Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình phủ nano bạc trên vải cotton bằng Plasma lạnh
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
|
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM |
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do – Hạnh phúc |
|
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY |
Ngành đào tạo: Công nghệ chế tạo máy Hệ: Chính quy
-
Tên đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình phủ nano bạc trên vải cotton bằng Plasma lạnh
- Các số liệu, tài liệu ban đầu:
- Mô hình thiết bị xử lý được vải khổ 1,2 m;
- Tốc độ tối đa 20 m/ph;
- Phủ trên vải cotton
- Hoạt động liên tục
- Nội dung chính của đồ án:
- Tổng quan: tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, mục đích và nhiệm vụ đề tài;
- Cơ sở lý thuyết: lý thuyết về phủ nano bạc trên vải;
- Thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị: tính toán, thiết kế và tìm ra mô hình tối ưu cho thiết bị; chế tạo mô hình với kích thước 1400mm x 1000mm x 500mm;
- Thử nghiệm và tìm ra thông số tối ưu hệ thống phủ;
- Kết luận và kiến nghị: những ưu và khuyết điểm của mô hình; khả năng ứng dụng của mô hình vào thực tế.
4. Ngày giao đồ án:
5. Ngày nộp đồ án:
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đề tài “ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH PHỦ NANO BẠC TRÊN VẢI BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH ”
Trong thời đại hiện nay, nhu cầu cuộc sống của con người không chỉ dừng ở việc “ăn no mặc đủ” mà nó còn đòi hỏi cần phải “ăn ngon mặc đẹp” và “tốt cho sức khỏe”. Việc mặc đẹp không đơn thuần ở các kiểu thời trang, mà nó còn tiến xa hơn ở chất liệu vải và tính chất lý tính của loại vải phù hợp với các yêu cầu khắc khe của con người. Nắm bắt được những yêu cầu đặt ra của xã hội mà hàng loạt những sản phẩm vải mới được nghiên cứu và phát triển. Trong đó vải kháng khuẩn đã và đang được rất nhiều nước nghiên cứu với nhiều loại đề tài khác nhau như: vật liệu vải kháng khuẩn, chống khuẩn, diệt khuẩn… Bên cạnh đó, phủ nano bạc lên vải nhằm kháng khuẩn cũng là một đề tài nghiêm cứu đang được quan tâm, với nhiều công nghệ xử lý khác nhau nhưng việc ứng dụng công nghệ plasma vào xử lý là một vấn đề khá mới. Nhận thấy được sự cần thiết của nhu cầu xã hội và đặc biệt là nhu cầu này phù hợp với khí hậu hai mùa của Việt Nam, mà nhóm chúng em tiến hành nghiên cứu về đề tài này với sự ứng dụng của công nghệ Plasma trong việc xử lý tạo liên kết mới trên vải để đưa ra sản phẩm vải kháng khuẩn. Qua các nghiên cứu cho thấy công nghệ Plasma được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như: công nghệ tiệt trùng không khí, công nghệ xử lý nước thải công nghiệp…Trong đó, Plasma cũng được dùng để xử lý bề mặt kim loại, bề mặt nhựa, bề mặt vải với công dụng tăng tính thấm hay kháng khuẩn tùy vào mục đích sử dụng.
Tuy nhiên, trong nước vẫn chưa có đề tài nào ứng dụng công nghệ trên để xử lý phủ nano bạc lên vải bằng công nghệ Plasma, một công nghệ nền tảng tạo liên kết giữa hạt nano và vải bằng liên kết hóa học, chính liên kết vững chắc này làm cho vi khuẩn không thể bám vào bề mặt vải và sinh sôi phát triển. Với lý do đó, chúng em đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình phun phủ nano bạc lên vải cotton bằng công nghệ Plasma lạnh.
Hệ thống mô hình gồm có: Nguồn cấp vào (0– 220)V, buồng Plasma và hai điện cực để tạo ra dòng tia plasma trong đó cực dương được bọc cách điện cực âm là trục con lăn. Khi cung cấp điện áp vào 220V vào buồng Plasma nơi mà điện áp được khuếch đại lên rất nhiều lần từ 0 – 220V lên đến 20 – 40kV với điện áp cao giữa hai cực âm và dương tạo ra một từ trường làm cho các chất khí xung quanh bị ion hóa và trở về trạng thái phân tử, nguyên tử trung hòa, ion dương, electron và nhờ vào động năng của nó tác động vào bề mặt vải để bẻ gãy các liên kết -OH đồng thời kết hợp với hệ thống phủ nano bạc tạo ra một liên kết mới lên bề mặt vải giữa nano bạc với các sợi vải cotton tạo tính kháng khuẩn trên bề mặt vải, sau khi xử lý cần phải kiểm tra trên bề mặt. Mô hình thí nghiệm hoàn toàn có thể lắp đặt trên hệ thống dây chuyền sản xuất ngoài thực tế.
Nghiên cứu được thực hiện gồm bốn giai đoạn là:
vGiai đoạn 1 – Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ Plasma lạnh, động lực học plasma, nghiên cứu công nghệ phủ nano bạc và ứng dụng công nghệ Plasma lạnh vào xử lý và phủ nano bạc trên vải.
vGiai đoạn 2 – Đưa ra nhiều phương án thiết kế mô hình xử lý, làm thực nghiệm ban đầu, phân tích ưu nhược điểm của từng phương án, và cuối cùng chọn phương án tối ưu dựa trên tiêu chí hiệu suất xử lý, tiết kiệm năng lượng, chi phí và bảo vệ môi trường.
vGiai đoạn 3 – Tiến hành thí nghiệm với các điều kiện khác nhau: công suất tiêu hao (dòng điện, điện áp, tần số), kích thước hình dáng buồng Plasma, hình dáng buồng cấp nano bạc nhằm tìm ra các thông số vận hành tối ưu.
vGiai đoạn 4 – Phân tích đánh giá kết quả thí nghiệm và kết luận.
..................................
