Nhựa PVC (Polyvinyl Chloride) là một trong những loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến và được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay. Với đặc tính bền bỉ, chống thấm nước, chịu nhiệt tốt và giá thành phải chăng, PVC đã trở thành vật liệu không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, từ xây dựng, nội thất đến y tế và công nghiệp. Hãy cùng khám phá những đặc điểm nổi bật và ứng dụng đa dạng của nhựa PVC trong bài viết dưới đây.
Nhựa PVC là gì?
Nhựa PVC có tên tiếng anh là Polyvinyl chloride (hay đơn giản là “vinyl”), có công thức phân tử (C2H3Cl)n, là một trong những loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến nhất thế giới, chỉ đứng sau polyethylene về sản lượng và mức độ tiêu thụ. Được phát minh vào năm 1872 và sản xuất thương mại từ những năm 1920, PVC đã trở thành một vật liệu không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp.
Với chi phí sản xuất thấp, tính bền vững và khả năng dễ dàng gia công, PVC được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất ống nước, vật liệu xây dựng, bao bì, đồ chơi, và nhiều sản phẩm khác. Tuy nhiên, PVC cũng tồn tại một số hạn chế như dễ cháy và không thân thiện với môi trường nếu không được xử lý đúng cách.
PVC có nhiều loại khác nhau, mỗi loại có những đặc tính riêng phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Sự đa dạng này giúp PVC trở thành một vật liệu vô cùng linh hoạt và đáp ứng được nhiều yêu cầu khác nhau của thị trường.
| Công thức hóa học | (C2H3Cl)n |
| Danh Pháp | poly(1-chloroethene) |
| Tên khác | Polychloroethylene |
| Độ bền kéo | 35 – 60 MPa |
| Khối lượng riêng | 1.3 – 1.7 g/cm3 |
| Độ giãn dài | 100 – 400 % |
| Điểm nóng chảy | 170 đến 210 °C |
Cấu trúc nhựa PVC
Nhựa PVC (Polyvinyl chloride) là một polymer hydrocarbon chứa clo. Cấu trúc của PVC có thể xem như một chuỗi polyethylene (PE), nhưng với sự khác biệt quan trọng là một nguyên tử hydro trong mỗi mắt xích được thay thế bởi một nguyên tử clo. Điều này tạo nên cấu trúc đặc trưng của PVC, như minh họa trong Hình 1.
(Hình 1: Cấu trúc phân tử PVC, thể hiện sự liên kết giữa các nguyên tử carbon, hydro và clo trong một mắt xích).
Quá trình sản xuất PVC từ vinyl chloride monome diễn ra thông qua phản ứng trùng hợp.
(Hình 2: Sơ đồ phản ứng trùng hợp vinyl chloride thành PVC)
Dưới tác động của nhiệt độ, áp suất và chất xúc tác thích hợp, liên kết đôi C=C trong phân tử vinyl chloride bị phá vỡ, tạo điều kiện cho các monome kết hợp với nhau thành mạch polymer dài. Quá trình này tương tự như quá trình sản xuất các polymer khác như polyethylene và polypropylene.
Các phương pháp sản xuất Polyvinyl Chloride
Có ba quy trình thương mại để sản xuất nhựa PVC:
- Polyme hóa treo
- Polyme hóa nhũ tương
- Polyme hóa khối hoặc khối lượng lớn
Quy trình sản xuất PVC hóa treo
PVC treo chiếm hơn 80% thị trường PVC. Vinyl clorua ở dạng lỏng không tan trong nước và phân tán thành các giọt nhỏ khi được khuấy động cơ học. Các giọt này duy trì trạng thái lơ lửng miễn là quá trình khuấy tiếp tục. Quá trình polyme hóa được thực hiện trong các bình áp suất dưới tác động của nhiệt và các chất khơi mào và/hoặc chất xúc tác, hòa tan trong nước. Một chất khơi mào điển hình là peroxide hữu cơ.
Phản ứng này tỏa nhiệt, và nhiệt lượng sinh ra được truyền đến thành của bình phản ứng nhờ nước. Các chất treo, được gọi là các chất keo bảo vệ, được thêm vào để ngăn chặn các giọt monome kết hợp lại với nhau và ngăn các hạt polyme kết dính.
