Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình sản xuất giấy, cellulose là thành phần cốt lõi và có bản chất tự nhiên làm cho giấy ngả sang màu vàng. Hiện tượng ngả vàng này tạo ra rào cản lớn đối với ngành in ấn thương mại và in bao bì khi cần đạt được màu sắc trung thực, chính xác theo mẫu chuẩn hoặc tiêu chuẩn quốc tế. Để khắc phục nhược điểm quang học này, các nhà sản xuất giấy thường bổ sung các chất phụ gia và chất làm sáng quang học (Optical Brightening Agents - OBAs). OBAs hoạt động theo nguyên lý hấp thụ bức xạ tử ngoại (UV) không nhìn thấy được và phát xạ lại ánh sáng trong vùng màu xanh lam hoặc tím, giúp bề mặt giấy trông sáng và trắng hơn đối với thị giác con người.

Tuy nhiên, việc bổ sung hàm lượng OBAs vượt quá ngưỡng cho phép sẽ dẫn đến hiện tượng giấy bị ám xanh, gây mất cân bằng màu sắc và làm sai lệch khả năng tái tạo màu khi in ấn. Sự biến đổi phổ dưới các nguồn sáng khác nhau cùng với việc các phiên bản tiêu chuẩn in ấn trước đây chưa tính toán đầy đủ sự phát huỳnh quang của chất nền đã đặt ra nhiều thách thức cho việc chuẩn hóa chất lượng in. Trước thực tế đó, đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất quang học của giấy đến tái tạo màu trong in Offset" do nhóm sinh viên Trần Quốc Nhật, Nguyễn Minh Hoài và Đỗ Thành Danh thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thành Phương tại Khoa In và Truyền thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 7/2023) đã đi sâu khảo sát thực nghiệm vấn đề này.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể qua 6 nội dung:

  1. Phân tích, hiểu rõ các đặc tính lý hóa của các loại giấy và mực in được thực nghiệm.
  2. Phân loại được các loại giấy phù hợp với tiêu chí trong khoảng dung sai cho phép của tiêu chuẩn ISO 12647-2.
  3. Phân tích được ảnh hưởng của độ sáng, độ trắng cũng như hàm lượng OBA đến quá trình truyền mực.
  4. Xác định được phổ phản xạ, thông số không gian màu, độ bão hòa, sự khác biệt màu sắc khi sử dụng các loại giấy có OBA khác nhau.
  5. Khảo sát được phổ phản xạ trên giấy trắng có mối tương quan nào với OBAs.
  6. Khảo sát được mối tương quan độ bão hòa màu với OBAs của các loại giấy khi đã được in độ dày lớp mực khác nhau.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tính chất quang học của giấy nền (độ bóng, độ đục, độ trắng CIE, độ sáng tại bước sóng 457 nm, hàm lượng OBAs) và các chỉ số tái tạo màu sắc của mực in Offset (phổ phản xạ, tọa độ màu $L^, a^, b^*$ trong không gian màu CIE Lab, độ bão hòa màu và sai biệt màu $\Delta E$).
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm được triển khai tại phòng thí nghiệm chuyên ngành của Khoa In và Truyền thông; áp dụng kỹ thuật in Offset tờ rời trên máy in thử IGT Orange Proofer với bộ ba màu mực cơ bản Cyan, Magenta, Yellow của EPSON; khảo sát trên 6 nhóm mẫu giấy thực nghiệm có hàm lượng OBAs khác nhau (từ không có OBA, OBA thấp, trung bình đến OBA cao) thuộc các nhóm giấy tráng phủ (Iso Coated) và không tráng phủ (Iso Uncoated); đo kiểm dưới các điều kiện chiếu sáng D50, D65 và các chế độ đo quang phổ M0, M1, M2 theo quy định chuẩn hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý vật lý quang học, cấu trúc vật liệu in và các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng quốc tế:

  • Thành phần cấu trúc giấy: Giấy có thành phần chính là sợi cellulose $(C_6H_{10}O_5)_n$ với mức độ polymer hóa $n$ từ 100 đến 10.000, chiều dài sợi khoảng 0,05 mm và độ dày khoảng 0,001 lần chiều dài. Bên cạnh đó là hemicellulose dễ trương nở trong nước và lignin có cấu trúc không gian dễ bị oxy hóa gây ngả vàng theo thời gian. Để cải thiện bề mặt, các chất độn vô cơ mịn và trắng được bổ sung như bột đá vôi ($CaCO_3$), cao lanh ($Al_2O_3 \cdot 2SiO_2 \cdot 2H_2O$), bột talc ($3MgO \cdot 4SiO_2 \cdot H_2O$) và titan dioxit ($TiO_2$).
  • Các tính chất quang học của giấy:
    • Độ bóng ($Gloss$): Thể hiện khả năng phản xạ gương của bề mặt giấy theo công thức $Gloss = (\Phi_{\text{mẫu đo}} / \Phi_{\text{tiêu chuẩn}}) \times 100$.
    • Độ đục ($Opacity - OP$): Xác định theo tiêu chuẩn ISO 2471:2008 tại bước sóng 557 nm thông qua tỷ số phản xạ khuếch tán trên nền đen ($R_{vo}$) và nền trắng ($R_{v\infty}$): $OP = (R_{vo} / R_{v\infty}) \times 100$.
    • Độ trắng CIE ($WI$): Được tính toán trên toàn bộ dải phổ nhìn thấy từ 400 nm đến 700 nm theo công thức $WI = Y + 800(x_n - x) + 1700(y_n - y)$ dựa trên các chuẩn ISO 11475 (nguồn sáng D65/10°) hoặc ISO 11476 (nguồn sáng C/2°).
    • Độ sáng ($R_{457}$): Đo thừa số phản xạ khuếch tán ở vùng ánh sáng xanh lam tại bước sóng $457 \pm 44\text{ nm}$ theo công thức $R_{457} = \sum R(\lambda_i) F(\lambda_i) / \sum F(\lambda_i)$.
    • Cơ chế hoạt động của OBAs: OBAs hấp thụ năng lượng tia cực tím ở dải bước sóng 340–370 nm và tái phát xạ năng lượng đó thành ánh sáng khả kiến trong dải bước sóng 420–470 nm (ánh sáng xanh lam), giúp triệt tiêu sắc vàng tự nhiên của cellulose.
  • Tiêu chuẩn đo lường quang học: Nghiên cứu áp dụng hệ thống phân loại điều kiện đo của ISO:
    • M0: Nguồn sáng không lọc tia (Illuminant A), không dùng bộ lọc phân cực.
    • M1: Nguồn sáng D50 có kiểm soát năng lượng UV đạt chuẩn để kích hoạt huỳnh quang huỳnh quang tương thích mắt người.
    • M2: Nguồn sáng loại bỏ hoàn toàn thành phần UV (UV-cut).
    • M3: Nguồn sáng có bộ lọc phân cực nhằm loại bỏ phản xạ bề mặt.
  • Các nghiên cứu nền tảng tham chiếu: Đồ án tổng thuật công trình của Ole Norberg (Đại học Mid Thụy Điển, 2007) về mối liên hệ giữa độ trắng giấy và sự thích ứng màu sắc, cùng nghiên cứu của Chung Robert và Tian Quanhui (Đại học Khoa học và Công nghệ Thượng Hải, 2010) về các mô hình hiệu chỉnh OBAs tuyến tính và đa thức.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm thực nghiệm đo lường tính chất bề mặt, in thử kiểm soát độ dày lớp mực và phân tích phổ phản xạ trên phần mềm chuyên dụng.

