Sáp, nhựa, bơ không có điểm nóng chảy rõ vì chúng hoặc là chất vô định hình (không có mạng tinh thể), hoặc là hỗn hợp của rất nhiều loại phân tử. Khi đun, chúng mềm dần qua một khoảng nhiệt độ thay vì chảy gọn ở một mốc. Với nhựa và thuỷ tinh, mốc quan trọng nhất là nhiệt độ chuyển thuỷ tinh: dưới mốc đó vật liệu cứng giòn, trên mốc đó nó mềm dẻo. Chai nhựa PET méo khi rót nước sôi chính vì nước sôi cao hơn mốc này của PET, khoảng 70–80 °C.
Chất vô định hình khác chất kết tinh ở chỗ nào?
Trong chất kết tinh như muối, đường phèn, kim loại, các hạt xếp thành mạng lặp lại đều đặn. Mọi liên kết trong mạng gần như giống nhau, nên chúng bị phá vỡ cùng lúc ở một nhiệt độ: điểm nóng chảy gọn.
Trong chất vô định hình như thuỷ tinh cửa sổ, nhựa đường, nhiều loại nhựa trong suốt, các hạt nằm lộn xộn như ảnh chụp tức thời của một chất lỏng bị "đóng băng". Có chỗ các hạt ôm nhau chặt, có chỗ lỏng lẻo. Khi đun, những chỗ lỏng lẻo bắt đầu cử động trước, chỗ chặt cử động sau. Vật liệu không chảy "bụp" một cái mà mềm dần, dẻo dần, rồi mới loãng ra.
Một nhóm thứ ba là hỗn hợp nhiều thành phần, như bơ, mỡ, sáp nến. Từng thành phần có thể kết tinh, nhưng mỗi loại chảy ở một mốc khác nhau. Gộp lại, ta thấy một khoảng chảy rộng. Bơ lấy từ tủ lạnh còn cứng, để ngoài bếp mềm ra dần, và chỉ lỏng hẳn khi nóng hơn khoảng 32–35 °C.
Nhiệt độ chuyển thuỷ tinh là gì?
Hình dung các phân tử nhựa là những sợi mì dài rối vào nhau. Ở nhiệt độ thấp, các sợi bị khoá cứng, chỉ rung nhẹ tại chỗ. Vật liệu cứng, giòn, giống thuỷ tinh, nên gọi là trạng thái thuỷ tinh.
Khi nóng lên qua một mốc nhất định, các đoạn mạch đủ năng lượng để uốn éo, trượt nhẹ qua nhau. Vật liệu không lỏng, nhưng mềm và dẻo như cao su. Mốc chuyển đó gọi là nhiệt độ chuyển thuỷ tinh, thường viết tắt Tg. Nó không phải điểm nóng chảy: không có mạng tinh thể nào bị phá, không có ẩn nhiệt lớn, chỉ là độ cứng sụt mạnh trong một khoảng vài độ đến vài chục độ.
Với nhựa bán kết tinh (vừa có vùng xếp trật tự vừa có vùng lộn xộn) như PET, PP, PE, có hai mốc: Tg của phần vô định hình, và điểm nóng chảy của phần tinh thể cao hơn nhiều.
Bảng nhiệt độ chuyển thuỷ tinh và nóng chảy của các loại nhựa quen thuộc
Số liệu là khoảng điển hình theo tài liệu vật liệu polyme; từng loại cụ thể có thể lệch tuỳ phụ gia, độ kết tinh.
