Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và cạn kiệt tài nguyên hóa thạch đang trở thành mối quan ngại toàn cầu, ngành công nghiệp cao su đang chứng kiến một cuộc chuyển đổi mang tính cách mạng. Từ nguồn nguyên liệu thay thế đến quy trình tái chế tiên tiến, các giải pháp xanh đang dần thay thế những phương pháp truyền thống gây hại môi trường, mở ra kỷ nguyên mới cho sản xuất cao su bền vững.

Bức tranh toàn cảnh của ngành cao su toàn cầu

Ngành công nghiệp cao su hiện đại đóng vai trò không thể thiếu trong nền kinh tế toàn cầu, với sản lượng đạt 29,6 triệu tấn vào năm 2022, trong đó tỷ lệ giữa cao su thiên nhiên và tổng hợp gần như cân bằng ở mức 49:51. Khu vực Châu Á-Thái Bình Dương tiếp tục dẫn đầu về sản xuất cả hai loại cao su này. Từ công nghiệp ô tô với hàng triệu chiếc lốp xe được sản xuất hàng năm, đến lĩnh vực y tế với găng tay và thiết bị chuyên dụng, từ ngành giày dép và đồ nội thất đến các ứng dụng trong hàng không vũ trụ - cao su đã trở thành vật liệu không thể thay thế trong hầu hết mọi ngành công nghiệp.

Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ này cũng đặt ra những thách thức nghiêm trọng. Ngành cao su truyền thống phụ thuộc nặng nề vào nguyên liệu từ dầu mỏ, bao gồm cao su tổng hợp, chất độn như muội than (carbon black), các thành phần lưu hóa, dầu gia công và nhiều phụ gia khác. Việc sản xuất và sử dụng các vật liệu này không chỉ tiêu thụ lượng lớn tài nguyên hóa thạch đang cạn kiệt, mà còn tạo ra phát thải CO₂ đáng kể và chất thải khó phân hủy, góp phần vào tình trạng biến đổi khí hậu toàn cầu. Đặc biệt, với ước tính khoảng 1,2 tỷ lốp xe thải bỏ sẽ được tạo ra hàng năm vào năm 2030, vấn đề quản lý chất thải cao su đang trở thành một trong những thách thức môi trường cấp bách nhất.

Nguồn cao su thiên nhiên: Đa dạng hóa để đảm bảo tương lai

Cao su thiên nhiên hiện nay chủ yếu được khai thác từ cây Hevea brasiliensis, có nguồn gốc từ lưu vực sông Amazon nhưng hiện được trồng rộng rãi ở Đông Nam Á. Mặc dù là nguồn cao su chính, loại cây này đang phải đối mặt với nhiều thách thức đáng lo ngại. Vấn đề dị ứng latex đang gia tăng nghiêm trọng, với ước tính lên đến 6% dân số có thể mắc phải các phản ứng dị ứng với protein có trong mủ cao su. Hơn nữa, mầm bệnh Microcyclus ulei gây bệnh lá đang đe dọa sản xuất cao su quy mô công nghiệp ở Nam và Trung Mỹ, với lo ngại rằng căn bệnh này có thể lan sang các đồn điền ở châu Á. Việc lai tạo giống cây kháng bệnh mất khoảng 25 năm, khiến ngành công nghiệp khó có thể phản ứng kịp thời với các mối đe dọa này.

Chính những thách thức này đã thúc đẩy nghiên cứu tích cực về các nguồn cao su thay thế. Trong số khoảng 2.500 loài thực vật có khả năng sản xuất cao su thiên nhiên, hai loài nổi bật đang thu hút sự quan tâm lớn từ giới khoa học và công nghiệp là cây guayule (Parthenium argentatum) và bồ công anh Nga (Taraxacum kok-saghyz). Cây guayule, có nguồn gốc từ sa mạc Chihuahuan ở Mexico và miền nam Hoa Kỳ, sản xuất cao su trong vỏ và rễ của nó. Điểm đặc biệt quan trọng là cao su từ guayule hoàn toàn không chứa protein gây dị ứng, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho găng tay y tế và các sản phẩm latex khác. Cây này có khả năng chịu hạn xuất sắc, cần ít nước hơn nhiều so với cây cao su truyền thống, phù hợp với các vùng khô hạn và bán khô hạn.

Các tập đoàn công nghiệp lớn như Bridgestone Americas đang dẫn đầu trong việc phát triển công nghệ chiết xuất cao su từ guayule, tiến hành các đồn điền thử nghiệm ở Arizona, Mexico và miền nam Tây Ban Nha. Bồ công anh Nga, một loại cây thảo lâu năm thuộc họ Asteraceae có nguồn gốc từ dãy núi Thiên Sơn, sản xuất cao su trong rễ của nó với hàm lượng có thể đạt tới 20% trọng lượng khô. Loài cây này đã có lịch sử canh tác từ những năm 1930 tại Liên Xô, và gần đây đã thu hút sự quan tâm trở lại nhờ chu kỳ sống ngắn và khả năng thích nghi với môi trường. Ở Đức, việc canh tác TKS (Taraxacum kok-saghyz) quy mô thí điểm đang được tiến hành, và những chiếc lốp xe nguyên mẫu đầu tiên làm từ cao su TKS đã được giới thiệu công khai, đánh dấu bước tiến quan trọng trong thương mại hóa nguồn cao su thay thế này.

Nghiên cứu cũng đang mở rộng sang các loài khác như rau diếp (Lactuca sativa), cúc vàng cao (Solidago altissima), và nhiều loài thực vật khác. Việc giải mã bộ gen của các loài này có thể đẩy nhanh đáng kể các chương trình lai tạo nhằm nâng cao năng suất và chất lượng cao su. Mỗi loài đều mang những đặc tính độc đáo có thể góp phần đa dạng hóa nguồn cao su thiên nhiên, một bước quan trọng để đảm bảo sự ổn định cung ứng toàn cầu và giảm sự phụ thuộc vào các đồn điền cao su truyền thống.

Tái chế cao su: Từ phế thải đến tài nguyên quý giá

Song song với việc tìm kiếm nguồn nguyên liệu mới, ngành công nghiệp cao su đang có những bước tiến đáng kể trong lĩnh vực tái chế và tái sử dụng. Tại Hoa Kỳ, 9,2 triệu tấn sản phẩm cao su và da được tạo ra vào năm 2018, nhưng chỉ có 1,7 triệu tấn được tái chế. Xu hướng tái chế đang có chiều hướng tăng lên nhờ sự phát triển của các công nghệ mới và chính sách môi trường dựa trên nguyên tắc kinh tế tuần hoàn.

Phương pháp tái chế chính hiện nay là nghiền và xay nhỏ, chiếm 87,5% tất cả các quy trình tái chế theo số liệu của Hiệp hội các nhà sản xuất lốp xe và cao su châu Âu. Quá trình này bắt đầu bằng phân loại các sản phẩm cao su thải bỏ theo loại vật liệu, một bước quan trọng do sự khác biệt đáng kể trong thành phần của lốp xe du lịch so với lốp xe tải. Sau đó, vật liệu được giảm kích thước và tách các thành phần riêng lẻ có thể tái sử dụng. Tùy thuộc vào công nghệ sử dụng, cao su nghiền có thể có kích thước hạt và tính chất bề mặt khác nhau. Phương pháp nghiền ở nhiệt độ môi trường tạo ra các hạt có hình dạng không đều với bề mặt xốp, diện tích bề mặt lớn, trong khi phương pháp đông lạnh (sử dụng nitơ lỏng) tạo ra các hạt đồng đều và mịn hơn.

Cao su nghiền từ lốp xe (GTR - Ground Tire Rubber) được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm như lớp phủ chống ăn mòn, mặt sân chơi và cơ sở thể thao, hỗn hợp bê tông, asphalt, và nền móng công trình. Tuy nhiên, việc sử dụng trong các sản phẩm cao cấp như gioăng cao su, đế giày, và lốp xe vẫn còn hạn chế, chủ yếu do thách thức trong việc kết hợp cao su tái chế với các ma trận polymer. Để cải thiện khả năng kết dính và tương thích, bề mặt cao su nghiền có thể được xử lý bằng các phương pháp cơ học, nhiệt-cơ học, hóa học, sinh học, hoặc siêu âm.

Đặc biệt đầy hứa hẹn là công nghệ khử lưu hóa (devulcanization), một quy trình đảo ngược quá trình lưu hóa, cho phép tái sử dụng vật liệu cao su đã lưu hóa với chất lượng cao. Khác với cao su tái sinh thông thường, vật liệu được khử lưu hóa có thể được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi cao hơn, tương đương với các hợp chất cao su nguyên sinh. Quá trình này liên quan đến việc phá vỡ mạng lưới liên kết lưu huỳnh trong khi vẫn bảo toàn cấu trúc polymer, tạo ra vật liệu có đặc tính gần giống với cao su ban đầu.

Các phương pháp khử lưu hóa có thể được thực hiện bằng cơ học, hóa học, hoặc sinh học. Phương pháp hóa học sử dụng các chất như thiourea, amine, hoặc peroxide, cho hiệu quả cao và khả năng phá vỡ đồng đều các liên kết lưu huỳnh, nhưng có chi phí trung bình và lo ngại về môi trường do tính độc hại của các hóa chất sử dụng. Phương pháp cơ học dựa vào năng lượng cơ học trong máy nghiền hoặc máy đùn, có hiệu quả trung bình, chi phí tương đối thấp và thân thiện với môi trường. Đặc biệt đáng chú ý là phương pháp sinh học đang trong giai đoạn phát triển, sử dụng vi sinh vật hoặc enzyme có khả năng phá vỡ liên kết lưu huỳnh trong cao su.

