Nghiên cứu ứng dụng môi trường plasma trong xử lý hạn chế cháy cho vải bông

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu ứng dụng môi trường plasma trong xử lý hạn chế cháy cho vải bông

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Hường NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔI TRƯỜNG PLASMA TRONG XỬ LÝ HẠN CHẾ CHÁY CHO VẢI BÔNG Ngành: Công nghệ dệt, may Mã số: 9540204 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ DỆT MAY Hà Nội – 2021 1
2. Công trình đư ợc hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Thị Hồng Khanh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi giờ, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam 2
3. A. THÔNG TIN CHUNG VỀ LUẬN ÁN I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN - Vải bông có nhiều tính chất quý và được dùng rất nhiều như: quần áo, chăn ga gối, sản phẩm dệt nội thất Xơ bông chiếm khoảng 24,4% về sản lượng xơ, sợi toàn cầu. Tuy nhiên bông lại là loại vật liệu dễ cháy, dễ bắt lửa. - Nhu cầu đối với vải chậm cháy trên thế giới là rất lớn: Sản phẩm nội thất (chăn, ga gối đệm, thảm, rèm, vải bọc đồ gỗ ); trong may mặc (quần áo ngủ trẻ em, quần áo bảo vệ, ); trong kỹ thuật (vải lều, trại, nhà bạt ) Vì lý do này nên trong một số ứng dụng vải bông cần phải xử lý hạn chế cháy (XLHCC) để đảm bảo chức năng cũng như tính an toàn của sản phẩm. II. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN - Ứng dụng plasma DBD áp suất khí quyển trong trong quá trình XLHCC bền cho vải bông. - Vải sau XLHCC đáp ứng các tiêu chí của vải chậm cháy bền giặt (chỉ số oxy tới hạn LOI > 25% hoặc thời gian cháy hoàn toàn ≤ 2s). - Tổn thất độ bền cơ học thấp nhất có thể (thấp hơn xử lý ở điều kiện thường) và dư lượng formalđehyt tự do < 300 ppm (chỉ tiêu dành cho nhóm III (quần áo không tiếp xúc trực tiếp với da) theo Oeko-Tex 100) III. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN - Vải bông sau tiền xử lý - Các chất chậm cháy chứa N – P (Pyrovatex CP New và Diamonium hydrogen photphate, chất liên kết ngang không formalđehyt (axit citric và DHEU biến tính) và các chất trợ khác - Thiết bị plasma DBD - Nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm. IV. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1. Nghiên cứu XLHCC cho vải bông bằng phương pháp truyền thống ngấm ép – sấy- gia nhiệt (NE-S-GN): - Nghiên cứu lựa chọn hóa chất chậm cháy và chất liên kết ngang trong XLHCC - Nghiên cứu công nghệ hoàn tất hạn chế cháy cho vải bông sử dụng tổ hợp hóa chất chậm cháy đã lựa chọn 2. Nghiên cứu ứng dụng plasma trong quy trình XLHCC cho vải bông: - Xác định các thông số của thiết bị plasma - Nghiên cứu ứng dụng plasma hoạt hóa (plasma 1) trong XLHCC cho vải bông 3
4. - Nghiên cứu ứng dụng plasma polyme hóa và ghép chất chậm cháy (plasma 2) trong XLHCC cho vải bông - Nghiên cứu áp dụng kết hợp plasma 1 và plasma 2 trong XLHCC cho vải bông V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN - Nghiên cứu tổng quan các tài liệu. - Nghiên cứu thực nghiệm tạo mẫu theo quy mô phòng thí nghiệm. - Sử dụng các phương pháp phân tích cơ lý, hoá để kiểm tra các tính chất của mẫu vải bông trước và sau xử lý, - Sử dụng các phương pháp phân tích thống kê để phân tích xử lý số liệu thu được. - Sử dụng các phương pháp so sánh để đánh giá kết quả nhận được. VI. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN - Đã đưa ra được quy trình công nghệ XLHCC tối ưu cho vải bông sử dụng phối hợp chất chậm cháy Pyrovatex CP New (PR) và chất liên kết ngang DHEU biến tính (K) bằng phương pháp ngấm ép - sấy - gia nhiệt. Quy trình với bốn thông số công nghệ tối ưu (hàm lượng chất chậm cháy và chất liên kết ngang (LKN), nhiệt độ và thời gian gia nhiệt) đảm bảo vải bông sau xử lý có LOI > 25, độ bền giặt của tính hạn chế cháy tới 20 lần, tổn thất độ bền kéo đứt của vải nhỏ hơn 30%, dư lượng formalđehyt của vải 25, khả năng chậm cháy đảm bảo sau 20 lần giặt, hàm lượng formalđehyt < 300 ppm, trong khi giảm được tổn thất độ bền kéo chỉ 21% và độ bền xé chỉ 24%. - Các kết luận trong luận án đều đảm bảo tính khoa học và độ tin cậy do: + Đã sử dụng phương pháp toán học đáp ứng bề mặt để xác định được ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các tính chất của vải cho thấy kết quả nhận được không mang tính ngẫu nhiên. + Khả năng chậm cháy của vải đều được kiểm định bằng các phương pháp trực quan (đốt mẫu theo hướng 45° hoặc theo phương thẳng đứng) và 4
5. định lượng (chỉ số LOI). Hơn nữa, các kết quả này đều phù hợp với hàm lượng Phosphor (P) của vải phân tích bằng phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) cho thấy độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu. + Ảnh SEM của các mẫu đã chứng minh được rằng trên bề mặt xơ bông của mẫu sau XLHCC đều có một lớp phủ, đồng thời phân tích EDS đã chứng minh được rằng các lớp phủ này có chứa P và Nitơ (N) được phân bố khá đồng đều trên vải. Bằng phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) đã chứng minh rằng xenlulo bông đã tạo liên kết hóa học được với PR và quá trình plasma đã tạo ra được sự polyme hóa và ghép đồng thời PR lên vải bông ngay cả khi không cần gia nhiệt. + Thông qua hàm lượng P, N có trên vải đã chứng minh rằng mẫu sau xử lý có khả năng chậm cháy vì có chứa P. + Các kết quả phân tích đã chứng minh rằng nghiên cứu này đã đưa được PR và K lên vải bông bền vững sau 20 lần giặt. VII. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN - Vải sau xử lý theo quy trình có áp dụng plasma của luận án có tính cháy và độ bền cơ học phù hợp với yêu cầu của vải chậm cháy dùng làm quần áo bảo vệ chuyên dụng theo tiêu chuẩn TCVN 6875: 2010. Hơn nữa, giảm được mức tổn thất độ bền kéo đứt của vải trong quá trình xử lý, tăng tính thân thiện với môi trường của sản phẩm nhờ giảm được hàm lượng hóa chất sử dụng. - Quy trình công nghệ xử lý hạn chế cháy cho vải bông có áp dụng plasma DBD của luận án có tính thực tiễn cao nhờ các đặc điểm sau: plasma áp suất thường đảm bảo tính liên tục của sản phẩm trong sản xuất lớn, không yêu cầu bổ sung các loại khí. Nguyên liệu đầu vào là vải bông sau tiền xử lý ở quy mô công nghiệp không đòi hỏi bổ sung các công đoạn xử lý đặc biệt. Vải sử dụng trong nghiên cứu có khối lượng từ 190 đến 250 g/m 2 là loại vải thông dụng trong sản xuất và tiêu dùng. VIII. NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN 1. Sử dụng chất LKN không formalđehyt (Knittex FFRC (DHEU biến tính)) phối hợp với chất chậm cháy Pyrovatex CP New (MDPA) như tổ hợp hóa chất mới để xử lý chậm cháy bền cho vải bông. 2. Xác định được thông số công nghệ tối ưu (hàm lượng PR và K, thời gian và nhiệt độ gia nhiệt) cho quy trình XLHCC cho vải bông sử dụng tổ hợp hóa chất này bằng phương pháp NE-S-GN truyền thống. Kết quả cho thấy, vải sau xử lý có khả năng chậm cháy bền, hơn nữa, tổn thất độ bền cơ học thấp hơn sử dụng chất LKN là axit citric. Dư lượng 5
6. formalđehyt trên vải sau xử lý phù hợp với nhóm III tiêu chuẩn Oeko- Tex 100 3. Xác định được quy trình công nghệ XLHCC có áp dụng plasma tối ưu cho vải bông bao gồm cả 3 công đoạn plasma hoạt hóa, plasma polyme hóa và gia nhiệt. Quy trình được xác định với 6 thông số công nghệ tối ưu: Hàm lượng chất chậm cháy và chất liên kết ngang; thời gian plasma hoạt hóa và thời gian plasma polyme hóa; nhiệt độ và thời gian gia nhiệt. Kết quả là, so với quy trình tối ưu bằng phương pháp NE-S-GN, vải sau xử lý vẫn đảm bảo tính chậm cháy bền, dư lượng formalđehyt trên vải sau xử lý phù hợp với nhóm III tiêu chuẩn Oeko-Tex 100 trong khi mức tổn thất độ bền kéo thấp hơn ~ 7%, giảm được lượng hóa chất sử dụng (11,8% PR và 7,5% K). IX. KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN Gồm 03 chương (147 trang), 144 tài liệu tham khảo, 69 bảng số liệu, 83 hình vẽ và đồ thị, 12 trang phụ lục. B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Chương 1: Tổng quan về các vấn đề: Vải bông và nhu cầu của vải bông xử lý chậm cháy; Cơ chế cháy và cơ chế hạn chế cháy cho xenlulo; Các chất XLHCC cho xenlulo; Các kỹ thuật XLHCC cho vải bông; Các phương pháp đánh giá tính cháy của vải; Khái quát về plasma và khả năng ứng dụng của plasma trong xử lý vật liệu dệt; Khả năng ứng dụng của plasma trong xử lý hoàn tất chậm cháy cho vải bông; Kết luận tổng quan, định hướng nghiên cứu và cơ sở lý luận của luận án. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu - Vải dệt thoi 100% bông, đã qua các công đoạn tiền xử lý (giũ hồ, nấu, tẩy trắng và kiềm bóng); Tác nhân chậm cháy: Pyrovatex CP New (N- hydroxymethyl-3-dimethylphosphonopropionamide), Diamonium hydrogen photphate (DAHP); Tác nhân liên kết ngang (LKN): Knittex FFRC (K) và axit Citric (CA), Khi dùng chất liên kết ngang CA sẽ sử dụng thêm Sodium hypophosphite (SHP) với vai trò chất xúc tác; Các chất trợ: Chitosan khối lượng phân tử 2,6 kDa, 50 kDa và 187 kDa, và chất ngấm Invadine PBN; Thiết bị plasma DBD. 2.2 Nội dung nghiên cứu 2.2.1 Nghiên cứu XLHCC cho vải bông bằng phương pháp truyền thống ngấm ép – sấy - gia nhiệt 6
7. 2.2.1.1 Nghiên cứu lựa chọn hóa chất chậm cháy và chất liên kết ngang trong xử lý chậm cháy cho vải bông a) Nghiên cứu khảo sát quy trình xử lý hạn chế cháy (XLHCC) với chất chậm cháy DAHP Có 4 phương án thí nghiệm (PATN): Đều sử dụng 10% DAHP, 8% CA và 6% SHP, 01 phương án không dùng chitosan, có 03 phương án bổ sung 1% một trong các chitosan: 2,6 kDa, 50 kDa và 187 kDa. b) Nghiên cứu khảo sát quy trình XLHCC với chất chậm cháy Pyrovatex CP New và lựa chọn chất LKN. Có 3 PATN với chất chậm cháy Pyrovatex CP New: - FS1: PR 40%, CA 7%, SHP 6,5%, chất ngấm 0,5% - FS2: PR 40%, CA 7%, SHP 6,5%, chất ngấm 0,5%, 1% CTS 2,6 kDa. - FS3: PR 40%, K 7%, chất ngấm 0,5% * % khối lượng so với vải. Mẫu sau xử lý được xác định mức hấp thu hóa chất chậm cháy lên vải, thử tính cháy theo hướng 45°, đo giá trị LOI, và xác định dư lượng formalđehyt (2.2.1.1-b). Từ các kết quả phần 2.2.1.1 a, b biện luận kết quả và lựa chọn được tổ hợp hóa chất tối ưu cho nghiên cứu gồm PR, K và chất ngấm 2.2.1.2 Nghiên cứu công nghệ xử lý hạn chế cháy cho vải bông sử dụng tổ hợp hóa chất Pyrovatex CP New, Knittex FFRC và chất ngấm Bốn thông số công nghệ được lựa chọn để nghiên cứu tối ưu gồm: Hàm lượng PR và hàm lượng K; Nhiệt độ và thời gian gia nhiệt. Luận án sử dụng phương pháp tối ưu hóa từng phần. a) Tối ưu hóa hàm lượng hóa chất sử dụng trong XLHCC cho vải bông bằng phương pháp ngấm ép-sấy-gia nhiệt Hàm lượng hóa chất: Invadine PBN 5 g/L, PR 350 ÷ 450 g/L, K 80 ÷ 120 g/L. Sử dụng “Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM)" để xác định mối tương quan giữa hàm mục tiêu Y và các biến Xi. Bố trí thí nghiệm theo phương pháp thiết kế phối hợp có tâm (central composite design - CCD) dạng tâm mặt α = 1 [Type face centered (CCF)]. Theo CCF, các yếu tố được kiểm tra ở 3 mức tối thiểu, trung bình và tối đa của biến thực (X1, X2) tương đương với các mức -1, 0, +1 của các biến mã hóa (A, B) và tổng số thí k nghiệm với 2 yếu tố (k =2) là: N = 2 + 2k + no = 10. Trong đó số thí nghiệm tại tâm no = k = 2. Các thuộc tính của vải trước và sau xử lý đã được đánh giá gồm: Mức hấp thu hóa chất; Tính cháy của vải; Chỉ số tới hạn oxy LOI; Độ bền kéo đứt; Hàm lượng formalđehyt. -> Từ đó lựa chọn được hàm lượng PR và K tối ưu cho quá trình XLHCC cho vải bông bằng phương pháp NE-S-GN truyền thống. 7
