Thời gian là yếu tố then chốt trong làm sạch công nghiệp – bề mặt cần được xử lý đúng mức để đạt được độ sạch bề mặt theo yêu cầu, tránh lãng phí thời gian và chi phí không cần thiết. Vấn đề đặt ra là: làm thế nào để đánh giá độ sạch bề mặt một cách đáng tin cậy và khách quan? Trong nghiên cứu này, các tấm thép có độ dài khác nhau được làm sạch trong bể siêu âm và năng lượng tự do bề mặt (Surface Free Energy – SFE) tương ứng được xác định. Phương pháp này cho thấy những thay đổi rõ rệt: sau 120 giây xử lý, bề mặt đạt đến độ sạch tối ưu; kéo dài thời gian làm sạch không mang lại ảnh hưởng bổ sung nào đến giá trị SFE của các mẫu thép. Khi quy trình làm sạch đã được tối ưu hóa, hiệu quả của nó có thể được kiểm tra tức thì thông qua các phép đo chỉ với một cú nhấp chuột – cho kết quả “OK” hoặc “Not OK”.
Tổng quan
Định lượng mức độ nhiễm bẩn bề mặt
Làm sạch sơ bộ bề mặt là bước tiền xử lý bắt buộc trong nhiều quy trình công nghệ như phủ bề mặt, sơn và kết dính. Nếu bề mặt vẫn còn tồn dư tạp chất hoặc chất nhiễm bẩn, điều này có thể gây ra hiện tượng lớp phủ bị lỗi, khuyết tật lớp sơn về mặt thị giác, hoặc giảm độ bám dính trong quá trình liên kết.
Hiện có nhiều kỹ thuật kiểm tra độ sạch bề mặt, bao gồm các phương pháp phát hiện dựa trên huỳnh quang hoặc tia X. Tuy nhiên, các phương pháp này tồn tại một số hạn chế như: chỉ phát hiện được một số loại chất nhiễm bẩn nhất định, độ chính xác phụ thuộc vào khoảng cách đo giữa đầu dò và bề mặt, hoặc chi phí đầu tư và vận hành thiết bị quá cao do yêu cầu thao tác đo phức tạp và tiêu tốn thời gian.
Một phương pháp đáng tin cậy với độ nhạy cao, có khả năng phát hiện cả mức nhiễm bẩn cực thấp là kỹ thuật đo góc tiếp xúc. Dựa theo phương trình Young, hình dạng giọt chất lỏng trên bề mặt phụ thuộc vào sức căng bề mặt của chất lỏng và năng lượng tự do bề mặt của vật liệu (Hình 1A). Khi bề mặt bị nhiễm các chất không phân cực hoặc không hòa tan như dầu hoặc mỡ, SFE của bề mặt giảm, làm tăng góc tiếp xúc (Hình 1B). Ngược lại, nếu bề mặt có nhiễm các chất hoạt động bề mặt (surfactants), chúng sẽ hòa tan vào giọt chất lỏng và làm giảm sức căng bề mặt theo thời gian, dẫn đến góc tiếp xúc giảm dần (Hình 1C).
Phương pháp này có ưu điểm vượt trội là cung cấp thông tin định vị tại chỗ về loại nhiễm bẩn (hòa tan/không hòa tan), đồng thời dễ triển khai và cho kết quả nhanh chóng. Đây là một phương pháp không phá hủy, có thể thực hiện ở bất kỳ đâu chỉ với một thiết bị đo di động.
Thử nghiệm đo độ sạch bề mặt
Các tấm thép (xem Hình 2) được làm sạch với các khoảng thời gian xử lý khác nhau trong bể siêu âm (hãng Elma, model Elmasonic S10H, tần số 50/60 kHz) chứa dung dịch Mucasol® 3%. Sau khi làm sạch, năng lượng tự do bề mặt (SFE) của tấm thép được xác định theo phương pháp tính toán OWRK, sử dụng Thiết bị phân tích bề mặt di động – Mobile Surface Analyzer (MSA) [1], [2], [3].
