TỔNG QUAN MỰC IN OFFSET
Đặt vấn đề
In bảo mật được áp dụng cho các tài liệu yêu cầu cao về an ninh như tiền, chứng chỉ, căn cước, hộ chiếu và giấy tờ có giá trị khác Bản chất của in bảo mật là sử dụng kỹ thuật in, vật liệu bảo mật và đồ họa để tạo ra các chi tiết và hình ảnh bảo mật trên tài liệu Mục đích chính của in bảo mật là xác nhận tính xác thực của tài liệu thông qua các dấu hiệu bảo mật Trong lĩnh vực này, có nhiều phương pháp in được sử dụng, bao gồm tạo hình mờ, in lõm, bảo mật vi mô và mực huỳnh quang cho các phương pháp in kỹ thuật số hoặc offset.
Mực in bảo mật trong công nghệ in offset được tạo ra từ quá trình phân tán chất màu trong chất mang, bao gồm dung môi và nhựa liên kết Chất màu sử dụng chủ yếu là các chất màu huỳnh quang hấp thụ ánh sáng UV, có thể là thuốc nhuộm, pigment vô cơ hoặc hữu cơ Trước đây, pigment vô cơ phát quang như BaCaBO3F:Eu3+, Li2+ thường được sử dụng, phát sáng trong dải ánh sáng nhìn thấy khi chiếu ánh sáng UV Gần đây, các pigment huỳnh quang tổng hợp hữu cơ như dẫn xuất của hợp chất Coumarin đang được nghiên cứu do khả năng phát ra lượng tử cao và độ bền sáng Tuy nhiên, việc chế tạo mực in sử dụng chất màu huỳnh quang hấp thụ ánh sáng UV ngày càng trở nên dễ dàng hơn, dẫn đến nhu cầu nghiên cứu các chất màu huỳnh quang hấp thụ ánh sáng hồng ngoại nhằm nâng cao tính bảo mật Mực in bảo mật với chất màu hấp thụ ánh sáng IR có tính bảo mật cao hơn và có thể tạo ra giá trị màu chính xác tùy thuộc vào hàm lượng pigment trong mực Công nghệ in offset là kỹ thuật in bản phẳng và gián tiếp, trong đó phần tử in là vật liệu ưa dầu và nhận mực, trong khi phần tử không in là vật liệu ưa nước.
Trong quá trình in offset, mực in được truyền từ bản in sang cao su offset và sau đó lên vật liệu nền bằng lực ép, cho phép in số lượng lớn với chi phí thấp Tại Việt Nam, công nghệ in offset được ứng dụng cho nhiều sản phẩm, bao gồm tiền, thẻ căn cước và bao bì cao cấp Tuy nhiên, mực in bảo mật chủ yếu phải nhập khẩu với giá cao Luận văn này trình bày kết quả nghiên cứu sản xuất mực in bảo mật huỳnh quang cho công nghệ in offset, đáp ứng các yêu cầu về độ dính, độ nhớt, khả năng in và tính chất huỳnh quang.
Khái niệm cơ bản của mực in offset
Trong công nghệ in offset, phần tử in và không in đều nằm trên một mặt phẳng, với phần tử in ưa dầu và nhận mực, trong khi phần tử không in ưa nước và nhận dung dịch ẩm Công nghệ này được chia thành các loại như in offset tờ rời, in offset cuộn, in offset khô và in offset ướt.
Trong công nghệ in offset ướt tờ rời, mực in offset là hỗn hợp nhão với các hạt pigment phân tán trong chất liên kết Quá trình cân bằng mực nước là yếu tố quyết định đến khả năng in và chất lượng sản phẩm Để đạt được cân bằng này, cần kiểm soát mức độ nhũ tương mực/nước Các tính chất lý hoá của mực in như độ nhớt, độ dính, kích thước hạt và khả năng in cần được duy trì Quá trình sản xuất mực in offset đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo các yếu tố này dưới điều kiện hoạt động của máy in.
Các kỹ thuật in offset bị ảnh hưởng bởi tính chất hóa học và vật lý của mực in Để đảm bảo kiểm soát tốt dung dịch, cần chú ý đến các yếu tố này trong quá trình in.
3 làm ẩm, cả ái lực hóa học giữa mực in và dung dịch ẩm và tính chất lưu biến của mực đều được tính toán đến
Các công nghệ in offset yêu cầu mực in có tính chất hoá lý khác nhau, với độ nhớt dao động từ 2 đến 30 Pa.s tùy thuộc vào thiết bị in Mực in offset có độ nhớt thấp có thể gây khó khăn trong quá trình hình thành nhũ tương mực - nước, đặc biệt khi vận hành ở tốc độ cao.
Các tính chất hóa học của nguyên vật liệu trong sản xuất mực ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và khả năng in ấn của mực Các thành phần như chất màu, chất liên kết, dung môi và phụ gia đều đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành tính chất của mực in Trong công nghệ in offset, lớp mực thường rất mỏng, chỉ khoảng 1-3 µm, do đó yêu cầu nồng độ pigment cao trong công thức mực Quá trình sản xuất mực cần đảm bảo khả năng phân tán pigment và ngăn ngừa hiện tượng kết tụ, nhằm duy trì mật độ màu sắc cho sản phẩm in Nếu kích thước hạt pigment quá lớn, có thể dẫn đến các vấn đề như kết tụ trên cao su, giảm độ bóng và khả năng chịu mài mòn của mực.
