Trong các lĩnh vực sản xuất sản phẩm nhựa, quy trình thường gặp hầu như đều trải qua việc nung chảy hạt nhựa nguyên liệu, trước khi định hình và làm nguội để cho ra sản phẩm cuối cùng. Quá trình nung chảy này có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng thành phẩm. Mỗi loại nhựa khác nhau, quy trình sản xuất khác nhau hay thậm chí những yêu cầu kỹ thuật đối với mỗi loại sản phẩm đều cần có một nhiệt đô nhiệt độ nung chảy phù hợp. Trong bảng dữ liệu kỹ thuật đính kèm của mỗi loại hạt nhựa, hầu hết các nhà cung cấp đều công bố thông tin về dải nhiệt độ cần thiết để làm nung chảy chúng. Bên cạnh đó, có thể còn có một số dữ liệu về nhiệt độ khác như nhiệt độ mềm Vicat, hay nhiệt độ biến dạng nhiệt dưới tải.

Nhiệt độ nóng chảy của hạt nhựa, nhiệt độ mềm và nhiệt độ biến dạng nhiệt dưới tải

a. Nhiệt độ nóng chảy của hạt nhựa

Thành phần hóa học của nhựa quyết định điểm nóng chảy của nó, một số loại nhựa rất dễ nóng chảy, trong khi những loại khác thì gần như không thể. Vật liệu nhựa nhiệt dẻo trở thành chất lỏng ở điểm nóng chảy của chúng, ví dụ như PVC nóng chảy ở nhiệt độ từ 160 đến 210 ° C (320 đến 410 ° F). Các loại HDPE khác nhau có điểm nóng chảy từ 210 đến 270 ° C (410 đến 518 ° F)

Nhiệt độ nóng chảy là yếu tố cơ bản để xác định nhiệt lượng cần thiết cho bộ phận gia nhiệt của hệ thống máy móc sản xuất các sản phẩm nhựa. Nhưng cũng cần lưu ý khi nguyên liệu nhựa bị trộn lẫn với nhựa tái chế, các tạp chất hoặc các chất phụ gia khác khác, điểm nóng chảy của chúng có thể sẽ thấp hoặc cao hơn so với bảng dữ liệu đính kèm.

Việc hiểu rõ nhiệt độ nóng chảy để điều chỉnh nhiệt độ khuôn đúng cách là một yếu tố rất quan trọng, đặc biệt là trong quá trình ép phun. Điều này sẽ ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính cuối cùng như ngoại hình, độ bền và tính thẩm mỹ của sản phẩm.

b. Nhiệt độ mềm Vicat - Vicat soft temperature (VST)

Trước khi bị nóng chảy, có một cột mốc nhiệt độ mà nhựa sẽ phải chạm tới. Tại nhiệt độ này, nhựa sẽ bị biến dạng khi có lực tác dụng.

Nhiệt độ mềm Vicat của nhựa được xác định thông qua thử nghiệm ISO 306 hoặc ASTM D1525. Trong thử nghiệm này, một khối kim loại có tiết diện tròn 1 mm² với tải trọng tiêu chuẩn 10 N hoặc 50 N sẽ được đè lên mẫu thử, sau đó tăng nhiệt độ của mẫu thử này với tốc độ ổn định. Ngay sau khi tải trọng kim loại xuyên vào mẫu thử với độ sâu 1mm, thử nghiệm sẽ được kết thúc và nhiệt độ được ghi lại.

Dữ liệu về nhiệt độ mềm - Vicat soft temperature đánh giá khả năng của sản phẩm nhựa trong việc duy trì các đặc tính cơ học bề mặt của trong điều kiện nhiệt độ cao. Thông số này thường được sử dụng cho mục đích tìm kiếm vật liệu phù hợp hoặc kiểm tra chất lượng sản phẩm, nhưng hiếm khi được sử dụng trong tính toán thiết kế chính xác. Bản thân phép thử này khá linh hoạt vì không có kích thước, độ dày hoặc hình dạng mẫu thử được quy định cụ thể.

c. Nhiệt độ biến dạng nhiệt - heat deflection temperature (HDT)

Nhiệt độ biến dạng nhiệt - heat deflection temperature (HDT) cũng là một thước đo khả năng chống biến dạng của polyme khi chiụ một tải trọng nhất định ở nhiệt độ cao. Chỉ số này còn được biết tới với những tên gọi khác như nhiệt độ biến dạng dưới tải - deflection temperature under load (DTUL) hoặc nhiệt độ biến dạng nhiệt dưới tải - heat deflection temperature under load (HDTUL).

