Nhựa sinh học: Bao bì thân thiện môi trường

Đoạn văn mở đầu nhấn mạnh sự gia tăng nghiêm trọng của các hiểm họa môi trường do con người gây ra, trong đó rác thải nhựa chiếm tỷ trọng đáng kể. Bao bì nhựa, đặc biệt là túi nilon, được chỉ ra là một trong những tác nhân chính gây ô nhiễm. Tình trạng này đã được nhiều quốc gia, nhất là các nước châu Âu, nhận thức rõ và đã có những biện pháp mạnh mẽ để hạn chế, như việc ngừng phát hành túi nhựa tại các siêu thị. Điều này cho thấy mức độ nghiêm trọng của vấn đề và sự cấp thiết cần tìm kiếm giải pháp thay thế bền vững hơn.

Trước thực trạng ô nhiễm và nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, nhu cầu về các giải pháp thay thế thân thiện môi trường ngày càng bức thiết. Việc hạn chế sử dụng bao bì nilon đã tạo ra một làn sóng toàn cầu, thúc đẩy sự phát triển của các loại bao bì thay thế làm từ vật liệu có khả năng tái sinh và dễ phân hủy. Các nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu và chế tạo các loại vật liệu polyme có nguồn gốc từ thiên nhiên, như tinh bột và xenlulozơ, với ưu điểm có thể gia công bằng công nghệ sản xuất nhựa truyền thống nhưng lại có khả năng phân hủy hoàn toàn sau một thời gian ngắn, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường đáng kể so với nhựa truyền thống.

Mặc dù xu hướng toàn cầu đang chuyển mạnh sang sử dụng bao bì sinh học, việc áp dụng các sản phẩm này tại Việt Nam vẫn còn hạn chế. Một phần nguyên nhân là do chưa tạo được thói quen sử dụng cho người dân, mặt khác, số lượng sản phẩm nhựa dễ phân hủy sinh học trên thị trường còn ít, công nghệ sản xuất chưa phổ biến rộng rãi và còn nhiều hoài nghi về chất lượng. Tuy nhiên, tiềm năng của thị trường này rất lớn, đặc biệt khi xét đến việc khan hiếm nguồn nguyên liệu sản xuất nhựa hóa học và nhu cầu ngày càng tăng về các sản phẩm thân thiện môi trường. Đây là cơ hội để Việt Nam phát triển ngành công nghiệp nhựa sinh học, góp phần bảo vệ môi trường và thúc đẩy kinh tế.

Ngành công nghiệp nhựa toàn cầu thể hiện tốc độ tăng trưởng ổn định đáng kể, đạt trung bình 9% mỗi năm trong suốt 50 năm qua. Thậm chí, ngay cả trong giai đoạn khủng hoảng kinh tế năm 2008, ngành này vẫn duy trì được mức tăng trưởng 3% trong hai năm 2009 và 2010. Năm 2010, sản lượng nhựa toàn cầu đạt 300 triệu tấn, tăng 32% so với năm 2009, cho thấy sức hồi phục mạnh mẽ sau thời kỳ suy thoái kinh tế. Sự tăng trưởng này phần lớn được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng tăng, đặc biệt tại khu vực châu Á, khẳng định vị thế quan trọng của ngành nhựa trong nền kinh tế toàn cầu.

Phân khúc sản xuất bao bì chiếm tỷ trọng lớn nhất trong tổng sản lượng nhựa, đạt 40%. Giá trị của phân khúc này được dự báo đạt khoảng 180 tỷ USD vào năm 2011, với mức tăng trưởng trung bình 4%/năm. Sự ổn định này được dự đoán sẽ tiếp tục trong năm 2011, nhờ vào sự tăng trưởng của các ngành tiêu thụ sản phẩm bao bì như thực phẩm, đồ uống và dược phẩm, những ngành ít bị ảnh hưởng bởi khủng hoảng tài chính. Bên cạnh đó, sản lượng nhựa tái chế cũng tăng trưởng ấn tượng với mức trung bình 11% trong 10 năm qua. Tuy nhiên, mặc dù nguồn cung nhựa tái chế đã tăng mạnh từ năm 2006, nó vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu toàn cầu, đặc biệt tại các nước châu Âu, nơi tỷ lệ tái chế đạt từ 15-30%, thậm chí lên đến 40% tại Anh.