Nghiên cứu gần đây cho thấy một số loài vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh như Thiobacillus spp. và vi khuẩn cổ khử lưu huỳnh như Pyrococcus furiosus có khả năng cắt chọn lọc các cầu nối sulfide trong cao su lưu hóa trong khi vẫn bảo toàn cấu trúc polymer. Ngoài ra, nhiều loài vi khuẩn Gram dương thuộc các chi Nocardia, Streptomyces, Gordonia, Rhodococcus, và Bacillus, cùng với một số loài nấm, đã được phát hiện có khả năng phân hủy cao su poly(cis-1,4-isoprene) chưa lưu hóa. Các sinh vật này sử dụng enzyme như rubber oxygenase, laccase, hoặc peroxidase để cắt các liên kết đôi trong chuỗi polyisoprene. Mặc dù các phương pháp sinh học này thân thiện với môi trường, hiệu quả và tốc độ xử lý vẫn còn hạn chế ở thời điểm hiện tại.

Cao su tổng hợp sinh học: Bước tiến trong sản xuất bền vững

Bên cạnh cao su thiên nhiên và tái chế, cao su tổng hợp sinh học đang nổi lên như một giải pháp đầy tiềm năng. Những vật liệu này được sản xuất từ nguyên liệu tái tạo (sinh học) hoặc thông qua các quy trình được phát triển nhằm sản xuất vật liệu bền vững hơn. Ví dụ điển hình là cao su EPDM (ethylene-propylene-diene monomer) được tổng hợp từ bio-olefin. Bioethylene có thể được tạo ra từ nguồn tài nguyên tái tạo và chất thải sử dụng vi sinh vật, mặc dù hiệu suất của quá trình này vẫn còn thấp. Phương pháp hiệu quả hơn bao gồm crackin xúc tác dầu sinh học và khử nước bioethanol. Biopropylene có thể thu được thông qua nhiều phương pháp như cracking thủy nhiệt của acid 3-hydroxybutyric, khử nước-dimer hóa bioalcohol, khử hydro biodiesel, và phân hủy nhiệt xúc tác sinh khối.

Sản xuất biobutadiene từ các nguồn tái tạo như bioethanol hoặc biodiol là một phần của xu hướng rộng lớn hơn hướng tới sản xuất vật liệu bền vững. Biobutadiene là monomer quan trọng được sử dụng trong sản xuất cao su tổng hợp như cao su styrene-butadiene (SBR), cao su butadiene (BR), và cao su nitrile-butadiene (NBR). Công nghệ sản xuất biobutadiene quy mô lớn đang ngày càng trở nên khả thi. Synthos S.A., một nhà sản xuất hóa chất và người chơi chính trên thị trường cao su tổng hợp toàn cầu, đang lên kế hoạch xây dựng nhà máy với công suất sản xuất 40.000 tấn biobutadiene mỗi năm, sử dụng bioethanol làm nguyên liệu. Công nghệ này có dấu chân carbon thấp và có tiềm năng thiết lập tiêu chuẩn mới trong ngành.

Sản xuất bioisoprene từ nguyên liệu thô tái tạo như đường thực vật là yếu tố then chốt trong lĩnh vực công nghệ sinh học và kinh tế sinh học đang phát triển. Quá trình sản xuất bioisoprene dựa vào quá trình lên men đường thực vật bằng vi sinh vật, với cơ chất cho sinh tổng hợp có thể bao gồm glucose từ ngô, sucrose từ củ cải đường hoặc mía, và cellulose. Bước quan trọng trong quá trình sản xuất bioisoprene là sử dụng vi sinh vật như vi khuẩn Escherichia coli hoặc nấm men Saccharomyces cerevisiae, cho phép chuyển đổi chất chuyển hóa đường thành bioisoprene.

Cách mạng hóa quy trình lưu hóa với các chất xanh

Quy trình lưu hóa truyền thống trong ngành công nghiệp cao su, sử dụng lưu huỳnh và các phụ gia hóa học như kẽm oxit, đã từ lâu là mối quan ngại về môi trường. Các phương pháp này tiêu tốn nhiều năng lượng, tạo ra chất thải nguy hại và khí thải độc hại. Kẽm oxit có thể thấm vào môi trường và tích tụ trong đất và nước, ảnh hưởng tiêu cực đến sinh vật thủy sinh. Nhiều chất xúc tiến và sản phẩm phân hủy của chúng có thể gây ung thư hoặc kích ứng da, mắt và hệ hô hấp. Quá trình lưu hóa còn thải ra các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) và các chất độc khác.

