Báo Cáo Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu nanocomposite phân hủy sinh học trên cơ sở hỗn hợp tinh bột và poly

TÓM TẮT: Vật liệu nanocomposite phân hủy sinh học trên cơ sở hỗn hợp tinh bột và poly(vinyl alcohol) đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp dung dịch. Các vật liệu thu được đều có pha phân tán ở kích thước nanomet với các hàm lượng khoáng sét montmorillonite thay đổi từ 3, 7, 9, 11, 13 đến 50phr (parts per hundred resin). Hình thái của hỗn hợp tinh bột và poly(vinyl alcohol) cũng có sự thay đổi khi có sự hiện diện của pha phân tán nano. Kích thước nano của pha phân tán được khảo sát bằng phổ nhiễu xạ tia X góc hẹp (Small Angle X-Ray Diffraction-SAXRD) và kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope-TEM). Hình thái của hỗn hợp và vật liệu nanocomposite được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope- SEM).
Từ khóa: nancomposite, biodegradable, starch, poly(vinyl alcohol).


1. GIỚI THIỆU


Trên thế giới hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về nhựa phân hủy sinh học nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường do phế thải là nhựa gây ra. Tuy nhiên chưa có công trình nào cho ra sản phẩm nhựa phân hủy sinh học có giá thành, tính chất và phương pháp gia công có thể cạnh tranh và thay thế được các loại nhựa chậm phân hủy hiện đang được sử dụng trong các lĩnh vực bao bì, vật liệu xây dựng, hay nông nghiệp. Một số sản phẩm bao bì, màng nhựa được sản xuất từ Polypropylene, Polyethylene (PP, PE) trộn với tinh bột vừa xuất hiện trên thị trường trong và ngoài nước thời gian qua đã đáp ứng được yêu cầu cạnh tranh với các loại nhựa chậm phân hủy, nhưng lại được khẳng định là không có khả năng phân hủy sinh học và còn gây hại cho môi trường [1-3]
Trong thời gian gần đây, nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới tập trung nghiên cứu về hỗn hợp tinh bột nhiệt dẻo và nhựa Poly(Vinyl Alcohol) (PVA) như là hướng giải quyết tối ưu cho vấn đế nhựa chậm phân hủy. Tuy nhiên, kết quả những nghiên cứu này vẫn chưa tạo được sản phẩm có tính chất có thể so sánh ngang với các loại nhựa chậm phân hủy thường được sử dụng như PP và PE [4-14] Vật liệu polymer nanocomposite sử dụng khoáng sét Montmorillonite (MMT) phân tán ở kích thước nanomet có nhiều ưu điểm như lượng chất độn thấp, thân thiện với môi trường và gia tăng đáng kể tính chất so với polymer nền. Một số tính chất được cải thiện của vật liệu polymer nanocomposite là tăng độ bền cơ lý (modul, ứng suất), độ bền nhiệt, giảm tính thấm khí, giảm khả năng bốc cháy, tăng tốc độ phân hủy sinh học, [15-18]. Do đó, vật liệu nanocomposite phân hủy sinh học trên cơ sở tinh bột và PVA được tổng hợp thành công (có cấu trúc nano) sẽ có khả năng thay thế được các loại nhựa chậm phân hủy PP, PE.
Trong công trình này, chúng tôi tập trung khảo sát khả năng phân tán ở kích thước nano của khoáng MMT khi được độn với hỗn hợp nhựa nền là tinh bột nhiệt dẻo và Poly(Vinyl Alcohol) cũng như ảnh hưởng của khoáng MMT đến hình thái của vật liệu tạo thành.



2. THỰC NGHIỆM


2.1. Nguyên liệu
Tinh bột sắn nhập từ Thái Lan của công ty TNHH Kim Ngân, TpHCM. PVA 205 của công ty Poval Kurray, Nhật Bản (Mn=10000 g/mol, độ thủy phân 90%). Khoáng MMT N757 của công ty Sud- Chemie, Pháp. Chất hóa dẻo Glycerol, Trung Quốc. Tất cả hoá chất dùng trực tiếp không cần xử lý lại.


