Mục
đích của Styrene được cho vào nhựa polyester bất bão hòa hoặc nhựa vinyl ester
nhằm 2 mục đích chính:
-
Pha
loãng hỗn hợp để kiểm soát độ nhớt mà nhựa có thể thấm ướt được sợi gia cường.
-
Là
cầu nối ngang trong phản ứng kết mạng của nhựa.
Các
vật liệu, như styrene, đáp ứng được cả 2 chức năng trên được gọi là “tác nhân
pha loãng hoạt tính”. Thật ra cũng có các tác nhân pha loãng hoạt tính khác như
methyl methacrylate (MMA) nhưng vì ưu điểm vượt trội của styrene trong thị trường
nhựa polyester và vinyl ester nên chúng ta sẽ tập trung giải quyết các vấn đề của
styrene.
Styrene
có khả năng đáp ứng được 2 chức năng trên với tổng chi phí thấp nhất trong khi
cải thiện được tính chất của nhựa cũng như hiệu quả sản xuất. Ta hãy hình dung
một chất pha loãng nhưng không hoạt tính thì yêu cầu sẽ phải bay hơi khỏi hỗn hợp
khi đóng rắn trong khuôn. Một số nhựa epoxy gặp phải vấn đề này, tức là chất
pha loãng sử dụng không hiệu quả.
Hoạt
tính styrene ở đây nghĩa là bản thân nó được sử dụng trong phản ứng kết mạng
ngang, trở thành cầu nối ngang trong mạng lưới polymer đã đóng rắn và giá thành
của styrene thấp hơn bản thân mạch chính polymer. Sau khi đã phản ứng kết mạng
ngang, styrene sẽ làm tăng độ cứng của vật liệu (nếu quá giới hạn sẽ trở nên
dòn) đồng thời cũng cải thiện một số tính chất vật lý của sản phẩm.
Styrene
cũng là chất pha loãng hiệu quả và rẻ tiền. Nó rất dễ pha loãng với hầu hết các
loại nhựa hiện nay, làm cho hỗn hợp nhựa dễ thấm ướt sợi gia cường. do đó,
styrene được xem gần như là lý tưởng.
Tuy
nhiên, styrene lại nằm trong danh sách các chất gây ô nhiễm không khí khi nó
bay hơi độc ra môi trường. Do đó, chúng ta phải làm giảm lượng hơi styrene bay
ra trong quá trình sản xuất composite. Hiện nay, các công ty sản xuất nhựa đều
đang nghiên cứu nhằm làm giảm lượng styrene trong sản phẩm của họ. Nếu phân
tích về mặt hóa học thay đổi như thế nào để làm giảm lượng styrene thì rất phức
tạp.
Vì
vậy, dưới đây chúng ta chỉ thảo luận các phương pháp làm giảm lượng styrene
trong nhựa một cách đơn giản nhất.
Cách thứ nhất: Biến
tính hệ polyme
Nỗ
lực đầu tiên từ các nhà sản xuất nhựa là biến tính nhựa (polyester và vinyl
ester) sao cho nó cần ít styrene hơn. Mục tiêu này không chỉ về mặt thương mại
mà còn phải cho kết quả nhanh. Họ nhận ra rằng nếu độ nhớt của nhựa (polymer)
giảm thì lượng styrene cần thêm vào để đạt được độ nhớt hỗn hợp cũng giảm. Cách
đầu tiên để giảm độ nhớt của nhựa là làm ngắn mạch phân tử (tức giảm khối lượng
phân tử nhựa). Mạch polymer càng ngắn sẽ càng giảm tương tác nội giữa các mạch
nên hỗn hợp dễ chảy hơn, tức độ nhớt thấp hơn. Do đó, lượng styrene cho vào hệ
polymer khối lượng phân tử thấp hơn sẽ giảm, tuy nhiên việc giảm lượng styerene
này sẽ ảnh hưởng đến lượng styrene cần để phản ứng kết mạng ngang. Vậy khi đó,
phản ứng kết mạng ngang thay đổi như thế nào? Và việc thay đổi phản ứng kết mạng
ngang này sẽ ảnh hưởng đến tinh chất của polymer ra sao?
Hai
đặc tính kết mạng ngang sẽ thay đổi (lượng styrene giảm đi và tỷ trọng kết mạng
ngang tăng lên). Việc giảm lượng styrene cho phản ứng kết mạng ngang dẫn tới
tình trạng thiếu styrene ở vị trí phản ứng (nếu thừa styrene thì bản thân các
phân tử styrene sẽ tự phản ứng với nhau, nối lại thành mạch dài; nếu thiếu
styrene thì ở mỗi mắt lưới sẽ hình thành chỉ với một hoặc hai phân tử styrene).
Việc giảm lượng styrene trong mạng lưới sẽ làm cho polymer đã đóng rắn ít dòn
hơn. Tuy nhiên, mạch polymer ngắn hơn nghĩa là liên kết đôi cacbon – cacbon sẽ
nhiều hơn và tạo ra số liên kết ngang nhiều hơn. Mà mật độ liên kết ngang nhiều
hơn lại làm vật liệu dòn hơn. Hai hiệu ứng trái ngược này làm cho vật liệu sau
đóng rắn có độ dòn trở về giá trị gần như chưa biến tính mạch polymer.
