BÁO cáo THỰC tập tại viện hàn lâm khoa học và công nghệ việt nam

- Tư vấn, chuyển giao công nghệ và sản xuất thử quy mô nhỏ các vật liệumới, các thiết bị khoa học bền với môi trường nhiệt đới.- Tổ chức hợp tác quốc tế và đạo tạo sau đại học, đào tạo c

PHẦN A THÔNG TIN VỀ CƠ SỞ THỰC TẬP

I Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam là cơ quan của chính phủ thực hiện các chức năng nghiên cứu cơ bản về Khoa học tự nhiên và phát triển công nghệ theo hướng trọng điểm của nhà nước nhằm cung cấp luận cứ khoa học cho công tác quản lý khoa học và công nghệ trình độ cao

Viện thực hiện các hoạt động nghiên cứu cơ bản về khoa học tự nhiên và phát triển công nghệ một cách toàn diện đáp ứng các đòi hỏi và xử lý các vấn đề phát sinh trong quá trình thực tiễn

II Viện Kỹ thuật nhiệt đới

II.1 Gi i thi u v Vi n Kỹ thu t nhi t đ i ới thiệu về Viện Kỹ thuật nhiệt đới ệu về Viện Kỹ thuật nhiệt đới ề Viện Kỹ thuật nhiệt đới ệu về Viện Kỹ thuật nhiệt đới ật nhiệt đới ệu về Viện Kỹ thuật nhiệt đới ới thiệu về Viện Kỹ thuật nhiệt đới

 Sơ lược lịch sử

Viện Kỹ thuật nhiệt đới (KTNĐ) được thành lập theo quyết định số 248/

CP ngày 08/08/1980 của thủ tướng chính phủ, trực thuộc Viện Khoa học ViệtNam nay đổi tên thành Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Việntrưởng đầu tiên là GS.TS Vũ Đình Cự

Trụ sở chính của Viện KTNĐ đóng tại 18 Hoàng Quốc Việt - Hà Nội

- Tư vấn, chuyển giao công nghệ và sản xuất thử quy mô nhỏ các vật liệumới, các thiết bị khoa học bền với môi trường nhiệt đới.

- Tổ chức hợp tác quốc tế và đạo tạo sau đại học, đào tạo cán bộ kỹ thuậttrong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt đới

- Tổ chức của viện: Viện được chia ra thành các phòng thí nghiệm chuyên

đề, các xưởng sản xuất, các trạm thử nghiệm tự nhiên (Quảng Ninh,Quảng Bình, Nha Trang, Tam Đảo)

II.2 T ch c c a vi n ổ chức của viện ức của viện ủa viện ệu về Viện Kỹ thuật nhiệt đới

II.2.1 Các phòng chuyên môn

1 Phòng Ăn mòn và bảo vệ kim loại: kim loại, hợp kim, vật liệu bảo vệ vô

cơ, vật liệu bảo vệ kim loại bằng phương pháp điện hóa

2 Phòng Hóa lý vật liệu phi kim loại: chất dẻo, vật liệu polyme tổng hợp,phân hủy, ổn định chống lão hóa polyme

3 Phòng Vật liệu cao su và dầu nhựa thiên nhiên: vật liệu bảo vệ, trang tríhữu cơ, các hợp chất có nguồn gốc sinh học sử dụng trong vật liệu bảo vệ,trang trí hữu cơ

4 Phòng Vật liệu gốm kỹ thuật và điện cao áp: linh kiện và thiết bị điện

5 Phòng Kỹ thuật điện tử: linh kiện và thiết bị điện tử

6 Phòng nghiên cứu ứng dụng và triển khai công nghệ: thiết bị công nghệ hóahọc

7 Phòng Nghiên cứu sơn bảo vệ: sơn bảo vệ, các chất ức chế ăn mòn kim loại

sử dụng trong sơn bảo vệ

8 Phòng Dữ liệu, thử nghiệm nhiệt đới và môi trường: lớp phủ bảo vệ kimloại bằng phương pháp phun phủ nhiệt

9 Phòng Vi phân tích: các cấu trúc vật liệu (nghiên cứu bằng kính hiển viđiện tử quét và nhiễu xạ tia X), vật liệu cao su tổ hợp

II.2.2 Các xưởng sản xuất

Đang trong giai đoạn được thi công, xây dựng

II.2.3 Các trạm thử nghiệm tự nhiên

Viện có nhiều trạm thử nghiệm tự nhiên đặt tại Quảng Ninh, Nha Trang,Quảng Bình, Đà Nẵng, Tam Đảo

III Phòng Hoá lý vật liệu phi kim loại.

Phòng Hóa lý vật liệu phi kim loại là một trong 9 phòng chuyên môn củaViện Kỹ thuật nhiệt đới

Địa chỉ liên hệ: Phòng Hóa lý vật liệu phi kim loại,Viện kỹ thuật nhiệt đới,Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam, 18 Hoàng Quốc Việt,CầuGiấy, Hà Nội, ĐT: (04) 37564265, (04) 37563581, email:phong2@vnd.vast.ac.vn

III.3.1 Giới thiệu phòng Hoá lý vật liệu phi kim loại.

