Nhiệt độ hóa thủy tinh Tg là gì? Phân biệt với nhiệt độ nóng chảy

Nhiệt độ hóa thủy tinh Tg là mốc nhựa chuyển từ cứng giòn sang mềm dẻo, khác nhiệt độ nóng chảy Tm. Hiểu đúng để chọn nhựa PP, PVC cho bồn, ống, thùng.

Cùng là nhựa PP, có lúc tấm nhựa dẻo dai, có lúc lại giòn và dễ nứt khi trời lạnh. Cùng là ống PVC, để ngoài nắng gắt lâu ngày có thể bị cong vênh dù chưa hề chảy lỏng. Phần lớn những hiện tượng này liên quan tới hai mốc nhiệt mà người làm nhựa hay nhắc: nhiệt độ hóa thủy tinh Tg và nhiệt độ nóng chảy Tm.

Hai khái niệm này hay bị gộp chung thành một con số chịu nhiệt chung chung, trong khi chúng mô tả hai chuyện khác hẳn nhau bên trong cấu trúc nhựa. Nắm rõ Tg và Tm giúp chọn đúng vật liệu cho bồn chứa, đường ống hay chi tiết gia công, đồng thời giải thích được nhiều lỗi hỏng tưởng chừng khó hiểu.

Nhiệt độ hóa thủy tinh (Tg) là khoảng nhiệt mà phần vô định hình của nhựa chuyển từ trạng thái cứng, giòn như thủy tinh sang trạng thái mềm, dẻo như cao su, nhưng nhựa vẫn là chất rắn. Nhiệt độ nóng chảy (Tm) là mốc phần tinh thể của nhựa tan ra, vật liệu chuyển sang dạng lỏng nhớt. Với cùng một loại nhựa, Tg luôn thấp hơn Tm; nhựa vô định hình chỉ có Tg, không có Tm rõ ràng.

Nhiệt độ hóa thủy tinh là gì

Nhiệt độ hóa thủy tinh, viết tắt là Tg, là mốc nhiệt mà tại đó các đoạn mạch polymer ở vùng vô định hình bắt đầu cử động được. Dưới Tg, nhựa cứng và dễ giòn vì các mạch phân tử gần như bị khóa chặt tại chỗ. Trên Tg, các đoạn mạch có đủ năng lượng để xoay và trượt nhẹ, nên vật liệu mềm hơn, dẻo hơn và chịu va đập tốt hơn.

Để dễ hình dung, hãy nghĩ polymer như một nắm sợi rất dài xoắn rối vào nhau. Vùng vô định hình là chỗ các sợi nằm lộn xộn, không xếp hàng. Khi lạnh, nắm sợi này đông cứng lại; khi đủ ấm, từng đoạn sợi bắt đầu nhúc nhích, dù cả nắm vẫn giữ nguyên hình dạng. Nếu cần ôn lại cấu tạo mạch phân tử, bài viết polymer là gì giải thích phần nền tảng này khá đầy đủ.

Điểm cần nhớ đầu tiên: qua Tg nhựa không hề chảy lỏng. Vật liệu vẫn là chất rắn, chỉ thay đổi độ cứng, độ đàn hồi và cách phản ứng khi bị uốn, bị nén hoặc bị va đập. Đây là chỗ khác biệt căn bản so với nhiệt độ nóng chảy.

Vì sao gọi là hóa thủy tinh?

Tên gọi xuất phát từ trạng thái của nhựa ở dưới Tg: cứng, giòn, vỡ gọn khi bị va mạnh, giống như tấm kính. Người ta gọi đó là trạng thái thủy tinh, bất kể nhựa trong suốt hay đục màu. Khi vượt qua Tg, nhựa sang trạng thái giống cao su: mềm hơn, uốn được, buông tay thì phần nào hồi lại. Như vậy, chữ thủy tinh ở đây nói về kiểu cứng giòn của vật liệu, không liên quan tới độ trong.

Tg là một điểm hay một khoảng nhiệt?