Khi đạt đến mức độ chuyển đổi mong muốn, mẻ sản phẩm được chuyển sang bình giảm áp. Nhiều mẻ sản phẩm có thể được chuyển vào bình này để trộn. Monome chưa phản ứng được thu hồi và tái sử dụng vào bình phản ứng polyme hóa. Các hạt polyme sau đó được sấy khô.
Quy trình sản xuất PVC hóa nhũ tương
PVC nhũ tương chiếm khoảng 10% thị phần PVC toàn cầu. Trong quy trình này, chất hoạt động bề mặt (xà phòng) được sử dụng để phân tán monome vinyl clorua trong nước. Monome bị giữ lại trong các micelle xà phòng và được bảo vệ bởi xà phòng, trong khi polyme hóa diễn ra nhờ các chất khơi mào hòa tan trong nước.
Quy trình có thể được thực hiện liên tục hoặc theo từng mẻ, nhưng cả hai đều dẫn đến việc tạo ra một latex polyme – là một huyền phù rất mịn của các hạt polyme (~ 0.1μm đường kính) trong nước. Monome dư thừa được thu hồi và tái sử dụng, và các hạt polyme được sấy khô. Phương pháp này tạo ra các hạt PVC nhỏ hơn (trung bình 40-50 µm)
Quy trình sản xuất PVC hóa khối hoặc khối lượng lớn
PVC khối chiếm khoảng 5% thị phần trong sản xuất PVC. Khác với polyme hóa treo hoặc nhũ tương, polyme hóa khối được thực hiện hoàn toàn trong điều kiện không có nước, không có các chất keo bảo vệ hay chất nhũ hóa. Quy trình này dựa vào thực tế là polyme không tan trong monome và sẽ kết tủa thành các hạt mà không có xu hướng kết tụ. Vấn đề chính là khó khăn trong việc loại bỏ nhiệt, được giải quyết bằng cách thực hiện quy trình trong hai giai đoạn.
- Giai đoạn 1: Monome vinyl clorua được khuấy động cơ học trong một bình autoclave đứng, với các chất khơi mào phù hợp, cho đến khi đạt mức chuyển đổi 7 – 10%. Giai đoạn polyme hóa trước này xác định số lượng hạt được hình thành. Nhiệt được loại bỏ bằng cách liên tục ngưng tụ hơi VCM phía trên hỗn hợp phản ứng lỏng.
- Giai đoạn 2: Polyme trước được chuyển sang một bình autoclave ngang, được trang bị một cánh khuấy chậm. Tại đây, các hạt đã hình thành tiếp tục phát triển nhờ sự hình thành thêm polyme. Quá trình dừng lại khi 70 – 90% monome đã được chuyển đổi.
Các câu hỏi thường gặp về nhựa PVC
Bảng so sánh giữa S-PVC và E-PVC:
| Quy trình PVC | S-PVC (Polymer hóa lơ lửng) | E-PVC (Polymer hóa khối hoặc nhũ tương) |
| Chi phí công thức PVC dẻo | Thấp | Cao |
| Dạng sản phẩm PVC thu được | Hạt PVC được trộn với chất làm dẻo và có thể ép thành viên nhựa, dùng cho các quy trình như đùn, cán, ép phun… | Bột PVC được trộn với chất làm dẻo để tạo thành bột nhão, dùng cho các quy trình như phủ, nhúng, phun… |
| Chi phí thiết bị chế biến | Thường rất cao | Thiết bị chế biến có thể đắt hoặc không quá đắt |
Các dạng cơ bản của Polyvinyl Chloride (PVC)
Các dạng cơ bản của PVC bao gồm:
- PVC Dẻo (Plasticized): Được hình thành bằng cách thêm chất tạo dẻo vào PVC, giảm độ tinh thể hóa, giúp nhựa mềm dẻo và trong suốt. Mật độ: 1.1-1.35 g/cm³.
- PVC Cứng (Unplasticized): Là loại nhựa cứng, chống va đập tốt, chịu nước, hóa chất và môi trường ăn mòn. Mật độ: 1.3-1.45 g/cm³.