8. a) Tối ưu hóa điều kiện gia nhiệt trong XLHCC cho vải bông bằng phương pháp ngấm ép-sấy-gia nhiệt Hàm lượng PR và K tối ưu đã lựa chọn trong phần 2.2.1.2 - a sẽ được sử dụng trong nghiên cứu này. Bố trí thí nghiệm theo phương pháp CCF (như mô tả ở 2.2.1.2-a). Nhiệt độ 3 mức 160 - 170 - 180 °C, thời gian gia nhiệt 60 – 90 – 120 giây. Các thuộc tính của vải trước và sau xử lý đã được đánh giá gồm: Mức hấp thu hóa chất; Tính cháy của vải; Chỉ số tới hạn oxy LOI; Độ bền kéo đứt; Ba mẫu có tính HCC tốt nhất đã được phân tích thêm: dư lượng formalđehyt, thành phần các nguyên tử (SEM - EDS), và phân tích nhiệt trọng (TGA). -> Từ các kết quả trên lựa chọn được nhiệt độ và thời gian gia nhiệt tối ưu cho quá trình XLHCC cho vải bông bằng phương pháp NE-S-GN truyền thống. 2.2.2 Nghiên cứu ứng dụng plasma trong quy trình XLHCC cho vải bông 2.2.2.1 Xác định các thông số của thiết bị plasma Khảo sát các thông số của thiết bị plasma gồm: Khoảng cách giữa hai điện cực 1 ÷ 3,5 mm; Cường độ dòng điện 0 < I ≤ 3A; Tốc độ di chuyển vải từ 0 đến 11 m/phút. 2.2.2.2 Nghiên cứu ứng dụng plasma hoạt hóa (plasma 1) trong XLHCC cho vải bông *Plasma hoạt hóa (plasma 1) là xử lý plasma cho vải trước công đoạn ngấm ép hóa chất Có 2 nội dung được thực hiện: a) Nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện plasma 1 đến một số tính chất của vải bông - Nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của tốc độ di chuyển của vải và công suất plasma đến tính chất của vải bông sau xử lý plasma 1 Tốc độ di chuyển của vải từ 0,4 – 2 m/phút. Công suất plasma từ 200 ÷ 600W. Có 10 PATN được bố trí dựa trên phương pháp thiết kế CCF. Từ đó, lựa chọn được công suất mà thiết bị chạy ổn định và đánh giá được ảnh hưởng của tốc độ xử lý đến một số thuộc tính của vải bông. - Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian xử lý plasma 1 đến các tính chất của vải bông Thời gian plasma 1 sẽ được nghiên cứu trong khoảng từ 2 đến 90 giây. Có 9 PATN gồm: 2 s, 5 s, 10 s, 15 s, 30 s, 45 s, 60 s, 75 s, 90 s. Vải sau xử lý được kiểm tra: Tính mao dẫn, độ bền kéo đứt, phân tích bề mặt SEM. b) Nghiên cứu áp dụng Plasma 1 trong XLHCC cho vải bông 8
9. - Nội dung 1: So sánh hiệu quả hạn chế cháy của vải sau XLHCC có và không có plasma hoạt hóa (90 s) ở cùng điều kiện gia nhiệt tối ưu ở nội dung 2.2.1.2 –b (180 °C, 114 s) - Nội dung 2: Nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và thời gian gia nhiệt trong quá trình XLHCC khi quy trình được bổ sung plasma 1 90 s nhằm lựa chọn được điều kiện gia nhiệt thấp nhất cho quá trình xử lý hoàn tất nhưng vẫn đem lại hiệu quả HCC cho vải (LOI ≥ 25, AF < 2 s, và tổn thất cơ học là thấp nhất có thể). Thiết kế và bố trí thí nghiệm tương tự như trong phần 2.2.1.2 –a với 2 yếu ảnh hưởng là: nhiệt độ (160 – 180 °C), và thời gian gia nhiệt (60 -120 s). 2.2.2.3 Nghiên cứu ứng dụng plasma polyme hóa và ghép (plasma 2) trong xử lý hạn chế cháy cho vải bông *Plasma polyme hóa và ghép (plasma 2) là quá trình xử lý plasma cho vải sau công đoạn ngấm ép hóa chất và sấy khô. Trong nội dung nghiên cứu này có 5 PATN được thực hiện: 1) 0-60-450-107-0-0  Ký hiệu mẫu: 2) 0-120-450-107-0-0 Thời gian plasma 1 (s)-Thời gian plasma 2 3) 0-180-450-107-0-0 (s)-Hàm lượng PR (g/L)-Hàm lượng K 4) 0-90-450-107-180-114 (g/L)-Nhiệt độ gia nhiệt (°C)-Thời gian gia 5) 0-180-450-107-180-114 nhiệt (s). Đánh giá tính chất của vải sau xử lý: Thử nghiệm tính cháy theo hướng thẳng đứng, Độ bền kéo đứt (Mẫu 1,2,3), Thành phần các nguyên tố (C, O, N, P), Hình thái bề mặt – SEM, Phân tích phổ hồng ngoại - FTIR 2.2.2.4 Nghiên cứu áp dụng kết hợp plasma 1 và plasma 2 trong xử lý hạn chế cháy cho vải bông Có 2 nội dung chính được thực hiện: a) Nghiên cứu khả năng áp dụng plasma 1 và plasma 2 trong XLHCC cho vải bông Mục tiêu: Đánh giá được khả năng áp dụng đồng thời plasma 1 và plasma 2 trong quá trình XLHCC cho vải bông thông qua các tính chất như: Tính cháy theo hướng thẳng đứng, giá trị LOI, hàm lượng P trên vải sau XLHCC. Có 4 PATN đã được thực hiện: 1) 90-180-450-107-0-0 3) 90-180-450-107-170-60 2) 90-180-450-107-160-60 4) 90-180-450-107-180-60 b) Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ (thời gian xử lý plasma và hàm lượng hóa chất sử dụng) trong quá trình XLHCC cho vải bông. Từ kết quả nghiên cứu 2.2.2.4 – a cho thấy quy trình XLHCC hiệu quả cho bông là sử dụng plasma 1 và plasma 2 kết hợp với gia nhiệt. Trong phần này các thông số công nghệ sẽ được tối ưu hóa từng phần. 9
10. - Nội dung 1: Nghiên cứu lựa chọn thời gian plasma 1 và plasma 2 tối ưu trong quá trình XLHCC cho vải bông. Có 10 phương án bố trí thí nghiệm theo CCF. Trong đó: + Điều kiện gia nhiệt tối ưu ở nội dung 2.2.2.2 - b: 160 °C, 90 s; Công suất plasma 400 W, Hàm lượng hóa chất: 450 g/L PR, 107 g/L K (tối ưu trong phần 2.2.1.2 – a); Thời gian plasma 1 ở 3 mức (0, 45 và 90 s); Thời gian plasma 2 ở 3 mức (0, 90 và 180 s). Đánh giá tính chất của vải sau xử lý: Thử nghiệm tính cháy theo hướng thẳng đứng, Độ bền kéo đứt (Mẫu 1,2,3), Thành phần các nguyên tố (C, O, N, P), Hình thái bề mặt – SEM, Phân tích phổ hồng ngoại - FTIR - Nội dung 2: Nghiên cứu tối ưu hóa hàm lượng PR và K trong quá trình XLHCC cho vải bông với thời gian plasma đã lựa chọn. Có 10 phương án bố trí thí nghiệm theo CCF. Trong đó: Điều kiện gia nhiệt tối ưu ở nội dung 2.2.2.2 -b: 160 °C, 90 s; Công suất plasma 400 W; Thời gian xử lý plasma tối ưu ở nội dung 2.2.2.4 - b (Plasma 1 – 30 s, plasma 2 – 79); Hàm lượng PR ở 3 mức 350 ÷ 450 g/L; Hàm lượng K ở 3 mức 80 ÷ 120 g/L. Đánh giá tính chất của vải sau xử lý: Thử nghiệm tính cháy theo hướng thẳng đứng, Độ bền kéo đứt (Mẫu 1,2,3), Thành phần các nguyên tố (C, O, N, P), Hình thái bề mặt – SEM, Phân tích phổ hồng ngoại – FTIR, Hàm lượng formalđehyt, TGA, kiểm tra độ bền hạn chế cháy sau 5 và 20 lần giặt. 2.2.2.5 Kết luận đánh giá và lựa chọn quy trình ứng dụng plasma trong xử lý hoàn tất chậm cháy cho vải bông -> Từ các nội dung của phần 2.2.2.2, 2.2.2.3, và 2.2.2.4 đưa ra các đánh giá và quy trình công nghệ lựa chọn trong XLHCC cho vải bông có ứng dụng plasma DBD. 2.2.3 Luận giải về tác động của plasma trong xử lý hạn chế cháy cho vải bông Nội dung này sẽ thảo luận về tác động của plasma hoạt hóa và plasma polyme hóa trong quá trình XLHCC cho vải bông dựa trên các cơ chế tương tác và các kết quả phân tích. 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp tạo mẫu vải chậm cháy trong phòng thí nghiệm 2.3.1.1 Phương pháp tạo mẫu vải chậm cháy bằng phương pháp ngấm ép - sấy -gia nhiệt a) Tạo mẫu vải chậm cháy với chất chậm cháy DAHP: Vải 35 x 35 cm ngấm dung dịch hoàn tất, ép đạt mức ép xấp xỉ 90% → sấy ở 85 °C, 5 phút và gia nhiệt ở 170 °C, 2 phút → giặt sạch với nước mềm, để khô tự nhiên → điều 10
