Xu hướng ứng dụng công nghệ plasma lạnh để xử lý bề mặt vật liệu, phủ nano nhằm tăng chất lượng và giá trị sản phẩm

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TP-HCM TRUNG TÂM THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ  BÁO CÁO PHÂN TÍCH XU HƯỚNG CƠNG NGHỆ Chun đề: XU HƯỚNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH ĐỂ XỬ LÝ BỀ MẶT VẬT LIỆU, PHỦ NANO NHẰM TĂNG CHẤT LƯỢNG VÀ GIÁ TRỊ SẢN PHẨM Biên soạn: Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ TP HCM Với cộng tác của:  TS Trần Ngọc Đảm Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM TP Hồ Chí Minh, 09/2015 MỤC LỤC I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH LÀM SẠCH, TĂNG HẤP THỤ VÀ PHỦ CHẤT BẢO VỆ NHẰM TĂNG ĐỘ BỀN VẬT LIỆU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM Khái niệm xử lý bề mặt: Tình hình làm sạch, tăng hấp thụ phủ chất bảo vệ nhằm tăng độ bền vật liệu giới Việt Nam II XU HƢỚNG CÔNG NGHỆ PLASMA XỬ LÝ BỀ MẶT VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ SỐ LIỆU SÁNG CHẾ QUỐC TẾ Tình hình đăng ký bảo hộ sáng chế công nghệ plasma xử lý bề mặt vật liệu theo thời gian Tình hình đăng ký bảo hộ sáng chế công nghệ plasma xử lý bề mặt vật liệu quốc gia Tình hình đăng ký bảo hộ sáng chế công nghệ plasma xử lý bề mặt vật liệu theo hướng nghiên cứu: III CÔNG NGHỆ PLASMA VỚI XỬ LÝ BỀ MẶT: LÀM SIÊU SẠCH, TĂNG HẤP THỤ VÀ PHỦ NANO BẢO VỆ BỀ MẶT 10 Công nghệ plasma 10 Plasma với X 10 Ứng dụng cơng nghệ Plasma vào q trình làm sạch, tăng tính hấp thụ bề mặt vật liệu 12 XU HƢỚNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH ĐỂ XỬ LÝ BỀ MẶT VẬT LIỆU, PHỦ NANO NHẰM TĂNG CHẤT LƢỢNG VÀ GIÁ TRỊ SẢN PHẨM ************************** TỔNG QUAN TÌNH HÌNH LÀM SẠCH, TĂNG HẤP THỤ VÀ PHỦ CHẤT BẢO VỆ NHẰM TĂNG ĐỘ BỀN VẬT LIỆU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM I Khái niệm xử lý bề mặt: , (duplex layer) : PVD, CVD, PECVD  Ƣu điểm Tình hình làm sạch, tăng hấp thụ phủ chất bảo vệ nhằm tăng độ bền vật liệu giới Việt Nam Để tăng hiệu sử dụng, độ bền bề mặt vật liệu thường phủ lớp bảo vệ; bề mặt kim loại thường sơn-xi mạ, bề mặt thủy tinh, gạch men phủ lớp nano để tăng tính chống mài mòn, chống thấm v.v…Quy trình để tạo lớp phủ thường trải qua ba bước chính, bề mặt làm sạch, bề mặt xử lý để tăng lượng bề mặt-tăng hấp thụ bề mặt cuối phủ-ghép bề mặt lớp coating để tạo tính chất Tuy nhiên, Việt Nam hầu hết phương pháp làm sạch, tăng hấp thụ bề mặt chủ yếu sử dụng hóa chất Cụ thể, trước sơn-xi mạ, bề mặt kim loại tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ, định hình loạt dung dịch NaOH, HCl, phốt phát Đối với vật liệu có lượng bề mặt thấp thủy tinh, gạch men, bề mặt vật liệu thường đươc nung lên nhiệt độ cao, tiếp dung dịch hỗn hợp chất phủ-dung môi phun trực tiếp bề mặt trì nhiệt độ cao để lớp phủ bám bề mặt Với quy trình trên, trình xử lý diễn thời gian dài, hệ thống cồng kềnh, tốn nhiều lượng, xử lý hóa chất nên cơng đoạn phải xử lý bồn chứa khác nhau, trình