Phòng có 10 thành viên, trong đó có 1 Giáo sư - tiến sỹ, 3 tiến sỹ, 5 thạc sỹ

và 1 cử nhân

Lãnh đạo phòng:

- Trưởng phòng: GS.TS NCVCC Thái Hoàng, ĐT: (04) 37564265

- Phó Trưởng phòng: TS Nguyễn Vũ Giang, ĐT: (04) 37563581

III.3.2 Lĩnh vực nghiên cứu, hoạt động

- Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện khí hậu nhiệt đới tới sự suy giảm tínhchất, sự thay đổi cấu trúc của vật liệu polyme, cao su và các vật liệu phi kim loại

- Nghiên cứu phân hủy và ổn định vật liệu polyme, cao su và vật liệu phi kimloại khác trong các môi trường khác nhau, dự báo tuổi thọ làm việc của các vậtliệu nói trên.

- Chế tạo polyme blend và vật liệu compozit có chất lượng cao và bền với điềukiện khí hậu nhiệt đới

- Nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano, nanocompozit, polyme phân hủy sinh học,thân thiện môi trường và “vật liệu compozit xanh”

- Thử nghiệm oxy hóa nhiệt, oxy hóa quang và thử nghiệm thời tiết vật liệupolyme, cao su và các vật liệu phi kim loại khác trong tủ thử nghiệm oxy hóanhiệt, tủ thử nghiệm thời tiết (có tác động của tia UV, nhiệt và ẩm, ozon) và trêncác trạm thử nghiệm khí hậu nhiệt đới Việt Nam

- Chế tạo các vật liệu mới ở quy mô vừa và nhỏ, ứng dụng chúng vào các lĩnhvực công nghiệp và đời sống

- Đào tạo sau đại học về khoa học và công nghệ polyme

- Hợp tác quốc tế trong lĩnh vực khoa học và vật liệu polyme, cao su và vật liệuphi kim loại

III.3.3 Khen thưởng và giải thưởng khoa học - công nghệ

-Giải thưởng khoa học công nghệ: giải ba giải thưởng sáng tạo khoa học công nghệ Việt Nam (VIFOTEC) do Chủ tịch Liên hiệp các Hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam và Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ trao tặng năm 2005 cho công trình “Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme blend, triển khai công nghệ sản xuất và ứng dụng phục vụ ngành giao thông vân tải đường sắt Việt Nam”.

-Bằng khen của Ủy ban Khoa học và Kỹ thuật Nhà nước trao tặng năm 1986 cho đề tài 48.08.02.01 “Nghiên cứu quy luật và cơ chế suy giảm và ổn định PVC trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam”.

-Huy chương vàng cho công trình “Nghiên cứu chế tạo xúc tác và quy trình sản xuất mút xốp polyuretan” do Trung ương Đoàn Thanh niên Cộng sản Hồ Chí Minh trao tặng năm 1985.

-Giải thưởng khoa học công nghệ: giải Nhì giải thưởng sáng tạo khoa học công nghệ Việt Nam (VIFOTEC) do Chủ tịch Liên hiệp các Hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam và Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ trao tặng năm 2014.

-Tìm hiểu về phòng ban củaViện.

-Nộp ảnh làm thẻ ra vào Viện Kỹthuật nhiệt đới (Viện KTNĐ)-Gặp thầy hướng dẫn thực tập vàthầy định hướng công việc cầnlàm trong thời gian thực tập

=>Kết quả đạt được nắm vữngđược các đơn vị, phòng ban vàchức năng, nhiệm vụ các phòngban, nắm vững nội quy ra vào,làm việc của viện

- Hiểu được công việc cần phảilàm trong quá trình thực tập, nắmđược kiến thức về PLA và tinhbột

Có hướng dẫn của cácthầy cô, anh chị trongViện KTNĐ

12/10 - 16/10/

2015

-Tiếp tục đọc và tìm tài liệu vềPLA và tinh bột cùng với việcdịch các tài liệu tiếng Anh thầyhướng dẫn thực tập cung cấp đểphục vụ cho việc làm thí nghiệm

-Viết báo cáo dưới hình thứcpowerpoint và thuyết trình trựctiếp để thầy hướng dẫn thực tậpsửa

-Dưới sự hướng dẫncủa thầy: TS ĐỖVĂN CÔNG

- Chuẩn bị nguyên vật liệu cầnthiết để thí nghiệm: 2kg tinh bột,glixerol.

=>Kết quả rút ra: tìm đựơc và chỉ

ra được thiếu sót và những kiếnthức còn thiêú về tổ hợp vật liệuPLA và tinh bột để tiếp tục theohướng đó hoàn thiện bổ sung tốthơn

-Tập được khả năng thuyết trìnhtrước mọi người

-Hoàn thiện bài báo cáo tới phầnmình đang tiến hành làm gửi thầysửa

=>Kết quả đạt được xác địnhđược các tính chất cơ học của vậtliệu như độ bền, độ dãn dài

- Làm quen với các thiết bị hiệnđại phân tích vật liệu đến từ Đức

- Dưới sự hướng dẫncủa các thầy, cô trongphòng thí nghiệm,phòng hoá lý vật liệu,phi kim loại

 Kết quả thu được là cáctấm vật liệu hình tròn cócác tính chất khác nhau vìđược chế tạo từ các tỉ lệtrộn hợp khác nhau.

