Đầu tiên, đây là một quan niệm phổ biến nhưng chưa thực sự chính xác. Nhựa có thể có nguồn gốc từ dầu, nhưng không thực sự được làm từ dầu. Không có cặn dầu trong chất dẻo. Nhựa được tổng hợp từ các phân tử hydrocarbon có trong dầu mỏ, than đá, khí tự nhiên, thậm chí từ protein, tinh bột đối với nhựa sinh học. Nhưng nhựa được sản xuất nhiều nhất vẫn là từ etylen, một loại khí được chưng cất từ dầu thô.
Trong cách tiếp cận đơn giản nhất, qua trình sản xuất nhựa sẽ cần trải qua 5 bước:
- Bước 1: thăm dò và khai thác nguyên liệu hóa thạch
- Bước 2: sàng lọc, phân loại và chưng cất để thu được các thành phần hydrocarbon như naptha, etan, propan...
- Bước 3: cracking hydrocarbon thành các monome như etylen, propylen...
- Bước 4: polyme hóa các monome bằng quá trình phản ứng trùng hợp. Ví dụ như trùng hợp etylen thành polyetylen, hoặc propan thành propylen
- Bước 5: sấy khô, thêm các chất phụ gia cần thiết và tạo hình thành hạt nhựa thành phẩm
Ở mức độ chi tiết hơn, sẽ hơi phức tạp để giúp bạn
có thể hiểu tường tận làm thế nào mà nhựa có thể được tạo ra. Và sẽ có vài khái
niệm về hóa học mà bạn cần nắm rõ.
1. Đơn phân và polyme
Tất cả các loại nhựa đều bắt đầu với một đơn vị đơn phân duy nhất, được gọi là monome.Để tạo ra nhựa, hàng nghìn monome giống nhau sẽ được liên kết hóa học lại với nhau tạo thành một chuỗi dài.
Tiền tố "poly"xuất hiện trong tên của tất cả các loại nhựa, và phía sau chữ poly sẽ là tên của loại monome tạo ra chúng. Ví dụ như polyvinyl clorua (PVC) có monome là vynil clorua, polyetylen (PE) có monome là etylen, styren trong polystyren(PS), propylen trong polypropylen (PP)...
2. Hydrocarbon
Thuật ngữ hydrocarbon đề cập đến loại phân tử hữu cơ cơ bản nhất, chỉ bao gồm 2 loại nguyên tố: hydro và carbon. Các phân tử hydrocacbon có một hoặc nhiều nguyên tử cacbon làm trung tâm được bao quanh bởi các nguyên tử hydro, tạo thành cấu trúc phân nhánh hoặc dạng chuỗi, Có bốn loại hydrocacbon chính là ankan, anken, ankyn và hydrocacbon thơm.
Ankan là loại hydrocacbon đơn giản nhất, được tạo thành bởi các liên kết đơn giữa các nguyên tử carbon. Điều này có nghĩa là tất cả các nguyên tử cacbon trong ankan đều có dạng hình học tứ diện, với 4 liên kết hóa trị tới các nguyên tố hydro hoặc carbon khác. Ankan còn được gọi là hydrocarbon no.
Có cấu trúc gần giống với ankan, anken là hydrocacbon trong đó chuỗi carbon trung tâm sẽ chứa ít nhất một liên kết đôi giữa các nguyên tử carbon, và ankin sẽ chứa ít nhất một liên kết ba. Đây là những hydrocarbon không no.
Còn đối với hydrocarbon thơm, trong cấu trúc của chúng sẽ có các nguyên tố carbon liên kết với nhau thành một vòng tròn, được gọi là vòng benzen.
Các phân tử có xuất hiện một vài nguyên tố khác bên cạnh thành phần chính là hydro và carbon được gọi là các dẫn xuất hydrocacbon. Ví dụ như trong alkyl halogenua , hydro từ ankan được thay thế bằng nguyên tử halogen như clo hoặc brom.
hydrocarbon thơm sẽ chứa một vòng benzen trong cấu trúc của chúng
Hydrocacbon và các dẫn xuất của chúng là thành phần chính của nhiên liệu hóa thạch với bản chất giải phóng năng lượng thông qua quá trình đốt cháy . Bên cạnh các ứng dụng nhiên liệu , hydrocacbon cũng được sử dụng trong tổng hợp hóa học và là thành phần chính của dầu bôi trơn, dung môi, nhiên liệu, sáp, nhựa đường, mỹ phẩm và nhựa. Những ứng dụng phi nhiên liệu này của hydrocarbon có tầm quan trọng lớn đối với xã hội và nền kinh tế.
