GIỚI THIỆU
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:
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.
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.
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
3 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% (mm);
Các thông số của hệ thống xử lý:
➢ Tốc độ xử lý: số vòng quay trục roller chính mang phôi (giấy, nhôm) vP m/p;
➢ Bề rộng của bề mặt cần xử lý là: Bh4 (mm), bề rộng thiết kế B’p0 (mm) (thông số từ kích thước vỏ hộp).
Đối tượng và phạm vi 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
Vật liệu: nhôm, giấy dưới dạng phẳng;
Kích thước: bề rộng xử lý B = 684 mm;
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.
Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
Đồ án tốt nghiệp bao gồm 6 chương:
- 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
- Chương 6: Chế tao thử nghiêm, đánh giá
Kết luận và kiến nghị
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
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
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
7 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
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
Hình 2.4 Sự thay trạng thái vật chất theo nhiệt độ
Nếu sự ion hóa được xảy ra bởi việc nhận năng lượng từ các dòng vật chất bên ngoài, như từ các bức xạ điện từ thì plasma còn gọi là plasma nguội Thí dụ như đối với hiện tượng phóng điện trong chất khí, các electron bắn từ catod ra làm ion hóa một số phân tử trung hòa Các electron mới bị tách ra chuyển động nhanh trong điện trường và tiếp tục làm ion hóa các phân tử khác Do hiện tượng ion hóa mang tính dây chuyền này, số đông các phân tử trong chất khí bị ion hóa, và chất khí chuyển sang trạng thái plasma Trong thành phần cấu tạo loại plasma này có các ion dương, ion âm, electron và các phân tử trung hòa
Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử ở nhiệt độ cao thì plasma còn gọi là plasma nóng Khi nhiệt độ tăng dần, các electron bị tách ra khỏi nguyên tử, và nếu nhiệt độ khá lớn, toàn bộ các nguyên tử bị ion hóa Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử bị ion hóa tột độ, chỉ còn các hạt nhân và các electron đã tách rời khỏi các hạt nhân
Nhờ vào các đặc tính đặc biệt của Plasma (năng lượng động lực học của chùm hạt electron, các tia UV được tạo ra, các hạt mang điện tích) ở nhiệt độ thấp được ứng dụng trong việc xử lý nước thải, xử lý bề mặt Trong ứng dụng Plasma để xử lý bề mặt, Plasma được tạo ra dưới dạng các ion phân tử được phun trực tiếp lên bề mặt nhựa, những electron ở cực dương sẽ được phóng vào màng nhựa tạo một lớp nhẵn nơi đó các vết mực sẽ được lấp phủ lên tạo ra sự liên kết tốt giữa lớp mực in và màng nhựa Ngoài ra, công nghệ Plasma nhiệt độ thấp còn được sử dụng để khử trùng các dụng cụ nha khoa, cũng như các dụng cụ y tế khác.
Giới thiệu về chung về bao bì
2.2.1 Khái niệm về bao bì
Bao bì là một loại sản phẩm công nghiệp đặc biệt được dùng để bao gói và chứa đựng, nhằm bảo vệ giá trị sử dụng của hàng hóa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển, xếp dỡ, bảo quản và tiêu thụ sản phẩm
2.2.2 Vai trò, chức năng của bao bì
Bao bì có rất nhiều chức năng khác nhau, dưới đây là một vài chức năng chính:
Bao bì là một loại sản phẩm công nghiệp đặc biệt được dùng để bao gói và chứa đựng, nhằm bảo vệ giá trị sử dụng của hàng hóa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển, xếp dỡ, bảo quản và tiêu thụ sản phẩm
Hình 2.5 Bao bì giúp bảo vệ sản phẩm
Hình 2.6 Bao bì giúp ngăn cách với môi trường bên ngoài
- Giúp vận chuyển dễ dàng hơn
Một trong những chức năng cơ bản và cổ xưa nhất của bao bì là để truyền tải thông tin Những thông tin được in ấn trên bao bì bao gồm cả những thông tin bắt buộc hoặc không bắt buộc như: tên sản phẩm, thành phần cấu tạo, công dụng, chức năng, thông tin nhà sản xuất, hạn sử dụng…
Hình 2.7 Bao bì, nhãn mác giúp cung cấp thông tin sản phẩm chi tiết
2.2.3.1 Căn cứ vào vai trò trong lưu thông:
- Bao bì trong (bao bì thương phẩm): là bao bì dùng để đóng gói sơ bộ và trực tiếp hàng hóa; công dụng của nó là để bảo vệ hàng hóa như chống ẩm, chống chấn động, ngăn cách với các mùi vị khác…
- Bao bì ngoài (bao bì vận chuyển): là bao bì dùng cho việc vận chuyển hàng hóa từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ, nó có tác dụng bảo vệ nguyên vẹn hàng hóa về số lượng và chu kỳ trong quá trình vận chuyển
- Bao bì ở giữa (vật liệu đệm lót): là loại bao bì đặt giữa bao bì trong và bao bì ngoài như: rơm, giấy, phoi bào…
2.2.3.2 Căn cứ vào số lần sử dụng:
- Bao bì sử dụng một lần: giấy, nilon, thủy tinh…
- Bao bì sử dụng nhiều lần: bình chứa, bình nén, container…
2.2.3.3 Căn cứ theo đặc tính chịu nén:
- Bao bì cứng: là những loại bao bì không thay đổi hình dáng trong quá trình vận chuyển
- Bao bì mềm: là loại bao bì dễ biến dạng khi có tác dụng của ngoại lực từ bên ngoài hay tải trọng của sản phẩm từ bên trong (VD: bao bì dạng vải, gai, nilon…)
- Bao bì nửa cứng: là loại bao bì có đầy đủ tính bền chắc trong một mức độ nhất định nhưng nó vẫn có thể bị biến dạng khi chịu tác động của trọng tải, lực va đập khi vận chuyển, xếp dỡ (VD: mây, tre…)
2.2.3.4 Căn cứ theo tính chuyên môn hóa:
- Bao bì thông dụng: là loại bao bì chứa đựng được nhiều loại hàng, hoặc sau khi chứa đựng loại hàng này lại có thể được sử dụng để chứa đựng hàng hóa khác, hoặc chính hàng hóa đó trong nhiều lần
- Bao bì chuyên dụng: là bao bì chuyên dùng để chứa đựng một loại sản phẩm nhất định, nó thường có hình dạng, kích thước, kết cấu phù hợp với loại sản phẩm mà nó chứa đựng, cũng như tính chất cơ lý hóa và trạng thái làm việc
2.2.3.5 Căn cứ theo vật liệu chế tạo:
- Bao bì bằng gỗ: loại này khá phổ biến và nó đáp ứng được yêu cầu vận chuyển, có nhiều ưu điểm như dễ sản xuất, dễ sử dụng, tương đối bền, có thể sử dụng nhiều lần Nhược điểm là dễ cháy, chống ẩm kém VD: Các hàng hòm, kiện…
- Bao bì kim loại: loại này được dùng khá phổ biến, thường được dùng cho các loại hàng dễ bốc cháy, bay hơi, các loại hàng độc hại dạng khí hoặc hơi
- Bao bì hàng dệt: loại bao bì này mềm và thường ở dạng bao, thường dùng để chứa các loại hàng rời, hàng bột…
- Bao bì hàng bằng giấy, cát tông: loại này thường dùng để đóng gói các loại hàng bách hóa (kem đánh răng )
2.2.4 Vỏ hộp sữa và nước ép trái cây Để tạo ra các chức năng rất quan trọng như trên thì bao bì phải được tính toán, thiết kế và thử nghiệm nhiều lần để không những đạt hiệu quả cao nhất mà còn phải đảm bảo các yêu cầu khắt khe về vệ sinh an toàn thực phẩm Đối với vỏ hộp sữa, hay vỏ hộp nước ép trái cây cũng phải được làm từ nhiều lớp và phải được tuyệt trùng tuyệt đối Đặc biệt hơn, sữa và nước ép trái cây là những loại nước tươi sống và sử dụng trực tiếp nên phải được bảo quản trong một bao bì thật chắc chắn và an toàn vệ sinh thực phẩm Điển hỉnh như các sản phẩm sữa tiệt trùng của TH True MILK, sữa sau khi được chế biến xong, sữa thành phẩm sau đó được đóng gói trong bao bì giấy tiệt trùng 6 lớp ở môi trường hoàn toàn vô trùng, trong đó mỗi lớp sẽ có một chức năng khác nhau Các sản phẩm sữa tiệt trùng TH true MILK nhờ vậy rất an toàn và có hạn dùng tới 6 tháng mà không cần dùng chất bảo quản và trữ lạnh Hiện nay, các sản phẩm sữa tươi tiệt trùng TH true MILK đang sử dụng bao bì của Tetra Pak (Thụy Điển) và Combibloc (Đức), cả hai loại bao bì này đều được sản xuất trên dây chuyền công nghệ hiện đại, tiên tiến bậc nhất thế giới
Hình 2.8 Cấu tạo của vỏ hộp sữa TH True MILK
Vỏ hộp này gồm có 6 lớp và được tạo nên từ 3 loại vật liệu cơ bản là Polyethylen (PE), nhôm và giấy
Bảng 2.1 Vật liệu, chức năng của các lớp cấu tạo nên vỏ hộp sữa TH True MILK
Tên lớp Vật liệu Chức năng
Polyethylen (PE) Lớp chống thấm kín
2 Lớp bảo vệ Màng nhôm Ngăn cản khí, mùi, hơi nước, ánh sáng
Polyethylen (PE) Màng ghép giứa lớp nhôm và lớp giấy
Giấy Tạo hình dáng, độ bền, sự chắc chắn
Polyethylen (PE) Lớp chống thấm, giúp chống lại độ ẩm và bụi bẩn từ bên ngoài
Mực in trên giấy (đã phủ lớp PE)
Dành cho hình ảnh, thông tin để marketing
Đặc tính của mô hình
- Mô hình phải tạo ra được plasma nhiệt độ thấp ở điều kiện áp suất thường để xử lý bề mặt màng nhựa, nhôm và giấy;
- Phải cách ly vùng xử lý với môi trường bên ngoài để đạt hiệu quả cao nhất;
- Đảm bảo cách điện an toàn cho người thao tác và dễ dàng điều khiển;
- Phải có hệ thống quạt hút để giải nhiệt cho toàn bộ hệ thống và hút khí ozon ra ngoài.
