CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về polyethylene 1. Giới thiệu về polyethylene Polyethylene (PE), là loại nhựa nhiệt dẻo có sản lượng lớn nhất và được sử dụng rất phổ biến trên thế giới với lượng tiêu thụ hàng năm trên 60 triệu tấn. PE được tổng hợp lần đầu tiên vào những năm 1930, đây là một hợp chất hữu cơ gồm nhiều nhóm etylen CH2-CH2 liên kết với nhau bằng các liên kết hydro nội phân tử (hình 1.1), chúng được điều chế bằng phản ứng trùng hợp các monome etylen (C2H4) được thu nhận chủ yếu từ dầu mỏ hoặc khí thiên nhiên [12].
Sản phẩm chính của PE thường là các dạng như túi nhựa, phim nhựa …. Trùng hợp PE từ monome etylen PE màu trắng, hơi trong nhưng độ trong có thể giảm nếu các tinh thể có mật độ lớn hơn bước sóng ánh sáng khả kiến, chúng không cho nước và khí thấm qua cũng không dẫn nhiệt và không dẫn điện, tuy nhiên chúng dễ tích điện ta có thể giảm sự tích điện bằng cách bổ sung than chì, muội than hoặc chất chống tĩnh điện trong quá trình sản xuất. Đồng thời, về mặt cơ học PE có độ ổn định, độ cứng và độ ma sát thấp nhưng có độ dẻo và độ bền va đập cao. Tùy loại PE mà chúng có nhiệt độ hóa thủy tinh Tg≈ -100°C và nhiệt độ nóng chảy Tm ≈ 120°C.
Đối với các loại PE mật độ trung bình và mật độ cao, điểm nóng chảy thường nằm trong khoảng 120-180°C, điểm nóng chảy của PE mật độ thấp thường là 105-115°C. Do PE có điểm nóng chảy tương đối thấp nên các sản phẩm PE trên thị trường bị giới hạn về khả năng ứng dụng thương mại, để khắc phục một số phụ gia được bổ sung vào trong quá trình sản xuất [12]. Ở nhiệt độ cao hơn 70oC, PE hòa tan kém trong các dung môi như toluen, xilen, amilacetat, tricloetylen, dầu thông. dầu khoáng.
Dù ở nhiệt độ cao, PE cũng không thể hòa tan trong nước, trong các loại rượu béo, aceton, ête etylic, glicerin và các loại dầu thảo mộc. Hầu hết các loại LDPE, MDPE và HDPE có khả năng kháng hóa chất, có nghĩa là chúng không bị acid mạnh hoặc base mạnh tấn công và có khả năng chống lại các chất oxy hóa và chất khử nhẹ. Các loại PE có thể trở nên giòn khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Chúng cháy chậm với ngọn lửa màu 3 xanh, tỏa ra mùi parafin.
Vật liệu PE tiếp tục cháy khi loại bỏ nguồn lửa và tạo ra một giọt keo [14]. Cấu trúc của PE là các chuỗi hydrocacbon không phân cực, bão hòa, có trọng lượng phân tử cao. Vì vậy, tổng thể PE là một tinh thể có sự kết tinh cao và cấu trúc phân tử đối xứng, điều đó làm tăng mật độ, sự ổn định cơ học và hóa học trong PE [12]. Vật liệu PE có nhiều tính chất ưu việt, do đó chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và đời sống.
Đối với thị trường hàng hóa lâu bền và lớp phủ bề mặt, PE là loại nguyên vật liệu không thể thiếu bởi độ bền, tuổi thọ và tính bền dai của chúng. PE còn được sử dụng trong công nghệ chế tạo bao bì thực phẩm và các sản phẩm chuyên dụng. Ngoài ra, PE còn có mặt trong các thị trường sản phẩm vệ sinh, y khoa và nông nghiệp. Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu thị trường của các sản phẩm nhựa ngày càng lớn, dẫn đến sản phẩm PE ngày càng đa dạng và phức tạp hơn [6], [12], [13].
PE được chia thành rất nhiều loại dựa trên sự khác biệt trong cấu trúc phân tử. Bên cạnh đó, cấu trúc phân tử lại bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như: khối lượng phân tử, tỷ trọng, độ kết tinh và mức độ khâu mạch. Trong đó, trọng lượng phân tử và độ kết tinh là hai yếu tố ảnh hưởng lớn nhất, tuy nhiên độ kết tinh lại phụ thuộc vào trọng lượng phân tử và mức độ phân nhánh. Từ các yếu tố đó mà PE được chia thành một số loại như: PE có trọng lượng phân tử cực cao (UHMWPE), PE có trọng lượng phân tử cao (HMWPE), PE có trọng lượng phân tử cực thấp (ULMWPE hoặc PE-WA), PE clo hóa (CPE), PE liên kết ngang (PEX hoặc XLPE), PE liên kết chéo mật độ cao (HDXLPE), PE mật độ cao (HDPE), PE mật độ trung bình (MDPE), PE mật độ thấp tuyến tính (LLDPE), PE mật độ thấp (LDPE), PE mật độ rất thấp (VLDPE) [15].
Trong những loại PE trên, 2 loại PE được sản xuất và tiêu thụ nhiều nhất là HDPE và LDPE [3]. Trong đó, LDPE có tính linh hoạt và tính chống chịu cao hơn HDPE. Bởi vì, cấu trúc của LDPE có cả nhánh dài và nhánh ngắn nên các phân tử không thể đóng gói chặt chẽ với nhau theo cách sắp xếp tinh thể cứng. Còn HDPE là loại vật liệu nhẹ nhưng siêu bền, do cấu trúc của chúng cho phép các chuỗi polyme đóng gói chặt chẽ với nhau, tạo ra vật liệu kết tinh dày đặc, có độ bền cao và độ cứng vừa phải [15],[16].
Các đặc tính và ứng dụng của 2 loại PE này được tổng hợp trong bảng 1. Đặc tính và ứng dụng của các loại nhựa PE thông dụng TT Loại PE Đặc tính Ứng dụng 1 Nhựa PE - d = 0,915 – 0,935g/cm3 - Tăng độ bền khi nóng chảy với tỷ trọng - Tm: 105 – 110oC LLDPE thấp - Mạch hỗn độn chứa cả nhánh - Cán tráng (LDPE) ngắn và dài - Các loại túi và lớp lót khi không - Có độ bền cao khi nóng chảy yêu cầu độ bền, bao bì thực phẩm, màng co. - Có độ trong cao, mềm dẻo 2 Nhựa PE - d = 0,94 – 0,97g/cm3 - Túi siêu thị, túi đựng hàng tạp tỷ trọng - Tm: 130 – 135oC phẩm, lớp lót đựng ngũ cốc. cao - Có ít hoặc không phân nhánh - Ống dẫn (HDPE) - Đồ đựng được ép phun: xô, sọt, - Độ bền cơ học cao, độ cứng cao thùng.
- Có khả năng chịu nứt ứng suất - Chai đựng được đúc thổi: chai, tốt, chống thẩm thấu hơi tốt thùng, lọ đựng chất tẩy rửa, thực - Có khả năng chịu được va đập phẩm, hóa mỹ phẩm. ở nhiệt độ thấp tốt hơn so với các loại vật liệu cứng khác - Màu trắng đục [15]-[17] 1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ polyethylene PE là loại nhựa rất phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống. PE là loại nhựa chiếm tỉ trọng lớn nhất trong ngành sản xuất nhựa.
Chỉ tính đến năm 2017, sản lượng PE thường niên là hơn 100 triệu tấn, chiếm đến 34% tổng thị trường nhựa [4]. Theo dự kiến, đến năm 2025 sản lượng nhựa toàn cầu đạt khoảng 450 triệu tấn, trong đó sản lượng PE chiếm tỷ trọng lớn nhất với sản lượng khoảng 130 triệu tấn khoảng 28% trong cơ cấu tiêu thụ nhựa toàn cầu (bảng 1. Dự kiến sản lượng một số loại nhựa trên thế giới Loại nhựa PS PET PVC HDPE LDPE PP Năm 2020 26.2 [3] PE đóng vai trò quan trọng trong đời sống hiện đại, chúng được dùng làm nguyên vật liệu sản xuất nhiều loại vật dụng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực phục vụ trong đời sống con người. Trong đó, PE được ứng dụng rộng rãi nhất trong mảng nhựa bao bì, đặc biệt là các sản phẩm bao bì dùng một lần.
