Tuy nhiên các quá trình in ấn, phủ hay ghép với vật liệu khác trên màng nhựa rất khó khăn, nguyên nhân do màng nhựa được làm chủ yếu từ vật liệu polymer như PE, PET, PP, PVC có mức năng
TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Với đặc tính như nhẹ, bền, giá thành thấp, chống thấm nước và khí tốt, màng nhựa là vật liệu được sử dụng phổ biến để tạo ra các sản phẩm như túi nhựa, túi đựng thực phẩm, các bao bì bảo quản, các màng chắn Để tăng thêm độ bền, tính thẩm mỹ hay mục đích quảng cáo, các loại bao bì, túi nhựa sẽ được dán thêm một lớp vật liệu khác hoặc được phu phủ, in ấn Hình 1 mô tả quy trình sản xuất và in ấn trên bao bì nhựa: nguyên liệu-1 (hạt nhựa) được nung nóng chảy và kéo thành màng mỏng lên khu vực ổn định nhiệt-2, tiếp sau đó được đưa vào khu vực-3 nhằm làm căng màng và xử lý bề mặt trước được in ở khu vực-
4, tiếp đó bề mặt in ở khu vực 4, được làm khô ở khu vực 5 và lưu trữ thành phẩm ở khu vực 6
Hình 1: Quy trình sản xuất và in bao bì: 1-Nguyên liệu, 2-Khu vực ổn định nhiệt,
3-Khu vực căng màng và xử lý bề mặt, 4-Khu vực in, 5-Khu vực làm khô, 6-Thành phẩm
Bảng 1: Năng lượng bề mặt của một số vật liệu polymer [1]
Các quá trình in ấn, phủ hoặc ghép với vật liệu khác trên màng nhựa gặp khó khăn do màng nhựa được chế tạo chủ yếu từ các vật liệu polyme như PE, PET, PP và PVC có mức năng lượng bề mặt rất thấp; bảng 1 cho thấy hầu hết các vật liệu làm màng nhựa phổ biến như PP, PE và PVC có năng lượng bề mặt dưới 33 dynes/cm, nên trước khi in, ghép hay dán, bề mặt màng nhựa phải được xử lý để tăng độ bám dính Phương pháp xử lý phổ biến hiện nay là xử lý nhiệt: màng nhựa được đưa qua ngọn lửa đốt bằng gas (hỗn hợp C3H8 và C4H10) Đối với các màng nhựa mỏng nhạy với nhiệt độ, dung dịch in được pha thêm dung môi có nồng độ cao nhằm tăng độ bám dính của lớp sơn phủ lên bề mặt màng nhựa Các phương pháp trên cho hiệu quả xử lý thấp, tốn nhiều năng lượng, hệ thống khó điều chỉnh và có thể tác động đến sức khỏe và môi trường do sử dụng hóa chất độc hại.
Plasma lạnh chứa các electrons, ion dương, nguyên tử hay phân tử khí trung tính, tia
Trong điều kiện áp suất thường và ở nhiệt độ 30–70°C, UV và các trạng thái kích thích của nguyên tử, phân tử trong plasma mang năng lượng ở cả nội năng lẫn động năng, có khả năng tác động mạnh lên bề mặt Các hạt mang điện tích trong plasma có thể phá hủy liên kết trên bề mặt, từ đó làm sạch bề mặt và tăng năng lượng bề mặt của nhựa Quá trình tương tác giữa các hạt plasma và bề mặt diễn ra rất nhanh, chỉ vài mili giây, giúp tiết kiệm năng lượng, rút ngắn thời gian xử lý và do đó làm giảm chi phí sản xuất đáng kể.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Theo ước tính vào năm 2009, mỗi ngày tại thành phố Hồ Chí Minh đã sử dụng đến
Khoảng 120 tấn bao bì được sản xuất, trong đó 60% là sản phẩm từ nhựa–polymer Các phương pháp xử lý bề mặt nhựa hiện tại nhằm tăng tính kết dính giữa các lớp bao bì hoặc giữa lớp bao bì với lớp sơn, như xử lý bằng nhiệt (đốt gas) hoặc dùng các hỗn hợp hóa chất–dung môi với nồng độ khác nhau, đã dẫn đến việc sử dụng một lượng lớn hóa chất có hại, ảnh hưởng đến sức khỏe người dùng và môi trường xung quanh xưởng sản xuất bao bì từ không khí đến nước thải Quá trình xử lý bằng nhiệt hoặc bằng nhiệt từ đốt gas cũng như xử lý bằng hóa chất đều khó điều chỉnh và hiệu suất thấp Ứng dụng công nghệ Plasma, sử dụng các hạt electron, ion trong môi trường Plasma để xử lý bề mặt nhựa, giúp quá trình xử lý diễn ra nhanh do thời gian tương tác ngắn, rất dễ kiểm soát và điều chỉnh thông qua mức năng lượng cung cấp cho bộ phận tạo plasma; do đó xử lý bề mặt bằng công nghệ Plasma mang lại hiệu quả cao hơn, dễ kiểm soát, thuận tiện cho lắp ráp, an toàn và thân thiện với môi trường.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình xử lý bề mặt nhựa bằng công nghệ Plasma nhiệt độ thấp” được thực hiện theo các mục tiêu sau:
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình xử lý bề mặt nhựa bằng công nghệ Plasma với kích thước nhỏ để tiến hành thực nghiệm;
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số vận hành trên mô hình đến hiệu suất xử lý bề mặt màng nhựa.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu cách chế tạo môi trường plasma ở nhiệt độ thấp trong điều kiện áp suất thường nhằm ứng dụng cho xử lý bề mặt Nghiên cứu sẽ xác định các tham số và cơ chế hình thành plasma ở nhiệt độ thấp và áp suất bình thường, đồng thời tối ưu hóa thiết kế hệ thống để đảm bảo tính ổn định và lặp lại của quá trình Mục tiêu ứng dụng là triển khai xử lý bề mặt bằng plasma ở nhiệt độ thấp, cải thiện các đặc tính bề mặt như độ bám dính, độ bóng và kháng ăn mòn Kết quả mong đợi sẽ đóng góp vào phát triển công nghệ plasma ở điều kiện áp suất thường và nhiệt độ thấp cho các ứng dụng công nghiệp xử lý bề mặt.
- Nghiên cứu hiệu quả xử lý trên các vật liệu màng nhựa khác nhau: PP, PE, PVC
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình xử lý bề mặt nhựa với bề rộng tối đa 500 mm bằng công nghệ Plasma ở nhiệt độ thấp trong môi trường áp suất thường với vận tốc xử lý 20 m/phút.