Các nguồn hydrocacbon tự nhiên bao gồm than đá , dầu mỏ và khí đốt tự nhiên. Chúng thường được gọi là nhiên liệu hóa thạch vì chúng là phần còn lại của động vật và thực vật đã chết cách đây hàng triệu năm. Phần còn lại của những sinh vật này đã trở nên lắng đọng và chuyển thành trầm tích do nhiệt độ và áp suất lớn trong vỏ trái đất. Than là nhiên liệu hóa thạch rắn, dầu mỏ là nhiên liệu lỏng sẫm màu và nhớt, và khí tự nhiên là nhiên liệu khí...
Chúng ta cũng có thể tìm thấy hydrocacbon trong tự nhiên và bên cạnh nhiên liệu hóa thạch, chúng có trong cây cối và thực vật. Ví dụ trong lá cây, hydrocarbon có sẵn ở dạng caroten được gọi là sắc tố.
hydrocarbon là phân tử đơn giản chỉ có 2 loại nguyên tố hydro và carbon
3. Cracking
Etylen và propylen là hai loại hóa chất cơ bản nhất dùng để sản xuất nhựa. Chúng có các tính chất hóa học rất đặc biệt và hữu ích và được sản xuất với số lượng nhiều hơn bất kỳ loại hóa chất nào khác. Etylen và propylen được sản xuất bằng một quy trình gọi là “cracking”, trong đó các hydrocacbon trong các chế phẩm dầu thô hoặc khí tự nhiên sẽ bị phân hủy hoặc bị bẻ gãy, thành các phân tử nhỏ hơn. Trong ngành công nghiệp hóa dầu, hai nguyên liệu chính để cracking thành etylen là naphta và etan, và propylen được tạo thành tử propan.
Trong quá trình cracking truyền thống, nguyên liệu thô sẽ được trộn với hơi nước, hỗn hợp này sau đó được cho chạy qua các ống dẫn, nơi mà nguyên liệu được nung nóng đến nhiệt độ rất cao trong một khoảng thời gian ngắn. Nguyên liệu được sau đó được làm lạnh nhanh để ngăn các phân tử hydrocarbon bị tiêu hao hoàn toàn. Các dòng sản phẩm thu được được tách ra và tinh chế, tạo ra các hợp chất có giá trị như etylen, propylen... Chúng được gọi chung là “olefin” hay "monome". Sau đó, các olefin hoặc monome này được xử lý bằng quá trình phản ứng trùng hợp hoặc trùng ngưng để tạo thành các chuỗi phân tử gọi là polyme.
Hầu hết các lò nhà máy hóa dầu trước đây đều sử dụng naphtha cho quá trình cracking hơi nước, nguyên liệu này có giá thành tương đối rẻ. Nhưng điều này đã chấm dứt, khi mà công nghệ khai thác dầu đá phiến tạo ra cuộc cách mạng trong cách khai thác năng lượng hóa thạch. Khí đá phiến cung cấp khí đốt và các chất lỏng khí tự nhiên dồi dào và rẻ tiền, đặc biệt là rất giàu etan và propan. Các nhà sản xuất hóa dầu của Mỹ hiện nay hầu như đã chuyển sang cracking etan và có những thế mạnh cạnh tranh nhất định trên toàn cầu.
Lò cracking hơi nước cho etan gần như tương tự như lò sử dụng naptha. Và trên thực tế, nhiều máy cracking của Hoa Kỳ được thiết kế để có thể sử dụng cả hai loại nguyên liệu. Tuy nhiên, phản ứng cracking sẽ cần được điều chỉnh cẩn thận tùy thuộc vào thành phần của nguyên liệu cũng như loại sản phẩm cuối cùng mong muốn. Nhiệt độ, thời gian đốt nóng của nguyên liệu và quá trình làm nguội đều ảnh hưởng đến chất lượng của dòng sản phẩm hydrocacbon được tạo ra.
Cracking etan và propan có chi phí rẻ hơn nhưng chỉ thu được etylen và propylen. Trong khi đó quá trình carking naphtha tốn kém hơn nhưng lại thu được nhiều sản phẩm phụ có giá trị, bao gồm etylen, propylen, butadien, benzen, toluen, xylen.