Mực in offset bao gồm các thành phần chính sau:
- Chất màu bao gồm 2 loại khác nhau: pigment và thuốc nhuộm
- Chất liên kết bao gồm các thành phần: dầu khô, dung môi, chất hóa dẻo, nhựa liên kết, sáp
- Phụ gia: chất làm khô, chất độn, chất chống oxi hóa, chất ổn định phân tán, chất tăng độ nhớt…
Chất màu trong mực in bao gồm hai loại chính: pigment và thuốc nhuộm, với mục đích tạo màu sắc cho mực in Chúng đóng vai trò thiết yếu trong công thức của mực in offset.
Hình 1 1 So sánh giữa pigment và thuốc nhuộm a Đặc điểm, tính chất của pigment [6]:
Các hạt pigment nano không tan trong nước và các dung môi hữu cơ, không có ái lực với vật liệu Chúng tạo màu thông qua quá trình phân tán trong môi trường dung môi hoặc nước.
Pigment đóng vai trò quan trọng trong việc xác định màu sắc của mực in Hàm lượng và loại pigment được sử dụng ảnh hưởng đến độ bền màu cũng như các tính chất lý hóa của mực in.
Có hàng trăm loại pigment với nguồn gốc từ khoáng vật, thực vật hoặc được tổng hợp từ các chất hóa học Pigment được chia thành hai loại chính: pigment vô cơ và pigment hữu cơ.
Pigment vô cơ bao gồm các loại như oxit titan (màu trắng), oxit sắt (màu vàng), cacbon (màu đen), PbCrO4 (màu vàng), bột ngọc trai và mảnh thủy tinh Những pigment này có kích thước lớn và hạt thô, gây khó khăn trong quá trình nghiền nhỏ, dẫn đến việc sử dụng của chúng bị hạn chế Tuy nhiên, pigment vô cơ nổi bật với tính bền vững dưới tác động của nhiệt và ánh sáng, cùng với khả năng che phủ cao.
+ Pigment hữu cơ bao gồm hợp chất Azo, hợp chất phthalocyanine, Quinacridone, dioxazine, perylene… có màu sắc tươi và có nồng độ cao, độ trong suốt cao
Hình 1 2 So sánh giữa pigment và thuốc nhuộm
Hình 1.2 So sánh tính che phủ của chất màu vô cơ và hữu cơ b Cấu tạo hạt pigment:
Hạt sơ cấp là những cấu trúc được hình thành từ sự tập hợp của các tinh thể khi quan sát các chất tạo màu ở dạng hiển vi Hình dạng của hạt sơ cấp có sự khác biệt tùy thuộc vào điều kiện sắp xếp và kết hợp của các chất tạo màu.
Hình 1 3 Hình dạng hạt sơ cấp của một số pigment
Trong quá trình sấy khô bột màu, các hạt sơ cấp sẽ ngưng kết lại để hình thành các hạt thứ cấp Đặc tính của các hạt thứ cấp này rất quan trọng trong việc xử lý phân tán và ứng dụng của bột màu.
Hình 1 4 Hình dạng hạt thứ cấp của một số pigment
+ Kết tập Aggrigate: Thể kết tập cứng tiếp xúc nhau ở bề mặt
Khối kết tụ Agglomerate là hiện tượng khi các hạt tiếp xúc nhau tại các cạnh hoặc điểm, trong khi khối kết tụ Flocculate xảy ra khi các hạt sơ cấp kết tụ lại với nhau lần nữa Để đạt được hiệu quả tối ưu, các pigment cần có những đặc tính nhất định.
- Chất lượng và lượng sử dụng pigment quyết định các tính chất tông màu hay sắc thái màu,độ sáng màu và độ bão hòa của màu sắc
- Pigment được xử lý phân tán để sử dụng làm mực in cần có nhiều đặc tính như cường độ màu cao hay tương thích với chất liên kết
Để đảm bảo chất lượng mực in, việc đo đạc và xác định các đặc tính của chất màu pigment là rất quan trọng Quản lý chất lượng trong quá trình thiết kế công thức mực và thực hiện kiểm tra thường xuyên là cần thiết Các đặc tính cần được chú ý bao gồm độ bền màu, khả năng bám dính và độ phủ của mực.
+ Tính chất phân tán (hạt thô)
+ Độ bền với hóa chất
+ Độ bền với tác động vật lý: chống mài mòi, bền nhiệt,…
+ Độ bền với ánh sáng d Pigment huỳnh quang [6]
Pigment huỳnh quang có hai dạng chính: pigment vô cơ và pigment hữu cơ Những pigment này có khả năng phát quang dưới ánh sáng UV, có thể mang màu sắc hoặc không màu.
Tính chất của mực in offset
1.2.1 Các nguyên tắc khô của mực in offset[16]: a Nguyên tắc khô hóa học:
Hầu hết các chất liên kết trong mực in được cấu tạo từ màng nhựa và dầu khô gốc thực vật Đặc biệt, trong công nghệ in offset tờ rời, lượng dầu khoáng sử dụng ít hơn so với in offset cuộn.
Dầu gốc thực vật và alkyd sở hữu các đặc tính quan trọng, bao gồm khả năng polymer hóa trong điều kiện oxy không khí, tạo ra lớp màng bền vững trên bề mặt vật liệu Quá trình này, được gọi là phương pháp khô ôxy hóa, là đặc trưng cho hầu hết các phương pháp khô hóa học hiện nay.
