Đồ án Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo module xử lý bề mặt bằng công nghệ plasma lạnh ứng dụng vào quy trình sản xuất vỏ hộp sữa và nước nuớc ép trái cây (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo module xử lý bề mặt bằng công nghệ plasma lạnh ứng dụng vào quy trình sản xuất vỏ hộp sữa và nước nuớc ép trái cây (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH ỨNG DỤNG VÀO QUY TRÌNH SẢN XUẤT VỎ HỘP SỮA VÀ NUỚC NUỚC ÉP TRÁI CÂY GVHD: ThS. THÁI VĂN PHƯỚC SVTH: MẠC VIÊN BÂN MSSV: 13143018 SVTH: NGUYỄN NGỌC HẢI MSSV:13143098 SVTH: NGUYỄN NGỌC SƠN MSSV:13143285 S K L 0 0 4 9 6 2 Tp. Hồ Chí Minh, 2017
2. LỜI CAM KẾT Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH ỨNG DỤNG VÀ O QUY TRÌNH SẢN XUẤT VỎ HỘP SỮA VÀ NƯỚC NƯỚC ÉP TRÁI CÂY. GVHD: ThS. Thái Văn Phước Họ tên SVTH: Mạc Viên Bân MSSV: 13143018 Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp (ĐATN): Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình nghiên cứu của cả nhóm chúng tôi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự sai phạm nào, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm Ký tên i
3. LỜI CAM KẾT Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH ỨNG DỤNG VÀ O QUY TRÌNH SẢN XUẤT VỎ HỘP SỮA VÀ NƯỚC NƯỚC ÉP TRÁI CÂY. GVHD: ThS. Thái Văn Phước Họ tên SVTH: Nguyễn Ngọc Hải MSSV: 13143098 Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp (ĐATN): Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình nghiên cứu của cả nhóm chúng tôi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự sai phạm nào, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm Ký tên . ii
4. LỜI CAM KẾT Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH ỨNG DỤNG VÀ O QUY TRÌNH SẢN XUẤT VỎ HỘP SỮA VÀ NƯỚC NƯỚC ÉP TRÁI CÂY. GVHD: ThS. Thái Văn Phước Họ tên SVTH: Nguyễn Ngọc Sơn MSSV: 13143285 Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp (ĐATN): Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình nghiên cứu của cả nhóm chúng tôi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự sai phạm nào, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm Ký tên iii
5. LỜI CẢM ƠN Đồ án tốt nghiệp đối với sinh viên đại học là rất quan trọng, nhằm tổng hợp lại những kiến thức về chuyên ngành cơ khí chế tạo máy và các môn học khác mà chúng em đã được học suốt 4 năm ở giảng đường đại học, cũng như những kinh nghiệm từ thực tế. Đồ án tốt nghiệp này đã giúp chúng em đi từ lý thuyết vào thực tế nghiên cứu và chế tạo mô hình thực tế. Qua đó chúng em đã cũng cố vững hơn về kiến thức chuyên ngành và kỹ năng làm việc thực tế cũng như làm vệc nhóm sao cho hiệu quả hơn, là một kỹ năng rất cần thiết cho kỹ sư sau này. Lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đầu tiên xin gửi đến gia đình vì sự động viên không mệt mỏi và sự kề cận, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để chúng em hoàn thành khóa học của mình một cách tốt nhất. Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Cơ Khí Chế Tạo máy, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM, đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em thực hiện đề tài này. Đặc biệt, chúng em thật không có mỹ từ nào để diễn tả sự biết ơn và kính trọng thầy ThS. Thái Văn Phước và PGS.TS Trần Ngọc Đảm - những người thầy đã dành hết cả tâm huyết, thời gian và cả sự yêu mến để hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành tốt đề tài. Chúng em cũng chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Đặng Thiện Ngôn và tất cả các thầy cô trong Hội đồng bảo vệ 7 đã dành thời gian và công sức để tham gia và đóng góp ý kiến tích cực để hoàn thiện Đề tài của chúng em. Cũng thông qua Đồ án tốt nghiệp này, chúng em cũng muốn gửi lời cảm ơn chân thành và lời chúc sức khỏe đến các thành viên trong nhóm, những người đã luôn bên cạnh nhau những lúc khó khăn và cùng vượt qua tất cả để hoàn thành Đồ án một cách tốt đẹp nhất. Cuối cùng, chúng em xin kính chúc thầy ThS. Thái Văn Phước và PGS.TS Trần Ngọc Đảm cùng quý thầy, cô trong khoa cơ khí Chế Tạo Máy lời chúc sức khỏe, hạnh phúc, công tác tốt. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Ngọc Hải Mạc Viên Bân Nguyễn Ngọc Sơn iv
6. TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đề tài “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MODULE XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA ỨNG DỤNG VÀO QUY TRÌNH SẢN XUẤT VỎ HỘP SỮA VÀ NƯỚC ÉP TRÁI CÂY” Một trong những thành phần quan trọng tạo nên một sản phẩm tốt và an toàn vệ sinh thực phẩm đó là bao bì, vỏ hộp. Đối với các loại nước ép trái cây hay sữa tươi thì bao bì lại cực kì quan trọng do tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm và đặc biệt, những sản phẩm này sẽ được dùng tươi ngay sau khi tung ra thị trường. Bởi vậy, việc làm ra vỏ hộp cũng phải đảm bảo khắt khe các tiêu chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm, vừa phải đáp ứng các như cầu về marketing sản phẩm. Do đó, bao bì của các sản phẩm này phải được sản xuất và chế tạo từ nhiều lớp vật liệu như: nhôm, Polyethylen, giấy; chúng được sắp xếp xen kẽ nhau. Để những lớp vật liệu này kết dính với nhau thì ta phải sử dụng quá trình xử lý bề mặt để tăng năng lượng bề mặt từ đó tăng khả năng kết dính của từng loại vật liệu. Quá trình xử lý bề mặt cho các vật liệu này phổ biến hiện nay đó là quá trình xử lý bằng hóa chất và sử dụng nhiệt độ; với phương pháp này có nhiều nhược điểm đó là: hóa chất rơi vãi ra ngoài nên không đạt hiệu quả kinh tế, không liên tục, hệ thống phun phủ phức tạp, và đặt biệt đó là hiệu quả kinh tế kém do phải tốn một lượng lớn chi phí cho hóa chất và gây ô nhiễm môi trường; còn phương pháp sử dụng nhiệt chỉ phù hợp cho các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao. Qua quá trình nghiên cứu cho thấy rằng Công nghệ Plasma đang được ứng dụng nhiều vào việc xử lý bề mặt vật liệu với nhiều ưu điểm như: không sử dụng hóa chất, xử lý liên tục, bảo vệ môi trường và đặc biệt là hiệu quả về kinh tế khi chỉ chế tạo một lần mà sử dụng rất lâu, không cần tốn thêm các chi phí phát sinh khác. Trước những vấn đề trên, có thể thấy việc áp dụng Công nghệ Plasma vào việc xử lý