- PVC Clor hóa (CPVC): Được tạo ra từ quá trình clor hóa PVC, với khả năng chịu nhiệt cao và tính ổn định hóa học vượt trội.
- PVC Hướng phân tử (PVC-O): Nhựa PVC được tái cấu trúc để tạo thành lớp có đặc tính cơ học cao hơn như độ cứng, chống mỏi.
- PVC Biến đổi (PVC-M): Là hợp kim của PVC với các chất phụ gia giúp tăng độ bền và khả năng chống va đập.
Ưu và nhược điểm của PVC cứng và PVC Dẻo
| PVC Cứng | PVC Dẻo |
| Ưu điểm: | Ưu điểm: |
| – Chi phí thấp | – Chi phí thấp, dẻo dai |
| – Chịu nhiệt và hóa chất tốt | – Kháng UV, axit, và kiềm tốt |
| – Cách điện và chống cháy tốt | – Dễ gia công hơn PVC cứng |
| Nhược điểm: | Nhược điểm: |
| – Giòn ở nhiệt độ thấp | – Dễ bị thay đổi tính chất theo thời gian do mất chất hóa dẻo |
| – Khó gia công hơn PVC mềm | – Khả năng chịu hóa chất kém hơn PVC cứng |
Nhựa PVC có độc hại không?
Trong nhiều năm qua, PVC (Polyvinyl Chloride) đã chịu sự kiểm tra và đánh giá kỹ lưỡng vì các lý do sau:
Sự xuất hiện của chất clo: PVC chứa hàm lượng clo, một yếu tố gây lo ngại về tác động đối với môi trường và sức khỏe con người.
Sử dụng các phụ gia như chất dẻo hóa: Các phụ gia này, chẳng hạn như phthalates, đã gây ra những lo ngại về tác động tiêu cực đối với sức khỏe và môi trường. Tuy nhiên, qua các nghiên cứu và điều tra thêm, một số phthalates đã được xác nhận là an toàn khi sử dụng.
Tương tự, ở Châu Âu, việc sử dụng các chất ổn định chứa chì trong hợp chất vinyl đã bị loại bỏ dần. Các chất này được phân loại là độc hại, nguy hiểm đối với sức khỏe sinh sản và môi trường. Sự hiện diện của chúng (kim loại nặng) gây ra các vấn đề trong chiến lược quản lý chất thải.
Nhựa PVC dùng các chất phụ gia nào?
Phụ gia có vai trò quan trọng trong việc biến tính nhựa PVC, giúp cải thiện tính chất của nó và đáp ứng yêu cầu ứng dụng cuối cùng. Dưới đây là một số loại phụ gia chính:
- Chất dẻo (Plasticizers): Tăng cường tính linh hoạt và độ bền cơ học của PVC, giúp PVC mềm dẻo và dễ gia công. Các chất dẻo như Phthalates, Adipates, và Trimellitates cải thiện tính chất lưu biến và khả năng chống nứt.
- Chất ổn định nhiệt (Heat Stabilizers): PVC có độ ổn định nhiệt thấp, dễ phân hủy khi tiếp xúc với nhiệt. Chất ổn định giúp ngăn chặn sự phân hủy này, kéo dài tuổi thọ của PVC trong quá trình sản xuất.
- Chất độn (Fillers): Được sử dụng để giảm chi phí và cải thiện tính chất cơ học của PVC. Các chất độn phổ biến bao gồm canxi cacbonat, titan dioxit, và đất sét nung, giúp tăng độ cứng, độ bền va đập và tính chất màu sắc.
- Chất bôi trơn (Lubricants): Cải thiện quá trình chế biến PVC, giảm độ nhớt và ngăn ngừa quá nhiệt, đảm bảo chất lượng sản phẩm. Chất bôi trơn bên trong giúp giảm nhiệt độ nóng chảy, trong khi chất bôi trơn bên ngoài hỗ trợ quá trình ép.
Ngoài ra, các chất phụ gia khác như chất hỗ trợ xử lý và chất điều chỉnh va đập cũng được thêm vào để tăng cường các đặc tính cơ học và bề mặt của PVC.
Nhựa PVC có thể tái chế không?
PVC là một vật liệu có thể tái chế 100%, được nhận diện bằng mã tái chế số 3.
