (các mẫu U1, U2, U3, U4):

• Phổ IR: Khẳng định sự tương tác mạnh mẽ thông qua liên kết hydro giữa nhóm -OH của PVA với nhóm -OH và nhóm -NH2 của chitosan.
• Phân tích nhiệt DSC và TGA: Giản đồ DSC của các mẫu U2, U3, U4 ghi nhận hiệu ứng tương hợp giữa hai polyme. TGA chỉ ra độ bền nhiệt của hệ blend nằm trong giới hạn gia công màng.
• Cơ tính và hình thái SEM: Biểu đồ cơ lý cho thấy chitosan cải thiện độ cứng của màng nhưng làm giảm độ giãn dài so với màng PVA nguyên chất. Ảnh SEM thể hiện sự hòa trộn đồng đều không có sự phân tách pha lớn.
• Phân hủy trong đất: Độ giảm khối lượng của polyme blend PVA/chitosan tăng dần theo thời gian chôn mẫu tại đất Công ty Hiếu Giang. Ảnh chụp SEM mẫu U3 sau 10 ngày chôn đất cho thấy cấu trúc màng bị vi khuẩn tấn công, hình thành các rãnh phân hủy sinh học rõ nét.

Hệ polyme blend	Ký hiệu mẫu thực nghiệm	Phương pháp phân tích cấu trúc chính	Đặc trưng phân hủy sinh học trong đất
PVA / Tinh bột sắn	BS2, BS3, BS4, BS5, BS6	FTIR, DSC, TGA, SEM, đo độ trong suốt	Giảm khối lượng nhanh sau 12 – 30 ngày; SEM cho thấy nấm mốc phát triển và bề mặt rỗ xốp
PVA / CMC	CC0, CC1, CC2, CC3, CC4	FTIR, DSC (CC2), TGA, SEM	Giảm khối lượng sau 40 ngày; bề mặt nứt vỡ sau 14 ngày chôn đất
PVA / Chitosan	U1, U2, U3, U4	FTIR, DSC (U2, U3, U4), TGA, SEM	Giảm khối lượng liên tục sau 10 – 40 ngày; vi sinh vật xâm thực tạo rãnh sâu

Chương 2: Ảnh hưởng của chất hóa dẻo và chất tạo liên kết ngang lên tính chất của màng polyme phân hủy sinh học

Chương 2 đi sâu nghiên cứu hai yếu tố công nghệ quan trọng nhằm khắc phục nhược điểm cố hữu của vật liệu trên cơ sở tinh bột sắn: sự kết tinh lại gây giòn màng và tính mẫn cảm với nước.

Ảnh hưởng của chất hóa dẻo lên hiện tượng kết tinh lại của màng blend PVA/tinh bột sắn:

• Phân tích cơ chế liên kết: Luận án phân tích chi tiết các kiểu liên kết hydro giữa glyxerol, ure với tinh bột sắn. Khi sử dụng glyxerol đơn lẻ, các mạch amylo vẫn có xu hướng tái sắp xếp tạo cấu trúc tinh thể sau một thời gian lưu trữ.
• Phổ XRD theo dõi thoái hóa tinh bột: Phổ XRD mẫu tinh bột hóa dẻo bằng glyxerol xuất hiện lại các pic kết tinh sau 25 ngày ở các độ ẩm tương đối khác nhau. Ngược lại, việc phối trộn hệ hóa dẻo hai cấu tử ure/glyxerol ở các tỷ lệ (khảo sát trên các mẫu BS4-5/10, BS4-10/5, BS4-15/5) đã làm triệt tiêu các đỉnh kết tinh nhọn trên giản đồ XRD.
• Thời gian bảo quản: Khảo sát mẫu BS4 sau 10 ngày, 20 ngày và 30 ngày bảo quản ở độ ẩm tương đối 60% và 100% cho thấy giản đồ XRD duy trì trạng thái vô định hình ổn định, không xuất hiện hiện tượng kết tinh lại.
• Hình thái học SEM: Ảnh SEM mẫu BS4 sau khi hóa dẻo bằng hỗn hợp ure và glyxerol chứng minh sự đồng nhất pha vượt trội so với khi chỉ dùng chất hóa dẻo đơn lẻ.

