Nhựa kỹ thuật đang tạo ra một cuộc cách mạng thầm lặng trong ngành sản xuất công nghiệp. Từ những bánh răng trong hộp số, linh kiện chịu lực của xe máy, cho đến các chi tiết cấy ghép y tế – chúng đang dần thay thế nhôm, đồng thau và thép không gỉ. Lý do rất thực tế: Nhựa kỹ thuật nhẹ hơn kim loại từ 3 đến 7 lần, không bị ăn mòn, không cần bôi trơn định kỳ và có thể ép phun hàng loạt với hình dáng cực kỳ phức tạp.
Tuy nhiên, giữa hàng chục mã nhựa kỹ thuật (ABS, PA, POM, PC, PEEK…), việc chọn sai vật liệu có thể khiến chi tiết máy bị kẹt cứng do hút ẩm, nứt vỡ khi chịu tải, hoặc làm đội chi phí sản xuất lên gấp hàng chục lần.
Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn lăng kính thực tiễn từ các kỹ sư vật liệu và nhà máy gia công, giúp bạn chọn đúng loại nhựa kỹ thuật cho từng bài toán cụ thể.
Nhựa kỹ thuật (Engineering Plastics) là gì?
Nhựa kỹ thuật là nhóm vật liệu polymer hiệu suất cao, có chuỗi phân tử liên kết cực kỳ chặt chẽ. Chúng được thiết kế để chịu được các điều kiện khắc nghiệt mà nhựa thông dụng (như PE, PP, PVC) sẽ bị nóng chảy hoặc vỡ nát.
Trong ngành sản xuất, một loại nhựa được xếp vào nhóm nhựa kỹ thuật khi đạt các ngưỡng:
- Khả năng chịu nhiệt: Vận hành liên tục ở nhiệt độ trên 100°C mà không bị biến dạng cơ học.
- Độ bền kéo: Đạt trên 49 MPa.
- Mô-đun uốn : Đạt trên 2.4 GPa
Bảng đối chiếu: Chọn nhựa kỹ thuật để thay thế kim loại
Bảng dưới đây cung cấp góc nhìn đối chiếu nhanh giữa yêu cầu chức năng của chi tiết, loại nhựa phù hợp, kim loại thường được thay thế, đồng thời chỉ ra các rủi ro quan trọng khi gia công và sử dụng thực tế để giúp bạn đưa ra quyết định vật liệu chính xác hơn.
| Yêu cầu của chi tiết máy/Sản phẩm | Loại nhựa đề xuất | Kim loại thường được thay thế | Lưu ý rủi ro khi gia công & vận hành |
| Cứng, bề mặt bóng đẹp, dễ mạ/sơn | ABS | Nhôm đúc | Dễ ố vàng, giòn đi nếu phơi nắng gắt kéo dài. |
| Chịu mài mòn, chịu va đập liên tục | PA (Nylon) | Đồng, Thép carbon | Hút ẩm mạnh. Kích thước sẽ nở ra khi làm việc trong môi trường nước. |
| Trượt mượt, chính xác kích thước cao | POM (Acetal) | Đồng thau, Nhôm | Hệ số ma sát cực thấp nhưng không chịu được axit mạnh. |
| Trong suốt như kính, chống đạn/đập phá | PC (Polycarbonate) | Kính cường lực | Bề mặt dễ bị xước dăm nếu không có lớp phủ Hard-coating. |
| Kháng hóa chất, chống dính tuyệt đối | PTFE (Teflon) | Thép không gỉ | Rất mềm, không chịu được tải trọng cơ học nặng. Không thể ép phun. |
| Chịu nhiệt > 250°C, y tế cấy ghép | PEEK, PEI, PPS | Titanium, Thép đặc chủng | Chi phí nguyên liệu đắt gấp 30 – 50 lần nhựa thông thường. |
Phân tích chuyên sâu 5 dòng nhựa kỹ thuật phổ biến
Nhựa ABS
ABS là loại nhựa giao thoa giữa nhựa thông dụng và nhựa kỹ thuật. Nó không chịu nhiệt quá cao (khoảng 80-90°C) nhưng lại sở hữu độ cứng cáp và khả năng chịu lực tác động cực tốt.
