Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống phủ nano bề mặt bằng công nghệ plasma

Sản phẩm: - Mô hình thực nghiệm hệ thống phủ nano trên vải bằng công nghệ Plasma ở nhiệt độ thấp trong môi trường áp suất thường; - Một bài báo đăng trên “Tạp chí Khoa học giáo dục kỹ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG PHỦ NANO BẰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

i

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỀU iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và 1.1 ngoài nước 3

Tính cấp thiết của đề tài 3

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 4

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

1.4 Phương pháp nghiên cứu 4

1.5 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

Nghiên cứu về một số loại vải thông dụng 5

2.1 Vải cotton – vải sợi bông 6

2.1.1 Vải từ sợi polyester 6

2.1.2 Lụa – tơ tằm 6

2.1.3 Vải tổng hợp 7

2.1.4 Sơ lược về nano 8

2.2 2.2.1 Phương pháp chế tạo nano kim loại 9

2.2.2 Tính chất của nano kim loại 9

2.2.3 Một số loại dung dịch nano để phun phủ 10

Các phương pháp phủ nano lên bề mặt hiện tại 14

2.3 2.3.1 Phun trực tiếp lên bề mặt 14

2.3.2 Ngâm tẩm trong dung dịch nano 15

Giới thiệu về Plasma 15

2.4 Nguyên lý tạo liên kết hóa học giữa gốc nano và vải bằng công nghệ 2.5 Plasma lạnh 18

ii

Chương 3 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN 19

Yêu cầu kỹ thuật của mô hình 19

3.1 Các phương án thiết kế bộ tạo Plasma 19

3.2 3.2.1 Phương án 1 19

3.2.2 Phương án 2 20

Thiết kế sơ bộ 21

3.3 3.3.1 Phương án 1 (sử dụng điện cực dương ngắn hơn cực âm) 21

3.3.2 Phương án 2 (sử dụng điện cực dương dài hơn cực âm) 21

3.3.3 Phương án định vị thanh điện cực 22

Hệ thống kết cấu mô hình 23

3.4 Thuyết minh sơ đồ thực nghiệm 25

3.5 Mô hình thử nghiệm ban đầu 25

3.6 Mạch điều chỉnh độ rộng xung 26

3.7 Mạch điều chỉnh tần số và điện áp 27

3.8 Bộ biến áp 28

3.9 Chương 4 CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 29

4.1 Trình tự công việc tiến hành 29

4.2 Chọn vật liệu cho hệ thống 29

4.3 Tính toán cho hệ thống 30

Tính toán chọn động cơ 30

4.3.1 Tính toán thiết kế bánh đai 30

4.3.2 Tính toán thiết kế trục 32

4.3.3 Thiết kế mô hình 35

4.3.4 CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 38

Chế tạo 38

5.1 5.1.1 Chế tạo giá đỡ 38

5.1.2 Chế tạo trục lăn 38

5.1.3 Gối đỡ trục 38

5.1.4 Chế tạo tấm đỡ trục lăn 39

iii

5.1.5 Mô hình thực tế 39Thử nghiệm 405.2

Kết quả thực nghiệm 405.3

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 - Sơ đồ các bước sản xuất dệt, nhuộm, may cho đến khi thành phẩm [9] 5