Thiết bị / Công cụ Hãng sản xuất / Model Chức năng kỹ thuật trong nghiên cứu
Kính hiển vi quang học OLYMPUS DP22 Quan sát cấu trúc bề mặt sợi, chất độn và phân bố hạt pigment
Máy đo độ bóng ELCOMETER 406 L-60S Đo lường độ bóng bề mặt giấy ở góc chiếu tiêu chuẩn
Cân điện tử phân tích DJ-600E Xác định định lượng giấy (GSM)
Máy đo độ nhớt Brookfield LVDV-E Kiểm soát độ nhớt và tính lưu biến của mực in Offset
Máy in thử chuyên dụng IGT Orange Proofer Thực hiện in thử với các mức thể tích mực định lượng chính xác
Máy đo màu quang phổ Techkon SpectroDens Premium Đo phổ phản xạ, tọa độ CIE Lab, mật độ quang học, sai biệt màu $\Delta E$
Phần mềm tính toán Origin 2022 Xử lý dữ liệu quang phổ, vẽ đồ thị và tính độ bão hòa màu (Color Purity)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về giấy in và mực in Offset

Chương này hệ thống hóa toàn bộ kiến thức lý thuyết về thành phần cấu tạo của giấy in (cellulose, hemicellulose, lignin và các chất độn vô cơ như cao lanh có khối lượng riêng 2,62 g/cm³ và độ trắng 97–98). Tác giả phân tích chi tiết các thuộc tính quang học gồm độ bóng, độ đục, độ trắng CIE và độ sáng tại bước sóng 457 nm. Chương 1 làm rõ cơ chế của OBAs trong việc hấp thụ tia cực tím dưới 400 nm để phát xạ ánh sáng khả kiến trong dải 400–500 nm, đồng thời phân tích cấu trúc của mực in Offset tờ rời gồm pigment phân tán, chất làm khô kim loại chuyển tiếp và chất chống oxy hóa.

Bên cạnh đó, chương khảo sát hiện tượng tương tác giữa mực và giấy (mao dẫn, độ bám dính, độ mịn, độ láng và hiện tượng gia tăng tầng thứ dot gain). Phần tổng quan tình hình nghiên cứu điểm lại các công trình trong nước về tối ưu hóa mật độ mực và độ bám dính mực tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội (2022), cùng các nghiên cứu quốc tế của Ole Norberg (2007) và Robert Chung (2010) về phương pháp hiệu chỉnh huỳnh quang.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 trình bày toàn bộ quy trình thiết lập thực nghiệm và thu thập dữ liệu. Các tác giả tiến hành khảo sát bề mặt và phân loại 6 nhóm mẫu giấy thực nghiệm có mức độ OBA khác nhau (từ không OBA đến OBA cao) dựa trên các tiêu chí của tiêu chuẩn ISO 12647-2. Các mẫu mực in được xác định gồm bộ ba màu Cyan, Magenta, Yellow của EPSON, được kiểm tra độ nhớt bằng máy Brookfield LVDV-E.

Quy trình in thử được vận hành trên máy IGT Orange Proofer, sử dụng pipet chuyên dụng để cấp chính xác các mức lượng mực gồm 0,2 ml; 0,3 ml và 0,35 ml nhằm tạo ra các độ dày lớp màng mực khác nhau. Dữ liệu phổ phản xạ trên giấy trắng và trên các mảng màu in thử được thu thập thông qua máy quang phổ Techkon SpectroDens Premium dưới các nguồn sáng D50, D65 ở điều kiện đo M1 và M2. Sau đó, dữ liệu được đưa vào phần mềm Origin 2022 để xác định tọa độ các điểm chuẩn, điểm trắng (W) và tính toán độ bão hòa màu (CP) cho từng màu mực.

Chương 3: Kết quả và biện luận

Chương 3 tập trung phân tích các dữ liệu đo đạc thực nghiệm. Kết quả đo phổ phản xạ cho thấy giấy có hàm lượng OBAs cao xuất hiện một đỉnh phản xạ tăng vọt đặc trưng tại vùng bước sóng 457 nm, trong khi giấy không chứa OBAs có đường phổ đi ngang bằng phẳng. Phân tích không gian màu CIE Lab chỉ ra rằng khi hàm lượng OBAs tăng, giá trị độ sáng $L^$ và chỉ số độ trắng CIE tăng mạnh, nhưng đồng thời làm giá trị tọa độ $b^$ dịch chuyển sâu về phía âm (ngả xanh lam).