Ngành công nghiệp nhựa tăng trưởng nhanh và ổn định, với sản lượng sản xuất và tiêu thụ toàn thế giới tăng từ 1,5 triệu tấn năm 1950 lên đến 367 triệu tấn năm 2020 [18], nhu cầu tiêu thụ nhựa trong đó có nhựa PE không ngừng tăng do sự bùng nổ dân số trên toàn cầu. Cùng với đó, sự phát triển của khoa học công nghệ góp phần thúc đẩy những ý tưởng về vấn đề tạo ra loại vật liệu có hiệu quả sử dụng tối đa, nhằm thay thế cho những vật liệu truyền thống như gỗ, kim loại và thủy tinh. Trong thời gian từ 1950 đến 2017, sản lượng nhựa sản xuất toàn cầu đạt tỷ lệ tăng trưởng kép hàng năm vào khoảng 8,3%/năm. Dự báo trong giai đoạn 2017 đến 2025, Trung Quốc và châu Á là động lực tăng trưởng chính của ngành, với tốc độ tăng trưởng được dự báo lần lượt ở mức 4,95% và 4,57%[4].
Trong 70 năm qua, ngành công nghiệp nhựa đã ngày càng có vai trò quan trọng trong đời sống và sản xuất, vì vậy đã đạt được sự tăng trưởng đáng kể, đặc biệt là ở châu Á. Tại Việt Nam từ năm 2000 đến nay, ngành nhựa tăng trưởng rất ổn định với mức tăng trưởng trong giai đoạn 2016 – 2018 giữ ở mức 11,3%. Dự kiến trong giai đoạn 2019 – 2023, mức tăng trưởng trung bình đạt khoảng 6,5%. Trong cơ cấu sản xuất của ngành nhựa Việt Nam, các doanh nghiệp hiện tại chủ yếu hoạt động trong mảng nhựa bao bì, chiếm tỷ trọng khoảng 41%.
Điều này đồng nghĩa rằng, mảng nhựa bao bì chiếm tỷ trọng lớn nhất trong cơ cấu giá trị của ngành đạt khoảng 35% [4]. 6 Các sản phẩm nhựa bao bì (nhựa PE) mang lại nhiều sự tiện lợi cho cuộc sống. Bên cạnh đó, giá thành của các sản phẩm này khá thấp, dễ tiếp cận là những yếu tố khiến nhu cầu sử dụng tăng mạnh hàng năm. Chúng đã mang lại khoản lợi nhuận không nhỏ cho các doanh nghiệp sản xuất nhựa, do đó chúng trở thành động lực tăng trưởng chính của ngành nhựa.
Vào năm 2019, thống kê về việc sử dụng của các hộ gia đình tại các tỉnh thành ở Việt Nam đã cho thấy một hộ gia đình trong một tháng có thể thải ra khoảng 60 - 120 túi ni lông (PE) [5]. Với sản lượng và nhu cầu ngày càng cao, tỷ trọng chiếm đa số là các sản phẩm bao bì, lượng rác thải PE thải ra môi trường ngày càng lớn, điều này đang trở thành một thách thức lớn cần tìm ra hướng để khắc phục. Nhựa là loại vật liệu được ứng dụng nhiều trong cuộc sống hiện đại, chúng mang lại sự tiện ích với chi phí sản xuất thấp, đây là nguyên nhân đẩy nhanh sự phát triển của ngành sản xuất nhựa. Bên cạnh đó, điều này cũng dẫn đến sự tích lũy của rác thải nhựa trong tự nhiên ngày càng lớn, tình trạng đã lên đến mức báo động, gây ảnh hưởng xấu đến môi trường và hệ sinh thái.
Việc xử lý rác thải nhựa đang trở thành một thách thức lớn cho các quốc gia trong đó có Việt Nam. Ảnh hưởng của rác thải nhựa đến môi trường 1.
