BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ
CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
---------------o0o---------------

NGUYỄN THỊ THỨC

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ VẬT LIỆU POLYME TIÊN TIẾN, THÂN
THIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO BẦU
ƯƠM CÂY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

HÀ NỘI - 2019


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..................................................................................... 3
1.1. Giới thiệu chung về bầu ươm cây....................................................................... 3
1.1.1. Túi bầu .............................................................................................................. 3
1.1.2. Ruột bầu ươm .................................................................................................... 4

2.4.7. Phân hủy oxy hóa nhiệt .................................................................................. 52
2.4.8. Phân hủy oxy hóa quang nhiệt ẩm ................................................................. 53
2.4.9. Quá trình lão hóa tự nhiên .............................................................................. 53
2.4.10. Độ ẩm đất sau khi tưới .................................................................................. 53
2.4.11. Khả năng liên kêt đất ................................................................................... 54
2.4.12. Tốc độ sa lắng của đất ................................................................................. 54
2.4.13. Xác định độ xốp đất ...................................................................................... 54
2.4.15. Khả năng bám dính của đất .......................................................................... 55
2.4.16. Xác định sức chứa ẩm cực đại của đất ......................................................... 56
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 57
3.1. Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng rPE trong tổ hợp vật liệu rPE /LDPE ....... 57
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của PPA đến tính chất của tổ hợp rPE /LDPE ........ 60
3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa đến quá trình
phân hủy giảm cấp ................................................................................................... 65
3.3.1. Quá trình phân hủy oxy hóa nhiệt của các mẫu màng ................................... 65
3.3.2. Quá trình phân hủy oxy hóa quang, nhiệt, ẩm của màng rPE- oxo ............... 72
3.3.3. Khả năng phân hủy của màng rPE – oxo trong điều kiện lão hóa tự nhiên ... 76
3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa đến quá trình
phân hủy của màng rPE - oxo trong điều kiện tự nhiên ....................................... 81
3.4.1. Phân hủy trong môi trường đất ....................................................................... 81
3.4.2. Phân hủy trong môi trường bùn hoạt tính. ..................................................... 84
3.5. Chế tạo túi bầu tự hủy từPE tái sinh và hỗn hợp phụ xúc tiến oxy hóa ........ 88

ii


3.5.1. Đơn phối liệu chế tạo túi bầu ươm tự hủy ...................................................... 88
3.5.2. Ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến đặc tính của túi bầu ........................... 89
3.5.3. Đánh giá tính chất của túi bầu ươm chế tạo ................................................... 93
3.6. Nghiên cứu ứng dụng AMS-1 và PAM đến tổ hợp vật liệu ruột bầu ............. 97


AMS-1

Polyme siêu hấp thụ nước của
Viện Hóa học

CAGR

Compounded Annual Growth rate

Tỷ lệ tăng trưởng hàng năm

CI

Carbonyl Index

Chỉ số carbonyl

CoSt2

Cobalt stearate

Cobalt stearat

DSC

Differential scanning calorimetry

Nhiệt lượng quét vi sai


Hữu cơ công nghiệp

HCCN
LDPE

Low density polyethylene

Polyetylen tỷ trọng thấp

LLDPE

Linear low density polyethylene

Polyetylen tỷ trọng thấp mạch
thẳng

MFI

Melt Flow Index

Chỉ số chảy

MnSt2

Manganese stearate

Mangan stearat

Mw



Màng chế tạo trên cơ sở
polyetylen tái sinh và phụ gia
xúc tiến oxy hóa

rPE – Oxo

SAP

Polyme siêu hấp thụ nước

Superabsorbent polymers

Sức chứa ẩm cực đại

SCACĐ
SEM

Scanning Electron Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

TGA

Thermogravimetric analysis

Phân tích nhiệt trọng lượng

UV


Bảng 3.17: Tính chất túi bầu ươm trong thời gian ươm cây keo ............................110
Bảng 3.18: Số lần tưới và phẩm chất cây keo trong công thức bầu ươm ...............111
Bảng 3.19: Kết quả chiều cao cây keo trong các lần thu thập số liệu ....................111
Bảng 3.20: Tính chất của túi bầu trong thời gian ươm cây thông ..........................112
Bảng 3.21: Số lần tưới và phẩm chất cây Thông ....................................................113
Bảng 3.22: Bảng tổng hợp kết quả chiều cao cây thông .........................................113
Bảng 3.23: Tính chất của túi bầu trong thời gian ươm cây bạch đàn .....................114

