Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp dệt may tại Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ, với việc ứng dụng công nghệ 4.0 nhằm nâng cao chất lượng và năng suất sản phẩm. Vải polyester (PES) chiếm tỷ trọng lớn nhất trong các loại sợi dệt trên thế giới, được sử dụng phổ biến trong sản xuất quần áo nhờ độ bền cơ học, khả năng kháng nhàu và độ bền hóa học cao. Tuy nhiên, PES có hạn chế lớn về khả năng hút ẩm kém và khó nhuộm màu do tính chất khó trương nở trong nước, chỉ có thể nhuộm ở nhiệt độ và áp suất cao. Điều này gây ra nhiều khó khăn trong sản xuất và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá ảnh hưởng của xử lý plasma DBD áp suất khí quyển đến các tính chất cơ lý của vải polyester, bao gồm độ mao dẫn, tỉ lệ hồi ẩm và độ bền kéo đứt, đồng thời khảo sát khả năng lên màu và hấp thụ thuốc nhuộm của vải sau xử lý plasma. Nghiên cứu được thực hiện trên vải polyester 100% dệt thoi, kiểu dệt vân điểm, trong môi trường plasma DBD áp suất khí quyển với công suất 1W/cm², thời gian xử lý từ 15 đến 90 giây.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc mở rộng ứng dụng công nghệ plasma trong ngành dệt may, giúp cải thiện khả năng nhuộm màu cho vải polyester mà không làm ảnh hưởng đến các tính chất cơ lý của vải. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tác động môi trường trong quá trình nhuộm, đồng thời tạo tiền đề cho các ứng dụng công nghệ tiên tiến trong sản xuất dệt may tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về cấu trúc và tính chất của sợi polyester (PET) và lý thuyết về công nghệ xử lý plasma DBD (Dielectric Barrier Discharge) áp suất khí quyển.

  • Lý thuyết về sợi polyester (PET): PET là polyme tổng hợp chứa ít nhất 85% este từ axit carboxylic nhân thơm, có tính chất cơ học cao, độ bền kéo lớn (4900-5900 kg/cm²), khả năng hút ẩm thấp (khoảng 0,4-0,5%), và khó trương nở trong nước. Điều này làm hạn chế khả năng nhuộm màu, chỉ thực hiện được ở nhiệt độ và áp suất cao.

  • Lý thuyết về xử lý plasma DBD: Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, bao gồm các electron, ion, gốc tự do và tia UV. Plasma DBD áp suất khí quyển tạo ra plasma lạnh, có thể xử lý bề mặt vật liệu nhạy cảm như sợi polyester mà không làm ảnh hưởng đến tính chất tổng thể. Xử lý plasma làm tăng độ ưa nước, tạo các nhóm chức năng mới trên bề mặt sợi, cải thiện khả năng hấp phụ thuốc nhuộm và độ bền màu.

Các khái niệm chính bao gồm: độ mao dẫn (khả năng dẫn chất lỏng qua mao quản của vải), độ bền kéo đứt (lực kéo tối đa trước khi vải đứt), khả năng hút ẩm (tỉ lệ nước hấp thụ trên khối lượng vải), và giá trị K/S (cường độ màu đo bằng máy quang phổ).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm.

  • Nguồn dữ liệu: Vải polyester 100% dệt thoi, kiểu dệt vân điểm, đã qua tiền xử lý. Môi trường plasma DBD áp suất khí quyển được tạo ra bằng thiết bị tự chế tạo với công suất 400W, khoảng cách điện cực 3mm, công suất 1W/cm².

  • Phương pháp phân tích:

    • Đo các tính chất cơ lý của vải trước và sau xử lý plasma: độ mao dẫn theo chiều dọc và ngang, độ hút ẩm chuẩn, độ bền kéo đứt theo chiều dọc và ngang.
    • Quan sát bề mặt sợi bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) với độ phóng đại 4000 lần để đánh giá biến đổi hình thái bề mặt.
    • Đánh giá khả năng lên màu và hấp phụ thuốc nhuộm bằng máy đo màu quang phổ, tính giá trị K/S và độ lệch màu (DE).
    • Xác định lượng thuốc nhuộm hấp phụ trên 1g vải thông qua cân và sấy khô dung dịch nhuộm sau quá trình nhuộm.

  • Timeline nghiên cứu: Thời gian xử lý plasma được thay đổi từ 15 đến 90 giây để khảo sát ảnh hưởng theo thời gian. Các mẫu vải được xử lý plasma ở các mốc 0 (không xử lý), 15, 30, 45, 60, 75 và 90 giây. Quy trình nhuộm được thực hiện ở nhiệt độ 130°C trong 60 phút với thuốc nhuộm phân tán màu đỏ Dianix Red S-G.

  • Cỡ mẫu: Mỗi phép đo được thực hiện trên ít nhất 3 mẫu độc lập để đảm bảo độ tin cậy và tính đại diện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của xử lý plasma đến độ bền kéo đứt của vải:

    • Độ bền kéo đứt theo chiều dọc không thay đổi đáng kể sau xử lý plasma, dao động quanh 1650 N với độ lệch chuẩn nhỏ (±11 N).
    • Độ bền kéo đứt theo chiều ngang tăng nhẹ theo thời gian xử lý plasma, tăng khoảng 4% ở 30 giây và lên đến 8,4% ở 90 giây so với mẫu không xử lý.

  2. Ảnh hưởng đến độ mao dẫn:

    • Độ mao dẫn theo chiều dọc tăng khoảng 20% khi xử lý plasma từ 15 đến 60 giây, và tăng lên đến 30% khi xử lý 75-90 giây.
    • Độ mao dẫn theo chiều ngang gần như không thay đổi đáng kể.

  3. Khả năng hút ẩm của vải:

    • Độ ẩm chuẩn của vải tăng dần theo thời gian xử lý plasma, từ tăng 0,5% ở 15 giây đến mức tối ưu ở 30-60 giây, tiếp tục tăng nhẹ đến 90 giây.

  4. Khả năng lên màu và hấp phụ thuốc nhuộm:

    • Mẫu vải xử lý plasma 60 giây có khả năng lên màu cao nhất, tiếp theo là mẫu xử lý 30 giây, và thấp nhất là mẫu không xử lý.
    • Lượng thuốc nhuộm hấp phụ trên 1g vải tăng rõ rệt sau xử lý plasma, cho thấy hiệu quả cải thiện khả năng nhuộm màu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy xử lý plasma DBD áp suất khí quyển với công suất 1W/cm² có tác động tích cực đến các tính chất bề mặt của vải polyester mà không làm giảm độ bền kéo đứt theo chiều dọc, đồng thời tăng nhẹ độ bền kéo đứt theo chiều ngang. Hiện tượng tăng độ bền kéo đứt ngang được giải thích do hiệu ứng làm sạch bề mặt vải, loại bỏ tạp chất và tạo điều kiện cho các liên kết bền hơn.

Sự gia tăng độ mao dẫn và khả năng hút ẩm theo thời gian xử lý plasma phản ánh sự thay đổi hóa học và hình thái bề mặt sợi polyester, được xác nhận qua quan sát SEM. Các nhóm chức năng mới được tạo ra trên bề mặt sợi làm tăng tính ưa nước, giúp vải dễ dàng hấp thụ thuốc nhuộm hơn.

Khả năng lên màu và hấp phụ thuốc nhuộm được cải thiện rõ rệt sau xử lý plasma, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng plasma trong nhuộm vải polyester. Việc tăng giá trị K/S và giảm độ lệch màu (DE) cho thấy màu nhuộm đều và bền hơn, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện sự thay đổi độ bền kéo đứt, độ mao dẫn, độ hút ẩm và giá trị K/S theo thời gian xử lý plasma, giúp trực quan hóa hiệu quả của phương pháp xử lý này.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng xử lý plasma DBD áp suất khí quyển trong công nghiệp dệt may:

    • Thực hiện xử lý plasma với công suất 1W/cm² và thời gian từ 30 đến 60 giây để tối ưu hóa khả năng nhuộm màu và giữ nguyên tính chất cơ lý của vải.
    • Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp sản xuất vải và may mặc.
    • Thời gian triển khai: trong vòng 6-12 tháng để thử nghiệm và điều chỉnh quy trình.

  2. Nâng cao chất lượng sản phẩm thông qua cải tiến quy trình nhuộm:

    • Kết hợp xử lý plasma với thuốc nhuộm phân tán để giảm nhiệt độ và áp suất nhuộm, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí.
    • Chủ thể thực hiện: phòng nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các công ty dệt may.
    • Thời gian: 3-6 tháng thử nghiệm quy trình mới.

  3. Đào tạo và nâng cao nhận thức về công nghệ plasma:

    • Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành thiết bị plasma.
    • Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.
    • Thời gian: liên tục, theo kế hoạch đào tạo hàng năm.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng plasma cho các loại vải tổng hợp khác:

    • Khảo sát ảnh hưởng của plasma đến các loại vải pha, vải không dệt để đa dạng hóa sản phẩm.
    • Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học.
    • Thời gian: 1-2 năm nghiên cứu phát triển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất và gia công dệt may:

    • Lợi ích: áp dụng công nghệ plasma để nâng cao chất lượng vải polyester, giảm chi phí nhuộm và tăng tính cạnh tranh sản phẩm.
    • Use case: cải tiến quy trình nhuộm trong nhà máy, giảm tiêu hao thuốc nhuộm và năng lượng.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành công nghệ vật liệu dệt may:

    • Lợi ích: tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả thực nghiệm và ứng dụng công nghệ plasma trong xử lý vật liệu.
    • Use case: phát triển đề tài nghiên cứu mới, đào tạo sinh viên.

  3. Nhà cung cấp thiết bị plasma và công nghệ xử lý bề mặt:

    • Lợi ích: hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và hiệu quả ứng dụng plasma trong ngành dệt may để cải tiến sản phẩm và dịch vụ.
    • Use case: thiết kế thiết bị plasma phù hợp với nhu cầu xử lý vải polyester.

  4. Chuyên gia và kỹ sư trong ngành nhuộm và hoàn thiện vải:

    • Lợi ích: cập nhật công nghệ mới, nâng cao hiệu quả công đoạn nhuộm, giảm tác động môi trường.
    • Use case: tối ưu hóa quy trình nhuộm, cải thiện độ bền màu và độ đều màu sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xử lý plasma có ảnh hưởng đến độ bền kéo của vải polyester không?
    Kết quả nghiên cứu cho thấy độ bền kéo đứt theo chiều dọc không thay đổi đáng kể, trong khi độ bền kéo ngang tăng nhẹ từ 4% đến 8,4% khi tăng thời gian xử lý plasma từ 30 đến 90 giây. Điều này chứng tỏ plasma không làm giảm tính cơ học của vải mà còn có thể cải thiện nhẹ.

  2. Thời gian xử lý plasma tối ưu để cải thiện khả năng nhuộm màu là bao lâu?
    Thời gian xử lý plasma từ 30 đến 60 giây được xác định là tối ưu, giúp tăng khả năng lên màu và hấp phụ thuốc nhuộm rõ rệt mà không làm ảnh hưởng đến các tính chất cơ lý của vải.

  3. Phương pháp đánh giá khả năng lên màu của vải sau xử lý plasma như thế nào?
    Sử dụng máy đo màu quang phổ để đo giá trị phản xạ ánh sáng, từ đó tính toán giá trị K/S theo phương trình Kubelka-Munk. Giá trị K/S càng cao chứng tỏ khả năng lên màu càng tốt. Ngoài ra, độ lệch màu (DE) được dùng để đánh giá độ đều màu giữa các mẫu.

  4. Xử lý plasma có thể thay thế hoàn toàn việc sử dụng chất trợ nhuộm không?
    Nghiên cứu cho thấy xử lý plasma cải thiện khả năng hấp phụ thuốc nhuộm nhưng không thể hoàn toàn thay thế chất trợ nhuộm trong mọi trường hợp. Plasma là phương pháp bổ trợ giúp giảm lượng chất trợ nhuộm cần thiết.

  5. Ảnh hưởng của xử lý plasma đến môi trường sản xuất dệt may như thế nào?
    Xử lý plasma giúp giảm nhiệt độ và áp suất nhuộm, giảm lượng thuốc nhuộm và nước thải, từ đó giảm tác động môi trường. Đây là công nghệ thân thiện, tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm so với phương pháp nhuộm truyền thống.

Kết luận

  • Xử lý plasma DBD áp suất khí quyển với công suất 1W/cm² cải thiện đáng kể độ mao dẫn, khả năng hút ẩm và khả năng hấp phụ thuốc nhuộm của vải polyester 100% mà không làm giảm độ bền kéo đứt theo chiều dọc.
  • Thời gian xử lý plasma từ 30 đến 60 giây được xác định là khoảng thời gian tối ưu để nâng cao khả năng nhuộm màu và giữ nguyên tính chất cơ lý của vải.
  • Quan sát SEM cho thấy bề mặt sợi polyester được biến đổi tích cực sau xử lý plasma, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hấp thụ thuốc nhuộm.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng công nghệ plasma trong ngành dệt may, hướng tới sản xuất bền vững, tiết kiệm năng lượng và thân thiện môi trường.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ plasma trong sản xuất thực tế và mở rộng nghiên cứu cho các loại vải tổng hợp khác trong thời gian tới.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp, đồng thời đào tạo nhân lực và hoàn thiện thiết bị plasma phù hợp để ứng dụng rộng rãi trong ngành dệt may Việt Nam.