Tối ưu hóa quá trình nghiền mực dùng máy nghiền bi ướt trong sản xuất mực in gốc nước

1.2.2 Mực in gốc dầu Mực in gốc dầu thường được sử dụng nhiều trên các bề mặt vật liệu đòi hỏi có sự bám dính tốt của màng mực và có khả năng bền lâu với thời gian dưới tác dụng của các

VŨ BÌNH MINH

Tối ưu hóa quá trình nghiền mực dùng máy nghiền bi ướt trong sản

xuất mực in gốc nước

LUẬN VĂN THAC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS TRẦN VĂN THẮNG

HÀ NỘI - 2010

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN ……… 3

MỞ ĐẦU ……… 4

Phần 1 – TỔNG QUAN Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ MỰC IN ……… 6

1.1 Phân loại mực in theo phương pháp in ……… 6

1.1.1 Mực in offset ……… 6

1.1.2 Mực in ống đồng ……… 7

1.1.3 Mực in Flexo ……… 8

1.1.4 Mực in phun ……… 9

1.1.5 Mực in laser ……… 9

1.2 Phân loại mực in theo thành phần cấu tạo ……… 10

1.2.1 Mực in gốc nước ……… 10

1.2.2 Mực in gốc dầu ……… 10

1.2.3 Mực in gốc dung môi ……… 10

1.2.4 Mực in chuyển pha ……… 11

1.2.5 Mực UV ……… 11

Chương 2 – MỰC IN GỐC NƯỚC ……… 12

2.1 Sự hình thành và phát triển của mực in gốc nước ……… 12

2.2 Thành phần cấu tạo của mực in gốc nước ……… 13

2.2.1 Chất tạo màu ……… 13

2.2.2 Chất liên kết ……… 21

2.2.3 Chất phụ gia ……… 24

2.3 Các tính chất cơ bản của mực in gốc nước ……… 29

2.3.1 Độ nhớt của mực in ……… 30

2.3.2 Độ dính của mực ……… 31

2.3.3 Độ khô của mực ……… 32

2.3.4 Độ bền màu của mực ……… 32

2.3.5 Tính chất quang học của mực ……… 33

2.4 Các ưu điểm của mực in gốc nước so với các loại mực in khác …… 34

Chương 3 – GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIỀN MỰC ……… 35

3.1 Mục đích của quá trình nghiền mực ……… 35

3.2 Phương pháp nghiền mực ……… 35

3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc chung của máy nghiền bi ……… 36

3.2.2 Phân loại máy nghiền bi ……… 37

Phần 2 – XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH

NGHIỀN MỰC DÙNG MÁY NGHIỀN BI ƯỚT TRONG

SẢN XUẤT MỰC IN GỐC NƯỚC

Chương 4 – KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ……… 42

4.1 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu ……… 42

4.1.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ……… 42

4.1.2 Phương pháp và thiết bị nghiên cứu ……… 42

4.1.3 Lựa chọn các thông số công nghệ để thực nghiệm ……… 43

4.1.3.1 Các vấn đề chung ……… 43

4.1.3.2 Các máy và thiết bị thực nghiệm chính ……… 43

4.1.3.3 Trình tự tiến hành thí nghiệm ……… 46

4.1.3.4 Đo kết quả thực nghiệm ……… 46

4.2 Xây dựng mô hình thống kê khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình nghiền mực in gốc nước ……… 51

4.2.1 Cơ sở lý thuyết ……… 51

4.2.2 Xây dựng mô hình quy hoạch thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu ……… 57

4.2.2.1 Xây dựng mô hình ……… 57

4.2.2.2 Tối ưu hóa mô hình ……… 63

4.3 Xây dựng mô hình vật lý để triển khai sản xuất nghiền mực bằng máy nghiền bi ướt ……… 69

4.3.1 Giới thiệu cơ sở để thiết lập mô hình ……… 69

4.3.2 Thiết lập mô hình vật lý mô tả quá trình nghiền mực in gốc nước bằng máy nghiền bi ướt ……… 75

4.3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng lên động lực học của quá trình nghiền bằng máy nghiền bi ướt ……… 75

4.3.2.2 Thiết lập các chuẩn số đơn giản ……… 76

4.3.2.3 Lập ma trận thứ nguyên ……… 76

4.3.2.4 Lập hệ phương trình thứ nguyên và giải ……… 77

4.3.2.5 Tập hợp các chuẩn số và lập mô hình ……… 79

4.3.2.6 Xác định tham số của mô hình vật lý nhờ kết quả thực nghiệm ……… 80

4.3.3 Nhận xét mô hình ……… 82

KẾT LUẬN ……… 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 86

PHỤ LỤC ……… 88

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thày, cô giáo trong Bộ môn Công nghệ In - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thiện bản luận văn này

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với PGS.TS Trần Văn Thắng, người thày đã hết lòng dìu dắt, giúp đỡ, hướng dẫn tôi vượt qua những khó khăn trên con đường nghiên cứu khoa học

Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè và người thân đã khích lệ, động viên tôi trong suốt thời gian qua./

Người thực hiện

Vũ Bình Minh

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, khái niệm “mực in gốc nước”ngày càng trở nên phổ biến trong ngành công nghiệp in Việt Nam cũng như thế giới Do thành phần nước chiếm từ 50-70% tổng khối lượng, mực in gốc nước có được các ưu điểm như:

dễ dàng trong quá trình sử dụng, giảm thiểu nguy cơ cháy nổ, lượng dung môi độc hại ít, chất thải ít ảnh hưởng đến nguồn nước và môi trường xung quanh Thêm vào

đó mực in gốc nước còn tạo ra màng mực mỏng hơn, có cường độ màu cao, độ phủ tốt nên dễ dàng và thuận tiện in trên các vật liệu màng mỏng

Với những ưu điểm đã đề cập ở trên, mực in gốc nước hiện nay đã và đang được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các phương pháp in Tuy nhiên ở nước ta mực gốc nước đa số đều nhập ngoại, do đó việc nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và nâng cao các tính chất của mực in gốc nước để có thể in trên các loại vật liệu (nhất là trên các loại màng mỏng) là một yêu cầu cấp thiết

Trong sản xuất mực in nói chung và mực in gốc nước nói riêng đều phải trải qua quá trình nghiền mực Kết quả của quá trình nghiền mực có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của mực in thành phẩm Vì vậy, việc nghiên cứu để có cơ sở lựa chọn các thông số tối ưu cho máy nghiền trong quá trình nghiền mực có ý nghĩa rất quan trọng trên cả phương diện kỹ thuật lẫn kinh tế Từ những lý do trên, tôi lựa

chọn đề tài: “Tối ưu hóa quá trình nghiền mực dùng máy nghiền bi ướt trong sản xuất mực in gốc nước”

Nội dung của luận văn sẽ tập trung nghiên cứu xây dựng mô hình thống kê, tối ưu hóa mô hình để xác định các thông số công nghệ nghiền nhằm đạt được giá trị kích thước hạt pigment nhỏ nhất có thể Trên cơ sở đó sẽ xây dựng mô hình vật

lý nhằm triển khai quá trình sản xuất mực in gốc nước trong thực tế trên cơ sở máy nghiền bi ướt

PHẦN I

TỔNG QUAN

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ MỰC IN

Hiện nay trên thị trường tồn tại nhiều loại mực in khác nhau Tuỳ thuộc từng phương pháp in, đặc điểm của các vật liệu in và mục đích sử dụng của mỗi sản phẩm in mà mực in được sử dụng có thể khác nhau Do vậy các loại mực in có tính phong phú và đa dạng

1.1 PHÂN LOẠI MỰC IN THEO PHƯƠNG PHÁP IN

Theo sự phân loại này, mực in được chia làm 5 loại ứng với 5 phương pháp

in cơ bản: in Offset (in phẳng), in ống đồng (in lõm), in Flexo (in cao), in phun và

Màng mực in offset khi khô có độ bóng cao Đặc điểm của mực in offset là

có chứa hàm lượng lớn các dung môi hydrocacbon dễ bay hơi, lượng dung môi bốc hơi có thể chiếm đến 50% khối lượng Các khí thoát ra thường có xylen, toluen và một lượng nhỏ các loại nhựa, chất sáp và dung môi khác Vì vậy việc sử dụng mực

in loại này rất độc hại, gây ô nhiễm không khí và môi trường sản xuất Để hạn chế

và loại bỏ việc thải ra môi trường bên ngoài các chất độc hại, người ta thường loại bớt sự có mặt của một số dung môi có trong mực in Ví dụ: thay vì để cho quá trình khô của màng mực diễn ra tự nhiên thông qua quá trình bay hơi và khả năng thấm

hút của vật liệu in, người ta sử dụng hệ thống chiếu xạ bằng các chùm tia hồng ngoại hay tia tử ngoại làm cho màng mực có thể khô được nhờ các quá trình ôxy hoá xảy ra

