CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ POLYETHYLENE PHÂN HỦY SINH HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT BAO BÌ MỀM
2.1. Tổng quan công nghệ “xanh”
2.1.1. Tổng quan về polyethylene
Polyethylen là một loại nhựa nhiệt dẻo, màu trắng, hơi trong không dẫn điện, không dẫn nhiệt cũng như không cho không khí và nước thấm qua.
Hợp chất hữu cơ Polyetylen gồm nhiều nhóm etylen CH2-CH2 liên kết với nhau bằng các liên kết no (hình 2.1), được điều chế bằng phản ứng trùng hợp monome etylen (C2H4).
Hình 2.1: Cấu trúc PE
Phân tử PE có cấu trúc mạch thẳng, ngoài ra nó cũng có mạch nhánh tùy thuộc vào loại PE (hình 2.2). Khi các mạch nhánh này càng nhiều và càng dài thì độ kết tinh càng kém. Những phần sắp xếp không trật tự trong PE sẽ nằm ở vùng vô định hình. Các mắt xích của PE rất ngắn, cỡ khoảng 2,33Å nên PE có khả năng kết tinh nhanh. Ở điều kiện nhiệt độ thường, độ kết tinh của PE ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất của PE như: tỷ trọng, độ cứng, mođun đàn hồi, độ bền kéo đứt, độ trương và khả năng hòa tan trong các dung môi hữu cơ. Dựa vào trọng lượng phân tử, tỷ trọng, độ kết tinh và cấu trúc, PE được phân loại như sau: PE tỷ trọng thấp (LDPE), PE tỷ trọng thấp mạch thẳng (LLDPE), PE tỷ trọng cao (HDPE), ngoài ra còn một số loại PE khác với công nghệ sản xuất phức tạp hơn và ít thông dụng hơn như: PE tỷ trọng rất thấp (VLDPE), PE tỷ trọng trung bình (MDPE), PE trọng lượng phân tử siêu cao (UHMWPE). Trong đó LDPE và HDPE được ứng dụng để sản xuất bao bì nhiều lớp.
Hình 2.2: Hình ảnh minh hoạ phân tử của các loại PE
2.1.2. Tính chất và ứng dụng PE
Polyetylen là polyme không bị hoà tan trong bất cứ loại dung môi nào ở nhiệt độ thường. Tuy nhiên khi ngâm trong các hydrocarbon thơm, hydrocarbon clo hoá, dầu khoáng và parafin trong một thời gian dài thì PE bị trương lên và giảm độ bền cơ học.
Ở nhiệt độ trên 70oC, PE tan một phần trong một số dung môi như xylen, decalin,…
Tính chất cơ học của PE phụ thuộc vào trọng lượng phân tử và độ kết tinh của nó.
Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ cũng làm thay đổi một số tính chất cơ lý của sản phẩm như: kích thước và độ cứng. PE cũng rất nhạy cảm với bức xạ tử ngoại. Hiện tượng này chính là sự phân huỷ quang PE. Tương tự như parafin, PE bắt cháy chậm, cháy không khói. Trong môi trường không có oxy, PE bền tới 2900C. Ở nhiệt độ khoảng 290 ÷ 3500C PE bị phân huỷ thành sản phẩm phân tử khối nhỏ, bề ngoài tương tự như sáp. Ở nhiệt độ trên 3500C sản phẩm phân huỷ là polyme dạng lỏng và các sản phẩm khác như: buten, etylen, etan, hydro, oxit carbon, khí carbonnic và các chất khác. PE có năng lượng bề mặt thấp nên không thấm nước và các dung môi phân cực. Độ bám dính và khả năng hấp phụ của PE thấp, chính vì vậy, PE khó nhuộm mầu, khó kết dính bằng các chất kết dính phân cực.
HDPE trong suốt nhưng mức độ mờ đục cao hơn LDPE, độ bền cơ học, sức bền kéo và sức bền xé đều tương đối cao. Từ các ưu điểm như trên, HDPE có chức năng bảo vệ các lớp bên trong.
