Nghiên cứu chế tạo màng nhôm trên đế nhựa pet nhằm ứng dụng trong bao bì

Hiện tại trên thị trường có rất nhiều các loại vật liệu được chế tạo ra để phục vụ nhu cầu sản xuất các loại bao bì yêu cầu các tính chất trên, và nổi bật hơn cả là vật liệu metallized P

Mục tiêu đề tài

− Tìm hiểu tính chất bề mặt và cấu tạo của vật liệu PET, màng metallized,

− Phân tích, khảo sát và tiến hành đánh giá phương pháp xử lý bề mặt nhựa PET bằng phương pháp plasma ở nhiều điều kiện khác nhau

− Nghiên cứu chế tạo màng nhôm trên đế nhựa PET bằng hai phương pháp phún xạ và bốc bay

− Tiến hành thu thập mẫu thử và khảo sát đánh giá cấu trúc, tính chất xuyên thấm khí, độ bền cơ học

− Khảo sát ứng dụng vật liệu chế tạo ứng dụng trong bảo quản sản phẩm ở các điều kiện môi trường khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu

− Tổng hợp, phân tích tài liệu về MPET, lá nhôm

− Nghiên cứu thực nghiệm thực tế để đánh giá đồ án

− So sánh, phân tích và đánh giá các sản phẩm mẫu thu thập được và mẫu thực nghiệm để đánh giá kết quả đề tài

Giới hạn đề tài

Đề tài giới hạn nghiên cứu về quy trình chế tạo, phương pháp đánh giá trên vật liệu màng MPET Nhóm sẽ phân tích, đánh giá và so sánh ứng dụng của vật liệu màng MPET so với màng nhôm nhằm ứng dụng trong bao bì Tiến hành thực nghiệm trên các mẫu vật liệu thu thập được từ quá trình chế tạo, từ đó thu thập bảng số liệu để đánh giá đồ án

TỔNG QUAN

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Sản phẩm in trên màng MPET đã xuất hiện cách đây từ rất lâu Trong những năm tiếp theo, công nghệ chế tạo màng MPET đã trải qua một quá trình nghiên cứu đưa ra những cải tiến đáng kể, nó được ưa chuộng hơn so với bao bì màng nhôm do đáp ứng được các tính chất, lại hiệu quả về kinh tế, cũng như chất lượng tốt và độ bền cao hơn Vào năm 2004, nhóm học giả tại trường đại học vùng North Kingstown, RI đã nghiên cứu và đưa ra những ưu điểm khi sử dụng màng MPET thay thế cho màng nhôm trong các ứng dụng bao bì Nghiên cứu đã chỉ ra những đặc tính nổi trội của màng MPET sẽ dần thay thế màng nhôm trong thị phần sản xuất bao bì mềm

Nhờ vào thành phần và các đặc tính bảo vệ sản phẩm bên trong ưu việt của MPET mà nó mang lại ưu điểm vượt trội so với các loại vật liệu khác:

− Có khả năng chống hơi ẩm và nước

− Chịu được các quá trình hấp, sấy nhiệt đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm

− Nâng cao chất lượng và mỹ quan của bao bì

Vì những ưu điểm trên nên màng MPET ngày càng được phát triển và ứng dụng rộng rãi Vật liệu này đã mang lại một lợi ích đáng kể cho ngành in trong và ngoài nước Vì thế, đã xuất hiện nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu và đánh giá để đưa ra những quy trình chế tạo tối ưu nhất Việc sử dụng màng MPET để in ra các sản phẩm bao bì đang là sự lựa chọn của nhiều doanh nghiệp trong và ngoài nước Nó giúp cho việc lựa chọn loại vật liệu phù hợp và đảm bảo an toàn cho sản phẩm bên trong đặc biệt là các loại bao bì cho thực phẩm, dược phẩm Với những ưu điểm nổi bật như cản khí, ẩm, ánh sáng Cùng với chi phí sản xuất thấp hơn nhiều so với các loại vật liệu cùng đặc tính, vật liệu này dễ dàng hơn khi ứng dụng vào sản xuất bao bì Ngoài ra, khi sử dụng màng MPET sẽ làm giảm lượng nhôm khi sản xuất nên an toàn cho môi trường Không chỉ dừng lại ở đó mà sản phẩm sau khi được hoàn thiện cũng được mọi người ưa chuộng hơn cả về màu sắc và chất lượng

Vì vậy, tối ưu và kiểm soát được quy chính chế tạo ra màng MPET đang được chú ý rất nhiều do nhu cầu sử dụng của các doanh nghiệp Đề tài ngày càng được phát triển rộng theo nhu cầu và xu hướng phát của ngành in Đối với trong nước, lĩnh vực ít được đưa ra để nghiên cứu chuyên sâu về quá trình chế tạo cũng như kiểm soát được chất lượng sản phẩm đầu ra Chủ yếu được khá nhiều sinh viên lựa chọn làm đồ án với các lĩnh vực liên quan như các phương pháp xử lý bề mặt vật liệu không thấm hút, cách kiểm tra bề mặt vật liệu hay giải pháp xử lý năng lượng bề mặt của mực và màng…

Và lĩnh vực này còn được tìm hiểu và phát triển mạnh đối với các nhà cung cấp mực, cung cấp vật liệu không thấm hút và các hiệp hội in ấn tại Việt Nam Tuy nhiên, đa phần đều tập trung nghiên cứu nhiều về phần lý thuyết, các thực nghiệm nghiên cứu thì rất ít và thường được giữ lại làm tài liệu nội bộ không công bố ra bên ngoài Đối với thế giới, đây là lĩnh vực đã được khác nhiều nước nghiên cứu và phát triển Những bài báo, bài viết nói về vấn đề này cũng khá phổ biến Họ nghiên cứu và mở rộng đề tài ra nhiều khía cạnh từ các vấn đề có thể gây ra liên quan đến đề tài Nhiều thực nghiệm được nghiên cứu và thực hiện để đánh giá sự ảnh hưởng đề tài theo nhiều khía cạnh Đề tài thì nghiên cứu về mặt công nghệ xử lý vật liệu, người thì nghiên cứu phương pháp đánh giá chất lượng và nhiều tính chất khác như tính bền cơ học, độ thẩm thấu không khí, độ bám dính mực trên màng MPET Không dừng ở đó, nhiều người và tổ chức còn nghiên cứu các giải pháp mới mẻ nhằm thiết lập một quy trình sản xuất tối ưu nhất và mang lại sản phẩm chất lượng cao, bền khi ở ngoài môi trường Năm 2015 trường Cao đẳng ở Hoa Kỳ là Kate Gleason College of Engineering đã nghiên cứu về vòng đời sử dụng của bao bì sản xuất bằng màng MPET Nghiên cứu này nhằm đánh giá chất lượng các loại bao bì sản xuất bằng màng Metallized và khả năng chống chịu thời tiết của các sản phẩm bao bì này Cũng trong năm này, một nhóm nghiên cứu của trường Đại học Công nghệ Tây Bengal ở Ấn Độ đã nghiên cứu về tiềm năng thay thế metallized PET cho bao bì cà phê đóng gói Nghiên cứu này nhằm đánh giá chất lượng của bao bì và các lợi thế của vật liệu MPET thay thế cho các loại bao bì sử dụng lá nhôm

Nghiên cứu đã tính toán tổng khối lượng và cấu trúc của hai mẫu MPET và lá nhôm Chi phí được tính toán là 0,17986 USD/m 2 đối với MPET trong khi đó là khoảng 0,26387 USD đối với lá nhôm Do đó, giảm 31,83% chi phí khi sử dụng cấu trúc dựa trên MPET trong bao bì cà phê, cấu trúc MPET có lợi thế hơn một chút so với lá hôm về mật độ quang học, điều này sẽ làm giảm sự mất mùi thơm của cà phê theo thời gian Ở giai đoạn này, việc so sánh đặc tính rào cản giữa MPET và Nhôm là vô cùng quan trọng vì vật liệu đóng gói cà phê có đặc tính đòi hỏi phải có đặc tính rào cản cao để kiểm tra sự mất mùi, vị, v.v theo thời gian Xem xét kĩ hơn ở các chỉ số xuyên thấm khí, truyền hơi nước đều cho thấy màng MPET nhỉnh hơn so với lá nhôm

Hình 1.1: Thành phần & chi phí sản xuất giữa PET và MPET

Nhìn chung, đề tài nghiên cứu, đánh giá chất lượng màng MPET được nhiều người chú ý và quan tâm Ngoài ra, đã có nhiều đề tài mở rộng vấn đề về độ bám dính hay các vấn đề về mực, đánh giá màu sắc hay ứng dụng nhiều công nghệ mới Tất cả các nghiên cứu, đánh giá cũng đều nhằm mục đích đưa ra giải pháp tối ưu và xây dựng một quy trình sản xuất hiệu quả nhất, để tạo những sản phẩm đạt chất lượng, độ bền cao, phù hợp với yêu cầu của khách hàng.

Về vật liệu

Hình 1.2: Cấu trúc Polyetylen terephatalat (PET)

Nhựa PET (Polyetylen terephtalat) được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và là một trong những polyester được sử dụng rộng rãi nhất Đây là một loại polymer nhựa nhiệt dẻo được sử dụng trong nhiều ứng dụng từ công nghiệp, y tế đến điện tử Nhựa PET được sử dụng nhiều trong lĩnh vực bao bì và là sản phẩm polymer được in nhiều nhất

❖ Các thông số nhiệt độ quan trọng của nhựa PET:

− Nhiệt độ nóng chảy (Melt temperature): Nhiệt độ mà PET chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng Khoảng nhiệt độ nóng chảy của PET là từ 240 – 260 o C

− Nhiệt độ hóa thủy tinh (Glass transition temperature - Tg): Nhiệt độ mà PET chuyển từ trạng thái cứng và giòn sang trạng thái mềm dẻo và đàn hồi Khoảng nhiệt độ hóa thủy tinh của PET là từ 70 – 80 o C (158 – 176 o F)

− Nhiệt độ nhiễu loạn phân tử (Melting point temperature): Nhiệt độ mà PET hoàn toàn nóng chảy Đối với PET, nhiệt độ nhiễu loạn phân tử là gần nhiệt độ nóng chảy, khoảng từ 245 – 255 o C (473 – 491 o F)

− Bền cơ học cao, có khả năng chịu đựng lực xé và lực va chạm, chịu đựng sự mài mòn cao, có độ cứng cao

− PET được FDA, bộ y tế Canada, EFSA và các cơ quan y tế khác đánh giá là an toàn khi tiếp xúc với thực phẩm

