BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH
THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG PHỦ NANO BẰNG
CÔNG NGHỆ PLASMA
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2014-01GVT

S KC 0 0 4 7 9 9


1.1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và
ngoài nước ............................................................................................... 3

1.2.

Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................... 3

1.3.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ................................................................ 4

1.4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................ 4

1.5.

Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 4

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 5
2.1.

Nghiên cứu về một số loại vải thông dụng ............................................... 5

2.1.1. Vải cotton – vải sợi bông ..................................................................... 6
2.1.2. Vải từ sợi polyester .............................................................................. 6
2.1.3. Lụa – tơ tằm ......................................................................................... 6
2.1.4. Vải tổng hợp ......................................................................................... 7


Các phương án thiết kế bộ tạo Plasma ................................................... 19

3.2.1. Phương án 1........................................................................................ 19
3.2.2. Phương án 2........................................................................................ 20
3.3.

Thiết kế sơ bộ ......................................................................................... 21

3.3.1. Phương án 1 (sử dụng điện cực dương ngắn hơn cực âm)................. 21
3.3.2. Phương án 2 (sử dụng điện cực dương dài hơn cực âm) ................... 21
3.3.3. Phương án định vị thanh điện cực ...................................................... 22
3.4.

Hệ thống kết cấu mô hình....................................................................... 23

3.5.

Thuyết minh sơ đồ thực nghiệm ............................................................. 25

3.6.

Mô hình thử nghiệm ban đầu ................................................................. 25

3.7.

Mạch điều chỉnh độ rộng xung ............................................................... 26

3.8.


5.1.3. Gối đỡ trục ......................................................................................... 38
5.1.4. Chế tạo tấm đỡ trục lăn ...................................................................... 39
ii


5.1.5. Mô hình thực tế .................................................................................. 39
5.2.

Thử nghiệm ............................................................................................ 40

5.3.

Kết quả thực nghiệm .............................................................................. 40

Chương 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 46

iii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 - Sơ đồ các bước sản xuất dệt, nhuộm, may cho đến khi thành phẩm [9] .... 5
Hình 2 – Cấu trúc phân tử của vải cotton (vải sợi bông).......................................... 6
Hình 3 – Hạt nano từ phương pháp siêu âm ........................................................... 11
Hình 4 – Cấu trúc của nano TiO2 ........................................................................... 12
Hình 5 – Công thức cấu tạo của nano Silane-TEOS .............................................. 13
Hình 6 – Phủ nano bằng phương pháp phun trực tiếp ............................................ 15
Hình 7 – Chùm tia Plasma (a-Plasma ngoài tự nhiên; b-Plasma nhân tạo)............ 16
Hình 8 – Phản ứng tạo liên kết giữa phân tử nano-Silane và sợi vải ..................... 18
Hình 9 - Mô hình dạng tấm .................................................................................... 20

Hình 37 – Mô hình xử lý và phủ nano trên vải bằng .............................................. 39
Hình 38- Ảnh thực tế: vải được xử lý và phủ nano(bên trái) và vải không được xử
lý (bên phải), vải thun cotton .................................................................................. 40
Hình 39 - Ảnh hưởng của tốc độ xử lý đến góc tiếp xúc θc trên vải thun cotton ... 41
Hình 40 - Ảnh chụp sợi vải thun cotton sau khi xử lý nano trên máy SEM (110V,
1A, 0,8 m/ph) .......................................................................................................... 41
Hình 41- Ảnh hưởng của dòng điện đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải thun
cotton ...................................................................................................................... 41
Hình 42 - Ảnh hưởng của điện áp đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải thun cotton
................................................................................................................................ 41
Hình 43- Ảnh hưởng của dòng điện đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải sơ-mi
polyester .................................................................................................................. 42
Hình 44 - Ảnh hưởng của điện áp đầu vào ............................................................. 42
Hình 45: Ảnh hưởng của dòng điện đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải thun tổng
hợp .......................................................................................................................... 43
Hình 46: Ảnh hưởng của điện áp đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải thun tổng
hợp .......................................................................................................................... 43
Hình 47 - Sự thay đổi góc tiếp xúc theo thời gian .................................................. 43

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1 – Đặc tính cơ bản các loại vải sợi ................................................................ 7
Bảng 2 – Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu ...................... 8
Bảng 3 – Sự suy giảm hàm lượng Ag theo số lần giặt [10] ................................... 11
Bảng 4 – Các quá trình trao đổi năng lượng ở trạng thái Plasma [4] ..................... 17
Bảng 5 - Một số quá trình va chạm và trao đổi năng lượng giữa hạt (Plasma) với
bề mặt [4] ................................................................................................................ 17



KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Tp. HCM, ngày 03 tháng 11 năm 2014

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
-

Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống phủ
Nano bề mặt bằng công nghệ Plasma”
Mã số: T2014-01GVT
Chủ nhiệm: ThS. Thái Văn Phước
Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Thời gian thực hiện: tháng 12/2013 đến tháng 12/2014

2. Mục tiêu:
-

Chế tạo mô hình thiết bị xử lý và phủ nano trên vải bằng công nghệ Plasma ở nhiệt
độ thấp;
Tìm ra các thông số vận hành của mô hình.

