Đồ án Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng polyme phân huỷ sinh học
Các công trình nghiên cứu về vật liệu polyme nói chung đã đ-ợc các nhà khoa học trên thế giớitiến hành từ rất sớm, tuy nhiên việc nghiên cứu mới thực sự mạnh mẽ từ những năm 50 của thế kỷ XX trở lại đây, nhất là từ khi có công nghiệp hoá dầu phát triển. Hàng trăm nghìn chủng loại vật dụng từ polyme đã và đang phục vụ cho các ngành kinh tế quốc dân và đời sống xã hội. Có một nhà khoa học đã vívon toàn thế giới chúng ta đ-ợc đựng trong chất dẻo. Chỉ tính riêng năm 1996, toànthế giới đã sản xuất và tiêu thụ khoảng 150 triệu tấn chấtdẻo, bình quân đầu ng-ời ở các n-ớc công nghiệp phát triển là từ 80 đến 100 kg và tại các n-ớc đang phát triển là từ 1 đến 10 kg [1], [5]. Cùng với sự xuất hiện của một khối l-ợng lớn về các loại sản phẩm, vật dụng từ polyme là sự tồn tại một l-ợng khá lớn phế liệu, chất thải sau sử dụng, -ớc tính 20 đến 30 triệu tấn/năm (toàn thế giới). Những vật liệu này sau khi đã đ-ợc sử dụng, bị thải ra môi tr-ờng ở dạng rác, th-ờng bị chôn vùi trong đất, rất khó phân hủy. Chúng tồn tại trong đất đến vài chục năm, có loại đến hàng trăm năm rất khó phân huỷ, nếu ng-ời La Mã cổ đại biết cách sản xuất chất dẻo thì rất nhiều chất dẻo từ thời đấy sẽ còn tồn tại đến ngày nay. Chất dẻo tồn tại trong đất một mặt làm giảm độ phì nhiêu của đất một mặt gây ô nhiễm nặng nề cho nguồn n-ớc và đất.
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đồ án Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng polyme phân huỷ sinh học, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Bộ công nghiệp
Tổng công ty hoá chất Việt Nam
Viện hoá học công nghiệp
---------------------------------------
Báo cáo kết qủa
Nghiên cứu khoa học
đề tài ch−ơng trình KC-02
Đề tài KC-02-09
"Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng
polyme phân huỷ sinh học"
Chủ nhiệm đề tài:
TS. Phạm thế trinh
6604
16/10/2007
Hà Nội, tháng 5 – 2004
Bộ công nghiệp
Tổng công ty hoá chất Việt Nam
Viện hoá học công nghiệp
---------------------------------------
Báo cáo kết qủa
Nghiên cứu khoa học
đề tài ch−ơng trình KC-02 cấp nhà n−ớc
Đề tài KC-02-09
"Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng
polyme phân huỷ sinh học"
Chủ nhiệm đề tài: TS. Phạm thế trinh
Đội ngũ cán bộ thực hiện đề tài:
1. TS. Phùng Hà Vụ Cơ khí, Luyện kim và Hoá chất – Bộ Công nghiệp
2. TS. Đỗ Tr−ờng Thiện Viện Hoá học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
3. TS. Phạm Lê Dũng Viện Hoá học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
4. TS. Hoàng Minh Tâm Trung tâm chuyển giao kỹ thuật -Viện KHKT Nông nghiệp
5. TS. Nguyễn Văn Hải Viện Khoa học Kỹ thuật nông nghiệp
6. KS. Trần Quang Hân Viện Hoá học công nghiệp
7. KS. Hoàng Danh Dự Viện Hoá học công nghiệp
8. KS. Mai Văn Tiến Viện Hoá học công nghiệp
9. KS.Nguyễn Thế Hữu Viện Hoá học công nghiệp
10. KS.Nguyễn Nh− Sơn Viện Hoá học công nghiệp
11. KS.Trần Kim Liên Viện Hoá học công nghiệp
12. KS.Trần Ngọc Doanh Viện Hoá học công nghiệp
13. KS.Hà Sĩ Triệu Viện Hoá học công nghiệp
14. KS.Hoàng Ph−ơng Lan Viện Hoá học công nghiệp
15. KS.Lê Thu Hà Viện Hoá học công nghiệp
16. KS.Nguyễn Thị Đông Viện Hoá học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
17. KS.D−ơng Anh Vũ Viện Hoá học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
18. KTV.Hà Đại Phong Viện Hoá học công nghiệp.
Mục lục
Mở đầu ...............................................................................................................
