Trong bối cảnh công nghiệp phát triển nhanh chóng ngày nay, vật liệu nhựa đã trở thành một thành phần không thể thiếu nhờ hiệu suất vượt trội và phạm vi ứng dụng rộng rãi. Chúng không chỉ phổ biến trong cuộc sống hàng ngày mà còn đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp công nghệ cao, thiết bị y tế, sản xuất ô tô, hàng không vũ trụ, v.v. Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học vật liệu, sự đa dạng và hiệu suất của vật liệu nhựa ngày càng tăng, mang đến cho các kỹ sư và nhà thiết kế nhiều lựa chọn và thách thức hơn. Làm thế nào để chọn vật liệu nhựa phù hợp nhất trong vô số lựa chọn cho một ứng dụng cụ thể đã trở thành một vấn đề phức tạp nhưng quan trọng. Bài viết này nhằm mục đích cung cấp hướng dẫn toàn diện giúp người đọc hiểu các tính chất cơ bản của vật liệu nhựa, kỹ thuật xử lý, yêu cầu về hiệu suất, và cách chúng tác động đến hiệu suất và giá thành của sản phẩm cuối cùng. Chúng tôi sẽ thảo luận về các đặc tính hóa học và vật lý của các vật liệu nhựa khác nhau, phân tích hiệu suất của chúng trong các điều kiện ứng dụng và môi trường khác nhau, đồng thời đưa ra lời khuyên lựa chọn thực tế. Bằng việc đi sâu vào quá trình lựa chọn chất liệu nhựa, chúng tôi hy vọng có thể hỗ trợ người đọc đưa ra những quyết định sáng suốt trong giai đoạn thiết kế và phát triển sản phẩm, đảm bảo độ tin cậy, độ bền và hiệu quả kinh tế của sản phẩm. Sau lời nói đầu này, chúng ta sẽ bắt tay vào một cuộc hành trình vào thế giới vật liệu nhựa, khám phá bí mật của chúng và học cách áp dụng kiến thức này vào thiết kế sản phẩm thực tế. Dù bạn là một kỹ sư giàu kinh nghiệm hay là người mới tham gia vào lĩnh vực khoa học vật liệu, chúng tôi hy vọng rằng bài viết này sẽ cung cấp cho bạn những thông tin và cảm hứng quý giá. Chúng ta hãy cùng nhau bắt đầu hành trình khám phá những bí ẩn trong việc lựa chọn chất liệu nhựa.
Lựa chọn vật liệu nhựa
Cho đến nay, hơn mười nghìn loại nhựa đã được báo cáo, trong đó có hàng nghìn loại được sản xuất công nghiệp. Việc lựa chọn vật liệu nhựa bao gồm việc chọn loại thích hợp từ vô số loại nhựa. Thoạt nhìn, vô số loại nhựa có sẵn có thể Tuy nhiên, không phải loại nhựa nào cũng được ứng dụng rộng rãi. Việc lựa chọn nguyên liệu nhựa mà chúng tôi đề cập đến không phải là tùy tiện mà được chắt lọc trong phạm vi các loại nhựa thông dụng.
Nguyên tắc lựa chọn vật liệu nhựa:
I.Khả năng thích ứng của vật liệu nhựa
• Hiệu suất so sánh của các vật liệu khác nhau;
• Điều kiện không phù hợp cho việc lựa chọn nhựa;
• Điều kiện phù hợp cho việc lựa chọn nhựa.
II.Tính năng của sản phẩm nhựa
Điều kiện sử dụng sản phẩm nhựa:
a.Ứng suất cơ học trên các sản phẩm nhựa;
b.Tính chất điện của sản phẩm nhựa;
c.Yêu cầu về độ chính xác về kích thước của sản phẩm nhựa;
d.Yêu cầu về độ thấm của sản phẩm nhựa;
e.Yêu cầu minh bạch của sản phẩm nhựa;
f.Yêu cầu về ngoại hình của sản phẩm nhựa.
Môi trường sử dụng sản phẩm nhựa:
a.Nhiệt độ môi trường xung quanh;
b. Độ ẩm xung quanh;
c.Liên hệ với phương tiện truyền thông;
d.Ánh sáng, oxy và bức xạ trong môi trường.