Trên thực tế, Tg là một khoảng nhiệt hẹp, không phải một điểm sắc nét như nước đá tan. Giá trị Tg ghi trong tài liệu thường là điểm giữa của khoảng chuyển tiếp đó, và có thể lệch nhau tùy phương pháp đo, tốc độ gia nhiệt, độ ẩm của mẫu và loại phụ gia. Vì vậy, khi so sánh Tg của hai loại nhựa, nên lấy số liệu từ cùng một nguồn hoặc cùng phương pháp đo, thay vì ghép số từ nhiều bảng khác nhau.

Hai phương pháp đo hay gặp là nhiệt lượng quét vi sai (DSC), tức ghi lại lượng nhiệt mẫu hấp thụ khi được nung đều, và phân tích cơ nhiệt động (DMA), tức ghi lại độ cứng của mẫu thay đổi theo nhiệt độ. Người dùng không cần tự đo, nhưng biết tên hai phương pháp này sẽ giúp đọc bảng thông số kỹ thuật của nhà sản xuất cho đúng.

Nhiệt độ nóng chảy Tm là gì

Nhiệt độ nóng chảy, viết tắt là Tm, là mốc nhiệt mà các vùng tinh thể trong nhựa bị phá vỡ, vật liệu chuyển từ rắn sang lỏng nhớt. Khác với Tg, qua Tm nhựa mất hẳn hình dạng, có thể chảy vào khuôn hoặc được ép đùn thành ống, thành tấm. Đây là con số mà nhiều tài liệu về khả năng chịu nhiệt của nhựa thường nhắc tới đầu tiên.

Vùng tinh thể là những đoạn mạch polymer xếp song song, nằm khít nhau thành từng khối nhỏ có trật tự. Các khối này giống như những nút thắt chắc giữ khung cho cả vật liệu. Chỉ khi đủ nóng để tháo hết các nút thắt đó, nhựa mới thật sự chảy. Những loại nhựa có nhiều vùng tinh thể như PE, PP thường có Tm khá rõ và tan trong một khoảng nhiệt tương đối hẹp.

Vùng tinh thể và vùng vô định hình

Hầu hết nhựa dùng hằng ngày không kết tinh hoàn toàn. Người ta gọi chúng là nhựa bán tinh thể: trong cùng một chi tiết vừa có vùng tinh thể xếp ngay ngắn, vừa có vùng vô định hình lộn xộn. Vùng vô định hình quyết định Tg, vùng tinh thể quyết định Tm. Tỉ lệ giữa hai vùng gọi là độ kết tinh, phụ thuộc vào cấu trúc mạch, tốc độ làm nguội khi gia công và phụ gia trong công thức.

Lấy ví dụ với PE: loại tỷ trọng cao (HDPE) có mạch ít nhánh, xếp khít nên kết tinh nhiều hơn loại tỷ trọng thấp (LDPE). Nhờ vậy HDPE cứng hơn và chịu nhiệt tốt hơn, còn LDPE mềm và dẻo hơn. Hiểu được điều này, việc đọc bảng phân loại nhựa công nghiệp sẽ dễ hơn nhiều, vì mỗi nhóm nhựa đều được sắp theo cấu trúc mạch và độ kết tinh.

Vì sao nhựa vô định hình không có Tm rõ?

Nhựa vô định hình như PVC cứng, PS hay PC hầu như không có vùng tinh thể, nên không có mốc tan chảy rõ ràng. Khi nung, chúng chỉ mềm dần sau khi vượt Tg, càng nóng càng nhão rồi mới chảy. Với nhóm nhựa này, Tg mới là mốc giới hạn sử dụng, còn khoảng nhiệt gia công được xác định theo độ nhớt chứ không theo một điểm nóng chảy cụ thể. Riêng PVC còn khá nhạy với nhiệt, nung quá tay dễ bị phân hủy, nên khoảng nhiệt gia công tương đối hẹp.

Tg và Tm khác nhau thế nào

Tóm gọn một câu: Tg là mốc mềm ra, Tm là mốc chảy ra. Tg gắn với vùng vô định hình và làm thay đổi tính chất cơ học; Tm gắn với vùng tinh thể và làm vật liệu đổi pha từ rắn sang lỏng. Với cùng một loại nhựa, Tg luôn thấp hơn Tm. Bảng dưới đây gom các điểm khác biệt chính để tiện tra cứu.

