Mục đích của Styrene 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 polymer
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.