Phương pháp nghiên cứu
Các kết quả nghiên cứu được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm, trong đó các màng nhựa từ các vật liệu PE, PP và PVC được xử lý trên một mô hình thực nghiệm với các thông số như năng lượng cung cấp cho plasma và tốc độ xử lý Hiệu quả xử lý được so sánh thông qua đo góc tiếp xúc trên bề mặt, cho thấy sự khác biệt giữa các vật liệu và mức cải thiện tùy thuộc vào tham số xử lý.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Một số tính chất các loại vật liệu làm màng nhựa
Vật liệu chủ yếu được sử dụng để làm màng nhựa là các loại polymer tổng hợp như
PE, PP, PET, PA và PVC là các loại vật liệu nhựa phổ biến có đặc tính chung là nhẹ, dẻo, đàn hồi tốt, trong suốt và có năng lượng bề mặt thấp, như được trình bày ở bảng 1.
- Trong suốt, hơi có ánh mờ, có bề mặt bóng láng, mềm dẻo;
- Chống thấm nước và hơi nước tốt;
- Chống thấm khí O 2 , CO 2 , N 2 và dầu mỡ đều kém;
- Bị căng phồng và hư hỏng khi tiếp xúc với tinh dầu thơm hoặc các chất tẩy như Alcool, Acêton, H 2 O 2 …
Khí và hương có thể thẩm thấu xuyên qua nhựa PE, khiến bao bì hấp thu mùi và chính mùi này có thể được hấp thụ bởi thực phẩm chứa đựng bên trong, dẫn tới giảm giá trị cảm quan của sản phẩm Vì vậy, việc lựa chọn vật liệu đóng gói và các biện pháp kiểm soát mùi là rất quan trọng để bảo vệ hương vị và sự hấp dẫn của thực phẩm, đồng thời có ứng dụng trong thiết kế đóng gói, quản lý chất lượng và tối ưu hóa trải nghiệm người tiêu dùng.
- Làm túi xách các loại, thùng (can) có thể tích từ 1 đến 20 lít với các độ dày khác nhau;
- Sản xuất nắp chai Do nắp chai bị hấp thu mùi nên chai đựng thực phẩm đậy bằng nắp
PE phải được bảo quản trong một môi trường không có chất gây mùi;
- Một số sản phẩm của phản ứng trùng hợp PE: Linear low density polyetylen (LLDPE), Low density polyetylen (LDPE), Medium density polyetylen (MDPE), Highdensity polyetylen (HDPE)
Hình 2: Cấu trúc phân tử PE
Vật liệu có độ bền cơ học cao, thể hiện qua sức bền kéo và bền xé vượt trội, khiến nó khá cứng vững và không mềm dẻo như PE Do ít bị kéo giãn, nó được chế tạo thành sợi để khai thác tối đa đặc tính chịu lực của vật liệu Tuy vậy, nó có nhược điểm là dễ bị xé rách khi gặp một vết cắt hoặc vết thủng nhỏ, nên cần biện pháp bảo vệ hoặc gia cố trong ứng dụng thực tế.
- Trong suốt, độ bóng bề mặt cao cho khả năng in ấn cao, nét in rõ;
Nhiệt độ hàn dán mí thân bao bì PP khoảng 140°C cao hơn PE có thể gây chảy hỏng và hư hại màng ghép cấu trúc bên ngoài Vì lý do này, PP thường ít được dùng làm lớp trong cùng của bao bì màng ghép để bảo vệ độ bền và tính toàn vẹn của cấu trúc màng.
- Có tính chất chống thấm O2, hơi nước, dầu mỡ và các khí khác. Ứng dụng :
- Dùng làm bao bì một lớp chứa đựng bảo quản thực phẩm, không yêu cầu chống oxy hóa một cách nghiêm nhặt;
- Tạo thành sợi, dệt thành bao bì đựng lương thực, ngũ cốc có số lượng lớn;
PP được sản xuất ở dạng màng phủ ngoài cho các màng nhiều lớp, nhằm tăng khả năng chống thấm khí và chống ẩm, cải thiện khả năng in ấn và tạo độ bóng cao cho bao bì, đồng thời có sẵn một vết đứt giúp dễ xé rách để mở bao bì.
Hình 4: Quá trình trùng ngưng PET từ Acid Terepthalic và Ethylene Glycol Đặc tính:
- Bền cơ học cao, có khả năng chịu đựng lực xé và lực va chạm, chịu đựng sự mài mòn cao, có độ cứng vững cao;
Hình 3: Cấu trúc phân tử PP
- Trơ với môi trường thực phẩm;
- Chống thấm khí O2, và CO 2 tốt hơn các loại nhựa khác Ứng dụng:
Do tính chống thấm rất cao nên PET được dùng làm chai, bình đựng nước tinh khiết, nước giải khát có gas
Hình 5: Cấu trúc phân tử PET 2.1.4 Polyamide–PA
Hình 6: Phản ứng tạo 1,4-phenylene-diamine Đặc tính:
- Chống thẩm thấu khí hơi rất tốt;
- Có khả năng hấp thụ nước, hơi nước;
- Có tính chống thấm khí O 2 , N 2 , CO 2 rất cao;
- Có tính bền cơ lý cao: chịu được va chạm, chống được sự trầy xước, mài mòn, và xé rách hoặc thủng bao bì;
- Có khả năng hàn dán nhiệt khá tốt; Ứng dụng:
Màng PA ghép với PE tạo thành lớp bao bì thực phẩm có khả năng chứa cả thực phẩm lạnh đông và thực phẩm dạng lỏng, đồng thời chịu được nhiệt độ thanh trùng tới 100°C trong 10 phút; với đặc tính này, nó có thể được dùng làm bao bì chứa thực phẩm hoặc làm màng co bao bọc thực phẩm ăn liền.
- Dùng làm bao bì hút chân không hoặc bao bì ngăn cản sự thẩm thấu O 2 hoặc thoát hương
2.1.5 Ethylene vinyl alcohol (EVOH): Đặc tính:
- Có tính chống thấm khí O2 tốt khi ở độ ẩm thấp, nhung ở độ ẩm cao thì tính chống thấm này của EVOH giảm đáng kể;
- Có tính bền cơ cao, trong suốt, mềm dẻo, chống thấm khí, mùi hương tốt và chế tạo dễ dàng do nhiệt độ chảy ổn định Ứng dụng:
- EVOH thường được ghép chung với các màng plastic để tăng tính chống thấm khí O2 và các loại hơi khí khác và được chế tạo dạng đùn ép;
- EVOH được đặt vào bên trong của màng nhiều lớp để duy trì độ ẩm của EVOH thấp;
- EVOH có tính chống thấm khí nhạy cảm với độ ẩm môi trường nên được dùng trong bao bì thực phẩm màng ghép ba lớp chống thấm khí hương
2.1.6 Oriented polypropylene _ OPP: Đặc tính:
- Tính bền cơ học cao;
- Khả năng bị xé rách dễ dàng khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ;
- Có độ trong suốt, độ bóng bề mặt cao;
- Có tính chống thấm O 2 , khí và hơi Ứng dụng:
OPP được sản xuất dưới dạng màng ghép cho lớp ngoài cùng của bao bì đa lớp, nhằm tăng khả năng chống thấm khí và hơi, đồng thời giúp dễ xé để mở bao bì và mang lại độ bóng cao cho bao bì.
