Trong một nghiên cứu, các nhà khoa học tại Đại học Konstanz, Đức đã phát triển một loại nhựa mới có tính ổn định cao thay thế các loại nhựa hiện nay, đồng thời có khả năng phân hủy sinh học và dễ dàng tái chế.
Làm thế nào có thể thiết kế được nhựa, duy trì những đặc tính hữu ích của vật liệu đồng thời có thể tái chế dễ dàng hơn? Nhóm nghiên cứu do nhà hóa học GS.TS Stefan Mecking dẫn đầu tại Đại học Konstanz đang tập trung nghiên cứu các giải pháp chế tạo nhựa thân thiện với môi trường. Trong bài báo khoa học, được công bố trên ấn bản quốc tế Angewandte Chemie , nhóm nghiên cứu giới thiệu một loại polyester mới, có những đặc tính vật liệu phù hợp cho sử dụng công nghiệp và thân thiện với môi trường.
Độ kết tinh cao không tương thích với khả năng tự phân hủy
Nhựa được tạo thành từ các chuỗi dài của một hoặc một số module cơ bản hóa học, được gọi là monome. Nhựa được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống do có độ kết tinh cao và khả năng chống thấm nước, có tính đàn hồi và ổn định cao về cơ học, rất bền chắc vật lý trong điều kiện thông thường.
Một ví dụ điển hình là polyetylen mật độ cao (HDPE), còn được gọi là nhựa nhiệt dẻo, ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp có các module cơ bản bao gồm những phân tử hydrocarbon không phân cực. Những tính chất có lợi cho các ứng dụng cũng đi kèm những nhược điểm rất khó khắc phục. Quá trình tái chế các loại nhựa bền chắc và phục hồi các module cơ bản rất tốn năng lượng và không hiệu quả. Ngoài ra, khi những loại nhựa này bị xả thải ra môi trường, quá trình phân hủy có thời gian rất dài.
Ông Mecking giải thích: “Các loại nhựa thường có khả năng phục hồi cao vì vật liệu được sắp xếp theo cấu trúc tinh thể dày đặc. Nhưng tính kết tinh, ngay cả khi có các liên kết có thể đứt gãy, nói chung cản trở quá trình phân hủy sinh học của nhựa do các enzyme tự nhiên không thể tiếp cận được với chuỗi polymer. Nhựa được thiết kế để có thể phân hủy sinh học thường là vật liệu có độ kết tinh thấp, như màng poly PBAT. Đối với polyetylen, bản chất trơ về mặt hóa học của chuỗi hydrocacbon cộng với tính kỵ nước của vật liệu ngăn cản sự phân hủy sinh học.
Vật liệu nhựa độ kết tinh cao và có thể phân hủy
Để giải quyêt sự không tương thích giữa tính ổn định và khả năng phân hủy sinh học của nhựa, nhóm nghiên cứu do GS Mecking dẫn đầu chèn các "điểm đứt gãy" hóa học vào vật liệu nhựa. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh được, phương pháp này tăng cường đáng kể khả năng tái chế của nhựa tương tự polyetylen.
Loại nhựa mới, polyester-2,18 (PE-2,18) do nhóm nghiên cứu phát triển bao gồm hai module cơ bản, một đơn vị diol ngắn có 2 nguyên tử carbon tạo điểm đứt gãy hóa học và một axit dicarboxylic có 18 nguyên tử carbon. Cả 2 module này có thể dễ dàng thu được từ những nguồn vật liệu thô bền vững.
Ví dụ, nguyên liệu ban đầu cho axit dicarboxylic, thành phần chính của nhựa, thu được từ nguồn tái tạo tự nhiên. Những đặc tính của polyester tương tự như các đặc tính của HDPE, do cấu trúc tinh thể của vật liệu, nhựa thể hiện cả tính ổn định cơ học và khả năng chịu nhiệt độ. Đồng thời những thí nghiệm ban đầu về khả năng tái chế cho thấy, trong các điều kiện tương đối ôn hòa (thủy phân ở nhiệt độ 80o – 120o), có thể thu lại các module cơ bản của vật liệu này.
Loại nhựa mới này còn có một đặc tính khá bất ngờ khác, mặc dù có độ kết tinh cao nhưng vật liệu có khả năng phân hủy sinh học, những thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với các enzyme tự nhiên và những thử nghiệm tại một nhà máy sản xuất phân trộn công nghiệp cho thấy vật liệu mới polyester-2,18 (PE-2,18) thể hiện các đặc tính vật liệu và tinh thể giống như polyetylen mật độ cao, đồng thời dễ dàng bị thủy phân bởi các enzyme tự nhiên và bị phân hủy sinh học hoàn toàn trong điều kiện ủ phân công nghiệp.
Trong vòng vài ngày, trong một thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, polyester -2,18 đã bị phân hủy bởi các enzyme tự nhiên. Các vi sinh vật của nhà máy làm phân trộn cần khoảng hai tháng, vì vậy loại nhựa này thậm chí còn đáp ứng những tiêu chuẩn ủ phân công nghiệp (tiêu chuẩn ISO 14855-1).
GS Mecking cho biết: “Chúng tôi cũng rất ngạc nhiên trước sự xuống cấp nhanh chóng này, đồng thời cho biết thêm: “Tất nhiên, chúng tôi không thể chuyển trực tiếp kết quả của nhà máy làm phân trộn sang bất kỳ điều kiện môi trường nào có thể. Nhưng kết quả này xác nhận, vật liệu này thực sự có thể phân hủy sinh học và cho thấy, vật liệu sẽ kém bền chắc hơn nhiều so với những loại nhựa như HDPE, nếu được thải rác ra môi trường.”
Khả năng tái chế và khả năng phân hủy sinh học của của polyester -2,18 trong các điều kiện môi trường thay đổi đang được nghiên cứu thêm. GS Mecking đã chỉ ra những ứng dụng khả thi cho vật liệu mới này như in 3D các loại vật thể thông dụng hoặc sản xuất giấy bạc đóng gói. Ngoài ra, còn có nhiều lĩnh vực ứng dụng đáng quan tâm khác, kết hợp độ kết tinh cáo với khả năng tái chế và sự xuống cấp của vật liệu trong điều kiện có sự tác động của môi trường.