1.1.2 Mực in ống đồng (in lõm)

Mực in lõm thường có độ nhớt rất thấp so với tất cả các loại mực in được dùng trong các phương pháp in khác nhau, ngoại trừ mực in Flexo Quá trình khô của màng mực chủ yếu nhờ vào sự bay hơi của các dung môi Trong một vài trường hợp do hệ thống lô máng mực có bề mặt lớn nên lượng mực tiếp xúc với môi trường không khí bên ngoài lớn, sẽ dẫn đến sự mất mát của các dung môi dễ bay hơi, điều này làm ảnh hưởng đến độ nhớt của mực in Giá trị độ nhớt của mực in có thể thay đổi tuỳ thuộc vào hình dạng và độ sâu của các phần tử in, tốc độ của máy in và trạng thái tự nhiên của các loại chất liên kết có trong mực cũng như tốc độ bay hơi của các dung môi và các điều kiện bên ngoài tác động Mực in lõm có độ nhớt cao thường ngăn cản quá trình truyền mực và điền đầy mực vào các phần tử in trên trục ống đồng

Giống như các loại mực in khác, trong thành phần của mực in lõm có các chất tạo màu và chất mang Tuỳ thuộc vào các yêu cầu về màu sắc mà có thể sử dụng các chất màu khác nhau trong thành phần của mực in Nhiệm vụ của chất mang là phân tán và giữ cho các chất màu được phân bố đồng đều trong dung dịch

mà không bị lắng đọng Việc lựa chọn chất mang trong thành phần của mực chủ yếu phụ thuộc vào các điều kiện cơ bản về tính chất của mực in, tốc độ khô của mực trên máy in, cơ chế và sự hoạt động của các chất có trong thành phần mực in khi tiếp xúc với điều kiện môi trường ánh sáng Mặt khác, các chất mang được sử dụng phải thích hợp với các loại pigment màu tương ứng Các chất tạo màu và chất mang đều có ảnh hưởng đến độ bóng của mực sau này Đối với các vật liệu bao bì thực phẩm, tem nhãn, nhựa cần đặc biệt chú ý khi sử dụng chất mang

Hầu hết các loại mực in lõm có thể được chế tạo từ thành phần cơ bản như sau: (phần trăm theo khối lượng)

Các tác nhân làm ướt, chất sáp và các phụ gia khác 0-5%

Các loại nhựa sử dụng trong mực in lõm thường là các hợp chất hữu cơ có

trọng lượng phân tử lớn Phổ biến là các loại nhựa phenolformaldehyde có nhiệt độ

nóng chảy cao, có khả năng hoà tan tốt trong các dung môi hữu cơ, độ bền với ánh

sáng cao

Dung môi sử dụng trong mực in loại này thường chỉ mang tính chất tạm thời,

là một thành phần tồn tại không lâu trong mực in Các dung môi này sẽ giúp cho

việc duy trì trạng thái lỏng phân tán của mực in trong lô máng khi toàn bộ các lô

được phủ mực cho đến khi nhận áp lực in, nghĩa là các dung môi sẽ được loại bỏ

ngay khi thực hiện xong quá trình in Đồng thời, các dung môi này sẽ giúp cho việc

mang các chất rắn vào trong thể tích dung dịch lỏng, hỗ trợ cho sự phân tán tốt của

các chất màu và nhựa liên kết

Phụ gia cho mực bao gồm một số chất chỉ chiếm một phần nhỏ trong thành

phần của mực in Việc sử dụng các chất phụ gia nhằm cải thiện các tính chất của

mực Thông thường người ta sử dụng polyethylene wax hay một số chất khác làm

chất phụ gia để tăng tính ổn định của mực trong quá trình sử dụng

1.1.3 Mực in Flexo (in cao)

Mực in Flexo về cơ bản cũng giống như mực in lõm (in ống đồng) Mực in

flexo có độ nhớt thấp, tốc độ khô nhanh Do đặc điểm của phương pháp in flexo (in

cao) là quá trình in trực tiếp - mực được lấy từ máng mực lên lô anilox có chứa

hàng triệu các vi lỗ nhỏ trên bề mặt và truyền lên bản in sau đó truyền lên vật liệu in

- màng mực hình thành trên bề mặt vật liệu in mỏng và đồng đều do vậy đòi hỏi mực in flexo phải có cường độ màu cao

1.1.4 Mực in phun

Đặc điểm của phương pháp in phun là mực được in lên bề mặt vật liệu in thông qua hệ thống các vòi phun Vì vậy đòi hỏi hạt mực phải mịn, thời gian khô của mực không quá nhanh để tránh gây tắc vòi phun Hiện nay ứng dụng chủ yếu của phương pháp in phun là in quảng cáo khổ lớn trên các vật liệu có tính chất bề mặt khác nhau Do yêu cầu của sản phẩm in phải có độ bền với các tác động của điều kiện môi trường nên mực in phun ít sử dụng chất tạo màu dạng thuốc nhuộm Nếu sử dụng chất tạo màu dạng này, mực sẽ không bền với tác động của ánh sáng

và nước Sử dụng thuốc nhuộm sẽ gây khó khăn cho quá trình in, không đảm bảo khả năng bám dính tốt của mực lên vật liệu và màng mực thường có cường độ màu yếu Trong trường hợp này người ta thường sử dụng các chất tạo màu là pigment Thông thường, các hạt pigment được bọc lớp polyme bên ngoài để tăng cường khả năng bám dính lên bề mặt vật liệu Sau khi khô chất màu vẫn nằm trên bề mặt vật liệu, điều này sẽ tạo ra màng mực có cường độ màu cao, bền với tác động của ánh sáng và nước Ngoài ra, các vật liệu dùng cho in quảng cáo thường được tráng phủ lên bề mặt một lớp đặc biệt để tạo độ bền cơ lý theo thời gian

1.1.5 Mực in laser

Mực in laser là dạng mực khô - các toner tích điện Toner được phân bố đều lên vật liệu in trong quá trình in nhờ có các phần tử mang điện tích, nhờ có lực hút tĩnh điện và đồng thời nhờ có hệ thống lô nhiệt được duy trì ở nhiệt độ từ 375OF đến

400OF để nung nóng chảy mực in tạo khả năng bám dính của lớp mực lên trên bề mặt vật liệu in Vì vậy trong sản xuất mực in laser người ta phải dùng các chất màu

và các chất liên kết có khả năng chịu nhiệt tốt nếu không có thể dẫn đến hiện tượng tạo vết bẩn trong quá trình in và làm mềm lớp mực

1.2 PHÂN LOẠI MỰC IN THEO THÀNH PHẦN CẤU TẠO

1.2.1 Mực in gốc nước

Đặc điểm của mực in gốc nước là không độc hại với môi trường và với người

sử dụng do trong thành phần của mực có hàm lượng nước chiếm khoảng 50% đến 70% Đối với loại mực này thì quá trình khô phụ thuộc nhiều vào khả năng bay hơi

và khả năng thấm hút vào bề mặt vật liệu in

1.2.2 Mực in gốc dầu

Mực in gốc dầu thường được sử dụng nhiều trên các bề mặt vật liệu đòi hỏi

có sự bám dính tốt của màng mực và có khả năng bền lâu với thời gian dưới tác dụng của các điều kiện môi trường khác nhau Mực in loại này thường được sử dụng nhiều trên các vật liệu in khổ lớn như in quảng cáo và phải để ngoài trời dưới tác dụng của ánh sáng và nhiệt độ Chất liên kết sử dụng chủ yếu là sản phẩm của các quá trình trùng hợp dầu tự nhiên, do vậy mực in có khả năng bám dính tốt lên

bề mặt vật liệu Tuy nhiên, nhược điểm của mực in gốc dầu là quá trình khô chậm, đòi hỏi phải trang bị các hệ thống sấy và phụ trợ khi sử dụng loại mực này Mực in gốc dầu phục chế màu sắc không được tươi sáng

