Nhựa Polycarbonate (PC) là gì?

Nhựa Polycarbonate (PC) là một loại nhựa nhiệt dẻo trong suốt tự nhiên, chúng là một loại nhựa tổng hợp trong đó các đơn vị Polymer được liên kết thông qua các nhóm Cacbonat. Nhựa PC thuộc nhóm số 7 trong danh sách phân loại RIC. Chúng được sản xuất trên thị trường với nhiều màu sắc khác nhau (có thể trong suốt hay mờ), vật liệu này cho phép độ truyền ánh sáng gần như tương đương với thủy tinh. Các liên kết polymer của polycarbonate được sử dụng để sản xuất nhiều loại vật liệu. Liên kết này đặc biệt hữu ích giúp làm tăng khả năng chống va đập và độ trong suốt của sản phẩm (ví dụ: Kính chống đạn). PC cũng được sử dụng cho thấu kính nhựa trong kính mắt, trong các thiết bị y tế, linh kiện ô tô, thiết bị bảo vệ, nhà kính, đĩa CD, DVD, Blu-ray, tấm lợp thông minh… PC cũng có khả năng chịu nhiệt rất tốt, có thể kết hợp với các vật liệu chống cháy mà không làm giảm quá nhiều chất lượng vật liệu. Nhựa Polycarbonate là loại nhựa kỹ thuật thường được sử dụng cho các vật liệu bền, có khả năng chịu lực cao chẳng hạn như  “tấm nhựa trong suốt” thay thế cho kính thủy tinh nhưng có khả năng chống va đập.

Biểu đồ sau đây cho thấy độ bền va đập tương đối của Polycarbonate khi so sánh với độ bền va đập của các loại nhựa thường được sử dụng khác như ABS, Polystyrene (PS) hoặc Nylon.

Biểu đồ so sánh độ bền va đập của các loại nhựa theo phương pháp thử IZod notched tiêu chuẩn ASTM

Một tính năng khác của Polycarbonate là nó rất dẻo, và còn định hình dễ dàng hơn bằng cách gia nhiệt. Tuy nhiên, nó có thể được định hình ở nhiệt độ phòng mà không bị nứt hoặc vỡ. Đặc tính này làm cho tấm Polycarbonate đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng tạo mẫu uốn lượn trong khi các loại tấm kim loại hoặc tấm kính thiếu khả năng này.

Polycarbonate được tạo ra như thế nào?

Giống như các loại nhựa khác, nhựa Polycarbonate bắt đầu bằng việc chưng cất hydrocarbon tự nhiên thành các nhóm nhẹ hơn được gọi là “phân đoạn”, một số trong đó được kết hợp với các chất xúc tác khác nhau để tạo ra chất dẻo (thường thông qua trùng lặp hoặc đa trùng lặp).

Đặc điểm của nhựa Polycarbonate

PC được phân loại là “nhựa nhiệt dẻo” (trái ngược với “vật liệu nhiệt rắn”), tên gọi này cũng liên quan đến cách chất dẻo phản ứng với nhiệt. Vật liệu nhựa nhiệt dẻo trở thành chất lỏng ở điểm nóng chảy của chúng (155°C đối với nhựa Polycarbonate). Một thuộc tính hữu ích chính của nhựa nhiệt dẻo là chúng có thể được gia nhiệt đến điểm nóng chảy, làm lạnh và gia nhiệt lại mà không bị suy giảm đáng kể về cơ lý tính. Thay vì bị đốt cháy, nhựa nhiệt dẻo như Polycarbonate hóa lỏng, cho phép chúng dễ dàng được đúc phun và sau đó được tái chế.

Ngược lại, nhựa nhiệt rắn chỉ có thể được gia nhiệt một lần (thường là trong quá trình ép phun). Lần gia nhiệt đầu tiên làm cho vật liệu nhiệt rắn đông kết (tương tự như Epoxy 2 thành phần) dẫn đến sự thay đổi hóa học không thể đảo ngược. Nếu bạn cố gắng làm nóng nhựa nhiệt rắn đến nhiệt độ cao lần thứ hai, nó sẽ chỉ bị cháy. Đặc điểm này làm cho vật liệu nhiệt rắn ít có khả năng tái chế.

Nhược điểm của nhựa Polycarbonate

Mặc dù Polycarbonate được biết đến với khả năng chống va đập cao nhưng nó lại rất dễ bị trầy xước. Vì lý do này, các bề mặt trong suốt như thấu kính Polycarbonate trong một cặp kính thường sẽ được phủ một lớp chống xước để bảo vệ.

Đặc tính kỹ thuật

Polycarbonate cũng là một vật liệu vô định hình, điều này có nghĩa nó không có các đặc tính có trật tự của chất rắn kết tinh. Thông thường, chất dẻo vô định hình có xu hướng mềm dần (tức là chúng có một phạm vi rộng giữa điểm chuyển dịch lỏng-rắn và điểm nóng chảy của chúng) thay vì chuyển đổi rõ ràng từ rắn sang lỏng như trường hợp của các polymer tinh thể. Polycarbonate là một Co-polymer, trong đó nó bao gồm một số loại monomer khác nhau kết hợp với nhau.

