Chất phụ gia ngành nhựa là các hợp chất được thêm vào polymer trong quá trình sản xuất nhằm cải thiện khả năng gia công, điều chỉnh tính chất cơ học và tăng độ bền của vật liệu nhựa.
Hầu hết sản phẩm nhựa công nghiệp đều cần phụ gia vì polymer nguyên chất thường không đáp ứng đủ yêu cầu về nhiệt, độ cứng, độ dai hoặc độ ổn định môi trường. Các nhóm phụ gia phổ biến gồm chất độn, chất hóa dẻo, chất ổn định nhiệt, chất chống oxy hóa, chất chống tia UV, chất trợ gia công, chất chống cháy và chất tăng va đập.
Bài viết cung cấp cái nhìn tổng quan hệ thống 11 chất phụ gia ngành nhựa quan trọng bao gồm chức năng, cơ chế tác động và vai trò của từng nhóm phụ gia đối với tính chất vật liệu và khả năng gia công. Ngoài ra bài viết còn giải thích cách lựa chọn hệ phụ gia phù hợp theo từng loại nhựa và mục tiêu sản phẩm.
Phụ gia chất độn
Phụ gia chất độn là các vật liệu vô cơ hoặc sợi được thêm vào nhựa nhằm tăng độ cứng, cải thiện độ ổn định kích thước và giảm chi phí nguyên liệu. Các loại phổ biến gồm canxi cacbonat, talc, sợi thủy tinh và bột khoáng. Chất độn thường được sử dụng trong PVC, PP và PE để tăng độ cứng, giảm co ngót sau ép và cải thiện khả năng chịu nhiệt biến dạng. Khi sử dụng tỷ lệ cao, chất độn có thể làm giảm độ dai và độ bóng bề mặt nên cần kiểm soát kích thước hạt và khả năng phân tán.
Phụ gia hóa dẻo
Phụ gia hóa dẻo là các hợp chất giúp tăng độ mềm, độ dẻo và khả năng uốn của vật liệu nhựa bằng cách làm giảm lực liên kết giữa các chuỗi polymer. Nhóm này được sử dụng nhiều trong PVC mềm để sản xuất dây điện, ống mềm, màng nhựa và vật liệu giả da. Các chất hóa dẻo phổ biến gồm phthalate, adipate và các chất hóa dẻo sinh học. Tỷ lệ hóa dẻo ảnh hưởng trực tiếp đến độ mềm, độ bền kéo và độ ổn định nhiệt của sản phẩm.
Phụ gia ổn định nhiệt
Phụ gia ổn định nhiệt giúp bảo vệ polymer khỏi sự phân hủy khi gia công ở nhiệt độ cao. Nhóm phụ gia này đặc biệt quan trọng đối với PVC vì vật liệu này dễ phân hủy nhiệt trong quá trình ép hoặc đùn. Các hệ ổn định phổ biến gồm canxi kẽm, thiếc hữu cơ và hệ chì trong ứng dụng công nghiệp cũ. Phụ gia ổn định nhiệt giúp giữ màu sắc sản phẩm, duy trì tính cơ học và tăng tuổi thọ vật liệu trong quá trình sử dụng. Mức độ bảo vệ cần thiết phụ thuộc vào khoảng nhiệt độ gia công của từng loại nhựa điển hình là PVC gia công ở 160–210°C trong khi Nylon 6/6 có thể lên đến 300°C, nên hệ ổn định nhiệt cho hai loại này hoàn toàn khác nhau. Xem bảng nhiệt độ nóng chảy và gia công của các loại nhựa phổ biến.
Phụ gia chống oxy hóa
Phụ gia chống oxy hóa giúp ngăn chặn quá trình oxy hóa polymer khi gia công và trong quá trình sử dụng lâu dài. Nhóm này thường được sử dụng trong PP, PE và các nhựa kỹ thuật để bảo vệ vật liệu khỏi suy giảm tính chất cơ học do nhiệt và oxy. Các chất chống oxy hóa phổ biến gồm phenolic antioxidant và phosphite antioxidant. Việc sử dụng đúng loại giúp duy trì độ bền kéo, độ dai và màu sắc sản phẩm.