Bảng 2: Đặc tính một số loại màng nhựa
Chú thích: +++: Rất tốt; ++: Tốt; +: Trung bình; -: Không tốt
Năng lượng bề mặt và phương pháp đo năng lượng bề mặt
Năng lượng bề mặt hay sức căng bề mặt là một trong những thông số quan trọng để đánh giá khả năng in ấn, sơn phủ trên một bề mặt nền Sự chênh lệch của năng lượng bề mặt lớp nền (lớn hơn) so với mực in càng lớn thì chất lượng in càng tốt và thời gian in diễn ra nhanh hơn Do đó khi tiến hành in ấn phải xử lý bề mặt lớp nền sao cho năng lượng bề mặt phải lớn hơn năng lượng bề mặt của chất lỏng-mực in dùng làm vật liệu để in ấn
Khả năng chịu nấu sôi
Khả năng ngăn cản hơi nước
Khả năng ngăn cản khí Độ trong suốt
Năng lượng bề mặt hay sức căng bề mặt được định nghĩa là lực căng trên một đơn vị chiều dài cắt ngang bề mặt, được đo bằng Newton trên mét - N.m -1 hoặc mN.m -1 Ví dụ, năng lượng bề mặt của nước tinh khiết là 0,072 N/m Bảng số liệu số 1 cho thấy mức năng lượng bề mặt của một số vật liệu làm màng nhựa Sức căng bề mặt của chất lỏng được đo theo một số phương pháp điển hình sau
Phương pháp Wilhelmy sử dụng một tấm kim loại mỏng, thường là platinum, hoặc một tấm thủy tinh, đặt ở vùng tiếp xúc giữa không khí–chất lỏng hoặc chất lỏng–chất lỏng để đo lực căng bề mặt Lực căng tại mép tiếp xúc gây ra sự kéo trên tấm và được đo bằng cân hoặc cảm biến, từ đó suy ra độ căng bề mặt của chất lỏng theo chu vi tiếp xúc của tấm Đây là kỹ thuật được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu và ứng dụng do độ nhạy cao và khả năng làm việc với nhiều hệ chất lỏng khác nhau.
Trong hình 7 minh họa phương pháp Wilhelmy để xác định sức căng bề mặt (năng lượng bề mặt), một tấm kim loại mỏng được nhúng vào dung dịch chất lỏng và sau đó được kéo lên bằng một lực F cho đến khi tấm kim loại tách khỏi bề mặt dung dịch Khi sự tách rời xảy ra, lực cân bằng giữa lực kéo và các lực tác động lên tấm được viết lại bằng một phương trình cân bằng lực, từ đó cho phép xác định sức căng bề mặt (năng lượng bề mặt) của chất lỏng.
Với: F – lực kéo (mN) l – bề rộng của tấm kim loại (mm);
𝛾 – lực căng bề mặt (mN/m);
P – trọng lực của tấm kim loại (mN);
𝜃 – góc tiếp xúc, khi tấm kim loại được kéo rời thì 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 1 Hay:
2.2.2 Phương pháp Du Noüy Để đo sức căng bề mặt của một chất lỏng, Du Noüy sử dụng một chiếc vòng bằng kim loại được treo bằng một sợi dây mỏng và nhúng đáy vòng tiếp xúc hoàn toàn với mặt chất lỏng; sau đó chiếc vòng kim loại được từ từ kéo lên mặt thoáng Khi đáy vòng vừa được nâng lên trên mặt thoáng, nó không bị bứt rời ngay ra khỏi chất lỏng mà xuất hiện một màng chất lỏng bám quanh chu vi ngoài và chu vi trong của vòng (hình 7) Lực do màng chất lỏng tác dụng vào vòng đúng bằng tổng lực căng bề mặt của chất lỏng tác dụng lên chu vi ngoài và chu vi trong của vòng
Khi đó giá trị lực kéo F sẽ bằng tổng lực căng bề mặt với trọng lục của vòng kim loại:
F = F c + P, với F c – tổng lực căng bề mặt của chất lỏng lên chiếc vòng và P – trọng lực của chiếc vòng
Hình 8: Hình minh họa phương pháp Du Noüy
Do đó, lực căng bề mặt của chất lỏng:
Với: D, d là đường kính ngoài và đường kính trong của chiếc vòng.
Hiện tượng thấm ướt và góc tiếp xúc
Thấm ướt là khả năng của chất lỏng duy trì liên kết với bề mặt chất rắn Khi các phân tử chất lỏng tương tác mạnh với các phân tử bề mặt chất rắn hơn là tương tác giữa chúng với nhau, chất lỏng sẽ chảy tràn trên bề mặt chất rắn Ngược lại, nếu các phân tử chất lỏng hút nhau mạnh hơn tương tác giữa chất lỏng và bề mặt, chất lỏng có xu hướng tụ lại thành giọt tròn và hiện tượng thấm ướt không xảy ra Với cùng một lượng chất lỏng được đổ lên hai bề mặt nền khác nhau, bề mặt có độ thấm ướt cao sẽ cho diện tích chảy tràn lớn hơn.
Khả năng thấm ướt của một bề mặt rắn được xác định bởi góc tiếp xúc, là góc hình thành giữa tiếp tuyến của giọt chất lỏng tại điểm tiếp xúc của ba pha: rắn-lỏng, lỏng-khí và rắn-khí Bề mặt được xem là thấm ướt hoàn toàn khi góc tiếp xúc θ ≈ 0°, và hoàn toàn không thấm ướt khi θ ≈ 180° Các thông số này cho phép đánh giá mức độ liên kết giữa chất lỏng và bề mặt và là cơ sở thiết kế các bề mặt có đặc tính thấm ướt mong muốn trong các ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu.