Một điểm dễ nhầm là nghĩ rằng nhựa chỉ hỏng khi gần tới Tm. Thực tế, với nhựa vô định hình, chi tiết có thể võng ngay gần Tg, sớm hơn nhiều so với lúc chảy lỏng. Ngược lại, với nhựa bán tinh thể có Tg thấp, ở nhiệt độ phòng nhựa đã nằm trên Tg nên dẻo dai, còn vùng tinh thể giữ cho chi tiết đứng vững cho tới khi tiến gần Tm.

Nhựa nào có cả Tg và Tm?

Nhựa bán tinh thể như PE, PP, PA, PET có cả hai mốc: Tg nằm dưới, Tm nằm trên. Nhựa vô định hình như PVC cứng, PS, PC, PMMA chỉ có Tg rõ ràng. Nhựa nhiệt rắn như epoxy hay polyester không no dùng trong composite có Tg nhưng không có Tm, vì mạch đã liên kết chéo thành mạng lưới; nung quá nóng thì chúng cháy, phân hủy chứ không chảy. Sự khác nhau về cấu trúc mạng này được giải thích kỹ trong bài nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn.

Tg có giống nhiệt độ chịu nhiệt trên catalogue?

Không hẳn. Nhiệt độ làm việc tối đa trên catalogue thường được nhà sản xuất xác định từ nhiều phép thử, như nhiệt độ biến dạng dưới tải (HDT) hay nhiệt độ hóa mềm Vicat, cộng thêm hệ số an toàn và thời gian sử dụng dự kiến. Tg là đặc tính của bản thân polymer, còn nhiệt độ làm việc là con số dành cho sản phẩm cụ thể. Hai con số có liên quan nhưng không thay thế được cho nhau.

Tg ảnh hưởng gì khi dùng nhựa

Khi chọn nhựa cho một sản phẩm, câu hỏi thực tế nhất là: ở nhiệt độ sử dụng, vật liệu đang nằm dưới hay trên Tg? Câu trả lời cho biết nhựa sẽ cứng giòn hay dẻo dai, có dễ nứt khi va đập hay dễ biến dạng khi chịu tải lâu ngày. Cùng một tấm nhựa, đặt trong kho mát và đặt trên sân thượng mùa hè có thể cho kết quả rất khác.

Vì sao PP có thể giòn khi trời lạnh?

PP đồng nhất có Tg chỉ thấp hơn nhiệt độ phòng không nhiều. Khi trời lạnh, nhiệt độ tiến sát Tg, phần vô định hình của PP cứng lại, khả năng hấp thụ va đập giảm, nên thùng hay tấm PP dễ nứt hơn nếu bị va mạnh hoặc rơi xuống nền cứng. Đó là lý do nhà sản xuất có các dòng PP copolymer pha thêm thành phần giống cao su để tăng độ dai khi lạnh. Với PE, Tg nằm sâu dưới mức nhiệt thường gặp, nên PE giữ độ dẻo cả khi trời rét.

Ở Hà Nội và các tỉnh phía Bắc, mùa đông lạnh hơn hẳn mùa hè, nên bồn, thùng đặt ngoài trời cần tính tới điểm này khi chọn vật liệu. Các dòng bồn bể nhựa PP, PVC, PE vì thế không nên chọn chỉ dựa trên giá hay độ dày, mà cần xét cả môi trường đặt bồn, loại chất chứa và biên độ nhiệt trong năm.

Vì sao PVC cứng dễ võng khi nóng?

PVC cứng là nhựa vô định hình có Tg cao hơn nhiệt độ phòng, nên ở điều kiện thường nó cứng và giữ dáng tốt. Tuy nhiên, khoảng cách giữa nhiệt độ sử dụng và Tg của PVC không lớn. Khi gặp nước nóng, hơi nóng hoặc nằm dưới nắng gắt lâu ngày, như đoạn ống chạy trên mái tôn, chi tiết PVC có thể mềm, võng hoặc biến dạng dù chưa hề chảy. Vì vậy, PVC cứng không hợp môi trường nóng kéo dài; trường hợp này nên cân nhắc PP hoặc vật liệu khác theo tư vấn kỹ thuật.