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP. 1
LỜI CAM KẾT. 2
LỜI CAM KẾT. 3
LỜI CAM KẾT. 4
LỜI CẢM ƠN.. 5
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.. 6
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU.. 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài1
1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài2
1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài2
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. 2
1.4.1.Đối tượng nghiên cứu. 2
1.4.2.Phạm vi nghiên cứu. 2
1.5. Phương pháp nghiên cứu. 3
1.5.1.Cơ sở phương pháp luận. 3
1.5.2.Các phương pháp nghiên cứu cụ thể. 3
1.6 . Kết cấu của đồ án. 3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI4
2.1. Đặc tính của mô hình. 4
2.2. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài4
2.2.1.Nghiên cứu ` loại vải4
2.2.1.1. Sợi bông- cotton. 6
2.2.1.2 Vải từ sợi len-wool7
2.2.1.3.Lụa- tơ tằm.. 7
2.2.1.4. Vải kaki8
2.2.1.5. Vải kate. 8
2.3.Vì sao phun phủ nano bạc lên vải.9
2.4. Sơ lược về nano. 10
2.4.1. Khái niệm.. 10
2.4.2. Phân loại10
2.4.2.1. Hạt nano vô cơ. 10
2.4.2.2. Hạt nano polymer10
2.4.2.3. Nanotube. 10
2.4.2.4. Tinh thể nano (nanocrystals)11
2.4.2.5. Hạt nano rắn lipid (solid lipid nanoparticles)11
2.5.Giới thiệu về nano Ag. 12
2.5.1 Tính chất của hạt nano Ag. 12
2.5.1.1 Tính chất quang học. 12
2.5.1.2.Tính chất điện. 12
2.5.1.3.Tính chất từ. 13
2.5.1.4.Tính chất nhiệt13
2.5.2.Cơ chế kháng khuẩn và các ứng dụng của nano bạc. 13
2.5.2.1Cơ chế kháng khuẩn của nano bạc. 13
2.5.2.2.Ứng dụng. 14
2.5.2.2.2.Xử lý nước. 15
2.5.2.2.3.Ngành dệt may. 15
2.6.Phương pháp chế tạo nano bạc. 16
2.6.1.Nguyên tắc tổng hợp nano kim loại16
2.6.1.1Phương pháp từ trên xuống (top - down)16
2.6.1.2 Phương pháp từ dưới lên (bottom - up)16
2.6.2.Các phương pháp tổng hợp nano bạc. 17
2.7.Các phương pháp phủ nano hiện nay. 19
2.7.1.Phủ trực tiếp lên bề mặt.19
2.7.2.Phun trực tiếp lên bề mặt.20
2.7.3.Ngâm tẩm trong dung dịch nano.21
2.7.4.Sử dụng công nghệ Plasma. 21
2.8.Giới thiệu về Plasma. 22
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 23
3.1.Thành phần vải cotton. 23
3.2.Năng lượng Plasma. 24
3.2.1.Ion hóa. 24
3.2.2.Năng lượng ion hóa. 25
3.2.3.Tiết diện hiệu dụng. 25
3.2.4.Khoảng đường tự do trung bình. 25
3.2.5.Tần số va chạm.. 25
3.2.6.Va chạm đàn hồi26
3.2.7. Va chạm không đàn hồi..................................................................... 26
3.2.7.1 Va chạm không đàn hồi loại 1. 26
3.2.7.2. Va chạm không đàn hồi loại 2. 26
3.2.8. Sự phóng điện phụ thuộc. 28
3.2.8.1 Nhiệt ion hóa. 28
3.2.8.2.Nhiệt ion hóa. 30
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ. 33
4.1.Những yêu cầu cơ bản của đề tài33
4.2.Cải tiến mô hình. 33
4.2.1.Mô hình cũ. 34
4.2.2.Mô hình cải tiến. 35
4.2.3.Nguyên lý hoạt động. 36
4.3.Phương án sử dụng điện cực của bộ Plasma. 36
4.3.1.Phương án 1: Sử dụng điện cực dương ngắn hơn cực âm.. 37
4.3.2.Phương án 2: Sử dụng điện cực dương dài hơn cực âm.. 38
4.4.Định vị thanh điện cực trong ống thạch anh. 39
4.5.Định vị ống thạch anh với trục Plasma. 39
4.6.Trình tự công việc tiến hành. 39
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ VẢI BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA.. 41
5.1. Nhận xét41
5.2. Chọn vật liệu cho hệ thống. 41
5.3. Tính toán hệ thống. 42
5.3.1.Tính toán chọn động cơ. 42
5.3.2.Tính toán thiết kế trục. 42
5.3.Thiết kế mô hình. 43
Chương 6: CHẾ TẠO VÀ THÍ NGHIỆM.. 51
6.1.Chế tạo:51
6.2. Thí nghiệm.. 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 58
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời đại ngày nay, ở nước ta nhu cầu sử dụng vải kháng khuẩn đang ngày càng nở rộ và ưa chuộng vì những đặc tính ưu việt của nó như: ngăn cản sự phát triển của vi khuẩn, chống bám bẩn… Chính vì vậy, mà vải kháng khuẩn được ứng dụng nhiều trong các ngành y tế, ngành may trang phục lễ hội, quần áo thể thao… Trong y tế loại vải này được dùng làm quần áo phẫu thuật, quần áo cho bệnh nhân, drap giường bệnh, mũ bác sĩ… Bên cạnh đó, trong may mặc người ta dùng nhiều trong việc may trang phục như veston, quần áo thể thao, rèm cửa… Nắm bắt được tính thị yếu của thị trường, nên các doanh nghiệp may mặc trong nước cũng sử dụng các loại vải kháng khuẩn này vào sản phẩm của mình. Hiện nay, các nghiên cứu trong nước cũng đã và đang nghiên cứu cách tạo ra vải kháng khuẩn, như việc nhúng vải vào trong dung dịch nano bạc rồi phơi khô xong đem sử dụng hoặc tìm cách gắn gốc có cấu trúc nano bạc vào gốc của vải bằng các phương pháp các phương pháp như: dùng tia UV, dùng sóng siêu âm để tạo liên kết… Tuy nhiên các giải pháp này cũng có những nhược điểm khó khắc phục như: ô nhiễm môi trường, không an toàn cho người sử dụng, tác dụng không lâu, thời gian xử lý lâu, tốn thời gian, tiền bạc và công sức… Chính những đều này làm cho các nguyên liệu vải thường được nhập từ nước ngoài, làm cho giá thành sản phẩm tăng lên do chi phí vận chuyển và giá nguyên liệu tương đối cao, gây khó khăn trong việc cạnh tranh thương mại.
Chính vì vậy, về một khía cạnh nào đó đề tài xử lý phủ nano bạc lên bề mặt vải bằng công nghệ Plasma ở điều kiện nhiệt độ thấp (Plasma lạnh) là đề tài rất cần thiết nhằm tạo ra sản phẩm mới mang tính Việt Nam với chất lượng cao, khắc phục được những nhược điểm trên nhằm phục vụ trong và ngoài nước đẩy mạnh sự cạnh tranh trên thị trường quốc tế.
Công nghệ xử lý phủ nano bạc lên vải bằng Plasma lạnh là một công nghệ tiên tiến, mới nhất phù hợp với nhu cầu, và đều kiện sản xuất kinh doanh của doanh nghiệp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, tạo ra đặc tính mới cho sản phẩm. Về phía người tiêu dùng, sản phẩm có tính linh hoạt cao giúp tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường mà không thay đổi nhiều về tính chất của vải.