Mã nhận dạng nhựa số 3
PVC là loại nhựa cứng có tính linh hoạt cao khi thêm các chất phụ gia. Tuy nhiên, nó có thể phát tán các hóa chất độc hại khi cháy, vì vậy cần phải xử lý cẩn thận trong quá trình sản xuất và tái chế. PVC có thể được sử dụng ở dạng mềm hoặc cứng tùy thuộc vào nhu cầu
Các phương pháp tái chế PVC chủ yếu gồm:
- Tái chế cơ học: Bao gồm việc nghiền, sàng lọc và tái chế PVC để tái sử dụng trong các sản phẩm mới.
- Tái chế hóa học: Phân hủy PVC thành các monomer và chất khác để tái sử dụng trong sản xuất polymer và các ngành hóa học cơ bản.
- Tái chế nguồn nguyên liệu: Xử lý nhiệt PVC để thu hồi clorua hydro, có thể sử dụng lại trong quá trình sản xuất PVC hoặc các ngành công nghiệp khác.
Tính chất của PVC Dẻo và PVC Cứng
Các tính chất của PVC linh hoạt (Plasticized) và PVC cứng (Unplasticized):
| Tính chất | PVC Dẻo | PVC cứng |
| Khả năng chống hóa chất | ||
| Acetone @ 100%, 20°C | Không đạt | Không đạt |
| Ammonium hydroxide @ 30%, 20°C | Đạt | Đạt |
| Ammonium hydroxide @ pha loãng, 60°C | Hạn chế | Hạn chế |
| Ammonium hydroxide @ pha loãng, 20°C | Đạt | Đạt |
| Hydrocarbons thơm @ nhiệt độ cao | Không đạt | Không đạt |
| Hydrocarbons thơm, 20°C | Không đạt | Không đạt |
| Benzene @ 100%, 20°C | Không đạt | Không đạt |
| Butylacetate @ 100%, 60°C | Không đạt | Không đạt |
| Butylacetate @ 100%, 20°C | Không đạt | Không đạt |
| Dung môi clo, 20°C | Không đạt | Không đạt |
| Chloroform @ 20°C | Không đạt | Không đạt |
| Dioctylphtalate @ 100%, 100°C | Không đạt | Không đạt |
| Dioctylphtalate @ 100%, 60°C | Không đạt | Không đạt |
| Dioctylphtalate @ 100%, 20°C | Không đạt | Không đạt |
| Etanol @ 96%, 20°C | Không đạt | Đạt |
| Ethyleneglycol (Ethane diol) @ 100%, 100°C | Không đạt | Không đạt |
| Ethyleneglycol (Ethane diol) @ 100%, 20°C | Đạt | Đạt |
| Ethyleneglycol (Ethane diol) @ 100%, 50°C | Đạt | Đạt |
| Glycerol @ 100%, 20°C | Đạt | Đạt |
| Hydrogen peroxide @ 30%, 60°C | Đạt | Đạt |
| Kerosene @ 20°C | Đạt | Đạt |
| Methanol @ 100%, 20°C | Đạt | Đạt |
| Methylethyl ketone @ 100%, 20°C | Không đạt | Không đạt |
| Dầu khoáng @ 20°C | Đạt | Đạt |
| Phenol @ 20°C | Hạn chế | Hạn chế |
| Xà phòng @ 60°C | Đạt | Đạt |
| Xà phòng @ 20°C | Hạn chế | Hạn chế |
| Natri hydroxide @ <40%, 20°C | Đạt | Đạt |
| Natri hydroxide @ <40%, 60°C | Hạn chế | Hạn chế |
| Natri hydroxide @ 10%, 20°C | Đạt | Đạt |
| Natri hydroxide @ 10%, 90°C | Không đạt | Không đạt |
| Natri hypochlorite @ 20%, 20°C | Đạt | Đạt |
| Axit mạnh @ nồng độ cao, 20°C | Đạt | Đạt |
| Toluene @ 20°C | Không đạt | Không đạt |
| Toluene @ 60°C | Không đạt | Không đạt |
| Xylene @ 20°C | Không đạt | Không đạt |
| Điện | ||
| Kháng điện hồ quang, giây | – | 60 – 80 |