3. Tính mới và sáng tạo:
-

Quá trình xử lý đơn giản, tiết kiệm năng lượng;
Quy trình vận hành đơn giản;
Dễ dàng lắp đặt trên dây chuyền sản xuất vải.

4. Kết quả nghiên cứu:


1. General information:
Project title: “Research, design and manufacturing experimental coating-nano
model by cold-plasma at atmospheric pressure”
Code number: T2014-01GVT
Coordinator: MSc. Thai Van Phuoc
Implementing institution: University of Technology and Education Ho Chi Minh City
Duration: from December 2013

to

December 2014

2. Objective(s):
-

Manufacturing model experimental coating-nano on fabric by cold-plasma at
atmospheric pressure;

-

Find out operating parameters of model.
3. Creativeness and innovativeness:

-

The model has many advantages such as small size, simple operation, save
energy;

-


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài
nước
Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất (các trạng thái khác là rắn, lỏng và khí). Ở
trạng thái Plasma, các electron chuyển động tương đối tự do giữa các nhân của nguyên
tử. Để đạt được trạng thái này, các electron được cung cấp một năng lượng lớn dưới dạng
nhiệt (mặt trời, các ngôi sao) – Plasma nóng hoặc trong các môi trường khác như bức xạ
điện từ, môi trường điện trường lớn nhằm ion hóa các phân tử - Plasma nguội (Plasma ở
nhiệt độ thấp, nhiệt độ từ 30-70°C) [1].
Ở trạng thái Plasma các electrons, ions và các hạt kích thích mang một năng lượng
lớn dưới dạng động năng. Khi hướng các hạt mang năng lượng trên lên một bề mặt thì
các hạt electrons, ions, hạt kích thích sẽ bắn phá lên bề mặt, làm sạch bề mặt, tẩy khuẩn,
bẽ gãy các liên kết trên bề mặt, đồng thời lại tạo ra các liên kết mới. Với những tính chất
trên công nghệ Plasma được ứng dụng nhằm làm sạch bề mặt, làm tăng năng lượng bề
mặt, tẩy khuẩn, phủ nano [1, 2].
Ứng dụng công nghệ Plasma ở áp suất thấp để phủ nano lên bề mặt đã được
nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên nhược điểm chính của
phương pháp này là điều kiện tiến hành phải ở áp suất thấp, dẫn đến chi phí thiết bị, vận
hành rất đắt và quy mô sản xuất cũng bị hạn chế. Hiện nay tại một số nước phát triển đã
ứng dụng thành công công nghệ Plasma ở áp suất thường vào việc phủ nano, ví dụ như
Công ty Fraunhofe ở Đức đã chế tạo thành công thiết bị Plasma Jet phủ nano ở điều kiện
áp suất thường, Enercon Industries Corporation ở Mỹ, Courstesy of Dow Corning
Plasma Solution ở Anh v.v…
Qua tham khảo tài liệu và thực tế trong nước, tác giả chưa thấy có nghiên cứu nào
ứng dụng công nghệ Plasma nhiệt độ thấp ở áp suất thường vào việc phủ nano bề mặt.
Trong phần nghiên cứu này tác giả đưa ra một mô hình xử lý và phủ nano trên vải bằng
công nghệ Plasma nhiệt độ thấp ở áp suất thường.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Để tạo tính chất siêu chống thấm (góc tiếp xúc θc ≥1500), vải thường được chế tạoxử lý như sau: thứ nhất, vải được dệt bằng các sợi có tính chất siêu chống thấm có nguồn

Tìm ra các thông số tối ưu của vận hành mô hình;

-

Tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phủ nano trên vải.

1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu của đề tài:
-

Môi trường tạo Plasma nhiệt độ thấp ở áp suất thường;
Khả năng tạo liên kết giữa sợi vải và nano silane.
b. Phạm vi nghiên cứu:
Đề tài sẽ khảo sát khả năng phủ nano trên vải cotton, polyester, vải tổng hợp với
dung dịch nano-silane.