− Chống thấm khí O2, và CO2 tốt hơn các loại nhựa khác

− Khi được gia nhiệt đến 200 0 C hoặc làm lạnh ở –90 0 C, cấu trúc hóa học của mạch PET vẫn được giữ nguyên, tính chống thấm khí hơi vẫn không thay đổi khi nhiệt độ khoảng 100 0 C

− Vì PET là vật liệu có khả năng chống ẩm và chống nước tốt nên được sử dụng làm các chai đựng nước uống như chai nước khoáng, nước có gas

− Độ bền cơ học cao nên được sử dụng làm băng keo

− Khả năng trơ với hóa chất cùng với các tính chất vật lý khác như nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ hóa thủy tinh cao làm cho PET phù hợp để làm bao bì cho các loại mỹ phẩm, hộp sử dụng cho lò vi sóng, màng trong suốt…

− PET còn được dùng trong ngành điện do tính cách điện tốt, cấu trúc ổn định Nó là một polymer có thể thay thế các loại phôi kim loại: các bộ phận quang điện, hộp nối năng lượng mặt trời, …

Màng Metallized PET (MPET) là màng polymer được mạ một lớp kim loại mỏng thường là nhôm, vật liệu này được sản xuất bằng phương pháp bay hơi bột nhôm trong môi trường chân không Đối với quá trình này, nó được sử dụng nhôm nguyên chất ở dạng bột với hàm lượng nhôm ít nhất là 99,98% Độ dày của lớp kim loại này phụ thuộc vào tính chất cần phải có của bao bì như: chống hơi ẩm, chống thấm khí, chống nước, … Lớp mạ càng dày thì tính chống thấm sẽ càng cao, tuy nhiên giá thành của màng metallized cũng sẽ tăng theo Màng được sản xuất theo cách này thu được ánh kim loại và do đó đạt được hiệu ứng quang học đặc biệt

❖ Các thông số nhiệt độ quan trọng của màng MPET:

− Nhiệt độ nóng chảy (Melt temperature): Không khác biệt đáng kể so với PET thông thường Nó vẫn nằm trong khoảng từ 240 – 260 o C (464 – 500 o F) Việc metallized hóa lên bề mặt nhựa PET không ảnh hưởng đến nhiệt độ nóng chảy của PET thông thường vì kim loại tráng phủ chỉ chiếm một lớp mỏng trên bề mặt PET

− Nhiệt độ hóa thủy tinh (Glass transition temperature - Tg): Nhiệt độ hóa thủy tinh của MPET có thể dao động trong khoảng từ 70 – 90 o C (158 – 194 o F) Tuy nhiên,

Tg của MPET có thể bị tăng lên so với PET thông thường do sự có mặt của lớp kim loại

− Nhiệt độ nhiễu loạn phân tử (Melting point temperature): Nhiệt độ nhiễu loạn phân tử của MPET gần như tương đương với nhiệt độ nóng chảy của PET thông thường, khoảng từ 240 – 260 o C (464 – 500 o F)

- Có khả năng chống hơi ẩm và nước

- Chịu được các quá trình hấp, sấy nhiệt đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm

- Giữ màu sắc cao cho bao bì theo thời gian, chống bong tróc

- Nâng cao chất lượng và mỹ quan của bao bì

Thị trường MPET toàn cầu được dự đoán sẽ tăng từ 2,4 tỷ USD năm 2020 lên

3,3 tỷ USD vào năm 2026, với tốc độ CAGR là 5,3% từ năm 2021 đến năm 2026 Đã có sự tăng trưởng đáng kể trong ngành thực phẩm, đồ uống và tương tự dự kiến sẽ tăng trưởng với tốc độ nhanh hơn Điều này sẽ thúc đẩy nhu cầu về màng MPET vì nó được sử dụng rộng rãi trong ngành đóng gói thực phẩm và đồ uống

Nhu cầu của người tiêu dùng ngày càng tăng đối với các mặt hàng thực phẩm: chế biến và đóng gói, có thời hạn sử dụng lâu hơn, tăng nhu cầu về bao bì thân thiện với khách hàng, và thay đổi sở thích đối với các sản phẩm hấp dẫn về mặt thẩm mỹ Nhiều sản phẩm dễ bị hư hỏng do bao bì không đáp ứng được các yêu cầu bảo quản, với màng MPET là một giải pháp lí tưởng cho các dòng sản phẩm đó, đặc biệt là những bao bì bảo quản các loại sản phẩm đòi hỏi về bảo quản hương vị, độ tươi như là cà phê, soup, … vẫn giữ được đầy đủ mùi thơm cũng như hương vị của chúng trong một thời gian dài Màng MPET có độ bóng cao nên có hiệu ứng tráng gương tốt, sử dụng để tăng độ thẩm mĩ của bao bì, thu hút được thị hiếu của người tiêu dùng

So với các hộp nhựa truyền thống được sử dụng trên toàn cầu, bao bì MPET có trọng lượng nhẹ, đây là một lợi thế giúp giảm chi phí vận chuyển và lưu trữ

Lá nhôm được làm từ hợp kim nhôm chứa từ 92 đến 99% nhôm Lá nhôm được tạo ra bằng cách nung chảy và làm lạnh hợp kim nhôm và sau cùng là cán mỏng cuộn nhụm tạo ra sản phẩm Quỏ trỡnh này tạo ra lỏ nhụm cú độ dày từ 12 – 20àm tựy theo mong muốn sau một loạt các lần đi qua máy cán

❖ Các thông số nhiệt độ quan trọng của lá nhôm:

− Nhiệt độ chịu nhiệt (Heat resistance): Đây là nhiệt độ tối đa mà lá nhôm có thể chịu được mà không bị biến dạng hay bị hỏng Thông thường, nhôm có khả năng chịu nhiệt tốt và có thể chịu được nhiệt độ lên đến khoảng 600 o C (1112 o F)

Năng lượng và sức căng bề mặt

Năng lượng bề mặt (surface energy) là mức độ hút hoặc đẩy mà bề mặt của vật liệu này tác dụng lên vật liệu khác Năng lượng phá vỡ được các liên kết hóa học của bề mặt vật liệu được gọi là năng lượng bề mặt Năng lượng bề mặt là tiêu chí quyết định độ bám dính của mực in, vecni, keo trên bề mặt vật liệu Năng lượng bề mặt của vật liệu càng cao thì độ bám dính lên bề mặt vật liệu của nó càng tốt

Hình 1.5: Năng lượng bề mặt vật liệu

Sức căng bề mặt (surface tension) là một lực căng tồn tại trên bề mặt chất lỏng do sự tương tác giữa các phân tử trong lớp bề mặt, dẫn đến hiện tượng bề mặt chất lỏng có xu hướng co lại để giảm diện tích bề mặt

Hình 1.6: Sức căng bề mặt phân tử nước Để đạt được liên kết tối ưu, chất nền được liên kết phải có năng lượng bề mặt cao hơn sức căng bề mặt của chất kết dính, do đó đạt được khả năng thấm ướt hoặc thẩm thấu tốt, sức căng bề mặt phải thấp hơn năng lượng bề mặt của chất nền

❖ Các yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt:

• Sức căng bề mặt phụ thuộc vào bản chất của chất tiếp xúc

− Ví dụ: Sức căng bề mặt của nước trên hơi nước sẽ khác với sức căng bề mặt của nước trên benzen

• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sức căng bề mặt

− Ví dụ: Khi nhiệt độ tăng sức căng bề mặt giảm xuống

Hình 1.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sức căng bề mặt

• Tương tác giữa vật liệu và môi trường xung quanh cũng có thể ảnh hưởng đến sức căng bề mặt

− Ví dụ, một vật liệu có khả năng hút ẩm cao có thể có sức căng bề mặt thấp do tương tác với độ ẩm trong không khí

• Độ tinh khiết: Tinh khiết của vật liệu cũng có thể ảnh hưởng đến sức căng bề mặt Các tạp chất hoặc các chất bẩn trên bề mặt có thể làm giảm sức căng bề mặt của vật liệu

• Cấu trúc bề mặt: Cấu trúc và hình dạng của bề mặt vật liệu cũng có thể ảnh hưởng đến sức căng bề mặt Bề mặt có cấu trúc thô và không đồng nhất có thể có sức căng bề mặt cao hơn so với bề mặt mịn và đồng nhất

Sức căng bề mặt có ở bề mặt của chất lỏng, nó tạo bởi lực liên kết của các phân tử mặt ngoài (mặt phân cách giữa chất lỏng và chất khí) phía chất lỏng cũng có lực đẩy lên bề mặt chất lỏng, phía không khí cũng có lực đẩy lên bề mặt, do đó hầu như

13 các bề mặt lúc nào cũng hiện diện sức căng

Công thức tính sức căng bề mặt:

− σ, γ hoặc T: sức căng bề mặt

− dG: năng lượng dư bề mặt

− dS: độ tăng diện tích bề mặt (1cm 2 ) Đơn vị sức căng bề mặt:

− Theo hệ SI, đơn vị σ: J/m 2 , N/m

− Theo hệ CGS, đơn vị σ: erg/cm 2 = dyn/cm

❖ Ảnh hưởng của năng lượng bề mặt

Năng lượng bề mặt có thể làm thay đổi thể tích vật liệu nên ta sẽ thêm các phân tử bên trong bề mặt lên trên bề mặt vật liệu bằng một công nội áp Công này nhằm thắng lực tương tác giữa các phân tử nên nó tỉ lệ với độ tăng diện tích tiếp xúc Để có thể in được trên các bề mặt vậy liệu không thấm hút thì cần tăng năng lượng bề mặt để phá vỡ các liên kết hóa học trên bề mặt vật liệu, các liên kết đã bị phá vỡ sẽ có xu hướng liên kết với các liên kết có lực liên kết yếu hơn, từ đó có thể dễ dàng in được trên các bề mặt vật liệu không thấm hút

Công thức tính độ bám dính lên bề mặt vật liệu không thấm hút:

Nếu: H âm thì mực sẽ không bám dính

− H bằng 0 hoặc dương thì mực sẽ bám dính trên bề mặt

− A: năng lượng bề mặt của vật liệu không thấm hút

− B: sức căng bề mặt chất lỏng

− C: năng lượng liên kết bề mặt giữa chất rắn và chất lỏng

Bảng 1.2: Sức căng bề mặt một số vật liệu

Vật liệu không thấm hút (Polymer) Sức căng bề mặt (mN/m)

