Vật liệu: Polyethylene Furanoate – ngôi sao mới làng vật liệu bao bì

Những năm gần đây, bioplastic hay nhựa có nguồn gốc sinh vật là trọng điểm của các chiến lược phát triển bền vững với môi trường. Chúng thúc đẩy sự cân bằng giữa ảnh hưởng tốt và xấu của nhựa. Trong đó, có một loại nhựa đã và đang ngày càng nhận được quan tâm: PEF – Polyethylene Furanoate.

Polymer mới này có tiềm năng rất lớn thay thế các loại nhựa từ dầu mỏ. Nguyên vật liệu của nó hoàn toàn có thể tái tạo, không độc và tái chế với tính chất không khác gì nhựa nguyên sinh. Đương nhiên, vẫn còn những chỗ cần cải thiện để có thể sản xuất được PEF hiệu quả ở quy mô công nghiệp.

Trong bai viết này, hãy cùng khám phá loại polymer mới này. Và tìm hiểu lý do vì sao PEF được cho là tương lai của ngành công nghiệp bao bì nhựa.

Polyethylene Furanoate

Polyethylene Furanoate – PEF là một loại polymer có thể tái chế 100% làm từ đường chiết xuất nguồn gốc thực vật.

Cấu trúc phân tử Polyethylene Furanoate

PEF được cho là thế hệ polyester tiếp theo với tiềm năng thay thế polyester chiết xuất từ các nguồn tổng hợp thông thường.

PEF có nhiều ưu điểm nổi bật so với PET như:

  • Tính năng cơ lý và khả năng chống thấm vượt trội.
  • Nhiệt độ chuyển thủy tinh cao và nhiệt độ nóng chảy thấp.
  • Có thể tái chế 100%.
  • Giá cả cạnh tranh ở quy mô công nghiệp.

Bên cạnh đó, PEF cũng rất thân thiện với môi trường khi được sản xuất từ FDCA và monoethylene glycol đều có thể tạo ra với nguyên liệu từ thực vật.

PEF là sản phẩm khi polymer hóa furandicarboxylic acid (FDCA) cùng ethylen glycol. Quá trình sản xuất của nó cũng như PET, chỉ thay thế Terephthalic acid với 2,5-furan-dicarboxylic acid (FDCA).

Furanics

5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), 2,5-Furandicarboxylic acid (FDCA) và 2,5-dimethylfuran (2,5-DMF) là đại diện chính cho họ furanics. Các Furan này được gọi với tên “Người khổng lồ say ngủ” vì tiềm năng to lớn của nó.

Đường C6 (Carbonhydrates) là nguyên liệu sản xuất Furanics rất tốt. Cả HMF và FDCA đều đã được kiểm nghiệm có tiềm năng làm nguyên liệu sản xuất PEF tuyệt vời.

FDCA (C6H6O3) là đơn vị cơ bản của nhựa cây và các loại polymer. Nó có thể sử dụng để sản xuất ra các vật liệu như:

  • Polyesters
  • Plyamides
  • Copolymers
  • Dung môi
  • Chất hóa dẻo và chất phủ

Nó được tạo ra khi khử nước và oxi hóa hexose (C6H12O6). Nó cũng có thể tạo ra khi chuyển hóa HMF. FDCA có tiềm năng hoàn toàn thay thế terephthalic acid (PTA). Hiện nay, PTA được sử dụng để tạo nhiều loại nhựa như polyethylene terephthalate (PET) hay polybutylene terephthalate (PBT).

Phương thức sản xuất

FDCA có thể được dùng để tạo ra loại polymer mới với tên polyethylene furanoate (PEF).

Để sản xuất FDCA có thể dùng các cách sau:

  1. Khử nước từ các hexose.
  2. Oxi hóa 2,5-disubtitued furans
  3. Xúc tác chuyển hóa các dẫn xuất furans.

Độ đa dụng của FDCA có thể được thấy qua số lượng dẫn xuất có thể tạo ra chỉ với một số biến đổi hóa học đơn giản. Như các sản phẩm hydro hóa không hoàn toàn (như 2,5-dihidroxymethylfuran) và các vật liệu hydro hóa hoàn toàn (như 2,5-dis(hdroxymathyl)tetrahydrofuran).

Cả 2 vật liệu trên đều có thế sử dụng như ancol (rượu) trong phản ứng tạo polyester. Từ FDCA có thể tạo được một họ polymer mới 100% nguồn gốc thực vật.

Tuy nhiên, hiện nay vẫn có những rào cản kỹ thuật với việc sản xuất và sử dụng FDCA.

  1. Sản xuất quy mô công nghiệp gặp khó khăn vì thiếu hydroxymethylfulfural (5-HMF).
  2. Cần nghiên cứu và phát triển quy trình khử nước có chọn lọc.
  3. Phát triển và kiểm soát phản ứng ester hóa cũng như các FDCA monomer.

Khử nước từ các phân tử đường có thể tạo ra cùng một lúc khá nhiều phụ phẩm. Hiện tại, quá trình này thường không thể chọn lọc trừ khi các sản phẩm phụ được chuyển hóa ngay sau khi hình thành. Vì vậy, đây vẫn là quá trình cần được nghiên cứu và phát triển nhiều hơn.