Hình 9: Sự thay đổi góc tiếp xúc với khả năng thấm ướt bề mặt rắn
Hình 10: Góc tiếp xúc đo trên bề mặt màng nhựa PE Định luật Young
Mối liên hệ giữa góc tiếp xúc và sức căng bề mặt của các pha được thể hiện qua phương trình cân bằng lực Young:
Với: 𝛾 𝑆𝐺 – sức căng bề mặt của pha rắn-khí (mN/m);
𝛾 𝑆𝐿 – sức căng bề mặt của pha rắn-lỏng (mN/m);
𝛾 𝐿𝐺 – sức căng bề mặt của pha lỏng-khí (mN/m);
Hình 11: Mối quan hệ giữa góc tiếp xúc và sức cằng bề mặt giữa các pha của giọt chất lỏng trên bề mặt rắn
Bảng 3: Mối liên hệ giữa góc tiếp xúc và khả năng thấm ướt bề mặt rắn
Góc tiếp xúc 𝜽 Khả năng thấm ướt của bề mặt rắn θ = 0 0 Hoàn toàn thấm ướt
90° ≤ θ < 180° Thấp θ = 180° Hoàn toàn không thấm ướt
Plasma và ứng dụng xử lý bề mặt
Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất sau trạng thái rắn, lỏng và khí, bao gồm các hạt mang điện tích như electron và ion, các gốc oxy hóa hoạt tính như H*, OH*, NOx và O*, cùng các hạt nguyên tử, phân tử ở dạng kích thích mang nội năng, động năng lớn và tia UV Khi plasma tiếp xúc với bề mặt của một vật liệu, các hạt này va chạm, trao đổi năng lượng và tham gia phản ứng hóa học với các thành phần vô cơ và hữu cơ có trên bề mặt, từ đó bề mặt được làm sạch ở kích thước vi và đồng thời tăng năng lượng bề mặt Thời gian tương tác giữa các hạt plasma và bề mặt rất ngắn, chỉ vài mili giây, nên quá trình làm sạch và tăng năng lượng bề mặt bằng plasma diễn ra trong một thời gian ngắn. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.
Hình 12: Nguyên lý xử lý, làm sạch và tăng năng lượng bề mặt bằng Plasma
Bảng 3 trình bày các phản ứng và quá trình trao đổi năng lượng giữa các hạt điện tích (ion) và các thành phần trên bề mặt vật liệu Các tương tác giữa các hạt điện tích trong plasma với các thành phần trên bề mặt vật liệu bao gồm hai nhóm quá trình chính: hấp thụ (absorption) và desorption (quá trình phân rời/phóng thích), tương ứng với các phản ứng 5–8 và 9–10 được đề cập trong [6].
Bảng 4: Các phản ứng và trao đổi năng lượng giữa các thành phần Plasma với bề mặt [6]
Trong chùm tia plasma di chuyển hướng tới bề mặt vật liệu nền S, phân tử A mang động năng và tham gia vào quá trình tương tác với bề mặt; sau khi va chạm, A kết hợp với các phân tử khác trên bề mặt để hình thành liên kết A:S.
Hoặc khi thành phần trong Plasma là một phân tử A=B (liên kết đôi, ba, v.v…) thì các liên kết giữa chúng sẽ thay bằng liên kết với bề mặt vật liệu–S
Khi đạt trạng thái cân bằng về năng lượng, quá trình phân tách sẽ diễn ra theo các phản ứng như sau:
2.4.1 Tác động của các hạt ions lên bề mặt
Khi các hạt ion có năng lượng dưới 15 eV va chạm với bề mặt, chúng truyền một phần năng lượng cho các nguyên tử ở lớp ngoài cùng và dần mất đi Quá trình va chạm cho phép các ion xuyên thấm giữa các nguyên tử của lớp ngoài cùng, làm bề mặt tăng năng lượng và trở nên gồ ghề ở mức nano Nhờ độ nhám nano này, quá trình in ấn diễn ra dễ dàng hơn và chất lượng bề mặt in ấn được cải thiện.
Các hạt ion mức có năng lượng trên 15 eV khi bắn phá lên bề mặt có khả năng gây phóng thích các nguyên tử trên lớp bề mặt đầu tiên, khiến bề mặt trở nên gồ ghề và xuất hiện nhiều lỗ nhỏ kích thước nano Trong quá trình in, các hạt mực dễ dàng bám vào các vị trí lỗ trống trên bề mặt, làm cho quá trình in diễn ra nhanh chóng và tăng chất lượng in.
Trong quá trình tương tác, va đập tần số va chạm một đơn vị thời gian của các hạt được tính theo công thức sau:
Khi các hạt điện tích hoặc các hạt kích thích từ Plasma tiến đến bề mặt với một tốc độ
Ở vị trí Ka, chúng sẽ hấp thụ một phần năng lượng; sau đó một phần năng lượng được chuyển thành Kb và một phần khác tham gia các phản ứng 5-10 được gán cho Kc Tiếp tục, chúng hấp thụ thêm một phần năng lượng Kd và chuyển thành trạng thái khí Ke Đồng thời, một phần năng lượng Kf bị hấp thụ trong quá trình di chuyển mà không diễn ra tương tác với bề mặt, hoặc bị mất khi liên kết với các thành phần của bề mặt gây ra sự mất năng lượng Kg Cuối cùng, chuỗi phản ứng sẽ diễn ra ở pha khí trên bề mặt với mức năng lượng Kh.
Hình 13: Sơ đồ các quá trình tương tác diễn ra trên một bề mặt [6]
Như vậy sau một chuỗi các quá trình tương tác của nguyên tử A với bề mặt S, nó sẽ được hấp phụ và sau đó bị hấp thụ:
Plasma áp suất thấp là trạng thái của plasma hình thành khi quá trình khí ion hóa tạo ra các hạt mang điện tích tự do, như electron và ion, trong một môi trường áp suất thấp Trong điều kiện này, nhiệt độ của electron thường cao hơn nhiều so với nhiệt độ của ion Với khả năng kiểm soát độ tinh khiết ở mức cao, plasma áp suất thấp được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất vi mạch điện tử và bảng phim mỏng.
Tùy thuộc vào tần số của vùng năng lượng điện từ dùng để chuyển từ trạng thái khí sang trạng thái Plasma mà điều kiện áp suất sẽ khác nhau Ví dụ với tần số vô tuyến (radiofrequency), quá trình hình thành Plasma diễn ra ở áp suất nhỏ hơn 0.1 mbar, với tần số vi song (microwave), điều kiện hình thành Plasma xảy ra ở áp suất 0.5 ÷ 1 mbar [6] Quá trình phủ tạo lớp vi mạch điện tử để đạt độ tinh khiết cao thì áp suất tạo môi trường Plasma phải được giảm xuống dưới 0.01 mbar
Quá trình tạo plasma và xử lý bề mặt đòi hỏi điều kiện áp suất thấp và phải được thực hiện trong buồng chân không Do đặc thù này, các ứng dụng và quá trình xử lý thường diễn ra không liên tục, cần thời gian để hệ thống hút chân không hoàn tất trước khi bắt đầu chu trình xử lý Kích thước mẫu được xử lý phụ thuộc vào kích thước của buồng chân không, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế thiết bị và hiệu suất của quá trình plasma chân không.