Phụ gia chống UV
Phụ gia chống tia UV giúp bảo vệ nhựa khỏi tác động của ánh sáng mặt trời, ngăn ngừa lão hóa, giòn gãy và phai màu. Nhóm này được sử dụng nhiều trong sản phẩm ngoài trời như ống nhựa, tấm lợp, đồ gia dụng và màng nông nghiệp. Các chất chống UV phổ biến gồm UV absorber và HALS. Phụ gia chống UV giúp kéo dài tuổi thọ sản phẩm và duy trì tính cơ học khi tiếp xúc môi trường.
Phụ gia tăng va đập
Phụ gia tăng va đập giúp cải thiện độ dai và khả năng chịu lực va đập của vật liệu nhựa. Nhóm này thường là các polymer đàn hồi được pha trộn vào nhựa cứng như PVC, PP hoặc ABS để giảm nguy cơ nứt gãy khi chịu lực. Các loại phổ biến gồm MBS, ABS modifier và elastomer. Việc sử dụng phụ gia tăng va đập giúp cải thiện độ bền cơ học mà không làm giảm đáng kể khả năng gia công.
Phụ gia trợ gia công
Phụ gia trợ gia công giúp cải thiện khả năng chảy của nhựa nóng chảy trong quá trình ép phun hoặc đùn. Nhóm này giúp giảm ma sát, tăng độ bóng bề mặt và giảm khuyết tật sản phẩm. Các loại phổ biến gồm chất bôi trơn, sáp polyethylene và acrylic processing aid. Phụ gia trợ gia công giúp tăng năng suất sản xuất, giảm tiêu hao năng lượng và cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm. Hiệu quả của phụ gia trợ gia công còn phụ thuộc vào bản chất từng phương pháp như ép phun cần nhựa chảy nhanh vào khuôn kín dưới áp suất cao, trong khi đùn ép cần dòng chảy ổn định liên tục qua khuôn hở, nên yêu cầu về độ nhớt và bôi trơn khác nhau đáng kể. Xem chi tiết 8 phương pháp tạo hình nhựa và đặc điểm dòng chảy của từng loại.
Phụ gia chống cháy
Phụ gia chống cháy giúp giảm khả năng bắt lửa và hạn chế sự lan truyền ngọn lửa của vật liệu nhựa. Nhóm này được sử dụng trong vật liệu điện, điện tử, xây dựng và giao thông. Các hệ chống cháy phổ biến gồm hợp chất chứa halogen, phospho và kim loại hydroxide. Phụ gia chống cháy giúp tăng mức độ an toàn và đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về cháy nổ.
Phụ gia chống tĩnh điện
Phụ gia chống tĩnh điện giúp giảm tích tụ điện tích trên bề mặt nhựa, hạn chế bám bụi và nguy cơ phóng điện. Nhóm này được sử dụng trong bao bì điện tử, linh kiện điện tử và sản phẩm công nghiệp. Phụ gia hoạt động bằng cách tăng độ dẫn điện bề mặt hoặc hấp thụ độ ẩm từ môi trường. Việc sử dụng phụ gia chống tĩnh điện giúp cải thiện an toàn và chất lượng sản phẩm.
Phụ gia tạo màu
Phụ gia tạo màu là các hạt màu hoặc masterbatch màu được thêm vào nhựa nhằm tạo màu sắc và tính thẩm mỹ cho sản phẩm. Các hệ màu phổ biến gồm pigment vô cơ và pigment hữu cơ. Phụ gia tạo màu có thể ảnh hưởng đến độ bền UV, độ bền nhiệt và tính cơ học nên cần lựa chọn phù hợp với polymer nền.
