Polystyrene (PS): tính chất, công dụng và gia công

Sản phẩm y tế và phòng thí nghiệm

PS thông dụng trong suốt, cứng và dễ đúc với dung sai chặt, nên là vật liệu tiêu chuẩn cho dụng cụ phòng thí nghiệm dùng một lần: đĩa Petri, ống nghiệm, bình nuôi cấy, pipet và đĩa vi thể (microplate) cho chẩn đoán. Các sản phẩm này được cung cấp ở dạng vô trùng. PS chịu được tiệt trùng bằng chiếu xạ gamma hoặc ethylene oxide, nhưng không chịu được hấp tiệt trùng bằng hơi nước vì PS mềm ra dưới 100 °C.

Tấm HIPS được định hình nhiệt thành khay và vỉ đóng gói cho thiết bị y tế và bao bì dược phẩm, mang lại độ cứng và khả năng chịu va đập với chi phí thấp. PS bị nhiều dung môi hữu cơ tấn công và chịu nhiệt hạn chế, nên không được dùng cho thiết bị xử lý hóa chất hay các điều kiện ăn mòn mạnh khác.

Ngành ô tô

Trong ngành ô tô, vật liệu PS chủ yếu được dùng cho vỏ bảng đồng hồ, chụp đèn và các chi tiết chiếu sáng. Polystyrene cũng có thể được gia công tạo bọt để sản xuất vật liệu bao bì và cách nhiệt, dùng cho các chi tiết như trần xe. Ngoài ra, PS thường được biến tính hoặc đồng trùng hợp ghép với các vật liệu khác để tạo ra nhiều loại nhựa hợp kim thuộc họ PS. Ví dụ, copolymer styrene-anhydrit maleic (SMA) thường được dùng để sản xuất khung bảng đồng hồ ô tô.

Thiết bị điện

Vật liệu PS kết hợp độ trong suốt tuyệt vời với tính cách điện tốt, phù hợp làm linh kiện và vỏ tivi, máy ghi âm và nhiều thiết bị điện khác, cũng như tụ điện cao tần.

Sản phẩm trong suốt

PS có độ trong suốt tuyệt vời, rất phù hợp cho dụng cụ quang học thông thường, mô hình trong suốt, chụp đèn, vỏ thiết bị đo và hộp đựng bao bì.

Đồ dùng hằng ngày

Với khả năng tạo màu và độ bóng tuyệt vời, PS được dùng rộng rãi để sản xuất đồ dùng hằng ngày như đồ chơi trẻ em, tấm trang trí, hộp băng cassette, tay nắm đồ nội thất, lược, cán bàn chải đánh răng, thân bút và văn phòng phẩm.

Vật liệu bao bì

Nhựa xốp PS có khả năng giảm chấn và cách nhiệt tuyệt vời, phù hợp làm bao bì chống sốc và vật liệu cách nhiệt. Vật liệu bao bì chủ yếu dùng cho thiết bị điện, dụng cụ chính xác, hàng thủ công mỹ nghệ, sản phẩm thủy tinh và gốm sứ; vật liệu cách nhiệt gồm tấm vách ngăn và tấm sandwich lợp mái.

Trùng hợp khối

Styrene được trùng hợp trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ được kiểm soát 60–90 °C, dùng benzoyl peroxide làm chất khơi mào, thu được nhựa trong suốt ở dạng khối. Loại nhựa này có độ tinh khiết cao, độ trong suốt và độ bóng tốt.

Trùng hợp nhũ tương

Dưới tác dụng của chất khơi mào, nhũ tương nước của monome styrene được trùng hợp ở nhiệt độ 80–95 °C. Polyme sau đó được tách khỏi dung dịch cái và gia công thành nhựa dạng bột. Sản phẩm cuối cùng chịu nhiệt tốt hơn một chút so với nhựa trùng hợp khối, nhưng tính cách điện và độ trong suốt thấp hơn một chút.

Biến tính phối trộn

Phương pháp này là trộn cơ học hai hay nhiều vật liệu polyme, vật liệu vô cơ và phụ gia để thu được vật liệu có độ đồng đều cơ học, tính chất nhiệt và tính chất quang học được cải thiện.

Đặc điểm của biến tính phối trộn:

Biến tính bằng phối trộn cần vốn đầu tư thấp và chu kỳ sản xuất ngắn, là hướng đi chủ chốt để biến tính PS. Đây không chỉ là phương pháp quan trọng để biến tính polyme mà còn là con đường quan trọng để phát triển vật liệu mới.

PS/PE

Polyethylene (PE) có độ mềm dẻo và khả năng chịu va đập tuyệt vời, giúp tăng độ dai cho PS. Tuy nhiên, PS và PE là các polyme không tương hợp, nên phải bổ sung chất trợ tương hợp trong quá trình biến tính phối trộn.

Có hai phương pháp phối trộn PS/PE: phối trộn phản ứng và phối trộn không phản ứng.

Trong các nghiên cứu phối trộn phản ứng, PS phản ứng (RPS), PE clo hóa (CPE), PE và PS được đồng thời đưa vào máy đùn trục vít đôi để trộn nóng chảy và đùn, thu được hỗn hợp PS biến tính.

PS/PP

Polypropylene (PP) dai hơn PS và chịu nhiệt tốt hơn. Vì vậy, phối trộn PP với PS có thể cải thiện tính chất nhiệt của PS.

