Độ kết tinh của nhựa: ảnh hưởng đến độ bền, độ trong và chịu nhiệt

Độ kết tinh của nhựa quyết định độ cứng, độ trong và khả năng chịu nhiệt. Tìm hiểu vì sao PP, PE, PET khác nhau và cách chọn nhựa phù hợp cho bồn, thùng.

Cùng là nhựa, nhưng tấm HDPE làm bồn thì đục và cứng, chai nước suối PET lại trong veo, còn màng bọc thực phẩm thì mềm và dai. Khác biệt đó không chỉ nằm ở tên loại nhựa. Nó còn đến từ cách các mạch phân tử sắp xếp bên trong vật liệu.

Đứng sau chuyện này là độ kết tinh của nhựa. Nắm được khái niệm này, bạn sẽ hiểu vì sao PP, PE và PET phản ứng khác nhau khi chịu lực, gặp nhiệt hay ánh sáng chiếu qua. Từ đó, việc chọn vật liệu cho bồn, thùng hay chi tiết gia công cũng sát nhu cầu thực tế hơn.

Độ kết tinh của nhựa là tỷ lệ phần mạch polymer xếp thành vùng trật tự, gọi là vùng tinh thể, trong toàn bộ khối nhựa. Độ kết tinh càng cao thì nhựa thường càng cứng, kháng hóa chất tốt hơn và giữ hình dạng tốt hơn khi nóng, nhưng dễ đục và co ngót nhiều hơn. Độ kết tinh thấp cho nhựa trong hơn, dẻo dai hơn nhưng mềm nhanh khi nhiệt độ tăng.

Độ kết tinh của nhựa là gì?

Nhựa được tạo từ polymer, tức là những mạch phân tử rất dài gồm nhiều đơn vị giống nhau nối liền. Khi nhựa nguội đi từ trạng thái nóng chảy, các mạch này nằm theo hai kiểu. Một phần xếp song song, khít nhau thành từng lớp gọn gàng. Phần còn lại rối vào nhau như mớ dây điện bị vò. Phần xếp gọn gọi là vùng tinh thể, phần rối gọi là vùng vô định hình.

Độ kết tinh là tỷ lệ vùng tinh thể trong tổng khối nhựa, thường tính theo phần trăm khối lượng. Con số này không cố định theo tên nhựa mà thay đổi theo mác nguyên liệu, cách gia công và điều kiện làm nguội. Cùng một loại hạt PP, đúc ra hai sản phẩm với hai chế độ làm nguội khác nhau có thể cho hai mức kết tinh khác nhau. Nếu cần bức tranh tổng quan về các nhóm vật liệu trước khi đi sâu, bạn có thể xem bài phân loại nhựa công nghiệp.

Vùng tinh thể và vùng vô định hình khác nhau thế nào?

Ở vùng tinh thể, các mạch xếp chặt nên lực hút giữa chúng mạnh, khó bị tách rời. Vùng này cứng, đặc và chỉ chảy ra khi đạt tới nhiệt độ nóng chảy. Ở vùng vô định hình, mạch rối và khoảng trống giữa các mạch lớn hơn, nên mạch dễ cử động. Nhờ vậy vật liệu có tính dẻo và hấp thụ được va đập.

Trong khối nhựa, hai vùng này đan xen nhau. Các lớp tinh thể mỏng thường mọc tỏa ra từ một tâm, tạo thành cấu trúc hình cầu gọi là cầu tinh thể (spherulite). Xen giữa các lớp tinh thể là vùng vô định hình, giống như lớp đệm mềm. Sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm này làm nên tính cách riêng của từng loại nhựa.

Vì sao nhựa không kết tinh hoàn toàn?

Mạch polymer quá dài và dễ quấn vào nhau, nên khi nguội không thể duỗi thẳng và xếp hàng toàn bộ. Luôn có những đoạn mạch bị kẹt, những đầu mạch hay nhánh phụ chen ngang, không vào được mạng tinh thể. Vì thế nhựa kết tinh tốt nhất vẫn chỉ là nhựa bán tinh thể, tức là có đủ cả hai vùng.