Đánh giá mẫu in thử với các mức lượng mực khác nhau (0,2 ml; 0,3 ml; 0,35 ml) cho thấy sai biệt màu $\Delta E$ so với tiêu chuẩn ISO 12647-2 có sự dao động rõ rệt giữa các loại giấy. Với các mẫu giấy loại 3 và loại 6, nghiên cứu chỉ ra lượng mực tối ưu để đạt chuẩn $\Delta E$. Về độ bão hòa màu, sự hiện diện của OBAs làm tăng độ bão hòa của các gam màu lạnh (Cyan, Blue), nhưng lại có xu hướng làm suy giảm độ bão hòa của màu Yellow do ánh sáng xanh huỳnh quang phát xạ đã trung hòa một phần sắc vàng.

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

Chương này tổng kết lại những phát hiện chính của đề tài, khẳng định vai trò kép của OBAs trong công nghệ in Offset: vừa nâng cao độ tương phản và độ sáng quang học của bản in, vừa gây ra các rủi ro về biến đổi màu sắc dưới các nguồn sáng khác nhau. Tác giả cũng chỉ ra các định hướng mở rộng nghiên cứu nhằm kiểm soát thể tích không gian màu tổng thể.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại các kết quả thực nghiệm định lượng cụ thể:

  • Xác lập đặc tính phổ phản xạ của giấy chứa OBAs: Chứng minh bằng thực nghiệm đường cong phản xạ phổ của các loại giấy chứa OBA luôn có đỉnh phát xạ nhô cao ở dải bước sóng 420–470 nm dưới nguồn sáng kích hoạt D65 và D50, khác biệt hoàn toàn với đường phổ thoai thoải của giấy không chứa OBA.
  • Xác định mức lượng mực in tối ưu theo ISO 12647-2: Khảo sát các mức cấp mực 0,2 ml; 0,3 ml và 0,35 ml trên máy in thử IGT Orange Proofer, xác định được ngưỡng truyền mực giúp các giá trị màu Cyan, Magenta, Yellow trên các mẫu giấy thực nghiệm đạt dung sai sai biệt màu $\Delta E$ cho phép theo chuẩn quốc tế.
  • Làm rõ sự biến thiên độ bão hòa màu: Chỉ ra sự phân hóa giữa các màu khi in trên nền giấy có OBA cao; trong khi màu Cyan và các màu tông lạnh đạt được độ tươi sáng và độ bão hòa cao hơn, thì màu Yellow bị giảm độ tinh khiết màu do tác động của ánh sáng phát quang màu xanh lam.
Thông số / Yếu tố khảo sát Giấy không chứa OBAs Giấy chứa OBAs (trung bình đến cao)
Phổ phản xạ tại bước sóng 457 nm Đường phổ nằm ngang, không có đỉnh nhọn Phản xạ mạnh, tạo đỉnh nhọn nhô cao rõ rệt
Tọa độ trục $b^*$ (CIE Lab) Thiên về giá trị dương (ngả màu vàng tự nhiên) Dịch chuyển về phía giá trị âm (ngả xanh lam)
Chỉ số độ trắng CIE ($WI$) Thấp hơn (thường trong khoảng 79 - 96) Vượt trội (có thể đạt trên 120 nhờ huỳnh quang)
Độ bão hòa màu Cyan và Blue Tiêu chuẩn theo tính chất nền giấy Tăng lên, màu sắc hiển thị tươi sáng hơn
Độ bão hòa màu Yellow Duy trì đúng sắc độ của lớp mực Bị suy giảm do ánh sáng xanh phát quang bù trừ
Sự biến đổi màu theo nguồn sáng Ổn định giữa các nguồn sáng khác nhau Dễ bị hiện tượng metamerism (sai lệch màu)