Hiện tượng thấm ướt

Hiện tượng thấm ướt gần giống với hiện tượng hấp thụ cũng là sự tương tác, sự kết dính của các nguyên tử, ion hoặc phân tử từ chất khí, chất lỏng hoặc chất rắn hòa tan vào một bề mặt Quá trình này tạo ra một lớp màng của chất bị thấm ướt trên bề mặt của chất thấm ướt Quá trình này khác với quá trình hấp thụ, trong đó chất lỏng (chất bị thấm ướt) được hòa tan hoặc thấm qua chất lỏng hoặc chất rắn (chất thấm ướt) Thấm ướt là một hiện tượng bề mặt, trong khi sự hấp thụ bao gồm toàn bộ thể tích của vật liệu, mặc dù sự thấm ướt thường xảy ra trước sự hấp thụ

Giống như sức căng bề mặt, sự thấm ướt là hệ quả của năng lượng bề mặt Trong một khối vật liệu, tất cả các liên kết (có thể là ion, cộng hóa trị hoặc kim loại) của các nguyên tử cấu thành của vật liệu đều được các nguyên tử khác trong vật liệu đáp ứng Tuy nhiên, các nguyên tử trên bề mặt chất thấm ướt không được bao bọc hoàn toàn bởi các nguyên tử chất thấm ướt khác và do đó có thể hút chất bị thấm ướt

Nếu lực tương tác giữa các phân tử chất lỏng (chất bị thấm ướt) với các phân tử trên bề mặt chất rắn (chất thấm ướt) mạnh hơn lực tương tác giữa các phân tử chất lỏng với nhau thì sự thấm ướt sẽ xảy ra Khi đó, chất lỏng sẽ chảy lan ra trên bề mặt rắn và thấm ướt vào chất rắn thông qua lực tương tác giữa các phân tử trên bề mặt tiếp xúc của hai chất Ngược lại, nếu các phân tử chất lỏng có tương tác hút với nhau mạnh hơn so với tương tác hút giữa các phân tử chất lỏng với các phân tử trên bề mặt chất rắn tiếp xúc thì sự thấm ướt không xảy ra Lúc này, chất lỏng có xu hướng tụ lại thành giọt làm cho diện tích tiếp xúc giữa bề mặt chất lỏng và chất rắn là ít nhất

Khi lực tương tác giữa hai loại phân tử chất lỏng và rắn chênh lệch nhau không nhiều, thì sự thấm ướt vẫn có thể xảy ra nhưng không hoàn toàn Lúc này sự thấm ướt được xác định phụ thuộc vào góc thấm ướt θ Khi đó giọt chất lỏng sẽ bị giới hạn bởi lực tương tác của ba môi trường: Chất rắn, chất lỏng, chất khí Độ thấm ướt được tính thông qua góc thấm ướt – góc hình thành giữa tiếp tuyến của giọt chất lỏng tại điểm giao nhau của ba môi trường rắn, lỏng, khí với bề mặt chất rắn (nơi xảy ra hiện tượng thấm ướt)

Hình 1.8: Góc thấm ướt của chất lỏng

Góc thấm ướt được tính thông qua phương trình Young – thể hiện sự thấm ướt giữa các cặp môi trường: Rắn – lỏng, rắn – khí, khí – lỏng

• σR-K: Sức căng bề mặt của chất rắn với khí

• σR-L: Sức căng bề mặt của chất rắn với lỏng

• σK-L: Sức căng bề mặt của chất khí với lỏng

- Khi θ = 0 0 thì cosθ = 1: Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn bề mặt chất rắn

- Khi θ = 180 0 thì cosθ = -1: Chất lỏng không thấm ướt bề mặt chất rắn

- Khi 0 0 < θ < 90 0 : Chất lỏng dễ thấm ướt bề mặt chất rắn

- Khi 90 0 < θ < 180 0 : Chất lỏng khó thấm ướt bề mặt chất rắn

Trong ngành in, với vật liệu không thấm hút thì độ thấm ướt thấp vì bề mặt có độ phân cực thấp Vì vậy để làm cho vật liệu có khả năng thấm ướt tốt các chất lỏng thì phải đảm bảo năng lượng bề mặt của vật liệu phải lớn hơn sức căng bề mặt của chất lỏng Thông thường với những loại vật liệu không thấm hút thì sẽ xử lý bằng cách phủ primer, hoặc xử lý corona, plasma để tăng năng lượng bề mặt của vật liệu

Hiện nay có rất nhiều kỹ thuật giúp hỗ trợ việc đo và xác định được góc thấm ướt của chất lỏng trên các loại vật liệu không thấm ướt như màng, kim loại, thủy tinh,

…như phương pháp kính thiên văn thông thường, phương pháp cân bằng Wilhelmy và các phương pháp phân tích hình giọt nước được phát triển gần đây Mỗi phương pháp sẽ có những thiết bị và dụng cụ khác nhau giúp xác định góc thấm ướt θ Tuy nhiên, kỹ thuật mà nhiều phòng thí nghiệm thường hay sử dụng để xác định góc thấm ướt tại các cơ sở nghiêm cứu là phương pháp kính thiên văn Phương pháp này gồm một bộ thiết bị chủ yếu như kính hiển vi, bộ định vị, ống tiêm với dung tích tối đa 10àl, webcam, phần mềm phõn tớch ảnh như ImageJ và một số vật dụng khỏc Chỳng ta sẽ để vật liệu cần kiểm tra độ bám dính lên bàn quan sát của kính hiển vi, sau đó nhỏ giọt chất lỏng lên trên vật liệu và qua sự phóng đại của kính hiển vi kết hợp với các thiết bị khác như bộ định vị, … giúp cho thiết bị webcam chụp lại hình ảnh giọt chất lỏng sắc nét và chính xác hơn Hình ảnh đó sẽ được chuyển qua phần mềm xử lý ảnh như ImageJ để giúp xác định góc thấm ướt của chất lỏng trên bề mặt vật liệu

Hình 1.9: Máy phân tích góc thấm ướt

(a) kính hiển vi, (b) bộ định vị, (c) phần gắn bộ định vị vào đèn chiếu của kính hiển vi,

(d) webcam và (e) phần mềm xử lý hình ảnh thu được từ webcam

Tuy nhiên, thực hiện theo phương pháp này đòi hỏi thiết bị phải đầy đủ nên kinh phí đầu tư khá cao Nên nếu chúng ta nghiên cứu không cần đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối thì ta có thể thay thế máy phân tích góc thấm ướt bằng một máy chụp ảnh và ống lens giúp cho ảnh chụp được có độ sắc nét cao Ta cũng sẽ thực hiện các bước tương tự, chuẩn bị vật liệu cần kiểm tra độ bám dính và nhỏ giọt chất lỏng cần kiểm tra lên trên vật liệu Sau đó chụp lại ảnh và đưa vào phần mềm xử lý ảnh ImageJ để đo góc thấm ướt θ.

Công nghệ xử lý bề mặt Plasma

Công nghệ xử lý bề mặt Plasma là phương pháp xử lý thay thế cho corona khi xử lý bề mặt đối với một số loại vật liệu phức tạp và có yêu cầu xử lý cao Là một quá trình sử dụng để tăng năng lượng bề mặt của rất nhiều loại vật liệu, để cải thiện khả năng bám dính của bề mặt Đặc biệt trong nhiều ngành công nghiệp, công nghệ Plasma được xem như là phương pháp xử lý bề mặt tiêu chuẩn cho các loại vật liệu, ví dụ như: polymer, giấy, bề mặt kim loại, Công nghệ xử lý bề mặt Plasma có rất nhiều công dụng, ví dụ như: làm sạch bề mặt, tráng phủ, tăng độ bám dính cho sơn và kết dính, tăng năng lượng bề mặt

Ba trạng thái thường gặp của vật chất là thể rắn, lỏng, khí và plasma là trạng thái thứ tư (thể khí ion hóa) Ngoài sử dụng nhiệt độ cao, người ta có thể dùng các tia

UV, tia X, tia beta cực mạnh chiếu vào chất khí để biến chất khí sang trạng thái plasma

Theo tính chất nhiệt động lực học, plasma gọi là plasma nóng (thermal plasma) khi được tạo ra ở nhiệt độ, áp suất và năng lượng cao; gọi là plasma lạnh (non-thermal plasma, cold plasma) khi được tạo ra ở áp suất thường hoặc chân không, cần ít năng lượng hơn

Nguyên lý hoạt động của công nghệ Plasma dựa trên một nguyên lý vật lý đơn giản Khi tiếp xúc với năng lượng vật chất từ thể rắn thành thể lỏng, từ thể lỏng thành khí Và khi được tiếp xúc thêm năng lượng, từ thể khí, vật chất bị ion hóa chuyển về trạng thái thứ tư của nó là Plasma Trong ứng dụng công nghiệp, Plasma được tạo ra bằng cách đưa các loại khí như Helium, Argon, Nitrongen, Oxygen hay không khí vào vùng điện cao áp và tần số lớn Vùng có điện áp cao và tần số lớn sẽ kết hợp để diễn ra quá trình kích thích, trao đổi năng lượng và kết quả các phân tử khí tách ra thành các ions, electrons hoặc chuyển sang trạng thái kích thích mang nội năng lượng lớn

Hình 1.10: Các trạng thái vật chất

❖ Plasma với xử lý bề mặt

Công nghệ phun plasma dựa theo nguyên lý: sử dụng khí trơ (hoặc các loại khí khử), với áp lực lớn thổi vào khoảng giữa cực dương và cực âm, dưới tác động của hồ quang, khí bị ion hóa ở nhiệt độ cực cao, luồng plasma sinh ra được phun qua đầu phun với vận tốc cao; bột phun được hút vào luồng khí này, nóng chảy và phun phủ lên bề mặt chi tiết

Hình 1.21: Phương pháp xử lý Plasma

Với những tính chất trên, Plasma thích hợp để thực hiện quá trình xử lý siêu sạch (với kích thước micro) trên bề mặt kim loại, thủy tinh, ceramic; Loại bỏ các chất oxy hóa trên bề mặt vật liệu; Tăng năng lượng bề mặt trước khi sơn-xi mạ, phun phủ, dệt nhuộm, …

Công nghệ plasma tạo ra lớp màng phủ kích cỡ nano với độ dày nhỏ hơn khoảng

500 lần so với độ dày sợi tóc Đây là loại màng phủ đa tính năng, có thể bảo vệ hầu hết các bề mặt vật liệu Công nghệ này có thể thực hiện phun phủ lên nhiều loại vật liệu khác nhau, kim loại hay phi kim loại như: gốm sứ, giấy, gỗ và các vật liệu polymer với chất phủ và công nghệ phủ thích hợp; và thực hiện được với nhiều loại chi tiết, cũng như xử lý tại chỗ đối với các kết cấu lớn

