I. Giới thiệu về polyethylene
Polyethylene (PE) là một polymer hydrocarbon phổ biến trong nhựa nhiệt dẻo, được tạo thành từ quá trình trùng hợp ethylene. Cấu trúc phân tử của PE bao gồm các liên kết cộng hóa trị giữa carbon và hydrogen, tạo nên tính chất vật lý đặc trưng như độ kết tinh, nhiệt độ nóng chảy, và độ bền cơ học. PE là polymer bán tinh thể, với sự xen kẽ giữa pha tinh thể và pha vô định hình. Cấu trúc polyethylene này quyết định các ứng dụng rộng rãi của nó trong đời sống và công nghiệp.
1.1. Cấu trúc và tính chất polyethylene
Cấu trúc polyethylene bao gồm các mạch polymer gấp lại tạo thành các phiến lá mỏng, hình thành nên các tinh thể hình cầu. Sự kết tinh này ảnh hưởng đến tính chất vật lý và tính chất cơ học của PE, như độ cứng và nhiệt độ nóng chảy. Polyethylene tỷ trọng cao (HDPE) có cấu trúc mạch thẳng, ít phân nhánh, dẫn đến độ kết tinh cao và độ bền cơ học tốt hơn so với các loại PE khác.
1.2. Ứng dụng polyethylene
Polyethylene được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như bao bì thực phẩm, ống dẫn, cáp điện, và vật liệu xây dựng. HDPE đặc biệt được ưa chuộng do độ bền cao và khả năng chịu nhiệt tốt, phù hợp cho các ứng dụng ngoài trời và trong môi trường khắc nghiệt.
II. Phân hủy quang và oxy hóa quang polyethylene
Trong môi trường tự nhiên, polyethylene chịu tác động của ánh sáng và các yếu tố môi trường, dẫn đến quá trình phân hủy quang và phân hủy oxy hóa quang. Các phản ứng này làm đứt mạch polymer, giảm khối lượng phân tử và suy giảm tính chất cơ học của vật liệu. Thử nghiệm tự nhiên tại Bắc Trung Bộ cho thấy sự biến đổi đáng kể trong cấu trúc hóa học và tính chất vật lý của PE.
2.1. Cơ chế phân hủy polyethylene
Quá trình phân hủy quang của polyethylene bắt đầu khi ánh sáng mặt trời kích hoạt các phản ứng hóa học, dẫn đến sự hình thành các nhóm carbonyl và đứt mạch polymer. Phân hủy oxy hóa quang xảy ra khi có sự tham gia của oxy, tạo ra các gốc tự do và làm tăng tốc độ phân hủy. Các phản ứng Norrish I và Norrish II là cơ chế chính trong quá trình này.
2.2. Ảnh hưởng của môi trường tự nhiên
Môi trường tự nhiên tại Bắc Trung Bộ, với điều kiện khí hậu khắc nghiệt, đẩy nhanh quá trình phân hủy của polyethylene. Sự kết hợp của nhiệt độ cao, độ ẩm và bức xạ UV làm suy giảm tính chất cơ học và tính chất hóa học của vật liệu, dẫn đến giảm tuổi thọ sử dụng.
III. Thử nghiệm tự nhiên và gia tốc polyethylene
Thử nghiệm tự nhiên (TNTN) và thử nghiệm gia tốc (TNGT) được sử dụng để đánh giá sự biến đổi của polyethylene trong các điều kiện môi trường khác nhau. TNTN tại Bắc Trung Bộ cho thấy sự suy giảm đáng kể về tính chất cơ học và cấu trúc hóa học của HDPE theo thời gian. TNGT mô phỏng các yếu tố môi trường để rút ngắn thời gian thử nghiệm và dự đoán tuổi thọ vật liệu.
3.1. Phương pháp thử nghiệm
Thử nghiệm tự nhiên được tiến hành tại Đồng Hới, Quảng Bình, với các mẫu HDPE được theo dõi trong 36 tháng. Thử nghiệm gia tốc sử dụng thiết bị mô phỏng bức xạ UV, nhiệt độ và độ ẩm để đánh giá nhanh sự biến đổi của vật liệu. Các phương pháp phân tích như phổ hồng ngoại, phổ tử ngoại, và nhiễu xạ tia X được sử dụng để nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc và tính chất.
3.2. Kết quả và đánh giá
Kết quả cho thấy sự suy giảm rõ rệt về độ bền kéo, độ giãn dài, và khối lượng phân tử trung bình của HDPE sau thử nghiệm tự nhiên. Thử nghiệm gia tốc cho phép xác định hệ số tương quan giữa TNTN và TNGT, hỗ trợ dự báo tuổi thọ vật liệu. Các giải pháp nâng cao độ bền thời tiết của HDPE cũng được đề xuất.