Nhiệt
độ biến dạng nhiệt và khả năng kháng dung môi sẽ tăng lên khi tăng mật độ kết mạng
ngang. Các tính chất khác như kháng UV, kháng phồng dộp, kháng nứt,.. đều bị ảnh
hưởng nhưng mức độ phải được đánh giá trên từng loại nhựa và trường hợp ứng dụng.
Và những tính chất này sẽ ảnh hưởng lên gelcoat nhiều hơn nhựa thông thường nên
khi thay đổi gelcoat, nhà sản xuất phải kiểm tra kỹ.
Biến
tính khác của nhựa là thay đổi phân bố khối lượng phân tử tức kéo dãn đường
cong phân bố khối lượng phân tử, thậm chí khi khối lượng phân tử trung bình khá
cao nhưng vẫn có một lượng đáng kể phân tử khối lượng thấp làm cho các phân tử
trượt lên nhau dễ dàng hơn, vì vậy làm giảm độ nhớt của hỗn hợp. độ nhớt hỗn hợp
nhựa giảm nghĩa là giảm lượng styrene thêm vào.
Cách thứ hai: Phát triển
hệ polymer mới
Polyester
được tổng hợp từ phản ứng của diaxit và glycol. Nếu thay đổi loại và lượng
di-axit và glycol thì tính chất nhựa cũng thay đổi rất lớn (ví dụ sự khác nhau
giữa nhựa iso và ortho chỉ là sử dụng hai loại axit khác nhau).
Ngoài
việc thay đổi giữa các thành phần diaxit và glycol thì các nhà sản xuất nhựa
cũng đang thử các loại diaxit và glycol mới mà đầu hướng tới tạo ra nhựa sạch,
tức giảm lượng styrene sử dụng (Ví dụ như neopentyl glycol sẽ dễ tan trong
styrene hơn các thành phần tương tự khác) và còn có thể cải thiện một số tính
chất vật lý khác.
Một
thay đổi khác có thể trộn nhiều loại diaxit và nhiều loại glycol lại với nhau,
theo những thứ tự và tỷ lệ khác nhau, trong đó mỗi thành phần sẽ có hoạt tính
khác nhau
Cách thứ ba — Sử dụng
những loại monomer khác
Styrene
không phải là monomer duy nhất hoạt động như chất pha loãng hoạt tính trong nhựa
polyester và vinyl ester. Vì vậy, các monomer khác mà có áp suất hơi thấp hơn
đang được nghiên cứu nhằm lựa chọn thay thế styrene. Monomer được tìm kiếm phải
ó hoạt tính hóa học giống styrene nhưng khối lượng phân tử cao hơn nên áp suất
hơi thấp hơn, ví dụ vinyl toluene hay t-butyl styrene nhưng giá thành lại cao
hơn styrene.
Cách
khác là sự kết hợp đơn giản 2 hay 3 monomer styrene lại với nhau thành dimer hoặc
trimer và sử dụng làm tác nhân pha loãng. Vật liệu composite sau đóng rắn, khả
năng thấm ướt sợi đều rất tốt nhưng giá của dimer, trimer cũng tăng đáng kể.
Ngoài
ra, các nhà nghiên cứu cũng đang tìm kiếm monomer mới hoàn toàn. Ví dụ như MMA
nhưng nó cũng có độ bay hơi cao, cũng gây ô nhiễm không khí nhưng với một số hệ
polymer thì MMA tương hợp tốt hơn nên sử dụng ít MMA hơn vẫn đạt được độ nhớt
mong muốn. MMA cũng cải thiện một số tính chất vật lý của nhựa nhưng giá thành
của MMA cũng cao hơn styrene.
Cách thứ tư – Ngăn cản
không cho styrene bay hơi
Thường
thêm wax vào hỗn hợp nhựa, tạo ra một lớp bề mặt ngăn cản hơi styrene bay lên đồng
thời cũng cản oxy từ bên ngoài nên cải thiện được quá trình đóng rắn nhựa. Cách
này đã và đang áp dụng rộng rãi, tuy nhiên khi có wax vào thì liên kết trong nhựa
bị giảm. Khuyết điểm này được khắc phục bằng cách sử dụng các lớp liên diện
(tăng khả năng kết dính trong hỗn hợp nhựa). Lớp liên diện có chứa các liên kết
đôi cacbon-cacbon cho phép phản ứng tạo liên kết ngang xuyên qua, vì vậy độ
liên kết của vật liệu 2 bên lớp màng được cải thiện. Lớp liên diện đạt hiệu quả
cao nhất khi nằm ngang và hỗn hợp nhựa ở trạng thái tĩnh (không khuấy). Nếu bề
mặt hỗn hợp không nằm ngang thì lớp liên diện không hiệu quả lắm, lúc đó phải
cho thêm chất làm đặc và bản thân phụ gia làm đặc cũng làm giảm sự bay hơi của
dung môi.
Kết
luận
Các
nhà sản xuất nhựa đang nỗ lực để tìm ra giải pháp tối ưu nhằm giảm thiểu lượng
styrene bay ra môi trường. Các phương pháp, nguyên lý đã có và họ đang tiếp tục
thử nghiệm, kiểm tra hoàn thiện để có thể công bố và thương mại hóa trong tương
lai gần.
www.ToanTien.com
Liên hệ kinh doanh: Mr Hòa - (+84)949.329.799