Polystyrene là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Polystyrene

Polystyrene là một polymer nhiệt dẻo được tổng hợp từ monome styrene, có công thức cấu trúc lặp lại $(C_8H_8)_n$. Vật liệu này có thể tồn tại dưới dạng khối rắn trong suốt hoặc dạng bọt xốp màu trắng, với đa dạng chủng loại từ polystyrene thông thường (GPPS) đến copolymer styrene-acrylonitrile (SAN) và polystyrene chống va đập (HIPS).

Ứng dụng chính của polystyrene bao gồm đóng gói thực phẩm, vỏ hộp điện tử, vật liệu cách nhiệt trong xây dựng (EPS, XPS) và đồ dùng sinh hoạt. Tính nhẹ, độ trong suốt tốt và dễ gia công tạo hình bằng ép phun, đúc thổi hay cắt CNC khiến polystyrene trở thành một trong những loại nhựa phổ biến nhất thế giới.

Việc sản xuất và tiêu thụ polystyrene toàn cầu đạt hơn 20 triệu tấn mỗi năm, chiếm khoảng 10% tổng sản lượng nhựa nhiệt dẻo. Mạng lưới cung ứng styrene monome phụ thuộc nhiều vào ngành hóa dầu và tổng hợp aromatics, trong khi áp lực môi trường đang thúc đẩy nghiên cứu về tái chế và thay thế bằng vật liệu sinh học.

Cấu trúc hóa học và tính chất phân tử

Mạch chính của polystyrene là chuỗi cacbon xích thẳng, mỗi đơn vị monome mang một vòng benzen gắn vào nguyên tử cacbon thứ hai. Sự kết hợp giữa tính không phân cực của vòng thơm và độ linh hoạt của mạch cacbon tạo nên tính năng cách nhiệt, cách điện và ổn định nhiệt độ tương đối tốt.

Các thông số phân tử quan trọng bao gồm khối lượng phân tử trung bình số (M_n) và trọng số (M_w), cũng như độ phân bố phân tử (PDI = M_w/M_n). Kiểm soát M_w trong khoảng 100 000–400 000 g/mol và PDI 2–3 qua điều kiện polymer hóa giúp điều chỉnh độ dai, độ cứng và nhiệt độ chuyển thủy tinh T_g ~100 °C.

Các nhóm chức vòng thơm cung cấp khả năng tương tác π–π, hỗ trợ khả năng nhuộm màu và phủ màng bảo vệ bề mặt. Đồng thời, sự thiếu liên kết hydro giữa các mạch làm polystyrene kém chịu va đập so với các polymer khác, dẫn đến nhu cầu bổ sung cao su hoặc copolymer để tăng độ bền cơ học.

Phương pháp tổng hợp

Polymer hóa styrene gốc tự do (radical polymerization) là phương pháp chủ yếu, sử dụng chất khởi đầu như AIBN (azo-bis-isobutyronitrile) hoặc benzoyl peroxide, ở nhiệt độ 60–80 °C. Phương pháp này đơn giản, hiệu suất cao nhưng cho PDI lớn và kiểm soát phân tử kém.

Để thu được polystyrene có đặc tính ưu việt, người ta áp dụng polymer hóa xúc tác Ziegler–Natta hoặc metallocene, cho phép kiểm soát chặt chẽ độ dài mạch và cấu trúc mạch bên. Kỹ thuật này đòi hỏi điều kiện phản ứng nghiêm ngặt ở nhiệt độ thấp (–20–50 °C) và áp suất cao, nhưng tạo ra polymer độ tinh khiết cao, PDI < 1.5.

Polymer hóa nhũ tương (emulsion polymerization) cho polystyrene xốp (EPS, XPS) với chất hoạt động bề mặt và hệ keo nước, tạo hạt polymer kích thước nano/micro. Hạt EPS được nở bọt bằng nhiệt hoặc hơi nước, tạo sản phẩm xốp dùng làm vật liệu cách nhiệt.

Tính chất vật lý và hóa học

Polystyrene có khối lượng riêng trong khoảng 0.95–1.05 g/cm³, với độ trong suốt ~92% độ truyền sáng. Nhiệt độ chuyển thủy tinh T_g ~100 °C giúp polystyrene giữ hình dạng dưới nhiệt độ phòng, nhưng giới hạn ứng dụng ở nhiệt độ cao.

Độ bền kéo trung bình 30–50 MPa và độ bền va đập 2–3 kJ/m² (cho GPPS) thể hiện tính giòn, cần cải thiện bằng bổ sung hạt cao su (HIPS) để tăng tính chống va đập lên ~10 kJ/m². Độ dẫn nhiệt λ ~0.033–0.038 W/m·K của EPS thể hiện khả năng cách nhiệt vượt trội.

Tính chất	GPPS	HIPS	EPS
Khối lượng riêng (g/cm³)	1.04	1.03	0.02–0.05
Tg (°C)	100	90–100	–
Độ bền kéo (MPa)	35	25–30	–
Độ dẫn nhiệt (W/m·K)	0.17	0.18	0.033

Tính trơ về hóa học giúp polystyrene kháng hầu hết dung môi hữu cơ và axit yếu, tuy nhiên nó dễ bị ăn mòn bởi hydrocarbon thơm, chlorinated solvents và ketone. Khả năng chống ăn mòn này làm polystyrene thích hợp làm vỏ bao, ống dẫn hóa chất.