Ch−ơng I: Tổng quan .......................................................................................
1.1. Nghiên cứu vật liệu polyme phân huỷ sinh học .........................................
1.1.1. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu polyme phân huỷ sinh học ..............
1.1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới .....................................
1.1.3. Tình hình nghiên cứu trong n−ớc ............................................................
1.1.4. Giới thiệu chung về polyme phân huỷ ....................................................
1.1.4.1. Khái niệm về polyme tự phân huỷ .......................................................
1.1.4.2. Khái quát các quá trình phân huỷ polyme ...........................................
1.1.4.3. Các h−ớng nghiên cứu chính tổng hợp polyme tự huỷ ........................
1.1.5. Polyme tự nhiên phân huỷ sinh học .........................................................
1.1.5.1. Polysacarit ...........................................................................................
1.1.5.2. Xenluloza ..............................................................................................
1.1.5.3. Chitin/Chitosan .....................................................................................
1.1.5.4. Polypeptit có nguồn gốc tự nhiên .........................................................
1.1.6. Polyme tổng hợp phân huỷ sinh học .......................................................
1.1.6.1. polyeste .................................................................................................
1.1.6.2. Polycaprolacton ....................................................................................
1.1.6.3. Polyuretan .............................................................................................
1.1.6.4. Polyamit ................................................................................................
1.1.6.5. Polyanhydrit .........................................................................................
1.1.6.6. Polyvinylancol ......................................................................................
1.1.7. ứng dụng của polyme phân huỷ sinh học ................................................
1.1.7.1. ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp ............................................
1.1.7.2. Bao bì, túi đựng ....................................................................................
1.1.7.3. ứng dụng trong y học ...........................................................................
1.2. Vật liệu tổ hợp trên cơ sở polyetylen tỷ trong thấp (LDPE) với tinh bột ...
1.2.1. Tinh bột ...................................................................................................
1.2.1.1. Tính chất vật lý .....................................................................................
1.2.1.2. Tính chất hoá học ................................................................................
1
3
3
3
4
5
5
5
5
9
10
10
11
12
12
13
13
13
14
14
14
15
15
15
16
16
17
17
17
18
1.2.2. Giới thiệu về polyetylene (PE) ................................................................
1.2.2.1. Cấu tạo của PE ......................................................................................
1.2.2.2. Tính chất của PE....................................................................................
1.2.2.3. ứng dụng của PE...................................................................................
1.2.3. Vật liệu tổ hợp polyme blend giữa LDPE và tinh bột .............................
1.2.3.1. Tình hình nghiên cứu ...........................................................................
1.2.3.2. Vai trò của chất trợ phân tán (CTPT) trong quá trình đùn, trộn tạo vật liệu ..
1.2.4. Sự t−ơng hợp trong hệ polyme blend LDPE/tinh bột ...............................
1.2.4.1. Sự t−ơng hợp của các polyme ...............................................................
1.2.4.2. Hình thái học trong polyme blend ........................................................
1.2.4.3. Vai trò của chất trợ t−ơng hợp (CTTH) trong công nghệ chế tạo vật
liệu tổ hợp polyme – blend LDPE/tinh bột .........................................................
1.3. Biến tính hoá học của mạch polyetylen (PE) bằng ph−ơng pháp ghép
maleic anhydrit (MA) .........................................................................................
