Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất bao bì giấy tại Việt Nam và trên thế giới ghi nhận tốc độ tăng trưởng liên tục qua các năm. Theo thống kê năm 2018, tổng lượng tiêu thụ giấy làm bao bì tại Việt Nam đạt 3,818 triệu tấn (chiếm tỷ trọng 77,2% tổng lượng tiêu dùng các loại giấy, tăng trưởng 20,0% so với cùng kỳ). Trong đó, giấy bao bì không tráng phủ đạt 3,17 triệu tấn (83,0%), giấy tráng phủ đạt 648.400 tấn (17,0%). Tổng sản lượng sản xuất giấy bao bì đạt 3,046 triệu tấn (chiếm 81,3% tỷ trọng sản xuất giấy), và xuất khẩu đạt 641.000 tấn (tăng 99% so với cùng kỳ). Báo cáo từ Hiệp hội Công nghệ Giấy và In Đức (VDMA) cùng Hiệp hội Công nghệ In Hoa Kỳ (NPES) và Economist Intelligence Unit (EIU) dự báo doanh thu thị trường in bao bì toàn cầu đạt 286 tỷ USD vào năm 2020 với tốc độ tăng trưởng 5,2% - 5,6% mỗi năm.

Bên cạnh các loại giấy carton dợn sóng, giấy duplex tráng phủ, giấy metalized (giấy ghép màng ánh kim) ngày càng được ứng dụng phổ biến nhờ hiệu ứng thị giác và giá trị gia tăng cao. Tuy nhiên, giấy metalized thuộc nhóm vật liệu không thấm hút, dẫn đến nhiều trở ngại kỹ thuật trong quá trình truyền mực, làm khô và bám dính. Tại các xưởng in Việt Nam, việc kiểm soát in offset trên giấy metalized hầu hết chưa có quy chuẩn đồng bộ mà phụ thuộc chủ yếu vào kinh nghiệm chủ quan của thợ in, gây lãng phí vật tư và thiếu ổn định về chất lượng màu sắc giữa các lô sản xuất.

Đề tài "Kiểm soát quá trình in offset trên vật liệu không thấm hút: giấy metalized trên máy in có hệ thống tráng phủ" xác định 6 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu giấy metalized, phân tích tính chất đặc trưng của giấy metalized từ đó xác định các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình in.
  2. Nghiên cứu quy trình sản xuất in, quy trình kiểm soát chất lượng trên giấy metalized.
  3. Đánh giá thực nghiệm sản xuất in trên giấy metalized.
  4. Đưa ra những tiêu chí kiểm tra đánh giá trong suốt quá trình in trên giấy metalized.
  5. Xác định rõ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khi in trên giấy metalized.
  6. Xác định lỗi, nguyên nhân và cách khắc phục khi in trên giấy metalized.

Đối tượng nghiên cứu là sản phẩm bao bì in trên giấy metalized, hệ thống máy in offset tờ rời có tích hợp cụm tráng phủ inline và các thiết bị đo kiểm quang học tại xưởng in. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở quy trình sản xuất in offset tờ rời sử dụng mực sấy UV trên vật liệu giấy ghép màng metalized, tiến hành khảo sát và thực nghiệm tại Công ty Cổ phần In số 7 từ ngày 23/03/2019 đến ngày 05/08/2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng khung lý thuyết dựa trên hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế và các nguyên lý hóa lý bề mặt:

  • Bộ tiêu chuẩn quốc tế ISO 12647-2 quy định kiểm soát quá trình in offset và chế bản.
  • Tiêu chuẩn quy trình in offset PSO (Process Standard Offset) do Fogra và Liên đoàn Công nghiệp In ấn Đức phát triển, cùng các tiêu chuẩn quản lý màu G7, GRACOL, GMI, PSA.
  • Phương trình Young về năng lượng bề mặt tự do và góc thấm ướt: $\gamma_s = \gamma_{sl} + \gamma_l \cos\theta$ (trong đó $\gamma_s$ là năng lượng bề mặt chất rắn, $\gamma_{sl}$ là năng lượng liên bề mặt rắn - lỏng, $\gamma_l$ là sức căng bề mặt chất lỏng, $\theta$ là góc tiếp xúc).
  • Lý thuyết hóa học mực sấy UV (Ultra Violet) và cơ chế đóng rắn quang hóa (photopolymerization).
Nhóm vật liệu Polymer Năng lượng bề mặt tự do ($mJ/m^2$ hoặc $dynes/cm$)
Polypropylene (PP, BOPP) 29 – 31
Polyethylene (PE) 30 – 36
Polyvinyl Acetate (PVA) 33 – 44
Polystyrene (PS) 33 – 44
Polyvinyl Chloride (PVC) 33 – 39
Polyamide (PA) 34 – 57
Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) 34 – 42
Polyester (PET) 41 – 47
Polylactic Acid (PLA) ~ 50
Trạng thái góc tiếp xúc ($\theta$) Khả năng thấm ướt Năng lượng bề mặt tự do Độ bám dính mực
$\theta = 0^\circ$ Thấm ướt hoàn toàn Rất cao Tối ưu
$0^\circ < \theta < 180^\circ$ Thấm ướt một phần Trung bình / Cao Tốt (khi $\theta$ nhỏ)
$\theta = 180^\circ$ Không thấm ướt Rất thấp Kém

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp định lượng quang học:

  • Khảo sát thực tế quy trình sản xuất và chế bản tại Công ty Cổ phần In số 7.
  • Đo đạc thông số màu sắc $L^*a^b^$ và độ sai lệch màu $\Delta E$ bằng máy đo quang phổ Spectrophotometer (thiết bị đo do Công ty Vina Tâm hỗ trợ).
  • Đo mật độ quang học (Optical Density), mật độ tông nguyên (Solid Ink Density), độ gia tăng tầng thứ (Tone Value Increase - TVI), độ bắt mực (Trapping), độ kéo dịch và đúp nét (Slur/Doubling) trên tờ in bằng máy đo mật độ quang học.
  • Kiểm tra độ mở tram trên bản kẽm CTP bằng kính hiển vi chuyên dụng và thang đo kẽm GATF.
  • Xử lý và bình trang file in bằng phần mềm Prinect Signa Station và hệ thống RIP chế bản.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Chương 1 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện về vật liệu, hóa chất, thiết bị và nguyên lý quang học trong công nghệ in offset giấy metalized:

  • Lịch sử tiêu chuẩn hóa: Sự hình thành của tổ chức ISO từ tiêu chuẩn ISO/R 1:1951 đến bộ tiêu chuẩn ISO 9001, ISO 14001 và bộ tiêu chuẩn kỹ thuật in ISO 12647; vai trò của quy trình PSO trong việc chuẩn hóa dữ liệu từ file thiết kế đến thành phẩm.
  • Công nghệ sản xuất giấy metalized: Phân tích hai phương pháp chính gồm cán màng nhôm (độ dày lá nhôm 9 – 12 $\mu m$) và metalized hóa chân không ở nhiệt độ 1500°C. Phương pháp chân không được chia thành hai quy trình: gián tiếp (phủ nhôm lên màng BOPP/PET rồi ghép keo sang giấy và tách màng plastic) và trực tiếp (tráng phủ varnish làm phẳng giấy, metalized hóa trong buồng chân không, phủ lớp lacquer bảo vệ và tạo màu).
  • Hiện tượng bề mặt và các phương pháp xử lý: Khảo sát mối liên hệ giữa sức căng bề mặt, năng lượng tự do và góc tiếp xúc chất lỏng. Để đảm bảo liên kết mực, năng lượng bề mặt chất nền phải lớn hơn sức căng bề mặt mực từ 8 – 10 dynes/cm. Ba giải pháp xử lý bề mặt được phân tích gồm: xử lý corona (nguồn điện 50 – 60 Hz, điện áp 230 – 400 V, công suất 1 – 20 kW để bẻ gãy liên kết C-C, C-H tạo gốc phân cực), xử lý plasma lạnh (nhiệt độ 30 – 70°C kích hoạt bề mặt trong vài mili-giây) và tráng phủ lớp primer (gốc UV, gốc dầu hoặc gốc nước trước khi in 24 giờ).
  • Hóa kỹ thuật mực in UV: Phân tích cấu trúc thành phần mực UV gồm: Pigment (15 – 20%), Chất kết dính Oligomer gốc acrylate (20 – 35%), Monomer phản ứng (10 – 25%), Chất nhạy sáng Photoinitiator (5 – 10%) và Chất phụ gia (5 – 8%). Các loại Oligomer chính gồm Polyester acrylate, Epoxy acrylate, Polyurethane acrylate và Amine synergist.
Thành phần mực UV Tỷ lệ (%) Chức năng chính
Pigment (Hạt màu) 15 – 20% Tạo màu sắc, quyết định độ bền quang hóa; màu tối/đen hấp thụ tia UV mạnh nhất
Oligomers (Chất kết dính) 20 – 35% Gốc Acrylate; tạo màng, quyết định độ bền cơ lý hóa và khả năng bám dính
Monomers (Chất liên kết) 10 – 25% Điều chỉnh độ nhớt, hỗ trợ tạo liên kết chéo và tham gia phản ứng polymer hóa
Photoinitiators (Chất nhạy sáng) 5 – 10% Hấp thụ photon UV, phân rã thành gốc tự do (free radicals) khơi mào trùng hợp
Chất phụ gia 5 – 8% Chất ổn định chống trùng hợp sớm, chất tăng độ chảy và chất bôi trơn bề mặt
  • Hệ thống sấy UV và nguyên lý in offset: Phổ bức xạ UV chia thành 4 vùng bước sóng gồm UVC (200 – 280 nm), UVB (280 – 320 nm), UVA (320 – 395 nm) và UVV (395 – 455 nm). Đèn sấy sử dụng bóng thủy ngân (Mercury Hg, cực đại 365 nm), đèn Metal Halide (FE, 350 – 400 nm) và đèn Gallium (GA, 400 – 450 nm). Nhiệt độ bên trong hồ quang plasma đạt ~5000°C, nhiệt độ vỏ ống thạch anh duy trì 600 – 800°C (tối ưu ở 700°C cho đèn Hg). Trình bày cơ cấu máy in offset tờ rời gồm cụm cấp giấy, cụm chuyển giấy, cụm in (ống bản, ống cao su, ống ép), hệ thống cấp ẩm, dòng truyền mực tách màng 1:1, cụm tráng phủ inline (hệ thống anilox kín dao gạt hoặc hệ thống 2 lô) và bàn ra giấy.

Chương 2: Kiểm soát quá trình in trên giấy metalized

Chương 2 thiết lập các quy chuẩn kiểm soát kỹ thuật xuyên suốt chuỗi sản xuất:

  • Kiểm soát vật tư đầu vào: Kiểm tra định lượng, độ ẩm, độ phẳng và năng lượng bề mặt của giấy metalized; kiểm tra độ nhớt, độ dính (tack), độ phân tán hạt pigment của mực UV; kiểm tra cấu trúc đàn hồi của cao su in offset chuyên dụng cho mực UV; kiểm soát dung dịch làm ẩm có tính axit nhẹ với độ pH trong khoảng 4,8 – 5,5 và độ cứng của nước nhằm hạn chế hiện tượng nhũ tương hóa mực.
  • Kiểm soát công đoạn chế bản: Quy định thông số chuẩn hóa file đồ họa, xuất file PDF/X, thiết lập tram in trong RIP, bù trừ gia tăng tầng thứ (TVI curve). Kiểm soát quy trình ghi bản CTP và hiện bản bằng thang kiểm tra kẽm GATF, kiểm tra độ dày bản kẽm và dung sai kỹ thuật.
  • Kiểm soát thông số vận hành in: Cân chỉnh áp lực tiếp xúc giữa ống bản - ống cao su và ống cao su - ống ép; điều chỉnh công suất hệ thống đèn sấy UV theo tốc độ máy in; kiểm soát điều kiện vi khí hậu nhà xưởng (nhiệt độ và độ ẩm tương đối).
  • Nhận diện lỗi in và tiêu chí đánh giá: Phân tích nguyên nhân và giải pháp cho các lỗi thường gặp khi in giấy metalized như mực không khô, tróc màng mực, dính mặt lưng (set-off), đúp nét (doubling), kéo dịch (slur), bắt mực kém (poor trapping), nhũ tương hóa. Thiết lập quy chuẩn kiểm tra tờ in thông qua dải thang màu Fogra, bon chồng màu, ô mật độ tông nguyên và ô đo tầng thứ.