1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đây là phương pháp xử lý mới có thể bổ sung vào quy trình sản xuất để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh chất lượng cao, là phương pháp mà trên thế giới hiện nay được giới khoa học rất quan tâm nghiên cứu. Là chủ trương mà cần các nhà nghiên cứu khoa học thực hiện, dám nghĩ - dám làm. Ý nghĩa khoa học của đề tài là rõ ràng kể cả khi thành công hay thất bại thì cũng có thể giúp cho chúng ta hiểu biết thêm về công nghệ mới. Sự thành công của đề tài sẽ hoàn thiện thêm một phương pháp phun phủ nano bạc lên vải bằng công nghệ Plasma vừa đạt hiệu quả cao, không gây nguy hiểm và ô nhiễm đến môi trường. Việc áp dụng công nghệ Plasma thay thế cho các phương pháp đã có trước đây sẽ tiết kiệm được giá thành, thời gian…Không chỉ sử dụng điện an toàn và thân thiện với môi trường mà còn tiết kiệm nguyên liệu một cách hiệu quả nhất.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình phủ nano bạc trên vải cotton bằng
công nghệ plasma ở nhiệt độ thấp” được thực hiện theo các mục tiêu sau:
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình phủ nano bạc trên vải bằng công nghệ Plasma với quy mô nhỏ để tiến hành kiểm nghiệm;
- Tìm ra các thông số tối ưu của vận hành mô hình;
- Mở ra hướng phát triển mới chế tạo mô hình với quy mô vừa dùng cho các cơ sơ doanh nghiệp tư nhân, sau là phát triển cho ngành công nghiệp dệt may.
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1. 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 và phủ nano bạc lên bề mặt vải;
- Hệ thống phun phủ nano bạc.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình phun phủ nano bạc trên vải bằng công nghệ Plasma ở nhiệt độ thấp với năng suất 20m/phút. Sau khi thành công sẽ nghiên cứu để nâng công suất làm việc nhằm đáp ứng nhu cầu của cơ sở doanh nghiệp cũng như các công ty lớn.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
1.5.1. Cơ sở phương pháp luận
Phương pháp phân tích tài liệu: Tham khảo từ giáo trình thiết kế máy, tài liệu về Plasma, chất phủ Nano và được sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn (Th.S Thái Văn Phước)
Điều tra thực tế: Tiến hành các thí nghiệm về khả năng kháng khuẩn của vải được phủ nano bạc và xử lý Plasma trên vi khuẩn S. Aureus, thực hiện các thí nghiệm về xử lý các bề mặt từ đó rút ra các nhận xét đánh giá. Tham khảo một số máy xử lý bề mặt bằng công nghệ Plasma có cấu trúc tương tự và giá thành của chúng trên thị trường.
1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
- Tham khảo tài liệu về thiết kế máy xử lý bề mặt bằng công nghệ Plasma;
- Tham khào chất phủ Nano đề xuất phương án phủ, nguyên lý hoạt động, thiết bị phụ trợ, thực hiện thiết kế mô hình;
- Tiến hành làm thí nghiệm và phân tích kết quả thí nghiệm để đạt kết quả mong muốn.
1.6. Kết cấu của đồ án
Kết cấu của đồ án tốt nghiệp bao gồm 6 chương
vChương 1: Giới thiệu
vChương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài
vChương 3: Cơ sở lý thuyết
vChương 4: Phương hướng và các giải pháp
vChương 5: Đề xuất công nghệ / Tính toán, thiết kế
vChương 6: Chế tạo thử nghiệm, đánh giá
vKết luận và kiến nghị.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
2.1. Đặc tính của mô hình
- Mô hình phải tạo ra được hệ thống phun phủ nano bạc trên vải được xử lý bằng công nghệ Plasma ở nhiệt độ thấp;
- Phải cách ly vùng xử lý với môi trường bên ngoài để đạt hiệu quả cao nhất;
- Đảm bảo cách điện an toàn cho người thao tác và dễ dàng điều khiển.
2.2. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
2.2.1. Nghiên cứu loại vải
- Vải sợi là những cấu trúc dạng phẳng, được tạo thành từ các loại tơ sợi được đan lại với nhau theo 1 cách nào đó. Những sợi này có dạng sợi dài, xoắn vào nhau tạo thành phần tử cơ bản nhất của vải sợi. Mỗi loại sợi này được cấu thành từ hàng triệu chuỗi phân tử hoá học đơn lẻ.
- Hiện nay, quy trình sản xuất các loại vải ở các doanh nghiệp hoặc các công ty lớn chủ yếu được thực hiện theo các bước như sau:
+ Sợi vải được chuyển qua công đoạn mắc sợi. Sau đó chuyển sang hồ rồi mới đưa qua hệ thống máy dệt để thực hiện công đoạn dệt. Công đoạn cuối cùng trước khi sản phẩm dệt được xuất xưởng là công đoạn kiểm phẩm. Tại đây, hệ thống vải dệt được kiểm tra kỹ trước khi cho xuất kho để tránh những lỗi sản phẩm.
....................................
Đặc tính:
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.
Ứng dụng:
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. Lụa có vẻ đẹp trang nhã, óng ánh nên hay được dùng làm màn, rèm, lụa còn được dùng làm dù…
2.1.1.1. Vải kaki
Hình 2.5.Vải kaki [Nguồn internet]
- Có độ cứng và dày hơn so với các chất liệu khác nên thường được dùng để may quần, đồ công sở, đồng phục bảo hộ lao động…
- Đặc điểm: ít nhăn, dễ giặt ủi, giữ màu tốt.
2.1.1.2. Vải kate
Hình 2.6. Vải kate [Nguồn internet]
- Vải có nguồn gốc từ sợi TC – là sợi pha giữa Cotton và Polyester
- Đặc điểm: Thấm hút ẩm tốt, mặt vải phẳng mịn, dễ dàng giặt ủi.
Ngoài ra, còn có các loại vải sơị khác như: sợi tổng hợp polyester (PES), sợi nylon, sợi polypropylen (PP), sợi polyetylen (PE)…Nhưng hầu hết các loại vải từ sợi nói trên trong thành phần hóa học của cellulose không có nhiều gốc liên kết (- OH) ở vải cotton (86.8%), bên cạnh đó đề tài nghiên cứu cần tìm chất liệu vải có nhiều gốc liên kết (- OH) trong thành phần hóa học để thay thế bằng các gốc liên kết của hạt nano bạc với mục đích kháng khuẩn. Như vậy, việc chọn vải cotton để phun phủ nano trong đề tài nghiên cứu là thích hợp nhất.
2.2. Vì sao phun phủ nano bạc lên vải.
vĐặc điểm của vải có đặc tính kháng khuẩn.
- Không mùi;
- Không gây hại sức khỏe cho người tiêu dung;
- Mang tính kháng khuẩn.
ðPhân tích đặc điểm của 2 loại vải cho thấy những ưu điểm nỗi bật của vải kháng khuẩn. Qua tìm hiểu việc tạo ra loại vải có khả năng kháng khuẩn cần một lớp màng mỏng tạo thành rào chắn siêu nhỏ bao bọc bởi không khí với khả năng kháng khuẩn. Do đó, để tạo ra loại vải có những tính năng vượt trội nêu trên cần phun phủ một lớp dung dịch ở dạng nano bạc lên bề mặt vải.