vi


Bảng 3.24: Số lần tưới và phẩm chất cây bạch đàn ................................................114
Bảng 3.25: Kết quả chiều cao cây bạch đàn ...........................................................115

vii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Cơ cấu sử dụng nhựa PE theo loại trên toàn cầu năm 2018 ......................7
Hình 1.2: Cơ cấu ngành nhựa Việt Nam theo nhóm ngành năm 2018 ......................9
Hình 1.3: Quy trình tái chế nhựa phế thải .................................................................11
Hình 1.4: PE phân hủy sinh học trên cơ sở LDPE với tinh bột ................................14
Hình 1.5: Cơ chế hoạt động của phụ gia xúc tiến oxi hóa ........................................17
Hình 1.6: Hình ảnh minh họa mạch phân tử của các loại PE ...................................18
Hình 1.7: Quá trình phân hủy của polyolefin ...........................................................18
Hình 1.8: Cơ chế phân huỷ quang hoá PE ................................................................20
Hình 1.9: Phân huỷ oxy hoá theo cơ chế Norrish ...................................................20
Hình 1.10: Quá trình phân hủy của PE xúc tác bởi kim loại chuyển tiếp ................21
Hình 1.11: Cơ chế phân hủy của PE sau phân hủy giảm cấp ...................................23
Hình 1.12: Cơ chế hấp thụ nước của SAP ................................................................28

Hình 3.11: Cơ chế phân hủy của hydroperoxit ........................................................69
Hình 3.12: Phản ứng Norrish I và Norrish II và hình thành este ..............................69
Hình 3.13: Chỉ số CI của các mẫu PE tự hủy sau 90 giờ oxy hóa nhiệt ...................70
Hình 3.14: Ảnh SEM bề mặt phẳng của PE3A2Ox0bđ, PE3A2Ox0, PE3A2Ox02 và
PE3A2Ox08 sau 90h oxy hóa nhiệt ...........................................................................71
Hình 3.15: Độ bền kéo đứt các mẫu sau 30 ngày oxy hóa quang nhiệt ẩm ..............72
Hình 3.16: Độ dãn dài khi đứt của mẫu sau oxy hóa quang nhiệt ẩm ......................73
Hình 3.17: FTIR của PE3A2Ox0 bđ, PE3A2Ox0 sau oxy hóa quang nhiệt ẩm ............... 74
Hình 3.18: FTIR của PE3A2Ox02, PE3A2Ox04 sau oxy hóa quang nhiệt ẩm ................ 74
Hình 3.19: FTIR của PE3A2Ox06 và PE3A2Ox08 sau oxy hóa quang nhiệt ẩm ........... 75
Hình 3.20: Ảnh SEM bề mặt phẳng của PE3A2Ox0 bđ, PE3A2Ox0, PE3A2Ox04 và
PE3A2Ox08 sau oxy hóa quang, nhiệt, ẩm ...............................................................76
Hình 3.21: Sự thay đổi độ bền kéo đứt trong quá trình lão hóa tự nhiên .................77
Hình 3.22: Độ dãn dài khi đứt của màng sau khi lão hóa tự nhiên ...........................78
Hình 3.23: Phổ FTIR của các mẫu màng sau khi lão hóa tự nhiên ..........................79
Hình 3.24: Sự thay đổi chỉ số carbonyl theo thời gian phơi mẫu .............................80
Hình 3.25: Ảnh SEM của mẫu màng trước và sau lão hóa tự nhiên. .......................80
Hình 3.26: Phổ IR của mẫu PE3A2Ox08 sau 5 tháng chôn trong đất ......................83
Hình 3.27: Ảnh SEM của PE3A2Ox02 và PE3A2Ox08 sau 6 tháng chôn đất ................. 84
Hình 3.28: Ảnh mẫu PE08 theo thời gian ngâm trong bùn hoạt tính .......................85
Hình 3.29: FTIR của PE3A2Ox08 sau 4 tháng ngâm trong bùn hoạt tính................86
Hình 3.30: SEM bề mặt của mẫu PE3A2Ox02 và PE3A2Ox08 sau 4 tháng ngâm

ix


trong bùn hoạt tính ....................................................................................................87
Hình 3.31: Ảnh SEM của các mẫu ở các nhiệt độ gia công khác nhau ....................91
Hình 3.32: Sơ đồ quá trình chế tạo túi bầu ươm . .....................................................92
Hình 3.33: Tính chất cơ lý của mẫu túi bầu TH6, TH9, TH12 và TH15 .................93

Ở Việt Nam, nhu cầu sản xuất cây giống trong bầu ươm cho cây ăn quả, cây
nông lâm nghiệp ngày càng tăng, hầu hết các loại cây giống đều được trồng trong
bầu. Bầu ươm là môi trường trồng cây và chứa nguồn dinh dưỡng cẩn thiết để cung
cấp cho cây trồng ở giai đoạn sinh trưởng và phát triển đầu tiên. Thành phần và đặc
tính của bầu ươm đóng vai trò quyết định đến số lượng, chất lượng cây giống và
thời gian cây lưu bầu.
Túi bầu ươm cây tự hủy chế tạo trên cơ sở polyetylen tái sinh và phụ gia xúc
tiến oxy hóa là một hướng nghiên cứu mới góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi
trường. Đồng thời việc sử dụng túi bầu ươm này đem lại ý nghĩa về mặt kinh tế cao,
tiết kiệm được công xé bầu.
Ngoài ra, nghiên cứu sử dụng một số vật liệu tiên tiến, thâm thiện với môi
trường như: polyme siêu hấp thụ nước và polyme liên kết đất trong chế tạo ruột bầu
cũng là một hướng đi mới nhằm cải thiện khả năng giữ nước, tăng lượng ẩm sẵn có
ở vùng rễ, giữ chất dinh dưỡng, ngăn quá trình rửa trôi chất dinh dưỡng trong đất và
liên kết các hạt đất, giúp không làm vỡ bầu ươm khi vận chuyển đến nơi gieo trồng,
cây trồng phát triển tốt, giảm số lần tưới, tiết kiệm được công lao động và nâng cao
chất lượng cây giống.
Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, luận án tập trung vào “Nghiên cứu một số vật
liệu polyme tiên tiến, thân thiện môi trường và ứng dụng trong chế tạo bầu ươm
cây” với mục tiêu và nội dung nghiên cứu cụ thể như sau:

1


* Mục tiêu của luận án:
- Nghiên cứu khả năng phân hủy của màng chế tạo trên cơ sở polyetylen tái
sinh và phụ gia xúc tiến oxy hóa từ đó chế tạo được túi bầu ươm có thời gian tự hủy
khác nhau.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hai loại vật liệu polyme siêu hấp thụ nước và
polyacrylamit đến tính chất của tổ hợp vật liệu chế tạo ruột bầu.

[2].
Một số yêu cầu chung đối với túi bầu trong sản xuất cây giống như sau [3]:
- Túi bầu không gây cản trở sự trao đổi nước và không khí với môi trường
xung quanh.
- Không làm độc hại và mang sâu bệnh cho cây con.
- Khi bứng và vận chuyển cây con không gây vỡ bầu.
- Sau khi trồng túi bầu có khả năng tự hủy tốt trong đất.
- Nguyên liệu chế tạo túi bầu rẻ tiền, tiện lợi và giúp cây giống trong bầu
sinh trưởng phát triển tốt.
Túi bầu ươm cây có nhiều cỡ khác nhau, được sử dụng tùy thuộc tốc độ sinh
trưởng của loài cây, thời gian nuôi cây ở vườn ươm.
Túi bầu ươm cây thường được sử dụng hiện nay bao gồm: Bầu không có túi,
bầu độc lập có vỏ cứng, bầu độc lập có túi mềm (polyetylen hoặc sợi xốp).
Gần đây, một vài cơ sở ở Quảng Ninh đã sử dụng loại bầu vỏ cứng trong
3


khay bằng chất dẻo tổng hợp nhập từ Trung Quốc để sản xuất giống hoa, rau quả.
Loại này đã được thử nghiệm ươm cây giống lâm nghiệp, song rất hạn chế vì giá
cao và không thuận tiện khi vận chuyển lên đồi cao để trồng rừng [4]. Ở Trung Bộ,
Nam Bộ và Tây Nguyên đang sử dụng loại bầu khay cứng bằng các tấm xốp có độ
chặt cao được đúc thành khối với nhiều hốc hình nón cụt. Hỗn hợp ruột bầu được
nạp đầy vào các hốc và nén bằng máy. Khay bầu được sử dụng gieo ươm cây giống
rau quả. Loại túi bầu cứng độc lập từ chất dẻo tổng hợp với đường kính lớn cũng đã
được đóng bầu bằng máy để ươm trồng hoa và rau quả. Loại bầu khay này chưa áp
dụng được cho cây giống vì khó vận chuyển lên đồi cao và dốc, dễ đổ vỡ bầu.
Trong lâm nghiệp, hiện sử dụng loại túi bầu mềm độc lập từ màng PE khó
phân hủy được làm thành dạng túi [5]. Loại túi bầu này rất dễ sản xuất tại các
xưởng chế biến nhựa bao bì quy mô nhỏ. Đây là loại túi bầu hiện nay đang được sử
dụng rất phổ biến ở nhiều cơ sở sản xuất cây con trong cả nước bởi vì tính ưu việt

Trong đó đất mặt là nguyên liệu chủ yếu để chế tạo ruột bầu ươm hiện nay.
Ngày nay, công nghệ sản xuất bầu ươm cây đã đạt đến trình độ cao. Những
yêu cầu của ruột bầu giâm hạt và giâm cành như sau:
- Ruột bầu ươm phải có tính chất cơ lý đủ chắc, đặc để cành giâm và hạt phát
triển, thể tích không được giảm đi nhiều sau khi làm khô vì sẽ không thích hợp
cho cây.
- Dễ dàng thấm nước, có khả năng giữ ẩm tốt.
- Hàm lượng tổng muối vô cơ hòa tan không quá cao (không mặn).
- Không chứa tác nhân gây hại cây (cỏ dại, tuyến trùng, vi sinh vật có hại).
- Phải có khả năng cung cấp đủ dinh dưỡng cần thiết cho cây.
Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp và Hợp tác quốc tế của Pháp [10] khẳng
định: Thành công trong một vườn ươm cây phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn
môi trường ra rễ. Do đó, ruột bầu ươm cần thoả mãn các yêu cầu sau đây: (i) Tính
chất vật lý và hoá học phải phù hợp với yêu cầu của từng loài cây trồng; (ii) Khối
lượng và thể tích của bầu vừa phải giúp thao tác và vận chuyển dễ dàng mà vẫn đảm
bảo cây phát triển tốt; (iii) Không có tuyến trùng và các tác nhân gây bệnh rễ khác;
(iv) Nguồn nguyên liệu ổn định; (v) Giá cả nguyên liệu và thành phẩm hợp lý. Tính
chất vật lý: Có 2 chỉ tiêu thiết yếu liên quan tới tính chất vật lý của bầu ươm là độ
xốp và khả năng giữ nước (sức chứa ẩm).
Nguyên tắc chế tạo ruột bầu ươm là phải đảm bảo đủ lượng dinh dưỡng cho

5


cây trong suốt thời kỳ vườn ươm. Tuy nhiên, với một số loài cây trồng có thờỉ gian
lưu trong vườn ươm dài thì phải bổ sung dinh dưỡng (bón thúc). Môi trường pH của
ruột bầu ươm phải phù hợp với yêu cầu của cây, pH gần trung tính hay hơi chua là
thích hợp. Đất có pH thấp có thể được trung hoà bằng vôi hoặc đôlômit, đất có pH
cao có thể rửa bằng nước hoặc axit hoá nhờ bón phân sinh lý chua như amoni
sunphat.

Ở Trung và Nam Mỹ dự kiến sẽ là thị trường nhựa phát triển nhanh nhất
trong khu vực, với tốc độ tăng trưởng hàng năm (CAGR) ước tính là 6,3% từ 2014
đến 2020.
Nhu cầu nhựa ở Bắc Mỹ dự kiến sẽ tăng với tốc độ tăng trưởng hàng năm
CAGR ước tính là 4,3% từ 2014 đến 2020 [13].
Năm 2018, Theo công ty IHS Markit, nhu cầu toàn cầu về PE, loại nhựa
được sử dụng nhiều nhất trên thế giới, đã tăng gần gấp đôi trong suốt 20 năm qua.
Nhu cầu PE toàn cầu năm 2018 đã vượt quá 100 triệu tấn (MMT) [14].

