thiết kế nhà máy sản xuất ly, chén nhựa sử dụng một lần bằng nhựa phân hủy sinh học PLA

LỜI MỞ ĐẦUNgày nay, việc tìm ra và ứng dụng các vật liệu thân thiện với môi trường vàotrong các ngành công nghiệp và dịch vụ nhận được sự quan tâm rất lớn trên thế giới.Đối với ngành nhự

KHOA: KHOA HỌC ỨNG DỤNG 1

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận tốt nghiệp chính là thành quả sau 4 năm học tập tại trường đại họcTôn Đức Thắng của em Để có thể hoàn thành tốt khóa luận này, em đã nhận được sựgiúp đỡ, hỗ trợ cũng như những lời động viên từ thầy cô, bạn bè, gia đình

Em xin gửi những lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Lê Quốc Bảo, giảng viên của

bộ môn Vật liệu hữu cơ, khoa Khoa học ứng dụng, trường đại học Tôn Đức Thắng,cũng là giảng viên hướng dẫn trực tiếp của em, người đã giúp đỡ, hỗ trợ, giải đápnhững thắc mắc, góp ý để em có thể hoàn thiện tốt khóa luận

Bên cạnh đó, em xin cảm ơn các thầy cô của khoa Khoa học ứng dụng nói chung vàcủa bộ môn Vật liệu hữu cơ nói riêng đã giảng dạy cho em từ những kiến thức đạicương đến những kiến thức chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng

và tạo điều kiện tốt nhất hỗ trợ em trong quá trình làm khóa luận

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè và gia đình của em, đã luôn quan tâmđộng viên, giúp đỡ, hỗ trợ, góp ý và tạo điều kiện tốt cho em suốt quá trình học tập vàhoàn thiện khóa luận này

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Ngoài ra trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu củacác tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc.

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

về nội dung khóa luận của mình Trường đại học Tôn Đức Thắng không liên quan

đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếucó)

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

KHOA: KHOA HỌC ỨNG DỤNG 3

MỤC LỤC

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

KHOA: KHOA HỌC ỨNG DỤNG 4

DANH MỤC BẢNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, việc tìm ra và ứng dụng các vật liệu thân thiện với môi trường vàotrong các ngành công nghiệp và dịch vụ nhận được sự quan tâm rất lớn trên thế giới.Đối với ngành nhựa, các loại vật liệu có khả năng phân hủy sinh học đang được sửdụng ngày càng nhiều, chủ yếu là để sản xuất các loại vật dụng dùng chỉ một lần nhưchén, đĩa, ly, muỗng, nĩa và dùng trong y học như mô nhân tạo, dẫn truyền thuốc Trong đó, PLA là loại nhựa phân hủy sinh học đang được ứng dụng khá nhiều trên thếgiới, ứng dụng chủ yếu nhiều nhất là ly, chén nhựa tự phân hủy và dẫn thuốc trong yhọc

Bên cạnh đó, hiện tại ở Việt Nam, ly, chén nhựa dùng một lần chiếm thị trường khálớn trong các sản phẩm của ngành nhựa Tuy nhiên, loại ly, chén nhựa dùng một lầnnày chủ yếu được sản xuất từ các loại nhựa có nguồn gốc từ than đá, dầu mỏ như PP,PET , thời gian chúng phân hủy rất dài và việc xử lý rác thải phức tạp Vẫn chưa cónhiều công ty, nhà máy sản xuất dùng các loại nhựa phân hủy sinh học như PLA ở ViệtNam

Từ những điều trên, có thể thấy, thị trường ly, chén nhựa phân hủy sinh học tạiViệt Nam rất lớn Chính vì vậy nên em chọn đề tài cho khóa luận tốt nghiệp của mìnhchính là thiết kế nhà máy sản xuất ly, chén nhựa sử dụng một lần bằng nhựa phân hủysinh học PLA với năng suất mỗi loại 5000 tấn/năm Nội dung của khóa luận bao gồm:

- Tìm hiểu về nhựa phân hủy sinh học PLA, cách tổng hợp, tính chất và ứng dụng củaPLA

- Tìm hiểu về quy trình sản xuất ly, chén nhựa sử dụng một lần, cách lựa chọn máy móc,thiết bị phù hợp với quy trình

- Tính cân bằng vật chất, bố trí thiết bị và tính kinh tế

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu về nhựa phân hủy sinh học

1.1.1. Tổng quan về nhựa phân hủy sinh học

Hiện nay, nhựa phân hủy sinh học được xem như loại nhựa “dành cho tươnglai” Cũng giống như các loại nhựa khác, nhựa phân hủy sinh học bao gồm các polymerkết hợp với các chất hóa dẻo và phụ gia Điểm khác biệt chính là polymer sử dụngtrong nhựa phân hủy sinh học được sản xuất chủ yếu từ nguồn sinh khối tái tạo Ngoài

ra có thể sản xuất bằng cách biến tính một số loại polyester mạch thẳng hay mạchvòng

Với các ưu điểm mà các loại nhựa khác không có được như khả năng tự phânhủy hoàn toàn, thân thiện với môi trường, sử dụng nguồn sinh khối tái tạo, có thể dễdàng kết hợp với các chất thải hữu cơ khác, làm giảm gánh nặng trong việc phân hủy

và xử lý rác thải , nhựa phân hủy sinh học trong khoảng 10 năm gần đây đang đượcđưa vào sử dụng rộng rãi trên thị trường

Theo bản nghiên cứu thị trường của Germany’s nova-Institute, lượng nhựa phânhủy sinh học đạt 3,5 triệu tấn, chiếm 1,5% trong tổng sản lượng nhựa nói chung (235triệu tấn) vào năm 2011 Dự đoán vào năm 2020, ước tính lượng nhựa phân hủy sinhhọc sản xuất sẽ đạt gần 12 triệu tấn, chiếm 3% trong tổng sản lượng nhựa nói chung(400 triệu tấn), đồng thời thị trường sản xuất nhựa phân hủy sinh học sẽ chủ yếu pháttriển ở châu Á và Nam Mỹ do có nguồn cung cấp nguyên liệu thuận lợi Từ các ưuđiểm và những dự đoán trên, ta có thể thấy tiềm năng phát triển của các ứng dụng làm

từ nhựa phân hủy sinh học rất lớn [1]

