Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Tác giả: Gobetti, A và cộng sự 

Tạp chí: Recycling; 

Chịu trách nhiệm nội dung: Bảo Hiền 

Một nghiên cứu của nhóm tác giả Anna Gobetti và cộng sự tại Đại học Brescia (Ý), phối hợp với Đại học Chittagong (Bangladesh), công bố trên tạp chí Recycling (MDPI), cho thấy phương pháp cán nguội (cold calendering) có thể biến bột cao su từ lốp xe hết hạn sử dụng thành các tấm cao su liền khối mà không cần dùng phụ gia hay gia nhiệt bên ngoài, mở ra một hướng tái chế mới phù hợp với quy định ngày càng siết chặt về vi nhựa của Liên minh châu Âu.

Bài toán từ lốp xe hết hạn sử dụng

Lốp xe hết hạn sử dụng (end-of-life tires - ELTs) từ lâu là một trong những thách thức lớn nhất trong quản lý rác thải polymer toàn cầu. Mỗi năm, thế giới thải ra hơn 1 tỷ lốp xe, riêng châu Âu đã chiếm gần 3,9 triệu tấn. Do cấu trúc lưu hóa (vulcanization) tạo liên kết ngang hóa học bền vững, cao su lốp xe có khả năng chống phân hủy sinh học rất cao — đây vừa là ưu điểm trong sử dụng, vừa là trở ngại lớn khi tái chế, vì bản chất nhựa nhiệt rắn (thermosetting) của nó không cho phép áp dụng các phương pháp tái chế nhựa nhiệt dẻo thông thường.

Một chiếc lốp xe du lịch điển hình gồm khoảng 47% cao su tự nhiên và tổng hợp (chủ yếu là cao su styren-butadien và polybutadien), 22% bồ hóng (carbon black) làm chất độn gia cường, 17% dây thép gia cường, 5% sợi vải và 9% các phụ gia khác như oxit kẽm, lưu huỳnh, chất xúc tiến, chất chống oxy hóa và dầu gia công. Cấu trúc phức tạp này, cộng với mạng lưới liên kết ngang ba chiều hình thành trong quá trình lưu hóa, khiến lốp xe hết hạn rất khó xử lý bằng các phương pháp tái chế thông thường.

Trong lịch sử, việc xử lý lốp xe hết hạn chủ yếu theo hai hướng: thu hồi năng lượng (như đồng đốt hoặc nhiệt phân) và thu hồi vật liệu (chủ yếu qua nghiền cơ học thành bột cao su). Thu hồi năng lượng tuy đạt hiệu suất nhiệt tới 80% nhưng lại phá hủy vĩnh viễn cấu trúc vật liệu và lượng carbon chứa trong đó, đi ngược lại nguyên tắc kinh tế tuần hoàn. Nhiệt phân có thể tách riêng bồ hóng nhưng đòi hỏi năng lượng lớn (1,5–2,5 MWh mỗi tấn lốp xe), quy trình hậu xử lý phức tạp và hệ thống kiểm soát khí thải tinh vi để xử lý các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và hydrocarbon thơm đa vòng sinh ra trong quá trình phân hủy.

Trong khi đó, tái chế cơ học — nghiền ở nhiệt độ thường hoặc siêu lạnh bằng nitơ lỏng — giữ được bồ hóng trong nền cao su mà không cần tách riêng thành phần, tránh được quá trình xử lý nhiệt tốn năng lượng của nhiệt phân. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có hạn chế cố hữu: cấu trúc liên kết ngang ba chiều của cao su lưu hóa khiến vật liệu không thể nóng chảy lại, còn các hạt cao su nghiền khi phối trộn vào hợp chất cao su mới hoặc nền nhựa nhiệt dẻo thường bám dính kém do thiếu nhóm hoạt động bề mặt. Kết quả là cao su nghiền tái chế (ground tire rubber - GTR) tái chế bằng cơ học thường bị giảm 30–50% độ bền kéo so với hợp chất nguyên sinh khi phối trộn ở tỷ lệ vượt quá 10–20% khối lượng.