Phụ gia tạo xốp
Phụ gia tạo xốp là các hợp chất tạo khí trong quá trình gia công nhằm tạo cấu trúc bọt khí bên trong vật liệu nhựa. Nhóm này được sử dụng để giảm khối lượng sản phẩm, tăng khả năng cách nhiệt và tiết kiệm nguyên liệu. Các chất tạo xốp phổ biến gồm chất tạo xốp hóa học và vật lý. Việc kiểm soát nhiệt độ và áp suất gia công rất quan trọng để đạt cấu trúc xốp ổn định.
Phụ gia cần thiết cho từng loại nhựa
Mỗi loại nhựa có đặc tính hóa học và nhiệt khác nhau nên yêu cầu hệ phụ gia khác nhau để đảm bảo khả năng gia công và tính chất sản phẩm:
- Nhựa PVC luôn cần phụ gia ổn định nhiệt để tránh phân hủy trong quá trình gia công, thường kết hợp chất hóa dẻo để tạo độ mềm, chất bôi trơn để cải thiện gia công và chất độn để giảm chi phí.
- Nhựa PP và PE thường cần chất chống oxy hóa để bảo vệ polymer khỏi suy giảm nhiệt, phụ gia chống UV cho sản phẩm ngoài trời, chất độn để tăng độ cứng và phụ gia tăng va đập khi cần cải thiện độ dai.
- Nhựa PET cần phụ gia ổn định nhiệt và phụ gia chống thủy phân để duy trì độ bền cơ học trong điều kiện gia công nhiệt cao.
- Nhựa ABS và các nhựa kỹ thuật thường sử dụng phụ gia tăng va đập, phụ gia chống cháy và phụ gia ổn định nhiệt nhằm đáp ứng yêu cầu cơ học và an toàn kỹ thuật.
Việc lựa chọn đúng hệ phụ gia theo từng loại nhựa giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.
Các yếu tố ảnh hưởng hiệu quả của phụ gia
Hiệu quả của phụ gia trong vật liệu nhựa không chỉ phụ thuộc vào bản thân phụ gia mà còn chịu tác động bởi nhiều yếu tố kỹ thuật trong toàn bộ vòng đời sản phẩm, từ lựa chọn nguyên liệu, phối trộn, gia công đến điều kiện sử dụng thực tế. Dưới đây là những yếu tố quan trọng quyết định phụ gia có phát huy đúng chức năng thiết kế hay không.
- Loại polymer nền: Mức độ tương thích hóa học quyết định phụ gia có hòa trộn tốt hay bị tách pha, điều này phụ thuộc vào bản chất cấu trúc của từng loại nhựa. PE, PP là polyolefin không phân cực trong khi PVC hay PET có cực tính khác hẳn, nên hệ phụ gia không thể dùng chung. Xem tổng quan đặc tính và phân loại từng nhóm nhựa để hiểu rõ tại sao polymer nền lại quyết định toàn bộ hướng lựa chọn phụ gia.
- Nồng độ phụ gia: Mỗi phụ gia có khoảng hàm lượng tối ưu. Thiếu sẽ không đạt hiệu quả chức năng, dư có thể gây giảm độ bền cơ học, đổi màu, chảy bề mặt hoặc tăng chi phí không cần thiết.
- Quy trình gia công: Nhiệt độ quá cao có thể làm phụ gia phân hủy; lực cắt không đủ gây phân tán kém; thời gian lưu dài làm suy giảm chất ổn định nhiệt hoặc chất chống oxy hóa.
Điều kiện môi trường sử dụng: Tia UV, oxy, độ ẩm, hóa chất hoặc chu kỳ nhiệt có thể làm phụ gia bị tiêu hao dần, khiến tính năng bảo vệ giảm theo thời gian. - Kích thước hạt và mức độ phân tán: Phụ gia dạng hạt mịn và phân bố đồng đều giúp tối đa diện tích tiếp xúc; hiện tượng kết tụ tạo điểm yếu cơ học và làm giảm hiệu quả chức năng.
- Tương tác giữa các phụ gia: Một số hệ phụ gia có tính hiệp đồng (ví dụ chống oxy hóa sơ cấp và thứ cấp), nhưng cũng có trường hợp triệt tiêu tác dụng hoặc gây phản ứng phụ nếu phối trộn không phù hợp.
