Nghiên cứu quy trình tổng hợp màng PLA PVA thân thiện với môi trường

GIỚI THIỆU

Đặt vấn đề

Thế giới đã trải qua bốn cuộc Cách mạng Công nghiệp, trong đó polyme đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển ngành sản xuất Nhựa được phát hiện như một giải pháp hiệu quả cho những hạn chế của các vật liệu truyền thống như kim loại Với giá thành rẻ, tính linh hoạt, khối lượng nhẹ và độ bền cao, nhựa trở thành vật liệu giá trị cho nhiều ứng dụng và hiện diện trong mọi khía cạnh của cuộc sống Sự tiện lợi và tính kinh tế mà nhựa mang lại đã thúc đẩy sản xuất nhựa gia tăng trên toàn cầu.

Sản lượng sản xuất nhựa gia tăng đang tạo ra áp lực lớn lên môi trường, với việc sử dụng sản phẩm nhựa một lần không tái chế và thiếu quản lý Hệ quả là rác thải nhựa lan rộng khắp nơi trên thế giới, từ đất liền đến đại dương, gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho hệ sinh thái, sinh vật sống và môi trường.

Nguồn nguyên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt, đồng thời gây ra những vấn đề môi trường nghiêm trọng, buộc nhân loại phải tìm kiếm giải pháp phát triển bền vững Nhựa truyền thống, có nguồn gốc từ nguyên liệu hóa thạch, khó phân hủy trong thời gian ngắn, tạo ra áp lực lớn đối với môi trường Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đang nghiên cứu và phát triển các vật liệu thân thiện với môi trường, nhằm từng bước thay thế nhựa truyền thống Nhựa tổng hợp từ nguồn nguyên liệu tái tạo và có khả năng phân hủy sinh học đang trở thành xu hướng phát triển tích cực cho ngành công nghiệp nhựa toàn cầu.

Poly(lactic axit) (PLA) là một polyme phân hủy sinh học được sản xuất từ nguyên liệu tái tạo, thu hút sự quan tâm từ giới khoa học và nhà sản xuất toàn cầu Tuy nhiên, chi phí sản xuất và công nghệ cao khiến giá PLA thường cao hơn so với polyme từ nguyên liệu hóa thạch, dẫn đến việc nhựa truyền thống vẫn được ưa chuộng, gây ra vấn đề môi trường chưa được giải quyết Nhận thức được những thách thức này, tôi đã thực hiện đề tài "Nghiên cứu quy trình tổng hợp màng PLA/PVA thân thiện với môi trường", sử dụng nguồn nguyên liệu tái tạo sẵn có trong nước là tinh bột sắn Mục tiêu của nghiên cứu là phát triển màng PLA có thể ứng dụng trong nông nghiệp, từ đó nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp Việt Nam.

Tổng quan ngành nhựa trên thế giới và Việt Nam

Nhựa Bakelite, được phát minh bởi nhà hóa học người Bỉ Leo Baekeland vào những năm 1900, là polyme tổng hợp đầu tiên trên thế giới Sự ra đời của Bakelite đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong ngành công nghiệp vật liệu, mở ra kỷ nguyên mới cho các ứng dụng của polyme trong đời sống.

Mặc dù nhựa chưa phổ biến như các vật liệu khác, nhưng nó nổi bật với nhiều ưu điểm, bao gồm chi phí sản xuất thấp, giá trị thành phẩm hợp lý, trọng lượng nhẹ hơn so với kim loại, và độ bền cao Nhựa có khả năng ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực, dẫn đến sự mở rộng quy mô ngành sản xuất nhựa vào những năm 1950, đánh dấu bước tiến quan trọng trong sự phát triển của ngành công nghiệp nhựa hiện đại.

Sản lượng nhựa toàn cầu đã tăng mạnh, đạt 335 triệu tấn vào năm 2016 và 350 triệu tấn vào năm 2017, với dự đoán sẽ tăng gấp 4 lần vào năm 2050 Tuy nhiên, ngành công nghiệp nhựa cũng chịu ảnh hưởng nặng nề từ đại dịch COVID-19, với sản lượng giảm 15-16% từ năm 2019 đến năm 2020, theo thống kê của Plastics Europe Đến giữa năm 2020, khi các biện pháp kiểm soát đại dịch được cải thiện, sản lượng sản xuất đã bắt đầu phục hồi.

Sản phẩm nhựa đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, giao thông, nông nghiệp và thực phẩm, dẫn đến nhu cầu cao từ thị trường Theo báo cáo "Plastics – the Facts 2020" của Plastics Europe, polypropylene (PP) là loại nhựa được tiêu thụ nhiều nhất, chiếm 19,4% tổng sản lượng polyme năm 2019, nhờ vào khả năng gia công dễ dàng và ứng dụng rộng rãi trong bao bì thực phẩm, hộp đựng và phụ tùng ô tô Polyethylene (PE) cũng được ưa chuộng, đặc biệt trong ngành đồ gia dụng, với nhu cầu chỉ đứng sau PP Các loại polyme khác nhau được sản xuất để đáp ứng các yêu cầu và mục đích sử dụng đa dạng của người tiêu dùng.

Sản lượng nhựa toàn cầu tăng mạnh trong năm 2019, phản ánh sự phát triển của nền kinh tế, nhưng đi kèm với đó là vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Gần 90% nhựa được sản xuất từ nguyên liệu hóa thạch, chiếm 6% tổng lượng dầu mỏ tiêu thụ toàn cầu, trong khi quá trình sản xuất nhựa thải ra lượng lớn khí nhà kính Năm 2012, ngành công nghiệp này đã thải ra 390 triệu tấn CO2 Ngoài ra, rác thải nhựa đang trở thành vấn đề nhức nhối, với chỉ 20% nhựa đến từ các nguồn trên biển, còn lại 80% xuất phát từ đất liền Một nghiên cứu cho thấy 192 quốc gia ven biển tạo ra 275 triệu tấn rác mỗi năm, trong đó từ 4,8 đến 12,7 triệu tấn nhựa bị thải ra đại dương.

Hiện nay, đại dương đang chứa hơn 150 triệu tấn rác thải nhựa, và nếu không có biện pháp can thiệp kịp thời, đến năm 2050, lượng nhựa trong đại dương có thể vượt qua số lượng cá Vì vậy, việc tái chế nhựa không chỉ là trách nhiệm của một quốc gia mà còn là nghĩa vụ toàn cầu cần được thực hiện để bảo vệ môi trường biển.