Do những lo ngại về sinh thái ngày càng tăng và các quy định môi trường ngày càng nghiêm ngặt, nhu cầu về các chất thay thế thân thiện với môi trường cho các chất liên kết truyền thống đang gia tăng. Nghiên cứu của Masek và cộng sự đã khảo sát các hợp chất từ nhóm amino acid, cũng như flavonoid quercetin và acid dodecanoic, như các chất liên kết tiềm năng cho composite sinh học dựa trên cao su thiên nhiên epoxy hóa và polycaprolactone. Hiệu quả liên kết tốt nhất đạt được với quercetin và phenylalanine, tạo ra cấu trúc liên kết tối ưu với độ giãn dài khi đứt vượt quá 400% và độ bền kéo gần 20 MPa. Nồng độ lý tưởng của chất liên kết tự nhiên được tìm thấy trong khoảng 0,75 đến 1 phr.

Đặc biệt quan trọng là quercetin thể hiện độ ổn định nhiệt cao, duy trì cấu trúc hóa học của nó lên đến khoảng 200°C, đảm bảo nó vẫn hoạt động trong điều kiện lưu hóa hoặc trộn nóng chảy điển hình. Amino acid như phenylalanine cũng cho thấy khả năng chống nhiệt đủ để tham gia hiệu quả vào các phản ứng liên kết mà không bị phân hủy. Hơn nữa, do tính chất chống oxy hóa vốn có, các chất liên kết tự nhiên này cũng có thể tăng cường khả năng chống lão hóa của composite cao su. Quercetin đặc biệt hoạt động như một chất thu hồi gốc tự do, giảm sự phân hủy oxy hóa trong quá trình lão hóa nhiệt và do đó ổn định các tính chất cơ học của vật liệu theo thời gian.

Việc sử dụng dầu thực vật như dầu đậu nành, dầu hạt lanh, hoặc nhựa tự nhiên như các chất liên kết giúp giảm sự phụ thuộc vào các phụ gia truyền thống có nguồn gốc dầu mỏ. Zhang và cộng sự đã phát triển một hệ thống liên kết elastomer mới trong đó dầu đậu nành epoxy hóa đóng vai trò như chất liên kết trong cao su nitrile carboxyl hóa. Hệ thống này dựa trên phản ứng giữa nhóm epoxy và acid, tạo điều kiện hình thành liên kết giữa các chuỗi polymer. Tuy nhiên, trong trường hợp không có kẽm oxit, thời gian liên kết tối ưu vượt quá 25 phút, trong khi với việc bổ sung 2 phr kẽm oxit, thời gian liên kết giảm xuống dưới 10 phút.

Về chất xúc tiến lưu hóa thân thiện với môi trường, Kamoun và cộng sự đã phát triển hệ thống xúc tiến hai phần dựa trên sinh học bao gồm bột tỏi và cystine, cả hai đều là hợp chất sinh học chứa lưu huỳnh. Kết quả cho thấy việc bổ sung hệ thống hai pha này cải thiện đáng kể khả năng liên kết so với hệ thống không có chất xúc tiến. Việc bổ sung 1 phr bột tỏi làm tăng mật độ liên kết gần 250%. Một ví dụ khác về chất xúc tiến lưu hóa thân thiện với môi trường là sodium isobutyl xanthate được hỗ trợ bởi tinh bột (SSX). Kuncai và cộng sự đã cải biến tinh bột với sodium isobutyl xanthate, cải thiện đáng kể độ ổn định nhiệt của nó. SSX xúc tiến hiệu quả quá trình lưu hóa cao su thiên nhiên ở 145°C, với độ bền kéo tăng 22,4% so với các chất xúc tiến lưu hóa truyền thống.

Chất độn sinh học: Thay thế bền vững cho muội than và silica

Chất độn đóng vai trò thiết yếu trong composite cao su, ảnh hưởng đến tính chất cơ học và hóa học của chúng. Chất độn truyền thống như muội than (carbon black) và silica có nhược điểm về môi trường, dẫn đến sự chuyển dịch sang các lựa chọn thay thế dựa trên sinh học như cellulose và than sinh học (biochar). Trong khi nhiều nghiên cứu đã bao quát cellulose và sợi tự nhiên, nghiên cứu gần đây đã tập trung vào các chất độn mới hơn, ít phổ biến hơn như biochar và silica sinh học.

Biochar là vật liệu giàu carbon tương tự như muội than, có nguồn gốc từ quá trình nhiệt phân sinh khối. Quá trình nhiệt phân đòi hỏi môi trường không có oxy, có thể hoạt động trong các điều kiện khác nhau về thời gian, nhiệt độ và dòng chảy, với các thông số quy trình cụ thể quyết định tính chất của biochar thu được. Khác với muội than có nguồn gốc từ nguyên liệu dầu mỏ, tính chất của biochar thể hiện sự biến đổi lớn hơn do tính không đồng nhất của sinh khối được sử dụng làm nguyên liệu thô.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng biochar bao gồm loại sinh khối, thành phần lignocellulose của nó, và điều kiện hoạt động của nhiệt phân. Nhiệt độ nhiệt phân, phương pháp nung, và loại quy trình nhiệt phân ảnh hưởng quan trọng đến các tính chất cuối cùng của biochar, bao gồm độ xốp, phân bố kích thước lỗ, và hiệu suất chức năng. Với nhiệt độ nhiệt phân tăng, hàm lượng carbon, hàm lượng tro, tính thơm và pH của biochar có xu hướng tăng, trong khi độ phân cực và khả năng nhóm chức năng cụ thể có thể giảm. Nhiệt độ cao hơn tăng cường tính kỵ nước của biochar nhưng có thể làm giảm khả năng tiếp cận các nhóm chức năng.

Nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào tối ưu hóa các tính chất cơ học, nhiệt và môi trường của composite được làm giàu biochar. Đối với các ứng dụng composite cao su, biochar đã được tạo ra từ nhiều loại sinh khối thực vật khác nhau, bao gồm vỏ hạt và trấu ngũ cốc, ngô, tre, mùn cưa gỗ và phế thải dừa. Phần cụ thể của cây được sử dụng làm nguồn sinh khối đã được chứng minh là ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của composite. Các nghiên cứu cho thấy biochar có nguồn gốc từ dừa tăng cường đáng kể tính chất cao su thiên nhiên, đạt tăng 47% độ cứng Shore A ở 40 phr, tối đa hóa độ bền kéo ở 20 phr, và thể hiện mật độ liên kết cao hơn so với các loại biochar khác.

Tuy nhiên, biochar có xu hướng kết tụ trong elastomer, làm phức tạp sự phân tán đồng đều. Sự phân tán kém ảnh hưởng bất lợi đến tính chất cơ học của composite và đòi hỏi các kỹ thuật trộn tiên tiến hoặc cải biến bề mặt biochar để cải thiện hiệu suất. Trong nghiên cứu của Peterson và Thomas, hai phương pháp được sử dụng để cải biến hóa học bề mặt biochar bằng xử lý khí ở 300°C sử dụng không khí hoặc carbon dioxide và phủ bằng acid lauric. Biochar được xử lý trước bằng carbon dioxide và sau đó phủ bằng acid lauric thể hiện những cải thiện đáng chú ý, bao gồm tăng 19% độ bền kéo và tăng 48% độ bền phá hủy.

Song song với biochar, silica sinh học, đặc biệt từ tro trấu (RHA), đã chứng minh tiềm năng đáng kể như một chất độn gia cường thân thiện với môi trường. Silicon là nguyên tố dồi dào thứ hai trong đất, chiếm khoảng 32% tổng khối lượng của nó. Do đó, thực vật mọc trong đất luôn chứa một lượng silicon trong các mô của chúng. Nguồn silica sinh học phổ biến nhất là cỏ và cây thảo, đặc biệt là cây một lá mầm từ họ Poaceae, Cyperaceae, và Equisetaceae. Hàm lượng silicon trong mô thực vật dao động từ 0,1% đến 15%.

Nguồn silica sinh học được nghiên cứu rộng rãi nhất là tro trấu, do hàm lượng silica đặc biệt cao so với các sản phẩm phụ nông nghiệp khác. Trấu thô bao gồm khoảng 20% tro, với silica chiếm đến 94% phần này. Để so sánh, tro lõi ngô chứa khoảng 60% silica, tro lá tre khoảng 80%, và tro cỏ voi khoảng 50%. Việc bổ sung tro trấu vào composite cao su cải thiện đáng kể độ ổn định nhiệt của chúng. Do hàm lượng silica vô định hình cao, RHA hoạt động như một rào cản nhiệt hiệu quả, hạn chế sự khuếch tán của các sản phẩm phân hủy và trзадержуando sự phân hủy vật liệu ở nhiệt độ cao.

Nghiên cứu đã xác nhận rằng tro trấu, sau khi tinh chế hóa học, đóng vai trò như một chất thay thế bền vững cho các chất độn truyền thống như muội than và silica trong cao su lốp xe. Kỹ thuật trộn ướt tạo điều kiện phân tán hiệu quả silica sinh học trong latex cao su thiên nhiên, tạo ra composite thể hiện khả năng chống mài mòn được cải thiện và giảm lực cản lăn so với những loại được sản xuất bằng phương pháp trộn khô. Cách tiếp cận này thân thiện với môi trường hơn và tăng cường cả tính chất hiệu suất và độ bền của lốp xe.

Phụ gia sinh học: Tối ưu hóa quy trình và tính năng

Phụ gia dựa trên sinh học trong công nghệ cao su đề cập đến các chất phụ gia thân thiện với môi trường có nguồn gốc từ nguồn tài nguyên thiên nhiên tái tạo, được sử dụng để tăng cường tính chất và hiệu suất của vật liệu cao su. Các chất phụ gia này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện quá trình xử lý, lưu hóa, tính chất cơ học và hóa học của hợp chất cao su.

