Tổng quan nghiên cứu

Polylactic axit (PLA) là một loại polyeste béo có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn, được sản xuất từ các nguồn tài nguyên tái tạo như ngô và bột sắn. Với công thức cấu tạo [C3H4O2]n, PLA có tính chất hóa lý tương tự như polyethylene terephthalat (PET) nhưng ưu việt hơn về khả năng phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường. Nhu cầu sử dụng PLA ngày càng tăng trong các lĩnh vực như y tế, bao bì, sợi dệt và nông nghiệp do tính bền vững và khả năng gia công trên thiết bị công nghiệp thông thường.

Bã cà phê (Spent Coffee Grounds - SCG) là phụ phẩm lớn từ ngành công nghiệp cà phê, với ước tính 1 kg bột cà phê tạo ra khoảng 2 kg SCG ướt. SCG chứa nhiều thành phần giá trị như polysaccharides (chiếm khoảng 50% khối lượng khô), dầu (khoảng 15-26%), lignin, protein, caffeine và các hợp chất phenolic có hoạt tính sinh học. Tuy nhiên, do chưa được xử lý hiệu quả, SCG gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Việc tận dụng SCG làm nguyên liệu cho vật liệu composite phân hủy sinh học là hướng đi tiềm năng nhằm giảm thiểu chất thải và phát triển vật liệu thân thiện môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo vật liệu composite phân hủy sinh học dựa trên nhựa PLA và bã cà phê, nhằm cải thiện tính chất cơ lý của PLA đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu tái tạo từ chất thải nông nghiệp. Nghiên cứu tập trung vào việc xử lý bã cà phê, tách dầu, xử lý bề mặt bằng silan, và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như kích thước hạt, hàm lượng bã cà phê và chất trợ tương hợp đến tính chất cơ học và nhiệt học của composite. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 2020-2022, với các phương pháp phân tích hiện đại như kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại (IR), và các tiêu chuẩn đo lường cơ học theo ISO và ASTM.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu sinh học mới, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do chất thải cà phê, đồng thời mở rộng ứng dụng của PLA trong các ngành công nghiệp bao bì, y tế và nông nghiệp với hiệu quả kinh tế và môi trường cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết về polyme phân hủy sinh học: PLA là polyme thuộc nhóm poly (α-hydroxy ester), có khả năng phân hủy sinh học nhờ các yếu tố như trọng lượng phân tử, độ kết tinh, và sự có mặt của các nhóm chức năng đầu mạch. Quá trình phân hủy phụ thuộc vào điều kiện môi trường như nhiệt độ, pH và sự hiện diện của enzym hoặc vi sinh vật.

  • Mô hình composite polymer: Composite PLA/SCG được xem là vật liệu đa pha, trong đó SCG đóng vai trò chất độn và chất hóa dẻo tự nhiên. Tương tác giữa pha nền PLA và pha độn SCG ảnh hưởng đến tính chất cơ học và nhiệt học của vật liệu. Việc xử lý bề mặt SCG bằng silan nhằm tăng cường liên kết pha và cải thiện tính tương hợp.

  • Khái niệm về xử lý bề mặt bằng silan: Silan chứa nhóm epoxy giúp cải thiện độ bám dính giữa bã cà phê và PLA, làm tăng tính đồng nhất và phân tán của hạt SCG trong pha nền, từ đó nâng cao tính chất cơ học của composite.

  • Chỉ số chảy (MFI): Là thước đo khả năng gia công của vật liệu nhựa, phản ánh độ nhớt và tính chảy của composite dưới nhiệt độ và áp lực nhất định.

  • Phân tích hình thái học bằng SEM: Đánh giá kích thước, phân bố và cấu trúc bề mặt của hạt SCG trước và sau xử lý, từ đó liên hệ với tính chất cơ học của composite.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là nhựa Polylactic axit (PLA 4043D) nhập khẩu từ Hoa Kỳ và bã cà phê phế phẩm thu gom từ các cửa hàng cà phê tại Hà Nội. Bã cà phê được xử lý sấy khô, nghiền nhỏ và tách dầu bằng dung môi n-hexan và hỗn hợp n-hexan/etanol.

  • Phương pháp xử lý bề mặt: Bã cà phê được xử lý bằng dung dịch silan Dynasylan®GLYMO với nồng độ từ 0 đến 2% trong 10 phút ở nhiệt độ phòng, sau đó sấy khô ở 120°C trong 4 giờ.

  • Chế tạo composite: Hỗn hợp PLA, SCG và phụ gia được trộn đều bằng máy trộn Mixer, sau đó đùn bằng máy đùn hai trục vít Leistritz ở nhiệt độ từ 145°C đến 185°C với tốc độ 250 vòng/phút. Sợi composite được làm nguội, cắt hạt và sấy khô trước khi ép phun thành mẫu thử.