2.3. Sơ lược về nano
2.3.1. Khái niệm
- Hạt nano (nanoparticles) là các hạt với một hay nhiều kích thước ở dạng kích cỡ nano (nm, 1 nm = 10−9 m).
- Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên nanomet. Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài...
2.3.2. Phân loại
2.3.2.1. Hạt nano vô cơ
Các hạt vô cơ cấu trúc nano có kích thước, hình dạng và lỗ xốp khác nhau được tạo ra từ kim loại, oxit kim loại. Đặc điểm nổi bật nhất của các hạt nano vô cơ là khả năng dễ chế tạo và tính ứng dụng cao.
2.3.2.2. Hạt nano polymer
Các hạt nano polymer được hình thành từ quá trình cắt đứt và phân hủy mạch polymer dạng dài về dạng kích thước nano. Ứng dụng chủ yếu của các polymer nano là làm chất nền cho quá trình dẫn truyền thuốc
2.3.2.3. Nanotube
Nanotube được xem như là các tấm tự gắn kết, xuất phát từ các nguyên tử được sắp xếp trong các ống (tube). Hiện nay trong lĩnh vực thuốc và y tế, nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu khả năng ứng dụng nanotube trong quá trình dẫn truyền thuốc
2.3.2.4. Tinh thể nano (nanocrystals)
Tinh thể nano là sự kết hợp các phân tử lại để hình thành tinh thể có kích thước nano. Các tinh thể nano được ứng dụng rộng rãi trong ngành vật liệu, kỹ thuật hóa học như các chấm lượng tử (quantum dot) trong hình ảnh sinh học
2.3.2.5. Hạt nano rắn lipid (solid lipid nanoparticles)
Các hạt lipid rắn là những lipid - nền tảng cấu thành từ những chất dẫn truyền thuốc dạng keo. Ưu điểm của các hạt nano lipid dạng rắn này là chúng có độ ổn định cao hơn so với liposome trong hệ thống sinh học. Ứng dụng chính của hạt nano rắn dạng lipid được dùng để dẫn truyền thuốc, hoặc làm làm chất mang cho các thuốc đắp tại chỗ.
2.4. Giới thiệu về nano Ag
2.4.1. Tính chất của hạt nano Ag
2.4.1.1. Tính chất quang học
Tính chất quang học của hạt nano bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trước. Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt nano bạc hấp thụ ánh sang chiếu vào. Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng. Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước. Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano bạc có được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano bạc làm cho hạt nano bạc bị phân cực điện tạo thành mộ lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano bạc và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Ngoài ra, mật độ hạt nano bạc cũng ảnh hưởng đến tính chất quang. Nếu mật độ loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt.
2.4.1.2. Tính chất điện
Tính dẫn điện của kim loại rất tốt, hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật độ điện tử tự do cao trong đó. Đối với vật liệu khối, các lý luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon). Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại (dòng điện I) dưới tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại. Định luật Ohm cho thấy đường I – U là một đường tuyến tính. Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng giam cầm lượng tử làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lượng. Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này đối với hạt nano bạc là I – U không còn tuyến tính nữa mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I – U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một lượng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano bạc với điện cực.
2.4.1.3. Tính chất từ
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 toàn diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh.
2.4.1.4. 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 trạng thái khác hơn. Như vậy, nếu kích thước củahạt nano bạc giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm.
2.4.2. Cơ chế kháng khuẩn và các ứng dụng của nano bạc
2.4.2.1. Cơ chế kháng khuẩn của nano bạc
- Nano bạc kháng khuẩn theo hai cơ chế chính:
+ Làm biến chất vi khuẩn bằng cách phá vỡ các nối disulfit: các nối disulfit (–S–S–) trong vi khuẩn rất quan trọng vì nó đóng vai trò như một công tắc đóng, mở thuận nghịch để tạo ra protein khi tế bào vi khuẩn gặp các phản ứng oxy hóa. Đây là cấu trúc quan trọng của các enzyme trong vi khuẩn với tính chất xúc tác, nano bạc vô hiệu hóa enzyme mà vi khuẩn, virus và nấm cần cho quá trình chuyển hóa oxygen.
+ Phá vỡ màng tế bào vi khuẩn bằng các phản ứng oxy hóa: nano bạc giúp tạo ra oxy hoạt tính trong không khí hoặc từ nước. Những oxy hoạt tính này có khả năng phá vỡ màng tế bào hoặc thành tế bào của vi khuẩn.
Hình 2.10: Cơ chế phá vỡ bằng phản ứng oxy hóa [Nguồn internet]
- Ưu điểm của nano bạc so với thuốc kháng sinh:
+ Nano bạc giết chết vi khuẩn ngay lập tức bằng 2 cơ chế làm biến chất và oxy hóa. Vì vậy vi khuẩn không có khả năng kháng lại bạc. Các tế bào của con người ở dạng mô nên không bị ảnh hưởng bởi quá trình này.
+ Không như các thuốc kháng sinh bị hấp thụ trong quá trình diệt khuẩn, nano bạc hoạt động như chất xúc tác mà không bị hấp thụ.
2.4.2.2. Ứng dụng
2.4.2.2.1. Xúc tác
- Nano bạc với diện tích bề mặt lớn và năng lượng bề mặt cao rất hữu ích trong việc sử dụng làm xúc tác. Khi được sử dụng làm xúc tác thì các hạt nano bạc thường được phủ lên các chất mang là silica phẳng, alumina …chúng có tác dụng làm nền giữ cho các hạt nano bạc bám trên các chất mang đồng thời có thể làm tăng độ bền. Đồng thời, có thể làm tăng độ bền, tăng tính chất xúc tác, bảo vệ chất xúc tác khỏi quá nhiệt cũng như kết khối cục bộ giúp kéo dài thời gian hoạt động của chất xúc tác. Ngoài ra, hoạt tính xúc tác có thể điều khiển bằng kích thước của các hạt nano bạc dùng làm xúc tác.
- Xúc tác nano bạc được ứng dụng trong việc oxi hóa các hợp chất hữu cơ, chuyển hóa ethylen thành ethylen oxit dùng cho các phản ứng khử các hợp chất nitro, làm chất phụ gia cải tiến khả năng xử lý NO và khí CO của xúc tác FCC. Ngoài ra, xúc tác nano bạc còn dùng làm xúc tác trong phản ứng khử thuốc nhuộm bằng NaBH4…
2.4.2.2.2. Xử lý nước
- Với đời sống đang ngày càng được nâng cao như hiện nay, đồng thời yêu cầu nước uống sạch của con người ngày càng thay đổi: nước uống sạch nhưng phải đảm bảo đã được diệt trùng. Việc ứng dụng nano bạc phủ lên PU dùng trong xử lý nước uống cũng được đặt ra và hứa hẹn sẽ là một hướng ứng dụng mang nhiều lợi ích thật sự thiết thực trong đời sống.