11. mẫu 24 h ở điều kiện tiêu chuẩn và cân mẫu sau đó để xác định mức hấp thu hóa chất chậm cháy lên vải. b) Tạo mẫu vải chậm cháy với chất chậm cháy Pyrovatex CP New Vải 35 x 35 cm được ngấm dung dịch hoàn tất, ép đạt mức ép xấp xỉ 80% → sấy 110 °C, 5 phút và gia nhiệt 180 °C, 2 phút → giặt sạch liên tục dưới vòi nước 5 phút→sấy ở 110 °C, 3 phút → điều mẫu 24 h ở điều kiện tiêu chuẩn và cân mẫu sau đó để xác định mức hấp thu hóa chất chậm cháy lên vải. c) Quá trình giặt mẫu sau xử lý: Mẫu được giặt trong máy giặt của trước Elextrolux EW 1290W tại Phòng thí nghiệm Hóa dệt-ĐH Bách Khoa Hà Nội. Quá trình giặt được thực hiện theo tiêu chuẩn ISO-6330 mục 6A 2.3.2 Phương pháp xử lý plasma 2.3.2.1 Mô tả cấu tạo thiết bị plasma DBD 2.3.2.2 Phương pháp xử lý vải với Plasma 1 a) Chuẩn bị mẫu vải: Các mẫu vải dài liên tục có bề rộng 35 cm đã được chuẩn bị, làm sạch các xơ, sợi ở hai cạnh đã cắt. Đo và đánh dấu các đoạn có kích thước bằng 8 cm (bằng độ rộng của vùng phát plasma) b) Mắc vải vào thiết bị plasma: Vải sau chuẩn bị được mắc vào thiết bị plasma, tiến hành cài đặt các thông số trên thiết bị theo từng PATN. 2.3.2.3 Phương pháp xử lý vải với Plasma 2 Chuẩn bị dung dịch hóa chất và thực hiện ngấm ép – sấy khô thông thường -> Dùng chỉ may nối các phương án thí nghiệm sau sấy được may nối lại -> Quy trình thực hiện plasma lần 2 tương tự như lần 1. Thời gian plasma lần 2 thay đổi tùy vào từng phương án thí nghiệm từ 60 s, 90 s, 120 s hoặc 180 s. 2.3.3 Phương pháp đánh giá tính cháy của vải 2.3.3.1 Đánh giá tính cháy theo hướng 45° theo tiêu chuẩn ASTM D 1230 2.3.3.2 Đánh giá tính cháy theo hướng thẳng đứng theo tiêu chuẩn ASTM D 6413 -2015 2.3.3.3 Phương pháp đo đặc tính lan truyền cháy có giới hạn của vải theo tiêu chuẩn TCVN 7205:2002 2.3.3.4 Đo giá trị LOI theo tiêu chuẩn ASTM D 2863 -97 2.3.4 Phương pháp đánh giá một số tính chất đặc trưng khác của vải trước và sau xử lý hạn chế cháy 2.3.4.1 Phương pháp kiểm tra độ bền kéo đứt theo tiêu chuẩn ISO 13934- 1:2013 tại Trung tâm thí nghiệm Vật liệu dệt may Da giày, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. 2.3.4.2 Phương pháp kiểm tra độ bền xé rách của vải theo tiêu chuẩn ISO 13937-2 tại Trung tâm thí nghiệm Vật liệu dệt may Da giày, Trường Đại học 11
12. Bách Khoa Hà Nội. 2.3.4.3 Phương pháp xác định tính mao dẫn của vải theo tiêu chuẩn TCVN 5073 – 90 thực hiện tại Trung tâm thí nghiệm Vật liệu dệt may Da giày, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. 2.3.4.4 Phương pháp kiểm tra hình thái bề mặt - SEM và phân tích thành phần các nguyên tử C, O, N, P – EDS thực hiện tại Viện vật lý kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. 2.3.4.5 Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Furier (FTIR) thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong Phát triển xanh –Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội. 2.3.4.6 Phương pháp phân tích phổ quang điện tử tia X / X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) thực hiện tại phòng thí nghiệm thuộc khoa Faculty of Textile Science and Technology, trường Shinshu Nhật Bản 2.3.4.7 Phương pháp phân tích nhiệt trọng – TGA thực hiện trên thiết bị NETZSCH STA 409 PC/PG tại Viện kỹ thuật hóa học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và thiết bị NETZSCH TG 209F1 Libra TGA209F1D- 0271-L tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới - Viện Hàn lâm KH&CN Việt nam 2.3.4.8 Phương pháp xác định hàm lượng formalđehyt tự do theo tiêu chuẩn TCVN 7421-1:2013 thực hiện tại Trung tâm thí nghiệm Vật liệu dệt may Da giày, Viện kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 2.3.5 Phương pháp xác định các thông số công nghệ tối ưu 1. Bố trí thí nghiệm theo CCF → 2. Dùng phương pháp đáp ứng bề mặt để xác định hàm hồi quy→ 3. Phân tích ANOVA đánh giá sự phù hợp của hàm hồi quy → 4. Hàm hồi quy có độ tin cậy→ 5. Phương án tối ưu (Từ bước 2-5 sử dụng Phần mềm Design Expert V 10.0.8). CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Nghiên cứu XLHCC cho vải bông bằng phương pháp truyền thống ngấm ép – sấy- gia nhiệt 3.1.1 Nghiên cứu lựa chọn hóa chất hạn chế cháy và chất liên kết ngang trong XLHCC cho vải bông 3.1.1.1 Kết quả nghiên cứu khảo sát quy trình xử lý hạn chế cháy với chất hạn chế cháy 1 (DAHP) Kết quả cho thấy mẫu có chitosan mức hấp thu hóa chất đều tăng nhẹ ≈ 1% so với mẫu không chitosan. Mẫu sau xử lý với hóa chất DAHP có tính chậm cháy tốt hơn nhiều so với các mẫu chưa được xử lý. Thời gian bắt cháy tăng từ 4 s (Mẫu 0) đến 6 đến 9 s (mẫu có chitosan 187 kDa thời gian bắt cháy cao nhất). Mẫu không xử lý cháy hết, tro vụn rời, có thời gian cháy hoàn toàn (AF) 36 s, thời gian tàn cháy (AG) 9 s trong khi mẫu sau xử lý 12
13. AG bằng 0 và AF từ 17 đến 26 s, than hóa (CL) dài từ 29 - 50 mm. Sau 5 lần giặt, độ bền hạn chế cháy giảm mạnh, cháy hết mẫu và để lại than hóa. 3.1.1.2 Kết quả nghiên cứu khảo sát quy trình XLHCC với chất chậm cháy 2 và lựa chọn chất LKN - Mức hấp thu hóa chất của mẫu được xử lý trong dung dịch hoàn tất với chất LKN K (FS3) là 10,67%, với chất LKN CA (FS1 và FS2) là 17,80 %và 17,28% tương ứng. - Mẫu sau xử lý đạt hiệu quả chậm cháy, bền đến 20, 30 chu kỳ giặt (Hình 3.7), LOI tăng 18,3; 21,35 và 11,4 đơn vị đối với FS1, FS2 và FS3 tương ứng. Sau 20 và 30 chu kỳ giặt, LOI của 02 mẫu (FS1, FS2) này đã giảm đáng kể (8-9%) trong khi LOI của mẫu FS3 chỉ giảm 0,9%. Kết quả cho thấy, khả năng chậm cháy của mẫu FS3 có độ bền giặt cao hơn nhiều hai mẫu FS1 và FS2 Bảng 3.4. Bảng 3.4. LOI của mẫu trước xử lý, sau xử lý với chất hạn chế cháy 2 và sau các lần giặt. (a) (b) (c) (d) Giá trị LOI (%) Số chu Mẫu kỳ giặt không FS1 FS2 FS3 xử lý 0 33,2 36,3 26,3 Hình 3.7 Mẫu kiểm tra tính cháy 20 14,9 25,0 27,2 28,5 theo hướng 45°- (a) Không xử lý; (b) FS2, (c) FS1, (d) FS3 sau 30 chu kỳ 30 25,4 19,3 25,4 giặt tương ứng - Độ bền