❖ Sử dụng công nghệ Plasma vào quá trình xử lý bề mặt vật liệu

Khi hướng chùm hạt mang năng lượng lớn trong Plasma lên trên bề mặt cần xử lý, các hạt sẽ bắn phá lên bề mặt, bẻ gãy, phá vỡ các thành phần vô cơ, hữu cơ bám trên bề mặt như dầu mỡ; qua đó làm sạch bề mặt ở kích thước tế vi và đồng thời qua quá trình va đập của chùm hạt lên bề mặt vật liệu sẽ làm tăng năng lượng hấp thu bề mặt Quá trình tương tác của các hạt mang năng lượng trong Plasma trên bề mặt diễn ra rất nhanh (10 -9 giây), đồng thời diễn ra hai quá trình làm sạch và tăng năng lượng bề mặt được rút ngắn hơn nhiều so các phương pháp xử lý truyền thống như bằng hóa chất, hay dùng nhiệt (flame)

Hình 1.32: Nguyên lý làm sạch và tăng năng lượng hấp thụ bề mặt của plasma

Sau khi xử lý Plasma giúp làm tăng năng lượng bề mặt, tăng độ hấp thụ trên bề mặt

Hình 1.13: Plasma làm tăng góc thấm ướt

Hình 1.44: Độ hấp thụ bề mặt nhựa PET trước & sau xử lý plasma

Một trong những ưu điểm của Plasma là xử lý được kích thước tế vi và làm thay đổi được tính chất của bề mặt vật liệu Bằng cách sử dụng các loại hỗn hợp khí khác nhau như O2, H2O, NH3, N2… làm thành phần, Plasma sẽ tương tác và làm thay đổi tính chất hóa học trên bề mặt vật liệu, qua đó giúp quá trình in diễn ra nhanh và bền hơn.

Phương pháp metallized hóa trên đế nhựa PET

Là kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên lý truyền động năng bằng cách dùng các ion khí hiếm được tăng tốc dưới điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động năng cho các nguyên tử này bay về phía đế và lắng đọng trên đế

Hình 1.55: Mô hình phóng xạ

Dòng khí (thường là argon hoặc argon+O2, argon+N2) được bơm vào buồng chân không tạo plasma hình thành các ion Ar+ Các ion này hướng về bia vật liệu (kim loại cần tạo mạng mỏng) được áp thế âm Các ion này di chuyển với vận tốc cao, bắn phá bia vật liệu và đánh bật các nguyên tử của bia vật liệu ra khỏi bia vật

22 liệu Các nguyên tử này "bốc hơi" và đi đến substrate (thuỷ tinh hay chất nền silicon), tích tụ trên bề mặt và hình thành màng mỏng khi số lượng nguyên tử đủ lớn Trong quá trình bắn phá của ion Ar+ vào bia vật liệu, ngoài quá trình đánh bật các nguyên tử của bia vật liệu, còn có các quá trình khác xảy ra như hình thành các electron thứ cấp, hấp phụ, hình thành hợp chất Trong quá trình phún xạ, ta có thể lợi dụng các ion thứ cấp hình thành để tăng tốc độ tạo màng hoặc giảm thế áp vào bia vật liệu hoặc giảm áp suất dòng Ar Kỹ thuật này gọi là (magnetron sputtering) Trong kỹ thuật này ta áp 1 từ trường vào bia vật liệu Từ trường này sẽ giữ các electron thứ cấp dao động trên các đường sức từ quanh bia vật liệu Các electron dao động gần bề mặt bia vật liệu sẽ góp phần ion hoá nhiều nguyên tử Argon hơn Chính điều này tăng tốc độ quá trình tạo màng mỏng

Quá trình hình thành màng mỏng: các nguyên tử tập hợp lại thành từng cụm trên bề mặt Khi các cụm đủ lớn sẽ liên kết lại hình thành màng (gồm một số lớp nguyên tử) Từ các lớp ban đầu này màng sẽ tiếp tục phát triển, nhưng không phải phát triển đồng đều cho cả bề mặt, mà phát triển theo các hướng có năng lượng tự do thấp nhất

Có thể hình thành các cột hay các cụm và cứ thế phát triển, hình thái và tính chất của màng sẽ khác nhau

− Dễ dàng chế tạo các màng đa lớp nhờ tạo ra nhiều bia riêng biệt

− Quy trình phún xạ ổn định, dễ lặp lại và dễ tự động hóa

− Độ bám dính của màng với đế rất tốt do các nguyên tử đến lắng đọng trên màng có động năng khá cao

− Màng tạo ra có độ mấp mô bề mặt thấp và có hợp thức gần với của bia, có độ dày chính xác hơn

− Phần lớn năng lượng phún xạ tập trung lên bia, làm nóng bia, cho nên phải có bộ làm lạnh bia

− Tốc độ phún xạ nhỏ, hiệu suất về năng lượng thấp

− Bia thường là rất khó chế tạo và chi phí cao

− Hiệu suất sử dụng bia thấp (không sử dụng được hết, nhiều khi do bia giòn, cho nên dễ bị nứt dẫn đến hỏng sau số lần phún xạ chưa nhiều.)

− Trong nhiều trường hợp, không cần đến nhiệt độ đế, nhưng nó luôn bị đốt nóng

1.6.2 Phương pháp bốc bay nhiệt

Kỹ thuật phủ màng bằng phương pháp nhiệt chân không bao gồm việc đun nóng trong chân không cho đến khi có sự bay hơi của vật liệu để phủ màng Hơi vật liệu cuối cùng sẽ ngưng tụ dưới dạng màng mỏng trên bề mặt lạnh của đế (và trên thành buồng chân không)

Thông thường, người ta sử dụng áp suất thấp khoảng 10 -6 hoặc 10 -5 torr, để tránh phản ứng giữa hơi vật liệu và không khí

Bên cạnh đó, trong kỹ thuật bốc bay nhiệt năng lượng trung bình của những phân tử hơi khi chạm tới bề mặt của đế khá thấp Việc này tác động mạnh đến hình thái của màng, kết quả là màng có lổ hỏng và ít bám dính

Bộ phận chính của thiết bị bốc bay là một buồng chân không được hút chân không cao (cỡ 10 -5 – 10 -6 Torr) nhờ các bơm chân không (bơm khuếch tán hoặc bơm phân tử ) Người ta dùng một thuyền điện trở (thường làm bằng các vật liệu chịu nhiệt và ít tương tác với vật liệu, ví dụ như vônphram, bạch kim ) đốt nóng chảy các vật liệu nguồn, và sau đó tiếp tục đốt sao cho vật liệu bay hơi

Vật liệu bay hơi sẽ ngưng đọng lên các đế được gắn vào giá phía trên Chiều dày của màng thường được xác định trực tiếp trong quá trình chế tạo bằng biến tử thạch anh Khi màng bay hơi sẽ bám lên biến tử đặt cạnh đế, biến thiên tần số dao động của biến tử sẽ tỉ lệ với chiều dày của màng bám vào biến tử

− Thiết bị chế tạo tương đối đơn giản

− Bề mặt ít bị hư tổn

− Màng thu được nhanh gọn, chất lượng tương đối tốt Bề mặt màng tương đối sạch (trong chân không)

− Vật liệu nguồn dễ thay đổi

− Độ đồng đều màng thấp

− Màng khó tạo trên một mặt phẳng rộng cũng như các đế gồ ghề

− Không thể tạo màng quá mỏng, khả năng khống chế độ dày của phương pháp này rất kém (do tốc độ bay hơi khó điều khiển)

− Khó điều chỉnh thành phần hợp kim, độ dày màng do bốc bay hơi ngẫu nhiên

− Năng lượng hơi kim loại thấp, tán xạ tăng, các nguyên tử không xuyên sâu vào đế (trao đổi năng lượng ít) dẫn đến màng không chắc bền, độ bám dính thấp.

Các phương pháp đo màng metallized hóa

1.7.1 Độ bền kéo giãn và độ bền kéo đứt

Cường độ chịu kéo của vật liệu sản xuất bao bì đóng góp một vai trò quan trọng trong chất lượng của sản phẩm bao bì sản xuất từ nó Độ bền kéo tốt liên quan đến độ bền sử dụng của vật liệu Vì vậy, cường độ chịu kéo của vật liệu phải được kiểm tra sau khi sản xuất Độ bền kéo của vật liệu nhựa phụ thuộc vào các yếu tố: cấu trúc của vật liệu, thành phần vật liệu, Đo thông số độ bền đứt và độ bền giãn của nhựa PET dẻo là quan trọng trong quá trình kiểm tra chất lượng và đánh giá tính chất cơ học của vật liệu:

• Đo độ bền đứt (Tensile Strength): Độ bền đứt là mức lực tối đa mà mẫu vật liệu có thể chịu trước khi bị đứt gãy Việc đo độ bền đứt giúp xác định khả năng chịu lực kéo của nhựa PET Điều này rất quan trọng để đảm bảo rằng vật liệu có độ bền đủ lớn để chịu được các lực kéo trong quá trình sử dụng và vận chuyển

• Đo độ bền giãn (Elongation at Break): Độ bền giãn là phần trăm biến dạng tối đa mà mẫu vật liệu có thể giãn ra trước khi bị đứt Đo độ bền

25 giãn cho phép biết được độ dẻo và độ co giãn của nhựa PET Nó cũng quan trọng để xác định khả năng chịu biến dạng của vật liệu và đánh giá tính linh hoạt của nó

Cường độ chịu kéo của nhựa được kiểm tra theo tiêu chuẩn ASTM D882 Trong phương pháp này máy kiểm tra kẹp và kéo căng mẫu nhựa với một tốc độ đồng nhất, đến một lực kéo nhất định mẫu nhựa bị kéo ra mức giãn tối đa và đứt, lực kéo giảm đột ngột và lực kéo được xác định Vậy độ bền kéo của màng MPET là chỉ số đo lường khả năng chịu lực kéo của màng trước khi bị đứt và được tính bằng đơn vị N/m 2

❖ Công thức tính độ bền kéo:

− ε là độ bền kéo giãn của màng metallized hoá

− L là chiều dài của màng sau khi bị kéo giãn (mm)

− L0 là chiều dài ban đầu của màng (mm)

− σ là độ bền kéo đứt của màng metallized hoá (MPa)

− F là lực kéo tối đa mà màng có thể chịu được trước khi bị đứt (N)

− A là diện tích của màng (mm 2 )