Những nghiên cứu liên quan đến đề tài
- Các đặc tính quan trọng của Nhôm
• Dễ dát mỏng, nhẹ, dẫn điện tốt: Dùng làm dây dẫn điện cực tốt vì dây dẫn cần phải nhẹ để có thể truyền đi xa
• Độ bền với thời tiết cao: Do lớp màng oxy hóa nên nhôm không bị oxy hóa tiếp, tính chất này thích hợp cho việc ứng dụng làm cửa, cửa sổ phải hứng chịu nắng mưa
• Dễ phản ứng với oxy: Do nằm trong nhóm kim loại kềm thổ, nên tính kim loại của nhôm khá cao, bột nhôm oxy hóa rất dễ và bốc cháy dưới ngọn lửa trắng
Hình 2.9 Nhôm và những ứng dụng của Nhôm
• Nhôm được dùng để làm vỏ phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu nhằm tăng nhiệt độ nhờ nhôm có tính hấp thụ bức xạ điện từ Mặt Trời khá tốt
• Được dùng trong ngành công nghiệp chế tạo, cụ thể là tạo ra các chi tiết cho xe ô tô, xe tải, tàu hỏa, tàu biển và cả máy bay, …
• Có công dụng trong việc đóng gói như can, giấy gói, …
• Chế tạo đồ dùng gia đình, nội thất có độ bền cao như trang thiết bị nấu bếp, bàn ghế, thau, …
• Dùng làm lõi dây dẫn điện
• Ngành chế tạo máy móc
• Với nhôm dạng bột thì dùng vào việc tạo màu bạc trong sơn, bông nhôm dùng trong sơn lót trong việc xử lý gỗ để kháng nước
• Còn có nhôm dương cực hóa chống ôxi hóa thường được sử dụng nhiều trong nhành xây dựng với nhiều lĩnh vực
• Các bộ tản nhiệt CPU trong máy tính và laptop thường làm từ nhôm
Có ôxít nhôm trong tự nhiên ở dạng corunđum, emery, ruby và saphia được dùng để sản xuất thủy tinh Ruby và saphia tổng hợp trong ống tia laser để sản xuất ánh sáng có khả năng giao thoa
- Các đặc tính quan trọng của Nhựa Polyethylen (PE)
• Trong suốt, hơi có ánh mờ, có bề mặt bóng láng, mềm dẻo
• Chống thấm nước và hơi nước tốt
• Chống thấm khí O2, CO2, N2 và dầu mỡ đều kém
• Bị căng phồng và hư hỏng khi tiếp xúc với tinh dầu thơm hoặc các chất tẩy như Alcool, Acêton, H2O2…
• Có thể cho khí, hương thẩm thấu xuyên qua, do đó nhựa PE cũng có thể hấp thu giữ mùi trong bản thân bao bì, và cũng chính mùi này có thể được hấp thu bởi thực phẩm được chứa đựng, gây mất giá trị cảm quan của sản phẩm
- Ứng dụng của Nhựa Polyethylen (PE)
• Làm túi xách các loại, thùng (can) có thể tích từ 1 đến 20 lít với các độ dày khác nhau
• Sản xuất nắp chai Do nắp chai bị hấp thu mùi nên chai đựng thực phẩm đậy bằng nắp PE phải được bảo quản trong một môi trường không có chất gây mùi
• Một số sản phẩm của phản ứng trùng hợp PE: Linear low density polyetylen (LLDPE), Low density polyetylen (LDPE), Medium density polyetylen (MDPE), Highdensity polyetylen (HDPE)
- Các đặc tính quan trọng của Giấy
• Độ dày của giấy (thickness; caliper): đây là một trong những thông số quan trọng của giấy Trong những điều kiện xác định thì cùng với sự tăng chiều dày là sự thay đổi về độ bền, khả năng chịu biết dạng nén và độ xuyên thấu, phản quang… của giấy Giấy in thường có độ dày từ 0.03 - 0.25mm, trừ giấy cacton có thể có độ dày đến hơn 3mm;
• Định lượng giấy (basis weight): là trọng lượng của 1 mét vuông giấy (gms) Giấy in thông thường có định lượng từ 38gms – 500gms, riêng giấy cacton thì có thể đạt tới định lượng 2000gms Định lượng giấy thường tỉ lệ thuận với độ dày và độ cứng của giấy;
• Độ tro (ash content): Trọng lượng vật liệu còn lại sau khi nung trong điều kiện tiêu chuẩn của phương pháp thử Hay nói cách khác là lượng tro thu được sau khi đốt giấy Lượng tro đó chính là lượng khoáng chất vô cơ (phụ gia) có trong thành phần của giấy Đơn vị tính là độ tro %, giấy thông thường có độ tro trung bình từ 18-23%;
• Độ trắng ISO (ISO brightness): Hệ số phản xạ ánh sáng của tấm bột giấy, tờ giấy theo phản xạ của vật khếch tán lý tưởng tại chiều dài bước sóng 457nm được xác định trên thiết bị đo tiêu chuẩn được quy định trong phương pháp thử Độ trắng được đặc trưng bằng tỷ lệ phần trăm so với độ trắng chuẩn của Brarioxít (công thức hóa học là BaO) Các loại giấy cho chất lượng hình ảnh in tốt phải có độ trắng từ 70% trở lên;
• Độ thấu khí (air permeability): Đặc tính của tờ giấy biểu thị khả năng cho phép không khí đi qua cấu trúc xơ sợi của nó, được xác định bằng phương pháp thử tiêu chuẩn Độ thấu khí càng cao thì khả năng biến dạng của tờ giấy khi chịu biến dạng nén càng lớn;
• Tính ổn định kích thước (dimensional stability): Khả năng giữ được hình dạng và kích thước của giấy khi độ ẩm thay đổi, hoặc dưới các tác động khác như: sự thay đổi của môi trường xung quanh, các ứng suất vật lý, cơ học trong quá trình in và các thao tác khi gia công hoặc khi sử dụng Tính ổn định kích thước của giấy càng cao thì khả năng dãn giấy càng thấp giúp việc chồng màu in được chính xác hơn;
• Độ nhẵn (smoothness): Tính chất đặc trưng để đánh giá mức độ phẳng của bề mặt giấy Tính chất này được xác định trong các phương pháp thử tiêu chuẩn Giấy in có độ nhẵn càng cao thì cho chất lượng sau khi in càng tốt;
• Độ ẩm (moisture content): Là lượng nước có trong vật liệu Thực tế đó là tỷ số của trọng lượng mất đi của mẫu thử, khi sấy trong điều kiện tiêu chuẩn của phương pháp thử và trọng lượng của mẫu thử tại thời điểm lấy mẫu, đơn vị biểu thị là % Đặc là
17 đặc điểm cần lưu ý khi in trên các máy in có sử dụng hệ thống xấy nhiệt để in các lạo mực như UV, vecni…
• Độ chịu bục (bursting strenght): Áp lực tác dụng vuông góc lên bề mặt lớn nhất mà mẫu thử chịu được trước khi bục trong điều kiện xác định của phương pháp thử tiêu chuẩn Đối với các lọai giấy dày dùng để làm hộp thì đòi hỏi phải có chỉ số chịu bục lớn để đảm bảo chất lượng trong các công đoạn cấn, bế…sau khi in
• Độ chịu kéo (tensile strenght): Lực kéo lớn nhất mà mẫu thử chịu được trước khi đứt trong điều kiện xác định của phương pháp thử tiêu chuẩn
Nghiên cứu về Phương pháp xử lý bề mặt bằng Công nghệ Plasma
2.5.1 Nguyên lý của Phương pháp xử lý bề mặt bằng Công nghệ Plasma
Dưới điện áp lớn và tần số cao giữa hai điện cực sẽ tạo nên sự phóng điện khi đó các chất trong 2 tia điện cực bị ion hóa và trở thành các hạt tự do, mang một động năng lớn các hạt năng lượng sẽ bắn phá lên bề mặt lớp màng vật liệu cần xử lý, khi đó lớp vật liệu chịu sự tác động của các hạt mang điện phá vỡ liên kết bề mặt tạo nên những lớp rỗ tế vi, giúp cho màng vật liệu tăng năng lượng bề mặt và khả năng bám dính Quá trình phóng năng lượng lên bề mặt được lặp đi lặp lại trong cả quá trình xử lý
2.5.2 Khả năng xử lý bề mặt của Công nghệ Plasma
Môi trường Plasma chứa rất nhiều các hạt e, ion, các hạt kích thích, các chất oxy hóa bậc cao mang năng lượng dưới dạng động năng lớn Chúng tác động lên bề mặt gạch men loại bỏ hỗn hợp các chất hữu cơ và vô cơ, làm sạch bề mặt đồng thời cung cấp một phần năng lượng cho bề mặt
Hình 2.11 Nguyên lý xử lý, làm sạch và tăng năng lượng bề mặt bằng Plasma
Bảng 2.2 cho thấy các phản ứng và quá trình trao đổi năng lượng giữa các hạt điện tích, ion với các thành phần trên bề mặt Quá trình tương tác giữa các hạt điện tích trong Plasma với các thành phần trên bề mặt vật liệu bao gồm: quá trình hấp thụ (absorption) – các phản ứng 1- 4 và quá phân tách 5-6 (desorption)
Bảng 2.2 Phản ứng trao đổi năng lượng giữa thành phần Plasma với bề mặt
Khi A là một phân tử mang một năng lượng dưới dạng động năng trong chùm tia Plasma chuyển động hướng đến bề mặt vật liệu nền S, thì sau khi tương tác phân tử A sẽ kết hợp với các phân tử khác trên bề mặt tạo ra A:S
Hoặc khi thành phần trong Plasma là một phân tử A= B (liên kết đôi, ba, …) thì các liên kết giữa chúng sẽ thay bằng liên kết với bề mặt vật liệu–S