1.1.2. Phân loại nhựa phân hủy sinh học

 Các polymer phân hủy sinh học tự nhiên:

Polymer phân hủy sinh học tự nhiên được tổng hợp bằng các phản ứng trùnghợp phát triển mạch các monomer, xúc tác hoạt hóa bằng enzyme Các polymer thuộcloại này chủ yếu là:

- Polysaccharide: tinh bột và cellulose

- Chitin và chitosan

- Alginate

- Gelatine

 Các polyester phân hủy sinh học:

Polyester phân hủy sinh học đóng vai trò chính trong việc sản xuất nhựa phânhủy sinh học nhờ có chứa các liên kết ester dễ bị thủy phân Polyester có 2 nhómchính: polyester mạch thẳng và polyester mạch vòng Các polyester thuộc loại này chủyếu là:

- Polyester mạch thẳng: PLA, PBS, PCL,

- Polyester mạch vòng: AAC, PET,

 Một số loại polymer phân hủy sinh học khác:

- Polymer tan trong nước: PVA, EVOH

- Nhựa phân hủy quang

- Hạt phụ gia kiểm soát phân hủy

- Polymer có mạch chính dễ bị thủy phân: polyester, polyamide, polyuretane vàpolyurea, polyanhydride, polyamide – enamide, polyvinyl, acetate, polyacrylate [5]

1.2. Giới thiệu về thị trường của nhựa phân hủy sinh học

Dựa vào các ưu điểm và tiềm năng phát triển của nhựa phân hủy sinh học, việcứng dụng loại vật liệu này vào các lĩnh vực khác nhau đang ngày càng mở rộng ở nhiềunước trên thế giới Nhựa phân hủy sinh học thường được biến tính trước khi đưa vàosản xuất nhằm đáp ứng theo những yêu cầu cụ thể của từng ngành nghề Vật liệu cũngđược gia công theo nhiều phương pháp khác nhau, tùy thuộc theo yêu cầu của sảnphẩm Các ứng dụng phổ biến là trong lĩnh vực đồ gia dụng, bao bì – túi đựng hànghóa, trong nông – lâm nghiệp, ứng dụng trong y – sinh học , nhiều loại đã trở thànhsản phẩm thương mại [5]

Đối với lĩnh vực đồ gia dụng, các sản phẩm chủ yếu là chén, dĩa, dao, muỗng dùng một lần Đối với lĩnh vực bao bì – túi đựng hàng hóa, sản phẩm chính là các loạibao bì dùng trong siêu thị: túi đựng thực phẩm, bao đựng rau củ quả Đối với lĩnh vực

y – sinh học, vật liệu được ứng dụng làm mô cấy phẫu thuật, chỉ khâu phẫu thuật, hệphân phối thuốc Đối với lĩnh vực nông – lâm nghiệp, nhựa phân hủy sinh học đượcứng dụng làm màng che phủ đất, bầu ươm cây [2]

Tuy có nhiều ứng dụng và đã được phát triển khá nhiều ở các nước trên thế giới,nhưng tại Việt Nam, việc ứng dụng nhựa phân hủy sinh học còn khá hạn chế, chưathông dụng do các doanh nghiệp thiếu sự liên kết giữa nghiên cứu phát triển và triểnkhai ứng dụng thực tế, cơ sở vật chất, kinh phí cho giai đoạn sản xuất còn thiếu và hạnchế Hiện nay, chỉ mới có một vài công ty đầu tư sản xuất bằng loại vật liệu này nhưCông ty cổ phần Sản xuất Nhựa Phú Mỹ (PMP) sản xuất túi đựng, dao, muỗng, nĩadùng một lần; Công ty cổ phần văn hóa Tân Bình (ALTA) sản xuất túi đựng tự phânhủy, in ấn lên bao bì tự phân hủy; Công ty Trách nhiệm hữu hạn The Organik Housesản xuất hộp đựng thực phẩm, ống hút, muỗng bằng tre, bã mía, mo cau Có thể thấy,thị trường dành cho nhựa phân hủy sinh học ở nước ta còn rất lớn, cần được đầu tưphát triển mạnh hơn

Hình 1.1: Dao, muỗng, nĩa dùng một lần.

Hình 1.2: Bao bì nhựa tự phân hủy.

1.3. Tiềm năng và xu hướng phát triển của ly, chén nhựa phân hủy sinh học

Ngày nay, ly, chén nhựa dùng một lần được sử dụng khá phổ biến trong đời sốnghằng ngày, điển hình như sử dụng tại các tiệm cà phê, trà sữa, thức ăn nhanh, tại cáchoạt động tổ chức ngoài trời, các sự kiện lớn đông người tham dự Tuy nhiên, loại ly,chén nhựa dùng một lần hiện nay được sản xuất chủ yếu bằng nhựa PP, PE hoặc PET.Những loại nhựa này thường khó xử lý rác thải do chúng không thể tự phân hủy trongmôi trường tự nhiên Đây chính là nhược điểm lớn nhất của việc sử dụng ly, chén nhựadùng một lần Để khắc phục điều đó, người ta đã nghĩ ra việc dùng nguyên liệu là nhựaphân hủy sinh học để sản xuất ly, chén nhựa dùng một lần

Việc sản xuất ly, chén nhựa phân hủy sinh học vẫn được sản xuất bằng phươngpháp đùn tạo màng sau đó dập tạo hình sản phẩm, tương tự như phương pháp sản xuấtloại ly, chén dùng một lần đang bán trên thị trường hiện nay Điều này thuận lợi chocác công ty vốn đang sản xuất loại ly, chén nhựa bằng nguồn nguyên liệu truyền thống

có thể chuyển đổi sang công nghệ sản xuất loại ly, chén nhựa phân hủy sinh học, cũngnhư cho các công ty mới bắt đầu sản xuất dễ dàng mua được các loại thiết bị dùng chonhựa phân hủy sinh học có sẵn trên thị trường để đưa vào gia công

Hình 1.3: Chén nhựa phân hủy sinh học.

