3.1 Nguyên liệu nhựa Polyethylene (PE)
3.1.4 Tính chất và ứng dụng của PE
Polyethylene là polymer nhiệt dẻo, có độ cứng tương đối không cao, không có mùi vị, có cấu trúc kết tinh giống như cấu trúc của parafin thường (C60H122). Phân tử ethylene có cấu tạo mạch thẳng dài gồm những nhóm methylene, ngoài ra còn có những mạch nhánh. Nếu mạch nhánh càng nhiều và càng dài thì độ kết tinh càng kém. Ở trạng thái nóng chảy PE ở dạng vô định hình. Bất kỳ làm lạnh ở tốc độ nào PE cũng không thể giữ nguyên hoàn toàn pha vô định hình. Sở dĩ PE kết tinh nhanh là vì những mắt xích của nó có chiều dài không lớn (2,53A) và có độ cân đối cao.
Độ kết tinh không bao giờ đạt 100%, xen lẫn giữa pha kết tinh luôn có pha vô định hình. Tỉ lệ này phụ thuộc vào phương pháp sản xuất polymer và nhiệt độ. Vận tốc làm lạnh hỗn hợp PE xác định kích thước của vùng kết tinh và mức độ kết tinh.
Làm lạnh nhanh sẽ làm giảm hàm lượng pha kết tinh. Nâng cao nhiệt độ thì mức độ kết tinh giảm xuống, giảm mạnh khi tiến dần đến nhiệt độ chảy mềm. Độ kết tinh
của PE ở nhiệt độ thường có ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều tính chất của nó như tỉ trọng, độ cứng bề mặt, modul đàn hồi khi uốn, giới hạn bền và chảy, độ hòa tan và trương trong các dung môi hữu cơ, độ thấm khí và hơi.
Nếu không có O2 thì PE bền đến 290oC. Trong khoảng 290-350oC PE phân hủy thành các polymer phân tử thấp dạng sáp, nếu trên 350oC thì sản phẩm phân hủy là các chất lỏng thấp phân tử và các dạng khí như buthylene, ethylene, etan, H2, CO, CO2.
a) Các tính chất của PE
- Độ hòa tan và trọng lượng phân tử: ở nhiệt độ thường PE không tan trong bất cứ dung môi nào nhưng nếu tiếp xúc quá lâu với các hydrocacbon khí thơm và clo sẽ bị trương. Ở nhiệt độ trên 70oC tan yếu trong toluen, xilen, amin acetate, dầu thông, tetralin, parafin… Ở nhiệt độ cao PE cũng không tan trong nước, rượu béo, acid acetic, aceton, ether ethylic, glicerence, dầu lanh và một số dầu thảo mộc khác.
Nếu pha kết tinh tăng và trọng lượng phân tử tăng thì độ hòa tan giảm.
- Độ bền hóa học: Ở nhiệt độ thường PE bền trong acid sulfuric, nitric loãng và bền trong các acid đậm đặc như HCl, H3PO4, HCOOH và CH3COOH, bền trong amoniac, các amin, trong NaOH, KOH và bền trong dung dịch của các muối khác nhưng bị tác dụng nhiều bởi H2SO4, HNO3 đậm đặc, hỗn hợp nitro hóa, xăng và acid cromic. đến 60oC, PE còn bền trong dung dịch muối và kiềm loãng hoặc đặc, H2SO4 50%, và HNO3 40% và HCl đậm đặc nhưng đến 90-100oC thì H2SO4 và HNO3 phá hủy nhanh PE.
- Độ bền khí quyển: bị lão hóa dưới tác dụng của O2 không khí ở nhiệt độ cao, tia tử ngoại và nhiệt nên các tính chất cơ lý và điện môi của PE giảm.
- Độ chịu nước: PE có độ bền với nước rất cao, nếu để PE lâu trong nước (trên 2 năm) thì tính chất cơ lý và điện môi của nó vẫn được giữ nguyên.
- Độ thấm khí và hơi: PE là một polymer không cực, do đó đối với hơi của các chất lỏng có cực nó có độ thấm khí không lớn nhưng hơi của các chất lỏng không cực thì thấm qua nó rất nhanh.
- Tính chất cơ học: phụ thuộc trọng lượng phân tử và độ kết tinh của nó. Tính cơ học của PE phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ như độ bền đứt và độ uốn tăng rõ rệt khi giảm nhiệt độ. Một đặc tính nữa của PE là có thể chảy ở trong một số điều kiện
xác định. Nhưng tính chất của PE có thể cải thiện được rất nhiều nếu có thêm các chất độn dạng sợi (sợi tổng hợp, sợi thủy tinh…).