Nghiên cứu và phát triển vật liệu thay thế, đặc biệt là nhựa sinh học, đang trở thành mối quan tâm hàng đầu trong bối cảnh vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng Nhựa sinh học, bao gồm cả loại không phân hủy sinh học và loại có khả năng phân hủy sinh học, được xem là giải pháp tiềm năng cho các vật liệu xanh Hiện tại, nhựa sinh học chỉ chiếm 1% sản lượng nhựa toàn cầu, nhưng với xu hướng tiêu dùng ngày càng chú trọng đến sản phẩm thân thiện với môi trường, thị trường nhựa sinh học dự kiến sẽ phát triển mạnh mẽ trong tương lai Sự gia tăng nhu cầu và sự đa dạng của sản phẩm sẽ thúc đẩy năng lực sản xuất nhựa sinh học trên toàn cầu.

BIỂU ĐỒ PHÂN BỐ LƯỢNG POLYME SẢN XUẤT TẠI CHÂU ÂU - NĂM 2019

PP PE-LD / PE-LLD PE-HD / PE-MD PVC PUR PET PS / EPS Polyme khác

4 dự đoán sẽ tăng từ khoảng 2,11 triệu tấn vào năm 2020 lên khoảng 2,87 triệu tấn vào năm 2025 [8]

Hình 1.3: Biểu đồ dự đoán năng lực sản xuất Nhựa sinh học trên thế giới giai đoạn

Ngành nhựa Việt Nam đang phát triển nhanh chóng, đóng góp tích cực vào sự tăng trưởng của nền kinh tế quốc dân Trong giai đoạn gần đây, ngành này đã chứng kiến sự mở rộng mạnh mẽ, phản ánh tiềm năng lớn trong việc đáp ứng nhu cầu thị trường nội địa và xuất khẩu.

Từ năm 2012 đến 2017, ngành nhựa Việt Nam ghi nhận mức tăng trưởng trung bình 11,6% mỗi năm, vượt xa mức tăng trưởng 3,9% của ngành nhựa toàn cầu và cao hơn mức tăng trưởng GDP bình quân khoảng 6,2% của Việt Nam trong cùng thời kỳ.

Theo báo cáo của Hiệp hội nhựa Việt Nam (VPA), ngành nhựa đã ghi nhận mức tăng trưởng sản lượng 7,2% trong năm 2019, đạt 8,89 triệu tấn, tăng nhẹ 0,2% so với năm 2018 Tuy nhiên, kim ngạch xuất khẩu chỉ đạt 3,418 tỷ USD, tương ứng 12,2%, giảm 7,1% so với năm trước Doanh thu của ngành vẫn duy trì tăng trưởng 11,9%, nhưng lợi nhuận gộp của các doanh nghiệp chỉ tăng từ 8 - 15%, tùy theo từng nhóm ngành hàng.

Nguyên liệu nhựa nguyên sinh tại Việt Nam chủ yếu phụ thuộc vào nhập khẩu Tuy nhiên, trong giai đoạn 2018 – 2021, các dự án hóa dầu đang hoạt động và sắp đi vào hoạt động sẽ cải thiện đáng kể năng lực sản xuất nguyên liệu nhựa Đồng thời, Việt Nam cũng đang chuyển hướng sang sử dụng vật liệu xanh, thân thiện với môi trường để phù hợp với xu thế phát triển toàn cầu.

Ngành nhựa Việt Nam đang phát triển nhanh chóng và được xem là một lĩnh vực năng động trong nền kinh tế Sự tăng trưởng này đến từ nhiều ưu điểm nổi bật, giúp ngành nhựa khẳng định vị thế của mình trên thị trường.

BIỂU ĐỒ DỰ ĐOÁN NĂNG LỰC SẢN XUẤT NHỰA SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI (2019-2025)

Không có khả năng PHSH Có khả năng PHSH

Ngành nhựa tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ với tiềm năng kinh tế lớn, đặc biệt khi so sánh với các nước trên thế giới Theo Hiệp hội nhựa Việt Nam, sản phẩm nhựa đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống, được phân thành bốn nhóm chính: bao bì nhựa, vật liệu xây dựng, đồ gia dụng và sản phẩm nhựa kỹ thuật cao.

Hình 1.4: Biểu đồ phân bố tiêu thụ nhựa tại Việt Nam năm 2017 [1]

Ngành nhựa Việt Nam, mặc dù đối mặt với nhiều thách thức, đang dần khẳng định vị thế trong nền kinh tế quốc gia Sản phẩm nhựa không chỉ được tiêu thụ mạnh mẽ trong nước mà còn được xuất khẩu sang nhiều quốc gia Sự gia tăng đáng kể của kim ngạch xuất khẩu chứng tỏ rằng sản phẩm nhựa Việt Nam ngày càng được thị trường quốc tế ưa chuộng, qua đó khẳng định vai trò quan trọng của ngành nhựa trong sự phát triển chung của ngành công nghiệp.

BIỂU ĐỒ PHÂN BỐ TIÊU THỤ NHỰA THEO NHÓM TẠI VIỆT NAM

Nhựa bao bì Nhựa xây dựng Nhựa gia dụng Nhựa kỹ thuật

Hình 1.5: Biểu đồ kim ngạch xuất khẩu nhựa sang thị trường Châu Âu 6 tháng đầu năm 2020 [2]

Sản phẩm nhựa của Việt Nam đang có sức cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường quốc tế nhờ vào công nghệ sản xuất hiện đại Hiện nay, sản phẩm này đã có mặt tại hơn 150 quốc gia và vùng lãnh thổ, bao gồm Nhật Bản, Campuchia, Lào, Thái Lan, Trung Quốc, Ấn Độ, Trung Đông, châu Phi, EU và Mỹ Trong số các thị trường xuất khẩu, Nhật Bản là một trong những thị trường ổn định, trong khi các thị trường tiềm năng như Trung Quốc, Ấn Độ, Nga, Đông Âu và châu Phi đang có nhu cầu cao đối với sản phẩm nhựa bao bì, nhựa tiêu dùng và sản phẩm phục vụ xây dựng.

Động lực và mục tiêu nghiên cứu

Trước tình hình sử dụng polyme ngày càng gia tăng, việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu thay thế có khả năng phân hủy sinh học trở nên cần thiết để bảo vệ môi trường Mục tiêu chính của nghiên cứu này là chế tạo màng PLA/PVA có khả năng phân hủy khi tiếp xúc với nước, không khí, nấm và vi khuẩn trong tự nhiên, đồng thời đảm bảo quy trình tổng hợp thân thiện với môi trường.