Hình 1.4: Ly nhựa phân hủy sinh học.

Ly, chén nhựa phân hủy sinh học vẫn đảm bảo được những lợi thế ban đầu củaloại ly, chén nhựa dùng một lần như: trọng lượng nhẹ, thuận tiện cho việc mang đi,không cần vệ sinh sau khi sử dụng, giá thành thấp , nhưng lại thân thiện với môitrường, giải quyết được vấn đề xử lý rác thải, đồng thời đảm bảo an toàn cho sức khỏengười sử dụng Bên cạnh đó, nguồn nguyên liệu sản xuất ly, chén nhựa tự phân hủy lại

dễ tìm và rẻ tiền Từ những ưu điểm trên, có thể dự đoán trong tương lai, các công tysản xuất sẽ chuyển sang sản xuất loại ly, chén nhựa dùng một lần tự phân hủy, thay thếdần và từ từ loại bỏ loại ly, chén nhựa hiện nay đang có trên thị trường Việc thay thếbằng ly, chén tự phân hủy vẫn đảm bảo cung cấp được cho nhu cầu thị trường ly, chéndùng một lần, đồng thời làm giảm gánh nặng trong việc phân hủy rác thải nhựa, phùhợp với xu hướng bảo vệ môi trường

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT

2.1. Nguyên liệu chính: Nhựa PLA

2.1.1. Giới thiệu về nhựa PLA

PLA được sản xuất chủ yếu từ tinh bột bắp – nguồn nguyên liệu thu được từ sảnxuất nông nghiệp Với các tính chất nổi bật như độ bền kéo cao, trong suốt, khả năngphân hủy sinh học cao, dễ tạo hình sản phẩm trong tương lai PLA sẽ dần thay thếcho PS, PP, ABS cũng như các loại nhựa có nguồn gốc từ dầu mỏ khác trong các ứngdụng đòi hỏi yêu cầu cao Loại vật liệu này là một trong những loại biopolymer đangđược sử dụng phổ biến Năm 2010, PLA có khối lượng tiêu thụ cao thứ hai trong cácloại nhựa sinh học trên thế giới Dự đoán nhựa PLA sẽ tăng 50% sản lượng vào năm

2022 so với năm 2017 [1]

2.1.2. Phương pháp sản xuất nhựa PLA

PLA có thể tổng hợp bằng bốn phương pháp khác nhau nhưng chủ yếu là sửdụng phương pháp polymer hóa trực tiếp và phương pháp trùng hợp mở vòng

 Phương pháp polymer hóa trực tiếp:

Phương pháp này tạo thành PLA có khối lượng phân tử thấp sau đó tăng phân tửkhối bằng các tác nhân kéo dài mạch cho đến khối lượng phân tử mong muốn

n HO C COOH H O C COO H + (n - 1)H2O

Hình 2.7: Phương trình điều chế PLA bằng phương pháp polymer hóa trực tiếp [7].

 Phương pháp trùng hợp mở vòng (ROP):

Phương pháp này được sử dụng nhiều trong công nghiệp Phản ứng trùng hợp

mở vòng của lactide với các chất xúc tác kim loại trong dung dịch alcohol ở điều kiện

trùng hợp xúc tác

n

nhiệt độ cao và áp suất thấp, bao gồm 2 giai đoạn: đầu tiên monomer lactic acid đượctrùng ngưng để tạo thành oligomer, sau đó oligomer trải qua quá trình đề polymer hóađồng thời tạo thành polylactic acid.

CH3 H3C O O CH3

2 HO C COOH O C COO

H O O CH3 H

Hình 2.8: Phương trình điều chế PLA bằng phương pháp trùng hợp mở vòng (ROP)

[7]

 Các phương pháp khác:

Ngoài hai phương pháp kể trên, hiện nay các nhà khoa học đã tìm ra thêm đượchai phương pháp khác để tạo ra PLA Một trong số hai phương pháp là thực hiện phảnứng tạo PLA với các chất xúc tác không độc hại như các chất xúc tác có nguồn gốc từmagnesium, calcium, kẽm, kim loại kiềm, nhôm Phương pháp còn lại chính là pháttriển một loại vi sinh vật sản xuất ra PLA, sử dụng các enzyme để trùng hợp ra PLA

Cả hai phương án này đều giúp cải thiện việc ô nhiễm môi trường, độc hại do quá trìnhsản xuất gây ra Tuy nhiên các phương pháp này vẫn chưa được đưa vào sản xuất thực

tế trong công nghiệp Các nhà khoa học vẫn đang trong quá trình phát triển và hoànthiện hai phương pháp này [7]

2.1.3. Tính chất của nhựa PLA

Nhựa PLA nói chung, ở nhiệt độ phòng, có nhiệt độ hóa thủy tinh Tg và nhiệt độnóng chảy Tm tương ứng ở khoảng 55°C và 175°C PLA có chu kỳ bán hủy trong môitrường từ 6 tháng đến 2 năm, tùy thuộc vào tỉ số đồng phân, nhiệt độ, kích thước và

trùng hợp mở vòng tạo vòng

xúc tác -H2O

n

hình dáng của vật phẩm Độ bền kéo của chúng có thể thay đổi tùy thuộc vào việc hóadẻo, định hướng và độ kết tinh khi gia công Đối với PDLA, PLLA, PDLLA, chúngđều hòa tan trong các dung môi thông dụng như benzene, chloroform, dioxane vàphân hủy bằng phản ứng thủy phân liên kết ester Bảng dưới đây cho biết một số tínhchất cơ bản của PDLA, PLLA, PDLLA [2].

Bảng 2.1: Một số tính chất vật lý và hóa học của PDLA, PLLA, PDLLA [7]

Dung môi hòa tan Tất cả đều hòa tan trong benzene, chloroform, acetonitrile,tetrahydrofuran (THF), dioxane , nhưng không hòa tan

trong ethanol, methanol và các hydrocarbon béo

Cấu trúc tinh thể Tinh thể Bán kết tinh Vô định hìnhNhiệt độ nóng chảy

Nhiệt độ hóa thủy

tinh Tg (°C) 50 – 60 55 – 60 Có thể thay đổiNhiệt độ phân hủy

 Ưu nhược điểm của nhựa PLA:

- Ưu điểm: PLA có khả năng phân hủy sinh học cao, thời gian phân hủy ngắn, không độchại với cơ thể con người, giá thành rẻ hơn các loại nhựa phân hủy sinh học khác

- Nhược điểm: Còn nhiều hạn chế về tính chất như nhiệt độ hóa thủy tinh Tg thấp dẫnđến khả năng ổn định thấp, PLA dễ bị thủy phân, tốc độ phân hủy thấp Bên cạnh đó,việc sản xuất PLA ở quy mô công nghiệp còn khá tốn kém do đòi hỏi quy trình côngnghệ cao, điều đó khiến sản phẩm làm ra có giá thành cao hơn các loại nhựa có nguồngốc từ dầu mỏ như PP, PVC, PET [2]

2.1.4. Ứng dụng của nhựa PLA

Bên cạnh những ưu điểm nổi bật, PLA vẫn còn nhiều nhược điểm về tính chấtkhiến khó gia công, hạn chế về mặt sản phẩm ứng dụng của PLA Để có thể gia công

dễ dàng hơn, người ta sẽ biến tính PLA như các loại polymer khác trên thị trường,nhằm tăng các tính chất, đáp ứng cho các nhu cầu cụ thể của từng loại sản phẩm Một

số ứng dụng thường gặp của PLA như:

- Lĩnh vực y sinh: kỹ thuật mô, kỹ thuật dẫn truyền thuốc, cấy ghép, chế tạo các thiết bị

- Lĩnh vực nông nghiệp: màng phủ, chậu cây [7]

2.2. Nguyên liệu phụ: Tinh bột sắn

2.2.1. Giới thiệu về tinh bột sắn

Hình 2.9: Tinh bột sắn.

Tinh bột là một polysaccharide carbohydrate với công thức hóa học là(C6H10O5)n, bao gồm amylose và amylopectin theo tỷ lệ phần trăm Tỷ lệ này thay đổitùy thuộc vào từng loại tinh bột, thường là từ 20:80 đến 30:70 Đây là thành phần quantrọng nhất và quyết định giá trị của các loại củ, quả Trong đó, tinh bột được tách từ sắnhay còn gọi là khoai mì là loại tinh bột chính được dùng nhiều trong công nghiệp

Tinh bột sắn có dạng bột màu trắng, không mùi, không vị Các hạt tinh bột nhìndưới kính hiển vi có dạng hình cầu, hình trứng hoặc hình mũ, có kích thước thườngnằm trong khoảng 5 – 40 µm Tỷ lệ amylose : amylopectin trong tinh bột sắn khá cao(80:20) nên gel tinh bột có độ nhớt, độ kết dính cao và khả năng gel bị thoái hóa thấp.Trong quá trình sản xuất chén nhựa phân hủy sinh học, tinh bột sắn được thêm vàotrong nguyên liệu sản xuất nhằm tăng khả năng tự phân hủy, tạo màu trắng cho sảnphẩm đồng thời giúp hạ giá thành sản phẩm [6]

2.2.2. Phương pháp sản xuất tinh bột

Quy trình sản xuất tinh bột sắn từ sắn tươi cũng như máy móc thiết bị dùng đểsản xuất đều tương đối đơn giản và khá phổ biến

Hình 2.10: Sơ đồ quy trình sản xuất tinh bột sắn từ sắn tươi [6].

Tinh bột Sấy Tách rửa Rây, lọc Mài xát

Ngâm, rửa, bóc vỏ Sắn tươi

Một trong những tính chất quan trọng và nổi bật nhất của tinh bột sắn chính là

độ nhớt Tinh bột sắn có độ nhớt rất cao, thể hiện ở lực liên kết yếu giữa các phân tửtinh bột trong cấu trúc hạt Ngoài ra, độ nở và độ hòa tan của tinh bột cũng là một tínhchất quan trọng Tính chất này của tinh bột sắn phụ thuộc rất nhiều vào giống sắn, điềukiện môi trường sống và thời điểm thu hoạch [6]

2.2.4. Ứng dụng của tinh bột sắn

Tinh bột sắn chủ yếu ứng dụng nhiều trong ngành công nghiệp thực phẩm nhưdùng để làm các loại bánh kẹo, bánh tráng, phụ gia cho các loại nước sốt, làm thức ănchăn nuôi Trong ngành công nghiệp giấy, tinh bột sắn được dùng để sản xuất giấy góibánh kẹo, phụ gia trong ngành dệt, giấy Bên cạnh đó, tinh bột còn được dùng để sảnxuất keo dán, phụ gia cho ngành dược

Hình 2.11: Ứng dụng của tinh bột sắn.