Nguyên tắc khô hóa của mực in dựa vào khả năng hấp thụ ôxi trong không khí, dẫn đến quá trình polyme ôxi hóa và hình thành lớp màng cứng bền vững Quá trình này thường mất vài chục giờ, nhưng có thể được rút ngắn bằng cách thêm chất làm khô, giúp mực khô trong vài giờ Thời gian khô của mực phụ thuộc vào thành phần của nó và có thể giảm thêm khi sử dụng chất xúc tác, như muối kim loại chuyển tiếp (Mn, Co) Mực in có chất xúc tác có thể khô trong vòng 6 giờ và đạt khả năng chống chà xát sau 72 giờ nếu không sử dụng thêm tác nhân làm khô.
Dầu khoáng và các este của dầu thực vật không thể polymer hóa trong điều kiện không khí, dẫn đến việc chúng thấm hút vào bề mặt vật liệu và tách rời khỏi các thành phần khác của mực Sự hiện diện của loại dầu có phân tử lượng thấp và cấu trúc này ảnh hưởng đến tính chất và hiệu suất của sản phẩm.
14 trúc nhỏ sẽ thẩm thấu vào bề mặt vật liệu Đặc trưng của dạng khô vật lý được gọi là “tính khô”
Hình 1 8 Nguyên tắc khô vật lý trong in offset thông thường
Trong công nghệ in offset cuộn (Heatset), quá trình làm khô bằng nhiệt dẫn đến việc một phần dầu trong mực bay hơi, trong khi phần còn lại thẩm thấu vào bề mặt vật liệu.
Hình 1 9 Nguyên tắc khô vật lý trong in offset cuộn heatset
Quá trình thẩm thấu diễn ra khi mực tương tác với bề mặt của vật liệu in Một số đặc tính của bề mặt vật liệu, như độ nhám, độ ẩm và tính chất hóa học, có ảnh hưởng lớn đến mức độ thẩm thấu của mực.
Tổng thể tích của dung dịch có khả năng thấm hút vào bề mặt vật liệu dựa vào đặc tính hấp thụ của nó Giá trị này phụ thuộc vào dung tích của các thành phần trong dung dịch.
Bề mặt vật liệu có 15 lỗ, bao gồm cả lỗ lớn và lỗ nhỏ, cho thấy khả năng hấp thụ không phụ thuộc vào đường kính lỗ Tuy nhiên, đường kính lỗ lại ảnh hưởng đến khả năng phân chia và tỉ lệ thấm hút, những yếu tố quan trọng quyết định khả năng thấm hút của mực.
Cấu trúc của giấy ảnh hưởng đến khả năng phân chia các thành phần mực in, tương tự như lưới sàng phân loại hạt Các hạt nhỏ hơn lỗ trên giấy sẽ thẩm thấu qua, trong khi các hạt lớn hơn sẽ bị giữ lại Nếu đường kính lỗ đủ nhỏ, chỉ có dầu mới thẩm thấu vào giấy, giữ lại pigment và chất liên kết trên bề mặt Ngược lại, nếu đường kính quá lớn, cả pigment và chất liên kết cũng sẽ thẩm thấu, dẫn đến giảm cường độ màu của mực in.
Các bọt biển tự nhiên với lỗ lớn có khả năng thẩm thấu nhanh các hạt nhỏ và chất lỏng tương tự Chúng không chỉ dễ dàng thẩm thấu nước mà còn có thể hấp thụ một lượng lớn dầu nhớt Mối quan hệ này cũng tương tự với tỷ lệ thấm hút của giấy, ảnh hưởng lớn đến quá trình khô.
Hình 1 10 Biểu đồ tương quan giữa tỉ lệ thấm hút và bán kính lỗ trên giấy, độ nhớt của dung dịch
Theo biểu đồ, tỉ lệ thấm hút cao nhất xuất hiện ở giai đoạn đầu của quá trình và giảm dần theo thời gian Cụ thể, khi bán kính lỗ tăng gấp đôi, tỉ lệ thấm hút tăng khoảng 5 lần; nếu bán kính lỗ tăng gấp 5 lần, tỉ lệ thấm hút sẽ tăng lên gần 60 lần.
Độ nhớt có ảnh hưởng đáng kể đến tỉ lệ thấm hút, với việc giảm độ nhớt xuống 50% dẫn đến tỉ lệ thấm hút tăng 40% Ngược lại, khi độ nhớt tăng lên 100%, tỉ lệ thấm hút sẽ giảm 40%.
Tỉ lệ thấm hút có thể biểu diên qua công thức vật lý đơn giảm, nguyên tắc chảy Hagen-Poiseuille:
Lượng chất lỏng V thẩm thấu trên đơn vị thời gian
Cũng phụ thuộc vào đường kính lỗ r, áp lực thấm ướt (.cos) của chất lỏng với áp lực bề mặt , góc thấm ướt và độ nhớt
Độ nhớt và áp lực bề mặt là các thông số quan trọng của chất lỏng, trong khi bán kính lỗ r đại diện cho giấy Tác động giữa chất lỏng và giấy được thể hiện qua biểu thức .cos.
Mực in offset có thể được làm khô không chỉ bằng các nguyên tắc truyền thống mà còn thông qua quy trình sử dụng bức xạ như tia UV và tia hồng ngoại IR.
UV là một hỗn hợp bao gồm monome, oligomer, pigment và chất nhạy sáng photoinitiator Khi ánh sáng cực tím được hấp thụ bởi photoinitiator, nó chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học Năng lượng hóa học này kích thích sự trùng hợp của monome và oligomer, tạo ra một lớp mực khô.
