Blog

PBS, viết tắt của polybutylene succinate, là một loại polyester aliphatic đang thu hút sự chú ý ngày càng lớn nhờ khả năng sản xuất từ nguồn gốc sinh học, cũng như các đặc tính cân bằng, khả năng xử lý cao và khả năng phân hủy sinh học xuất sắc. Bài viết này nhằm mục đích cung cấp thông tin về cấu trúc, quá trình tổng hợp và sản xuất PBS làm cơ sở cho hiểu biết về khả năng phân hủy sinh học và các ứng dụng chính của chúng.

1. Giới thiệu polybutylene succinate

Polybutylene succinate (PBS) đã trải qua sự tăng cầu đáng kể trong những năm gần đây nhờ tính bền vững và tiềm năng phân hủy sinh học của nó. Năm 2016, sản lượng nhựa sinh học này đạt 4,2 triệu tấn và dự kiến sẽ tăng 45% đến năm 2021. PBS (poly(butylene succinate)) lần đầu tiên được áp dụng vào năm 1993 dưới dạng polyme phân hủy sinh học và vẫn được ưa chuộng rộng rãi trong ngành công nghiệp. 

Nhựa polybutylene succinate (PBS) là một loại nhựa polyme nhiệt dẻo thuộc họ polyester, được sản xuất từ nguồn gốc sinh học. PBS là một loại polyester béo có thể phân hủy sinh học với các đặc tính tương đương với polypropylene. Cụ thể, PBS có nhiều tính chất vật lý và hóa học như:

• Có độ bền kéo, độ bền nén và độ cứng cao, tương đương với một số loại nhựa tổng hợp.
• Nhiệt độ nóng chảy cao (180-190 °C), độ ổn định nhiệt tốt và khả năng chống chịu nhiệt độ cao.
• Khả năng chống chịu hóa chất tốt, không bị hòa tan trong nước, rượu và một số dung môi hữu cơ.
• Có thể được phân hủy hoàn toàn bởi vi sinh vật trong môi trường tự nhiên, không để lại dư lượng độc hại.
• Khả năng chống thấm khí tốt, giúp bảo quản thực phẩm và mỹ phẩm tốt hơn.
• Khả năng chống tia UV, giúp bảo vệ sản phẩm khỏi tác hại của ánh nắng mặt trời.
• Có khả năng chống tĩnh điện, giúp ngăn ngừa tích tụ điện trên bề mặt sản phẩm.

Giới thiệu polybutylene succinate

2. Cấu trúc của polybutylene succinate

PBS (Poly (butylene succinate)) là một loại polyme đa năng bán tinh thể với cấu trúc bán tinh thể. Do những đặc điểm này, PBS đang có nhu cầu cao trong nhiều lĩnh vực. Về tính chất vật lý, PBS có sự tương đồng với polyethylene terephthalate. PBS có khả năng kéo dài mạnh mẽ và có thể được áp dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. 

Cấu trúc hóa học của PBS chứa một nhóm este, và nhóm này sẽ phân hủy thành các polyme có trọng lượng phân tử thấp khi tiếp xúc với nước. Khi nhiệt độ tăng lên, tốc độ phân hủy của PBS cũng tăng theo.

Cấu trúc hóa học của đơn vị lặp lại trong PBS được biểu diễn bởi công thức –[O–(CH2)m–O–CO–(CH2)n–CO]N, như thể hiện trong Hình 2. Cụ thể, giá trị của m và n được xác định là 4 và 2, tương ứng. PBS có thể tồn tại dưới dạng hai hình thể tinh thể khác nhau là α và β. Cấu trúc β thường xuất hiện khi vật liệu này trải qua biến dạng. 

Tuy nhiên, PBS có tính chất mềm và không có rào cản khí, do đó thường cần phải kết hợp PBS với các vật liệu khác, chẳng hạn như chất độn, để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể của ứng dụng. PBS mang lại nhiều khả năng chế tạo, và nhiệt độ chuyển thủy tinh của nó phải thấp hơn nhiệt độ phòng để cho phép sử dụng trong nhiều phương pháp sản xuất khác nhau, bao gồm ép đùn, ép phun, và tạo hình nhiệt.