1.7.2 Độ xuyên thấm khí Độ xuyên thấm khí của màng metallized hoá là khả năng của màng này để ngăn chặn sự xâm nhập của khí, hơi nước hoặc các chất khác qua màng Độ xuyên thấm khí của màng metallized hoá phụ thuộc vào độ dày, cấu trúc và chất liệu của màng

• Đo độ xuyên thấm khí của nhựa PET giúp đánh giá tính kín khí của vật liệu Điều này quan trọng trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là khi nhựa PET được sử dụng làm vật liệu đóng gói hoặc làm lớp bảo vệ cho các sản phẩm như thực phẩm, đồ uống, sản phẩm y tế và hóa chất Tính kín khí đảm bảo rằng sản phẩm bên trong được bảo vệ khỏi sự ảnh hưởng của môi trường bên ngoài như vi khuẩn, hơi nước hay các chất gây ô nhiễm khác

• Việc đo độ xuyên thấm khí cũng giúp đảm bảo tính bền vững của vật liệu trong quá trình sử dụng và lưu trữ Những sản phẩm được làm từ nhựa PET dẻo cần có tính kín đáo và bền vững để giữ cho chất lượng sản phẩm không bị giảm sút theo thời gian

• Đo độ xuyên thấm khí giúp đảm bảo an toàn cho người sử dụng và bảo đảm chất lượng của sản phẩm cuối cùng Trong một số ứng dụng như sản xuất thực phẩm hoặc sản phẩm y tế, tính kín khí là yếu tố quan trọng đảm bảo sự an toàn và vệ sinh của sản phẩm

Dựa trên sự khác biệt áp suất giữa hai mặt của vật liệu Khi khí được thổi qua một mặt của vật liệu, áp suất của khí trong buồng lúc này sẽ tăng, trong khi áp suất của khí ở mặt còn lại của vật liệu vẫn giữ nguyên Sự khác biệt áp suất này sẽ tạo ra một lực đẩy, đẩy khí đi qua vật liệu Độ lớn của lực đẩy này phụ thuộc vào độ dày và tính chất của vật liệu, sự khác biệt áp suất giữa hai mặt của vật liệu Máy đo độ xuyên thấm khí sử dụng các cảm biến áp suất để đo lượng khí xuyên qua vật liệu trong một khoảng thời gian nhất định

❖ Công thức tính độ xuyên thấm khí:

Hình 1.66: Công thức tính độ xuyên thấm khí

1.7.3 Phương pháp đo độ dày

Mẫu được đặt trên một cái đế di chuyển với độ chính xác cao, người ta đặt một đầu dò với mũi làm bằng kim cương, đầu dò ghì sát vào vật mẫu Khi hệ thống đế di chuyển thì đầu dò di chuyển trên vật mẫu tịnh tiến theo một đường thẳng, mũi dò sẽ quét ngang từ biên này sang biên kia của mẫu tại những điểm có độ dày khác nhau, tạo ra sự thay đổi vị trí của lõi biến áp biến thiên theo một đường thẳng

3: DỤNG CỤ, THIẾT BỊ, PHẦN MỀM SỬ DỤNG & QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ

Dụng cụ, thiết bị

Trong phần chế tạo màng metallized trên đế nhựa PET nhóm chúng tôi chọn và sử dụng một số thiết bị cần thiết để hỗ trợ tiến hành thí nghiệm

2.1.1 Thiết bị xử lý Plasma Đối với những loại vật liệu không thấm hút như là đế nhựa PET, có năng lượng bề mặt thấp dẫn đến việc nó không bám dính được, vì vậy các phân tử nhôm trong công đoạn metallized hóa khó có thể bám dính được trên bề mặt loại vật liệu này hoặc nếu có thể thì độ bám dính của nó cũng không cao dễ dàng bị bong tróc Chính vì vậy thiết bị xử lý bề mặt PlasmaPro80 RIE được lựa chọn để để giúp tăng năng lượng bề mặt cho vật liệu nhựa, cải thiện tính bám dính và góp phần giúp cho phân tử nhôm bám dính được tốt trên bề mặt đế nhựa PET trong quá trình metallized hóa phía sau

Nguyên lý hoạt động: Dựa trên việc sử dụng hiệu ứng ăn mòn của plasma và các ion phản ứng để tạo ra sự thay đổi và xử lý bề mặt vật liệu Mẫu được đặt trong buồng chân không của thiết bị Một quá trình bơm chân không được thực hiện để loại bỏ không khí trong buồng Sau đó, sử dụng các loại khí như O2, Ar, N2 được đưa vào buồng tạo thành plasma Plasma được tạo ra trong buồng và các ion phản ứng sẽ tác động lên bề mặt mẫu Những ion này có năng lượng cao và có khả năng phá vỡ liên kết của nguyên tử trên bề mặt mẫu, gây ra quá trình ăn mòn Hiệu ứng ăn mòn này sẽ loại bỏ các lớp vật liệu không mong muốn, làm thay đổi hình dạng và cấu trúc bề mặt của mẫu

Hình 2.1: Thiết bị xử lý PlasmaPro80 RIE Bảng 2.1: Thông số thiết bị Plasma Pro80RIE

Giao diện người dùng Windows PC + Touch Panel

Diện tích xử lý (mm) 240

Tần số nguồn điện (MHz) 13.56 Đầu plasma Xoay hoặc phun

2.1.2 Thiết bị đo sức căng bề mặt

Nguyên lý hoạt động: Dựa trên hiện tượng sự căng bề mặt của một chất lỏng hoặc một màng mỏng do tương tác giữa các phân tử trong đó Điều này dẫn đến sự hình thành một lực căng trên bề mặt, cố gắng làm giảm diện tích bề mặt của chất lỏng hoặc màng mỏng đó Thiết bị sử dụng phương pháp đo góc tiếp xúc để đo lượng sức căng Nguyên lý hoạt động của thiết bị này dựa trên hiện tượng thay đổi góc tiếp xúc giữa một chất lỏng và một màng mỏng khi áp dụng một lực kéo lên màng Thiết bị bao gồm một cảm biến áp suất và một kim đo góc Trong quá trình đo, một mẫu chất lỏng hoặc màng mỏng được chứa trong một hệ thống thí nghiệm Đầu kim của thiết bị được đặt tiếp xúc với màng mỏng và một lực kéo nhỏ được áp dụng lên đầu kim Lực kéo nhỏ này khiến cho màng bị kéo căng, góc tiếp xúc giữa màng và kim sẽ thay đổi Thay đổi góc tiếp xúc được cảm biến ghi nhận thông qua cảm biến áp suất và chuyển đổi thành giá trị sức căng tương ứng

Hình 2.2: Thiết bị đo sức căng bề mặt K100 Bảng 2.2: Thông số thiết bị đo sức căng bề mặt K100

Kích thước (mm) 300 x 390 x 585 Độ phõn giải (àg) 10 Độ chớnh xỏc (àg) 100

❖ Thiết bị theo phương pháp phún xạ

Nguyên lý hoạt động: Dòng khí (thường là argon hoặc argon+O2, argon+N2) được bơm vào buồng chân không tạo plasma hình thành các ion Ar+ Các ion này hướng về bia (kim loại cần tạo mạng mỏng) được áp thế âm Các ion này di chuyển với vận tốc cao, bắn phá bia và đánh bật các nguyên tử của bia ra khỏi bia Các nguyên tử này "bốc hơi" và đi đến vật liệu (thuỷ tinh hay chất nền silicon), tích tụ trên bề mặt và hình thành màng mỏng khi số lượng nguyên tử đủ lớn Trong quá trình bắn phá của ion Ar+ vào bia, ngoài quá trình đánh bật các nguyên tử của bia, còn có các quá trình khác xảy ra như hình thành các electron thứ cấp, hấp phụ, hình thành hợp chất Trong quá trình phún xạ, ta có thể lợi dụng các ion thứ cấp hình thành để tăng tốc độ tạo màng hoặc giảm thế áp vào bia hoặc giảm áp suất dòng Ar Kỹ thuật này gọi là phún xạ magnetron Trong kỹ thuật này ta áp một từ trường vào bia Từ trường này

31 sẽ giữ các electron thứ cấp dao động trên các đường sức từ quanh bia Các electron dao động gần bề mặt bia sẽ góp phần ion hoá nhiều nguyên tử Argon hơn Chính điều này tăng tốc độ quá trình tạo màng mỏng

Quá trình hình thành màng mỏng: các nguyên tử tập hợp lại thành từng cụm trên bề mặt Khi các cụm đủ lớn sẽ liên kết lại hình thành màng (gồm một số lớp nguyên tử) Từ các lớp ban đầu này màng sẽ tiếp tục phát triển, nhưng không phải phát triển đồng đều cho cả bề mặt, mà phát triển theo các hướng có năng lượng tự do thấp nhất Có thể hình thành các cột hay các cụm và cứ thế phát triển, hình thái và tính chất của màng sẽ khác nhau

Hình 2.3: Thiết bị metallized hóa theo phương pháp phún xạ

Bảng 2.3 Thông số thiết bị phún xạ

Thiết bị ACS 4000 C4 Đường kính vật liệu tối đa (inch) 4

Giao diện sử dụng Window PC + Touch panel

32 Độ đồng đều của màng phún xạ (%) 5 Áp suất buồng thứ cấp (Pa) 4.4 × 10 -6 Áp suất buồng sơ cấp (Pa) 6.7 × 10 -4

Vòng quay chất nền (vòng/phút) 3 – 100

Nhiệt độ gia nhiệt chất nền tối đa (°C) 500

❖ Thiết bị theo phương pháp bốc bay

Nguyên lý hoạt động: Bộ phận chính của thiết bị bốc bay là một buồng chân không được hút chân không cao (cỡ 10 -5 – 10 -8 Torr) nhờ các bơm chân không (bơm khuếch tán hoặc bơm phân tử ) Người ta dùng một thuyền điện trở (thường làm bằng các vật liệu chịu nhiệt và ít tương tác với vật liệu, ví dụ như vônphram, bạch kim ) đốt nóng chảy các vật liệu nguồn, và sau đó tiếp tục đốt sao cho vật liệu bay hơi Vật liệu bay hơi sẽ ngưng đọng lên các đế được gắn vào giá phía trên Chiều dày của màng thường được xác định trực tiếp trong quá trình chế tạo bằng biến tử thạch anh Khi màng bay hơi sẽ bám lên biến tử đặt cạnh đế, biến thiên tần số dao động của biến tử sẽ tỉ lệ với chiều dày của màng bám vào biến tử

