I. Tổng quan nghiên cứu độ bền kéo hỗn hợp HDPE PET tại HCMUTE
Polyetylen mật độ cao (HDPE) và Polyetylen terephthalate (PET) là hai loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến nhất thế giới. HDPE sở hữu độ bền va đập cao, kháng hóa chất xuất sắc cùng khả năng gia công linh hoạt. PET nổi bật với độ bền cơ học vượt trội, khả năng chịu nhiệt ổn định cùng tính ngăn cản khí tốt. Việc kết hợp hai loại nhựa này mở ra hướng đi bền vững cho ngành công nghệ vật liệu. Quá trình tái chế cơ học hỗn hợp HDPE/PET giúp giải quyết lượng rác thải nhựa khổng lồ ngoài tự nhiên. Tuy nhiên, hai polyme này có bản chất nhiệt động học không tương thích. Cấu trúc pha dị thể tạo ra ứng suất cục bộ khi chịu tải kéo bên ngoài. Nhóm sinh viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM thực hiện đề tài nhằm khảo sát toàn diện tính chất kéo đứt của hệ vật liệu. Nghiên cứu tập trung đánh giá mức độ tương tác pha giữa HDPE và PET. Các thử nghiệm cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc chế tạo sản phẩm nhựa tái sinh. Kết quả nghiên cứu khẳng định tiềm năng nâng cao giá trị sử dụng của nhựa thứ cấp. Quá trình này đóng góp thiết thực vào nền kinh tế tuần hoàn tại Việt Nam.
1.1. Mục tiêu và bối cảnh đề tài SV2023 49
Đề tài SV2023-49 được triển khai tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Nghiên cứu do giảng viên PGS. Phạm Thị Hồng Nga trực tiếp hướng dẫn khoa học. Đề tài hướng đến giải pháp tái chế rác thải bao bì công nghiệp và sinh hoạt. Hỗn hợp nhựa HDPE và PET chiếm tỷ trọng lớn trong dòng phế liệu hàng ngày. Việc tạo blend polyme trực tiếp giúp giảm chi phí phân loại tốn kém. Nhóm nghiên cứu tập trung xác định độ bền kéo đứt và giới hạn chảy của vật liệu mẫu. Đề tài mở rộng khả năng ứng dụng nhựa kỹ thuật vào sản xuất thực tế. Các thông số cơ tính phản ánh độ tin cậy của vật liệu mới. Nghiên cứu tạo tiền đề chuyển giao kỹ thuật cho doanh nghiệp tái chế.
1.2. Tính chất cơ lý đặc trưng của HDPE và PET
HDPE là polyme bán kết tinh sở hữu mạch phân tử thẳng và độ phân nhánh thấp. Vật liệu này có tính dẻo dai, chống mài mòn tốt và chịu được môi trường hóa chất mạnh. Nhiệt độ nóng chảy của HDPE dao động quanh ngưỡng 130 độ C. Ngược lại, PET là nhựa kỹ thuật dạng polyeste với độ cứng vững và khả năng chịu lực kéo cao. Nhiệt độ gia công nóng chảy của PET vượt trên mức 250 độ C. Sự chênh lệch nhiệt độ gia công tạo ra thách thức lớn khi phối trộn hai polyme. Độ nhớt nóng chảy khác biệt cản trở quá trình hòa trộn đồng nhất trong nòng trục vít. Cấu trúc pha phân tán hình thành với ranh giới phân tách rõ ràng. Việc kiểm soát cấu trúc vi mô quyết định trực tiếp đến độ bền kéo cuối cùng.
II. Phân tích yếu tố ảnh hưởng độ bền kéo hỗn hợp HDPE PET
Độ bền kéo của hỗn hợp HDPE/PET phụ thuộc chặt chẽ vào mức độ tương thích giữa hai pha polyme. HDPE là polyme không phân cực, có năng lượng bề mặt tương đối thấp. Trong khi đó, PET là polyme phân cực mạnh chứa các nhóm este liên kết trong mạch chính. Sự khác biệt về cấu trúc hóa học gây ra sức căng bề mặt liên pha rất lớn. Khi trộn nóng chảy mà không bổ sung phụ gia tương thích, hai chất tạo thành cấu trúc phân tán thô. Các giọt PET phân bố tự do và có xu hướng kết tụ lại với nhau. Lực liên kết liên pha yếu ngăn cản quá trình truyền ứng suất kéo dọc theo trục mẫu thử. Khi mẫu chịu lực kéo, các vết nứt tế vi nhanh chóng xuất hiện tại ranh giới phân cách pha. Mẫu vật liệu dễ bị phá hủy giòn ngay tại vùng liên kết kém bền này. Ngoài ra, tỷ lệ phối trộn PET chi phối trực tiếp kích thước hạt phân tán trong nền HDPE. Hàm lượng PET gia tăng dẫn đến sự va chạm và hợp nhất giữa các hạt. Kích thước hạt PET tăng làm giảm diện tích tiếp xúc hiệu dụng và suy giảm khả năng chịu kéo tổng thể.