| Hằng số điện môi | 3 – 5 | 3 – 4 |
| Cường độ điện môi, kV/mm | 10 – 30 | 10 – 40 |
| Hệ số suy giảm x 10⁻⁴ | 400 – 1600 | 60 – 200 |
| Điện trở thể tích x 10¹⁵, Ohm.cm | 10 – 16 | 15 – 16 |
| Cơ học | ||
| Độ giãn dài khi đứt, % | 100 – 400 | 25 – 80 |
| Mô đun uốn (Độ cứng), GPa | 0.001 – 1.8 | 2.1 – 3.5 |
| Độ cứng Rockwell M | 1 | 1 – 70 |
| Độ cứng Shore D | 15 – 70 | 65 – 90 |
| Cường độ kéo khi đứt, MPa | 7 – 25 | 35 – 60 |
| Cường độ kéo khi bắt đầu chảy, MPa | 4 – 7 | 35 – 50 |
| Độ dẻo dai, J/m | – | 20 – 110 |
| Mô đun Young, GPa | 0.001 – 1.8 | 2.4 – 4 |
| Quang học | ||
| Độ mờ, % | 3 – 5 | – |
| Tính trong suốt (Truyền sáng), % | 75 – 85 | 80 |
| Vật lý | ||
| Mật độ, g/cm³ | 1.3 – 1.7 | 1.35 – 1.5 |
| Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh, °C | -50 – -5 | 60 – 100 |
| Nhiệt | ||
| Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính x 10⁻⁵, /°C | 5 – 20 | 5 – 18 |
| Khả năng cách nhiệt, W/m.K | 0.16 | 0.16 |
| Khả năng chịu lửa | ||
| Flammability, UL94 | HB | V0 |
| Chỉ số oxy giới hạn (LOI), % | 20 – 40 | 40 – 45 |
Nguồn tham khảo: https://omnexus.specialchem.com/
Ứng Dụng Của Polyvinyl Chloride
Nhựa PVC (Polyvinyl Chloride) là một trong những loại nhựa nhiệt dẻo quan trọng nhất hiện nay, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ tính linh hoạt và khả năng tùy chỉnh cao. PVC có thể ở dạng cứng (không chứa chất dẻo) hoặc dẻo (chứa chất dẻo), mỗi loại có ứng dụng đặc thù trong các ngành xây dựng, gia dụng, y tế, bao bì, giao thông, thời trang và điện.
Ống nước làm từ nhựa PVC
Vỏ máy lạnh làm từ PVC
Dưới đây là bảng chi tiết về các ứng dụng chính của nhựa PVC (Polyvinyl Chloride):
| Ứng dụng | PVC Cứng (Không chứa chất dẻo) | PVC Dẻo (Có chứa chất dẻo) |
| Xây dựng | Khung cửa sổ, Ống nước, Tấm phủ nhà, Cảng, Mái nhà | Màng chống thấm, Cách điện dây cáp, Lợp mái nhà, Nhà kính |
| Gia dụng | Vỏ máy lạnh, Ray rèm, Mặt ngăn kéo, Bao bì băng video, Hồ sơ | Sàn, Bọc tường, Rèm tắm, Vải giả da, Ống dẫn |
| Bao bì | Chai, Bao bì dạng vỉ, Bao bì trong suốt | Màng bọc thực phẩm |
| Giao thông | Lưng ghế ô tô | Cách nhiệt, Bọc vải da, Cách điện dây cáp, Phết cửa sổ, Trang trí |
| Y tế | – | Lều oxy, Túi và Ống truyền máu, Dịch truyền |
| Thời trang | Thiết bị bảo hộ | Áo mưa, Giày, Ủng, Áo phao, Quần cho trẻ em |
| Điện | Ống cách điện, Vỏ dây điện, Hộp phân phối điện, Công tắc | Cách điện dây cáp, Phích cắm, Vỏ cáp, Ổ cắm |
| Khác | Vỏ đĩa mềm, Thẻ tín dụng, Biển báo giao thông | Dây chuyền vận chuyển, Đồ chơi, Ống vườn, Thể thao |
Các tính năng như độ bền, khả năng cách điện và chịu nhiệt đã giúp PVC trở thành một vật liệu không thể thiếu trong đời sống hiện đại.
Bình luận bài viết