kéo đứt của mẫu sau xử lý giảm khá nhiều so với mẫu không xử lý, giảm nhiều nhất với mẫu có CA và CTS (52,4 và 47,0%), kế tiếp là mẫu với CA (43,7 và 38,4%) và cuối cùng là mẫu sử dụng K (26,9 và 21,6%) tương ứng theo hướng dọc và ngang. Hàm lượng formaldehyde của tất cả các mẫu sau xử lý đều < 300 ppm và đáp ứng tiêu chuẩn OEKO-TEX® cho quần áo không tiếp xúc trực tiếp với da. - Kết quả cho thấy: Cả 4 PATN sử dụng DAHP cải thiện được tính cháy của vải bông, nhưng chưa đáp ứng tiêu chí về độ bền giặt của tính HCC cho vải. Phương án PR kết hợp với K sẽ được lựa chọn để tiếp tục sử dụng trong các nghiên cứu tiếp theo. 3.1.2 Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa hàm lượng hóa chất xử lý hạn chế cháy cho vải bông bằng phương pháp ngấm ép – sấy – gia nhiệt Kết quả cho thấy: - Mối quan hệ giữa hàm lượng PR, K với giá trị mức hấp thu hóa chất ((3.1) và (3.5)), LOI((3.2) và (3.6)) là mối quan hệ tuyến tính thuận: hàm lượng K và R càng cao thì mức hấp thu hóa chất và giá trị LOI của mẫu 13
14. càng cao; Với độ bền kéo đứt ngang ((3.4) và (3.8)) là mối quan hệ tuyến tính nghịch có nghĩa hàm lượng K và R càng cao, độ bền kéo đứt ngang càng giảm; với độ bền kéo đứt theo hướng dọc (3.3) và (3.7) có thể là có hai ảnh hưởng trái ngược nhau, mứ độ hấp thu tăng làm tăng độ bền kéo đứt của vải, nhưng tính axit của hóa chất sử dụng có thể làm giảm độ bền cơ học của vải, vì vậy Pd nhận giá trị cực đại tại hàm lượng 413,75 g/L PR và 112,5 g/L K. Y1 = 3,04733+0,017700X1+ 0,035667 X2 (3.1) Y2 = 13,08000 + 0,023667X1 + 0,018333X2 (3.2) 푌3 = −1655,30619 + 7,25710 1 + 13,60843 2 − 0,0057475 1 2 2 2 (3.3) − 0,00788114X1 -0,049220X2 푌4 = 364,55767 + 0,27317 1 − 0,51783 2 (3.4) Mức hấp thu hóa chất = 13,69 + 0,88A + 0,71B (3.5) LOI = 24,38 + 1,18A + 0,37B (3.6) 2 2 Lực kéo đứt dọc = 625,30 + 18,87A +29,31B - 5,75AB - 19,7A - 19,69B(3.7) Lực kéo đứt ngang = 422,04 + 13,66A - 10,36B (3.8) - Kết quả kiểm tra tính cháy cho thấy mẫu sau xử lý (a đến i) đều có khả năng tự dập tắt lửa sau khi hết thời gian đốt mẫu (12 s) (Hình 3.11). tuy nhiên chỉ khi hàm lượng PR ở mức cao nhất 450g/l ảnh hưởng của hàm lượng K mới rõ rệt (K càng lớn, tính hạn chế cháy của mẫu càng cao) - Tất cả các mẫu được xử lý có hàm lượng formalđehyt dưới 300 ppm đáp ứng tiêu chuẩn Oeko-Tex 100, nhóm III. Hình 3.11 Hình ảnh các mẫu sau kiểm tra tính cháy:(a) 0-0-350-80-180-120; (b) 0-0-350-100-180-120;(c) 0-0-350-120-180-120, (d) 0-0-400-80-180-120, (e) 0-0- 400-100-180-120; (f) 0-0-400-120-180-120;(g) 0-0-450-80-180-120;(h) 0-0-450- 100-180-120;(i) 0-0-450-120-180-120;(k)Không xử lý - Nồng độ PR và K tối ưu dựa trên các mục tiêu đặt ra là 450 g/L và 107 g/L (LOI là 25,7%, độ bền kéo đứt giảm 30 và 23% hướng dọc và ngang tương ứng so với vải chưa xử lý. 14
15. 3.1.3 Tối ưu hóa điều kiện gia nhiệt xử lý hạn chế cháy cho vải bông bằng phương pháp ngấm ép – sấy – gia nhiệt - Có ảnh hưởng tuyến tính đối với ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian gia nhiệt tới giá trị LOI (Y2, R2) và độ bền kéo đứt theo hướng ngang (Y5, R5). Ảnh hưởng đồng thời và có liên quan của hai yếu tố đến chiều dài than hóa của mẫu được xử lý (Y3, R3) và độ bền kéo đứt theo hướng dọc (Y4, R4). Đối với mức hấp thu hóa chất có ảnh hưởng tuyến tính, ảnh hưởng bậc hai, và ảnh hưởng tương tác giữa các yếu tố (Y1, R1) Y1 = −185,1508 + 2,114X1 − 0,085X2 + 0,0016X1X2 2 2 (3.9) − 0,0059X1 −0,0008X2 Y2 = -29,8433+0,2667X1+0,0644X2 (3.10) Y3 = -1357,1333+10,6666X1+32,9X2 -0,21X1X2 (3.11) Y4=160,789+3,5355X1+13,691X2-0,00844X1X2 (3.12) Y5 = 517,51333 − 0,30517X1 − 0,16783X2 (3.13) R1 = 12,28 + 2,37A + 1,31B + 0,48AB – 0,59A2 – 0,71B2 (3.14) R2 = 21,24 + 2,67A + 1,93B (3.15) R3 = 204,2 – 82,33A - 84B - 63AB (3.16) R4 = 700,58 - 39,97A - 16,29B - 25,31AB (3.17) R5 = 450,53 – 3,05A – 5,04B (3.18) - Kết quả kiểm tra tính cháy cho thấy chỉ có 3 mẫu gia nhiệt ở nhiệt độ cao (170 °C- 120 s; 180 °C- 90 s; 180°C- 120 s) vải mới có khả năng hạn chế cháy (Hình 3.14). - Phân tích TGA (Hình 3.19) cho thấy tốc độ phân hủy do nhiệt của hai mẫu sau XLHCC tương đối giống nhau và chậm hơn đối với mẫu không xử lý. Kết quả phân tích bề mặt (SEM Hình 3.18) của mẫu trước và sau xử lý đã chứng minh được có lớp phủ hóa chất trên bề mặt xơ. - Phân tích EDS cho thấy các mẫu sau XLHCC và sau 30 lần giặt với PR có tỉ lệ nguyên tử P chiếm 1,4 – 1,5%. Điều này cho thấy rằng mẫu sau xử lý với PR trong nghiên cứu này đáp ứng tiêu chuẩn dành cho vải chậm cháy bền. - Kết quả xác định hàm lượng formaldehyde của mẫu sau xử lý đều nhỏ hơn 300 ppm đáp ứng tiêu chí của tiêu chuẩn Oeko-Tex 100 cho vải may mặc không tiếp xúc trực tiếp với da. 15
16. (a) (b) (c) (d) Hình 3.14 Mẫu đốt theo hướng thẳng đứng, (a) Mẫu sau xử lý, (b) Mẫu sau 10 chu kỳ giặt, (c) Mẫu sau 30 chu kỳ giặt; (d) Mẫu không xử lý: T1 0-0-450-107-160-120; T2 0-0-450- 107-170-60; T3 0-0-450-107-170-120; T4 0-0-450-107-180-60; T5 0-0-450-107-170-90; T6 0-0-450-107-160-60; T7 0-0-450-107-180-120; T8 0-0-450-107-180-90; T9 0-0-450-107- 170-90 (a) (b) Hình 3.19 Đường cong TGA của Hình 3.18 Hình ảnh SEM độ phóng đại 4000 3 mẫu: [1] 0-0-450-107-180-90; lần của mẫu trước xử lý (a), sau xử lý b (0-0- [2] 0-0-450-107-170-120; [3]- 450-107-170-120-0) Không xử lý Điều kiện tối ưu trong quy trình XLHCC cho vải bông bằng phương pháp NE-S-GN truyền thống là gia nhiệt 180 °C -114 s. Vải sau xử lý có giá trị LOI là 25,9%, mức độ suy giảm độ bền kéo đứt là 28% và 12%, độ bền xé giảm 28% và 28% theo hướng dọc và ngang tương ứng. 3.2 Nghiên cứu ứng dụng plasma trong quy trình xử lý hạn chế cháy cho vải bông 3.2.1 Xác định các thông số của thiết bị plasma Từ kết quả khảo sát cho thấy rằng thiết bị có thể hoạt động với dải công suất có thể điều chỉnh được từ 200 W – 600 W, với khoảng cách giữa hai điện cực là từ 1- 3,5 mm. Tuy nhiên, ở điều kiện thiết bị có thể chạy ổn định, plasma phát đều và vải có thể di chuyển dễ dàng thì khoảng cách giữa hai điện cực sẽ là 2~ 3 mm. 3.2.2 Nghiên cứu ứng dụng plasma 1 trong xử lý hạn chế cháy cho vải bông 3.2.2.1 Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của tốc độ của vải và công suất plasma đến một số tính chất bề mặt của vải bông - Mô hình thể hiện ảnh hưởng của chiều cao cột nước theo hướng dọc (Y1, R1) và chiều cao cột nước theo hướng ngang (Y2, R2) đều có ý nghĩa thống kê. Kết quả cho thấy khi xử lý plasma cho vải bông ở nghiên cứu 16