2.2. Phương pháp thực hiện
Điều chế hỗn hợp tinh bột nhiệt dẻo và PVA: Hỗn hợp tinh bộtdata:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABAQMAAAAl21bKAAAAA1BMVEXh5PJm+yKVAAAAAXRSTlMAQObYZgAAAApJREFUCNdjYAAAAAIAAeIhvDMAAAAASUVORK5CYII=" class="mceSmilieSprite mceSmilie7" alt=":p" title="Stick Out Tongue :p">VA:glycerol (100:20:30) được cho vào nước và khuấy trộn ở nhiệt độ 900C trong 8 giờ. Tỷ lệ pha rắn/nước là 1/10. Dung dịch sau khi khuấy trộn được đổ khuôn và sấy tạo màng ở 450C. Màng được phân tích hình thái bằng ảnh SEM.
Điều chế vật liệu nanocomposite phân hủy sinh học: Tương tự qui trình trên nhưng thời gian khuấy được thay đổi là 8, 12, 16 giờ. Thời gian khuấy tối ưu được khảo sát bằng phổ SAXRD. Hàm lượng khoáng sét MMT được thay đổi là 3, 7, 9, 11, 13 và 50phr (so với hàm lượng tinh bột). Sản phẩm được chụp phổ SAXRD và ảnh TEM để xác định cấu trúc nano.


3. KẾT QUẢ - BIỆN LUẬN


3.1. Khảo sát hình thái học của hỗn hợp tinh bột nhiệt dẻo và PVA
Quan sát ảnh SEM của hỗn hợp tinh bột và PVA sau khi tinh bột được hóa dẻo ở nhiệt độ 900C trong 8 giờ (hình 1), ta thấy cấu trúc hạt của tinh bột phần lớn đã bị phá vỡ và không có sự tách pha giữa tinh bột nhiệt dẻo và PVA. Hỗn hợp có sự tương hợp là nhờ liên kết hydro liên phân tử giữa tinh bột và PVA [10]. Tuy nhiên, quan sát kỹ trong vùng a và b vẫn còn những hạt tinh thể tinh bột nhỏ có kích thước khoảng 0,5 đến 2< m. Những hạt tinh bột nhỏ này chưa bị phá vỡ cấu trúc kết tinh do đó khó tạo liên kết liên phân tử với PVA.





Hình 1. Ảnh SEM của hỗn hợp tinh bột[IMG]data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABAQMAAAAl21bKAAAAA1BMVEXh5PJm+yKVAAAAAXRSTlMAQObYZgAAAApJREFUCNdjYAAAAAIAAeIhvDMAAAAASUVORK5CYII=" class="mceSmilieSprite mceSmilie7" alt=":p" title="Stick Out Tongue :p">VA:glycerol (100:20:30).


3.2. Khảo sát thời gian khuấy trộn và hàm lượng MMT
Quan sát các phổ nhiễu xạ tia X góc hẹp được chụp từ 0,50 đến 100 của hỗn hợp tinh bột[IMG]data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABAQMAAAAl21bKAAAAA1BMVEXh5PJm+yKVAAAAAXRSTlMAQObYZgAAAApJREFUCNdjYAAAAAIAAeIhvDMAAAAASUVORK5CYII=" class="mceSmilieSprite mceSmilie7" alt=":p" title="Stick Out Tongue :p">VA: glycerol:MMT với hàm lượng MMT là 15phr ở các thời gian khuấy trộn 8, 12 và 16 giờ (hình 2), ta thấy thời gian khuấy trộn tăng từ 8 giờ đến 12 giờ, đỉnh phổ đặc trưng của cho khoảng cách hai lớp của khoáng MMT là d001 tăng từ 6,46nm lên 9,32nm. Điều này cho thấy khi tăng thời gian khuấy trộn, khả năng đan xen của các mạch tinh bột và PVA vào



giữa hai lớp khoáng sét cũng tăng đáng kể. Tiếp tục tăng thời gian khuấy trộn đến 16 giờ, ta thu được trên phổ SAXRD một đỉnh phổ rộng có cường độ thấp đặc trưng cho phần khoáng MMT tích tụ không thể được nông rộng hơn nữa vì hàm lượng 15% là khá cao đối với vật liệu nanocomposite.