| Ký hiệu tái chế | Nhựa | Tg (khoảng, °C) | Nóng chảy phần tinh thể (khoảng, °C) | Gặp ở đâu |
|---|---|---|---|---|
| 1 | PET | 70–80 | 250–260 | Chai nước suối, chai nước ngọt |
| 2 | HDPE | dưới −100 | khoảng 130 | Can nhựa, chai dầu gội đục |
| 3 | PVC | khoảng 80 | (chủ yếu vô định hình) | Ống nước, áo dây điện |
| 4 | LDPE | dưới −100 | khoảng 105–115 | Túi nilon mềm, màng bọc |
| 5 | PP | khoảng −10 đến 0 | khoảng 160–165 | Hộp đựng thức ăn, nắp chai |
| 6 | PS | khoảng 100 | (vô định hình) | Hộp xốp, cốc nhựa trong giòn |
| 7 | PC (một loại thuộc nhóm "khác") | khoảng 145–150 | (vô định hình) | Bình nước lớn trong suốt, kính bảo hộ |
Bảng giải thích nhiều chuyện đời thường. HDPE, LDPE, PP có Tg dưới nhiệt độ phòng nên ở nhiệt độ thường chúng dẻo, dai, khó vỡ. PS có Tg khoảng 100 °C nên ở nhiệt độ phòng cứng giòn như thuỷ tinh: cốc nhựa trong rẻ tiền bóp mạnh là nứt. PP chịu nóng tốt hơn PET nhiều, nên hộp dùng trong lò vi sóng thường là PP (số 5).
Vì sao chai nhựa méo khi rót nước sôi?
Chai PET được làm bằng cách thổi căng một phôi nhựa nóng trong khuôn. Quá trình này kéo dãn các mạch phân tử theo hai chiều, rồi làm nguội nhanh để "khoá" chúng ở trạng thái bị kéo căng. Nhờ vậy thành chai mỏng mà vẫn cứng và trong.
Khi rót nước sôi 100 °C vào, thành chai bị nung vượt qua Tg của PET (khoảng 70–80 °C). Các mạch phân tử lấy lại khả năng cử động và có xu hướng co về trạng thái thư giãn ban đầu, giống sợi dây thun được thả ra. Chai co rúm, méo mó ngay trước mắt. Không phải nhựa "chảy" mà là nhựa "nhớ" lại hình dạng trước khi bị thổi căng.
Một số chai PET loại dùng cho đồ uống rót nóng được xử lý nhiệt riêng để tăng độ kết tinh, chịu được nhiệt độ rót cao hơn, nhưng vẫn không nên dùng chai nước suối thông thường để đựng nước sôi hay để lâu trong xe ô tô nắng gắt.
Sáp nến và bơ chảy theo kiểu nào?
Sáp parafin trong nến là hỗn hợp nhiều hiđrocacbon mạch dài với độ dài khác nhau. Mạch ngắn chảy sớm, mạch dài chảy muộn, nên các loại sáp parafin thương mại thường có khoảng chảy quanh 46–68 °C tuỳ loại. Sáp ong cũng là hỗn hợp, chảy khoảng 62–64 °C. Đó là lý do một cây nến để gần cửa sổ nắng có thể cong oặt mà chưa chảy giọt.
Bơ là hỗn hợp chất béo (triglyxerit) với độ dài mạch và độ no khác nhau, cộng với nước và đạm sữa. Phần chất béo chưa no chảy ở nhiệt độ rất thấp, phần no chảy cao hơn. Vì vậy bơ có cả vùng nhiệt độ ở đó nó mềm đủ để phết lên bánh mì nhưng chưa lỏng. Người làm bánh tận dụng điều này: bơ phải ở đúng độ mềm mới đánh bông được, quá lạnh thì vón, quá nóng thì chảy.
Sô cô la là trường hợp đặc biệt hơn: chất béo ca cao kết tinh được thành sáu dạng tinh thể khác nhau, mỗi dạng chảy ở một mốc riêng. Chuyện đó đáng một bài riêng.
Thuỷ tinh mềm ra thế nào khi bị nung?
Thuỷ tinh cửa sổ (thuỷ tinh natri – canxi) là chất vô định hình kinh điển. Các nhà sản xuất thuỷ tinh dùng một loạt mốc theo độ nhớt thay vì một điểm nóng chảy:
- Vùng chuyển thuỷ tinh khoảng 520–600 °C: thuỷ tinh bắt đầu có thể giải phóng ứng suất bên trong nếu giữ lâu. Lò ủ kính hoạt động quanh vùng này.
