Công nghệ gia công nhựa

• Homopolymer mạch phân tử chỉ chứa 1 loại monomer  có tính đồng nhất cao, dễ sắp xếp đều đặn, trật tự nên có độ kết tinh cao và do đó các tính chất cơ lý cao hơn copolymer... Tg T

CHƯƠNG 1: GiỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ

CÔNG NGHỆ GIA CÔNG POLYMER

• Nguyên liệu + Phương pháp sản xuất

(công nghệ gia công)  sản phẩm

I Nguyên liệu sản xuất: Polymer

I.1 Khái niệm polymer

Poly (nhiều) + meros (phần)

• Polymer là những hợp chất mà phân tử của chúng

gồm những nhóm nguyên tử được nối với nhau bằng những liên kết hóa học tạo thành những mạch dài và có khối lượng phân tử lớn

• Trong mạch chính của polymer những nhóm nguyên

tử này được lặp đi lặp lại nhiều lần

• Polymer là một hợp chất cao phân tử nhưng hợp

chất cao phân tử chưa chắc là polymer

I.2 Phân loại polymer

a Nhựa nhiệt dẻo

b Nhựa nhiệt rắn

c Nhựa đàn hồi (cao su)

Sản phẩm sản xuất từ nhựa nhiệt dẻo

Nhựa nhiệt dẻo

nguyên liệu

a.Nhựa nhiệt dẻo

• Nhiệt độ thường: ở trạng thái rắn, gia

nhiệt thì chảy lỏng, làm nguội thì trở về trạng thái rắn

• Không xảy ra phản ứng hóa học trong

quá trình chuyển trạng thái

• Tái sinh được

Nhựa nhiệt rắn nguyên liệu

b Nhựa nhiệt rắn

• Nhiệt độ thường: ở trạng thái lỏng, khi gia nhiệt và/hoặc có xúc tác thì đóng

rắn và khi đã đóng rắn thì không trở về trạng thái lỏng được nữa (không tan,

Ứng dụng của nhựa nhiệt rắn

Sơn, vecni keo dán (chất kết dính)

Sợi thủy tinh + Nhựa

Ứng dụng của nhựa nhiệt rắn

Vật liệu composite

Sản phẩm composite

c Nhựa đàn hồi (cao su)

• Có các đặc điểm tương tự nhựa nhiệt

rắn nhưng có tính đàn hồi cao *

Cao su

nguyên liệu

Sản phẩm sản xuất từ cao su

Găng tay Núm ti Bong bóng

II CÔNG NGHỆ GIA CÔNG

• Mỗi loại polymer có một đặc tính khác nhau nên phương pháp gia công cũng

khác nhau

II.1 Phương pháp gia công cao su

• Sơ luyện  hỗn luyện  tạo hình 

lưu hoá

II.2 Phương pháp gia công nhựa nhiệt rắn

• Sản xuất sơn, vecni, keo dán…

• Sản xuất vật liệu composite: gia công bằng

phương pháp lăn tay, phun, quấn,…

Phương pháp lăn tay

Phương pháp phun

Phương pháp quấn sợi

II.3 Phương pháp gia công nhựa nhiệt dẻo

• Ép phun

• Đùn

• Thổi khuôn

• Thổi màng

II.4 Phương pháp trộn polymer

• Phương pháp trộn kín

• Phương pháp trộn hở

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT

2.1 Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của polymer

2.2 Phân loại nhựa

2.3 Giới thiệu một số loại nhựa thông

dụng

2.4 Mã nhận dạng nhựa

2.5 Những tính chất kỹ thuật của polymer

2.1 Quan hệ giữa cấu trúc và

tính chất của polymer

• M: Trọng lượng phân tử* 1 mạch polymer

• m: Trọng lượng phân tử 1 mắc xích cơ sở

Độ trùng hợp = n

• Nhựa có độ trùng hợp cao thì có tính dẻo dai,

khả năng chống va đập, chịu mài mòn tốt

• Polymer mạch không gian không tan trong

dung môi* và độ bền nhiệt cao

2.1.3 Thành phần monomer

• Homopolymer (polymer đồng đẳng) : trong thành

phần mạch phân tử chỉ chứa 1 loại monomer

-A-A-A-A-A-A-A-A-

A: là một monomer

• Copolymer (polymer đồng trùng hợp): trong thành

phần mạch phân tử chứa trên hai loại momomer.*

-A-A-B-A-B-A-B-B-A-

A, B: là các monomer khác

nhau

• Homopolymer mạch phân tử chỉ chứa 1 loại monomer  có tính đồng nhất cao,

dễ sắp xếp đều đặn, trật tự nên có độ

kết tinh cao và do đó các tính chất cơ lý

cao hơn copolymer

• Trạng thái tập hợp của 1 chất được xác định bởi

cân bằng giữa năng lượng liên kết E lk (mang các

nguyên tử lại gần nhau) và năng lượng nhiệt E nh (đẩy các nguyên tử ra xa nhau)