bề mặt trước khi kết dính các lớp vật liệu với nhau là rất cần thiết. Với những lý do đó, nhóm đề tài đã tiến hành đăng ký và làm đề tài “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MODULE XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA ỨNG DỤNG VÀO QUY TRÌNH SẢN XUẤT VỎ HỘP SỮA VÀ NƯỚC ÉP TRÁI CÂY” . Hệ thống mô hình gồm có: bộ tạo nguồn điện và điền khiển điện, cụm xử lý, trục rulo chính, khung đỡ Quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài trải qua 4 giai đoạn: - Giai đoạn 1: Nghiên cứu lý thuyết về Công nghệ Plasma, động lực học Plasma, nghiên cứu khả năng xử lý bề mặt của Công nghệ Plasma và ứng dụng tia Plasma vào xử lý bề mặt. - Giai đoạn 2: Đưa ra nhiều phương án thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm, phân tích ưu nhược điểm của từng phương án và cuối cùng, chọn phương án tối ưu dựa v
7. trên tiêu chí hiệu xuất xử lý, tiết kiệm năng lượng, đạt hiệu quả tối đa về mặt kinh tế và bảo vệ môi trường. - Giai đoạn 3: Chế tạo và lắp ráp một Module xử lý thực tế. Sau đó tiến hành thí nghiệm với các điều kiện khác nhau như: công suất tiêu hao (dòng điện, điện áp, tần số) và các loại vật liệu khác nhau: nhôm, giấy. - Giai đoạn 4: Phân tích đánh giá kết quả thí nghiệm kiến nghị và kết luận. vi
8. MỤC LỤC LỜI CAM KẾT I LỜI CAM KẾT II LỜI CAM KẾT III LỜI CẢM ƠN IV TÓM TẮT ĐỒ ÁN V DANH MỤC HÌNH ẢNH X DANH MỤC BẢNG BIỂU XII CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 3 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 3 1.5 Phương pháp nghiên cứu 3 1.5.1 Cơ sở phương pháp luận 3 1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể 3 1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 5 2.1 Giới thiệu về Plasma 5 2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 5 2.1.2 Sơ nét về Công nghệ Plasma 7 2.2 Giới thiệu về chung về bao bì 8 2.2.1 Khái niệm về bao bì 8 2.2.2 Vai trò, chức năng của bao bì 9 2.2.3 Phân loại 10 2.2.4 Vỏ hộp sữa và nước ép trái cây 12 2.3 Đặc tính của mô hình 13 2.4 Những nghiên cứu liên quan đến đề tài. 13 2.4.1 Nhôm 13 2.4.2 Nhựa Polyethylen (PE) 15 2.4.3 Giấy 15 2.5 Nghiên cứu về Phương pháp xử lý bề mặt bằng Công nghệ Plasma 18 2.5.1 Nguyên lý của Phương pháp xử lý bề mặt bằng Công nghệ Plasma 18 2.5.2 Khả năng xử lý bề mặt của Công nghệ Plasma 18 vii
9. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21 3.1 Các định nghĩa cơ bản 21 3.1.1 Ion hóa và năng lượng ion hóa 21 3.1.2 Bậc Ion hóa và phân loại Plasma 21 3.1.3 Bán kính nguyên tử 22 3.2 Sự tương tác giữa các hạt trong Plasma 22 3.2.1 Tiết diện hiệu dụng 22 3.2.2 Khoảng cách đường tự do trung bình 22 3.2.3 Tần số va chạm 22 3.2.4 Va chạm đàn hồi và không đàn hồi 22 3.2.5 Sự tạo H2O2 và gốc –OH 24 3.3 Các phản ứng trong xử lý Plasma 25 3.4 Năng lượng hấp thu bề mặt 28 3.4.1 Năng hượng hấp thu bề mặt trước khi xử lý 28 3.4.2 Năng lượng hấp thu bề mặt sau khi xử lý 29 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 30 4.1 Những yêu cầu cơ bản của đề tài 30 4.2 Phương án và giải pháp thực hiện 31 4.2.1 Phương án thiết kế 31 4.2.2 Thiết kế mô hình 