Công nghệ sản xuất nhựa tự hủy sinh học với thành phần chính từ tinh bột

Hỏi: xin cho biết công nghệ sản xuất nhựa tự hủy sinh học với thành phần chính từ tinh bột? (Nguyễn Minh  Tâm – TP. Hồ Chí Minh)

Đáp: cùng với sự xuất hiện của một khối lượng lớn các loại sản phẩm, vật dụng từ polyme là sự tồn tại một lượng khá lớn phế liệu, chất thải sau sử dụng, ước tính 20 đến 30 triệu tấn/năm (toàn thế giới). Rác thải này thường bị chôn vùi trong đất, rất khó phân hủy. Chúng tồn tại trong đất đến vài chục năm, có loại đến hàng trăm năm. Từ những năm 70 trở lại đây, các nhà khoa học trên thế giới đã tập trung nghiên cứu điều chế và ứng dụng vật liệu polyme phân hủy sinh học (còn  gọi là polyme tự phân hủy) nhằm góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường sống.

Chiếc W510 sử dụng "nhựa sinh học có thể phân hủy tự nhiên"
được làm từ bột ngô cho lớp vỏ pin điện thoại và những bộ phận khác
 

Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của ĐH Khoa học tự nhiên (ĐHQG TP.HCM) đã chế tạo thành công loại vật liệu sản xuất bao bì tự hủy 100%, giá thành rẻ. Dù còn ở quy mô phòng thí nghiệm nhưng vật liệu này hứa hẹn lật đổ bao nilông trong tương lai gần. Ngoài ra còn có nghiên cứu của tác giả Phạm Thế Trinh thuộc Viện Hóa học Công nghiệp với đề tài: “Chế tạo và ứng dụng polyme phân hủy sinh học”. Nghiên cứu này đã chế tạo ra màng phủ polyme, đạt được một số kết quả sử dụng thử nghiệm ban đầu như sau:

 Màng polyme tự hủy để phủ luống lạc tại nông trường Thanh Hà - Hòa Bình và nông trường Sông Cầu Thái Nguyên. Kết quả màng phủ polyme tự phân hủy hoàn toàn trong khoảng 170 ngày.
 Màng polyme để phủ luống cây cam - (một loại cây ăn quả dài ngày). Kết quả là màng phủ polyme tự hủy trong khoảng 165 ngày.

 Màng polyme làm bầu ươm được thử nghiệm cho 1.000 bầu ươm cây tại nông trường chè Sông Cầu và 1.000 bầu ươm cho xoài ở nông trường Thanh Hà - Hòa Bình. Kết quả là màng phủ polyme tự hủy sau 9 - 10 tháng.

Năm 2003, TS. Trần Thị Mỹ Diệu thuộc trường Đại học Văn Lang cũng có công trình nghiên cứu với chủ đề: Nghiên cứu điều chế polymer phân hủy sinh học và khả năng ứng dụng làm bao bì tự phân hủy.

Trên thế giới, có khoảng hơn 2.000 sáng chế đăng ký về lĩnh vực nhựa tự hủy sinh học. Sau đây là sáng chế: phương pháp sản xuất nhựa tự hủy sinh học của tác giả Ming-Tung Chen, người Đài Loan, đăng ký tại Mỹ ngày 15/3/2005. Theo sáng chế này, nguồn nguyên liệu chính được sử dụng là tinh bột và tạo ra sản phẩm nhựa có khả năng tự hủy sinh học. Thành phần nguyên liệu tính theo khối lượng gồm có: Tinh bột biến tính: 25-50%; Nhựa tổng hợp tự hủy sinh học: 10- 40%; Nhựa tổng hợp: 5-15%; Chất ái lực: 8-10%; Chất kết hợp: 1-3%; Phụ gia: 1-15%.

Trong đó:

1. Tinh bột biến tính phải được nghiền thật nhỏ với kích cỡ khoảng 10µm. Để đạt độ mịn với cỡ hạt 10µm phải nghiền với “chất đệm” có tác dụng bôi trơn và phân tán. Chất bôi trơn là một dung môi có điểm sôi tương đối cao, có thể lựa chọn một trong các chất: dầu trắng, acid stearic, sáp polyethylene, hoặc polyethylene oxide. Chất phân tán trong sáng chế này sử dụng là 1,3-distearic glyceric ester (DSGE).