xử lý diễn khơng liên tục, đặc biệt dư lượng hóa chất thải bên ngồi gây ô nhiễm môi trường  Phƣơng pháp làm 2, - … (NaOH, HCl 98%) - , => Tẩy rửa hóa chất, phun bi, phun cát… tốn kém, hiệu suất không cao gây ô nhiễm môi trường…  Phƣơng pháp tăng hấp thụ: - , laser,… , tĩ , hiệu suất không cao gây ô nhiễm môi trường…  Phƣơng pháp phủ: - : keo, => Ứng dụng công nghệ plasma với phản ứng plasma mơi trường khí trơ tạo phần tử electron, ion phân tử oxy hóa bậc cao Trong môi trường plasma, tác động điện trường phần tử chuyển động với động lớn Thành phần bụi chất bẩn (hữu vô cơ) bám bề mặt chi tiết làm va đập hạt vào bề mặt vi khuẩn, nấm bị tẩy q trình oxy hóa bậc cao Hơn nữa, hạt va chạm với bề mặt chi tiết truyền cho bề mặt chi tiết lượng từ kích thích phần tử bề mặt hoạt động mạnh dẫn đến kết bề mặt cần bám dính chi tiết có khả “ăn” chất phủ tốt Do bề mặt chi tiết sau xử lý có độ hấp thụ cao Plasma xảy trực tiếp bề mặt chi tiết nên trình xử lý nhanh hiệu Tóm lại, với cơng nghệ plasma, quy trình phủ bề mặt chi tiết đạt hiệu cao, kinh tế, bền thân thiện với môi trường II XU HƢỚNG CÔNG NGHỆ PLASMA XỬ LÝ BỀ MẶT VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ SỐ LIỆU SÁNG CHẾ QUỐC TẾ Tình hình đăng ký bảo hộ sáng chế cơng nghệ plasma xử lý bề mặt vật liệu theo thời gian Theo khảo sát tình hình đăng ký sáng chế dựa CSDL Thomson Innovation, có khoảng 4473 sáng chế có liên quan đến cơng nghệ plasma xử lý bề mặt vật liệu đăng ký bảo hộ Sáng chế có liên quan đến ứng dụng plasma xử lý bề mặt vật liệu nộp đơn đăng ký bảo hộ nước Anh vào năm 1966 Theo thời gian, lượng SC tăng dần nhiều vào năm 2004 với 244 SC đăng ký Lượng Sáng chế liên quan đến ứng dụng plasma xử lý bề mặt vật liệu tăng cao qua thập niên Trong 15 năm trở lại đây, lượng SC tập trung nhiều với 2886 tổng số 4473 SC Tình hình đăng ký bảo hộ sáng chế công nghệ plasma xử lý bề mặt vật liệu quốc gia Cũng theo khảo sát CSDL Thomson Innovation, sáng chế có liên quan đến ứng dụng plasma xử lý bề mặt vật liệu nộp đơn đăng ký bảo hộ khoảng 45 quốc gia toàn giới Bên cạnh việc nộp đơn đăng ký bảo hộ quốc gia, sáng chế liên quan đến ứng dụng plasma xử lý bề mặt vật liệu nộp đơn đăng ký bảo hộ tổ chức sở hữu trí tuệ lớn: - Tổ chức sở hữu trí tuệ giới (WO): 296 SC - Tổ chức sở hữu trí tuệ châu Âu (EP): 291 SC 10 quốc gia chủ sở hữu sáng chế nộp đơn đăng ký nhiều là:  Nhật Bản (JP): 1515 SC  Mỹ (US): 686 SC  Hàn Quốc (KR): 464 SC  Trung Quốc (CN): 352 SC  Đức (DE): 228 SC  Đài Loan (TW): 132 SC  Úc (AU): 96 SC  Canada (CA): 51 SC  Pháp (FR): 48 SC  Nga (RU): 44 SC  Công nghệ Plasma lạnh xử lý bề mặt vật liệu: Sáng chế nộp đơn đăng ký bảo hộ vào năm 1973 Mỹ đề cập tới ứng dụng CN plasma lạnh xử lý bề mặt vật liệu nhựa Hiện có gần 50 SC nộp đơn đăng ký bảo hộ khoảng 16 quốc gia tổ chức giới Các quốc gia tổ chức nộp đơn đăng ký SC (theo thứ tự giảm dần) gồm:  Mỹ  Nhật Bản  Đức; WO  Pháp  EP  Anh, Trung Quốc, Úc, Hàn Quốc  Canada số quốc gia khác Tình hình đăng ký