Hình 1 11 So sánh quá trình khô do tia IR và tia UV
1.2.2 Độ nhớt và tính chảy của mực in offset[15]:
Quá trình sản xuất mực in offset
1.3.1 Quy trình sản xuất mực in offset:
- Quá trình sản xuất mực in offset như sau:
+ Bước 1: Chuẩn bị các nguyên liệu bao gồm: nhựa, dung môi, các chất phụ gia, dầu khô và pigment,
+ Bước 2: Cân riêng lẻ các nguyên vật liệu tại cân có độ chính xác cao
+ Bước 3: Khuấy trộn các thành phần tại máy khuấy hành tinh
Tại đây nguyên liệu được trộn kĩ trong khoảng thời gian định sẵn
Trong bước 4, nguyên liệu được đưa vào máy nghiền 3 trục, nơi hạt màu pigment được nghiền và phân tán đồng đều trong hệ chất mang Sau quá trình này, ta thu được hệ phân tán pigment với kích thước và độ ổn định đạt yêu cầu Hệ này sẽ được trộn thêm các phụ gia nếu cần thiết.
Chuẩn bị nguyên vật Cân nguyên vật liệu Khuấy trộn
Kiểm tra các thông số của mực
In thử Đóng hộp mực thành phẩm
Hình 1 15 Quá trình chế tạo mực in offset
22 cần thiết) để tăng thêm những tính năng riêng biệt và thu được sản phẩm cuối cùng là mực in
+ Bước 5: Kiểm tra các tính chất của mực: Độ dính, độ nhớt, kích thước hạt pigment,
+ Bước 6: In thử trên máy in thử IGT để đánh giá mức độ phát quang, tốc độ khô (nếu cần thiết)
+ Bước 7: Mực sau khi hoàn thiện được đóng vào hộp có qui định về trọng lượng và bảo quản trong kho mực với nhiệt độ 20±2 0 C, độ ẩm 60±5%
Chất lượng mực in phụ thuộc vào quá trình phân tán pigment, trong đó nhiều yếu tố như tỷ lệ các thành phần ban đầu và các thông số công nghệ trong từng giai đoạn sản xuất đều ảnh hưởng đến khả năng phân tán pigment và tính chất lưu biến của hệ Những yếu tố này tương tác lẫn nhau, khiến việc đánh giá ảnh hưởng của chúng đến chất lượng mực trở nên phức tạp.
Hình 1 16 Quá trình phân tán pigment
1.3.2 Các thiết bị sử dụng trong quá trình sản xuất mực offset: a Cân điện tử có độ chính xác cao: là cân kỹ thuật, điện tử có độ chính xác 0,01g b Máy khuấy hành tinh: bao gồm thùng khuấy hút chân không và hệ thống cánh khuấy có thể điều chỉnh được tốc độ c Máy nghiền 3 trục:
Máy nghiền 3 trục được thiết kế với ba trục quay, trong đó trục giữa được cố định Hai trục phía trước và sau có khả năng điều chỉnh khoảng cách, giúp tối ưu hóa quá trình nghiền.
23 với trục giữa Tỉ số tốc độ quay của chúng là 1:3:9 Phương quay của ba trục ngược nhau như hình dưới đây:
Hình 1 17 Cấu tạo máy nghiền 3 trục
Hình 1.17 d Máy đo độ nhớt:
- Sử dụng máy THERMOSCIENTIFIC:HaakeRotoVisco 1 để đo độ nhớt của mực vừa pha chế
Thiết bị này có các chế độ hoạt động đa dạng, bao gồm chế độ chuẩn và chế độ đo thiết lập sẵn, tùy thuộc vào tốc độ trượt và nhiệt độ Ngoài ra, thiết bị còn được trang bị bộ điều nhiệt và máy đo độ dính, giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình đo lường.
- Sử dụng máy TACK O SCOPE: IGT testing systemsđể đo độ dính của mực vừa pha chế Máy bao gồm hệ thống lô đo, lô phân phối, lô cấp mực
Hình 1 18 Máy đo độ nhớt HaakeRotoVisco 1
- Độ dính phụ thuộc vào phương pháp đo: nhiệt độ 25 o C; vận tốc quay
100 vòng/phút; máy đo) Thiết bị được lập trình sẵn Đơn vị độ dính là Tack.unit (T.U)
Hình 1 19 Máy đo độ dính TACK O SCOPE f Dụng cụ đo kích thước hạt:
Phương pháp đo độ mịn bằng thước đo độ mịn yêu cầu đặt một lượng mẫu nhỏ vào đầu thước và kéo thanh gạt vuông góc với thước về phía cuối Các vị trí trên thang đo sẽ hiển thị kích thước hạt pigment, từ đó giúp đánh giá kích thước hạt sau mỗi lần nghiền Dải đo kích thước hạt nằm trong khoảng từ 0 đến 25 µm.
Hình 1 20 Dụng cụ đo kích thước hạt g Máy in thử:
Máy in thử là thiết bị quan trọng trong quá trình sản xuất mực, cho phép in mẫu mực trên giấy để kiểm tra các yếu tố như màu sắc, tốc độ khô và độ bền cơ lý của mực Việc sử dụng máy in thử giúp đảm bảo chất lượng mực in trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt.
Hình 1 21 Máy in thử IGT Offset C1
- Với máy in thử IGT, ta có thể tính toán được định lượng, độ dày của lớp mực in thử trên giấy.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của mực in offset huỳnh quang
1.4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng pigment[6]:
- Sự tương tác giữa các phân tử pigment với nhau và với chất liên kết cũng ảnh hưởng đến tính chất của mực in, đặc biệt là độ nhớt
Lý thuyết của Einstein cho rằng khi các phân tử ở khoảng cách xa nhau, chúng không tương tác và không xem xét sự gia tăng thể tích của pha phân tán trong hiện tượng solvat Đồng thời, lý thuyết cũng bỏ qua một số đặc trưng cấu trúc của hệ phân tán Do đó, mối quan hệ tuyến tính trong định luật Einstein chỉ áp dụng cho các hệ phân tán loãng.
