Khả năng chịu va đập của hạt nhựa tái sinh PP và ABS – An toàn, kiểm tra và hiệu quả thực tế
Một cản xe ô tô bị nứt gãy giòn dưới tác động nhẹ, một ống nhựa bị hư hại trong quá trình lắp đặt, hoặc một chi tiết nhựa có hành vi không dự đoán được ở nhiệt độ thấp—đây là những vấn đề mà người dùng cuối gặp phải thường xuyên hơn so với giả định phổ biến. Trong các trường hợp này, thông số vật liệu then chốt là khả năng chịu va đập, được định nghĩa là khả năng của polyme hấp thụ năng lượng va đập mà không bị phá hủy giòn đột ngột.
Đồng thời, ngày càng nhiều bộ phận được sử dụng trong xe và các sản phẩm kỹ thuật khác hiện nay được sản xuất từ vật liệu tái chế. Đối với người dùng cuối, điều này đặt ra câu hỏi về an toàn và độ bền, trong khi đối với nhà sản xuất và tái chế thì tạo ra nhu cầu kiểm tra và kiểm soát đúng khả năng chống va đập của hạt nhựa tái sinh, để vật liệu đáp ứng các yêu cầu của ứng dụng.
Ở phần sau của bài viết này, tôi sẽ chuyển sang các khía cạnh kỹ thuật liên quan đến nhà sản xuất và chế biến nguyên liệu tái chế, bao gồm kiểm tra va đập, yêu cầu tiêu chuẩn, và diễn giải kết quả thử nghiệm trong bối cảnh ứng dụng cụ thể.
Nhựa tái chế có được sử dụng trong ô tô và cản xe không, và điều này có ảnh hưởng đến an toàn không?
Có. Sản xuất ô tô hiện đại sử dụng rộng rãi nhựa tái chế, bao gồm cả các bộ phận bên ngoài của xe. Điều này áp dụng, trong số những thứ khác, cho cản xe, tấm lót vòm bánh xe, tấm chắn kỹ thuật, cũng như các chi tiết trang trí và hoàn thiện.
Tuy nhiên, điều quan trọng nhất là không phải vật liệu có nguồn gốc từ tái chế hay không, mà là liệu nó có đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, đặc biệt là các yêu cầu liên quan đến khả năng chống va đập và hấp thụ năng lượng va đập.
Cản xe ô tô không được làm từ ABS nguyên chất. Trên thực tế, chúng thường được sản xuất từ:
- PP được biến tính với elastomer (PP/EPDM, PP/TD)—vật liệu được thiết kế đặc biệt cho khả năng hấp thụ năng lượng va đập,
- ít thường xuyên hơn, các hợp chất polyme đã được biến tính được thiết kế riêng cho vùng hấp thụ va đập cụ thể.
ABS, ngược lại, được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận bên ngoài và bán kết cấu, chẳng hạn như:
- ốp bánh xe,
- vỏ kỹ thuật,
- tấm bảo vệ,
- các chi tiết tạo dáng và khí động học.
Trong các ứng dụng này, ABS cung cấp sự kết hợp cân bằng giữa độ cứng, khả năng chịu va đập và ngoại quan bề mặt.
Còn về an toàn thì sao?
Nếu một hạt nhựa tái sinh (tức là nhựa tái chế):
- được biến tính đúng cách,
- có khả năng chịu va đập được kiểm soát,
- đã được kiểm tra theo tiêu chuẩn áp dụng,
khi đó nó không làm giảm an toàn của xe.
Vấn đề chỉ phát sinh khi:
- hạt nhựa tái sinh có khả năng chịu va đập không đạt yêu cầu được sử dụng,
- bỏ qua thử nghiệm hoặc diễn giải sai kết quả thử nghiệm,
- vật liệu được sử dụng ngoài phạm vi ứng dụng mà nó đã được chứng nhận.
Vì lý do này, các nhà sản xuất ô tô áp dụng các yêu cầu kiểm tra va đập rất nghiêm ngặt, và các vật liệu tái chế sử dụng trong xe không được lựa chọn ngẫu nhiên—chúng phải đáp ứng các yêu cầu chức năng tương tự như vật liệu nguyên sinh.
Điều này có ý nghĩa gì đối với người sử dụng xe?
Đối với người lái và hành khách, việc không quan trọng là một chi tiết được sản xuất từ nguyên liệu nguyên sinh hay nguyên liệu tái chế. Điều quan trọng là chi tiết đó:
- có hành vi dự đoán được khi chịu va đập,
- không bị phá hủy theo kiểu giòn,
- hấp thụ năng lượng va đập một cách thích hợp.
