Đồ án tốt nghiệp: Quy trình tổng hợp màng PLA/PVA thân thiện môi trường

Nghiên cứu quy trình tổng hợp màng PLA/PVA, giải pháp vật liệu phân hủy sinh học. Tìm hiểu về đặc tính, phương pháp và tiềm năng ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Phạm Tiến Đạt
• Người hướng dẫn: Phạm Thanh Trúc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu quy trình tổng hợp màng PLA/PVA thân thiện với môi trường
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và Tầm quan trọng của Màng PLA PVA

Màng PLA/PVA là một giải pháp nhựa phân hủy sinh học tiên tiến được tổng hợp từ hai polymer chính: poly(lactic acid) - PLA và poly(vinyl alcohol) - PVA. Đây là một trong những hướng đi quan trọng trong nghiên cứu vật liệu thân thiện với môi trường, nhằm giải quyết bài toán ô nhiễm nhựa toàn cầu. Tính chất đặc biệt của màng này nằm ở khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn trong điều kiện tự nhiên, không để lại các chất độc hại. Sự kết hợp giữa PLA và PVA tạo nên vật liệu với độ bền cơ học tốt hơn, khả năng hấp thụ ẩm cải thiện, và tốc độ phân hủy có thể kiểm soát được. Ứng dụng của nhựa phân hủy sinh học PLA/PVA mở rộng trong các lĩnh vực bao bì thực phẩm, y tế, nông nghiệp, từng bước thay thế các sản phẩm nhựa truyền thống gây hại cho sinh thái.

1.1. Định nghĩa Poly lactic acid và Poly vinyl alcohol

PLA (Poly(lactic acid)) là một polymer sinh khối được tổng hợp từ axit lactic, có nguồn gốc từ các nguyên liệu tái tạo như bột ngô hay mía đường. PVA (Poly(vinyl alcohol)) là polymer tổng hợp có khả năng hấp thụ ẩm cao và độ bền cơ học tốt. Cả hai polymer đều có tính chất phân hủy sinh học, tức là có thể bị phân huỷ bởi các vi sinh vật trong điều kiện tự nhiên sau một khoảng thời gian nhất định.

1.2. Nhu cầu thị trường và Tiềm năng phát triển

Nhu cầu toàn cầu về các sản phẩm nhựa thân thiện với môi trường tăng nhanh do ý thức bảo vệ sinh thái và các quy định pháp luật ngày càng chặt chẽ. Màng PLA/PVA có tiềm năng lớn thay thế các sản phẩm nhựa một lần sử dụng, đặc biệt trong lĩnh vực bao bì thực phẩm và y tế, đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững.

II. Quá trình Tổng hợp và Đặc điểm Vật liệu

Quá trình tổng hợp màng PLA/PVA sử dụng các phương pháp hiện đại như pha trộn polymer, đúc phim hoặc kỹ thuật electrospinning. Nguyên liệu chính bao gồm PLA, PVA, tinh bột, và các chất phụ gia để cải thiện tính chất vật liệu. Các tham số quan trọng trong quá trình tổng hợp bao gồm: tỷ lệ nhựa nền PVA, nhiệt độ xử lý, thời gian ủ nhanh, và điều kiện sấy khô. Tính chất vật liệu của màng PLA/PVA được đánh giá thông qua nhiều phương pháp phân tích: quan sát bề mặt bằng kính hiển vi quang học (OM), phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi (FT-IR), kính hiển vi điện tử quét (SEM), và phân tích nhiệt (TGA, DSC). Các kết quả cho thấy màng có cấu trúc đồng nhất, độ kết tinh phù hợp, và khả năng chịu nhiệt ổn định.

2.1. Các phương pháp Tổng hợp màng PLA PVA

Các phương pháp tổng hợp chính bao gồm đúc phim bằng dòng tan chảy (melt casting) và kỹ thuật hòa tan dung môi. Quy trình chi tiết gồm: chuẩn bị nguyên liệu, trộn hỗn hợp polymer ở nhiệt độ kiểm soát, đúc thành màng, và ủ nhanh (annealing) để tối ưu hóa tính chất kết tinh. Dụng cụ và thiết bị sử dụng bao gồm lò nung, các khuôn đúc, và máy sấy để hoàn thiện sản phẩm cuối cùng.

