GIỚI THIỆU VỀ MỰC IN FLEXO GỐC NƯỚC
Giới thiệu chung
Trong bối cảnh ngành công nghiệp bao bì phát triển nhanh chóng, công nghệ in Flexo nổi bật với khả năng in ấn đa dạng trên nhiều loại sản phẩm như tem nhãn, giấy gói, phong bì, túi đựng và thùng chứa hàng Flexo có thể in trên các vật liệu như giấy, màng polymer, màng kim loại, carton, plastic, thủy tinh và cao su Phương pháp in này không chỉ đảm bảo chất lượng cao mà còn mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội.
Mực in gốc dung môi là loại mực phổ biến trong công nghệ in Flexo, đặc biệt trên vật liệu nền không thấm hút Thành phần chính của mực dung môi bao gồm chất màu, chất liên kết, dung môi và các chất phụ gia Hàm lượng cao dung môi hữu cơ giúp tăng tốc độ khô của mực và cải thiện độ bám dính của màng mực trên bề mặt vật liệu Bên cạnh đó, dung môi còn giảm sức căng bề mặt của mực, tạo ra màng mực mỏng và mịn.
Mực dung môi, chiếm tới 60-80% hàm lượng, là tác nhân chính gây hại cho môi trường và sức khỏe người lao động trong ngành in Flexo, dẫn đến nhiều bệnh lý về hô hấp và dị ứng da Do đó, mực dung môi đang dần mất thị phần, được thay thế bởi mực in gốc nước Theo thống kê, tỷ lệ tiêu thụ mực in gốc nước đã gần gấp đôi so với mực dung môi vào năm 2000 (65% so với 35%), và dự kiến trong tương lai, mực dung môi sẽ gần như không còn Việc sử dụng mực in gốc nước không chỉ giúp giảm thiểu đáng kể việc sử dụng hợp chất dung môi hữu cơ dễ bay hơi độc hại (VOC) mà còn bảo vệ sức khỏe người lao động và môi trường Năm 1989, mực in gốc nước của HSC chỉ chứa 10%-20% VOC.
Năm 1996, hàm lượng mực in trung bình đã giảm và được đánh giá là an toàn nhất, trong khi mực gốc dung môi hữu cơ chiếm tới 50% VOC Điểm khác biệt lớn nhất giữa mực nước và mực dung môi là việc nước thay thế cho dung môi hữu cơ, dẫn đến đặc tính in của mực nước kém hơn Ba vấn đề chính với mực in gốc nước bao gồm khả năng phân tán của chất màu pigment trong nước, khả năng lan truyền và bám dính trên vật liệu nền không thấm hút như màng polyme, cùng với tốc độ khô của mực.
Để giải quyết bài toán này, cần lựa chọn chất phân tán, chất liên kết và quy trình công nghệ phù hợp Bên cạnh đó, các phụ gia, đặc biệt là chất hoạt động bề mặt, đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh khả năng truyền mực trên bề mặt không thấm hút.
Mực in là một hệ thống phân tán bao gồm ba thành phần chính: chất tạo màu, chất liên kết và các chất phụ gia Những phụ gia này được sử dụng để điều chỉnh các tính chất khác nhau của mực, như độ nhớt, độ dính và tốc độ khô.
Hiện tại có nhiều cách để phân loại mực in, tuy nhiên ở đây sẽ phân loại mực in dựa trên thành phần hóa học và phương pháp in
1.1.1.1 Phân loại mực theo phương pháp in
Tương ứng với 5 phương pháp in cơ bản có 5 loại mực chính:
Mực in offset được phân loại thành hai loại: offset cuộn và offset tờ rời Với độ nhớt cao và thời gian khô lâu, mực offset cần sử dụng hệ thống sấy khô để làm khô màng mực Sau khi sấy, màng mực thường có tính dẻo và cần hệ thống làm lạnh để cứng lại, đồng thời mang lại độ bóng cao Mực chứa hàm lượng lớn dung môi hydrocacbon dễ bay hơi, chiếm đến 50% khối lượng, gây ra khí thải như xylen, toluen và các chất độc hại khác Để giảm thiểu dung môi trong mực, thay vì để mực khô tự nhiên, người ta sử dụng hệ thống chiếu xạ bằng tia hồng ngoại hoặc tử ngoại để thúc đẩy quá trình oxy hóa và làm khô màng mực.
Mực in Flexo có độ nhớt thấp và tương tự như mực in lõm, với tốc độ khô nhanh Phương pháp in Flexo (In cao) tạo ra màng mực mỏng và đồng đều trên bề mặt vật liệu nhờ vào quá trình in trực tiếp Mực được lấy từ máng mực lên lô Anilox chứa hàng triệu vi lỗ nhỏ, sau đó truyền lên bản in và qua vật liệu in Do đó, mực in Flexo yêu cầu có cường độ màu cao để đảm bảo chất lượng in ấn.
Mực in ống đồng có độ nhớt thấp, điều này rất quan trọng vì độ nhớt cao sẽ cản trở quá trình truyền mực và làm đầy mực vào các phần tử in trên trục ống đồng, ảnh hưởng đến hiệu quả in ấn.
Mực in chủ yếu được hình thành nhờ sự bay hơi của dung môi, với độ nhớt thay đổi tùy thuộc vào hình dạng và độ sâu của phân tử in, tốc độ máy in, loại chất liên kết, tốc độ bay hơi của dung môi và điều kiện môi trường Nhựa trong mực in lõm là các hợp chất hữu cơ có trọng lượng phân tử lớn Mực in ống đồng bao gồm chất tạo màu và chất mang, trong đó chất mang đóng vai trò quan trọng trong việc phân tán và giữ cho chất màu đồng đều trong dung dịch, tránh lắng đọng Việc lựa chọn chất mang phù hợp với pigment là cần thiết vì nó ảnh hưởng đến độ bóng của mực, đặc biệt khi in trên các vật liệu bao bì thực phẩm, tem nhãn và nhựa.