17. này thì tốc độ của vải càng thấp, công suất plasma càng cao thì chiều cao cột nước càng cao, tính mao dẫn tăng. - Trong nghiên cứu này khi tốc độ di chuyển mẫu cao (thời gian xử lý plasma thấp), độ bền kéo đứt của hầu hết các mẫu được xử lý tăng nhẹ so với mẫu không được xử lý. Hiện tượng này cũng có thể được coi là hợp lý khi độ mao dẫn của vải được xử lý cũng cao hơn. - Kết quả phân tích SEM (Hình 3.24) cho thấy trên mẫu được xử lý đã có xuất hiện các rãnh trên thân xơ so với các mẫu chưa được xử lý plasma. Rãnh càng sâu và nhiều với mẫu xử lý với plasma công suất cao, tốc độ chậm. Co 200-2 600-0.4 Hình 3.24 Hình thái bề mặt của vải trước và sau xử lý với điều kiện khác nhau về công suất và tốc độ của vải trong xử lý plasma 3.2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian tiền xử lý plasma đến một số tính chất của vải bông - Đối với các mẫu vải sau hoạt hóa bằng plasma thể hiện khả năng mao dẫn nước tốt hơn hẳn và có xu hướng tăng khi tăng thời gian xử lý plasma từ 2 s đến 90 s. Sau thời gian thử nghiệm khả năng mao dẫn của các mẫu sau xử lý plasma tăng từ 1,3 lần đến 1,6 lần so với mẫu không xử lý. - Độ bền kéo đứt ban đầu tăng nhẹ, tuy nhiên khi thời gian quá 32 s độ bền bắt đầu giảm so với mẫu không xử lý ở điểm có tọa độ (x, y tương ứng là 32 s và 1504 N). - Phân tích SEM (Hình 3.27) cho thấy bề mặt xơ của mẫu sau xử lý có sự xuất hiện tăng dần theo thời gian xử lý plasma của các đường nứt, rãnh trên bề mặt xơ. Đồng thời xuất hiện rộp bề mặt của mẫu sau xử lý với thời gian plasma từ 60 s đến 90 s 17
18. Co 30 s 60 s 90 s Hình 3.27 Hình ảnh chụp bề mặt với độ phóng đại 4000 lần của mẫu vải bông trước xử lý (Co) và sau hoạt hóa bề mặt với thời gian plasma khác nhau (30 s, 60 s, 90 s) 3.2.2.3 Kết quả nghiên cứu áp dụng Plasma 1 trong XLHCC cho vải bông - Kết quả kiểm tra tính cháy cho thấy: Chiều dài than hóa của mẫu gia nhiệt ở cùng điều kiện nhưng có thêm plasma 1 ngắn hơn 2,3 cm (Hình 3.28) - Chỉ số LOI của mẫu có plasma 1 hỗ trợ (27,2) cũng tăng thêm 1,3 đơn vị so với mẫu gia nhiệt ở điều kiện tối ưu nhưng không có plasma (25,9). - Plasma 1 có vai trò hỗ trợ làm tăng hiệu quả của quá trình xử lý chậm cháy. - Kết quả phân tích bề mặt thông qua hình ảnh SEM ở Hình 3.29 cho thấy rằng mẫu bông sau xử lý hạn chế cháy có một lớp phủ trên bề mặt xơ. Hình 3.28 Hình ảnh mẫu trước xử lý (Co), sau xử lý ở Hình 3.31 Phổ FTIR của các mẫu từ dưới điều kiện gia nhiệt 180 °C, lên trên: Không xử lý (Co), 0-0-450-107- 114 s có và không có plasma hoạt hóa 180-114, 90-0-450-107-180-114, và PR. 18
19. Co 0-0-450-107-180-114 90-0-450-107-180-114 Hình 3.29 Hình ảnh SEM độ phóng đại 4000 lần của mẫu trước xử lý, sau xử lý không có và có plasma 1 - Phân tích EDS cho thấy vải không xử lý không có P, trên vải sau xử lý không có plasma có 1,44% P. Hàm lượng P hầu như không đổi sau 5 và 20 lần giặt. Mẫu với plasma 1 90 s có hàm lượng P lên đến 2,08%, phù hợp với LOI (27,2%), cho thấy vai trò plasma 1 là tăng cường liên kết giữa chất chậm cháy và xenlulo. - Phân tích FTIR (Hình 3.31) đã chứng minh được quá trình XLHCC đã phủ thành công PR lên trên bông, lớp phủ trên mẫu ảnh SEM chính là PR 3.2.2.4 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và thời gian gia nhiệt trong quy trình XLHCC có sử dụng plasma 1 - Mô hình đáp ứng giữa giá trị LOI ((3.23), (3.24)) với hai biến nhiệt độ và thời gian gia nhiệt có ý nghĩa thống kê. LOI có mối liên hệ tuyến tính và tỉ lệ thuận với nhiệt độ cùng thời gian gia nhiệt. Y1 = −1,98667 + 0,14833X1 + 0,035556X2 (3.23) Z1= 26,43 + 1,48A + 1,07B (3.24) - Ngoại trừ mẫu sau xử lý ở 160 °C, 60 s có thời gian cháy hoàn toàn 6,67 s thì tất cả các mẫu còn lại đều có thời gian cháy hoàn toàn < 2 s. (Hình 3.35) - Vải sau XLHCC đạt yêu cầu của vải chậm cháy (LOI ≥ 25), độ bền hạn chế cháy của các mẫu này với giặt khá tốt. - Độ bền kéo đứt giảm nhiều so với mẫu không xử lý plasma (giảm từ 32,44% đến 47,32%). Tuy nhiên, độ bền của mẫu sau xử lý plasma 1 (90 s) đã bị giảm 27,18%, vậy mức suy giảm độ bền lớn ở các mẫu trên là do ảnh hưởng của công đoạn plasma 1 (90 s). - Điều kiện tối ưu cho nhiệt độ, thời gian gia nhiệt là 160 °C và 90 s trong XLHCC với plasma 1, giá trị dự đoán ở điều kiện này LOI (25), độ bền kéo đứt giảm 35%; giá trị kiểm tra thực tế tương ứng LOI là 26,8 % và độ bền giảm 34,9% so sánh với mẫu không xử lý. 19
20. - Các phân tích bề mặt SEM đã cho thấy có một lớp hóa chất bao phủ trên bề mặt xơ khá đồng đều và phân tích FTIR đã chứng minh được lớp phủ hóa chất là PR. - Phân tích EDS cho thấy hàm lượng P thấp nhất là 1,29% (mẫu 160 oC, 60 s) các mẫu khác đều > 1,4%. - Phân tích bề mặt XPS (Hình 3.39) cho thấy vải sau khi hoạt hóa bằng plasma tăng số lượng các nhóm chức chứa oxy, có sự hình thành nhóm chức mới (O=C-O) sau thời gian 90 s plasma. Hình 3.35 Kết quả kiểm tra tính cháy theo hướng thẳng đứng mẫu sau 5 lần giặt: (a) 90-0-450-107-160-60; (b) 90-0-450-107-160-90; (c) 90-0- 450-107-160-120; (d) 90-0-450-107-170-60; (e) 90-0-450-107-170-90; (f) 90-0-450-107-170-120; (g) 90-0-450-107-180-60; (h) 90-0-450-107-180- 90; (i) 90-0-450-107-180-120. (a.u) (a.u) ộ ộ ng ng đ ờ ng đ ờ Cư Cư Năng lượng liên kết (eV) Năng lượng liên kết (eV) Hình 3.39 Phổ XPS của mẫu trước và sau plasma 1-(a) Mẫu không xử lý, (c) Plasma 90s Khi có plasma hoạt hóa trước, vải vẫn đạt được hiệu quả HCC (giá trị LOI ≥ 25) với nhiệt độ gia nhiệt chỉ 160 °C – 90 s (giảm từ 180 °C xuống 160 °C, thời gian gia nhiệt giảm từ 114 s còn 90 s). 3.2.3 Nghiên cứu ứng dụng plasma polyme hóa (plasma 2) trong xử lý hạn chế cháy cho vải bông - Plasma 2 đã giúp tạo ra được liên kết giữa PR và xenlulo và điều này đã được chứng minh thông qua phân tích FTIR và SEM. Hàm lượng P của các mẫu 1,2,3 (1, 2,3 phút plasma) tương ứng là 0,46; 0,63; 0,60%. 20