Tháng 1 Tháng 2 Tháng 3 Tháng 4 Tháng 5 Tháng 6

KIM NGẠCH XUẤT KHẨU NHỰA SANG THỊ TRƯỜNG CHÂU ÂU 6 THÁNG ĐẦU NĂM

Lý do chọn PVA làm chất nền để tổng hợp PLA

Tinh bột qua quy trình nhiệt hóa tạo thành chất dẻo có khả năng hút ẩm mạnh, dễ kết dính nhưng có độ bền cơ lý thấp, khó gia công và không đủ độ bền cho các sản phẩm yêu cầu độ mỏng và dai như màng, bao bì PLA, tổng hợp từ quá trình lên men tinh bột, cũng có tính giòn, gây khó khăn trong gia công cho nhiều ứng dụng, đặc biệt trong nông nghiệp Để khắc phục những hạn chế này, PLA cần được kết hợp với polyme nhiệt dẻo khác Hiện nay, vật liệu polymer phân hủy sinh học từ tinh bột thường được phối trộn với polyme truyền thống như PP, PE, nhưng điều này dẫn đến việc các vật liệu tự phân hủy trở nên không bền vững và tiềm ẩn rủi ro cho con người cũng như môi trường Trong số các polyme nhiệt dẻo từ nguyên liệu hóa thạch, PVA (polyvinyl alcohol) nổi bật với khả năng tương thích sinh học cao, khả năng tạo màng và phân hủy sinh học tốt, không độc hại và chi phí thấp, do đó là lựa chọn lý tưởng cho nghiên cứu này.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu về polyme phân hủy sinh học

2.1.1 Khái niệm và quá trình polyme phân hủy sinh học

Phân hủy sinh học là quá trình giảm các đặc tính vật lý và hóa học, dẫn đến sự giảm khối lượng phân tử, tạo ra CO2, H2O, CH4 cùng với các sản phẩm có trọng lượng phân tử thấp khác, dưới tác động của vi sinh vật trong môi trường tự nhiên.

Quá trình phân hủy sinh học của polyme PHSH diễn ra qua hai bước chính Đầu tiên, các polyme bị phân rã thành các dạng có khối lượng phân tử thấp hơn như oligome, dime và monome dưới tác động của các yếu tố môi trường như oxy hóa, phân hủy quang, thủy phân hoặc phản ứng sinh học Tiếp theo, vi sinh vật trong môi trường thực hiện quá trình khoáng hóa sinh học các mảnh polyme, chuyển hóa chúng thành khí như carbon dioxide, metan, các hợp chất nitơ, nước, muối, khoáng chất và sinh khối Quá trình khoáng hóa hoàn tất khi toàn bộ vật liệu phân hủy sinh học được phân hủy hoàn toàn, với tất cả carbon trong mạch polyme PHSH được chuyển thành carbon dioxide.

Khả năng phân hủy sinh học của polyme phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nguồn gốc, cấu trúc hóa học, khối lượng phân tử và hình thái của chúng Ngoài ra, các điều kiện môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và mức độ oxy cũng ảnh hưởng đáng kể đến quá trình phân hủy này.

2.1.2 Một số loại nhựa phân hủy sinh học tiêu biểu

Polyhydroxyalkanoates (PHA) và Poly(3-hydroxybutyrate) (PHB)

PHA là nhóm polyeste tự nhiên có khả năng phân hủy sinh học, được vi sinh vật tổng hợp như hợp chất dự trữ năng lượng trong điều kiện sinh trưởng không đồng đều Chúng nổi bật với khả năng phân hủy sinh học và tính tương thích sinh học, tạo ra sản phẩm phân hủy không độc hại, phù hợp cho ứng dụng y sinh như phân phối thuốc, kỹ thuật mô và thay thế thiết bị cấy ghép như chỉ khâu sinh học và khung đỡ Vi sinh vật có khả năng hấp thụ nhiều loại chất nền khác nhau như hexoses, pentose, tinh bột, sucrose và lactose để tổng hợp PHA.

PHA có đặc điểm là có trọng lượng phân tử cao, mang lại nhiều lợi ích Một ưu điểm nổi bật của PHA là chúng được sản xuất thông qua enzym tự nhiên từ nhiều loài vi sinh vật, đồng thời có khả năng phân hủy sinh học bởi nhiều loại vi sinh vật khác nhau trong nhiều điều kiện môi trường.

PHB, một chất tạo màng sinh học thuộc họ polyhydroxyalkanoate (PHA), đang được nghiên cứu rộng rãi Nó có các đặc điểm tương tự như polypropylene (PP) về nhiệt độ nóng chảy và độ bền kéo, nhưng cứng hơn và dễ vỡ hơn Với khả năng không hòa tan trong nước và tính thẩm thấu thấp đối với oxy và carbon dioxide, PHB là một lựa chọn tiềm năng cho vật liệu đóng gói thực phẩm, ít thấm CO2 hơn PET năm lần PHB cũng sở hữu tính chất áp điện, cho phép ứng dụng trong các bộ phận giả khung xương Tuy nhiên, độ giãn dài khi đứt và độ cứng thấp khiến PHB không phù hợp cho vật liệu chịu va đập, do đó thường được kết hợp với chất dẻo hoặc polyme tự nhiên như tinh bột và gỗ để cải thiện tính linh hoạt và độ bền, tạo ra bao bì hoạt tính dựa trên sinh học cho ứng dụng nông nghiệp.

PCL (Polycaprolactone) là một polyester phân hủy sinh học, được sản xuất từ phản ứng trùng hợp mở vòng caprolactone Là một polyme bán tinh thể, PCL có tính thấm cao trong các điều kiện sinh lý khác nhau và có khả năng phân hủy thông qua các cơ chế vi sinh vật, thủy phân và enzym, với tốc độ phân hủy chậm từ 2 đến 4 năm, lâu hơn so với PLA, PGA và PLGA PCL đã được ứng dụng rộng rãi trong y tế, bao gồm khâu, phân phối thuốc, kỹ thuật mô và nha khoa Ngoài ra, PCL còn được pha trộn với các chất dẻo phân hủy sinh học khác như tinh bột, PLA và PHA Các sợi PCL phủ collagen đã chứng minh khả năng tăng cường tỷ lệ sinh trưởng của nguyên bào xương, đồng thời PCL cũng được sử dụng trong hệ thống phân phối thuốc nhằm thúc đẩy sự phát triển và tái tạo xương trong điều trị khuyết tật xương.

PCL là một vật liệu phân hủy sinh học tiềm năng, rất đáng được nghiên cứu sâu hơn để phát triển ứng dụng trong khung đỡ cho kỹ thuật mô xương và phương tiện vận chuyển thuốc.