Hầu hết các loại mực ống đồng có thể được chế tạo từ thành phần cơ bản như sau:
• Chất màu pigment và thuốc nhuộm: 7-20%
• Các chất màu pigment phụ trợ: 0-20%
Mực in phun có đặc điểm nổi bật là được phun lên bề mặt vật liệu qua hệ thống vòi phun, yêu cầu hạt mực phải mịn và thời gian khô không quá nhanh để tránh tắc vòi Hiện nay, mực in phun chủ yếu được sử dụng trong in quảng cáo khổ lớn và trên nhiều loại vật liệu khác nhau, do đó cần có độ bền cao trước tác động của môi trường Việc sử dụng chất tạo màu dạng thuốc nhuộm thường gặp khó khăn trong quá trình in và khả năng bám dính kém, dẫn đến màng mực có cường độ màu yếu Do đó, chất tạo màu thường được chọn là pigment, được bọc một lớp polyme bên ngoài, giúp tăng khả năng bám dính và tạo ra màng mực có cường độ màu cao, bền với nước, ánh sáng và các tác nhân môi trường.
Mực in laser nổi bật với đặc điểm phân bố đều trên bề mặt vật liệu nhờ vào các phần tử mang điện tích và lực hút tĩnh điện Hệ thống lô nhiệt duy trì ở nhiệt độ từ 375ºF đến 400ºF giúp nung chảy mực, tạo ra độ bám dính tốt Để đạt được màng mực khô hoàn toàn và độ cứng tối ưu, quá trình này cần khoảng 72 giờ, do đó màu sắc và chất liên kết sử dụng cần phải đảm bảo khả năng tương thích.
Mực in Laser có khả năng chịu nhiệt tốt, giúp ngăn ngừa vết bẩn trong quá trình in do nhiệt làm mềm lớp mực Quá trình khô của mực Laser diễn ra lâu và qua nhiều giai đoạn nhờ vào oxy hóa, nên loại mực này chỉ nên sử dụng trên các loại giấy không tráng phủ, phù hợp cho in ấn tại văn phòng.
1.1.1.2 Phân loại mực in theo thành phần hóa học [1]
Mực in gốc nước là loại mực thân thiện với môi trường và an toàn cho người sử dụng, với thành phần chính là nước chiếm từ 40%-70% Quá trình khô của mực này phụ thuộc vào khả năng bay hơi và sự thấm hút vào bề mặt vật liệu Cơ chế khô của mực in gốc nước diễn ra thông qua quá trình thấm hút và bay hơi Thành phần chính của mực gốc nước bao gồm nước, pigment, phụ gia và nhựa, có thể tan hoặc phân tán trong môi trường nước.
Trong môi trường phân tán, việc thêm một ít dung môi hữu cơ có thể cải thiện khả năng thấm ướt của mực in lên vật liệu Mực in gốc nước thường chứa nhiều bọt hơn so với mực in gốc dung môi, do đó, các nhà sản xuất thường bổ sung chất chống bọt trong quá trình chế tạo Hiện nay, mực in gốc nước đang được ưa chuộng trong các công nghệ in ống đồng, in flexo, in kỹ thuật số và in lưới.
Mực in gốc nước
Mực in gốc nước là loại mực sử dụng nước làm dung môi chính, với tỷ lệ nước chiếm từ 40% đến 70% trong thành phần Quá trình bay hơi của mực phụ thuộc vào khả năng bay hơi và sự thấm hút của mực vào bề mặt vật liệu Loại mực này thường được sử dụng trong các phương pháp in như in ống đồng, flexo, in lưới và in phun.
Mực in gốc nước ra đời vào những năm 1930 và nhanh chóng trở thành công nghệ quan trọng trong in Flexo trên carton vào thập niên 1940 Đến những năm 50-60, mực này đã có ý nghĩa thương mại lớn trong ngành in giấy và carton Trong thập niên 80, với yêu cầu bảo vệ môi trường, chất lượng mực in gốc nước được nâng cấp và áp dụng cho nhiều phương pháp in khác nhau Năm 1989, tổ chức Highland Supply Corporation (HSC) bắt đầu sử dụng mực gốc nước cho in ống đồng, từ đó mực này ngày càng phổ biến và chiếm ưu thế trong in Flexo Hiện nay, mực in gốc nước được công nhận mang lại nhiều lợi ích và dễ vận hành, trở thành lựa chọn hàng đầu cho ngành in.
1.2.1 Đặc tính mực in gốc nước
Mực in gốc nước có độ nhớt thấp và dễ hòa tan trong nước Nhiệt độ tối ưu để hòa tan mực là từ 50 đến 60 ºC, trong khi mực sẽ khó tan hơn khi nhiệt độ dưới 25 ºC.
Mực in gốc nước là lựa chọn lý tưởng để in trực tiếp lên các vật liệu từ xenlulozo như vải bông, lụa, đay, gai, mây tre, chiếu cói, gỗ và giấy Đặc biệt, loại mực này có khả năng khô tự nhiên mà không cần sử dụng nhiệt hay ánh sáng để xử lý.
Khi in mực nước, cần lau bản in bằng nước và pha loãng mực với nước cất hoặc dung môi gốc nước Mặc dù mực nước bám kém hơn mực dầu, nhưng nó lại thân thiện với môi trường hơn.