2.4.4 Plasma áp suất thường, nhiệt độ thấp
Plasma áp suất thường là trạng thái mà quá trình khí ion hóa diễn ra trong điều kiện áp suất thường; ví dụ như tia lửa điện hoặc chùm sét Khác với Plasma áp suất thấp, trong điều kiện áp suất thường tổng số lượng các hạt phân tử, nguyên tử là rất lớn do đó số lượng các hạt
Trong plasma ở áp suất thường, tỉ lệ các nguyên tử và phân tử bị ion hóa rất nhỏ, chỉ chiếm vài phần trăm tổng số hạt Nhiệt độ của electron trong môi trường này ở mức rất cao, thường từ khoảng 10.000 K trở lên, cho thấy động năng của electron lớn hơn nhiều so với các hạt còn lại và đóng vai trò chủ chốt trong các quá trình dẫn điện và các hiện tượng plasma khác.
Ở nhiệt độ khoảng 50.000 K, các hạt ion và neutron tồn tại ở trạng thái gần với nhiệt độ phòng Tuy nhiên, so với tổng khối lượng của các hạt (bao gồm ion và neutron), khối lượng của electron rất nhỏ, chỉ bằng một phần triệu tổng khối lượng Vì vậy, nhiệt độ của plasma được cho là rất thấp.
Tùy vào điều kiện cụ thể của môi trường Plasma, lớp vật liệu nên có thể được xử lý nhằm làm sạch bề mặt (cleaning) – loại bỏ các thành phần tế vi không cần thiết trên bề mặt), khắc (etch) – lấy đi một lớp vật liệu nhỏ trên bề mặt, phủ (coating) một lớp vật liệu khác trên bề mặt vật liệu Các ứng dụng của Plasma áp suất thường gồm Corona, Dielectric Barrier Discharge, Atmospheric Pressure Glow Discharge để xử lý các bề mặt dạng 2D, 3D khác nhau
Các thành các gốc oxy hóa bật cao
Trong quá trình khí ion hóa cùng với việc tạo ra các electron, ions, thì các thành phần oxy hóa bật cao cũng được tạo ra:
H 2 O 2 được sử dụng như là chất xúc tác, tác dụng trực tiếp lên bề mặt nhựa
Quá trình tạo O3 dưới tác dụng của tia Plasma sẽ tạo ra H 2 O 2
Sau đó từ H 2 O 2 lại bị phân tách tiếp tục tạo thành gốc *OH
Gốc hydroxyl HO* là một tác nhân oxi hóa mạnh nhất trong số các tác nhân oxi hóa, thế oxi hóa của gốc hydroxyl HO*là 2.8V, cao nhất trong số các tác nhân oxi hóa thường gặp, sau khi hình thành gốc HO* sẽ phản ứng với các nhóm carbonyl, hydroxyl, carboxyl trên màng nhựa và làm thay đổi tính chất bề mặt
Hình 14: Các nhóm carconyl, hydroxyl, carbonxyl trong cấu trúc phân tử của màng nhựa
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
Yêu cầu cơ bản của mô hình xử lý bề mặt màng nhựa
Quy trình được mô tả ở hình 1 cho thấy quá trình sản xuất màng nhựa diễn ra liên tục, từ việc nung chảy hạt nhựa và định hình đến khu vực in mẫu mã, với thời gian di chuyển tới khu vực in rất ngắn Vì vậy, phương pháp xử lý bề mặt màng nhựa tối ưu là áp dụng công nghệ plasma ở áp suất thường để xử lý bề mặt màng 2D, nhằm tăng độ bám dính và đồng đều bề mặt in ấn.
Từ các yêu cầu thực tế trong quá trình sản xuất màng nhựa, mô hình tăng năng lượng bề mặt màng nhựa được xây dựng nhằm đáp ứng một loạt nhu cầu thiết yếu về chất lượng và hiệu suất Mô hình tập trung vào việc tăng khả năng bám dính của lớp phủ và mực in trên bề mặt màng, cải thiện tính tương thích giữa các lớp vật liệu, đồng thời đảm bảo tính ổn định nhiệt, chịu hóa chất và an toàn thực phẩm Bên cạnh đó, nó tối ưu hóa chi phí sản xuất, thời gian xử lý và khả năng tái chế để nâng cao hiệu quả sản xuất màng nhựa và đáp ứng các yêu cầu về độ bền, thẩm mỹ và hiệu suất kinh tế.
- Xử lý được hai bề mặt của màng nhựa với bề rộng 500 mm;
- Tốc độ xử lý đạt đến vận tốc 20 m/phút;
- Không thay đổi thẩm mỹ và cấu trúc bề mặt màng nhựa như cong, cháy, rách;
- Chất lượng xử lý phải đồng đều nhau.
Lựa chọn phương án thiết kế mô hình
Phương án thiết kế hệ thống Plasma ở áp suất thường dùng để xử lý bề mặt 2D có hai phương án chính như sau:
Mô hình tạo plasma được thiết kế với hai điện cực dạng ống kết nối với nguồn điện áp cao (6–40 kV) và nguồn tần số cao (5–20 kHz) Trong cấu hình này, một điện cực được đặt ở bên trong một ống thạch anh để làm nhiệm vụ cách điện, còn điện cực thứ hai được đặt ở phía ngoài và cách ống thạch anh một khoảng hở 3–5 mm Màng nhựa đã qua xử lý sẽ được gắn trên điện cực phía ngoài như minh họa ở hình 13.