Ngành công nghiệp sản xuất nhựa Việt Nam cũng chứng kiến tốc độ tăng trưởng cao kể từ năm 2000, nhờ vào nhu cầu tiêu dùng trong nước và xuất khẩu mạnh mẽ. Tuy nhiên, so với thế giới, mức tiêu thụ nhựa bình quân đầu người ở Việt Nam còn thấp, tăng từ 1kg/năm năm 1975 lên mức cao hơn nhiều vào năm 2008, cho thấy tiềm năng phát triển lớn. Xuất khẩu nhựa của Việt Nam đạt gần 400 triệu USD mỗi năm, với các sản phẩm chủ lực là bao bì, sản phẩm nhựa tiêu dùng, nhựa xây dựng và sản phẩm kỹ thuật cao. Mặc dù đã có mặt trong hầu hết các ngành kinh tế, nhưng ngành nhựa Việt Nam vẫn đối mặt nhiều thách thức, bao gồm biến động giá nguyên liệu nhập khẩu (PP và PE tăng 13%), sản phẩm còn đơn điệu, thiếu nhân lực chất lượng cao, và tính tự phát trong phát triển.

Tài liệu đề cập đến máy thổi khuôn là loại máy quan trọng nhất trong sản xuất nhựa PET. Máy thổi khuôn một bậc (Single Stage Blow Molding machine), được sử dụng từ năm 1975, cho phép tạo ra chai lọ với nhiều hình dáng và kích cỡ khác nhau. Máy ép thổi (Injection Molding machine) được dùng để tạo khuôn trước khi đưa vào máy thổi. Máy thổi khuôn hai bậc (Two Stage Blow Molding machine) hiện đại hơn, kết hợp công nghệ ép thổi và kéo đùn thổi, năng suất cao hơn (4.000 – 6.000 chai/giờ). Máy thổi khuôn tích hợp (Integrated Two Stage Blow Molding Machine) là công nghệ tiên tiến nhất hiện nay, cho phép sản xuất các lô chai nhỏ với bề mặt nhẵn. Ngoài ra, thị trường còn có các loại máy bán tự động và tự động hoàn toàn, cho thấy sự phát triển không ngừng của công nghệ sản xuất nhựa.

Tài liệu tập trung vào việc sử dụng các vật liệu polyme có nguồn gốc tự nhiên, đặc biệt là tinh bột và xenlulozơ, để sản xuất nhựa sinh học. Tinh bột, thu được từ các loại cây như khoai tây, lúa mì, ngô, sắn, được xem là nguyên liệu phổ biến và có giá thành thấp. Nhựa sinh học trên cơ sở tinh bột có thể chứa hàm lượng tinh bột từ 10% đến hơn 90%, tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Tinh bột nhiệt dẻo có thể gia công trên các máy gia công chất dẻo thông thường, nhưng nhựa có hàm lượng tinh bột cao lại dễ bị phân hủy nhanh khi tiếp xúc với nước. Việc pha trộn tinh bột với các polyme khác, như polybutylen succinat (PBS) hoặc polybutylen succinat adipat (PBSA), giúp cải thiện tính chất cơ học của vật liệu. Công ty CRC ở Australia đã sản xuất thành công nhựa tinh bột nhiệt dẻo có hàm lượng amylose cao hơn 70%, chứng minh tính khả thi của công nghệ này.

Mặc dù có nhiều ưu điểm, việc sản xuất nhựa sinh học vẫn gặp một số khó khăn. Nhựa sinh học thường dễ bị thấm nước, dẫn đến thời gian bảo quản ngắn và sản phẩm dễ bị biến dạng. Hàm lượng tinh bột cao hơn 60% mới đảm bảo khả năng phân hủy, nhưng lại dễ làm sản phẩm giòn. Vì vậy, việc thêm chất hóa dẻo là cần thiết. Công nghệ sản xuất nhựa sinh học chưa được phổ biến rộng rãi và chưa có nhiều bằng chứng thuyết phục, dẫn đến sự hoài nghi của người tiêu dùng. Việc kết hợp tinh bột với các polyme tổng hợp nhằm khắc phục nhược điểm của tinh bột đơn thuần, nhưng vẫn chưa đạt được sự phân hủy hoàn toàn, chỉ là phân hủy nửa vời.

Nhựa phân hủy sinh học được xem là giải pháp thay thế tiềm năng cho bao bì truyền thống, đặc biệt trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng. Tại Châu Âu, nơi chiếm đến 60% thị trường tiêu thụ nhựa phân hủy sinh học, ứng dụng này rất phổ biến. Bao bì phân hủy sinh học được làm từ các vật liệu như tinh bột, pullulan (có khả năng chống thấm oxy tốt, thích hợp cho thực phẩm), và các hỗn hợp polyme. PGS-TS Trương Vĩnh đã nghiên cứu chế tạo thành công màng polymer sinh học từ tinh bột khoai mì, có thể tạo thành túi đựng đồ với độ bền tương đương nhựa hóa học, và phân hủy hoàn toàn sau 60 ngày. Công ty Tiến Thành tại TP.HCM cũng cho ra mắt sản phẩm bao bì thực phẩm từ bột bắp, có khả năng chịu nhiệt cao và tự phân hủy.

