Tại sao một số loại nhựa có thể tồn tại lâu dài, trong khi những loại khác lại nhanh chóng bị lão hóa và nứt vỡ, mặc dù tất cả đều là vật liệu nhựa?(1)
Tại sao một số loại nhựa có thể sử dụng được lâu, trong khi những loại khác lại nhanh chóng bị lão hóa và nứt vỡ, mặc dù tất cả đều là vật liệu nhựa?
Nhựa có thể nói là một trong những vật liệu mà chúng ta tiếp xúc hàng ngày. Chai nước khoáng, hộp đựng thức ăn mang đi, vỏ điện thoại, vỏ ổ cắm điện, vỏ cáp, nội thất ô tô, vỏ thiết bị gia dụng, gioăng, ống dẫn và màng bao bì — nhựa có thể được tìm thấy ở hầu hết mọi nơi. Tuy nhiên, nhiều người lại không có ấn tượng tốt về nhựa.
Khi nói đến nhựa, ý kiến chung thường là: rẻ tiền, dễ hỏng, dễ bị giòn theo thời gian và dễ bị lão hóa dưới ánh nắng mặt trời. Một số loại thậm chí còn bị ố vàng, dính và phát ra mùi khó chịu.
Những hiện tượng này thực sự tồn tại. Tuy nhiên, sẽ là quá đơn giản nếu kết luận rằng “tất cả các loại nhựa đều thiếu độ bền”. Nhựa không phải là một vật liệu duy nhất, mà là một họ vật liệu rộng lớn. Sự khác biệt giữa các loại nhựa khác nhau lớn hơn nhiều so với nhiều người nghĩ. Mặc dù tất cả đều được gọi là nhựa, nhưng một số được sản xuất để làm bao bì dùng một lần, một số dùng cho các bộ phận ô tô, một số dùng cho bánh răng và ổ bi, một số dùng cho thiết bị y tế, và một số khác thậm chí có thể hoạt động lâu dài trong môi trường có nhiệt độ cao, ăn mòn mạnh và yêu cầu cách điện.
Do đó, câu hỏi thực sự không phải là liệu nhựa có bền hay không, mà là:
Loại nhựa nào đang được sử dụng?
Sản phẩm này đã được pha trộn thêm chất phụ gia chưa?
Quy trình sản xuất có phù hợp không?
Môi trường hoạt động có vượt quá giới hạn hiệu suất của vật liệu không?
Trong bài viết này, chúng ta sẽ bắt đầu với câu hỏi: Tại sao một số loại nhựa có độ bền cao, trong khi những loại khác lại nhanh chóng bị lão hóa và nứt vỡ?
I. Nhựa không phải là một loại vật liệu duy nhất, mà là cả một họ vật liệu.
Trong cuộc sống thường nhật, chúng ta thường gọi nhiều vật dụng đơn giản là "nhựa". Tuy nhiên, trong khoa học vật liệu, nhựa bao gồm rất nhiều loại khác nhau.
PE (Polyethylene): thường được sử dụng cho màng phim, nắp chai, ống dẫn và vật liệu đóng gói.
PP (Polypropylene): được ứng dụng rộng rãi trong hộp đựng thực phẩm, linh kiện thiết bị gia dụng, phụ tùng ô tô và các vật dụng thiết yếu hàng ngày.
PVC (Polyvinyl Chloride): thường được sử dụng cho ống dẫn, vỏ cáp, ván sàn và các loại vật liệu định hình.
ABS: được sử dụng cho vỏ thiết bị gia dụng, đồ chơi và các bộ phận nội thất ô tô.
PC (Polycarbonate): có độ trong suốt tuyệt vời và khả năng chống va đập cao, thích hợp cho các bộ phận trong suốt và các bộ phận bảo vệ.
PA (Polyamide, còn được gọi là Nylon): có độ bền và khả năng chống mài mòn tốt, thường được sử dụng cho bánh răng, ổ bi và các bộ phận cơ khí.
POM (Polyoxymethylene): có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao, lý tưởng cho các bộ phận truyền động chính xác.