Hình 2.4: Thiết bị metallized hóa theo phương pháp bốc bay Bảng 2.4: Thông số thiết bị metallized hóa theo phương pháp bốc bay

33 Đường kính vật liệu tối đa (inch) 12 Độ đồng đều của màng phún xạ (%) ± 3 Áp suất của buồng (Torr) 10 -8

Nhiệt độ của đế tối đa (°C) 800

2.1.4 Thiết bị đo độ dày Stylus Profiler Dektak 6M

Nguyên lý hoạt động: Dựa trên việc sử dụng một đầu dò kim cương để quét qua bề mặt mẫu, ghi lại các biến đổi độ cao và phân tích các đặc tính bề mặt của mẫu Thiết bị được điều khiển để di chuyển đầu dò qua bề mặt của mẫu theo một quỹ đạo xác định Đầu dò ghì tiếp xúc với bề mặt mẫu và theo dõi các biến đổi độ cao của bề mặt theo chiều dọc Thiết bị có một cảm biến chuyển đổi chuyển động của đầu dò thành tín hiệu điện Tín hiệu này được chuyển đến máy tính để xử lý và phân tích Dữ liệu được ghi lại để tạo thành các đường cong đo lường và biểu đồ độ dày

Hình 2.5: Thiết bị đo độ dày Stylus Profiler Dektak 6M Bảng 2.5: Thông số máy đo Stylus Profiler Dektak 6M

Kích thước đường kính mẫu tối đa (inch) 6 Độ dày mẫu tối đa (mm) 31,75

Bán kính bút cảm ứng (μm) 12.5

2.1.5 Thiết bị đo độ xuyên thấm khí Đo độ xuyên thấm khí là một phương pháp để đánh giá khả năng bảo quản của sản phẩm bên trong bao bì Bao bì không đủ khả năng ngăn chặn sự xâm nhập của khí, sản phẩm bên trong có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ ẩm, ánh sáng, nhiệt độ và vi khuẩn Vì thế, thiết bị đo độ xuyên thấm khí Oxy OX2/230 giúp đánh giá hiệu quả của bao bì trong việc bảo vệ sản phẩm khỏi các yếu tố bên ngoài và đảm bảo chất lượng của sản phẩm được bảo quản trong thời gian dài

Nguyên lý hoạt động: Các mẫu vật được lắp đặt giữa các buồng trên và dưới áp suất khí quyển xung quanh Một buồng chứa oxy hoặc không khí và ngăn kia đang dần bị thanh lọc bởi một dòng khí nitơ Do sự chênh lệch nồng độ giữa hai buồng, các phân tử oxy thấm qua các mẫu vật vào bên nitơ và được đưa đến cảm biến xác định độ thẩm thấu khí oxy, do đó các tín hiệu điện tỷ lệ được tạo ra Tốc độ truyền oxy sau đó thu được bằng cách phân tích và tính toán các tín hiệu trên máy đo độ thẩm thấu khí Oxy

Hình 2.6: Thiết bị đo độ xuyên thấm khí Oxy OX2/230 Bảng 2.6: Thông số thiết bị đo độ xuyên thấm khí Oxy OX2/230

Phạm vi nhiệt độ ( 0 C) 15 – 55 Độ phân giải (cm 3 /m 2 ngày)) 0.001 Áp suất khí (kPa) 280

2.1.6 Thiết bị đo độ bền cơ học

Các thông số về độ bền kéo, độ kéo giãn là những yếu tố vô cùng quan trọng để đánh giá chất lượng của vật liệu chế tạo ra Để khảo sát được những thông số này một cách chính xác nhất nhóm chúng tôi quyết định sử dụng thiết bị độ bền cơ học

Nguyên lý hoạt động: Một mẫu thử được nạp vào một máy kẹp chặt nó ở một đầu và áp dụng lực kéo dọc trục ở đầu kia Sau đó, máy sẽ từ từ và liên tục kéo dài mẫu thử với tốc độ chuẩn cho đến khi bị đứt Các lực kéo, độ giãn dài của mẫu thử đo được ghi lại và vẽ đồ thị trên màn hình thiết bị Kết quả biểu đồ lực kéo (hoặc đồ thị biến dạng ứng suất) của mẫu hiển thị ba vùng riêng biệt đại diện cho ba loại cường độ kéo khác nhau: Giới hạn chảy, giới hạn bền kéo và độ đứt gãy của vật liệu

Hình 2.7: Thiết bị đo độ bền cơ học SHIMADZU AGS-X5KN Bảng 2.7 Thông số thiết bị độ bền kéo và độ bền giãn Shimadzu AGS-X5KN

Lực kéo nén tối đa (kN) 5

Hành trình di chuyển kéo/ nén (mm) 1200

Tốc độ (mm/phút) 0.001 – 1000 Độ chính xác dịch chuyển (%) 0.1

Phần mềm sử dụng để đo góc thấm ướt

Để xác định được góc thấm ướt trên bề mặt vật liệu đế nhựa PET nhóm chúng tôi sử dụng phần mềm ImageJ

❖ Phần mềm đo góc ImageJ

Hình 3.8: Biểu tượng phần mềm

ImageJ là một chương trình đo lường phân tích và xử lý hình ảnh Java được lấy cảm hứng từ NIH Image Nó có chức năng hiển thị, chỉnh sửa, phân tích, xử lý, lưu và in hình ảnh 8bit, 16bit và 32bit Nó có thể đọc nhiều định dạng hình ảnh bao gồm TIFF, GIF, JPEG, … Phần mềm dùng để đo khoảng cách và góc tính toán thống kê diện tích và giá trị pixel, có thể tạo biểu đồ mật độ và biểu đồ đường nét Nó hỗ trợ các chức năng xử lý hình ảnh tiêu chuẩn như thao tác tương phản, làm sắc nét, làm mịn, phát hiện cạnh và lọc trung vị ImageJ được thiết kế với kiến trúc mở cung cấp khả năng mở rộng thông qua các plugin Java Các plugin thu thập, phân tích và xử lý tùy chỉnh có thể được phát triển bằng cách sử dụng trình soạn thảo và trình biên dịch Java tích hợp sẵn của ImageJ

Hình 2.9: Giao diện phần mềm

❖ Phần mềm chụp ảnh Hiview, kèm đèn chụp kết nối với Laptop:

HiView là một kính hiển vi điện tử hay là Webcam điện tử có độ zoom rất lớn

(500 – 1000X) Ứng dụng này giúp phóng to, thu nhỏ hình ảnh và khám phá dữ liệu,

37 hình ảnh của Hiview ở định dạng hình ảnh JPEG2000

Vật liệu

Trong đồ án nghiên cứu này chúng tôi sử dụng các loại vật liệu: Đế nhựa PET, bia nhôm (sử dụng trong phương pháp phún xạ), hạt nhôm (sử dụng trong phương pháp bốc bay), cồn IPA, nước cất H2O, khí O2

Bảng 3.1: Vật tư sử dụng

1 Cồn IPA (xuất xứ Đức)

3 Màng PET độ dày 0.5 mm

5 Bia Al/Si 99.999% (hãng Apphia)

Quy trình xử lý bề mặt nhựa PET

3.2.1 Quy trình xử lý bề mặt nhựa PET bằng phương pháp Plasma

Quy trình xử lý bề mặt nhựa PET bằng phương pháp Plasma được mô tả trong hình 3.1

Hình 3.1: Quy trình xử lý plasma

Bảng 3.2: Các bước thực hiện plasma

Tên công đoạn thực nghiệm

Hình ảnh thực nghiệm Cách thực nghiệm

Chuẩn bị mẫu đế nhựa

Dùng kéo cắt các mẫu đế nhựa PET với kích thước

Lau bề mặt bằng IPA

Sử dụng IPA thấm một lượng vừa đủ lau sạch bề mặt cần xử lý

Kiểm tra bề mặt Đưa mẫu lên ánh đèn quan sát bằng mắt đảm bảo mẫu có có các vết xước, bẩn, lòi lõm

Thiết lập thông số cho thiết bị xử lý

Nhập các thông số như mức năng lượng xử lý, thời gian xử lý theo các mức đề ra Để khảo sát bề mặt nhựa PET

Kết quả đế nhựa PET đã được xử lý bề mặt

Sau khi mẫu xử lý plasma Dùng nhíp chuyên dụng lấy mẫu ra khỏi thiết bị, bỏ vào khay Những mẫu biến dạng tiến hành loại bỏ

3.2.2 Kết quả và nhận xét

Công đoạn xử lý plasma là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng màng metallized được tạo ra ở công đoạn tiếp theo Chính vì vậy nhóm đã tiến hành khảo sát xử lý bề mặt nhựa PET bằng phương pháp Plasma ở 5 điều kiện khác nhau Các mẫu thu được từ 5 điều kiện này được đánh giá bằng phương pháp đo góc tiếp xúc bằng thiết bị (chi tiết ở phần thiết bị và phần mềm) Kết quả khảo sát được thể hiện dưới bảng sau:

Bảng 3.3: Thông số cài đặt

Mẫu Năng lượng (W) Thời gian (s) Góc tiếp xúc (𝜽)

Hình 3.2: Góc thấm ướt dưới phần mềm ImageJ

Hình 3.3: Sự thay đổi góc thấm ướt trên bề mặt trên vật liệu PET theo thời gian ở 5 mức năng lượng xử lý khác nhau

❖ Nhận xét: Ở hình 3.3 cho thấy sự thay đổi góc thấm ướt trên bề mặt vật liệu PET theo thời gian ở 5 mức năng lượng xử lý khác nhau Vật liệu PET khi chưa xử lý có góc thấm ướt là 68.39 0 Sau cùng khoảng thời gian xử lý thì góc thấm ướt sẽ thay đổi khác nhau với 5 mức năng lượng xử lý khác nhau Khi tăng mức năng lượng xử lý thì góc thấm ướt cũng sẽ thay đổi theo Sau 45s xử lý plasma, góc thấm ướt trên bề mặt vật liệu PET giảm từ 68.39 o xuống lần lượt còn 28.8 o – 22 o – 30.43 o – 27.1 0 – 26.89 0 Nói cách khác, khi cùng một thời gian xử lý mà muốn thay đổi góc thấm ướt thì ta cần thay đổi công suất xử lý bề mặt vật liệu Ở mẫu (2) với công suất 60W – 45s cho góc tiếp xúc tốt nhất, so với các mẫu cùng thời gian xử lý nhưng ở các mức công suất khác thì mức năng lượng 60W cho bề mặt đẹp hơn, ít bị các vết cháy lớn.