Hình 15: Phương án tạo Plasma dạng ống
Trong quá trình xử lý, hai điện cực được nối với bộ nguồn điện áp cao, tần số lớn sẽ tạo ra một vùng điện từ trường rất lớn làm cho các phân tử, nguyên tử khí giữa điện cực 2 và
26 ống thạch anh sẽ bị ion hóa tạo thành chùm tia Plasma, màng nhựa chạy qua vùng Plasma này sẽ được làm sạch và làm tăng năng lượng bề mặt
Nhận xét mô hình: Ưu điểm Nhược điểm
- Đơn giản, ít tốn năng lượng;
- Dễ vận hành và lắp đặt;
- Vùng Plasma đều và dễ điều chỉnh
- Diện tích vùng xử lý nhỏ;
Hình 16: Phương án tạo Plasma dạng tấm
Bề mặt nhựa cần xử lý được đưa giữa 2 tấm kim loại phẳng có diện tích lớn làm thành
2 điện cực và tấm cách điện như hình 14 Khi được cung cấp năng lượng từ nguồn phát, không khí giữa hai tấm điện cực này sẽ ion hóa tạo ra Plasma Các hạt điện tích sẽ va đập, bắn phá lên bề mặt, làm sạch và tăng năng lượng bề mặt màng nhựa
Nhận xét mô hình: Ưu điểm Nhược điểm
- Xử lý được diện tích lớn;
- Tốc độ xử lý nhanh
- Công suất bộ nguồn phát rất lớn;
- Khó chế tạo, lắp đặt và vận hành
Với yêu cầu của mô hình, phương án 1 có nhiều ưu thế hơn phương án 2:
- Đáp ứng được yêu cầu xử lý 2D liên tục;
- Trong quá trình xử lý màng nhựa lăn trên một điện cực, do đó sẽ giảm việc trầy sướt trên màng nhựa;
- Tiết kiệm năng lượng, dễ lắp ráp và vận hành
Hình 17: Mô hình nguyên lý xử lý bề mặt nhựa
Nguyên lý làm việc của mô hình được thiết kế tổng thể như hình 15: màng nhựa được bắt qua các rulo tại khu vực 1, 3, 4 nhằm làm căng bề mặt màng nhựa, ổn định lực trước khi di chuyển vào khu vực 3 Tại khu vực 3 màng nhựa được xử lý hai bề mặt trên các điện cực như hình 13 Rulo tại khu vực 5 làm nhiệm vụ cuốn màng nhựa sau khi được xử lý
Với mô hình đã chọn như trên thì ta tiến hành các công việc như sau:
- Tính toán kích thước bộ phận tạo Plasma: 2 điện cực, cơ cấu điều chỉnh khoảng cách giữa hai điện cực;
- Lên bản vẽ chi tiết cho từng bộ phận cần gia công, tính toán sức bền, tốc độ quay của động cơ để chọn ổ lăn cho phù hợp;
- Kiểm tra kết quả đầu ra;
Hình 18: Mô hình thiết kế tổng quát
Chọn vật liệu cho hệ thống
Điện cực bên trong (nằm trong ống thạch anh) hình 15 đòi hỏi dẫn điện tốt, đồng thời phải đảm bảo độ thẳng cao và khả năng chống oxy hóa trong quá trình làm việc, vì vậy chọn vật liệu SUS 304 với kích thước Ø8×500 mm Ống thủy tinh trong hệ thống chịu tác động của chùm tia plasma mang năng lượng lớn, thường xuyên va đập gây nhiệt độ cao, do đó vật liệu làm ống cách điện phải chịu nhiệt và điện áp cao Phương án lựa chọn: ống thạch anh Ø25×600 mm, dày 3 mm.
Bảng 5 nêu rõ nhiệt độ của các hạt điện tích trong môi trường plasma Trong hình 15, điện cực ngoài đảm nhiệm chức năng quay tròn để di chuyển màng nhựa và căng bề mặt trong quá trình làm việc Vì vậy, điện cực ngoài được chế tạo dưới dạng rulo, yêu cầu nhẹ và có khả năng chống oxy hóa tốt Nhôm là vật liệu đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trên, vừa nhẹ vừa có khả năng chống oxy hóa, phù hợp với điều kiện vận hành trong môi trường plasma.
Các giá đỡ trục lăn được thiết kế cho tải trọng và tốc độ quay không quá lớn, vì vậy vật liệu làm gối đỡ được chọn là thép CT3 Việc sử dụng thép CT3 giúp tăng độ bền, khả năng chịu mài mòn và đảm bảo vận hành ổn định với chi phí hợp lý cho các hệ thống trục chịu tải trung bình.
Vật liệu dùng để làm tấm đế ta sử dụng là nhôm giúp quá trình gia công đơn giản
Trục đầu truyền từ động cơ được chế tạo bằng thép C35, do ở hai đầu có tải trọng và lực tác động lớn hơn các khu vực khác nên không sử dụng nhôm cho phần này Việc lựa chọn thép C35 ở các đầu trục giúp tăng độ bền, độ tin cậy và khả năng truyền lực cho toàn bộ hệ thống.
Hai cặp giá đỡ ở đầu điện cực của bộ xử lý Plasma được làm từ nhựa chịu nhiệt nhằm đảm bảo khả năng chịu nhiệt và cách điện Khi phóng Plasma, điện cực mang điện tích và phóng lên các bề mặt kim loại dẫn điện, vì vậy cần sử dụng vật liệu cách điện để lắp trực tiếp các cực Plasma, đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành hệ thống.
Tính toán cho hệ thống
3.4.1 Tính toán chọn động cơ Để đáp ứng với việc thay đổi tốc độ trong quá trình làm thực nghiệm thì động cơ bước, với công suất Nđc = 10W, 1.8 0 /step, 600 vòng/phút được chọn làm nguồn truyền động cho mô hình Động cơ sẽ được nối với rulo ở số 5
3.4.2 Tính toán thiết kế bánh đai
- Chọn đai là đai vải cao su
- Đường kính bánh đai nhỏ (công thức 5-6) – TKCTM – [7]
- Đường kính bánh đai bị dẫn:
- Chiều dài tối thiểu của đai:
2 = 0.345 45mm Lấy L min = 350mm, tính A theo L min (công thức 5-2) [7]
- Kiểm nghiệm điều kiện, công thức (5-10) [7]
- Tính chiều dài đai, công thức (5-1) [7]
Theo cách nối đai thì thêm vào chiều dài đai tìm được trên đây khoảng ( 1 8 ÷ 10 1 ) 𝐿
- Tính góc ôm 1 theo công thức (5-3) [7]
- Chiều dài đai δ được chọn theo tỉ số 𝛿
30= 0.73𝑚𝑚 Vậy ta chọn đai vải cao su có chiều dày 𝛿 = 0,7𝑚𝑚
Lấy ứng suất căng ban đầu 𝜎 0 = 1,8 𝑁 𝑚𝑚⁄ 2 theo trị số
- Tính chiều rộng b của đai theo công thức (5-13) [7]
- Định chiều rộng B của bánh đai theo chiều rộng dây đai B = 16mm
- Tính lực căng ban đầu S o theo công thức (5-16) và lực tác dụng lên trục R
3.4.3 Tính toán thiết kế trục
Tính toán trục đầu vào
Giả sử trục đang sử dụng có đường kính ngoài lớn nhất ∅16mm, có khối lượng riêng
𝑚 𝑡𝑟ụ𝑐 = 𝑀 𝑉 = 7,7 0,11 = 0,847 𝐾𝑔 Khối lượng của cuộn nhựa ban đầu đưa vào: 5 Kg (thực tế)