2.1. Hiện tượng bất tương hợp giữa hai pha polyme
Sự bất tương hợp nhiệt động giữa HDPE và PET xuất phát từ độ chênh lệch cực tính phân tử. Khi nóng chảy, entropy trộn lẫn của các mạch đại phân tử rất nhỏ. Năng lượng tự do Gibbs của hệ mang giá trị dương ngăn cản quá trình trộn đồng thể. Kết quả hình thành hệ nhũ tương polyme với độ bám dính liên pha cực thấp. Khi chịu lực kéo dọc trục, các vi hạt PET hoạt động như những điểm tập trung ứng suất cơ học. Ranh giới tiếp xúc giữa hai pha không truyền tải được tải trọng kéo hiệu quả. Hiện tượng tách pha diễn ra nhanh chóng tại bề mặt tiếp xúc trước khi nền nhựa đạt biến dạng dẻo tối đa. Điều này làm giảm đáng kể độ bền kéo và độ giãn dài khi đứt của sản phẩm.
2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ PET lên vi cấu trúc và độ bền
Tỷ lệ phối trộn PET đóng vai trò then chốt quyết định hình thái cấu trúc vật liệu. Khi hàm lượng PET ở mức thấp khoảng 10% khối lượng, các hạt phân tán đồng đều. Kích thước hạt PET ghi nhận qua kính hiển vi điện tử quét SEM duy trì ở mức 4 micromet. Mức độ bám dính giữa hạt và nền HDPE giữ được sự ổn định tương đối tốt. Khi tỷ lệ PET tăng lên 20% hoặc 30%, khoảng cách giữa các hạt bị thu hẹp đáng kể. Hiện tượng hợp nhất hạt diễn ra mạnh mẽ tạo thành các khối hạt kích thước lớn. Bề mặt tiếp xúc xuất hiện nhiều khoảng trống và rãnh nứt vi mô. Kích thước hạt lớn làm giảm liên kết cơ học với nền HDPE. Cơ tính kéo và độ dai va đập của mẫu suy giảm nhanh chóng.
III. Phương pháp ép phun cải thiện độ bền kéo hỗn hợp HDPE PET
Quy trình gia công ép phun đòi hỏi việc kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và áp suất nạp liệu. Nhóm nghiên cứu chuẩn bị hạt nhựa nguyên sinh và tái sinh theo tỷ lệ phối trộn xác định. Hạt PET được sấy khô hoàn toàn trong tủ sấy chân không trước khi gia công. Điều này ngăn ngừa hiện tượng thủy phân cắt mạch phân tử ở nhiệt độ cao. Hỗn hợp nhựa được đưa vào máy ép phun qua hệ thống phễu nung chảy phân đoạn. Nhiệt độ gia công được thiết lập theo từng vùng nhiệt từ 200 đến 260 độ C. Vận tốc trục vít và áp suất ép phun cần được hiệu chỉnh tối ưu. Sự kết hợp lực cắt cao giúp phân tán đều các pha polyme trong lòng khuôn mẫu. Ngoài kỹ thuật ép phun, việc sử dụng phụ gia tương thích đóng vai trò quyết định. Các chất tương hợp như EGMA hoặc HDPE ghép glycidyl methacrylate (HDPE-g-GMA) tạo liên kết hóa học liên pha. Liên kết này làm giảm đáng kể sức căng bề mặt giữa hai chất dẻo. Quá trình chiếu xạ tia gamma kết hợp TMPTA cũng giúp tạo liên kết ngang bền vững. Những giải pháp công nghệ trên nâng cao đáng kể ứng suất kéo đứt của vật liệu blend.
3.1. Thiết lập thông số ép phun mẫu thử tiêu chuẩn
Chế tạo mẫu thử kéo được thực hiện trên máy ép phun chuyên dụng tại xưởng cơ khí. Khuôn ép được thiết kế theo tiêu chuẩn thử nghiệm cơ tính ASTM dành cho chất dẻo. Quá trình gia nhiệt diễn ra qua bốn vùng nhiệt độ kiểm soát độc lập. Vùng cấp liệu được giữ ở mức 190 độ C nhằm chống kẹt trục vít. Vùng nén và định lượng tăng dần lên mức 240 và 260 độ C. Áp suất ép phun được duy trì ổn định để điền đầy hoàn toàn lòng khuôn. Áp suất giữ được kích hoạt nhằm triệt tiêu hiện tượng co ngót lòng mẫu khi nguội. Thời gian làm nguội trong khuôn được tính toán chính xác để mẫu ổn định kích thước hình học. Mẫu thành phẩm có bề mặt nhẵn bóng và đồng đều trước khi đo kéo.