1.2.3 Mực in gốc dung môi

Đặc điểm của loại mực này là có hàm lượng các dung môi trong thành phần nhiều để cải tiến quá trình khô của mực và khả năng tạo ra sự liên kết bám dính tốt của màng mực in lên trên bề mặt vật liệu in Sự có mặt của lượng dung môi trong mực có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của mực in trên vật liệu in Đặc điểm của mực gốc dung môi là cho phép in được trên nhiều vật liệu in đa dạng khác nhau Mực khô chủ yếu bằng phương pháp bay hơi Dung môi được sử dụng chủ yếu là các dung môi gốc cồn Chất tạo màu thường là dạng thuốc nhuộm Mực gốc dung môi có nhiệt độ sôi thấp Trong nhiều trường hợp người ta sử dụng chất tạo màu là các dạng pigment khi dùng với các dung môi có nhiệt độ sôi cao, được ứng dụng để

in lên trên các bề mặt có tính chất phẳng nhẵn, không bị rỗ như các vật liệu từ kim

loại, thuỷ tinh và nhựa Đặc điểm các vật liệu này là không có khả năng thấm hút và mực in không thể thâm nhập vào trong cấu trúc vật liệu nên màng mực khô chủ yếu nhờ bay hơi Khi dung môi bay hơi đi sẽ tạo ra một màng mực khô ở trên bề mặt vật liệu, lúc này còn lại chủ yếu là các chất liên kêt và chất màu cùng một số phụ gia khác của mực

1.2.4 Mực in chuyển pha

Khi in lên trên bề mặt vật liệu, mực in sẽ bị tác dụng của không khí và nhanh chóng chuyển từ pha lỏng sang pha rắn Đặc điểm của loại mực chuyển pha là thời gian khô của mực in diễn ra rất nhanh Mực in nhanh chóng bị kết tủa lại khi tiếp xúc với bề mặt vật liệu in

Ưu điểm nổi bật của mực in chuyển pha là: không gây ra hiện tượng nhoè mực nên không tạo ra vùng lan rộng của mực; không gây ra hiện tượng gia tăng tầng thứ các điểm T’ram, đặc biệt ngay cả khi in lên trên các vật liệu in không có bề mặt mịn thì hình ảnh in vẫn rất sắc nét, tạo ra màng mực mịn đều; khả năng phục chế của mực loại này cao, có khả năng thể hiện được không gian màu rộng Mực được khô ngay sau khi tới bề mặt vật liệu in và khó có thể thấm sâu xuống dưới bề mặt vật liệu in, do vậy hầu hết các hạt pigment chỉ bám dính trên bề mặt vật liệu in góp phần tạo ra các hình ảnh in có độ sắc nét cao, độ no màu tốt trên phạm vi một dải lớn và trên nhiều loại vật liệu khác nhau

Nhược điểm của mực in chuyển pha là khả năng phân tán kém, mực in rất dễ

bị mài mòn và không phù hợp đối với sản phẩm trong quá trình sử dụng phải chịu các lực ma sát lớn

1.2.5 Mực UV

Đặc điểm của mực này là có khả năng khô nhanh chóng, có độ bền cao Mực loại này thường được sử dụng để in trên các vật liệu không có khả năng thấm hút như in trên kim loại, thuỷ tinh, các màng polyme mỏng Mực có khả năng phục chế hình ảnh tốt và không bị gia tăng tầng thứ Mực sẽ được khô ngay sau khi qua các

hệ thống thổi khí và chiếu sáng làm khô

CHƯƠNG 2

MỰC IN GỐC NƯỚC

2.1 SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA MỰC IN GỐC NƯỚC

Mực in gốc nước được giới thiệu vào những năm 1930 Đến năm 1940 đã xuất hiện trong in flexo trên bìa cacton và đạt được ý nghĩa thương mại quan trọng cho việc in lên trên các vật liệu giấy và bìa cacton vào những năm 1950 và 1960 Những năm 1980, do yêu cầu về việc đảm bảo sự an toàn cho môi trường, mực in gốc nước bắt đầu được nâng cấp chất lượng và áp dụng cho nhiều phương pháp in Năm 1989, tổ chức HSC (Highland Supply Corporation) bắt đầu sử dụng loại mực

in mới này trên máy in ống đồng Những năm tiếp theo mực in gốc nước được được

sử dụng phổ biến hơn và chiếm ưu thế trong in Flexo Vào năm 1991, HSC đã bắt đầu sử dụng mực in gốc nước trên tất cả các máy in của mình Cho đến nay loại mực in này mang lại nhiều lợi ích và dễ dàng trong vận hành, được sử dụng trong hầu hết các phương pháp in cơ bản

Sử dụng mực in gốc nước giúp giảm thiểu việc sử dụng các hợp chất hữu cơ

dễ bay hơi độc hại VOC - Volatile Organic Compound Hợp chất VOC dễ gây ảnh hưởng đến tình trạng sức khoẻ của người lao động và đặc biệt là tác động xấu đến môi trường

Nghiên cứu thực nghiệm đã xác định các dung môi thông thường được sử dụng làm các chất mang trong mực in Flexo là các tác nhân chính gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người với các bệnh dễ bị mắc phải thông qua con đường hô hấp Các chất thải độc hại cùng với các dung môi có trong mực là những yếu tố rất

dễ gây cháy Mực Flexo thông thường sử dụng cho in trên các vật liệu màng mỏng

có từ 60 - 80% khối lượng là các dung môi như: Ethanol, cồn N-Propyl, IsoPropanol, Heptane và n-Propyl Acetate Đây đều là các chất VOC và rất dễ cháy Một số loại mực còn sử dụng các dung môi pha loãng có chứa Methyl Ethyl

Ketone, Methyl Isobutyl Ketone, Toluen, Ethyl axetate, đây là các chất được liệt kê vào nhóm các chất độc hại cần phải được cảnh báo

HSC đã nhận thấy các loại mực gốc dung môi hữu cơ có chiếm tới 50% khối lượng là các chất hữu cơ dễ bay hơi độc hại Ban đầu để tránh những ảnh hưởng của các loại hoá chất độc hại này người ta đã tiến hành cải tiến hệ thống thông hơi và che chắn bảo vệ nhưng kết quả thu được không hiệu quả Cuối cùng HSC cũng đã tìm ra giải pháp đó là thay thế loại mực gốc dung môi hữu cơ bằng mực in gốc nước Theo kết quả và đánh giá thu được từ các chuyên gia: đến năm 1989 mực in gốc nước của HSC chỉ chứa từ 10 - 20% khối lượng là các chất VOC Đến năm

1996 hàm lượng trung bình của các chất VOC trong mực in gốc nước giảm xuống còn rất thấp và được đánh giá là có mức độ an toàn cao nhất

Ngoài những ưu điểm của việc sử dụng mực in gốc nước là thuận lợi, dễ dàng trong vận hành và điều khiển quá trình in, ít gây nguy hiểm cho thợ in và môi trường xung quanh do mực có khả năng chịu nhiệt tốt và ít cháy nổ Mực in gốc nước còn có những ưu điểm nổi bật như: có cường độ màu cao, tạo màng mực mỏng và đẹp Vì vậy, đến năm 1991 mực in này chiếm ưu thế lớn trong in Flexo Hiện nay, việc sử dụng mực in gốc nước đã được phổ biến trong cả các phương pháp in lõm, in Flexo và in phun

2.2 THÀNH PHẦN CẤU TẠO CỦA MỰC IN GỐC NƯỚC

2.2.1 Chất tạo màu

Chất tạo màu sử dụng trong mực gốc nước là các loại thuốc nhuộm hoặc các pigment thông thường nhưng do những đặc tính riêng của mực gốc nước nên trong quá trình sản xuất loại mực này có một số điểm cơ bản như sau:

- Các chất màu sử dụng không được phản ứng với các nhựa liên kết gốc nước Việc phản ứng của chất màu với nhựa liên kết gốc nước sẽ là nguyên nhân dẫn đến một số hiện tượng làm thay đổi các tính chất về quang học của mực như: làm thay đổi tông màu cơ bản ban đầu của mực, làm giảm cường độ màu và một số

các tính chất khác Một số các pigment bị hydrat hoá sẽ dẫn đến sự thay đổi màu sắc của mực in

- Các pigment có tính chất kiềm không dùng trong môi trường liên kết có pha cồn

- Trong quá trình sản xuất mực in chúng ta phải loại bỏ hoàn toàn các chất còn dư bám trên bề mặt hạt pigment như các axít và các chất xử lý bề mặt để đảm bảo cho việc phân tán pigment tốt hơn trong dung dịch

Thoả mãn những điểm nêu trên chất màu được sử dụng trong mực in mới đạt được mục đích chính là tạo màu cho mực

