Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình xử lý bề mặt nhựa bằng công nghệ plasma nhiệt độ thấp (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình xử lý bề mặt nhựa bằng công nghệ plasma nhiệt độ thấp (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XỬ LÝ BỀ MẶT NHỰA BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA NHIỆT ÐỘ THẤP MÃ SỐ: T2015-02GVT S KC 0 0 5 3 5 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG DÀNH CHO GIẢNG VIÊN TRẺ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XỬ LÝ BỀ MẶT NHỰA BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA NHIỆT ĐỘ THẤP Mã số: T2015-02GVT Chủ nhiệm đề tài: ThS. THÁI VĂN PHƯỚC TP. HCM, tháng 03/2016 1
3. MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU 4 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 8 1.1. Tính cấp thiết của đề tài 8 1.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 9 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 10 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu 10 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu 10 1.5. Phương pháp nghiên cứu 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1. Một số tính chất các loại vật liệu làm màng nhựa 11 2.1.1. Polyetylene - PE 11 2.1.2. Polypropylene – PP 12 2.1.3. Polyester–PET 12 2.1.4. Polyamide–PA 13 2.1.5. Ethylene vinyl alcohol (EVOH): 14 2.1.6. Oriented polypropylene _ OPP: 14 2.2. Năng lượng bề mặt và phương pháp đo năng lượng bề mặt 15 2.2.1. Phương pháp Wilhelmy 16 2.2.2. Phương pháp Du Noüy 17 2.3. Hiện tượng thấm ướt và góc tiếp xúc 17 2.4. Plasma và ứng dụng xử lý bề mặt 19 2.4.1. Tác động của các hạt ions lên bề mặt 21 2.4.2. Động năng bề mặt [6] 21 2.4.3. Plasma áp suất thấp 22 2.4.4. Plasma áp suất thường, nhiệt độ thấp 22 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 25 3.1. Yêu cầu cơ bản của mô hình xử lý bề mặt màng nhựa 25 3.2. Lựa chọn phương án thiết kế mô hình 25 3.2.1. Phương án 1 – dạng ống 25 3.2.2. Phương án 2 – dạng tấm 26 3.3. Chọn vật liệu cho hệ thống 28 3.4. Tính toán cho hệ thống 29 3.4.1. Tính toán chọn động cơ 29 2
4. 3.4.2. Tính toán thiết kế bánh đai 29 3.4.3. Tính toán thiết kế trục 31 3.4.4. Thiết kế mô hình 35 3.4.5. Thiết kế mạch điều chỉnh độ rộng xung cho bộ nguồn Plasma 40 3.4.6. Mạch điều chỉnh tần số và điện áp 41 CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM 42 4.1. Chế tạo và lắp ráp 42 4.1.1. Các chi tiết gá đỡ 42 4.1.2. Lắp ráp mô hình 43 4.2. Thí nghiệm trên mô hình 44 4.2.1. Đo góc tiếp xúc θc 44 4.2.2. Kết quả thực nghiệm 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 3
5. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Năng lượng bề mặt của một số vật liệu polymer [1] 8 Bảng 2: Đặc tính một số loại màng nhựa 15 Bảng 3: Mối liên hệ giữa góc tiếp xúc và khả năng thấm ướt bề mặt rắn 19 Bảng 4: Các phản ứng và trao đổi năng lượng giữa các thành phần Plasma với bề mặt [6] 20 Bảng 5: Nhiệt độ các hạt điện tích trong môi trường Plasma 29 4
6. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PE Polyetylene PP Polypropylene PVC Polyvinyl chloride PET Polyester PA Polyamide EVOH Ethylene vinyl alcohol OPP Oriented polypropylene 5
7. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Tp. HCM, ngày 03 tháng 03 năm 2016 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình xử lý bề mặt nhựa bằng công nghệ Plasma nhiệt độ thấp” - Mã số: T2015-02GVT - Chủ nhiệm: ThS. Thái Văn Phước - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM - Thời gian thực hiện: 12 tháng 2. Mục tiêu: - Chế tạo mô hình thiết bị thực nghiệm xử lý bề mặt màng nhựa bằng công nghệ Plasma ở nhiệt độ thấp; - Tìm ra các thông số vận hành của mô hình. 3. Tính mới và sáng tạo: - Quá trình xử lý đơn giản, tiết kiệm năng lượng; - Quy trình vận hành đơn giản; - Dễ dàng lắp đặt trên dây chuyền sản xuất, in màng nhựa. 4. Kết quả nghiên cứu: - Thí nghiệm và chứng minh khả năng xử lý bề mặt của mô hình; - Các thông số vận hành của mô hình. 5. Sản phẩm: - Mô hình thực nghiệm xử lý bề mặt màng bằng công nghệ Plasma ở nhiệt độ thấp trong môi trường áp suất thường; - Một bài báo đăng trên “Tạp chí Khoa học giáo dục kỹ thuật Tp. HCM”. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Hoàn thiện và phát triển thành hệ thống hoàn chỉnh có thể chuyển giao cho các cơ sơ sản xuất vải. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) Thái Văn Phước 6
8. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: “Research, design and manufacturing experimental plastic surface treatment model by cold-plasma at atmospheric pressure” Code number: T2015-02GVT Coordinator: MSc. Thai Van Phuoc Implementing institution: University of Technology and Education Ho Chi Minh City Duration: 12 months 2. Objective(s): - Manufacturing model experimental plastic surface treatment model by cold-plasma at atmospheric pressure; - Find out operating parameters of model. 3. Creativeness and innovativeness: - The model has many advantages such as small size, simple operation, save energy; - Easy to install on plastic production line 4. Research results: - Testing and demonstrating experimental plastic surface treatment model ability of the model on plastic production line; - The operating parameters of the model. 5. Products: - Experimental plastic surface treatment model on plastic production line by cold- plasma at atmospheric pressure; - An article published on Journal of Technical Education Science. 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: - The model should be improved and developed into a complete system that can be transferred to fabric factory. 7
9. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. 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] Hydrocarbons Surface energy (dynes/cm) Polypropylene, 29-31 Polyethylene 30-31 Polyvinyl Acetate (PVA) 33-44 Polystyrene 38 Polystyrene (low ionomer) 33 ABS 35-42 Polyamide <36 Epoxy <36 Polyester 41-44 Plasticized PVC 33-38 8
10. 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 lượng bề mặt rất thấp. Bảng 1 cho thấy hầu hết các vật liệu làm màng nhựa được sử dụng phổ biến như PP, PE, PVC đều có mức năng lượng bề mặt thấp dưới 33 dynes/cm. Do đó trước khi được in, ghép, dán, bề mặt màng nhựa phải được xử lý nhằm tăng độ hấp thụ bề mặt. Phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay là xử lý nhiệt, màng nhựa trước khi in sẽ được đưa qua một ngọn lửa đốt bằng gas (hỗn hợp C3H8 và C4H10). Đối với các màng nhựa mỏng, nhạy với nhiệt độ, thì trong dung dịch in ấn được pha thêm các loại dung môi với nồng độ cao nhằm tăng độ bám dính của lớp sơn phủ lên trên bề mặt màng nhựa. Các phương pháp trên cho hiệu quả xử lý thấp, tốn nhiều năng lượng, hệ thống khó điều chỉnh, ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường do dùng các hóa chất độc hại. Plasma lạnh chứa các electrons, ion dương, nguyên tử hay phân tử khí trung tính, tia UV và các nguyên tử, phân tử ở trạng thái kích thích ở áp suất thường, nhiệt độ từ 30-700C. Các hạt điện tích có trong Plasma chứa một năng lượng dưới dạng nội năng và động năng, có khả năng bắn phá, làm bẽ gãy các liên kết trên bề mặt, qua đó làm sạch bề mặt và tăng năng lượng bề mặt nhựa [2-5]. Thời gian tương tác của các hạt lên bề mặt diễn ra rất nhanh (vài miligiây) do đó sẽ giúp tiết kiệm năng lượng, rút ngắn thời gian xử lý và do vậy chi phí sản xuất sẽ được giảm xuống đáng kể. 1.2. 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 120 tấn bao bì, trong đó chiếm 60% là sản phẩm từ nhựa–polymer. Với các phương pháp xử lý bề mặt nhựa hiện tại nhằm tăng tính kết dính giữa các lớp bao bì hoặc lớp bao bì với lớp sơn như xử lý bằng nhiệt–nhiệt từ việc đốt gas, hay dùng các hỗn hợp hóa chất–dung môi với nồng độ khác nhau, thì một lượng lớn các hóa chất có hại đã được sử dụng. Do đó sức khỏe người dùng, môi trường xung quanh xưởng sản xuất bao bì như không khí, nước thải bị ảnh hưởng không tốt. Quá trình xử lý bằng nhiệt–nhiệt từ việc đốt gas hay xử lý bằng hóa chất đều khó điều chỉnh, hiệu suất thấp. Ứng dụng công nghệ Plasma, sử dụng các hạt electrons, ion có trong môi trường Plasma để xử lý bề mặt nhựa làm cho quá trình xử lý diễn ra nhanh (thời gian tương tác giữa các hạt electrons, ions diễn ra rất nhanh), rất dễ điều khiển và điều chỉnh (điều chỉnh tốc độ xử lý thông qua việc điều chỉnh mức năng lượng cung cấp cho bộ phận tạo Plasma. Do đó ứng dụng công nghệ Plasma để xử lý bề mặt cho hiệu quả xử lý cao hơn, dễ điều khiển, lắp ráp, an toàn và thân thiện với môi trường. 9
