Quá trình nhựa dẻo chịu nhiệt và sự thay đổi theo nhiệt độ



 Nhựa nhiệt dẻo là loại nhựa được sử dụng nhiều nhất, và trong điều kiện kiểm soát tốt, nó có thể tái chế nhiều lần. Tham khảo hình ảnh bên dưới, khoảng nhiệt độ gia công của loại nhựa này nằm giữa điểm nóng chảy (Tm) và nhiệt độ phân hủy nhiệt; phạm vi sử dụng hợp lý của nó nằm giữa nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg) và nhiệt độ biến dạng nhiệt. Do đó, khi chọn loại nhựa này, bốn nhiệt độ này đóng vai trò cực kỳ quan trọng.

Quá trình gia nhiệt và sự thay đổi đặc tính của nhựa nhiệt dẻo

Ví dụ, bảng đặc tính của một loại nhựa như sau:

  • Nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh là -10°C
  • Nhiệt độ biến dạng nhiệt là 80°C
  • Điểm nóng chảy là 150°C
  • Nhiệt độ phân hủy nhiệt là 280°C

Điều này có nghĩa là loại nhựa này có các đặc tính sau:

  • Ở -20°C, nó sẽ trở nên giòn.
  • Ở 30°C, nó có tính đàn hồi và có thể được sử dụng cho các hoạt động và ứng dụng thông thường.
  • Ở 100°C, mặc dù vẫn còn ở dạng rắn, nhưng nó đã trở nên mềm và các đặc tính cơ học đã giảm đáng kể.
  • Ở 180°C, nó sẽ tan chảy thành trạng thái lỏng.
  • Trên 280°C, nó sẽ bị phân hủy nhiệt, gây ra sự đứt gãy phân tử và thay đổi hoàn toàn đặc tính vật liệu.

Khi ở nhiệt độ tương đối thấp, nhựa nhiệt dẻo (Thermo-plastics) có chuyển động phân tử bị hạn chế, dẫn đến đặc tính cứng và giòn như thủy tinh. Khi nhiệt độ tiếp tục tăng đến Tg (nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh), các chuỗi phân tử của nhựa vô định hình (Amorphous) bắt đầu tăng cường chuyển động và giãn nở (thể tích riêng tăng), ban đầu trở nên dính và có tính đàn hồi giống cao su. Khi đạt đến Tm (nhiệt độ nóng chảy), chuỗi phân tử phân hủy hoàn toàn thành trạng thái lỏng chảy. Tuy nhiên, đối với nhựa kết tinh (Crystalline), do cấu trúc chuỗi phân tử chặt chẽ, ở nhiệt độ thấp, các phân tử chỉ có thể dao động trong phạm vi rất nhỏ. Chỉ khi đạt đến Tm (nhiệt độ nóng chảy), chuỗi phân tử mới bắt đầu sụp đổ và chuyển động nhanh chóng, giãn nở và trở thành trạng thái lỏng chảy.

Quá trình gia nhiệt và đường cong hành vi của nhựa nhiệt dẻo

Quan sát hành vi của nhựa nhiệt dẻo, chúng ta có thể rút ra một số đặc điểm sau:

  • Khi nhựa ở nhiệt độ dưới Tg, cấu trúc của nó ở trạng thái xếp chồng chặt chẽ, và mật độ của nhựa kết tinh lớn hơn nhựa vô định hình.
  • Khi nhiệt độ tăng, thể tích riêng của nhựa tăng (mật độ giảm), không gian chuyển động của chuỗi phân tử tăng (thể tích tự do lớn hơn). Nhựa kết tinh có sự giãn nở nhiệt ban đầu không lớn, cho đến khi nhiệt độ vượt quá Tm, thể tích riêng mới tăng nhanh chóng. Khi đạt trạng thái hoàn toàn nóng chảy, sự giãn nở nhiệt của nhựa kết tinh lớn hơn nhiều so với nhựa vô định hình; ngược lại, trong quá trình làm mát, nhựa kết tinh thường có tỷ lệ co ngót lớn hơn nhựa vô định hình.
  • Nhựa vô định hình từ khi mềm hóa đến khi tan chảy, quá trình này diễn ra từ từ và không có điểm nóng chảy rõ ràng; trong khi đó, điểm nóng chảy của nhựa kết tinh khá rõ ràng và hẹp.
  • Nếu nhựa bị nén, chuyển động của chuỗi phân tử sẽ bị hạn chế, do đó Tg, Tm và thể tích riêng khi gia nhiệt sẽ nhỏ hơn so với khi không bị nén.