Nhựa PS (Polystyrene) là gì? Công dụng, tính năng và thông số kỹ thuật
Nhựa PS (Polystyrene) là gì? Polystyrene (PS) là một loại nhựa polymer phổ biến với đặc tính trong suốt, cứng và giòn, được tạo ra từ quá trình polymer hóa hợp chất styrene. Nhờ tính linh hoạt và dễ gia công, polystyrene được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, từ bao bì thực phẩm, hộp đựng, ly nhựa đến vật liệu cách nhiệt và bảo vệ thiết bị điện tử. Với khả năng tái chế và giá thành hợp lý, polystyrene trở thành lựa chọn hàng đầu cho các giải pháp đóng gói và sản xuất hiện đại.
Nhựa PS là gì?
Nhựa PS (Polystyrene), còn được biết đến với tên gọi poly-phenylethene với công thức hóa học (C₈H₈)ₙ. PS là một loại polymer nhiệt dẻo được cấu tạo từ các đơn vị styrene lặp lại. Với đặc tính có thể mềm và nóng chảy khi đun nóng, PS cho phép tái sử dụng và tạo hình linh hoạt, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp và dân dụng.
PS có công thức là (C₈H₈)ₙ
Về mặt vật lý, polystyrene nổi bật nhờ khả năng cách điện tuyệt vời và khả năng kháng hóa chất hiệu quả, đặc biệt là với các axit và bazơ. Ở dạng rắn, Loại nhựa này sở hữu độ trong suốt cao nhờ cấu trúc phân tử không kết tinh, giúp tăng tính thẩm mỹ trong ứng dụng sản xuất. Tuy nhiên, nhựa PS cũng có một số nhược điểm như tính giòn và khả năng kháng tia cực tím (UV) kém.
| Tính chất | Giá trị | Đơn vị |
|---|---|---|
| Khối lượng riêng | 1,05–1,06 | g/cm³ |
| Độ bền khi kéo | 35–59 | N/mm² |
| Độ bền khi nén | 56–133 | N/mm² |
| Độ bền khi uốn | 80–112 | N/mm² |
| Modun đàn hồi kéo | (2,8–3,5)×10³ | N/mm² |
| Độ dai va đập | 12–20 | KJ/m² |
| Độ cứng Brinel | 140–160 | HB |
| Nhiệt độ làm việc lâu dài | 70–75 | ℃ |
Một đặc tính quan trọng khác của PS là nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg) tương đối thấp, khoảng 100ºC. Tại ngưỡng này, polymer bắt đầu mềm dẻo trước khi nóng chảy hoàn toàn, giúp nó dễ dàng tạo hình thông qua công nghệ ép phun hoặc ép đùn. Nhựa PS được nhận diện bằng mã tái chế số 6, cho phép tái chế và gia công thành nhiều hình dạng hoặc sản phẩm khác nhau.
Nhằm cải thiện các đặc tính cơ học và hóa học, polystyrene thường được đồng trùng hợp với các hợp chất khác để tạo ra vật liệu có hiệu suất vượt trội:
- PSMMA (Poly-styrene-co-methyl methacrylate): Được tạo ra từ sự kết hợp giữa polystyrene và methyl methacrylate. Loại nhựa này có độ trong suốt cao hơn cùng khả năng kháng UV và hóa chất tốt hơn, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ bền cao dưới điều kiện môi trường khắc nghiệt.
- ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene): ABS là kết quả của quá trình đồng trùng hợp giữa acrylonitrile, butadiene và polystyrene. Vật liệu này sở hữu độ bền kéo cao, tính dẻo dai, dễ hàn dính, dễ gia công và độ ổn định kích thước vượt trội, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng trong sản xuất linh kiện ô tô, thiết bị gia dụng và vỏ máy móc công nghiệp.
Biến thể của PS:
- Polystyrene cứng (GPPS): Trong suốt, dùng làm hộp nhựa, đồ gia dụng.
- Polystyrene chống va đập (HIPS): Dẻo dai hơn, dùng trong các sản phẩm đòi hỏi chịu lực tốt.
- Polystyrene xốp (EPS): Dạng bọt nhẹ, ứng dụng trong cách nhiệt và đóng gói hàng hóa.
Xem thêm: Nhựa ABS là gì? Thông số kỹ thuật và Ứng dụng của nhựa ABS trong công nghệ in 3D
Ứng dụng của Nhựa PS
- Dạng rắn (Solid hoặc Rigid):
Polystyrene ở dạng rắn sở hữu đặc tính trong suốt, cứng nhưng giòn và có độ bền trung bình khi chưa được cải thiện.