11. 1.3. 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. 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu - Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu cách chế tạo môi trường Plasma ở nhiệt độ thấp trong môi trường áp suất thường, ứng dụng vào việc 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. 1.5. Phương pháp nghiên cứu Các kết quả nghiên cứu trong đề tài được thực hiện thông qua phương pháp thực nghiệm. Các màng nhựa từ các vật liệu khác nhau PE, PP, PVC được xử lý trên mô hình thực nghiệm với các thông số xử lý như năng lượng cung cấp cho Plasma, tốc độ xử lý. Hiệu quả xử lý được so sánh thông qua việc đo góc tiếp xúc trên bề mặt. 10
12. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. 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, PVC. Tính chất chung của các loại vật liệu trên là nhẹ, dẻo, đàn hồi tốt, trong suốt, năng lượng bề mặt các loại vật liệu trên thấp (bảng 1). 2.1.1. Polyetylene - PE Hình 2: Cấu trúc phân tử PE Đặc tính: - Trong suốt, hơi có ánh mờ, có bề mặt bóng láng, mềm dẻo; - Chống thấm nước và hơi nước tốt; - Chống thấm khí O2, CO2, N2 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, H2O2 - Có thể cho khí, hương thẩm thấu xuyên qua, do đó nhựa PE cũng có thể hấp thu giữ mùi trong bản thân bao bì, và cũng chính mùi này có thể được hấp thu bởi thực phẩm được chứa đựng, gây mất giá trị cảm quan của sản phẩm. Ứng dụng: - 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). 11
13. 2.1.2. Polypropylene – PP Đặc tính: - Tính bền cơ học cao (bền xé và bền kéo đứt), khá cứng vững, không mềm dẻo như PE, không bị kéo giãn dài do đó được chế tạo thành sợi. Đặc biệt khả năng bị xé rách dễ dàng khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ; - 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 (140oC) cao so với PE có thể gây chảy hư hỏng màng ghép cấu trúc bên ngoài, nên thường ít dùng PP làm lớp trong cùng; - 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 cũng được sản xuất dạng màng phủ ngoài đối với màng nhiều lớp để tăng tính chống thắm khí, hơi nước, tạo khả năng in ấn cao, và dễ xé rách để mở bao bì (do có tạo sẵn một vết đứt) và tạo độ bóng cao cho bao bì. Hình 3: Cấu trúc phân tử PP 2.1.3. Polyester–PET 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; 12
14. - Trơ với môi trường thực phẩm; - Trong suốt; - Chống thấm khí O2, và CO2 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; - Chống thấm nước kém; - Có khả năng hấp thụ nước, hơi nước; - Có tính chống thấm khí O2, N2, CO2 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: 13
15. - Màng PA ghép cùng với PE, dùng làm bao bì chứa thực phẩm lạnh đông và thực phẩm dạng lỏng có thể chịu được nhiệt độ thanh trùng đến 1000C trong 10 phút, 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 O2 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 bền nhiệt; - Có tính chống thấm O2, khí và hơi. Ứng dụng: - OPP được chế tạo dạng màng ghép ở lớp ngoài cùng cho bao bì nhiều lớp để nhằm tăng tính chống thấm khí hơi, và dễ xé rách để mở bao bì và tạo độ bóng cao cho bao bì. 14
16. Bảng 2: Đặc tính một số loại màng nhựa Khả Khả Khả Khả năng Độ Loại năng năng năng ngăn trong Tính dễ in màng chịu ngăn cản chịu cản hơi suốt nấu sôi khí kéo nước LDPE + ++ - ++ + - LLDPE ++ ++ - ++ + - HDPE + ++ - - + + PP ++ ++ - +++ ++ + BOPP ±/++ +++ - +++ +++ - PET ± - - ++ + ++ BOPET ± - + +++ +++ - PA - - ++ + + +++ BOPA - - ++ +++ +++ - Chú thích: +++: Rất tốt; ++: Tốt; +: Trung bình; -: Không tốt 2.2. 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. 15
