Chuyển hóa các phụ phẩm nông nghiệp bền vững thành cellulose vi tinh thể (MCC) để sản xuất nhựa phân hủy sinh học trên nền PLA, ứng dụng trong lĩnh vực hóa dầu
Tóm tắt
Cellulose vi tinh thể (Microcrystalline Cellulose – MCC) được chiết xuất từ các nguồn phụ phẩm nông nghiệp gồm thân cây sắn, thân chuối, lá dứa và bã cà phê thông qua quy trình thủy phân axit đã được tối ưu hóa. Các phân tích toàn diện về cấu trúc, hình thái và tính chất nhiệt cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các nguồn nguyên liệu, trong đó MCC thu được từ thân cây sắn được xác định là nguồn khả thi và bền vững nhất nhờ độ kết tinh cao, kích thước hạt đồng đều, độ ổn định trong quá trình gia công, nguồn cung sẵn có và tiềm năng cung ứng quy mô lớn. MCC này được phối trộn vào nền tinh bột nhiệt dẻo (Thermoplastic Starch – TPS) và poly(lactic acid) (PLA) để chế tạo các vật liệu composite phân hủy sinh học hoàn toàn. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD) xác nhận sự bảo toàn của các miền MCC có cấu trúc tinh thể; ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy MCC được phân tán đồng đều trong pha TPS; trong khi các phân tích nhiệt trọng lượng và nhiệt vi sai (TGA/DTA) chứng minh sự cải thiện đáng kể về độ bền nhiệt của vật liệu. Các thử nghiệm cơ học cho thấy tỷ lệ phối trộn tối ưu PLA:MCC:TPS = 70:4,5:25,5 (với hàm lượng MCC chiếm 15% so với (MCC/TPS)) mang lại sự cân bằng tốt nhất giữa độ bền kéo, mô đun đàn hồi và khả năng phân hủy sinh học. Các composite này thể hiện độ bền cơ học phù hợp cho các ứng dụng bao bì bền vững và vật liệu dùng trong dịch vụ thực phẩm, đồng thời vẫn đảm bảo khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn.Nhìn chung, kết quả nghiên cứu làm nổi bật thân cây sắn như một nguồn MCC bền vững, sẵn có tại địa phương, đồng thời chứng minh rằng các composite PLA/(MCC/TPS) có tiềm năng thay thế nhựa có nguồn gốc hóa dầu trong một số lĩnh vực ứng dụng cụ thể, qua đó đóng góp tích cực vào chiến lược chuyển dịch năng lượng toàn cầu và mục tiêu giảm phát thải CO₂.
Các tài liệu tham khảo
Naved Azum, Mohammad Jawaid, Lau, Kia Kian, Anish Khan, and Maha Moteb Alotaibi, “Extraction of microcrystalline cellulose from Washingtonia fibre and its characterization”, Polymers, Volume 13, Issue 18, 2021. DOI: 10.3390/polym13183030.
C. Uma Maheswari, K. Obi Reddy, E. Muzenda, B. Guduri, and A. Varada Rajulu, “Extraction and characterization of cellulose microfibrils from agricultural residue - Cocos nucifera L”, Biomass and Bioenergy, Volume 46, pp. 555 - 563, 2012. DOI: 10.1016/j.biombioe.2012.06.039.
P. Nehra and R.P. Chauhan, “Facile synthesis of nanocellulose from wheat straw as an agricultural waste”, Iranian Polymer Journal, Volume 31, Issue 6, pp. 771 - 778, 2022. DOI:10.1007/s13726-022-01040-0.
Mohd Yussni Hashim, Azriszul Mohd Amin, Omar Mohd Faizan Marwah, Mohd Hilmi Othman, Mohd Radzi Mohamed Yunus, and Ng Chuan Huat, “The effect of alkali treatment under various conditions on physical properties of kenaf fiber”, Journal of Physics: Conference Series, Volume 914, 2017. DOI: 10.1088/1742-6596/914/1/012030.
Selwin Maria Sekar, Rajini Nagarajan, Ponsuriyaprakash Selvakumar, Nadir Ayrilmis, Kumar Krishnan, Faruq Mohammad, Hamad A. Al-Lohedan, and Sikiru O. Ismail, "3D-printed green biocomposites from poly(lactic acid) and pine wood-derived microcrystalline cellulose: Characterization and properties", BioResources, Volume 20, Issue 4, pp. 8473 - 8492, 2025. DOI: 10.15376/biores.20.4.8473-8492.
M.K. Mohamad Haafiz, Azman Hassan, Zainoha Zakaria, I.M. Inuwa, M.S. Islam, M. Jawaid, “Properties of polylactic acid composites reinforced with oil palm biomass microcrystalline cellulose”, Carbohydrate Polymers, Volume 98, Issue 1, 15, pp. 139 - 145, 2013.