1.3.1. Một số tác nhân sử dụng để biến tính PE ................................................
1.3.1.1. Hoạt hoá PE bằng maleic anhydrit (MA)................................................
1.3.1.2. Biến tính PE bằng este maleic ................................................................
1.3.1.3. Biến tính PE bằng metacrylat .................................................................
1.3.1.4. Biến tính PE bằng styren ........................................................................
1.3.1.5. Sử dụng hợp chất vinyl silan để biến tính PE .........................................
1.3.1.6. Sử dụng hợp chất chứa nhóm Si – H biến tính PE ..................................
1.3.2. Phản ứng copolyme ghép ..........................................................................
1.3.2.1. Phản ứng copolyme ghép của tinh bột vào PE đã đ−ơc biến tính với MA....
1.3.2.2. Cơ chế của phản ứng copolyme ghép của tinh bột với PE-MA ..............
1.3.2.3. Một số yếu tố ảnh h−ởng tới phản ứng ...................................................
1.4. Các ph−ơng pháp xác định sự phân huỷ của vật liệu polyme trong môi tr−ờng..
1.4.1. Các yếu tố ảnh h−ởng ................................................................................
1.4.2. Các ph−ơng pháp thử nghiệm xác định sự phân huỷ polyme ....................
1.4.2.1. Ph−ơng pháp “buồng môi tr−ờng” ..........................................................
1.4.2.2. Ph−ơng pháp dùng đĩa Petri – xác định định l−ợng sự ph tá triển của vi sinh vật..
1.4.2.3. Xác định sự tổn hao khối l−ợng của polyme trong các môi tr−ờng theo thời gian..
1.4.2.4. Xác định độ ổn định của vật liệu ............................................................
1.4.2.5. Phân tích cấu trúc bề mặt vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)...
19
19
20
21
21
21
24
24
24
25
27
29
29
30
32
32
33
33
33
34
35
38
39
40
40
41
41
41
44
44
44
1.4.2.6. Xác định sự thay đổi tính chất bền cơ ....................................................
1.4.2.7. Xác định hoạt tính chuyển hoá của vi sinh vật .......................................
Ch−ơng 2: Thực nghiệm – Ph−ơng pháp nghiên cứu .....................................
2.1. Thiết bị và hoá chất . ....................................................................................
2.1.1. Thiết bị sử dụng .........................................................................................
2.1.2. Nguyên liệu và hoá chất ............................................................................
2.2. Các ph−ơng pháp xác định tính chất của vật liệu .........................................
2.2.1. Xác định độ bền cơ của vật liệu ................................................................
2.2.1.1. Ph−ơng pháp đo độ bền kéo đứt .............................................................
2.2.1.2. Ph−ơng pháp đo độ bền nén của chất dẻo ..............................................
2.2.1.3. Ph−ơng pháp đo độ bền uốn của chất dẻo ..............................................
2.2.1.4. Ph−ơng pháp xác định độ bền va đập .....................................................
2.2.2. Ph−ơng pháp đo độ hấp thụ n−ớc của vật liệu ...........................................
2.2.3. Ph−ơng pháp xác định độ tổn hao khối l−ợng của màng PE – tinh bột .....
2.2.4. Ph−ơng pháp phổ hồng ngoại (IR- Infrared Raditation) ...........................
2.2.5. Ph−ơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM- Scanning Electron Microscope)
2.2.6. Ph−ơng pháp phân tích nhiệt TGA (Thermal Gravimetric Analysis) ........
2.2.7. Ph−ơng pháp nhiệt vi sai DTA (Differential Thermal Analysis) ...............
2.3. Ph−ơng pháp chế tạo vật liệu polyme phân huỷ sinh học trên cơ sở nhựa
LDPE với tinh bột, có sự tham gia của etylen – acrylic axit (EAA) và
polycaprolacton (PCL) và chất trợ t−ơng hợp (sản phẩm A) ...............................
2.3.1. Chuẩn bị nguyên liệu, hoá chất .................................................................
2.3.2. Quy trình chế tạo polyme blend ................................................................
2.3.2.1. Quy trình tổng hợp .................................................................................
2.3.2.2. Quy trình thực nghiệm chế tạo hỗn hợp polyme ....................................
2.3.3. Ph−ơng pháp chế tạo mẫu .........................................................................
2.4. Ph−ơng pháp chế tạo mẫu vật liệu polyme blend trên cơ sở nhựa LDPE với
tinh bột biến tính với polyvinylancol (PVA) (sản phẩm C) và với acetat
xenluloza (sản phẩm D) . ....................................................................................