• An toàn cho người sử dụng, thợ in, thân thiện với môi trường
• Dễ sử dụng, dễ dàng vận hành và điều khiển quá trình in, dễ vệ sinh
• Mực chịu nhiệt tốt, ít gây cháy nổ
• Màu sắc tươi sáng, cường độ màu cao
• Tạo màng mực mỏng, đẹp
• Khi in trên vải tạo cảm giác hand-feel mềm mại
• Ứng dụng rộng rãi cho nhiều phương pháp in
• Màng mực sau khi in có mật độ màu không cao (do sự thấm hút vào bề mặt vật liệu)
• Khả năng in kém trên các vật liệu không thấm hút, khi sử dụng cho vật liệu nền không thấm hút cần phải qua xử lý
1.2.2 Thành phần mực in gốc nước
Thành phần của mực in gốc nước gồm 4 thành phần cơ bản[3]:
Mực in gốc nước thường sử dụng thuốc nhuộm để tạo màu, nhờ vào khả năng tan tốt trong nước và màu sắc đa dạng Tuy nhiên, nhược điểm của mực in này là độ bền kém và lớp mực mỏng với mật độ màu không cao Để khắc phục những vấn đề này, chất màu pigment đã được lựa chọn làm giải pháp hiệu quả nhất, thay thế cho thuốc nhuộm trong mực in gốc pigment.
Pigment màu là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có khả năng phân tán tốt trong môi trường phân tán Các hạt pigment có kích thước rất nhỏ, từ vài trăm nm đến vài chục μm, không tan trong nước và dung môi hữu cơ, không phản ứng với vật liệu nền Do đó, để phân tán pigment trong nước, cần có tác động cơ học như khuấy, nghiền và sự tham gia của các chất phân tán như chất hoạt động bề mặt hoặc nhựa phân tán (polyme, coppolymer) để giúp các hạt pigment bám dính lên bề mặt vật liệu in.
Pigment được sử dụng trong sản xuất mực có hai dạng chính: bột khô và dạng nhão Pigment dạng nhão là hỗn hợp đã được phân tán trong dung môi, nhựa và phụ gia, giúp tạo ra mực phân tán đồng đều và ổn định Tuy nhiên, do hàm lượng pigment rắn thấp, chi phí cao và khó khăn trong việc điều chỉnh tính chất mực, các cơ sở sản xuất công nghiệp thường không lựa chọn loại này Ngược lại, pigment dạng bột khô có ưu điểm về khả năng lưu trữ, nhưng lại khó phân tán trong nước do tính không ưa nước, dẫn đến tình trạng kết tụ và giảm độ bền của mực Để khắc phục vấn đề này, cần lựa chọn chất phân tán và quy trình công nghệ phù hợp.
Pigment vô cơ là các chất màu đơn giản, bao gồm muối vô cơ, oxit kim loại màu, hỗn hợp vô cơ, ngọc trai, xà cừ và bột kim loại không tan trong nước Chúng có ưu điểm là giá thành thấp, bền với nhiệt độ và ánh sáng, nhưng lại kém bền với axit và bazo Tuy nhiên, cường độ màu của chúng không cao.
TiO2, PbCrO4, hợp chất sắt và kim loại là những thành phần chính trong hỗn hợp vô cơ được sử dụng làm pigment Các pigment vô cơ này được phân loại dựa trên màu sắc và tính chất hóa học của chúng, bao gồm cả ngọc trai và xà cừ.
Pigment trắng bao gồm titan dioxide (TiO2), Al(OH)3, sulfide kẽm và ZnO (kẽm trắng) Màu sắc mà chúng ta thấy được tạo ra từ hiện tượng tán xạ ánh sáng không chọn lọc, không hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy.
Titan dioxide (TiO2) là thành phần chính trong sản xuất pigment trắng nhờ khả năng tán xạ tốt, độ bền hóa học cao và ít độc hại Trong tự nhiên, TiO2 có ba thù hình: rutile, anatase và brookite, trong đó rutile và anatase được sử dụng phổ biến để sản xuất pigment, chất xúc tác, gốm sứ, và vật liệu điện tử Ngoài ra, TiO2 còn được dùng trong sản xuất xi măng trắng, tạo màu cho cao su, và làm chất hấp thu tia tử ngoại trong kem chống nắng, xà phòng, và mỹ phẩm Với khả năng bền với axit, kiềm, nhiệt độ và nhiều hóa chất khác, TiO2 cũng sở hữu độ phủ cao, làm cho nó trở thành một nguyên liệu quý giá trong nhiều ứng dụng công nghiệp.
Al(OH)3 là một dạng bột trắng mịn với độ phân tán cao và chỉ số khúc xạ gần bằng chỉ số khúc xạ của dầu liên kết Khi kết hợp với dầu, nó tạo ra mực in trắng trong với tính chất in tốt Tuy nhiên, mực in này lại kém bền với axit và kiềm, dẫn đến khả năng tan dễ và truyền từ khuôn in lên vật liệu in hiệu quả hơn.
Sulfide kẽm, một loại pigment được phát triển tại Pháp vào năm 1850, là hỗn hợp của ZnS và BaSO4 Với BaSO4 có chiết suất thấp, sulfide kẽm có khả năng phân tán ánh sáng hiệu quả, làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến trong ngành sơn và nhựa dẻo.
Oxide kẽm ZnO, hay còn gọi là kẽm trắng, là một loại bột trắng mịn với độ phủ tốt và bền màu Chất này có khả năng chống lại kiềm và axit, đồng thời được biết đến như một chất đồng nóng chảy ZnO phản ứng với các acid hữu cơ và vô cơ, và ở nhiệt độ cao, nó có thể kết hợp với các oxide khác để tạo ra hợp chất kẽm ferrarite.