PUR thường được tổng hợp qua phản ứng trùng ngưng giữa diisocyanat và alcohol/amin Tuy nhiên, độc tính của các diisocyanat như toluen diisocyanate và 4,4'-methylenediphenyl diisocyanate đã thúc đẩy việc nghiên cứu các diisocyanat từ axit béo có tính tương thích sinh học để phát triển PUR phân hủy sinh học Gần đây, sự phát triển của diisocyanat từ axit béo và axit amin có độc tính thấp, như lysine diisocyanate và 1,4-diisocyanatobutane, đã mở ra cơ hội mới cho việc tổng hợp PUR tương thích sinh học và phân hủy sinh học, giúp tăng cường sự kết dính của tế bào mà không gây tác dụng phụ Nhờ vào độ dẻo dai, độ bền, tính tương thích sinh học và khả năng phân hủy, PUR mới hứa hẹn mang lại nhiều ứng dụng tiềm năng.

PUR là một lựa chọn lý tưởng cho thiết bị y tế nhờ tính chất trơ và khả năng phân hủy sinh học Chúng thường được ứng dụng trong các sản phẩm như van tim và ghép mạch máu, mang lại lợi ích cho sức khỏe người dùng.

2.1.3 Ứng dụng của polyme phân hủy sinh học

Mặc dù sản lượng polyme phân hủy sinh học vẫn còn thấp so với polyme tổng hợp từ nguyên liệu hóa thạch, nhưng chúng vẫn giữ vị trí quan trọng trên thị trường nhờ vào những lợi ích lớn mà chúng mang lại Polyme này được ứng dụng chủ yếu trong ba lĩnh vực: y học, đóng gói bao bì và nông nghiệp Trong y tế, với khả năng tương thích sinh học cao, polyme phân hủy sinh học được sử dụng làm chất nền cấy ghép, chỉ khâu hấp thụ, và khung đỡ cho phát triển kỹ thuật mô Trong nông nghiệp, chúng thường được dùng làm vật liệu hấp thụ nhờ vào độ hòa tan thấp trong nước và khả năng thấm hút tốt Đặc biệt, sự gia tăng chất thải bao bì đã tạo ra lo ngại về ô nhiễm môi trường, khiến cho việc phát triển vật liệu đóng gói phân hủy sinh học trở thành giải pháp hiệu quả cho phát triển kinh tế bền vững và bảo vệ môi trường.

2.1.4 Những thách thức và triển vọng

Mặc dù polyme phân hủy sinh học mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại những hạn chế cần khắc phục Nhựa tổng hợp từ nguyên liệu hóa thạch hiện đang có giá thành cạnh tranh hơn so với nhựa phân hủy sinh học Hơn nữa, nhựa phân hủy sinh học thường kém bền và chắc chắn hơn, không phù hợp cho việc sử dụng lâu dài Đặc biệt, tốc độ phân hủy của từng loại nhựa phụ thuộc vào điều kiện và môi trường, và một số loại có thể phân hủy thành các hợp chất hữu cơ, gây nguy hại cho hệ sinh thái.

Chế tạo nhựa phân hủy sinh học một cách hợp lý có thể tối ưu hóa hiệu quả sử dụng và khả năng tái chế Việc tận dụng nguồn sinh khối sau phân hủy như một tài nguyên quý giá sẽ tạo ra chuỗi giá trị sản xuất bền vững cho nhựa phân hủy sinh học Đổi mới trong nghiên cứu vật liệu thay thế và phát triển phương pháp tổng hợp thân thiện với môi trường sẽ mở ra cơ hội lớn cho thế hệ nhựa phân hủy sinh học bền vững trong tương lai gần.

Giới thiệu về poly(lactic axit)

Axit lactic là một axit hữu cơ quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, dệt may, mỹ phẩm và hóa chất Axit này có hai đồng phân lập thể là L- và D-lactic axit, trong đó L-lactic axit chiếm ưu thế nhờ vào quá trình lên men Sự khác biệt giữa hai dạng này nằm ở tác động của chúng đối với ánh sáng phân cực Khả năng tạo ra đồng phân L với độ tinh khiết cao có ý nghĩa quan trọng trong hóa học, ảnh hưởng đến các tính chất cuối cùng của các polyme được sản xuất từ axit lactic.

Hình 2.2: Hai đồng phân quang học của axit lactic

Sản xuất L-lactic axit chọn lọc chủ yếu thông qua quá trình lên men vi sinh vật đã được nghiên cứu kỹ lưỡng Trong số các vi khuẩn axit lactic, Lactobacillus casei là một trong những loài chính tạo ra dạng L-lactic axit với tính quang học ưu việt.

Việc sản xuất L-lactic axit từ chất thải nông nghiệp tái tạo, với nguồn tài nguyên phong phú và chi phí thấp, đang trở thành xu hướng nổi bật trong ngành sản xuất vật liệu xanh toàn cầu.

Trong những năm gần đây, sản xuất PLA, một loại nhựa sinh học có khả năng phân hủy sinh học cao, đang nhận được sự quan tâm lớn Axit lactic là tiền chất quan trọng để tạo ra loại nhựa thân thiện với môi trường này PLA, với tính tương thích sinh học vượt trội, được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế Sau khi sử dụng, PLA dễ dàng phân hủy bởi vi sinh vật trong đất hoặc không khí, chuyển hóa thành CO2 và H2O.

Theo số liệu từ Europe bioplastics, PLA chiếm 18,7% tổng sản lượng nhựa sinh học toàn cầu năm 2020, cho thấy đây là một trong những loại nhựa sinh học phổ biến nhất hiện nay PLA có thể được tổng hợp từ nguyên liệu tái tạo, có tính ứng dụng cao, khả năng phân hủy tốt và thân thiện với môi trường, vì vậy nó có tiềm năng thay thế dần các polyme từ nguồn nguyên liệu hóa thạch.

Hình 2.3: Sản lượng sản xuất nhựa sinh học trên thế giới năm 2020 [8]

Poly (lactic axit) (PLA) có công thức hóa học (C3H4O2)n, được điều chế từ hai đồng phân của axit lactic là D-lactic axit và L-lactic axit Từ đó, có thể tạo ra ba dạng đồng phân lập thể của lactide: L-lactide, D-lactide và meso-lactide Qua phản ứng polymer hóa mở vòng, ba dạng PLA này được hình thành với các tính chất hóa lý khác nhau, được trình bày chi tiết trong bảng 2.1.

