Hcmute nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống phủ nano bằng công nghệ plasma

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG PHỦ NANO BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA S K C 0 9 MÃ SỐ: T2014-01GVT S KC 0 9 Tp Hồ Chí Minh, 2014 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG DÀNH CHO GIẢNG VIÊN TRẺ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG PHỦ NANO BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA Mã số: T2014-01GVT Chủ nhiệm đề tài: ThS Thái Văn Phước Thành viên đề tài: TP HCM, tháng 12/2014 Luan van MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỀU iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nước 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nghiên cứu số loại vải thông dụng 2.1.1 Vải cotton – vải sợi 2.1.2 Vải từ sợi polyester 2.1.3 Lụa – tơ tằm 2.1.4 Vải tổng hợp 2.2 Sơ lược nano 2.2.1 Phương pháp chế tạo nano kim loại 2.2.2 Tính chất nano kim loại 2.2.3 Một số loại dung dịch nano để phun phủ 10 2.3 Các phương pháp phủ nano lên bề mặt 14 2.3.1 Phun trực tiếp lên bề mặt 14 2.3.2 Ngâm tẩm dung dịch nano 15 2.4 Giới thiệu Plasma 15 2.5 Nguyên lý tạo liên kết hóa học gốc nano vải công nghệ Plasma lạnh 18 i Luan van Chương THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN 19 3.1 u cầu kỹ thuật mơ hình 19 3.2 Các phương án thiết kế tạo Plasma 19 3.2.1 Phương án 19 3.2.2 Phương án 20 3.3 Thiết kế sơ 21 3.3.1 Phương án (sử dụng điện cực dương ngắn cực âm) 21 3.3.2 Phương án (sử dụng điện cực dương dài cực âm) 21 3.3.3 Phương án định vị điện cực 22 3.4 Hệ thống kết cấu mơ hình 23 3.5 Thuyết minh sơ đồ thực nghiệm 25 3.6 Mơ hình thử nghiệm ban đầu 25 3.7 Mạch điều chỉnh độ rộng xung 26 3.8 Mạch điều chỉnh tần số điện áp 27 3.9 Bộ biến áp 28 Chương CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 29 4.1 Trình tự cơng việc tiến hành 29 4.2 Chọn vật liệu cho hệ thống 29 4.3 Tính tốn cho hệ thống 30 4.3.1 Tính tốn chọn động 30 4.3.2 Tính tốn thiết kế bánh đai 30 4.3.3 Tính tốn thiết kế trục 32 4.3.4 Thiết kế mơ hình 35 CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 38 5.1 Chế tạo 38 5.1.1 Chế tạo giá đỡ 38 5.1.2 Chế tạo trục lăn 38 5.1.3 Gối đỡ trục 38 5.1.4 Chế tạo đỡ trục lăn 39 ii Luan van 5.1.5 Mơ hình thực tế 39 5.2 Thử nghiệm 40 5.3 Kết thực nghiệm 40 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 iii Luan van DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình - Sơ đồ bước sản xuất dệt, nhuộm, may thành phẩm [9] Hình – Cấu trúc phân tử vải cotton (vải sợi bông) Hình – Hạt nano từ phương pháp siêu âm 11 Hình – Cấu trúc nano TiO2 12 Hình – Công thức cấu tạo nano Silane-TEOS 13 Hình – Phủ nano phương pháp phun trực tiếp 15 Hình – Chùm tia Plasma (a-Plasma ngồi tự nhiên; b-Plasma nhân tạo) 16 Hình – Phản ứng tạo liên kết phân tử nano-Silane sợi vải 18 Hình - Mơ hình dạng 20 Hình 10 - Mơ hình dạng ống phóng Plasma 20 Hình 11 – Mơ hình vùng phản ứng Plasma phương án 21 Hình 12 - Mơ hình vùng phản ứng Plasma phương án 22 Hình 13 – Định vị điện cực bên ống thạch anh 22 Hình 14 – Định vị điện cực bên 23 Hình 15 – Sơ đồ mơ hình hệ thống phủ nano cơng nghệ Plasma lạnh 23 Hình 16 - Sơ đồ mơ hình hệ thống phủ nano cơng nghệ Plasma lạnh 24 Hình 17 – Nano-Silane hóa đưa vào vùng 25 Hình 