Pigment màu: Oxit và hydroxit, Oxit crom, Cadimi, Bismuch, Crom, Ultramarine, ZnCrO4 …
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT MỰC IN GỐC NƯỚC
Quy trình sản xuất mực in gốc nước [5]
Mực in gốc nước được sản xuất theo 2 phương pháp sau: Phương pháp 1 bước và phương pháp 2 bước
2.1.1 Phương pháp sản xuất mực in gốc nước 1 bước
Phương pháp này liên quan đến việc khuấy trộn chất màu và các thành phần khác của mực để tạo ra một hệ đồng nhất, đáp ứng các thông số kỹ thuật yêu cầu Mặc dù phương pháp 1 có dây chuyền sản xuất đơn giản và dễ triển khai, nhưng với hệ dị lập thể phức tạp có nhiều thành phần tương tác, việc đạt được chất lượng tối ưu như độ dính, độ ổn định phân tán, độ bền màng mực và tốc độ khô lại trở nên khó khăn trong việc kiểm soát.
2.1.2 Phương pháp sản xuất mực in gốc nước 2 bước
Chất màu được phân tán trong môi trường phù hợp và sau đó được bổ sung các thành phần khác để chế tạo mực, với quá trình này diễn ra qua hai bước liên tiếp hoặc độc lập Phương pháp này có ưu điểm là hệ pigment phân tán sẵn có thể phục vụ cho nhiều mục đích như chế tạo mực in phun, in lõm, in lưới, sơn và nhuộm Đặc biệt, việc điều chỉnh tính chất mực ở bước thứ hai trở nên đơn giản do các tính chất có thể điều chỉnh tương đối độc lập Đối với hệ mực in gốc nước sử dụng chất màu pigment, phương pháp thứ hai thường được ưu tiên sử dụng.
Bước 1: Phân tán chất màu pigment bột trong nước
Trước khi phân tán, chất màu pigment dạng bột khô được thấm ướt bằng dung dịch thấm ướt, sau đó lượng thừa được tách ra Tiếp theo, chất màu đã thấm ướt, nhựa liên kết và các chất phụ gia được định lượng và khuấy trộn để tạo thành hỗn hợp đồng nhất Hỗn hợp này sau đó được nghiền trong thiết bị nghiền bi ướt, và sản phẩm cuối cùng được thu được qua quá trình lọc với lưới lọc cỡ vài μm Để đạt được màu sắc mực mong muốn, có thể trộn lẫn một số pigment với nhau theo tỷ lệ phối trộn.
Hình 2.1 Các cơ chế trong quá trình phân tán Bước 2: Chế tạo mực in từ hệ nhựa và pigment đã phân tán
Chất màu và nhựa liên kết được hòa trộn với nước cùng các phụ gia như chất tạo màng, chất điều chỉnh độ nhớt và chất chống nấm mốc bằng thiết bị khuấy trục trong thời gian quy định Sau đó, hỗn hợp này được chuyển sang thiết bị nghiền và lọc để tạo ra sản phẩm cuối cùng Trong quá trình nghiền, cần kiểm tra các thông số kỹ thuật và điều chỉnh thành phần để đảm bảo mực đạt độ nhuyễn và mịn cao, có thể thực hiện nhiều lần nếu cần thiết.
Quá trình thấm ướt pigment
Hiện tượng thấm ướt liên quan chặt chẽ đến hiện tượng hấp phụ, do sự tương tác giữa các phân tử của chất lỏng và bề mặt rắn Khi các phân tử chất lỏng tương tác mạnh với bề mặt rắn hơn là với nhau, chất lỏng sẽ lan ra, ví dụ như nước thấm ướt thủy tinh Ngược lại, nếu tương tác giữa các phân tử chất lỏng mạnh hơn so với tương tác với bề mặt rắn, sự thấm ướt sẽ không xảy ra, khiến chất lỏng tụ lại thành giọt, như thủy ngân trên thủy tinh Trong trường hợp tương tác giữa hai loại phân tử không quá chênh lệch, chúng ta sẽ có sự thấm ướt không hoàn hảo và xác định được một góc thấm ướt cụ thể.
Hình 2.2 Hiện tượng thấm ướt của chất lỏng trên bề mặt rắn
Quá trình thấm ướt chỉ diễn ra khi năng lượng tự do của hệ thống giảm Mức độ giảm năng lượng tự do càng lớn, thì khả năng thấm ướt càng hiệu quả.
Khi thấm ướt, các phân tử trong giọt chất lỏng di chuyển trên bề mặt pha rắn, nhằm thay thế bề mặt tiếp xúc rắn - khí có sức căng bề mặt lớn bằng bề mặt tiếp xúc rắn - lỏng có sức căng bề mặt nhỏ hơn, từ đó giảm sức căng bề mặt.
Chúng ta có khả năng chuyển đổi bề mặt từ kỵ lỏng sang ưa lỏng hoặc ngược lại bằng cách tạo ra một lớp hấp phụ trên bề mặt rắn Việc này giúp thay đổi sức căng bề mặt giữa rắn và lỏng (σRL) Nếu sức căng bề mặt mới giảm, hệ thống sẽ trở nên thấm ướt tốt hơn, làm cho bề mặt trở nên ưa lỏng hơn và ngược lại.
Hình 2.3 Các lực tương tác tại bề mặt tiếp xúc lỏng rắn
2.2.2 Quá trình thấm ướt Pigment
Quá trình thấm ướt pigment thực chất là việc thay thế các vật liệu hấp thụ như nước, oxy và không khí trên bề mặt của pigment cũng như bên trong các chất kết tụ bằng dung dịch nhựa.
