Tài liệu Nghiên cứu cải thiện khả năng chống ẩm của vật liệu polymer thực phẩm trong sản xuất bao bì tự hủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐỀ TÀI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN KHẢ NĂNG CHỐNG ẨM CỦA VẬT LIỆU POLYMER THỰC PHẨM TRONG SẢN XUẤT BAO BÌ TỰ HỦY Giáo viên hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: PGS. TS. TRƢƠNG VĨNH LÊ ĐỨC ÂN NGUYỄN HỮU CHUNG VÕ HOÀNG HƢNG TP. Hồ Chí Minh, tháng 08/2011 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐỀ TÀI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN KHẢ NĂNG CHỐNG ẨM CỦA VẬT LIỆU POLYMER THỰC PHẨM TRONG SẢN XUẤT BAO BÌ TỰ HỦY Giáo viên hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: PGS. TS. TRƢƠNG VĨNH LÊ ĐỨC ÂN NGUYỄN HỮU CHUNG VÕ HOÀNG HƢNG TRANG TỰA TP. Hồ Chí Minh, tháng 08/2011 ii MỤC LỤC Trang TRANG TỰA ....................................................................................................................... i MỤC LỤC ........................................................................................................................... ii TÓM TẮT ........................................................................................................................... v DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ vii DANH SÁCH CÁC HÌNH .............................................................................................. viii DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................................ x Chương 1 MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1 1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 1 1.2. Mục đích của đề tài.......................................................................................... 2 1.3. Nội dung của đề tài .......................................................................................... 2 1.4. Yêu cầu của đề tài............................................................................................ 2 Chương 2 TỔNG QUAN ..................................................................................................... 3 2.1. Tổng quan về bao bì ........................................................................................ 3 2.1.1. Khái niệm bao bì .............................................................................................. 3 2.1.2. Chức năng của bao bì ....................................................................................... 3 2.1.3. Yêu cầu kỹ thuật đối với bao bì ....................................................................... 3 2.1.4. Một số vấn đề về việc sử dụng bao bì nylon hiện nay ..................................... 4 2.2. Polymer tự hủy sinh học .................................................................................. 7 2.2.1. Khái niệm ......................................................................................................... 7 2.2.2. Một số tiêu chuẩn mà các nhà khoa học đưa ra để định nghĩa polymer có khả năng phân hủy sinh học.................................................................................... 7 2.2.3. Các loại polymer tự phân hủy sinh học ............................................................ 8 2.2.3.1. Các polymer tự phân hủy sinh học tự nhiên .............................................. 8 2.2.3.2. Các polyester phân hủy sinh học ............................................................... 8 2.2.4. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới về các loại polymer tự phân hủy sinh học ........................................................................................................ 8 2.2.5. Ứng dụng của polymer sinh học .................................................................... 11 2.3. Nguyên liệu dùng làm bao bì sinh học .......................................................... 11 2.3.1. Tinh bột sắn .................................................................................................... 11 2.3.1.1. Giới thiệu chung về tinh bột sắn và các tính chất ................................... 11 iii 2.3.1.2. Ứng dụng của tinh bột sắn....................................................................... 12 2.3.1.3. Polymer tự phân hủy sinh học trên cơ sở tinh bột ................................... 12 2.3.1.4. Các loại tinh bột biến tính và ứng dụng .................................................. 13 2.3.2. Polyvinyl alcohol (PVA) ................................................................................ 