- Ngoài ra vấn đề xử lý những ô nhiễm nguồn nước do nước thải sinh hoạt và các khu công nghiệp gây ra, hiện nay trên thế giới cũng như trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng công nghệ nano bạc cho việc xử lý nước thải.
2.4.2.2.3. Ngành dệt may
Trong thời gian dài, ngành công nghiệp dệt may sử dụng các hợp chất như : CuSO4, ZnSO4,… đưa vào trong vải tạo ra các sản phẩm sạch có khả năng diệt khuẩn. Tuy nhiên, các tác nhân trên không thể đáp ứng được yêu cầu cơ bản trong việc diệt khuẩn. Chính vì thế, việc làm ra các tác nhân mới đáp ứng nhu cầu thực tế là rất cấp thiết.
Như đã được biết đến, hạt nano bạc có tính năng diệt khuẩn từ 98 – 99%. Nên khi đưa nano bạc vào xơ sợi thì các hạt nano bạc bám dính phân tán và cũng không gây tác hại cho da và có khả năng diệt khuẩn rất cao.
Hiện nay, Nano bạc đã được đưa vào xơ sợi của ngành công nghiệp dệt may như: cotton, polyeste, polyeste/cotton, PP/PE, PAN, Polyamid, len, Silk và Nylon… Trong số các loại thì vải cotton là được chú ý nhiều nhất vì nó gần gũi với đời sống con người và các điều kiện để chế tạo cũng không quá khắc nghiệt.
Nano bạc ứng dụng trong các sản phẩm dệt may được sử dụng có tính sát khuẩn cao: quần áo, găng tay dùng trong y tế và các sản phẩm tránh mùi hôi.
2.5. Phương pháp chế tạo nano bạc
2.5.1. Nguyên tắc tổng hợp nano kim loại
2.5.1.1. Phương pháp từ trên xuống (top - down)
Phương pháp này sử dụng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu). Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn(có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển hình. Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano.
2.5.1.2. Phương pháp từ dưới lên (bottom - up)
Đây là phương pháp khá phổ biến hiện nay để chế tạo hạt nano kim loại. Nguyên lý phương pháp này dựa trên việc hình thành các hạt nano kim loại từ các nguyên tử hay ion, các nguyên tử hay ion khi được xử lý bởi các tác nhân như vật lý, hóa học sẽ kết hợp với nhau tạo các hạt kim loại có kích thước nanomet. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, phương pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai.
- Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh). Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính.
- Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel,...) và từ pha khí (nhiệt phân,...). Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...
- Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí,... Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...
2.5.2. Các phương pháp tổng hợp nano bạc
- Phương pháp ăn mòn laser:
Phương pháp này là phương pháp từ trên xuống. Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt trong một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm Laser xung có bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm. Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na với n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ từ 0,001 đến 0,1M.
- Phương pháp khử hóa học:
- Trong phương pháp này, sử dụng các tác nhân hóa học để khử ion bạc tạo thành các hạt nano kim loại. Nguyên lý cơ bản của phương pháp khử hóa học được thể hiện:
Ag+ + X Ag° + nano Ag
- Ion Ag+ dưới tác dụng của chất khử X tạo ra nuyên tử Ago. Sau đó, các nguyên tử này kết hợp với nhau tạo thành các hạt Ag có kích thước nano
- Các tác nhân hóa học có thể sử dụng là: NaBH4, natri citrat , hydro, hydroxylamine, hydrazine, formaldehyd và các dẫn xuất của nó, EDTA và các mono sacharides. Mỗi phương pháp khử để điều chế hạt nanobạc sẽ ứng với mỗi loại hóa chất. Mỗi phương pháp đều có cơ chế cụ thể của phương pháp đó tương ứng với tác nhân khử cụ thể.
- Để lựa chọn được một hóa chất phù hợp tùy thuộc vào tính kinh tế, yêu cầu của quá trình điều chế cũng như chất lượng của hạt nano vì mỗi loại hóa chất sẽ tạo ra một cỡ hạt khác nhau. Đồng thời, mỗi loại hóa chất cũng cho tính bền vững của dung dịch các hạt nano Ag khác nhau và khả năng đưa nano bạc từ dung dịch nano tạo bởi các hóa chất này tùy thuộc vào sản phẩm ta cần ứng dụng. Do đó, khi tiến hành điều chế các hạt nano bạc cần chọn thật kỹ hóa chất sử dụng.
- Phương pháp vật lý:
Đây là phương pháp sử dụng các tác nhân vật lí như điện tử, sóng điện từ như tia UV, gamma, tia laser khử ion bạc thành hạt nano bạc.
Ag+ hν Ag°
- Dưới tác dụng của tác nhân vật lý có nhiều quá trình biến đổi của dung môi và các chất phụ gia trong dung môi sẽ sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion bạc thành bạc kim loại để chúng kết tụ tạo thành các hạt nano bạc.
- Một ví dụ sử dụng phương pháp vật lý để chế tạo hạt nano bạc là dung tia laser xung có bước sóng 500nm, độ dài xung 6sn, tần số 10 Hz, công suất 12 -14mJ, chiếu vào dung dịch AgNO3 như là nguồn kim loại và sodium dodecyl sulfate (SDS) như chất hoạt hóa bề mặt để thu được hạt nano bạc.
- Phương pháp hóa lý:
- Phương pháp này là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lí. Nguyên lí là dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano. Phương pháp điện phân thông thường chỉ có thể tạo được màng mỏng kim loại. Trước khi xảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽ tạo các hạt nano bám lên điện cực âm. Lúc này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch.
- Lò vi sóng là một thiết bị gia nhiệt nó cung cấp một lượng nhiệt ổn định và gia nhiệt đồng đều. Sử dụng lò vi sóng tiến hành khử ion Ag+ thành Ago theo quy trình polyol để tạo thành hạt nano bạc. Trong phương pháp này, muối bạc và chất khử êm dịu có tác dụng trợ giúp cho quá trình khử Ag+ về Ago như: C2H5OH, HCHO…
- Dưới tác dụng của vi sóng các phân tử có cực như các phân tử Ag+ và các chất trợ khử sẽ nóng lên và chuyển động rất nhanh, nhiệt được cấp đều cho toàn dung dịch. Do vậy, mà quá trình khử bạc sẽ diễn ra nhanh chóng và êm dịu hơn các phương pháp khác.
- Phương pháp sinh học:
- Phương pháp này sử dụng các tác nhân như vi rút, vi khuẩn có khả năng khử ion bạc tạo nguyên tử bạc kim loại. Dưới tác dụng của vi khuẩn, vi rút thì ion bạc sẽ chuyển thành nguyên tử hạt nano bạc kim loại.