Đối với các sản phẩm phân hủy sinh học, tinh bột có vai trò thúc đẩy quá trình

tự phân hủy của sản phẩm, tạo màu trắng đục cho các sản phẩm có yêu cầu về màu,đồng thời giúp hạ giá thành sản phẩm [6]

2.3. Đơn pha chế

2.3.1. Các nguyên tắc và yếu tố thiết lập đơn pha chế

 Dựa vào yêu cầu của sản phẩm:

Điều cần quan tâm đến đầu tiên khi thiết lập đơn pha chế chính là những tínhchất, thông số, đặc tính của sản phẩm Đơn pha chế cần phù hợp với các thông số kỹthuật tiêu chuẩn của sản phẩm để đảm bảo chất lượng, hình dáng, màu sắc của sảnphẩm [8]

Đối với ly nhựa phân hủy sinh học, ly được thiết kế với dạng hình trụ, nhỏ dần

về phía đáy ly Ly nhựa không màu, trong suốt, thích hợp cho việc thiết kế, in ấn, trangtrí lên thành ly Phần miệng ly có vành, phù hợp cho cả dùng màng ép và dùng nắp rờidạng cầu Còn đối với chén nhựa phân hủy sinh học sẽ được thiết kế với dạng hình báncầu, màu trắng đục Phần thành chén trơn, phù hợp cho việc trang trí hay in ấn lênchén Các thông số chi tiết của ly và chén nhựa được ghi ở bảng bên dưới

Bảng 2.2: Thông số thiết kế ly nhựa phân hủy sinh học [13]

- Không trầy xước

- Không cong vênh

- Không co rút

- Không dính bẩnBavia Phải cắt gọt gọn gàng ở phần miệng ly

Quy cách đóng gói 1000 cái/thùng

Bảng 2.3: Thông số thiết kế chén nhựa phân hủy sinh học [13]

- Không trầy xước

- Không cong vênh

- Không co rút

- Không dính bẩnBavia Phải cắt gọt gọn gàng ở phần miệng chén

Quy cách đóng gói 600 cái/thùng

Ly và chén nhựa phân hủy sinh học đều được sử dụng một lần, không tái sửdụng nhiều lần Cả hai sản phẩm chủ yếu được sử dụng nhiều ở các tiệm cafe, trà sữa,các quán ăn, dùng ở những nơi tổ chức hội nghị, sự kiện lớn Tương tự các loại khácđược làm từ nhựa PP, PET , ly, chén nhựa phân hủy sinh học cũng khá đa dạng vềmẫu mã, kích thước, đồng thời cũng có khả năng chịu áp suất, khả năng chịu nhiệt,chịu lực khác nhau Ly, chén nhựa tự phân hủy có những tính chất giống với loại ly,chén truyền thống nhưng có ưu điểm vượt trội là khả năng tự phân hủy sinh học trongmôi trường tự nhiên, giúp giảm thiểu lượng rác thải ra môi trường

 Dựa vào nguyên liệu, phụ gia:

Tùy thuộc vào các thông số kỹ thuật của sản phẩm và thời gian sản xuất sảnphẩm mà lựa chọn loại nguyên liệu hay phụ gia cho phù hợp với tính chất và yêu cầusản phẩm Bên cạnh đó cũng cần quan tâm đến tỷ lệ phối trộn giữa nguyên liệu và phụgia, sao cho chất lượng sản phẩm tốt nhất mà giá thành vẫn hợp lý [8]

Ở đây nhựa PLA được chọn làm nguyên liệu chính sản xuất, đảm bảo đáp ứngđược các yêu cầu về khả năng tự phân hủy sinh học, tính chất, màu sắc của sản phẩm.Bên cạnh đó, nhựa PLA và nguyên liệu phụ là tinh bột cũng an toàn cho người sửdụng, không gây độc hại cho thực phẩm khi tiếp xúc trực tiếp

2.3.2. Các đơn pha chế

Dựa vào các nguyên tắc và yếu tố thiết lập đơn pha chế kể trên, ta quyết định lựa chọn đơn pha chế cho 2 loại sản phẩm như sau:

Bảng 2.4: Đơn pha chế của ly, chén nhựa PLA

Loại sản phẩm Thành phần Phần trăm khối lượng (%)

Chén nhựa PLA PLA nguyên sinhTinh bột sắn 7030

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

3.1. Giới thiệu về công nghệ sản xuất ly, chén nhựa phân hủy sinh học

Hiện nay, để sản xuất ly, chén nhựa dùng một lần gồm có hai phương pháp được

sử dụng chủ yếu: phương pháp ép phun và phương pháp dập tạo hình Cả hai phươngpháp đều cùng một mục đích là tạo ra sản phẩm ly, chén nhựa đạt yêu cầu kỹ thuật

Phương pháp ép phun là phương pháp cổ điển, có quy trình sản xuất khá đơngiản, được đưa vào sản xuất công nghiệp từ nhiều năm trước Phương pháp này được

sử dụng khá phổ biến, có thể sản xuất được các sản phẩm có các chi tiết từ đơn giảnđến phức tạp Hầu như tất cả các loại nguyên liệu đều có thể sử dụng để sản xuất bằngphương pháp này Tuy nhiên, năng suất sản xuất từ phương pháp này khá thấp và hạnchế

Phương pháp dập tạo hình là phương pháp mới, gần đây đang được các công ty

sử dụng khá nhiều vì ưu điểm là có thể sản xuất được một lượng lớn sản phẩm trongthời gian ngắn, nhờ vậy mà thời gian sản xuất được rút ngắn, nâng cao được năng suấtcho ra sản phẩm

3.2. Lựa chọn quy trình sản xuất ly, chén nhựa phân hủy sinh học

Sau khi so sánh hai phương pháp nêu trên dựa vào các yêu cầu kỹ thuật của 2loại sản phẩm, nguồn nguyên liệu và các yếu tố kỹ thuật của hai phương pháp thìphương pháp dập tạo hình là phương pháp tối ưu nhất, có quy trình công nghệ sản xuấtphù hợp với nhà máy để sản xuất Vì vậy, phương pháp dập tạo hình được lựa chọn làmphương pháp sản xuất của nhà máy