Chất tạo cầu nối (coupling agent) sinh học là một hướng đi đầy hứa hẹn. Các chất tạo cầu nối silane là các chất hóa học hoạt động như các chất liên kết giữa vật liệu hữu cơ và vô cơ, tăng cường độ kết dính và cải thiện tính chất cơ học của composite. Các chất tạo cầu nối silane sinh học mới đã được tổng hợp từ terpene eugenol rẻ tiền và thân thiện với môi trường thông qua phản ứng hydrosilyl hóa với triethoxysilane. Một phương pháp đã được phát triển để tổng hợp 25 chất tạo cầu nối silane với nhiều nhóm liên kết khác nhau. Các chất tạo cầu nối silane được chọn sau đó được sử dụng để chuẩn bị composite cao su chứa silica, dẫn đến những cải thiện đáng kể về độ giãn dài khi đứt, tính chất kéo khô, và độ đàn hồi phục hồi.

Ngoài silane, các chất tạo cầu nối không silane cũng đang được nghiên cứu. Sorbitol (rượu đường) và acid sorbic (hợp chất hữu cơ tự nhiên rẻ tiền, dễ kiếm và an toàn về mặt sinh thái) đã được giới thiệu để thay thế bis(3-triethoxysilylpropyl) disulfide (TESPD). Sorbitol, như một chất tạo cầu nối thay thế cho TESPD, cho phép đạt được hầu hết các tính chất mong muốn của cao su để sản xuất lốp xe "xanh" (lực cản lăn, độ bám ướt, và khả năng tản nhiệt), ngoại trừ chỉ số kháng mài mòn. Các chất khác tăng cường độ kết dính giữa chất độn và elastomer mà không cần silane bao gồm tannin, chitosan, acid stearic, và các acid béo khác.

Dầu thực vật có thể đóng vai trò như chất hóa dẻo tự nhiên, cung cấp các lựa chọn thay thế phân hủy sinh học và tái tạo cho dầu tổng hợp và có nguồn gốc dầu mỏ. Các loại dầu dựa trên sinh học này có thể tăng cường độ đàn hồi cao su và cải thiện khả năng gia công. Elburg và cộng sự đã nghiên cứu tác động của ba chất hóa dẻo dựa trên sinh học - dầu hướng dương, dầu dừa, và cardanol - cùng với squalane, trong công thức lốp xe đơn giản hóa. Dầu lanh là một chất thay thế đầy hứa hẹn khác cho chất hóa dẻo dầu tổng hợp. Hiệu quả của nó trong các chất lưu hóa bao gồm cao su thiên nhiên và graphite giãn nở đã được xác nhận bởi nhiều nhà nghiên cứu. So với composite với dầu naphthenic, chất hóa dẻo dựa trên dầu lanh cung cấp tính chất cơ học và độ ổn định nhiệt tốt hơn.

Về chất chống cháy, Lin và cộng sự đã nghiên cứu một hệ thống mới dựa trên acid tannic - một hợp chất phenolic tự nhiên được tìm thấy trong nhiều loại thực vật - thể hiện tính dễ cháy thấp và tính chất hấp thụ tốt. Hệ thống này cũng kết hợp poly(ammonium phosphate) và graphene chức năng hóa. Nghiên cứu chứng minh rằng hệ thống chất chống cháy này tăng cường khả năng chống cháy và tính chất cơ học của composite cao su thiên nhiên bằng cách thay đổi quá trình phân hủy và hình thành lớp bảo vệ ổn định giàu carbon và phosphor.

Chất chống oxy hóa xanh: Bảo vệ cao su một cách tự nhiên

Nhiều loại cao su như cao su thiên nhiên, cao su styrene-butadiene, cao su butadiene và cao su nitrile-butadiene có cấu trúc không bão hòa có thể bị phân hủy bởi quá trình oxy hóa và ozon hóa. Để đảm bảo độ ổn định của cao su lưu hóa và ngăn ngừa sự phân hủy của nó, cần phải sử dụng các chất bảo vệ thích hợp như chất chống oxy hóa và chất chống ozon. Tuy nhiên, nhiều chất chống oxy hóa truyền thống có thể gây ra các vấn đề về độc tính và môi trường.

Chất chống oxy hóa xanh, như polyphenol, tocopherol, và chiết xuất thực vật, cung cấp nhiều lợi thế so với chất chống oxy hóa tổng hợp truyền thống như IPPD và TMQ. Trong khi chất chống oxy hóa tổng hợp thường cung cấp độ ổn định nhiệt cao hơn và độ bền lưu trữ tốt hơn, chất chống oxy hóa xanh tự nhiên có thể thể hiện khả năng di chuyển giảm trong ma trận cao su, giảm thiểu sự di chuyển và nở hoa. Đặc điểm cấu trúc này đảm bảo bảo vệ kéo dài cao su chống oxy hóa và lão hóa. Hơn nữa, chất chống oxy hóa tự nhiên thể hiện hồ sơ độc tính học thuận lợi hơn, với độc tính tế bào tối thiểu, tiềm năng thấp gây kích ứng da hoặc phản ứng dị ứng, và khả năng phân hủy sinh học tăng cường, làm giảm sự tích tụ môi trường và hình thành các sản phẩm phụ phân hủy độc hại.

