CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Với đặc tính như nhẹ, bền, giá thành thấp, chống thấm nước và khí tốt, màng nhựa là vật liệu được sử dụng phổ biến để tạo ra các sản phẩm như túi nhựa, túi đựng thực phẩm, các bao bì bảo quản, các màng chắn. Để tăng thêm độ bền, tính thẩm mỹ hay mục đích quảng cáo, các loại bao bì, túi nhựa sẽ được dán thêm một lớp vật liệu khác hoặc được phu phủ, in ấn. 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 sản xuất và in bao bì: 1-Nguyên liệu, 2-Khu vực ổn định nhiệt, 3-Khu vực căng màng và xử lý bề mặt, 4-Khu vực in, 5-Khu vực làm khô, 6-Thành phẩm Bảng 1: Năng lượng bề mặt của một số vật liệu polymer [1] Hydrocarbons Surface energy (dynes/cm) Polypropylene, 29-31 Polyethylene 30-31 Polyvinyl Acetate (PVA) 33-44 Polystyrene 38 Polystyrene (low ionomer) 33 ABS 35-42 Polyamide <36 Epoxy <36 Polyester 41-44 Plasticized PVC 33-38 8 Luan van Tuy nhiên các quá trình in ấn, phủ hay ghép với vật liệu khác trên màng nhựa rất khó khăn, nguyên nhân do màng nhựa được làm chủ yếu từ vật liệu polymer như PE, PET, PP, PVC có mức năng lượng bề mặt rất thấp. Bảng 1 cho thấy hầu hết các vật liệu làm màng nhựa được sử dụng phổ biến như PP, PE, PVC đều có mức năng lượng bề mặt thấp dưới 33 dynes/cm. Do đó trước khi được in, ghép, dán, bề mặt màng nhựa phải được xử lý nhằm tăng độ hấp thụ bề mặt. Phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay là xử lý nhiệt, màng nhựa trước khi in sẽ được đưa qua một ngọn lửa đốt bằng gas (hỗn hợp C 3H8 và C4H10).
Đối với các màng nhựa mỏng, nhạy với nhiệt độ, thì trong dung dịch in ấn được pha thêm các loại dung môi với nồng độ cao nhằm tăng độ bám dính của lớp sơn phủ lên trên bề mặt màng nhựa. Các phương pháp trên cho hiệu quả xử lý thấp, tốn nhiều năng lượng, hệ thống khó điều chỉnh, ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường do dùng các hóa chất độc hại. Plasma lạnh 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 ở áp suất thường, nhiệt độ từ 30-700C. Các hạt điện tích có trong Plasma chứa một năng lượng dưới dạng nội năng và động năng, có khả năng bắn phá, làm bẽ gãy các liên kết trên bề mặt, qua đó làm sạch bề mặt và tăng năng lượng bề mặt nhựa [2-5].
Thời gian tương tác của các hạt lên bề mặt diễn ra rất nhanh (vài miligiây) do đó sẽ giúp tiết kiệm năng lượng, rút ngắn thời gian xử lý và do vậy chi phí sản xuất sẽ được giảm xuống đáng kể. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Theo ước tính vào năm 2009, mỗi ngày tại thành phố Hồ Chí Minh đã sử dụng đến 120 tấn bao bì, trong đó chiếm 60% là sản phẩm từ nhựa–polymer. Với các phương pháp xử lý bề mặt nhựa hiện tại nhằm tăng tính kết dính giữa các lớp bao bì hoặc lớp bao bì với lớp sơn như xử lý bằng nhiệt–nhiệt từ việc đốt gas, hay dùng các hỗn hợp hóa chất–dung môi với nồng độ khác nhau, thì một lượng lớn các hóa chất có hại đã được sử dụng. Do đó sức khỏe người dùng, môi trường xung quanh xưởng sản xuất bao bì như không khí, nước thải bị ảnh hưởng không tốt.
Quá trình xử lý bằng nhiệt–nhiệt từ việc đốt gas hay xử lý bằng hóa chất đều khó điều chỉnh, hiệu suất thấp. Ứng dụng công nghệ Plasma, sử dụng các hạt electrons, ion có trong môi trường Plasma để xử lý bề mặt nhựa làm cho quá trình xử lý diễn ra nhanh (thời gian tương tác giữa các hạt electrons, ions diễn ra rất nhanh), rất dễ điều khiển và điều chỉnh (điều chỉnh tốc độ xử lý thông qua việc điều chỉnh mức năng lượng cung cấp cho bộ phận tạo Plasma. Do đó ứng dụng công nghệ Plasma để xử lý bề mặt cho hiệu quả xử lý cao hơn, dễ điều khiển, lắp ráp, an toàn và thân thiện với môi trường. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình xử lý bề mặt nhựa bằng công nghệ Plasma nhiệt độ thấp” được thực hiện theo các mục tiêu sau: - Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình xử lý bề mặt nhựa bằng công nghệ Plasma với kích thước nhỏ để tiến hành thực nghiệm; - Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số vận hành trên mô hình đến hiệu suất xử lý bề mặt màng nhựa.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu - Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu cách chế tạo môi trường Plasma ở nhiệt độ thấp trong môi trường áp suất thường, ứng dụng vào việc xử lý bề mặt; - Nghiên cứu hiệu quả xử lý trên các vật liệu màng nhựa khác nhau: PP, PE, PVC. Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình xử lý bề mặt nhựa với bề rộng tối đa 500 mm bằng công nghệ Plasma ở nhiệt độ thấp trong môi trường áp suất thường với vận tốc xử lý 20 m/phút. Phương pháp nghiên cứu Các kết quả nghiên cứu trong đề tài được thực hiện thông qua phương pháp thực nghiệm.