Ứng dụng chính:
- Vỏ bọc thiết bị điện tử: Được dùng làm vỏ bảo vệ cho đồ điện gia dụng và thiết bị điện tử.
- Dụng cụ gia dụng: Sản xuất dao, nĩa, thìa nhựa, hộp đựng thức ăn và nước uống.
- Y tế: Chế tạo ống nghiệm và đĩa Petri sử dụng trong phòng thí nghiệm.
- Dạng bọt (Foam):
Bọt xốp EPS (Expanded Polystyrene) là một trong những sản phẩm nổi bật nhất của Polystyrene nhờ trọng lượng nhẹ và khả năng cách nhiệt hiệu quả.
Ứng dụng phổ biến:
- Cách nhiệt trong xây dựng: Được dùng làm tấm cách nhiệt cho tường, trần và sàn nhà.
- Đóng gói bảo vệ: Dùng làm đệm lót để bảo vệ hàng hóa trong quá trình vận chuyển.
- Thiết bị an toàn: Là vật liệu chính để sản xuất ghế bảo vệ trẻ em và đệm giảm chấn.
- Dạng màng (Film):
Polystyrene dạng màng mỏng có độ bền cao, khả năng in ấn tốt và độ trong suốt vượt trội.
Các ứng dụng cụ thể:
- Bao bì thực phẩm: Dùng làm lớp lót cho bao bì đựng thịt và hộp đựng thức ăn mang đi.
Đồ hộp nhựa PS
- Lớp phủ bảo vệ: Làm lớp phủ chống thấm trên poster và các sản phẩm quảng cáo.
- Dạng composite (Composites):
Polystyrene cũng đóng vai trò làm nền polymer trong sản xuất vật liệu composite gia cố sợi.
Ứng dụng chính:
- Xây dựng và cơ khí: Dùng để chế tạo cánh quạt tuabin gió và ống chống ăn mòn.
- Ô tô: Tạo nên các chi tiết thân xe hoặc bộ phận giảm chấn.
- Dạng đồng trùng hợp (Co-polymerized):
PS có thể kết hợp với các hợp chất khác để tạo ra nhựa với tính chất vượt trội, bao gồm:
- ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene): Nhựa bền, chịu lực cao và dễ gia công, ứng dụng trong sản xuất linh kiện ô tô và vỏ thiết bị điện tử.
- PSMMA (Poly-styrene-co-methyl methacrylate): Loại nhựa có độ trong suốt và khả năng chống tia UV, thích hợp cho ngành công nghiệp quang học và đóng gói.
- SBR (Styrene-Butadiene Rubber): Ứng dụng phổ biến trong sản xuất lốp xe và các sản phẩm chịu lực.
- SAN (Styrene Acrylonitrile): Được dùng trong sản xuất phụ tùng máy móc và vật dụng gia dụng chịu nhiệt.
Ưu điểm của quá trình ép phun nhựa PS
Nhựa PS là loại nhựa có độ co rút rất thấp trong quá trình ép phun, thường dưới 0,5%, thấp hơn nhiều so với các loại nhựa khác. Nhờ vậy, nó có thể tái tạo các chi tiết thiết kế phức tạp và nhỏ với độ chính xác cao. Đặc tính này cũng giúp hạn chế tình trạng cong vênh, đảm bảo sản phẩm có hình dạng đồng nhất và kích thước ổn định, đặc biệt phù hợp cho sản xuất hàng loạt với sai số tối thiểu.
Ngoài ra, Polystyrene là một loại nhựa nhiệt dẻo, có thể nóng chảy khi gia nhiệt và cứng lại khi làm nguội, cho phép tái sử dụng dễ dàng mà không làm giảm chất lượng. Tính linh hoạt của vật liệu này cũng giúp tạo ra nhiều hình dạng sản phẩm khác nhau, từ chi tiết nhỏ đến các sản phẩm có kích thước lớn. Đặc biệt, thời gian chu kỳ sản xuất ngắn góp phần tăng hiệu suất và giảm chi phí.