Kớch thước của cuộn nhựa: ỉ100x500 mm
Tổng khối lượng tác dụng lên trục :
Hợp lực Q tác dụng lên trục:
Xét điều kiện cân bằng cho trục có chiều dài AB = 552 mm
Hình 19: Biểu đồ thể hiện lực và moment tác động lên trục rulo đầu vào
Xét hệ lực theo phương thẳng đứng
𝑊 𝑋 ≤ [𝜎] (14) Mặt cắt nguy hiểm đặt tại nơi có moomen xoắn lớn nhất:
2 2 𝑙 = 58,47 2 552 2 = 8100 (N.mm) Với chi tiết là ống trụ tròn đặt ta có:
𝑊 𝑑 = [𝜎]Với vật liệu là thép CT3 ta có [] = 600Mpa
𝑀 𝑥 0,1.𝐷 3 = [𝜎] → 𝐷 = √ 3 0,1.𝜎 𝑀 𝑥 = 5,1 mm Để đảm bảo điều kiện bền và khả năng gia công, chọn đường kính trục D = 25mm
Tính toán trục đầu ra
Giả sử trục có đường kính dọc theo suốt chiều dài là ∅16mm, có khối lượng riêng M
→ 𝑉 = 0,12 (𝑑𝑚 3 ) (Với: Chiều dài của trục l = 44 + 2 x 276 = 596 mm)
Ta có khối lượng của ống nhựa khi đưa vào là 5kg
Tổng khối lượng tác dụng lên trục: mtổng = m trục + m nhựa = 0,924 + 5 = 5,924(kg) Hợp lực tác dụng: Q = mtổng x g = 5,924 x 10 = 59,24 (N)
Hợp lực tác dụng lên từng đoạn ABC
Lực tác dụng lên đoạn AB m AB = V M = 0,11 7,7 = 0,847 (kg) m AB tổng = m AB + m nhựa = 0,847 + 5 = 5,847(kg)
4 = 110929,92 (mm 3 ) = 0,11(dm 3 ) Vậy Q = mAB tổng x g = 5,847 x 10 = 58,47 (N)
Lực tác dụng lên đoạn AC m AC = V M = 0,0088 7,7 = 0,067 (kg)
Hình 20: Biểu đồ thể hiện lực và moment tác dụng lên trục rulo đầu ra
Xét hệ lực theo phương thẳng đứng:
Xét hệ lực theo phương ngang: V A + V B = 0
VA = -V B = -1,63 (Vậy chọn V A ngược với chiều đã chọn)
Xét hệ lực tác dụng theo 2 phương thì ta chọn hệ lực theo phương thẳng đứng vì lực tác dụng theo phương ngang rất nhỏ so với phương đứng
Mặt cắt nguy hiểm đặt tại vị trí có moment xoắn lớn nhất:
2 = 8100(𝑁 𝑚𝑚) Với chi tiết là ống trụ tròn đặt ta có:
𝑊 𝑑 = [𝜎]Với vật liệu là thép CT3 ta có [] = 600Mpa
0,1.𝐷 3 = [𝜎] → 𝐷 = √ 3 0,1.𝜎 𝑀 𝑥 = 5,1 mm Để đảm bảo điều kiện bền và điều kiện gia, chọn đường kính trục D = 25mm
Hình 21: Tấm đế Thiết kế thanh trượt
Hình 22: Thanh trượt Thiết kế mặt điểu chỉnh
Hình 23: Mặt lắp điều chỉnh khoảng cách 2 điện cực
Hình 24: Các giá đỡ trục (a- cuộn vào, b-trục lăn vào, c-trục lăn ra, d-cuộn ra)
Hình 25: Bản vẽ 2D thiết kế gối đỡ a) b) c d
Thiết kế giá đỡ bộ Plasma
Hình 26: Giá đỡ các điện cực Plasma
Hình 27: Bản thiết kế 2D cho trục lăn Thiết kế trục động cơ
Hình 28: Trục truyền động cơ
Thiết kế trục cố định
Hình 30: Bản thiết kế 2D cho con trượt (thay đổi khoảng cách giữa hai điện cực)
3.4.5 Thiết kế mạch điều chỉnh độ rộng xung cho bộ nguồn Plasma
Hình 31: Mạch điều chỉnh độ rộng xung
Tín hiệu ra: nguồn 12 VDC, xung có thể điều chỉnh độ rộng 0- 100%, tần số 40ms Mạch có công dụng cấp nguồn nuôi và điều độ rộng xung cho IC IR2153
Thời gian xung ở mức cao trong một chu kỳ: 𝑇 1 = 𝑙𝑛2 × 𝐶 4 × (𝑅 5 + 𝑉𝑅 𝑗3 )
T 1 : thời gian xung ở mức cao trong một chu kỳ (ms), T 1 = 3,25: 35,8 (ms)
Hình 32: Chu kỳ một xung
R 5 , VR j3 điện trở và biến trở điều chỉnh độ rộng xung (Ohm)
3.4.6 Mạch điều chỉnh tần số và điện áp
Hình 33: Mạch điều chỉnh tần số và điện áp mạch Plasma
Tín hiệu ra: xung điện áp cao
Hình 34: Giá trị tần số Ở đây chọn C 5 = 10nF, R=R 4 +VR j5
CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM
Chế tạo và lắp ráp
Sau khi tính toán và thiết kế, các chi tiết được gia công như sau:
4.1.1 Các chi tiết gá đỡ
Hình 37: Các chi tiết trục (a-trục bậc, b-trục chính, c-trục di động)
Hình 35: Các chi tiết gá đỡ các trục rulo a b c
Sau khi gia công, mô hình được láp ráp
Hình 38: Trục rulo cuốn và động cơ bước
Hình 39: Mô hình sau khi lắp ráp
Hình 40: Mô hình thực tế
Thí nghiệm trên mô hình
Để đánh giá khả năng làm năng lượng bề mặt của mô hình, các màng nhựa có chiều rộng 60 mm từ ba vật liệu PP, PE và PVC được xử lý trên mô hình với các điều kiện khác nhau, gồm thời gian xử lý và năng lượng Plasma (dòng điện và điện áp đầu vào) Sau khi xử lý, màng nhựa được đo góc tiếp xúc θc để đánh giá hiệu quả xử lý Để đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý và ảnh hưởng của các thông số nói trên, màng nhựa sau khi xử lý được đo góc tiếp xúc θc [8].
Một giọt nước cất với thể tớch 5 àl được nhỏ lờn trờn màng nhựa và được chụp bằng máy ảnh Canon 40D với ống kính Tamron 17-50 đảo đầu, ảnh sau khi chụp sẽ được xử lý bằng phần mềm xử lý ảnh ImageJ [8] (Plugin: Contact angle) để đo góc tiếp xúc θc Mỗi mẫu màng nhựa được xử lý bởi một thông số cụ thể được tiến hành đo góc tiếp xúc 3 lần Năng lượng bề mặt hay hiệu quả xử lý được đánh giá qua thông số góc tiếp xúc bề mặt θc, năng lượng bề mặt càng lớn thì góc tiếp xúc θc càng nhỏ [8]
Hình 41: Quá trình chụp ảnh góc tiếp xúc thực tế
Hình 42: Ảnh chụp giọt nước trên màng nhựa PE sau khi được xử lý
Hình 43: Phần mềm ImageJ xử lý, tính toán góc tiếp xúc
Các kết quả thí nghiệm cho thấy rằng sau khi được xử lý bề mặt bằng Plasma lạnh, độ hấp thụ bề mặt trên màng nhựa được cải thiện rõ rệt, đủ điều kiện để tiến hành in ấn nhãn mác (góc tiếp xúc θ c ≤88 0 )
Các kết quả ở hình 44 cho thấy ảnh hưởng của thời gian xử lý đến góc tiếp xúc θc trên màng nhựa PP Các thí nghiệm được tiến hành với điện áp đầu vào 150 V và cường độ dòng điện đầu vào 1.5 A Kết quả cho thấy sau khi xử lý, chất lượng bề mặt màng nhựa PP được tăng lên rõ rệt, góc tiếp xúc θc giảm từ 102° xuống dưới 88° ở tất cả các vận tốc khảo sát Khi thời gian xử lý giảm từ 3.8 giây/m xuống 2 giây/m, góc tiếp xúc trên bề mặt màng nhựa PP tăng từ 67° lên 84°.
