Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính, mỗi năm thế giới thải ra khoảng 300 triệu tấn rác thải nhựa, trong đó phần lớn không được xử lý đúng cách, gây ô nhiễm nghiêm trọng đất và nước. Việt Nam hiện đứng thứ 4 thế giới về lượng rác thải nhựa ra biển với khoảng 730.000 tấn mỗi năm. Tình trạng này đặt ra nhu cầu cấp thiết phát triển các vật liệu thân thiện môi trường, có khả năng phân hủy sinh học để thay thế nhựa truyền thống. Trong bối cảnh đó, vật liệu compozit dựa trên polylactic axit (PLA) và thạch cao phế thải được xem là giải pháp tiềm năng. PLA là polyme sinh học có khả năng phân hủy sinh học cao, độ bền kéo và mô đun đàn hồi tốt, giá thành cạnh tranh (2-3,2 USD/kg), nhưng hạn chế về độ giòn và độ bền va đập. Thạch cao, đặc biệt là thạch cao phế thải từ sản xuất phân bón, có tính chất cơ học tốt, chịu nhiệt và chống cháy, được sử dụng làm chất độn để cải thiện tính chất cơ học của PLA. Nghiên cứu này nhằm tối ưu thành phần và điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu compozit PLA/thạch cao, xác định hình thái cấu trúc và tính chất cơ lý, nhiệt của vật liệu, góp phần phát triển vật liệu xanh, thân thiện môi trường, đồng thời xử lý hiệu quả thạch cao phế thải. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong năm 2021. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu phân hủy sinh học ứng dụng trong công nghiệp và xây dựng, đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do thạch cao phế thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết vật liệu compozit, trong đó vật liệu compozit gồm pha nền liên tục (polyme PLA) và pha phân tán (thạch cao phế thải). PLA là polyme sinh học thuộc nhóm poly (α-hydroxy ester), có tính chất hóa lý tương tự PET nhưng phân hủy sinh học cao, gồm ba dạng đồng phân chính: PDLA, PLLA và PDLLA với các đặc tính khác nhau về kết tinh, nhiệt độ nóng chảy và độ dãn dài. Thạch cao (CaSO4·2H2O) là khoáng vật trầm tích phổ biến, có độ cứng Mohs 1,5-2, khối lượng riêng 2,31-2,33 g/cm³, chịu nhiệt và chống cháy tốt, được sử dụng làm chất độn trong vật liệu compozit để tăng cường tính cơ học. Để cải thiện tương tác giữa thạch cao và PLA, thạch cao được biến tính bằng ethylene bis stearamide (EBS) – hợp chất hữu cơ có mạch hydrocarbon dài, nhiệt độ nóng chảy cao (140-150 °C), giúp tăng khả năng phân tán và liên kết giữa các pha. Các khái niệm chính bao gồm: tính chất cơ học (độ bền kéo, độ dãn dài, mô đun đàn hồi, độ bền va đập), tính chất lưu biến nóng chảy, phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), hình thái cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu compozit PLA/thạch cao được chế tạo trong phòng thí nghiệm Viện Kỹ thuật nhiệt đới. Thạch cao phế thải được biến tính bằng 4% EBS, phối trộn với PLA theo các tỷ lệ 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25% về khối lượng. Quá trình chế tạo mẫu gồm phối trộn nóng chảy trong thiết bị trộn kín Haake Rheomix 610 ở nhiệt độ 190 °C, tốc độ trục quay 50 vòng/phút, thời gian 5 phút, sau đó ép thủy lực thành tấm phẳng. Phân tích tính chất cơ học gồm đo độ bền kéo, độ dãn dài, mô đun đàn hồi trên thiết bị kéo nén đa năng Zwick Z2.5 theo tiêu chuẩn ASTM DIN 53503, đo độ bền va đập Izod theo ASTM D256, đo độ bền uốn theo ISO 178, đo độ cứng Shore bằng máy SAUTER HBA. Tính chất lưu biến nóng chảy được khảo sát trên máy Rheomix 610. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) thực hiện trên máy Shimazu TGA 209F1 trong môi trường khí nitơ từ 25 đến 950 °C. Hình thái cấu trúc được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét JSM-6510 LV. Phổ FT-IR được ghi nhận trên máy Nicolet iS10 trong dải sóng 4000-400 cm⁻¹. Cỡ mẫu mỗi loại là 5 mẫu để đảm bảo độ tin cậy số liệu. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, tập trung vào tối ưu điều kiện gia công và khảo sát tính chất vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Điều kiện gia công tối ưu: Thời gian trộn 5 phút, nhiệt độ phối trộn 190 °C, tốc độ trục quay 50 vòng/phút cho kết quả tốt nhất về tính chất cơ học. Mẫu PLA/thạch cao 20% có độ bền kéo đứt đạt 30,1 MPa, mô đun đàn hồi 2442 MPa, độ bền va đập 3,1 kJ/m², cao hơn so với các điều kiện khác (ví dụ thời gian trộn 3 phút chỉ đạt 24,3 MPa độ bền kéo).