Từ những năm 1930-1940, polyme đã được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, bao gồm màng phủ đất, bầu ươm cây. Tuy nhiên, nhựa phân hủy sinh học đang được chú trọng hơn vì tính thân thiện với môi trường và khả năng phân hủy hoàn toàn, góp phần làm giàu dinh dưỡng đất. Màng phủ đất sinh học, ví dụ từ tinh bột và PVA, dễ bị vi sinh vật trong đất phân hủy. Thêm sắt và canxi vào thành phần màng có thể tăng cường quá trình phân hủy. Màng PE, dù có khả năng giữ nhiệt tốt, lại gây khó khăn trong thu hoạch nếu không phân hủy. Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển màng polyme phân hủy sinh học trong thời gian nhất định là rất quan trọng, mặc dù hiện nay ít sản phẩm thương mại.

Nhựa sinh học cũng có nhiều ứng dụng trong y tế, bao gồm: hệ thống phân phối thuốc, và chỉ khâu phẫu thuật. Polyme phân hủy sinh học được sử dụng trong hệ thống phân phối thuốc để giải quyết các nhược điểm của phương pháp truyền thống như uống thuốc hoặc tiêm, giúp thuốc tập trung vào mục tiêu và kéo dài thời gian tác dụng. Chỉ khâu hấp thụ tổng hợp, được làm từ các vật liệu như polyglycolit (PGA), polylactit (PLA), và copolyme của chúng, được sử dụng rộng rãi trong phẫu thuật vì khả năng tương thích sinh học tốt và tự tiêu hủy sau khi vết thương lành. Các nghiên cứu cũng tập trung vào việc tạo ra các polyme phân hủy sinh học hóa dẻo phù hợp để làm hệ thống tải và phân phối thuốc, giúp việc đưa thuốc vào cơ thể dễ dàng và an toàn hơn.

Quá trình thu hồi tinh bột được mô tả tương tự như nghiền bột sắn dây: ngô (ở dạng bắp), khoai, sắn (ở dạng củ) được mài trên giá nhôm có lỗ nhỏ, sau đó nghiền mịn bằng máy xay. Hỗn hợp được lọc để loại bỏ bã, phần dung dịch còn lại được để lắng khoảng 4-5 giờ. Lớp nước trên bề mặt được gạn bỏ, thu được tinh bột ướt, sau đó đem phơi khô. Độ mịn của tinh bột phụ thuộc vào quá trình nghiền và lắng lọc, và được bảo quản trong túi nilon kín để tránh hút ẩm. Đây là bước chuẩn bị nguyên liệu quan trọng cho quá trình sản xuất nhựa sinh học, đảm bảo chất lượng và hiệu quả của sản phẩm cuối cùng.

Nhựa phân hủy sinh học được chế tạo dựa trên cơ sở kết hợp tinh bột (ngô, khoai, sắn) với một polyme nhiệt dẻo làm nền, như PVA (polyvinyl alcohol) – một trong số ít polymer có khả năng tự phân hủy sinh học hoàn toàn. Chất trợ tương hợp, ví dụ như nhựa thông, được thêm vào để hỗ trợ quá trình kết hợp giữa tinh bột và polyme nền. Hỗn hợp được hòa tan trong dung môi glyxerol và gia nhiệt ở nhiệt độ thích hợp. PGS-TS Trương Vĩnh đã thành công trong việc tạo ra túi nilon từ bột khoai mì thô thông thường, với độ bền tương đương nhựa hóa học và khả năng phân hủy hoàn toàn sau 60 ngày. Việc sử dụng tinh bột, một nguồn nguyên liệu sẵn có và rẻ tiền, giúp giảm giá thành sản phẩm.

PGS.TS. Phạm Thế Trinh tại Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam đã nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme phân hủy sinh học bằng phương pháp polyme-blend. Phương pháp này kết hợp nhựa polyetylen tỷ trọng thấp (LDPE) với tinh bột, cùng với chất trợ tương hợp, chất quang hóa và phụ gia oxy hóa. Đây là một công trình nghiên cứu đáng chú ý, thể hiện nỗ lực trong việc tìm kiếm giải pháp thay thế nhựa truyền thống bằng vật liệu thân thiện với môi trường. Một ví dụ khác là công ty Tiến Thành tại TP.HCM, sản xuất bao bì thực phẩm sử dụng 80% bột bắp, tự phân hủy và an toàn cho thực phẩm. Việc tối ưu tỷ lệ tinh bột và polyme nền (ví dụ, giữ nguyên 0,8 gam chất trợ tương hợp, tăng dần % khối lượng tinh bột và giảm dần khối lượng nhựa để tổng khối lượng mỗi mẫu là 20 gam) là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của nhựa sinh học, bao gồm sức bền kéo, tỷ trọng, nhiệt độ nóng chảy và độ thấm ướt.