Quy trình metallized hóa đế nhựa PET

3.3.1 Quy trình metallized hóa đế nhựa PET bằng phương pháp phún xạ

Quy trình metallized hóa trên đế nhựa PET được mô tả ở trên Các mẫu đế nhựa PET được xử lý plasma với điều kiện 60W trong thời gian 45s, được chuyển sang thiết bị ACS 4000 C4 tiến hành metallized hóa bề mặt bằng phương pháp phún xạ

Hình 3.4: Quy trình metallized hóa đế nhựa PET bằng phương pháp phún xạ

Bảng 3.4: Quy trình thực hiện metallize bằng phún xạ

STT Tên công đoạn Hình ảnh thực hiện Cách thực hiện

Kiểm tra mẫu vừa được xử lý plasma

Chọn một mẫu bất kì vừa được xử lý plasma tiến hành kiểm tra bề mặt

Lắp bia vật liệu vào thiết bị phún xạ

Kiểm tra tình trạng của bia vật liệu, nếu bia đã sắp hết tiến hành tháo và thay thế bia vật liệu mới vào

3 Đưa mẫu nhựa PET vào thiết bị

Dùng băng keo cố định mẫu với khuôn đế của thiết bị, sau đó lắp khuôn đế vào vị trí buồng

Tạo môi trường chân không trong buồng phún xạ

Khởi động hệ thống bơm sơ cấp và thứ cấp của thiết bị, quan sát thông số thiết bị đến khi buồng chân không đạt được hệ số hút sâu tới áp suất 7.10 -4 Pa

Thiết lập thông số điều kiện metallized hóa

Nhập các thông số cài đặt tại màn hình điều khiển bao gồm: Thời gian tạo màng, mức năng lượng, áp lực, điện năng

6 Cài đặt đồng hồ bấm giờ

Do máy không có chế độ cài đặt thời gian, nên bắt buộc phải cài đặt thời gian trên một thiết bị đếm giờ bên ngoài để kiểm soát thời gian tạo màng chính xác

Cân bằng áp suất trong buồng chân không

Trước khi muốn lấy sản phẩm màng vừa tạo, trước hết cần phải cân bằng áp suất giữa buồng phún xạ và môi trường bên ngoài Người điều

45 khiển tiến hành tắt các bơm sơ cấp và thứ cấp, đồng thời mở các van nạp khí lại vào trong buồng Đến khi hệ thống báo ổn định ta mới có thể lấy màng ra khỏi buồng

Lấy sản phẩm đế nhựa PET đã được metallized hóa hoàn chỉnh

Dùng nhíp chuyên dụng cẩn thận đưa sản phẩm từ buồng phún xạ ra tránh gây trầy xước bề mặt

Bảng 3.6 Quy trình metallized hóa trên đế nhựa PET bằng thiết bị

Sau khi kết thúc quy trình ta thu được mẫu nhựa PET đã được metallized hóa ở các điều kiện chế tạo khác nhau với thông số độ dày tương ứng với thời gian chế tạo như sau:

Hình 3.5: Kết quả metallized bằng phương pháp phún xạ thu được dưới các điều kiện khác nhau

3.3.2 Quy trình metallized hóa đế nhựa PET bằng phương pháp bốc bay

Khác với quy trình metallized hóa bằng phương pháp phún xạ là sử dụng tia phóng xạ bắn phá bia vật liệu Phương pháp bốc bay sử dụng nguyên lí đốt nóng vật liệu đến mức nhiệt độ bay hơi của vật liệu Quy trình được mô tả chi tiết qua bảng bên dưới:

Bảng 3.5: Quy trình metallized hóa đế nhựa PET bằng thiết bị bốc bay

1 Kiểm tra mẫu Đưa mẫu đế nhựa PET lên ánh đèn quan sát đảm bảo mẫu không xuất hiện các vết xước, bẩn trên bề mặt đế nhựa

2 Chuẩn bị vật liệu bốc bay

Cho hạt nhôm nguyên chất vào buồng chân không tại vị trí thuyền điện trở

Gắn mẫu đế nhựa PET đã xử lý plasma lên giá đỡ

Dùng băng keo cố định đế nhựa vào vị trí khuôn của thiết bị Tiếp theo dùng cơ lê siết chặt đế

Tạo môi trường chân không

Khởi động hệ thống bơm, thiết lập thông số chân không trong buồng đến áp suất khoảng khoảng 10 -2 torr trong khoảng thời gian từ 10 đến 12 phút tùy thuộc điều kiện độ ẩm của môi trường thí nghiệm

Mở lò nhiệt đốt dầu chân không của bơm khuếch tán đến nhiệt độ làm việc (khoảng 30 phút) Khi dầu của bơm khuếch tán đã sôi thì mở van chính khuếch tán

- buồng để bơm khuếch tán hoạt động đưa buồng đạt áp suất làm việc Thời gian để buồng đạt áp suất nền (3.10 -5 torr) mất khoảng 3 giờ

6 Quan sát mức độ metallized hóa

Qua cửa sổ của buồng chân không, quan sát quá trình metallized hóa nếu thấy các phân tử nhôm phủ kín cửa sổ thì quá trình metallized hóa trên đế nhựa PET đã hoàn thành

Cân bằng áp suất buồng chân không

Tắt hệ thống bơm, nạp khí vào lại buồng chân không

Lấy mẫu đế nhựa PET đã được metallized hóa

Tháo các ốc cố định đế, dùng nhíp cẩn thận gắp mẫu ra khỏi đế

Sau khi kết thúc quy trình ta thu được mẫu nhựa PET đã được metallized hóa ở các điều kiện chế tạo khác nhau với thông số độ dày tương ứng với thời gian chế tạo như sau:

3.3.3 Khảo sát độ dày màng nhôm trên đế nhựa PET bằng phương pháp đo Stylus

Bảng 3.6: Các công đoạn đo độ dày bằng phương pháp Stylus

1 Đưa mẫu vào thiết bị Đặt mẫu cần đo và đế của thiết bị, cố định mẫu trên đế

2 Cài đặt thông số thiết bị

Các thông số cài đặt: Diện tích mẫu đo, phạm vi cần đo

3 Quá trình đo diễn ra

Hệ thống đầu dò di chuyển trên vật mẫu và quét sang 2 biên tại điểm có độ dày khác nhau và lặp lại tại vị trí khác

Hình 3.6: Kết quả metallized bằng phương pháp bốc bay dưới nhiều điều kiện khác nhau

4 Thu thập kết quả đo

Kết thúc quá trình đo, màn hình hiện thị kết quả độ dày màng nhôm

Sau khi đo độ dày các mẫu nhóm tiến hành sử dụng phương pháp Tape Test để khảo sát độ bám dính của hạt nhôm trên đế nhựa PET thông số độ dày khác nhau Quy trình thực hiện như sau:

Hình 3.7: Quy trình Tapetest kiểm tra độ bám dính

Bảng 3.7: Kết quả test bám dính theo phương pháp phún xạ

Mẫu Độ dày (nm) Độ bám dính

Bảng 3.8: Kết quả test bám dính theo phương pháp bốc bay

Mẫu Độ dày (nm) Độ bám dính

So sánh bề mặt ngoại quan của mẫu nhựa PET metallized hóa sản xuất bằng hai phương pháp

Hình 3.8: Bề mặt giữa (a) mẫu PET và (b) mẫu MPET tạo bằng phương pháp phún xạ và bốc bay quan sát bằng mắt dưới điều kiện ánh sáng ngoài trời

Qua hình ảnh ta nhận thấy mẫu màng MPET tạo bằng phương pháp phún xạ có bề mặt các phân tử phân bổ đều trên bề mặt đế nhựa PET hơn so với màng MPET bằng phương pháp bốc bay Có thể giải thích điều này vì hệ thống phún xạ sử dụng đầu bắn vào bia vật liệu nên các phân tử nhôm bám dính dàn trải lên đồng đều bề mặt đế nhựa Ngược lại phương pháp bốc bay các phân tử nhôm được nung nóng đế, nhiệt độ bốc hơi nên sẽ bay hơi ở dạng vô định không có chiều hướng cụ thể dẫn đế lớp nhôm bám lên đế nhựa không thể đồng nhất được Nhưng khi quan sát bề mặt tổng quan của hai mẫu có thể thấy rằng mẫu đế nhựa MPET tạo bằng phương pháp bốc bay cho ra sản phẩm đẹp hơn với độ bóng và hiệu ứng gương tốt hơn rõ rệt so với màng MPET tạo bằng phương pháp phún xạ Thêm nữa quá trình tạo mẫu bằng phương pháp phún xạ yêu cầu cao về trang thiết bị cũng như thời gian tạo lớp màng metallized trên đế nhựa PET tương đối yêu cầu cao hơn so với phương pháp bốc bay

Hình 3.9: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu (a) nhựa PET và (b) MPET

Hình 3.10: Biểu đồ độ dày mẫu MPET tạo bằng phương pháp bốc bay

Hình 3.11: Biểu đồ độ dày mẫu MPET tạo bằng phương pháp phún xạ

Kết luận: Để chế tạo các màng này ta có thể sử dụng phương pháp bốc bay nhiệt, phún xạ catốt, …Tuy nhiên, do phương pháp pháp bốc bay nhiệt có những ưu điểm hơn hẳn so với phương bay phún xạ catốt như độ dày của màng chế tạo được điều khiển chính

Biểu đồ độ dày mẫu nhựa MPET tạo bằng phương pháp bốc bay

Biểu đồ độ dày mẫu nhựa MPET tạo bằng phương pháp phún xạ

56 xác hơn và khả năng bám dính của màng trên đế tốt hơn Do đó, nhóm chúng tôi đã sử dụng phương pháp bốc bay nhiệt để chế tạo vật liệu màng metallized trên đế nhựa PET với mẫu sản phẩm thu được có độ dày khoảng 40 - 140nm.