Các mẫu đã chế tạo đem cắt dướidạng hình chày sau đó đem đi đocác thông số đo tính chất cơ, lý,nhiệt và độ dãn dài, độ bền,modun trên máy Haake

mô tả độ dãn dài, độ bền,các tính chất cơ lý, hoá lựachọn đem ra nghiên cứutrong các điều kiện dướidạng phổ, hình Sem

Từ các kết quả thu được tậpchung viết báo cáo hoàn chỉnhnộp thầy duyệt nộp về trường

của thầy TS.Đỗ VănCông

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả cácthầy, các cô trong Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam nói chung

và Viện Kỹ thuật nhiệt đới nói riêng Và đặc biệt cho em gửi lời cảm ơn tới thầy

TS Đỗ Văn Công, người đã hướng dẫn và giúp đỡ theo suốt em trong cả quátrình em thực tập Tự bản thân em thấy rằng mình còn nhiều kiến thức cần hoànthiện cần phải cố gắng thật nhiều nhưng đôi khi còn mải chơi và nộp bài muộnnhưng thầy vẫn luôn châm trước và giúp đỡ chúng em làm bài cho hoàn thiện.Một lần nữa cho em gửi lời cảm ơn tới thầy, mặc dù thời gian thực tập không dàinhưng em cũng có nhữn kinh nghiệm, bài học bổ ích để khi đi làm chúng emkhông bỡ ngỡ Lời cuối em chúc tất cả các thầy, các cô trong Viện Kỹ thuậtnhiệt đới luôn luôn có một sức khoẻ thật tốt và làm việc thật tốt để cống hiếnnhiều những phát minh, sáng kiến, công trình khoa học có ý nghĩa và thiết thựccho xã hội!

PHẦN B NỘI DUNG BÁO CÁO

MỞ ĐẦU

Xã hội ngày càng phát triển, đồng nghĩa với việc đời sống và mức sốngcủa mỗi người chúng ta càng được cao hơn Nhưng đồng hành với nó lại kéotheo nhiều vấn nạn, và một trong số đó phải kể đến đó là ô nhiễm môi trường Ônhiễm môi trường do các rác thải nhựa gây ra đang trở thành hiểm họa đối vớiđời sống của sinh vật và con người, trong nước cũng như trên toàn thế giới Trong đó, rác thải nhựa sinh ra từ các sản phẩm bao gói chiếm tỉ lệ chủ yếutrong tổng lượng rác thải nhựa hàng năm Sự gia tăng dân số trong giai đoạnhiện nay là một vấn đề mà nhân loại phải tính đến, đặc biệt trong vài thập kỷ tới.Nếu năm 2015, dân số thế giới là 7,3 tỷ người (JSM 2015) thì theo dự báo, con

số đó sẽ là 10 tỷ trong vòng 50 năm tới Điều này không chỉ ảnh hưởng đến sựtăng trưởng kinh tế, chất lượng cuộc sống, mà còn kéo theo nhiều vấn đề khác

về xã hội, nhu cầu năng lượng và môi trường Các chất thải từ polyme tổng hợptrên cơ sở dầu mỏ đã và đang là vấn nạn cho môi trường trái đất, sông suối và cảđại dương Theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường trung bình mộtngày mỗi người tiêu dùng phải sử dụng ít nhất một chiếc túi nylon.Vậy với dân

số hơn 90 triệu người mỗi ngày nước ta phải tiêu thụ hơn 90 triệu túi nylon vàcon số này ngày càng tăng theo đà tăng dân số [1] Song song với điều đó sốlượng rác thải cũng tăng lên không ngừng Đây là một thách thức lớn cho môitrường bởi vì phải mất một khoảng thời gian rất dài những túi nylon này mới cóthể phân huỷ được, có thể là 500 năm hoặc lâu hơn thế Vậy vấn đề đặt ra là làmthế nào ngăn chặn và giảm thiểu vấn nạn nguy hại đến môi trường này một cáchhiệu quả và tốt nhất? Từ đó các nhà khoa học không chỉ trong nước và ngoàinước đã bắt đầu đi vào công cuộc nghiên cứu để tìm ra một loại vật liệu mới cókhả năng phân huỷ mà không gây hậu qủa cho môi trường Trong những nămgần đây polyme sinh học được ứng dụng rộng rãi trong đời sống vì chúng không

được Các nhà khoa học đã đi nghiên cứu vật liệu tổ hợp từ poly axit lactic(PLA) và họ nhà tinh bột là một đại diện trong nhiều loại vật liệu lí tưởng đểthay thế các vật liệu để thay thế các loại vật liệu truyền thống Việc sử dụng cácsản phẩm bao bì an toàn và thân thiện với môi trường được phát triển mạnh mẽ.Các loại nhựa có nguồn gốc sinh học đang dần thay thế các loại nhựa có nguồngốc dầu mỏ Các nghiên cứu nhằm tạo ra các loại bao bì có khả năng phân hủysinh học và thân thiện với môi trường đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhómnghiên cứu Poly axit lactic ( PLA ) được xem là ứng cử viên cho hướng pháttriển này do có khả năng phân hủy trong tự nhiên, không gây ô nhiễm môitrường, không phụ thuộc vào tăng giá do quá trình khan hiếm dầu mỏ