Hình 44: Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến hiệu quả xử lý (góc tiếp xúc θ c ) trên màng nhựa PP
Việc điều chỉnh các tham số của bộ nguồn Plasma (cường độ dòng 1–2 A, điện áp đầu vào 140–220 V) ở hình 45 và 46 cho thấy các giá trị góc tiếp xúc θc đo được trên bề mặt màng nhựa PP không chênh lệch nhiều Điều này cho thấy xử lý bề mặt với mức năng lượng từ 150–300 Wh trên màng nhựa có bề rộng 60 mm ở vận tốc 20 m/ph và thời gian xử lý 3 giây/m không làm thay đổi đáng kể hiệu quả xử lý.
Thời gian xử lý (giây/m)
Hình 45: Ảnh hưởng của dòng điện đầu vào đến hiệu quả xử lý (góc tiếp xúc θ c ) trên màng nhựa PP
Hình 46: Ảnh hưởng của điện áp đầu vào đến hiệu quả xử lý (góc tiếp xúc θ c ) trên màng nhựa PP
Các thí nghiệm trên màng nhựa PE cho kết quả tương tự như các thử nghiệm trước Khi thay đổi các tham số của bộ nguồn Plasma (dòng điện và điện áp đầu vào), hiệu quả xử lý được đo bằng góc tiếp xúc không thay đổi đáng kể; các kết quả này được thể hiện ở hình 48 và 49 Tuy nhiên, khi thời gian xử lý được điều chỉnh từ 3,8 giây/m xuống 2 giây/m, góc tiếp xúc có xu hướng tăng từ 76° lên một giá trị cao hơn.
Góc tiếp xúc ϴc Điện áp đầu vào (V)
48 đến 86 0 , điều đó cho thấy hiệu quả xử lý giảm đi khi vận thời gian xử lý giảm (hình 47) Góc tiếp xúc θ c trên bề mặt nhựa PE trước khi xử lý là 93 0
Hình 47: Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến hiệu quả xử lý (góc tiếp xúc θ c ) trên màng nhựa PE
Hình 48: Ảnh hưởng của dòng điện đầu vào đến hiệu quả xử lý (góc tiếp xúc θ c ) trên màng nhựa PE
Thời gian xử lý (giây/m)
Hình 49: Ảnh hưởng của điện áp đầu vào đến hiệu quả xử lý (góc tiếp xúc θ c ) Để so sánh hiệu quả xử lý trên các vật liệu, các thí nghiệm được tiến hành trên ba vật liệu khác nhau PP, PE, PVC với sự thay đổi dòng điện đầu vào thể hiện trên hình 50 với các thông số: vật tốc xử lý 20 m/ph, điện áp đầu vào 150 V Kết quả cho thấy, với cùng một mức năng lượng và vận tốc xử lý, màng nhựa PE, PP cho hiệu quả xử lý tốt hơn so với PVC, trong khi mức năng lượng bề mặt của nhựa PE, PP khi chưa xử lý là 30-31 dynes/cm thấp hơn cho với nhựa PVC 33-38 dynes/cm (bảng 1)
Hình 50: Ảnh hưởng của dòng điện vào đến hiệu quả xử lý (góc tiếp xúc θ c ) trên các vật liệu khác nhau
G óc t iếp xúc ϴ c Điện áp đầu vào (V)
Kết quả trên có thể được giải thích bởi một tính chất quan trọng của Plasma lạnh, đó là trong thành phần của Plasma có chứa các gốc oxy hóa bậc cao HO*, O*, H*, NO*… Các thành phần này khi va đập vào bề mặt nhựa, một phần năng lượng sẽ chuyển sang năng lượng bề mặt cho màng nhựa, và một phần tham gia phản ứng với các thành phần trên bề mặt, tạo ra một lớp nền có tính chất hóa-lý mới, giúp bề mặt màng nhựa trở nên linh hoạt, dễ dàng in ấn, ghép-dán với các vật liệu khác.Vật liệu PP và PE là kết quả của quá trình polymer hóa (–
CH 3 –) n và (–C 2 H 4 –) n , do đó phản ứng giữa các gốc oxy hóa bậc cao trong Plasma với lớp bề mặt trên màng nhựa này xảy ra nhanh và dễ dàng hơn so với lớp bề mặt (–C 2 H 3 Cl–) n của PVC
Hình 51: Một số phản ứng giữa nguyên tử oxygen với lớp polymer [ 5 ]
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Từ các kết quả nghiên cứu và chế tạo, ta có thể đưa ra những kết luận sau:
1 Mô hình thiết bị trên đã đáp ứng được yêu cầu xử lý các bề mặt nhựa PP, PE, PVC trước khi xử lý, cụ thể các góc tiếp xúc sau khi được xử lý trên mô hình có giá trị nhỏ hơn 88 0 Trên thực tế có thể tăng năng lượng bề mặt màng nhựa (giảm giá trị góc tiếp xúc) cao hơn bằng cách tăng năng lượng Plasma (tăng mức điện áp, dòng điện đầu vào);
2 Mô hình trên có thể dễ dàng thay đổi cơ cấu để xử lý các loại màng nhựa với bề rộng khác nhau;
3 Mô hình thiết bị được thiết kế để sử dụng điện dân dụng 0-220V;
4 Kết cấu của mô hình đơn giản, dễ vận hành và lắp đặt;
5 Mô hình có thể xử dụng để xử lý các bề mặt 2D dạng phẳng từ nhiều vật liệu khác nhau
Với những kết quả trên tác giả xin được đề nghị:
1 Phát triển và hoàn thiện đề tài để ứng dụng, phục vụ cho các cơ sở xử lý ngoài thực tế;
2 Trong quá trình xử lý bằng Plasma, các gốc oxy hóa bậc cao HO*, O*, O 3 tham gia vào việc diệt khuẩn, tiệt trùng trên bề mặt màng nhựa Do đó, mô hình có thể được xử lý để xử lý và làm sạch các loại bao bì dùng để đóng gói thực phẩm;
3 Các gốc oxy hóa bậc cao HO*, O*, O 3 có thể làm thay đổi các cấu trúc phân tử trên bề mặt màng nhựa Sự thay đổi này có thể ứng dụng vào quá trình ghép nhiều màng nhựa với nhau [9]