HDT và Vicat là gì? Cách đọc thông số chịu nhiệt của nhựa

HDT và Vicat là hai chỉ số chịu nhiệt hay gặp trên bảng thông số nhựa: cách đo, cách đọc đúng mức tải và giới hạn khi dùng để chọn vật liệu phù hợp.

Mở bảng thông số kỹ thuật của một loại hạt nhựa, bạn sẽ gặp hai dòng ghi nhiệt độ khá giống nhau: một dòng ghi HDT, một dòng ghi Vicat. Hai con số này thường lệch nhau vài chục độ. Nhiều người lấy luôn con số cao hơn làm nhiệt độ mà nhựa chịu được. Đọc như vậy dễ dẫn tới chọn sai vật liệu cho bồn chứa nước nóng, ống dẫn khí thải hay chi tiết đặt gần nguồn nhiệt.

Muốn hiểu đúng HDT và Vicat, cần biết mỗi chỉ số được đo ra sao, với tải bao nhiêu, và chúng cho biết gì về nhựa khi nóng lên. Phần dưới đi lần lượt từ định nghĩa, cách thử, bảng so sánh, cách đọc trên bảng thông số cho tới cách áp dụng khi chọn nhựa cho sản phẩm thật.

HDT (nhiệt độ biến dạng nhiệt) là nhiệt độ mà thanh nhựa đang chịu uốn dưới một tải cố định bắt đầu võng tới mức quy định. Vicat (nhiệt độ hóa mềm Vicat) là nhiệt độ mà một kim đầu phẳng ấn lún sâu 1 mm vào mặt mẫu nhựa. Cả hai đều là phép thử ngắn hạn trong phòng thí nghiệm, dùng để so sánh vật liệu với nhau, không phải nhiệt độ làm việc lâu dài của sản phẩm.

HDT là gì?

HDT là nhiệt độ biến dạng nhiệt, viết tắt từ cụm tiếng Anh heat deflection temperature; có tài liệu dịch là nhiệt độ võng dưới tải. Chỉ số này cho biết nhựa bắt đầu mất độ cứng ở nhiệt độ nào khi đang phải gánh một lực uốn. Nói gọn, HDT trả lời câu hỏi: tấm nhựa đang chịu lực thì tới bao nhiêu độ sẽ bắt đầu cong võng rõ rệt.

Hai tiêu chuẩn thử phổ biến nhất cho HDT là ISO 75 và ASTM D648. Trên bảng thông số, dòng này thường ghi kiểu “HDT, 1,8 MPa” hoặc “HDT/A”, kèm tên tiêu chuẩn. Phần ghi chú về tải và tiêu chuẩn cần đọc kỹ ngang với con số nhiệt độ, vì cùng một loại nhựa mà đo ở tải khác nhau thì kết quả có thể chênh nhau rất xa.

HDT được đo như thế nào?

Mẫu thử là một thanh nhựa hình chữ nhật, đặt nằm trên hai gối đỡ, ở giữa có một đầu ấn tạo lực uốn ba điểm. Cả bộ gá được nhúng trong bể dầu hoặc môi trường truyền nhiệt khác, rồi nâng nhiệt đều với tốc độ 2 °C mỗi phút, tức 120 °C mỗi giờ.

Khi nhiệt độ tăng, nhựa mềm dần và thanh mẫu võng xuống. Lúc độ võng đạt mức quy định của tiêu chuẩn, nhiệt độ của bể được ghi lại và đó chính là HDT. Theo ASTM D648, mức võng này là 0,25 mm; ISO 75 tính mức võng chuẩn theo kích thước mẫu. Vì phép thử dừng ngay khi mẫu vừa võng, HDT cho biết lúc nhựa bắt đầu chịu không nổi, chứ không phải lúc nhựa đã chảy hay biến dạng hẳn.

Vì sao có hai mức tải 0,45 và 1,8 MPa?

Ứng suất uốn đặt lên thanh mẫu được chọn theo phương pháp. Theo ISO 75, phương pháp A dùng ứng suất 1,80 MPa, phương pháp B dùng 0,45 MPa, còn phương pháp C dùng 8,00 MPa nhưng ít gặp hơn. ASTM D648 dùng hai mức gần tương đương là 0,455 MPa (66 psi) và 1,82 MPa (264 psi).

Tải càng nặng thì thanh mẫu càng sớm võng, nên HDT ở 1,8 MPa luôn thấp hơn HDT ở 0,45 MPa của cùng một vật liệu. Với các loại nhựa mềm như PE hay PP, khoảng cách giữa hai mức có thể lên tới vài chục độ. Nhà sản xuất hay công bố mức tải nhẹ cho nhựa mềm và mức tải nặng cho nhựa kỹ thuật cứng. Vì thế, khi so hai loại nhựa, phải chắc chắn hai con số được đo ở cùng một mức tải.

Nhiệt độ hóa mềm Vicat là gì?

Nhiệt độ hóa mềm Vicat là nhiệt độ mà một kim đầu phẳng, chịu một lực cố định, ấn lún sâu 1 mm vào bề mặt mẫu nhựa khi mẫu được nâng nhiệt đều. Chỉ số này cho biết lúc bề mặt nhựa đã mềm tới mức không còn chống lại được một lực ấn tập trung. Trên bảng thông số, dòng này thường ghi là Vicat softening temperature hoặc viết tắt VST.

Hai tiêu chuẩn thường gặp cho Vicat là ISO 306 và ASTM D1525. Khác với HDT đo khả năng giữ hình dạng khi chịu uốn, Vicat đo khả năng chống lún tại một điểm. Hai câu hỏi này nghe gần giống nhau, nhưng thật ra ứng với hai kiểu hư hỏng khác nhau của chi tiết nhựa.

Phép thử Vicat tiến hành ra sao?

Mẫu thử là một miếng nhựa phẳng, khá dày, đặt nằm ngang trong bể gia nhiệt. Một kim có đầu phẳng, tiết diện 1 mm², đặt thẳng đứng lên mặt mẫu và được đè một quả tải cố định. Bể được nâng nhiệt đều, đồng hồ đo độ lún theo dõi đầu kim suốt quá trình thử.

Lúc đầu nhựa còn cứng nên kim gần như không lún. Tới khi nhựa mềm ra, kim bắt đầu đi xuống; khi đạt độ lún 1 mm, nhiệt độ lúc đó được ghi lại làm giá trị Vicat. Do lực dồn lên diện tích rất nhỏ và phải chờ kim lún hẳn 1 mm, phép thử này thường dừng ở nhiệt độ mà nhựa đã mềm khá rõ.

Vicat A và Vicat B khác nhau thế nào?

Chữ A và B chỉ lực đè lên kim: phương pháp A dùng lực 10 N, phương pháp B dùng lực 50 N. Theo ISO 306, phía sau chữ cái còn có con số chỉ tốc độ nâng nhiệt, là 50 °C mỗi giờ hoặc 120 °C mỗi giờ. Vì vậy trên bảng thông số sẽ gặp các ký hiệu như A50, A120, B50, B120.

Lực đè càng lớn thì kim càng sớm lún, nên Vicat B thường thấp hơn Vicat A. Tốc độ nâng nhiệt càng nhanh thì nhựa chưa kịp nóng đều trong lòng mẫu, nên kết quả thường nhích lên một chút. Khi so hai loại nhựa bằng Vicat, cần xem cả chữ cái lẫn con số đi kèm, đừng chỉ nhìn con số nhiệt độ cuối cùng.

So sánh HDT và Vicat

Đặt hai phép thử cạnh nhau sẽ thấy rõ chúng không thay thế cho nhau. HDT đo độ cứng khi chịu uốn, còn Vicat đo độ mềm bề mặt khi bị ấn. Bảng dưới tóm tắt những điểm khác biệt chính mà người đọc bảng thông số cần nắm.

Vì sao Vicat thường cao hơn HDT?

Với phần lớn loại nhựa, Vicat thường cao hơn HDT đo ở 1,8 MPa. Lý do nằm ở mốc dừng của hai phép thử. HDT dừng khi thanh mẫu chỉ mới võng một chút, tức lúc nhựa vừa bắt đầu yếu đi. Vicat phải chờ tới lúc kim lún hẳn 1 mm, tức lúc nhựa đã mềm khá nhiều.

Từ đây sinh ra một ngộ nhận quen thuộc: thấy Vicat cao thì nghĩ nhựa chịu nhiệt tốt. Thực tế, nếu chi tiết phải gánh lực như thành bồn chứa đầy nước, nó có thể đã bắt đầu phình hay võng từ trước khi nhiệt độ chạm tới mức Vicat. Ngược lại, HDT ở 0,45 MPa đôi khi lại gần hoặc vượt Vicat, tùy loại nhựa. Không có tỷ lệ cố định nào để quy đổi chỉ số này sang chỉ số kia.

Cấu trúc nhựa ảnh hưởng ra sao tới hai chỉ số?

Nhựa vô định hình như PVC, PS, ABS hay PC mềm ra khá đột ngột quanh nhiệt độ chuyển thủy tinh, tức mốc mà chuỗi phân tử bắt đầu cử động được. Với nhóm này, HDT và Vicat thường nằm khá gần nhau và đều bám sát mốc đó.

Nhựa bán kết tinh như PE, PP, PA thì khác. Phần kết tinh giữ khung cho vật liệu tới gần nhiệt độ nóng chảy, còn phần vô định hình mềm sớm hơn nhiều. Vì vậy khoảng cách giữa HDT và Vicat ở nhóm này thường rộng hơn, và HDT rất nhạy với độ kết tinh của nhựa. Mẫu được ủ nhiệt để kết tinh nhiều hơn thường cho HDT cao hơn mẫu làm nguội nhanh. Nhựa nhiệt rắn thì không hóa mềm theo kiểu nhựa dẻo nên ít dùng Vicat; phần khác biệt giữa hai nhóm có trong bài về nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn.

Cách đọc HDT, Vicat trên bảng thông số

Con số nhiệt độ chỉ có nghĩa khi đi kèm đủ điều kiện thử. Trước khi so hai loại hạt nhựa, nên đọc chậm từng dòng và kiểm tra đủ năm thông tin sau đây:

• Tiêu chuẩn thử: ISO 75 hay ASTM D648 với HDT, ISO 306 hay ASTM D1525 với Vicat. Kích thước mẫu và cách tính khác nhau nên không nên trộn kết quả của hai hệ tiêu chuẩn.
• Mức tải: HDT ghi 0,45 MPa hay 1,8 MPa; Vicat ghi lực 10 N hay 50 N. Đây là chỗ hay bị bỏ qua nhất.
• Tốc độ nâng nhiệt: với Vicat là 50 hay 120 °C mỗi giờ, thể hiện qua ký hiệu A50, B50, A120, B120.
• Trạng thái mẫu: mẫu có ủ nhiệt hay không, mẫu ép phun hay cắt từ tấm. Thông tin này thường nằm ở chú thích nhỏ cuối bảng.
• Thành phần vật liệu: nhựa nền nguyên chất hay đã pha độn, gia cường sợi thủy tinh. Cùng tên PP nhưng loại có độn có thể cho HDT khác hẳn loại không độn.

Thiếu một trong các thông tin trên, việc so sánh dễ thành so táo với cam. Khi bảng thông số không ghi rõ, cách an toàn là hỏi lại nhà cung cấp hạt nhựa thay vì tự đoán.

Những sai lầm thường gặp khi đọc chỉ số chịu nhiệt

Sai lầm phổ biến nhất là coi HDT hoặc Vicat là nhiệt độ làm việc liên tục của sản phẩm. Cả hai phép thử chỉ kéo dài trong thời gian ngắn, nhiệt tăng dần và tải được đặt chính xác. Sản phẩm thật lại phải chịu nhiệt nhiều tháng, nhiều năm, kèm theo lực, hóa chất và nắng. Một số nhà sản xuất công bố thêm chỉ số nhiệt tương đối RTI theo UL 746B để mô tả khả năng chịu nhiệt dài hạn; khi có chỉ số này, nên xem kèm.

Sai lầm thứ hai là so con số của hai hãng mà không xem điều kiện thử. Sai lầm thứ ba là bỏ qua ảnh hưởng của gia công. Thông số đo trên mẫu chuẩn, trong khi sản phẩm thật có thể còn ứng suất dư sau khi hàn, uốn hay ép, khiến chi tiết biến dạng sớm hơn dự kiến. Cũng nên nhớ bảng thông số ghi cho hạt nhựa của đúng mã đó; nếu dùng hạt pha trộn, kết quả có thể khác, như đã phân tích trong bài về nhựa nguyên sinh và nhựa tái chế.

Áp dụng khi chọn nhựa cho sản phẩm

HDT và Vicat hữu ích nhất ở bước sàng lọc: loại nhanh những vật liệu rõ ràng không đủ sức, rồi khoanh vùng vài ứng viên để xem kỹ hơn. Quyết định cuối cùng nên dựa trên điều kiện làm việc thật, có khoảng dự phòng an toàn giữa nhiệt độ vận hành và các chỉ số trên bảng thông số. Muốn nhìn tổng thể các nhóm vật liệu trước khi xét tới chỉ số nhiệt, có thể đọc bài phân loại nhựa công nghiệp.

Chi tiết chịu lực khi nóng nên xem chỉ số nào?

Với chi tiết vừa nóng vừa phải gánh lực, HDT ở 1,8 MPa là chỉ số nên xem trước. Ví dụ dễ thấy là thành bồn chứa dung dịch ấm, tấm đáy đỡ thiết bị hay khung giá đặt cạnh lò sấy. Các chi tiết này hỏng chủ yếu vì cong võng, phình thành hoặc xệ dần, đúng kiểu hư hỏng mà phép thử HDT mô phỏng.

Với bồn bể nhựa PP, PVC, PE, nhiệt độ dung dịch, chiều cao cột chất lỏng và độ dày thành bồn đều tác động cùng lúc. Ngay cả khi dung dịch nguội hơn mức HDT, áp lực của nước kéo dài nhiều năm vẫn có thể làm thành bồn biến dạng dần do hiện tượng rão, tức nhựa từ từ giãn ra dưới một tải không đổi. Vì vậy, thiết kế bồn bể cần tính cả gân tăng cứng, đai gia cố và độ dày tấm, chứ không chỉ chọn nhựa theo con số chịu nhiệt.

Chi tiết bị ép, kẹp hoặc tì điểm nên xem chỉ số nào?

Khi chi tiết nhựa bị bu lông kẹp chặt, tì lên ống kim loại nóng hoặc chịu lực ấn tập trung, Vicat cho gợi ý sát hơn. Những vị trí như mặt bích, miếng đệm, chân đế tì lên bề mặt nóng thường hỏng do nhựa lún, in vết hoặc mất lực siết khi nhiệt lên.

Trong hệ xử lý khí thải hay đường ống gió dẫn khí nóng, cả hai kiểu hư hỏng đều có thể xảy ra: thân ống chịu uốn do trọng lượng và áp suất, còn mặt bích chịu lực kẹp. Lúc này cần xem cả HDT lẫn Vicat, cộng thêm thông tin về hóa chất trong dòng khí, vì hóa chất có thể làm nhựa yếu đi ở nhiệt độ thấp hơn mức ghi trên bảng thông số.

Phụ gia và màu có làm đổi chỉ số chịu nhiệt không?

Có. Sợi thủy tinh, bột độn khoáng và chất tạo mầm kết tinh thường làm tăng HDT, nhất là với nhựa bán kết tinh như PP. Ngược lại, chất hóa dẻo hay một số chất tăng dai có thể kéo HDT và Vicat xuống. Ngay cả hạt nhựa masterbatch dùng để tạo màu, nếu nhựa mang trong đó khác nhựa nền hoặc tỷ lệ pha cao, cũng có thể làm lệch nhẹ các chỉ số. Một số loại bột màu còn có tác dụng tạo mầm, làm thay đổi độ kết tinh của sản phẩm.

Điều kiện gia công cũng góp phần vào kết quả cuối cùng. Nhiệt độ khuôn, tốc độ làm nguội và độ chảy của hạt nhựa ảnh hưởng tới mức kết tinh và ứng suất dư trong chi tiết. Phần liên quan tới độ chảy khi gia công có bài riêng về chỉ số chảy MFI. Khi sản phẩm phải làm việc sát giới hạn nhiệt, cách chắc chắn nhất vẫn là làm mẫu và thử trong điều kiện vận hành thật.

Câu hỏi thường gặp

HDT có phải là nhiệt độ tối đa nhựa chịu được không?

Không. HDT là nhiệt độ mà thanh mẫu bắt đầu võng dưới một tải cố định trong phép thử ngắn hạn. Ở nhiệt độ đó nhựa chưa nóng chảy, nhưng đã mất nhiều độ cứng. Nhiệt độ vận hành lâu dài của sản phẩm nên thấp hơn HDT một khoảng an toàn, tùy mức tải, thời gian sử dụng và hóa chất tiếp xúc.

Nên tin HDT hay Vicat khi hai con số chênh nhau nhiều?

Không nên chỉ tin một con số, vì mỗi chỉ số trả lời một câu hỏi khác nhau. HDT cho biết khả năng giữ hình dạng khi chịu uốn, Vicat cho biết khả năng chống lún bề mặt. Hãy xác định chi tiết của mình dễ hỏng theo kiểu nào, cong võng hay bị ấn lún, rồi ưu tiên chỉ số tương ứng. Chênh lệch lớn thường gặp ở nhựa bán kết tinh.

Vì sao cùng một loại nhựa mà mỗi hãng ghi HDT khác nhau?

Khác biệt thường đến từ mức tải thử, tiêu chuẩn áp dụng, mẫu có được ủ nhiệt hay không và công thức riêng của từng mã hạt. Cùng gọi là PP nhưng loại đồng trùng hợp, loại có độn khoáng hay loại gia cường sợi thủy tinh sẽ cho kết quả khác nhau rõ rệt. Phép so sánh chỉ có ý nghĩa khi điều kiện thử giống nhau.

Bảng thông số không ghi HDT hay Vicat thì làm thế nào?

Một số mã hạt nhựa thông dụng chỉ công bố một trong hai chỉ số, hoặc không công bố cả hai. Khi đó, nên đề nghị nhà cung cấp gửi bảng thông số đầy đủ theo đúng mã hạt. Nếu sản phẩm làm việc ở nhiệt độ cao hoặc chịu lực lớn, cách đáng tin hơn là làm mẫu và kiểm tra trong điều kiện gần với thực tế vận hành.

Tấm nhựa đã gia công có giữ nguyên HDT như hạt nhựa không?

Không hẳn. HDT trên bảng thông số được đo trên mẫu chuẩn chế tạo theo điều kiện quy định. Tấm nhựa sau khi ép, đùn, hàn hay uốn nhiệt có thể mang ứng suất dư và độ kết tinh khác mẫu chuẩn. Những vị trí như mối hàn, góc uốn thường biến dạng sớm nhất khi nhiệt độ tăng, nên cần được thiết kế và kiểm tra kỹ.

Kết luận

HDT và Vicat là hai mảnh ghép giúp đọc khả năng chịu nhiệt của nhựa, nhưng không mảnh nào thay được việc đánh giá điều kiện làm việc thực tế. Những điểm cần nhớ:

• HDT đo nhiệt độ thanh nhựa bắt đầu võng khi chịu uốn; Vicat đo nhiệt độ kim lún sâu 1 mm vào mặt nhựa.
• Luôn đọc kèm tiêu chuẩn, mức tải và tốc độ nâng nhiệt trước khi so hai vật liệu.
• Vicat thường cao hơn HDT ở 1,8 MPa, nên đừng lấy Vicat làm nhiệt độ chịu được của chi tiết chịu lực.
• Cả hai chỉ số đều là phép thử ngắn hạn, không phải nhiệt độ làm việc liên tục.
• Phụ gia, độ kết tinh và cách gia công đều có thể làm thông số thực tế khác với bảng thông số.

Khi cần chọn vật liệu cho bồn bể, đường ống hay chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao, trao đổi sớm với đơn vị gia công có kinh nghiệm giúp tránh chọn sai ngay từ đầu. MTV Plastic với hơn 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực gia công nhựa chuyên nghiệp tại Hà Nội nhận tư vấn và gia công nhựa theo yêu cầu.

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