21. - Tuy nhiên mẫu sau xử lý plasma 2 không có gia nhiệt hỗ trợ chỉ có khả năng than hóa hết mẫu, chưa đủ để vải sau xử lý trở thành vải chậm cháy (Dù thời gian xử lý kéo dài tới 3 phút) (Hình 3.40) - Quá trình xử lý với plasma 2 tới 90 s chỉ làm giảm ~ 5% độ bền của vải. Nếu thời gian xử lý plasma 2 tăng lên đến 180 s thì độ bền giảm ~ 10%. Nếu so sánh với quá trình xử lý plasma 1 ở cùng thời gian xử lý tới 90 s và cùng công suất plasma (1 W/cm2), thì độ bền kéo đứt giảm tới 27%. Quy trình XLHCC với plasma được chọn: Plasma 1 -> Ngấm ép -> Sấy -> Plasma 2 -> gia nhiệt-> Giặt, sấy. Hình 3.40 Mẫu sau thử nghiệm tính cháy theo phương thẳng đứng với plasma 2: (a) Không xử lý; (b) 0-60-450-107-0-0; (c) 0-120-450-107-0-0; (d) 0-180-450-107-0-0; (e) 0- 90-450-107-180-114; (f)0 0-180-450-107-180-114;(g) 0-0-450-107-180-114 3.2.4 Nghiên cứu ứng dụng kết hợp plasma 1 và plasma 2 trong xử lý hạn chế cháy cho vải bông 3.2.4.1 Nghiên cứu ứng dụng plasma hoạt hóa và plasma polyme hóa trong XLHCC cho vải bông - Chỉ có Plasma 1 phối hợp với plasma 2 đã thành công trong việc tạo liên kết giữa PR và xenlulo (thể hiện thông qua phổ FTIR) và ảnh SEM. Tuy nhiên điều kiện xử lý này chưa thể giúp tạo ra vải có tính chậm cháy (thời gian cháy hoàn toàn < 2 s). Kết quả đốt mẫu (Hình 3.43) cũng phù hợp với hàm lượng P của mẫu chỉ đạt 0,88%, 03 mẫu kết hợp plasma 1 và plasma 2 kết hợp gia nhiệt lần lượt ở 160, 170, 180 °C trong 60 s cho thấy vải đã có tính chậm cháy với giá trị LOI ≥ 25% và thời gian cháy hoàn toàn luôn là 0. Hình 3.43 Mẫu sau XLHCC kết hợp plasma 1 với plasma 2 có gia nhiệt và không gia nhiệt - Plasma hoạt hóa 45 s chỉ làm giảm độ bền 3,7%, tuy nhiên tới 90 s thì độ bền giảm tới 27%. Plasma polyme hóa 90 s làm giảm 5,3%, nếu kéo dài thời gian tới 180 s độ bền giảm 8,4%. Quan sát 3 mẫu kết hợp plasma 1 và plasma 21
22. 2 cho thấy thời gian xử lý plasma 1 và plasma 2 tăng quá mức thì độ bền kéo đứt đều giảm. - Plasma đã cho phép giảm nhiệt độ và thời gian gia nhiệt thậm chí tới 20 °C và 60 s mà mẫu sau xử lý vẫn đạt được hiệu quả HCC. Kết quả này cũng phù hợp với ảnh SEM ở độ phóng đại 4000 lần, kết quả phân tích hàm lượng P và phổ FTIR của các mẫu. 3.2.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của thời gian plasma hoạt hóa và thời gian plasma polyme hóa đến hiệu quả HCC cho vải bông. - Phương trình (3.25), (3.26) cho thấy LOI tăng đồng biến với thời gian xử lý plasma. Khi thời gian xử lý plasma càng tăng thì mức độ tăng LOI giảm dần. - Giá trị LOI cao nhất liên quan đến thời gian xử lý plasma lâu nhất (ở 90 s và 180 s - Kiểm tra tính cháy (Hình 3.49) cho thấy chỉ có mẫu không có plasma 1 và plasma 2 (0-0-450-107-160-90) là có AF > 2 s, CL 18,6 cm, tương ứng với giá trị LOI thấp nhất là 23,7%, hàm lượng P thấp nhất). Các đặc tính cháy của mẫu sau xử lý chính là nhờ PR đã được đưa thành công lên vải bông. Các kết quả đã được chứng minh bằng phân tích SEM. - Tất cả các mẫu XLHCC đều giảm bền từ 23,5 ÷ 31,5%. - Phương án tối ưu về thời gian xử lý plasma hoạt hóa và thời gian plasma polyme hóa tối ưu là 30 s và 79 s, với các giá trị dự đoán về độ bền 1094 N (tương ứng giảm 21,8%), Chiều dài than hóa 145 mm và giá trị LOI 26,3 Y1 = +23,91 + 0,035926X1 + 0,020926X2 − 0,00016X1X2 (3.25) Z1 = 26,76 + 0,97A + 1,23B − 0,65AB (3.26) Hình 3.49 Mẫu sau thử nghiệm tính cháy theo phương thẳng đứng (a) 90-0-450-107-160- 90; (b) 90-180-450-107-160-90; (c) 90-90-450-107-160-90; (d) 45-0-450-107-160-90; e) 45-90-450-107-160-90; (f) 45-180-450-107-160-90; (g) 0-90-450-107-160-90; (h) 0-180- 450-107-160-90; (i) 0-0-450-107-160-90; (k) Không xử lý 3.2.4.3 Tối ưu hóa hàm lượng hóa chất trong quy trình XLHCC cho vải bông ứng dụng công nghệ plasma Từ phương trình (3.27), (3.28) cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng hóa chất đến giá trị LOI của mẫu sau xử lý trong quy trình XLHCC có áp dụng plasma là ảnh hưởng tuyến tính và có sự tương tác giữa hai yếu tố. 22
23. 푌1 = +12,30333 + 0,0285 1 + 0,11667 2 − 0,00023 1 2 (3.27) Z1=26,37+0,30A+0,53B-0,23AB (3.28) Hình 3.52 Mẫu kiểm tra tính cháy theo phương thẳng đứng (a) 30-79- 350-80-160-90; (b) 30-79-350-100-160-90; (c) 30-79-350-120-160-90; (d) 30-79- 400-80-160-90; (e) 30-79-400-100-160-90; (f) 30-79-400-120-160-90; (g) 30-79- 450-80-160-90; (h) 30-79-450-100-160-90; (i) 30-79-450-120-160-90 - Mức độ chênh lệch về tổn thất cơ học do dung dịch hoàn tất trong điều kiện xử lý ở nghiên cứu là 5% (thấp nhất ~ 19%, cao nhất ~ 24%). - Kết quả kiểm tra hàm lượng formalđehyt cho thấy tất cả các mẫu được xử lý có hàm lượng formalđehyt 25 % và hàm lượng P > 1,4 % của tất cả các mẫu Điều kiện tối ưu trong quy trình XLHCC cho vải bông có ứng dụng plasma là: hàm lượng PR 397 g/L, hàm lượng K 99 g/L. Vải sau xử lý có giá trị LOI 26,3%, độ bền kéo giảm 21% và 5%, độ bền xé giảm 24% và 24% theo hướng dọc và ngang tương ứng. 3.3 Luận giải về tác động của plasma trong xử lý hạn chế cháy cho vải bông 3.3.1 Tác động của plasma 1: Kết quả SEM, XPS, độ bền kéo đứt, khả năng mao dẫn của vải trước và sau xử lý plasma 1 cho thấy có sự biến đổi hóa học (tăng số lượng các nhóm chức chứa oxy) và biến đổi vật lý (xuất hiện các rãnh trên bề mặt xơ bông) sau plasma hoạt hóa. Các biến đổi này phù hợp với sự thay đổi độ bền kéo đứt và tính mao dẫn của vải, chúng cũng cho phép giải thích hiệu quả hạn chế cháy của vải sau xử lý hạn chế cháy tăng khi quy trình được bổ sung plasam hoạt hóa. 3.3.2 Tác động của plasma 2: Kết quả về phân tích SEM cho thấy trên bề mặt vải sau xử lý plasma 2 có lớp phủ. Phân tích EDS và FTIR cho thấy rằng lớp phủ đó chính là Pyrovatex CP New. Hàm lượng P của mẫu phù hợp với giá trị LOI của mẫu. Kết quả này cho thấy plasma 2 đã thành công trong việc polyme hóa và ghép chất chậm cháy PR với xenlulo. Tuy nhiên, với điều kiện 1 W/cm2, thời gian plasma 180 giây phản ứng ghép xảy ra chưa đạt mức cần thiết để vải sau xử lý plasma 2 trở thành vải chậm cháy. Vì vậy cần phải 23