Polystyrene còn nổi bật nhờ khả năng ứng dụng ở dạng bọt và đồng trùng hợp. Dạng bọt Polystyrene, thường được ép phun bằng công nghệ ép phun xốp cấu trúc (structural foam molding), tạo ra các sản phẩm vừa cứng cáp vừa nhẹ, thích hợp cho các ứng dụng cách nhiệt, đóng gói và bảo vệ va đập. Trong khi đó, Polystyrene đồng trùng hợp giúp cải thiện tính chất cơ học, mang lại độ bền kéo cao và khả năng chịu lực vượt trội. Nhờ đó, vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong sản xuất vỏ thiết bị điện tử, linh kiện ô tô và nhiều sản phẩm công nghiệp khác.
Với độ co rút thấp, khả năng tạo hình linh hoạt và tính năng tái chế, Polystyrene là lựa chọn lý tưởng cho quá trình ép phun. Đặc biệt, khi kết hợp với các hợp chất khác, vật liệu này càng mở rộng phạm vi ứng dụng trong các ngành công nghiệp hiện đại, từ điện tử, y tế đến xây dựng và ô tô.
Nhược điểm khi ép phun nhựa PS
Mặc dù quá trình ép phun nhựa PS có nhiều ưu điểm, nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý. Một trong những hạn chế chính là chỉ số lưu chất chảy thấp, điểm nóng chảy cao và dải nhiệt độ hẹp.
Đầu tiên, Polystyrene có điểm nóng chảy tương đối cao, từ 210 ºC đến 250 ºC, yêu cầu năng lượng lớn để thực hiện quá trình ép phun. Điều này làm tăng chi phí năng lượng và yêu cầu hệ thống máy móc mạnh mẽ hơn. Ngoài ra, Polystyrene có chỉ số lưu chất chảy thấp, thường nằm trong khoảng từ 12 đến 16 g/10 phút, điều này có nghĩa là nhựa chảy chậm và khó có thể điền đầy khuôn nhanh chóng trong quá trình ép phun.
Thêm vào đó, dải nhiệt độ mà Polystyrene bắt đầu mềm và chảy là khá hẹp, đòi hỏi quá trình sản xuất phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo các yếu tố như nhiệt độ, thời gian và áp suất đều phù hợp. Polystyrene cũng có tính giòn, điều này làm cho các chi tiết dễ bị vỡ hoặc gãy khi bị ép ra khỏi khuôn. Do đó, thiết kế chốt đẩy (ejection pin) phải được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo rằng các chi tiết có thể chịu được lực uốn cong khi bị đẩy ra ngoài khuôn mà không bị hư hỏng.
Để cải thiện tính chất cơ học của Polystyrene và làm giảm độ giòn, các hợp chất như cao su hoặc butadiene thường được sử dụng để đồng trùng hợp với Polystyrene, giúp nâng cao độ bền va đập của vật liệu và làm cho nhựa ít giòn hơn.
Nhựa PS có ảnh hướng đến sức khỏe không?
Nhựa PS (Polystyrene) có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người thông qua việc giải phóng styrene khi nhựa này phân hủy trong quá trình sử dụng lâu dài. Styrene có thể tác động đến hệ thần kinh trung ương, gây ra các triệu chứng như đau đầu, mệt mỏi, và lú lẫn. Tuy nhiên, nếu vô tình nuốt phải mảnh nhựa PS, nó chỉ gây nghẹn nếu mảnh nhựa đủ lớn. Styrene, hợp chất chính trong nhựa PS, đã được Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) xếp vào nhóm chất có thể gây ung thư. Vào những năm 1980, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) phát hiện styrene có mặt trong 100% mẫu mỡ người được lấy từ 48 bang tại Mỹ. Việc tiếp xúc lâu dài với styrene có thể gây hại cho sức khỏe, đặc biệt là đối với hệ thần kinh trung ương. Bên cạnh đó, nhựa PS mang mã nhận dạng số 6, một thông tin hữu ích để người tiêu dùng nhận biết và có những biện pháp phòng ngừa khi sử dụng sản phẩm từ nhựa này.
Polystyrene có độc hại không?
Nhựa PS không phải là một chất độc, nhưng tiếp xúc với các phân tử styrene trong thời gian dài có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe. Các phân tử styrene có thể rò rỉ ra từ các vật dụng bằng Polystyrene, đặc biệt là từ các bao bì thực phẩm, và dễ dàng xâm nhập vào cơ thể qua đường tiêu hóa. Polystyrene được cho là an toàn cho đến khi bắt đầu giải phóng styrene dưới dạng vi hạt hoặc nano. Một số nghiên cứu đã liên kết việc tiếp xúc với styrene với nguy cơ ung thư. Việc các phân tử styrene rò rỉ từ các bao bì thực phẩm và đồ uống làm tăng khả năng người tiêu dùng sẽ vô tình hấp thụ chúng.
