Nhựa sinh học có khả năng tái chế vượt trội hơn so với các loại nhựa gốc nhiên liệu hóa thạch

Kể từ khi nhựa gốc dầu mỏ xuất hiện trên thị trường sản xuất, chi phí, tính bền vững và hiệu suất đã định hình cuộc chiến giữa gỗ và nhựa. Trong nhiều ứng dụng, nhựa có xu hướng chiếm ưu thế về hiệu quả chi phí và độ bền, trong khi gỗ vẫn giữ lợi thế rõ ràng về tính bền vững.
 
Các tấm làm từ loại nhựa này đã được thử nghiệm khả năng chịu đựng thời tiết trong một bến cảng trong 90 ngày để đánh giá tác động của nước, bức xạ tia cực tím, nhiệt độ và độ ẩm - Ảnh: Juha Heiskanen / Đại học Oulu
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Oulu, Phần Lan, có thể đang làm thay đổi cán cân theo hướng có lợi cho gỗ, ít nhất là trong một số ứng dụng nhất định. Các nhà nghiên cứu đã phát minh ra các chất thay thế có nguồn gốc từ gỗ cho 2 loại nhựa được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp: polyester và epoxy.
Vật liệu composite hiệu suất cao là không thể thiếu trong các ngành công nghiệp hàng hải, năng lượng tái tạo, thể thao, vận tải và xây dựng mà ở đó độ bền và hiệu suất của vật liệu là rất quan trọng. Nhựa polyester có mặt ở khắp mọi nơi, tạo thành ma trận trong các vật liệu composite sợi thủy tinh được sử dụng trong mọi thứ, từ thân tàu và tấm thân xe ô tô đến tấm lợp mái và thiết bị vệ sinh. Trong khi đó, nhựa epoxy đóng vai trò là chất kết dính cấu trúc và lớp phủ bảo vệ, đồng thời là ma trận chính trong các thành phần sợi carbon cho cánh quạt tuabin gió, cấu trúc máy bay, dụng cụ thể thao cao cấp và cốt thép trong kỹ thuật dân dụng.
Tuy nhiên, các vật liệu này đi kèm với những thách thức đáng kể về tính bền vững. Cả nhựa polyester và epoxy đều chủ yếu có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch, khiến chúng tiêu tốn nhiều năng lượng và thải ra nhiều khí CO2 trong quá trình sản xuất. Các vật liệu composite mà chúng tạo thành cũng nổi tiếng là khó tái chế. Nhựa đã đóng rắn tạo thành các mạng lưới liên kết chéo chặt chẽ mà không thể đơn giản là nấu chảy. Thêm vào đó, việc tách chúng khỏi các sợi thủy tinh hoặc sợi carbon được nhúng bên trong cũng cực khó. Việc tái chế vẫn có khả năng nhưng thường liên quan đến các quy trình chuyên biệt, tốn kém mà chỉ một số cơ sở có thể xử lý ở quy mô lớn.
Trong nỗ lực giải quyết vấn đề nan giải giữa hiệu suất và tính bền vững, các nhà nghiên cứu đã phát triển các loại nhựa sinh học không chỉ giải quyết các vấn đề bền vững mà còn mang lại hiệu suất cao.
Nhựa epoxy thông thường, được sử dụng rộng rãi trong các vật liệu composite hiệu suất cao, được làm từ diglycidyl ether của bisphenol A (DGEBA), một loại nhựa có nguồn gốc từ dầu mỏ. Trong các vật liệu mới, các nhà nghiên cứu thay thế khung xương gốc hóa thạch này bằng các diepoxide có nguồn gốc từ furfural được sản xuất từ ​​chất thải nông nghiệp và gỗ, từ đó tạo ra một hệ thống epoxy có nguồn gốc thực vật có thể được đóng rắn. Các nhà nghiên cứu đã sản xuất khối cấu tạo thiết yếu, furfural, từ sinh khối lignocellulose.
Kết quả là các loại nhựa không chỉ bền vững mà còn vượt trội hơn so với các loại nhựa có nguồn gốc hóa thạch. Trong quá trình thử nghiệm, các vật liệu composite gia cường bằng sợi thủy tinh với một biến thể của nhựa có nguồn gốc thực vật đã thể hiện độ bền được cải thiện và độ bền kéo, độ bền uốn cao hơn đáng kể so với nhựa DGEBA. Kết quả này là một thắng lợi lớn cho các giải pháp composite thay thế bền vững.
“Nhựa polyester có nguồn gốc sinh khối mà chúng tôi đã phát triển đạt độ bền kéo cao hơn tới 76% so với nhựa polyester thương mại có nguồn gốc hóa thạch,” nghiên cứu sinh tiến sĩ Mikko Salonen cho biết.
Được sản xuất từ ​​các phụ phẩm nông nghiệp và lâm nghiệp bền vững như mùn cưa và rơm, các loại nhựa này giải quyết một phần đáng kể thách thức về tính bền vững. Nhưng đó chưa phải là tất cả về khía cạnh bền vững. Do cấu trúc hóa học có thể phân hủy của nhựa epoxy gốc furfural, vật liệu composite có thể được phân hủy hóa học và các thành phần được chiết xuất làm nguyên liệu thô.
Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu tạo ra loại nhựa sinh học hiệu suất cao có thể được tái chế hóa học, tạo ra một hệ thống sản xuất tuần hoàn khép kín cho vật liệu composite. Trên thị trường có thể đã có các loại epoxy sinh học khác nhưng đây là sự kết hợp đầu tiên được báo cáo đạt được hiệu suất cơ học cao và khả năng tái chế hóa học trong các vật liệu composite.
Một lợi ích đáng kể khác của nhựa furan sinh khối là tiềm năng thương mại của chúng. Quy trình sản xuất các vật liệu mới này tương thích với các dây chuyền sản xuất hóa chất hiện có, loại bỏ nhu cầu phải cải tạo nhà máy để áp dụng công nghệ mới.
Thành viên nhóm nghiên cứu Juha Heiskanen cho biết: “Nhựa sinh học sẽ không có sự khác biệt đáng kể về giá so với nhựa hóa thạch. Sau khi các hóa chất nền sinh học được sản xuất, chúng có thể được xử lý bằng các dây chuyền sản xuất hiện có của ngành công nghiệp hóa chất”.
Bằng cách tận dụng các sản phẩm phụ của một ngành công nghiệp hiện có, nghiên cứu này cũng mở ra cánh cửa cho các chuỗi giá trị mới trong nền kinh tế sinh học. Theo thông cáo báo chí, việc sử dụng vật liệu sinh học cũng có tầm quan trọng chiến lược đối với châu Âu, nơi chỉ chiếm chưa đến 2% tổng lượng vật liệu sinh học toàn cầu.

 

Tác giả: LH, Đại học Oulu