2. Nhựa tổng hợp tự hủy sinh học là một loại polyme tổng hợp tự hủy sinh học, có thể lựa chọn trong các nhóm sau: nhóm ester, nhóm hydroxyl, nhóm carboxyl, hoặc nhóm xeton, chẳng hạn như: polycaprolactone (PCL), polylactic acid (PLA), polybutyl succinate (PBS).

3. Nhựa tổng hợp là chất đồng trùng hợp alkene thuộc nhóm hydroxyl, carboxyl hoặc este, chẳng hạn như: đồng trùng hợp ethylene và vinyl acetate (EVA), đồng trùng hợp ethylene và vinyl alcohol (EVOH), đồng trùng hợp ethylene và acrylic acetate (EAA), có thể trộn các chất đồng trùng hợp trên với nhau.

4. Chất ái lực có thể sử dụng glycerol và polyvinyl alcohol (PVA).

5. Chất kết hợp là một peroxide hữu cơ, trong sáng chế này sử dụng chất epoxide.

6. Chất phụ gia có thể sử dụng một trong các chất sau: calcium carbonate, calcium stearate, sec-butyl alcohol, ethyl acetate, silicate, sorbitol.

Quy trình sản xuất:

Đầu tiên, tinh bột được khử nước ở nhiệt độ khoảng 160-1700C. Tinh bột được nghiền thật mịn dưới áp suất cao bằng cách trộn thêm “chất đệm” (100-150% (khối lượng so với tinh bột) chất bôi trơn và 1-5% (khối lượng so với tinh bột) chất phân tán) để tinh bột sau khi nghiền phải đạt kích cỡ thật nhỏ, khoảng 10 µm. Sau đó, tinh bột được tách ra khỏi “chất đệm” bằng máy ly tâm.

 

Trộn tinh bột đã được nghiền với nhựa tổng hợp tự hủy sinh học (10- 40%), nhựa tổng hợp (5-15%), chất ái lực (8-15%), chất kết hợp (1-3%), chất phụ gia (1-15%). Thực hiện quá trình khuấy trộn bằng máy với tốc độ 1000 – 2800 rpm (số vòng quay trong 1 phút), thời gian khuấy trộn khoảng 5 - 20 phút và nhiệt độ khuấy trộn từ 30 - 1200C.

Đưa toàn bộ hỗn hợp đã được khuấy trộn vào máy đùn 2 mã lực để tiến hành quá trình trộn kết hợp, quy trình được tiến hành ở nhiệt độ 120-2200C, áp suất từ 5-20 Mpa và trong khoảng thời gian từ 3-12 phút. Dưới nhiệt độ và áp suất cao, sản phẩm sẽ được trộn đều hoàn toàn và tạo thành polyme.
Cuối cùng là làm lạnh và tạo dạng hạt cho sản phẩm. Sản phẩm cuối cùng có dạng hạt màu trắng, là nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm như bao bì, túi xách, v.v…

Tuy nhiên, thành phần các chất hoặc tỉ lệ các chất có thể được thay đổi trong phạm vi cho phép để tạo ra các sản phẩm có độ bền, độ cứng hoặc độ đàn hồi khác nhau.

Ví dụ cụ thể:

– Khử nước của 25kg tinh bột biến tính.
– Thêm 30kg dầu trắng và 0,3kg DSGE.
– Nghiền tinh bột thật mịn và tách tinh bột ra khỏi hỗn hợp.
– Trộn 25kg tinh bột với 30kg PLA + 17kg PBS + 2kg EAA + 3kg EVA + 10kg glycerol + 5kg PVA + 1kg epoxide + 7kg chất phụ gia. Cho hỗn hợp vào máy khuấy trộn ở nhiệt độ 800C trong thời gian 10 phút với tốc độ khuấy trộn là 1400rpm, tạo thành hỗn hợp đồng nhất màu trắng.
– Hỗn hợp màu trắng trên được đưa vào máy đùn 2 mã lực bằng 1 cái phễu và được trộn ở nhiệt độ 120-2000C, dưới áp suất 10-15MPa trong thời gian 5 phút.
– Sản phẩm sau khi trộn được đưa vào thiết bị làm lạnh, sau đó được cắt hạt với kích cỡ 2mm.
– Loại nhựa này sẽ tự hủy đến 90% trong vòng 6 tháng dưới dạng phân compost và sẽ phân hủy hoàn toàn thành chất hữu cơ trong vòng 1 năm khi được chôn trong đất.