Nanang Triyono, Fatma Sari, Ika Kurniaty, Ratri Ariatmi Nugrahani, Tri Yuni Hendrawati, and Susanty, “Characterization of microcrystalline cellulose from cassava stems through acid hydrolysis process using H2SO4 with variation concentration”, International Conference on Engineering, Construction, Renewable Energy, and Advanced Materials, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta, 30 April 2024.
Jie Chen, Xia Wang, Zhu Long, Shuangfei Wang, Jingxian Zhang, and Lei Wang, “Preparation and performance of thermoplastic starch and microcrystalline cellulose for packaging composites: Extrusion and hot pressing”, International Journal of Biological Macromolecules, Volume 165, pp. 2295 - 2302, 2020. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2020.10.117.
Daniele Rigotti, Luca Fambri, Alessandro Pegoretti, “Bio composites for fused filament fabrication: effects of maleic anhydride grafting on poly(lactic acid) and microcellulose”, Progress in Additive Manufacturing, Volume 7, pp. 765 - 783, 2022. DOI: 10.1007/s40964-022-00264-z.
Nehemiah Mengistu Zeleke, Devendra Kumar Sinha, and Getinet Asrat Mengesha, “Chemical composition and extraction of micro crystalline cellulose from outer skin isolated coffee husk”, Advances in Materials Science and Engineering, 2022. DOI: 10.1155/2022/7163359.
Wei Sing Yong, Yee Lee Yeu, Ping Ping Chung, and Kok Heng Soon, “Extraction and characterization of microcrystalline cellulose (MCC) from durian rind for biocomposite application”, Journal of Polymers and the Environment, Volume 32, pp. 6544 - 6575, 2024. DOI: 10.1007/s10924-024-03401-7.
Yanlan Liu, Jingfeng Ran, Ziyang Xu, Hao Cheng, Benping Lin, Tianran Deng, and Cuiping Yi, “Preparation and characterization of microcrystalline cellulose from rice bran”, Journal of the Science of Food and Agriculture, Volume 105, Issue1, pp. 218 - 226, 2025. DOI: 10.1002/jsfa.13820.
Xutong Wang, Xiaoqiang Cui, Yuechi Che, Shengquan Zhou, Zeng Dan, Beibei Yan, Guanyi Chen, and Ting Wang, “Gasification of Tibetan herb residue: Thermogravimetric analysis and experimental study”, Biomass and Bioenergy, Volume 146, 2021. DOI: 10.1016/j.biombioe.2020.105952.
Raquel S. Reis, Lucas G.P. Tienne, Diego de H.S. Souza, Maria de Fátima V. Marques, and Sergio N. Monteiro, “Characterization of coffee parchment and innovative steam explosion treatment to obtain micro - brillated cellulose as potential composite reinforcement”, Journal of Materials Research and Technology, Volume 9, Issue 4, pp. 9412 - 9421, 2020. DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.05.099.
Putri Nawangsari, Warman Fatra, Aryandi Kusuma, Muftil Badri, Dedi Rosa P.C, and Dedy Masnur, “Microcellulose from pineapple leaf Fiber as a potential sustainable material: Extraction and characterization”, Journal Polimesin, Volume 22, Issue 1, 2024.
Sataporn Malarat, Dilawin Khongpun, Kanokkorn Limtong, Napasin Sinthuwong, Pornpinun Soontornapaluk, Chularat Sakdaronnarong, and Pattaraporn Posoknistakul, “Preparation of nanocellulose from coffee pulp and its potential as a polymer reinforcement”, ACS Omega, Volume 8, Issue 28, pp. 25122 - 25133, 2023. DOI: 10.1021/acsomega.3c02016.
Djalal Trache, André Donnot, Kamel Khimeche, Riad Benelmir, and Nicolas Brosse, “Physico-chemical properties and thermal stability of microcrystalline cellulose isolated from alfa fibres”, Carbohydrate Polymers, Volume 104, pp. 223 - 230. 2014. DOI: 10.1016/j.carbpol.2014.01.058.
1. Tác giả giao bản quyền bài viết (tác phẩm) cho Tạp chí Dầu khí, bao gồm quyền xuất bản, tái bản, bán và phân phối toàn bộ hoặc một phần tác phẩm trong các ấn bản điện tử và in của Tạp chí Dầu khí.
2. Bằng cách chuyển nhượng bản quyền này cho Tạp chí Dầu khí, việc sao chép, đăng hoặc sử dụng một phần hay toàn bộ tác phẩm nào của Tạp chí Dầu khí trên bất kỳ phương tiện nào phải trích dẫn đầy đủ, phù hợp về hình thức và nội dung như sau: tiêu đề của bài viết, tên tác giả, tên tạp chí, tập, số, năm, chủ sở hữu bản quyền theo quy định, số DOI. Liên kết đến bài viết cuối cùng được công bố trên trang web của Tạp chí Dầu khí được khuyến khích.
