Khi nào nên sử dụng chất ổn định gia công (Plastic processing stabilizers)

 

1.   Những dấu hiệu nhận biết quá trình gia công thiếu ổn định

STT	DẤU HIỆU	NHẬN ĐỊNH
1	Nhựa phân huỷ tạo chấm đen, vết cháy trên sản phẩm	Đây là dấu hiệu nhựa bị phân huỷ nghiêm trọng trọng gia công, có thể là thoái thoái hoá nhiệt hay cũng có thể là do ma sát cơ học mạnh (cọ trục vít và thành xy lanh) sinh ra.
2	Sản phẩm sinh mùi khét, sinh khói trong gia công.	Đây là biểu hiện nhựa bị phân huỷ sinh khí ở mức độ nặng, nên dấu hiệu dễ dàng nhận biết qua khói và mùi của khói.
3	Bề mặt tồn tại vùng mờ ám khói, mất độ bóng và bên trong sản phẩm có sinh ra bọt	Hiện tượng này cũng dễ bị nhầm lẫn là do nguyên liệu bị ẩm, hay có tồn tại thành phần dễ bay hơi trong nguyên liệu. Nhưng những vùng mờ ám khói xuất hiện nhiều ở những điểm giao dòng (trong ép phun) và bọt tại vùng cuối dòng (áp suất thấp). Đây là biểu hiện của quá trình bắt đầu thoái hoá nhiệt xảy ra.
4	Màu sắc biến đổi, không đồng nhất (khoang màu)	Trong quá trình gia công màu của sản phẩm không ổn định, màu có xu hướng biến theo chiều hướng thoái hoá ở một số vùng. Đây là biểu hiện của quá nhiệt đối với màu sắc đang sử dụng
5	Sản phẩm biến giòn ngay sau gia công, cơ lý tính không ổn định	Khi mạch phân tử bị tổn thương trong gia công do các yếu tố nhiệt độ hay yếu tố cơ sẽ làm suy giảm đặc tính cơ lý vật liệu
6	Sản phẩm sau gia công 5-10 ngày trở nên giòn, biến màu,…	Trong gia công đã có hình thành các tổn thương mạch nhựa, hình thành gốc tự do. Chúng tiếp tục phản ứng cắt mạch dây chuyền sau khi gia công làm suy giảm cấu trúc nhựa và các hợp chất mang màu.

 