Cấu trúc của polybutylene succinate

3. Tổng hợp và sản xuất polybutylene succinate

Thường thì, PBS được sản xuất thông qua quá trình đa ngưng tụ axit succinic (SA) và 1,4-butanediol (BDO). PBS có thể được sản xuất từ cả monome có nguồn gốc từ dầu mỏ và thông qua đường lên men vi khuẩn. BioAmber Inc. đã bắt đầu thương mại hóa axit succinic dựa trên sinh học vào năm 2010, trong khi Novamont S.p.A. đã bắt đầu sản xuất 1,4-butanediol từ các nguồn tài nguyên tái tạo vào năm 2016.

Quá trình tổng hợp này thường bao gồm hai bước chính: bước đầu tiên là quá trình este hóa axit succinic và BDO để tạo ra oligome. Bước thứ hai là quá trình đa ngưng tụ các oligome này để tạo ra PBS có trọng lượng phân tử cao.

Quá trình tổng hợp thường diễn ra trong một lò phản ứng được trang bị máy khuấy cơ học, được tiêm khí trơ (thường là nitơ, để ngăn quá trình oxi hóa trong bước este hóa), và cột chưng cất. 

Lò phản ứng này được gia nhiệt lên đến 160–190 °C để khởi đầu quá trình este hóa trong quá trình khuấy động, sau đó tiếp tục trong môi trường được kiểm soát. Khi không còn nước (hoặc rượu) được chưng cất dưới áp suất bình thường, quá trình ngưng tụ tiếp tục ở nhiệt độ cao (220–240 °C).

Tổng hợp và sản xuất polybutylene succinate

4. Vật liệu tổng hợp sử dụng PBS

Vật liệu tổng hợp sử dụng PBS, còn gọi là vật liệu tổng hợp sợi tự nhiên, là loại vật liệu tổng hợp mà trong đó, sợi tự nhiên, có khả năng phân hủy sinh học, được kết hợp với ma trận polyme, có thể phân hủy sinh học hoặc không phân hủy sinh học. 

Sự phát triển của vật liệu tổng hợp sinh học cho phép cân nhắc giữa các quan tâm về mặt kinh tế và môi trường, cũng như tùy chỉnh các đặc tính của vật liệu cuối cùng. Trong danh sách các polyester béo, PBS nổi bật như một lựa chọn thay thế hứa hẹn để sản xuất vật liệu tổng hợp nhựa phân hủy sinh học hiệu suất cao và thân thiện với môi trường. Khả năng xử lý xuất sắc của PBS trong lĩnh vực dệt may và các sản phẩm đúc phun đã làm cho nó trở thành một loại polyme rất linh hoạt. 

Tuy nhiên, PBS cũng có một số hạn chế, bao gồm độ mềm quá cao, tính cản khí kém, và độ nhớt thấp không đủ cho một số ứng dụng cuối cùng, và cần phải được khắc phục. Vì lý do này, việc sử dụng vật liệu tổng hợp có ma trận PBS trở thành cần thiết để vượt qua những giới hạn của ma trận ban đầu. Các polyme dẫn điện đã thu hút sự chú ý đáng kể do tiềm năng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực như lưu trữ năng lượng, cảm biến, che chắn điện từ, chống ăn mòn, vi điện tử, điện sắc học và nhiều lĩnh vực khác. 

Đặc biệt, có thể kỳ vọng vào tiềm năng lớn của vật liệu tổng hợp sinh học kết hợp khả năng tái tạo và phân hủy sinh học để tạo ra hằng số điện môi cao và hệ số tổn thất điện môi, được sử dụng như chất cơ sở hoặc chất bán dẫn cho các ứng dụng điện tử.

Vật liệu tổng hợp sử dụng PBS

5. Khả năng phân hủy sinh học

Khả năng phân hủy sinh học của nhựa có thể làm tan thành CO2 và nước thông qua quá trình tác động của các enzym và vi sinh vật phân hủy tự nhiên sau khi bị loại bỏ. PBS và các chất đồng trùng hợp của nó cũng không thua kém trong khả năng này. Sự quan tâm đối với vấn đề môi trường ngày càng tăng đang thúc đẩy việc tìm kiếm nhiều ứng dụng rộng rãi hơn cho những loại nhựa này.

Khả năng phân hủy sinh học của các polyester bị ảnh hưởng bởi một loạt các yếu tố khác nhau, bao gồm trọng lượng phân tử, mức độ kết tinh và cấu trúc hóa học. Đặc biệt, khi xét về cấu trúc hóa học, việc có liên kết este dễ bị tấn công bởi vi khuẩn trong chuỗi chính là nguyên nhân chính gây ra sự phân hủy sinh học của các polyme này.