Việc thấm ướt hoàn toàn các hạt pigment có kích thước ban đầu là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu suất kỹ thuật của lớp phủ bề mặt Hiệu suất này phụ thuộc vào sự tương tác giữa các hạt pigment và hệ thống chất kết dính Các chất phụ gia phân tán, hấp thụ trên bề mặt sắc tố, tạo điều kiện cho các tương tác giữa chất lỏng và rắn, đồng thời thay thế giao diện không khí/rắn bằng giao diện rắn/chất lỏng trung gian.
Chất phụ gia thấm ướt là chất hoạt động bề mặt giúp giảm sức căng bề mặt, từ đó tăng tốc quá trình thấm ướt các hạt pigment, ngăn ngừa hiện tượng vón cục và đảm bảo sự phân bố đồng đều trong môi trường phân tán như nước hoặc nhựa Ngoài ra, chất thấm ướt còn đóng vai trò như dung môi chậm bay hơi, làm chậm quá trình bay hơi của dung môi Việc sử dụng chất thấm ướt có ảnh hưởng lớn đến tính chất của mực, đặc biệt là độ ổn định của hạt pigment, khi chúng bám vào pigment để tăng cường khả năng thấm ướt, đồng thời giảm sức cản bề mặt của các hạt pigment và dung dịch nhựa.
Tại bề mặt khối pigment, không khí và hơi ẩm đã bị loại bỏ và được thay thế bằng dung dịch nhựa tương tác rắn/khí chuyển thành tương tác rắn/lỏng Điều này cho phép chất thấm ướt phân tán các hạt màu, trong khi chất phân tán giúp ổn định các hạt màu trong dung dịch.
Hình 2.4 Quá trình thấm ướt chất thấm ướt thay thế không khí bao bọc hạt pigment [4]
Quá trình thấm ướt pigment chủ yếu phụ thuộc vào độ căng bề mặt giữa hạt pigment và chất thấm ướt, cùng với độ nhớt của hỗn hợp Cơ chế hấp thụ của pigment còn liên quan đến bản chất hóa học của các sắc tố và loại chất phân tán được sử dụng trong quá trình này.
Quá trình thấm ướt tự phát được điều khiển bởi việc giảm năng lượng bề mặt tự do, trong khi thấm ướt cưỡng bức cần áp lực từ bên ngoài và sẽ dừng lại khi không còn lực tác động Để đạt được thấm ướt hiệu quả, điều kiện nhiệt động lực học yêu cầu lực kết dính giữa chất lỏng và rắn (Wa) phải lớn hơn lực kết dính giữa rắn và khí (Wk), tức là Wa > Wk.
Vận tốc của sự xâm nhập của một chất lỏng vào một loại bột chất rắn có thể được giải thích theo phương trình Washburn (1921)
Chiều sâu thâm nhập h trong thời gian t được xác định bởi sức căng bề mặt σ của chất thấm ướt, góc thấm ướt θ và bán kính mao mạch r Hệ số cấu trúc C kết hợp các thông số của cấu trúc xốp, trong khi năng lượng (nhiệt) W của chất thấm ướt và độ nhớt ղ của chất thấm ướt cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình thấm.
Quá trình thấm ướt trong phân tán có thể được cải thiện bằng cách sử dụng các tác nhân thấm ướt hoặc chất liên kết có độ nhớt thấp hơn sức căng bề mặt.
Quá trình phân tán - ổn định phân tán hệ
Hệ phân tán bao gồm ít nhất hai thành phần: chất mang và chất phân tán, trong đó chất mang chiếm ưu thế về khối lượng Để hệ phân tán đạt chất lượng tốt, các chất phân tán cần được phân bố đồng đều trong chất mang mà không xảy ra hiện tượng sa lắng hay keo tụ Đặc trưng của hệ phân tán được thể hiện qua độ phân tán, được đo bằng nghịch đảo kích thước hạt phân tán.
Kích thước hạt phân tán, ký hiệu là a, có thể được xác định khác nhau tùy thuộc vào hình dạng của hạt: đối với hạt hình cầu, a là đường kính; đối với hạt hình lập phương, a là chiều dài cạnh; và đối với các hình dạng khác, a được coi là kích thước hiệu dụng Đơn vị đo độ phân tán là m^-1 Hệ phân tán được phân loại dựa trên kích thước hạt và trạng thái pha, như được trình bày trong Bảng 2.1 và Bảng 2.2.
Bảng 2.1 Phân loại hệ phân tán theo trạng thái tập hợp
Hệ phân tán Kích thước hạt Đặc điểm
Dung dịch phân tử 10 -5 m Không đi qua giấy lọc, thấy được bằng kính hiển vi thường
Bảng 2.2 Phân loại hệ phân tán theo trạng thái pha
Pha phân tán Môi trường phân tán
Kí hiệu Tên gọi Ví dụ
Rắn Khí R/K Sol khí Khói, bụi
Khí Khí K/K Dung dịch khí Không khí
Lỏng Khí L/K Sol khí Sương mù
Khí Lỏng K/L Bọt Bọt xà phòng
Lỏng Lỏng L/L Nhũ tương Mủ cao su
Rắn Lỏng R/L Huyền phù Nước phù sa
Khí Rắn K/K Vật xốp Đá bọt
Lỏng Rắn L/R Nhũ tương rắn Chất hấp phụ
Rắn Rắn R/R Dung dịch rắn Hợp kim
2.3.2 Quá trình mất ổn định của hệ phân tán
Sa lắng là quá trình phân tách các phần tử phân tán, chủ yếu do lực trọng trường tác động Quá trình này dẫn đến sự phân tách pha, trong đó một hạt có tỷ trọng d sẽ chịu tác động của lực hấp dẫn.