Giải pháp và kiến nghị của nhóm tác giả:

  • Các nhà in thương mại cần sử dụng điều kiện đo M1 (nguồn sáng D50 có kiểm soát năng lượng UV) theo khuyến nghị của ISO 12647-2:2013 khi kiểm soát chất lượng màu trên giấy có chứa OBAs, tránh dùng điều kiện M2 (lọc UV) vì sẽ loại bỏ hoàn toàn tác động thực tế của chất làm sáng.
  • Cần điều chỉnh lượng cấp mực và xây dựng đường cong bù trừ dot gain riêng cho từng loại giấy dựa trên hàm lượng OBA thực tế của vật liệu nền nhằm đảm bảo độ bão hòa của màu Yellow và cân bằng xám.

Đóng góp của đề tài: Đồ án đã cung cấp dữ liệu thực nghiệm có giá trị về tương tác quang học giữa OBA và mực in Offset tại Việt Nam – một mảng nghiên cứu thực nghiệm còn hạn chế trong nước so với thế giới. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo thực chứng giúp các nhà in nhận diện rõ tác động của chất làm sáng quang học lên từng phân vùng màu sắc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Theo nhận xét đánh giá của giảng viên hướng dẫn (TS. Nguyễn Thành Phương), nhược điểm chính của đề tài là chưa tiến hành khảo sát chi tiết và toàn diện về ảnh hưởng của OBAs đến các thể tích không gian màu (gamut volume) dạng 3D trên nhiều chủng loại giấy khác nhau.
  • Quy mô thực nghiệm mới dừng lại ở các mẫu in thử trên thiết bị in phòng thí nghiệm (IGT Orange Proofer) với số lượng mẫu giấy hữu hạn, chưa đánh giá trên hệ thống máy in Offset công nghiệp nhiều màu chạy sản lượng lớn với các yếu tố làm ẩm và áp lực in biến thiên liên tục.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng khảo sát đo lường toàn diện thể tích gamut màu không gian 3D đối với hệ thống in nhiều màu trên đa dạng chất nền giấy thương mại.
  • Ứng dụng các thuật toán hiệu chỉnh OBA (như phương pháp hiệu chỉnh đa thức do Robert Chung và Tian Quanhui đề xuất) để xây dựng quy trình thiết lập profile ICC chuẩn cho các nhà in Offset sử dụng nguồn giấy có huỳnh quang cao tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu nghiên cứu chuyên ngành hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật In, Kỹ thuật Bao bì: Nắm vững phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm quang học, hiểu sâu bản chất hóa lý của sợi giấy, chất độn và cơ chế phát quang của phụ gia OBAs.
  • Kỹ thuật viên chế bản và quản lý chất lượng in (QC/KCS): Tham khảo quy trình kiểm soát thông số màu sắc theo tiêu chuẩn ISO 12647-2, hiểu rõ cách thiết lập các chế độ đo quang học M0, M1, M2, M3 để tránh sai số khi xuất profile màu.
  • Phần đáng tham khảo nhất trong tài liệu: Toàn bộ quy trình thực nghiệm in thử trên máy IGT Orange Proofer kết hợp pipet định lượng mực tại Chương 2, cùng phương pháp trích xuất dữ liệu quang phổ để tính toán độ bão hòa màu (CP) bằng phần mềm Origin 2022 tại Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Bốn điều kiện đo quang phổ M0, M1, M2 và M3 theo tiêu chuẩn ISO có điểm gì khác nhau?
Tiêu chuẩn ISO quy định: M0 sử dụng nguồn sáng không lọc (Illuminant A) không có bộ lọc phân cực; M1 sử dụng nguồn sáng D50 có kiểm soát thành phần UV phù hợp với tiêu chuẩn quan sát đồ họa ISO 3664; M2 là điều kiện lọc bỏ hoàn toàn tia tử ngoại (UV-cut); và M3 sử dụng kính lọc phân cực để triệt tiêu hiện tượng phản xạ gương bề mặt. Điều kiện M1 là tiêu chuẩn quan trọng nhất để đánh giá chính xác giấy chứa OBAs.

2. OBAs hoạt động theo cơ chế quang học nào và tại sao lại làm tăng độ sáng tại bước sóng 457 nm?
OBAs hấp thụ bức xạ tử ngoại không nhìn thấy được trong khoảng bước sóng 340–370 nm, sau đó biến đổi năng lượng và phát xạ ra ánh sáng khả kiến trong vùng màu xanh lam từ 420–470 nm. Phép đo độ sáng tiêu chuẩn của giấy được xác định tại bước sóng trung tâm $457 \pm 44\text{ nm}$ (thuộc dải ánh sáng xanh lam), do đó sự phát xạ bổ sung này làm tăng vọt thừa số phản xạ tại 457 nm, đôi khi vượt quá 100%.

3. Tại sao giấy có hàm lượng OBAs quá cao lại gây ảnh hưởng tiêu cực đến việc tái tạo màu vàng (Yellow)?
Khi hàm lượng OBAs trong giấy quá cao, lượng ánh sáng xanh lam phát xạ ra từ bề mặt giấy rất lớn. Trong không gian màu, màu xanh lam và màu vàng là hai màu đối lập (nằm ở hai đầu của trục $b^*$). Sự phát xạ ánh sáng xanh lam này sẽ hòa lẫn và trung hòa một phần sắc vàng của lớp mực in phía trên, dẫn đến việc màu Yellow bị giảm độ bão hòa và độ tinh khiết màu so với khi in trên nền giấy có độ trắng tự nhiên.

4. Nhóm tác giả đã sử dụng những thiết bị chuyên dụng nào để tiến hành in thử và đo lường thông số quang học?
Nghiên cứu sử dụng máy in thử IGT Orange Proofer kết hợp pipet định lượng để tạo mẫu in; máy đo màu quang phổ Techkon SpectroDens Premium để quét phổ phản xạ và tọa độ Lab; kính hiển vi OLYMPUS DP22 để quan sát cấu trúc bề mặt; máy ELCOMETER 406 L-60S để đo độ bóng; cân điện tử DJ-600E đo định lượng; và máy Brookfield LVDV-E để kiểm tra độ nhớt của mực in.

5. Nghiên cứu tham chiếu phương pháp hiệu chỉnh OBA nào từ các tài liệu quốc tế?
Đồ án đã trích dẫn nghiên cứu của Chung Robert và Tian Quanhui (2010), trong đó so sánh hai phương pháp hiệu chỉnh OBA là hiệu chỉnh tuyến tính và hiệu chỉnh đường cong đa thức đối với các giá trị ba kích thích CIE XYZ. Kết quả từ tài liệu tham chiếu chỉ ra rằng phương pháp hiệu chỉnh đa thức đem lại độ chính xác cao hơn phương pháp tuyến tính trong việc giảm sai biệt màu $\Delta E$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Trần Quốc Nhật, Nguyễn Minh Hoài và Đỗ Thành Danh đã làm rõ cơ chế tương tác quang học giữa chất làm sáng huỳnh quang (OBAs) trong giấy và quá trình tái tạo màu sắc trong công nghệ in Offset. Thông qua các dữ liệu thực nghiệm đo phổ phản xạ, tọa độ màu CIE Lab và độ bão hòa màu trên máy in thử IGT Orange Proofer cùng thiết bị đo Techkon SpectroDens, công trình đã chứng minh OBAs giúp gia tăng độ trắng và độ tương phản nhưng đồng thời gây ra hiện tượng biến đổi màu sắc và làm suy giảm độ bão hòa của các gam màu ấm dưới những điều kiện chiếu sáng khác nhau. Đây là công trình nghiên cứu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao, cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng phục vụ công tác kiểm soát chất lượng vật tư giấy in và chuẩn hóa quy trình quản lý màu sắc theo tiêu chuẩn ISO 12647-2.