ABS là vật liệu không thể thay thế trong lĩnh vực gia công linh kiện xe máy thay thế, vỏ Tivi, laptop, và mũ bảo hiểm. Đặc biệt, bề mặt ABS bám dính cực tốt, cho phép nhà máy xi mạ crom hoặc sơn tĩnh điện để tạo bề mặt giả kim loại hoàn hảo.
Nếu chi tiết của bạn chỉ nằm trong nhà và cần vẻ ngoài cao cấp, hãy dùng ABS. Nếu dùng ngoài trời, bạn bắt buộc phải sơn phủ chống UV, nếu không ABS sẽ xỉn màu và giòn vỡ chỉ sau 1 năm.
PA (Nylon) vs POM (Acetal)
Trong gia công cơ khí (tiện, phay CNC) và ép phun chi tiết máy, kỹ sư thường xuyên đau đầu giữa việc chọn PA hay POM để làm bánh răng, bạc lót, thanh trượt. Điểm cốt lõi nằm ở đặc tính Hút ẩm:
- Nhựa PA (Nylon 6, Nylon 66): Cực kỳ dẻo dai và chịu va đập mạnh. Nhược điểm chí mạng của PA là rất háo nước. Trong môi trường ẩm ướt, một chi tiết bằng PA có thể hút nước và phình to thêm 2-3% thể tích. Nếu bạn tiện một cái trục PA lắp khít vào lỗ thép, ngày hôm sau độ ẩm cao có thể làm cái trục đó kẹt cứng không thể rút ra.
- Nhựa POM: Cứng hơn, bề mặt trơn trượt (hệ số ma sát siêu thấp) và đặc biệt là không hút nước. Nhờ đó, POM giữ được dung sai kích thước cực kỳ chính xác bất chấp thời tiết. Tuy nhiên, POM không dẻo dai bằng PA, nếu chịu lực đập đột ngột với cường độ lớn, POM sẽ nứt nẻ chứ không lún như PA.
Kinh nghiệm chọn:
- Cần chịu va đập mạnh (Búa đập) thì chọn PA.
- Cần độ chính xác cao, trượt êm, làm việc trong nước (Bánh răng đồng hồ nước) thì chọn POM.
Nhựa PC (Polycarbonate)
PC là loại nhựa kỹ thuật duy nhất trên thị trường đạt được hai yếu tố cùng lúc: Độ truyền sáng 90% (như thủy tinh) và Khả năng chịu va đập vô song (làm khiên chống bạo động, kính chống đạn).
Ứng dụng thực tiễn: Vỏ đèn pha ô tô, xe máy, kính bảo hộ bảo hộ lao động, mái lấy sáng.
Lưu ý gia công: Khi ép phun PC, nhà máy phải sấy hạt nhựa cực kỳ kỹ (hơn 120°C trong 4 tiếng). Nếu còn lẫn dù chỉ 0.02% hơi ẩm, sản phẩm PC ép ra sẽ bị nổi bọt khí (tia bạc) bên trong, phá hỏng hoàn toàn độ trong suốt và cơ tính của sản phẩm.
Nhựa PTFE (Teflon)
Hầu như không một loại dung môi, axit hay bazơ nào có thể ăn mòn được PTFE. Dải nhiệt độ hoạt động của nó rộng đến mức phi lý: từ -240°C đến 260°C.
Ứng dụng: Gioăng phớt chịu nhiệt, ống dẫn hóa chất đặc, lớp chống dính trên chảo.
Lưu ý sản xuất: PTFE có độ nhớt nóng chảy quá cao, do đó không thể đưa vào máy ép phun như các loại nhựa khác. Nó thường được ép ở dạng bột thành các khối trụ/tấm, sau đó cắt gọt CNC. Điều này khiến chi phí gia công chi tiết PTFE rất đắt đỏ.
Nhóm nhựa kỹ thuật cao cấp: PEEK, PPS, PEI
Đây là nhóm vật liệu polymer cao cấp nhất, được tạo ra để thay thế kim loại trong những môi trường làm việc cực kỳ khắc nghiệt mà nhựa thông thường không đáp ứng được.
Đặc tính: Có thể chịu nhiệt liên tục trên 250 °C, vẫn giữ được độ cứng và độ ổn định kích thước khi làm việc trong môi trường nhiệt cao, hóa chất mạnh hoặc tải trọng lớn. Một số loại còn có khả năng tương thích sinh học tốt, có thể dùng trong y tế.