- Chất màu thuốc nhuộm: Tan trong môi trường liên kết

Mực sử dụng thuốc nhuộm làm chất tạo màu thường có màu sắc tươi sáng, khả năng thể hiện tầng thứ tốt với nhiều gam màu khác nhau Chất màu dạng thuốc nhuộm có khả năng tự gắn màu lên trên bề mặt vật liêụ in Nhược điểm lớn của loại mực này là độ bền với các điều kiện thời tiết kém, sản phẩm in thường bị phai màu sau một thời gian sử dụng Thuốc nhuộm thường có 3 loại chính:

+ Thuốc nhuộm bazơ: Thông thường loại này có chứa nhóm (-NH2)

+ Thuốc nhuộm dạng axít: có chứa nhóm (-COOH)

+ Thuốc nhuộm dạng Cation: có chứa các ion mang màu

Mực sử dụng chất tạo màu là thuốc nhuộm thường được dùng in các loại sản phẩm đòi hỏi tốc độ in nhanh

Các loại mực in sử dụng chất màu thuốc nhuộm chứa một phần nhỏ các tác nhân như axít tannic hoặc các nhựa có giá trị axít cao Do có các tác nhân này nên

có thể xảy ra các phản ứng phức tạp trong quá trình sử dụng và bảo quản mực Đây

là một trong những hạn chế của chất tạo màu dạng thuốc nhuộm

Các loại thuốc nhuộm sử dụng nhiều trong các loại mực in hiện nay là các muối, thường là hycđrochloride, các thuốc nhuộm bazơ Bằng cách kết hợp bazơ với nhiều axít phức hợp như Tannic hoặc nhựa mang tính axít, các hợp chất được tạo thành có khả năng hoà tan tốt hoặc trong nước

Bảng 1.2 Một số tính chất của chất màu thuốc nhuộm thường được sử dụng

Tên

thuốc nhuộm

Bền ánh sáng

Chịu nhiệt

Chịu kiềm

Chịu chất sáp

Chịu nước

Các tính chất đặc biệt

phát huỳnh quang Methylviolet 0-1 Tốt Kém BT-Tốt BT-Tốt

hoặc copolyme giúp cho các hạt pigment có thể gắn bám chắc lên trên bề mặt vật liệu sau khi in

Các pigment màu thường là những chất vô cơ hay hữu cơ có màu Các hạt pigment có kích thước rất nhỏ, không tan trong nước, không tan trong các dung môi hữu cơ, không có ái lực với vật liệu Vì vậy cần phải thêm các chất liên kết trong thành phần của mực

Pigment màu là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến các tính chất về màu sắc của mực in Tuỳ thuộc vào hàm lượng và các loại pigment sử dụng sẽ ảnh hưởng đến các tính chất quan trọng của mực in như độ chảy và khả năng bền với các tác động vật lý và hoá học của mực in

Trên thị trường pigment thường được cung cấp dưới nhiều dạng khác nhau:

Presscake: 70% nước Bột Pigment: 100% là pigment khô Phân tán: 50% pigment

Bọc vỏ: có lớp vỏ polyme Thông thường người ta chia pigment làm hai loại: pigment vô cơ và pigment hữu cơ

+ Pigment vô cơ: Là các muối vô cơ, các oxit kim loại có màu hoặc các bột

kim loại không tan trong nước

Pigment màu trắng : Từ các kim loại như Ag, Cu, Thiếc, Nhũ bạc, hợp chất kim loại như TiO2, ZnO, BaSO4

PbCrO4 kết hợp PbSO4 tạo màu vàng hoặc sử dụng các muối sắt

Thông qua việc sử dụng các hợp chất của chì và Crôm có thể thu được một dãy các giá trị tông màu khác nhau từ màu xanh nhạt đến vàng và đỏ

Ôxit catmi (hoặc cacbonat) với lưu huỳnh sẽ cho phép tạo ra một dãy các giá trị tông màu từ xanh lá cây đến vàng và đỏ thẫm Ôxit sắt thường cho các loại pigment có tông màu từ vàng chanh tới nâu đỏ

Nhìn chung, các pigment màu vô cơ thường có kích thước lớn, thô và kém mịn, khó nghiền nhỏ, do đó việc sử dụng các loại pigment này là bị hạn chế

+ Pigment hữu cơ: Thường là các hợp chất Azo (-N=N-), hợp chất

Phtalocyanime, hợp chất Diaryl Pyrrolopyroles hay các chất phát quang

Pigment tạo từ thuốc nhuộm dạng axit: kết hợp thuốc nhuộm axit với CaCl2

hay BaCl2 sẽ tạo ra các lắc pigment không tan trong nước

Pigment hữu cơ tạo từ thuốc nhuộm bazơ: kết hợp với các axit để tạo lắc axit không tan trong nước

Phần lớn các thuốc nhuộm tan trong nước vì vậy phải tiến hành các quá trình pigment hoá, chuyển thuốc nhuộm sang dạng không có khả năng hoà tan trong nước, kết quả của quá trình pigment hoá này sẽ tạo ra các pigment màu kết tủa, sau

đó lọc và đem sấy khô kết hợp nghiền mịn Thông thường lắc pigment có tính bền kiềm và axit tốt, đặc biệt một số loại không bị hoà tan trong các dung môi hữu cơ

Một số loại pigment hữu cơ:

+ Pigment Hansa Yellow: thường có các giá trị tông màu từ vàng đến màu vàng hơi lục, được sử dụng nhiều trong các loại mực in cần đến khả năng chống lại các tác động của ánh sáng, xà phòng và các chất kiềm, đặc biệt loại pigment này có

độ thấu minh rất tốt

+ Pigment Benzidine yellow: có tông màu từ vàng chanh cho đến màu vàng kim loại và có một dãy các giá trị khác nhau về độ đục từ bán trong cho đến trong (thấu minh) Đây là loại pigment có cường độ màu cao, được sử dụng cho tất cả các loại mực in khác nhau Đặc biệt là các loại mực có khả năng bền với nhiệt và xà phòng Mực in được chế tạo từ loại pigment này thường thể hiện tính chảy tốt

Pigment Hansa Yellow Pigment Benzidine Yellow

Bảng 1.4 Một số loại pigment màu đỏ cờ (red)

độ %

Tính thấu minh hay độ đục

Bền ánh sáng

Bền với kiềm

Một số tính chất đặc biệt

Rara Red 45 Thấu minh tốt 3-4 Tốt Helio Red 45 Thấu minh tốt 7 Tốt

Permarent Red ZG 45 Đục 7-8 Rất tốt

Lishols 45 Thấu minh tốt 1-2 Tốt Lake Red C 45 Thấu minh tốt 2-3 Tốt Lisho Rubine 42 Thấu minh tốt 3-4 Rất tốt Độ bền nhiệt tốt Pigment S carlet 3B 55 Thấu minh tốt 5-6 TB Độ bền nhiệt tốt Quyna Cridone Pigon 45 Thấu minh tốt 7-8 Rất tốt Độ bền nhiệt tốt

(tới 152 o C) Vermi llion 50 Đục vĩnh

+ Màu sắc của pigment:

Thông thường thì pigment có độ bão hoà màu rất cao, có thể nói màu sắc của pigment trong sáng gần như màu quang phổ do trong phân tử có chứa các nguyên tử chưa bão hoà giá trị, có hệ thống các liên kết đôi kéo dài liên tục, có các nguyên tử (O, N, S) trong cấu tạo Đặc biệt là pigment thường có cấu tạo phân tử phẳng và có các nhóm thế thu (-e) và nhường (-e) như (Cl2)

+ Pigment có độ mịn và độ phân tán cao:

Thông thường thì cường độ màu của mực in được quyết định bởi nồng độ, kích thước hạt pigment sử dụng, quan hệ này được thể hiện trên đồ thị sau :

(µm)

Hình 1.1 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa cường độ màu

và kích thước hạt pigment

Từ đồ thị hình (1.1) ta thấy kích thước hạt pigment càng nhỏ, càng mịn thì

cường độ màu càng cao Pigment thường có tỷ trọng 1,4 đến 4 g/cm3 Nếu tỷ trọng

của pigment lớn dễ dẫn đến hiện tượng các hạt pigment bị lắng xuống đáy, sự phân

tán của pigment trong môi trường chất liên kết sẽ kém, không đồng đều Thông

thường để tăng khả năng phân tán các hạt pigment đều trong lòng chất liên kết,

người ta sử dụng thêm các chất phân tán

+ Khả năng thấm dầu hay chất liên kết của pigment:

Thông thường để đánh giá khả năng này thì người ta dùng hệ số dầu là tỷ số

giữa lượng chất liên kết cần thiết để chuyển hoá lượng pigment từ bột sang dạng

nhão (hệ số dầu M) Để giảm chỉ số này phải tăng hàm lượng pigment trong mực

Khi hàm lượng Pigment quá nhiều mà lượng chất liên kết trong mực không đủ lớn

để tạo khả năng bám dính thì độ dính của mực cũng giảm

+ Độ cứng của pigment:

Thông thường thì pigment tồn tại ở 2 dạng cấu trúc là dạng tinh thể và dạng

cấu trúc vô định hình Tinh thể của pigment càng lớn thì hạt càng cứng, ổn định

nhưng khả năng thấm ướt giảm

+ Khả năng làm đục mực của pigment:

Pigment quyết định các tính chất quang học của mực in Theo nghiên cứu thì

các mực in có màu đục sẽ được in trước, màu trong thường in sau Để tạo ra được

Np: Chỉ số khúc xạ của pigment

Nlk : Chỉ số khúc xạ của chất liên kết

Nếu |Np – Nlk| Æ 0: ta sẽ thu được mực trong

Nếu |Np – Nlk| càng khác 0: ta sẽ có mực đục

+ Độ bền màu của pigment:

Màu sắc của mực in do thành phần pigment có trong mực quyết định Pigment quyết định độ bền màu của mực in trước các tác động của môi trường Tuỳ từng yêu cầu, mục đích khác nhau, khi sản xuất mực in người ta sẽ lựa chọn các chất màu với tông màu khác nhau Mỗi loại chất màu đều có các giá trị cường độ màu khác nhau với hiệu suất sử dụng cao

Bảng 2.1 Một số loại pigment thường được sử dụng

Bảng 2.2 Khả năng bền của pigment với một số các tác động của môi trường

Chất liên kết là chất lỏng, có độ dính nhất định, nhớt và có khả năng dàn thành màng mỏng Chất liên kết quyết định độ dính, độ đặc loãng, quyết định tính xúc biến và lưu biến của mực in

Chất liên kết ảnh hưởng đến các tính chất quang học của mực in như độ trong của mực in, màu sắc

Khác với các chất liên kết sử dụng trong mực in dung môi và các mực in khác, ở mực in gốc nước chất liên kết chiếm đến 50% là nước và một số chất có khả năng tạo thành lớp màng bao quanh hạt pigment được phân tán đồng đều trong môi trường và có khả năng tạo ra sự bám chắc lên trên bề mặt vật liệu in sau khi khô

Các chất liên kết loại này thường có 3 nhóm sau:

- Nhóm chất liên kết tan được trong nước

Thông thường là các polyme có khả năng tan tốt và duy trì trạng thái hoà tan lâu dài trong nước như:

+ Các poly vinyl ancohol (PVA)

+ Hydroxy ethyl cellulose

+ Polyvinyl pyrrolidone

Đây chính là các polyme tan hoàn toàn trong nước Đặc điểm của nhóm này

là lớp mực sẽ bị tan ra khi tiếp xúc với nước Nói cách khác, độ bền màu với nước không cao Do vậy người ta thường hạn chế việc sử dụng loại mực có chất liên kết loại này Mực in sử dụng loại chất liên kết tan trong nước thường dùng để in lên các vật liệu mà đặc thù sản phẩm là ít phải chịu tác động của môi trường nước

- Nhóm chất liên kết hoà tan trong môi trường kiềm

Người ta sử dụng các dung dịch kiềm cùng với nhựa axit để làm chất liên kết Điều này sẽ tạo ra các loại muối có khả năng tan được trong nước Các chất liên kết loại này có khả năng làm ẩm và phân tán các hạt màu tốt Các chất liên kết này tồn tại trong dung dịch mực ở dạng muối tan trong nước và hình thành màng bao quanh phân tách các hạt pigment, tạo khả năng phân tán tốt Có rất nhiều loại nhựa

có thể được dùng để tạo chất liên kết cho mực in loại này Một số các đặc tính như

khả năng chịu được nhiệt, khả năng chịu mài mòn mà nhựa liên kết có được sẽ làm tăng cường các tính chất đó trong mực in

Về cơ bản các chất liên kết loại này được lựa chọn phải có khả năng hoà tan trong nước để đảm bảo khả năng in tốt của mực in và sẽ trở lại dạng nhựa khi màng mực khô trên nền vật liệu Do vậy, mực in không có khả năng tan được trong môi trường nước khi khô Các loại nhựa axit tan trong dung dịch amoniac hoặc amin có giá trị pH = 8 - 9 thường được sử dụng là:

có khả năng phân tán được tốt hơn, do các amin bay hơi chậm hơn các amoniac

- Chất liên kết phân tán

Chất liên kết phân tán có kích thước nhỏ, nên nó được phân bố lơ lửng trong nước Các chất liên kết phân tán thường là các polyme ở trạng thái keo hoặc nhũ tương huyền phù trong nước như:

+ Acrylic vinyl

+ Styrene butadien

Khi các chất liên kết loại này khô sẽ tập hợp thành màng keo đồng đều có độ bền tốt và tạo độ bóng đẹp Sử dụng chất liên kết phân tán cho mực in có độ nhớt thấp Khi các phân tử polyme lớn giúp cho mực in sau khi khô có khả năng chịu được mài mòn tốt hơn và có lực bám dính tốt hơn so với các loại polyme có phân tử nhỏ

Nhược điểm chính của các chất liên kết dạng này là không có khả năng cải thiện tốt đặc tính in của mực, khó khăn trong việc điều chỉnh và vận hành cũng như khả năng làm sạch mực

Từ một số ưu điểm và nhược điểm của các dạng chất liên kết trên người ta có thể tiến hành pha trộn các chất liên kết đó với nhau để vẫn đảm bảo phát huy và giữ được các tính chất tốt nhất của từng chất đồng thời vẫn đảm bảo được các đặc tính

in tốt của mực cũng như các tính chất hoá lý khác

2.2.3 Chất phụ gia

Với việc sử dụng dung môi là nước nên mực in gốc nước có những hạn chế nhất định so với các loại mực in gốc dầu và gốc dung môi khác Vì vậy, người ta sử dụng các chất phụ gia để tăng cường và cải thiện một số tính chất của mực in, giúp cho mực in gốc nước đạt được các đặc tính in phù hợp

Chất phụ gia được sử dụng trong mực in gốc nước chiếm khoảng 5% khối lượng của hệ mực và phải đảm bảo các điều kiện:

+ Có khả năng tan tốt trong dung môi nước

+ Không làm thay đổi đáng kể độ nhớt của mực

+ Không hấp phụ màu sắc gây ảnh hưởng đến màu sắc của mực in

+ Có tác dụng điều chỉnh các tính năng của mực theo yêu cầu

Nhìn chung, có nhiều loại chất phụ gia được sử dụng trong mực in Đối với mỗi yêu cầu cụ thể trong sản xuất và sử dụng mực in mà người ta sẽ cho thêm các chất phụ gia cần thiết Một số chất phụ gia thường được sử dụng trong mực in gốc nước là:

2.2.3.1 Chất làm tăng khả năng phân tán:

Do dung môi sử dụng là nước nên khả năng phân tán các thành phần của mực in gốc nước kém hơn so với mực in gốc dầu và gốc dung môi Vì vậy cần phải

sử dụng chất phân tán trong hệ mực in gốc nước Các chất này sẽ làm tăng độ bền phân tán cho mực in và duy trì tốt trạng thái phân tán của mực Các chất phụ gia làm tăng khả năng phân tán thường được sử dụng với hàm lượng khoảng 0,1 - 3,5% tổng khối lượng của hệ mực gốc nước

Chất làm tăng khả năng phân tán hiện nay có hai loại: chất phân tán ion và chất phân tán trung hòa về điện tích

+ Chất phân tán ion: Sự hấp phụ của các loại chất này thường dẫn tới sự phân bố ion trên lớp điện tích kép xung quanh hạt mang điện Khi phân li vào dung dịch, chất phân tán ion tạo lên trên bề mặt các hạt pigment một lớp điện tích và khi các hạt pigment này tiến lại gần nhau thì tạo ra một ái lực điện tích kép giữa các hạt pigment và ngăn không cho chúng có xu hướng kết tụ lại với nhau