Áp lực từ quy định vi nhựa của châu Âu

Bột cao su tái chế từ lốp xe hiện được ứng dụng rộng rãi trong sân chơi, mặt đường nhựa, tấm cách âm và đặc biệt là vật liệu độn cho sân cỏ nhân tạo. Tuy nhiên, ứng dụng cuối cùng này đang đối mặt với đợt rà soát quy định lớn: năm 2023, Ủy ban châu Âu thông qua quy định hạn chế vi nhựa cố ý bổ sung vào sản phẩm (Quy định 2023/2055), trong đó vật liệu độn dạng hạt cao su từ lốp xe cho cỏ nhân tạo bị xếp vào diện bị cấm dần từ năm 2031. Đáng chú ý, khoảng 80% vật liệu độn cỏ nhân tạo hiện nay được làm từ cao su tái chế, nên quy định này đã khiến các hiệp hội ngành cảnh báo về "hậu quả thảm khốc" đối với lĩnh vực tái chế lốp xe nếu không tìm được ứng dụng thay thế.

Trong bối cảnh đó, nhóm nghiên cứu đặt vấn đề: liệu có thể tái chế bột cao su lốp xe mà không cần phụ gia, không cần gia nhiệt, để tạo ra vật liệu liền khối — thay vì dạng hạt rời dễ phát tán vi nhựa — hay không?

Phương pháp cán nguội: đơn giản nhưng hiệu quả

Nghiên cứu sử dụng bột cao su từ lốp xe hết hạn, được nghiền cơ học công nghiệp thành kích thước hạt danh nghĩa 0,8 mm, sau đó sàng lọc thành ba nhóm kích thước: hạt mịn (dưới 0,5 mm), hạt trung bình (0,5–0,71 mm) và hạt thô (0,71–0,90 mm). Bột cao su được đưa qua máy cán hai trục quay ngược chiều với khe hở cố định 0,05 mm, tốc độ trục trước 8 m/phút, tỷ lệ ma sát 1:1,2 giữa hai trục để tạo lực cắt. Toàn bộ quá trình không sử dụng phụ gia, chất khử lưu hóa hóa học hay gia nhiệt bên ngoài — nhiệt độ tăng lên (khoảng 70°C) hoàn toàn do ma sát cơ học sinh ra trong quá trình cán.

Sau khoảng 450–500 lượt cán (tương đương 40 phút xử lý cho mỗi mẻ 150 gram), bột cao su rời rạc kết dính thành tấm liền khối, có thể cầm nắm mà không bị nứt hay bong tách lớp.

Kích thước hạt càng nhỏ, mật độ liên kết ngang càng cao

Kết quả phân tích cho thấy kích thước hạt ban đầu ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất vật liệu sau cán. Mật độ liên kết ngang (crosslink density) — thông số phản ánh độ nguyên vẹn của mạng lưới polymer — đạt cao nhất ở nhóm hạt mịn (5,30 × 10⁻⁴ mol/cm³), cao hơn khoảng 18% so với hai nhóm hạt thô hơn (lần lượt 4,51 × 10⁻⁴ và 4,49 × 10⁻⁴ mol/cm³).

Hiện tượng này được lý giải bởi cơ chế cán nguội: các hạt cao su lưu hóa bị kéo giãn và chịu lực cắt khi đi qua khe hở giữa hai trục quay với tốc độ hơi khác nhau. Với khe hở cố định 0,05 mm, hạt mịn đi qua khe với mức biến dạng ít hơn, do đó ít bị phá vỡ mạng lưới liên kết ngang hơn và giữ được mật độ liên kết cao hơn. Ngược lại, hạt thô choán gần hết khe hở và chịu kéo giãn nhiều hơn, dẫn đến đứt mạch polymer nhiều hơn và mật độ liên kết ngang giảm.

Xu hướng tương tự cũng thể hiện ở độ cứng: nhóm hạt mịn đạt độ cứng cao nhất (khoảng 65 Shore A và 44 mIRHD), tiếp theo là nhóm hạt trung bình (56 Shore A, 36 mIRHD), thấp nhất là nhóm hạt thô (51 Shore A, 28 mIRHD). Về tính chất kéo, tấm cán từ hạt mịn cho mô đun đàn hồi cao nhất (khoảng 7,5–7,6 MPa), so với khoảng 5,5 MPa ở hai nhóm còn lại. Độ bền kéo của cả ba nhóm dao động 1,6–1,8 MPa, độ giãn dài khi đứt đạt 60–75% — đều duy trì độ dẻo dai đủ để sử dụng.

Phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) trên bề mặt gãy cho thấy các hạt bột cao su đã hòa trộn thành một nền liên tục, không còn phân biệt được ranh giới hạt rời rạc, độ xốp chỉ ở mức tối thiểu do tạp chất không thể tránh khỏi trong vật liệu lốp xe cũ. Không phát hiện dấu hiệu vết nứt khởi phát từ khuyết tật lớn ở bất kỳ mẫu nào, và sự khác biệt giữa các nhóm kích thước hạt không thể hiện rõ ở cấp độ vi mô này.

Hàm lượng tro tăng nhẹ ở hạt mịn hơn

Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) trong môi trường oxy hóa cho thấy cả ba nhóm kích thước hạt có cùng đặc tính phân hủy nhiệt, nhưng hàm lượng tro còn lại ở 700°C tăng dần khi kích thước hạt giảm: 13,87% ở nhóm hạt mịn, 11,65% ở nhóm trung bình và 10,91% ở nhóm hạt thô. Nhóm nghiên cứu lý giải điều này phù hợp với đặc điểm của cao su lốp xe hết hạn: hạt càng nhỏ càng dễ giữ lại bụi bẩn và tạp chất lọt qua quá trình sàng lọc.

Vấn đề rò rỉ kẽm cần lưu ý

Một phát hiện đáng chú ý khác liên quan đến thử nghiệm rửa trôi (leaching test) theo tiêu chuẩn châu Âu UNI EN 12457-2, nhằm đánh giá khả năng phát tán kim loại nặng khi vật liệu tiếp xúc với môi trường nước. Kết quả cho thấy ở kích thước hạt tiêu chuẩn dùng để đánh giá hợp chuẩn (0,8–2,5 mm), nồng độ kẽm (Zn) trong dung dịch rửa trôi chỉ đạt 0,3 mg/L — thấp hơn nhiều so với ngưỡng tái sử dụng 3 mg/L theo quy định của Ý.

Tuy nhiên, khi thử nghiệm ở các kích thước hạt nhỏ hơn dùng trong nghiên cứu này, nồng độ kẽm tăng vọt vượt xa ngưỡng cho phép: 55,25 mg/L ở nhóm hạt mịn, 37,75 mg/L ở nhóm trung bình và 51,50 mg/L ở nhóm hạt thô — đều cao hơn nhiều lần so với ngưỡng tái sử dụng (3 mg/L), ngưỡng thải bỏ như chất thải trơ (0,4 mg/L), và ngưỡng riêng cho vật liệu độn sân cỏ nhân tạo theo tiêu chuẩn Đức DIN 18035-7 (0,5 mg/L). Trong khi đó, các kim loại khác như cadmi, crom tổng, chì và thiếc vẫn nằm trong giới hạn cho phép ở tất cả các nhóm. Nhóm tác giả cho rằng nồng độ kẽm tăng khi kích thước hạt giảm là do diện tích bề mặt tiếp xúc với dung dịch tăng lên, tạo điều kiện cho kim loại thoát ra dễ dàng hơn.

Phát hiện này cho thấy dù tấm cán nguội có ưu điểm về cấu trúc liền khối, vật liệu ở dạng bột mịn ban đầu vẫn cần được đánh giá kỹ về khả năng rò rỉ kẽm trước khi ứng dụng vào các sản phẩm tiếp xúc trực tiếp với nước hoặc đất.