Ứng dụng công nghiệp

Polystyrene dạng khối (GPPS, HIPS) được sử dụng rộng rãi trong sản xuất sản phẩm tiêu dùng như vỏ hộp đựng thực phẩm, khay đĩa, đồ chơi và thiết bị điện tử. Tính trong suốt, nhẹ và dễ gia công ép phun hay đúc thổi giúp polystyrene chiếm ưu thế trong các ngành công nghiệp gia dụng và bao bì.

Polystyrene xốp (EPS, XPS) là vật liệu cách nhiệt, cách âm hiệu quả trong xây dựng và bảo quản lạnh. EPS dùng làm tấm cách nhiệt trần, tường và móng, trong khi XPS được ứng dụng cho nền sàn, mái phẳng và hầm. Độ bền cơ học cao cùng khả năng chống ẩm tốt khiến polystyrene xốp là lựa chọn hàng đầu cho công trình công nghiệp và dân dụng.

• Đóng gói thực phẩm: khay, cốc, hộp giữ nhiệt (American Chemistry Council).
• Vật liệu cách nhiệt: tấm trần, vách ngăn, đường ống (EPS, XPS).
• Thiết bị y tế và điện tử: vỏ máy, khung đỡ, giá đỡ linh kiện.

Tác động môi trường và phân hủy

Polystyrene có khả năng phân huỷ sinh học rất thấp, dẫn đến tích tụ lâu dài trong môi trường. Sản phẩm xốp vỡ vụn thành vi hạt nhựa (microplastics), dễ bị cuốn ra dòng chảy và tích lũy trong đất, sông ngòi, đại dương.

Vi hạt polystyrene gây nguy hại cho sinh vật thủy sinh khi bị hấp thụ qua thức ăn, làm tắc hệ tiêu hóa và giải phóng độc tố. Tham khảo báo cáo của EPA về nhựa đại dương để hiểu rõ mức độ ô nhiễm và xu hướng gia tăng.

Tái chế và xử lý chất thải

Tái chế cơ học polystyrene (chopping, nấu chảy, đùn) cho sản phẩm tái sinh chất lượng vừa phải, phù hợp cho đóng gói cấp thấp. Tỷ lệ thu hồi cơ học toàn cầu chỉ đạt khoảng 10–15% do chi phí vận chuyển và ô nhiễm.

Phương pháp hóa học (depoymerization) phân giải polystyrene thành styrene monome với công nghệ nhiệt phân hoặc xúc tác, cho hiệu suất đến 80% styrene thu hồi. Công nghệ này đang được phát triển theo hướng “closed-loop” (ScienceDirect) để tạo ra nguyên liệu mới chất lượng cao.

Việc đốt thu hồi năng lượng trong lò đốt chất thải công nghiệp cung cấp nhiệt hoặc điện, nhưng cần kiểm soát nghiêm ngặt khí thải SO₂, NOₓ và dioxin theo tiêu chuẩn EPA Air Emissions.

Độc tính và an toàn

Styrene monome, nguyên liệu đầu vào của polystyrene, được WHO xếp vào nhóm 2B (có thể gây ung thư ở người). Dư lượng styrene có thể xuất hiện trong sản phẩm ép phun, đặc biệt trong bao bì thực phẩm, yêu cầu giới hạn tối đa 0.5 mg/kg (EU Commission Regulation).

Polystyrene rắn ổn định và không giải phóng styrene nếu không bị nung chảy hoặc ăn mòn bởi dung môi. Tuy nhiên, việc tiếp xúc lâu dài với bụi polystyrene trong sản xuất có thể gây kích ứng hô hấp; quy chuẩn OSHA quy định giới hạn phơi nhiễm nghề nghiệp PEL = 100 ppm.

Xu hướng và phát triển tương lai

Nghiên cứu polystyrene phân hủy sinh học thông qua bổ sung enzyme hoặc vi sinh vật chuyên biệt đang tiến triển, với các chủng cải biến có thể phân giải mạch polystyrene trong 6–12 tháng. Các dự án hợp tác giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp đang thử nghiệm tại quy mô pilot.

Phát triển composite polystyrene-tấm graphene, polystyrene thân thiện môi trường (bio-PS) từ nguồn nguyên liệu tái tạo như tinh bột ngô hoặc dầu thực vật giúp giảm phát thải carbon. Công nghệ tái chế “closed-loop” hướng tới vòng đời vật liệu khép kín, giảm phụ thuộc vào dầu mỏ và hạn chế rác thải nhựa.

• Sản phẩm bio-PS: nghiên cứu tại FAO về sinh học phân hủy.
• Composite chức năng cao: tăng cường cơ tính, chống tĩnh điện, khả năng dẫn điện.
• Công nghệ tái chế cao áp: tái sinh styrene độ tinh khiết >99%.

Tài liệu tham khảo

1. Sperling, L. H. (2006). Introduction to Physical Polymer Science. Wiley.
2. Odian, G. (2004). Principles of Polymerization. Wiley-Interscience.
3. American Chemistry Council. (2021). Polystyrene: Material Overview. ACC. americanchemistry.com
4. OECD. (2022). Global Plastics Outlook. oe.cd/plastics
5. WHO. (2002). Concise International Chemical Assessment Document 27: Styrene. World Health Organization.
6. EPA. (2020). Trash Free Waters. U.S. Environmental Protection Agency. epa.gov
7. ScienceDirect – sciencedirect.com