- Tính chất nhiệt: nhiệt độ làm thay đổi nhiều tính chất của PE đặc biệt là thay đổi kích thước của sản phẩm, xuất hiện độ dòn (ở nhiệt độ thấp) và chảy mềm (ở nhiệt độ cao). Cũng như các polymer kết tinh khác PE hoá mềm ở khoảng nhiệt độ hẹp, ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hóa mềm khoảng 15-20oC thì có thể định hướng và tạo hình. Khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chảy mềm thì PE hóa dẻo và khó gia công bằng phương pháp đùn, đúc cũng như các phương pháp khác.
- Tính chất cách điện: PE là polymer không cực. Tính chất điện môi của PE hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ (trong khoảng từ -80oC – 100oC) và độ ẩm.
Điện thế chọc thủng của màng PE đối với điện xoay chiều nhỏ hơn điện một chiều, đặc tính này quan trọng trong ứng dụng làm dây cáp điện.
- Độ hấp thu màu: PE có thể nhuộm bằng thuốc nhuộm và bột màu khác nhau trong hỗn hợp nóng chảy ở trong thiết bị trộn, máy truc vít, máy đúc ở nhiệt độ thường hoặc ở nhiệt độ cao (120-150oC) trên máy cán. Lượng màu hữu cơ có thể dùng từ 0,005 đến 0,2% theo tỉ lệ trọng lượng vật liệu nhuộm. Bột màu vô cơ có thể dùng 0,2-1% như dioxit titan, oxit crom, catmi màu chanh, vàng, da cam và đỏ, muội than (0,2-3%).
- Khả năng trộn với các polymer khác: PE trộn rất kém với hầu hết các polymer khác. Hỗn hợp trộn có độ ổn định tốt nếu cho vào PE các chất sau đây:
parafin trọng lượng phân tử cao, poly izo buthylene, cao su buthyl, poly styrene, ethyl xenlulo.
b) Các ứng dụng của PE
Do tính chất cơ lý, hoá học và điện môi tốt nên PE được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp (điện, vô tuyến điện, hóa chất, công nghiệp nhẹ, y học…).
PE được dùng làm giày cách điện, ống, tấm và màng, sợi, đúc thành vật phẩm, nhựa xốp, chất dẻo lớp, đồng trùng hợp với VA, PP… Ngoài ra còn sulfua clo hóa PE để làm một số resin đặc biệt, dây cua roa, ống dẫn, dụng cụ đựng hóa chất, hoặc clo hóa để làm vật liệu cách điện, da nhân tạo… Sau đây là một số nhóm sản phẩm chính:
- Dây cách điện: dây cách điện bọc bằng PE có ưu điểm hơn so với bọc bằng cao su là nhẹ hơn, dễ uốn hơn và có điện thế chọc thủng lớn. Dây dẫn đện có thể phủ kết hợp PE và PVC để tăng tính chịu cơ học, PE và hỗn hợp trioxit acetic và clo parafin để tăng tính chịu lửa, PE có thêm cao su butyl sẽ tăng độ bền nhiệt và giảm nhiệt độ dòn.
- Ống dẫn: trong tất cả các loại chất dẻo thì PE được dùng rộng rãi nhất để sản xuất ống. Ưu việt của nó là nhẹ, chống gỉ, sức cản chuyển động của chất lỏng không đáng kể, lắp ráp đơn giản, mềm mại, chịu lạnh, dễ hàn, bền hóa học, có tính đàn hồi.
- Màng và tấm: có thể tạo màng và tấm từ PE bất cứ trọng lượng nào. Để có màng mỏng và đàn hồi thường dùng nhất là PE có tỉ trọng thấp vì PE tỉ trọng cao thường bị cứng. Có thể tạo màng PE bằng phương pháp đùn PE nóng chảy qua khe vòng hoặc phẳng. Màng PE dùng trong bao gói có nhiều ưu điểm như độ thấm nước nhỏ, không độc, trơ hóa học, bền cơ học và đàn hồi trong khoảng nhiệt độ lớn.
- Sản phẩm tạo hình: gia công từ tấm PE bằng phương pháp dập khuôn. Nhiệt độ gia công thường cao hơn nhiệt độ chảy mềm từ 10-15oC, có thể gia công sản phẩm có trọng lượng lớn bằng cách hàn các bộ phận riêng lẻ có trọng lượng nhỏ lại nhờ luồng không khí ở 250oC. Nếu dùng khí trơ có thể hạn chế được hiện tượng oxi hoá.
- Sản phẩm đúc: đúc là phương pháp được ứng dụng rộng rãi nhất. Nhiệt độ gia công từ 150-180oC với tỉ trọng thấp và thời gian duy trì áp từ 10-30 giây. Sản phẩm không làm lạnh với không khí mà với nước nóng (70-80oC) để tránh gây ra ứng suất nội tại. Dùng nhiều trong công nghiệp hóa học và dược phẩm để làm hộp, lọ.