Ảnh hưởng của chất tạo liên kết ngang (glyoxal) lên tính chất của màng polyme blend PVA/tinh bột sắn:

• Cơ chế phản ứng: Glyoxal chứa hai nhóm andehit (-CHO) phản ứng với các nhóm hydroxyl (-OH) của PVA, tinh bột sắn, glyxerol và ure tạo liên kết hemiacetal bền vững.
• Tính chất cơ học: Sự biến thiên của hàm lượng glyoxal trong màng blend tác động trực tiếp đến độ bền kéo đứt ($TS$) và độ giãn dài khi đứt ($E$). Khi hàm lượng glyoxal tăng đến tỷ lệ tối ưu, độ bền kéo đứt của màng tăng lên đáng kể do mật độ khâu mạng không gian tăng, đồng thời độ giãn dài khi đứt giảm nhẹ do các mạch phân tử bị hạn chế trượt tương đối lên nhau.
• Độ hấp thụ nước: Khảo sát mức độ hút nước của màng blend cho thấy khi tăng hàm lượng glyoxal, độ hấp thụ nước của vật liệu giảm rõ rệt. Mạng lưới liên kết ngang hemiacetal đã phong tỏa một phần các nhóm ưa nước và tạo cấu trúc mạng lưới cản trở các phân tử nước xâm nhập vào sâu bên trong khối polyme.

Chương 3: Các kết quả nghiên cứu ứng dụng

Chương 3 tập trung vào việc chuẩn hóa quy trình công nghệ chế tạo màng quy mô phòng thí nghiệm và thử nghiệm hiệu quả thực tế của các dòng sản phẩm trong nông nghiệp:

Quy trình tổng hợp polyme phân hủy sinh học VINAPOL®:

• Tác giả xây dựng hoàn chỉnh sơ đồ quy trình công nghệ tổng hợp polyme phân hủy sinh học ở quy mô phòng thí nghiệm, đăng ký nhãn hiệu hàng hóa độc quyền VINAPOL®.
• Thiết lập ba dòng sản phẩm ứng dụng chuyên biệt dựa trên việc điều chỉnh tỷ lệ phối trộn PVA, polysaccarit, hệ hóa dẻo ure/glyxerol và chất khâu mạch:
  1. VINAPOL® - PL/AW (Plastic Adsorption Water): Màng polyme ứng dụng bọc các loại phân bón vô cơ, hữu cơ, vi sinh.
  2. VINAPOL® - FfS (Film for Sprout): Dòng sản phẩm chế tạo bầu ươm cấy cây giống tự tiêu.
  3. VINAPOL® - FfF (Film for Fruit): Màng mỏng chuyên dùng bảo quản hoa quả tươi.

Khảo sát ứng dụng thực tế trong nông nghiệp:

• Ứng dụng bọc phân NPK kiểm soát nhả chậm (VINAPOL® - PL/AW):
  • Thử nghiệm độ nhả chậm: Đánh giá tốc độ hòa tan và khuếch tán của phân bón NPK bọc màng ($NPK_B$) so với phân bón NPK thông thường không bọc màng ($NPK_{tt}$) trong môi trường nước. Màng VINAPOL® - PL/AW đóng vai trò lớp màng bán thấm điều tiết lượng dinh dưỡng giải phóng từ từ ra môi trường đất.
  • Thử nghiệm trên cây ớt: Khảo sát sự sinh trưởng của cây ớt sau 20 ngày và 40 ngày nảy mầm khi sử dụng các công thức phân bón $NPK_{B1}, NPK_{B2}$ so sánh với đối chứng $NPK_{tt}$. Số liệu đo đạc chiều cao thân và bề dày thân cây ớt khẳng định các công thức phân bón bọc màng polyme giúp cây sinh trưởng đồng đều, tăng trưởng thân cây tốt hơn do dinh dưỡng không bị rửa trôi đột ngột.
• Ứng dụng làm bầu ươm cây tự phân hủy (VINAPOL® - FfS):
  • Thử nghiệm gieo ươm cây ớt trong các mẫu bầu ươm $BP_1, BP_2$ chế tạo từ VINAPOL® - FfS so với bầu ươm truyền thống ($B_{tt}$).
  • Sau 20 ngày và 40 ngày nảy mầm, số liệu chiều cao và bề dày thân cây cho thấy cây ớt phát triển bình thường. Khi đưa bầu ươm trồng trực tiếp vào đất, màng bầu tự phân hủy dưới tác động của vi sinh vật và độ ẩm đất, rễ cây đâm xuyên tự nhiên mà không cần bóc xé bầu túi, loại bỏ nguy cơ làm tổn thương bộ rễ non và không thải bỏ túi nhựa ra môi trường.
• Ứng dụng làm màng bọc bảo quản hoa quả (VINAPOL® - FfF):
  • Khảo sát bảo quản quả cà chua bằng màng bọc VINAPOL® - FfF (ký hiệu công thức $M_3$) so sánh với mẫu đối chứng không bọc và các vật liệu bao gói khác trong thời gian 7 ngày.
  • Phân tích các chỉ tiêu chất lượng quả cà chua sau 7 ngày bảo quản: Màng $M_3$ giúp giảm đáng kể tỷ lệ hao hụt khối lượng tự nhiên, duy trì độ cứng quả, hạn chế sự suy giảm hàm lượng đường và vitamin C, đồng thời ngăn chặn sự thối hỏng bề mặt quả so với quả không được bao bọc.

Kết quả và những đóng góp mới

Các kết quả và đóng góp mới của luận án được tác giả tự xác định bao gồm các khía cạnh lý thuyết và thực tiễn:

1. Đóng góp về khoa học vật liệu: Lần đầu tiên tại Việt Nam, luận án đã tổng hợp thành công màng polyme phân hủy sinh học trên cơ sở phối trộn polyvinyl ancol (PVA) với ba loại polysaccarit tự nhiên gồm tinh bột sắn, cacboxymetyl xenlulo (CMC) và chitosan bằng phương pháp dung dịch. Luận án đã làm sáng tỏ bản chất tương tác liên phân tử (liên kết hydro, liên kết este) tạo nên sự tương hợp pha giữa các cấu tử polyme.
2. Phát hiện công nghệ mới về hệ phụ gia: Đã phát hiện và khẳng định việc sử dụng phối hợp hệ chất hóa dẻo hai cấu tử ure và glyxerol có tác dụng hiệp đồng trong việc cải thiện độ tương hợp, nâng cao độ bền cơ lý, và ngăn chặn hiện tượng kết tinh lại (thoái hóa cấu trúc) của tinh bột sắn trong quá trình bảo quản màng theo thời gian.
3. Kiểm soát độ bền và tính kháng nước: Đã xác lập ảnh hưởng của chất tạo liên kết ngang glyoxal thông qua phản ứng tạo liên kết hemiacetal với nhóm hydroxyl của PVA và tinh bột, cho phép cải thiện độ bền kéo đứt và giảm độ hấp thụ nước của màng blend.
4. Đánh giá phân hủy sinh học thực tế: Khảo sát toàn diện động học phân hủy sinh học bằng phương pháp chôn mẫu thực địa trong đất thông qua độ giảm khối lượng theo thời gian, kết hợp quan sát biến đổi vi cấu trúc bề mặt bằng SEM và sự phân giải nhóm chức bằng FTIR.
5. Giải pháp công nghệ và sở hữu trí tuệ: Xây dựng hoàn chỉnh quy trình công nghệ tổng hợp polyme phân hủy sinh học ở quy mô phòng thí nghiệm mang nhãn hiệu VINAPOL® và đề xuất ba giải pháp hữu ích phục vụ nông nghiệp:
   • VINAPOL® - PL/AW dùng bọc phân bón NPK nhả chậm.
   • VINAPOL® - FfS dùng làm bầu ươm cấy cây giống tự tiêu.
   • VINAPOL® - FfF dùng làm màng bọc bảo quản hoa quả tươi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào phạm vi và các nội dung trình bày trong văn bản luận án, các hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