Khi đạt trạng thái cân bằng về năng lượng, quá trình phân tách sẽ diễn ra theo các phản ứng như sau:
Môi trường plasma chứa các nguyên tử, phân tử, các ion, điện tử, các gốc tự do và có thể phát ra ánh sáng với bước sóng ngắn nằm trong vùng tử ngoại Các phân tử kích thích này có thể tác động vào vật liệu đặt trong môi trường Plasma và làm biến đổi bề mặt của nó
Các tác dụng này có thể là tác dụng vật lý hoặc hóa học hay đồng thời cả tác dụng vật lý và hóa học Có thể sử dụng Plasma để xử lý nhiều loại bề mặt khác nhau như kim loại, polyme, sợi, …
Về cơ chế tác dụng, khi xử lý bề mặt vật liệu bằng Plasma thì phản ứng quan trọng là dựa trên hóa học gốc tự do Plasma, đặc biệt là Plasma phát sáng có hiệu quả ở việc tạo ra mật độ cao gốc tự do bằng cách phân tách phân tử thành electron qua quá trình quang hóa và va chạm Những gốc tự do pha khí này có năng lượng dư để va chạm vào các liên kết hóa học trên bề mặt gạch men, để tạo thành liên kết hóa học mới
Khi Plasma chiếu lên một bề mặt của vật liệu thì các hạt chuyển động rất mãnh liệt (đặc trưng bởi 1-15 keV) sẽ bắn phá lên lớp nguyên tử đầu tiên Nhưng chúng không dừng lâu ở đó mà tiếp tục đi sâu vào các lớp bên trong cho tới khi đạt trạng thái dừng, đó là kết quả của sự mất năng lượng trong những nguyên tử và ion Do đó, những ion này sẽ thay thế vào những vị trí của nguyên tử trong câu trúc, những nguyên tử bị thay thế bật lại thay thế những phần tử khác và quá trình cứ thế tiếp tục tạo thành chuỗi va chạm phức tạp Phụ thuộc vào năng lượng hấp thụ trong từng sự va chạm mà nguyên tử được thay thế cố định hay đàn hồi trở lại được gọi là thay thế tạm thời
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các định nghĩa cơ bản
3.1.1 Ion hóa và năng lượng ion hóa
Ion là một nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị mất hay thu nhận thêm được một hay nhiều electron Một ion mang điện tích âm, khi nó thu được một hay nhiều electron, được gọi là anion hay Điện tích âm, và một ion mang điện tích dương khi nó mất một hay nhiều electron, được gọi là cation hay Điện tích dương Quá trình tạo ra các ion gọi là ion hóa
Năng lượng ion hóa của một nguyên tử hay một phân tử là năng lượng cần thiết để tách một điện tử từ nguyên tử hay phân tử đó ở trạng thái cơ bản Một cách tổng quát hơn, năng lượng ion hóa thứ n là năng lượng cần thiết để tách điện tử thứ n sau khi đã tách (n-
1) điện tử đầu tiên.Trạng thái cơ bản chính là trạng thái mà tại đó, nguyên tử không chịu ảnh hưởng của bất kỳ một từ trường ngoài nào cả Tức là 1 nguyên tử kim loại ở trạng thái cơ bản sẽ có dạng khí, và cấu hình electron của nó cũng là cấu hình cơ bản: tuân theo nguyên lí Pauli, nguyên lí vững bền và qui tắc Hund
3.1.2 Bậc Ion hóa và phân loại Plasma
Bậc bậc ion hóa là tỉ số giữa nồng độ các hạt mang điện với nồng độ các hạt khí trong môi trường
Nhờ vào bậc ion hóa người ta chia plasma ra làm hai loại là: ion hóa hoàn toàn và ion hóa một phần
➢ Trường hợp ion hóa hoàn toàn thường xảy ra ở plasma nhiệt độ cao Lúc này tính chất của plasma được xác định bởi tính chất của điện tử và ion chứa trong nó
➢ Trường hợp plasma nhiệt độ thấp ion hóa hoàn toàn thường xảy ra trong phóng điện ẩn và phóng điện hồ quang
➢ Để plasma có tính ion hóa mạnh thì: eo ei
➢ Để plasma có tính ion hóa yếu thì: eo ei
ei: tiết diện hiệu dụng, đặc trưng cho quá trình tương tác giữa điện tử với ion
e0: tiết diện hiệu dụng, đặc trưng cho quá trình tương tác giữa điện tử với hạt trung hòa
Bán kính nguyên tử của một nguyên tố hóa học là kích thước nguyên tử của nguyên tố đó, thường là khoảng cách trung bình tính từ tâm của hạt nhân nguyên tử đến ranh giới ngoài cùng của đám mây electron.
Sự tương tác giữa các hạt trong Plasma
Tiết diện hiệu dụng đặc trưng cho quá trình va chạm giữa các hạt với nhau Sự va chạm giữa hai hạt khi gặp nhau sẽ xảy ra nếu khoảng cách giữa hai tâm nhỏ hơn hoặc bằng một khoảng cách cực tiểu nào đó Khoảng cách cực tiểu này là bán kính hiệu dụng của sự va chạm Nếu các hạt có dạng như quả cầu đàn hồi có bán kính là r1, r2 sự va chạm sẽ xảy ra khi các hạt cách nhau một khoảng nhỏ hơn r1+r2
3.2.2 Khoảng cách đường tự do trung bình
Khoảng đường tự do trung bìnhcủa hạt được xác định như tổng số khoảng cách của hạt giữa hai va chạm chia cho tất cả số hạt đó
Tần số va chạm là số va chạm trong một đơn vị thời gian
3.2.4 Va chạm đàn hồi và không đàn hồi
Là va chạm không làm thay đổi tính chất của hạt, là va chạm mà trong đó các hạt tương tác chỉ lệch đi một góc nhỏ, đóng một vai trò đặc biệt
Chúng ta dùng khái niệm cổ điển để nghiên cứu va chạm đàn hồi, vì lý thuyết cổ điển không áp dụng được cho các mức năng lượng nguyên tử, nên chỉ áp dụng lý thuyết cổ điển khi:
Vậy lý thuyết cổ điển đúng chỉ với năng lượng của hạt va chạm lớn và tiết diện hiệu dụng biến đổi chậm hơn v-2
3.2.4.2 Va chạm không đàn hồi a Va chạm không đàn hồi loại 1
Là va chạm làm thay đổi tính chất của một hay nhiều hạt Nhờ vào sự va chạm không đàn hồi mà các quá trình như: sự ion hóa, sự kích thích, sự phân li, sự hóa hợp… có thể xảy ra
Trong va chạm không đàn hồi loại 1 khi kích thích hoặc ion hóa thì một phần động năng của hạt sẽ chuyển vào thế năng của hạt kia b Va chạm không đàn hồi loại 2
Khi va chạm thế năng của hạt kích thích chuyển qua hạt khác dưới dạng thế năng hay động năng, sau khi va chạm hạt kích thích sẽ trở về trạng thái cơ bản
Nếu hạt kích thích va chạm với điện tử sẽ cung cấp động năng cho điện tử Nếu va chạm với nguyên tử hoặc ion thì chúng sẽ bị kích thích hoặc ion hóa.Va chạm không đàn hồi loại 2 làm sản sinh thêm hạt nhanh trong plasma
Sự tái hợp: Là quá trình kết hợp ion với electron để thành nguyên tử hoặc phân tử trung hòa Quá trình này được coi là quá trình ngược với quá trình ion hóa Khi tái hợp nội năng toàn phần của hệ giảm Vì vậy quá trình có thể xảy ra với động năng của hạt tương tác nhỏ bất kì, xác suất tái hợp lớn nhất khi chuyển động của các hạt trung hòa mới thành lập Trong trường hợp tái hợp ion nguyên tử, năng lượng thừa chính là năng lượng cần thiết để tách ion âm và ion dương ra khỏi nguyên tử
Sự tái hợp đóng vai trò quan trọng trong môi trường plasma áp suất lớn có 4 dạng tái hợp:
Tái hợp kèm theo bức xạ: Sự tái hợp trục tiếp của electron tự do với ion dương, nhờ đó năng lượng dư thừa của electron được bức xạ dưới dạng lượng tử, quá trình này không đóng vai trò quan trọng trong plasma
Tái hợp với kích thích 2 lần: Sự tái hợp này xảy ra khi ion dương tác động đồng thời vào 2 electron Khi đó ion dương trung hòa với 1 trong 2 electron, còn electron kia thu năng
24 lượng ion hóa tỏa ra trong quá trình đó để bay ra khỏi với vận tốc lớn hơn Quá trình này xảy ra khi mật độ electron trong plasma khá cao
Tái hợp do va chạm 3 hạt: nhờ hạt thứ 3 mang năng lượng thừa nên quá trình tái hợp xảy ra khá hiệu dụng
Tái hợp phân ly: Khi va chạm với điện tử, ion dương không chuyển mức có kèm bức xạ, mà bị rơi vào trạng thái không bền vững rồi bị phân ly, trong quá trình này hệ số tái hợp rất lớn
Plasma phóng điện khí: Trong điều kiện bình thường, mọi chất khí thực tế không dẩn điện, chúng là chất cách điện Nhưng ở nhiệt độ cao, hay ở trong điện trường rất mạnh, thì tính chất của chất khí thay đổi căn bản nó bị ion hóa và dẫn điện Khi bị ion hóa, các nguyên tử và các phân tử khí trung hòa về điện sẽ mất đi 1 phần electron và trở thành ion dương Chất khí bị ion hóa đó gọi là plasma