Các nguồn nguyên liệu xanh được sử dụng làm chất ổn định trong composite cao su bao gồm trà xanh, bã cà phê thải, vỏ sồi, tầm ma thường, bạc hà, catechin hydrate, eugenol, flavone, henna, và nhiều loại khác. Chất chống oxy hóa dựa trên flavonoid, như quercetin và catechin, tự nhiên xuất hiện trong thực vật và trung hòa hiệu quả các gốc tự do, do đó làm gián đoạn các phản ứng chuỗi oxy hóa và giảm thiểu các quá trình phân hủy vật liệu cụ thể. Ngoài ra, terpenoid, carotenoid, tannin, và tocopherol được công nhận là chất chống oxy hóa mạnh có khả năng chelat các ion kim loại và thu hồi các loài oxy phản ứng, tăng cường hơn nữa độ ổn định oxy hóa của vật liệu cao su.

Các hợp chất chống lão hóa được tìm thấy trong thực vật đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ chống lại stress oxy hóa và các yếu tố phân hủy khác. Các chất hoạt tính sinh học này, có sẵn dưới dạng bột có nguồn gốc từ các bộ phận cây như rễ, lá và hạt, hoặc dưới dạng chiết xuất cô đặc, cung cấp một lựa chọn thay thế bền vững cho việc ổn định cao su. Do tính chất chống oxy hóa của chúng, các hợp chất tự nhiên này tăng cường đáng kể độ bền của cao su và khả năng chống lại các yếu tố stress môi trường, bao gồm bức xạ UV, tiếp xúc ozon, và nhiệt độ cao.

Triển vọng và thách thức phía trước

Hành trình hướng tới cao su xanh và bền vững không phải là con đường bằng phẳng, mà đầy rẫy những thách thức cần được giải quyết. Mặc dù các nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng to lớn của các thành phần tự nhiên và sinh học trong công nghệ cao su, việc áp dụng rộng rãi trong công nghiệp vẫn còn bị cản trở bởi một số rào cản then chốt.

Thứ nhất là vấn đề về hiệu suất. Nhiều chất thay thế sinh học, mặc dù thân thiện với môi trường, vẫn chưa đạt được hiệu suất tương đương với các vật liệu truyền thống trong một số ứng dụng đòi hỏi cao. Ví dụ, biochar có xu hướng kết tụ trong elastomer, ảnh hưởng đến tính chất cơ học của composite. Các dầu thực vật làm chất hóa dẻo có thể ảnh hưởng tiêu cực đến độ bám ướt của lốp xe. Những hạn chế này đòi hỏi nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa công thức và quy trình xử lý.

Thứ hai là kiểm soát chất lượng và tính nhất quán. Vật liệu sinh học, do nguồn gốc từ tự nhiên, thường có sự biến đổi về thành phần và tính chất tùy thuộc vào nguồn sinh khối, điều kiện trồng trọt, mùa vụ, và phương pháp xử lý. Sự không đồng nhất này có thể gây khó khăn trong việc đảm bảo chất lượng ổn định của sản phẩm cuối cùng, một yêu cầu thiết yếu trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn.

Thứ ba là chi phí sản xuất. Nhiều công nghệ xanh, mặc dù có lợi về môi trường, vẫn chưa đạt được tính kinh tế cần thiết để cạnh tranh với các phương pháp truyền thống đã được tối ưu hóa qua nhiều thập kỷ. Quy mô sản xuất nhỏ, công nghệ còn non trẻ, và chi phí nghiên cứu phát triển cao là những yếu tố góp phần vào giá thành cao hơn của các giải pháp xanh.

Thứ tư là cơ sở hạ tầng và chuỗi cung ứng. Việc chuyển đổi sang vật liệu sinh học đòi hỏi xây dựng chuỗi cung ứng hoàn toàn mới, từ trồng trọt hoặc thu gom sinh khối, xử lý, vận chuyển, đến lưu trữ. Điều này đòi hỏi đầu tư đáng kể vào cơ sở hạ tầng và sự phối hợp giữa nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

Mặc dù vậy, triển vọng cho công nghệ cao su xanh vẫn vô cùng tươi sáng. Sự gia tăng nhận thức về môi trường, các quy định ngày càng nghiêm ngặt về phát thải và chất thải, cùng với cam kết của các tập đoàn lớn trong ngành ô tô về trung hòa carbon và kinh tế tuần hoàn đang tạo ra động lực mạnh mẽ cho sự phát triển và áp dụng các giải pháp bền vững.

