ẢNH HƯỞNG của PLASMA LẠNH ở áp SUẤT THƯỜNG đến HIỆU QUẢ xử lý bề mặt NHỰA PP

ẢNH HƯỞNG CỦA PLASMA LẠNH Ở ÁP SUẤT THƯỜNG ĐẾN HIỆU QUẢ XỬ LÝ BỀ MẶT NHỰA PP INFLUENCY OF COLD-PLASMA AT ATMOSPHERIC ON EFFECT OF SURFACE PRETREATMENT OF PLASTIC PP Thái Văn Phước 1a

ẢNH HƯỞNG CỦA PLASMA LẠNH Ở ÁP SUẤT THƯỜNG

ĐẾN HIỆU QUẢ XỬ LÝ BỀ MẶT NHỰA PP

INFLUENCY OF COLD-PLASMA AT ATMOSPHERIC ON EFFECT OF SURFACE

PRETREATMENT OF PLASTIC PP

Thái Văn Phước 1a , Tr ần Ngọc Đảm 2b

1, 2 Phòng Nghiên cứu Năng lượng và Môi trường, Khoa Cơ khí chế tạo máy,

Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

a phuoctv@hcmute.edu.vn;; b damtn@hcmute.edu.vn

TÓM TẮT

Các loại bao bì làm từ vật liệu plastic cần phải được xử lý bề mặt trước khi in ấn nhằm

giảm thời gian in ấn, tăng chất lượng và làm giảm khối lượng mực in hay sơn phủ Các phương pháp hiện nay như xử lý nhiệt, xử lý hóa chất có nhiều nhược điểm như

tốn nhiều năng lượng, quy trình xử lý cồng kềnh, sử dụng nhiều hóa chất gây ô nhiễm môi trường Trong nghiên cứu này, mô hình xử lý bề mặt màng mỏng từ plastic bằng công nghệ Plasma nhiệt độ thấp, ở áp suất thường được thiết kế và chế tạo để khắc phục những nhược điểm trên Ưu điểm của mô hình là xử lý bề mặt trực tiếp trên dây chuyền sản xuất - in ấn bao

bì với tốc độ cao Mô hình trên sử dụng mức năng lượng 225Wh (150V, 1.5A) để tăng độ hấp thu trên bề mặt nhựa PP với tốc độ xử lý 30 m/phút Góc tiếp xúc bề mặt trên nhựa PP từ 1020 trước khi xử lý giảm xuống dưới 880 sau khi xử lý

Từ khóa: Plasma lạnh, màng nhựa PP, xử lý bề mặt, góc tiếp xúc

ABSTRACT

Plastic bags should be pretreated before painting or coating due to decrease processing time, mass and increase coating quality The current pretreated methods - using temperature, chemical solution have many disadvantages such as complex system, harmful chemical, and energy loss In this paper, the pretreated plastic film by cold-plasma at atmospheric is studied

to solve the disadvantages The advantage of the model is that using directly on plastic bags production line with high speed The result of experiments show that contact angle of plastic film PP reduces from 1020 to under 880 after plasma pretreatment, supplied power – 225Wh (150V, 1.5A) and speed of pretreatment – 30m/min

Keywords: Cold-plasma, plastic film PP, surface pretreament, contact angle

1 GI ỚI THIỆU

Hầu hết các loại bao bì đang sử dụng hiện nay đều được sản xuất từ vật liệu polymer, trên bề mặt bao bì này đều được in ấn, dán nhãn mác nhằm tăng tính thẩm mỹ, quảng cáo thương hiệu, v.v Hình 1 mô tả quy trình sản xuất và in ấn trên bao bì nhựa: nguyên liệu - 1 (hạt nhựa) được nung nóng chảy và kéo thành màng mỏng lên khu vực ổn định nhiệt - 2, tiếp sau đó được đưa vào khu vực - 3 nhằm làm căng màng và xử lý bề mặt trước được in ở khu

vực - 4, tiếp đó bề mặt in ở khu vực - 4, được làm khô ở khu vực - 5 và lưu trữ thành phẩm ở khu vực - 6

Hình 1 Quy trình s ản xuất và in bao bì:

1-Nguyên li ệu, 2-Khu vực ổn định nhiệt, 3-Khu vực căng màng và xử lý bề mặt,

4-Khu v ực in, 5-Khu vực làm khô, 6-Thành phẩm

Vì làm từ vật liệu polymer nên bao bì có mức năng lượng bề mặt rất thấp, do đó nếu không được xử lý thì chất lượng in trên bao bì rất kém, rất dễ bị nhòe hoặc bong tróc Tại khu

vực 3 (Hình 1) bề mặt nhựa sẽ được xử lý nhiệt hoặc xử lý hóa chất nhằm làm tăng tính hấp

thu của bề mặt nhựa Với các phương pháp xử lý bề mặt này, chi phí sản xuất sẽ tăng cao, tốn nhiều năng lượng, quy trình vận hành cồng kềnh và gây ô nhiễm môi trường do việc sử dụng hóa chất Để giải quyết vấn đề trên, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một mô hình ứng dụng công nghệ Plasma nhiệt độ thấp ở áp suất thường để xử lý, làm sạch và tăng năng lượng bề mặt trên màng nhựa

Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, chứa các electrons, ion dương, nguyên tử hay phân tử khí trung tính, tia UV và các nguyên tử, phân tử ở trạng thái kích thích Khi chiếu chùm tia Plasma này lên trên bề mặt nhựa, các hạt mang năng lượng lớn dưới dạng động năng trong chùm tia Plasma sẽ bắn phá, bẽ gãy các liên kết trên bề mặt, qua đó làm sạch bề mặt và

tăng năng lượng bề mặt nhựa [1-3] Quá trình tương tác giữa chùm tia Plasma với bề mặt diễn

ra rất nhanh (vài miligiây) do đó sẽ giúp tiết kiệm năng lượng, đồng thời rút ngắn thời gian xử

lý và do đó chi phí sản xuất sẽ được giảm xuống đáng kể

2 THÍ NGHI ỆM

2.1 Mô hình thí nghi ệm

Hình 2 Nguyên lý làm vi ệc của mô hình

Hình 3 Ảnh thực tế của mô hình

Hình 4 Quá trình xử lý thực tế

Bảng 1 Thông số thí nghiệm

Điện áp đầu vào …….……… V 100÷220

Dòng điện đầu vào ………… A 1÷2.5

V ận tốc xử lý ……….m/ph 15 30

B ề rộng vùng Plasma mm 200

Khoảng cách giữa 2 cực mm 3

Đường kính ngoài ống ceramic, mm 25

Đường kính trong ống ceramic, mm 19

Hình 2 mô t ả nguyên lý hoạt động của mô hình xử lý, làm tăng năng lượng bề mặt màng

nh ựa bằng công nghệ Plasma lạnh, cấu tạo chính của thiết bị gồm 2 điện cực 1 và 2 được nối

vào nguồn điện áp và tần số cao, trong đó điện cực 1 (một thanh inox với kích thước

Ø10×200mm ) được đặt trong một ống ceramic (Hình 2) và điện cực 2 - một trục tròn được

làm từ nhôm (Ø30×210 mm) gắn với hai thành nhựa cách điện (Hình 4) Bộ nguồn (power

supply) được cung cấp bởi nguồn điện xoay chiều 220V, 50Hz qua hệ thống khếch đại để tạo

ra giữa hai điện cực điện áp cao và tần số lớn: 5÷20 kV; 5÷40 kHz Khi cung cấp bởi điện áp

cao và tần số lớn như thế thì giữa hai điện cực này sẽ tạo một vùng điện trường lớn và kết quả không khí giữa hai cực sẽ bị ion hóa tạo thành chùm tia Plasma như Hình 4

2.2 Tiến hành thí nghiệm

Màng nhựa PP (rộng 60mm) được bắt lên các trục rulo trung gian (Hình 4) nhằm làm căng bề mặt trước khi vào vùng xử lý Plasma Sau khi được xử lý, màng nhựa được cuốn vào

trục rulo cuối cùng với vận tốc cuốn khác nhau do một động cơ bước thực hiện Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý được khảo sát: thời gian xử lý (vận tốc màng nhựa di chuyển qua vùng Plasma), điện áp và cường độ dòng điện đầu vào cung cấp cho bộ nguồn Plasma Trong quá trình xử lý, khoảng cách giữa 2 điện cực 2 và ống ceramic được giữ không đổi là

3mm

Hình 5 Góc ti ếp xúc trên màng nhựa:

a) Trước khi xử lý; b) Sau khi xử lý (150V, 1.75A, 20m/ph)

Để đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý và ảnh hưởng của các thông số nói trên, màng

nhựa sau khi xử lý được đo góc tiếp xúc θ c [4] Mỗi mẫu màng nhựa được xử lý bởi một thông số cụ thể được tiến hành đo góc tiếp xúc 3 lần Năng lượng bề mặt hay hiệu quả xử lý

được đánh giá qua thông số góc tiếp xúc bề mặt θ c, năng lượng bề mặt càng lớn thì góc tiếp xúc θ c càng nhỏ, để đảm bảo chất lượng in trên bề mặt nhựa góc tiếp xúc θ c≈880

3 K ẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 6 cho th ấy ảnh hưởng của tốc độ xử lý đến góc tiếp xúc θ c trên màng nhựa PP, các thí nghiệm được tiến hành với thông số: điện áp đầu vào 150 V, cường độ dòng điện đầu vào