E nh = k.T và E lk = const

k: hằng số Boltzman = 1,382.10 -23 J/K

• Khi T tăng, E nh tăng làm mất đi các cấu trúc trật tự

• Khí: trạng thái mất trật tự hoàn toàn

• Rắn: trạng thái trật tự hoàn toàn

• Lỏng: là trung gian giữa 2 trạng thái trên

• Trạng thái pha vô định hình: Các mạch polymer sắp xếp

ngẫu nhiên, không có trật tự Vật liệu có thể ở thể

rắn hoặc lỏng*

• Trạng thái pha tinh thể (kết tinh): Các mạch polymer

sắp xếp một cách có trật tự Vật liệu ở thể rắn

• Trong thực tế, polymer thường ở trạng thái bán kết

tinh là trạng thái trong đó vừa có những vùng pha kết

tinh vừa có những vùng pha vô định hình xen kẽ nhau

Trạng thái vô định hình Trạng thái bán kết tinh

• Tỷ lệ giữa vùng kết

tinh so với toàn khối polymer gọi là

độ kết tinh

• Polymer vô định hình có độ trong suốt cao hơn

polymer kết tinh

VD: Nhựa PMMA (Poly methyl methacrylate) có độ

trong suốt cao hơn thủy tinh vô cơ

• Polymer kết tinh có tính chất cơ lý cao hơn polymer

vô định hình.*

• Độ kết tinh phụ thuộc vào tốc độ làm nguội Làm

nguội chậm thì độ kết tinh cao và ngược lại

• Nếu cho thêm chất hóa dẻo thì độ kết tinh giảm

Tg

Trạng thái

Thuỷ tinh Trạng thái Mềm cao Trạng thái Chảy nhớt

Dao động

Nguyên tử Đoạn mạch Dao động Chuyển động Phân tử

T g : Nhiệt độ hoá thuỷ tinh

T m : Nhiệt độ chảy nhớt

Tm

• Các polymer vơ định hình tuỳ thuộc vào nhiệt độ cĩ

thể cĩ 3 trạng thái lý học:

• Trạng thái thuỷ tinh: đặc trưng bởi sự dao động của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử trong mạch

phân tử quanh các vị trí cân bằng nào đó

• Trạng thái mềm cao: đặc trưng bởi sự dao động của các đoạn mạch, do đó mạch polymer có khả năng uốn dẻo

• Trạng thái chảy nhớt: đặc trưng bởi độ linh động

của toàn mạch đại phân tử

• Nhiệt độ hoá thuỷ tinh (T g) : là nhiệt độ tại đó nhựa bắt đầu chuyển sang trạng thái thủy tinh.*

• Nhiệt độ (T m) : là nhiệt độ tại đó nhựa bắt đầu

chuyển sang trạng thái chảy nhớt.*

• Nhiệt độ gia công (T p ) (T p – Temperature

processing) : là nhiệt độ mà làm cả hỗn hợp nhựa chảy dẻo ra, đáp ứng khả năng gia công và cho sản phẩm hoàn hảo nhất.*

• Nhiệt độ gia công lúc nào cũng lớn hơn nhiệt độ

nóng chảy.*

1

2.2 Phân loại nhựa

• Trong sản xuất nhựa phân thành 4 loại:

–Nhựa thông dụng

–Nhựa kỹ thuật

–Nhựa kỹ thuật chuyên dụng

–Nhựa hỗn hợp

a Nhựa thông dụng

• Là loại nhựa được sử dụng số lượng lớn

• Dùng nhiều trong những vật dụng thường ngày

• Giá rẻ

• VD: PE, PP, PS, ABS, PVC, PET…

b Nhựa kỹ thuật

• Là loại nhựa có tính chất cơ lý (độ bền

kéo, bền uốn, va đập,…) trội hơn so với

các loại nhựa thông dụng

• Ứng dụng để sản xuất các chi tiết yêu cầu tính năng cao

• Giá đắt

Một số loại nhựa kỹ thuật

Tên nhựa Tên viết tắt

c Nhựa kỹ thuật chuyên dụng

• Chỉ dùng với số lượng ít, trong một số

lĩnh vực riêng biệt Giá rất cao

Poly Ester kết tinh dạng lỏng LCP

Poly Tetra Fluoro Ethylene PTFE

d Nhựa hỗn hợp

• Phối hợp tính năng ưu việt của các loại nhựa và hạn chế những tính năng yếu

kém của nó từng loại riêng lẻ

• VD: PC/PET, PC/ABS, PA/PP,…

2.3 Giới thiệu một số loại nhựa

thông dụng

1 Cấu tạo, tính chất, ứng dụng của các

loại nhựa thông dụng (PE, PP, PVC, PS,

ABS, PMMA)