Polystyrene có được sử dụng trong quá trình ép phun nhựa không?
PS là một trong những loại nhựa được sử dụng phổ biến nhất trong quá trình ép phun nhựa. Nó có thể được ép phun dưới dạng rắn và bọt. Ép phun nhựa PS dạng rắn cung cấp các đặc tính như độ co rút thấp, giúp các chi tiết ít bị biến dạng và có thể tái tạo chi tiết thiết kế một cách chính xác. Tuy nhiên, Nhựa PS có chỉ số lưu chất chảy thấp, điều này có thể làm tăng thời gian chu kỳ sản xuất PS cũng được sử dụng trong quá trình ép phun xốp cấu trúc (structural foam molding), giúp tạo ra các sản phẩm cứng nhưng nhẹ. Đặc tính giòn và chỉ số lưu chất chảy thấp của Polystyrene thường được cải thiện bằng cách đồng trùng hợp hoặc pha trộn với các vật liệu khác, giúp quá trình ép phun trở nên dễ dàng hơn và mang lại các sản phẩm có độ chính xác cao và bề mặt hoàn thiện tốt.
Thông số kỹ thuật nhựa PS
Thuộc Tính Vật Lý
| Thuộc Tính | Đơn Vị (Metric) | Đơn Vị (English) |
| Mật độ | 0.0300 – 1.20 g/cc | 0.00108 – 0.0434 lb/in³ |
| Hấp thụ nước | 0.0300 – 1.50 % | 0.0300 – 1.50 % |
| Hấp thụ độ ẩm ở trạng thái cân bằng | 0.100 % | 0.100 % |
| Kích thước hạt | 90.0 – 1600 µm | 90.0 – 1600 µm |
| pH | 6.50 – 7.50 | 6.50 – 7.50 |
| Co rút khuôn theo phương ngang | 0.00300 – 0.00800 cm/cm | 0.00300 – 0.00800 in/in |
| Lưu lượng nóng chảy | 0.300 – 23.0 g/10 phút | 0.300 – 23.0 g/10 phút |
Thuộc Tính Cơ Học
| Thuộc Tính | Đơn Vị (Metric) | Đơn Vị (English) |
| Độ cứng, Rockwell L | 63.0 – 107 | 63.0 – 107 |
| Độ cứng, Rockwell M | 40.0 – 78.0 | 40.0 – 78.0 |
| Độ cứng bằng phương pháp in ấn bóng | 76.0 – 150 MPa | 11000 – 21800 psi |
| Độ bền kéo tối đa | 0.100 – 53.0 MPa | 14.5 – 7690 psi |
| Độ bền kéo chảy | 5.20 – 52.4 MPa | 754 – 7600 psi |
| Độ giãn dài khi đứt | 1.00 – 70.0 % | 1.00 – 70.0 % |
| Mô đun đàn hồi | 0.00300 – 3.40 GPa | 0.435 – 493 ksi |
| Độ bền uốn khi chảy | 0.100 – 107 MPa | 14.5 – 15500 psi |
| Mô đun uốn | 0.976 – 3.45 GPa | 142 – 500 ksi |
| Độ bền nén khi chảy | 0.100 – 0.750 MPa | 14.5 – 109 psi |
| Tỉ số Poisson | 0.390 – 0.410 | 0.390 – 0.410 |
| Độ bền cắt | 0.0350 – 0.390 MPa | 5.08 – 56.6 psi |
| Độ va đập Izod, có rãnh | 0.160 – 2.14 J/cm | 0.300 – 4.00 ft-lb/in |
| Độ va đập Charpy, không có rãnh | 0.600 J/cm² – NB | 2.86 ft-lb/in² – NB |
| Độ bền va đập kéo | 2.09 – 4.80 kJ/m² | 0.996 – 2.28 ft-lb/in² |
Thuộc Tính Điện
| Thuộc Tính | Đơn Vị (Metric) | Đơn Vị (English) |
| Điện trở suất | 1000 – 1.00e+18 ohm-cm | 1000 – 1.00e+18 ohm-cm |
| Điện trở bề mặt | 1000 – 1.00e+14 ohm | 1000 – 1.00e+14 ohm |
| Hằng số điện môi | 2.50 | 2.50 |
| Điện áp cách điện | 17.7 – 60.0 kV/mm | 450 – 1520 kV/in |
Thuộc Tính Nhiệt
| Thuộc Tính | Đơn Vị (Metric) | Đơn Vị (English) |
| CTE, tuyến tính | 50.0 – 90.0 µm/m-°C | 27.8 – 50.0 µin/in-°F |