2.4.1. Chuẩn bị nguyên liệu hoá chất ..................................................................
2.4.2. Quy trình chế tạo polyme blend ................................................................
2.4.2.1. Sơ đồ tổng hợp ........................................................................................
2.4.2.2. Quy trình thực nghiệm chế tạo hỗn hợp polyme: LDPE–tinh bột–PVA (hoặc AC)...
45
45
47
47
47
47
48
48
48
48
48
49
49
49
50
50
50
50
50
50
51
51
52
55
55
55
56
56
57
2.5. Ph−ơng pháp chế tạo vật liệu polyme trên cơ sở ghép maleic anhydrit
(MA) lên mạch PE và tổ hợp với tinh bột (sản phẩm B) .....................................
2.5.1. Chuẩn bị nguyên liệu, hoá chất .................................................................
2.5.2. Quá trình hoạt hoá mạch LDPE bằng MA, dùng peroxit làm chất khơi mào
2.5.3. Quy trình chế tạo polyme blend của PE.g-MA với tinh bột ......................
2.5.3.1. Sơ đồ chế tạo vật liệu .............................................................................
2.5.3.2. Quy trình thực nghiệm chế tạo sản phẩm PEMT ...................................
2.6. Ph−ơng pháp chế tạo vật liệu polyme bằng cách ghép PE.g-MA với tinh
bột biến tính với EAA và PCL (sản phẩm E).......................................................
2.6.1. Chuẩn bị nguyên liệu, hoá chất .................................................................
2.6.2. Quy trình chế tạo vật liệu polyme blend của LDPE.g-MA với tinh bột
biến tính EAA, PCL có mặt chất trợ t−ơng hợp ..................................................
2.6.2.1. Sơ đồ tổng hợp chế tạo vật liệu ..............................................................
2.6.2.2. Quy trình thực nghiệm chế tạo sản phẩm PE.g-MA với TB biến tính
EAA, PCL ...........................................................................................................
Ch−ơng 3: Kết quả và thảo luận ......................................................................
3.1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme tự phân huỷ .........................................
3.1.1. Polyme tự phân huỷ trên cơ sở polyme blend của polyetylen tỷ trọng
thấp (LDPE) với tinh bột, có sự tham gia của etylen – acrylic axit (EAA);
polycaprolacton (PCL) và chất trợ t−ơng hợp (sản phẩm A)................................
3.1.1.1. Đặt vấn đề ..............................................................................................
3.1.1.2. Khảo sát tính chất của LDPE ban đầu ....................................................
3.1.1.3. Nghiên cứu ảnh h−ởng của tỷ lệ LDPE/TB đến tính chất của vật liệu ...
3.1.1.4. Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ chất trợ phân tán ...........................................
3.1.1.5. ảnh h−ởng của chất trợ t−ơng hợp đến tính chất của vật liệu ................
3.1.1.6. ảnh h−ởng của hàm l−ợng EAA đến tính chất của vật liệu polyme blend ..
3.1.1.7. ảnh h−ởng của hàm l−ợng PCL đến tính chất của vật liệu polyme blend ...
3.1.1.8. Đề nghị đơn phối liệu chế tạo sản phẩm A ............................................
3.1.2. Polyme tự phân huỷ trên cơ sở polyme blend nhựa LDPE với tinh bột có
sự tham gia của polyvinylancol (PVA) và chất trợ t−ơng hợp (sản phẩm C) ......
3.1.2.1. Nghiên cứu ảnh h−ởng của tỷ lệ PVA đến tính chất của vật liệu tổ hợp
3.1.2.2. Đơn phối liệu chế tạo sản phẩm C ..........................................................
58
58
58
59
59
60
60
60
61
61
62
63
63
63
63
63
64
67
69
73
74
75
75
75
77
3.1.3. Polyme tự phân huỷ trên cơ sở polyme blend của LDPE với tinh bột có
sự tham gia của acetat xenluloza và chất trợ t−ơng hợp (sản phẩm D) ...............
3.1.3.1. ảnh h−ởng của tỷ lệ acetat xenluloza (AC) đến tính chất cơ lý của vật
liệu tổ hợp
3.1.3.2. Đơn phối liệu chế tạo sản phẩm D .........................................................
3.1.4. Polyme tự phân huỷ trên cơ sở polyme blend của tinh bột sắn và LDPE
đã hoạt hoá bằng maleic anhydrit (MA) (sản phẩm B) .......................................