35 4.3 Kết cấu bộ phận xử lý Plasma 38 4.3.1 Mô hình thiết kế 38 4.3.2 Thuyết minh sơ đồ thực nghiệm 39 4.3.3 Mô hình thực tế 40 4.3.4 Bộ nguồn 41 4.3.4.1 Mạch điều chỉnh độ rộng xung: 41 4.3.4.2 Mạch điều chỉnh tần số và điện áp 42 4.3.4.3 Biến tần 43 4.3.4.4 Bộ biến áp 44 4.4 Trình tự công việc tiến hành 44 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN 46 5.1 Cơ cấu định vị ống thạch anh 46 5.1.1 Số liệu ban đầu 46 5.1.2 Tính toán 46 5.2 Cơ cấu trượt cụm ống thạch anh vào hệ thống 50 5.2.1 Số liệu ban đầu 50 viii
10. 5.2.2 Tính toán 51 5.3 Tính toán chọn động cơ cho rulo chính 51 5.4 Tính toán bộ truyền đai 52 5.4.1 Chọn loại đai: 53 5.4.2 Xác định số đai z: 54 5.4.3 Xác định lực căn ban đầu và lực căn tác dụng lên trục: 55 5.5 Thiết kế trục rulo chính 55 5.5.1 Chọn vật liệu 56 5.5.2 Xác định sơ bộ đường kính trục 56 5.5.3 Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và điểm đặt lực 56 5.5.4 Biểu đồ nội lực trục rulo chính 58 CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM 62 6.1 Chế tạo 62 6.1.1 Bộ định vị ống thạch anh 62 6.1.2 Cơ cấu rãnh trượt 64 6.1.3 Rulo chính và khung hệ thống 65 6.2 Làm thí nghiệm 66 6.2.1 Tiến hành lắp hệ thống 66 6.2.2 Bố trí thí nghiệm 66 6.2.3 Thí nghiệm với mẫu giấy 69 6.2.4 Thí nghiệm với mẫu nhôm 76 6.3 Kết luận và kiến nghị 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 82 ix
11. DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 : Quy trình sản xuất vỏ hộp sữa 2 Hình 2.1 a) Irving Langmuir đạt Giải Nobel Hóa học năm 1932 6 Hình 2.2 Bìa cuốn sách “Điện trong các chất khí” của J.Stark 6 Hình 2.3 a) Plasma tự nhiên; b) Plasma nhân tạo 7 Hình 2.4 Sự thay trạng thái vật chất theo nhiệt độ 8 Hình 2.5 Bao bì giúp bảo vệ sản phẩm 9 Hình 2.6 Bao bì giúp ngăn cách với môi trường bên ngoài 9 Hình 2.7 Bao bì, nhãn mác giúp cung cấp thông tin sản phẩm chi tiết 10 Hình 2.8 Cấu tạo của vỏ hộp sữa TH True MILK 12 Hình 2.9 Nhôm và những ứng dụng của Nhôm 14 Hình 2.10 Hạt nhựa PE 15 Hình 2.11 Nguyên lý xử lý, làm sạch và tăng năng lượng bề mặt bằng Plasma 18 Hình 3.1 a) Nhóm cacbonyl; b) Nhóm hydroxyl; c) Nhóm carboxyl 25 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý quy trình sản xuất vỏ hộp 31 Hình 4.2 Các phương án thiết kế 32 Hình 4.3 Mô hình xử lý Plasma bằng Rulo dạng ống 33 Hình 4.4 Mô hình xử lý Plasma bằng tấm kim loại 34 Hình 4.5 Điện cực dương ngắn hơn điện cực âm 35 Hình 4.6 Điện cực dương dài hơn điện cực âm 35 Hình 4.7 Thanh điện cực dương Inox 36 Hình 4.8 Định vị điện cực dương bằng tấm nhôm uốn 37 Hình 4.9 Định vị điện cực dương bằng nhựa teflon 37 Hình 4.10 Mô hình rãnh trượt chữ T 38 Hình 4.11 Mô hình rãnh trượt chữ L 38 Hình 4.12 Mô hình thiết kế 38 Hình 4.13 Mô hình chế tạo thực tế 40 Hình 4.14 Bộ xử lý Plasma 41 Hình 4.15 Tính toán mạch điều chỉnh độ rộng xung 41 Hình 4.16 Chu kỳ một xung 42 Hình 4.17 Tính toán mạch hiệu chỉnh tần số và điện áp 42 Hình 4.18 Tính toán giá trị tần số 43 Hình 4.19 Mạch biến tần 43 Hình 4.20 Biến tần 44 Hình 4.21 a) Bộ biến áp; b) Bộ khuếch đại 44 Hình 5.1 Ống thạch anh 46 x
