5. Phương pháp nghiên cứu
1.1.4.4. Xử lý bề mặt bằng phương pháp plasma
Phân tử oxi sẽkhông tương tác với polymer ở nhiệt độphòng. Để làm cho oxi phản
ứng hoá học ở nhiệt độ phòng. Các phân tử phải đạt được trạng thái kích thích cao hoặc bị phân ly từ nguyên tử hoặc bị ion hoá. Một phương pháp thích hợp cho việc chuyển
đổi phân tử oxi thành các phần tử phản ứng hoá học là đi qua khí thông qua một sự phóng điện. Sựphóng điện gây ra sự phá vỡ khí, ít nhất sự ion hoá không hoàn toàn của các phân tử và sự hình thành của các electron tự do có thểduy trì dòng điện thông qua chất khí. Các electron tựdo được gia tốc trong điện trường, điện trường được cung cấp bởi một máy phát điện thích hợp vì thếđiện trường có thểthu được năng lượng. Các electrone có khối lượng nhỏ, vì vậy, vận tốc giá trị tuyệt đối của chúng thì cao hơn
nhiều so với vận tốc của các phân tử và nguyên tử khí. Vận tốc của phân tửkhí đơn
giản như O2ở nhiệt độ phòng là khoảng 500m/s, trong khi các electron mang vận tốc ngẫu nhiên trung bình là khoảng 500m/s, trong khi các electron mang vận tốc ngẫu nhiên trung bình 20.000m/s ở cùng nhiệt độ. Bởi vì các electron được tích điện, chúng
nhanh chóng đạt đến năng lượng cao ở bất kì điện trường nào mà chúng có thể có mặt.
Điện trường thì không bao giờ phân bốđồng đều khi xảy ra sựphóng điện khí thay vì các tác nhân sàng lọc được gây nên bởi tích điện không gian. Thông thường, điện
trường được khoanh vùng ở một khối nhỏ cạnh các electron. Các electron xuất hện ở
một khối điện trường được gia tốc của điện trường, đâu đó, các electron đạt được năng lượng động học. Điện áp thông thường sử dụng để duy trì trạng thái không cân bằng
32 của khí Plasma là 100V, do đó, các electron đạt được năng lượng động học khoảng
100eV. Vì điện trường tập trung bên cạnh các điện cực, điện cực phun vào khí plasma. Khí nhanh chóng nhiệt hoá dựa trên sự va chạm đàn hồi với các electron chậm trong một khối đầy khí, vì vậy đảm bảo việc thay thếnăng lượng điện tử có thể bị mất đi vì
sự va chạm không đàn hồi với các phân tử khí gây nên sự ion hoá, sự phân ly hoặc sự
kích thích. Sự thật là các electron mang nhiệt độcao hơn các phân tử khí trong cùng một buồng. Thông thường, năng lượng trung bình của electron là vài eV, do đó nhiệt
độ khoảng 10.000K. Ở nhiệt độ 30.000K, vận tốc ngẫu nhiên trung bình của các electron là 200.000m/s.
Năng lượng electron bị mất đi lúc va chạm đàn hồi với các phân tử khí. Tần số va chạm tăng tuyến tính với vận tốc của electron và mật độ của phân tửkhí, sau đó phụ
thuộc vào áp suất. p= n. k. T Với: p: áp suất k: hằng số Boltzmann m: mật độ T: nhiệt độ khí
Sự di chuyển của các electron từvùng có điện trường cao đến bất kì các vùng khác của buồng xử lý có hiệu suất thấp nhưng có nhiều khó khăn hơn ở áp suất khí quyển.
Đó là nguyên nhân tại sao Plasma trong phòng Lab thì dễ tạo ra áp suất thấp và rất khó
để duy trì ở áp suất khí quyển.
33
Hình 1.14: Cấu hình thiết bị xử lý Plasma
Cấu tạo chính của thiết bị xử lý Plasma gồm 2 điện cực được nối vào nguồn điện áp và tần sốcao, trong đó điện cực 1 (một thanh inox) được đặt trong 1 ống thạch anh các
điện và điện cực 2 (một trục tròn nhôm) với 2 thanh nhựa cách điện. Bộ nguồn (power
supply) được cung cấp bởi nguồn điện xoay chiều qua hệ thống khuếch đại để tạo ra giữa hai điện cực điện áp cao và tần số lớn. Khi có điện áp cao và tần số lớn giữa 2
điện cực sẽ tạo một vùng điện trường lớn và không khí giữa hai cực sẽ bị ion hóa tạo thành chùm tia Plasma.
Xử lý Plasma trên PET
Hình 1.15: Sựthay đổi góc thấm ướt (a) năng lượng bề mặt (b) trên vật liệu PET với thời gian xử lý và 3 khoảng cách xử lý khác nhau với công suất plasma 3.503 W/cm3
34 Hình 1.15(a) cho thấy sựthay đổi góc thấm ướt trên bề mặt vật liệu PET theo thời gian ở 3 khoảng cách xửlý khác nhau. Năng lượng bề mặt PET được tính toán với các góc thấm ướt tương ứng. Vật liệu PET khi chưa xửlý có năng lượng bề mặt là 31.3 mJ/m2. Sau cùng khoảng thời gian xử lý thì góc thấm ướt sẽthay đổi khác nhau với 3 khoảng cách xử lý khác nhau. Vật liệu càng gần hệ thống xử lý plasma thì góc thấm
ướt sẽthay đổi nhanh hơn và năng lượng bề mặt của PET cũng gia tăng. Khi thời gian xửlý đến 1 giới hạn nhất định thì năng lượng bề mặt cũng như góc thấm ướt cũng sẽ không còn thay đổi. Sau 10s xử lý plasma, góc thấm ướt trên bề mặt vật liệu PET giảm từ 85o xuống còn 39.5o, 42.4o và 50o, năng lượng bề mặt cũng được gia tăng từ 31.3
tăng lên 50.1, 59.8, 63.4 mJ/m2tương ứng theo các khoảng cách xử lý 10, 20, 30mm. Nói cách khác, khi cùng một công suất xử lý mà muốn tăng năng lượng bề mặt với một thời gian ngắn thì ta cần giảm khoảng cách xử lý vật liệu.
Ngoài ra, nếu vẫn giữ nguyên khoảng cách xử lý mà vẫn muốn giảm thời gian xử lý vật liệu thì ta còn có thểtăng công suất xử lý của tia plasma.
Hình 1.16: Sựthay đổi góc thấm ướt (a), năng lượng bề mặt (b) trên vật liệu PET với thời gian xử lý và 3 công suất plasma khác nhau cùng một khoảng cách xử lý là 10mm