18 2.3.2.1. Khái niệm ............................................................................................... 18 2.3.2.2. Tính chất của PVA ................................................................................. 18 2.3.3. Protein ............................................................................................................ 20 2.3.4. Polylactic acid ................................................................................................ 21 2.3.5. Glyoxal ........................................................................................................... 21 2.3.6. Phụ gia chống thấm trong ngành giấy ............................................................ 21 2.3.4.1. Keo AKD (Alkyl Ketene Dimer) ............................................................ 21 2.3.4.2. Keo ASA (Alkenyl Succinic Anhydride) ................................................ 22 2.3.7. Phụ gia tăng độ bền ướt trong ngành giấy ..................................................... 22 2.4. Cơ sở lý thuyết của quá trình chế tạo bao bì tự hủy sinh học ....................... 23 Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................... 24 3.1. Thời gian và địa điểm thực hiện .................................................................... 24 3.2. Nguyên vật liệu, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ........................................... 24 3.2.1. Nguyên vật liệu thí nghiệm ............................................................................ 24 3.2.2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ...................................................................... 25 3.3. Phương pháp thí nghiệm................................................................................ 26 3.3.1. Thí nghiệm sơ bộ: Xác định ẩm độ ban đầu của nguyên liệu ...................... 26 3.3.2. Thí nghiệm 1: Nghiên cứu tạo màng phân hủy sinh học từ tinh bột sắn có bổ sung glyoxal vào công thức 3.1 ....................................................................... 27 3.3.3. Thí nghiệm 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ glyoxal bổ sung đến độ bền kéo đứt và độ bền đâm thủng của các màng tạo thành từ tinh bột sắn ở thí nghiệm 1 .................................................................................................................... 31 3.3.4. Thí nghiệm 3: Nghiên cứu tạo màng từ tinh bột biến tính acetate có bổ sung glyoxal để tạo liên kết crosslink tăng độ bền cho màng ................................... 34 3.3.5. Thí nghiệm 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ glyoxal bổ sung đến độ bền kéo đứt và độ bền đâm thủng của các màng tạo thành từ tinh bột biến tính acetate ở thí nghiệm 3 ................................................................................................ 35 iv 3.3.6. Thí nghiệm 5: Đánh giá độ bền kéo đứt và độ bền đâm thủng giữa 2 loại màng tạo thành từ tinh bột sắn và tinh bột biến tính acetate có bổ sung glyoxal ....................................................................................................................... 36 3.3.7. Thí nghiệm 6: Nghiên cứu ảnh hưởng của tinh bột biến tính acetate và tỷ lệ glyoxal đến khả năng hút ẩm của màng trong điều kiện môi trường bình thường ........................................................................................................................ 37 3.3.8. Thí nghiệm 7: Đánh giá khả năng phân hủy trong đất ẩm của màng tạo thành 38 3.3.9. Thí nghiệm 8: Đánh giá khả năng ghép mí thành bao bì và đánh giá độ bền mí ghép ............................................................................................................... 39 3.3.10. Thí nghiệm 9: Nghiên cứu áp dụng phụ gia chống thấm AKD của ngành giấy vào chế tạo màng phân hủy sinh học ...................................................... 40 3.4. Phương pháp xử lý số liệu: ............................................................................ 41 Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................................... 42 4.1. Ẩm độ ban đầu của nguyên liệu .................................................................... 42 4.2. Tính cảm quan của màng polymer ở thí nghiệm 1 ........................................ 42 4.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ glyoxal đến các tính chất cơ học của màng (thí nghiệm 2). ....................................................................................................................... 