12. Hình 5.2 Sơ đồ ý tưởng định vị ống thạch anh 47 Hình 5.3 Thông số bu-lông lục giác DIN 7991 48 Hình 5.4 Tính toán kích thước khối V 48 Hình 5.5 Bản vẽ lắp một Module 49 Hình 5.6 Khoảng sai số sau điều chỉnh 50 Hình 5.7 Mô hình lắp cụm xử lý 50 Hình 5.8 Kết cấu trục rulo chính 55 Hình 5.9 Sơ đồ lực tác dụng lên trục rulo chính 56 Hình 5.10 Biểu đồ nội lực 58 Hình 5.11 Ổ đỡ trục rulo chính 60 Hình 6.1 Chi tiết định vị ống thạch anh 62 Hình 6.2 Chi tiết dùng để kẹp chặt ống thạch anh 62 Hình 6.3 Bộ định vị sau khi lắp ghép 63 Hình 6.4 Bộ rãnh trượt 64 Hình 6.5 Thử nghiệm cơ cấu trượt 64 Hình 6.6 Rulo chính 65 Hình 6.7 Khung hệ thống 65 Hình 6.8 Mô hình đo kết quả xử lý 67 Hình 6.9 Quá trình chụp ảnh lấy kết quả đo 68 Hình 6.10 Hình ảnh của một mẫu chụp 68 Hình 6.11 Một giọt nước trên mẫu giấy chưa xử lý Plasma 69 Hình 6.12 Mẫu thí nghiệm qua 1 lần xử lý 71 Hình 6.13 Mẫu thí nghiệm qua 5 lần xử lý 72 Hình 6.14 Mẫu thí nghiệm qua 1 lần xử lý 73 Hình 6.15 Mẫu thí nghiệm qua 3 lần xử lý 73 Hình 6.16 Đồ thị mối liên hệ tốc độ xử lý và mức năng lượng bề mặt 75 Hình 6.17 Mẫu thí nghiệm chưa qua xử lý 76 Hình 6.18 Hình ảnh giọt nước trước khi tiếp xúc bề mặt nhôm 77 Hình 6.19 Hình ảnh giọt nước sau khi tiếp xúc bề mặt nhôm 77 Hình 6.20 Mô hình thiết kế kiến nghị xử lý giấy 78 Hình 6.21 Mô hình thiết kế kiến nghị xử lý nhôm 79 Hình 6.22 Mô hình thể hiện đường đi của phôi nhôm 80 xi
13. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Vật liệu, chức năng của các lớp cấu tạo nên vỏ hộp sữa TH True MILK 13 Bảng 2.2 Phản ứng trao đổi năng lượng giữa thành phần Plasma với bề mặt 19 Bảng 3.1 Các phản ứng bề mặt 26 Bảng 3.2 Các phản ứng xảy ra trong chất khí tạo các electron 26 Bảng 3.3 Các phản ứng xảy ra trong chất khí tạo ra các ion và các hạt trung hòa 27 Bảng 3.4 Bảng thể hiện năng lượng tiếp xúc của bề mặt nhựa trước khi xử lý 28 Bảng 3.5 Bảng thể hiện năng lượng tiếp xúc của bề mặt sau khi xử lý 29 Bảng 4.1 Bảng so sánh thiết kế điện cực dương và điện cực âm 35 Bảng 4.2 Bảng so sánh phương án định vị điện cực dương 37 Bảng 4.3 Bảng so sánh phương án Rãnh trượt 37 Bảng 6.1 Kết quả đo Contact Angle của mẫu giấy chưa xử lý 70 Bảng 6.2 Kết quả xử lý với tốc độ 50 m/p 72 Bảng 6.3 Kết quả xử lý với tốc độ 40 m/p 74 Bảng 6.4 Kết quả xử lý tốc độ 30 m/p 74 xii
14. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PE Polyethylene Cụm XL1 Cụm xử lý 1 Cụm XL2 Cụm xử lý 2 Cụm XL3 Cụm xử lý 3 xiii
15. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Các loại vỏ hộp dùng để đựng nước ép trái cây, sữa tươi, sữa chua, v.v được làm từ nhiều lớp vật liệu khác nhau, nhằm đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm, chất lượng và kéo dài thời gian sử dụng sản phẩm. Các loại vỏ hộp thông thường được làm từ năm đến chín lớp vật liệu kết dính lại với nhau; trong đó có một lớp giấy để in mẫu mã sản phẩm, tên nhà sản xuất, hàm lượng các chất, một lớp nhôm ngăn ngừa vi khuẩn xâm nhập từ bên ngoài vào, chống ánh sáng trực tiếp và các lớp nhựa PE mỏng để tạo liên kết giữa chúng. Hiện nay trên thế giới có nhiều phương pháp