Nhựa Polyurethane
Nhựa PU (Polyurethane) là một loại vật liệu polymer cao cấp, được biết đến với khả năng kết hợp linh hoạt giữa tính đàn hồi của cao su và độ cứng chắc như kim loại. Nhờ đặc tính cơ học vượt trội, khả năng chống mài mòn, chịu hóa chất, chịu nhiệt và chịu lực tốt, nhựa PU ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Hãy cùng Nhựa Vĩ Hưng tìm hiểu về nhựa PU nhé!
Tổng quan về nhựa PU
Nhựa PU (Polyurethane) là một trong loại polymer những có liên kết urethane trong chuỗi phân tử, được tạo ra bằng phản ứng giữa isocyanate và polyol. Ra đời vào những năm 1930 bởi nhà hóa học Otto Bayer, PU nhanh chóng trở thành vật liệu địa vàng trong nhiều ngành nhờ tính đa dạng và linh hoạt.
PU có cấu trúc gồm các đoạn cứng và đoạn mềm đan xen nhau, giúc nó vừa bền chắc lại vừa đàn hồi. Cũng chính vì điểm này mà PU được mệnh danh là “cao su nhựa”.
Cấu trúc phân tử của nhựa PU (Polyurethane)
Công thức hóa học cơ bản
Polyurethane được tạo thành từ phản ứng giữa hai nhóm chính: Isocyanate (-N=C=O) và Polyol (chứa nhiều nhóm hydroxyl -OH). PU có cấu trúc gồm các đoạn cứng và đoạn mềm đan xen nhau, giúc nó vừa bền chắc lại vừa đàn hồi. Cũng chính vì điểm này mà PU được mệnh danh là “cao su nhựa”.
Khi hai nhóm này phản ứng, chúng tạo ra liên kết urethane, có công thức hóa học đặc trưng là (–NH–CO–O–). Công thức này là liên kết carbamate, là liên kết chính trong mạch polymer polyurethane.
Phân loại
PU Polyester: bền hơn, kháng dầu, chống mài mòn
PU Polyether: linh hoạt, kháng độ ẩm, bên hóa
Tính chất vật lý
Nhựa PU có sự linh hoạt rất lớn trong cấu trúc vật lý do khả năng điều chỉnh tỷ lệ giữa đoạn cứng – đoạn mềm trong cấu trúc phân tử. Điều này tạo ra một dải rộng các tính chất vật lý như sau:
Độ cứng
PU có độ cứng đa dạng, từ mềm đến rất cứng, dao động trong khoảng 30–95 Shore A, và có thể lên tới 70 Shore D với loại PU kỹ thuật – phù hợp cho cả nhu cầu dân dụng lẫn công nghiệp. Độ cứng có thể điều chỉnh được thông qua tỷ lệ giữa polyol và isocyanate.
Độ bền kéo
Có thể đạt đến 20–60 MPa, tùy thuộc vào công thức và gia cố (sợi thủy tinh, silica…). PU được đánh giá là có độ bền kéo cao hơn nhiều loại cao su tự nhiên và tổng hợp.
Độ giãn dài (Elongation at break)
Rất cao: lên đến 600% đối với PU mềm hoặc dạng màng. Thể hiện khả năng co giãn linh hoạt, chống nứt vỡ trong môi trường biến động.
Tính đàn hồi và phục hồi hình dạng
Khả năng đàn hồi tốt, phục hồi nhanh sau biến dạng. Ứng dụng nhiều trong bánh xe PU, lớp đệm giảm xóc, lót chống rung.
Kháng mài mòn cực tốt
PU được xếp vào nhóm vật liệu kháng mài mòn hàng đầu, hơn hẳn cao su tự nhiên, PVC, và nhiều loại nhựa kỹ thuật khác. Dùng nhiều trong ngành băng tải, bánh xe nâng, khớp trượt.
Khả năng cách điện
PU là chất cách điện tốt, dùng để bọc dây điện, lớp phủ cách điện, vật liệu cách âm.
Dải nhiệt độ hoạt động
Tốt trong khoảng từ -40°C đến +80°C (thậm chí lên đến 120°C nếu có phụ gia đặc biệt). Ổn định nhiệt và không biến dạng dưới áp lực ở mức trung bình.
Hệ số ma sát
Có thể điều chỉnh từ thấp đến cao tùy theo ứng dụng. PU có hệ số ma sát trung bình, giúp kiểm soát trượt trong ngành công nghiệp cơ khí.
Tính chất hóa học
Cấu trúc hóa học ổn định
PU có liên kết urethane (-NH–CO–O–) bền vững. Không tan trong nước, chịu được độ ẩm và môi trường oxy hóa nhẹ.
Kháng hóa chất tốt
PU có khả năng kháng hóa chất tốt (có chọn lọc), chịu được dầu khoáng, mỡ bôi trơn và một số dung môi hữu cơ nhẹ, tuy nhiên dễ bị phân hủy bởi axit mạnh, bazơ mạnh, xeton hoặc este mạnh. Trong đó, PU polyester có khả năng kháng dầu tốt hơn PU polyether.