Sự vượt trội của PEF so với PET

PEF có tính năng kháng rất cao, rất khó đạt tới so với hầu hết các loại polymer từ sinh học. Cụ thể:

  • Chống O2: gấp 6 lần PET
  • Chống CO2: gấp 3 lần PET
  • Chống nước: gấp 2 lần PET

PEF còn có một số tính chất vật lý vượt trội so với PET như:

  • Nhiệt độ chuyển kính (chuyển giòn) cao hơn.
  • Nhiệt độ nóng chảy thấp hơn.
  • Khả năng chịu uốn (modulus) cao hơn.
  • Độ chịu lực lớn hơn.
  • PEF cần ít keo hơn PET.
  • PEF có thể tái chế và kết cấu vào PET lên tới 5% mà không ảnh hưởng chất lượng của PET tái chế.
  • Nhẹ hơn và ổn định nhiệt cao hơn mà không cần định hình nhiệt (heat-setting). PEF có thể được đóng gói ở nhiệt độ 200oC.
  • PEF có tiềm năng đạt tới hiệu quả chi phí ngang với PET.

Khả năng tái chế của PEF

Sản phẩm tạo ra từ PEF có thể dễ dàng tái chế hoặc chuyển đổi trở lại thành CO2 và nước. Lượng CO2 này có thể được cây cối hấp thu trở lại. Từ đó có thể tạo nhiều PEF hơn.

Các bước tái chế của PEF giống hệt PET với một số điểm đặc biệt sau:

  • PEF có thể được tách ra khỏi PET bằng công nghệ phân tách IR (hồng ngoại) và tái chế thành rPEF. Các công đoạn tái chế y hệt PET.
  • Khi tái chế PET có thể trộn lẫn PEF. PEF ít gây ảnh hưởng tới rPET hơn Nylon hay PA.
Quy trình tái chế của PEF

PEF được nhận định sẽ giảm nhu cầu về bao bì đa năng. Thế nhưng bao bì cần được thiết kế lại và công tác quản lý rác thải cũng cần được tăng cường.

Triển vọng phát triển của PEF

Khả năng thay thế PET/PBT của FDCA tạo ra một cơ hội lớn trong thị trường hóa chất. Để tạo thành cơ hội này, nghiên cứu và phát triển là cần thiết để tạo công nghệ khử nước và oxi hóa một cách có chọn lọc.

Như đã nói ở phần trên, FDCA là một hóa chất trung gian để sản xuất PEF. Hiện nay, đã có không ít doanh nghiệp hóa chất đang sản xuất nó. Một số ví dụ như:

  • AVA-CO2 đăng ký một bằng sáng chế quy trình chuyển hóa 5-HMF sang FDCA.
  • Wageningen UR đã sẵn sàng quy trình sản xuất polyester bán thơm từ FDCA.
  • Avantium, cùng BASF đang làm việc để thương mại hóa FDCA và PEF.
  • Corbion cũng đang hoàn thiện quy trình sản xuất FDCA.
  • ETH Zurich phát triển những phương pháp mới để PEF có thể được thương mại hóa.

Trong số các doanh nghiệp trên, Synvina (BASF và Avantium) và Corbion đang tập trung rất nhiều nguồn lực của họ vào FDCA và PEF.

Corbion đã hoàn thiện một dây chuyền độc quyền sản xuất FDCA và hiện nay đang hoạt động cùng một số đối tác để phát triển và thương mại hóa nó.

Avantium đã đăng ký sáng chế kỹ thuật sản xuất nhiên liệu, nhựa và hóa chất từ nguyên liệu sinh học. Bên cạnh đó, liên doanh Avantium và BASF cũng thiết lập quan hệ đối tác với Danone, Coca-Cola và ALPLA để phát triển và thương mại hóa các loại nhựa từ nguyên liệu sinh học.

Một số phát triển quan trọng gần đây

Trong năm 2014, Avantium, Danone, Swire Pacific và Coca-Cola tạo thành một liên doanh với 50 triệu dollar tiền vốn phát triển và thương mại hóa các sản phẩm sinh học thay thế PET.

Cũng trong năm 2014, Avatium đã trình diễn khả năng của PEF khi kéo sợi nó và dệt ra những chiếc áo sơ mi. Tuy nhiên, các sản phẩm thương mại và sự ra mắt của FDCA và PEF khó xảy ra trước năm 2024.

Một trong những nghiên cứu mới của ETH Zurich phát hiện ra phương pháp mới có thể đưa PEF vào sản xuất quy mô công nghiệp.

Trong nghiên cứu, thay vì tạo một chuỗi polymer với 2 đầu, các nhà khoa học thắt nút chúng lại. Từ đây, phản ứng polymer hóa có thể được kiểm soát tốt hơn và không tạo ra phụ phẩm. Phương thức mới này được cho là sẽ giảm thời gian sản xuất từ vài ngày xuống còn vài giờ và kéo theo đó, giảm năng lượng tiêu tốn khi sản xuất.

Các nhà khoa học ở Zurich hiện đang làm việc với Suzler để khiểm nghiệm khả năng ứng dụng của quy trình này trong sản xuất công nghiệp.

0988827237
icons8-exercise-96 challenges-icon chat-active-icon chat-active-icon