Tối ưu hóa thời gian làm sạch bằng bể siêu âm thông qua góc tiếp xúc
Đối với các ngành công nghiệp hiện đại như chế tạo, sơn phủ và dán ghép, việc làm sạch của bề mặt là yếu tố quyết định chất lượng cuối cùng của sản phẩm. Tuy nhiên, kiểm tra độ sạch một cách chính xác, nhanh chóng và hiệu quả trong quá trình rửa bằng bể siêu âm vẫn là một thách thức đối với nhiều nhà sản xuất — đặc biệt là khi thời gian và chi phí luôn được tối ưu hóa.
Thách thức của những vết bẩn “vô hình”
Trong các quy trình như sơn phủ, mạ hay dán keo, độ sạch của bề mặt là yếu tố sống còn. Những tạp chất như dầu mỡ hay chất hoạt động bề mặt dù không thể nhìn thấy bằng mắt thường nhưng lại là nguyên nhân chính gây ra lỗi bong tróc hoặc bề mặt sơn không đều.
Các phương pháp kiểm tra truyền thống như phân tích huỳnh quang, tia X hay kiểm tra hóa học thường yêu cầu thiết bị phức tạp, không phù hợp để sử dụng trực tiếp tại dây chuyền. Điều này khiến quá trình kiểm soát độ sạch bị tách rời khỏi công đoạn rửa, làm giảm tính linh hoạt và khả năng tối ưu hóa theo thời gian thực.
Một hướng tiếp cận mới đang được chú ý là sử dụng phép đo góc tiếp xúc của giọt chất lỏng trên bề mặt để đánh giá độ sạch. Khi bề mặt còn nhiễm dầu mỡ hoặc chất hữu cơ, giọt chất lỏng sẽ co lại tạo góc lớn; ngược lại, khi bề mặt sạch hơn, giọt lan rộng và góc giảm. Từ giá trị này, có thể tính toán năng lượng bề mặt tự do (Surface Free Energy – SFE), một chỉ số định lượng phản ánh mức độ sẵn sàng liên kết của bề mặt.
Điểm nổi bật của giải pháp là khả năng triển khai kiểm tra nhanh bằng thiết bị đo di động, cho phép đánh giá trực tiếp ngay tại khu vực sản xuất. Người vận hành chỉ cần một phép đo ngắn để nhận kết quả đạt hay không đạt dựa trên ngưỡng SFE đã được thiết lập trước. Điều này giúp quy trình kiểm soát chất lượng trở nên đơn giản, lặp lại được và không phụ thuộc vào cảm quan chủ quan.
Thử nghiệm với quy trình rửa bằng bể siêu âm
Hiện nay, có rất nhiều phương pháp làm sạch bề mặt vật liệu trước khi mạ, sơn, phủ như sử dụng các loại dung môi acetone, hydroncarbon, halogen; làm sạch hóa học; rung siêu âm; plasma; hay bằng nhiệt độ cao… Trong bài viết này chúng ta sẽ đề cập đến ví dụ về thử nghiệm kiểm tra độ sạch bề mặt sau khi xử lý từ bể rung siêu âm để tối ưu hóa được thời gian làm sạch bằng phương pháp đo góc tiếp xúc đã được hãng Kruss Scientific công bố lên tạp chí quốc tế.
Hình dạng giọt nước
Trước tiên, làm sao để có thể nhận định bề mặt vật liệu đã được làm sạch thông qua giọt nước?
Theo phương trình Young, hình dạng mà một giọt chất lỏng tạo ra trên bề mặt được xác định bởi sức căng bề mặt của chất lỏng được sử dụng và năng lượng bề mặt tự do (SFE) của bề mặt mẫu (Hình 1A). Các chất nhiễm bẩn không tan (mỡ, dầu, v.v.) tạo ra một bề mặt có SFE thấp, dẫn đến góc tiếp xúc lớn hơn (Hình 1B). Các chất nhiễm bẩn hoạt động tại bề mặt phân cách (chất hoạt động bề mặt, v.v.) hòa tan vào giọt và làm giảm sức căng bề mặt, được thể hiện bằng sự giảm góc tiếp xúc theo thời gian (Hình 1C).