Kháng oxy hóa và tia UV
PU có khả năng kháng oxy hóa và tia UV ở mức trung bình, dễ bị lão hóa dưới ánh nắng mặt trời nếu không được bổ sung chất ổn định, vì vậy thường cần thêm phụ gia chống lão hóa và chống ngả màu để tăng độ bền khi sử dụng ngoài trời.
Khả năng thủy phân
PU polyester dễ bị thủy phân trong môi trường ẩm, trong khi PU polyether có độ bền ẩm cao hơn và phù hợp sử dụng trong môi trường có hơi nước hoặc tiếp xúc trực tiếp với nước.
Phản ứng khi cháy
Khi cháy, PU có thể giải phóng khí độc như CO và HCN tùy theo loại phụ gia sử dụng, tuy nhiên một số loại PU đã được gia cường khả năng chống cháy để giảm nguy cơ này.
Phân hủy và tái chế
PU không phân hủy sinh học nhanh như nhựa sinh học, nhưng có thể được tái chế bằng phương pháp cơ học (nghiền, tái tạo) hoặc hóa học (phân giải), mặc dù chi phí tái chế thường khá cao.
Ứng dụng
Ngành công nghiệp sản xuất và cơ khí
PU được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất và cơ khí như bánh xe nâng, bánh xe tải trọng lớn, bánh xe robot tự hành (AGV), con lăn truyền động, con lăn băng tải, phớt làm kín, gioăng, vòng đệm chống rung, ống dẫn dầu và khí áp suất cao, gối đỡ, tấm đệm giảm chấn và đệm chống va.
Ngành ô tô – giao thông
Trong ngành ô tô – giao thông, nhựa PU giúp giảm trọng lượng xe, giảm tiếng ồn và tăng độ bền chi tiết thông qua các ứng dụng như đệm giảm xóc, lò xo PU, lớp đệm ghế ngồi, bộ phận cách âm chống rung cabin, đệm tay lái, ốp vỏ nội thất và bánh xe polyurethane dùng trong xe đua F1, kart hoặc drift car.
Ngành xây dựng – kiến trúc – nội thất
Trong ngành xây dựng, kiến trúc và nội thất, PU được ưa chuộng nhờ khả năng cách nhiệt, cách âm, chống thấm, với các ứng dụng phổ biến như tấm xốp PU cách nhiệt cho mái và vách nhà xưởng, bọt PU phun chống thất thoát nhiệt, sơn phủ sàn công nghiệp, phào chỉ và trần PU trang trí, cùng keo dán PU dùng cho gạch và gỗ công nghiệp.
Ngành y tế – thực phẩm – sinh học
Trong ngành y tế, thực phẩm và sinh học, PU đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn như FDA, LFGB, RoHS và được ứng dụng trong ống catheter, ống truyền dịch, màng polyurethane y tế, quai bao bì thực phẩm, lớp phủ kháng khuẩn, lớp lót dụng cụ phẫu thuật, đệm hỗ trợ phục hồi chức năng, đệm y tế memory foam và vỏ găng tay, khẩu trang PU nano.
Ngành công nghệ cao – quốc phòng – in 3D
Trong ngành công nghệ cao, quốc phòng và in 3D, PU được ứng dụng nhờ đặc tính siêu nhẹ, bền mỏi cao và biến dạng chính xác, với các ứng dụng như in 3D kỹ thuật (SLS/MJF) để tạo mẫu linh kiện, vỏ bọc, khớp nối; linh kiện máy bay, UAV, drone, đầu đạn huấn luyện; bộ giảm xóc cho thiết bị quân sự, radar, ống nhòm; và vật liệu bọc chống va đập cho tàu, xe chuyên dụng.
Ngành điện – điện tử
Trong ngành điện – điện tử, nhựa PU được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng cách điện và kháng nhiệt tốt, với các ứng dụng như vỏ bọc dây cáp, dây dẫn cao thế, vật liệu cách điện cho motor và máy biến áp, keo đổ khuôn chống ẩm cho mạch in (PU potting compound), màng chống tĩnh điện và lớp phủ bảo vệ linh kiện điện tử.
Ngành tiêu dùng – dân dụng – thời trang
Trong ngành tiêu dùng, dân dụng và thời trang, PU hiện diện rộng rãi với các sản phẩm như giày dép, đế giày thể thao, sofa, đệm ghế văn phòng, áo mưa, áo khoác chống thấm, ba lô, vali chống sốc, túi bảo vệ thiết bị điện tử và miếng dán chống va cho điện thoại, laptop.
Kết luận
PU là vật liệu đầy tiềm năng, linh hoạt với đa ngành nghề. Tuy có nhược điểm về môi trường và xử lý chất thải, PU vẫn được ưa chuộng trong sản xuất nhờ tính năng “đa trong một”. Người dùng nên xem xét mục đích sử dụng, loại PU phù hợp, và nguồn gốc đạt chuẩn.