2 Cấu tạo, tính chất, ứng dụng của các

loại nhựa kỹ thuật (PA, PC, POM, PET,

EVA, PTFE (Teflon))

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT

2.1 Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của polymer

2.2 Phân loại nhựa

2.3 Giới thiệu một số loại nhựa thông

dụng

2.4 Mã nhận dạng nhựa

2.5 Những tính chất kỹ thuật của polymer

2.4 Mã nhận dạng nhựa

2.4 Mã nhận dạng nhựa

• Mã nhận dạng là kí hiệu đặc biệt để

người sử dụng dễ nhận biết nhựa đó là

gì

• Mã nhận dạng nhựa có hình tam giác ,

bên trong có số kí hiệu cho loại nhựa

• Mã nhận dạng nhựa dùng để nhận biết, phân loại, tái chế và biết cách sử dụng đạt yêu cầu kỹ thuật

2.5 Những tính chất kỹ thuật của

polymer

Vật liệu Tỷ trọng

(g/cm 3 )

High Density PE (HDPE) 0,95

Low Density PE (LDPE) 0,90

• Nhựa có tỷ trọng tương đối thấp, dao động

Tỷ trọng cao ↔ độ kết tinh cao, độ co thể

tích thấp

2.5.2 Chỉ số chảy (MI – Melt Index)

• Máy đo chỉ số chảy bao gồm một cái nòng được gia

nhiệt và 1 piston

• Tải trọng được đặt lên trên những piston để tạo áp

lực lên khối nhựa chảy nhớt ở nhiệt độ cao, dòng nhựa sẽ thoát ra ngoài thông qua một miệng chảy

có kích thước Φ = 2,1mm Khối lượng nhựa chảy ra trong 10 phút gọi là chỉ số chảy, đơn vị là gam/10 phút

• Ví dụ: Chỉ số chảy của PE là 3 có nghĩa là với thử

nghiệm trên, ta thu được 3g PE chảy qua lỗ tròn Φ = 2,1 mm trong thời gian 10 phút, trong điều kiện

nhiệt độ và áp suất nhất định

• Chỉ số chảy càng lớn (trong sản xuất gọi là Nhựa nhẹ lửa) thể hiện tính lưu động của vật liệu càng cao (vật liệu chảy vào khuôn

nhanh, áp suất đòi hỏi không cao, khuôn lâu mòn, kích thước và hình dạng sản phẩm

chính xác, chất lượng sản phẩm đồng đều)

• Chỉ số chảy quá cao thì sản phẩm có nhiều

bavia

Ý nghĩa

• Chỉ số chảy càng thấp thể hiện tính lưu

động của vật liệu kém Cần tăng áp

suất phun, tăng nhiệt độ gia công

• Trong gia công sản phẩm, tùy theo

phương pháp gia công và yêu cầu của

sản phẩm để chọn vật liệu có chỉ số chảy thích hợp

2.5.3 Độ hút ẩm

• Được xác định bằng mức hút nước của nhựa

• Phương pháp đo: lấy mẫu nhựa sấy khô

rồi cân trọng lượng của nó Sau đó

ngâm mẫu nhựa 24 giờ rồi lấy ra cân lại

Tỷ lệ % tăng trọng lượng là mức hấp thụ nước

• Nhựa không có nhóm phân cực  Độ hấp thụ nước thấp

• Nhựa có nhóm phân cực  Độ hấp thụ

nước cao

• Hàm lượng ẩm trong nguyên liệu cao

ảnh hưởng đến quá trình gia công (phải kéo dài thời gian duy trì áp) và chất

lượng sản phẩm (bị cong vênh, bề mặt sần sùi, long lánh ánh bạc trên bề mặt,

lỗ xốp trong sản phẩm,…)

 phải sấy nhựa trước khi gia công

• Nhiệt độ và thời gian sấy khác nhau tùy

theo từng loại nhựa

1

Ý nghĩa

Loại nhựa Nhiệt độ sấy

(oC)

