ẢNH HƯỞNG của PLASMA LẠNH ở áp SUẤT THƯỜNG đến HIỆU QUẢ xử lý bề mặt NHỰA PP

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

ẢNH HƯỞNG CỦA PLASMA LẠNH Ở ÁP SUẤT THƯỜNG
ĐẾN HIỆU QUẢ XỬ LÝ BỀ MẶT NHỰA PP
INFLUENCY OF COLD-PLASMA AT ATMOSPHERIC ON EFFECT OF SURFACE
PRETREATMENT OF PLASTIC PP
1, 2

Thái Văn Phước1a, Trần Ngọc Đảm2b

Phòng Nghiên cứu Năng lượng và Môi trường, Khoa Cơ khí chế tạo máy,
Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
a
;; b

TÓM TẮT
Các loại bao bì làm từ vật liệu plastic cần phải được xử lý bề mặt trước khi in ấn nhằm
giảm thời gian in ấn, tăng chất lượng và làm giảm khối lượng mực in hay sơn phủ. Các
phương pháp hiện nay như xử lý nhiệt, xử lý hóa chất có nhiều nhược điểm như
tốn nhiều năng lượng, quy trình xử lý cồng kềnh, sử dụng nhiều hóa chất gây ô nhiễm môi
trường. Trong nghiên cứu này, mô hình xử lý bề mặt màng mỏng từ plastic bằng công nghệ
Plasma nhiệt độ thấp, ở áp suất thường được thiết kế và chế tạo để khắc phục những nhược
điểm trên. Ưu điểm của mô hình là xử lý bề mặt trực tiếp trên dây chuyền sản xuất - in ấn bao
bì với tốc độ cao. Mô hình trên sử dụng mức năng lượng 225Wh (150V, 1.5A) để tăng độ hấp
thu trên bề mặt nhựa PP với tốc độ xử lý 30 m/phút. Góc tiếp xúc bề mặt trên nhựa PP từ 1020
trước khi xử lý giảm xuống dưới 880 sau khi xử lý.
Từ khóa: Plasma lạnh, màng nhựa PP, xử lý bề mặt, góc tiếp xúc.
ABSTRACT
Plastic bags should be pretreated before painting or coating due to decrease processing
time, mass and increase coating quality. The current pretreated methods - using temperature,
chemical solution have many disadvantages such as complex system, harmful chemical, and

energy loss. In this paper, the pretreated plastic film by cold-plasma at atmospheric is studied
to solve the disadvantages. The advantage of the model is that using directly on plastic bags
production line with high speed. The result of experiments show that contact angle of plastic
film PP reduces from 1020 to under 880 after plasma pretreatment, supplied power – 225Wh
(150V, 1.5A) and speed of pretreatment – 30m/min.
Keywords: Cold-plasma, plastic film PP, surface pretreament, contact angle.
1. GIỚI THIỆU
Hầu hết các loại bao bì đang sử dụng hiện nay đều được sản xuất từ vật liệu polymer,
trên bề mặt bao bì này đều được in ấn, dán nhãn mác nhằm tăng tính thẩm mỹ, quảng cáo
thương hiệu, v.v. 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.

373


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

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
Vì làm từ vật liệu polymer nên bao bì có mức năng lượng bề mặt rất thấp, do đó nếu
không được xử lý thì chất lượng in trên bao bì rất kém, rất dễ bị nhòe hoặc bong tróc. Tại khu
vực 3 (Hình 1) bề mặt nhựa sẽ được xử lý nhiệt hoặc xử lý hóa chất nhằm làm tăng tính hấp
thu của bề mặt nhựa. Với các phương pháp xử lý bề mặt này, chi phí sản xuất sẽ tăng cao, tốn
nhiều năng lượng, quy trình vận hành cồng kềnh và gây ô nhiễm môi trường do việc sử dụng
hóa chất. Để giải quyết vấn đề trên, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một mô hình ứng dụng công
nghệ Plasma nhiệt độ thấp ở áp suất thường để xử lý, làm sạch và tăng năng lượng bề mặt trên

màng nhựa.
Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, 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. Khi chiếu
chùm tia Plasma này lên trên bề mặt nhựa, các hạt mang năng lượng lớn dưới dạng động năng
trong chùm tia Plasma sẽ bắn phá, bẽ gãy các liên kết trên bề mặt, qua đó làm sạch bề mặt và
tăng năng lượng bề mặt nhựa [1-3]. Quá trình tương tác giữa chùm tia Plasma với bề mặt diễn
ra rất nhanh (vài miligiây) do đó sẽ giúp tiết kiệm năng lượng, đồng thời rút ngắn thời gian xử
lý và do đó chi phí sản xuất sẽ được giảm xuống đáng kể.
2. THÍ NGHIỆM
2.1