2.2. Tính chất cơ học và Đặc tính Vật lý

Màng PLA/PVA thể hiện độ bền kéo tốt, độ co giãn tăng nhờ thêm PVA, và khả năng chắn oxy cao hơn so với PLA thuần. Khả năng hấp thụ ẩm của PVA giúp cải thiện tính linh hoạt của màng. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) cho thấy độ ổn định nhiệt ở khoảng 250-300°C. Phân tích quét vi sai (DSC) xác định nhiệt độ chuyển pha và độ kết tinh của vật liệu.

III. Khả năng Phân hủy Sinh học và Tính Bền vững

Một trong những ưu điểm nổi bật của màng PLA/PVA là khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn trong các môi trường khác nhau: đất, nước, và điều kiện ngoài trời. Quá trình phân hủy được thúc đẩy bởi các vi sinh vật như Lactobacillus casei và các enzyme tự nhiên có trong môi trường. Khoảng thời gian phân hủy phụ thuộc vào tỷ lệ PLA/PVA, độ kết tinh, kích thước màng, và điều kiện môi trường cụ thể. Nghiên cứu cho thấy trong môi trường đất có độ ẩm và nhiệt độ thích hợp, màng có thể phân hủy hoàn toàn trong vài tháng. Trong môi trường nước lạnh, tốc độ phân hủy chậm hơn nhưng vẫn diễn ra hiệu quả. Khả năng phân hủy của vật liệu có thể được tối ưu hóa bằng cách thêm tinh bột hoặc các chất kích hoạt phân hủy, tạo nên giải pháp nhựa thực sự bền vững cho tương lai.

3.1. Các giai đoạn và Cơ chế Phân hủy

Quá trình phân hủy sinh học PLA/PVA diễn ra qua các giai đoạn: phân hủy thủy học ban đầu (làm giảm khối lượng phân tử), phân hủy sinh học bởi vi sinh vật, và khoáng hóa hoàn toàn thành CO₂ và H₂O. Polyme phân hủy sinh học PLA/PVA không để lại các sản phẩm phụ độc hại, an toàn với sinh thái và con người.

3.2. Ứng dụng Thực tiễn và Triển vọng Phát triển

Ứng dụng của màng PLA/PVA rộng rãi trong bao bì thực phẩm (túi, lớp phủ), sản phẩm y tế (băng cứu vết), nông nghiệp (màng phủ nông nghiệp), và các vật liệu tiêu hao một lần. Triển vọng phát triển hướng tới tối ưu hóa tính chất, giảm chi phí sản xuất, và mở rộng ứng dụng, góp phần giải quyết thách thức ô nhiễm nhựa toàn cầu.

IV. Đánh giá và Phương pháp Phân tích Vật liệu

Để đánh giá toàn diện chất lượng và tính chất của màng PLA/PVA, các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp phân tích tiên tiến. Quang phổ hồng ngoại biến đổi (FT-IR) giúp xác định cấu trúc hóa học, các nhóm chức năng, và mức độ pha trộn giữa PLA và PVA. Kính hiển vi quang học (OM) cho phép quan sát trực tiếp bề mặt, cấu trúc lỗ chân chim, và tính đồng nhất của màng. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh chi tiết ở mức độ nano, phác họa hình thái bề mặt và độ mịn/nhám. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và phân tích quét vi sai (DSC) xác định độ ổn định nhiệt, nhiệt độ chuyển pha玻璃, độ nóng chảy, giúp dự đoán hiệu suất tại các điều kiện sử dụng khác nhau. Ngoài ra, phương pháp đánh giá khả năng phân hủy sinh học được thực hiện trong các điều kiện kiểm soát (đất, nước, ngoài trời), theo dõi sự thay đổi khối lượng, cấu trúc theo thời gian.

4.1. Các Kỹ thuật Phân tích Cấu trúc Vật liệu

FT-IR (Quang phổ hồng ngoại Fourier) phát hiện các liên kết hóa học, xác nhận sự tổng hợp thành công và khối lượng chất lượng. OM (Kính hiển vi quang học) kiểm tra tính đồng nhất, độ trong suốt, sự phân tán tinh bột. SEM (Kính hiển vi điện tử quét) cung cấp ảnh độ phân giải cao về hình thái bề mặt, kích thước hạt, độ bền liên kết giữa các pha.