Có nhóm nhựa gần như không kết tinh, gọi là nhựa vô định hình, ví dụ PVC thông thường, PS hay PC. Nhóm PE, PP, PA và PET ở dạng phù hợp thuộc nhóm bán tinh thể. Cách chia này khác với cách chia nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn: cách chia kia xét mạch có liên kết ngang hay không, còn độ kết tinh nói về mức xếp trật tự của mạch bên trong nhựa nhiệt dẻo.

Để đo độ kết tinh, phòng thí nghiệm thường dùng phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai (DSC), tức là đo nhiệt lượng nhựa hấp thụ khi phần tinh thể nóng chảy. Ngoài ra còn có nhiễu xạ tia X, hoặc suy ra từ khối lượng riêng vì vùng tinh thể đặc hơn vùng vô định hình. Ngoài xưởng, người làm nghề nhìn gián tiếp qua độ đục, độ cứng và mức co ngót của sản phẩm.

Yếu tố quyết định mức kết tinh

Độ kết tinh chịu tác động của hai nhóm yếu tố: bản chất mạch polymer và quá trình gia công. Nhóm đầu quyết định nhựa có khả năng kết tinh tới đâu. Nhóm sau quyết định sản phẩm thực tế đạt được bao nhiêu trong khả năng đó.

Cấu trúc mạch ảnh hưởng như thế nào?

Mạch càng đều đặn càng dễ kết tinh. PE có mạch đơn giản nhất, chỉ gồm carbon và hydro, nên xếp hàng rất dễ. Tuy vậy, số nhánh phụ trên mạch khác nhau giữa các loại PE. HDPE ít nhánh nên mạch xếp khít, kết tinh cao, cứng và đặc hơn. LDPE nhiều nhánh đan xen, mạch khó xếp, nên kết tinh thấp hơn, mềm và dẻo hơn. Đó là lý do túi mỏng hay làm từ LDPE, còn can, bồn lại hay dùng HDPE.

Với PP, yếu tố quyết định là cách nhóm metyl gắn trên mạch. Khi các nhóm này nằm cùng một phía một cách đều đặn, gọi là PP đẳng cấu (isotactic), mạch xếp được thành tinh thể và cho nhựa cứng, chịu nhiệt. Khi chúng nằm lộn xộn, PP gần như không kết tinh, mềm dính và ít giá trị làm chi tiết chịu lực. PP thương mại dùng làm bồn, tấm và thùng chủ yếu là loại đẳng cấu.

PET có vòng thơm cồng kềnh trên mạch nên kết tinh chậm hơn PE và PP nhiều. Nhờ kết tinh chậm, PET có thể được làm nguội nhanh để giữ trạng thái gần như vô định hình, hoặc được ủ nhiệt để kết tinh cao. Tính linh hoạt này giải thích vì sao cùng là PET mà vừa làm được chai trong suốt, vừa làm được khay chịu nhiệt màu đục.

Gia công và làm nguội tác động thế nào?

Kết tinh cần thời gian và cần nhiệt độ nằm giữa nhiệt độ hóa thủy tinh và nhiệt độ nóng chảy. Làm nguội chậm cho kết tinh cao hơn và cầu tinh thể to hơn. Làm nguội nhanh thì mạch bị đông cứng trước khi kịp xếp hàng. Với tấm dày hay chi tiết thành dày, lớp ngoài sát khuôn nguội nhanh còn phần lõi nguội chậm, nên độ kết tinh ở bề mặt và ở lõi có thể chênh nhau.

Ngoài nhiệt, kéo giãn cũng thúc đẩy kết tinh. Khi màng hoặc phôi chai bị kéo, mạch duỗi ra và xếp theo hướng kéo, gọi là định hướng. Nhà sản xuất còn dùng chất tạo mầm, là phụ gia tạo sẵn những điểm để tinh thể bắt đầu mọc, giúp nhựa kết tinh nhanh với cầu tinh thể nhỏ và đều. Ủ nhiệt sau gia công cũng làm phần tinh thể tăng thêm.