+ Chất phân tán trung hòa về điện: Đây thường là những polyme hoặc oligome có khối lượng phân tử lớn Là chất trung hòa về điện có các mạch polyme

có cấu trúc không gian đặc biệt Khi hấp phụ lên trên bề mặt pigment, chất này sẽ tạo ra các hiệu ứng không gian không cho các hạt pigment tích tụ lại với nhau Có

ba dạng chất phân tán kiểu trung hòa về điện tích là: dạng có mạch polyme là mạch thẳng, dạng có mạch polyme là hình lược và dạng có mạch polyme là mỏ neo Trong đó, dạng có mạch polyme là hình mỏ neo là dạng tạo ra hiệu ứng không gian tốt nhất và là loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay

2.2.3.2 Chất hoạt động bề mặt:

Ở trên bề mặt phân chia pha lỏng (mực in) - rắn (vật liệu màng) Các phần tử trong mực in luôn chịu ảnh hưởng của các lực phân tử từ các phân tử xung quanh Các phân tử mực nằm ở bên trong khối chất lỏng được bao bọc đối xứng xung quanh bởi các phân tử chất lỏng cùng loại khác nên lực tổng cộng được cân bằng (bằng 0) Ở trên bề mặt vật liệu màng, một mặt các phân tử mực bị các phân tử cùng loại tương tác, mặt khác chúng còn bị các phân tử vật liệu màng tương tác Khi đó, lực tổng cộng có thể kéo phân tử mực ở bề mặt vào bên trong chất lỏng hoặc đẩy nó

ra phía ngược lại Điều này tạo nên góc thấm ướt trên bề mặt vật liệu màng

Hình 2.1: Minh họa góc thấm ướt

Như vậy, để mực in có thể thấm ướt được bề mặt của màng thì năng lượng

bề mặt (sức căng bề mặt) của màng phải cao hơn năng lượng bề mặt (sức căng bề

Polyethylene terephthalate (polyester) 43

Polyhexamethylene adipate (nylon) 46

Bảng 2.2: Một số giá trị năng lượng bề mặt (sức căng bề mặt) của chất lỏng

Ethanol 22,0 Ethylene acetate 24,0

Acetone 26,3 Ethylene glycol 48,4

Nước 72,8

Qua bảng các giá trị năng lượng bề mặt nêu trên có thể nhận thấy khi sử

dụng các dung môi như Ethanol (22 dyn/cm) hay Ethylene acetate (24 dyn/cm)

trong thành phần mực thì mực in có thể dễ dàng thấm ướt lên trên bề mặt vật liệu

màng do chúng có sức căng bề mặt nhỏ hơn Nhưng khi sử dụng mực in gốc nước

(72 dyn/cm), do có sức căng bề mặt lớn, mực in khó có khả năng thấm ướt được

trên bề mặt vật liệu màng, do đó cần thiết phải sử dụng các chất phụ gia để làm

giảm sức căng bề mặt của mực in, giúp mực in gốc nước có thể thấm ướt được trên

bề mặt màng

Chất hoạt động bề mặt là chất làm ướt có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt

của một chất lỏng, đây là chất có cấu tạo phân tử phân cực với một đầu ưa nước và

Chất hoạt động bề mặt sẽ làm giảm sức căng bề mặt tại bề mặt tiếp xúc của hai chất lỏng Nếu có nhiều hơn hai chất lỏng không hòa tan thì chất hoạt hóa bề mặt làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai chất lỏng đó Khi cho chất hoạt hóa bề mặt vào trong một chất lỏng thì các phân tử của chất hoạt hóa bề mặt có xu hướng tạo mixen Nồng độ mà tại đó các phân tử bắt đầu tạo mixen được gọi là nồng độ tạo mixen tới hạn Nếu chất lỏng là nước thì các phân tử sẽ chụm đầu kị nước lại với nhau và quay đầu ưa nước ra tạo nên những hình dạng khác nhau như hình cầu, hình trụ, dạng màng như trên hình (2.2 và 2.3):

Hình 2.2: Mixen dạng hình cầu

Hình 2.3: Mixen dạng màng

Tính ưa nước và kị nước của một chất hoạt hóa bề mặt được đặc trưng bởi thông số HLB (Hydrophile – Lipophile Balance) Giá trị này có thể dao động từ 0 đến 40 HLB càng cao thì hóa chất càng dễ hòa tan trong nước, HLB càng thấp thì hóa chất càng dễ hòa tan trong các dung môi không phân cực như dầu

Chất hoạt hóa bề mặt được phân theo các loại khác nhau tùy thuộc vào tính chất Nếu xét theo tính chất điện của đầu phân cực của phân tử chất hoạt hóa bề mặt thì có thể phân thành hai loại: chất hoạt hóa ion và chất hoạt hóa phi ion

- Chất hoạt hóa ion: Đầu phân cực bị ion hóa

+ Chất hoạt hóa dương: khi bị phân cực thì đầu phân cực mang điện dương Ví dụ: Cetyl trimetyl amoni bromua, Cetyl trimetyl ammonium bromua, Poly ethoxylate tallow amin …

+ Chất hoạt hóa âm: khi bị phân cực thì đầu phân cực mang điện âm Ví dụ: Natri dodecyl sulfat, Amoni lauryl sulfat, các muối ankyl sulfat, Natri lauryl este sulfat …

+ Chất hoạt hóa lưỡng cực: là chất hoạt động bề mặt có các nhóm lưỡng cực vừa tích điện âm vừa tích điện dương (amin, este) tùy vào pH của dung môi Ở

pH thấp chúng là chất hoạt động bề mặt dương còn ở pH cao thì chúng là chất hoạt động bề mặt âm Ví dụ: Dodecyl dimetylamin oxit, Cocamidopropyl betain, Coco ampho glycinat …

- Chất hoạt hóa phi ion: Đầu phân cực không bị ion hóa Ví dụ: Ankyl poly(etylen oxit), Copolyme của poly(etylen oxit) và poly(propylen oxit), các ankyl polyglucozit …

2.2.3.3 Chất chống tạo bọt:

Hiện tượng tạo bọt hình thành trong quá trình khuấy trộn, nghiền mực và trong quá trình in Bọt khí hình thành sẽ làm cho mực khi in ra không đồng đều về mật độ làm cho chất lượng sản phẩm in ra thấp Đối với mực in gốc nước, hiện tượng tạo bọt xảy ra rất mạnh Vì vậy, để ngăn ngừa hiện tượng này người ta bổ sung thêm chất chống tạo bọt vào trong thành phần mực Chất chống tạo bọt sẽ phá

vỡ bọt ngay khi chúng mới hình thành

Về bản chất, các chất chống tạo bọt là những chất có sức căng bề mặt nhỏ Các chất này có khả năng xâm nhập qua các màng bọt và tồn tại trong dung dịch dưới dạng keo phân tán hoặc nhũ tương Thành phần của chất chống tạo bọt không hòa tan vào thành phần của các chất trong mực do đó chúng nổi lên trên bề mặt lớp mực và phá vỡ lớp bong bóng khí Tuy nhiên, sau một thời gian, chất chống tạo bọt trở nên kém hiệu quả vì chúng phân tán và bị hấp phụ vào trong mực Để khắc phục

2.2.3.5 Chất kháng nấm:

Hầu hết các sản phẩm gốc nước đều đòi hỏi phải sử dụng các chất phụ gia ngăn chặn sự phát triển của nấm mốc Các chất phụ gia này được sử dụng với một lượng rất nhỏ trong mực in nhưng có vai trò hết sức quan trọng trong quá trình bảo quản mực lâu dài

2.3 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA MỰC IN GỐC NƯỚC

Về cơ bản thì các tính chất của mực in được thể hiện rõ nét nhất trong quá trình in Một loại mực in tốt phải có khả năng tạo ra độ bền của mực trên bề mặt vật liệu in, in phải sạch, không tạo ra những vết bẩn và không bắt mực vào những chỗ không in Mực phải có những tính chất đặc trưng cơ bản như độ bóng, khả năng chịu mài mòn hay độ bền cơ học, tốc độ khô của màng mực trên các loại vật liệu in khác nhau Trong sản xuất chúng ta phải lựa chọn sự tối ưu của một vài thông số mà không thể thoả mãn tất cả các thông số khác

2.3.1 Độ nhớt của mực in

Một loại mực in gốc nước gọi là lý tưởng nếu như với một độ nhớt thấp nhất

nó vẫn có khả năng cho giá trị màu tối đa Mực in có độ nhớt khác nhau, phụ thuộc vào các yêu cầu về các sắc thái màu riêng biệt, bề mặt vật liệu đang được in và tốc