Với: g: gia tốc trọng trường; d:tỷ trọng hạt phân tán; d 0 :tỷ trọng của môi trường phân tán (chất mang)
Khi sa lắng với tốc độ u thì hạt chịu một lực ma sát f ms =6πrηu, trong đó r là bán kính hạt, η là độ nhớt.
Khi hạt keo chuyển động đều thì f ms = P
2.3.2.2 Quá trình keo tụ:
Keo tụ là hiện tượng các hạt tập hợp mà không hình thành liên kết, do đó không làm thay đổi tính chất của chúng Quá trình này có thể bị ngăn chặn nếu có đủ năng lượng giữa trạng thái phân tán và trạng thái keo tụ Quá trình keo tụ diễn ra qua hai giai đoạn chính.
Keo tụ ẩn: bằng mắt thường không thể quan sát được hiện tượng cho dù trong hệ đang diễn ra sự keo tụ các hạt
Keo tụ rõ: giai đoạn này thấy rõ những biến đổi về màu sắc, trạng thái mờ đục xuất hiện và cuối cùng tạo ra kết tủa hay gel
Lực gây keo tụ lớn nhất là lực Van der Waals và lực hút tĩnh điện
Các hạt phân tán trong chất mang hình thành hệ solvat hóa hoặc micelles, với các hạt được bao quanh bởi phân tử dung môi hoặc ion đồng loại trong dung dịch Sự hiện diện của lớp điện tích kép này có ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định của hệ phân tán.
2.3.3 Phương pháp ổn định phân tán Ổn định phân tán sắt từ có ý nghĩa quyết định đến khả năng ứng dụng của chất lỏng từ trong mọi lĩnh vực
Để ổn định hệ phân tán, việc ngăn chặn hiện tượng sa lắng và keo tụ là rất quan trọng Lực tác động lên hạt gây sa lắng được xác định bởi công thức P = V(d - d0)g Để giảm tốc độ sa lắng, có hai phương pháp chính: một là giảm kích thước hạt, và hai là thay đổi chất mang nhằm giảm chênh lệch tỷ trọng giữa hạt rắn và môi trường.
Thay đổi chất mang có thể ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch, và việc tăng độ nhớt sẽ làm giảm tốc độ sa lắng, từ đó ngăn cản hiện tượng sa lắng xảy ra.
Việc ngăn chặn sự tập hợp của các hạt pigment do tác động của môi trường phân tán là yếu tố quyết định cho sự ổn định của hệ phân tán Tính bền vững của mực in phụ thuộc vào sự cân bằng giữa các lực hút và đẩy trong hệ Trong một hệ phân tán mực, có ba loại lực tác động giữa các hạt: lực hút Van der Waals, lực đẩy tĩnh điện từ lớp điện tích kép trên bề mặt hạt, và lực đẩy không gian tạo ra hiệu ứng không gian Lý thuyết Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) mô tả chi tiết về hai lực đầu tiên Để đạt được trạng thái ổn định cho hệ phân tán, cần thiết phải tạo ra lực đẩy tĩnh điện hoặc lực đẩy không gian đủ lớn.
Lực đẩy tĩnh điện phụ thuộc vào điện thế khuếch tán (điện thế zeta) và chiều dày lớp khuếch tán (Debye-Huckel length), do đó nó bị ảnh hưởng bởi nồng độ chất điện ly và pH của môi trường Trong khi đó, lực đẩy không gian khó dự đoán và định lượng, liên quan đến lý thuyết polyme, với khối lượng phân tử và tỷ trọng polyme là yếu tố quyết định Để đánh giá tính ổn định tĩnh điện, cần nghiên cứu động học quá trình keo tụ ở các nồng độ chất điện ly khác nhau, trong đó hệ số ổn định (W) thể hiện hiệu quả của hàng rào điện thế trong việc ngăn cản sự tập hợp của các hạt.
Hệ số này được biểu diễn như là tỷ số giữa k fast và k
Trong quá trình keo tụ nhanh, hằng số tốc độ k fast đại diện cho tốc độ mà mọi va chạm dẫn đến sự tập hợp Hằng số tốc độ k cũng phản ánh tốc độ keo tụ tại một nồng độ muối cụ thể.
Hệ số ổn định có thể xác định nhờ kỹ thuật đo tán xạ ánh sáng (động hoặc tĩnh) hoặc kỹ thuật đo độ đục của hệ
Nghiên cứu hệ số ổn định như một hàm của nồng độ muối giúp xác định nồng độ tới hạn của quá trình kết tụ, tại đó hiệu ứng của lớp điện tích kép bị loại bỏ, k = k fast và không phụ thuộc vào nồng độ muối Để ngăn chặn hiện tượng keo tụ, phương pháp phổ biến nhất là sử dụng chất hoạt động bề mặt, có thể ở dạng ion hoặc không ion Các chất này khi tham gia vào hệ thống sẽ hấp phụ lên bề mặt các hạt rắn, tạo ra lớp điện.
26 tích kép hoặc lớp vỏ có hiệu ứng không gian ngăn cản các hạt tập hợp thành các hạt có kích thước lớn và sa lắng
2.3.4 Quá trình phân tán và ổn định phân tán pigment bột
Trong quá trình thấm ướt, các hạt pigment có thể tập hợp thành nhóm lớn, dẫn đến hiện tượng vón cục Để khắc phục tình trạng này, cần sử dụng lực cơ học từ thiết bị nghiền Trong giai đoạn này, các hạt pigment bị kết tụ sẽ được tách ra nhờ ứng suất cắt, làm yếu đi liên kết giữa các hạt Các hạt pigment nhỏ sẽ được bao bọc bởi chất hoạt động bề mặt, và môi trường nhựa sẽ giúp ngăn chặn hiện tượng kết tụ.
Hình 2.5 Hình ảnh phân tán hạt pigment sau quá trình phân tán
Việc ổn định hệ phân tán liên quan đến việc duy trì sự tách biệt của các hạt pigment đã được phân tán và kiểm soát kích thước hạt một cách hiệu quả.
Kết tụ hạt pigment thường xảy ra do sự phân bố không đồng nhất của các hạt, khiến chúng có thể tiếp xúc ngay lập tức Hệ quả là lưu biến kém, ổn định lưu trữ thấp, và chất lượng quang màu giảm Để cải thiện tình trạng này, cần bổ sung chất phụ gia ngay trong quá trình nghiền, giúp ổn định hệ thông qua việc hấp thụ các phân tử ổn định lên bề mặt sắc tố Điều này tạo ra lực đẩy giữa các hạt, giúp chúng tiếp cận gần nhau hơn mà không bị tích tụ do lực hấp dẫn Van der Waals.
Hình 2.6 Kết quả hệ phân tán sau quá trình ổn định phân tán
Chất hoạt động bề mặt – chất tác động đến quá trình phân tán và thấm ướt trên bề mặt
Các chất thấm ướt pigment, chất phân tán, và chất gia tăng thấm ướt mực lên màng polyme, cùng với chất phá bọt, đều là những chất ảnh hưởng đến sức căng bề mặt và thuộc nhóm chất hoạt động bề mặt.
2.4.1 Đặc điểm chất hoạt động bề mặt
Chất hoạt động bề mặt (surfactant) là những chất có cấu trúc phân cực, với một đầu ưa nước và một đuôi kị nước Chúng được sử dụng để giảm sức căng bề mặt của chất lỏng, làm tăng diện tích tiếp xúc giữa các chất lỏng không hòa tan, từ đó cải thiện khả năng hòa trộn và tương tác giữa chúng.
Hình 2.7 Chất hoạt động bề mặt
Khi hòa chất hoạt hóa bề mặt vào chất lỏng, các phân tử sẽ tạo thành đám micelle, với nồng độ tạo đám tới hạn là điểm bắt đầu hình thành Đối với chất lỏng là nước, các phân tử sẽ tập trung đuôi kị nước lại với nhau và hướng đầu ưa nước ra ngoài, tạo thành các hình dạng khác nhau như hình cầu, hình trụ và màng.
Phần kỵ nước: (không tan trong nước) thông thường là một mạch hydrocacbon dài 8 - 21, ankyl thuộc mạch ankal, anken mạch thẳng hay có gắn vòng clo hay benzen [4]
Phần ưa nước: (tan trong nước) thông thường là một nhóm ion hoặc không ion là nhóm phân cực mạnh như cacboxyl (COO-), hydroxyl (-OH), Amin (-NH2), sulfat (-OSO3) [4]
Độ cân bằng ưa kị nước (HLB) là thông số quan trọng để xác định tính ưa, kị nước của chất hoạt hóa bề mặt, với giá trị từ 0 đến 40 HLB cao cho thấy hóa chất dễ hòa tan trong nước, trong khi HLB thấp cho thấy khả năng hòa tan trong dung môi không phân cực như dầu Do đó, chất hoạt động bề mặt có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng như chất tẩy rửa, chất làm ướt, chất nhũ hóa, chất tạo bọt và chất phân tán.
2.4.2 Vai trò của chất hoạt động bề mặt [4]
Chất này có khả năng làm giảm sức căng bề mặt của dung môi mà nó có mặt, đồng thời có khả năng hấp phụ lên bề mặt với độ tan tương đối nhỏ.
Hiện tượng cơ bản của chất hoạt động bề mặt là hấp phụ, nó có thể dẫn đến hai hiệu ứng hoàn toàn khác nhau:
• Làm giảm một hay nhiều sức căng bề mặt ở các mặt phân giới trong hệ thống
• Bền hóa một hay nhiều mặt phân giới bằng sự tạo thành các lớp bị hấp phụ trong hệ thống
Tác nhân hoạt động bề mặt là vật liệu có khả năng thay đổi năng lượng bề mặt khi tiếp xúc Sự giảm năng lượng bề mặt này dễ dàng quan sát qua hiện tượng tạo bọt, sự lan rộng của chất lỏng trên bề mặt rắn, phân tán hạt rắn trong môi trường lỏng, và sự hình thành huyền phù, từ đó giúp quá trình thấm ướt diễn ra hiệu quả hơn.
Khi hòa tan chất hoạt động bề mặt vào nước, sức căng bề mặt của nước sẽ giảm do sự hình thành lớp hấp thụ định hướng Lớp này có nhóm ưa nước hướng vào nước và nhóm kỵ nước hướng ra ngoài, tạo ra lực hấp thụ giúp giảm sức căng bề mặt Nhờ đó, bề mặt nước - không khí được thay thế bằng kỵ nước - không khí giữa các pha, làm cho nước trở nên dễ dàng tương tác hơn với các chất khác.
2.4.3 Phân loại chất hoạt động bề mặt
Chất hoạt hóa bề mặt được phân loại dựa trên tính chất của chúng, đặc biệt là theo đặc tính điện của đầu phân cực của phân tử Các loại chất hoạt hóa bề mặt có thể được phân chia thành nhiều nhóm khác nhau dựa trên những đặc điểm này.
• Chất hoạt hóa ion: khi bị phân cực thì đầu phân cực bị ion hóa
Cationic surfactants, such as Cetyl trimethylammonium bromide (CTAB), Cetyl pyridinium chloride (CPC), Polyethoxylated tallow amine (POEA), Benzalkonium chloride (BAC), and Benzethonium chloride (BZT), exhibit a positive charge when polarized, making them effective agents in various applications.