Khi nồng độ pigment tăng lên, đặc biệt khi đạt mức gần tương đương với nồng độ thực tế trong mực, độ nhớt sẽ tăng nhanh chóng và không còn tuân theo mối quan hệ tuyến tính.
Khi nồng độ pigment tăng lên, đặc biệt khi đạt đến nồng độ tương đương với nồng độ thực tế trong mực, theo định luật Newton, sự giảm thiểu sẽ xảy ra cùng với sự gia tăng của ngoại lực và gradient vận tốc.
1.4.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ chất liên kết (chất mang):
Chất liên kết, hay còn gọi là chất mang, chủ yếu bao gồm nhựa và dung môi hòa tan Ngoài ra, nó còn chứa dầu, chất tạo dẻo và sáp với tỷ lệ nhỏ Thành phần của chất liên kết có thể bao gồm nhiều loại nhựa và dung môi khác nhau.
26 hòa tan khác nhau Trên thị trường, thông thường Nhà cung cấp đã cung cấp sẵn hệ nhựa và dung môi hòa tan thành varnish
Varnish đóng vai trò quan trọng trong việc phân tán pigment, với độ nhớt thích hợp giúp quá trình thấm ướt pigment diễn ra hiệu quả Sự lan truyền của varnish xung quanh các hạt pigment làm cho chúng bị đẩy xa nhau, dẫn đến sự phân tách thành các hạt đơn lẻ Quá trình này phụ thuộc vào tính chất bề mặt của pigment và tỷ lệ varnish tối thiểu cần thiết để bao phủ hoàn toàn bề mặt pigment.
Tỷ lệ giữa pigment và varnish trong mực in có ảnh hưởng lớn đến tính chất của mực, bao gồm độ nhớt và độ dính Nếu hàm lượng varnish quá thấp, pigment sẽ không phân tán hoàn toàn, trong khi nếu hàm lượng varnish quá cao, mực sẽ trở nên dính và đặc, ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng in.
1.4.3 Ảnh hưởng của áp lực nghiền máy nghiền 3 trục:
Quan sát các chất tạo màu pigment ở dạng hiển vi cho thấy sự hình thành các hạt sơ cấp từ sự tập hợp của các tinh thể Hình dạng của các hạt này phụ thuộc vào điều kiện sắp xếp và kết hợp của các chất pigment Việc sử dụng máy nghiền 3 trục giúp tạo ra lực cơ học để phá vỡ liên kết giữa các hạt pigment, từ đó giảm kích thước hạt về mức tối thiểu và phân tán chúng trong chất liên kết.
Trong quá trình nghiền mực in offset bằng máy nghiền 3 trục, có ba thông số quan trọng cần chú ý: số lần nghiền, áp lực nghiền và nhiệt độ giữa các lô Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu quả của quá trình nghiền mực.
Số lần nghiền là yếu tố quan trọng trong quá trình sản xuất mực Nếu nghiền không đủ, hỗn hợp sẽ có độ phân tán thô, trong khi nghiền quá nhiều có thể làm giảm độ bóng của mực Việc nghiền nhiều lần giúp tạo ra hỗn hợp đồng đều và mịn hơn, do đó cần xác định số lần nghiền phù hợp dựa trên áp lực nghiền.
+ Áp lực nghiền ảnh hưởng đến khả năng phân tán của mực và kích thước mục tiêu của hạt pigment Áp lực nghiền thấp không có khả
Quá trình nghiền hạt pigment thô cần được thực hiện cẩn thận để tránh làm tăng kích thước hạt, điều này ảnh hưởng đến chất lượng in ấn như độ bão hòa màu và cường độ màu Nếu áp lực nghiền quá lớn, sẽ gây ra ma sát, dẫn đến gằn máy và sinh nhiệt, từ đó ảnh hưởng đến tính chất lưu biến của mực in và giảm tuổi thọ của thiết bị nghiền.
+ Nhiệt độ giữa các lô trong quá trình nghiền: Để tạo ra hệ phân tán tối ưu, nhiệt độ cần giữ ổn định trong quá trình nghiền
PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM
Mô hình thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu toàn phần [17]
Xây dựng mô hình thực nghiệm thống kê giúp giảm thiểu số lượng thực nghiệm cần thiết và đồng thời xác định giá trị tối ưu của hàm mục tiêu.
Khi lập kế hoạch cho một thí nghiệm, các điều kiện thí nghiệm được xác định bởi số mức của mỗi yếu tố Nếu thực hiện thí nghiệm ở 2 mức tương ứng với 2 giá trị của các yếu tố và tiến hành tất cả các tổ hợp từ 2 mức của k yếu tố, thì kế hoạch thí nghiệm này được gọi là kế hoạch thực nghiệm toàn phần (kế hoạch 2^k).
- Mức của yếu tố là giới hạn của vùng được nghiên cứu theo các thông số công nghệ đã cho.
Các bước tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu toàn phần
- Số các yếu tố độc lập tối đa ảnh hưởng lên hệ, tùy theo yêu cầu chọn k yếu tố ảnh hưởng lên hàm mục tiêu y
2.2.2 Xác định cấu trúc của hệ:
- Hệ chỉ là một hộp đen (một phần tử mà chủ thể không biết rõ cấu trúc và tính chất bên trong) được mô tả như sau:
- Xác định các hàm toán mô tả hệ:
Trong cấu trúc hộp đen, các hàm toán mô tả là hàm nhiều biến y = f(x1, x2, xk), có thể được phân tích thông qua dãy Taylor, tương ứng với hàm hồi quy lý thuyết.