Tuy nhiên, PP và PS không tương hợp, nên cần chất trợ tương hợp. Sử dụng silica đã xử lý bề mặt trong hệ PS/PP có thể tăng độ bám dính bề mặt phân cách giữa các polyme và cải thiện độ bền kéo của hệ. Kết hợp PS phản ứng (RPS) và polypropylene ghép anhydrit maleic (MPP) cũng cho hiệu quả tương hợp phản ứng tốt đối với hỗn hợp PS/PP.

PS/PC

Polycarbonate (PC) có tính chất tuyệt vời, bao gồm khả năng chống rão tốt và độ truyền ánh sáng khả kiến trên 90%. Chiết suất của PC gần với PS và PC có thể phối trộn với PS để cải thiện độ ổn định nhiệt, độ bền và độ dai của PS.

Trong hỗn hợp PS/PC tương hợp một phần, ứng suất bề mặt phân cách phân bố đều và liên tục dưới tác dụng ngoại lực, dẫn đến hình thành vết rạn bạc và dải trượt cắt, giúp nâng cao tính chất cơ học của hỗn hợp.

Biến tính đồng trùng hợp

Biến tính đồng trùng hợp là một trong những phương pháp quan trọng để biến tính PS. Bằng cách đồng trùng hợp monome styrene với monome thứ hai, có thể đưa các nhóm linh động vào mạch để giữ các tính chất ưu việt vốn có của PS đồng thời cải thiện độ dai và tính gia công. Các phương pháp chính là đồng trùng hợp với α-olefin và đồng trùng hợp ghép.

1. Đồng trùng hợp với α-olefin

PS có khả năng tương hợp thấp khi phối trộn với polyolefin, nhưng đồng trùng hợp chúng có thể tạo ra sản phẩm vừa cứng vững vừa dai. Monome thứ hai thường là α-olefin. Dùng xúc tác metallocene để đồng trùng hợp styrene với monome thứ hai giúp giữ độ cứng vững của PS trong khi tăng độ mềm dẻo.

2. Đồng trùng hợp ghép

Dùng xúc tác metallocene, styrene được đồng trùng hợp với một dẫn xuất styrene chứa bo; sau đó các nhóm bo trong sản phẩm được oxy hóa thành nhóm hydroxyl, làm vị trí để ghép.

Một loạt copolymer ghép PS đã được tổng hợp bằng phản ứng trùng hợp gốc chuyển nguyên tử (ATRP), thực hiện chức năng hóa polystyrene. Mật độ ghép và độ dài mạch có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh mức độ brom hóa và lượng monome bổ sung.

Thông qua phản ứng chuyển mạch tại chỗ, các copolymer ghép PS chứa nhóm phân cực ở đầu mạch đã được tổng hợp trong điều kiện phản ứng và hệ xúc tác phù hợp, cho phép chức năng hóa PS.

Biến tính bằng hạt nano vô cơ

Hạt nano vô cơ có hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng thể tích và hiệu ứng kích thước lượng tử đặc thù, khiến tính chất của chúng khác biệt đáng kể so với bột thông thường và vật liệu khối. Bằng cách phối trộn vật liệu nano vô cơ với PS trong điều kiện công nghệ nhất định, độ bền, độ dai, khả năng chịu nhiệt và chịu mài mòn của vật liệu polyme có thể được nâng cao đáng kể. Có một số phương pháp chính để chế tạo composite PS/hạt nano vô cơ:

1. Phương pháp trộn nóng chảy

Hạt nano đã biến tính được đưa vào nhựa nóng chảy, hỗn hợp được trộn và tạo hình để thu được sản phẩm composite. Do hạt nano có xu hướng kết tụ và khó phân tán đều trong hệ, việc xử lý bề mặt hạt nano trước khi trộn là rất quan trọng.

Composite PS/hạt nano chế tạo bằng trộn cơ học có thể cải thiện đáng kể độ bền kéo, độ bền va đập có khía và tính chảy nhiệt.

2. Phương pháp trộn dung dịch

Nhựa nền được hòa tan trong dung môi thích hợp rồi bổ sung hạt nano. Sau khi khuấy kỹ để phân tán đều, dung môi được loại bỏ để thu được composite.

Ống nano cacbon đa vách (MWNT) đã xử lý bằng oxy hóa axit được phân tán trong dung dịch tetrahydrofuran, sau đó bổ sung PS. Sau 3 giờ xử lý siêu âm, thu được composite dẫn điện PS/MWNT. Phương pháp này nâng cao mô đun tích trữ và độ dẫn điện của vật liệu.

3. Trùng hợp tại chỗ (in-situ)

Hạt nano đã xử lý bề mặt được bổ sung vào monome và trộn đều. Trong điều kiện thích hợp, phản ứng trùng hợp được khơi mào để chế tạo composite PS/hạt nano.

Nanocomposite PS/vermiculite chế tạo bằng phương pháp tại chỗ có nhiệt độ phân hủy cao hơn đáng kể so với PS nguyên chất.

Dù đã có nhiều phương pháp biến tính PS được phát triển, hiệu năng tổng thể và cơ chế biến tính của sản phẩm biến tính vẫn cần được cải thiện thêm. Nguyên nhân là khả năng chịu va đập, chịu nhiệt, kháng hóa chất và tính gia công của sản phẩm biến tính phải đạt tiêu chuẩn cao hơn để vật liệu PS biến tính được ứng dụng rộng rãi hơn.