Mô hình thí nghiệm

Hình 2. Nguyên lý làm việc của mô hình

Hình 3. Ảnh thực tế của mô hình
374


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 1. Thông số thí nghiệm
Điện áp đầu vào …….………..V
100÷220
Dòng điện đầu vào ………….. A

1÷2.5

Vận tốc xử lý …………….m/ph

15..30

Bề rộng vùng Plasma............mm

200

Khoảng cách giữa 2 cực........mm

3

Đường kính ngoài ống ceramic, mm

25

Đường kính trong ống ceramic, mm

19

Hình 4. Quá trình xử lý thực tế

Hình 2 mô tả nguyên lý hoạt động của mô hình xử lý, làm tăng năng lượng bề mặt màng
nhựa bằng công nghệ Plasma lạnh, cấu tạo chính của thiết bị gồm 2 điện cực 1 và 2 được nối
vào nguồn điện áp và tần số cao, trong đó điện cực 1 (một thanh inox với kích thước
Ø10×200mm) được đặt trong một ống ceramic (Hình 2) và điện cực 2 - một trục tròn được
làm từ nhôm (Ø30×210 mm) gắn với hai thành nhựa cách điện (Hình 4). Bộ nguồn (power
supply) được cung cấp bởi nguồn điện xoay chiều 220V, 50Hz qua hệ thống khếch đại để tạo
ra giữa hai điện cực điện áp cao và tần số lớn: 5÷20 kV; 5÷40 kHz. Khi cung cấp bởi điện áp
cao và tần số lớn như thế thì giữa hai điện cực này sẽ tạo một vùng điện trường lớn và kết quả
không khí giữa hai cực sẽ bị ion hóa tạo thành chùm tia Plasma như Hình 4.
2.2

Tiến hành thí nghiệm

Màng nhựa PP (rộng 60mm) được bắt lên các trục rulo trung gian (Hình 4) nhằm làm
căng bề mặt trước khi vào vùng xử lý Plasma. Sau khi được xử lý, màng nhựa được cuốn vào
trục rulo cuối cùng với vận tốc cuốn khác nhau do một động cơ bước thực hiện. Các yếu tố
ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý được khảo sát: thời gian xử lý (vận tốc màng nhựa di chuyển
qua vùng Plasma), điện áp và cường độ dòng điện đầu vào cung cấp cho bộ nguồn Plasma.
Trong quá trình xử lý, khoảng cách giữa 2 điện cực 2 và ống ceramic được giữ không đổi là
3mm.

Hình 5. Góc tiếp xúc trên màng nhựa:
a) Trước khi xử lý; b) Sau khi xử lý (150V, 1.75A, 20m/ph)
Để đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý và ảnh hưởng của các thông số nói trên, màng
nhựa sau khi xử lý được đo góc tiếp xúc θc [4]. Mỗi mẫu màng nhựa được xử lý bởi một
thông số cụ thể được tiến hành đo góc tiếp xúc 3 lần. Năng lượng bề mặt hay hiệu quả xử lý
được đánh giá qua thông số góc tiếp xúc bề mặt θc, năng lượng bề mặt càng lớn thì góc tiếp
xúc θc càng nhỏ, để đảm bảo chất lượng in trên bề mặt nhựa góc tiếp xúc θc ≈880.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hình 6 cho thấy ảnh hưởng của tốc độ xử lý đến góc tiếp xúc θc trên màng nhựa PP, các
thí nghiệm được tiến hành với thông số: điện áp đầu vào 150 V, cường độ dòng điện đầu vào
375


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
1.5A. Kết quả cho thấy sau khi xử lý, chất lượng bề mặt màng nhựa PP được tăng lên rõ rệt,
góc tiếp xúc θc giảm từ 1020 xuống dưới 880 [5] với tất cả các vận tốc được tiến hành khảo
sát. Cụ thể khi vận tốc xử lý tăng từ 16 m/ph lên 29 m/ph, góc tiếp xúc trên bề mặt màng nhựa
tăng từ 670 lên 840.