3.2. Ứng dụng chất tương hợp và liên kết ngang TMPTA
Chất tương hợp đóng vai trò cầu nối trung gian giữa mạch polyolefin và polyeste. Các nhóm chức epoxy hoặc anhydrit phản ứng với nhóm hydroxyl và cacboxyl đầu mạch của PET. Phản ứng hóa học tại mặt phân giới tạo nên các đồng trùng hợp ghép tại chỗ. Chuỗi mạch HDPE của chất tương hợp khuếch tán sâu vào pha nền HDPE. Sự hiện diện của chất tương thích giúp giảm kích thước hạt phân tán xuống mức tối ưu. Ngoài ra, giải pháp chiếu xạ tia gamma kết hợp phụ gia TMPTA 1% khối lượng mang lại hiệu quả rõ rệt. Quá trình kích thích gốc tự do tạo mạng lưới liên kết ngang giữa các đại phân tử. Độ bền kéo và độ giãn dài khi đứt của hỗn hợp blend tăng lên đáng kể sau xử lý.
IV. Kết luận về ứng dụng và độ bền kéo hỗn hợp HDPE PET thực tế
Nghiên cứu về độ bền kéo hỗn hợp HDPE/PET tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM khẳng định tính khả thi cao của việc tái chế polymer blend. Kết quả thực nghiệm cho thấy tỷ lệ phối trộn 10% PET (PET10) duy trì sự cân bằng cơ tính lý tưởng nhất. Cấu trúc vi mô của mẫu PET10 đạt độ phân tán đều với kích thước hạt ổn định quanh mức 4 micromet. Mức độ bám dính pha đạt hiệu quả cao giúp vật liệu bảo toàn độ bền kéo và độ dai va đập. Khi hàm lượng PET vượt quá 20%, sự suy giảm cơ tính đòi hỏi giải pháp biến tính bề mặt bắt buộc. Nghiên cứu cung cấp thông số công nghệ giá trị cho ngành công nghiệp ép phun nhựa tái chế. Các nhà máy sản xuất có thể trực tiếp ứng dụng quy trình nhằm tạo ra sản phẩm nhựa kỹ thuật chi phí thấp. Vật liệu hỗn hợp HDPE/PET phù hợp làm pallet công nghiệp, tấm lót sàn, cốp pha nhựa và phụ tùng cơ khí phụ trợ. Hướng nghiên cứu mở ra con đường bền vững nhằm giảm áp lực rác thải lên môi trường tự nhiên.
4.1. Đánh giá tỷ lệ phối trộn PET tối ưu
Dữ liệu đo đạc cơ tính khẳng định tỷ lệ 10% PET đem lại hiệu năng kéo khả quan nhất. Tại tỷ lệ này, các giọt PET phân tán với mật độ đồng đều trong nền matrix HDPE. Mẫu PET10 duy trì khả năng truyền tải ứng suất kéo liền mạch qua các pha. Độ giãn dài khi đứt không bị sụt giảm đột ngột như các mẫu có tỷ lệ PET cao hơn. Khi hàm lượng PET nâng lên 20% và 30%, hiện tượng giòn hóa vật liệu xuất hiện rõ rệt. Sự kết tụ của các hạt PET kích thước lớn tạo ra các khuyết tật cấu trúc vi mô. Khi chịu tải kéo, mẫu bị đứt gãy sớm tại các điểm tiếp giáp yếu. Do đó, ngưỡng tỷ lệ phối trộn dưới 10% PET được khuyến nghị cho các sản phẩm chịu lực.
4.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp tái chế nhựa
Hỗn hợp polyme HDPE/PET mở ra giải pháp tái sinh rác thải nhựa quy mô công nghiệp hiệu quả. Ngành sản xuất đồ gia dụng và vật liệu xây dựng đón nhận tiềm năng ứng dụng to lớn từ hệ vật liệu này. Nhựa blend có thể dùng đúc pallet chứa hàng, nắp cống thoát nước và thùng chứa rác công cộng. Chi phí chế tạo từ nhựa tái sinh thấp hơn nhiều so với hạt nhựa nguyên sinh nhập khẩu. Ngoài ra, việc tái sử dụng rác thải nhựa góp phần cắt giảm lượng phát thải khí nhà kính ra môi trường. Các doanh nghiệp gia công nhựa kỹ thuật có thể chủ động nguồn nguyên liệu đầu vào nội địa. Kết quả từ đề tài cung cấp thông số kỹ thuật chuẩn xác để vận hành dây chuyền ép phun ổn định.