• Về quy mô thử nghiệm: Toàn bộ quy trình tổng hợp màng polyme mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm bằng phương pháp dung dịch (đổ màng sấy bốc hơi), chưa triển khai nghiên cứu gia công ở trạng thái nóng chảy trên các thiết bị công nghiệp như máy đùn trục vít, máy thổi màng hoặc máy ép đùn để đánh giá khả năng sản xuất đại trà.
• Về môi trường đánh giá phân hủy sinh học: Phép thử phân hủy sinh học mới tập trung vào phương pháp chôn mẫu trong đất thực tế tại hai địa điểm (đất Công ty Hiếu Giang và Nhà vườn Tư Nhuận) thông qua đo độ giảm khối lượng và ảnh SEM; chưa thực hiện đánh giá theo các tiêu chuẩn quốc tế kiểm soát hàm lượng khí CO2 thoát ra trong bình kín hoặc thử nghiệm trong các môi trường khác như bùn hoạt tính, môi trường nước biển.
• Về phạm vi đối tượng khảo sát ứng dụng: Các ứng dụng nông nghiệp mới tiến hành thử nghiệm trên phạm vi hẹp gồm cây ớt (đối với phân bón nhả chậm và bầu ươm) và quả cà chua trong thời gian 7 ngày (đối với màng bọc quả); cần mở rộng khảo sát trên nhiều giống cây trồng công nghiệp và các loại quả tươi có giá trị kinh tế khác nhằm hoàn thiện bộ thông số kỹ thuật.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên các ngành Khoa học vật liệu, Vật liệu cao phân tử và tổ hợp, Hóa học polyme, Công nghệ sinh học và Môi trường.
• Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học, viện nghiên cứu chuyên sâu về biến tính polyme tự nhiên, tổng hợp polyme blend thân thiện môi trường và cơ chế khâu mạch, hóa dẻo polysaccarit.
• Các kỹ sư công nghệ, nhà hoạch định và doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực sản xuất phân bón công nghệ cao (phân bón kiểm soát nhả chậm), sản xuất vật tư nông nghiệp tự phân hủy (bầu ươm sinh học) và công nghệ sau thu hoạch bảo quản nông sản thực phẩm.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất trong văn bản gồm: hệ thống số liệu thực nghiệm về tỷ lệ phối trộn giữa PVA và các polysaccarit tự nhiên (Bảng 3.1, 3.9, 3.15); các giản đồ XRD và FTIR chứng minh hiệu quả ức chế kết tinh lại của hệ ure/glyxerol (Chương 2); cùng bộ thông số kỹ thuật và quy trình công nghệ chế tạo các dòng vật liệu VINAPOL® (Chương 3).

Câu hỏi thường gặp

1. Vai trò của việc kết hợp ure và glyxerol trong màng blend PVA/tinh bột sắn là gì?
Ure và glyxerol đóng vai trò là hệ chất hóa dẻo hai cấu tử. Ngoài việc làm mềm mạch và tăng độ dãn dài của màng, sự kết hợp này tạo ra các tương tác liên kết hydro đa dạng với mạch tinh bột, phá vỡ liên kết hydro nội tại giữa các mạch amylo. Kết quả phân tích XRD và SEM trong luận án chứng minh hệ ure/glyxerol ngăn cản hiệu quả hiện tượng tái kết tinh (thoái hóa gel) của tinh bột sắn sau 10, 20 và 30 ngày bảo quản ở độ ẩm 60% và 100%, khắc phục tình trạng màng bị giòn gãy theo thời gian.

2. Tác nhân glyoxal làm thay đổi độ bền kéo và độ hút nước của màng polyme blend như thế nào?
Glyoxal đóng vai trò là chất tạo liên kết ngang (chất khâu mạch). Nhóm andehit (-CHO) của glyoxal phản ứng với các nhóm hydroxyl (-OH) của PVA, tinh bột sắn và các chất hóa dẻo tạo liên kết hemiacetal. Khi bổ sung glyoxal ở hàm lượng phù hợp, mạng lưới liên kết ngang ba chiều được hình thành làm tăng độ bền kéo đứt ($TS$) của màng, đồng thời phong tỏa các nhóm chức ưa nước và thu hẹp khoảng trống tự do giữa các mạch phân tử, giúp giảm đáng kể độ hấp thụ nước của vật liệu.