Góc tiếp xúc ϴc

120
100
80
60

Lần 1
Lần 2
Lần 3

40
20
0
Không
xử lý

16

18

20

23

24

25

26

27

28

29

29

Tốc độ xử lý (m/phút)

Hình 6. Ảnh hưởng của tốc độ xử lý đến hiệu quả xử lý (góc tiếp xúc θc)
120

Góc tiếp xúc ϴc

100
80
60
Lần 1
Lần 2
Lần 3

40
20
0
Không xử lý

1

1.25

1.5

Dòng điện đầu vào (A)

1.75

2

Hình 7. Ảnh hưởng của dòng điện đầu vào đến hiệu quả xử lý (góc tiếp xúc θc)
Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý bề mặt màng nhựa là năng lượng
tạo ra Plasma, trên mô hình trên sử dụng một bộ khuếch đại từ nguồn điện xoay chiều 220V,
50Hz để tạo giữa hai điện cực 1 và 2 (Hình 1) lên điện áp cao và tần số lớn: 5÷20 kV; 5÷40
kHz. Kết quả thí nghiệm ở Hình 7 cho thấy cường độ dòng điện đầu vào thay đổi từ 1A lên
2A (điện áp đầu vào và tốc độ xử lý được giữ nguyên ở mức 150V, 20m/ph) thì chất lượng bề
mặt màng nhựa gần như không đổi, θc có giá trị thấp nhất 720 khi cường độ dòng điện đầu vào
1.5A.
Để đánh giá ảnh hưởng của điện áp đầu vào đến hiệu quả xử lý bề mặt, các thí nghiệm
được lặp lại với mức điện áp khác nhau khi cường độ dòng điện được giữ không đổi 1.5A và
tốc độ xử lý 20m/ph. Kết quả cho thấy rằng góc tiếp xúc θc thay đổi không nhiều khi điện áp
đầu vào tăng từ 140V lên 220V, hay hiệu quả xử lý không thay đổi đáng kể.

376


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
120

Góc tiếp xúc ϴc

100
80
60
Lần 1
Lần 2
Lần 3

40
20
0
Không
xử lý

140

150

160

170

180

190

Điện áp đầu vào (V)

200

210

220

Hình 8. Ảnh hưởng của điện áp đầu vào đến hiệu quả xử lý (góc tiếp xúc θc)
4. KẾT LUẬN
Từ những kết quả trên cho thấy rằng sau khi xử lý bằng Plasma nhiệt độ thấp, chất lượng
bề mặt nhựa PP được cải thiện rõ rệt, góc tiếp xúc θc giảm từ 1020 xuống dưới 880 ở mọi thông
số vận hành của mô hình. Yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả xử lý là tốc độ xử lý, sự thay
đổi của các thông số điện áp đầu vào và cường độ dòng điện đầu vào làm chất lượng bề mặt
thay đổi không đáng kể. Để tiết kiệm năng lượng và đạt độ ổn định hiệu suất xử lý, mô hình trên
đã sử dụng: điện áp đầu vào 150V, dòng điện 1.5A, tốc độ xử lý 30m/ph. Thực tế trên mô hình
cho thấy Plasma tạo ra giữa hai điện cực có bề rộng 200 mm nhưng bề rộng của màng nhựa PP
được xử lý là 60mm nên mức năng lượng được sử dụng để xử lý thực tế là 67.5Wh với vận tốc
30m/ph. Các điện cực được thiết kế dưới dạng trục - rulo nên để dàng xử lý được hai bề mặt
trên màng nhựa với bề dày khác nhau từ những vật liệu nhựa khác nhau.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bruce Welt, Wesley Taylor. Technical Synopsis of Plasma Surface Treatment. University
of Florida, Gainesville, FL. December, 2009.
[2] Hubert Rauscher, Massimo Perucca and Guy Buyle. Plasma technology for
hyperfunctional surfaces. 2010.
[3] Yves Pauleau, 2006. Materials surface processing by directed energy techniques, Oxford.
603 pp.
[4] Guillaume Lamour, Admed Hamraoui, Andrii Buvailo, et al. Contact angle
measurements using a simplified experimental setup. Journal of Chemical education. Vol.
87 № 12 December 2010.
[5] Frank
Hild.
Surface
Energy
of

Plastics.
Dec
16,
/>
2009.

From

AUTHOR’S INFORMATION
1.

Thái Văn Phước. Phòng Nghiên cứu Năng lượng và Môi trường, Khoa Cơ khí chế tạo máy,
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM. +84907504297.

2.

Trần Ngọc Đảm. Phòng Nghiên cứu Năng lượng và Môi trường, Khoa Cơ khí chế tạo máy,
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM. +84947760123.

377