So sánh với công nghệ thiêu kết nhiệt

So với các phương pháp tái chế cao su bằng thiêu kết nhiệt (sintering) được ghi nhận trong y văn — vốn đòi hỏi nhiệt độ tối thiểu 100°C, thời gian xử lý trên 40 phút và áp suất trên 4 MPa để đạt độ bền kéo tới 6 MPa và độ giãn dài tới 400% — phương pháp cán nguội trong nghiên cứu này đạt độ bền kéo khiêm tốn hơn (1,6–1,8 MPa) và độ giãn dài 60–75%, nhưng không cần nhiệt độ cao, thời gian xử lý kéo dài hay thiết bị áp suất lớn.

Nhóm tác giả nhấn mạnh, dù tính chất cơ học chưa đạt mức tối đa có thể có được từ thiêu kết nhiệt tối ưu, phương pháp cán nguội mang lại lợi thế đáng kể về hiệu quả năng lượng, sự đơn giản trong quy trình và yêu cầu thiết bị thấp hơn — những yếu tố quan trọng đối với việc tái chế ở quy mô lớn, nơi chi phí và tính bền vững môi trường là ưu tiên hàng đầu.

Ý nghĩa với quy định vi nhựa và ứng dụng tiềm năng

Theo nhóm nghiên cứu, việc chuyển đổi cao su từ dạng hạt rời sang cấu trúc liền khối mang lại một số lợi thế quan trọng trong bối cảnh quy định vi nhựa của châu Âu: loại bỏ các hạt rời có thể phát tán trực tiếp ra môi trường; cấu trúc liên kết ngang giúp chống lại sự phân mảnh; và tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích giảm mạnh so với dạng hạt, hạn chế bề mặt tiếp xúc với thời tiết. Tuy nhiên, nhóm tác giả cũng lưu ý một hạn chế quan trọng: tấm cán nguội vẫn có thể sinh ra vi nhựa nếu chịu mài mòn mạnh, do đó cần tránh ứng dụng trong các bối cảnh có ứng suất ma sát cao.

Với những đặc tính đã ghi nhận, vật liệu này được cho là phù hợp với các ứng dụng như tấm ốp xây dựng phi kết cấu, linh kiện giảm chấn rung động và các tấm chắn bảo vệ — những lĩnh vực không đòi hỏi tính chất cơ học cực cao nhưng cần vật liệu bền, ổn định và có nguồn gốc tái chế hoàn toàn.

Kết luận

Nghiên cứu khẳng định cán nguội là một phương pháp tái chế khả thi và bền vững để tạo ra tấm cao su liền khối với 100% hàm lượng tái chế, không cần phụ gia hay gia nhiệt ngoài, chỉ dựa vào nhiệt sinh ra từ ma sát cơ học. Bột hạt càng mịn thì mật độ liên kết ngang, độ cứng và mô đun đàn hồi càng cao. So với thiêu kết nhiệt, cán nguội mang lại sự cân bằng thuận lợi giữa hiệu suất cơ học và nhu cầu năng lượng, đồng thời giữ nguyên 100% hàm lượng tái chế. Đây được xem là một hướng đi khả thi để phát triển công nghệ tái chế lốp xe hết hạn phù hợp với các khung pháp lý mới về vi nhựa, đồng thời góp phần thúc đẩy mục tiêu kinh tế tuần hoàn trong ngành công nghiệp cao su.

Nguồn: Gobetti, A.; Cornacchia, G.; Dey, K.; Ramorino, G. "Impact of Particle Size on Properties of 100% Recycled End-of-Life Tire Rubber Sheets from Calendering." Recycling 2025, 10, 207. https://doi.org/10.3390/recycling10060207 (Giấy phép Creative Commons Attribution CC BY 4.0)
https://doi.org/10.3390/recycling10060207