Chính vì lý do này khả năng chịu va đập của nhựa là một trong những thông số then chốt trong thiết kế và lựa chọn vật liệu cho các chi tiết ô tô.
Phương pháp Charpy và Izod, chuẩn bị mẫu thử, yêu cầu tiêu chuẩn và ý nghĩa công nghệ
Độ bền va đập của hạt nhựa tái sinh PP và ABS là một thông số được sử dụng khi đánh giá vật liệu cho các ứng dụng mà chi tiết phải chịu tải va đập, ứng suất động và ứng suất liên quan đến lắp ráp. Trong thực tiễn công nghiệp, thông số này quyết định liệu một loại hạt nhựa tái sinh nhất định có thể được sử dụng cho ứng dụng cụ thể hay phải loại trừ khỏi ứng dụng đó.
Thử nghiệm va đập được thực hiện trên mẫu thử va đập (trong thực tiễn sản xuất thường gọi là “thanh thử”), được chuẩn bị theo yêu cầu của tiêu chuẩn áp dụng. Việc tuân thủ tiêu chuẩn được xác định bởi kích thước mẫu, phương pháp chuẩn bị mẫu và điều kiện thử nghiệm.
Các phương pháp thử va đập: Charpy và Izod
Hai phương pháp thử va đập thường được sử dụng cho hạt nhựa tái sinh PP và ABS: Charpy và Izod. Các phương pháp này khác nhau về cách gá mẫu và phân bố ứng suất trong quá trình va đập và không tương đương nhau.
Trong phương pháp Charpy , mẫu thử được đỡ trên hai đe và bị tác động tại điểm giữa. Trong phương pháp Izod , mẫu thử được kẹp như một dầm hẫng và bị tác động tại đầu tự do.
Sự khác biệt trong cấu hình tải dẫn đến các cơ chế khởi phát và lan truyền vết nứt khác nhau. Vì lý do này, kết quả thu được bằng phương pháp Charpy và Izod không được so sánh hoặc chuyển đổi. Phương pháp đã chọn phải được áp dụng nhất quán trong hệ thống kiểm soát chất lượng.
Trong thực tiễn công nghiệp châu Âu, đặc biệt đối với hạt nhựa tái sinh PP và ABS, phương pháp Charpy được sử dụng phổ biến hơn vì nó nhạy cảm hơn với sự suy giảm vật liệu và phân biệt tốt hơn giữa các lô hạt nhựa tái sinh. Phương pháp Izod được áp dụng khi có yêu cầu từ các thông số kỹ thuật của khách hàng hoặc thị trường mục tiêu.
Thiết bị sử dụng cho thử nghiệm Charpy và Izod
Thử nghiệm va đập bằng Charpy và Izod được thực hiện trên máy thử va đập con lắc, được cấu hình theo phương pháp đỡ hoặc kẹp mẫu thích hợp.
Một máy thử va đập kiểu con lắc:
- được trang bị các giá đỡ hoặc kẹp thay thế cho Charpy hoặc Izod thử nghiệm,
- cho phép lựa chọn năng lượng va đập phù hợp với polyme được thử nghiệm,
- ghi lại năng lượng mà mẫu thử hấp thụ trong quá trình va đập.
Đối với thử nghiệm mẫu có rãnh, cần có dao cắt rãnh để tạo rãnh với hình học và kích thước theo quy định của tiêu chuẩn. Nếu không có rãnh được gia công đúng, thử nghiệm sẽ không tuân thủ yêu cầu tiêu chuẩn.
Nếu thử nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ khác nhiệt độ môi trường, mẫu thử sẽ được điều hòa trong buồng kiểm soát nhiệt độ trước khi thử nghiệm.
Chuẩn bị mẫu thử cho thử nghiệm va đập
Trong kiểm soát chất lượng hạt nhựa tái sinh PP và ABS, thực tiễn tiêu chuẩn là chuẩn bị mẫu thử bằng phương pháp ép phun sử dụng khuôn phù hợp với yêu cầu tiêu chuẩn. Hạt nhựa tái sinh được gia công trong các điều kiện xác định và được ghi nhận, bao gồm nhiệt độ xy lanh và khuôn, tốc độ phun, áp suất giữ và thời gian làm mát.
Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu va đập đo được và là một phần của điều kiện thử nghiệm. Bất kỳ thay đổi nào trong thông số gia công đều cấu thành thay đổi điều kiện thử nghiệm và có thể dẫn đến sự khác biệt đáng kể về giá trị va đập, ngay cả đối với cùng một lô vật liệu.
Một phương pháp thay thế là ép đùn tấm và cắt mẫu thử từ đó; tuy nhiên, trong thực tiễn công nghiệp, phương pháp này chủ yếu được sử dụng cho các nghiên cứu so sánh hoặc phát triển. Đối với kiểm soát chất lượng thường quy của hạt nhựa tái sinh, phương pháp này ít được sử dụng hơn do độ biến thiên kết quả cao hơn.
Rãnh như một công cụ đánh giá chất lượng vật liệu
Trong thử nghiệm va đập đối với hạt nhựa tái sinh PP và ABS, mẫu có rãnh được sử dụng phổ biến nhất. Rãnh xác định điểm khởi đầu của vết nứt và cho phép đánh giá khả năng chống lan truyền vết nứt của vật liệu.
Thử nghiệm mẫu có rãnh cho phép đánh giá:
- ảnh hưởng của sự phân hủy nhiệt trong PP,
- tình trạng pha đàn hồi trong ABS,
- sự hiện diện của tạp chất và tính không đồng nhất của vật liệu.
Rãnh phải được tạo bằng dao cắt rãnh chuyên dụng và tuân thủ các yêu cầu của tiêu chuẩn. Rãnh được tạo thủ công hoặc sử dụng dụng cụ không phù hợp sẽ dẫn đến dữ liệu thử nghiệm không tuân thủ tiêu chuẩn.
Yêu cầu tiêu chuẩn và khả năng so sánh kết quả
Tiêu chuẩn thử va đập quy định:
- kích thước mẫu thử,
- hình học vết khía,
- phương pháp đỡ hoặc kẹp mẫu thử,
- nhiệt độ thử nghiệm,
- tính toán và báo cáo kết quả.
Nếu tài liệu thử nghiệm thiếu thông tin về phương pháp áp dụng, tiêu chuẩn, nhiệt độ thử nghiệm hoặc quy trình chuẩn bị mẫu, kết quả thu được sẽ không thể so sánh giữa các lô vật liệu hoặc giữa các nhà cung cấp khác nhau.
Thay đổi khả năng chịu va đập sau khi tái chế
Đối với PP, khả năng chịu va đập giảm thường là kết quả của sự suy giảm chuỗi polyme và thay đổi phân bố khối lượng phân tử do lịch sử nhiệt của vật liệu. Một hạt nhựa tái sinh có thể đáp ứng yêu cầu MFI nhưng đồng thời thể hiện khả năng chịu va đập kém.
Đối với ABS, trạng thái của pha đàn hồi là yếu tố then chốt. Nhiệt độ gia công quá cao, thời gian lưu quá lâu hoặc chu kỳ gia công lặp lại làm giảm khả năng hấp thụ năng lượng va đập của vật liệu, trực tiếp làm giảm khả năng chịu va đập.
Tầm quan trọng của khả năng chịu va đập đối với các ứng dụng sử dụng cuối
Khả năng chịu va đập cao của hạt nhựa tái sinh PP hoặc ABS cho phép sử dụng chúng trong các linh kiện chịu tác động cơ học, ứng suất lắp ráp hoặc điều kiện nhiệt độ thay đổi. Khả năng chịu va đập giảm làm tăng nguy cơ nứt vỡ chi tiết, mất ổn định chất lượng và phát sinh khiếu nại từ khách hàng.
Từ góc độ người sử dụng cuối, thông số này quyết định liệu vật liệu có phù hợp với ứng dụng cụ thể hay không, bất kể là nguyên sinh hay tái chế.
Kết luận thực tiễn
Việc công bố khả năng chịu va đập cho hạt nhựa tái sinh PP và ABS chỉ có ý nghĩa khi:
- một phương pháp thử nghiệm được xác định rõ ràng (Charpy hoặc Izod) được sử dụng,
- mẫu thử được chuẩn bị phù hợp với các yêu cầu tiêu chuẩn,
- quy trình chuẩn bị mẫu thử và điều kiện thử nghiệm được biết rõ và có thể lặp lại.
Nếu không, kết quả thử nghiệm không đại diện cho thông tin kỹ thuật đáng tin cậy cho cả nhà sản xuất hạt nhựa tái sinh lẫn khách hàng.