Các nghiên cứu tiên tiến trong công nghệ sinh học, khoa học vật liệu, và kỹ thuật hóa học đang không ngừng cải thiện hiệu suất của các vật liệu sinh học. Việc phát triển các phương pháp cải biến bề mặt tiên tiến, công nghệ trộn mới, và quy trình xử lý tối ưu hóa đang giúp khắc phục dần những hạn chế hiện tại. Sự tiến bộ trong công nghệ enzyme và vi sinh vật đang mở ra những khả năng mới cho tái chế sinh học và sản xuất monomer sinh học.

Hơn nữa, lợi ích môi trường của các giải pháp xanh là không thể phủ nhận. Giảm phát thải CO₂, giảm sử dụng tài nguyên hóa thạch, cải thiện khả năng tái chế, và giảm tích tụ chất thải không phân hủy sinh học - tất cả đều góp phần vào một tương lai bền vững hơn. Khi tính toán chi phí toàn diện, bao gồm cả chi phí môi trường và xã hội, các giải pháp xanh trở nên ngày càng hấp dẫn hơn.

Việc đa dạng hóa nguồn nguyên liệu cũng mang lại lợi ích chiến lược quan trọng. Giảm sự phụ thuộc vào nguồn cung ứng tập trung (như đồn điền Hevea brasiliensis ở Đông Nam Á), phát triển khả năng sản xuất ở nhiều vùng khí hậu khác nhau, và tận dụng phế thải nông nghiệp địa phương đều góp phần tăng cường an ninh nguồn cung và tạo cơ hội phát triển kinh tế địa phương.

Kết luận: Hướng tới tương lai cao su bền vững

Cuộc cách mạng xanh trong ngành công nghiệp cao su không chỉ là một xu hướng tạm thời mà là một sự chuyển đổi cơ bản và tất yếu. Từ nguồn cao su thiên nhiên thay thế như guayule và bồ công anh Nga, đến các công nghệ tái chế tiên tiến như khử lưu hóa sinh học, từ chất độn sinh học như biochar và silica sinh học đến các phụ gia xanh từ thực vật - mỗi đổi mới đều góp phần vào bức tranh tổng thể của một ngành công nghiệp cao su bền vững và thân thiện với môi trường.

Nghiên cứu đã chứng minh rằng các thành phần tự nhiên và sinh học không chỉ là những lựa chọn thay thế khả thi mà còn có thể mang lại những lợi ích vượt trội trong một số ứng dụng. Khả năng tái chế được cải thiện, đặc biệt thông qua các phương pháp khử lưu hóa và quá trình sinh học liên quan đến enzyme và vi sinh vật, đang mở ra con đường cho một nền kinh tế tuần hoàn thực sự trong ngành cao su. Các chất độn và phụ gia tái tạo có nguồn gốc từ phế thải nông nghiệp không chỉ hỗ trợ nguyên tắc kinh tế tuần hoàn mà còn tạo ra giá trị từ những gì trước đây được coi là chất thải.

Tầm quan trọng của việc tiếp tục nghiên cứu nhằm tối ưu hóa hiệu suất, khả năng mở rộng quy mô, và tính khả thi kinh tế của các lựa chọn thay thế thân thiện với môi trường không thể được nhấn mạnh quá mức. Nỗ lực khoa học thêm là cần thiết để cải thiện kỹ thuật xử lý và tạo điều kiện cho việc thương mại hóa các lựa chọn thay thế bền vững này. Sự hợp tác chặt chẽ giữa học viện, công nghiệp, và chính phủ sẽ là chìa khóa để vượt qua những thách thức hiện tại và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi.

Đối với Việt Nam nói chung và ngành hóa chất Việt Nam nói riêng, đây là cơ hội để tham gia vào làn sóng đổi mới công nghệ toàn cầu. Với lợi thế về nguồn sinh khối dồi dào từ nông nghiệp, khả năng trồng các cây thay thế cao su, và truyền thống lâu đời trong ngành cao su, Việt Nam có tiềm năng trở thành một trong những quốc gia tiên phong trong sản xuất cao su xanh. Đầu tư vào nghiên cứu, phát triển cơ sở hạ tầng, và đào tạo nguồn nhân lực trong lĩnh vực này không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn tạo ra lợi thế cạnh tranh bền vững trong bối cảnh toàn cầu hóa.

Tương lai của ngành công nghiệp cao su là một tương lai xanh, nơi hiệu suất cao không còn đi đôi với tác động tiêu cực đến môi trường, nơi chất thải được chuyển hóa thành tài nguyên quý giá, và nơi đổi mới không ngừng mở ra những khả năng mới cho phát triển bền vững. Hành trình này đòi hỏi sự kiên trì, đầu tư, và hợp tác, nhưng đích đến - một thế giới với ngành công nghiệp cao su sạch, xanh và bền vững - hoàn toàn xứng đáng với mọi nỗ lực.