- Điểm hoá mềm khoảng 720–730 °C: một sợi thuỷ tinh bắt đầu võng xuống dưới trọng lượng của chính nó.
- Vùng gia công khoảng 1.000 °C trở lên: đủ mềm để thổi, ép, kéo.
- Vùng nấu khoảng 1.500 °C: thuỷ tinh lỏng đủ loãng để khí thoát ra, đồng đều.
Kính chịu nhiệt borosilicat có các mốc này cao hơn và giãn nở ít hơn khi nóng, nên ít nứt khi gặp nóng lạnh đột ngột.
Nhựa nào không bao giờ chảy?
Nhóm nhựa nhiệt rắn như bakelit (vỏ ổ cắm, tay cầm nồi đời cũ), nhựa epoxy đã đóng rắn, melamin (bát đĩa nhựa cứng), cao su lưu hoá. Khi đóng rắn, các mạch phân tử bị nối chéo với nhau thành một mạng ba chiều liên tục. Nung nóng không làm chúng mềm ra để đổ khuôn lại được; quá nóng thì chúng cháy sém và phân huỷ. Vì vậy tay cầm nồi, vỏ thiết bị điện hay dùng nhựa nhiệt rắn: chúng không bị chảy nhão khi nóng.
Ngược lại, nhựa nhiệt dẻo (PET, PE, PP, PVC, PS) mềm khi nóng và cứng lại khi nguội, có thể nấu lại nhiều lần. Đó là cơ sở của tái chế nhựa, dù mỗi lần nấu lại mạch phân tử có thể đứt ngắn bớt và chất lượng giảm, khác với kim loại nấu lại nhiều lần mà vẫn giữ tính chất.
Góc nhìn hôm nay: đọc ký hiệu dưới đáy hộp nhựa
Thứ hữu ích nhất mang về từ bài này là thói quen lật hộp nhựa lên xem số trong tam giác. Số 5 (PP) là loại hợp để hâm nóng nếu nhà sản xuất ghi dùng được cho lò vi sóng; số 1 (PET) và số 6 (PS) không nên dùng cho đồ nóng. Với học sinh, phần polyme trong sách Hoá học lớp 12 giới thiệu khái niệm nhựa nhiệt dẻo và nhiệt rắn; muốn hiểu sâu hơn về chuyển thuỷ tinh thì các giáo trình vật liệu polyme ở bậc đại học là bước tiếp theo.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao thuỷ tinh không có nhiệt độ nóng chảy xác định?
Vì thuỷ tinh là chất vô định hình, các nguyên tử nằm lộn xộn chứ không xếp thành mạng tinh thể. Khi nung, nó mềm dần qua một khoảng nhiệt độ thay vì chảy gọn ở một mốc.
Nhiệt độ chuyển thuỷ tinh là gì?
Là mốc nhiệt độ mà dưới đó vật liệu vô định hình như nhựa ở trạng thái cứng giòn, trên đó nó mềm dẻo như cao su. Đây không phải điểm nóng chảy vì không có mạng tinh thể nào bị phá vỡ.
Vì sao chai nhựa bị méo khi đổ nước sôi?
Chai nước thường làm bằng PET có nhiệt độ chuyển thuỷ tinh khoảng 70–80 °C. Nước sôi làm thành chai vượt mốc này, các mạch phân tử bị kéo căng khi thổi chai co lại, nên chai méo.
Hộp nhựa số mấy dùng được cho đồ nóng?
Hộp PP (số 5) chịu nóng tốt hơn các loại nhựa thông dụng khác và thường được ghi dùng được cho lò vi sóng. Nên làm theo ký hiệu của nhà sản xuất; không dùng chai PET hay hộp xốp PS cho đồ nóng.
Sáp nến nóng chảy ở bao nhiêu độ?
Sáp parafin là hỗn hợp nên có khoảng chảy, thường quanh 46–68 °C tuỳ loại. Sáp ong chảy khoảng 62–64 °C.