Thời gian sấy (giờ)

2.5.4 Mức thông hơi

• Là mức độ thông hơi khó hay dễ của

màng nhựa (film) hay tấm nhựa (sheet)

• Đây là chỉ tiêu rất quan trọng trong việc

sản xuất bao bì (dạng màng) hoặc chai

lọ (sản phẩm rỗng)

• Tính thông hơi trong không khí của các loại màng nhựa

• Ứng dụng: PA dùng làm bao bì hút chân không

• Có thể chế tạo màng đa lớp bằng cách ghép các màng khác nhau để tăng tính năng sản phẩm

2.5.5 Độ co thể tích

• Là % chênh lệch giữa kích thước của sản phẩm sau

khi lấy ra khỏi khuôn được định hình và ổn định kích thước so với kích thước của khuôn

• Đây là một chỉ số cực kì quan trọng khi thiết kế

khuôn để làm ra những sản phẩm có độ chính xác kích thước cao

• Khi độ co rút quá lớn còn gây nhiều khuyết tật khác

như: cong vênh, rạn nứt

Độ co thể tích phụ thuộc vào các yếu tố:

• Bản chất của polymer: mỗi loại polymer có giới hạn

co thể tích khác nhau Đối với loại nhựa nhiệt rắn, độ

co thể tích còn phụ thuộc vào mật độ nối ngang khi đóng rắn

• Độ ẩm nguyên liệu: Sự co thể tích do mất ẩm và các

chất dễ bay hơi trong quá trình gia công

• Điều kiện gia công: quan trọng là nhiệt độ gia công

và cách thức làm nguội

• Chất độn: sự hiện diện của các chất độn thường làm

giảm độ co thể tích

1

2.5.6 Nhiệt độ gia công (tp – Temperature processing)

• Nhiệt độ gia công là nhiệt độ làm cho cả

hỗn hợp nhựa chảy ra, đáp ứng khả năng

gia công và cho sản phẩm hoàn hảo nhất

• Nhiệt độ gia công của các nguyên liệu khác nhau thường được xác định bằng thực

nghiệm

• Khi lựa chọn nhiệt độ gia công cần lưu ý các

đặc điểm: nhiệt độ hóa thủy tinh, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ phân hủy

1

2.5.7 Khối lượng riêng gộp (⍴ g )

• Là tỷ số giữa khối lượng của vật liệu và thể tích gộp (đổ đống) mà vật liệu chiếm chỗ

• Khối lượng riêng gộp khác với khối lượng riêng thật của vật liệu

• Thí dụ: khối lượng riêng gộp của cát khô

là 1200 kg/cm3, trong khi đó khối lượng riêng thật là 1500kg/cm3

• Khối lượng riêng gộp phụ thuộc hình dạng, kích thước, mức độ xếp chặt của vật liệu

• Khối lượng riêng gộp là một số liệu

không thể thiếu khi tính toán thể tích

phần chứa nguyên liệu nguyên liệu của thiết bị như: thể tích buồng nạp nguyên liệu của máy ép phun, xilo, …

2.5.8 Hệ số nén ép K

• Là tỷ số giữa khối lượng riêng sản phẩm ( ⍴ ) trên khối lượng riêng gộp ( ) của nguyên liệu

1

• K thể hiện sự biến đổi thể tích của khối lượng vật liệu khi đưa vào quá trình gia công

2.5.9 Thành phần cỡ hạt – kích thước

hạt

• Nguyên liệu có kích thước hạt đồng đều

sẽ thuận lợi hơn khi gia công: trộn lẫn

với các chất khác đều hơn, sự gia nhiệt

dễ đồng nhất hơn

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ TRỘN

POLYMER

3.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRỘN POLYMER 3.2 GiỚI THIỆU MỘT SỐ THIẾT BỊ TRỘN

3.1.1 Khái niệm và mục đích trộn

Khái niệm:

• Trộn là quá trình trong đó các chất phụ gia được đưa vào và phân tán trong pha polymer tạo nên một hệ đồng nhất

Mục đích:

• Trộn đều và phân bố các loại vật liệu khác

nhau trong hỗn hợp (polymer, phụ gia, độn, màu…)

• Trong khi gia công quá trình trộn hỗ trợ cho việc truyền nhiệt, giúp cho khối vật liệu có nhiệt độ đồng đều