Bất kể nguyên liệu là naphtha, etan, propan hay butan, quá trình crackinh hơi nước đều đòi hỏi một lượng lớn năng lượng. Trên thực tế, đây là quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong ngành hóa chất.
Một phương pháp khác mới xuất hiện gần đây, là phương pháp cracking sử dụng chất xúc tác. Phương pháp này tạo ra một con đường cho phép các phản ứng xảy ra ở mức nhiệt độ thấp hơn, đồng nghĩa với việc tiêu tốn ít năng lượng hơn. Điều này đòi hỏi ái lực của chất phản ứng đối với vị trí xúc tác, để tạo ra một sản phẩm trung gian sẽ được phân tách thành các sản phẩm mong muốn. Các sản phẩm cracking hơi nước cho thấy tính chọn lọc cao hơn đối với etylen, trong khi quá trình cracking xúc tác sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các olefin lớn hơn như propylen và butylen1.
Cracking naphtha tuy tốn kém như thu được nhiều loại sản phẩm có giá trị
4. Phản ứng trùng hợp và trùng ngưng
Sau khi thu được các monome từ quá trình cracking, phản ứng trùng hợp sẽ là điều kiện cần thiết để kết hợp chúng, tạo thành hợp chất cao phân tử (polyme). Trong quá trình này, các hợp chất thấp phân tử (monome) được gắn kết với nhau tạo thành một chuỗi dài. Đây còn được gọi là quá trình polyme hóa.
Có 2 loại phản ứng trùng hợp, là phản ứng trùng hợp bổ sung và phản ứng trùng hợp ngưng tụ
a. phản ứng trùng hợp bổ sung hay còn gọi là phản ứng cộng, hoặc gọi tắt là phản ứng trùng hợp.
Một polyme bổ sung là polyme được hình thành bằng cách liên kết đơn giản các monome bằng phản ứng trùng hợp bổ sung. Một nguyên tử hydro sẽ tách ra khỏi một monome ban đầu, và một nonome khác sẽ được thay thế vào vị trí đó. Chuỗi monome dài được hình thành bằng cách bổ sung các đơn vị monome khác nhau một cách tuần tự như vậy, khiến cho quá trình phản ứng đơn giản này không phát sinh các sản phẩm phụ.
Phản ứng trùng hợp bổ sung diễn ra trong 3 giai đoạn: giai đoạn bắt đầu, giai đoạn tăng trưởng chuỗi và giai đoạn kết thúc.
Ở giai đoạn bắt đầu, một số phân tử monome biến thành trung tâm hoạt động (hay còn gọi là chất khởi xướng) dưới tác động của các chất xúc tác được thêm vào. Trong giai đoạn này, chúng ta có thể quan sát được sự giải phóng ánh sáng , nhiệt lượng và các nguồn năng lượng.
Trong giai đoạn tăng trưởng của chuỗi. Sự gắn kết của các monome vào trung tâm hoạt động của chuỗi diễn ra một cách tuần tự, khiến các monome gắn kết với nhau thành một chuỗi dài.
Giai đoạn kết thúc xảy ra khi trung tâm hoạt động của đại phân tử bị phá vỡ. Điều này có thể là do sự va chạm của hai trung tâm hoạt động gần nhau, hoặc cũng có thể do trung tâm hoạt động chuyển sang một phân tử khác(monome hoặc dung môi). Trong trường hợp thứ hai, sự phát triển của một chuỗi mới sẽ lại bắt đầu ở phân tử được tiếp nhận trung tâm hoạt động này.
Phản ứng trùng hợp bổ sung tạo thành các polyme có trọng lượng phân tử thấp, có ưu thế về mặt nhiệt động hơn so với các polyme có trọng lượng phân tử cao của các polyme được tạo thành từ quá trình trùng hợp ngưng tụ. Ưu thế về mặt nhiệt động nghĩa là chúng có thể dễ dàng được nung chảy để tạo hình, và khi nguội đi chúng sẽ được định hình ở một hình dạng mới mà không làm làm suy giảm đi các đặc tính của nhựa. Điều này cũng đồng nghĩa với việc chúng có khả năng được tái chế rất nhiều lần.
Việc sản xuất polyetylen là một ví dụ rất phổ biến của quy trình trùng hợp bổ sung. Trong bước bắt đầu, một gốc peroxide được tạo ra và tấn công một monome CH2=CH2 bất kỳ, bẻ gãy một liên kết đôi để kích hoạt nó trở thành trung tâm hoạt động. Monome đã được kích hoạt này tấn công một monome khác, gắn vào nó tại vị trí liên kết bị bẻ gãy. Quá trình phản ứng cứ thế được tiếp diễn.