Sự phóng điện trong chất khí sẽ tạo ra plasma khí Trạng thái plasma khí được duy trì nhờ năng lượng tỏa ra từ dòng điện phóng qua plasma Nếu bị loại bỏ điện trường ngoài đi thì plasma khí biến mất rất nhanh, nó sẽ trở thành chất khí bình thường Qúa trình này được gọi là sự tái hợp của chất khí
Sự phóng điện trong chất khí được phân thành 2 nhóm lớn: Sự phóng điện phụ thuộc và sự tự phóng điện
3.2.5 Sự tạo H 2 O 2 và gốc –OH
H2O2 được sử du ̣ng như là chất xúc tác, tác dụng trực tiếp lên bề mặt vật liệu
Quá trình tạo O3 dưới tác dụng củ a tia Plasma sẽ tạo ra H 2 O2
Sau đó từ H2O2 lại bị phân tách tiếp tục tạo thành gốc *OH
Gốc OH sau khi hình thành sẽ tham gia vào phản ứng oxi hóa các hợp chất hữu cơ tiếp xúc lên bề mặt nhựa làm phá vỡ liên kết trên bề mặt vật liệu
Hình 3.1 a) Nhóm cacbonyl; b) Nhóm hydroxyl; c) Nhóm carboxyl
Quá trình phân hủy oxi hóa dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl *OH được tạo ngay trong quá trình xử lý
Các phản ứng trong xử lý Plasma
Bảng 3.1 liệt kê các phản ứng khác nhau mà có thể diễn ra ở bề mặt tiếp xúc với plasma Hai vấn đề đầu tiên cần quan tâm là quá trình khắc (dập tắt plasma) và quá trình lắng đọng, kết bám được lần lượt tăng cường bởi sự truyền năng lượng được tạo ra bởi các hạt khác nhau
Bảng 3.2 và 3.3 liệt kê các hiện tượng xảy ra trong chất khí, ở đây các hạt bị ion hóa, một số phân tử khí bị phân chia và tích tụ kết khối (có chút kim loại) Quá trình cuối cùng là giai đoạn đầu tiên trong sự hình thành vật liệu hạt (bụi) trong plasma
Bảng 3.1 Các phản ứng bề mặt
Phản ứng Mô tả Nhận biết
AB+C_rắn A+BC_hơi Ăn mòn Ăn mòn kim loại
AB A+B_rắn Kết tụ Tạo lớp phim mỏng e - +A + A Tái hợp Quá trình tổn thất cơ bản
A + A + e - (từ bề mặt) Phản xạ thứ cấp Điện tử Auger
Phản xạ thứ cấp Điện tử Auger
Bảng 3.2 Các phản ứng xảy ra trong chất khí tạo các electron
Phản ứng Mô tả Nhận biết e - + A A + e - Tán xạ đàn hồi Các electron nhiệt e - + A A + + e - + e - Ion hóa Dẫn điện e - + A A ’ + e - Kích thích e - + A ’ e - + A + hu Khử kích thích Phát ánh sáng e - + A ’ A + + e - + e - Ion hóa bước 2 Hiệu suất ion hóa e - + AB A + B +e -
Phân mảnh Ion hóa phân ly
Phân tích khí còn dư
A - + B Kết hợp phân ly e - + A + + B A +B Tái hợp môi trường Suy giảm Plasma và trạng thái ổn định
Bảng 3.3 Các phản ứng xảy ra trong chất khí tạo ra các ion và các hạt trung hòa
Phản ứng Mô tả Nhận biết
Trao đổi điện tích Phổ năng lượng ion
A + + B B + A + Tán xạ đàn hồi Phổ năng lượng ion
A + + B A + + B ’ + e - Sự kích thích Hiệu suất ion hóa
A + + B A + + B + + e - Sự ion hóa Hiệu suất ion hóa
A + + B ’ A + + B + e - Sự ion hóa Penning Hiệu suất ion hóa
A + + BC A + + B +C - Sự phân mảnh/Sự phân ly
Phân tích khí còn dư e - + A + + B A + B Tái hợp môi trường Suy giảm Plasma
A ± + B AB ± Có chút kim loại Các phổ khối lượng ion
A + B A + B Có chút kim loại Phân tích khí còn dư
Năng lượng hấp thu bề mặt
3.4.1 Năng hượng hấp thu bề mặt trước khi xử lý
Bảng 3.4 Bảng thể hiện năng lượng tiếp xúc của bề mặt nhựa trước khi xử lý
3.4.2 Năng lượng hấp thu bề mặt sau khi xử lý
Bảng 3.5 Bảng thể hiện năng lượng tiếp xúc của bề mặt sau khi xử lý
PHƯƠNG HƯỚNG VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ
Những yêu cầu cơ bản của đề tài
Xuất phát từ môi trường làm việc và điều kiện sử dụng, module cần có những yêu cầu cơ bản sau:
- 3 ống thạch anh xử lý phải đảm bảo độ hướng tâm; đảm bảo độ song song, dung sai khoảng cách đến rulo chính và chúng có thể điều chỉnh được
- Thanh điện cực dương và rulo chính phải đạt độ thẳng tốt nhất, dòng điện phóng Plasma phải đều, không được tập trung dòng điện chủ yếu tại 1 vị trí;
- Bề mặt vật liệu xử lý phải phẳng, lực căng đảm bảo;
- Tốc độ chạy màng nhựa phải đảm bảo Plasma phóng ra xử lý tốt bề mặt;
- Năng suất xử lý đạt 50m/phút, các bề mặt trục đạt độ bóng tốt để không trầy sướt vật liệu xử lý;
- Mô hình đảm bảo chạy liên tục, không được dừng khi đang xử lý màng nhựa;
- Thao tác dễ dàng,vận hành đơn giản;
- An toàn khi sử dụng: không xảy ra hiện tượng phóng điện, nhiễm điện, rò điện gây nguy hiểm đến tính mạng con người và môi trường xung quanh
- Phải có hệ thống hút khí để thông thoáng khí, đảm bảo áp xuất và nhiệt độ yêu cầu Thông số thiết kế của hệ thống:
• Tốc độ xử lý tối đa là 50m/phút;
• Điện áp đầu ra: 0 – 10KV;
• Tần số đầu ra: 10 – 45 KHz;
• Bề mặt bề rộng xử lý: 700 mm;
• Năng lượng bề mặt sau xử lý: 46 dyne/cm
Phương án và giải pháp thực hiện
Chọn phương án thiết kế là phần rất quan trọng trong quá trình thiết kế Chọn phương án thiết kế là quá trình tìm hiểu, tính toán kinh tế, phân tích các phương án để tìm ra phương án tối ưu nhất, thỏa mãn các yêu cầu kinh tế, kỹ thuật và có hiệu quả cao nhất
Khi tiến hành thực hiện thì phải chú ý tới các vấn đề sau:
- Các chất khí xúc tác ( N2, H2….);
- Môi trường làm việc (áp suất, nhiệt độ khí quyển);
- Cơ cấu điều chỉnh khi cần thiết;
- Plasma muốn xảy ra cũng cẩn phải có điều kiện cụ thể của nó (điện áp, tần số, khoảng cách giữa 2 điện cực), trong quá trình thiết kế thì phải tính đến sự phóng điện của các điện cực để không xảy ra sự cố khi vận hành lâu ngày;
Tiến hành chọn đường kính làm việc của ống thạch anh, đường kính rulo chính rồi từ đó xác định ra phương án nâng, giữ ống hợp lý, không cho các tác động bên ngoài ảnh hường đến ống thạch anh (dễ vỡ)
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý quy trình sản xuất vỏ hộp
Dây chuyền sản xuất vỏ hộp được vẽ lại dưới dạng sơ đồ như hình 4.1, trong đó một mặt giấy đã được kết dính với 1 lớp PE1 và đã được in thông tin sản phẩm được đưa vào hệ thống, mặt còn lại của giấy sẽ qua trạm xử lý 1 để tăng năng lượng bề mặt sau đó được kết dính với một lớp PE2 nóng chảy, tiếp sau đó lớp nhôm (aluminum) đi qua Trạm xử lý 2 sẽ được ép lên trên cùng với lớp PE2, sau đó vật liệu sẽ được kết dính với lớp PE3 nóng chảy trên cùng, cuối cùng vật liệu sẽ đi qua trạm xử lý 3 để diệt khuẩn
Trong bài nghiên cứu này, ta lựa chọn các phương án thiết kế cho các trạm xử lý ứng với các loại vật liệu khác nhau và đặc tính của từng trạm xử lý trong quy trình Vì kết cấu của điện cực âm quyết định kết cấu của từng trạm xử lý, do đó ứng với mỗi trạm xử lý, ta có
2 phương án thiết kế như hình 4.2
Hình 4.2 Các phương án thiết kế
1: Vật liệu cần xử lý (phôi dạng cuộn)
5: Điện cực âm Ở hình (a), điện cực âm là một rulo, vật liệu bao quanh rulo và được xử lý Plasma tại vùng số 2; Ở hình (b), điện cực âm là một phiến kim loại phẳng để vật liệu tỳ trên đó và được xử lý Plasma
Sau đây là nguyên lý hoạt động và mô hình thiết kế cụ thể cho từng phương án
4.2.1.1 Phương án 1: Xử lý Plasma bằng Rulo dạng ống
Hình 4.3 Mô hình xử lý Plasma bằng Rulo dạng ống a Nguyên lý hoạt động
Bề mặt vật liệu cần xử lý đi qua giữa 2 điện cực và lăn trên ống rulo điện cực âm, khi đó giữa 2 điện cực sẽ phóng ra các hạt mang điện tích dưới tần số cao và điện áp lớn làm phá vỡ lớp liên kết trên bề mặt vật liệu cần xử lý b Ưu nhược điểm
• Điện cực phóng tia Plasma đều;
• Tiệt kiệm năng lượng khi xử lý;
• Có tính thẩm mỹ cao;
• Dễ lắp đặt và sữa chữa
• Cần phải tính toán ống rulo hợp lý, phù hợp với vật liệu trên thị trường;
• Chế tạo phải đảm bảo độ hướng tâm của 3 ống thạch anh khi lắp vào
4.2.1.2 Phương án 2: Xử lý Plasma bằng tấm kim loại
Hình 4.4 Mô hình xử lý Plasma bằng tấm kim loại a Nguyên lý hoạt động
Bề mặt vật liệu cần xử lý được đặt giữa 2 tấm điện cực có diện tích lớn và tấm cách điện Khi được cung cấp năng lượng từ nguồn phát, giữa hai tấm điện cực này sẽ tạo ra Plasma Các chất oxy hóa bật cao, các hạt điện tích mang động năng lớn bắn phá lên lớp bề mặt vật liệu cần xử lý
• Cần công suất nguồn phát ra rất lớn;
• Mô hình cồng kềnh, chiếm nhiều thể tích không gian;
• Khả năng thẩm mỹ kém;
4.2.1.3 Biện luận chọn phương án
Bề mặt xử lý là vật liệu mỏng (bề dày nhôm tnhôm ≈ 0.1mm; tgiấy ≈ 0.8mm; bề dày ở khâu cuối cùng t ≈ 1.2mm), khi vật liệu chạy qua vùng xử lý Plasma ở phương án thứ hai thì sẽ làm hao tổn năng lượng và phải cần một nguồn phát Plasma rất lớn (đây là nhược điểm lớn nhất của phương án này), bên cạnh đó vật liệu để chế tạo mô hình phương án này phải rất tốt (cách điện rất tốt, chịu nhiệt cao t o = 450 o ~ 500 o ) Ở phương án thứ nhất khi vật liệu chạy qua vùng xử lý Plasma sẽ bao quanh rulo, rulo vừa đóng vai trò là điện cực âm để xử lý bề mặt, vừa lăn tạo độ phẳng giúp cho bề mặt vật liệu không bị trầy sướt và tạo được độ căng cần thiết và ở phương án này, nguồn phát Plasma cũng thấp hơn nhiều so với phương án thứ hai, với những đặc điểm (ưu điểm và nhược điểm của hai phương án) trên thì ta nên thiết kế mô hình theo phương án thứ nhất
4.2.2.1 Thiết kế điện cực âm và điện cực dương
Bảng 4.1 Bảng so sánh thiết kế điện cực dương và điện cực âm Điện cực dương ngắn hơn điện cực âm Điện cực dương dài hơn điện cực âm
Hình 4.5 Điện cực dương ngắn hơn điện cực âm Hình 4.6 Điện cực dương dài hơn điện cực âm
Nguyên Nguồn phát plasma lấy điện từ dòng Nguồn phát plasma lấy điện từ dòng
36 lý hoạt động xoay chiều, biến đổi và cung cấp năng lượng đến 2 điện cực, nhờ năng lượng cao sẽ ion hóa các phân tử khí trong vùng xảy ra plasma và tạo ra plasma để xử lý bề mặt màng nhựa chạy qua xoay chiều, biến đổi và cung cấp năng lượng đến 2 điện cực, nhờ năng lượng cao sẽ ion hóa các phân tử khí trong vùng xảy ra plasma và tạo ra plasma để xử lý bề mặt màng nhựa chạy qua Ưu điểm
• Điện cực dương ngắn không xảy ra hiện tượng rò rĩ điện nên không cần phải sử dụng thêm vật liệu cách điện
• Năng lượng cung cấp xử lý đủ trên bề mặt;
• Không xảy ra hiện tượng phóng điện 2 đầu
• Xảy ra hiện tượng phóng điện ở
2 đầu điện cực nên 2 đầu mép nhựa sẽ bị cháy;
• Năng lượng tiêu hao nhiều (do phóng điện dư 2 đầu)
• Thiết kế thêm 1 vật liệu cách điện để ngăn cách giữa cực dương và kết cấu mô hình
Kết luận: Dựa vào những điều kiện làm việc, về kinh tế, những ưu khuyết điểm trong quá trình làm việc, ta chọn phương án 2 là sử dụng thanh điện cực dương dài hơn điện cực âm
4.2.2.2 Lựa chọn vật liệu và cách định vị điện cực dương Điện cực dương phải dẫn điện tốt, chống oxy hóa tốt, độ giãn nở vì nhiệt thấp, có độ cứng cao để đảm bảo được sai lệch hình dạng
Từ cỏc yờu cầu đú, ta chọn điện cực dương là một thanh Inox trũn ỉ8, dài lp0mm
Hình 4.7 Thanh điện cực dương Inox
37 Điện cực dương nằm bên trong lớp vật liệu cách điện là ống thạch anh, do đó ta phải định vị điện cực dương trong ống thạch anh Ống thạch anh có dạng ống trụ tròn rỗng, đường kính ngoài D = 25mm, đường kính trong d = 19mm Bảng 4.2 thể hiện 2 phương án định vị điện cực bên trong ống thạch anh
Bảng 4.2 Bảng so sánh phương án định vị điện cực dương Định vị điện cực dương bằng tấm nhôm uốn Định vị điện cực trong bằng miếng nhựa teflon
Hình 4.8 Định vị điện cực dương bằng tấm nhôm uốn
Hình 4.9 Định vị điện cực dương bằng nhựa teflon Ưu điểm
• Sử dụng cơ cấu định vị trong ống đơn giản;
• Chi phí cho cơ cấu định vị thấp;
• Tránh được hiện tượng rỏ rĩ điện lên kết cấu máy
• Dòng điện nguồn khi đưa vào cực dương giảm
• Khó đảm bảo độ song song giữa 2 điện cực (phụ thuộc vào người điều chỉnh);
• Dòng điện khi đưa vào cực dương phức tạp hơn
• Ống thạch anh không tròn lý tưởng mà thường bị oval và độ trụ không được đảm bảo
• Yêu cầu gia công cơ cấu định vị khó khăn
Kết luận: Lựa chọn cơ cấu định vị cho điện cực dương: Từ 2 cơ cấu định vị trên đều có khả phóng điện đều lên bề mặt màng nhựa Nhưng với sự lựa chọn đầu tiên của khách hàng về độ chính xác đơn giản nhất thì ta nên chọn phương án định vị thứ nhất
Bảng 4.3 Bảng so sánh phương án Rãnh trượt
Rãnh trượt chữ T Rãnh trượt chữ L
Hình 4.10 Mô hình rãnh trượt chữ T Hình 4.11 Mô hình rãnh trượt chữ L Ưu điểm
• Chịu được lực đều khi nghiêng hệ thống đi một góc α
• Đơn giản, dễ chế tạo;
• Khối lượng nhẹ hơn nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu làm việc
• Khó gia công, khi gia công yêu cầu độ song song trên suốt chiều dài l ≈
• Kích thước lớn hơn nên giá thành cao và tăng khối lượng của mô hình
• Khi nghiêng mô hình đi một góc α thì mô hình này không đáp ứng được
Kết luận: Từ 2 cơ cấu trên đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, khi module được đạt thẳng đứng thì ta nên chọn cơ cấu 1, còn khi chúng được đặt nghiêng 1 góc α thì ta sử dụng cơ cấu 2.
Kết cấu bộ phận xử lý Plasma
Hình 4.12 Mô hình thiết kế
4.3.2 Thuyết minh sơ đồ thực nghiệm Đầu tiên vật liệu sẽ được xả ra từ đầu xả, chạy qua ru lô nhỏ làm căng ở đầu vào, ru lô này sẽ tạo lực căng và làm phẳng đều bề mặt vật liệu cần xử lý trước khi qua xử lý, và tiếp theo qua bộ xử lý Plasma Ở đây thì xảy ra hiện tượng phóng điện (dòng điện từ điện cực dương sẽ phóng điện lên lớp vật liệu chạy qua nhờ sự tương tác giữa 2 điện cực), hiện tượng phóng điện xảy ra đều và ổn định là do sự phân bố đồng đều của ống thạch anh làm cho bề mặt vật liệu không bị các vết rỗ lớn, cuối cùng sau khi qua bộ xử lý Plasma thì vật liệu sẽ được chạy qua một rulo khác để làm phẳng và định hướng , sau đó vật liệu sẽ được chạy qua các bộ phận xử lý khác
Bộ xử lý Plasma: gồm có mạch điện tổng điều khiển dòng điện áp qua bộ khếch đại, bộ khếch đại phân ra 2 nhánh điện cực dương và âm, 2 điện cực có sự tương tác tạo ra lực hút giữa các electron và các ion nguyên tử, phân tử xuyên qua ống thạch anh làm phá cỡ các liên kết trên bề mặt vật liệu cần xử lý chạy qua
Hình 4.13 Mô hình chế tạo thực tế Ống thạch anh
Thanh trượt Điện cực dương
Rulo dẫn hướng Điện cực âm
Hình 4.14 Bộ xử lý Plasma 4.3.4.1 Mạch điều chỉnh độ rộng xung:
Hình 4.15 Tính toán mạch điều chỉnh độ rộng xung
Hình 4.16 Chu kỳ một xung
Tín hiệu ra: nguồn 12 VDC, xung có thể điều chỉnh độ rộng 0- 100%, tần số 40ms Mạch có công dụng cấp nguồn nuôi và điều độ rộng xung cho IC IR2153
Chu kỳ xung: T=ln2*C4*(R5+2*VRj3) = (3,25:68,4) (ms)
Thời gian xung ở mức cao trong một chu kỳ: T1=ln2*C4*(R5+VRj3)
T1: thời gian xung ở mức cao trong một chu kỳ (ms) T1 = (3,25: 35,8)
R5 , VRj3 điện trở và biến trở điều chỉnh độ rộng xung (Ohm)
4.3.4.2 Mạch điều chỉnh tần số và điện áp
Hình 4.17 Tính toán mạch hiệu chỉnh tần số và điện áp
Tín hiệu ra: xung điện áp cao
Hình 4.18 Tính toán giá trị tần số Ở đây chọn C5 = 10nF, R=R4+VRj5
Do đó tần số dao động nằm trong khoảng 6,5KHz đến 65KHz
Biến tần là thiết bị được dùng để điều khiển tốc độ quay của động cơ dòng điện xoay chiều bằng cách điều khiển tần số của điện năng cung cấp cho động cơ
Hình 4.21 a) Bộ biến áp; b) Bộ khuếch đại
Nguồn cấp vào cho biến áp là 220V Ngõ ra la áp thay đổi từ 0 đến 220V
Nguồn cấp vào cho biến áp là dạng xung có điện áp thay đổi 0 đến 400V, tần số xung thay đổi 6,5 KHz đến 65 KHz, độ rộng xung thay đổi tùy chỉnh.
Trình tự công việc tiến hành
Với mô hình đã chọn như trên thì ta tiến hành các công việc như sau:
- Tính toán kích thước và thiết kế Tấm định vị trên và định vị dưới, thiết kế kích thước điện cực, tính bền khung;
- Lên bản vẽ chi tiết cho từng bộ phận cần gia công, tính toán sức bền, tốc độ quay của động cơ để chọn ổ lăn cho phù hợp;
- Kiểm tra kết quả đầu ra;
TÍNH TOÁN
Cơ cấu định vị ống thạch anh
Theo yêu cầu thiết kế, vận tốc xử lý cần đạt vP m/p, từ công thức
Ta xác định được sơ bộ đường kính rulo chính D = 130 ÷ 150 (mm) Ống Inox được bán trên thị trường có đường kính D 2 mm, trong quá trình gia công cần có lượng dư gia công nên đường kính rulo chính D = 140 mm
Trong quá trình hoạt động, chiều dày của phôi có thể thay đổi, từ đó khoảng cách từ rulo chính đến ống thạch anh phải điều chỉnh được Bên cạnh đó, cụm ống thạch anh được tháo lắp thường xuyên để vệ sinh, bảo trì, và để tránh việc va đập ống thạch anh gây nứt vỡ trong quá trình tháo lắp thì ta phải đảm bảo khoảng cách an toàn (dan toàn= 2mm) giữa ống thạch anh và trục rulo Đối với giấy, chiều dày tgiấy=0.8mm; đối với nhôm, chiều dày tnhôm=0.05÷0.1 mm Vậy khoảng điều chỉnh ∆max= 3mm
Hình 5.1 Ống thạch anh Đường kính ống thạch anh Dta = 25mm, dtamm, chiều dài ltap0mm, khối lượng mta=0.2 kg
Bên trong mỗi ống thạch anh được lắp vào một điện cực làm từ Inox, điện cực Inox có chiều dài lđcp0mm, đường kính điện cực Dđc=8mm, khối lượng mđc=0.3kg
Tổng khối lượng của ống thạch anh sau khi lắp điện cực:
47 Ống thạch anh có dạng hình trụ, chiều dài lp0mm, vì vậy định vị bằng phương án khối V ngắn ở hai đầu ống thạch anh là tối ưu nhất Trong hệ thống Plasma, ống thạch anh phải được cách điện, đồng thời làm việc ở nhiệt độ cao (300 o C÷400 o C), do đó, ta chọn nhựa Teflon là vật liệu khối V định vị Theo dự đoán từ các nghiên cứu trước, đối với vật liệu là giấy và nhôm thì mức năng lượng Plasma khi xử lý cần đạt P≈1080W Để đáp ứng mức năng lượng đó, ta cần 3 ống thạch anh cùng làm việc đồng thời, hướng thiết kế được thể hiện ở Hình 5.2
Hình 5.2 Sơ đồ ý tưởng định vị ống thạch anh
Ba ống thạch anh được kẹp chặt bằng bu-lông tại các vị trí (1), (2), (3), (4) trong hình 5.2
Khoảng cách ∆ = 3mm được điều chỉnh thông qua việc dịch chỉnh khối V hướng vào tâm trục rulo chính Cơ cấu điều chỉnh sử dụng lò xo kết hợp thanh ren và đai ốc điều chỉnh
Do vật liệu khối V là nhựa Teflon, ống thạch anh có khối lượng mta= 0.169kg nên chọn bu-lông lục giác chìm đầu bằng vật liệu Inox theo tiêu chuẩn DIN 7991 Để đảm bảo độ bền ren đối với vật liệu Teflon, đồng thời chịu tải trọng của 3 ống thạch anh nên chọn Bu-lông M5
Hình 5.3 Thông số bu-lông lục giác DIN 7991 Đối với bu-lông M5, kích thước d2 mm, do đó kích thước EFmm (Hình 5.4)
Hình 5.4 Tính toán kích thước khối V
• Nếu α < 30 0 , β` 0 => EF < 12mm: cơ cấu kẹp chặt không hiệu quả
• Nếu α < 30 0 , β` 0 => EF > 12mm: cơ cấu kẹp chặt hiệu quả nhưng tăng kích thước khối V khiến cơ cấu cồng kềnh => không kinh tế
• Nếu α0 0 , β < 60 0 hoặc α0 0 , β > 60 0 => EFmm: cơ cấu kẹp chặt hiệu quả nhưng qua thực tế gia công thử nghiệm và lắp ráp, khối V không đủ cứng vững gây nên biến dạng và vị trí tương đối thay đổi đáng kể
Do đó: α0 0 , β` 0 là kích thước tối ưu nhất
5.1.2.2 Tính toán cơ cấu điều chỉnh
Cơ cấu điều chỉnh hướng tâm trục rulo chính được thể hiện sơ lược qua hình 5.5
Hình 5.5 Bản vẽ lắp một Module
Nguyên lí hoạt động cơ cấu: khoảng cách ∆ được điều chỉnh thông qua việc xoay đai ốc M10 Cây ren M10 được lắp vào khối V và chống xoay bởi chốt chống xoay, khi xoay đai ốc M10 thì khối V sẽ tịnh tiến lên hoặc xuống Lò xo luôn trong trạng thái bị nén để đảm bảo khoảng cách ∆ là lớn nhất khi điều chỉnh
3 ống thạch anh không thể điều chỉnh hướng kính độc lập với nhau, vì vậy có sai số giữa 3 khoảng cách ∆ Giả sử ta điều chỉnh cho ống thạch anh thứ 2 tiếp xúc với mặt ngoài rulo
Hình 5.6 Khoảng sai số sau điều chỉnh
Hình 5.6 cho thấy khoảng sai số là 0.42mm khi điều chỉnh ∆max=3mm Khi làm việc, khoảng cách để Plasma xử lý là 1mm, vậy khoảng sai số chấp nhận được.
Cơ cấu trượt cụm ống thạch anh vào hệ thống
Hình 5.7 Mô hình lắp cụm xử lý
Cụm 3 ống thạch anh sau khi định vị và kẹp chặt được lắp vào hệ thống bằng rãnh trượt, chiều dài rãnh trượt lq5mm
51 Đối với trạm xử lý bề mặt giấy, năng lượng P cần thiết theo thực nghiệm Pct ≈ 3000W, do đó cần 2 cụm xử lý (6 ống thạch anh) cùng làm việc 2 cụm xử lý được thiết kế nghiêng 23 0 so với mặt phẳng ngang
Sau khi lắp ghép, cụm xử lý có khối lượng m ≈ 10kg
Do tải trọng không lớn m ≈ 10kg, nhưng đối với trạm xử lý bề mặt giấy, cụm xử lý nghiêng 23 0 so với mặt phẳng ngang nên chọn loại rãnh trượt chữ T
Cụm xử lý chỉ tháo lắp khi cần lau bụi và bảo trì định kỳ nên số lần trượt không nhiều (3 tháng/lần), đồng thời để giảm khối lượng cụm xử lý, ta chọn vật liệu rãnh trượt là Nhôm Đối với thanh trượt, chọn vật liệu là đồng thau.
Tính toán chọn động cơ cho rulo chính
I: moment quán tính (Kg.m 2 ) 𝐼 = 𝐼 1 + 2𝐼 2 + 𝐼 3 Trong đó:
𝜔 1 , 𝜔 2 : tốc độ góc ban đầu và tốc độ góc lúc đạt tốc độ cần thiết
𝑡 1 , 𝑡 2 : là thời gian từ lúc roller đứng yên đến lúc đạt tốc độ cần thiết:
Vậy công suất cần thiết trên trục truyền động rulo chính là:
9.55 10 6 = 7,126 10 −3 (𝐾𝑊) = 7,126 (𝑊) Việc tính toán cho ra công suất nhỏ ≈ 10W do ta đã bỏ qua tác dụng của lực căng phôi Trong hệ thống dây chuyền làm việc, một động cơ được tính toán riêng cho việc kéo phôi, do đó trong bài nghiên cứu này, ta chỉ tính toán động cơ cho mỗi trạm xử lý riêng biệt Trong quá trình làm thực nghiệm cho thấy, để đảm bảo công suất tối thiểu khi làm việc thì động cơ phải có công suất P lớn hơn hoặc bằng 300W, khi đó hệ thống hoạt động ổn định nhất
Vậy ta xác định công suất cần thiết khi làm việc là P = 300W
Do tải trọng không đổi nên công suất tính toán Pct bằng với công suất khi làm việc Plv Công suất cần thiết trên trục động cơ điện:
𝜂 Với 𝜂 = 𝜂 𝑜𝑙 𝜂 đ : hiệu suất truyền động Tra bảng 2.3 – Trị số hiệu suất của các loại bộ truyền và ổ, tài liệu [1], ta được:
+ Hiệu suất bộ truyền đai: 𝜂 đ = 0.95
Vậy ta cần chọn động cơ có công suất 320 W và có số vòng quay sơ bộ là 114 v/p
Từ bảng P1.3, tài liệu [1] ta chọn động cơ 4A71B6Y3 có công suất 0.55 kW, số vòng quay 920 v/p Để đạt số vòng quay như thiết kế, ta sử dụng biến tần.