Bảng 2.1: Một số đặc tính vật lý, hóa học của PLA [26]

Tính chất PDLA PLLA PDLLA

Cấu trúc tinh thể Kết tinh Bán kết tinh Vô định hình

Nhiệt độ chuyển thủy tinh Tg

Nhiệt độ phân hủy ~200 o C ~200 o C 185-200 o C Độ hòa tan Tan tốt trong các dung dịch như: benzen, cloroform, acetonitrile, tetrahydrofuran (THF),

SẢN LƯỢNG SẢN XUẤT NHỰA SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI NĂM 2020

PE PET PA PP PTT Nhựa khác PBAT PBS PLA PHA Tinh bột blends

Hình 2.4: Các dạng đồng phân hình học của PLA [27]

2.2.3 Các phương pháp tổng hợp

PLA là một loại polyester được tổng hợp chủ yếu thông qua phản ứng trùng ngưng trực tiếp và trùng hợp mở vòng lactide, với monome axit lactic được sản xuất từ quá trình lên men vi sinh vật Mặc dù PLA có khối lượng phân tử thấp, phương pháp tổng hợp này vẫn được ưa chuộng nhờ nguồn nguyên liệu dễ tìm và tính thân thiện với môi trường Phương pháp trùng hợp mở vòng lactide cho phép tạo ra PLA với khối lượng phân tử lớn, yêu cầu độ tinh khiết cao của monome lactide, thường được thu được từ dime hóa axit lactic Quá trình này sử dụng chất xúc tác thiếc octoate Sn(Oct)2 trong điều kiện chân không hoặc khí trơ, giúp kiểm soát tỷ lệ và trình tự của các đơn vị axit D- và L-lactic, từ đó tạo ra các sản phẩm với cấu trúc tinh thể khác nhau Mặc dù phương pháp này mang lại sản phẩm chất lượng tốt và thời gian phản ứng ngắn, nhưng chi phí cao của chất xúc tác và khả năng phát sinh phản ứng phụ ở nhiệt độ cao vẫn là những hạn chế cần khắc phục PLA thu được có khối lượng phân tử Mw > 100000 g/mol, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

Phương pháp tổng hợp PLA có thể thực hiện thông qua trùng hợp mở vòng lactide hoặc trùng ngưng trực tiếp từ axit lactic trong dung dịch lên men.

PLA được sản xuất từ nguồn nguyên liệu giàu cacbon như đường, tinh bột và các phế phẩm nông nghiệp như hạt mít, rơm rạ, bã sắn, bã ngô, bã mía, và lõi ngô, được các nhà nghiên cứu quan tâm vì tính tái tạo và giá thành rẻ Sau khi xử lý và loại bỏ tạp chất, nguồn nguyên liệu sinh khối được thủy phân trong môi trường axit hoặc enzym Dung dịch sau giai đoạn thủy phân sẽ được lên men bằng vi khuẩn lactic ở nhiệt độ và thời gian thích hợp, dẫn đến việc hình thành axit lactic từ dung dịch thủy phân sinh khối thực vật.

Sự hiện diện của nhóm hydroxyl (-OH) và cacboxylic (-COOH) trong monome axit lactic cho phép chuyển hóa trực tiếp thành polyester qua phản ứng đa tụ Các yếu tố như dung môi, nhiệt độ, thời gian phản ứng, nồng độ xúc tác và các thành phần tham gia ảnh hưởng đến quá trình ngưng tụ Phương pháp này tạo ra polymer khối lượng phân tử thấp ở dạng thủy tinh, giòn và ứng dụng hạn chế do sản phẩm phụ nước khó tách ra, làm giới hạn khối lượng phân tử của polyme PLA được tạo ra có khối lượng phân tử Mw trong khoảng 1000 – 5000 g/mol Để tổng hợp PLA với khối lượng phân tử cao hơn, người ta thường sử dụng các tác nhân kéo dài mạch sau khi tạo ra sản phẩm khối lượng phân tử thấp.

Hình 2.6: Phương pháp tổng hợp PLA bằng phương pháp trùng ngưng trực tiếp

Vật liệu phân hủy sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế trong suốt bốn thập kỷ qua, với yêu cầu nghiêm ngặt về tính không độc hại, hiệu quả và khả năng khử trùng Mặc dù nhiều vật liệu sinh học hiện đại đáp ứng được các tiêu chí này, nhưng vẫn thiếu tính tương thích sinh học với cơ thể con người Trong số các polyme phân hủy sinh học, poly(lactic axit) (PLA) nổi bật nhờ vào tính chất cơ học và khả năng tương thích sinh học tốt, đã được chấp thuận cho nhiều ứng dụng y tế như mô cấy ghép, vật liệu dẫn truyền và giải phóng thuốc, khung cố định xương bằng in 3D, và băng vết thương Khả năng pha trộn PLA với các polyme khác cũng cho phép tạo ra vật liệu với các đặc tính cần thiết cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Trong lĩnh vực sản xuất sợi và hàng dệt

PLA có thể được chế biến thành sợi thông qua quá trình kéo sợi, nhờ vào tính chất phân cực của polyme này, nó có khả năng hút ẩm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất khăn lau Biovation® đã phát triển khăn lau chống vi khuẩn sử dụng một lần từ PLA Ngoài ra, Fraunhofer UMSICHT và FKuR cũng đã nghiên cứu và phát triển bộ lọc nước dựa trên sợi hỗn hợp PLA (Bio-Flex®).

PLA có đặc tính chống thấm tuyệt vời, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các sản phẩm dùng một lần Tập đoàn Ahlstrom đã phát triển bộ lọc dạng sợi mịn cho trà túi lọc, được làm từ sợi PLA.

Hình 2.7: Bộ lọc nước và túi lọc trà dựa trên sợi PLA [32,33]

Ngành công nghiệp ô tô đang chú trọng đến sợi PLA, với nhiều công ty như Ford Motor Company tìm kiếm các lựa chọn polyme thân thiện với môi trường cho các bộ phận nội thất xe hơi, bao gồm thảm, thảm sàn và các bộ phận trang trí.

Việc sử dụng PLA thay thế các polyme tổng hợp như nylon và PET trong ngành dệt may đang gia tăng Hàng dệt PLA hiện đang được áp dụng trong ngành công nghiệp may mặc nhờ vào đặc tính thấm hút và thoáng khí, mang lại sự thoải mái cho người mặc Viện nghiên cứu Hohenstein đã thử nghiệm hỗn hợp PLA và PLA-cotton trong trang phục và nhận thấy PLA rất phù hợp cho trang phục thể thao nhờ khả năng cách nhiệt và các thông số kỹ thuật vượt trội.

Trong lĩnh vực sản xuất bao bì

Giới thiệu về poly(vinyl ancohol)

Poly(vinyl alcohol) (PVA) là một polyme tổng hợp, hòa tan trong nước và có khả năng phân hủy sinh học trong cả điều kiện hiếu khí và kỵ khí Được phát hiện vào năm 1924 thông qua quá trình xà phòng hóa poly(vinyl este), PVA hiện nay được sản xuất chủ yếu bằng cách thủy phân poly(vinyl axetat) Các tính chất vật lý của PVA phụ thuộc vào phương pháp chế tạo, bao gồm thủy phân hoàn toàn hoặc một phần poly(vinyl axetat) để loại bỏ nhóm axetat PVA thủy phân một phần thường được ứng dụng trong bảo quản thực phẩm, và việc điều chỉnh chiều dài ban đầu của poly(vinyl axetat) cùng với các điều kiện thủy phân có thể tạo ra các sản phẩm PVA với những đặc tính khác nhau.

PVA thương mại thường có màu trắng đến hơi vàng, được sản xuất dưới dạng bột và hạt Tính chất vật lý của PVA bị ảnh hưởng bởi mức độ trùng hợp và quá trình thủy phân Các sản phẩm thương mại được chia thành hai nhóm chính: thủy phân hoàn toàn (khoảng 98% nhóm acetyl) và thủy phân một phần (87–89% nhóm acetyl) Cả hai nhóm sản phẩm có mức độ trùng hợp DP từ 500 đến 2500, với khối lượng phân tử Mw dao động từ 22,000 đến 110,000 g/mol.

Cấu trúc PVA ảnh hưởng đến điểm nóng chảy và nhiệt độ chuyển thủy tinh, điều này không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng và sự phân bố của các nhóm acetyl mà còn vào hàm lượng nước Nhiệt độ nóng chảy Tm của PVA đạt 228 °C, trong khi nhiệt độ chuyển thủy tinh Tg của PVA thủy phân hoàn toàn là 85 °C và của PVA thủy phân một phần là 58 °C Độ nhớt của dung dịch nước PVA phụ thuộc vào mức độ trùng hợp, thủy phân, nồng độ và nhiệt độ, với dung dịch PVA thủy phân hoàn toàn có độ nhớt cao hơn so với PVA thủy phân một phần ở cùng mức độ trùng hợp.

Bảng 2.2: Bảng thống kê các giá trị về cơ tính của PVA

Tên mẫu Độ bền kéo Mô-đun Young Độ biến dạng

PVA thủy phân hoàn toàn [43] 1,6Gpa 48Gpa 6,5%

PVA thủy phân một phần [44] 25,4Mpa 27,6Mpa 260%

Các tính chất cơ học của PVA có thể được cải thiện đáng kể thông qua quá trình khâu mạng với các hóa chất axit hữu cơ như axit boric và axit citric Sự bổ sung chất hóa dẻo không chỉ tăng cường độ giãn dài khi đứt mà còn nâng cao độ bền kéo và mô đun Young, nhờ vào việc gia tăng tính linh động của các phân tử polyme.

Vào năm 1924, PVA được tổng hợp lần đầu tiên thông qua quá trình xà phòng hóa poly(vinyl axetat) (PVAc) Trong sản xuất công nghiệp, axetylene hoặc etylene là nguyên liệu chính để tạo ra vinyl axetat, với sự tham gia của axit acetic và oxy Nhiệt độ được sử dụng để khởi động quá trình polymer hóa vinyl axetat tinh khiết, kết hợp với dung dịch methanol Hơn 70% monome được chuyển đổi thành polyvinyl axetat trong quá trình này, dẫn đến sự hình thành PVA qua xà phòng hóa.

Hình 2.11: Quy trình điều chế PVA trong công nghiệp [48]

PVA được điều chế bằng cách thủy phân poly(vinyl axetat), thay thế các nhóm este bằng hydroxyl với sự có mặt của natri hydroxit hoặc natri metylat khan Mức độ thủy phân có thể điều chỉnh thông qua nồng độ chất xúc tác và nhiệt độ PVA có thể gia công bằng ép đùn hoặc ép phun với chi phí thấp hơn so với các polyme phân hủy sinh học khác Màng PVA cho ứng dụng đóng gói thực phẩm có thể sản xuất qua đúc, ép phun và đùn thổi, mặc dù PVA nhạy cảm với nhiệt Tuy nhiên, việc sử dụng chất hóa dẻo và chất bôi trơn là giải pháp hứa hẹn để khắc phục nhược điểm này.

PVA là polyme tổng hợp phổ biến trong ngành bao bì thực phẩm nhờ tính năng phân hủy sinh học, an toàn cho sức khỏe, khả năng tạo màng hiệu quả và chi phí thấp Polyme này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm vật liệu đóng gói thực phẩm, chất phủ cho thực phẩm bổ sung, cố định enzym và tách màng.

21 rãi trong công nghiệp dược phẩm, mỹ phẩm và một số ứng dụng y tế, cũng như trong ngành công nghiệp giấy và dệt [52]

Trong lĩnh vực đóng gói, bao bì

PVA đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đóng gói thương mại nhờ vào khả năng tạo màng tốt, tính phân hủy sinh học, cùng với các đặc tính cơ học và quang học đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng Tuy nhiên, PVA vẫn gặp một số hạn chế như khả năng hòa tan trong nước cao, độ bền kéo thấp và độ hấp thụ độ ẩm cao, ảnh hưởng đến chất lượng và thời hạn sử dụng của thực phẩm khi đóng gói Những vấn đề này có thể được cải thiện thông qua việc chế tạo hỗn hợp polyme với các chất khâu mạng, bao gồm cả chất hữu cơ như dimethyl cacbonat, formaldehyde, glutaraldehyde, và axit dicarboxylic, cùng với các chất vô cơ như axit photphoric và axit boric Những chất này có khả năng phản ứng với nhóm hydroxyl của PVA, giúp điều chỉnh các đặc tính hóa lý và tạo ra mạng lưới PVA ba chiều ổn định thông qua các liên kết este.

Trong thập kỷ qua, PVA đã thu hút sự chú ý lớn như một polyme tương hợp sinh học, ít độc tế bào và dễ phân hủy, phù hợp cho nghiên cứu y sinh và vật liệu sinh học PVA không chỉ được sử dụng làm vật liệu mang thuốc cố định mà còn là một polyme phổ biến trong chất xúc tác sinh học Hơn nữa, PVA có thể tạo phức với các vật liệu khác, mang lại hiệu quả cho các ứng dụng y tế, chẳng hạn như màng composite PVA-nano vàng được sử dụng để kháng khuẩn.

Các ứng dụng nổi bật của PVA bao gồm việc tạo ra các hydrogel PVA cho mục đích y sinh Hydrogel có thể được tổng hợp thông qua các phương pháp hóa học, như liên kết chéo với các hóa chất như axit boric và glutaraldehyde, tuy nhiên, những hóa chất này có thể ảnh hưởng đến tế bào và giảm khả năng tương thích sinh học Ngược lại, hydrogel được sản xuất bằng các phương pháp vật lý như đóng băng và rã đông hoặc bức xạ UV cho thấy độc tính thấp hơn Các hydrogel PVA có nhiều ứng dụng trong y tế, bao gồm vật liệu dẫn truyền thuốc, băng vết thương, cấy ghép tủy răng, và đặc biệt là trong sản xuất kính áp tròng dùng một lần nhờ vào khả năng giữ ẩm và độ bền cao.

Giới thiệu về tinh bột

Tinh bột là nguồn sinh khối phổ biến trên trái đất, hình thành từ thực vật như một nguồn năng lượng tái tạo Nó tồn tại dưới dạng hạt với các hình thái khác nhau, tùy thuộc vào nguồn gốc thực vật trong mô của chúng.

Tinh bột, một polysacarit carbohydrate, được cấu tạo từ hai thành phần chính là amylose và amylopectin, với công thức phân tử (C6H12O6)n Cả hai đều là các polyme carbohydrate phức tạp của glucose, tạo thành cấu trúc bán tinh thể với các hạt nhỏ có đường kính từ 1–100μm Trong tự nhiên, tỷ lệ amylopectin thường chiếm từ 70 đến 80%, trong khi amylose chiếm từ 20 đến 30%.

Hình 2.12: Cấu trúc của amylose và amylopectin [55]

Amylose và amylopectin là hai thành phần chính của tinh bột, với amylose có cấu trúc mạch thẳng được hình thành từ các gốc glucose liên kết bằng liên kết α-1,4-glicoside, có trọng lượng phân tử khoảng 1x10^5 - 1x10^6 và mức độ trùng hợp từ 300–5000 Trong khi đó, amylopectin có cấu trúc phức tạp hơn với trọng lượng phân tử từ 1x10^7 – 1x10^9 và mức độ trùng hợp từ 9000–16,000, chứa nhiều chuỗi khác nhau do sự phân nhánh Các liên kết trong amylopectin bao gồm liên kết α-1,4-glycoside cho mạch chính và α-1,6-glycosidie cho các nhánh Tỷ lệ amylose và amylopectin trong tinh bột phụ thuộc vào nguồn gốc thực vật, như được thể hiện trong Bảng 2.3.

Bảng 2.3: Hàm lượng amylose và amylopectin của các tinh bột khác nhau

Hàm lượng Amylopectin (%) Trích dẫn

Giới thiệu về chủng lên men Lactobacillus Casei

Lợi khuẩn (probiotics) là vi sinh vật sống có lợi cho sức khỏe khi được hấp thụ vào cơ thể, giúp phòng ngừa và điều trị nhiều bệnh lý Các chủng lợi khuẩn phổ biến bao gồm Lactobacillus, Streptococcus và Bifidobacterium Việc lựa chọn các chủng này dựa trên các tiêu chí quan trọng như nguồn gốc, khả năng bám dính vào tế bào ruột và khả năng sống sót trong quá trình tiêu hóa.

Vi khuẩn lactic đóng vai trò quan trọng trong việc tạo mùi thơm và đa dạng hóa chế biến thực phẩm, với khả năng phân giải cacbohydrate phức tạp thành cacbohydrate đơn giản, cũng như phân giải protein và peptit thành axit amin Chúng an toàn cho thực phẩm, không sinh ra độc tố, và được coi là vi sinh vật nâng cao giá trị chất lượng thực phẩm Vi khuẩn lactic cũng có khả năng bảo quản thực phẩm hiệu quả Quá trình lên men axit lactic đã được nghiên cứu rộng rãi, sử dụng nhiều loại vi sinh vật như Lactobacillus, Streptococcus, Pediococcus và nấm Rhizopus, cùng với các nguồn cacbon, nitơ, và các điều kiện hoạt động như pH, nhiệt độ, thể tích và nồng độ chất cấy.

Lactobacillus casei là một loại vi khuẩn thuộc chi Lactobacillus, chủ yếu có mặt trong hệ tiêu hóa của con người Loài vi khuẩn này có khả năng thích nghi với độ pH đa dạng và nhiều mức nhiệt độ khác nhau Thường được sử dụng trong các sản phẩm lên men từ sữa, Lactobacillus casei cũng đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất enzyme amylase, một enzyme giúp phân giải carbohydrate Chính vì những lợi ích này, Lactobacillus casei thường được gọi là lợi khuẩn, mang lại nhiều tác dụng tích cực cho sức khỏe.

2.5.2 Điều kiện, môi trường lên men

Nhiệt độ thích hợp là yếu tố quan trọng cho sự phát triển của vi sinh vật, vì nó ảnh hưởng đến các phản ứng tăng trưởng và trao đổi chất Việc duy trì nhiệt độ lý tưởng giúp tối ưu hóa hoạt động của vi sinh vật, từ đó nâng cao hiệu quả trong các quá trình sinh học.

Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến sự phát triển và sinh sản của vi sinh vật, đặc biệt là L casei, với khoảng nhiệt độ tối ưu cho sự hoạt động của chúng Nhiệt độ thấp hạn chế hoạt động của L casei, trong khi nhiệt độ cao có thể làm giảm số lượng vi khuẩn và gây chết hàng loạt, dẫn đến giảm hoạt động trao đổi chất Sản lượng axit lactic chỉ tăng tối thiểu khi lượng cấy vượt quá 10%, do đó, lượng chất cấy tối ưu cho L casei được xác định là khoảng 10% so với dung dịch cần lên men Theo nghiên cứu của Linko và Javanainen (1996), hiệu suất chuyển hóa từ dung dịch đường sang axit lactic đạt tối ưu từ 87–98% ở 37 °C và 77–82% ở 41 °C.

Các phương pháp đánh giá và phân tích vật liệu

2.6.1 Quang phổ hồng ngoại biến đổi FT-IR

Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi FT-IR (Fourrier Transformation Infrared Spectroscopy) là một kỹ thuật phân tích dựa trên sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của vật chất, cho phép ghi nhận các dao động đặc trưng của liên kết hóa học giữa các nguyên tử Phương pháp này có khả năng phân tích với hàm lượng chất mẫu rất thấp, thậm chí chỉ cần mẫu có bề dày 50nm, và cung cấp độ nhạy cao trong việc phân tích cấu trúc và định tính FT-IR là công cụ nhanh chóng, chính xác cho việc phân tích mẫu lỏng, rắn, màng và vật liệu gel mà không làm hỏng mẫu, giúp tiết kiệm chi phí và rút ngắn thời gian thực nghiệm cùng hóa chất sử dụng.

2.6.2 Quan sát bằng kính hiển vi quang học OM

Phương pháp phân tích bằng hiển vi quang học (OM) sử dụng kính hiển vi để quan sát hình ảnh và bề mặt của mẫu vật liệu trong một khu vực nhỏ với độ phóng đại từ 50 đến 1000 lần Nhờ vào kính hiển vi quang học, chúng ta có thể nghiên cứu cấu trúc bề mặt của vật liệu, đồng thời phát hiện các khiếm khuyết như vết nứt, tạp chất và bọt khí.

2.6.3 Phương pháp phân tích nhiệt

Phân tích nhiệt là phương pháp đo lường liên tục các tính chất vật lý và hóa học của mẫu theo nhiệt độ, thường thay đổi tuyến tính theo thời gian Dựa trên lý thuyết nhiệt động học, sự biến đổi các tính chất này cho phép xác định các thông số quan trọng như nhiệt độ chuyển pha, khối lượng mất đi và năng lượng chuyển pha Thông tin thu được từ phương pháp này rất quan trọng cho nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

25 a Phân tích nhiệt trọng lượng TGA

Phân tích nhiệt trọng (TGA) là một phương pháp xác định sự thay đổi khối lượng của mẫu vật chất trong quá trình chuyển pha theo nhiệt độ Khi được nung nóng, vật chất có thể mất khối lượng do bay hơi hoặc phản ứng hóa học giải phóng khí Ngược lại, một số vật liệu có thể tăng khối lượng khi phản ứng với khí trong môi trường kiểm tra Sự thay đổi khối lượng này phản ánh quá trình đứt gãy hoặc hình thành các liên kết vật lý và hóa học, dẫn đến sự bay hơi của sản phẩm hoặc tạo ra các sản phẩm nặng hơn Môi trường phân tích thường sử dụng là khí trơ.

Dữ liệu đo nhiệt trọng lượng được thu thập từ phản ứng nhiệt và được biểu diễn dưới dạng biểu đồ khối lượng hoặc phần trăm khối lượng ban đầu trên trục y so với nhiệt độ hoặc thời gian trên trục x, gọi là đường cong TGA Đường cong này thường được làm mịn để dễ dàng phân tích Đạo hàm bậc nhất của đường cong TGA tạo ra đường cong DTG, giúp xác định các điểm uốn quan trọng cho việc giải thích và phân tích nhiệt vi sai Phân tích nhiệt vi sai (DTA) cũng là một phần quan trọng trong quá trình này.

Phân tích nhiệt vi sai (DTA) là một phương pháp phân tích nhiệt dựa trên sự thay đổi nhiệt độ giữa mẫu đo và mẫu chuẩn Khi nhiệt độ của hệ tăng, mẫu đo sẽ trải qua một trong hai quá trình giải phóng hoặc hấp thụ nhiệt, tương ứng với các trạng thái chuyển pha Dấu hiệu năng lượng chuyển pha cho biết quá trình này là hấp thụ hay giải phóng nhiệt, đồng thời xác định được nhiệt độ chuyển pha Tất cả các trạng thái chuyển pha của mẫu đo đều là kết quả của quá trình thu hoặc giải nhiệt, tương ứng với đạo hàm nhiệt độ từ mẫu chuẩn Phương pháp này cung cấp thông tin quan trọng về các nhiệt độ đặc trưng, chuyển pha thủy tinh, nhiệt độ kết tinh, nóng chảy và độ tinh khiết của mẫu.

DSC (Differential scanning calorimetry) là một phương pháp phân tích nhiệt giúp xác định năng lượng chuyển pha của các quá trình bằng cách đo lưu lượng nhiệt vi sai cần thiết để duy trì mẫu vật liệu và mẫu chuẩn ở cùng nhiệt độ Nhiệt độ được lập trình để quét trong một khoảng nhất định với tốc độ tăng tuyến tính Thông qua việc tính diện tích dưới đồ thị thu được, ta có thể xác định năng lượng chuyển pha Phương pháp này cung cấp thông tin về các quá trình như nóng chảy, kết tinh, thủy tinh hóa và nhiệt phản ứng hóa học của polymer Kỹ thuật DSC được phát minh bởi E.S Watson và M.J O'Neill từ Perkin Elmer Corp.

2.6.4 Quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét SEM

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là thiết bị quang học tiên tiến, cho phép tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật SEM hoạt động bằng cách sử dụng một chùm electron hẹp quét qua bề mặt mẫu, ghi nhận và phân tích bức xạ phát ra từ sự tương tác giữa chùm electron và mẫu vật.

SEM cho phép quan sát cấu trúc bề mặt mẫu với độ phóng đại cao và độ sâu trường quan sát lớn hơn kính hiển vi quang học, giúp thu được ảnh lập thể Khi kết hợp với phổ tán xạ năng lượng tia X, SEM còn hỗ trợ phân tích thành phần nguyên tố của vùng quan sát hiệu quả.

Phương pháp đánh giá khả năng phân hủy sinh học

- Mẫu màng cần phân tích

- Môi trường phân hủy: Đề tài tiến hành khảo sát trong ba môi trường:

+ Môi trường đất trồng nông nghiệp có chứa phân hữu cơ

+ Môi trường ngoài trời (tiếp xúc trực tiếp với không khí và ánh nắng)

2.7.2 Cách thực hiện a Chuẩn bị mẫu vật liệu (dạng màng)

- Mẫu được cắt thành từng miếng có kích thước 20 x 25 mm

- Cân mẫu 3-5 lần, lấy giá trị trung bình b Giai đoạn phân hủy sinh học

Mẫu sau khi cắt được đưa vào từng môi trường khảo sát đã chuẩn bị

Để khảo sát môi trường đất, hãy đổ đầy đất vào các cốc chứa và cân trọng lượng đất trong từng cốc sao cho bằng nhau Sau đó, cho mẫu màng đã cân vào đất và lấp lại, tiếp tục ủ trong một khoảng thời gian nhất định để tiến hành khảo sát.

- Đối với môi trường nước: Đổ vào các cốc với một lượng nước bằng nhau, đặt mẫu vào và ngâm theo thời gian tiến hành khảo sát

Đối với môi trường ngoài trời, hãy đặt mẫu vào cốc đựng và phơi ở nơi có ánh nắng mặt trời và tiếp xúc trực tiếp với không khí để đảm bảo quá trình phân tích mẫu diễn ra hiệu quả.

- Sau thời gian khảo sát, thu hồi mẫu và xử lý

- Tiến hành cân mẫu, chụp hình mẫu thực tế trong từng giai đoạn

THỰC NGHIỆM