4.2. Phương pháp Đánh giá Tính chất Nhiệt và Phân hủy

TGA (Phân tích nhiệt trọng lượng) theo dõi sự mất khối lượng theo nhiệt độ, xác định độ ổn định nhiệt. DSC (Phân tích quét vi sai) đo các chuyển đổi nhiệt (tan chảy, kết tinh), cung cấp dữ liệu enthalpy. Đánh giá phân hủy sinh học trong các điều kiện đất, nước, ngoài trời, theo dõi sự giảm khối lượng để xác định tốc độ phân hủy hoàn toàn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Thế giới đã trải qua bốn cuộc Cách mạng Công nghiệp và không thể phủ nhận rằng polyme đóng vai trò quan trọng trong công cuộc thay đổi và phát triển ngành công nghiệp sản xuất của thế giới. Sự phát hiện ra nhựa như một giải pháp hữu hiệu cho các vấn đề vốn dĩ các vật liệu khác như kim loại chưa thể đáp ứng được. Nhựa là một vật liệu độc đáo với nhiều lợi ích như giá thành rẻ, tính cơ động và linh hoạt cao, khối lượng nhẹ và bền với các yếu tố ngoại lực cũng như thời gian. Điều này làm cho nó trở thành một vật liệu có giá trị cho nhiều chức năng và có mặt ở mọi nơi trong cuộc sống.

Sự tiện lợi cũng như tính kinh tế mà nhựa đem lại khiến nhựa được sản xuất ngày càng nhiều trên thế giới. Sản lượng sản xuất nhựa ngày càng tăng thì áp lực lên vấn đề môi trường ngày càng lớn. Việc sử dụng sản phẩm nhựa một lần không tái chế cũng như không chú trọng vào công tác quản lý khiến lượng rác thải nhựa đã có mặt rộng rãi đến hầu hết mọi nơi trên thế giới. Việc xuất hiện rác thải từ đất liền cho đến đại dương gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho các hệ sinh thái, sinh vật sống và môi trường.

Nguồn nguyên liệu nào rồi cũng sẽ cạn kiệt, kể cả nguồn nguyên liệu hóa thạch. Đứng trước vấn đề này cùng vấn đề lớn hơn về môi trường, nhân loại cần tìm ra một hướng đi mới để đạt được sự phát triển bền vững. Nhựa truyền thống có nguồn gốc từ nguyên liệu hóa thạch khó bị phân hủy trong thời gian ngắn. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu và chế tạo những loại vật liệu thân thiện môi trường và có thể từng bước thay thế nhựa truyền thống.

Nhựa tổng hợp từ nguồn nguyên liệu tái tạo có thể phân hủy sinh học đã và đang là hướng đi tốt cho xu hướng phát triển của ngành công nghiệp nhựa thế giới. Poly(lactic axit) là một polyme phân hủy sinh học được tổng hợp từ nguồn nguyên liệu tái tạo nhận được sự quan tâm lớn của giới khoa học cũng như các nhà sản xuất trên thế giới. Tuy nhiên với sự đầu tư về chi phí sản xuất cũng như thiết bị khoa học công nghệ lớn, giá thành của PLA thường dao động ở mức cao hơn so với các polyme tổng hợp từ nguồn nguyên liệu hóa thạch. Điều đó khiến nhựa truyền thống vẫn được sử dụng nhiều và vấn đề môi trường chưa được giải quyết.

Hiểu về những khó khăn còn tồn tại, tôi đã thực hiện đề tài "Nghiên cứu quy trình tổng hợp màng PLA/PVA thân thiện với môi trường". Đề tài được xây dựng và phát triển dựa trên nguồn nguyên liệu tái tạo có sẵn trong nước là tinh bột sắn. Với mong muốn lớn nhất là nghiên cứu tổng hợp được màng có thể ứng dụng trong nông nghiệp, xa hơn là nâng cao giá trị của các sản phẩm nông nghiệp nước nhà. Tổng quan ngành nhựa trên thế giới và Việt Nam 1.

Trên thế giới Polyme tổng hợp đầu tiên trên thế giới là nhựa Bakelite được chế tạo bởi nhà hóa học người Bỉ Leo Baekeland vào những năm 1900 [6]. Mặc dù thời gian tìm hiểu 1 về nhựa chưa nhiều so với những vật liệu đương thời, nhưng nhựa vẫn nổi bật lên với những ưu điểm như chi phí sản xuất cũng như giá trị thành phẩm thấp, khối lượng nhẹ hơn so với những sản phẩm làm từ kim loại, bền với thời gian, có thể ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực,. Kể từ đó quy mô của ngành sản xuất nhựa được mở rộng vào những năm 1950. Đó được xem như là dấu mốc cho sự phát triển của ngành công nghiệp nhựa hiện đại.