Hình 2 – Cấu trúc phân tử của vải cotton (vải sợi bông) 6

Hình 3 – Hạt nano từ phương pháp siêu âm 11

Hình 4 – Cấu trúc của nano TiO2 12

Hình 5 – Công thức cấu tạo của nano Silane-TEOS 13

Hình 6 – Phủ nano bằng phương pháp phun trực tiếp 15

Hình 7 – Chùm tia Plasma (a-Plasma ngoài tự nhiên; b-Plasma nhân tạo) 16

Hình 8 – Phản ứng tạo liên kết giữa phân tử nano-Silane và sợi vải 18

Hình 9 - Mô hình dạng tấm 20

Hình 10 - Mô hình dạng ống phóng Plasma 20

Hình 11 – Mô hình vùng phản ứng Plasma phương án 1 21

Hình 12 - Mô hình vùng phản ứng Plasma phương án 2 22

Hình 13 – Định vị điện cực bên trong ống thạch anh 22

Hình 14 – Định vị điện cực bên ngoài 23

Hình 15 – Sơ đồ mô hình hệ thống phủ nano bằng công nghệ Plasma lạnh 23

Hình 16 - Sơ đồ mô hình hệ thống phủ nano bằng công nghệ Plasma lạnh 24

Hình 17 – Nano-Silane được hóa hơi và đưa vào vùng 25

Hình 18 - Mô hình thí nghiệm xử lý và phủ nano trên vải 26

Hình 19 – Thí nghiệm vải chống thấm nước 26

Hình 20 – Mạch điều chỉnh độ rộng xung 26

Hình 21 – Chu kỳ một xung 27

Hình 22 – Mạch điều chỉnh tần sồ và điện áp 27

Hình 23 – Bộ biến áp và bộ khuếch đại 28

Hình 24 – Sơ đồ phân bố lực trên trục chủ động 34

Hình 25 – Biểu đồ phân bố lực và momen xoắn trên trục lăn 35

Hình 26 – Thân đế 35

v

Hình 27 - Giá đỡ trục vào và giá đỡ trục ra 36

Hình 28 – Tấm đỡ trục lăn 36

Hình 29 – Thanh đỡ trục lăn 36

Hình 30 – Gối đỡ Plasma 36

Hình 31 – Tấm đỡ ống thạch anh 36

Hình 32 - Mô hình hóa hơi dung dịch nano-Silane 37

Hình 33 – Chi tiết giá đỡ 38

Hình 34 – Chi tiết trục lăn 38

Hình 35 – Gối đỡ trục 38

Hình 36 – Tấm đỡ trục lăn 39

Hình 37 – Mô hình xử lý và phủ nano trên vải bằng 39

Hình 38- Ảnh thực tế: vải được xử lý và phủ nano(bên trái) và vải không được xử lý (bên phải), vải thun cotton 40

Hình 39 - Ảnh hưởng của tốc độ xử lý đến góc tiếp xúc θc trên vải thun cotton 41

Hình 40 - Ảnh chụp sợi vải thun cotton sau khi xử lý nano trên máy SEM (110V, 1A, 0,8 m/ph) 41

Hình 41- Ảnh hưởng của dòng điện đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải thun cotton 41

Hình 42 - Ảnh hưởng của điện áp đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải thun cotton 41

Hình 43- Ảnh hưởng của dòng điện đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải sơ-mi polyester 42

Hình 44 - Ảnh hưởng của điện áp đầu vào 42

Hình 45: Ảnh hưởng của dòng điện đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải thun tổng hợp 43

Hình 46: Ảnh hưởng của điện áp đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải thun tổng hợp 43

Hình 47 - Sự thay đổi góc tiếp xúc theo thời gian 43

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 – Đặc tính cơ bản các loại vải sợi 7

Bảng 2 – Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu 8

Bảng 3 – Sự suy giảm hàm lượng Ag theo số lần giặt [10] 11

Bảng 4 – Các quá trình trao đổi năng lượng ở trạng thái Plasma [4] 17

Bảng 5 - Một số quá trình va chạm và trao đổi năng lượng giữa hạt (Plasma) với bề mặt [4] 17

vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

1

Tp HCM, ngày 03 tháng 11 năm 2014

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống phủ Nano bề mặt bằng công nghệ Plasma”

- Mã số: T2014-01GVT

- Chủ nhiệm: ThS Thái Văn Phước

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

- Thời gian thực hiện: tháng 12/2013 đến tháng 12/2014

- Quá trình xử lý đơn giản, tiết kiệm năng lượng;

- Quy trình vận hành đơn giản;

- Dễ dàng lắp đặt trên dây chuyền sản xuất vải

4 Kết quả nghiên cứu:

- Thí nghiệm và chứng minh khả năng phủ nano của mô hình;

- Các thông số vận hành của mô hình

5 Sản phẩm:

- Mô hình thực nghiệm hệ thống phủ nano trên vải bằng công nghệ Plasma ở nhiệt độ

thấp trong môi trường áp suất thường;

- Một bài báo đăng trên “Tạp chí Khoa học giáo dục kỹ thuật Tp HCM”

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Hoàn thiện và phát triển thành hệ thống hoàn chỉnh có thể chuyển giao cho các

cơ sơ sản xuất vải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Coordinator: MSc Thai Van Phuoc

Implementing institution: University of Technology and Education Ho Chi Minh City Duration: from December 2013 to December 2014

2 Objective(s):

- Manufacturing model experimental coating-nano on fabric by cold-plasma at

atmospheric pressure;

- Find out operating parameters of model

3 Creativeness and innovativeness:

- The model has many advantages such as small size, simple operation, save energy;

- Easy to install on fabric production line

4 Research results:

- Testing and demonstrating coating-Nano ability of the model on fabric;

- The operating parameters of the model

5 Products:

- Experimental coating-nano model on fabric by cold-plasma at atmospheric pressure;