bảo hộ sáng chế công nghệ plasma xử lý bề mặt vật liệu theo hƣớng nghiên cứu: Với 4473 sáng chế liên quan đến ứng dụng công nghệ Plasma xử lý bề mặt vật liệu nộp đơn đăng ký bảo hộ, đưa vào bảng phân loại sáng chế quốc tế IPC, nhận thấy số số phân loại xuất nhiều sáng chế thể hướng nghiên cứu sau: Chỉ số phân loại Nội dung nghiên cứu Tỷ lệ (%) C23C Phủ vật liệu kim loại; xử lý bể mặt vật liệu kim loại khuyếch tán, chuyển hóa thay hóa học; phủ bay chân khơng; mạ phun, cấy ion kết tủa hóa học nói chung 14.25 H01L Dụng cụ bán dẫn; dụng cụ điện mạch rắn, … 13.30 H05H Kỹ thuật Plasma; tạo hạt tích điện gia tốc nơ trôn; tạo gia tốc chùm nguyên tử phân tử trung tính 11.05 H01J Các đèn phóng điện qua khí điện tử chân không,… 6.86 C08J Gia công; phương pháp hóa hợp chung 6.28 B29C Tạo hình liên kết chất dẻo; … 3.83 B01J Các quy trình vật lý hóa học, ví dụ xúc tác, hóa keo; thiết bị liên quan đến chúng 3.70 B05D Các quy trình tráng chất lỏng vật liệu chảy lỏng lên bể mặt nói chung 3.35 C23F Loại bỏ vật liệu kim loại từ bể mặt phương pháp khơng học; kìm hãm ăn mòn vật liệu kim loại; kìm hãm đóng cặn nói chung; qui trình nhiều bước để xử lý bề mặt vật liệu kim loại,… 2.78 Một số sáng chế ứng dụng Plasma xử lý bề mặt vật liệu Số Sáng chế Chỉ số Ngày công Nhà nộp đơn phân loại bố đơn SC Tên Sáng chế US8361565B2 Method for plasma treatment and painting of a surface AIRBUS OPERATION 1/29/2013 H05H 1/00 S GMBH US8702999B2 Method and apparatus FUJIFILM for plasma surface MFG 4/22/2014 B44C 1/22 treatment of a moving EUROPE BV substrate US6193369B1 Plasma surface treatment of silicone hydrogel contact lenses Plasma surface treatment using IN200900450P2 dielectric barrier discharges BAUSCH & LOMB 2/27/2001 G02C 7/04 Tekna Plasma Systems Inc 5/8/2009 C23C 4/12 Surface treatment DAWONSYS IN201108246P4 apparatus and method 3/15/2013 C21D 1/09 CO LTD using plasma III CÔNG NGHỆ PLASMA VỚI XỬ LÝ BỀ MẶT: LÀM SIÊU SẠCH, TĂNG HẤP THỤ VÀ PHỦ NANO BẢO VỆ BỀ MẶT Cơng nghệ plasma Sau rắn, lỏng khí, Plasma trạng thái thứ tư vật chất Ở trạng thái Plasma, vật chất tồn dạng hạt electrons, ions, hạt kích thích với động lớn, chất oxy hóa bậc cao,tia UV v.v…Trong ứng dụng công nghiệp, Plasma tạo cách đưa loại khí Helium, Argon, Nitrogen, Oxygen hay khơng khí vào vùng điện áp cao tần số lớn, vùng diễn q trình kích thích, trao đổi lượng kết phân tử khí tách thành ions, electrons chuyển sang trạng thái kích thích mang nội lượng lớn Hình – Các trạng thái vật chất Plasma với Plasma: - e-, ions mang động lớn; - Tia UV; - HO*, O*, H*, O*, NO* 10 Hình – Phương pháp xử lý Plasma Hình - So sánh xử lý Plasma với phương pháp xử lý khác 11  Phƣơng pháp Plasma  Thời gian xử lý nhanh  Ít sử dụng hóa chất  An tồn  Tính liên tục cao Ứng dụng cơng nghệ Plasma vào q trình làm sạch, tăng tính hấp thụ bề mặt vật liệu Khi hướng chùm hạt mang lượng lớn Plasma lên bề mặt cần xử lý, hạt bắn phá lên bề mặt, bẻ gãy, phá vỡ thành phần vô cơ, hữu bám bề mặt dầu mỡ; qua làm bề mặt kích thước tế vi đồng thời qua trình va đập chùm hạt lên bề mặt vật liệu làm tăng lượng hấp thu bề mặt Quá trình tương tác hạt mang lượng Plasma bề mặt diễn nhanh (10-9 giây), đồng thời diễn hai trình làm tăng lượng bề mặt rút ngắn nhiều so phương pháp xử lý truyền thống xử lý hóa chất, hay dùng nhiệt (flame) Hình –Nguyên lý xử lý, làm tăng lượng hấp thu bề mặt Plasma Với tính chất trên, Plasma thích hợp để: - Làm siêu (với kích thước micro) bề mặt kim loại, thủy tinh, ceramic với thời gian ngắn; - Loại bỏ chất oxy hóa bề mặt vật liệu; - Tăng lượng bề mặt trước sơn-xi mạ, phun phủ, dệt nhuộm; - Thời gian xử lý thấp 12 Hình – Sự thay đổi độ bám dính lớp sơn bề mặt acrylic a – trước xử lý, b – xử lý Plasma Hình– Độ hấp thụ bề mặt nhựa PP trước (trái) sau xử lý Plasma (phải) Hình: Plasma giúp làm tăng lượng bề mặt 13  So sánh công nghệ Plasma với phƣơng pháp dùng hóa chất Cơng nghệ Plasma Phƣơng pháp dùng hóa chất Q trình điều khiển nguồn điện, loại khí, thời gian xử lý Quá trình điều khiển thời gian xử lý, nồng độvà thành phần hóa chất Khơng sinh dư chất độc hại Tồn dư lượng hóa chất sau xử lý Không cần xử lý lần hai Cần xử lý hóa chất tồn bề mặt sau xử lý Có thể áp dụng vào quy trình liên tục Phải xử lý bồn hóa chất riêng lẻ  Ứng dụng cơng nghệ Plasma vào trình phủ-coating bề mặt Để lớp phủ-coating bề mặt đạt yêu cầu kỹ thuật độ bền trình xử lý-phủ phải đảm bảo yêu cầu sau: bề mặt phải làm đến siêu sạch, bề mặt phải tăng tính hấp thụ tạo lớp để tăng tính liên kết hóa học lớp phủ bề mặt vật liệu Các công nghệ sử dụng tại, khối lượng lớn dung môi hữu dùng để xử lý nhằm đạt yêu cầu thứ ba Phân tử NanoSilane Phân tử Vải Cotton Polymer bề mặt vải (Hiệu ứng sen) Nguyên lý: Tia Plasma tạo ra: - UV, e- : Cắt đứt liên kết nhóm OH phân tử - O3 : tạo O2 kích thích liên kết 14 Hình – Sự thay đổi tính chất hóa học lớp vật liệu Plasma Một ưu điểm Plasma xử lý kích thước tế vi làm thay đổi tính chất bề mặt vật liệu Bằng cách sử dụng loại hỗn hợp khí khác O2, H20,NH3, N2… làm thành phần, Plasma tương tác làm thay đổi tính chất hóa học bề mặt vật liệu, qua giúp trình phủcoating diễn nhanh bền 15 Hình – Vải xử lý phủ nano công nghệ (bên trái) vải không xử lý (bên phải)  CÁC ỨNG DỤNG XỬ LÝ BỀ MẶT: - Làm bề mặt (2D, 3D): + Tốc độ: 1m2/phút -> +Ứng dụng: dụng cụ y tế, sơn, xi mạ, phủ nano, thực phẩm, đóng gói, in, mạch điện… - Tăng độ hấp thụ: + Tốc độ: 1m2/phút -> + Ứng dụng: sơn, xi mạ, phủ nano,… - Phá hủy bề mặt - Phủ nano - Tôi vật liệu 16  Máy xử lý bề mặt vật liệu:  Máy xử lý y tế - (2D, 3D): + Tốc độ: 1m2/phút -> + Ứng dụng: dụng cụ y tế, thực phẩm, đóng gói, in,… 17  Plasma Reactor Detectors Electrode pulley Gas tank Control Panel Control Panel De tector Spectrometer, temperature sensor  Xử lý bề mặt Phủ Nano 18 Power Supply Annealing and cleaning  Xử lý bề mặt màng nhựa PE, PP, PA Thông số: - Bề rộng – 1,2 m - Xử lý mặt - Tốc độ - 20 m/ph - Hiệu quả: ϴc < 880 - 220V – 50Hz - Công suất tiêu thụ: