Nhựa Polypropylene là gì và ứng dụng thế nào trong in 3D?

Nhựa Polypropylene (PP) là một trong những loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực công nghiệp, với nhu cầu toàn cầu ​dự kiến ​đạt 77 triệu tấn vào năm 2022 (tương đương khoảng 100 tỷ USD). Loại nhựa này được đựa vào ứng dụng rộng rãi trong công nghệ in 3D.

Nhựa Polypropylene (PP) chủ yếu được tìm thấy trong ngành công nghiệp đóng gói (30% tổng thị trường), trong sản xuất các sản phẩm và thiết bị điện (13%), trong ngành công nghiệp ô tô (10%) và thiết bị gia dụng (10%). Ưu điểm chính của PP là giá rẻ, trọng lượng thấp và độ ma sát thấp. Bề mặt của PP tương đối trơn.

Về đặc tính, PP có khả năng chống chịu tốt với các sản phẩm hóa học và chống thấm nước, là vật liệu lý tưởng để sản xuất các loại hộp đựng sản phẩm tẩy rửa, thực phẩm,…

Ngoài ra, PP còn có khả năng đàn hồi rất tốt nên vẫn giữ được hình dạng sau khi bị uốn, thậm chí sau nhiều lần xoắn. Đó là lý do tại sao nó được sử dụng để sản xuất các loại bản lề trong các sản phẩm nhựa. PP có khả năng chống va đập và cách điện cực tốt.

Ứng dụng của nhựa PP

Các ứng dụng phổ biến

Vì PP có tính đàn hồi nên hầu hết các bản lề sống bằng nhựa, chẳng hạn như trên các chai nắp bật, đều được làm từ PP. 

Polypropylene được sử dụng trong sản xuất các hệ thống đường ống, cả những hệ thống nước có độ tinh khiết cao và những hệ thống được thiết kế cần độ bền và độ cứng (ví dụ, những hệ thống được thiết kế để sử dụng trong hệ thống ống nước uống được, hệ thống điều nhiệt và nước tái chế). PP được phổ biến lựa chọn vì khả năng chống ăn mòn và rửa trôi hóa học, khả năng phục hồi của từ các dạng hư hỏng vật lý, bao gồm va đập và đóng băng, các lợi ích về môi trường và khả năng kết dính bằng nhiệt nóng chảy thay vì dán.

Nhiều đồ nhựa dùng trong y tế hoặc phòng thí nghiệm có thể được làm từ polypropylene vì PP có thể chịu được nhiệt trong nồi hấp nhiệt. Khả năng chịu nhiệt của PP cũng cho phép nó được sử dụng làm vật liệu sản xuất các bộ phận trong ấm đun nước. Hộp đựng thực phẩm được làm từ PP sẽ không bị chảy dẻo trong máy rửa chén hay trong quá trình triết rót nóng công nghiệp. Vì lý do này, hầu hết các bồn nhựa cho các sản phẩm sữa được làm kín bằng polypropylene kết hợp màng nhôm (hai vật liệu chịu nhiệt).

Sau khi được làm nguội, các bồn thường có nắp đậy bằng vật liệu chịu nhiệt kém hơn, chẳng hạn như LDPE hoặc polystyrene. Các loại hộp nhựa thường được làm bằng PP chắc chắn với nắp thường được làm bằng nhựa LDPE linh hoạt để có thể gắn chặt vào hộp đựng để đóng kín. PP cũng có thể được sản xuất thành chai dùng một lần để chứa chất lỏng, bột hoặc các sản phẩm tiêu dùng tương tự.

HDPE và polyethylene terephthalate cũng thường được sử dụng với cùng mục đích tuy nhiên giá thành sẽ cao hơn. Thùng nhựa, bình ắc quy ô tô, thùng đựng rác thải, chai thuốc, thùng giữ lạnh, bát đĩa và bình đựng thường được làm bằng PP hoặc HDPE, cả hai loại này thường có hình dáng, cảm giác và đặc tính khá giống nhau ở nhiệt độ môi trường.

Trong y tế

PP đã được sử dụng trong chữa trị thoát vị và sa cơ quan vùng chậu để bảo vệ cơ thể khỏi các khối thoát vị mới ở cùng một vị trí. Trong các ứng dụng này, một miếng nhỏ của vật liệu được đặt lên vị trí thoát vị, bên dưới da, không gây đau đớn và hiếm khi bị cơ thể từ chối. Tuy nhiên, lưới PP có thể ăn mòn mô xung quanh nó trong một khoảng thời gian từ vài ngày đến nhiều năm.

Do sự bùng nổ của đại dịch COVID-19 vào năm 2020, nhu cầu về PP đã tăng lên đáng kể vì đây là nguyên liệu thô quan trọng trong sản xuất khẩu trang y tế.

Ứng dụng khác 

Các tấm rất mỏng (≈2–20 µm) bằng PP được sử dụng làm chất điện môi trong một số tụ điện RF có xung hiệu suất cao và tổn hao thấp.

Dây PP được sử dụng để sản xuất lưới đánh cá trắng. PP cũng đã được sử dụng để sản xuất buồm của du thuyền.

Tiền giấy polyme được làm từ BOPP, do tính bền và cho phép sử dụng các tính năng bảo mật bằng cách loại bỏ mực mờ trong các khu vực mong muốn.

Tái chế

PP nhà nhựa nhiệt dẻo có thể tái chế và có mã nhận dạng nhựa là “5”.

Tuy nhiên phần lớn các sản phẩm túi và màng bọc bằng PP lại chỉ được sử dụng một lần và bị thải ra môi trường và mất từ 20 đến 30 năm để phân hủy hoàn toàn.

Sửa chữa

Nhiều đồ vật được làm bằng PP vì nó có khả năng đàn hồi và chống lại hầu hết các loại dung môi và keo. Có rất ít loại keo chuyên dụng để dán PP. Tuy nhiên, khi không bị uốn cong quá mức PP có thể được kết dính bằng keo epoxy hai thành phần hoặc sử dụng súng bắn keo nóng. Để tạo độ bám dính tốt, bề mặt các sản phẩm làm bằng nhựa PP nên được đánh bóng bằng các loại giấy nhám có độ mịn cao. Ngoài ra, bạn nên làm sạch bề mặt bằng cồn khoáng hoặc cồn tương tự trước khi dán để loại bỏ dầu hoặc các tạp chất khác. Cũng có một số loại keo công nghiệp có sẵn cho PP, nhưng chúng có thể khó tìm, đặc biệt là ở các cửa hàng bán lẻ.

PP có thể được hàn bởi các dụng cụ hàn như các súng hàn sợi nhựa có đầu gia nhiệt và tốc độ phun nhựa cao.

Ảnh hưởng tới sức khỏe

PP được phân loại vào nhóm vật liệu có mức độ nguy hiểm thấp đến trung bình. Vào năm 2020, các nhà nghiên cứu đã báo cáo rằng bình sữa cho trẻ sơ sinh bằng PP có thể gây hấp thụ hạt vi nhựa.

Nhược điểm của PP

Nhựa PP có một số nhược điểm: ví dụ, nó rất khó kết dính do bề mặt của nó đặc biệt trơ, vì vậy cần phải xử lý bề mặt đặc biệt. 

PP là một vật liệu rất dễ cháy, nhạy cảm với tia cực tím và quá trình oxy hóa và có hệ số giãn nở nhiệt cao. Do đó cần hạn chế các ứng dụng ở nhiệt độ cao. 

Tuy nhiên có thể nói nhìn chung polypropylene là một vật liệu tuyệt vời. PP có một sự pha trộn độc đáo của những phẩm chất không tìm thấy ở bất kỳ loại vật liệu nào khác và là lựa chọn lý tưởng cho nhiều dự án.

Nhựa PP trong in 3D

Trong khi PP được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ép nhựa, PP lại chưa được sử dụng nhiều trong sản xuất bồi đắp vì PP không phải là loại nhựa nhiệt dẻo dễ in. PP là một vật liệu bán tinh thể và có điểm nóng chảy phải được kiểm soát một cách chính xác (±5°C) trong suốt quá trình. 

Hiện tượng co ngót là đặc điểm phổ biến của nhựa PP. Đây là lý do chính dẫn đến hiện tượng cong vênh lớn khi in 3D nhựa PP. Do đó khi in 3D nhựa PP cần phải sử dụng một buồng gia nhiệt để ổn định nhiệt độ. Ngoài ra, PP hầu như không bám dính trên tất cả các bề mặt: do đó cần phải đặt một lớp nền đặc biệt lên bàn in. 

PP được ứng dụng chủ yếu trong công nghệ in 3D FDM hay FFF (bồi đắp sợi nhựa nóng chảy). Mặc dù việc in 3D nhựa PP gặp nhiều thách thức, nhưng tiềm năng sử dụng của PP trong in 3D là rất lớn. Do PP được sử dụng rất phổ biến trong các ứng dụng hàng ngày, các sản phẩm nhựa PP được phát triển liên tục. Do đó nhu cầu tạo mẫu nhanh các sản phẩm nhựa PP là rất cao. Bên cạnh đó, do PP là vật lệu có tính dẻo dai và chịu va đập tốt, các ứng dụng có chức năng đặc biệt cũng có nhu cầu rất lớn. Trong khi các phương pháp truyền thống gặp khó khăn về chi phí đầu tư ban đầu và giới hạn về mặt thiết kế do khả năng gia công chế tạo thì công nghệ in 3D lại chiếm lợi thế. Với việc không mất chi phí đầu tư làm khuôn cũng như việc có thể chế tạo bất cứ hình dạng phức tạp nào, in 3D là lựa chọn hàng đầu để gia công các chi tiết phức tạp hay sản xuất với quy mô nhỏ.

Một số yêu cầu đối với công nghệ này khi in với PP là:

Ứng dụng in 3D nhựa PP trong thực tế

Tạo mẫu nhanh

Tạo mẫu nhanh là quá trình mô hình mẫu của sản phẩm được tạo ra với hình dạng và kích thước giống hệt như mô hình thật để kiểm tra và đánh giá thiết kế của sản phẩm. Đây là khâu rất quan trọng ảnh hưởng tới việc hoàn thiện thiết kế sản phẩm cho sản xuất hàng loạt. Việc thử nghiệm trong điều kiện thực tế sẽ hạn chế rất nhiều chi phí làm khuôn mẫu và do đó giúp tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp.

PP được sử dụng chủ yếu trong việc là bao bì, hộp, thùng và chai nhựa. Các sản phẩm này chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp ép khuôn. Các loại khuôn chủ yếu được làm từ kim loại và có giá trị từ vài chục triệu tới hàng tỉ đồng. Do đó việc có được thiết kế hoàn hảo là điều mà doanh nghiệp nào cũng muốn hướng tới để tối ưu chi phí. Công nghệ in 3D chính là giải pháp có thể giúp các doanh nghiệp thực hiện được điều này. Đặc biệt khi PP là một vật liệu có thể in 3D trực tiếp bằng công nghệ FDM. Tạo mẫu nhanh giúp mô hình mẫu giống thật của thiết kế được tạo ra nhanh hơn nhiều lần so với phương pháp tạo mẫu truyền thống, giúp quá trình thiết kế sản phẩm được đẩy nhanh hơn và tăng hiệu suất và tính cạnh tranh cho doanh nghiệp.

Các mẫu prototype nhựa PP bằng công nghệ in 3D

Chế tạo bộ phận thực hiện chức năng

Do an toàn khi tiếp xúc với da, PP được sử dụng để chế tạo các sản phẩm hỗ trợ bó cố định chấn thương xương khớp. Đặc tính dẻo dai, nhẹ và chống va đập của PP cũng giúp nó có lợi thế trong lĩnh vực này.

Sản phẩm in 3D nhựa PP trong điều chị chấn thương xương khớp

Chế tạo đồ nội thất

PP cũng có thể được dùng làm vật liệu chế tạo các sản phẩm nội thất khi kết hợp với vật liệu gỗ. Hỗn hợp composite bao gồm sợi gỗ và nhựa PP là một sự kết hợp hoàn hảo có thể tạo ra sản phẩm giống gỗ nhưng có đặc tính của nhựa PP.

Các vật liệu resin tương tự PP trong công nghệ in 3D SLA

Công nghệ in 3D SLA (Stereo Lithography) là một trong những công nghệ in 3D có mặt đầu tiên trên thị trường. Công nghệ in 3D SLA là công nghệ sử dụng Laser hoặc ánh sáng UV để hóa cứng vật liệu photopolymer. 

Ưu điểm của công nghệ in 3D SLA là độ chính xác và tốc độ in rất cao. Cộng với mật độ liên kết cao, vật thể in 3D cho độ rỗng thấp do đó tăng cường cơ tính của vật thể in so với công nghệ in 3D FDM.

Vật liệu dùng cho công nghệ in 3D SLA là các loại photopolymer nhạy cảm với ánh sáng trong vùng bước sóng UV. Trong những năm gần đây, nhiều loại vật liệu photopolymer đã được phát triển để thay thế cho các vật liệu nhựa truyền thống với các tính chất tương tự.

Máy in 3D SLA Formlabs

Máy in 3D Formlabs được phát triển dựa trên công nghệ in 3D SLA truyền thống và công nghệ LFS (Low Force Stereo Lithography) phát triển bởi Formlabs, kỳ lân công nghệ in 3D nổi tiếng từ Mỹ. Gần đây Formlabs đã ra mắt dòng máy Form3 bao gồm Form3/Form3B và Form3L/Form3BL với những cải tiến mạnh mẽ về tính năng, kích thước khổ in và tốc độ in. 

Cùng với đó là hơn 30 loại vật liệu khác nhau đã được phát triển phục vụ cho các mục đích ứng dụng khách nhau bao gồm cả các sản phẩm có thể sử dụng ngay.

Máy in 3D Formlabs Form3BL

Vật liệu in Formlabs Durable

Với tính năng tương tự như PP, vật liệu in Durable phát triển bởi Formlabs có thể sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu độ chịu va đập, sự dẻo dai và khả năng chống ăn mòn bởi dung môi. 

Bảng so sánh vật liệu Durable và PP

	Vật liệu Durable	Polypropylene
Giới hạn kéo (MPa)	31.8	25 – 40
Mô đun đàn hồi (GPa)	1.26	1 – 1.5
Độ giãn dài khi kéo (%)	49	100 – 400
Mô đun uốn (GPa)	0.82	1 – 1.5
Độ bền va đập IZOD (J/m)	109	100 – 160
HDT (Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng) @ 0.45 MPa (°C)	43.3	70 – 80

Vật liệu Durable là sản phẩm hoàn hảo để tạo mẫu các sản phẩm tương tự nhựa PP. Các chi tiết được in bằng vật liệu này có thể uốn cong mà không bị gãy, chịu lực va đập cao, nhẵn và bóng như nhựa thông dụng. Vật liệu Durable lý tưởng để tạo mẫu cho các sản phẩm tiêu dùng, bao bì và các bộ phận chuyển động có độ ma sát thấp và ít mài mòn.