Chỉ Tiêu Giá Trị
Tên kỹ thuật Polycarbonate (PC)
Công thức hóa học C15H16O2
Nhiệt độ nóng chảy 288-316 °C (550-600 °F)
Nhiệt độ khuôn 82 – 121 °C (180 – 250 °F)
Nhiệt độ biến dạng nhiệt (HDT) 140 °C (284 °F) at 0.46 MPa (66 PSI)
Độ bền kéo 64.1 MPa (8500 PSI)
Độ bền uốn 109 MPa (13500 PSI)
Tỷ trọng 1.2
Tỷ lệ co 0.6 – 0.9 % (.006 – .009 in/in)

*Theo kết quả phương pháp thử ASTM của tấm Polycarbonate NICELIGHT®

Tại sao nhựa Polycarbonate được sử dụng rộng rãi?

Polycarbonate là một loại nhựa cực kỳ hữu ích cho các ứng dụng đòi hỏi độ trong suốt và khả năng chống va đập cao. Nó là một vật liệu thay thế cho thủy tinh nhờ đặc tính nhẹ hơn thủy tinh và có khả năng cản tia UV trong ánh nắng mặt trời, vì vậy nó thường được sử dụng trong kính mắt. Polycarbonate đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Một vài ví dụ bao gồm:

  • Tấm nhựa trong suốt làm cửa sổ thay thế kính thủy tinh.
  • Các tấm lợp ngoài trời, vách ngăn.
  • Các sản phẩm trong suốt có yêu cầu ánh màu.
  • Các ống trong suốt cho các thiết bị thể thao.
  • Chụp đèn thường và chụp đèn tán xạ cho đèn LED
  • Khuôn trong suốt để đúc urethane và silicone.
  • Mô hình in 3D cho các ứng dụng nhiệt cao khi ABS không đáp ứng được yêu cầu.
  • Tấm chắn bảo vệ máy móc.

Tấm PC cũng có thể được tạo màu với mục đích giảm độ chói . Ví dụ như để che các đèn báo hiệu trên đường, các công ty sản xuất loại sản phẩm này thường đặt tấm Polycarbonate có màu ở mặt trước của đèn báo hiệu để vừa bảo vệ đèn LED, vừa để giảm độ chói.

Các loại nhựa Polycarbonate

Theo AZO Materials, Polycarbonate được phát triển đồng thời vào giữa thế kỷ 20 bởi GE ở Hoa Kỳ và Bayer ở Đức. Hiện nay, nó được sản xuất bởi một số lượng lớn các công ty, mỗi công ty thường có quy trình sản xuất riêng và công thức riêng. Tên thương mại của các hãng nổi tiếng có thể được kể như Lexan® của SABIC, hoặc Makrolon® của Bayer MaterialScience. Bạn có thể xem danh sách đầy đủ các nhà sản xuất vật liệu tại đây.

Có rất nhiều phân cấp khác nhau của nhựa Polycarbonate trên thị trường, tuy nhiên hầu hết đều được gọi bằng tên chung là Polycarbonate. Một số có chứa sợi thủy tinh gia cố và phương sai trong dòng chảy giữa chúng là khác nhau. Một số nhựa Polycarbonate có các chất phụ gia như “chất ổn định chống tia cực tím” (UV stabilizers) để bảo vệ vật liệu khi tiếp xúc lâu dài dưới ánh nắng mặt trời. Polycarbonate đúc phun còn có thể bao gồm các chất phụ gia khác như chất tháo khuôn giúp bôi trơn vật liệu trong quá trình xử lý. Polycarbonate thành phẩm thường được bán dưới dạng cuộn, tấm hoặc thanh.

Ứng dụng Polycarbonate để phát triển mẫu in 3D hoặc máy CNC

PC thường được tồn kho dưới dạng tấm hoặc cuộn, điều này giúp cho việc gia công trở nên thuận tiện trên máy nghiền hoặc máy tiện. Màu sắc cũng thường được hạn chế ở các màu trong suốt, trắng sữa, và đen. Các phần được gia công từ nhựa trong suốt thường phải yêu cầu một số quy trình xử lý sau gia công để xóa dấu vết gia công và khôi phục sự trong suốt của vật liệu.

Bởi vì Polycarbonate là vật liệu nhựa nhiệt dẻo, chỉ có một số máy in 3D nhất định mới có thể in trên PC bằng quy trình FDM.

Polycarbonate có độc không?

Có ý kiến cho rằng một số loại Polycarbonate có thể gây nguy hiểm trong các trường hợp tiếp xúc với thực phẩm do giải phóng Bisphenol A (BPA) trong quá trình thủy phân (phân hủy do vật liệu tiếp xúc với nước).

Một số loại Polycarbonate phổ biến hiện nay được tạo ra bởi sự kết hợp của BPA và COCl2, tuy nhiên, ngày nay có những loại Polycarbonate không chứa BPA đã trở nên phổ biến trên thị trường được đưa vào sử dụng cho các ứng dụng liên quan đến thực phẩm hoặc nước.

Đã có khoảng 100 nghiên cứu được thực hiện về BPA và kết quả còn gây tranh cãi. Hầu hết các nghiên cứu với sự tài trợ của chính phủ cho thấy BPA là một nguy cơ nguy hiểm đối với sức khỏe, trong khi nhiều nghiên cứu với sự tài trợ của ngành cho thấy rủi ro y tế thấp hơn hoặc không có. Bất kể các nghiên cứu mâu thuẫn về tác động tiêu cực của BPA, một số loại Polycarbonate nhất định vẫn có chứa BPA. Điều này đã dẫn đến sự ra đời của các sản phẩm polycarbonate “Không chứa BPA” (thường được in ấn trên các sản phẩm tiêu dùng như chai lọ đóng hộp).