Hình 1.1: Cơ cấu sử dụng nhựa PE theo loại trên toàn cầu năm 2018 [14]
Phế thải, rác thải từ nhựa là mối đe dọa nguy hiểm và là thách thức toàn cầu
đối với toàn bộ hệ sinh thái. Theo thống kê của Ủy ban Châu Âu (EC), ước tính
khoảng 8,3 tỷ tấn sản phẩm nhựa đã sản xuất cho đến năm 2018. Khoảng 6,3 tỷ tấn
nhựa trở thành rác thải; và khoảng 5 tỷ tấn tích lũy ngoài môi trường hoặc được
7


chôn lấp. Hàng năm, tổng cộng khoảng 4,8 - 12,7 triệu tấn chất thải nhựa xả vào đại
dương. Hơn 1 nửa trong số này là rác thải nhựa từ các nước Đông Á, trong đó có Việt
Nam [15].
Theo báo cáo của Tổ chức Bảo tồn Thiên nhiên Quốc tế (IUCN), mỗi năm có
khoảng 8 triệu tấn rác thải nhựa đổ ra biển gây ra những tác động tiêu cực đến hệ
sinh thái tự nhiên.
Nhiều khu vực, quốc gia trên thế giới đã có những biện pháp và chính sách
nhằm hạn chế nhu cầu tiêu dùng, sử dụng sản phẩm vật liệu từ nhựa. Tại Đức, luật
về bao bì sẽ có hiệu lực từ năm 2019, theo đó Chính phủ đã đặt một tham vọng rất
lớn về việc tái chế phế thải nhựa và bao bì nhựa, với mục tiêu tái chế tăng từ 36%
như hiện nay lên đến hơn 60% cho đến năm 2022, đặc biệt khuyến khích sử dụng
bao bì có khả năng tái sử dụng trong ngành đồ uống là 70%. Các doanh nghiệp sản
xuất sản phẩm nhựa và bao bì nhựa có thể bị phạt đến 50,000 EUR nếu vi phạm quy


18%

nhựa kĩ thuật

Hình 1.2: Cơ cấu ngành nhựa Việt Nam theo nhóm ngành năm 2018 [17]
Như vậy, Việt Nam hiện đang gia tăng với tốc độ nhanh chóng, đặc biệt là
chi tiêu cho những sản phẩm thiết yếu hằng ngày như điện thoại di động, máy tính,
thực phẩm và đồ uống, quần áo, xe hơi và thậm chí cả các thiết bị y tế phục vụ nhu
cầu cá nhân. Những lợi ích to lớn mà vật liệu nhựa mang lại cho thế giới nói chung
và Việt Nam nói riêng là không thể phủ nhận. Tuy nhiên đi đôi với những lợi ích
này thì rác thải nhựa sau sử dụng lại trở thành vấn đề môi trường hết sức trầm trọng,
theo thông tin mới nhất của trung tâm Hỗ trợ phát triển Xanh (GreenHub), năm
2017, Việt Nam là một trong 5 nước có lượng rác thải nhựa ra biển lớn nhất trên thế
giới với khoảng 1,8 triệu tấn mỗi năm. Rác thải nhựa được coi là kẻ thù của môi
trường vì chúng có thời gian phân hủy rất chậm. Rác thải nhựa được coi là nguồn
nguy cơ gây ra các loại bệnh tật nguy hiểm. Rác thải nhựa ít được thu gom và tái
chế mà vẫn phải đưa đi chôn lấp tại các bãi rác, gây ô nhiễm môi trường. Rác thải từ
nhựa là nguyên nhân gây ra các vấn đề như làm tắc các đường ống dẫn nước. Xuất
phát từ thực tế trên, các cơ quan quản lý Nhà nước ở trung ương và địa phương, các
cộng đồng cũng đã quan tâm tới vấn đề chất thải túi nhựa với các chiến dịch truyền
thông “Nói không với túi nhựa”, “Ngày không túi nhựa”…. Tuy nhiên, các hoạt
động này mới dừng lại ở việc “thí điểm”, hết mỗi đợt phát động, người tiêu dùng lại
quay về với túi nhựa thông thường. Hiện nay, trong chương trình vận động của sở
tài nguyên và môi trường, nhiều cơ quan, siêu thị, chợ lớn đã bắt đầu ngừng phát túi
nhựa cho khách hàng.

9