độ in của máy in Trong thực tế thì độ nhớt này phụ thuộc vào các dạng thuốc nhuộm, pigment và đồng thời phụ thuộc vào dạng tự nhiên của các chất mang Các loại mực được làm từ thuốc nhuộm thường có độ nhớt thấp hơn so với các loại mực làm từ chất màu là pigment Điều này được lý giải là do các thuốc nhuộm có khả năng phân tán tốt, trong khi đó các hạt pigment lại bị lơ lửng, khó phân tán, dễ tạo hiện tượng vón cục hay lắng đọng trong các chất mang

Các pigment thông thường có sự ngả màu ít hơn so với thuốc nhuộm Do vậy, để có loại màu có cường độ cao riêng biệt khác nhau thì hàm lượng pigment trong mực in gốc nước phải cao hơn so với hàm lượng thuốc nhuộm, chính điều này góp phần làm cho độ nhớt của mực in tăng lên

Tính chất dòng chảy của mực in sử dụng chất màu là pigment phụ thuộc vào thành phần cấu tạo hoá học, kích thước và hình dạng của các hạt pigment được sử dụng, cũng như là hàm lượng của chúng ở trong mực in Đôi khi sự khác biệt của độ chảy giữa các loại pigment cũng có thể được giảm thiểu thông qua việc làm tăng thêm hàm lượng chất phụ gia cho vào nhưng thông thường độ chảy mong muốn vẫn không đạt được và việc thêm hàm lượng này vào mực cũng sẽ làm giảm cường độ màu của mực in

Sự khác biệt giữa pigment và thuốc nhuộm qua khía cạnh ảnh hưởng của chúng đến độ nhớt ngày càng trở nên ít rõ ràng khi các loại pigment có cường độ màu đậm hơn và chúng ít bị ngả màu Thêm vào đó ngày càng có nhiều phương pháp mới để phân tán các hạt pigment như thực hiện quá trình xục đẩy đối lưu để tạo sự phân tán tốt, làm cho cường độ màu của mực in được gia tăng tối đa đồng thời góp phần làm cho độ nhớt của mực in thấp hơn do khả năng làm ướt của các hạt pigment sẽ được cải thiện tốt hơn

Có nhiều loại mực in gốc nước là loại mực bán phần pigment có chứa hỗn hợp của cả thuốc nhuộm và các hạt pigment Việc sử dụng loại mực hỗn hợp này khi cần thu được một sắc thái màu riêng biệt mà vẫn đảm bảo độ nhớt yêu cầu

Các chất mang khác nhau được sử dụng trong mực in gốc nước sẽ làm thay đổi độ nhớt của mực, phụ thuộc vào dạng tự nhiên của nhựa hoặc nồng độ của chúng ở trong dung dịch

Các vật liệu tạo màng và nhựa khác nhau cũng sẽ làm thay đổi độ nhớt phụ thuộc vào tính chất hoá học cũng như khả năng trùng hợp của các polyme

Độ nhớt của mực in được sử dụng cho quá trình in còn phụ thuộc vào tốc độ của máy in và bề mặt vật liệu in, cho nên mỗi kiểu và hệ thống của máy in có thể được xác định với độ nhớt giới hạn cho phép thấp hơn của một loại mực in thông thường để thu được chất lượng in như mong muốn Sự pha trộn mực in của máy in cũng phụ thuộc vào các nhân tố trên

2.3.2 Độ dính của mực

Độ dính phụ thuộc vào độ nhớt và tỉ số nhựa liên kết / hàm luợng pigment có trong mực in

Mỗi một loại mực phải có đủ độ dính để đạt được sự truyền mực tốt nhất từ

lô anilox tới bản in cũng như tới vật liệu in Nếu độ dính quá cao thì sẽ gây hiện tượng làm rách giấy hoặc vật liệu in, độ dính thấp quá thì sẽ không đảm bảo cho màng mực in có thể kết dính tốt trên bề mặt vật liệu in

Có nhiều phương pháp kiểm tra khả năng bám dính, như phương pháp Scotch tape, phương pháp Scubbing Như đã đề cập ở trên, độ dính của mực in gốc nước sẽ phụ thuộc chủ yếu vào thành phần các chất mang và nhựa được sử dụng trong mực Pigment và thuốc nhuộm cũng ảnh hưởng một phần đến khả năng bám dính của mực lên bề mặt vật liệu in nhưng thực tế khả năng bám dính phụ thuộc chủ yếu vào nhựa liên kết Trong in Flexo, sản phẩm in thường có số lượng lớn, bề mặt vật liệu in cũng đa dạng và có các đặc thù khác nhau Để phù hợp cho các bề mặt vật liệu in khác nhau, mực in cũng phải có các tính chất thích hợp để hỗ trợ cho khả

năng bám dính của màng mực Do vậy người ta sử dụng các loại nhựa khác nhau cho mỗi đặc thù riêng đó, ví dụ một số các loại nhựa khác nhau hay được sử dụng là: nhựa sellac, nhựa maleic và polyamide Thông thường thì sự kết hợp của nhiều loại nhựa sẽ có khả năng bám dính tốt hơn khi sử dụng đơn thuần một loại nhựa liên kết Do đó việc sử dụng hỗn hợp các loại nhựa khác nhau sẽ giúp cho mực in có được các đặc tính in tốt, cho phép có thể tăng tốc độ của máy in hoặc ngăn cản quá trình tạo vón trong máng mực

2.3.3 Độ khô của mực

Tốc độ khô của mực sẽ phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ của máy in, hệ thống sấy, vật liệu sẽ được in lên cũng như thành phần cấu tạo của dung môi có trong mực Sự điều chỉnh tốc độ khô thu được thông qua việc sử dụng các dung môi có khả năng khô khác nhau, cũng như việc lựa chọn các loại nhựa tương thích với các tính chất của dung môi trong hệ thống

Việc in lên các vật liệu in như vỏ bao bì giấy và túi hộp bánh kẹo thường sử dụng mực in gốc nước Trong những trường hợp này, mực in được in trên những vật liệu có khả năng thấm hút cao và khi đó quá trình khô chủ yếu là nhờ thấm hút nhiều hơn thông qua sự bay hơi Đôi khi máy in có thể đạt được tốc độ cao khi in một màu nhưng khi in nhiều màu thì tốc độ của máy lại thấp hơn khi sử dụng cùng loại mực in với dung dung môi có tốc độ bay hơi nhanh

2.3.4 Độ bền màu của mực

Thông thường, để thu được màng mực có độ bền màu cao thì đòi hỏi màng mực in ra phải mỏng và đều, đây là yếu tố cần thiết đem lại sự bền màu và các tính chất màng mực như mong muốn

Muốn đạt được điều này chất liên kết phải có độ nhớt thấp và kết hợp với pigment có nồng độ cao, đồng thời phải tạo ra sự phân tán tốt của pigment trong mực in Độ bền màu cao khi nồng độ thể tích pigment cao nhưng khi tăng nồng độ này lên thì khả năng thể hiện màu của mực trên sản phẩm in có thể bị thay đổi Nếu đưa ra một lượng pigment cần thiết nhất định để có được độ bền màu hoặc tông

màu theo như mong muốn thì với một lượng nhựa ít nhất phù hợp để thu được kết quả này lại rất quan trọng Nếu như hàm lượng pigment giảm, nhựa phải được cải tiến, độ bóng phải tăng và tất nhiên là các tính chất khác cũng phải thay đổi

Khi độ bền màu đã đạt được tốt thì độ nhớt vẫn có thể quá cao hoặc quá thấp Nếu độ nhớt quá thấp sẽ gây ra sự thu hẹp diện tích và làm mất mát các đường nét, còn nếu độ nhớt quá cao sẽ làm bẩn tờ in Để đảm bảo có được chất lượng in tốt thì

độ nhớt phải được điều chỉnh một cách phù hợp Nếu màu quá đậm thì cho thêm vecni vào; nếu màu yếu, nhạt thì bổ sung thêm chất màu

Bên cạnh các yếu tố ảnh hưởng trên thì độ bền màu của mực in còn phụ thuộc vào các điều kiện khác như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng của môi trường, sự có mặt của các tác nhân như axit, kiềm…

2.3.5 Tính chất quang học của mực

Các tính chất về màu sắc và độ bóng của mực in bị ảnh hưởng bởi các chất trong thành phần của mực in Màu sắc ảnh hưởng bởi cường độ màu và độ bền, các yếu tố này lại phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính của pigment như: nồng độ, loại pigment sử dụng và kích cỡ của hạt pigment hay đôi khi là loại thuốc nhuộm sử dụng Trong khi đó độ bóng của mực lại chịu ảnh hưởng chủ yếu của cả hai yếu tố pigment hay thuốc nhuộm và loại chất liên kết sử dụng Để tăng độ bóng người ta còn sử dụng thêm các chất phụ gia khác cho mực in