Các nhà hóa học có thể kiểm soát độ dài của chuỗi polyme, thời gian phản ứng và các yếu tố khác để thu được loại polyme có cấu trúc phân tử như mong muốn.
b. Phản ứng trùng hợp ngưng tụ, hay còn gọi là phản ứng trùng ngưng
Phản ứng trùng hợp ngưng tụ diễn ra nhanh và dễ dàng hơn so với phản ứng trùng hợp bổ sung, bởi một lượng lớn chất xúc tác và các chất phản ứng được thêm vào.
Các monome trong phản ứng trùng ngưng thường có cấu trúc phức tạp hơn, không chỉ bao gồm hydro và carbon. Các monome này được liên kết với nhau khi chúng bị bẽ gãy và mất đi một phần cấu trúc của chúng. Các cấu trúc này là sản phẩm phụ của quá trình phản ứng, thường là nước, hydro clorua và metanol.
Polyme ngưng tụ thường không có ưu thế về mặt nhiệt động so với polyme bổ sung, nhưng chúng lại có xu hướng phân hủy sinh học hơn. Điều này là do xương sống của các polyme ngưng tụ không chỉ đơn thuần có liên kết carbon - carbon, mà còn có chứa các liên kết yếu hơn.
Các liên kết peptit hoặc este giữa các monome dễ dàng bị thủy phân với sự hiện diện của chất xúc tác hoặc enzyme vi khuẩn.
Nylon 6 hay còn gọi là polyamide 6 (PA6) là một ví dụ điển hình, tạo thành bởi sự ngưng tụ của hexamethylene diamine với axit adipic.
Sau quá trình trùng hợp các monome etylen sẽ trở thành một chuỗi polyetylen
Các bước chi tiết trong quy trình sản xuất nhựa
Ở bước khởi đầu trong một quy trình sản xuất nhựa chi tiết, các mỏ dầu thô hoặc khí tự nhiên sau khi được thăm dò và xác định vị trí, sẽ được khai thác bằng các dàn khoan. Sau đó dầu thô hoặc khí đốt, khí tự nhiên hóa lỏng sẽ được vận chuyển đến các nhà máy xử qua các đường ống hoặc bằng tàu biển.
Tại nhà máy lọc dầu, dầu thô được làm nóng trong lò và sau đó chưng cất để tách chúng thành nhiều thành phần khác nhau . Quá trình này được gọi là chưng cất phân đoạn, bởi vì nó phân tách dầu thô thành các phần khác nhau dựa trên trọng lượng và điểm sôi của mỗi loại trong số chúng. Nhiên liệu phản lực, xăng, naphtha nhiên liệu diesel và dầu hỏa đều được tạo ra sau quá trình chưng cất này.
Naphtha ban đầu chỉ là một trong những sản phẩm phụ của quá trình chưng cất dầu thô, là một nhóm có từ 5 đến 9 nguyên tố cacbon, với điềm sôi ở 70 ℃. Sản phẩm phụ dường như vô dụng này đã trở thành một mặt hàng quan trọng có giá trị cao, khi người ta phát hiện ra rằng naphtha có thể được chia nhỏ hơn nữa, để tạo thành etan, propan và butan, những nguyên liệu có thể dùng để tạo ra nhựa.
Các chuỗi carbon dài trong naphtha sẽ được bẽ gãy thành các chuỗi carbon nhỏ hơn trong quá trình craking để thu được các monome như etylen, propylen...
Các monome sau đó được liên kết với nhau trong một quá trình phản ứng trùng hợp để tạo ra polyme, chính là nhựa.
Cuối cùng, vật liệu nhựa được xử lý bằng các chất phụ gia, sau đó được nghiền thành các viên nhỏ được gọi là hạt nhựa, trước khi được đóng gói và vận chuyển đến các nhà máy để tạo thành các sản phẩm nhựa như bao bì, bàn ghế, đồ nội thất, đồ chơi, linh kiện...
Quy trình xử lý đối với khí tự nhiên có khác biệt
đôi chút, nhưng cũng dựa trên nguyên tắc phân loại và thu gom, tách chúng thành
các thành phần hydrocarbon dựa trên nhiệt độ và áp suất. Các monome thu được
cũng sẽ trải qua các bước tiếp theo như trong quy trình sản xuất nhựa từ dầu mỏ.