Ag+ bidogcal Ag°
- Các tác nhân sinh học thường là: các vi khuẩn MKY3, các loại nấm Verticillium… Phương pháp này đơn giản, thân thiệt với môi trường có thể tạo ra hạt khoảng 2 – 5 nm.
2.6. Các phương pháp phủ nano hiện nay
2.6.1. Phủ trực tiếp lên bề mặt.
Các bước thực hiện:
- Làm sạch bề mặt trước khi phủ nano.
..............................................
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Thành phần vải cotton
- Cotton được lấy từ cây bông vải, thường được trồng ở những nước ôn đới và nhiệt đới. Sau khi được khai thác, sợi cotton được xử lý qua nhiều công đoạn để loại bỏ những thành phần chất béo, chất sáp bám trên thành vỏ sợi làm tăng tính thấm nước và quy trình tẩy trắng sợi. Sau quá trình xử lý, sợi cotton sẽ được trải qua những công đoạn khác để làm nên tấm vải.
Bảng 3.1. Thành phần cấu tạo của sơị cotton thô
- Cấu trúc của sợi cotton rất phức tạp, gồm 3 phần chính. Lớp biểu bì ngoài cùng có tính kỵ nước, có chức năng bảo vệ. Ngoài cellulose ra còn có những lớp chất béo và sáp, nên để có tính thấm nước tốt thì cotton phải được xử lý. Bên dưới lớp biểu bì là lớp thành sợi chính, do những sợi (fibril) nhỏ đan ngang dọc với nhau tạo thành. Bên dưới lớp thành sợi chính là lớp thành sợi phụ chiếm hầu hết khối lượng của sợi cotton, do các lớp sợi liên tiếp chồng lên nhau và ngược hướng nhau tạo thành. Ruột (lumen) của sợi cotton rỗng, để dẫn protein đi nuôi lớn sợi cotton. Khi sợi đã trưởng thành, sợi khô đi và ruột bị thu hẹp lại, làm cho những sợi cotton xoắn lại (do lớp thành sợi phụ).
- Cotton thuộc họ cellulose là polymer của glucose, là thành phần hoá học cơ bản nhất của vải cotton, là polyalcohol (có nhóm -OH), mối liên kết hydro giữa những nhóm hydroxyl của các phân tử liền kề khá bền vững, ngăn không cho nước xuyên thấu vào những vùng có cấu trúc tinh thể của cellulose, do đó nó không hoà tan trong nước. Tuy nhiên, cotton lại khá ưa nước, có khả năng thấm hút nước tốt. Cấu trúc tổ ong với các lỗ li ti giúp các phân tử nước xuyên thấu qua những vùng trống trong chuỗi polymer và hình thành liên kết hydro với các cellulose hydroxyl tự do.
Hình 3.1. Công thức cấu tạocủa cenllulose.
1.2. Năng lượng Plasma
1.2.1. Ion hóa
Ion là một nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị mất hay thu nhận thêm được một hay nhiều electron. Một ion mang điện tích âm, khi nó thu được một hay nhiều electron, được gọi là anion hay Điện tích âm, và một ion mang điện tích dương khi nó mất một hay nhiều electron, được gọi là cation hay Điện tích dương. Quá trình tạo ra các ion gọi là ion hóa.
1.2.2. Năng lượng ion hóa
Năng lượng ion hóa của một nguyên tử hay một phân tử là năng lượng cần thiết để tách một điện tử từ nguyên tử hay phân tử đó ở trạng thái cơ bản. Một cách tổng quát hơn, năng lượng ion hóa thứ n là năng lượng cần thiết để tách điện tử thứ n sau khi đã tách (n-1) điện tử đầu tiên. Trạng thái cơ bản chính là trạng thái mà tại đó, nguyên tử không chịu ảnh hưởng của bất kỳ một từ trường ngoài nào cả. Tức là 1 nguyên tử kim loại ở trạng thái cơ bản sẽ có dạng khí, và cấu hình electron của nó cũng là cấu hình cơ bản: tuân theo nguyên lí Pauli, nguyên lí vững bền và qui tắc Hund.
1.2.3. Tiết diện hiệu dụng
Tiết diện hiệu dụng đặc trưng cho quá trình va chạm giữa các hạt với nhau. Sự va chạm giữa hai hạt khi gặp nhau sẽ xảy ra nếu khoảng cách giữa hai tâm nhỏ hơn hoặc bằng một khoảng cách cực tiểu nào đó. Khoảng cách cực tiểu này là bán kính hiệu dụng của sự va chạm. Nếu các hạt có dạng như quả cầu đàn hồi có bán kính là r1, r2 sự va chạm sẽ xảy ra khi các hạt cách nhau một khoảng nhỏ hơn r1+r2.
Khi đó: σ = π.(r1+r2)2
1.2.4. Khoảng đường tự do trung bình
Khoảng đường tự do trung bình của hạt được xác định như tổng số khoảng cách của hạt giữa hai va chạm chia cho tất cả số hạt đó.
1.2.5. Tần số va chạm
Tần số va chạm là số va chạm trong một đơn vị thời gian.
1.2.6. Va chạm đàn hồi
- Là va chạm không làm thay đổi tính chất của hạt, là va chạm mà trong đó các hạt tương tác chỉ lệch đi một góc nhỏ, đóng một vai trò đặc biệt.
- Chúng ta dùng khái niệm cổ điển để nghiên cứu va chạm đàn hồi, vì lý thuyết cổ điển không áp dụng được cho các mức năng lượng nguyên tử, nên chỉ áp dụng lý thuyết cổ điển khi:
- Vậy lý thuyết cổ điển đúng chỉ với năng lượng của hạt va chạm lớn và tiết diện hiệu dụng biến đổi chậm hơn V-2.
1.2.7. Va chạm không đàn hồi
1.2.7.1. Va chạm không đàn hồi loại 1
- Là va chạm làm thay đổi tính chất của một hay nhiều hạt. Nhờ vào sự va chạm không đàn hồi mà các quá trình như: sự ion hóa, sự kích thích, sự phân li, sự hóa hợp… có thể xảy ra.
- Trong va chạm không đàn hồi loại 1 khi kích thích hoặc ion hóa thì một phần động năng của hạt sẽ chuyển vào thế năng của hạt kia.
1.2.7.2. Va chạm không đàn hồi loại 2
- Khi va chạm thế năng của hạt kích thích chuyển qua hạt khác dưới dạng thế năng hay động năng, sau khi va chạm hạt kích thích sẽ trở về trạng thái cơ bản.
- Nếu hạt kích thích va chạm với điện tử sẽ cung cấp động năng cho điện tử. Nếu va chạm với nguyên tử hoặc ion thì chúng sẽ bị kích thích hoặc ion hóa. Va chạm không đàn hồi loại 2 làm sản sinh thêm hạt nhanh trong plasma.