LDPE có mật độ thấp nên các tính chất của nó yếu hơn HDPE nhưng khả năng kháng hoá chất cao hơn. Đặc trưng của LDPE thể hiện ở tính kháng hoá tốt, không phản ứng với các axit loãng, bazo cũng như este. Phản ứng tương đối, đối với các hydro cacbon có nhiều chất béo, dầu khoáng, các chất oxy hoá. Vì tính kháng hoá
Trang 5
cao, chịu được các tác nhân hoá học cho nên LDPE được dùng để làm lớp tiếp xúc với thực phẩm có nhiều chất oxy hoá và chất béo như sữa, nước trái cây,…
Bảng 2.1: Tính chất LDPE và HDPE
STT Nhựa
PE
1 LDPE
2 HDPE
2.1.3. Tác động đối với môi trường
Sử dụng bao bì PE tuy tiện lợi nhưng cũng là tác nhân gây ô nhiễm môi trường vì:
• Phân huỷ chậm có thể là không phân huỷ được
• Rác thải từ PE làm ảnh hưởng đến các vi sinh vật biển.
• Làm ùng tắc các rãnh lưu thông nước, rác thải PE trong đất khiến oxy khó xâm nhập vào làm cây trồng phát triển chậm.
• Không thể tái chế
• Ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người.
Không những thế quá trình sản xuất PE cũng ảnh hưởng rất nhiều đến hệ sinh thái.
Dầu thô là nguyên liệu chính để sản xuất polyethylen. Nó là nguồn tài nguyên tự nhiên nên dễ dàng khai thác, nhưng quá trình này thì gây thiệt hại rất nhiều đến môi trường xung quanh.
Đầu tiên, quá trình khoan dầu sẽ phá huỷ đất xung quanh gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái, con người và các sinh vật khác. Hệ quả tiếp theo là quá trình khai thác sẽ phát thải khí metan vào khí quyển. Theo “The Wilderness Society” thì khí metan trong khí tự nhiên có hại hơn so với carbon dioxide tới 84 lần, giữ nhiệt hơn, gia tăng sự nóng lên toàn cầu. Điều đáng lo ngại hơn nữa là 21% lượng khí thải, bao gồm cả khí metan, khi truy xuất thì có nguồn gốc từ dầu và khí đốt. Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ con người cũng như động vật.
2.1.4. Sự phát triển của polyethylene “xanh”
PE tái tạo có các đặc tính của giống hệt với PE hoá dầu về tính chất vật lý và tính chất hoá học, không những thế các sản phẩm bao bì từ biopolyethylene có thể tái chế và ít ảnh hưởng đến môi trường
Braskem – công ty hoá dầu Brazil đã nghiên cứu và sản xuất ra loại polyethylene có nguồn gốc từ mía để có thể khắc phục những vấn đề mà polyethylene đang tồn tại.
Năm 2007, Brakem sản xuất các mẫu ethylene “xanh” đầu tiên từ ethanol mía và monome để sản xuất ra polyethylene “xanh”. Trong cùng năm Braskem cũng cho ra mắt thế giới sản phẩm polyetylen “xanh” được sản xuất 100% từ các tài nguyên tái tạo, được xác minh dựa trên tiêu chuẩn ASTM D6866 của phòng thí nghiệm Beta Analytic tại Hoa Kỳ.
Trang 7
Sau nhiều năm cống hiến cho nghiên cứu và phát triển, nhà máy ethylene
“xanh” của Braskem đã được đưa vào vận hành vào tháng 9 năm 2010. Điều này đánh dấu sự khởi đầu của việc sản xuất Polyetylen “xanh” ở quy mô thương mại, đảm bảo vị trí dẫn đầu toàn cầu của công ty về nhựa sinh học. Nhà máy có năng lực sản xuất hàng năm là 200.000 tấn PE “xanh”.
Mặc dù LDPE đã được sản xuất trước đó nhưng đến năm 2013 LDPE “xanh”
mới được braskem công bố. Mở ra một thị trường đầy tiềm năng sử dụng bao bì thân thiện với môi trường.
Polyethylene “xanh” là một loại nhựa được sản xuất từ mía, một nguyên liệu thô tái tạo, thu giữ và cố định CO2 từ khí quyển trong quá trình sản xuất, giúp giảm phát thải khí nhà kính. Trong khi polyetylen truyền thống sử dụng các nguyên liệu thô có nguồn gốc hóa thạch như dầu hoặc khí tự nhiên.
2.1.5. Đặc điểm
Polyethylene “xanh” tương tự như các loai PE thông thường. Có thể sản xuất bao bì bằng các quy trình công nghệ như PE.
Lợi ích mà Polyethylene xanh rất đáng kể, khắc phục những tồn tại của polyethylene thông thường
• Giảm phát thải khí nhà kính – mỗi tấn Polyetylen “xanh” được sản xuất và hấp thụ CO2 từ khí quyển giúp giảm phát thải khí nhà kính
• Có khả năng tái chế sau khi sử dụng
• Có thể phân hủy sinh học