Nhựa PVC (Polyvinyl Chloride) là gì? Những điều quan trọng nhất bạn cần biết về loại nhựa này

Nhựa PVC là gì? PVC được sử dụng làm gì?

Polyvinyl Chloride (PVC) là một trong những polyme nhiệt dẻo được sử dụng phổ biến nhất trên toàn thế giới (chỉ sau một vài loại nhựa được sử dụng rộng rãi hơn như PET và PP). Nó là một loại nhựa có màu trắng tự nhiên và rất giòn (trước khi thêm chất hóa dẻo). PVC đã xuất hiện lâu hơn hầu hết các loại nhựa, lần đầu tiên được tổng hợp vào năm 1872 và được sản xuất thương mại bởi Công ty B.F. Goodrich vào những năm 1920. Để so sánh, nhiều loại nhựa thông thường khác chỉ được tổng hợp và có khả năng thương mại vào những năm 1940 và 1950. Nó được sử dụng phổ biến nhất trong ngành xây dựng, đồng thời cũng được sử dụng cho biển báo, ứng dụng y tế và sợi cho quần áo. PVC đã được phát hiện tình cờ hai lần, một lần vào năm 1832 bởi nhà hóa học người Pháp Henri Victor Regnault, và sau đó được tái phát hiện vào năm 1872 bởi một người đàn ông Đức tên là Eugene Baumann.

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 dạng cơ bản và chức năng của Polyvinyl Chloride (PVC)

PVC được sản xuất ở hai dạng chung: polyme cứng hoặc không hóa dẻo (RPVC hoặc uPVC) và dạng thứ hai là nhựa dẻo. Ở dạng cơ bản, PVC được đặc trưng bởi cấu trúc cứng nhưng giòn. Trong khi phiên bản hóa dẻo có nhiều công dụng trong nhiều ngành công nghiệp, phiên bản PVC cứng cũng có nhiều công dụng riêng. Các ngành công nghiệp như hệ thống ống nước, nước thải và nông nghiệp có thể sử dụng PVC cứng trong nhiều chức năng. PVC dẻo, hóa dẻo hoặc PVC thông thường mềm hơn và dễ uốn hơn uPVC do thêm các chất hóa dẻo như phthalates (ví dụ: diisononyl phthalate hoặc DINP). PVC dẻo thường được sử dụng trong xây dựng làm vật liệu cách nhiệt trên dây điện hoặc trong sàn nhà ở, bệnh viện, trường học và các khu vực khác nơi môi trường vô trùng là ưu tiên hàng đầu. Trong một số trường hợp, PVC có thể đóng vai trò là vật liệu thay thế hiệu quả cho cao su. PVC cứng cũng được sử dụng trong xây dựng làm ống cho hệ thống ống nước và vách ngoài, thường được gọi bằng thuật ngữ “vinyl” ở Hoa Kỳ. Ống PVC thường được gọi theo số được khắc trên ống của nó (ví dụ: 40 hoặc 80). Sự khác biệt đáng kể giữa các số này bao gồm những thứ như độ dày thành, định mức áp suất và màu sắc.

Ống nhựa PVC

Một số đặc tính quan trọng nhất của nhựa PVC bao gồm giá thành tương đối thấp, khả năng chống lại sự xuống cấp của môi trường (cũng như hóa chất và kiềm), độ cứng cao và độ bền kéo vượt trội đối với nhựa trong trường hợp PVC cứng. PVC vẫn có sẵn rộng rãi, được sử dụng phổ biến và dễ dàng tái chế (được phân loại theo mã nhận dạng nhựa “3”).

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 đặc tính của Polyvinyl Chloride (PVC) là gì?

Một số đặc tính quan trọng nhất của Polyvinyl Chloride (PVC)

• Mật độ: PVC có mật độ rất cao so với hầu hết các loại nhựa (tỷ trọng khoảng 1,4)
• Kinh tế: PVC có sẵn và rẻ.
• Độ cứng: PVC cứng có thứ hạng tốt về độ cứng và độ bền.
• Độ bền: PVC cứng có độ bền kéo tuyệt vời.

Polyvinyl Chloride là vật liệu “nhiệt dẻo” (trái ngược với “nhiệt rắn”), liên quan đến cách nhựa phản ứng với nhiệt. Vật liệu nhiệt dẻo trở thành chất lỏng ở điểm nóng chảy của chúng (một phạm vi cho PVC từ 100 độ C rất thấp đến các giá trị cao hơn như 260 độ C tùy thuộc vào chất phụ gia). Một thuộc tính hữu ích chính về nhựa nhiệt dẻo là chúng có thể được nung nóng đến điểm nóng chảy, làm nguội và nung nóng lại mà không bị suy giảm đáng kể. Thay vì bị cháy, nhựa nhiệt dẻo như polypropylen hóa lỏng cho phép chúng dễ dàng ép phun và sau đó được tái chế. Ngược lại, nhựa nhiệt rắn chỉ có thể được nung nóng một lần (thường là trong quá trình ép phun). Lần nung nóng đầu tiên khiến vật liệu nhiệt rắn đông cứng (tương tự như epoxy 2 thành phần), dẫn đến sự thay đổi hóa học không thể đảo ngược. Nếu bạn cố gắng nung nóng nhựa nhiệt rắn đến nhiệt độ cao lần thứ hai, nó sẽ chỉ bị cháy. Đặc tính này khiến vật liệu nhiệt rắn trở thành ứng cử viên kém cho việc tái chế.

Tại sao Polyvinyl Chloride (PVC) được sử dụng thường xuyên như vậy?

PVC mang lại nhiều ứng dụng và ưu điểm trong nhiều ngành công nghiệp ở cả dạng cứng và dẻo. Đặc biệt, PVC cứng có mật độ cao đối với nhựa, làm cho nó cực kỳ cứng và nói chung là cực kỳ bền. Nó cũng có sẵn và tiết kiệm, kết hợp với các đặc tính lâu dài của hầu hết các loại nhựa, khiến nó trở thành một lựa chọn dễ dàng cho nhiều ứng dụng công nghiệp như xây dựng. PVC có bản chất cực kỳ bền và nhẹ, khiến nó trở thành vật liệu hấp dẫn cho xây dựng, hệ thống ống nước và các ứng dụng công nghiệp khác. Ngoài ra, hàm lượng clo cao của nó làm cho vật liệu chống cháy, một ¹ lý do khác khiến nó được ưa chuộng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

>> Xem thêm: ứng dụng Polycarbonate trong mái che 

Các câu hỏi thường gặp về nhựa PVC

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.

Xem thêm: Thị trường nhựa PVC châu Âu bất chấp xu hướng giảm giá toàn cầu trong tháng 5

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, tấm nhựa PVC	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.

Nhựa PVC và các vấn đề liên quan đến tái chế, môi trường xem tại:

• Nhựa trong cuộc sống hằng ngày: Phân biệt các loại nhựa phổ biến
• Mã nhận dạng nhựa: Hệ thống phân loại các loại nhựa
• Polyme và các đặc tính hóa học trong sản xuất
• Làm sao để phân biệt các loại nhựa nào an toàn để sử dụng?
• Tái chế là gì? Lợi ích và quy trình cụ thể tại Việt Nam
• Nhựa Y Tế Là Gì? Tầm Quan Trọng và Ứng Dụng Nhựa Trong Ngành Y Tế