  • Phân tích kích thước hạt: Kích thước và phân bố hạt SCG được xác định qua ảnh SEM sử dụng phần mềm ImageJ và Origin với cỡ mẫu trên 100 phần tử.

  • Phân tích phổ hồng ngoại (IR): Đánh giá thành phần hóa học và hiệu quả tách dầu của SCG trước và sau xử lý.

  • Đo chỉ số chảy (MFI): Thực hiện trên máy Tinius Olsen ở 190°C với quả nặng 2,16 kg, mẫu được sấy khô trước khi đo.

  • Đánh giá tính chất cơ học: Bao gồm độ bền uốn (ISO 178:2010), độ bền kéo đứt (ASTM D638) và độ bền va đập (ASTM D4812) được đo trên các thiết bị chuyên dụng tại Trung tâm Nghiên cứu vật liệu Polyme - Compozit, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Mỗi phép đo được thực hiện nhiều lần để lấy giá trị trung bình.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài khoảng 2 năm (2020-2022), bao gồm giai đoạn thu thập nguyên liệu, xử lý bã cà phê, chế tạo composite, phân tích và đánh giá tính chất vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của kích thước hạt SCG đến tính chất composite:
    Kích thước trung bình của SCG giảm từ 21 µm xuống còn 12 µm sau khi nghiền, phân bố kích thước hạt trở nên đồng đều hơn. Kích thước hạt nhỏ hơn giúp cải thiện độ giãn dài khi đứt của composite từ 4,18% lên 5,04%, đồng thời tăng độ bền kéo từ 5,33 MPa lên 6,63 MPa khi hàm lượng SCG là 10%. Tuy nhiên, độ bền kéo và mô đun giảm nhẹ khi hàm lượng SCG tăng.

  2. Hiệu suất tách dầu từ SCG:
    Sử dụng dung môi n-hexan và hỗn hợp n-hexan/etanol (1:1 v/v) cho hiệu suất tách dầu cao nhất sau 4 giờ, đạt khoảng 12%. Tỉ lệ dung môi/SCG tối ưu là 3,2 ml/g để đạt hiệu suất tách dầu cao nhất. Việc tách dầu làm bề mặt SCG xuất hiện nhiều lỗ rỗng, tăng diện tích bề mặt và khả năng tương tác với PLA.

  3. Ảnh hưởng của xử lý silan và chất trợ tương hợp PLA-g-MA:
    Xử lý bề mặt SCG bằng silan giúp tăng cường độ bám dính giữa SCG và PLA, làm tăng tính đồng nhất của composite. Sự có mặt của PLA-g-MA làm tăng độ bền uốn và kéo, đồng thời cải thiện khả năng chịu nước và phân hủy sinh học của vật liệu. Composite PLA/ESCG có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với PLA/SCG, dễ gia công hơn.

  4. Tính chất cơ học và chỉ số chảy (MFI):
    Composite PLA/SCG có chỉ số chảy tăng khi hàm lượng SCG tăng, cho thấy khả năng gia công tốt hơn. Độ bền va đập của composite PLA/ESCG tăng đáng kể, độ dẻo dai tăng 418,7% so với PLA nguyên sinh, phù hợp cho các ứng dụng cần tính năng cơ học cao.

Thảo luận kết quả

Kích thước hạt SCG nhỏ và đồng đều giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa pha độn và pha nền, từ đó cải thiện tính chất cơ học của composite. Quá trình tách dầu làm giảm lượng lipid gây ảnh hưởng tiêu cực đến liên kết pha, đồng thời tạo ra bề mặt xốp giúp tăng cường tương tác vật lý và hóa học với PLA. Việc xử lý bề mặt bằng silan và sử dụng chất trợ tương hợp PLA-g-MA là các biện pháp hiệu quả để nâng cao tính tương hợp pha, cải thiện độ bền và độ bền va đập của composite.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả cho thấy composite PLA/SCG có tính chất cơ học và nhiệt học tương đương hoặc vượt trội hơn so với các vật liệu composite sinh học khác sử dụng chất độn lignocellulosic. Việc tăng chỉ số chảy cũng đồng nghĩa với khả năng gia công dễ dàng hơn, phù hợp với các quy trình công nghiệp như đùn, ép phun và in 3D.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố kích thước hạt SCG trước và sau nghiền, biểu đồ hiệu suất tách dầu theo thời gian và tỉ lệ dung môi, cũng như bảng so sánh các tính chất cơ học của composite với các hàm lượng SCG và xử lý khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình nghiền và tách dầu SCG:
    Áp dụng quy trình nghiền để đạt kích thước hạt trung bình khoảng 12 µm và tách dầu bằng hỗn hợp dung môi n-hexan/etanol trong 4 giờ với tỉ lệ dung môi/SCG là 3,2 ml/g nhằm tối ưu hiệu suất và chất lượng nguyên liệu đầu vào.