- Sự tái hợp: Là quá trình kết hợp ion với electron để thành nguyên tử hoặc phân tử trung hòa. Quá trình này được coi là quá trình ngược với quá trình ion hóa. Khi tái hợp nội năng toàn phần của hệ giảm. Vì vậy quá trình có thể xảy ra với động năng của hạt tương tác nhỏ bất kì, xác suất tái hợp lớn nhất khi chuyển động của các hạt trung hòa mới thành lập. Trong trường hợp tái hợp ion nguyên tử, năng lượng thừa chính là năng lượng cần thiết để tách ion âm và ion dương ra khỏi nguyên tử.
- Sự tái hợp đóng vai trò quan trọng trong môi trường plasma áp suất lớn có 4 dạng tái hợp:
+ Tái hợp kèm theo bức xạ: Sự tái hợp trục tiếp của electron tự do với ion dương, nhờ đó năng lượng dư thừa của electron được bức xạ dưới dạng lượng tử, quá trình này không đóng vai trò quan trọng trong plasma.
+ Tái hợp với kích thích 2 lần: Sự tái hợp này xảy ra khi ion dương tác động đồng thời vào 2 electron. Khi đó ion dương trung hòa với 1 trong 2 electron, còn electron kia thu năng lượng ion hóa tỏa ra trong quá trình đó để bay ra khỏi với vận tốc lớn hơn. Quá trình này xảy ra khi mật độ electron trong plasma khá cao.
+ Tái hợp do va chạm 3 hạt: nhờ hạt thứ 3 mang năng lượng thừa nên quá trình tái hợp xảy ra khá hiệu dụng.
+ Tái hợp phân ly: Khi va chạm với điện tử, ion dương không chuyển mức có kèm bức xạ, mà bị rơi vào trạng thái không bền vững rồi bị phân ly, trong quá trình này hệ số tái hợp rất lớn.
- Plasma phóng điện khí: Trong điều kiện bình thường, mọi chất khí thực tế không dẩn điện, chúng là chất cách điện. Nhưng ở nhiệt độ cao, hay ở trong điện trường rất mạnh, thì tính chất của chất khí thay đổi căn bản nó bị ion hóa và dẫn điện. Khi bị ion hóa, các nguyên tử và các phân tử khí trung hòa về điện sẽ mất đi 1 phần electron và trở thành ion dương. Chất khí bị ion hóa đó gọi là plasma.
- Sự phóng điện trong chất khí sẽ tạo ra plasma khí. Trạng thái plasma khí được duy trì nhờ năng lượng tỏa ra từ dòng điện phóng qua plasma. Nếu bị loại bỏ điện trường ngoài đi thì plasma khí biến mất rất nhanh, nó sẽ trở thành chất khí bình thường. Qúa trình này được gọi là sự tái hợp của chất khí.
- Sự phóng điện trong chất khí được phân thành 2 nhóm lớn: Sự phóng điện phụ thuộc và sự tự phóng điện.
1.2.8. Sự phóng điện phụ thuộc
- Định nghĩa: Sự phóng điện phụ thuộc là sự phóng điện mà tính dẫn điện của chất khí được duy trì nhờ yếu tố ion hóa bên ngoài (buồn ion hóa). Các ion và electron tự do được tạo ra, dưới tác dụng của điện trường, sẽ chuyển động có hướng và sinh ra dòng điện.
- Có hai phương pháp để ion hóa chất khí bằng phương tiện bên ngoài với sự phóng điện phụ thuộc sự ion hóa do ảnh hưởng của nhiệt độ và do tác dụng của bức xạ.
1.2.8.1. Nhiệt ion hóa
- Theo quan điểm nhiệt động, có thể phân biệt được Palsma cân bằng và Plasma không cân bằng. Trong hệ cô lặp, khí Plasma ở trạng thái cân bằng với môi trường bao quanh (như trên các vì sao) thì động năng trung bình của tất cả các hạt là bằng nhau. Vì vậy Plasma cân bằng là Plasma đẳng nhiệt có thể tồn tại mà không cần lấy thêm năng lượng từ bên ngoài. Tuy nhiên, trong điều kiện phòng thí nghiệm, kích thước Plasma rất bị giới hạn. Một cách chính xác, không bao giờ nhận được Plasma cân bằng nhiệt.
- Trong thực tế, luôn luôn có một số hạt đi đến tường và cực phóng điện. Những hạt này mang năng lượng ra khỏi thể tích Plasma.
- Với quan điểm nhiệt động thì điều đó có nghĩa là hệ không bị cô lập mà đã tương tác với môi trường bao quanh. Trong trường hợp này đưa đến sự bất đẳng nhiệt.
- Như vậy, Plasma phóng điện khí luôn luôn là Plasma bất đẳng nhiệt. Vì rằng các hạt đi ra khỏi thể tích đều mang năng lượng, nên cần bù vào số năng lượng đó, hay nói khác đi Plasma tự nó sẽ biến mất. Có thể duy trì Plasma bất đẳng nhiệt bằng cách cung cấp năng lượng cho nó.
- Sự phóng điện khí
- Thật vậy phóng điện khí chỉ tồn tại khi có trường ngoài – trường dừng xung hay cao tầng những điện tử và ion được gia tốc trong những trường đó và nhờ vậy, chúng có khả năng ion hóa nguyên từ và phân tử trung hòa.
- Plasma bất đẳng nhiệt không thể có trung hòa điện hoàn toàn. Nhưng thường sự phá vỡ trung hòa đó không lớn. Vì vậy, ta gọi Plasma bất đẳng nhiệt là Plasma gần trung hòa và xem điều kiện gần đúng:
- Điều kiện gần đúng trung hòa là một trong những điền kiện cơ bản của Plasma. Tính gần trung hòa được hiểu là gần trung hòa về điện trung bình trong một thể tích đủ lớn và sau một khoảng thời gian đủ lớn.
- Nếu đốt nóng chất khí thì các phân tử của nó thu được một năng lượng đủ lớn. Năng lượng này có thể gây ion hóa chất khí.
- Nhiệt độ là đại lượng tỷ lệ với động năng trung bình hạt. Nếu tăng nhiệt độ sẽ tăng xác suất kích thước và ion hóa do va chạm giữa các hạt mang năng lượng với nhau.
- Quá trình này dễ dàng xảy ra trong khí có thế kích thích và có thế ion hóa thấp.
- Với nhiệt ion hóa luôn có quá trình nghịch xảy ra. Đó là quá trình tái hợp.
- Vận tốc ion hóa:
(3.6)
- Vận tốc tái hợp:
(3.7)
1.2.8.2. Nhiệt ion hóa
- Sự tách nguyên tử và phân tử khí thành các electron và ion dưới tác dụng của bức xạ gọi là quang ion hóa.