Khảo sát tính chất cơ học của vật liệu màng MPET

Tính chất cơ học được thể hiện ở một số thông số như độ bền kéo đứt và độ giãn dài khi đứt của vật liệu Quá trình xác định tính chất cơ học của vật liệu màng metallized trên đế nhựa PET được thực hiện trên thiết bị Shimadzu AGS-X5kN tại phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM D882, tốc độ kéo 5mm/phút ở nhiệt độ phòng Mỗi loại mẫu được xác định 4 lần để lấy giá trị trung bình

3.5.1 Quy trình thực hiện khảo sát

Hình 3.12: Quy trình đo độ bền cơ học trên mẫu MPET

Bảng 3.9: Các công đoạn đo độ bền kéo

1 Chuẩn bị các mẫu màng

Cắt mẫu màng MPET theo kích thước tiêu chuẩn (8x1 cm)

2 Gắn mẫu màng vào thiết bị

Canh chỉnh gắn mẫu sao cho mẫu nằm ở giữa ngàm kẹp

Thiết lập thông số trên màn hình thiết bị Điều chỉnh thông số: kích thước, độ dày mẫu, lực kéo,

Tiến hành đo độ bền cơ học

Sau khi điều chỉnh thông số ta tiến hành thực hiện đo độ bền cơ học

Quan sát dữ liệu trên màn hình thiết bị, và thu thập dữ liệu mẫu vừa đo được

Bảng 3.6 Quy trình thực hiện các bước đo độ bền cơ học mẫu MPET

Kết quả độ bền kéo đứt của các mẫu màng MPET được trình bày như biểu đồ bên dưới:

Hình 3.13: Biểu đồ khảo sát độ bền kéo đứt của vật liệu PET & MPET

− Tensile strengh: Độ bền kéo

− Elongation at break: Độ giãn tại điểm gãy

(b) Mẫu màng nhôm MPETx1 (131nm) trên đế nhựa PET (0.5mm)

(c) Mẫu màng nhôm MPETx2 (145nm) trên đế nhựa PET (0.5mm)

(d) (d) Mẫu 3 màng trên cùng một biểu đồ

Bảng 3.10: Kết quả đo độ bền đứt & bền giãn

Loại mẫu Giá trị bền giãn

Nhựa PET (Độ dày 0.5mm) 7.5 7.8

MPET (Độ dày nhôm 131nm) 10.8 12.5

MPET (Độ dày nhôm 145nm) 15 16.15

Yield point đặc trưng cho ứng suất đo được tại thời điểm vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo Khi trong khoảng này, kích thước vật có thể trở lại trạng thái ban đầu sau khi tải được gỡ bỏ, còn khi vượt quá điểm yield point, vật liệu bị biến dạng vĩnh viễn Quan sát 3 biểu đồ có thể thấy điểm yield point của MPETx1 và MPET x2 thấp hơn so với PET, nghĩa là khả năng kéo giãn của MPET được cải thiện hơn so với PET khó kéo giãn hơn, tăng độ bền cho PET

Trong khoảng tensile strengh, MPET cho khả năng kéo giãn tốt hơn PET thông

60 thường, kết quả tính thông qua công thức Modun Young cho thấy vật liệu MPETx1 MPETx2 có độ cứng cao hơn PET

Qua kết quả tính trên, lớp nhôm khi tăng độ dày trên lớp PET làm cho độ bền kéo đứt tăng theo Chứng tỏ nhôm đã cải thiện độ bền kéo, nhờ khả năng liên kết giữa các phân tử nhôm làm tăng khả năng chịu lực của PET.

Khảo sát độ xuyên thấm khí của vật liệu màng MPET

Các loại bao bì màng được sử dụng trong việc đóng gói sản phẩm bên trong bởi tính che chắn ánh sáng, tính cản không khí xâm nhập từ bên ngoài hay sự thoát ra từ bên trong tùy thuộc vào sản phẩm cụ thể Trong đồ án này, nhóm quyết định thực hiện việc khảo sát, đánh giá khả năng xuyên thấm khí từ bên ngoài vào thông qua 2 mẫu PET và MPET

3.6.1 Quy trình thực hiện khảo sát

Quy trình đo đạc thực hiện được mô tả ở bảng dưới và các thông số được tính theo tiêu chuẩn ASTM D1434 - 82 Mẫu được đo bao gồm màng PET, màng MPET cùng một độ dày là 0.5mm, sử dụng khí O2 để thực hiện đo kiểm và tính toán

Bảng 3.11: Quy trình đo xuyên thấm khí

Chuẩn bị các mẫu màng

Cắt mẫu màng MPET theo kích thước tiêu chuẩn

Gắn mẫu màng vào thiết bị Đặt tấm nhựa MPET được kẹp bởi 2 roan cao su vào giữa 2 mặt mica Sau đó cố định mẫu bằng cách dùng cờ lê siết chặt ốc

Tiến hành đo độ xuyên thấm khí

Mở van khí dẫn vào buồng mica Dùng đồng hồ đo lượng khí bơm và đo áp suất để thu thập dữ liệu

Sau 24h, đo kết quả và thu thập dữ liệu

Các thí nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D1484-82, sau 24h thu được kết quả:

Bảng 3.12: Các điều kiện đo xuyên thấm khí

Màng Thời gian đo Mẫu Kết quả OTR (cc/m 2 )

Hình 4.14: Kết quả đo xuyên thấm khí

So với màng PET cùng kích thước, có thể thấy màng MPET của nhóm chế tạo có thông số OTR được cải thiện hơn so với màng PET đơn thuần, cùng với đó khi thay đổi bằng màng MPET có độ dày nhôm cao hơn thì giá trị OTR được cải thiện

M Ẫ U 1 M Ẫ U 2 M Ẫ U 3 M Ẫ U 4 M Ẫ U 5 ĐO ĐỘ XUYÊN THẤM KHÍ

63 hơn nhưng không quá khác biệt so với PET, có thể thấy lớp nhôm đã tăng cường thuộc tính rào cản xâm nhập không khí bên ngoài so với màng PET bình thường

Kết luận: Qua kết quả thực hiện đo khảo sát xuyên thấm khí với 2 loại màng

PET và MPET có thể kết luạn rằng việc xuất hiện của màng nhôm đã làm tăng khả năng chống xuyên thấm khí của màng nhưng khi tăng độ dày nhôm thì không ảnh hưởng nhiều đến chỉ số OTR của màng.

Khảo sát khả năng ứng dụng bảo quản thực phẩm màng MPET

Đối với các loại bao bì cho dòng sản phẩm thực phẩm cần đáp ứng được việc bảo quản thực phẩm, đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng là yếu tố đặt lên hàng đầu Chính vì vậy nhóm chúng tôi thực hiện thử nghiệm khảo sát đánh giá khả năng bảo quản thực phẩm của vật liệu màng metallized trên đế nhựa PET Có nhiều tác nhân tác động đến khả năng bảo quản của bao bì, đối với đồ án này nhóm chỉ thực hiện đánh giá khả năng tác động của hai yếu tố là nhiệt độ và ánh sáng lên thực phẩm ở các điều kiện sử dụng thực tế, thí nghiệm được thực hiện trên đối tượng kẹo socola Quy trình chi tiết thực hiện thí nghiệm thể hiện chi tiết ở bảng dưới:

Bảng 4.13: Quy trình thực hiện khảo sát trên mẫu socola

Chuẩn bị mẫu khảo sát

Sản phẩm kẹo socola DAIRY MILK có khối lượng 37g

Hình 4.15: Kết quả đánh giá thời gian bảo quản của màng bọc trên mẫu ở điều kiện thường sau 3 mốc thời gian (a) 1h – (b) 5h – (c) 24h

Chuẩn bị vật đựng mẫu

Chuẩn bị các lọ có kích thước bằng nhau

3 Cho mẫu kẹo vào lọ

Dán chặt cả 2 lọ bằng băng keo 2 mặt

• Lọ 1: Bịt miệng lọ bằng màng PET

• Lọ 2: Bịt miệng lọ bằng MPET

Cài đặt nhiệt độ môi trường khảo sát

Dùng nhiệt kế kiểm tra điều kiện môi trường khảo sát

Quan sát hiện tượng của mẫu khảo sát

Theo các mốc thời gian đề ra quan sát hiện tượng kẹo socola và viết kết quả

Hình 4.16: Kết quả đánh giá thời gian bảo quản của màng bọc trên mẫu ở điều kiện lạnh sau 3 mốc thời gian (a) 1h – (b) 5h – (c) 24h

Hình 4.17: Kết quả đánh giá thời gian bảo quản của màng nhôm trên mẫu ở điều kiện thường và lạnh sau 3 mốc thời gian (a) 1h – (b) 5h – (c) 24h Điều kiện bảo quản

Nhận xét cảm quan Mẫu bọc màng PET

Mẫu bọc lá nhôm Điều kiện thường

0 Khô ráo Khô ráo Khô ráo

1 Hơi ẩm Khô ráo Khô ráo

5 Chảy nước Khô ráo Khô ráo

24 Tan chảy Hơi ẩm Hơi ẩm Điều kiện lạnh

24 Hơi ẩm Khô ráo Khô ráo

Bảng 4.6 Kết quả đánh giá cảm quan của mẫu kẹo qua các mốc thời gian

Qua thực hiện khảo sát bảo quản thực phẩm bên trong với sản phẩm là socola cho thấy sự tan chảy có sự khác biệt giữa 3 loại màng PET, MPET và lá nhôm với nhau Khi bao bọc thực phẩm bên trong lâu, nhiệt lượng từ bên ngoài hấp thụ vào bên trong ảnh hưởng trưc tiếp tới thực phẩm

• Ở điều kiện nhiệt độ thường (33 – 36 0 C), sau 24h màng PET qua quan sát bề mặt ngoại quan thấy socola đã tan chảy, MPET và lá nhôm lại chỉ xuất hiện hơi ẩm

• Ở điều kiện lạnh (20 0 C), sau 24h quan sát ngoại quan màng PET có xuất hiện hơi ẩm, lá nhôm và màng MPET vẫn giữ nguyên tình trạng ban đầu nhưng khi để lâu hơn, lá nhôm vốn có nhiều vết nhăn, nứt bắt đầu xuất hiện ẩm trong khi MPET vẫn giữ nguyên

Có thể hiểu được kết quả này là nhờ có lớp nhôm cản được một phần ánh sáng trực tiếp đồng thời ngăn chặn sức nóng trực tiếp đến bên trong so với màng PET cùng thời điểm đo nhiệt độ bên trong, thêm vào đó việc tiếp xúc với không khí trực tiếp trong quá trình thực nghiệm cũng đẩy nhanh quá trình tan chảy này Màng MPET và lá nhôm cho ra kết quả giống nhau, tuy nhiên lá nhôm không kín khí hoàn toàn bằng màng MPET Từ đây có thể rút ra kết luận màng MPET ảnh hưởng tới khả năng cản sáng tốt hơn so với các màng cùng loại Qua đây có thể nhìn ra sự ảnh hưởng lớn của màng nhôm trong việc sản xuất bao bì, vừa giúp tiết kiệm lượng nhôm sản xuất vừa giúp tăng cường khả năng bảo vệ sản phẩm bên trong ở một vài điều kiện nhất định

Định dạng
Số trang	88
Dung lượng	8,71 MB