Quy trình thử nghiệm
Các tấm thép (xem Hình 2) được làm sạch với các thời gian xử lý khác nhau trong bể siêu âm (hãng Elma, Elmasonic S10H, tần số 50/60 kHz) chứa dung dịch Mucasol® nồng độ 3%. Sau khi làm sạch, năng lượng bề mặt tự do (SFE) của tấm thép được xác định theo phương pháp tính OWRK bằng thiết bị Mobile Surface Analyzer – MSA [1], [2], [3].
Với mỗi thời gian xử lý, 4 tấm thép được kiểm tra; trên mỗi tấm và mỗi chất lỏng thử nghiệm nhỏ 5 giọt, mỗi giọt 2 µL để đo. Cả quá trình làm sạch và đo đều được thực hiện ở 30 °C. Các thông số đo được của chất lỏng được liệt kê trong Bảng 1.
| Chất lỏng thử nghiệm | σd [mN/m] | σp [mN/m] |
|---|---|---|
| Nước | 21.8 | 51.0 |
| Diiodmethane | 50.8 | 0.0 |
Kết quả thử nghiệm
Hình 2: Ảnh các tấm thép sau khi làm sạch với thời gian làm sạch tăng dần từ trái sang phải
Hình ảnh trên cho thấy các mẫu tấm thép sau khi thời gian làm sạch trong bể siêu âm tăng dần. Về mặt cảm quan, chỉ có thể quan sát thấy sự thay đổi sau những khoảng thời gian làm sạch rất dài.
Trong các mẫu được kiểm tra, góc tiếp xúc của nước giảm từ 90° ở mẫu chưa làm sạch xuống còn 13° ở các mẫu đã làm sạch. Điều này cho thấy sự hiện diện của các chất bẩn không tan trong nước.
Hình 3: SFE cùng thành phần phân cực và phân tán theo phương pháp OWRK tương ứng với thời gian làm sạch 0, 10, 60, 120, 300 và 600 giây đối với bốn mẫu tấm thép cho mỗi mốc thời gian. Thanh sai số thể hiện độ lệch chuẩn của năm giọt đo trên mỗi chất lỏng thử và mỗi mẫu.
Hình 3 trình bày kết quả năng lượng bề mặt tự do (SFE) của các mẫu tấm thép. Ngay sau 10 giây làm sạch đã ghi nhận sự gia tăng đáng kể SFE, đặc biệt ở thành phần phân cực. Sau 120 giây, SFE đạt giá trị tối đa và việc kéo dài thêm thời gian làm sạch không tạo thêm hiệu quả. Từ đó có thể xác định 120 giây là thời gian làm sạch tối ưu.
Nhờ kết quả này, doanh nghiệp có thể xác định 120 giây là thời gian làm sạch tối ưu, thay vì phải chờ đợi lâu hơn một cách cảm tính. Từ đó xây dựng một quy trình đơn giản cho phép đo nhanh một chạm trong kiểm soát chất lượng, ví dụ đặt tiêu chí đạt là thành phần phân cực của SFE > 30 mN/m.
Tự động kiểm soát chất lượng
Với thiết bị đo cầm tay như Mobile Surface Analyzer (MSA), việc kiểm tra độ sạch giờ đây có thể thực hiện chỉ với một cú nhấp chuột ngay tại hiện trường.
Phần mềm đi kèm cho phép thiết lập các tiêu chuẩn “Đạt” (OK) hoặc “Không đạt” (Not OK) dựa trên giá trị năng lượng bề mặt đo được. Ví dụ, nếu phần cực tính (polar part) của năng lượng bề mặt lớn hơn 30 mN/m, mẫu được coi là sạch đạt chuẩn.
Hình 5: Thông báo phần mềm từ ADVANCE khi chưa đạt giới hạn hiệu lực
Kết luận
Việc ứng dụng phép đo góc tiếp xúc và năng lượng tự do bề mặt không chỉ giúp doanh nghiệp đảm bảo chất lượng sản phẩm cao nhất mà còn là chìa khóa để tối ưu hóa hiệu suất vận hành, giảm thiểu lãng phí thời gian và chi phí trong các quy trình làm sạch công nghiệp.
Để tìm hiểu thêm về thiết bị đo góc tiếp xúc cũng nhưng các phương pháp kiểm tra độ sạch khác, vui lòng liên hệ chúng tôi để được hỗ trợ tư vấn trực tiếp.
