Hy vọng mới cho vật liệu bằng nhựa

Sự phát triển của khoa học vật liệu gần đây hơn cả những gì chúng ta có thể kỳ vọng, thậm chí có thể định nghĩa lại kiến thức thường thức. Nhựa là một ví dụ, khi phân tử polymer sinh học (biopolymer) là một cơ hội để tái định nghĩa khái niệm “nhựa”. 

Nhựa sinh học được làm từ nguồn gốc khác với chất hóa dầu – đến từ hai định dạng chính: polylactics acids (PLA) và polyhydroxyalkanoates (PHA). PLA là sản phẩm từ đường trích từ bắp hay mía, trong khi đó PHA là sản phẩm lên men. PLA, nhận được sự quan tâm của ngành công nghiệp, đã làm dấy lên mối lo ngại do tác dụng của nó từ nguồn thức ăn và có thể tiêu thụ như thực phẩm. PLA lại không phải là sản phẩm phân hủy sinh học tự nhiên và phải được phân hủy thông qua quá trình công nghiệp. PHA, trong khi đó, xuất hiện với tính phân hủy sinh học cao hơn so với PLA, nhưng không may thay, rất đắt và khó sản xuất.

Vậy làm cách nào để ta có thể tách được PHA hay PLA khỏi nhựa cần tái chế?

Đối với PHA, qua quá trình lên men, lưu lượng tế bào đi qua phễu lọc, ta đem đi sấy và có được bột khô. Từ đó, ta tách PHA ra bằng quay li tâm và lọc lưới mỏng. Lưu lượng PHA đi qua quay li tâm một lần nữa để được PHA sấy qua khí khô. PHA được rải cho khô sau đó trở thành nhựa PHA. Từ đó, người ta dùng làm nguyên liệu cho bao bì nhựa.

Đối với PLA, người ta tổng hợp qua sản phẩm nông nghiệp. Sau khi thủy phân bột ngô, người ta cho lên men và tổng hợp ra được acid lactic. Từ Acid lactic ta tạo ra được nhựa PLA. Các sản phẩm của nhựa phân hủy và tạo thành nước và CO2 nuôi cây. Cây quang hợp và cho ra các sản phẩm nông nghiệp.

“Khi mà chúng ta đối mặt với thực tại tàn nhẫn của vấn đề về nhựa làm từ dầu, PHA đưa ra một giải pháp lôi cuốn có thể hứa hẹn sự thuyên giảm số lượng rác thải nhựa toàn cầu, những chất phụ thuộc chất hóa dầu và tác hại xấu đến sức khỏe con người”.

Dù thế nào đi nữa, một khám phá mới cho một tương lai đáng tin tưởng của PHA, nay được gọi là “giấc mơ nhựa”. Các nhà khoa học ở Đại học Colorado thuộc thành phố Fort Collins đã phát triển phương pháp chuẩn bị một lymers hiệu quả từ thực phẩm sinh học tái chế. Cụ thể là nhựa PHA (giống như PLA) đã được bẻ vụn, trở thành một sản phẩm giống như những polymer gốc hóa dầu khổng lồ. Thêm nữa, PHAs cho thấy tính không ổn định nhiệt, khiến cho chúng trở nên khó khăn trong việc tan chảy để có thể tái tạo lại vật liệu mà không giảm đi phẩm chất (Tính không ổn định nhiệt là một nguyên nhân đáng kể của sự tốn kém của quá trình chuyển biến PHA). Hơn thế nữa, giáo sư hóa học Eugene Chen và nhóm nghiên cứu đã đề xuất một giải pháp cho hai giới hạn. Câu trả lời nằm trong việc thay thế nguyên tử hydro dễ đứt liên kết với đuôi methyl liên kết bền vững. Sự thay đổi bản chất trong hóa học tạo ra sự tiến triển trong sự ổn định và sự kiên cố trong vật liệu hệ quả, liên kết sẽ trở nên cứng hơn một phân tử chung polyethylene và polypropylene. PHA mới có thể được tan chảy dễ dàng (và lập lại) thành vật liệu mới. “Chúng tôi thêm vào ba tính chất quan trọng mong muốn cho phân tử sinh học PHAs, bao gồm vòng đóng kín hóa học tái tạo được, điều quan trọng trong trong việc đạt được một vòng tròn kinh tế PHA”, Chen nói khi bài báo cáo của CSU được xuất bản.

Ứng dụng của PHA trong đời sống: lên men trong công nghiệp, khí đốt bio, thực phẩm cho vật nuôi, thuốc và bao bì thuốc, nhựa bio, dụng cụ cấy ghép nội tạng.

Ứng dụng của PLA trong đời sống đa dạng hơn vì PLA dễ phân hủy và dễ uốn đúc. PLA có mặt trong lĩnh vực công nghiệp điện, công nghiệp vận chuyển, nông nghiệp, đóng gói, công nghiệp sinh học và vải vóc.