24. bổ sung công đoạn gia nhiệt ở điều kiện thấp hơn để hoàn tất quá trình polyme hóa và ghép bề mặt để vải trở thành vải chậm cháy. 3.4 Tổng hợp hiệu quả của quy trình ứng dụng plasma trong xử lý hoàn tất chậm cháy cho vải bông So sánh giữa mẫu xử lý với plasma và mẫu xử lý theo phương pháp truyền thống kết quả: - Cả hai mẫu đều là vải chậm cháy với thời gian cháy hoàn toàn 25%, thời gian cháy hoàn toàn ≤ 2 s, thời gian tàn cháy bằng 0). - Mức giảm độ bền kéo đứt của vải chỉ ~ 28% - Độ bền xé rách của vải giảm 28% - Dư lượng formalđehyt luôn < 300 ppm, đáp ứng vải nhóm III theo Oeko-Tex 100 - Các tính chất trên của vải đều đáp ứng tiêu chuẩn về tính lan truyền lửa và độ bền cơ học đối với vải làm quần áo bảo vệ chống nhiệt và lửa theo tiêu chuẩn TCVN 6875:2010 24
25. 2. Plasma DBD hoạt hóa và plasma polyme hóa và ghép với công suất 1W/cm2 cho phép tăng cường liên kết giữa chất chậm cháy và vải góp phần cải thiện mức độ chậm cháy cho vải bông. Tuy nhiên quy trình chỉ với 2 công đoạn xử lý plasma (không có gia nhiệt) chưa cho phép có được vải bông chậm cháy (LOI>25) dù thời gian xử lý plasma hoạt hóa kéo dài tới 90 s và thời gian xử lý plasma polyme hóa kéo dài tới 180 s. Khi thời gian xử lý plasma dài (> 32 s đối với plasma hoạt hóa và >120 s đối với plasma polyme hóa) sẽ làm tổn thất đáng kể độ bền cơ học của vải. Quy trình tối ưu có ứng dụng plasma DBD với công suất 1W/cm2 để xử lý HCC cho vải bông bao gồm cả ba công đoạn plasma hoạt hóa, plasma polyme hóa và ghép và công đoạn gia nhiệt. Trong quy trình này, thời gian xử lý plasma đã được lựa chọn là 30 s và 79 s tương ứng công đoạn plasma hoạt hóa và plasma polyme hóa. Hai thông số trên cho phép tận dụng được tối đa hiệu quả của 2 công đoạn plasma mà chưa gây tổn thất cơ học cho vải. Sau 2 công đoạn xử lý plasma, công đoạn gia nhiệt chỉ cần ở nhiệt độ 160 °C trong 90 s đã cho phép tạo ra vải chậm cháy bền. Vải sau xử lý có các chỉ tiêu sau: - LOI sau xử lý và sau 5 lần giặt đều lớn hơn 25% - Sau 20 lần giặt thời gian cháy hoàn toàn ≤ 2 s, thời gian tàn cháy bằng 0. - Tổn thất độ bền kéo đứt chỉ ~ 21% - Tổn thất độ bền xé rách ~ 24% - Dư lượng formalđehyt luôn < 200 ppm, đáp ứng vải nhóm III theo Oeko-Tex 100 - Giảm được lượng hóa chất sử dụng so với công nghệ ngấm ép – sấy – gia nhiệt truyền thống (11,8% PR và 7,5% K). - Về các chỉ tiêu thời gian cháy hoàn toàn, thời gian tàn cháy, độ bền kéo đứt và độ bền xé rách cũng đáp ứng tiêu chuẩn về tính lan truyền lửa và độ bền cơ học đối với vải làm quần áo bảo vệ chống nhiệt và lửa theo tiêu chuẩn TCVN 6875:2010 Kết quả của nghiên cứu này là đóng góp mới của luận án so với các công trình trước đó. 3. Các phân tích bề mặt (SEM, XPS, EDS, FTIR) của các mẫu trước, sau xử lý plasma hoạt hóa, sau plasma polyme hóa và ghép, sau xử lý chậm cháy đã cho phép chứng minh sự có mặt của Pyrovatex CP New trên mẫu sau xử lý và sau nhiều chu trình giặt. Điều này cũng có nghĩa quy 25
26. trình xử lý hạn chế cháy đã thành công trong việc tạo ra được đủ liên kết bền vững giữa xenlulo và chất chậm cháy cho phép vải có khả năng chậm cháy bền giặt. 4. Về mặt khoa học, thông qua các phân tích bề mặt (SEM, XPS, EDS, FTIR) của các mẫu trước xử lý, sau xử lý plasma hoạt hóa, sau plasma polyme hóa và ghép, luận án cũng đã giải thích được cơ chế tác động của 2 loại plasma này đến quá trình XLHCC của vải bông. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Vậy các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể là: - Thời gian và công suất plasma hoạt hóa cần thiết để quy trình XLHCC bao gồm: Plasma hoạt hóa – ngấm ép – sấy – gia nhiệt có thể đạt được hiệu quả mong muốn. - Thời gian và công suất plasma polyme hóa cần thiết để quy trình XLHCC bao gồm: Ngấm ép – sấy – plasma - gia nhiệt có thể đạt được hiệu quả mong muốn. - Ứng dụng plasma trong quy trình XLHCC cho các loại vật liệu dệt thông dụng khác như bông pha polyester, polyester, - Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng công nghệ plasma DBD XLHCC kết hợp với hoàn tất chức năng khác cho vải bông như chống thấm, chống tia UV, nhuộm màu 26
27. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Nguyễn Thị Hường, Vũ Thị Hồng Khanh (2018), Khảo sát khả năng sử dụng diammonium hydrogen phosphate để xử lý hạn chế cháy cho vải bông, Hội nghị khoa học toàn quốc về dệt may-da giầy lần thứ nhất, ISBN: 978-604-924-374-5, Việt Nam. 2. Nguyen Thi Huong, Vu Thi Hong Khanh (2019), Study on contents of Pyrovatex CP New and Knittex FFRC in flame retardant treatment for cotton fabrics, Proceeding Indonesian Textile Conference (International Conference), ISBN: 978-623- 91916-0-3, Politeknik STTT Bandung, Indonesia. 3. Vu Thi Hong Khanh, Nguyen Thi Huong (2019), Influence of crosslinking agent on the effectiveness of flame retardant treatment for cotton fabric, Industria textile, vol. 70, no. 5. 4. Nguyen Thi Huong, Vu thi Hong Khanh (2019), Optimizing curing conditions in flame retardant treatment for cotton fabric, TEXTEH 9 international conference proceedings, ISSN 2068- 9101, Vol. 9, Bucharest, Romania 5. Nguyen Thi Huong, Vu thi Hong Khanh, Nguyen Pham Duy Linh (2019), Optimizing content of Pyrovatex CP New and Knittex FFRC in flame retardant treatment for cotton fabric, accepted for publication in issue 4/2021, Industria textile 6. Huong Thi Nguyen, Khanh Thi Hong Vu, Ngo Ha Thanh, Phan Duy Nam (2020), Application of Plasma Activation in Flame- Retardant Treatment for Cotton Fabric, Polymers, 12, 1575. 7. Huong Thi Nguyen, Khanh Thi Hong Vu (2020), Chapter 17. Application of Atmospheric DBD Plasma for Surface Treatment of Cotton Fabric, in Book: Proceedings of the 2019 International Conference on “Physics, Mechanics of New Materials and Their Applications”, ISBN: 978-1-53618-255-2. 27