  2. Sử dụng xử lý bề mặt bằng silan và chất trợ tương hợp PLA-g-MA:
    Khuyến nghị xử lý SCG với silan Dynasylan®GLYMO nồng độ 1-2% và bổ sung PLA-g-MA để tăng cường liên kết pha, cải thiện tính chất cơ học và khả năng phân hủy sinh học của composite trong vòng 6 tháng đầu sản xuất.

  3. Phát triển quy trình sản xuất công nghiệp composite PLA/SCG:
    Áp dụng công nghệ đùn hai trục vít và ép phun với điều kiện nhiệt độ từ 145°C đến 185°C, tốc độ trục 250 vòng/phút, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng đều và khả năng gia công linh hoạt trong vòng 1 năm.

  4. Mở rộng ứng dụng composite trong các lĩnh vực bao bì, y tế và nông nghiệp:
    Khuyến khích các doanh nghiệp và viện nghiên cứu phối hợp phát triển sản phẩm túi trồng phân hủy sinh học, vật liệu cấy ghép y tế và màng phủ nông nghiệp từ composite PLA/SCG trong vòng 2 năm tới, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và nâng cao giá trị kinh tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học và Vật liệu:
    Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về chế tạo composite phân hủy sinh học, giúp mở rộng kiến thức và ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu sinh học.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học và bao bì thân thiện môi trường:
    Thông tin về quy trình xử lý bã cà phê và chế tạo composite PLA/SCG hỗ trợ phát triển sản phẩm mới, giảm chi phí nguyên liệu và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  3. Ngành công nghiệp cà phê và quản lý chất thải nông nghiệp:
    Cung cấp giải pháp tận dụng bã cà phê phế thải hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra giá trị gia tăng từ chất thải nông nghiệp.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách phát triển bền vững:
    Luận văn góp phần cung cấp dữ liệu khoa học và giải pháp công nghệ hỗ trợ xây dựng chính sách quản lý chất thải và phát triển vật liệu phân hủy sinh học tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. PLA là gì và tại sao được sử dụng làm vật liệu phân hủy sinh học?
    PLA là polyme tổng hợp từ lactic axit có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn, thân thiện môi trường và có tính chất cơ lý tương đương nhựa truyền thống, phù hợp cho nhiều ứng dụng như bao bì và y tế.

  2. Bã cà phê có thành phần chính nào và tại sao được chọn làm chất độn?
    Bã cà phê chứa polysaccharides (50%), dầu (15-26%), lignin, protein và các hợp chất sinh học khác. Đây là nguồn nguyên liệu tái tạo giá rẻ, giúp cải thiện tính chất cơ học và giảm chi phí sản xuất composite.

  3. Tại sao cần tách dầu khỏi bã cà phê trước khi chế tạo composite?
    Dầu trong bã cà phê có thể làm giảm độ bám dính giữa SCG và PLA, ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất cơ học. Tách dầu giúp tạo bề mặt xốp, tăng tương tác pha và cải thiện chất lượng composite.

  4. Xử lý bề mặt bằng silan có tác dụng gì trong composite?
    Silan chứa nhóm epoxy giúp tăng cường liên kết hóa học giữa bã cà phê và PLA, cải thiện phân tán hạt, tăng độ bền cơ học và khả năng chịu nước của composite.

  5. Composite PLA/SCG có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Composite này phù hợp cho sản xuất bao bì phân hủy sinh học, vật liệu y tế cấy ghép, màng phủ nông nghiệp và các sản phẩm in 3D thân thiện môi trường, góp phần giảm thiểu chất thải nhựa.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo vật liệu composite phân hủy sinh học từ nhựa PLA và bã cà phê với các phương pháp nghiền, tách dầu và xử lý bề mặt hiệu quả.
  • Kích thước hạt SCG và hàm lượng dầu ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất cơ học và nhiệt học của composite.
  • Xử lý bề mặt bằng silan và sử dụng chất trợ tương hợp PLA-g-MA giúp cải thiện đáng kể tính tương hợp pha và tính chất vật liệu.
  • Composite PLA/SCG có khả năng gia công tốt, độ bền va đập và độ dẻo dai tăng, phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp thân thiện môi trường.
  • Đề xuất tiếp tục phát triển quy trình sản xuất công nghiệp và mở rộng ứng dụng composite trong các lĩnh vực bao bì, y tế và nông nghiệp trong vòng 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm mới, đồng thời thúc đẩy hợp tác nghiên cứu đa ngành nhằm nâng cao giá trị và ứng dụng của vật liệu composite phân hủy sinh học.