PHA vẫn trong trạng thái mới mẻ để được thương mại hóa, và- giống như PLA-ứng dụng đầu tiên về tiêu dùng là những sản phẩm ít nguy cơ, kích cỡ nhỏ, như là hộp chứa thực phẩm và vật liệu bao bì. Tuy nhiên, để đạt được kết quả khả quan về số đo môi trường, PHA nên được phát triển cho ứng dụng lớn, diện rộng như trong lĩnh vực xe hơi và công nghiệp xây dựng. 

Một lĩnh vực đầy hứa hẹn còn nghi vấn là lĩnh vực gỗ ép PHA. Ván gỗ ép nhựa, được làm từ sự kết hợp của bột gỗ và nhựa nóng chảy, đã được ưa chuộng dưới dạng ván ép miếng kỹ thuật với sự bền lâu và ít bảo dưỡng. Thị trường cho WPCs được như vậy là nhờ kết hợp với gỗ, ít vật liệu chính nhưng tác dụng bền lại cao hơn nguyên liệu chính dạng thô. Việc kết hợp PHA và gỗ trợ lực giảm giá thành 40% và cho một sản phẩm phân hủy thân thiện môi trường. Những ví dụ về các ứng dụng trong xây dựng WPC bao gồm bờ kè, sàn, lót sàn, hàng rào, song cửa và vật dụng ngoài trời. Như phát hiện của nhóm nghiên cứu đại học Queensland ở Úc, PHA còn được sử dụng như chất thay thế hiệu quả cho dầu-dẫn xuất của nhựa WPCs. Dù sao đi nữa, sự phát triển của sản phẩm ngoài trời có xu hướng chậm để người ta có thể nghiên cứu kỹ hơn để tìm ra sự thể hiện lâu dài của gỗ ép PHA trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Mỉa mai thay, một trong những điểm cộng đáng kể của PHA là nó dễ dàng phân hủy tự nhiên trong ngữ cảnh không khí (ví dụ như đại dương)-đạt được chiến thắng về sự bền vững lâu dài. Với tính tĩnh điện và tính tương đồng – polymer trộn thêm hoạt chất tăng sự ổn định-có thể dùng trong tăng tuổi thọ vật liệu phục vụ, nhưng mà tác dụng lâu dài với môi trường của những hợp chất này cần phải được nghiên cứu kỹ hơn.

Tính chất cơ học của PHA ép và gỗ WPC (50% gỗ)

Ngoài việc đối mặt với những tính chất vật lý cụ thể, rủi ro mà người ta đầu tư thương mại cho PHA nằm trong pháp lý của chính phủ về định danh sản phẩm thân thiện với môi trường. Trang thiết bị bằng gỗ PHA và chuỗi giá trị sẽ giúp chính phủ xác định điều đó.

Như chúng ta đối mặt với thực tại khó khăn của vấn đề về nhựa có xuất xứ từ dầu, PHA như một giải pháp đầy hứng khởi có thể hứa hẹn giảm lượng rác thải nhựa toàn cầu, sự phụ thuộc vào hóa dầu và tác dụng xấu lên sức khỏe con người. Nếu PHA có thể thương mại hóa thành công trên thương trường công nghiệp và trong thời gian dài như ngành xây dựng, sự thay thế hàng loạt những polymer truyền thống có thể tái định nghĩa lại nhựa như một vật liệu tác nhân tích cực đến môi trường. Dù sao đi nữa, đây là một sự hoàn tất đặt ra một tình huống khó xử: nhựa dựa trên dầu được tiếp tục thiết kế, dựa trên những mục tiêu không chối cãi của tính lâu dài của vật dụng sản xuất. Nhưng tính lâu dài này lại là được thừa kế bởi sự ngắn ngủi. Chúng ta chỉ cần quan sát những gì mà Công ty thu gom rác thải Thái bình dương làm việc để biết cách sử dụng những gì mà sản phẩm đó không được thiết kế ngoài vòng đời hữu dụng của chúng. Đương nhiên là điều tạo ra một vòng đời hữu dụng sẽ là một vấn đề trong cuộc đàm phán hiện tại khi mà chúng ta đối chiếu liên tục sự không chắc chắn bẩm sinh của những kịch bản tương lai. Nhưng mà sự xem xét về khả năng chấm dứt cuộc sống cũng tạo ra cơ hội cho việc thiết kế thân thiện môi trường. PHA là vậy liệu tối ưu cho một sự tìm tòi, và có thể thay đổi tính chất của nhựa. Câu hỏi là: Khi chúng ta hỏi về văn hóa vật chất khiến cho nhiều sản phẩm chồng đống, chúng ta đã sẵn sàng thay đổi bản thân chưa?