Khả năng chịu va đập trong các ứng dụng công nghiệp cụ thể
Tầm quan trọng của khả năng chịu va đập của hạt nhựa tái sinh PP và ABS đặc biệt rõ rệt trong các ứng dụng mà linh kiện phải chịu tải động hoặc va đập trong quá trình sử dụng.
Đối với nhà sản xuất ống PP, khả năng chịu va đập ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của ống trong quá trình vận chuyển, lưu trữ và lắp đặt, cũng như hành vi của vật liệu ở nhiệt độ thấp. Khả năng chịu va đập giảm có thể dẫn đến nứt ống do va chạm hoặc rơi rớt ngoài ý muốn, ngay cả khi các thông số khác như MFI vẫn nằm trong giới hạn quy định. Trên thực tế, điều này dẫn đến hư hỏng trước khi đưa hệ thống vào vận hành và phát sinh vấn đề trong quá trình nghiệm thu chất lượng.
Đối với các chi tiết ABS như cản xe, vỏ kỹ thuật và bộ phận bảo vệ, khả năng chịu va đập quyết định khả năng của vật liệu trong việc hấp thụ năng lượng va đập mà không bị gãy giòn. Khả năng chịu va đập giảm sau khi tái chế, do sự suy giảm pha elastomer, làm tăng nguy cơ nứt dưới tác động điểm, va chạm năng lượng thấp hoặc điều kiện sử dụng ở nhiệt độ thấp. Đối với nhà sản xuất, điều này đồng nghĩa với việc không đáp ứng yêu cầu ứng dụng và tăng số lượng khiếu nại bảo hành.
Trong cả hai trường hợp, khả năng chịu va đập không phải là thông số phụ mà là tính chất quyết định liệu hạt nhựa tái sinh có phù hợp cho ứng dụng cụ thể hay không. Vật liệu có khả năng chịu va đập không đủ, ngay cả khi các thông số khác nằm trong giới hạn quy định, cũng không đáp ứng được yêu cầu chức năng.
Khả năng chịu va đập như một thông số liên quan đối với các polyme khác
Mặc dù bài viết này chủ yếu tập trung vào hạt nhựa tái sinh PP và ABS, khả năng chịu va đập cũng là một thông số quan trọng đối với các polyme khác được sử dụng trong tái chế cơ học.
Trong PS, khả năng chịu va đập thường quyết định liệu vật liệu có thể được sử dụng cho các chi tiết kỹ thuật hay chỉ cho các sản phẩm bao bì đơn giản. Trong PA, hiệu suất chịu va đập, đặc biệt ở nhiệt độ thấp và trong điều kiện có độ ẩm, là yếu tố thiết yếu đối với các chi tiết kết cấu và kỹ thuật. Trong PET, khả năng chịu va đập có ý nghĩa đối với các ứng dụng yêu cầu chống nứt và cho nhựa tái chế kỹ thuật đã được cải tiến. Trong PVC, khả năng chịu va đập ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của thanh profile, ống và các chi tiết xây dựng, đặc biệt ở nhiệt độ thấp.
Trong mọi trường hợp, các nguyên tắc giống nhau đều được áp dụng: khả năng chịu va đập phải được kiểm tra theo tiêu chuẩn, sử dụng mẫu thử được chuẩn bị theo yêu cầu tiêu chuẩn, và kết quả phải được diễn giải trong bối cảnh lịch sử gia công và mục đích sử dụng dự kiến.
Thông tin bổ sung
Hiện tôi đang chuẩn bị một ấn phẩm có tiêu đề “Phụ gia trong tái chế cơ học nhựa – Nâng cao chất lượng và độ ổn định của nhựa tái chế”, trong đó đề cập đến:
- chất cải thiện khả năng chịu va đập trong nhựa tái chế,
- elastomer và copolymer làm pha chịu va đập trong nhựa tái chế,
- cơ chế nâng cao khả năng chống khởi phát và lan truyền vết nứt,
- cải thiện khả năng chịu va đập của nhựa ABS, PS, PA và PET tái chế,
- điều chỉnh các tính chất của nhựa tái chế cho các ứng dụng kết cấu.
Ấn phẩm đang ở giai đoạn cuối cùng và sẽ sớm được phát hành dưới dạng bản in.
👉 Đăng ký theo dõi blog
Nếu bạn quan tâm đến nhựa và tái chế, hãy đăng ký theo dõi blog và bật thông báo