3. Khả năng phân hủy sinh học của các loại màng được đánh giá qua những kỹ thuật nào và kết quả ra sao?
Tác giả đánh giá khả năng phân hủy sinh học bằng phương pháp chôn mẫu thực tế trong môi trường đất tại Công ty Hiếu Giang và Nhà vườn Tư Nhuận. Các kỹ thuật theo dõi bao gồm: cân đo tỷ lệ giảm khối lượng theo thời gian chôn, chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát sự xói mòn bề mặt do vi sinh vật và nấm mốc tấn công, và đo phổ hồng ngoại (FTIR) để đánh giá sự phân cắt các liên kết hóa học. Kết quả cho thấy các mẫu màng blend đều bị suy giảm khối lượng nhanh chóng sau 10 đến 40 ngày chôn đất.

4. Ba giải pháp hữu ích mang nhãn hiệu VINAPOL® gồm những sản phẩm nào và có chức năng gì?
Luận án đã thiết lập quy trình công nghệ và đăng ký nhãn hiệu hàng hóa độc quyền VINAPOL® với ba giải pháp hữu ích:

• VINAPOL® - PL/AW: Màng polyme bán thấm dùng để bọc phân bón NPK vô cơ, hữu cơ và vi sinh, giúp kiểm soát tốc độ nhả chậm dinh dưỡng vào đất, giảm thất thoát do rửa trôi.
• VINAPOL® - FfS: Vật liệu tạo màng dùng làm bầu ươm cấy giống cây trồng (đã thử nghiệm trên cây ớt); bầu có khả năng tự tiêu trong đất, cho phép rễ phát triển xuyên qua màng mà không cần xé bầu khi chuyển cây.
• VINAPOL® - FfF: Màng mỏng bảo quản quả tươi (đã thử nghiệm trên quả cà chua); giúp hạn chế mất nước tự nhiên, duy trì độ cứng, bảo toàn lượng vitamin C và đường sau 7 ngày lưu trữ.

5. Vì sao luận án lựa chọn polyvinyl ancol (PVA) phối trộn với polysaccarit tự nhiên thay vì dùng nhựa hóa dầu truyền thống?
Nhựa hóa dầu truyền thống (như PE, PP) chỉ chứa liên kết cacbon - cacbon trơ vững chắc, mất hàng trăm năm mới phân hủy và để lại các hạt vi nhựa gây thoái hóa đất. Trong khi đó, PVA là polyme tổng hợp đặc biệt có chứa nhiều nhóm hydroxyl (-OH), vừa có khả năng tan trong nước, vừa có thể bị phân hủy sinh học hoàn toàn bởi các enzym như PVADH. Khi phối trộn PVA với các polysaccarit tự nhiên sẵn có, giá rẻ (tinh bột sắn, CMC, chitosan), hệ vật liệu blend thu được đảm bảo tính tương thích cao, duy trì cơ tính dẻo dai tương đương màng mỏng truyền thống nhưng phân hủy sinh học hoàn toàn thành CO2, nước và sinh khối không độc hại cho môi trường.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Thu Thảo đã hoàn thành mục tiêu tổng hợp màng polyme phân hủy sinh học trên cơ sở polyvinyl ancol phối trộn với các polysaccarit tự nhiên (tinh bột sắn, CMC, chitosan) bằng phương pháp dung dịch. Việc ứng dụng hệ chất hóa dẻo phối hợp ure/glyxerol và chất khâu mạch glyoxal đã giải quyết được hiện tượng kết tinh lại của tinh bột và cải thiện cơ tính cùng độ bền ẩm của màng. Công trình mang tính thực tiễn cao khi chuẩn hóa quy trình công nghệ chế tạo các dòng vật liệu mang nhãn hiệu VINAPOL® và chứng minh hiệu quả ứng dụng thực tế trong nông nghiệp qua màng bọc phân bón nhả chậm, bầu ươm cây tự tiêu và màng bảo quản quả tươi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày các kết quả thực nghiệm về tổng hợp màng polyme phân hủy sinh học trên cơ sở polyvinyl ancol và các polysaccarit tự nhiên (tinh bột, cacboxymetyl xenlulo và chitosan). Chương 2 trình bày các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chất hóa dẻo và chất tạo liên kết ngang lên tính chất của màng polyme phân hủy sinh học. Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu ứng dụng. 5 PHẦN I TỔNG QUAN Trong những năm gần đây, các polyme sinh học được ứng dụng rộng rãi trong đời sống vì chúng không chỉ đáp ứng các nhu cầu của con người mà còn thân thiện với môi trường.