Poly axit lactic ( PLA ) là một trong những polyme sinh học được nghiêncứu và sử dụng nhiều hiện nay bởi Polylactic axit (PLA)/polylactide là một loạipolyme nhiệt dẻo bán tinh thể, giòn và rắn, có nhiệt độ thủy tinh hóa tương đốithấp (~60oC) và có nhiệt độ chảy mềm 175-180oC PLA đang là đối tượng đượcquan tâm và phát triển nhiều nhất trên thế giới bởi dễ dàng được gia công trongcác thiết bị gia công chất dẻo thông thường và cũng dễ dàng phân hủy theo conđường sinh học, thích hợp để chế tạo ra bao bì, màng gói thực phẩm, các sảnphẩm sử dụng một lần [2] Bên cạnh đó thì PLA vẫn còn những hạn chế

Tinh bột có công thức hóa học ( C6H10O5)n là một polysacarit carbohydratechứa hỗn hợp amyloza và amylopectin Tinh bột được thực vật tạo ra trong tựnhiên trong các quả , củ như ngũ cốc Tinh bột là chất rắn vô định hình, màutrắng, không tan trong nước Do đó, có thể cần đưa vào polyme blend này cácchất phụ gia hoặc làm biến tính tinh bột hay PLA để cải thiện sự liên kết với một

số tính chất cơ và nhiệt của polyme blend, trong khi vẫn có thể thúc đẩy sự phânhủy của vật liệu khi chịu các tác động của điều kiện phân hủy tự nhiên như tiabức xạ tử ngoại UV, độ ẩm cao, nhiệt độ cao

Bài thực tập môn này trình bày kết quả nghiên cứu sự phân hủy củapolyme blend trên cơ sở PLA/ tinh bột trong các môi trường khác nhau (hóahọc, vi sinh vật, vật lý) Sự thay đổi vị trí hấp thụ đặc trưng của các nhóm chức,thay đổi pH, tính chất nhiệt và cấu trúc hình thái của vật liệu trước và sau phânhủy

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1

Poly axit lactic ( PLA )

1.1.1 Khái niệm PLA.

PLA là 1 trong số các polyeste no đang được nghiên cứu và sử dụng rộng rãinhất hiện nay Nó được tạo thành từ các nguồn có khả năng tái sinh hàng nămnhư tinh bột ngô, khoai tây, lúa mì, sắn,… Cấu trúc cơ bản của PLA là axit

lactic Công thức cấu tạo tổng quát của PLA được thể hiện dưới đây:

Hình 1.1: Công thức cấu tạo đơn giản của PLA.

1.1.2 Tổng hợp PLA.

Sơ đồ tổng hợp PLA được biểu diễn như sau:

Hình 1.2 Sơ đồ tổng hợp PLA [3]

Có thể nhận thấy axitlactic là đơn vị cơ bản, cấu thành nên PLA và là nguyên

liệu đầu vào của quá trình tổng hợp PLA

C6H12O6

Glucozơ

Tinh chếLên men

Sinh khối (tinh bột, đường )

D-, L-lactic axithoặc hỗn hợp racemic

D-, L-lactic axithoặc hỗn hợp racemic

n = 30 – 70, Oligome

Trùng ngưng trực tiếp –( n-1) H2O

Trùng ngưng trực tiếp –( n-1) H2O

Trùng ngưng

mở vòng (ROP)

-2 H2O

-2 H2O

H2O Trùng ngưng trong dung dịch

H2O Trùng ngưng trong dung dịch

Tái chế

Tái chế

1.1.2.1 Tổng hợp Axit lactic (AL).

Axit lactic (AL) là monome của PLA, được sản xuất rộng rãi và ứng dụngtrong nhiều lĩnh vực, nhiều ngành công nghiệp như dược phẩm, thực phẩm,thuộc da, sản xuất sơn, mực in, chất dẻo,…

AL là một axit hydroxyl cacbonxylic đơn giản nhất, có công thức tổng

quát CH3(HO)CHCOOH Do tồn tại nguyên tử C bất đối lên axit lactic tồn tại ởhai dạng đồng phân có hoạt tính quang học [4] gồm L (+) axit lactic (LAL) và

D (-) axit lactic (DAL)

Axit lactic

L- axit lactic D- axit lactic

Hình 1.3 Hai dạng đồng phân quang học của axit lactic.

-Có 2 phương pháp chính để điều chế axit lactic:

- Sơ đồ tổng hợp thực hiện theo các bước sau:

-Tạo lactonitrin: CH3CHO + HCN → CH3CHOHCN -Thủy phân: 2CH3CHOHCN + 2H2O + H2SO4 →2CH3CH(OH)COOH + (NH4)2SO4

-Este hóa: CH3CH(OH)COOH + CH3OH →

CH3CH(OH)COOCH3 + H2O

CH3OH

Trong đó, bước este hóa axit lactic metanol tạo ra metyl lactat sẽ thuậnlợi cho quá trình tách bằng chưng cất vì este dễ tách ra khỏi hỗn hợp phảnứng hơn so với axit lactic.

Hình 1.4 Sơ đồ sản xuất axit lactic bằng con đường hóa học

(a) và con đường lên men vi sinh vật (b).

 Phương pháp lên men cacbohydrat

Phương pháp này sử dụng nguyên liệu là các hợp chất cacbohydrat trong

tự nhiên như glucozơ, xenlulozơ, tinh bột nhờ một số vi khuẩn, vi sinhvật làm xúc tác Các giai đoạn thực hiện lên men gồm:

- Lên men và trung hòa: C6H12O6 + Ca(OH)2 → [CH3CH(OH)COO]2Ca2+ +2H2O

- Thủy phân: [CH3CH(OH)COO]2Ca2+ + H2SO4 → 2CH3CH(OH)COOH +CaSO4.

- Este hóa: CH3CH(OH)COOH + CH3OH → CH3CH(OH)COOCH3 +

H2O

- Thủy phân: CH3CH(OH)COOCH3 + H2O → CH3CH(OH)COOH +

CH3OH

Sản phẩm thô chứa canxi lactat được lọc để tách ra khỏi buồng phản ứng,

xử lý bằng than hoạt tính, cho bay hơi và axit hóa bằng axit sunphuric thu đượcaxit lactic và canxi sunphat CaSO4 không tan được tách ra bằng cách lọc Quátrình lên men được thực hiện dưới tác động của vi sinh vật Chọn lựa vi sinh vàphương pháp lên men phù hợp phụ thuộc vào cacbohydrat ban đầu và sản phẩmđồng phân axit lactic mong muốn Trong hai đồng phân, axit L (+) lactic đượcquan tâm nghiên cứu nhiều hơn dạng D (-) lactic vì có giá trị sử dụng lớn hơn.[5]

- Phản ứng trùng ngưng tạo PLA được trình bày trong hình 1.2

H O CH

CH3

C O

O

CH3O

Phản ứng trùng hợp mở vòng axit lactic qua hai giai đoạn: Tạo vòng đimelactit và trùng hợp mở vòng tạo polyme [8] Quá trình đó trình bày trong hình1.6 và 1.7

H O CH

CH3

C O

CH3O

O CH

CH3C O

O

t,xt,p

Lactit poly lactit

Hình 1.7 Phản ứng trùng hợp mở vòng của lactic tạo polylactit

(Đây là phản ứng một chiều không phải thuận nghịch)

Xúc tác có thể sử dụng là các hợp chất của kim loại như thiếc, nhôm, chì,kẽm bimut, sắt và ytri Phản ứng trùng hợp mở vòng lactit dưới xúc tác SnOct2

diễn ra như sau:

O O O

RCOO(CH3)OCOCH(CH3)OH SnOct2

Hình 1.8 Phản ứng trùng hợp mở vòng lactit dưới xúc tác SnOct 2

Phản ứng trùng hợp mở vòng có nhiều phương pháp: trùng hợp dung dịch,trùng hợp huyền phù, trùng hợp ở trạng thái nóng chảy

Phương pháp trùng hợp mở vòng cho polyme có khối lượng lớn nên đây

là phương pháp dùng chủ yếu để điều chế, sản xuất PLA hiện nay

1.1.3 Cấu trúc của PLA

PLA hiện nay chủ yếu được điều chế theo phương pháp ROP các đimelactit Do đime có 3 dạng: D,D-lactit ( gọi là D-lactit ) , L,L-lactit ( L-lactit ) và L,D-lactit hoặc D,L-lactit ( meso-lactit ) ( trong đó , D và Llactit có hoạt tính quang học nhưng meso thì không )

Hình 1.9: Cấu trúc 4 loại đồng phân không gian khác nhau của PLA.

- Khi trùng hợp mở vòng, các đồng phân lactit có thể tạo ra 4 dạng polymeđược đặc trưng về sự phân bố KLPT ( khối lượng phân tử ) và sự sắp xếp phân

bố của L và D-lactit trên trục của polymer.[9]

1.1.4 Tính chất của PLA.

PLA là một polyeste no có khối lượng phân tử vào khoảng 100000

-300000 ĐVC Nó có nhiều tính chất tốt, dễ gia công, khả năng tương hợp vàphân hủy sinh học

PLA có khác biệt khá rõ trong tính chất hóa lý Tốc độ phân hủy, tính chất

cơ lý thay đổi trong khoảng rộng phụ thuộc vào KLPT, thành phần và cấu trúckết tinh của PLA Nhìn chung, PLA thương mại thường là copolyme của L-lactit

và D-lactit Hàm lượng D-lactit có trong PLA được dùng để điều chỉnh độ kếttinh và tính chất của PLA thu được

PLA được điều chế bằng phương pháp trùng ngưng trực tiếp axit lacticthường có KLPT thấp và các tính chất cơ lý kém nên chỉ được sử dụng tronglĩnh vực bao gói và ít phổ biến trên thị trường

1.1.4.1 Tính chất vật lý của PLA.

PLA là một loại nhựa ở dạng hạt có màu trắng, đục, cứng, giòn, dễ vỡ, độbền nhiệt giảm nhanh trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm cao Độ tan của PLAphụ thuộc vào KLPT và độ kết tinh

PLA tan trong các dung môi clorua hay florua hữu cơ, ddiooxan, furanaxeton, pyridin, etyl lactat, tetrahydrofuran, xylen, etylaxetat, dimetylsulfoxit,N,N-dimetylfocmamit và metyl etyl xeton Nó không tan trong nước, rượu(methanol, etanol, propylene glycol) và hydrocarbon chưa thế (hexan, heptan).Trong dung dịch, độ nhớt của PLA tuân theo phương trình Mark-Hauwink.[10,11]

Bảng 1.1: Một số tính chất vật lí của PLA.

PLA là một polyme bán tinh thể và có cơ tính cao như một số nhựa nhiệtdẻo thông dụng Nó có độ cứng cao, dễ tạo thành nếp khi gấp, độ bền mài mòn

cơ học cao, môđun lớn, độ bền kéo đứt lớn nhưng khả năng dãn dài kém

Tính chất cơ học của PLA có thể thay đổi trong phạm vi rộng từ mềm, dãn dẻotới cứng và nhựa có độ bền kéo cao, phụ thuộc vào thành phần và khối lượngphân tử [12]

1.1.4.3 Tính chất hóa học của PLA.

PLA có khả năng chống cháy, chống bức xạ tử ngoại ít bị phai màu Nó

dễ nhuộm màu với tỷ lệ chất màu rất nhỏ Trong môi trường ẩm đặc biệt có mặtcủa axit và bazơ nó dễ bị thủy phân

PLA cũng dễ bị tác động của vi sinh vật độ bền của PLA phụ thuộcvào khối lượng phân tử và hàm lượng tinh thể PLA có khối lượng phân tửcàng thấp càng dễ bị phân hủy Khi tăng hàm lượng tinh thể, độ bền của PLAtăng lên PLA thu được bằng trùng ngưng axit lactic có khối lượng phân tủthấp và chứa nhiều nhóm –COOH và nhóm -OH cuối mạch nên chúng có thểtham gia phản ứng với các monome hay polyme chứa nhóm chức cuối mạchnhư các nhóm cacboxyl, hidroxyl, amino, anhydrit axit… Kết qủa PLA đượcnối dài thêm, khối lượng phân tử tăng [13]

1.1.4.4 Tính chất nhiệt của PLA.

PLA có nhiệt độ chảy mềm (Tm) và nhiệt độ kết tinh (Tc) cao hơn so vớiLDPE và HDPE là hai polyme có nguồn gốc từ dầu mỏ Nó khó bị phân hủynhiệt hơn so với LDPE và HDPE Tính chất nhiệt của PLA phụ thuộc nhiềuvào cấu trúc lập thể [] Tm của PLLA có thể tăng lên từ 40- 50°C và độ chênhlệch nhiệt độ của nó cũng tăng lên từ 60- 190°C khi blend hóa PDLA vàPLLA PLA nóng chảy ở 130- 215°C PLLA có Tm ở 170- 183°C và nhiệt độthủy tinh hóa (Tg) ở 55- 65°C Trong khi PDLA có Tg ở 59°C Độ bền nhiệtcủa PLA giảm nhanh trong điều kiện nhiệt độ và hơi ẩm cao [14,15,16]

1.1.4.5 Tính thấm khí

PLA chống thấm khí khá tốt Khả năng thấm khí của PLA với N2, O2 và

CO2 thấp hơn nhiều so với PE Do đó, PLA che chắn không khí tốt PE nhiều.Ngoài ra, PLA giữ mùi, hương tốt, cách nhiệt tốt, độ bóng và trong cao, trơ vớichất béo [17]

1.1.5 Khả năng phân huỷ của PLA.

Theo Carothers, bản chất của quá trình phân huỷ PLA chính là sự thuỷ phânPLA, do PLA là một polyeste béo Nước bị hấp phụ đã làm đứt các liên kết estedẫn tới sự giảm liên tục khối lượng phân tử PLA

Tốc độ phản ứng thuỷ phân phụ thuộc chủ yếu vào độ ẩm và nhiệt độ của môitrường phân huỷ [18]

Stt Tên thương mại Ứng dụng Hãng sản xuất

nông nghiệp, hom cây, đồdùng văn phòng

thìa, túi, khay

Dụng cụ ăn uống, vật liệubao gói, đồ dùng vănphòng

MinimaTechnology Janpan

Nó được dùng trong y học, trong ngành công nghiệp dệt sợi, ngành côngnghiệp sản xuất bao bì và còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác trong đờisống Ứng dụng quan trọng của PLA là trong ngành công nghiệp sản xuất bao bì.Trong y học PLA được dùng làm chỉ khâu vết thương, dùng làm mô tế bào.Trong ngành công nghiệp dệt sợi Trong ngành sản xuất bao bì PLA được dùnglàm vật liệu đóng gói, làm các loại chai có độ trong cao, làm các loại bao bìcứng trong suốt…

Trong công nghệ làm sạch môi trường: các polyme sinh học như PLA khikết hợp với zeolite có thể dùng trong quá trình làm sạch, xử lý nước thải thay thếcho các hợp chất có chứa photpho

Trong nông nghiệp: PLA được sử dụng làm các bầu đựng ươm cây giốnghay các màng che phủ, bảo vệ cây trồng do nó có khả năng phân hủy thành cácsản phẩm đi vào trong đất sau thời gian sử dụng nhất định Các sản phẩm nàycũng có thể trở thành nguồn cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng

Trong kỹ thuật điện: một số vật liệu blend giữa PLA với các plyme khác

và polyme compozit, vật liệu nano silicat trên cơ sở PLA được sử dụng tronglĩnh vực điện tử

Nature works – sản phẩm của tập đoàn Cargill – là nhãn hiệu được sử dụngrộng rãi nhất Năng lực của nhà máy sản xuất Nature works nhãn hiệu dẫn đầuthị trường nhựa sinh học cảu Mỹ, khoảng 150.000 tấn – tương đương 0, 1% thịphần toàn cầu, các sản phẩm từ PLA đa dạng về đặc tính và chủng loại từ hộpđựng thực phẩm, đồ dùng nhà bếp đến thỏi dưỡng môi…

Mirel lần đầu tiên được ứng dụng năm 2007 khi tập đoàn bán lẻ Target sửdụng phiếu quà tặng làm bằng loại nhựa này tại 129 siêu thị của mình Xét về ưuthế thì Nature works so với Miren vẫn hơn vì có thể dùng sản xuất các loại bao

bì trong suốt như vỏ chai nước suối

PLA là một loại polyme được sử dụng nhiều trong tương lai và nó là mộtbước đột phá trong ngành sản xuất bao bì

Như vậy, PLA là một polyme có nhiều ưu điểm như độ bền kéo đứt cao, cóthể gia công như nhựa nhiệt dẻo, có khả năng phân hủy trong điều kiện môitrường tự nhiên, có khả năng tương hợp sinh học và có sẵn trong các nguồn táisinh… Do đó nó có nhiều khả năng ứng dụng trong thực tế Tuy nhiên, một sốnhược điểm như giòn, dãn dài khi đứt thấp, dễ bị phân hủy, quy trình điều chếphức tạp và giá thành cao đã hạn chế khẳ năng sử dụng của nó Để khắc phụcđược các nhược điểm này, PLA đã được trộn hợp với các polyme khác hay vớicác chất độn bằng nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra các polyme blend cótính chất như mong muốn, đáp ứng các nhu cầu sử dụng

1.1.7 Tình hình nghiên cứu vật liệu tổ hợp chứa PLA ở Việt Nam và các nước trên thế giới.

1.1.7.1.Tình hình nghiên cứu PLA và sản xuất PLA trên thế giới.

Trên thế giới, việc tổng hợp các loại vật liệu polyme compozit và compozitphân hủy sinh học đã được tiến hành từ lâu PLA là một trong những polymeđầu tiên mà con người tổng hợp được Năm 1833, Gay Lussac đã điều chế thànhcông PLA khi đun nóng LA Nhưng phải đến năm 1932, cơ sở lý luận của việctổng hợp PLA được phát minh bởi Wallace Carothers – cha đẻ của polieste hiện

1954, hãng Dupont đã đăng ký bản quyền phát minh này và từ đó PLA mới thực

sự được chú trọng phát triển

Từ những năm 1960, người ta đã chú ý tới tính tương hợp và phân huỷ sinhhọc của PLA Tuy nhiên, do giá thành cao nên nó chỉ được áp dụng trongnghành y tế như: chỉ khâu tự tiêu, vỏ bọc thuốc nhả chậm, một số chi tiết cấyghép tạm…

Nhưng từ thập niên 80, dưới áp của vấn đề rác thải gây ô nhiễm môi trườngcủa vật liệu bao gói và các vật liệu khác có nguồn gốc hoá dầu thì vật liệu dễphân huỷ PLA bắt đầu được quan tâm, chú ý nhiều hơn Năm 198, tập đoàn sảnxuất nông nghiệp Cargill của Mỹ bắt đầu nghiên cứu sản xuất PLA từ tinh bộtngô Đến năm 1992, họ bắt đầu sản xuất ở quy mô phòng thí nghiệm Do cónhững khó khăn về mặt kỹ thuật và công nghệ, Cargill đã liên kết với DowChemical - một công ty rất mạnh về polyme để hình thành liên doanh CargillDow polymers LLC Đến năm 2002, nhà máy sản xuất PLA ở quy mô côngnghiệp đầu tiên ở Nebraska với công suất 140.000 tấn PLA/ năm Nhật bản vàChâu Âu cũng có những dự án tương tự để nghiên cứu sản xuất PLA như FAIRPL-97-3070

Sản lượng tinh bột khô toàn cầu năm 2009 khoảng 68 triệu tấn và đạt 72triệu tấn vào năm 2012 với tốc độ tăng trưởng khoảng 4-6%/năm Năm 2018 sảnlượng tinh bột toàn cầu có thể đạt đến 133,5 triệu tấn [35]

Sản lượng axit lactic toàn cầu năm 2013 ước đạt 714.200 tấn, dự báo đếnnăm 2020 ước đạt 1.960.100 tấn Thị trường PLA toàn cầu năm 2013 đạt khoảng360.800 tấn và ước đạt 1.205.300 tấn vào năm 2020 [36]

Việc sử dụng PLA đã sẽ giải quyết được triệt để hai vấn đề cấp bách hiệnnay ô nhiễm môi trường do polyme bao bì có nguồn gốc dầu mỏ rất khó bị phânhuỷ và sự cạn kiệt của dầu mỏ trong tương lai

1.1.7.2.Tình hình sản xuất và nghiên cứu PLA ở Việt Nam.

Ở Việt Nam, vài năm gần đây các polyme compozit chứa polyme thiênnhiên có khả năng phân hủy sinh học đã được nghiên cứu chế tạo Đó là các vậtliệu polyme compozit trên cơ sở tinh bột và tinh bột biến tính với PE và PE ghépanhydrit maleic, tinh bột axetat của Viện Hóa học Công nghiệp, Trường ĐạiHọc Bách khoa Hà Nội, Viện Hóa học và Viện Kỹ thuật nhiệt đới ( thuộc ViệnHàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam ) Các kết quả nghiên cứu cho thấy ởcác màng polyme compozit nói trên, tinh bột đã bị phân hủy dưới tác động củacác tác nhân sinh học

Tuy nhiên, việc nghiên cứu chế tạo, khảo sát tính chất của PLA và vật liệupolyme compozit của PLA với các polyme khác còn rất mới mẻ Các nghiên cứuđiều chế PLA và các sản phẩm của PLA này chỉ mới được bắt đầu Một đề tàinghiên cứu chế tạo polyme tự phân hủy sinh học PLA do PGS.TS Hồ Sơn Lâmchủ trì đã được tiến hành năm 2002 Tuy nhiên, hiệu suất điều chế PLA chưacao và chưa triển khai sản xuất với khối lượng lớn PGS.TS Phạm Thế Trinh vàcác cộng sự ở Viện Hóa học Công nghiệp đã thực hiện đề tài khoa học côngnghệ cấp Nhà nước trong giai đoạn 2006-2007 về nghiên cứu chế tạo và ứngdụng polyme phân hủy sinh học trên cơ sở PLA, poly (axit glycolic ) và sảnphẩm đồng trùng ngưng của chúng nhưng các sản phẩm điều chế được khôngnhiều Năm 2008, TS.Trần Đình Mẫn cùng cộng sự ở Viện Công nghệ sinh học

và Viện Hóa học ( thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam ) đãnghiên cứu sản xuất bao bì dễ phân hủy sinh học từ PLA trên cơ sở nguồn axitlactic thu được bằng phương pháp lên men vi sinh vật Đề tài đã tổng hợp đượcaxit lactic với hiệu suất cao ( >80%) bằng sử dụng 1-2 chùng vi sinh vật Tuynhiên, quá trình tổng hợp PLA thu được hiệu suất thấp và các kết quả của đề tàichưa triển khai, ứng dụng vào thực tế

Trong lĩnh vực vật liệu tổ hợp, gần đây GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu và cácđồng nghiệp ở Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nghiên cứu vật liệu

lớn hơn so với PLA Sợi tre có thể cải thiện độ bền nhiệt của PLA Vật liệucompozit PLA/sợi nứa đã xử lý bằng dung dịch kiềm có độ bền kéo đứt23,70MPa, độ bền uốn 42,37 MPa và độ bền va đập 2,88 kJ/m2 Tuy nhiên, cáccông trình nghiên cứu khả năng phân hủy sinh học của các vật liệu compozit nóiriêng và các vật liệu trên cơ sở PLA vẫn chưa được nghiên cứu và nếu đựơcnghi ên cưú thì cũng chưa được chuyên sâu và phổ biến rộng rãi.

Từ các thông tin trên cho thấy việc nghiên cứu vật liệu PLA đang là vấn

đề nóng được nghiên cứu khá phổ biến không chỉ ở Việt Nam mà cả thế giới đềuquan tâm và đang có xu hướng phát triển đặt lên hàng đầu để nghiên cưú tìm raloại vật liệu thân thiện với môi trường không gây ảnh hưởng tới sức khoẻ conngười

1.2.1 Cấu tạo và cấu trúc của tinh bột.

1.2.1.1 Cấu tạo của tinh bột.

Tinh bột có dạng hạt tròn hoặc đa giác, kích thước 0.02-0.12 mm, phụ thuộcvào nguồn gốc của chúng như: tinh bột gạo có hình đa giác, đường kính 3-8 µm,rất dễ vón cục, tinh bột ngô có hình tròn hoặc đa giác, đường kính 15µm, trongkhi đó tinh bột sắn có dạng tròn vát, đường kính 20µm

Bảng1.3: Một số chủng loại tinh bột trong tự nhiên [23,24]

tinh bột, % trọng lượngkhô

Amilozơ %

- Amilozơ

Amilozơ là chuỗi polyme mạch thẳng có khối lượng phân tử 105 -106

g/mol, được liên kết bởi α-D-1,4 glucozit Chiều dài trung bình khoảng 500 –

2000 đơn vị glucozơ, phụ thuộc vào nguồn gốc và quá trình chế biến Ở dạngtinh thể có cấu trúc xoắn ốc, dễ bị thoái hoá trong nước, có khả năng hoà tantrong dung môi: forman dehyt, cloralhydrat Phân tử Amilozơ có một đầu khử

và một đầu không khử, cấu hình α- glucozơ tạo cho phân tử có đặc tính mềmdẻo hơn

1 2 3 4 5 6

4

6

O OH OH

CH2OH

O OH OH

CH2OH

G G G G G G G G

Hình 1.11 Cấu tạo hoá học của Amilozơ:

Hình 1.12 Cấu trúc không gian của Amilozơ.