  2. Ảnh hưởng hàm lượng thạch cao: Khi tăng hàm lượng thạch cao từ 0% đến 25%, độ bền uốn và độ bền va đập của vật liệu compozit thay đổi rõ rệt. Mẫu có 20% thạch cao biến tính cho độ bền uốn và va đập cao hơn mẫu không biến tính khoảng 10-15%, chứng tỏ hiệu quả của biến tính EBS trong cải thiện tính chất cơ học.

  3. Tính chất lưu biến và nhiệt: Giản đồ lưu biến nóng chảy cho thấy vật liệu compozit PLA/thạch cao biến tính có mô men xoắn cân bằng cao hơn 15% so với mẫu không biến tính, thể hiện khả năng phân tán và tương tác tốt hơn giữa các pha. Phân tích TGA cho thấy mẫu PLA/thạch cao biến tính có nhiệt độ phân hủy cao hơn khoảng 20 °C so với mẫu PLA thuần, chứng tỏ cải thiện tính ổn định nhiệt.

  4. Hình thái cấu trúc: Ảnh SEM cho thấy thạch cao biến tính bằng EBS phân tán đồng đều, các hạt tách rời rõ ràng, không bị kết tụ như mẫu thạch cao chưa biến tính. Điều này giúp tăng cường liên kết pha và cải thiện tính chất cơ học. Ngoài ra, khảo sát sự phân hủy sinh học bằng chủng vi khuẩn KSF Desulfovibrio oryzae M10 cho thấy thạch cao trong compozit có khả năng phân hủy sinh học sau 14 ngày, góp phần nâng cao tính thân thiện môi trường.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc biến tính thạch cao phế thải bằng EBS là giải pháp hiệu quả để cải thiện tương tác giữa pha cốt và nền PLA, từ đó nâng cao tính chất cơ học và nhiệt của vật liệu compozit. Điều kiện gia công tối ưu giúp tránh phân hủy PLA do nhiệt độ quá cao hoặc thời gian trộn quá dài, đồng thời đảm bảo phân tán đồng đều chất độn. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng axit stearic hoặc SDS, EBS có ưu điểm về nhiệt độ nóng chảy cao và khả năng tương tác nhóm amin với hydroxyl của thạch cao, giúp tăng cường liên kết pha. Các biểu đồ lưu biến, TGA và ảnh SEM minh họa rõ ràng sự cải thiện này. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu compozit PLA/thạch cao, đồng thời mở rộng ứng dụng thạch cao phế thải trong vật liệu phân hủy sinh học, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do thạch cao và nhựa truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ biến tính thạch cao bằng EBS trong sản xuất compozit PLA: Đề xuất các doanh nghiệp và viện nghiên cứu triển khai quy trình biến tính thạch cao với 4% EBS, phối trộn ở nhiệt độ 190 °C, tốc độ 50 vòng/phút, thời gian 5 phút để tối ưu tính chất vật liệu. Thời gian thực hiện trong 6-12 tháng.

  2. Phát triển vật liệu compozit PLA/thạch cao cho ngành xây dựng và bao bì: Khuyến khích ứng dụng vật liệu này trong sản xuất tấm xây dựng nhẹ, vật liệu cách nhiệt, bao bì thân thiện môi trường nhằm giảm thiểu rác thải nhựa và thạch cao phế thải. Chủ thể thực hiện là các công ty vật liệu xây dựng và bao bì.