III.Hiệu suất xử lý của nhựa
• Khả năng gia công của nhựa;
• Chi phí gia công nhựa;
• Chất thải phát sinh trong quá trình chế biến nhựa.
IV.Giá thành sản phẩm nhựa
• Giá nguyên liệu nhựa;
• Tuổi thọ của sản phẩm nhựa;
• Chi phí bảo trì sản phẩm nhựa.
Trong quá trình lựa chọn thực tế, một số loại nhựa có đặc tính rất giống nhau nên khó lựa chọn. Việc lựa chọn loại nào phù hợp hơn đòi hỏi phải xem xét nhiều mặt và cân nhắc nhiều lần trước khi đưa ra quyết định. Do đó, việc lựa chọn vật liệu nhựa là một công việc rất phức tạp. nhiệm vụ và không có quy tắc rõ ràng nào để tuân theo. Một điều cần lưu ý là dữ liệu hiệu suất của vật liệu nhựa được trích dẫn từ nhiều sách và ấn phẩm khác nhau được đo trong các điều kiện cụ thể, có thể khác biệt đáng kể so với điều kiện làm việc thực tế.
Các bước lựa chọn vật liệu:
Khi đối mặt với các bản vẽ thiết kế của sản phẩm cần phát triển, việc lựa chọn vật liệu phải tuân theo các bước sau:
• Đầu tiên, xác định xem sản phẩm có thể được sản xuất bằng vật liệu nhựa hay không;
• Thứ hai, nếu xác định được vật liệu nhựa có thể sử dụng để sản xuất thì việc lựa chọn vật liệu nhựa nào sẽ là yếu tố cần cân nhắc tiếp theo.
Lựa chọn vật liệu nhựa dựa trên độ chính xác của sản phẩm:
Các loại vật liệu nhựa có sẵn chính xác
1 Không có
2 Không có
3 PS, ABS, PMMA, PC, PSF, PPO, PF, AF, EP, UP, F4, UHMW, PE Nhựa gia cường 30%GF (Nhựa gia cường 30%GF có độ chính xác cao nhất)
4 loại PA, polyether clo hóa, HPVC, v.v.
5 POM, PP, HDPE, v.v.
6 SPVC, LDPE, LLDPE, v.v.
Các chỉ số đo khả năng chịu nhiệt của sản phẩm nhựa:
Các chỉ số thường được sử dụng là nhiệt độ lệch nhiệt, nhiệt độ chịu nhiệt Martin và điểm làm mềm Vicat, trong đó nhiệt độ lệch nhiệt được sử dụng phổ biến nhất.
Hiệu suất chịu nhiệt của nhựa thông thường (Chưa sửa đổi):
Vật liệu Nhiệt độ lệch nhiệt Điểm làm mềm Vicat Nhiệt độ chịu nhiệt Martin
HDPE 80oC 120oC -
LDPE 50oC 95oC -
EVA - 64oC -
PP 102oC 110oC -
PS 85oC 105oC -
PMMA 100oC 120oC -
PTFE 260oC 110oC -
ABS 86oC 160oC 75oC
PSF 185oC 180oC 150oC
POM 98oC 141oC 55oC
PC 134oC 153oC 112oC
PA6 58oC 180oC 48oC
PA66 60oC 217oC 50oC
PA1010 55oC 159oC 44oC
PET 70oC - 80oC
PBT 66oC 177oC 49oC
PPS 240oC - 102oC
PPO 172oC - 110oC
PI 360oC 300oC -
LCP 315oC - -
Nguyên tắc lựa chọn nhựa chịu nhiệt:
• Xét mức độ chịu nhiệt:
a.Đáp ứng các yêu cầu về khả năng chịu nhiệt mà không chọn quá cao, vì nó có thể làm tăng chi phí;
b.Tốt nhất là sử dụng nhựa thông thường đã được biến tính. Nhựa chịu nhiệt chủ yếu thuộc về nhựa đặc biệt, đắt tiền; nhựa thông thường tương đối rẻ hơn;
c.Tốt nhất là sử dụng nhựa thông thường có biên độ biến đổi khả năng chịu nhiệt lớn.