• Nếu hỗn hợp ở dạng past thì quá trình trộn

còn làm nhuyễn và dẻo vật liệu, tạo điều

kiện thuận lợi cho quá trình gia công

1

3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá

trình trộn

• Mỗi polimer có một nhiệt độ trộn tối

ưu: mức độ giảm cấp thấp nhất

• Quá trình trộn thực hiện bởi tác động cơ học của thiết bị trộn

Nhiệt độ

Topt

Aûnh hưởng của cơ Aûnh hưởng của nhiệt Aûnh hưởng tổng cộng

Mức độ giảm cấp Tác động của cơ và nhiệt đến sự giảm cấp

3.1.3 Trộn phân bố và trộn phân tán

• Quá trình trộn được phân biệt thành:

– Trộn phân bố

– Trộn phân tán

a Trộn phân bố

• Trộn phân bố là quá trình phân bố các chất độn vào

khối polymer liên tục

• Không chú ý đến vấn đề pha phân tán là hạt sơ cấp

hay tập hợp hạt độn Chỉ chú ý đến sự đồng đều

của hạt ở mức độ vĩ mô

• Trong quá trình trộn yêu cầu độ lớn của lực tác

độngkhông cao

b Trộn phân tán

• Các hạt độn phải bị phá vỡ và chất độn phân tán dưới dạng các hạt sơ cấp

• Để phân tán hạt độn dưới dạng sơ cấp, lực tác

động phải đủ lớn để thắng lực hút giữa các hạt

sơ cấp

3.1.4 Cơ chế quá trình trộn

• Khi trộn vật liệu hạt, các hạt chịu tác dụng của

những lực có hướng khác nhau và chuyển động của hạt chính là hệ quả tác động hỗn hợp của các lực

đó

• Ngoài ra cơ chế trộn còn phụ thuộc vào cấu trúc

máy trộn và phương pháp tiến hành quá trình

Các quá trình cơ bản trong các máy

trộn

Tạo các lớp trượt với nhau theo các

Chuyển dịch một nhóm hạt từ vị trí

nay đến vị trí khác Trộn đối lưu

Thay đổi vị trí của từng hạt riêng lẻ Trộn khuếch tán

Phân tán từng phân tử do va đập

vào thành thiết bị Trộn va đập

Biến dạng và nghiền nhỏ từng bộ

3.2 GiỚI THIỆU MỘT SỐ THIẾT BỊ

TRỘN

3.2.1 Máy cán 2 trục (máy trộn hở)

3.2.2 Máy trộn kín

3.2.3 Một số loại máy trộn khác

3.2.1 Máy cán 2 trục

• Hai bánh

răng điều chỉnh khe

hở giữa hai trục được

bố trí hai bên phía thao tác

a Cấu tạo : Gồm 2 trục rỗng làm bằng thép, quay ngược chiều nhau Sát mặt trong của trục có bố trí hệ thống

đường ống cho nước giải nhiệt chạy qua

 Ở 2 đầu trục có bộ phận giống như lưỡi gà có thể điều

chỉnh ra vào được, có nhiệm vụ tránh cho lớp vật liệu dồn

về 2 đầu trục  khó cắt hoặc điều chỉnh chiều rộng tấm khi xuất tấm

 Phía dưới là khay hứng nguyên liệu rơi ra

 Ngoài ra còn có bộ phân dừng khẩn cấp khi có sự cố

b Nguyên lý làm việc

• Máy cán 2 trục làm việc gián đoạn Cụm chi tiết làm

việc là 2 trục rỗng, đặt song song trên cùng một mặt phẳng nằm ngang

• Các trục này quay với vận tốc khác nhau và ngược chiều

• Tỷ số vận tốc dài giữa 2 trục gọi là tỷ tốc (f)

• Tỷ tốc là thông số quan trọng cần lưu ý khi sử dụng

máy cán 2 trục

• f càng lớn thì ứng suất tác dụng càng lớn, sự phá vỡ

Nguyên lý làm việc

• Vật liệu gia công khi đưa vào máy bị các trục quay

ngược chiều kéo vào khoảng giữa 2 trục nhờ lực

liên kết nội và lực ma sát của vật liệu với bề mặt

trục

• Lực cắt và lực nén càng gia tăng khi vật liệu càng đi

sâu vào khe trục tương ứng với sự gia tăng của ứng suất trượt và ứng suất nén

• Các ứng suất này gây biến dạng trong khối vật liệu

và làm vật liệu chảy qua khe trục

• Các biến dạng tạo nên bề mặt tiếp xúc mới giúp quá

trình phân tán các phụ gia vào khối polymer dễ

dàng hơn