Các màng nhựa từ các vật liệu khác nhau PE, PP, PVC được xử lý trên mô hình thực nghiệm với các thông số xử lý như năng lượng cung cấp cho Plasma, tốc độ xử lý. Hiệu quả xử lý được so sánh thông qua việc đo góc tiếp xúc trên bề mặt. 10 Luan van CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Một số tính chất các loại vật liệu làm màng nhựa Vật liệu chủ yếu được sử dụng để làm màng nhựa là các loại polymer tổng hợp như PE, PP, PET, PA, PVC.
Tính chất chung của các loại vật liệu trên là nhẹ, dẻo, đàn hồi tốt, trong suốt, năng lượng bề mặt các loại vật liệu trên thấp (bảng 1). Polyetylene - PE Hình 2: Cấu trúc phân tử PE Đặc tính: - Trong suốt, hơi có ánh mờ, có bề mặt bóng láng, mềm dẻo; - Chống thấm nước và hơi nước tốt; - Chống thấm khí O2, CO2, N2 và dầu mỡ đều kém; - Bị căng phồng và hư hỏng khi tiếp xúc với tinh dầu thơm hoặc các chất tẩy như Alcool, Acêton, H2O2… - Có thể cho khí, hương thẩm thấu xuyên qua, do đó nhựa PE cũng có thể hấp thu giữ mùi trong bản thân bao bì, và cũng chính mùi này có thể được hấp thu bởi thực phẩm được chứa đựng, gây mất giá trị cảm quan của sản phẩm. Ứng dụng: - Làm túi xách các loại, thùng (can) có thể tích từ 1 đến 20 lít với các độ dày khác nhau; - Sản xuất nắp chai. Do nắp chai bị hấp thu mùi nên chai đựng thực phẩm đậy bằng nắp PE phải được bảo quản trong một môi trường không có chất gây mùi; - Một số sản phẩm của phản ứng trùng hợp PE: Linear low density polyetylen (LLDPE), Low density polyetylen (LDPE), Medium density polyetylen (MDPE), Highdensity polyetylen (HDPE).
Polypropylene – PP Đặc tính: - Tính bền cơ học cao (bền xé và bền kéo đứt), khá cứng vững, không mềm dẻo như PE, không bị kéo giãn dài do đó được chế tạo thành sợi. Đặc biệt khả năng bị xé rách dễ dàng khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ; - Trong suốt, độ bóng bề mặt cao cho khả năng in ấn cao, nét in rõ; - Nhiệt độ hàn dán mí (thân) bao bì PP (140oC) cao so với PE có thể gây chảy hư hỏng màng ghép cấu trúc bên ngoài, nên thường ít dùng PP làm lớp trong cùng; - Có tính chất chống thấm O2, hơi nước, dầu mỡ và các khí khác. Ứng dụng: - Dùng làm bao bì một lớp chứa đựng bảo quản thực phẩm, không yêu cầu chống oxy hóa một cách nghiêm nhặt; - Tạo thành sợi, dệt thành bao bì đựng lương thực, ngũ cốc có số lượng lớn; - PP cũng được sản xuất dạng màng phủ ngoài đối với màng nhiều lớp để tăng tính chống thắm khí, hơi nước, tạo khả năng in ấn cao, và dễ xé rách để mở bao bì (do có tạo sẵn một vết đứt) và tạo độ bóng cao cho bao bì. Hình 3: Cấu trúc phân tử PP 2.
Polyester–PET Hình 4: Quá trình trùng ngưng PET từ Acid Terepthalic và Ethylene Glycol Đặc tính: - Bền cơ học cao, có khả năng chịu đựng lực xé và lực va chạm, chịu đựng sự mài mòn cao, có độ cứng vững cao; 12 Luan van - Trơ với môi trường thực phẩm; - Trong suốt; - Chống thấm khí O2, và CO2 tốt hơn các loại nhựa khác. Ứng dụng: Do tính chống thấm rất cao nên PET được dùng làm chai, bình đựng nước tinh khiết, nước giải khát có gas. Hình 5: Cấu trúc phân tử PET 2. Polyamide–PA Hình 6: Phản ứng tạo 1,4-phenylene-diamine Đặc tính: - Chống thẩm thấu khí hơi rất tốt; - Chống thấm nước kém; - Có khả năng hấp thụ nước, hơi nước; - Có tính chống thấm khí O2, N2, CO2 rất cao; - Có tính bền cơ lý cao: chịu được va chạm, chống được sự trầy xước, mài mòn, và xé rách hoặc thủng bao bì; - Có khả năng hàn dán nhiệt khá tốt; Ứng dụng: 13 Luan van - Màng PA ghép cùng với PE, dùng làm bao bì chứa thực phẩm lạnh đông và thực phẩm dạng lỏng có thể chịu được nhiệt độ thanh trùng đến 1000C trong 10 phút, hoặc làm màng co bao bọc thực phẩm ăn liền; - Dùng làm bao bì hút chân không hoặc bao bì ngăn cản sự thẩm thấu O2 hoặc thoát hương.
Ethylene vinyl alcohol (EVOH): Đặc tính: - Có tính chống thấm khí O2 tốt khi ở độ ẩm thấp, nhung ở độ ẩm cao thì tính chống thấm này của EVOH giảm đáng kể; - Có tính bền cơ cao, trong suốt, mềm dẻo, chống thấm khí, mùi hương tốt và chế tạo dễ dàng do nhiệt độ chảy ổn định.