1.5A Kết quả cho thấy sau khi xử lý, chất lượng bề mặt màng nhựa PP được tăng lên rõ rệt, góc tiếp xúc θ c giảm từ 1020 xuống dưới 880 [5] với tất cả các vận tốc được tiến hành khảo sát Cụ thể khi vận tốc xử lý tăng từ 16 m/ph lên 29 m/ph, góc tiếp xúc trên bề mặt màng nhựa tăng từ 670 lên 840

Hình 6 Ảnh hưởng của tốc độ xử lý đến hiệu quả xử lý (góc tiếp xúc θ c )

Hình 7 Ảnh hưởng của dòng điện đầu vào đến hiệu quả xử lý (góc tiếp xúc θ c )

Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý bề mặt màng nhựa là năng lượng

tạo ra Plasma, trên mô hình trên sử dụng một bộ khuếch đại từ nguồn điện xoay chiều 220V,

50Hz để tạo giữa hai điện cực 1 và 2 (Hình 1) lên điện áp cao và tần số lớn: 5÷20 kV; 5÷40

kHz Kết quả thí nghiệm ở Hình 7 cho thấy cường độ dòng điện đầu vào thay đổi từ 1A lên 2A (điện áp đầu vào và tốc độ xử lý được giữ nguyên ở mức 150V, 20m/ph) thì chất lượng bề

mặt màng nhựa gần như không đổi, θ c có giá trị thấp nhất 720khi cường độ dòng điện đầu vào 1.5A

Để đánh giá ảnh hưởng của điện áp đầu vào đến hiệu quả xử lý bề mặt, các thí nghiệm được lặp lại với mức điện áp khác nhau khi cường độ dòng điện được giữ không đổi 1.5A và

tốc độ xử lý 20m/ph Kết quả cho thấy rằng góc tiếp xúc θ c thay đổi không nhiều khi điện áp đầu vào tăng từ 140V lên 220V, hay hiệu quả xử lý không thay đổi đáng kể

0

20

40

60

80

100

120

Không

Tốc độ xử lý (m/phút)

Lần 1 Lần 2 Lần 3

0

20

40

60

80

100

120

Dòng điện đầu vào (A)

Lần 1 Lần 2 Lần 3

Hình 8 Ảnh hưởng của điện áp đầu vào đến hiệu quả xử lý (góc tiếp xúc θ c )

4 K ẾT LUẬN

Từ những kết quả trên cho thấy rằng sau khi xử lý bằng Plasma nhiệt độ thấp, chất lượng

bề mặt nhựa PP được cải thiện rõ rệt, góc tiếp xúc θc giảm từ 1020 xuống dưới 880ở mọi thông

số vận hành của mô hình Yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả xử lý là tốc độ xử lý, sự thay đổi của các thông số điện áp đầu vào và cường độ dòng điện đầu vào làm chất lượng bề mặt thay đổi không đáng kể Để tiết kiệm năng lượng và đạt độ ổn định hiệu suất xử lý, mô hình trên

đã sử dụng: điện áp đầu vào 150V, dòng điện 1.5A, tốc độ xử lý 30m/ph Thực tế trên mô hình cho thấy Plasma tạo ra giữa hai điện cực có bề rộng 200 mm nhưng bề rộng của màng nhựa PP được xử lý là 60mm nên mức năng lượng được sử dụng để xử lý thực tế là 67.5Wh với vận tốc 30m/ph Các điện cực được thiết kế dưới dạng trục - rulo nên để dàng xử lý được hai bề mặt trên màng nhựa với bề dày khác nhau từ những vật liệu nhựa khác nhau

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Bruce Welt, Wesley Taylor Technical Synopsis of Plasma Surface Treatment University

of Florida, Gainesville, FL December, 2009

[2] Hubert Rauscher, Massimo Perucca and Guy Buyle Plasma technology for

hyperfunctional surfaces 2010

[3] Yves Pauleau, 2006 Materials surface processing by directed energy techniques, Oxford

603 pp

[4] Guillaume Lamour, Admed Hamraoui, Andrii Buvailo, et al Contact angle

measurements using a simplified experimental setup Journal of Chemical education Vol

87 № 12 December 2010

[5] Frank Hild Surface Energy of Plastics Dec 16, 2009 From http://www.tstar.com/blog/bid/33845/Surface-Energy-of-Plastics

AUTHOR’S INFORMATION

1 Thái Văn Phước Phòng Nghiên cứu Năng lượng và Môi trường, Khoa Cơ khí chế tạo máy,

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM phuoctv@hcmute.edu.vn +84907504297

2 Tr ần Ngọc Đảm Phòng Nghiên cứu Năng lượng và Môi trường, Khoa Cơ khí chế tạo máy,

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM damtn@hcmute.edu.vn +84947760123

0

20

40

60

80

100

120

Không

xử lý

Điện áp đầu vào (V)

Lần 1 Lần 2 Lần 3