Phát triển và ứng dụng nhựa polyme phân hủy

Phát triển và ứng dụng nhựa polyme phân hủy sinh học, nhựa phân hủy sinh học là một loại nhựa mới có chức năng phân hủy vật liệu polyme, trong quá trình sử dụng phải làm với cùng loại nhựa thông thường có tính chất sức khỏe và ứng dụng phù hợp tương ứng, và Sau khi hoàn thành chức năng, vật liệu có thể bị phân hủy nhanh chóng trong điều kiện môi trường tự nhiên, trở nên dễ bị phân hủy hoặc bị nghiền nát bởi môi trường, và theo thời gian, sự phân hủy tiếp tục trở thành các sản phẩm oxy hóa (CO2 và nước), trở về tự nhiên.

Phát triển và ứng dụng vật liệu phân hủy sinh họcnhựa polyme, nhựa phân hủy sinh học là một loại nhựa mới có chức năng phân hủy vật liệu polyme, trong quá trình sử dụng phải làm với cùng một loại nhựa thông thường với sức khỏe tương ứng và hiệu suất ứng dụng liên quan, và sau khi hoàn thành chức năng, vật liệu có thể bị phân hủy nhanh chóng trong điều kiện môi trường tự nhiên, trở nên dễ bị phân hủy hoặc bị nghiền nát bởi môi trường, và theo thời gian, sự phân hủy tiếp tục trở thành các sản phẩm oxy hóa (CO2 và nước), trở về tự nhiên.

Xuất phát từ tình trạng ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa cũng như nhu cầu bảo vệ môi trường và nhu cầu của con người, việc nghiên cứu vật liệu polymer có khả năng phân hủy là rất cấp thiết.Trong một thời gian cụ thể và trong những điều kiện môi trường nhất định, cấu trúc hóa học của nhựa phân hủy sinh học sẽ thay đổi.Theo nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi cấu trúc hóa học, nhựa phân hủy sinh học có thể được chia thành hai loại: nhựa phân hủy sinh học và nhựa phân hủy quang.

1. Cơ chế phân hủy của nhựa dễ phân hủy

Nói chung, nhựa phân hủy là loại nhựa có thể phân hủy thành các phân tử nhỏ thông qua hoạt động của vi sinh vật trong đất hoặc bức xạ mặt trời. Nó phải đáp ứng các yêu cầu sử dụng sản phẩm và dễ dàng xử lý trên cơ sở đặc tính có khả năng phân hủy sinh học.Bản chất tác động của ánh sáng mặt trời lên vật liệu polymer là tác dụng toàn diện của tia cực tím trong ánh sáng mặt trời và oxy trong không khí nên còn gọi là sự phân hủy quang oxy hóa.Lấy polyolefin làm ví dụ để giải thích cơ chế phân hủy quang oxy hóa.Về bản chất, quá trình quang oxy hóa gây ra sự phá vỡ chuỗi hoặc liên kết ngang của các polyme và một số nhóm chức chứa oxy, chẳng hạn như axit cacboxylic, peroxit, xeton và rượu, được hình thành trong quá trình này.Dư lượng chất xúc tác trong polyme và sự hình thành các nhóm peroxide và carboxyl được đưa vào trong quá trình xử lý là những nguồn phân hủy chính.

Dưới tác dụng của vi sinh vật (chủ yếu là nấm, vi khuẩn hoặc tảo…), các polyme có thể bị ăn mòn hoặc chuyển hóa làm thay đổi cấu trúc hóa học và giảm trọng lượng phân tử.Cơ chế hoạt động có thể chủ yếu được chia thành hai tình huống:

(1) hoạt động sinh lý.Nghĩa là, sau khi vi sinh vật ăn mòn các sản phẩm nhựa, tế bào sinh học phát triển, thúc đẩy quá trình phân hủy polyme, ion hóa hoặc proton, tác động vật lý này lên polyme gây ra hư hỏng cơ học, trọng lượng phân tử cao của polyme thành các mảnh oligome, do đó đạt được mục đích suy thoái thể chất.

(2) hoạt động sinh hóa - hoạt động trực tiếp của enzyme.Tình trạng này là do sự ăn mòn của các enzyme do nấm hoặc vi khuẩn tiết ra dẫn đến sự phân hủy hoặc phân hủy oxy hóa của nhựa và gây ra sự phân tách hoặc phân hủy oxy hóa các polyme không hòa tan thành các mảnh tan trong nước, tạo ra các hợp chất phân tử nhỏ mới (CH4, CO2 và H2O) cho đến khi phân hủy cuối cùng.

Nhìn chung có hai giả thuyết về cơ chế phân hủy sinh học của vật liệu polymer dẫn đến phân hủy sinh học.Cái còn lại là một vết cắt xâm lấn từ cuối chuỗi.Do đó, các đặc tính cấu trúc của vật liệu, chẳng hạn như thành phần, cấu trúc chuỗi chính và chuỗi bên, kích thước của các nhóm cuối và sự hiện diện hay vắng mặt của lực cản không gian không gian, là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy của chúng.Trong số đó, các thuộc tính của chuỗi chính có tác động lớn hơn.Nếu chuỗi chính của polyme chứa các liên kết dễ bị thủy phân thì sẽ dễ bị phân hủy sinh học.Thứ hai, nếu đường trục linh hoạt thì tốc độ xuống cấp sẽ tương đối nhanh, trong khi nếu đường trục cứng và có trật tự thì tốc độ xuống cấp sẽ chậm.

Khả năng phân hủy sinh học của vật liệu polymer bị giảm do sự phân nhánh và liên kết ngang.Ví dụ, việc đưa các nhóm kỵ nước vào cuối chuỗi phân tử axit polylactic (PLA) có thể làm giảm tốc độ xói mòn ở giai đoạn phân hủy ban đầu.Điều này là do trong quá trình phân hủy ban đầu, sự ăn mòn của PLA chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc của đầu chuỗi phân tử và việc bổ sung các nhóm kỵ nước dẫn đến tốc độ ăn mòn của nó giảm.Ngoài ra, một số nhà nghiên cứu đã nghiên cứu cấu trúc hóa học của polyme và trọng lượng phân tử tương đối của vật liệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy chúng.

2. Phát triển nhựa phân hủy sinh học

Hướng phát triển của nhựa phân hủy sinh học trong tương lai có thể như sau:

(1) nhựa phân hủy sinh học được điều chế bằng cách nghiên cứu cơ chế phân hủy sinh học của các polyme phân hủy và quá trình đồng trùng hợp khối của nhựa phân hủy sinh học với các polyme thông thường, polyme vi sinh vật và polyme tự nhiên hiện có đã được nghiên cứu và phát triển.

(2) tìm kiếm các vi sinh vật có thể sản xuất nhựa polyme, khám phá các polyme mới, phân tích chi tiết cơ chế tổng hợp của chúng, nâng cao năng suất của chúng thông qua các phương pháp hiện có và phương pháp kỹ thuật di truyền, đồng thời nghiên cứu các phương pháp nuôi cấy vi sinh vật hiệu quả.

(3) chú ý đến việc kiểm soát tốc độ phân hủy, phát triển các chất thúc đẩy và chất ổn định phân hủy hiệu quả để cải thiện hiệu suất phân hủy sinh học của nhựa phân hủy, giảm giá thành và mở rộng ứng dụng thị trường.

(4) nghiên cứu và thiết lập một định nghĩa thống nhất về nhựa phân hủy, làm phong phú và cải tiến phương pháp đánh giá phân hủy sinh học, đồng thời hiểu rõ hơn về cơ chế phân hủy.