Ứng dụng: PEEK thường được gia công thành khớp xương nhân tạo trong y học, linh kiện trong động cơ máy bay, hoặc khay chứa wafer bán dẫn yêu cầu chống tĩnh điện và độ sạch cao.
Lưu ý: Giá 1 kg PEEK có thể từ vài trăm đến hơn một nghìn USD. Vì vậy, nhóm vật liệu này chỉ nên dùng khi các loại nhựa kỹ thuật khác không đáp ứng được yêu cầu.
Nhựa kỹ thuật được ứng dụng thực tế như thế nào?
Nhựa kỹ thuật hiện diện trong hầu hết các ngành sản xuất công nghiệp. Điểm chung của các ứng dụng này là chi tiết cần đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cụ thể mà nhựa thông thường không đạt được. Dưới đây là một số ứng dụng điển hình, kèm lý do chọn loại nhựa tương ứng.
- Linh kiện xe máy và ô tô: Các chi tiết như vỏ đèn, ốp nhựa thân xe, tay nắm cần chịu va đập khi va chạm nhẹ và giữ được bề mặt đẹp sau thời gian sử dụng. ABS được chọn phổ biến nhất cho nhóm này vì kết hợp được độ cứng, chịu va đập và dễ sơn phủ. Với vỏ đèn pha cần trong suốt và chịu nhiệt từ bóng đèn, PC là lựa chọn bắt buộc vì không loại nhựa nào khác vừa trong suốt vừa chịu va đập ở nhiệt độ cao.
- Chi tiết máy chuyển động: Bánh răng, bạc lót, con lăn trong thiết bị công nghiệp và gia dụng cần chịu mài mòn liên tục và chạy êm. POM được chọn khi cần dung sai chính xác và trượt mượt. PA được chọn khi ưu tiên độ dẻo dai và chịu tải va đập. Cả hai đều nhẹ hơn và chạy êm hơn chi tiết kim loại cùng chức năng, đồng thời không cần bôi trơn thường xuyên.
- Thiết bị điện và điện tử: Đầu nối, công tắc, vỏ thiết bị cần cách điện tốt và chịu nhiệt ngắn hạn khi hàn. PA66 thường được chọn vì chịu nhiệt cao hơn PA6, đủ để không biến dạng trong quá trình hàn linh kiện.
- Hệ thống hóa chất công nghiệp: Gioăng, phớt, van trong đường ống hóa chất cần kháng hóa chất gần tuyệt đối. PTFE là lựa chọn tiêu chuẩn cho nhóm này vì hầu như không bị ăn mòn bởi bất kỳ hóa chất công nghiệp nào.
- Thiết bị y tế và hàng không: Khớp nhân tạo, chi tiết động cơ máy bay cần chịu nhiệt trên 250°C và tương thích sinh học. PEEK là loại duy nhất đáp ứng được đồng thời các yêu cầu này ở mức giá chấp nhận được so với kim loại đặc chủng.
Kinh nghiệm khi gia công nhựa kỹ thuật
Nếu doanh nghiệp của bạn mang bản vẽ chi tiết đi thuê ép phun, có 3 điểm quan trọng cần kiểm soát để tránh rủi ro chất lượng:
- Vấn đề sấy nhựa: 80% lỗi ngoại quan (sọc bạc, giòn, nứt ngầm) của nhựa kỹ thuật (PA, PC, ABS) đến từ việc nhà máy lười sấy hạt nhựa hoặc sấy không đủ thời gian/nhiệt độ trước khi đưa vào ép.
- Nhiệt độ khuôn: Nhựa kỹ thuật đòi hỏi bộ gia nhiệt khuôn rất cao (ví dụ ép PC khuôn phải nóng 80-120°C). Nếu nhà máy dùng nước lạnh để giải nhiệt khuôn nhằm ép nhanh (ăn gian cycle time), sản phẩm sẽ bị căng ứng suất nội, dùng một thời gian ngắn sẽ tự nứt.
- Pha trộn nhựa phế: Một số đơn vị gia công vì cạnh tranh giá có thể lén pha trộn nhựa kỹ thuật phế liệu. Với các chi tiết chịu lực, việc pha quá 10% nhựa tái sinh sẽ làm rớt 30-40% độ bền cơ học của thành phẩm. Hãy yêu cầu chứng từ CO/CQ gốc của lô hạt nhựa nguyên sinh để kiểm soát chất lượng.