17. 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. 2.2.1. Phương pháp Wilhelmy Phương pháp Wilhelmy sử dụng một tấm kim loại mỏng (thường là platinum hoặc thủy tinh) để đo lực căng bề mặt tại bề mặt tiếp xúc giữa không khí-chất lỏng hoặc chất lỏng- chất lỏng. Hình 7: Hình minh họa phương pháp Wilhelmy Để xác định sức căng bề mặt (năng lượng bề mặt), một tấm kim loại mỏng được nhúng vào một dung dịch chất lỏng; sau đó được kéo lên bằng một lực F như hình 6 đến khi nào tấm kim loại tách rời khỏi bề mặt của dung dịch chất lỏng. Khi đó, phương trình cân bằng lực được viết lại như sau: 퐹 = 푃 + 2 × 푙 × 훾 × 표푠휃 (1) Với: F – lực kéo (mN) l – bề rộng của tấm kim loại (mm); 훾 – lực căng bề mặt (mN/m); P – trọng lực của tấm kim loại (mN); 휃 – góc tiếp xúc, khi tấm kim loại được kéo rời thì 표푠휃 = 1 Hay: 퐹−푃 훾 = (2) 2×푙 16
18. 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 = Fc + P, với Fc – 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: 퐹 퐹−푃 훾 = = (3) ×( + ) ×( + ) Với: D, d là đường kính ngoài và đường kính trong của chiếc vòng. 2.3. Hiện tượng thấm ướt và góc tiếp xúc Thấm ướt là khả năng của một chất lỏng duy trì liên kết với bề mặt của chất rắn, nếu các phân tử chất lỏng có tương tác mạnh với các phân tử bề mặt rắn hơn là giữa các phân tử chất lỏng với nhau, thì chất lỏng sẽ chảy tràn trên bề mặt chất rắn. Ngược lại, nếu phân tử chất lỏng tương tác, hút nhau mạnh hơn với tương tác giữa chất lỏng với các phân tử chất rắn thì chất lỏng có xu hướng tụ lại thành giọt tròn, hiện tượng thấm ướt không xảy ra. Cùng một lượng chất lỏng được đổ tràn trên hai bề mặt nền, nếu bề mặt nào có độ thấm ướt cao thì diện tích chảy tràn trên bề mặt đó sẽ lớn hơn. 17
19. Khả năng thấm ướt của một bề mặt rắn được xác định bằng góc tiếp xúc được hình thành bởi tiếp tuyến của giọt chất lỏng tại điểm tiếp xúc của 3 pha: rắn-lỏng, lỏng-khí và rắn- khí như hình 8. Bề mặt chất rắn được xem là thấm ướt hoàn toàn nếu góc tiếp xúc 휃 ≈ 00 , và hoàn toàn không thấm ướt nếu góc tiếp xúc θ ≈ 1800. 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: 훾푆 = 훾푆퐿 + 훾퐿 × 표푠휃 (4) Với: 훾푆 – sức căng bề mặt của pha rắn-khí (mN/m); 훾푆퐿 – sức căng bề mặt của pha rắn-lỏng (mN/m); 훾퐿 – sức căng bề mặt của pha lỏng-khí (mN/m); 휃 – góc tiếp xúc (hình 9). 18
20. 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 휽 Khả năng thấm ướt của bề mặt rắn θ = 00 Hoàn toàn thấm ướt 0<θ<900 Thấm ướt tốt 90° ≤ θ < 180° Thấp θ = 180° Hoàn toàn không thấm ướt 2.4. 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 điện tích tự d0 - electron, ion, các gốc oxy hóa bật cao như H*, HO*, NOx, O các hạt nguyên tử, phân tử dưới dạng kích thích mang năng lượng dưới dạng nội năng, động năng lớn và tia UV. Khi tiếp xúc với bề mặt một vật liệu các hạt điện tích này sẽ va đập, trao đổi năng lượng và phản ứng hóa học với các thành phần vô cơ, hữu cơ có trên bề mặt vật liệu, do đó bề mặt sẽ được làm sạch với kích thước tế vi và làm tăng năng lượng bề mặt (hình 11). Thời gian tương tác giữa các hạt điện tích với các thành phần trên bề mặt rất nhanh (vài mili giây) nên quá trình làm sạch, làm tăng năng lượng bề mặt vật liệu bằng Plasma diễn ra trong một thời gian rất ngắn. 19
21. Hình 12: Nguyên lý xử lý, làm sạch và tăng năng lượng bề mặt bằng Plasma Bảng 3 cho thấy các phản ứng và quá trình trao đổi năng lượng giữa các hạt điện tích, ion với các thành phần trên bề mặt. Quá trình tương tác giữa các hạt điện tích trong Plasma với các thành phần trên bề mặt vật liệu bao gồm: quá trình hấp thụ (absorption) – các phản ứng 5- 8 và quá phân tách 9-10 (desorption). [6]. Bảng 4: Các phản ứng và trao đổi năng lượng giữa các thành phần Plasma với bề mặt [6] Khi A là một phân tử mang một năng lượng dưới dạng động năng trong chùm tia Plasma chuyển động hướng đến bề mặt vật liệu nền S, thì sau khi tương tác phân tử A sẽ kết hợp với các phân tử khác trên bề mặt tạo ra A:S. + 푆 → : 푆 (5) 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. = + 푆 → : 푆 (6) + 푆 → : 푆 + : 푆 (7) 20
22. S K L 0 0 2 1 5 4