Phương pháp dập tạo hình gồm 2 công đoạn chính: đầu tiên là hạt nhựa nguyênliệu sẽ được đem đi đùn, cán màng tạo thành tấm nhựa, sau đó đem tấm nhựa đi gianhiệt rồi ép thành hình sản phẩm Các sản phẩm được làm bằng phương pháp này khá

phong phú và đa dạng về hình dáng, màu sắc, độ dày mỏng của sản phẩm như các loạichai nhựa, ly, chén nhựa dùng một lần, hộp nhựa Có thể thấy, các sản phẩm làm từvật liệu nhựa nói chung cũng như sản xuất bằng công nghệ này nói riêng đang dần thaythế các loại vật liệu khác trong đời sống hằng ngày Với sự phát triển mạnh mẽ ấy, cácthiết bị của ngành nhựa được chế tạo ngày càng hiện đại nhằm giúp cho quá trình sảnxuất hiệu quả hơn, các sản phẩm làm ra đạt chất lượng tốt hơn

Hình 3.12: Máy làm ly nhựa (Nguồn: Công ty Đức Dung).

3.3. Máy móc và thiết bị

3.3.1. Máy đùn trục vis

Hình 3.13: Máy đùn tấm (Nguồn: Công ty Shanghai Wintech).

Máy đùn trục vis là một trong những thiết bị quan trọng trong quy trình côngnghệ sản xuất, giúp tạo ra màng nhựa nguyên liệu để tạo hình sản phẩm đạt chất lượngtheo các yêu cầu sản xuất đã đưa ra Máy đùn có cấu tạo gồm các bộ phận sau:

Hình 3.14: Cấu tạo của máy đùn.

Phía cuối xylanh là tấm chắn và lưới lọc Tâm chắn là một tấm kim loại dàydạng đĩa có các lỗ trên bề mặt Nhiệm vụ của tấm chắn là đỡ các lưới lọc và địnhhướng dòng chảy ra khỏi trục vis vào đầu tạo hình Đối với lưới lọc, nhiệm vụ củachúng là lọc tạp chất ra khỏi dòng nhựa và giữ cho dòng nhựa ổn định trước khi vàođầu tạo hình, đồng thời tạo áp lực để tăng khả năng trộn và nhựa hóa trong trục vis.Thông thường, nhiều tấm lưới lọc được đan lại với nhau, sắp xếp các lưới lọc tạo nênhộp lọc.

 Trục vis:

Trục vis chính là bộ phận chính của máy đùn, có dạng hình trụ với các rãnhxoắn trên bề mặt, quay trong xylanh Nhiệm vụ của trục vis là làm bộ phận tiếp nhậnnguyên liệu tại cửa nạp liệu, tải đến vùng nhựa hóa, tạo ma sát trượt để nhựa hóa vàtrộn Nó có tác dụng như một bơm nhựa lỏng nhằm tạo ra áp suất để đẩy nhựa lỏngthoát khỏi đầu tạo hình

Trục vis được chia làm 3 vùng:

- Vùng cấp liệu (hay vùng vận chuyển hạt rắn): có chiều sâu rãnh vis lớn nhất Nguyênliệu trong vùng này vẫn ở trạng thái rắn như khi cấp liệu vào phễu nạp liệu Nhiệm vụcủa vùng này là vận chuyển nguyên liệu từ phễu nạp liệu đến các vùng sau của trục vis

- Vùng nén (hay vùng nhựa hóa): có chiều sâu rãnh vis giảm dần Nguyên liệu ở vùngnày chuyển sang dạng bột nhão, gồm hỗn hợp lẫn lộn polymer nóng chảy và hạt nhựarắn Tại vùng này, nguyên liệu bị nén mạnh và nóng chảy, các chất dễ bay hơi sẽ bị đẩy

và thoát ra ngoài thông qua các lỗ thông khí thân máy và phễu nạp liệu

- Vùng phối liệu (hay vùng đo lường): có chiều sâu rãnh vis nhỏ nhất Nguyên liệu tạivùng này ở dạng chảy nhớt Tại vùng này nhựa tiếp tục được đồng nhất và tạo áp lựccao để đẩy nhựa nóng vào đầu tạo hình

 Bộ phận cấp nhiệt:

Các thiết bị gia nhiệt bằng điện được đặt dọc theo chiều dài của xylanh Thôngthường mỗi máy đùn có ít nhất 3 vùng nhiệt độ dọc theo thân máy Tuy nhiên, đối vớicác máy đùn dài hơn, có trên tám vùng nhiệt độ dọc theo thân máy Ở mỗi vùng cónhiệt độ khác nhau, thường được đo bên trong xylanh

 Đầu tạo hình:

Đầu tạo hình là bộ phận được lắp vào đầu ra của máy đùn để tạo hình cho sảnphẩm Đối với đầu tạo hình, yêu cầu quan trọng là trên bất kỳ mặt cắt ngang nào dòngvật liệu dịch chuyển với một tốc độ không đổi và các vị trí thay đổi không được phépđột ngột Có thể phân biệt trong đầu tạo hình gồm có 3 giai đoạn:

- Giai đoạn chuyển dòng: chất dẻo chuyển từ mặt cắt ngang hình vành khăn sang mặt cắtngang gần với biến dạng bề ngoài của profile sản phẩm

- Giai đoạn tạo hình: giai đoạn này làm cho hình dạng dòng chảy chất dẻo tiếp nhận hìnhdạng mặt cắt ngang của sản phẩm

- Giai đoạn là phẳng (chuốt): giai đoạn này làm cho hình dạng của dòng chất dẻo ổnđịnh

Đầu tạo hình có khá nhiều hình dạng khác nhau như dạng vành khuyên, kherộng, đầu tạo hình profile Ở đây, ta sử dụng đầu tạo hình có khe rộng để sản xuất tấm

và màng nhựa, làm nguyên liệu cho giai đoạn sau [4]

3.3.2. Máy làm ly, chén nhựa

Hình 3.15: Máy làm ly, chén nhựa (Nguồn: Tập đoàn KINGWELL Đài Loan).