44 4.4. Tính cảm quan của màng polymer ở thí nghiệm 3 ........................................ 47 4.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ glyoxal đến các tính chất cơ học của màng (thí nghiệm 4). ....................................................................................................................... 50 4.6. Đánh giá độ bền giữa các màng tạo thành từ tinh bột sắn và tinh bột biến tính acetate (thí nghiệm 5) ...................................................................................... 52 4.7. Ảnh hưởng của tinh bột biến tính acetate và tỷ lệ glyoxal đến khả năng hút ẩm của màng so với tinh bột sắn (thí nghiệm 6)....................................................... 53 4.8. Khả năng phân hủy trong đất ẩm (thí nghiệm 7) ........................................... 55 4.9. Khả năng ghép mí và độ bền mí ghép (thí nghiệm 8) ................................... 56 4.10. Khả năng chống ẩm, chống thấm cho màng của phụ gia AKD (thí nghiệm 9). ....................................................................................................................... 59 Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ............................................................................. 61 5.1. Kết luận ......................................................................................................... 61 5.2. Đề nghị .......................................................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 63 PHỤ LỤC ........................................................................................................................... 65 v TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu cải thiện khả năng chống ẩm của vật liệu polymer thực phẩm trong sản xuất bao bì tự hủy” được tiến hành tại phòng thí nghiệm I4, Bộ môn Công nghệ Hóa học, trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 6/2010 đến tháng 08/2011. Nguồn nguyên liệu chính được sử dụng là tinh bột sắn (khoai mì), tinh bột sắn biến tính ester hóa, PVA, sorbitol, glycerol, glyoxal và dung môi là nước. Nghiên cứu tăng độ bền và khả năng chống ẩm cho màng sinh học với công thức tối ưu từ luận văn tốt nghiệp của Phạm Lan Hương, Võ Minh Trung (2010) “Nghiên cứu cải thiện độ bền màng sinh học để làm bao bì” bằng cách sử dụng glyoxal để tạo liên kết crosslink và sử dụng tinh bột biến tính ester hóa thay cho tinh bột thông thường. Các thí nghiệm được bố trí theo kiểu ngẫu nhiên hoàn toàn (CRD) và kiểu khối đầy đủ ngẫu nhiên (RCBD), trong đó yếu tố thí nghiệm là loại tinh bột (tinh bột sắn và tinh bột biến tính acetate) và tỷ lệ glyoxal bổ sung vào công thức tạo màng, mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần. Các tính chất của màng polymer đã được khảo sát như độ bền kéo đứt, độ bền đâm thủng, độ phân rã trong nước và phân hủy sinh học trong đất… Đồng thời cũng khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ bổ sung chất tạo crosslink là glyoxal đến các tính chất của màng. Những nguyên liệu được sử dụng là tinh bột sắn (khoai mì), tinh bột biến tính acetate, PVA, sorbitol, glycerol, glyoxal và dung môi là nước. Công thức chính được sử dụng để tổng hợp màng polymer tự phân hủy sinh học là tinh bột : PVA : glycerol : sorbitol = 43 : 27 : 10 : 20 (tính theo thành phần khô), độ ẩm của hỗn hợp đổ màng là 88 % tính theo căn bản ướt. Màng tạo thành từ tinh bột biến tính acetate khi chưa bổ sung glyoxal có độ bền cơ học kém hơn so với màng từ tinh bột sắn và độ mềm dẻo cao hơn. Glyoxal có tác dụng làm tăng đáng kể độ bền của cả 2 loại màng tạo thành từ tinh bột sắn và tinh bột biến tính acetate nhưng không làm giảm khả năng hút ẩm của các vi màng tạo thành. Màng B2 dùng nguyên liệu là tinh bột biến tính acetate với tỷ lệ bổ sung glyoxal là 3 % có độ bền và độ mềm dẻo tốt, là màng tối ưu của đề tài. Màng tối ưu B2 tương đối trong suốt, láng, bóng, dẻo, khả năng ghép mí tạo bao bì rất tốt, phân rã tốt trong nước và phân hủy hoàn toàn trong đất ẩm sau 7 ngày. Tuy nhiên độ ổn định ẩm của màng chưa tốt, thay đổi nhanh theo ẩm độ môi trường. Ẩm độ của màng càng cao độ bền của màng càng giảm, độ dẻo tăng lên, màng dính vào nhau. Nghiên cứu sơ bộ việc sử dụng phụ gia chống thấm ankyl ketene dimer (AKD) trong ngành giấy cho thấy dung dịch hồ hóa không còn dính vào becher chứa và thiết bị khuấy trộn, tăng độ bền trong nước cho màng, cải thiện tính cảm quan về màu sắc, độ trong, nhưng vẫn chưa cải thiện đáng kể khả năng hút ẩm và thấm nước của màng. vii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Am/Ap: amylose/amylopectin TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam AKD: Alkyl Ketene Dimer: keo chống thấm trong ngành giấy ASA: Alkenyl Succinic Anhydride: keo chống thấm trong ngành giấy ASTM: American Standard Testing Method ISO: International Standard Oganization PLA: Polylactic acid PBS: Polybutylene succinate PS: Polystyrene PE: Polyethylene PP: Polypropylene PVC: Polyvinyl chloride STT: Số thứ tự DOP: Dioctinphtalate PLA: polylactic acid PBS: polybutylene succinate PBAT: polybutylene adipate terephtalate PHB: polyhydroxybutyrate PHV: polyhydroxyvalerate PCL: polycaprolactone EVOH: ethylene vinylalcohol ctv: cộng tác viên viii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1. Bao nylon trên một kênh tại quận Tân Phú, ảnh chụp chiều 12/3/2009 (Nguồn: http://forum.vietnamxanh.org) .......................................................................... 5 Hình 2.2. Một dòng kênh đầy bao nylon, một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường ở TP. Hồ Chí Minh (Nguồn: http://www.tin247.com) ................................. 6 Hình 2.3. Cấu trúc hạt tinh bột sắn quan sát trên kính hiển vi điện tử quét SEM .... 12 Hình 2.4. Công thức cấu tạo của PVA ...................................................................... 18 Hình 3.1. Công thức phân tử PVA ............................................................................ 24 Hình 3.2. Công thức phân tử glycerol ....................................................................... 24 Hình 3.3. Công thức phân tử sorbitol ........................................................................ 25 Hình 3.4. Công thức phân tử glyoxal ........................................................................ 25 Hình 3.5. Quy trình thí nghiệm chế tạo màng polymer tự phân hủy sinh học .......... 28 Hình 3.6. Khuôn, ống cán màng và xylanh hút nguyên liệu vào khuôn ................... 29 Hình 3.7. Thước kẹp và đo độ dày màng bằng thước kẹp ........................................ 30 Hình 3.8. Bố trí đo độ dày của màng ........................................................................ 31 Hình 3.9. Máy phân tích cấu trúc TA.XTplus với đầu đo kéo đứt ........................... 32 Hình 3.10. Các thông số cài đặt cho quá trình đo độ bền kéo ................................. 32 Hình 3.11. Mẫu cắt để đo độ bền kéo đứt ................................................................ 33 Hình 3.12. Máy phân tích cấu trúc với đầu đo cầu và đo độ bền đâm thủng bằng đầu đo cầu…… .............................................................................................................. 33 Hình 3.13. Cài đặt thông số cho quá trình đo .......................................................... 33 Hình 3.14. Dạng mẫu cắt để đo độ bền đâm thủng.................................................. 34 Hình 3.15. Đo ẩm độ của màng trong điều kiện môi trường bình thường .............. 38 Hình 3.16. Khảo sát khả năng phân hủy trong đất ẩm............................................. 39 Hình 4.1. Các màng tạo thành từ thí nghiệm 1 ......................................................... 43 ix Hình 4.2. Đồ thị so sánh giá trị đo đâm thủng bằng đầu đo cầu của các màng ở thí nghiệm 2…… ................................................................................................................ 45 Hình 4.3. Đồ thị so sánh giá trị đo kéo đứt của các mẫu màng ở thí nghiệm 4 ........ 46 Hình 4.4. Các màng tạo thành từ thí nghiệm 3 ......................................................... 48 Hình 4.5. Đồ thị so sánh giá trị đo đâm thủng bằng đầu đo cầu của các màng ở thí nghiệm 4….. .................................................................................................................. 50 Hình 4.6. Đồ thị so sánh giá trị đo kéo đứt của các mẫu màng ở thí nghiệm 4 ........ 51 Hình 4.7. Đồ thị tương quan độ bền đâm thủng giữa tinh bột sắn – tinh bột acetate52 Hình 4.8. Đồ thị tương quan độ bền kéo đứt giữa tinh bột sắn – tinh bột acetate .... 53 Hình 4.9. Đồ thị so sánh giá trị ẩm độ các màng ở điều kiện thường ....................... 54 Hình 4.10. Đồ thị so sánh giá trị ẩm độ các màng ở điều kiện thường ................... 54 Hình 4.11. Kết quả kiểm tra khả năng phân hủy trong đất ẩm ................................ 55 Hình 4.12. Mẫu màng đã được ghép mí để đo độ bền mí ghép ............................... 56 Hình 4.13. Đo độ bền mí ghép ................................................................................. 56 Hình 4.14. Kết quả đo độ bền mí ghép .................................................................... 57 Hình 4.15. Màng được ghép mí tạo thành bao bì .................................................... 57 Hình 4.16. Đo khả năng chứa đựng của bao bì tạo thành ........................................ 58 Hình 4.17. Sau 5 ngày treo màng ............................................................................ 58 Hình 4.18. Đồ thị so sánh độ ẩm của các màng có bổ sung AKD và màng đối chứng……….. ............................................................................................................... 59 Hình 4.19. Độ phân rã của các màng sau 2 ngày..................................................... 60 x DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1. Hàm lượng rác thải sinh hoạt ở đô thị Việt Nam (Nguồn: công ty Công trình đô thị - thị xã Sóc Trăng) ........................................................................................ 4 Bảng 2.2. Các loại sản phẩm tinh bột biến tính: ........................................................ 17 Bảng 3.1. Bố trí thí nghiệm đổ màng thí nghiệm 1 ................................................... 27 Bảng 3.2. Tỷ lệ thành phần khối lượng nguyên liệu của các màng cần tổng hợp (tính theo thành phần khô) ..................................................................................................... 30 Bảng 3.3. Bố trí thí nghiệm đo độ bền kéo đứt và đâm thủng................................... 31 Bảng 3.4. Bố trí thí nghiệm đổ màng thí nghiệm 4 ................................................... 35 Bảng 3.5. Bố trí thí nghiệm đo độ bền kéo đứt và độ bền đâm thủng ....................... 36 Bảng 3.6. Các mẫu màng thí nghiệm bổ sung phụ gia chống thấm AKD ................ 40 Bảng 4.1. Ẩm độ ban đầu của các nguyên liệu ......................................................... 42 Bảng 4.2. Độ dày trung bình các mẫu màng tạo thành từ tinh bột sắn thí nghiệm 1 44 Bảng 4.3. Độ dày trung bình của một số màng ......................................................... 44 Bảng 4.4. Bảng giá trị đo đâm thủng bằng đầu đo cầu ở thí nghiệm 2 ..................... 45 Bảng 4.5. Bảng kết quả đo độ bền kéo đứt ở thí nghiệm 2 ....................................... 46 Bảng 4.6. Độ dày trung bình các mẫu màng thí nghiệm 1 ........................................ 49 Bảng 4.7. Độ dày trung bình của một số màng ......................................................... 49 Bảng 4.8. Bảng giá trị đo đâm thủng bằng đầu đo cầu ở thí nghiệm 4 ..................... 50 Bảng 4.9. Bảng kết quả đo độ bền kéo đứt ở thí nghiệm 4 ....................................... 51 Bảng 4.10. Bảng giá trị ẩm độ của các màng trong điều kiện thường ..................... 53 Bảng 4.11. Bảng giá trị ẩm độ của các màng trong điều kiện thường ..................... 54 Bảng 4.12. Bảng giá trị độ ẩm của các màng có bổ sung AKD và màng đối chứng……….. ............................................................................................................... 59 1 Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Các sản phẩm polymer từ hóa dầu với rất nhiều tính năng ưu việt, giá thành rẻ, khả năng sử dụng phổ biến, thuận tiện,... đã và đang đóng vai trò quan trọng trong đời sống hằng ngày. Chúng đáp ứng hầu hết các nhu cầu của con người từ đơn giản đến phức tạp như làm túi xách, bao bì bao gói sản phẩm, màng phủ đất nông nghiệp, túi làm bầu ươm cây, vật liệu dùng trong y học… Tuy nhiên, chúng lại là mối nguy hại tiềm ẩn cho môi trường sinh thái vì phải mất đến hàng thế kỷ mới tự phân hủy. Chỉ có những tác động về cơ và nhiệt mới có thể phá hủy chúng, nhưng lại tạo ra nhiều chất độc hại hơn và đòi hỏi chi phí khổng lồ, vượt qua cả giá thành tạo ra chúng. Hoạt động tái chế cần đầu tư thiết bị máy móc đắt tiền, hiệu quả kinh tế thấp. Trước thực trạng này, từ những năm 1980, nhiều nước trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu những dạng vật liệu tương ứng tính năng của polymer truyền thống để thay thế. Đó chính là polymer có khả năng phân hủy sinh học mà khi gặp tác động của nước, không khí, nấm, vi khuẩn trong tự nhiên, chúng sẽ tự phân hủy thành những chất đơn giản, có lợi cho đất và không gây độc hại cho môi trường. Nguyên liệu để sản xuất các loại polymer phân hủy sinh học hiện nay chủ yếu lấy từ tinh bột. Và để không làm ảnh hưởng đến vấn đề an ninh lương thực thì tinh bột sắn là sự lựa chọn thích hợp nhất với điều kiện nước ta. Mặc dù đã có nhiều loại bao bì sinh học được nghiên cứu sản xuất nhưng vấn đề gặp phải là độ bền của màng không cao và khả năng hút ẩm của màng khá lớn nên rất khó ứng dụng trong đời sống. Vấn đề đặt ra là phải tìm ra phương pháp vừa tăng bền vừa chống ẩm cho màng sinh học nhưng cũng đảm bảo khả năng phân hủy sinh học của màng. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó và được sự cho phép của Bộ môn Công Nghệ Hóa Học, trường Đại học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trương Vĩnh, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu cải thiện khả năng chống ẩm của vật liệu polymer thực phẩm trong sản xuất bao bì tự hủy”. 2 1.2.  Mục đích của đề tài Nghiên cứu chế tạo màng sinh học từ nguyên liệu là tinh bột sắn thường, tinh bột sắn biến tính acetate, PVA, glycerol, sorbitol, glyoxal.  Đánh giá ảnh hưởng của tinh bột sắn biến tính acetate và glyoxal đến tính hút ẩm và khả năng phân hủy sinh học của màng.  Nghiên cứu cải thiện tính hút ẩm của màng sử dụng phụ gia chống thấm AKD trong ngành giấy .  Sản xuất thử bao bì theo các kết quả tối ưu ở trên, đánh giá khả năng ứng dụng để bao gói thực phẩm. 1.3.  Nội dung của đề tài Tạo màng polymer sinh học bằng phương pháp tráng – sấy với các công thức phối trộn khác nhau.  Phân tích các đặc tính cơ lý của các màng tạo thành, đánh giá ảnh hưởng của tinh bột sắn biến tính acetate và tỷ lệ glyoxal đến độ bền của màng, từ đó tìm ra tỷ lệ tối ưu.  Phân tích ảnh hưởng của tinh bột sắn biến tính acetate và glyoxal đến khả năng phân rã trong nước, khả năng hút ẩm, độ ổn định ẩm và khả năng phân hủy sinh học trong đất.  Thử nghiệm sử dụng phụ gia chống thấm AKD trong ngành giấy vào việc chống thấm, chống hút ẩm cho màng.  1.4.  Chế tạo bao bì thử nghiệm và đánh giá khả năng ứng dụng trong đời sống. Yêu cầu của đề tài Đánh giá được ảnh hưởng của loại tinh bột nguyên liệu dùng làm màng đến độ bền và khả năng hút ẩm của màng.  Tìm ra được quy trình sản xuất màng sinh học có thể làm bao bì.  Sản xuất thử bao bì sinh học thay thế bao nylon.  Bao bì phải có tính bền, dẻo, khả năng hút ẩm kém, không bị độ ẩm của vật liệu làm hỏng, rách bao bì.  Bao bì phải phân hủy tốt trong môi trường đất. 3 Chương 2 TỔNG QUAN 2.1. Tổng quan về bao bì 2.1.1. Khái niệm bao bì Theo Tổng cục Tiêu chuẩn – Đo lường – Chất lượng số 23 TĐC/QĐ ngày 20 tháng 02 năm 2006: “Bao bì là vật chứa đựng, bao bọc thực phẩm thành đơn vị để bán (bán lẻ và bán sỉ). Bao bì có thể bao gồm nhiều lớp bao bọc, có thể phủ kín hoàn toàn hay chỉ bao bọc một phần sản phẩm”. Theo Wikipedia: “Bao bì là một ngành khoa học, nghệ thuật và kỹ thuật của việc chứa đựng và bảo vệ sản phẩm để phân phối, tồn trữ, buôn bán và sử dụng”. 2.1.2. Chức năng của bao bì Tập hợp, chứa đựng Bảo vệ Thông tin: hàm lượng, cách sử dụng, bảo quản, hạn sử dụng, … Giúp quá trình sử dụng, vận chuyển, phân phối dễ dàng hơn. Tiếp thị (marketing) (Phạm Tuấn Anh, 2011). 2.1.3. Yêu cầu kỹ thuật đối với bao bì Bền cơ học, bền nhiệt Kín Tiện lợi trong phân phối, bảo quản Có tính công nghệ cao Thân thiện với môi trường Giá thành hạ (Phạm Tuấn Anh, 2011). 4 2.1.4.  Một số vấn đề về việc sử dụng bao bì nylon hiện nay Lƣợng bao bì nylon đƣợc sử dụng Ngày nay, theo xu thế phát triển của công nghiệp hoá – hiện đại hóa, bao bì nylon là một lựa chọn tất yếu, điều này được minh chứng rất cụ thể, khi đi chợ, gần như mọi thứ hàng hoá giao dịch xong, người mua đều nhận hàng hóa được gói trong bọc nylon.. Đây là một vấn đề cần phải quan tâm. Theo số liệu thống kê của công ty Công trình Đô thị thị xã Sóc Trăng, mỗi ngày rác thải trên dưới 80 tấn, hệ thống thu gom rác thải của công ty thu được khoảng 60 tấn/ngày, lượng rác còn lại một phần dân tự xử lý bằng cách đốt, phần còn lại bị thải phát tán vào đất, kênh rạch, ao hồ, ... Đây chính là nguồn gây ô nhiễm môi trường và là mầm mống lan truyền, phát sinh dịch bệnh. Đặc điểm hàm lượng rác thải sinh hoạt ở các đô thị Việt Nam được phân tích cụ thể qua bảng 2.1. Bảng 2.1. Hàm lượng rác thải sinh hoạt ở đô thị Việt Nam (Nguồn: công ty Công trình đô thị - thị xã Sóc Trăng) STT Hàm lƣợng Tỷ lệ trung bình, % 1 Rác hữu cơ 80 % 2 Bao bì nhựa, nylon 5–7% 3 Hàm lượng khác 11 – 13 % Theo thống kê của Quỹ Tái chế thuộc Sở Tài nguyên – Môi trường thành phố Hồ Chí Minh, hiện nay trung bình mỗi ngày thành phố Hồ Chí Minh thải ra môi trường khoảng 50 tấn túi nylon, phần lớn trong số này là túi nylon không phân hủy sinh học. Không chỉ sử dụng nhiều túi nylon, mà một bộ phận không nhỏ người dân thành phố còn có hành vi ứng xử rất xấu trong việc xả thải túi nylon. Phòng Quản lý chất thải rắn thuộc Sở Tài nguyên – Môi trường cho hay, rác là túi nylon hiện chỉ chiếm khoảng 5 – 7 % trên tổng lượng rác thải được ghi nhận “đổ về” tại các bãi rác của thành phố. Trong khi lượng rác thải ở các bãi rác của thành phố hiện vào khoảng 7.000 tấn/ngày. Như vậy mới chỉ có khoảng 35 – 40 tấn túi nylon được tập trung về các bãi rác. Số túi nylon còn lại hẳn đã bị vứt bừa bãi xuống sông, kênh, rạch, …. 5 Hình 2.1. Bao nylon trên một kênh tại quận Tân Phú, ảnh chụp chiều 12/3/2009 (Nguồn: http://forum.vietnamxanh.org)  Ảnh hƣởng của bao bì nylon đến môi trƣờng và con ngƣời Túi nylon vứt bừa bãi trong môi trường đã và đang gây ra những tác hại rất lớn cho môi trường, bởi túi nylon lẫn vào đất có thể làm chậm sự tăng trưởng của cây trồng, ngăn cản oxygen đi qua đất, gây xói mòn đất. Túi nylon nằm kẹt sâu trong cống, rãnh, kênh, rạch còn làm tắc nghẽn cống, rãnh, kênh, rạch, gây ngập úng bởi không có sự tác động của nhiệt độ cao từ ánh sáng mặt trời, thì phải mất 500 – 1.000 năm, túi nylon mới có thể bị phân hủy. Không chỉ gây hại đối với môi trường, mà túi nylon nếu không được sử dụng đúng cách cũng gây hại cho chính người sử dụng. Túi nylon được dùng trong đóng gói hoặc đựng thực phẩm chủ yếu được làm từ nhựa PE hoặc PP. Hàm lượng của các loại nhựa này không chứa chất độc, nhưng những chất phụ gia làm cho nhựa mềm, dẻo lại có khả năng gây độc cho người. Những phụ gia này có thể phản ứng ở nhiệt độ 70 – 80 oC, trong khi đó nhiều người dân lại có thói quen sử dụng túi nylon đựng đồ ăn nóng tới gần 100 oC. Ở những tình huống như vậy, khả năng đồ ăn đựng trong túi bị nhiễm độc là rất cao, đặc biệt là nhiễm chất độc DOP. DOP là một hóa chất dẻo, có tác dụng giống như hormone nữ, rất có hại cho nam giới và trẻ em khi cơ quan sinh dục chưa hoàn chỉnh. Nếu bị nhiễm chất này lâu dài, các bé trai có thể bị nữ tính hóa, vô sinh nam, còn trẻ 6 em nữ thì có nguy cơ dậy thì sớm. DOP tồn tại 5 – 10 % trong các hóa chất dẻo đang được sử dụng. Túi nylon rất khó tái sử dụng, nếu thải ra mà không được thu gom sẽ gây tắc nghẽn cống rãnh, làm ứ đọng nước thải, phát sinh ruồi, muỗi, dịch bệnh, phá hủy mỹ quan và hệ sinh thái đô thị. Nằm lẫn trong đất, sẽ cản trở sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng bởi vì nylon rất khó phân hủy, ... Hình 2.2. Một dòng kênh đầy bao nylon, một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường ở TP. Hồ Chí Minh (Nguồn: http://www.tin247.com) Nguy hiểm hơn, nếu đốt không đúng cách, nylon sẽ phát thải nhiều loại khí độc, đặc biệt là dioxin – thứ chất độc mà nhân loại đang tiến hành loại trừ theo Công ước Stockholm về bảo vệ môi trường. Người ta tính rằng, vứt bỏ một túi nylon chỉ tốn 1 giây, nhưng nếu không có sự tác động bởi nhiệt độ cao của ánh sáng mặt trời thì phải mất từ 500 năm đến 1000 năm mới có thể phân hủy được. Tuy nhiên, nếu đốt nylon không đúng cách sẽ gây ô nhiễm môi trường, nguy hại đến sức khỏe con người, động vật. Theo các nhà khoa học, trong một số loại túi nylon có lẫn lưu huỳnh, dầu hỏa nguyên chất, khi bị đốt cháy, gặp hơi nước sẽ tạo thành acid sulfuric dưới dạng các 7 cơn mưa acid, rất có hại cho phổi người và động vật. Tệ hơn, túi nylon làm bằng nhựa PVC có chứa chlor, khi cháy tạo ra chất dioxin và hydrochloric acid vô cùng độc hại. 2.2. Polymer tự hủy sinh học 2.2.1. Khái niệm Polymer tự hủy sinh học là những polymer có khả năng tự phân hủy nhờ vào sự hỗ trợ của vi sinh vật trong tự nhiên, không đòi hỏi năng lượng, không tạo ra các chất độc hại cho môi trường mà vẫn đảm bảo được các tính năng của polymer truyền thống. Sự phân hủy sinh học là một quá trình tự nhiên, trong đó các chất hữu cơ được chuyển thành những hợp chất đơn giản hơn, không làm ô nhiễm môi trường. Sự phân hủy sinh học có thể xảy ra trong sinh quyển khi các vi sinh đóng vai trò trung tâm trong quá trình phân hủy (Phạm Ngọc Lân, 2006). 2.2.2. Một số tiêu chuẩn mà các nhà khoa học đƣa ra để định nghĩa polymer có khả năng phân hủy sinh học Theo ISO 472-1988: Polymer có khả năng phân hủy sinh học là polymer mà sau một thời gian sử dụng, dưới những điều kiện đặc biệt của môi trường, nó mất đi một số tính chất do những thay đổi trong cấu trúc hóa học, những thay đổi này xảy ra tự nhiên nhờ các vi sinh vật trong môi trường, từ đó phân hủy polymer. Theo ASTM: Polymer có khả năng phân hủy sinh học là khả năng phân hủy thành carbon dioxide, methane, nước và các chất vô cơ hoặc sinh khối. Trong đó cơ chế áp đảo là tác động của enzyme của vi sinh vật đo được bằng các thử nghiệm chuẩn trong một thời gian xác định phản ánh được điều kiện phân hủy. Phân hủy sinh học