TPU (Thermoplastic Polyurethane Elastomer): dẻo và chống mài mòn, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất ốp điện thoại, giày dép, dây cáp và ống mềm.
Tất cả những vật liệu này thường được công chúng gọi chung là nhựa, nhưng tính chất của chúng lại rất khác nhau. Một số mềm, một số cứng. Một số chịu được nhiệt độ thấp, một số chịu được nhiệt độ cao. Một số trong suốt, một số mờ đục. Một số chống dầu, trong khi một số dễ bị ảnh hưởng bởi dung môi. Một số thích hợp sử dụng trong nhà, một số có thể sử dụng ngoài trời trong thời gian dài.
Do đó, khi đánh giá độ tin cậy của một linh kiện nhựa, bước đầu tiên không phải là kiểm tra xem nó có được làm bằng nhựa hay không, mà là xác định chính xác loại nhựa đó là gì và nó sẽ được sử dụng trong ứng dụng nào.
II. Tại sao nhựa lại bị lão hóa?
Về cơ bản, sự lão hóa của nhựa đề cập đến những thay đổi xảy ra trong cấu trúc vật liệu trong quá trình sử dụng. Những thay đổi này có thể do ánh sáng, nhiệt độ, oxy, độ ẩm, hóa chất, ứng suất cơ học gây ra, và cũng có thể bắt nguồn từ điều kiện xử lý và thiết kế công thức. Sau quá trình lão hóa, nhựa có thể biểu hiện các hiện tượng sau: giòn và nứt, ố vàng, phấn hóa, dính, cứng lại, mềm đi, mất độ bền, bề mặt xỉn màu và biến dạng kích thước. Nguyên nhân gốc rễ gây ra các triệu chứng này không giống nhau.
1. Ánh sáng mặt trời và tia cực tím gây ra hiện tượng giòn hóa ở nhựa.
Nhiều bộ phận nhựa ngoài trời dễ bị hư hại do tiếp xúc lâu dài với ánh nắng mặt trời. Tia cực tím trong ánh nắng mặt trời đẩy nhanh các phản ứng oxy hóa quang học trong một số vật liệu polymer, gây ra sự đứt gãy chuỗi phân tử và thay đổi cấu trúc. Các biểu hiện có thể nhìn thấy bao gồm phai màu, ố vàng, hiện tượng phấn hóa bề mặt và giảm độ bền, cuối cùng dẫn đến giòn và nứt.
Điều này giải thích tại sao xô nhựa, ghế nhựa và lớp vỏ ngoài của dây cáp ngoài trời có thể hoạt động tốt trong nhà nhiều năm, nhưng lại trở nên giòn rõ rệt sau một thời gian tiếp xúc với môi trường ngoài trời.
Đối với các ứng dụng ngoài trời, các yếu tố như khả năng chống chịu thời tiết, hệ thống chống tia UV, muội than, chất ổn định ánh sáng, chất chống oxy hóa hoặc lớp phủ bề mặt thường cần được xem xét. Không phải tất cả các loại nhựa đều phù hợp cho việc sử dụng lâu dài ngoài trời.
2. Nhiệt độ cao đẩy nhanh quá trình oxy hóa và làm giảm hiệu năng.
Nhựa rất nhạy cảm với nhiệt độ. Một số loại nhựa thể hiện hiệu suất tuyệt vời ở nhiệt độ phòng, nhưng hiện tượng lão hóa do oxy hóa nhiệt sẽ xảy ra trong điều kiện nhiệt độ cao kéo dài. Ví dụ, các khu vực gần động cơ, lỗ thông hơi, các bộ phận sinh nhiệt của thiết bị điện và nội thất ô tô tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời có thể đạt đến nhiệt độ cao hơn nhiều so với môi trường trong nhà thông thường.
Khi nhiệt độ tăng, tốc độ lão hóa của vật liệu tăng nhanh, và độ ổn định kích thước, độ bền và độ dẻo dai đều có thể bị suy giảm. Do đó, tính khả thi của một linh kiện nhựa không chỉ phụ thuộc vào việc nó có thể chịu được nhiệt độ cao trong thời gian ngắn hay không, mà còn phụ thuộc vào việc nó có thể duy trì các đặc tính của mình ở nhiệt độ đó trong thời gian dài hay không. Chi tiết này thường bị nhiều người mới bắt đầu bỏ qua.