Chất hoạt hóa âm là những hợp chất khi bị phân cực sẽ tạo ra đầu mang điện âm, điển hình như Natri dodecyl sulfat (SDS), amoni lauryl sulfat, và các muối ankyl sulfat khác như Natri laureth sulfat và natri lauryl ete sulfat (SLES) Ngoài ra, ankyl benzen sulfonat, xà phòng và các muối của axit béo cũng thuộc nhóm chất này.
Chất hoạt hóa phi ion là các hợp chất có đầu phân cực không bị ion hóa, bao gồm nhiều loại như Ankyl poly (etylen ôxít), Copolymers của poly (etylen ôxít) và poly (propylen ôxít) được biết đến với tên thương mại là Poloxamer hay Poloxamin Ngoài ra, còn có Ankyl polyglucozit, trong đó có Octyl glucozit và Decyl maltosit Các rượu béo như rượu cetyl, rượu oleyl, cũng như Cocamit MEA và Cocamit DEA cũng thuộc nhóm chất này.
Chất hoạt hóa lưỡng cực có khả năng mang điện âm hoặc dương tùy thuộc vào pH của dung môi Các ví dụ tiêu biểu cho nhóm chất này bao gồm Dodecyl betain, Dodecyl dimetylamin oxit, Cocamidopropyl betain và Coco ampho glycinat.
Tình hình nghiên cứu
Lĩnh vực in bao bì đang phát triển mạnh mẽ với tốc độ tăng trưởng khoảng 9% mỗi năm, trong đó công nghệ in Flexo nổi bật với khả năng in ấn đa dạng sản phẩm như tem nhãn, giấy gói, túi đựng đồ và thùng chứa hàng Mực in gốc dung môi, thường được sử dụng trong in Flexo, giúp tăng tốc độ khô và cải thiện độ bám dính nhưng lại gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe người lao động do hàm lượng dung môi bay hơi cao, dẫn đến các vấn đề về hô hấp và dị ứng Do đó, nghiên cứu thay thế mực dung môi bằng mực in gốc nước đã trở thành một nhu cầu cấp thiết và thu hút sự quan tâm của cộng đồng khoa học trong gần 20 năm qua.
Khó khăn lớn nhất khi sử dụng mực in gốc nước là khả năng thấm ướt kém, dẫn đến việc mực khó dàn trải đồng đều và xảy ra hiện tượng tụ đám Điều này cũng ảnh hưởng đến độ bám dính của mực trên các bề mặt không thấm hút, đặc biệt là trên vật liệu polymer Nguyên nhân chính là do sức căng bề mặt của nước (73 mN/m) cao hơn nhiều so với năng lượng bề mặt của polymer (28–32 mN/m) Để khắc phục vấn đề này, có hai giải pháp khả thi.
Đã có 30 giải pháp được đề xuất để xử lý bề mặt polymer nhằm tăng năng lượng bề mặt và điều chỉnh thành phần mực, giảm scbm Phương pháp đầu tiên yêu cầu chi phí cao và thiết bị phức tạp, chỉ hiệu quả trong thời gian ngắn trước khi in, do đó phương pháp thứ hai, sử dụng chất hoạt động bề mặt hoặc chất lỏng ion làm phụ gia với hàm lượng dưới 5%, được xem là giải pháp khả thi hơn Tuy nhiên, việc lựa chọn chất hoạt động bề mặt và nồng độ phù hợp là thách thức do sự tương tác giữa mực và vật liệu nền polymer Hơn nữa, chất hoạt động bề mặt có thể làm tăng sự hình thành bọt trong quá trình in, ảnh hưởng đến truyền mực và giảm độ bóng của màng mực Để khắc phục tình trạng này, nghiên cứu đã chỉ ra việc bổ sung chất chống bọt và chất làm bóng, nhưng những chất này lại có thể làm giảm độ bám dính của mực.
Mực in gốc nước chưa thể thay thế mực dung môi khi in trên vật liệu màng polymer do một số vấn đề tồn tại Do đó, nghiên cứu nâng cao khả năng thấm ướt của mực in Flexo gốc nước trên vật liệu này đang trở thành một vấn đề cấp bách trong ngành công nghiệp in toàn cầu.
Việt Nam đang nổi lên như một trong những quốc gia có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong ngành bao bì, với khoảng 1.000 doanh nghiệp và 200.000 lao động, doanh thu vượt 1 tỷ USD mỗi năm và tăng trưởng khoảng 9% hàng năm Lượng mực tiêu thụ dự kiến đạt hàng trăm nghìn tấn mỗi năm, tuy nhiên, lĩnh vực sản xuất mực in tại Việt Nam hiện vẫn chưa được khai thác, khi phần lớn mực in bao bì vẫn phải nhập khẩu.
Có hai nguồn chính cung cấp mực in Nguồn thứ nhất là các sản phẩm không rõ nguồn gốc từ Đài Loan và Trung Quốc, đáp ứng nhu cầu về giá cả nhưng chất lượng thấp, chủ yếu phục vụ cho in ấn các sản phẩm ít yêu cầu thẩm mỹ như thùng carton Nguồn thứ hai là các sản phẩm đã qua kiểm định chất lượng và có thông số kỹ thuật rõ ràng, thường được sử dụng cho in tem nhãn bao bì hàng hóa cao cấp, nhưng có giá thành cao và ít sự lựa chọn Tình trạng này dẫn đến việc thiếu chủ động trong sản xuất, làm tăng giá thành sản phẩm in và gây ra sự không đồng đều về chất lượng Tuy nhiên, các hoạt động nghiên cứu sản xuất mực in tại Việt Nam đã đạt được những kết quả khả quan trong việc chế tạo mực in Flexo trên nền giấy.