Chất hóa dẻo làm thay đổi Tg thế nào?

Chất hóa dẻo là phụ gia chen vào giữa các mạch polymer, giúp mạch dễ cử động hơn, nhờ đó hạ Tg xuống thấp hơn. PVC dẻo dùng làm ống mềm, màng hay vỏ bọc dây điện chính là PVC đã được thêm chất hóa dẻo để Tg thấp hơn nhiệt độ sử dụng. Cùng một gốc nhựa, chỉ cần đổi công thức phụ gia là ra vật liệu cứng hay mềm khác nhau.

Chiều ngược lại cũng xảy ra. Khi chất hóa dẻo thất thoát dần theo năm tháng, hoặc khi mạch polymer bị ánh nắng làm hư hại, nhựa có xu hướng cứng và giòn hơn ban đầu. Hiện tượng lão hóa do ánh nắng được bàn riêng trong bài nhựa bị giòn do tia UV, vì nguyên nhân và cách phòng tránh khác với chuyện Tg.

Ứng dụng khi chọn và gia công nhựa

Tg và Tm không chỉ là con số trong phòng thí nghiệm. Người đặt hàng, kỹ sư thiết kế và thợ gia công đều dùng hai mốc này hằng ngày, dù có khi không gọi đúng tên. Đặt đúng nhiệt độ sử dụng và nhiệt độ gia công vào vị trí so với Tg, Tm giúp tránh phần lớn lỗi về độ bền nhiệt.

Khi chọn vật liệu cho bồn, ống, thùng

• Nhiệt độ thấp nhất: so với Tg để biết nhựa có giòn đi khi trời lạnh hay không.
• Nhiệt độ cao nhất: với nhựa vô định hình, so với Tg; với nhựa bán tinh thể, so với nhiệt độ làm việc tối đa nhà sản xuất khuyến cáo, vốn thấp hơn Tm khá nhiều.
• Tải trọng lâu dài: chi tiết chịu lực liên tục như thành bồn chứa đầy chất lỏng dễ bị rão, tức biến dạng chậm theo thời gian, khi nhiệt độ tăng.
• Hóa chất tiếp xúc: một số dung môi làm nhựa trương nở, kéo Tg xuống và khiến vật liệu mềm đi.

Với bồn chứa hóa chất nóng hay đường dẫn khí có nhiệt độ cao, việc chọn đúng vật liệu càng quan trọng. Các hệ xử lý khí thải hay tuyến ống, máng, nẹp nhựa PP/PVC/PE đều cần đối chiếu nhiệt độ thực tế với đặc tính nhiệt của từng loại nhựa ngay từ khâu thiết kế.

Khi gia công: hàn, uốn, ép

Trong gia công, Tg và Tm cho biết nên làm nóng nhựa tới đâu. Hàn nhựa PP, PE cần đưa bề mặt lên trên Tm để hai mặt chảy ra và quyện vào nhau. Uốn nóng tấm PVC chỉ cần nung qua Tg rồi uốn theo khuôn, để nguội là tấm cứng lại theo dáng mới, không cần đưa tới trạng thái chảy. Ép phun và ép đùn thì phải đưa nhựa vào trạng thái lỏng nhớt, và độ dễ chảy lúc đó được đánh giá bằng chỉ số chảy MFI. Chi tiết từng công nghệ có trong bài các phương pháp gia công nhựa.

Tốc độ làm nguội sau gia công cũng ảnh hưởng nhiều tới sản phẩm. Nguội quá nhanh, nhựa bán tinh thể có ít thời gian kết tinh, dễ co ngót không đều và để lại ứng suất dư bên trong, về sau có thể gây cong vênh hoặc nứt. Vì vậy, các xưởng gia công nhựa theo yêu cầu phải kiểm soát nhiệt độ ở cả lúc nung lẫn lúc để nguội.

Sai lầm thường gặp

• Coi Tg và Tm là một, rồi chọn nhựa vô định hình cho môi trường nóng chỉ vì thấy nhiệt độ chảy cao.
• Chỉ nhìn nhiệt độ cao nhất mà quên nhiệt độ thấp nhất, dẫn tới thùng PP nứt khi bị va đập vào mùa lạnh.
• Ghép số Tg từ nhiều nguồn đo khác nhau để so sánh, trong khi phương pháp đo đã làm lệch kết quả.
• Nghĩ nhựa nhiệt rắn có thể nung chảy lại để hàn hay tái tạo hình như nhựa nhiệt dẻo.

Câu hỏi thường gặp về Tg và Tm

Tg cao hay thấp thì tốt hơn?

Không có mức Tg tốt hay xấu tuyệt đối. Nhựa cần cứng, giữ dáng ở nhiệt độ cao thì Tg nên nằm trên nhiệt độ sử dụng khá xa. Nhựa cần dẻo dai, chịu va đập ở nhiệt độ thường hoặc khi lạnh thì Tg nên nằm dưới nhiệt độ sử dụng. Điều quyết định là vị trí của Tg so với điều kiện làm việc thực tế của sản phẩm.

Composite có nhiệt độ hóa thủy tinh không?

Có. Vật liệu composite gồm sợi gia cường và nhựa nền, thường là nhựa nhiệt rắn. Tg của nhựa nền cho biết khi nào lớp nhựa bắt đầu mềm, làm giảm khả năng truyền lực giữa các sợi. Vì vậy, khi dùng bồn bể composite chứa chất lỏng nóng, cần chọn loại nhựa nền có đặc tính nhiệt phù hợp với nhiệt độ làm việc.

Có dùng được nhựa ở trên Tg không?

Được, và rất phổ biến. PE và PP ở nhiệt độ phòng đã nằm trên Tg của chúng, nhờ vậy dẻo dai, không giòn như kính. Vùng tinh thể giữ cho chi tiết vững hình dạng. Với nhựa vô định hình thì khác: vượt qua Tg là vật liệu mềm đi rõ rệt, nên không dùng làm chi tiết chịu lực ở nhiệt độ đó.

Làm sao biết Tg của một loại nhựa?

Cách tin cậy nhất là xem bảng dữ liệu kỹ thuật của nhà sản xuất hạt nhựa hoặc tấm nhựa, nơi thường ghi Tg, Tm cùng phương pháp đo. Nếu cần kiểm tra mẫu thực tế, phòng thí nghiệm vật liệu có thể đo bằng DSC hoặc DMA. Nên tránh lấy một con số trôi nổi rồi áp cho mọi mác nhựa cùng tên.

Tg có thay đổi theo thời gian không?

Có thể thay đổi. Một số loại nhựa như PA hút ẩm, nước len vào giữa các mạch làm Tg giảm. Nhựa có chất hóa dẻo, khi phụ gia thất thoát dần, Tg lại tăng lên và vật liệu cứng hơn. Nhiệt độ, hóa chất và lão hóa lâu dài cũng làm tính chất nhiệt lệch khỏi thông số lúc mới sản xuất.

Những điểm cần nhớ

Tg và Tm là hai mốc nhiệt khác nhau về bản chất, và nhầm lẫn giữa chúng là nguyên nhân của không ít lỗi chọn vật liệu. Khi đã hiểu, việc đọc thông số và chọn nhựa cho từng điều kiện làm việc trở nên rõ ràng hơn nhiều.

• Tg là mốc nhựa mềm ra: phần vô định hình chuyển từ cứng giòn sang dẻo, nhựa vẫn là chất rắn.
• Tm là mốc nhựa chảy ra: phần tinh thể tan, vật liệu thành lỏng nhớt.
• Tg luôn thấp hơn Tm: nhựa vô định hình và nhựa nhiệt rắn chỉ có Tg rõ ràng.
• So nhiệt độ sử dụng với Tg: để biết nhựa giòn khi lạnh hay võng khi nóng.
• Gia công theo đúng mốc: uốn nóng qua Tg, hàn và ép trên Tm.

MTV Plastic với hơn 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực gia công nhựa chuyên nghiệp tại Hà Nội sẵn sàng hỗ trợ chọn vật liệu phù hợp với nhiệt độ làm việc của từng công trình. Liên hệ hotline 0918.710.622 để được tư vấn và đặt hàng sản phẩm nhựa PP, PVC, PE chất lượng cao.