18 - Mơ hình thí nghiệm xử lý phủ nano vải 26 Hình 19 – Thí nghiệm vải chống thấm nước 26 Hình 20 – Mạch điều chỉnh độ rộng xung 26 Hình 21 – Chu kỳ xung 27 Hình 22 – Mạch điều chỉnh tần sồ điện áp 27 Hình 23 – Bộ biến áp khuếch đại 28 Hình 24 – Sơ đồ phân bố lực trục chủ động 34 Hình 25 – Biểu đồ phân bố lực momen xoắn trục lăn 35 Hình 26 – Thân đế 35 iv Luan van Hình 27 - Giá đỡ trục vào giá đỡ trục 36 Hình 28 – Tấm đỡ trục lăn 36 Hình 29 – Thanh đỡ trục lăn 36 Hình 30 – Gối đỡ Plasma 36 Hình 31 – Tấm đỡ ống thạch anh 36 Hình 32 - Mơ hình hóa dung dịch nano-Silane 37 Hình 33 – Chi tiết giá đỡ 38 Hình 34 – Chi tiết trục lăn 38 Hình 35 – Gối đỡ trục 38 Hình 36 – Tấm đỡ trục lăn 39 Hình 37 – Mơ hình xử lý phủ nano vải 39 Hình 38- Ảnh thực tế: vải xử lý phủ nano(bên trái) vải không xử lý (bên phải), vải thun cotton 40 Hình 39 - Ảnh hưởng tốc độ xử lý đến góc tiếp xúc θc vải thun cotton 41 Hình 40 - Ảnh chụp sợi vải thun cotton sau xử lý nano máy SEM (110V, 1A, 0,8 m/ph) 41 Hình 41- Ảnh hưởng dịng điện đầu vào đến góc tiếp xúc θc vải thun cotton 41 Hình 42 - Ảnh hưởng điện áp đầu vào đến góc tiếp xúc θc vải thun cotton 41 Hình 43- Ảnh hưởng dịng điện đầu vào đến góc tiếp xúc θc vải sơ-mi polyester 42 Hình 44 - Ảnh hưởng điện áp đầu vào 42 Hình 45: Ảnh hưởng dịng điện đầu vào đến góc tiếp xúc θc vải thun tổng hợp 43 Hình 46: Ảnh hưởng điện áp đầu vào đến góc tiếp xúc θc vải thun tổng hợp 43 Hình 47 - Sự thay đổi góc tiếp xúc theo thời gian 43 v Luan van DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng – Đặc tính loại vải sợi Bảng – Số nguyên tử lượng bề mặt hạt nano hình cầu Bảng – Sự suy giảm hàm lượng Ag theo số lần giặt [10] 11 Bảng – Các trình trao đổi lượng trạng thái Plasma [4] 17 Bảng - Một số trình va chạm trao đổi lượng hạt (Plasma) với bề mặt [4] 17 vi Luan van DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT nlc Năng lượng cao TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TN Thí nghiệm TNHH Trách nhiện hữu hạn vii Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Tp HCM, ngày 03 tháng 11 năm 2014 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình thực nghiệm hệ thống phủ Nano bề mặt công nghệ Plasma” Mã số: T2014-01GVT Chủ nhiệm: ThS Thái Văn Phước Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Thời gian thực hiện: tháng 12/2013 đến tháng 12/2014 Mục tiêu: - Chế tạo mơ hình thiết bị xử lý phủ nano vải công nghệ Plasma nhiệt độ thấp; Tìm thơng số vận hành mơ hình Tính sáng tạo: - Quá trình xử lý đơn giản, tiết kiệm lượng; Quy trình vận hành đơn giản; Dễ dàng lắp đặt dây chuyền sản xuất vải Kết nghiên cứu: - Thí nghiệm chứng minh khả phủ nano mơ hình; Các thơng số vận hành mơ hình Sản phẩm: - Mơ hình thực nghiệm hệ thống phủ nano vải công nghệ Plasma nhiệt độ thấp môi trường áp suất thường; Một báo đăng “Tạp chí Khoa học giáo dục kỹ thuật Tp HCM” Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: - Hoàn thiện phát triển thành hệ thống hồn chỉnh chuyển giao cho sơ sản xuất vải Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) (ký, họ tên) Thái Văn Phước Luan van Trong : Fr : lực tác dụng đai lên trục P : trọng lực trục ( =90 N) Fr = 2.Fo.sin ( (công thức 4.21 trang 64 [ 15] ) Fo: lực căng đai : góc ơm bánh đai Mà Fo = 780 + Fv(công thức 4.19 trang 63 [ 15] ) Do truyền với tốc độ chậm nên lấy Fv =  Fo = 780 = 55 N  Fr = 2.55.sin ( ∑ = 105 N Phản lực liên kết: = - Fr.0,065 + P -YB  YB = P - Fr.0,065  YB = 90 -105.0,065 = 83 N ∑ = -Fr.2,065 +2.NA –P 33 Luan van  2.NA = P + Fr.2,065  NA = 155 N - Biểu đồ phản lực: + Đoạn CA:  Tung độ đầu : = -105 N  Tung độ cuối : = -105 N + Đoạn AB:  Tung độ đầu : = + NA = -105 + 155 = 50 N  Tung độ cuối : = + P = 50 -90 = -40 N Hình 24 – Sơ đồ phân bố lực trục chủ động - Biểu đồ moment: + Đoạn CA:  Tung độ đầu :  Tung độ cuối : =0N = = Fr.0,065 = -10 N + Đoạn AB: 34 Luan van  Tung độ đầu : =0N  Tung độ cuối : = = -10 + 50 = N Hình 25 – Biểu đồ phân bố lực momen xoắn trục lăn 4.3.4 Thiết kế mơ hình  Thiết kế thân đế Hình 26 – Thân đế 35 Luan van  Thiết kế giá đỡ Hình 27 - Giá đỡ trục vào giá đỡ trục  Thiết kế đỡ trục lăn, gối đỡ trục Plasma, kế đỡ trục lăn, đỡ ống thạch anh Hình 28 – Tấm đỡ trục lăn Hình 30 – Gối đỡ Plasma Luan van Hình 29 – Thanh đỡ trục lăn Hình 31 – Tấm đỡ ống thạch anh 36  Thiết kế hệ thống phủ nano Hình 32 - Mơ hình hóa dung dịch nano-Silane 37 Luan van CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 5.1 Chế tạo Sau tính tốn thiết kế, chi tiết gia cơng hình sau 5.1.1 Chế tạo giá đỡ Hình 33 – Chi tiết giá đỡ 5.1.2 Chế tạo trục lăn Hình 34 – Chi tiết trục lăn 5.1.3 Gối đỡ trục Hình 35 – Gối đỡ trục 38 Luan van 5.1.4 Chế tạo đỡ trục lăn Hình 36 – Tấm đỡ trục lăn 5.1.5 Mơ hình thực tế Hình 37 – Mơ hình xử lý phủ nano vải công nghệ Plasma lạnh áp suất thường 39 Luan van 5.2 Thử nghiệm Sau phun dung dịch silane, vải sấy khô đưa vào vung xử lý Plasma, di chuyển với vận tốc khác Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý khảo sát: thời gian xử lý (vận tốc vải di chuyển qua chùm tia Plasma), điện áp cường độ dòng điện đầu vào cung cấp cho nguồn Plasma, loại chất liệu vải khác Trong trình xử lý, khoảng cách điện cực ống ceramic giữ không đổi =5mm Để đánh giá hiệu trình xử lý ảnh hưởng thông số trên, vải sau xử lý đo góc tiếp xúc θc Q trình đo góc Hình 38- Ảnh thực tế: vải xử lý tiếp xúc θc vải tiến hành sau phủ nano(bên trái) vải không xử lý 48 sau xử lý, nhằm tránh ảnh (bên phải), vải thun cotton a) b) – sau giây; c) d) – sau giây; hưởng việc tăng lượng bề e) f) – sau phút mặt vải trình xử lý gây nên Mỗi mẫu vải – xử lý thông số cụ thể tiến hành đo lần 5.3 Kết thực nghiệm Hình 39 cho thấy ảnh hưởng tốc độ xử lý đến góc tiếp xúc θc vải thun cotton, thí nghiệm tiến hành với thơng số: điện áp đầu vào 110 V, cường độ dòng điện đầu vào 1A Kết cho thấy tốc độ xử lý tăng từ 0,2 m/ph đến 1,8 m/ph góc tiếp xúc θc tăng từ 1500 đến 1540, nhiên tốc độ xử lý tăng đến 2÷2.5 m/ph θc lại giảm 40 Luan van Hình 39 - Ảnh hưởng tốc độ xử lý đến Hình 40 - Ảnh chụp sợi vải thun cotton sau góc tiếp xúc θc vải thun cotton xử lý nano máy SEM (110V, 1A, 0,8 m/ph) Kết giải thích tác dụng Plasma, phản ứng tạo liên kết hóa học sợi vải-cotton phân tử nano-silane diễn kết làm cho vải có tính chất siêu chống thấm; nhiên trì Plasma thời gian dài (vận tốc xử lý chậm) chùm tia Plasma phá hủy, bẽ gãy liên kết sợi vải phân tử nanosilane, làm cho tính chất siêu chống thấm bị giảm xuống Ngược lại tốc độ xử lý nhanh dẫn đến thời gian phản ứng tạo liên kết hóa học sợi vải phân tử nano-silane diễn khơng đầy đủ, kết xử lý θc