3.1.4.1. ảnh h−ởng của hàm l−ợng maleic anhydrit (MA) đến tính chất sản phẩm..
3.1.4.2. ảnh h−ởng của MA tới các tính chất của vật liệu PEM ghép với tinh bột....
3.1.4.3. ảnh h−ởng của chất khơi mào đến quá trình hoạt hoá PE..............................
3.1.4.4. Khảo sát ảnh h−ởng của hàm l−ợng tinh bột trong vật liệu polyetylen
maleic anhydrit – tinh bột (PEMT) .....................................................................
3.1.5. Lựa chọn công nghệ chế tạo sản phẩm .....................................................
3.1.5.1. Nhận xét chung ......................................................................................
3.1.5.2. Lựa chọn phối liệu chế tạo sản phẩm .....................................................
3.1.5.3. Thí nghiệm ổn định công nghệ ..............................................................
3.2. Nghiên cứu sự phân huỷ do môi tr−ờng của các mẫu sản phẩm ..................
3.2.1. Độ ổn định của mẫu trong không khí tự nhiên ..........................................
3.2.2. Sự tổn thất khối l−ợng mẫu trong các môi tr−ờng......................................
3.2.3. Khảo sát ảnh h−ởng của môi tr−ờng đến độ bền cơ lý của vật liệu ...........
3.2.3.1. Độ bền kéo ..................................................... .......................................
3.2.3.2. Độ giãn dài .............................................................................................
3.2.4. Nghiên cứu cấu trúc bề mặt mẫu sản phẩm bằng ph−ơng pháp chụp ảnh SEM
3.2.5. Tác dụng của vi sinh vật đất lên sự phân huỷ vật liệu polyetylen liên kết
với tinh bột sắn ....................................................................................................
3.2.5.1. Đối t−ợng nghiên cứu .............................................................................
3.2.5.2. Ph−ơng pháp nghiên cứu .......................................................................
3.2.5.3. Kết quả ..................................................... .............................................
Ch−ơng 4: Nghiên cứu triển khai ứng dụng thực tế .......................................
4.1. ứng dụng màng polyme tự huỷ che phủ luống lạc tại Nông tr−ờng Thanh
Hà - Hoà Bình .....................................................................................................
4.2. ứng dụng màng polyme cho lạc vụ đông tại Thái Nguyên ..........................
77
77
79
79
79
82
83
85
85
85
86
86
87
88
88
90
90
91
92
97
97
98
99
102
102
103
4.3. ứng dụng màng polyme tự huỷ phủ luống cam tại Nông tr−ờng Thanh Hà
- Hoà Bình ...........................................................................................................
4.4. ứng dụng bầu −ơm câu chè tại Thái Nguyên ...............................................
4.5. ứng dụng bầu −ơm cây xoài tại Thanh Hà - Hoà Bình ...............................
Ch−ơng 5: Chế tạo sản phẩm trên dây truyền bán công nghiệp (pilot) .......
5.1. Công nghệ chế tạo sản phẩm trên thiết bị pilot ............................................
5.1.1. Chế tạo nhựa hạt tự phân huỷ ....................................................................
5.1.1.1. Thiết bị ...................................................................................................
5.1.1.2. Sơ đồ công nghệ chế tạo nhựa hạt tự huỷ ...............................................
5.1.1.3. Quy trình công nghệ chế tạo nhựa hạt ...................................................
5.1.2. Chế tạo màng mỏng tự huỷ .......................................................................
5.1.2.1. Thiết bị ...................................................................................................
5.1.2.2. Sơ đồ công nghệ chế tạo màng ống (để chế tạo màng phủ nông dụng
và bầu −ơm cây) ..................................................................................................
5.1.2.3. Quy trình công nghệ chế tạo màng mỏng ..............................................
5.2. Sản phẩm thu đ−ợc .......................................................................................
5.2.1. Nhựa hạt tự huỷ .........................................................................................
5.2.2. Màng mỏng tự phân huỷ ...........................................................................
5.3. Xây dựng giá thành sản phẩm ......................................................................
Kết luận ..............................................................................................................
Nghiên cứu chế tạo vật liệu ..............