là phân hủy do hoạt động của vi sinh vật gây ra, đặc biệt do hoạt động của enzyme dẫn đến sự thay đổi lớn về cấu trúc hóa học của vật liệu. Theo Hội đồng nghiên cứu polymer có khả năng phân hủy sinh học của Nhật: polymer có khả năng phân hủy sinh học là những polymer mà quá trình phân hủy của nó tạo thành những hợp chất có trọng lượng phân tử thấp hơn, trong đó có ít nhất một giai đoạn thông qua sự chuyển hóa của các vi sinh vật trong tự nhiên. Chôn ủ: ASTM định nghĩa sự phân hủy do chôn ủ đó là nhựa có khả năng xảy ra phân hủy sinh học ở moi trường ủ như một phần của chương trình sẵn có, rằng nhựa sau đó không thể phân biệt bằng mắt trần được nữa, phân hủy thành CO2, nước, các hợp chất vô cơ và sinh khối với tốc độ phù hợp với vật liệu ủ (Phạm Ngọc Lân, 2006). 8 2.2.3. 2.2.3.1. Các loại polymer tự phân hủy sinh học Các polymer tự phân hủy sinh học tự nhiên Polymer tự phân hủy sinh học tự nhiên là các polymer được tạo ra trong tự nhiên, trong các chu kỳ sinh trưởng của các cơ thể sống. Việc tổng hợp chúng chủ yếu là sự trùng hợp từ các monomer xúc tác hoạt hóa bằng enzyme. Các monomer này được hình thành một cách đặc thù nội trong các tế bào nhờ các quá trình trao đổi phức tạp. (Phạm Ngọc Lân, 2006). Các polymer tự phân hủy sinh học tự nhiên chủ yếu như polysaccharide (tinh bột, cellulose, chitin/chitosan), alginate, gelatine, … 2.2.3.2. Các polyester phân hủy sinh học Polyester đóng vai trò áp đảo trong chế tạo nhựa phân hủy sinh học nhờ có chứa các liên kết ester dễ bị thủy phân. Polyester có hai nhóm chính đó là polyester mạch thẳng và polyester vòng thơm. Các polyester phân hủy sinh học chủ yếu: PLA, PBS, PBAT, PHB, PHV, PCL… Các 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 và polyurea, polyanhydride, polyamide – enamide. Polymer có mạch chính chứa carbon: polyvinyl. Acetate, polyacrylate. 2.2.4. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới về các loại polymer tự phân hủy sinh học  Trên thế giới Theo Tạp chí công nghiệp hóa chất số 06/2007, năm 2005 sản lượng polymer sinh học trên toàn thế giới đạt khoảng 52 nghìn tấn. Theo kết quả nghiên cứu của Business Communication – một tổ chức hàng đầu trong nghiên cứu thị trường, dự báo đến năm 2010, sản lượng polymer sinh học toàn cầu có thể lên đến 94 nghìn tấn, với tốc độ tăng trưởng hơn 12 %/năm trong 5 năm tới. 9 Domenek S., Feuilloley P. và ctv (2004) đã nghiên cứu khả năng phân hủy sinh học của chất dẻo sinh học tổng hợp từ gluten lúa mì. Các thí nghiệm về độ phân hủy được tiến hành trong môi trường chất lỏng và trong đất trồng. Kết quả cho thấy các vật liệu từ gluten phân hủy hoàn toàn sau 36 ngày trong điều kiện lên men hiếu khí và phân hủy trong 50 ngày trong đất trồng. Guohua Z., Ya L., và ctv (2006) đã nghiên cứu về khả năng kháng nước, tính chất cơ học và sự phân hủy sinh học của màng polymer trên cơ sở tinh bột ngô biến tính và PVA. Kết quả chỉ ra rằng việc dùng tinh bột ngô biến tính cho khả năng kỵ nước tốt hơn so với tinh bột ngô thông thường, nhưng thay đổi không đáng kể theo tỉ lệ biến tính tinh bột. Cho tới nay, đã có một số công ty giới thiệu chế phẩm nhựa sinh học. Đó là Mater Bi chuyên chế tạo túi xách và dụng cụ ăn uống tự hủy sau vài lần sử dụng. Công ty Vegemat có sản phẩm mốc phát bóng trong môn thể thao golf và axit polylactic (PLA) giống như chất liệu nylon để chế tạo đĩa DVD, đinh tự hủy cố định xương dùng trong y tế. Tại Bỉ, loại bao bì từ vật liệu chứa tinh bột đã được sử dụng trong ngành kinh doanh thức ăn nhanh (kể cả để sản xuất ra các bộ đồ ăn dùng một lần). Polylactat cũng đã được dùng thử làm bao bì đựng sữa chua, túi đựng và các bộ đồ ăn dùng một lần. Đối với chất liệu polyalkanoat người ta khuyên áp dụng vào lĩnh vực làm bao bì đồ uống (hộp giấy đựng sữa, cốc, túi đựng thức ăn nhanh v.v...) Từ nhiều năm qua, giấy bóng kính và cellulose acetate đã được dùng làm bao bì thực phẩm. Gần đây, Nhật Bản mới đưa ra loại màng mỏng polycaprolacton và chitosan – cellulose dễ phân hủy cho mục đích này. Màng chitosan – cellulose có đặc tính thông khí tốt, rất thích hợp dùng làm bao bì cho rau, cà chua, …  Ở nƣớc ta Viện Hoá Học Công Nghiệp đã chế tạo thành công màng polymer tự phân hủy trên cơ sở tổ hợp polymer giữa polyethylene, tinh bột hỗn hợp sắn, ngô cùng một số phụ gia khác. Quá trình phân huỷ theo thuỷ phân, quang hoá bẻ gãy các liên kết hoá học, vi sinh vật gặm nhấm tự lên men cắt mạch của màng polymer. Ứng dụng thực tế cho kết quả: màng polymer tự phân huỷ 100 % sau 4 tháng sử dụng. Triển vọng thị trường nội địa là rất lớn.