2.   Những nguy cơ gây mất ổn định trong gia công nhựa

STT	TÌNH HUỐNG	NGUY CƠ
1	Gia công ở điều kiện nhiệt độ cao hơn bình thường	Để đảm bảo nhựa có độ nhớt đủ thấp, thường nhiệt độ gia công đưa lên rất cao khi gia công. Ví dụ: Ép phun sản phẩm mỏng, đường chảy dài; Tráng ghép nóng đòi hỏi định lượng tráng thấp
2	Thời gian lưu của nhựa quá dài	Thời gian lưu tăng làm tăng “lịch sử nhiệt” (heat history), làm mạch phân tử mỏi gây gãy mạch, sinh gốc tự do. Ví dụ: Dùng máy rất lớn để sản xuất chi tiết rất nhỏ, dẫn đến nhựa nằm lâu trong máy dài. Hay lúc gia nhiệt ban đầu khi mở máy, thời gian chờ đủ nhiệt quá lâu, cũng như những máy lớn khi tắt máy phần nhựa tồn trong máy chịu thời gian rất dài khi nguội.
3	Thời gian sấy tiếp xúc oxyquá lâu	Một số loại nhựa trùng ngưng (POM, PA, PET,…) đòi hỏi thời gian sấy lâu, ở nhiệt độ cao. Những trường hợp dùng hệ thống sấy lấy khí trực tiếp từ khí trời thì lượng ô-xy ở nhiệt độ cao làm thoái hoá nhiệt bề mặt của nhựa
4	Hỗn hợp nhựa có tỷ lệ nhựatái sinh cao	Nhựa tái sinh có “lịch sử nhiệt” lớn, thường dễ thoái hoá khi tái sử dụng, quá trình thoái hoá sinh gốc tự do có hại
5	Có hồi liệu liên tục trong quá trình	Một số quá trình có tỉ lệ cắt tỉa biên, tỉ lệ phụ phẩm, phế liệu,… cao thường được đưa ngay trở lại vào quá trình sản xuất, điều này làm cho nhựa qua nhiệt rất nhiều lần dẫn đến thoái hoá sinh gốc tự do.
6	Hỗn hợp có hợp chất gây tăng độ nhớt	Sử dụng những thành phần độn, nucleator,… làm độ nhớt tăng thường đòi hỏi phải tăng nhiệt để có độ nhớt phù hợp trong gia công, nên thường dẫn đến quá nhiệt.
7	Gia công đòi hỏi tốc độ cao, vận tốc cao	Khi tăng tốc độ gia công lên cao thì nhựa chịu ứng suất (ứng suất kéo căng và ứng xuất xé) tăng cao, dẫn đến mạch dễ tổn thương hình thành gốc tự do.
8	Thực hiện quá trình tái sinh nhựa	Những sản phẩm sau sử dụng có nhiều điểm yếu trong cấu trúc, bởi chúng đã bị thoái hoá bởi các quá trình: oxy hoá, gas fading, mỏi,.v.v, vì thế nên dùng thêm các hệ ổn định gia công để dập tắc các gốc tự do hình thành khi các liên kết yếu bị phá vở bởi nhiệt và ứng suất cơ học trong gia công.

 

3.   Nhiệt độ gia công của từng loại nhựa

Mỗi loại nhựa có một vùng nhiệt độ gia công bình thường, một vùng nhiệt độ cao cho phép, và một ngưỡng nhiệt độ không cho phép. 

• Vùng nhiệt độ gia công bình thường: Là dải nhiệt độ tối ưu để nhựa chảy đều, dễ dàng tạo hình mà không bị phân hủy.
• Vùng nhiệt độ cao cho phép: Có thể gia công trong ngưỡng này nếu cần thiết, nhưng phải có chất ổn định gia công để tránh phân hủy nhựa.
• Nhiệt độ cao không cho phép: Khi vượt quá ngưỡng này, nhựa sẽ bị phân hủy mạnh, sinh ra khí độc hoặc làm giảm tính chất cơ học của sản phẩm.

Dưới đây là bảng tổng hợp nhiệt độ gia công của các loại nhựa phổ biến:

Loại nhựa	Vùng nhiệt độ gia công bình thường (°C)	Vùng nhiệt độ gia công cao cho phép (°C)	Nhiệt độ cao không cho phép (°C)
PE (Polyethylene)	160-250	250-280	>280
PP (Polypropylene)	180-260	260-290	>290
PVC (Polyvinyl Chloride)	140-175	175-185	>185
PS (Polystyrene)	180-250	250-280	>280
ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)	200-260	260-290	>290
PC (Polycarbonate)	250-320	320-340	>340
PET (Polyethylene Terephthalate)	250-280	280-300	>300
PA (Polyamide - Nylon)	240-280	280-300	>300
POM (Polyoxymethylene)	190-230	230-250	>250
PTFE (Polytetrafluoroethylene)	340-370	370-390	>390

 

4.   Thời gian lưu

Định nghĩa: Thời gian lưu là khoảng thời gian nhựa nóng chảy ở bên trong máy đùn và đầu khuôn trước khi được đẩy ra ngoài. Thời gian lưu có thể được tính bằng tổng lượng nhựa có trong khoang chứa của máy đùn và đầu khuôn, chia cho năng suất đùn trên mỗi phút.