| CTE, tuyến tính, vuông góc với dòng chảy | 60.0 µm/m-°C | 33.3 µin/in-°F |
| Độ dẫn nhiệt | 0.0340 – 0.180 W/m-K | 0.236 – 1.25 BTU-in/hr-ft²-°F |
| Nhiệt độ dịch vụ tối đa, không khí | 70.0 – 80.0 °C | 158 – 176 °F |
| Nhiệt độ uốn cong ở 0.46 MPa (66 psi) | 84.0 – 97.8 °C | 183 – 208 °F |
| Nhiệt độ uốn cong ở 1.8 MPa (264 psi) | 67.8 – 95.0 °C | 154 – 203 °F |
| Điểm chảy Vicat | 76.0 – 146 °C | 169 – 295 °F |
| Điểm biến dạng nhiệt | -1.11 – 95.6 °C | 30.0 – 204 °F |
| Nhiệt độ dịch vụ tối thiểu, không khí | -60.0 °C | -76.0 °F |
Thuộc Tính Quang Học
| Thuộc Tính | Đơn Vị (Metric) | Đơn Vị (English) |
| Chỉ số khúc xạ | 1.59 – 1.59 | 1.59 – 1.59 |
| Tỷ lệ truyền ánh sáng visible | 85.0 – 90.0 % | 85.0 – 90.0 % |
Thuộc Tính Xử Lý
| Thuộc Tính | Đơn Vị (Metric) | Đơn Vị (English) |
| Nhiệt độ nóng chảy | 177 – 280 °C | 351 – 536 °F |
| Nhiệt độ khuôn | 10.0 – 65.6 °C | 50.0 – 150 °F |
| Hàm lượng độ ẩm | 0.100 % | 0.100 % |
Sự khác biệt giữa PS và PP
PS và PP đều là polymer, tức là các phân tử lớn cấu tạo từ các đơn vị cấu trúc nhỏ lặp lại. Tuy nhiên, Polypropylene có độ bền cao hơn Polystyrene, với khả năng chống chịu nhiều dạng hư hỏng hơn. Trong khi Polystyrene có thể dễ dàng bị vỡ hoặc hỏng khi chịu va đập, Polypropylene lại là một loại nhựa bền vững, không thể gãy và chịu được nhiều tác động hơn. Polypropylene còn có khả năng chống tia UV và dung môi hữu cơ tốt hơn Polystyrene. Ngoài ra, Polypropylene có thể chịu được nhiệt độ cao và có thể được tiệt trùng bằng phương pháp hấp autoclave, trong khi Polystyrene không thể làm như vậy.
Mặc dù cả hai loại nhựa đều có lợi thế kinh tế, nhưng ứng dụng của chúng khác nhau dựa trên các tính chất vật lý, dạng thức và quy trình sản xuất. Polypropylene là nhựa có khả năng chịu nhiệt cao và thường có chỉ số lưu chất chảy cao hơn và điểm nóng chảy thấp hơn Polystyrene. Điều này làm cho quá trình ép phun Polypropylene ít tốn năng lượng hơn, với chu kỳ sản xuất nhanh hơn. Một điểm cộng của Polystyrene là nó có tỷ lệ co rút thấp hơn, điều này giúp đảm bảo chất lượng và độ chính xác của sản phẩm cuối cùng. Cả hai loại nhựa này đều có thể được làm xốp, nhưng Polypropylene trong dạng sợi lại được sử dụng để làm dây thừng với độ bền và khả năng chống chịu tốt.
Xem thêm các loại nhựa khác:
Nhựa Composite là gì? Thành phần Cấu tạo, quá trình sản xuất và ưu nhược điểm
Nhựa PVC là gì? Đặc điểm, cấu trúc và tính chất cấu tạo
Nhựa PET là gì? Đặc tính, Thông số kỹ thuật và Ứng dụng của PET
Nhựa PP (Polypropylene) là gì? Đặc tính kỹ thuật, ưu nhược điểm và ứng dụng
Nhựa PMMA (Polymethyl methacrylate) là gì? Thông số kỹ thuật của PMMA.
Nhựa PE (Polyethylene) Đặc Điểm, Tính Chất và Ứng Dụng Thực Tiễn
Nhựa Polycarbonate (PC): Đặc tính kỹ thuật, ưu nhược điểm và ứng dụng
Tác giả: Duy Vinh