- An article published on Journal of Technical Education Science

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

- The model should be improved and developed into a complete system that can

be transferred to fabric factory

nhiệt độ thấp, nhiệt độ từ 30-70°C) [1]

Ở trạng thái Plasma các electrons, ions và các hạt kích thích mang một năng lượng lớn dưới dạng động năng Khi hướng các hạt mang năng lượng trên lên một bề mặt thì các hạt electrons, ions, hạt kích thích sẽ bắn phá lên bề mặt, làm sạch bề mặt, tẩy khuẩn,

bẽ gãy các liên kết trên bề mặt, đồng thời lại tạo ra các liên kết mới Với những tính chất trên công nghệ Plasma được ứng dụng nhằm làm sạch bề mặt, làm tăng năng lượng bề

mặt, tẩy khuẩn, phủ nano [1, 2]

Ứng dụng công nghệ Plasma ở áp suất thấp để phủ nano lên bề mặt đã được nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất công nghiệp Tuy nhiên nhược điểm chính của phương pháp này là điều kiện tiến hành phải ở áp suất thấp, dẫn đến chi phí thiết bị, vận hành rất đắt và quy mô sản xuất cũng bị hạn chế Hiện nay tại một số nước phát triển đã ứng dụng thành công công nghệ Plasma ở áp suất thường vào việc phủ nano, ví dụ như Công ty Fraunhofe ở Đức đã chế tạo thành công thiết bị Plasma Jet phủ nano ở điều kiện

áp suất thường, Enercon Industries Corporation ở Mỹ, Courstesy of Dow Corning Plasma Solution ở Anh v.v…

Qua tham khảo tài liệu và thực tế trong nước, tác giả chưa thấy có nghiên cứu nào ứng dụng công nghệ Plasma nhiệt độ thấp ở áp suất thường vào việc phủ nano bề mặt Trong phần nghiên cứu này tác giả đưa ra một mô hình xử lý và phủ nano trên vải bằng công nghệ Plasma nhiệt độ thấp ở áp suất thường

Tính cấp thiết của đề tài

1.2.

tạo-xử lý như sau: thứ nhất, vải được dệt bằng các sợi có tính chất siêu chống thấm có nguồn gốc chủ yếu từ polymer; hoặc theo cách thứ hai, vải được phun phủ các vật liệu siêu

vải liên kết với các hạt nano này để tạo cho vải tính chất như hiệu ứng lá sen Vải được

4

tạo theo cách thứ nhất có giá trị sử dụng không cao, lý do chính là vì được chế tạo từ vật liệu polymer nên vải thô-cứng, màu sắc bóng loáng, khi mặc có cảm giác nóng, không thoải mái Theo cách thứ hai vải được ngâm trong hỗn hợp gồm các dung dịch nano+dung môi trong thời gian dài, sau đó được xử lý nhiệt Theo phương pháp này, chi phí sản xuất rất cao do việc xử lý trong thời gian dài tốn nhiều năng lượng, quy trình vận hành cồng kềnh

Với khả năng chống thấm, vải chống thấm còn có khả năng tự làm sạch, hạn ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật gây mùi hôi trên vải, gây ảnh hưởng đến sức khỏe Vải chống thấm không chỉ được ứng dụng vào lĩnh vực thời trang-may mặc, các vật dụng trong gia đình (thảm chống thấm, divang bọc vải chống thấm, màn che cửa chống thấm…), mà cả trong lĩnh vực y tế (pra giường bệnh nhận, quần áo bệnh nhân, quần áo bác sỹ dung để phẫu thuật…)

chế-Trước những vấn đề như trên, việc nghiên cứu và thiết kế thiết bị và quy trình phủ nano trên vải bằng công nghệ Plasma nhiệt độ thấp, áp suất thường trở thành một đề tài mang tính ứng dụng thực tiễn cao

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

1.3.

Đề tài được thực hiện theo các mục tiêu sau:

- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình phủ nano trên vải bằng công nghệ Plasma

nhiệt độ thấp trong môi trường áp suất thường với kích thước nhỏ để tiến hành thử nghiệm;

- Tìm ra các thông số tối ưu của vận hành mô hình;

- Tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phủ nano trên vải

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.

a Đối tượng nghiên cứu của đề tài:

- Môi trường tạo Plasma nhiệt độ thấp ở áp suất thường;

- Khả năng tạo liên kết giữa sợi vải và nano silane

5

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nghiên cứu về một số loại vải thông dụng

2.1.