Trải qua hơn một thế kỷ, sản lượng nhựa toàn cầu đã tăng đáng kể lên 335 triệu tấn vào năm 2016, 350 triệu tấn vào năm 2017. Các dự đoán dẫn đến khối lượng dự kiến sẽ tăng gấp 4 lần vào năm 2050. Mặc dù là một ngành công nghiệp lớn và quan trọng của thế giới, tuy nhiên sản xuất nhựa cũng không tránh khỏi tác động lớn từ đại dịch COVID-19. Theo thống kê của Plastics Europe, từ đầu năm 2019 đến đầu năm 2020, sản lượng sản xuất năm 2020 đã giảm tới 15 - 16% so với năm 2019.

Cho đến giữa năm 2020, khi cả thế giới đã bắt đầu có những biện pháp kiểm soát đại dịch tốt hơn thì cũng là lúc sản lượng sản xuất đã được khôi phục trở lại.1: Sản lượng sản xuất nhựa nguyên sinh trên thế giới năm 2020 [7] Các sản phẩm từ nhựa được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực trong đời sống. Từ các ngành công nghiệp như xây dựng, giao thông, sản xuất cho đến các lĩnh vực như nông nghiệp, thực phẩm,. Với nhu cầu sử dụng cao như vậy, đòi hỏi các nhà cung cấp phải tập trung sản xuất với công suất lớn để đáp ứng nhu cầu của thị trường. Theo số liệu thống kê của Plastics Europe trong báo cáo “Plastics – the Facts 2020”, Polypropylene (PP) vẫn là nhựa có nhu cầu sử dụng lớn nhất, chiếm 19,4% tổng sản lượng polyme được sản xuất vào năm 2019.

PP là một nhựa nhiệt dẻo, dễ gia công nên nhu cầu sử dụng loại nhựa này là rất lớn. Chủ yếu PP được dùng để làm bao bì thực phẩm, giấy gói đồ ăn, hộp đựng, phụ tùng ô tô,. Polyethylene (PE) cũng là mặt hàng được các nhà sản xuất về đồ gia dụng chú ý đến nhiều, nhu cầu trên thị trường chỉ xếp sau PP. Tùy mục đích sử dụng và yêu cầu về tính chất mà có những loại polyme khác nhau có thể đáp ứng được nhu cầu của người tiêu dùng.

2 BIỂU ĐỒ PHÂN BỐ LƯỢNG POLYME SẢN XUẤT TẠI CHÂU ÂU - NĂM 2019 18.4% PP PE-LD / PE-LLD PE-HD / PE-MD PVC PUR PET PS / EPS Polyme khác Hình 1.2: Biểu đồ phân bố lượng polyme sản xuất theo nhu cầu năm 2019 [7]. Sản lượng sản xuất nhựa trên thế giới tăng, đồng nghĩa với nền kinh tế sẽ ngày càng phát triển. Tuy nhiên đây là sự phát triển không bền vững vì còn tồn tại một hạn chế rất lớn đó là vấn đề về ô nhiễm môi trường. Gần 90% chất dẻo được sản xuất có nguồn gốc từ nguyên liệu hóa thạch nguyên chất.

Ngành công nghiệp sản xuất nhựa sử dụng 6% lượng dầu mỏ tiêu thụ toàn cầu. Quá trình sản xuất sản sinh ra phần lớn lượng khí nhà kính GHG (Greenhouse gas) thải trực tiếp vào môi trường. Chỉ tính riêng trong năm 2012, 390 triệu tấn CO2 thải ra do sản xuất nhựa nguyên sinh. Bên cạnh đó việc xuất hiện rác thải nhựa trong lòng đại dương cũng là vấn đề đáng báo động.