Đây là thiết bị chính trong quy trình sản xuất ly, chén nhựa Các sản phẩm đượctạo thành nhờ vào quá trình gia nhiệt màng nhựa nguyên liệu và dập tạo hình theokhuôn trong buồng gia nhiệt Các máy làm ly, chén nhựa hiện nay đều hoạt động theochế độ tự động Thông thường, máy làm ly, chén nhựa bao gồm các thiết bị chính nhưsau: motor, bảng điểu khiển, giá cấp màng tự động, buồng gia nhiệt và máy thu màngphế phẩm Có thể đi kèm theo máy là máy xếp ly, chén nhựa tự động

3.3.3. Máy trộn

Máy trộn giúp hỗn hợp nguyên liệu được đồng đều trước khi đưa qua máy đùnthực hiện quá trình sản xuất màng nguyên liệu Máy có thể vận hành liên tục hoặc giánđoạn tùy theo nhu cầu sản xuất của nhà máy [4]

Hình 3.16: Máy trộn (Nguồn: Công ty Invesco Việt Nam).

3.3.4. Tháp giải nhiệt

Hình 3.17: Tháp giải nhiệt (Nguồn: Công ty Yên Phát).

Tháp giải nhiệt có nhiệm vụ cung cấp và làm nguội nước giải nhiệt cho các thiết

bị vận hành sản xuất trong phân xưởng, giúp đảm bảo cho điều kiện làm việc được ổnđịnh

3.4. Quy trình công nghệ sản xuất ly nhựa PLA

3.4.1. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất ly nhựa PLA

Hình 3.18: Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất ly nhựa PLA.

Nguyên liệu

Đùn tạo màng

KCS Không đạt

Phế liệu Đạt

Gia nhiệt, tạo hình sản phẩm

3.4.2. Thuyết minh quy trình công nghệ sản xuất ly nhựa PLA

Nguyên liệu ban đầu là hạt nhựa PLA nguyên sinh sẽ được cho vào phễu nạpliệu của máy đùn Tại đây, trong phễu nhập liệu có hệ thống giải nhiệt giúp loại bỏ việcnguyên liệu khi cấp vào bị nóng chảy, dính vào thành thiết bị Sau đó nguyên liệu sẽđược chuyển sang công đoạn ép đùn Tại cổng ra của phễu nhập liệu là trục vis nằmdọc bên trong xylanh Trong khi trục vis chuyển động tịnh tiến thì nguyên liệu từ phễu

sẽ rơi vào các rãnh vis Ở đây các hạt nguyên liệu sẽ được trộn đều và đẩy lên phíatrước Các hạt nhựa sẽ được nung nóng chảy bởi các bộ phận gia nhiệt bố trí xungquanh xylanh [4]

Trục vis có vai trò như một pittong, thông qua hệ thống thủy lực, trục vis đẩynhựa đã được làm nóng chảy về phía mũi vis bằng một áp lực rất lớn Trước khi nhựalỏng vào đầu tạo hình sẽ qua tấm chắn và lưới lọc Ở đây, nhựa sẽ được lọc những tạpchất còn sót lại trong quá trình gia công và tạo dòng nhựa ổn định khi vào đầu tạo hình.Sau đó, nhựa lỏng sẽ qua đầu tạo hình có khe rộng để tạo màng nhựa Nhựa sau khi tạothành màng sẽ được kiểm tra về chất lượng, kích thước, màu sắc, nếu đạt yêu cầu sẽđược kéo màng làm lạnh và cuốn màng, nếu không đạt yêu cầu sẽ bị cắt bỏ làm phếliệu Việc làm lạnh có thể bằng nước hoặc trục rỗng phẳng có nước đi phía bên trong,giúp làm nguội nhanh màng trước khi cuộn lại Khe định hình phải được gia nhiệt suốtchiều dài của nó, phải có độ chính xác về kích thước và độ phẳng tương đối cao [4]

Màng nhựa sau khi thành cuộn sẽ đem qua máy làm ly nhựa để tạo hình sảnphẩm Màng nhựa được đặt lên dây chuyền băng tải đưa đến buồng gia nhiệt Tạibuồng gia nhiệt, màng nhựa sẽ được gia nhiệt từ bên trên lẫn bên dưới tấm màng đểhóa dẻo nhựa, sau đó màng nhựa sẽ được dập tạo hình sản phẩm bằng hệ thống thủylực Trong quá trình dập, màng nhựa được giữ lại trong một khoảng thời gian để địnhhình hình dáng theo khuôn và làm nguội Sản phẩm sau khi tạo hình sẽ được thổi rơi rangoài máy Sản phẩm sau khi hoàn thành sẽ kiểm tra sơ bộ về chất lượng sản phẩm

(hình dáng, trọng lượng, kích thước, khuyết tật, màu sắc ) Các sản phẩm không đạtyêu cầu sẽ bị loại bỏ làm phế liệu Các sản phẩm đạt yêu cầu sẽ được đưa qua khâu xử

lý bề mặt, cắt gọt bavia Sau đó sẽ được kiểm tra một lần nữa các yếu tố như:

- Ngoại quan, hình dáng, kích thước sản phẩm đúng theo yêu cầu sản xuất

- Trọng lượng không bị sai lệch quá 5% tổng trọng lượng sản phẩm

- Sản phẩm không bị co rút

- Sản phẩm không bị trầy xước trên bề mặt

- Sản phẩm không bị dính các vết bẩn, dầu, nhớt

- Sản phẩm không bị đục màu, không có vết chấm đen

- Sản phẩm đã được cắt gọt bavia sạch sẽ, không còn ở vành ly hay đáy ly

- Khả năng chịu va đập

Các sản phẩm sau khi kiểm tra đã đạt yêu cầu sẽ được xếp gọn, đóng gói theoquy cách và vận chuyển vào kho để thuận lợi cho việc bảo quản và xuất hàng Đối vớicác sản phẩm không đạt sẽ đem đi làm phế liệu Phế liệu ở đây không được đem đi tái

sử dụng vì phế liệu có thể lẫn tạp chất Bên cạnh đó, sản phẩm tạo thành tiếp xúc trựctiếp với thực phẩm, như vậy phế liệu nếu đem đi tái sử dụng sẽ không đảm bảo an toàncho người sử dụng

3.5. Quy trình công nghệ sản xuất chén nhựa PLA

3.5.1. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất chén nhựa PLA

Hình 3.19: Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất chén nhựa PLA.