3. Sự tập trung ứng suất gây ra hiện tượng nứt sớm
Hiện tượng nứt vỡ ở một số bộ phận bằng nhựa không hoàn toàn do vật liệu cơ bản kém chất lượng, mà còn do những rủi ro tiềm ẩn bắt nguồn từ thiết kế cấu trúc và quy trình sản xuất. Ví dụ:
các góc nhọn quá mức,
sự thay đổi đột ngột về độ dày thành tường,
các đầu vít được thiết kế không đúng cách,
chốt khóa dưới tải trọng kéo dài,
ứng suất dư cao bên trong khuôn ép phun,
nén cưỡng bức trong quá trình lắp ráp,
Uốn cong hoặc rung động lâu dài.
Sự tập trung ứng suất hình thành tại các vị trí này. Có thể không có khuyết tật nào nhìn thấy được ngay sau khi sản xuất, nhưng các vết nứt sẽ bắt đầu hình thành và lan rộng từ các vùng yếu này sau một thời gian sử dụng.
Do đó, hiện tượng nứt vỡ các bộ phận bằng nhựa không phải lúc nào cũng chỉ đơn giản là do chất lượng vật liệu kém. Nó có thể là kết quả tổng hợp của việc lựa chọn vật liệu, cấu trúc, thiết kế khuôn, quá trình ép phun và lắp ráp.
4. Tiếp xúc với hóa chất cũng có thể gây nứt nẻ.
Nhiều người cho rằng nhựa có khả năng chống nước và ăn mòn. Điều này chỉ đúng một phần. Khả năng kháng hóa chất của các loại nhựa khác nhau rất đa dạng. Một số vật liệu dễ bị ảnh hưởng bởi cồn, một số bởi dầu, một số bởi chất tẩy rửa, một số bởi dung môi, và một số khác bởi axit và kiềm. Một số loại nhựa dễ bị hư hại khi chịu tác động đồng thời của ứng suất và hóa chất.
Ví dụ, một bộ phận nhựa trong suốt có thể trông chắc chắn trong điều kiện bình thường. Tuy nhiên, tiếp xúc lâu dài với cồn, chất tẩy rửa, dầu mỡ hoặc một số dung môi nhất định, kết hợp với ứng suất bên trong, có thể gây ra các vết nứt nhỏ. Hiện tượng này thường được gọi là nứt do ứng suất môi trường. Đặc điểm của nó là các vết nứt phát triển dần dần trong điều kiện sử dụng mà không có tác động bên ngoài đáng kể.
Do đó, khi đánh giá độ bền của nhựa, chúng ta không thể chỉ xem xét độ bền cơ học; chúng ta cũng cần tính đến môi trường tiếp xúc.
5. Nước và hơi nóng ẩm cũng có thể ảnh hưởng đến một số loại nhựa.
Một số loại nhựa nhạy cảm với nước và nhiệt độ cao. Ví dụ, nylon dễ dàng hấp thụ độ ẩm, điều này có thể gây ra những thay đổi về kích thước, độ bền, độ cứng và tính chất điện của nó. Các vật liệu như polyester và polycarbonate cũng có nguy cơ bị thủy phân ở nhiệt độ và độ ẩm cao hoặc trong điều kiện xử lý không phù hợp.
Điều này không có nghĩa là các vật liệu này có chất lượng kém; mà là chúng có những giới hạn sử dụng riêng. Trong quá trình lựa chọn vật liệu, điều cần thiết là phải làm rõ liệu bộ phận đó có tiếp xúc với nước hay không, liệu nó có được sử dụng lâu dài trong môi trường có độ ẩm cao hay không, liệu có yêu cầu về độ ổn định kích thước hay không, và liệu hiệu suất cách điện có liên quan hay không. Đối với cùng một loại vật liệu, kết quả có thể hoàn toàn khác nhau khi sử dụng trong môi trường trong nhà khô ráo so với điều kiện ngoài trời nóng ẩm.