Độ trong, độ đục của mực in thể hiện khả năng phản xạ lại ánh sáng của mực

in khi được chiếu sáng Các tính chất này phụ thuộc chủ yếu vào chất liên kết, phụ gia có trong mực in

Khả năng phủ của mực in chủ yếu liên quan đến hàm lượng chất màu có trong mực, cường độ và độ mịn của hạt màu Độ phủ là số đo lượng mực trên một đơn vị diện tích cần để tạo ra một cường độ màu sắc nào đó của mực in Với một loại mực in gốc nước tốt có độ phủ cao thì chỉ cần sử dụng một lượng mực ít có thể

in trên một diện tích lớn, tạo ra màng mực mỏng và điều này sẽ mang lại hiệu quả

2.4 CÁC ƯU ĐIỂM CỦA MỰC IN GỐC NƯỚC SO VỚI CÁC LOẠI MỰC IN KHÁC

Những ưu điểm cơ bản của mực in gốc nước là:

- Khả năng an toàn cao cho quá trình sử dụng mực Nguy cơ cháy thấp, lượng các dung môi độc hại ít, chất thải không ảnh hưởng đến nguồn nước và môi trường xung quanh

- Cho phép người thợ in dễ dàng vận hành điều khiển, tiết kiệm nguồn năng lượng sử dụng góp phần làm giảm chi phí cho sản phẩm, tạo khả năng cạnh tranh tốt hơn

- Bên cạnh đó thì việc sử dụng mực in gốc nước giúp cho quá trình vệ sinh, lau chùi máy móc thiết bị cũng dễ dàng hơn

- Mực in gốc nước có khả năng tạo ra màng mực mỏng hơn, có cường độ màu cao, độ phủ tốt nên sẽ dễ dàng và thuận tiện cho việc in trên các vật liệu là màng mỏng

CHƯƠNG III

GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIỀN MỰC

3.1 MỤC ĐÍCH CỦA QUÁ TRÌNH NGHIỀN MỰC

Nghiền là quá trình làm giảm kích thước của hạt từ kích thước ban đầu đến kích thước sử dụng Quá trình nghiền có các đặc tính được thể hiện qua mức độ nghiền, độ lớn của hạt và thành phần hạt của vật liệu nghiền

Quá trình nghiền mực trong sản xuất mực nói chung và mực in gốc nước nói riêng có tác dụng:

- Tăng sự phân tán của pigment và các chất phụ gia vào chất liên kết làm cho pigment phân tán đồng đều và ổn định trong mực thành phẩm

- Giảm kích thước hạt pigment trong mực thành phẩm so với kích thước hạt pigment ban đầu Ưu điểm của việc làm giảm kích thước hạt pigment là:

+ Giảm sự sa lắng của pigment theo thời gian trong mực thành phẩm + Lớp pigment trong màng mực mỏng đi (nhưng vẫn đảm bảo cường độ màu cao - đồ thị hình 1.1), tiêu tốn pigment ít nên sẽ làm giảm giá thành của mực

+ Hạt pigment nhỏ sẽ tạo ra lớp mực in mỏng nên quá trình khô của màng mực diễn ra nhanh Do đó, thời gian sấy khô sản phẩm giảm nên tiết kiệm được năng lượng, giảm chi phí sản xuất

3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc chung của máy nghiền bi

Về cơ bản các loại máy nghiền bi đều có cấu tạo và nguyên lý làm việc dựa trên một cơ sở chung giống nhau Máy nghiền bi có cấu tạo cơ bản gồm thùng chứa hình trụ hoặc hình nón bằng thép, bên trong thành thùng chứa có gắn các tấm lót Thùng chứa là nơi chứa các hạt bi làm bằng thép hoặc sứ cùng với vật liệu nghiền (mực)

Hình 3.1: Cấu tạo cơ bản của máy nghiền bi

Thùng chứa được dẫn động nhờ một động cơ thông qua các bộ truyền Khi thùng chứa quay theo trục ngang với một tốc độ nhất định phù hợp với công nghệ, các bi nghiền chịu lực ly tâm được đẩy tới một điểm và từ đó chúng sẽ đi xuống thay thế viên khác và chạm vào mặt trong thùng chứa Ngoài ra khi bi nghiền chuyển động trượt theo vỏ thùng chứa cũng làm chà sát nguyên liệu với tấm lót của thùng chứa Khi đó kích thước của hạt pigment nằm giữa hai viên bi sẽ được giảm

dần Thùng chứa sẽ được quay tiếp tục cho đến khi độ phân tán cần thiết đạt được, khoảng thời gian này có thể kéo dài đến 24 giờ

3.2.2 Phân loại máy nghiền bi

- Theo nguyên tắc làm việc:

+ Máy nghiền bi làm việc gián đoạn

+ Máy nghiền bi làm việc liên tục

- Theo đặc tính làm việc:

+ Máy nghiền bi làm việc theo chu trình kín

+ Máy nghiền bi làm việc theo chu trình hở

- Theo phương pháp nghiền:

+ Máy nghiền bi nghiền khô

+ Máy nghiền bi nghiền ướt

- Theo hình dạng không gian làm việc:

+ Máy nghiền bi hình trụ

+ Máy nghiền bi hình nón

Ngoài ra còn một số cách phân loại khác như phân loại theo phương pháp tháo liệu, cơ cấu nạp liệu…

Máy nghiền bi (nghiền ướt) có ưu điểm là:

- Cho kích thước hạt sau khi nghiền nhỏ cỡ µm

- Vật liệu nghiền được trộn đồng nhất và ổn định

- Kết cấu máy đơn giản, làm việc ổn định tin cậy

Vì vậy, máy nghiền bi (nghiền ướt) được ứng dụng rộng rãi và phù hợp cho việc sản xuất mực in

Ngoài những ưu điểm ở trên thì máy nghiền bi có cấu tạo thùng chứa quay theo trục ngang còn có những nhược điểm cơ bản là:

- Năng suất không cao

- Thể tích sử dụng chỉ chiếm 35 - 45% thùng máy

- Máy nghiền thường tạo tiếng ồn và khó cọ rửa

- Kích thước máy lớn, tiêu hao năng lượng nhiều

- Mực in có thể bị nhiễm bẩn trong quá trình cọ sát với lớp lót của thành thùng chứa

Những nhược điểm trên đòi hỏi có một số thay đổi trong nguyên lý của máy nghiền bi để thiết bị cho hiệu suất tốt hơn trong việc nghiền mực lỏng Một phương pháp làm tăng tốc độ của quá trình nghiền bi là sử dụng thùng chứa tĩnh và điều khiển bi thép hoặc bi sứ quay xung quanh thùng chứa bởi hoạt động của một trục trung tâm Thiết bị hoạt động theo nguyên lý của sự mài mòn để làm giảm kích thước và phân tán đều hạt pigment trong mực Ta chỉ xem xét cụ thể máy nghiền bi ướt mà ta sẽ nghiên cứu sử dụng cho nghiền mực in gốc nước

3.2.3 Máy nghiền bi đĩa (nghiền ướt)

Hình 3.2: Máy nghiền bi đĩa

- Nguyên lý cấu tạo chung:

Máy nghiền bi đĩa có cấu tạo gồm một thùng chứa tĩnh hình trụ được đặt thẳng đứng bên trong chứa các hạt bi làm bằng thép hoặc sứ Một trục khuấy có gắn các đĩa thép được đặt ở trung tâm thùng chứa có tác dụng điều khiển hoạt động của các viên bi Trục khuấy được dẫn động nhờ một động cơ thông qua các bộ truyền Trục khuấy có gắn các đĩa thép nằm song song và cách nhau một khoảng nhất định Đĩa thép gắn trên trục khuấy là một đĩa hình tròn trên bề mặt có khoét các lỗ và rãnh đối xứng nhau để tạo dòng chuyển động và thoát bi khi nghiền

Đối với các loại mực gốc dung môi, trong quá trình nghiền trộn có thể sinh nhiệt làm bay hơi một phần lượng dung môi Do đó, thùng chứa có thể cấu tạo gồm hai vỏ, giữa hai lớp vỏ này có nước làm lạnh tuần hoàn để làm mát cho hỗn hợp mực trong quá trình nghiền

Hình 3.3: Cấu tạo cơ bản của máy nghiền bi đĩa

1: Thùng chứa 2: Trục khuấy 3: Đĩa thép

4 Lưới chắn + bi nghiền