• Xem xét các yếu tố môi trường chịu nhiệt:
a.Khả năng chịu nhiệt tức thời và lâu dài;
b.Khả năng chịu nhiệt khô và ướt;
c.Khả năng chống ăn mòn trung bình;
d.Oxygen và khả năng chịu nhiệt không có oxy;
e.Tải và chịu nhiệt không tải.
Biến đổi khả năng chịu nhiệt của nhựa:
Sửa đổi khả năng chịu nhiệt đầy:
Hầu hết các chất độn khoáng vô cơ, ngoại trừ vật liệu hữu cơ, có thể cải thiện đáng kể nhiệt độ chịu nhiệt của nhựa. Các chất độn chịu nhiệt phổ biến bao gồm: canxi cacbonat, hoạt thạch, silica, mica, đất sét nung, alumina và amiăng. Kích thước hạt càng nhỏ chất độn thì hiệu quả sửa đổi càng tốt.
• Chất độn nano:
• PA6 chứa 5% nano montmorillonite, nhiệt độ phân tán nhiệt có thể tăng từ 70°C lên 150°C;
• PA6 chứa đầy 10% meerschaum nano, nhiệt độ phân tán nhiệt có thể tăng từ 70°C lên 160°C;
• PA6 chứa 5% mica tổng hợp, nhiệt độ biến dạng nhiệt có thể tăng từ 70°C lên 145°C.
• Chất độn thông thường:
• PBT chứa 30% bột talc, nhiệt độ chuyển nhiệt có thể tăng từ 55°C lên 150°C;
• PBT chứa 30% mica, nhiệt độ biến dạng nhiệt có thể tăng từ 55°C lên 162°C.
Sửa đổi khả năng chịu nhiệt tăng cường:
Tăng cường khả năng chịu nhiệt của nhựa thông qua sửa đổi cốt thép thậm chí còn hiệu quả hơn so với làm đầy. Các loại sợi chịu nhiệt phổ biến chủ yếu bao gồm: sợi amiăng, sợi thủy tinh, sợi carbon, râu và poly.
• Nhựa tinh thể được gia cố bằng sợi thủy tinh 30% để cải thiện khả năng chịu nhiệt:
• Nhiệt độ tản nhiệt của PBT tăng từ 66°C lên 210°C;
• Nhiệt độ phân tán nhiệt của PET tăng từ 98°C lên 238°C;
• Nhiệt độ biến dạng nhiệt của PP tăng từ 102°C lên 149°C;
• Nhiệt độ biến dạng nhiệt của HDPE tăng từ 49°C lên 127°C;
• Nhiệt độ tản nhiệt của PA6 tăng từ 70°C lên 215°C;
• Nhiệt độ tản nhiệt của PA66 tăng từ 71°C lên 255°C;
• Nhiệt độ tản nhiệt của POM tăng từ 110°C lên 163°C;
• Nhiệt độ tản nhiệt của PEEK tăng từ 230°C lên 310°C.
• Nhựa vô định hình được gia cố bằng sợi thủy tinh 30% để cải thiện khả năng chịu nhiệt:
• Nhiệt độ tản nhiệt của PS được nâng từ 93°C lên 104°C;
• Nhiệt độ tản nhiệt của PC tăng từ 132°C lên 143°C;
• Nhiệt độ tản nhiệt của AS tăng từ 90°C lên 105°C;
• Nhiệt độ phân tán nhiệt của ABS tăng từ 83°C lên 110°C;
• Nhiệt độ tản nhiệt của PSF được nâng từ 174°C lên 182°C;
• Nhiệt độ tản nhiệt của MPPO được nâng từ 130°C lên 155°C.
Sửa đổi khả năng chịu nhiệt trộn nhựa
Trộn nhựa để tăng cường khả năng chịu nhiệt bao gồm việc kết hợp các loại nhựa chịu nhiệt cao vào các loại nhựa chịu nhiệt thấp, do đó làm tăng khả năng chịu nhiệt của chúng. Mặc dù sự cải thiện về khả năng chịu nhiệt không đáng kể như đạt được bằng cách thêm các chất biến tính chịu nhiệt, nhưng ưu điểm là nó không ảnh hưởng đáng kể đến tính chất ban đầu của vật liệu đồng thời tăng cường khả năng chịu nhiệt.