xử lý bề mặt nhằm làm tăng sự liên kết giữa các lớp vật liệu với nhau. Trong đó, phương pháp xử lý bề mặt như dùng khí gas đốt trực tiếp lên bề mặt vật liệu hoặc sử dụng hóa chất được sử dụng rộng rãi. Phương pháp sử dụng khí gas đốt trực tiếp lên bề mặt vật liệu rất khó điều chỉnh năng lượng. Nếu nhiệt độ quá cao có thề làm cháy vật liệu hoặc nếu nhiệt độ không đạt được mức cho phép thì không đạt hiệu quả xử lý, dễ gây ra cháy nổ. Phương pháp sử dụng hóa chất sẽ tồn đọng các chất cặn còn sót lại trên bề mặt vật liệu, gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, đồng thời gây ô nhiễm môi trường do các chất thải. Ngoài các phương pháp trên thì còn một phương pháp mới được áp dụng để xử lí bề mặt nữa đó là dùng công nghê Plasma. Công nghệ Plasma đang được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực xử lý và làm sạch bề mặt. Công nghệ này sử dụng năng lượng dưới dạng điện năng để ion hóa không khí làm môi trường để xử lý và làm sạch bề mặt, do đó công nghệ này có nhiều ưu điểm vượt trội như không sử dụng hóa chất, không gây ô nhiễm môi trường, dễ điều khiển tốc độ xử lý, dễ xử lý trong dây chuyền sản xuất liên tục và phục vụ sản xuất hàng loạt, Từ những vấn đề trên, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tao mudule xử lí bề mặt bằng công nghệ Plasma ứng dụng vào quy trình sản xuất vỏ nước ép trái cây trở thành một đề tài mang tính thực tiễn cao. Hiện nay quy trình sản xuất các loại vỏ hộp nước trái cây ở các doanh nghiệp hoặc công ty lớn đa dạng, tùy thuộc vào từng loại vỏ hộp chứa những loại nước ép khác nhau. Dưới đây là quy trình sản xuất vỏ hộp nước ép trái cây của công ty sữa Vinamilk được thực hiện qua các bước sau: 1
16. Hình 1.1 : Quy trình sản xuất vỏ hộp sữa Với quy trình trên ta thấy: - Giai đoạn cán ép giữa lớp giấy và lớp PE1 hoặc giữa lớp PE2 và nhôm cần được xử lí bằng công nghệ Plasma làm tăng năng lượng bề mặt để 2 lớp vật liệu kết dính lại với nhau; - Giai đoạn xử lí lớp PE3 cuối cùng cũng cần được xử lí để tráng một lớp hóa chất cuối cùng và diệt khuẩn. 1.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế quy trình sản xuất vỏ hộp sữa, nước trái cây sử dụng công nghệ Plasma sẽ mở ra nhiều giải pháp mới, phương hướng phát triển mới nhằm tiết kiệm năng lượng, giảm tác hại của hóa chất tồn dư và dễ điều khiển. Nghiên cứu, thiết kế quy trình và chế tạo thử một modul xử lí bề mặt đòi hỏi sinh viên phải có kiến thức tổng hợp về cơ khí, điện. Đây cũng là cơ hội tìm hiều về quy trình sản xuất vỏ hộp sữa nước trái cây thực tế và công nghệ Plasma. Đề tài thiết kế quy trình và chế tạo thử một modul xử lí bề mặt mà nhóm đang thực hiện giúp các thành viên có thể củng cố kiến thức và kĩ năng về mọi mặt. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Thiết kế hệ thống xử lý bề mặt giấy và nhôm bằng phương pháp plasma. Hệ thống xử lý gồm 3 trạm xử lý, trong đó có 2 trạm xử lý 1 bề mặt (Trạm XL 1 và Trạm XL 3) và 1 2