Đạt Gia nhiệt, tạo hình sản phẩm

Không đạt KCS

Đạt

Xử lý bề mặt

Thành phẩm

Lưu kho

3.5.2. Thuyết minh quy trình công nghệ sản xuất chén nhựa PLA

Hỗn hợp nguyên liệu cần trộn bao gồm hạt nhựa PLA nguyên sinh và tinh bộtsắn Tỷ lệ trộn giữa nhựa nguyên sinh và tinh bột phụ thuộc vào yêu cầu của kháchhàng về chất lượng sản phẩm và thời gian phân hủy sản phẩm Sau khi trộn, nguyênliệu sẽ được chuyển sang công đoạn đùn tạo màng

Hỗn hợp nguyên liệu sẽ được cho vào phễu nạp liệu của máy đùn Tại đây, trongphễu nhập liệu có hệ thống giải nhiệt giúp loại bỏ việc nguyên liệu khi cấp vào bị nóngchảy, dính vào thành thiết bị Sau đó nguyên liệu sẽ được chuyển sang công đoạn épđùn Tại cổng ra của phễu nhập liệu là trục vis nằm dọc bên trong xylanh Trong khitrục vis chuyển động tịnh tiến thì nguyên liệu từ phễu sẽ rơi vào các rãnh vis Ở đâycác hạt nguyên liệu sẽ được trộn đều và đẩy lên phía trước Các hạt nhựa sẽ được nungnóng chảy bởi các bộ phận gia nhiệt bố trí xung quanh xylanh [4]

Trục vis có vai trò như một pittong, thông qua hệ thống thủy lực, trục vis đẩynhựa đã được làm nóng chảy về phía mũi vis bằng một áp lực rất lớn Trước khi nhựalỏng vào đầu tạo hình sẽ qua tấm chắn và lưới lọc Ở đây, nhựa sẽ được lọc những tạpchất còn sót lại trong quá trình gia công và tạo dòng nhựa ổn định khi vào đầu tạo hình.Sau đó, nhựa lỏng sẽ qua đầu tạo hình có khe rộng để tạo màng nhựa Nhựa sau khi tạothành màng sẽ được kiểm tra về chất lượng, kích thước, màu sắc, nếu đạt yêu cầu sẽđược kéo màng làm lạnh và cuốn màng, nếu không đạt yêu cầu sẽ bị cắt bỏ làm phếliệu Việc làm lạnh có thể bằng nước hoặc trục rỗng phẳng có nước đi phía bên trong,giúp làm nguội nhanh màng trước khi cuộn lại Khe định hình phải được gia nhiệt suốtchiều dài của nó, phải có độ chính xác về kích thước và độ phẳng tương đối cao [4]

Màng nhựa sau khi thành cuộn sẽ đem qua máy làm chén nhựa để tạo hình sảnphẩm Màng nhựa được đặt lên dây chuyền băng tải đưa đến buồng gia nhiệt Tạibuồng gia nhiệt, màng nhựa sẽ được gia nhiệt từ bên trên lẫn bên dưới tấm màng để

hóa dẻo nhựa, sau đó màng nhựa sẽ được dập tạo hình sản phẩm bằng hệ thống thủylực Trong quá trình dập, màng nhựa được giữ lại trong một khoảng thời gian để địnhhình hình dáng theo khuôn và làm nguội Sản phẩm sau khi tạo hình sẽ được thổi rơi rangoài máy Sản phẩm sau khi hoàn thành sẽ kiểm tra sơ bộ về chất lượng sản phẩm(hình dáng, trọng lượng, kích thước, khuyết tật, màu sắc ) Các sản phẩm không đạtyêu cầu sẽ bị loại bỏ làm phế liệu Các sản phẩm đạt yêu cầu sẽ được đưa qua khâu xử

lý bề mặt, cắt gọt bavia Sau đó sẽ được kiểm tra một lần nữa các yếu tố như:

- Ngoại quan, hình dáng, kích thước sản phẩm đúng theo yêu cầu sản xuất

- Trọng lượng không bị sai lệch quá 5% tổng trọng lượng sản phẩm

sử dụng vì phế liệu có thể lẫn tạp chất Bên cạnh đó, sản phẩm tạo thành tiếp xúc trựctiếp với thực phẩm, như vậy phế liệu nếu đem đi tái sử dụng sẽ không đảm bảo an toàncho người sử dụng

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

4.1. Tính toán thời gian hoạt động trong một năm của nhà máy

 Với Nlt: số ngày hoạt động lý thuyết trong 1 năm của nhà máy Ta có:

Trong đó:

- Số ngày trong năm: 365 ngày

- Số ngày nghỉ: 12 ngày, bao gồm:

o Tết Dương Lịch: 1 ngày

o Ngày Giải phóng miền Nam: 1 ngày

o Ngày Quốc tế Lao động: 1 ngày

o Ngày Quốc Khánh: 1 ngày

o Ngày Giỗ tổ Hùng Vương: 1 ngày

o Tết Nguyên Đán: 7 ngàyNhư vậy:

 Số ngày nghỉ do sửa chữa, bảo trì máy móc, thiết bị trong 1 năm:

 Số ngày máy móc phải dừng do yếu tố kỹ thuật, công nghệ:

 Số ngày hoạt động thực tế trong 1 năm của nhà máy: