GIẢM ỨNG SUẤT CHO DÒNG CHẢY NHỰA

Nhựa là vật liệu cao phân tử nên chuyển động của chúng có khác biệt so với dòng chảy của các lưu chất Newton (Newtonian). 

Ứng suất trong dòng chảy nhựa tăng rất nhanh ngay giai đoại đầu, khi vận tốc thấp; ứng suất này không tăng tuyến tính theo tốc độ dòng chảy như các lưu chất Newton. Và ứng suất rất cao này chính là do ái lực liên phân tử rất lớn giữa các phân tử nhựa-nhựa (nhựa với nhựa).

Điều này được lý giải là vì ở giai đoạn đầu chính là bước tách rời các phân tử nhựa ra khỏi ái lực liên phân tử (giữa nhựa và nhựa), do chiều dài phân tử của chúng lớn nên năng lượng cần để thoát khoải lực Van-de-Waals ban đầu rất cao.

Nhưng sau khi vượt qua bước đầu, ứng suất trong dòng chảy có xu hướng tăng chậm, rồi dần có xu hướng giảm.
Lưu ý rằng, đến một mức ứng suất tới hạn cấu trúc mạch nhựa sẽ không còn bền vững và bị phá huỷ, vì thế nhựa cũng sẽ có một vận tốc tới hạn cho phép.

<Hình 1: Ứng suất dòng chảy với tốc độ trượt>

Khi khảo sát dòng chảy của nhựa trong không gian giới hạn, như trong đầu khuôn (die) hay trong khuôn ép phun (mould), người ta đã dựng được biên hài phân bổ vận tốc của dòng chảy (flow profile) như hình bên dưới (Hình 2a, 2b)

Hình 2a: Thành của dòng chảy có nhiệt độ thấp (như thành khuôn ép phun)

Hình 2b: Thành của dòng chảy có gia nhiệt (như thành đầu khuôn máy đùn)

Qua các biên hài phân bổ vận tốc của dòng nhựa trong thành dẫn kim loại, ta có một số kết luận:

1. Vận tốc của vùng biên, áp vào thành kim loại, là nơi có vận tốc thấp nhất. Đối với thành dòng chảy có giải nhiệt (như khuôn ép phun), thì vận tốc biên là bằng không.
2. Vận tốc càng tăng dẫn đến sai lệch vận tốc đỉnh và vận tốc biên càng lớn, tức tạo ra khả năng kéo căng mạnh phân tử càng nhiều.
3. Khi thành của dòng chảy có nhiệt cao thì sai lệch vận tốc sẽ giảm, tức độ căng mạch cũng ít hơn. 

Từ tất cả những vấn đề nêu trên, người ta nhận thấy rằng để giảm được ứng suất bên trong dòng chảy nhựa phải thực hiện các việc:

• Giảm lực hút liên phân tử Nhựa-Nhựa => sẽ giúp giảm ứng suất nội trong dòng chảy
• Giảm hệ số ma sát trượt giữa Nhựa-Kim loại => sẽ giảm được ứng suất trượt vùng biên dòng chảy

* Các giải pháp kỹ thuật đã được đưa vào ứng dụng trong thực tế có thể thấy như sau:

1. Bổ sung chất bôi trơn (Lubricant) vào thành phần hỗn hợp công thức

Hình 3a: Ứng suất trượt của hỗn hợp khi có và không có chất bôi trơn

Hình 3b: Sự khác biệt biên hài vận tốc đòng chảy nhựa giữa các nhóm chất bôi trơn

Khi bổ sung chất bôi trơn vào công thức, người ta khảo sát ứng suất trượt của hỗn hợp, cũng như vẽ lại biên hài vận tốc phân bổ của dòng chảy, có các nhận xét như sau:

• Chất bôi trơn (kể cả bôi trơn nội và bôi trơn ngoại) đều cho thấy gia tăng được vận tốc trung bình của dòng chảy trong cùng 1 điều kiện ứng lực tác động.
• Khi bổ sung thành phần bôi trơn nội (internal lubricant) vào trong hỗn hợp nhựa sẽ giúp giảm ma sát nội giữa các phân tử, giúp cải thiện đáng kể vận tốc của dòng chảy. Tuy nhiên sự sai lệch vận tốc giữa biên và tâm dòng có xu hướng tăng thêm, làm mạch phân tử thêm định hướng và kéo giãn theo chiều dòng chảy.
• Khi bổ sung thành phần bôi trơn ngoại (external lubricant) vào trong hỗn hợp nhựa thì sẽ giúp giảm đáng kể ma sát giữa nhựa và thành dòng chảy, điều này giúp giảm đáng kể sự sai lệch tốc độ - nên sẽ giảm được ứng suất phát sinh do kéo giãn mạch phân tử.

2. Áo phủ Teflon lên bề mặt kim loại thành dòng chảy giúp giảm độ dính giữa nhựa với thành

Đây là kỹ thuật dùng nhiều trong các quá trình đùn (thổi màng, đùn ống, kéo cước, bọc cáp,...), người ta đưa vào hỗn hợp nhựa thành phần Teflon có ái lực mạnh với bề mặt kim loại. Trong quá trình gia công, các thành phần Teflon trên có xu hướng bám phủ tạo thành 1 lớp giảm ma sát trên bề mặt kim loại khuôn (die), từ đó giảm đáng kể ma sát của dòng nhựa lỏng với bề mặt khuôn. 

Do đó biên hài dòng chảy của nhựa lúc này cũng giống như biên hài dòng chảy có chất bôi trơn ngoại.

Những sản phẩm phẩm được nhiều người biết trên thị trường như Dynamar PPA của hãng 3M là một minh chứng.

3. Phủ trên bề mặt kim loại một lớp dầu bôi trơn

Kỹ thuật này chỉ dùng trong kỹ thuật ép phun, người ta thường xịt phủ lên bề mặt khuôn 1 lớp dầu giảm ma sát (và có tính năng chống dính), để giúp quá trình điền khuôn được thuận lợi và lấy sản phẩm ra cũng thuận lợi. 

Lớp dầu phủ trên cũng có tác dụng với dòng chảy nhựa giống như chất bôi trơn ngoài.