Vải sợi là những cấu trúc dạng phẳng, được tạo thành từ các loại tơ sợi được đan lại với nhau theo những kiểu cách cho trước Những sợi này có dạng sợi dài, xoắn vào nhau tạo thành phần tử cơ bản nhất của vải sợi Mỗi loại sợi này được cấu thành từ hàng triệu chuỗi phân tử hoá học đơn lẻ

Hiện nay, quy trình sản xuất các loại vải ở các doanh nghiệp hoặc các công ty lớn chủ yếu được thực hiện theo các bước như sau:

Hình 1 - Sơ đồ các bước sản xuất dệt, nhuộm, may cho đến khi thành phẩm [9]

6

Sợi vải được chuyển qua công đoạn mắc sợi Sau đó chuyển sang hồ rồi mới đưa qua hệ thống máy dệt để thực hiện công đoạn dệt Công đoạn cuối cùng trước khi sản phẩm dệt được xuất xưởng là công đoạn kiểm phẩm Tại đây, hệ thống vải dệt được kiểm tra kỹ trước khi cho xuất kho để tránh những lỗi sản phẩm

Vải cotton – vải sợi bông

2.1.1.

Vải cotton được làm từ sợi của cây bông vải, có cấu trúc phân tử như hình 2 Vải cotton có khả năng thấm nước đến 65% so với trọng lượng; có đến 86.8% có cấu trúc hóa học từ cenllulose, có khuynh hướng dính bẩn và dính dầu mỡ, dù vậy có thể giặt sạch được Sợi bông thân thiện với da người (không làm ngứa) và không tạo ra các nguy cơ dị ứng việc khiến cho sợi bông trở thành nguyên liệu quan trọng trong ngành dệt may

Hình 2 – Cấu trúc phân tử của vải cotton (vải sợi bông)

Vải từ sợi polyester

2.1.2.

Polyester là một loại sợi tổng hợp với thành phần cấu tạo đặc trưng là ethylene (nguồn gốc từ dầu mỏ) Quá trình hóa học tạo ra các polyester hoàn chỉnh được gọi là quá trình trùng hợp Có bốn dạng sợi polyester cơ bản là sợi filament, xơ, sợi thô, và fiberfill

Vải được chế tạo từ sợi polyester có tính chất chống thấm, không hút ẩm Nhờ những đặc tính này làm cho vải polyester vật liệu cho những ứng dụng chống nước, chống bụi

Lụa – tơ tằm

2.1.3.

Đặc điểm chủ yếu của tơ là chiều dài tơ đơn và độ mảnh tơ Sợi tơ có thể hút

ẩm, bị ảnh hưởng bởi nước nóng, axit, bazơ, muối kim loại, chất nhuộm màu Mặt cắt ngang sợi tơ có hình dạng tam giác với các góc tròn Vì có hình dạng tam giác nên ánh sáng có thể rọi vào ở nhiều góc độ khác nhau, sợi tơ có vẻ óng ánh tự nhiên Quần áo bằng lụa rất thích hợp với thời tiết nóng và hoạt động nhiều vì lụa dễ thấm mồ hôi Quần

áo lụa cũng thích hợp cho thời tiết lạnh vì lụa dẫn nhiệt kém làm cho người mặc ấm hơn

Bảng 1 – Đặc tính cơ bản các loại vải sợi

dễ dàng bị bám bẩn

Mượt và sáng, vì thế ngăn chặn được

sự bám bẩnvà dễ

giặt

Bề mặt mượt vì thế không hấp thu chất bẩn và có thể giặt sạch dễ dàng

Mức độ hút ẩm

Cotton hút ẩm dễ dàng và cũng nhanh

khô

Không dễ hút ẩm

Nó cũng ấm khi mặc và không thấm

mồ hôi

Hút ẩm ít nhất so với các loại sợi khác

Dẫn nhiệt

Là vật dẫn tốt giúp nhiệt tỏa ra ngoài

cơ thể và giữ cơ thể mát mẻ

Bền nhất trong tất

cả các loại sợi

Chịu được chà xát tốt, không giảm sức bền bị bịướt

Là loại sợi cực bền mặc dù không bền bằng nylon

Độ đàn hồi

Nếp nhăn và nếp gấp Sau khi giặt, những vết nhăn cần được là phẳng

Cần là lại một chút sau khi giặt để tránh nếp nhăn hay nếp gấp

Có thể không cần phải là sau khi giặt

vì loại sợi polyester

bị nhăn hay bị nếp gấp rất ít

Mục đích sử

dụng

Trang phục mùa hè, trang phục thể thao, chăn, khăn ăn, khăn

tắm

Được dùng cho các mặt hàng dệt kim như tất, quần áo, thích hợp làm lớp lót cho áo khoác nặng

Nguyên liệu may quần áo cho cả nam

và nữ