• ABS/PC: Nhiệt độ tản nhiệt có thể tăng từ 93°C lên 125°C;
• ABS/PSF(20%): Nhiệt độ biến dạng nhiệt có thể đạt tới 115°C;
• HDPE/PC(20%): Điểm hóa mềm Vicat có thể tăng từ 124°C lên 146°C;
• PP/CaCo3/EP: Nhiệt độ phân tán nhiệt có thể tăng từ 102°C lên 150°C.
Sửa đổi khả năng chịu nhiệt liên kết ngang bằng nhựa
Nhựa liên kết ngang để cải thiện khả năng chịu nhiệt thường được sử dụng trong ống và cáp chịu nhiệt.
• HDPE: Sau khi xử lý liên kết ngang bằng silane, nhiệt độ biến dạng nhiệt của nó có thể tăng từ 70°C ban đầu lên 90-110°C;
• PVC: Sau khi liên kết ngang, nhiệt độ biến dạng nhiệt của nó có thể tăng từ 65°C ban đầu lên 105°C.
Lựa chọn cụ thể các loại nhựa trong suốt
I.Sử dụng tài liệu trong suốt hàng ngày:
• Màng trong suốt: Bao bì sử dụng PE, PP, PS, PVC, PET, v.v., bao bì nông nghiệp sử dụng PE, PVC, PET, v.v.;
• Tấm và tấm trong suốt: Sử dụng PP, PVC, PET, PMMA và PC, v.v.;
• Ống trong suốt: Sử dụng PVC, PA, v.v.;
• Chai trong suốt: Sử dụng nhựa PVC,PET,PP,PS,PC,..
II.Vật liệu thiết bị chiếu sáng:
Chủ yếu được sử dụng làm bóng đèn, PS thường được sử dụng, PS sửa đổi, AS, PMMA và PC.
III.Vật liệu dụng cụ quang học:
• Thân ống kính cứng:Chủ yếu sử dụng CR-39 và JD;
• Kính áp tròng:Thường dùng Hema.
IV.Vật liệu giống thủy tinh:
• Kính ô tô:Thường dùng PMMA và PC;
• Kính kiến trúc:Thường sử dụng PVF và PET.
V.Vật liệu năng lượng mặt trời:
Thường được sử dụng PMMA, PC, GF-UP, FEP, PVF và SI, v.v.
VI.Vật liệu sợi quang:
Lớp lõi sử dụng PMMA hoặc PC, và lớp bọc là polyme fluoro-olefin, loại metyl metacryit flo hóa.
VII.CD Vật liệu:
PC và PMMA thường được sử dụng.
VIII.Vật liệu đóng gói trong suốt:
PMMA, FEP, EVA, EMA, PVB được làm cứng bề mặt, v.v.
Lựa chọn vật liệu cụ thể cho các mục đích khác nhau của nhà ở
• Vỏ TV:
• Kích thước nhỏ: PP biến tính;
• Kích thước trung bình: Hợp kim PP, HIPS, ABS và PVC/ABS biến tính;
• Kích thước lớn: ABS.
• Tấm lót cửa tủ lạnh và tấm lót bên trong:
• Thường sử dụng bảng HIPS, bảng ABS và bảng tổng hợp HIPS/ABS;
• Hiện nay, ABS là vật liệu chính, chỉ có tủ lạnh Haier sử dụng HIPS đã được cải tiến.
• Máy giặt:
• Xô và vỏ bên trong chủ yếu sử dụng nhựa PP, một lượng nhỏ sử dụng hợp kim PVC/ABS.
• Máy điều hòa:
• Sử dụng nhựa ABS,AS,PP gia cố.
• Quạt điện:
• Sử dụng ABS,AS,GPPS.
• Máy hút bụi:
• Sử dụng ABS,HIPS,PP cải tiến.
• Sắt:
• Không chịu nhiệt: PP biến tính;
• Chịu nhiệt: ABS,PC,PA,PBT,v.v.
• Lò vi sóng và nồi cơm điện:
• Không chịu nhiệt: PP và ABS biến tính;
• Chịu nhiệt: PES,PEEK,PPS,LCP,v.v.
• Radio, Máy ghi âm, Máy ghi video:
• Sử dụng ABS, HIPS, v.v.
• Điện thoại:
• Sử dụng ABS,HIPS,PP biến tính,PVC/ABS,v.v.