- Không phải bức xạ nào cũng có thể gây ion hóa chất khí. Quang ion hóa chất khí có thể xảy ra nếu lượng tử ánh sáng được hạt hấp thụ có năng lượng thỏa mản biểu thức
( : thế ion hóa ) (3.8)
- Điện tử giải phóng có năng lượng:
(3.9)
- Quang ion hóa không phải xảy ra một cách trực tiếp vì năng lượng bức xạ tương ứng quá nhỏ.
- Khi chiếu bức xạ sóng ngắn (Rơnghen hay Gama) lên khí, do bức xạ có năng lượng lớn nên quang ion hóa xảy ra với cường độ lớn.
1.2.9. Sự tự phóng điện :
- Định nghĩa: Sự tự phóng điện là sự phóng điện trong chất khí mà tính dẫn điện được duy trì bằng chính sự phóng điện của bản thân chất khí, không cần tham gia với nguồn bức xạ bên ngoài.
- Cơ chế phóng điện
Không khí luôn có một lượng electron nào đó dưới tác dụng của điện trường mạnh hai điện cực kim loại sẽ xảy ra sự tăng tốc electron đạt đến mức năng lượng khá lớn. Các electron bay nhanh va chạm phải các phân tử khí trung hòa, các phân tử này phân chia thành các electron lần hai và các ion dương. Quá trình ion hóa chất tăng lên cấp số nhân và theo đặt tính giống như hiện tượng “ tuyết lở” .
Hình 3.5. Cơ chế phóng điện
- Nhiệt độ tại buồng Plasma
Bộ nguồn phát Plasma dùng thực nghiệm là loại nguồn phát Plasma nguội (Non-thermal Plasma) nên nhiệt lượng tỏa ra chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của electron. Dưới đây là bảng nhiệt độ của một số loại Plasma:
................................
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ VẢI
BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA
5.1. Nhận xét
Đây là hệ thống xử lý bề mặt, đòi hỏi các chi tiết trục lăn phải lăn tốt tạo lực căng trên bề mặt vải, các bề mặt ngoài trục lăn đạt độ bóng cao tránh hiện tượng trầy xước lên màng nhựa. Buồng plasma hoạt động ở mức điện áp rất cao, trong quá trình hoạt động sẽ sinh nhiệt nên vấn đề thông thoáng, cách ẩm, cách điện phải hết sức chú trọng.
Yêu cầu kỹ thuật đối với buồng plasma:
- Độ đồng tâm giữa điện cực trong và ống thạch anh;
- Độ song song giữa 2 điện cực.
5.2. Chọn vật liệu cho hệ thống
- Điện cực bên trong Ø = 8mm: Yêu cầu tính dẫn điện tốt, nhưng đòi hỏi phải đảm bảo độ thẳng cao, nên ta chọn vật liệu Inox (SUS 304).
- Ống thủy tinh lớn Ø = 25mm: Tia Plasma mang năng lượng lớn bắn xuyên qua đồng thời sinh ra nhiệt độ nên ta chọn vật liệu chịu nhiệt là thạch anh.
- Điện cực âm ở đây ta sử dụng trục lăn với vật liệu là Inox, vừa đáp ứng được sự liên kết giữa 2 điện cực, vừa đảm bảo bề mặt vải không bị trầy xước khi lăn trên trục cực âm.
- Các giá đỡ trục lăn ta sử dụng kim loại, với tải trọng của các trục chịu lực và tốc độ quay không quá lớn ta chọn vật liệu làm gối đỡ là thép CT3 nhưng bề dày mỏng hơn. Vừa đảm bảo kết cấu, vừa có tính thẩm mỹ về mô hình.
- Vật liệu dùng để làm tấm đế ta sử dụng thép CT3, gia công đơn giản.
- Các trục ở đầu truyền từ động cơ được sử dụng bằng vật liệu Inox.
- Hai cặp giá đỡ ở các đầu điện cực của bộ xử lý Plasma được sử dụng vật liệu là nhựa (có khả năng chịu nhiệt tốt), điện cực khi phóng Plasma sẽ mang các điện tích, sẽ phóng lên các bề mặt kim loại dẫn điện, nên ta sử dụng vật liệu cách điện để lắp trực tiếp các cực Plasma.
.............................
- Nhận xét kết quả thí nghiệm:
- Qua thí nghiệm, ta thấy được khả năng diệt khuẩn của dung dịch nano bạc nhờ vào khoảng không gian xung quanh mẫu vải đã được xử lý.
- Khả năng liên kết chắc chắn của nano bạc và vải đã được xử lý plasma.
- Bạc nano diệt khuẩn tốt nhất ở nồng độ 7%.
vKết lậu & Kiến nghị:
- Từ các kết quả nghiên cứu và chế tạo, ta có thể đưa ra những kết luận sau:
- Mô hình thiết bị trên đã đáp ứng được yêu cầu xử lý các bề mặt vải, khổ vải phù hợp ở Việt Nam.
- Mô hình trên có thể dễ dàng thay đổi cơ cấu, dễ dàng tháo lắp sữa chữa;
- Mô hình thiết bị sử dụng nguồn năng lượng điện áp 110V và dòng điện 1A.
- Với những kết quả trên tác giả xin được đề nghị:
- Phát triển và hoàn thiện đề tài để ứng dụng, phục vụ cho các cơ sở xử lý ngoài thực tế;
- Nghiên cứu và kết hợp với công nghệ phủ nano để ứng dụng sản xuất các loại vải khác, các loại nhựa, bề mặt kim loại, bề mặt gạch men, gỗ, các loại kính, phủ nano bạc ứng dụng trong các bệnh viện...
- Mở rộng mô hình đưa vào tiệt trùng bề mặt trong thực phẩm, xử lý dụng cụ y tế….
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] NguyễnThanh Nam - Giáo trình Phương pháp thiết kế kỹ thuật - NXB Đại học Quốc gia Tp. HCM.
[2] Nguyễn Đắc Lộc - Sổ tay công nghệ Chế tạo máy tập 1, 2 - NXB KHKT Hà Nội 2007.
[3] Trần Hữu Quế - Vẽ kỹ thuật cơ khí tập một - NXB Giáo dục 2006.
[4] Vũ Hoàng Nam. Mô phỏng Plasma phóng điện khí Argon trong hệ phóng xạ Magnetron
[5] Nghiêm Hùng - Kim loại học và nhiệt luyện - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Tp. HCM.
[6] PGS.TS Hoàng Trọng Bá - Vật liệu phi kimloại – NXB Khoa học Kỹ thuật 2007.
[7] Lê Ngọc Hồng. Sức bền vật liệu, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. 2006
[8] Nguyễn Trọng Hiệp. Thiết kế chi tiết máy. Nhà xuất bản giáo dục.
[9] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển - Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí Tập 1 – Nhà xuất bản giáo dục.
[10] http://nanobac.vn/?module=81
[11] http://luanvan.co/luan-van/thuyet-trinh-nano-va-cong-nghe-nano-527/
[12] http: //vi.wikipedia.org/wiki/Plasma