  3. Nghiên cứu mở rộng về khả năng phân hủy sinh học và tính bền vững: Tiếp tục khảo sát sự phân hủy sinh học của vật liệu compozit trong các điều kiện môi trường khác nhau, đánh giá tác động môi trường và vòng đời sản phẩm. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các viện nghiên cứu môi trường và hóa học thực hiện.

  4. Xây dựng quy trình tái chế và xử lý thạch cao phế thải: Đề xuất các giải pháp thu gom, biến tính và tái sử dụng thạch cao phế thải trong công nghiệp vật liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp sản xuất phân bón phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu compozit sinh học, phương pháp biến tính và phân tích tính chất vật liệu, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và bao bì: Thông tin về công nghệ chế tạo và tối ưu vật liệu PLA/thạch cao giúp doanh nghiệp ứng dụng vật liệu xanh, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí nguyên liệu.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý chất thải nhựa và thạch cao phế thải, đề xuất giải pháp thân thiện môi trường, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững.

  4. Các tổ chức phát triển công nghệ xanh và bền vững: Luận văn là tài liệu tham khảo quan trọng trong việc thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng vật liệu phân hủy sinh học, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu compozit PLA/thạch cao có ưu điểm gì so với nhựa truyền thống?
    Vật liệu này có khả năng phân hủy sinh học cao, thân thiện môi trường, đồng thời cải thiện tính chất cơ học như độ bền kéo và va đập nhờ sự gia cường của thạch cao biến tính, giúp giảm ô nhiễm do rác thải nhựa và thạch cao phế thải.

  2. Tại sao cần biến tính thạch cao bằng EBS?
    EBS giúp tăng khả năng tương hợp và phân tán của thạch cao trong nền PLA nhờ nhóm amin tương tác với hydroxyl của thạch cao, đồng thời có nhiệt độ nóng chảy cao, không ảnh hưởng đến tính ổn định nhiệt của vật liệu, cải thiện tính chất cơ học và nhiệt.

  3. Điều kiện gia công tối ưu cho vật liệu compozit là gì?
    Nghiên cứu xác định nhiệt độ phối trộn 190 °C, tốc độ trục quay 50 vòng/phút, thời gian trộn 5 phút là điều kiện tối ưu để đạt được tính chất cơ học và nhiệt tốt nhất, tránh phân hủy PLA và đảm bảo phân tán đồng đều.

  4. Vật liệu này có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    PLA/thạch cao compozit phù hợp cho ngành xây dựng (tấm nhẹ, vật liệu cách nhiệt), bao bì thân thiện môi trường, y sinh (vật liệu tương thích sinh học), và các sản phẩm cần tính bền cơ học và phân hủy sinh học.

  5. Khả năng phân hủy sinh học của vật liệu được đánh giá như thế nào?
    Sử dụng chủng vi khuẩn KSF Desulfovibrio oryzae M10, thạch cao trong compozit phân hủy rõ rệt sau 14 ngày, cho thấy vật liệu có khả năng phân hủy sinh học tốt, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Kết luận

  • Đã xác định được điều kiện gia công tối ưu cho vật liệu compozit PLA/thạch cao gồm nhiệt độ 190 °C, tốc độ trục quay 50 vòng/phút, thời gian trộn 5 phút.
  • Biến tính thạch cao bằng 4% EBS cải thiện đáng kể tính chất cơ học, nhiệt và phân tán của vật liệu compozit.
  • Vật liệu compozit PLA/thạch cao có khả năng phân hủy sinh học, thân thiện môi trường, phù hợp ứng dụng trong xây dựng và bao bì.
  • Nghiên cứu góp phần xử lý hiệu quả thạch cao phế thải, giảm ô nhiễm môi trường và phát triển vật liệu xanh.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng về phân hủy sinh học và ứng dụng công nghiệp, đồng thời triển khai quy trình sản xuất và tái chế vật liệu.

Hãy bắt đầu áp dụng công nghệ biến tính thạch cao và chế tạo vật liệu compozit PLA/thạch cao để góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngay hôm nay!