Trong thử nghiệm biến dạng nhiệt theo tiêu chuẩn ASTM D648, mẫu thử có kích thước tiêu chuẩn 127 x 13 x 12 mm được uốn cong ba điểm giống với trong thử nghiệm mô đun uốn.

Ứng suất được sử dụng để uốn cong mẫu thử là 455 kPa (66 psi) hoặc 1,82 MPa (264 psi), và nhiệt độ mẫu thử được tăng lên ở mức 2 ° C mỗi phút. Thử nghiệm được thực hiện trong một môi trường truyền nhiệt, thường là dầu khoáng hoặc dầu silicone để không ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học của mẫu.

Khi nhiệt độ tăng đến một mức nhất định, mẫu thử sẽ bị biến dạng dưới áp lực uốn ba điểm. Và khi độ võng của mẫu thử lệch đi 0,25 mm so với ban đầu thì thử nghiệm kết thúc, nhiệt độ được ghi lại. Thử nghiệm trong tiêu chuẩn ISO 75 cũng được thực hiện với quy trình gần như tương tự.

Sở dĩ có 2 mức ứng suất uốn cong được sử dụng là vì những loại nhựa khác nhau có khả năng chịu tải dưới nhiệt độ cao khá chênh lệch. Ứng suất 1,82 MPa (264 psi) phù hợp để thử nghiệm cho nhựa kỹ thuật như nylon, PET, PBT... Vật liệu biến dạng ở nhiệt độ thấp như PP, PE, PS... được thử nghiệm với ứng suất 455 kPa (66 psi).

Nhiệt độ biến dạng nhiệt HDT là một chỉ số hữu ích chỉ ra giới hạn nhiệt độ mà tại đó, vật liệu không thể được sử dụng cho các ứng dụng kết cấu hay chịu tải.

Tuy nhiên, trị số trên chỉ là ước tính và không nên được sử dụng như yếu tố duy nhất để dự đoán bộ phận hoặc thành phần cuối cùng của sản phẩm sẽ hoạt động như thế nào. Còn nhiều yếu tố khác sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt cuối cùng của sản phẩm như: thời gian tiếp xúc với nhiệt độ, tốc độ tăng nhiệt độ và hình dáng hình học của sản phẩm.

Nhiệt độ biến dạng nhiệt (HDT) và nhiệt độ mềm Vicat (VST) có gì khác nhau?

Trong khi thử nghiệm Vicat sử dụng một đầu dò kim để đâm mẫu vật đến một độ sâu nhất định thì thử nghiệm HDT lại kiểm tra nhiệt độ trong khi mẫu thử bị uốn cong theo một kích thước nhất định. Nói cách khác, thử nghiệm nhiệt độ mềm Vicat cho biết nhiệt độ mà tại đó mẫu thử mất tính ổn định và mềm đi, trong khi thử nghiệm HDT đo nhiệt độ tại đó mẫu thử mất khả năng chịu tải.

Tuy nhiên cả hai phương pháp đều có xu hướng đưa ra các con số tương tự nhau, và về cơ bản là chỉ ra độ cứng của vật liệu khi nhiệt độ tăng lên. Chỉ số HDT và nhiệt độ mềm Vicat đều bị ảnh hưởng, hay đúng hơn là có thể được cải thiện bởi các chất độn, chất làm đầy được pha trộn trong quá trình sản xuất.

Chất độn khoáng trong ngành nhựa thường được làm từ đá xay mịn, cứng hơn nhiều so với nhựa. Pha trộn càng nhiều bột đá thì hỗn hợp nhựa càng trở nên cứng và tăng khả năng chống lại sự biến dạng ở nhiệt độ cao. Đây cũng là mục đích thường gặp nhất của các thử nghiệm dạng này, để tìm ra tỷ lệ pha trộn hoặc loại vật liệu nhựa phù hợp cho các ứng dụng chịu tải ở nhiệt độ cao. Ví dụ như nắp của những chiếc hộp nhựa vẫn phải khít sau khi được sử dụng trong máy rửa bát hay lò vi sóng, các đường ống nhựa dùng để vận chuyển chất lỏng nóng không được phép cong vênh…Những ứng dụng nhựa kỹ thuật như vậy đều phải trải qua rất nhiều thử nghiệm về nhiệt độ cũng như tỷ lệ pha trộn nguyên liệu, để đạt tới hiệu suất mà nhà sản xuất mong đợi.