17. trạm xử lý 2 bề mặt (Trạm XL 2) (hình 1.1). Ứng với mỗi trạm xử lý có 2 module, mỗi module gồm 3 ống thạch anh có đường kính d=25 (mm); Các thông số của hệ thống xử lý: ➢ Tốc độ xử lý: số vòng quay trục roller chính mang phôi (giấy, nhôm) v=50 m/p; ➢ Bề rộng của bề mặt cần xử lý là: B=684 (mm), bề rộng thiết kế B’=700 (mm) (thông số từ kích thước vỏ hộp). 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu - Các bề mặt vật liệu cần được xử lý: giấy, nhôm; - Quy trình sản xuất vỏ hộp sữa, nước ép trái cây bằng công nghệ Plasma. 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Vật liệu: nhôm, giấy dưới dạng phẳng; Kích thước: bề rộng xử lý B = 684 mm; Tốc độ xử lý v = 50 m/p. 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.5.1 Cơ sở phương pháp luận Phương pháp phân tích tài liệu: Tham khảo từ giáo trình, sách báo và tài liệu về công nghệ Plasma và được hồ trợ từ Giảng viên hướng dẫn (Th.S Thái Văn Phước). Điều tra thực tế: Thực hiện các thí nghiệm về xử lý bề mặt của các vật liệu, đồng thời tham khảo các nghiên cứu đã thực hiện trước để đưa ra các nhận xét, đánh giá và đề xuất các phương án thiết kế. 1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể - Tham khảo tài liệu thiết kế máy về sử dụng công nghệ Plasma trong xử lý bề mặt; - Phương pháp tổng hợp: từ các nguồn thông tin từ phương pháp trên tiến hành chọn lọc tài liệu, xử lý, đề xuất phương án, nguyên lí hoạt động, thiết bị hỗ trợ và thực hiện thiết kế mô hình; - Tiến hành làm thí nghiệm, phân tích kết quả và tối ưu hóa các phương án thiết kế. 1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp Đồ án tốt nghiệp bao gồm 6 chương: - Chương 1: Giới thiệu - Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài - Chương 3: Cơ sở lí thuyết - Chương 4: Phương hướng và các giải pháp - Chương 5: Đề xuất công nghê; tính toán, thiết kế 3
18. - Chương 6: Chế tao thử nghiêm, đánh giá Kết luận và kiến nghị. 4
19. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu về Plasma 2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển Năm 1835, Michael Faraday (1791-1867) là người đầu tiên bắt đầu nghiên cứu để giải thích hiện tượng mẫu ánh sáng giống như sao chổi trên bề mặt cách điện sinh ra do sự phóng điện từ điện cực điểm. Các thí nghiệm của ông rất nổi tiếng và đã làm rõ nguồn gốc của luồng ánh sáng đó, luồng ánh sáng sau này được gọi là “trạng thái thứ tư” của vật chất, trạng thái plasma khí. Khi đưa điện áp vào hai đầu điện cực trong một phần ống thủy tinh có hút chân không yếu, Sir William Cropkes (1832- 1919), một nhà khoa học người Anh, đã quan sát thấy lớp sáng này và đặt tên cho nó là “Trạng thái thứ tư”. Ông viết: “Những hiện tượng xảy ra trong ống chân không đã mở ra cho khoa học vật lý một thế giới mới, thế giới mà trong đó vật chất có thể tồn tại ở trạng thái thứ tư”. Sau đó, các nghiên cứu của ông đã đưa ra tiền đề chính xác về thực trạng trong ống đã sản sinh các hạt mang điện tích là ion. Năm 1857, Werner von Siemens, một kỹ sư người Đức, đã phát minh và được nhận bằng sáng chế về công nghệ ứng dụng đầu tiên của plasma khí. Năm 1897, dựa vào nội dung công trình được giải thưởng Nobel về điện tử của J.J.Thomson (1856-1940), một giáo sư của Đại học