1.5. Phương pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu, phân tích lý thuyết;

-

Phân tích thực nghiệm.
4


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Nghiên cứu về một số loại vải thông dụng
Vải sợi là những cấu trúc dạng phẳng, được tạo thành từ các loại tơ sợi được đan

Đặc điểm chủ yếu của tơ là chiều dài tơ đơn và độ mảnh tơ. Sợi tơ có thể hút
ẩm, bị ảnh hưởng bởi nước nóng, axit, bazơ, muối kim loại, chất nhuộm màu. Mặt cắt
ngang sợi tơ có hình dạng tam giác với các góc tròn. Vì có hình dạng tam giác nên ánh
sáng có thể rọi vào ở nhiều góc độ khác nhau, sợi tơ có vẻ óng ánh tự nhiên. Quần áo
bằng lụa rất thích hợp với thời tiết nóng và hoạt động nhiều vì lụa dễ thấm mồ hôi. Quần
áo lụa cũng thích hợp cho thời tiết lạnh vì lụa dẫn nhiệt kém làm cho người mặc ấm hơn.
6


2.1.4. Vải tổng hợp
Vải được tổng hợp từ sợi cotton và polyester. Vì được tổng hợp từ cotton và
polyester nên vải có được tính chất của sợi cotton và sợi polyester như dễ thấm hút,
thoáng mát do chứa sợi cotton, mặt vải phẳng, dễ dàng giặt ủi. Giá thành rẽ hơn các loại
vải cotton.

Bảng 1 – Đặc tính cơ bản các loại vải sợi
Đặc tính
Hình thức

Mức độ hút ẩm

Cotton

Nylon

Mượt và sáng, vì
Là dạng sợi thô nên thế ngăn chặn được
dễ dàng bị bám bẩn
sự bám bẩnvà dễ
giặt

mà không bị hỏng
trong khi giặt

Bền nhất trong tất
cả các loại sợi.
Chịu được chà xát
tốt, không giảm sức
bền bị bịướt.

Là loại sợi cực bền
mặc dù không bền
bằng nylon.

Độ đàn hồi

Nếp nhăn và nếp
gấp. Sau khi giặt,
những vết nhăn cần
được là phẳng.

Cần là lại một chút
sau khi giặt để
tránh nếp nhăn hay
nếp gấp

Có thể không cần
phải là sau khi giặt
vì loại sợi polyester
bị nhăn hay bị nếp
gấp rất ít.

tích mặt ngoài...

-

Phân loại theo hình dáng vật liệu:

Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều
tự do nào cho điện tử), ví dụ: đám nano, hạt nano.

-

Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử
được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ: dây nano, ống nano.

-

Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai
chiều tự do, ví dụ: màng mỏng.

-

Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một
phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều,
một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.


Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano:

-



Năng lượng bề
mặt/ năng
lượng tổng
(%)

30.000
4.000
250
30

2
4
8
9

4,8.1011
8,6.1011
2,04.1011
9,23.1011

7,6
14,3
14,3
82,2

8


2.2.1. Phương pháp chế tạo nano kim loại

Tính chất từ: Các kim loại quý như vàng, bạc,... có tính nghịch từ ở trạng thái
khối do sự bù trừ cặp điện tử. Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không
9


toàn diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh. Các kim loại có tính sắt từ ở trang
thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, côban, niken thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ
trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Vật liệu ở trạng thái
siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ trường bị ngắt
đi, tức là từ dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng không.
Tính chất nhiệt: Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên
kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số
các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt vật
liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể
dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở rạng thái khác hơn. Như vậy, nếu kích thước của hạt nano
giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm. Ví dụ : hạt vàng 2 nm cóTm = 500°C, kích thước 6 nm
có Tm = 950°C.
2.2.3. Một số loại dung dịch nano để phun phủ
2.2.3.1. Nano Bạc (Ag2O)
Bạc được biết đến như những chất tự nhiên có tính kháng khuẩn cao và ít độc
nhất không ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Đặc biệt là các hạt nano có khích thước
nanomet (1-100 nm) có khả năng kháng khuẩn vượt trội, có khả năng kháng trên 600 loại
vi khuẩn và virut trong đó có cả HIV.
Ngoài những ứng dụng trong nghành công nghệ cao, trong y học, nano bạc còn
được sử dụng rất hiệu quả để sản suất ra các vật dụng có tinh kháng khuẩn cao như (quẩn
áo, bít tất, lót giầy…) vừa có ý nghĩa bảo vệ môi trường vừa ngăn ngừa một số vi khuẩn
gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
 Điều chế nano Ag.
Thành phần hóa học:
-50 ml dung dịch AgNO3 0.02N.

sau đó được sấy ở nhiệt độ 1200C trong 5 phút.
 Kỹ thuật đánh giá của nano Bạc
Được đánh giá bằng phương pháp sinh đồ, phương pháp này dựa trên kỹ thuật
Kitby-Bauer.
Bảng 3 – Sự suy giảm hàm lượng Ag theo số lần giặt [10]
Số lần giặt

1

10

20

30

Siêu âm %

38

36

35

33

Khuấy từ %

32

28

huỷ một hợp chất hữu cơ. Vì vậy, nó tránh được hiện tượng “nhờn thuốc” và là một
công cụ hữu hiệu chống lại sự biến đổi gen của vi sinh vật gây bệnh. Nano TiO2 hoạt
động theo cơ chế xúc tác nên bản thân không bị tiêu hao, nghĩa là đầu tư một lần và sử
12


S

K

L

0

0

2

1

5

4