 

Loại nhựa	Vùng nhiệt độ gia công bình thường (°C)	Thời gian lưu cho phép (phút)
PE (Polyethylene)	160-250	5-10
PP (Polypropylene)	180-260	4-8
PVC (Polyvinyl Chloride)	140-175	2-5
PS (Polystyrene)	180-250	3-7
ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)	200-260	4-8
PC (Polycarbonate)	250-320	6-12
PET (Polyethylene Terephthalate)	250-280	5-10
PA (Polyamide - Nylon)	240-280	6-10
POM (Polyoxymethylene)	190-230	5-9
PTFE (Polytetrafluoroethylene)	340-370	10-15

 

5.   Ổn định gia công

Định nghĩa: Chất ổn định gia công nhựa (plastic processing stabilizers) là phụ gia được thêm vào polymer để ngăn chặn sự phân hủy nhiệt, oxy hóa, và ma sát cơ học trong quá trình gia công ở nhiệt độ cao.

Để bảo vệ hoàn toàn cho nhựa trong gia công, hệ ổn định gia công phải là sự kết hợp của một số thành phần chức năng:

-       Chất ổn định nhiệt

-       Chất bôi trơn

5.1 Chất ổn định nhiệt: Là thành phần giúp hạn chế sự tổn thương cho nhựa do yếu tố nhiệt. Phân theo nguyên lý hoạt động, chúng có 2 nhóm chính:

a. Trung hòa các gốc a-xít trong hỗn hợp (Acid Scarvenger)

- Các loại ô-xít vô cơ: CaO, BaO,…

- Các hợp chất cơ kim: Calcium Stearate, Barium Stearate, Zinc Stearate… (phối hợp thành các hệ ổn định Ca-Ba, Ca-Zn

- Các hợp chất phức của Thiết (Sn): Thiếc hữu cơ (Organotin stabilizers)

- Các hợp chất chứa gốc Epoxy

 

b. Các hợp chất dập tắt các gốc perocide (ROOH) trong hỗn hợp: Chúng được xếp vào trong nhóm phụ gia chất phòng lão thứ cấp (secondary antioxidant). Phổ biến nhất của các chất ổn định gia côngnhóm này là những hợp chất:

·  Phosphite: Tris(2,4-di-tert-butylphenyl) phosphite (AO-168); Tris(2,4-di-tert-butylphenyl) phosphite (AO-626)

 

ROOH+Phosphite→ROH+Sản phẩm trơ

 

·  Thioester: Dilauryl thiodipropionate (DLTDP); Distearyl thiodipropionate (DSTDP).

 

ROOH+Thioester→ROH+Sản phẩm trơ

 

5.2 Chất bôi trơn: Là thành phần giúp giảm ma sát của dòng chảy nhựa, giúp giảm ứng suất nội của hỗn hợp. Chúng thường là các ester của các a-xít béo phổ thông (stearic, lauric,…) với các kim loại, tạo thành hợp chất có tính kiềm, đồng thời giúp khử gốc a-xít trong hỗn hợp, như : Zinc Stearate (ZnSt), Calcium Stearate (CaSt), Barium Stearate (BaSt), Zinc Laurate (ZnL), Calcium Laurate (CaL),… 

 

Loại Heat Stabilizer	Cơ chế hoạt động chính	Ứng dụng phổ biến
Kim loại vô cơ (Ca-Zn, Ba-Zn, Pb stabilizers)	Trung hòa HCl, bảo vệ polymer	PVC, ABS
Thiếc hữu cơ (Organotin stabilizers)	Trung hòa acid, bảo vệ liên kết C-Cl	PVC cứng, PVC y tế
Phosphite (AO-626, Irgafos 168)	Phân hủy hydroperoxide, ngăn oxy hóa	PP, PE, PET, PC
Thioester (DLTDP, DSTDP)	Chống cắt mạch polymer, giảm stress nhiệt	PP, PE, PA
Epoxide (Epoxidized soybean oil - ESO)	Hấp thụ HCl, bảo vệ PVC	PVC mềm