Số lượng polyme sinh học được sản xuất ngày càng nhiều và chúng ra đời từ nhiều nguồn nguyên liệu tái tạo khác nhau. Polyme sinh học có nhiều ưu điểm hơn so với polyme đi từ hóa dầu như chúng có khả năng phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường và con người. Tuy nhiên, cho tới hôm nay, rất ít polyme sinh học được sản xuất và đưa ra thị trường do có giá thành cao hơn so với polyme truyền thống. Do vậy, việc nghiên cứu tổng hợp polyme phân hủy sinh học đảm bảo các tính năng cơ lý của polyme truyền thống, có giá trị về mặt kinh tế, đáp ứng các nhu cầu đời sống, bảo vệ môi trường là hướng nghiên cứu được quan tâm gần đây.

TỔNG QUAN VỀ POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC I. Khái niệm về phân hủy sinh học I. Phân hủy sinh học (PHSH) PHSH là quá trình phân hủy do hoạt động của vi sinh vật gây ra, đặc biệt do hoạt động của enzym dẫn đến thay đổi lớn về cấu trúc hoá học của vật liệu. Về cơ bản polyme PHSH cần phân hủy rõ ràng trong một thời gian ấn định thành những phân tử đơn giản có trong môi trường như CO2 và nước [1, 2, 3].

Nhiều loại polyme được thông báo là “phân hủy sinh học” nhưng thực tế là “bẻ gãy sinh học” hoặc “thủy phân sinh học” hoặc “phân hủy quang – sinh học”. Những loại polyme khác nhau này được gọi dưới một tên chung là “polyme phân hủy trong môi trường”. Mặc dù có nhiều ý kiến c ng như cách đánh giá khác nhau, nhưng khái niệm về PHSH thực chất chỉ có một. PHSH là khả năng xảy ra phân hủy thành CO2, khí metan, nước, các hợp chất vô cơ 6 hoặc sinh khối, trong đó cơ chế áp đảo là tác động của enzyme, vi sinh vật.

Cơ chế này được đo bằng các thử nghiệm chuẩn trong một thời gian xác định phản ánh điều kiện phân hủy [4, 5]. Các dạng polyme PHSH Polyme PHSH tồn tại dưới ba dạng chính:  Polyeste được sản sinh bởi các vi sinh vật Dạng nguyên thủy của các loại polyme này như poly(hydroxyalkanoat) có mặt khi các chủng vi sinh vật chuyển hóa các sản phẩm thiên nhiên như tinh bột, chất béo, nó tự phân hủy hoàn toàn trong đất, nước sông, suối hay trong biển. Có nhiều dạng khác nhau của poly(hydroxyalkanoat) được con người tạo ra. Mặc dù vậy, các loại polyme này không thể được sản xuất đại trà với qui mô công nghiệp vì chi phí cao, do đó người ta chú trọng sử dụng các hợp chất do thiên nhiên tạo ra như là nguyên liệu chính cho tổng hợp polyme PHSH.

 Polysaccarit thiên nhiên và các polyme thiên nhiên Các polysaccarit chủ yếu là xenlulo và tinh bột. Ngày nay người ta còn quan tâm đến các đồng đẳng của nó và các polysaccarit khác do vi khuẩn, nấm mốc chế tạo như heparin, dextrin, pullulan, pectin, chitin, chitosan hay axit hyaluronic và alginat.