Nguồn nguyên liệu cũng đáng để ý. Nhựa qua nhiều lần nóng chảy có thể bị đứt mạch, lẫn tạp chất hoặc pha trộn nhiều loại, khiến hành vi kết tinh khó đoán hơn. Khi so sánh nhựa nguyên sinh và nhựa tái chế cho sản phẩm cần tính chất ổn định, đây là điểm nên cân nhắc.

Ảnh hưởng đến độ bền và độ cứng

Nhìn chung, độ kết tinh cao làm nhựa cứng hơn và chịu kéo tốt hơn, vì vùng tinh thể giống những khối neo giữ các mạch lại với nhau. Nhưng độ bền của nhựa không chỉ là một con số. Cứng, dai, chịu va đập và chịu hóa chất là những tính chất khác nhau, và độ kết tinh tác động lên mỗi tính chất theo một kiểu.

Kết tinh cao thì nhựa cứng hơn hay giòn hơn?

Thường là cả hai, tùy mức độ. Khi phần tinh thể tăng, mô đun đàn hồi (mức chống biến dạng khi chịu lực) và độ bền kéo tăng theo, nên sản phẩm ít bị võng, ít bị bóp méo. Tấm HDPE hay PP làm thành bồn cứng cáp được phần lớn là nhờ điều này.

Đổi lại, vùng vô định hình ít đi thì nhựa mất bớt khả năng hấp thụ năng lượng va đập. Nếu cầu tinh thể quá lớn, ranh giới giữa chúng thành điểm yếu, vết nứt dễ lan theo đường đó. Vì vậy chi tiết nguội quá chậm có thể giòn hơn dù cứng hơn. PP là ví dụ quen thuộc: PP đồng trùng hợp đơn (homopolymer) dễ nứt khi va đập lúc trời lạnh, nên người ta dùng PP copolymer có thêm thành phần dạng cao su để cải thiện độ dai.

Cũng cần tách bạch giòn do cấu trúc kết tinh với giòn do lão hóa. Nhựa để ngoài trời lâu ngày bị mạch đứt dần dưới nắng là một cơ chế khác hẳn, được phân tích riêng trong bài về nhựa bị giòn do tia UV.

Độ kết tinh giúp kháng hóa chất ra làm sao?

Vùng tinh thể xếp khít tới mức dung môi và khí rất khó lọt vào. Do đó nhựa bán tinh thể thường kháng hóa chất tốt hơn nhựa vô định hình. PE và PP khó bị nhiều dung môi thông dụng hòa tan ở nhiệt độ phòng, nên chúng phổ biến trong bồn chứa axit, kiềm loãng và nước thải công nghiệp.

Khả năng chống thấm cũng tăng theo độ kết tinh: khí và hơi nước phải đi vòng qua vùng vô định hình, quãng đường dài hơn nên thấm chậm hơn. Dù vậy, khả năng kháng một hóa chất cụ thể còn tùy nồng độ, nhiệt độ và thời gian tiếp xúc. Khi chọn vật liệu cho bồn hóa chất, vẫn nên đối chiếu bảng tương thích hóa chất của nhà sản xuất nguyên liệu.

Ảnh hưởng đến độ trong và chịu nhiệt

Vì sao nhựa kết tinh cao thường bị đục?

Vùng tinh thể và vùng vô định hình có mật độ khác nhau nên bẻ cong ánh sáng khác nhau. Ánh sáng đi qua khối nhựa có vô số ranh giới giữa hai vùng sẽ bị tán xạ theo nhiều hướng, và mắt ta thấy nhựa trắng đục hoặc mờ. Cầu tinh thể càng to, nhựa càng đục.

Ngược lại, nhựa vô định hình như PS, PC hay PMMA có cấu trúc đồng đều nên trong suốt. Chai nước PET trong được vì phần lớn nhựa ở trạng thái vô định hình, còn phần tinh thể sinh ra khi thổi chai rất nhỏ và xếp theo hướng kéo, không đủ lớn để tán xạ mạnh ánh sáng. Nếu đem PET ủ nóng đủ lâu, nó sẽ chuyển dần sang trắng đục.

Tấm HDPE và PP dày thường có màu trắng sữa tự nhiên cũng vì lý do này. Muốn PP trong hơn, nhà sản xuất dùng chất làm trong, một dạng chất tạo mầm giúp cầu tinh thể nhỏ tới mức ít tán xạ ánh sáng. Hộp đựng thức ăn PP trong mờ trong bếp nhà mình thường dùng giải pháp đó. Vậy nên tấm nhựa đục chưa chắc là nhựa kém; độ đục phần lớn phản ánh cấu trúc vật liệu.

Độ kết tinh giúp nhựa chịu nhiệt như thế nào?

Với nhựa vô định hình, giới hạn sử dụng nằm gần nhiệt độ hóa thủy tinh, là điểm mạch chuyển từ trạng thái cứng như thủy tinh sang mềm dẻo. Cơ chế này được giải thích kỹ trong bài về nhiệt độ hóa thủy tinh Tg. Vượt qua điểm đó, nhựa vô định hình mềm nhanh và mất khả năng chịu lực.

Nhựa bán tinh thể thì khác. Vùng vô định hình vẫn mềm ra khi vượt Tg, nhưng vùng tinh thể giữ nguyên như một bộ khung cho tới khi chạm nhiệt độ nóng chảy. Vì thế kết tinh cao giúp giữ hình dạng khi nóng. PE và PP có Tg thấp hơn nhiệt độ phòng mà vẫn cứng ở điều kiện thường chính là nhờ bộ khung tinh thể này. Nhiệt độ nóng chảy của từng loại có thể tra trong bài nhiệt độ nóng chảy các loại nhựa.

Mặt trái là co ngót. Khi kết tinh, mạch xếp khít lại nên thể tích giảm, do đó nhựa bán tinh thể co ngót nhiều hơn nhựa vô định hình. Nếu nguội không đều, chỗ co nhiều chỗ co ít sẽ gây cong vênh. Khi hàn tấm, uốn nóng hay đúc, thợ phải tính trước độ co này để sản phẩm ra đúng kích thước.

Vì sao PP, PE, PET khác nhau?

Ghép các ý trên lại, có thể thấy những loại nhựa phổ biến khác nhau chủ yếu ở cấu trúc mạch và mức kết tinh đạt được trong sản phẩm. Bảng dưới đây tóm tắt xu hướng chung để dễ so sánh, không phải thông số kỹ thuật của một mác nhựa cụ thể.

PE và PP có thay thế nhau được không?

Chỉ thay được một phần. PE và PP đều là polyolefin, đều bán tinh thể, nhẹ và kháng hóa chất. Khác biệt nằm ở chỗ PP nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn và cứng hơn, nên hay được ưu tiên cho bồn chứa dung dịch ấm hoặc hệ thống cần chịu nhiệt. PE, nhất là HDPE, dai hơn khi trời lạnh và chịu va đập tốt, hợp với bồn chứa nước, thùng vận chuyển hay vị trí dễ bị va chạm.

Áp dụng khi chọn bồn, thùng và chi tiết gia công

Hiểu độ kết tinh giúp bạn đặt đúng câu hỏi khi chọn sản phẩm. Với bồn bể nhựa PP, PVC, PE, câu hỏi là chứa dung dịch gì, nóng tới đâu, có bị va đập không. Với thùng nhựa dùng hằng ngày, độ dai khi rơi rớt thường quan trọng hơn độ cứng tối đa. Với chi tiết làm theo bản vẽ, độ co ngót và cong vênh sau khi hàn, uốn là điều phải tính trước.

Khi đặt gia công nhựa theo yêu cầu, nên mô tả rõ điều kiện làm việc thay vì chỉ ghi tên vật liệu. Cùng là PP nhưng loại homopolymer hay copolymer, tấm dày hay mỏng sẽ cho kết quả khác nhau. Vài hiểu lầm hay gặp khi chọn nhựa theo cảm quan:

• Đục là nhựa kém: độ đục của PE, PP chủ yếu đến từ vùng tinh thể, không phải dấu hiệu tạp chất.
• Càng cứng càng bền: nhựa quá cứng có thể giòn khi va đập, nhất là lúc trời lạnh.
• Cùng tên là cùng tính chất: mác nhựa, phụ gia và cách gia công đều làm độ kết tinh thay đổi.

Câu hỏi thường gặp

Độ kết tinh cao có phải lúc nào cũng tốt?

Không. Độ kết tinh cao giúp nhựa cứng, chịu nhiệt và kháng hóa chất tốt hơn, nhưng đi kèm độ đục, co ngót lớn và có thể giòn hơn khi va đập. Sản phẩm cần trong suốt hoặc cần dẻo dai lại hợp với mức kết tinh thấp hơn. Mức phù hợp tùy công dụng của sản phẩm, không có con số tốt nhất cho mọi trường hợp.

Nhìn bằng mắt có biết được độ kết tinh không?

Chỉ đoán được xu hướng. Cùng một loại nhựa, mẫu đục hơn thường có nhiều tinh thể hoặc cầu tinh thể lớn hơn. Nhưng màu sắc, chất độn và phụ gia làm trong có thể đánh lừa mắt nhìn. Muốn biết con số cụ thể phải đo bằng thiết bị như phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) hoặc nhiễu xạ tia X trong phòng thí nghiệm.

Vì sao chai PET trong mà hộp PP lại mờ?

PET kết tinh chậm, nên khi thổi chai và làm nguội nhanh, phần lớn nhựa giữ trạng thái vô định hình và tinh thể sinh ra rất nhỏ, nên chai trong. PP kết tinh nhanh, tạo cầu tinh thể đủ lớn để tán xạ ánh sáng, nên hộp thường mờ. Muốn hộp PP trong hơn, nhà sản xuất phải thêm chất làm trong để thu nhỏ cầu tinh thể.

Nhựa tái chế có kết tinh khác nhựa nguyên sinh không?

Có thể khác. Qua nhiều lần nóng chảy, mạch polymer có thể bị đứt ngắn, lẫn tạp chất hoặc trộn nhiều loại nhựa với nhau. Những thay đổi này làm tốc độ và mức kết tinh lệch so với nhựa nguyên sinh, kéo theo độ cứng, độ dai và độ co ngót kém ổn định hơn. Mức chênh lệch tùy chất lượng nguồn nhựa tái chế và cách xử lý.

Hàn hoặc uốn nóng có làm đổi độ kết tinh không?

Có, ở vùng bị gia nhiệt. Khi hàn hay uốn, nhựa tại mối hàn bị nung chảy rồi nguội lại theo tốc độ khác với phần tấm còn lại, nên cấu trúc tinh thể ở đó có thể khác. Đây là lý do mối hàn cần đúng nhiệt độ, đúng thời gian và nguội tự nhiên, tránh làm nguội đột ngột gây ứng suất và cong vênh.

Những điểm cần nhớ

Độ kết tinh là chìa khóa để hiểu vì sao các loại nhựa quen thuộc có tính chất khác nhau dù cùng là nhựa nhiệt dẻo:

• Độ kết tinh là tỷ lệ vùng mạch xếp trật tự trong khối nhựa; nhựa thực tế chỉ bán tinh thể hoặc vô định hình.
• Kết tinh cao giúp nhựa cứng, kháng hóa chất và giữ hình dạng khi nóng, nhưng đục và co ngót nhiều hơn.
• Cấu trúc mạch, tốc độ làm nguội, kéo giãn và phụ gia tạo mầm quyết định mức kết tinh của sản phẩm.
• HDPE, PP kết tinh cao nên đục và cứng; PET trong hay đục tùy cách gia công; PVC gần như vô định hình.
• Khi chọn vật liệu, hãy xuất phát từ điều kiện làm việc: hóa chất, nhiệt độ, va đập và yêu cầu độ trong.

MTV Plastic với hơn 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực gia công nhựa chuyên nghiệp tại Hà Nội có thể cùng bạn xem xét điều kiện sử dụng để chọn loại nhựa phù hợp cho bồn, thùng và chi tiết theo bản vẽ.

Liên hệ ngay MTV Plastic: Hotline 0918.710.622 để được tư vấn chi tiết về bồn bể và gia công nhựa theo yêu cầu và nhận báo giá cạnh tranh nhất.