Tính toán bộ truyền đai
53 Điều kiện làm việc Quay một chiều, làm việc 2 ca
Ta có vận tốc xích tải v = 50 (m/p) = 0.83 (m/s) < 25 (m/s) nên ta chọn loại đai thường
Nên ta chọn loại đai thang thường (hình 4.1 trang 59 TL1)
Theo bảng 4.13 trang 59(TL1) ta cho ̣n đường kính đai d 1 q mm
Theo công thứ c 4.2 trang 53 (TL1), với 0, 02 (hệ số trượt ) nên đườ ng kính bánh đai lớn là:
Theo bảng 4.21trang 63 (TL1) ta chọn đường kính tiêu chuẩn d 2 q (mm)
Tỉ số truyền thực tế 2
Theo bảng 4.14 (TL1) ta chọn sơ bộ khoảng cách trục : a = 1,1.d 2 = 1,1.71x.1 (mm), Theo công thứ c 4.4 trang 54(TL1), chiều dài của đai là:
Theo bảng 4.13 trang 59 (TL1) ta chọn chiều dài đai chuẩn l @0 (mm)
Số vòng chạy của đai trong 1 giây theo công thứ c 4.15 trang 60(TL1) 0,6 1,5 10
l thỏa điều kiện Theo công thứ c 4.6 trang 54(TL1), Khoảng cách trục a theo chiều dài chuẩn là:
Theo công thứ c 4.7 trang 54(TL1) góc ôm:
Theo công thứ c 4.16 trang 60(TL1):
• Theo bảng 4.17 trang 61(TL1), với u=1 tra được C u =1
• Theo bảng 4.19 trang 62 (TL1), P o 0.46 ( v 0.6 m s d / ; 1 71 mm )
• 1 o 0,33 0,3 0,91 p p , do đó c z 1 (bảng 4.18 trang 61 TL1)
Chiều rộng bánh đai (công thứ c 4.17 tr.63 và bảng 4.21 tr.63)
B(z1).t2e (1 1).122.8 16( mm) Đường kính ngoài bánh đai dẫn d a 1 d 1 2h 0 71 2.2,5 76(mm)
55 Đường kính ngoài bánh đai bị dẫn d a 2 d 2 2h 0 71 2.2,5 76(mm)
5.4.3 Xác định lực căn ban đầu và lực căn tác dụng lên trục:
F q v , với q m = 0,061 (bảng 4.22 trang 64 TL1)
• Lực tác dụng lên trục:
Theo công thứ c 4.21 trang64 TL1, lực tác du ̣ng lên tru ̣c:
Thiết kế trục rulo chính
Yêu cầu: bề mặt làm việc của trục rulo chính có đường kính D0mm; trục rulo chính đóng vai trò là điện cực âm thực hiện quá trình phóng plasma nên chọn vật liệu là Inox 304
Từ yêu cầu làm việc kết hợp thực tế các loại Inox được bán trên thị trường, đồng thời giảm giá thành sản phẩm cũng như chi phí gia công, ta chọn kết cấu sơ bộ của trục rulo chính như hình 5.8
Hình 5.8 Kết cấu trục rulo chính
Chọn vật liệu chế tạo trục rulo chính là C45, có giới hạn bền b 600(Mpa), giới hạn chảy ch 340(Mpa). Ứng suất xoắn cho phép 12 20(Mpa).
5.5.2 Xác định sơ bộ đường kính trục
Với T = 773 (N.mm): Momen xoắn của trục rulo chính
Do kết cấu trục rulo chính khi gia công phải qua các nguyên công hàn ghép mặt bích, đồng thời trục có chiều dài l = 990mm và là chi tiết chịu lực chính trong cả kết cấu, vì vậy ta chọn đường kính sơ bộ d = 30 mm
5.5.3 Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và điểm đặt lực
Trong hệ thống này, ta chọn sử dụng gối đỡ UCFC 206 có đường kính ổ là 30mm, bề rộng ổ là b = 40mm
Chiều dài mayo bánh đai trên trục rulo chính, ta xác định qua công thức (10.10) tài liệu [1] ta được:
Hình 5.9 Sơ đồ lực tác dụng lên trục rulo chính
Chọn hệ trục tọa độ như hình 5.9
Hình 5.9 thể hiện các điểm đặt lực tác dụng lên trục rulo chính bao gồm: l3 = 50 mm;
- Lưc từ bộ truyền đai tác dụng lên trục:
- Lực phân bố đều Q được tổng hợp từ lực căng phôi q:
- Trọng lực tác dụng lên ống Inox P1:
Trong đó: m1 = 7,2 (kg): khối lượng ống Inox m2 = 3,2 (kg): khối lượng mặt bích được hàn ghép với ống Inox
- Trọng lực tác dụng lên trục rulo chính:
P2 = 10.M với M khối lượng trục rulo M = 5,5 kg
• Xét trong mặt phẳng Oyz:
- Phản lực tại các gối tựa:
Xét phương trình momen tại điểm O:
= 938,37(𝑁) Xét phương trình cân bằng lực theo phương y:
• Xét trong mặt phẳng Oxz:
- Phản lực tại các gối tựa:
Xét phương trình momen tại điểm O:
5.5.4 Biểu đồ nội lực trục rulo chính
Hình 5.10 Biểu đồ nội lực
Các điểm có momen uốn lớn trên trục:
Mx2 = 27,015 N.m = 27015 N.mm Đường kính trục tại các tiết diện j ứng với các điểm có momen uốn lớn:
3 = 7,66 𝑚𝑚 Đường kính sơ bộ ban đầu khi thiết kết là d = 30mm, trục được chọn dư bền, khối lượng lớn Nhưng trong kết cấu phải qua nguyên công hàn nên tránh trục bị biến dạng ta chọn đường kính trục lớn
Theo tài liệu [1]: Điều kiện bền dập và điều kiện bền cắt có dạng sau:
𝑑𝑙 𝑡ℎ𝑒𝑛 𝑏 ≤ [𝜏 𝑐 ] Trong đó: lthen = 36 mm: chiều dài then; d = 25 mm: đường kính trục;
T = 298 mm: momen xoắn; b = 8 mm: bề rộng then; h = 7 mm: chiều cao then; t1 = 4 mm;
Với then bằng thép C45 chịu tải trọng tĩnh (60…90MPa), hệ thống chịu tải trọng và a đập nhẹ nên [𝜏 𝑐 ] = (20 … 30𝑀𝑃𝑎); [𝜎 𝑑 ] = 100𝑀𝑃𝑎
Vậy các mối ghép then đều đảm bảo đủ độ bền dập và độ bền cắt
Vì không có lực dọc trục, để giảm chi phí cũng như dễ dàng trong quá trình lắp ghép ta chọn ổ đỡ như hình (5.11)
Hình 5.11 Ổ đỡ trục rulo chính
Dựa vào đường kính trục d = 30mm, chọn đường kính vòng trong ứng với đường kính trục a Kiểm nghiệm khả năng tải động:
Tải trọng hướng tâm tác dụng lên ổ 1:
𝐹 𝑟1 = 𝐹 𝑦1 8,37𝑁 Tải trọng hướng tâm tác dụng lên ổ 2:
Ta kiểm nghiệm với tải trọng lớn hơn: Fy1 = 938,37 N
Theo công thức (11.3) tài liệu [1]:
Fr = Fy1 = 938,37N: Tải trọng hướng tâm;
Fa = 0: Tải trọng dọc trục;
V = 1: hệ số kể đến vòng quay;
Kt = 1: hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ;
Kd = 1,2: hệ số kể đến đặc tính của tải trọng;
X = 1: hệ số kể đến đặc tính tải trọng;
Y = 0: hệ số kể đến tải trọng dọc trục, Y = 0 do Fa = 0
⟹ 𝑄 = (1 1 938,37) 1 1,2 = 1050,97(𝑁) Khả năng tải trọng động theo công thức (11.1) tài liệu [1]:
𝐶 𝑑 = 𝑄 √𝐿 𝑚 Với m: bậc của dường cong khi thử về ổ lăn.m = 3 (dùng cho ổ bi)
L: tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay
Q: tải trọng đông qui ước Q = 943,044 (N)
Lh: tuổi thọ của ổ tính bằng giờ Lh = 10
Theo bảng 6.4: KHE = 0,5 (thép tôi cải thiện) tΣ = 18000
=> Cd = 3.7 (kN) < C = 7.5 (kN) Vậy khả năng tải trọng động của ổ lăn được đảm bảo b Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh:
- Ta có Fa = 0, theo công thức (11.19): Qt1 = X0 Fr
(X0 = 0,6 theo bảng 11.6 đối với ổ bi đỡ)
=> Q0 = max [Qt1; Qt2] = 0,938 (kN) < C0 = 3.5 (kN)
Vậy khả năng tải tĩnh của ổ lăn được đảm bảo
CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
Chế tạo
6.1.1 Bộ định vị ống thạch anh
Hình 6.1 Chi tiết định vị ống thạch anh
• Chi tiết dùng để kẹp chặt ống thạch anh
Hình 6.2 Chi tiết dùng để kẹp chặt ống thạch anh
• Bộ định vị sau khi lắp ghép
Hình 6.3 Bộ định vị sau khi lắp ghép
Những ưu nhược điểm sau khi chế tạo và thử nghiệm:
• Cơ cấu hoạt động đúng theo tính toán của thiết kế, bộ phận điều chỉnh có thể điều chỉnh được trong khoảng thiết kế cho phép
• Chi tiết định vị ống thạch anh bị cong vênh do bề dày tại vị trí A kém cứng vững (hình 6.1);
• Lực nén của lò xo tại bộ phận điều chỉnh không đủ, gây khó khăn trong việc căn chỉnh, do đó phải tăng chiều dài lò xo để từ đó tăng lực nén của lò xo
Sau khi lắp ghép rãnh trượt vào hệ thống và cho trượt thử nghiệm
Hình 6.5 Thử nghiệm cơ cấu trượt
Những ưu và nhược điểm sau khi chế tạo và thử nghiệm:
• Đảm bảo đúng khoảng cách từ ống thạch anh đến rulo chính;
• Khoảng cách từ ống thạch anh đến rulo chính nhỏ nên gây khó khăn trong việc đưa bộ xử lý trượt vào rãnh
6.1.3 Rulo chính và khung hệ thống
Làm thí nghiệm
6.2.1 Tiến hành lắp hệ thống
Ta biết được sự thay đổi năng lượng bề mặt của vật liệu (giấy, nhôm, nhựa PE), từ đó xác định năng lượng cần thiết đối với mỗi loại vật liệu để đạt mức năng lượng bề mặt cần thiết để chuyển sang quá trình cán ép
• Cách thức tiến hành: Ứng với mỗi loại vật liệu ta làm thí nghiệm với 3 tốc độ xử lý (30m/p, 40m/p, 50m/p), mỗi tốc độ như vậy ta thí nghiệm trên 7 mẫu, số lần xử lý ứng với mỗi mẫu khác nhau
• Cách đo kết quả xử lý:
Sử dụng phương pháp Contact Angle, từ kết quả đo góc chuyển về năng lượng bề mặt theo tiêu chuẩn D5946 – 04
• Thí nghiệm được bố trí như hình 6.8:
Chi tiết số 3 là một dụng cụ đo chiều sâu với độ chính xác 1/100, càng 3.1 được dán cố định với panme đo sâu 1 (độ chính xác 1/100) theo phương thẳng đứng hướng xuống; càng 3.2 được lắp cố định với ống bơm 2 – dung tích 1 ml, đầu đo của panme 1 tiếp xúc với tay bơm của ống bơm 2 Ống bơm 2 được bơm đầy nước cất trước khi lắp vào mô hình thí nghiệm
Máy ảnh số 7 hướng ống kính vào bề mặt của chi tiết số 5 sao cho hình ảnh thu được là mặt phẳng ngang; đèn pin số 4 chiếu sáng hướng thẳng vào bề mặt của chi tiết số 5 để tăng độ sáng cho hình ảnh thu được rõ nhất Chi tiết số 4, 5 được đặt trên bàn mát 6
Hình 6.8 Mô hình đo kết quả xử lý
3.3) Tay vặn thay đổi chiều cao càng 1, 2
Trước tiên máy ảnh được kết nối đến máy tính, chi tiết số 5 và máy ảnh được điều chỉnh sao cho bề mặt của chi tiết số 5 hiện rõ trên màn hình máy tính
Bật đèn pin tăng độ sáng, điều chỉnh tay nắm 3.3 (hình 6.8) sao cho mũi kim của ống bơm 2 gần chạm mặt phẳng chi tiết số 5, vặn panme đo sâu xuống độ sâu là 0.17 mm thì ống bơm sẽ cho ra giọt nước cất 3mm 3
Khi đó, một giọt nước sẽ đọng ngay đầu mũi kim của ống bơm 2, vặn tay nắm điều chỉnh cho mũi kim đi xuống sao cho giọt nước đọng lại trên mặt phẳng Điều chỉnh chi tiết số 5 để thu được hình ảnh rõ nhất và chụp lại, ta được hình ảnh như trong hình 6.10
Mỗi mẫu như vậy ta thực hiện chụp 10 bức ảnh ở những vị trí khác nhau và lưu lại
Hình 6.9 Quá trình chụp ảnh lấy kết quả đo
Hình 6.10 Hình ảnh của một mẫu chụp
6.2.3 Thí nghiệm với mẫu giấy
Hình 6.11 Một giọt nước trên mẫu giấy chưa xử lý Plasma
Hình 6.11 là hình ảnh đc chụp lại sau khi nhỏ một giọt nước (≈ 3 mm 3 ) lên mẫu giấy chưa qua xử lý Plasma, hình ảnh giọt nước này được đo góc bằng phần mềm ImageJ và đo bằng Plugins Contact Angle Ứng với mỗi mẫu giấy ta sẽ đo ở những vị trí khác nhau trên mẫu và lưu kết quả lại tất cả các lần đo Kết quả đo được ghi lại ở bảng 6-1
Bảng 6.1 Kết quả đo Contact Angle của mẫu giấy chưa xử lý
Từ kết quả đo được đưa ra trong bảng 6.1 kết hợp với việc tra bảng theo tiêu chuẩn ASTM D5946 – 04 ta được năng lượng bề mặt của giấy là 33 Dyne/cm Năng lượng bề mặt này không đủ để các lớp vật liệu kết dính với nhau sau quá trình cán ép, do đó, ta phải xử lý Plasma để tăng năng lượng bề mặt
Các mẫu là vật liệu giấy được xử lý với dòng điện I = 3A, điện áp U = 180V, các mẫu được xử lý với các tốc độ 30 m/p, 40 m/p, 50 m/p Với mỗi tốc độ như vậy, ta thực hiện xử lý 7 mẫu, mỗi mẫu sẽ tăng số lần xử lý lên 1 lần
• Mẫu được xử lý với tốc độ 50 m/p:
Hình 6.12 Mẫu thí nghiệm qua 1 lần xử lý
Hình 6.13 Mẫu thí nghiệm qua 5 lần xử lý
Sau 1 lần xử lý, ta thực hiện chụp 10 tấm ảnh giọt nước ở những vị trí khác nhau trên bề mặt mẫu Sau 7 lần xử lý ta được bảng số liệu sau:
Bảng 6.2 Kết quả xử lý với tốc độ 50 m/p
So sánh kết quả đo được với yêu cầu năng lượng bề mặt đối với quá trình cán ép, phải qua 5 lần xử lý với tốc độ 50 m/p, dòng điện I = 3A, điện áp U = 180 V thì mới đạt mức năng lượng bề mặt yêu cầu
• Mẫu được xử lý với tốc độ 40 m/p:
Hình 6.14 Mẫu thí nghiệm qua 1 lần xử lý
Hình 6.15 Mẫu thí nghiệm qua 3 lần xử lý
Sau 7 lần xử lý và xử lý kết quả đo ta được bảng số liệu sau:
Bảng 6.3 Kết quả xử lý với tốc độ 40 m/p
So sánh kết quả thu được phía trên với yêu cầu đối với mức năng lượng bề mặt cần thiết thì đến lần xử lý thứ 3 đã đạt yêu cầu
• Mẫu được xử lý với tốc độ 30 m/p: Đối với tốc độ 30 m/p ta thực hiện tương tự như những mẫu tốc độ 40 m/p và 50 m/p, sau khi xử lý mẫu thí nghiệm ta được bảng kết quả:
Bảng 6.4 Kết quả xử lý tốc độ 30 m/p
So sánh kết quả thu được với yêu cầu đối với mức năng lượng bề mặt cần thiết thì đến lần xử lý thứ 3 đã đạt yêu cầu
Tổng hợp các kết quả thu được, ta vẽ được đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa tốc độ xử lý và năng lượng bề mặt
Hình 6.16 Đồ thị mối liên hệ tốc độ xử lý và mức năng lượng bề mặt
Chú thích đồ thị: Trục tung (Contact Angle): thể hiện mức năng lượng bề mặt thông qua việc qui đổi theo tiêu chuẩn D5946 – 04, trong bài nghiên cứu này, mức năng lượng cần đạt tương đương 53 0 ; trục hoành: thể hiện mức năng lượng xử lý tương ứng với số lần xử lý, số lần xử lý càng tăng thì mức năng lượng càng lớn
Kết luận và kiến nghị
• Từ các kết quả nghiên cứu và chế tạo, ta có thể rút ra được các kết luận sau:
1 Mô hình có thể thay đổi khoảng cách xử lý đối với các loại vật liệu khác nhau;
2 Đối với giấy, mô hình phải qua 5 lần xử lý với dòng điện U = 180V, I = 3A thì mới đạt mức năng lượng yêu cầu ≤ 53 0 ;
3 Bề mặt nhôm phải xử lý cả 2 bề mặt
• Với các kết quả trên, nhóm chúng tôi xin đưa ra kiến nghị:
1 Đối với Module xử lý bề mặt giấy, muốn đạt mức năng lượng yêu cầu phải qua 5 lần xử lý hoặc giảm tốc độ xử lý Tuy nhiên, trong công nghiệp, nếu giảm tốc độ xử lý sẽ làm giảm năng suất của dây chuyền, vì vậy, phương án tối ưu hơn là tăng mức năng lượng bằng việc tăng số trạm xử lý Trong quá trình thí nghiệm chỉ sử dụng một trạm xử lý, vậy ta cần thiết kế 5 trạm xử lý để giải quyết vấn đề này Sau đây là một phương án thiết kế:
Hình 6.20 Mô hình thiết kế kiến nghị xử lý giấy
Mỗi một ống thạch anh là một trạm xử lý, vậy mỗi Module sẽ gồm 3 trạm, hình 6.23 là mô hình thiết kế gồm 2 Module đặt lệch nhau một góc 23 0 so với mặt phẳng đứng
2 Đối với Module xử lý nhôm ta cần xử lý cả 2 bề mặt, sau đây là mô hình thiết kế kiến nghị:
Hình 6.21 Mô hình thiết kế kiến nghị xử lý nhôm
2 Module xử lý được đặt đối xứng nhau qua 2 rulo nhỏ, phôi nhôm đi từ rulo lớn phía trên rồi vòng ngược lại xuống rulo lớn phía dưới theo mô hình sau:
Hình 6.22 Mô hình thể hiện đường đi của phôi nhôm
Trên đây là một số kiến nghị của nhóm, chúng tôi sẽ phát triển và hoàn thiện đề tài để ứng dụng, phục vụ cho các cơ sở xử lý ngoài thực tế