- Xác định các thông số của mô hình:
Xác định các hệ số hồi quy từ N thực nghiệm theo công thức: bi N
- Kiểm tra tính tương hợp của các hệ số bj theo công thức: tbj ≥ tp,f2
+ tp,f2:giá trị tra bảng của số chuẩn Student ở mức có nghĩa p và bậc lặp tự do lặp
+ tbj: chuẩn số Student của hệ số bi được xác định theo công thức: tbj Sbj bj
+ Giá trị của độ lệch tiêu chuẩn Sbj của phân bố bj được xác định theo công thức sau:Sbj N
Trong đó: S ll 2 là phương sai lặp xác định theo công thức sau:
Với m: là số thực nghiệm tại tâm kế hoạch y
0 a : là giá trị hàm mục tiêu ở thực nghiệm thứ a tại tâm kế hoạch y 0: là giá trị trung bình của m thực nghiệm tại tâm kế hoạch: y 0 =
+ Các chỉ số bi có nghĩa khi: b > t i 0.05j S bj
Các kế hoạch bậc 1 đã được sử dụng đều mang tính trực giao, do đó có thể loại bỏ các hệ số hồi quy không có ý nghĩa Điều này cho phép chúng ta viết lại phương trình hồi quy tuyến tính chỉ với các hệ số có ý nghĩa, giúp nâng cao tính chính xác và hiệu quả của mô hình.
2.2.3 Kiểm tra tính tương hợp của mô hình và cải tiến mô hình:
- Tính tương hợp của mô hình với thực nghiệm được kiểm tra theo công thức sau: F ≤ Fp,f1,f2 với F - chuẩn số Fisher được xác định theo công thức:
+ S du 2 :phương sai dư xác định theo công thức
- Fp,f1,f2: giá trị tra bảng của chuẩn số Fisher ở mức có nghĩa p và bậc tự do lặp f2 và bậc tự do dư : f1 = N – l
+ l: hệ số có nghĩa trong phương trình hồi quy
+ N: số thực nghiệm trong kế hoạch
Phương pháp tối ưu hóa
2.2.1 Các bước thực hiện tối ưu hóa thực nghiệm:
Để thực hiện quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp một, trước tiên cần xác định một điểm xuất phát nằm trong miền giới hạn của các biến đầu vào Điểm này sẽ được chọn làm mức cơ bản, sau đó xác định khoảng biến thiên cho từng biến để thiết lập miền giới hạn cho quy trình.
+ Làm các thí nghiệm theo quy hoạch trực giao cấp một
+ Xây dựng phương trình hồi quy bậc nhất
+ Nếu phương trình hồi quy bậc nhất không tương thích thì chuyển tới thực hiện bước 4
+ Nếu phương trình hồi quy bậc nhất tương thích thì thực hiện bước 3
Xác định vectơ gradient của hàm mục tiêu tại mức cơ bản, từ đó xác định tọa độ các điểm thực nghiệm cách đều nhau theo hướng của vectơ gradient Khoảng cách giữa các điểm này cần được chọn phù hợp với đối tượng nghiên cứu Tiến hành thực nghiệm để tìm ra điểm có giá trị hàm mục tiêu tốt nhất theo hướng của gradient.
+ Chọn điểm tìm được làm điểm xuất phát mới và quay về bước 2
+ Làm các thí nghiệm theo quy hoạch cấp hai
+ Xây dựng phương trình hồi quy bậc hai
+ Nếu phương trình hồi quy bậc hai không tương thích thì chuyển tới thực hiện bước 6 Nếu phương trình hồi quy bậc hai tương thích thì thực hiện bước 7
+ Thu hẹp khoảng biến thiên của các biến đầu vào rồi quay về bước 5
Để tìm cực trị của hàm mục tiêu, chúng ta cần phân tích phương trình hồi quy bậc hai đã được xác định ở bước 5 Sau đó, tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng và đánh giá kết quả đạt được.
2.1.1 Phương pháp leo dốc Box-Wilson a Nội dung phương pháp
- Vectơ gradien của hàm y=f(x) tại điểm x0 (ký hiệu grad f(x0)) chỉ ra lượng tăng nhanh nhất của hàm y tại điểm x:
- Trong đó: ( ) là đạo hàm riêng theo biến xj; i1, i2, , ik là các vectơ đơn vị theo các trục tọa độ tại x0 b Thuật toán leo dốc
- Tính các thành phần của gradien:
Giả sử đang ở điểm C ta muốn chuyển tới điểm x theo hướng gradien tại x0 Theo triển khai Taylor ta có: f(x) = f(x ) = ( )
Nếu ta lấy gần đúng đến số hạng bậc nhất thì từ x0 đến x hàm f đã tăng được một lượng là:
Nếu ở miền D0 mô hình là tuyến tính thì:
Vì vậy, hàm f đã tăng được một đại lượng là:
Để lựa chọn bước đi hiệu quả nhất, cần chú ý đến số hạng nào trong hàm tăng lên nhiều nhất, từ đó xác định biến tương ứng là nhân tố cơ sở.
Ta gọi các khoảng biến đổi tương ứng theo biến thật là ∆z ; j 1, k Tìm chỉ số j * đạt:
Vậy j * là chỉ số nhân tố cơ sở
+ Ta chọn độ dài bước cho nhân tố cơ sở là ℎ ∗
+ Các độ dài bước ℎ ∗ của các nhân tố khác được tính theo ℎ ∗
+ Gọi Z0là tâm miền D0 trong tọa độ thât, ký hiệu là điểm M0 Với độ dài bước ở trên Ta đến điểm M1 có các tọa độ:
+ Làm thí nghiệm đo kết quả ta được y1 Vừa làm đo và so sánh kết quả: y0< y1 → tiếp tục làm y2 y1< y2→ tiếp tục làm y3
Khi Yp ≤ yp+1, mặt cong bắt đầu giảm và chúng ta dừng lại ở Mp+1 với trung tâm miền nghiên cứu mới Dp Tiến hành kiểm định sự phù hợp của phương trình bậc nhất; nếu thỏa mãn, chúng ta sẽ tìm độ dài bước và thực hiện thí nghiệm Quá trình này tiếp tục cho đến khi mô hình bậc nhất không còn phù hợp, dẫn đến việc xác định vùng cực trị.
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Các bước tiến hành chế tạo mực in offset huỳnh quang
- Pigment màu, pigment huỳnh quang làm chất màu được cung cấp bởi BASF:
+Pigment huỳnh quang: 2-(5-Chloro-2-hydroxyphenyl)-4(3)- quinazolone (Phát quang màu xanh) [18]
- Hệ varnish DIC (resin/solvent) làm chất mang để phân tán pigment huỳnh quang chế tạo mực in offset: High tack varnish M02
- Dung môi DIC làm chất điều chỉnh độ nhớt: Petroleum solvent
3.1.2 Các bước chế tạo mẫu mực:
- Bước 1: Cân các nguyên vật liệu: pigment, varnish và dung môi trên cân có độ chính xác cao
- Bước 2: Khuấy trộn các nguyên vật liệu tại máy khuấy hành tinh với tốc độ thấp = 20 vòng/phút, trong thời gian 15 phút
Cân nguyên vật liệu Khuấy trộn
Kiểm tra các thông số của mực
Hình 3 1 Sơ đồ chế tạo mẫu mực
Hệ huyền phù sau khi tạo thành sẽ được đưa vào máy nghiền ba trục, với áp lực nghiền lần lượt là 90, 110 và 130 bar Quá trình nghiền được thực hiện lặp lại ba lần với các mức áp lực như trên, trong khi nhiệt độ nghiền được duy trì ổn định ở mức 25 ± 2 độ C.
- Bước 4: Kiểm tra các thông số của mực in như độ dính, độ nhớt và kích thước hạt
- Bước 5: In thử mẫu mực trên máy in thử IGT Testing
3.1.3 Kiểm tra các thông số mực in:
Độ dính của mẫu mực sau khi nghiền được xác định bằng thiết bị Tack-O-Scope (IGT Testing System) trong điều kiện nhiệt độ 25 độ C, với tốc độ lô là 100m/phút và thời gian phân phối là 60 giây.
- Độ nhớt của mẫu mực sau khi nghiền được đo bằng thiết bị Rheometer HAAKER RV1 tại điều kiện: nhiệt độ 40 0 C, tốc độ trượt từ 0 –
1000 s -1 trong vòng 30s và thời gian đo 60s
Kích thước hạt mực được xác định bằng thiết bị đo độ mịn Fineness-of-grind gauge Để thực hiện phép đo, một lượng mẫu mực nhỏ được đặt vào đầu thước đo và kéo bằng thanh gạt vuông góc với thước Các vị trí trên thang đo sẽ hiển thị kích thước hạt pigment, từ đó giúp đánh giá kích thước hạt sau mỗi lần nghiền Dải đo kích thước hạt nằm trong khoảng từ 0 đến 25 micromet.
- Mẫu mực được in thử trên máy IGT Offset C1 để kiểm tra khả năng in, cường độ phát quang,
Phương pháp thực nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ dính, độ nhớt của mực in
độ dính, độ nhớt của mực in:
Giá trị độ nhớt, độ dính xác định của mực in offset huỳnh quang phù hợp với công nghệ in offset:
Bảng 3 1 Giá trị độ nhớt và độ dính phù hợp cho mực in offset tờ rời
STT Giá trị độ nhớt
Giá trị độ dính (Tack, TU)
Các thí nghiệm được thiết kế theo phương pháp qui hoạch thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu toàn phần, với hàm mục tiêu là kích thước hạt của mực in offset huỳnh quang Ba biến độc lập được nghiên cứu bao gồm tỷ lệ varnish trong mực, tỷ lệ pigment trong mực và mức tăng áp lực sau mỗi lần nghiền Quy trình thực nghiệm được thực hiện theo các bước cụ thể để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của kết quả.
- Bước 1: Xây dựng mô hình thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu toàn phần
- Bước 2: Thực hiện thí nghiệm theo mô hình thực nghiệm:
Các biến khảo sát bao gồm tỷ lệ varnish và pigment trong mực, cùng với mức tăng áp lực nghiền sau mỗi lần nghiền Mục tiêu chính là đạt được kích thước hạt pigment phân tán tối ưu trong mực.
Trong mỗi thí nghiệm, mẫu mực với tỷ lệ thành phần xác định được nghiền qua máy nghiền và kiểm tra các thông số theo quy trình đã nêu.
Sử dụng phần mềm Matlab R2020b, chúng tôi đã tính toán tối ưu dựa trên phương trình hồi quy đã xây dựng, từ đó tạo ra đồ thị mô tả mối liên hệ giữa các thông số ảnh hưởng đến kích thước hạt phân tán Qua đó, chúng tôi xác định được các giá trị thông số cho phép để tạo ra kích thước hạt nhỏ nhất.
Bước 3 là quá trình kiểm tra và đánh giá kết quả thực nghiệm bằng cách tạo mẫu mực theo các thông số công nghệ và điều kiện chế tạo đã được xác lập Trong bước này, cần đo các thông số kích thước hạt, độ nhớt, độ dính và kiểm tra độ bền phân tán của hệ.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ varnish đến độ dính, độ nhớt của mực
- Trộn các thành phần trong thời gian 15 phút;
- Nghiền 3 lần (Mỗi lần 15 phút) với áp lực lần lượt là: 90 bar, 110 bar, 130 bar
Bảng 3.2 Ảnh hưởng tỉ lệ varnish đến độ dính, độ nhớt
Tỷ lệ Varnish tương ứng (%)
Tỷ lệ pigment và dung môi tương ứng (%) Độ nhớt (pa.s) Độ dính (tack value)
- Vậy tỉ lệ varnish trong mực phù hợp là: từ 64% đến 74%
Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ pigment đến độ dính, độ nhớt của mực
- Trộn các thành phần trong thời gian 15 phút;
- Nghiền 3 lần (Mỗi lần 15 phút) với áp lực lần lượt là: 90 bar, 110 bar, 130 bar
Bảng 3.3 Ảnh hưởng tỉ lệ pigment đến độ dính, độ nhớt
STT Tên mẫu Tỷ lệ varnish và dung môi
Tỷ lệ pigment tương ứng (%) Độ nhớt (pa.s) Độ dính (tack value)
- Vậy tỉ lệ pigment phù hợp là: từ 16% đến 24%
Khảo sát ảnh hưởng áp lực nghiền đến độ dính, độ nhớt của mực
Bảng 3.4 Ảnh hưởng áp lực nghiền (mỗi lần thay đổi 6 bar)
STT Lần nghiền thứ Áp lực nghiền (bar)
Kích thước hạt (um) Độ nhớt (pa.s) Độ dính (tack value)
Hạt pigment phân tán không đều, varnish và dung môi bám nhiều trên lô
Hạt pigment phân tán đều, varnish và dung môi bám ít trên lô
Hạt pigment phân tán đều trong varnish và dung môi
Bảng 3.5 Ảnh hưởng của áp lực nghiền (thay đổi 10 bar)
STT Lần nghiền thứ Áp lực nghiền (bar)
Kích thước hạt (um) Độ nhớt (pa.s) Độ dính (tack value)
Hạt pigment phân tán không đều, varnish và dung môi bám nhiều trên lô
Hạt pigment phân tán đều, varnish và dung môi bám ít trên lô
Hạt pigment phân tán đều trong varnish và dung môi
Bảng 3.6 Ảnh hưởng của áp lực nghiền (mỗi lần thay đổi 15 bar)
STT Lần nghiền thứ Áp lực nghiền (bar)
Kích thước hạt (um) Độ nhớt (pa.s) Độ dính (tack value)
Hạt pigment phân tán không đều, varnish và dung môi bám nhiều trên lô
Hạt pigment phân tán tương đối đều trong varnish và dung môi
Hạt pigment phân tán đều trong varnish và dung môi
Bảng 3.7 Ảnh hưởng của áp lực nghiền (mỗi lần thay đổi 20 bar)
STT Lần nghiền thứ Áp lực nghiền (bar)
Kích thước hạt (um) Độ nhớt (pa.s) Độ dính (tack value)
Hạt pigment phân tán không đều, varnish và dung môi bám nhiều trên lô
Hạt pigment phân tán tương đối đều trong varnish và dung môi
Hạt pigment phân tán đều trong varnish và dung môi
Bảng 3.8 Ảnh hưởng của áp lực nghiền (mỗi lần thay đổi 25 bar)
Lần nghiền thứ Áp lực nghiền (bar)
Kích thước hạt (um) Độ nhớt (pa.s) Độ dính (tack value)
Hạt pigment phân tán không đều, varnish và dung môi bám nhiều trên lô
Hạt pigment phân tán tương đối đều trong varnish và dung môi
Máy kêu to, gằn trong quá trình nghiền
Áp lực nghiền không có tác động đáng kể đến độ dính và độ nhớt của mực Khi áp lực nghiền đạt 140 bar, máy xuất hiện hiện tượng kêu to và gằn trong quá trình nghiền Đặc biệt, khi áp lực nghiền thay đổi từ 6 bar đến 20 bar sau mỗi lần nghiền, độ dính và độ nhớt của mực vẫn giữ ổn định mà không có sự thay đổi rõ rệt.
Xây dựng các thông số công nghệ
- Xây dựng tối ưu các thông số công nghệ, hàm mục tiêu là kích thước hạt mực
- 03 thông số công nghệ cần tối ưu là:
+ Tỷ lệ pigment huỳnh quang (%) : Z2
+ Mức tăng áp lực sau mỗi lần nghiền (bar): Z3
Bảng 3.9 Giá trị trung bình Z 1 , Z 2 , Z 3
Thông số Giá trị max Giá trị min Giá trị TB
- Lặp lại 3 lần thí nghiệm với các thông số như sau:
+ Tỷ lệ pigment huỳnh quang: 20%;
+ Mức tăng áp lực sau mỗi lần nghiền: 13 bar
Lần nghiền Áp lực nghiền (bar)
Lần nghiền Áp lực nghiền (bar)
Lần nghiền Áp lực nghiền (bar)
Bảng 3.13 Thí nghiệm tại biên
Mức thay đổi áp lực nghiền (bar)
Kích thước hạt mực (àm)