Tùy theo thời gian xử lý, 4 tấm thép khác nhau đã được phân tích. Trên mỗi tấm thép, 5 giọt chất lỏng thử nghiệm (thể tích 2 µL/giọt) được nhỏ và tiến hành đo. Cả quá trình làm sạch và đo lường đều được thực hiện ở nhiệt độ 30 °C. Các thông số của chất lỏng thử nghiệm được liệt kê trong Bảng 1.
| Chất lỏng thử nghiệm | σd [mN/m] | σp [mN/m] |
|---|---|---|
| Nước | 21.8 | 51.0 |
| Diiodmetahne | 50.8 | 0.0 |
Bảng 1: Các chất lỏng thử nghiệm được sử dụng và sức căng bề mặt (σ), phân tách theo thành phần phân tán (d) và phân cực (p) theo mô hình OWRK
Kết quả
Hình 2 cho thấy ví dụ về mẫu tấm thép sau khi tăng thời gian làm sạch trong bể siêu âm. Hiệu ứng chỉ có thể quan sát được sau thời gian làm sạch rất dài.
Trong các mẫu được kiểm tra, góc tiếp xúc với nước giảm từ 90° ban đầu đối với các mẫu chưa được làm sạch xuống còn 13° đối với các mẫu đã được làm sạch. Điều này cho thấy chất bẩn không tan trong nước.
Hình 3 cho thấy kết quả SFE của các mẫu tấm thép được kiểm tra. Ở đây, ngay cả sau khi chỉ làm sạch 10 giây, người ta vẫn quan sát thấy SFE tăng đáng kể, đặc biệt là đối với thành phần phân cực . Sau thời gian làm sạch là 120 giây, SFE tối đa đạt được và việc tăng thêm thời gian làm sạch không có tác dụng bổ sung. Dựa trên điều này, thời gian 120 giây có thể được xác định là thời gian làm sạch tối ưu.
Dựa trên những kết quả này, sau đó có thể xác định một quy trình đơn giản để đo lường một cú nhấp chuột thường quy trong kiểm soát chất lượng có thể được sử dụng làm tiêu chí OK, ví dụ như phần phân cực của SFE >30 mN/m
Nếu giá trị này thấp hơn ngưỡng cho phép, người dùng sẽ nhận được kết quả “Not OK” và có thể thực hiện các biện pháp khắc phục phù hợp.
Tóm tắt
Trong ví dụ về các mẫu tấm thép, người ta đã chứng minh được cách các phép đo góc tiếp xúc nhanh, đơn giản và di động có thể tối ưu hóa thời gian xử lý trong bể rửa. Có thể quan sát được rõ sự nhiễm bẩn trên các mẫu dựa trên các thông số đo lường năng lượng tự do bề mặt và có thể được xác định là sự nhiễm bẩn không hòa tan trong nước (ví dụ, dầu). Sau khi thời gian làm sạch được tối ưu hóa, có thể dễ dàng kiểm tra sự thành công của quá trình làm sạch chỉ bằng một cú nhấp chuột đơn giản như một phần của quá trình kiểm soát quy trình.
Tài liệu tham khảo
- [1] D. H. Kaelble, Dispersion-Polar Surface Tension Properties of Organic Solids. In: J. Adhesion 2 (1970), P. 66-81.
- [2] D. Owens; R. Wendt, Estimation of the Surface Free Energy of Polymers. In: J. Appl. Polym. Sci. 13 (1969), P. 1741-1747.
- [3] W. Rabel, Einige Aspekte der Benetzungstheorie und ihre Anwendung auf die Untersuchung und Veränderung der Oberflächeneigenschaften von Polymeren. In: Farbe und Lack 77, 10 (1971), P. 997‑1005.
EN