Sự phân hủy của PBS có thể được nghiên cứu thông qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phân hủy thủy phân, phân hủy bằng enzym và phân hủy sinh học trong các điều kiện môi trường khác nhau, ví dụ như trong bùn hoạt tính, khi chôn lấp trong đất (theo tiêu chuẩn ISO 846) và qua quá trình phân trộn. Trong tất cả các phương pháp này, mức độ phân hủy sinh học được đánh giá thông qua việc theo dõi sự mất đi trọng lượng của mẫu, xem xét sự thay đổi các tính chất cơ học, và kiểm tra cấu trúc bề mặt thông qua việc sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Khả năng phân hủy sinh học

6. Ứng dụng của polybutylene succinate

PBS là một loại polymer sinh học có nhiều ứng dụng tiềm năng. Với những ưu điểm như khả năng phân hủy sinh học, tương thích sinh học, và các tính chất cơ học tốt, sản phẩm polybutylene succinate (PBS) đang được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau.

6.1. Đóng gói

PBS được sử dụng để sản xuất bao bì thực phẩm, mỹ phẩm, và các sản phẩm y tế. PBS có thể được chế biến thành màng, túi, hoặc hộp, và có thể được sử dụng thay thế cho các loại nhựa truyền thống như polyethylene (PE) và polypropylene (PP). PBS có khả năng chống thấm nước, chống thấm khí, và chống vi khuẩn, giúp bảo vệ thực phẩm và các sản phẩm khác khỏi hư hỏng.

• Bao bì thực phẩm: PBS được sử dụng để sản xuất màng bọc thực phẩm, túi đựng thực phẩm, và hộp đựng thực phẩm. PBS có khả năng chống thấm nước, chống thấm khí, và chống vi khuẩn, giúp bảo quản thực phẩm tươi lâu hơn.
• Bao bì mỹ phẩm: PBS được sử dụng để sản xuất chai, lọ, và ống đựng mỹ phẩm. PBS có khả năng chống thấm nước, chống thấm khí, và chống tia UV, giúp bảo vệ mỹ phẩm khỏi hư hỏng.
• Bao bì y tế: PBS được sử dụng để sản xuất túi đựng thuốc, ống tiêm, và catheter. PBS có khả năng tương thích sinh học, giúp giảm thiểu nguy cơ nhiễm trùng.

6.2. Nông nghiệp

PBS được sử dụng để sản xuất màng phủ nông nghiệp, lưới đánh cá, và các sản phẩm vườn cây. PBS có khả năng chống tia UV, giúp bảo vệ cây trồng khỏi tác hại của ánh nắng mặt trời. PBS cũng có khả năng phân hủy sinh học, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

• Màng phủ nông nghiệp: PBS được sử dụng để sản xuất màng phủ nông nghiệp, giúp bảo vệ cây trồng khỏi tác hại của thời tiết và sâu bệnh.
• Lưới đánh cá: PBS được sử dụng để sản xuất lưới đánh cá, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
• Các sản phẩm vườn cây: PBS được sử dụng để sản xuất chậu cây, giá thể, và các sản phẩm vườn cây khác.

Ứng dụng của polybutylene succinate

6.3. Y tế

PBS được sử dụng để sản xuất các sản phẩm y tế, chẳng hạn như ống tiêm, catheter, và tấm đệm băng bó. PBS có khả năng tương thích sinh học, giúp giảm thiểu nguy cơ nhiễm trùng.

• Ống tiêm: PBS được sử dụng để sản xuất ống tiêm, giúp giảm thiểu nguy cơ nhiễm trùng.
• Catheter: PBS được sử dụng để sản xuất catheter, giúp đưa thuốc hoặc chất lỏng vào cơ thể.
• Tấm đệm băng bó: PBS được sử dụng để sản xuất tấm đệm băng bó, giúp bảo vệ vết thương.

6.4. Các ứng dụng khác

PBS cũng được sử dụng trong một số ứng dụng khác, chẳng hạn như sản xuất đồ chơi, đồ gia dụng, và vật liệu xây dựng.

• Đồ chơi: PBS được sử dụng để sản xuất đồ chơi, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
• Đồ gia dụng: PBS được sử dụng để sản xuất đồ gia dụng, chẳng hạn như bát đĩa, hộp đựng thực phẩm, và chai nước.
• Vật liệu xây dựng: PBS được sử dụng để sản xuất vật liệu xây dựng, chẳng hạn như tấm ốp tường và sàn nhà.