Cambridge, viết về bản chất của nguyên tử có cấu tạo từ điện tử và ion, các nhà khoa học đã giải thích được plasma bao gồm điện tử và ion. Năm 1902, nhà vật lý học người Đức Johannes Stark đã đúc kết và cho ra đời cuốn sách “Điện trong các chất khí” (Die Elektrizitaet in Gasen), được coi là cuốn sách lý thuyết đầu tiên đầy đủ nhất về vật lý khí tích điện (hình 1.3). Năm 1919 ông được nhận giải Nobel về Vật lý. Năm 1923, nhà bác học Irving Langmuir (1881-1957), sau này được giải thưởng Nobel về Hóa học vào năm 1932, khám phá ra “dao động plasma” trong chất khí được ion hóa và năm 1928 ông là người đầu tiên chính thức đưa ra thuật ngữ “plasma” cho ngành vật lý. 5
20. Hình 2.1 a) Irving Langmuir đạt Giải Nobel Hóa học năm 1932 b) Johannes Stark đạt Giải Nobel Vật lý năm 1919 Hình 2.2 Bìa cuốn sách “Điện trong các chất khí” của J.Stark Trong những năm 1920 và 1930, do một số nhu cầu thực tiễn đặc biệt, một số nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu những vấn đề mà ngày nay ta gọi là “vật lý plasma”. Các nghiên cứu đó tập trung tìm hiểu về: Ảnh hưởng của các hạt ion plasma đến sự truyền sóng radio ngắn; Ống điện tử khí dùng cho chỉnh lưu, tách sóng, công tắc, bộ ổn định điện 6
21. áp trong lĩnh vực công nghệ điện tử. Vào đầu những năm 1940, Hannes Alfvén đã phát triển lý thuyết về sóng thuỷ từ (hydromagnetic wave), hiện nay được gọi là sóng Alfvén và cho rằng sóng này rất quan trọng trong plasma vật lý vũ trụ. Tiếp sau đó, trong xu hướng nghiên cứu plasma trên thế giới, đã xuất hiện ngày càng nhiều các công trình nghiên cứu về plasma không gian, ví dụ nghiên cứu về các loại plasma sinh ra gần Trái Đất như chớp, cực quang , nghiên cứu dùng in-situ plasma để đo từ trường Trái Đất, nghiên cứu gió Mặt trời, hào quang Mặt Trời Trong những năm 1990, bắt đầu có những nghiên cứu về plasma bụi. Cũng trong hai thập kỷ 1980 và 1990, plasma-không trung tính được quan tâm. Cả plasma bụi và plasma không trung tính đều được coi là những trạng thái kỳ lạ của vật chất vì loại plasma này có một số đặc tính nào đó giống như một chất rắn (ví dụ tạo thành cấu trúc quasi-crystalline). Những quốc gia đã có công đóng góp chính vào sự hình thành và phát triển khoa học plasma là Đức, Anh, Mỹ, Liên Xô cũ. Tuy nhiên, không thể không kể đến nhiều quốc gia khác như Pháp, Ý, Nga, Nhật, Hàn Quốc đã sử dụng nhiều plasma trong các kỹ thuật hiện đại và nhờ đó thúc đẩy khoa học và công nghệ plasma tiếp tục phát triển. 2.1.2 Sơ nét về Công nghệ Plasma (a) (b) Hình 2.3 a) Plasma tự nhiên; b) Plasma nhân tạo Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất (các trạng thái khác là rắn, lỏng, khí) trong đó các chất bị ion hóa mạnh. Đại bộ phận phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân, các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân. Plasma không phổ biến trên Trái Đất tuy nhiên trên 99% vật chất trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma, vì thế trong bốn trạng thái vật chất, plasma được xem như trạng thái đầu tiên trong vũ trụ. 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4