Chỉ 20% nhựa đến từ các nguồn dựa trên đại dương như hoạt động du lịch trên biển, nuôi trồng, đánh bắt thủy hải sản. 80% lượng rác thải nhựa còn lại đến từ đất liền. Một nghiên cứu khác trên 192 quốc gia ven biển ước tính rằng họ tạo ra 275 triệu tấn rác hàng năm, trong đó 4,8 đến 12,7 triệu tấn nhựa được thải ra đại dương. Có hơn 150 triệu tấn rác thải nhựa trong các đại dương ngày nay, và nếu không có sự can thiệp kịp thời thì đến năm 2050, đại dương sẽ có nhiều nhựa hơn cá [5].

Đó là lý do tại sao việc tái chế lại nhựa rất quan trọng đối với không chỉ một quốc gia mà còn là trách nhiệm của cả thế giới. Trước những vấn đề đó việc nghiên cứu và tạo ra những loại vật liệu thay thế luôn là vấn đề được quan tâm. Nhựa sinh học (bao gồm nhựa sinh học không phân hủy sinh học và nhựa sinh học có khả năng phân hủy sinh học) là những vật liệu được quan tâm rất lớn trên lộ trình nghiên cứu các vật liệu xanh thân thiện với môi trường. Tuy nhiên thời điểm hiện tại chỉ chiếm 1% sản lượng nhựa toàn cầu sản xuất hàng năm.

Mặc dù vậy trong tương lai gần, khi nhu cầu sử dụng ngày càng tăng cao, người tiêu dùng với xu hướng muốn thay đổi thói quen sang sử dụng các sản phẩm thân thiện với môi trường, cùng với các sản phẩm có sự đa dạng hơn xuất hiện, thị trường nhựa sinh học sẽ liên tục phát triển. Năng lực sản xuất nhựa sinh học toàn cầu được 3 dự đoán sẽ tăng từ khoảng 2,11 triệu tấn vào năm 2020 lên khoảng 2,87 triệu tấn vào năm 2025 [8]. BIỂU ĐỒ DỰ ĐOÁN NĂNG LỰC SẢN XUẤT NHỰA SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI (2019-2025) (Đvt: Triệu tấn) 3.227 0 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 Không có khả năng PHSH Có khả năng PHSH Hình 1.3: Biểu đồ dự đoán năng lực sản xuất Nhựa sinh học trên thế giới giai đoạn (2019-2025) [8]. Tại Việt Nam Ngành nhựa Việt Nam là một trong các ngành công nghiệp có tốc độ tăng trưởng tương đối nhanh so với nền kinh tế trong nước nói chung.

Trong giai đoạn từ 2012 đến 2017, ngành nhựa Việt Nam tăng trưởng trung bình 11,6% một năm nhanh hơn so với mức tăng trưởng 3,9% của ngành nhựa thế giới và nhanh hơn so với mức tăng trưởng GDP bình quân khoảng 6,2% của Việt Nam trong cùng giai đoạn [1]. Theo báo cáo của Hiệp hội nhựa Việt Nam (VPA), trong năm 2019, sản lượng tăng trưởng của ngành nhựa ở mức 7,2%, đạt 8,89 triệu tấn, tăng 0,2% so với năm 2018. Tuy nhiên, kim ngạch xuất khẩu chỉ đạt 12,2% tương ứng 3,418 tỷ USD, thấp hơn năm 2018 7,1%. Doanh thu vẫn duy trì đà tăng trưởng ở mức 11,9%, nhưng lợi nhuận gộp của doanh nghiệp trong ngành chỉ tăng nhẹ từ 8 - 15%, tùy theo nhóm ngành hàng.

Nguyên liệu nhựa nguyên sinh của Việt Nam vẫn phụ thuộc chủ yếu vào nguyên liệu nhập khẩu. Trong giai đoạn 2018 – 2021, các dự án hóa dầu đã và sắp đi vào hoạt động sẽ giúp cải thiện rõ rệt và nâng cao năng lực sản xuất nguyên liệu nhựa nguyên sinh của Việt Nam. Đồng hành cùng xu hướng phát triển của thế giới, Việt Nam cũng đang dần hướng đến những vật liệu xanh, thân thiện với môi trường. Với tốc độ phát triển nhanh, ngành nhựa đang được coi là một ngành năng động trong nền kinh tế Việt Nam.

Sự tăng trưởng đó xuất phát từ những ưu điểm nổi 4 bật của nhựa, thị trường kinh doanh rộng, tiềm năng kinh tế lớn và đặc biệt là vì ngành nhựa Việt Nam mới chỉ ở bước đầu của sự phát triển so với thế giới.