Chương 3: Thực nghiệm tại Công ty Cổ phần In 7

Chương 3 trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm thu thập trong quá trình sản xuất thực tế:

  • Điều kiện sản xuất và chế bản: Khảo sát điều kiện thiết bị thực tế tại Công ty Cổ phần In số 7. Thiết lập bình trang nhãn sản phẩm bằng phần mềm Prinect Signa Station; kiểm tra chất lượng ghi hiện bản kẽm CTP 4 màu Cyan (C), Magenta (M), Yellow (Y), Black (K).
  • Quy trình in và đo kiểm tờ in proof so với in sản lượng: Đo lường giá trị quang phổ màu $L^*a^b^$ và hàm lượng chất làm sáng quang học (OBAs) trên giấy in thử proofing và giấy metalized thực tế.
  • Đánh giá thông số kỹ thuật tờ in sản lượng:
    • Kiểm tra độ chính xác bon chồng màu trên các vị trí biên và giữa tờ in.
    • Đo mật độ tông nguyên của 4 màu cơ bản C, M, Y, K qua các vùng khóa mực.
    • Đo độ gia tăng tầng thứ (TVI) tại các vùng tram 25%, 50%, 75% trên bản kẽm và trên tờ in thực tế.
    • Đo giá trị kéo dịch, hiện tượng đúp nét và tỷ lệ bắt mực ướt-chồng-ướt (trapping) tại các cụm in.
    • So sánh sự sai lệch về màu sắc, độ tương phản và hình ảnh nhãn hiệu giữa tờ in thử trên giấy chuẩn và tờ in sản lượng chạy trên nền ánh kim giấy metalized.

Chương 4: Kết luận

Chương 4 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành:

  • Hệ thống hóa đầy đủ cơ sở khoa học về tính chất bề mặt vật liệu không thấm hút, cơ chế quang hóa mực UV và hệ thống sấy UV.
  • Hoàn thiện quy trình kiểm soát chất lượng từ kiểm tra nguyên vật liệu đầu vào, chế bản kẽm CTP, thiết lập thông số vận hành máy in offset inline đến kiểm tra tờ in thành phẩm.
  • Đối chiếu kết quả thực nghiệm tại Công ty Cổ phần In số 7 với các tiêu chuẩn in ấn, chỉ ra các nguyên nhân gây sai lệch quang học do nền kim loại và đề xuất biện pháp khắc phục.

Kết quả và đóng góp

Đồ án ghi nhận các kết quả kỹ thuật cụ thể từ thực nghiệm sản xuất:

  • Xác định mối quan hệ định lượng giữa năng lượng bề mặt và độ bám dính mực: Bề mặt màng nhôm/metalized cần đạt năng lượng tự do $\ge 38 - 42 \text{ dynes/cm}$ để tạo góc tiếp xúc nhỏ, giúp mực UV dàn màng đồng đều.
  • Xác định dải phổ hoạt động tối ưu của hệ thống sấy UV trong in offset tờ rời: Đèn thủy ngân Hg (phát xạ cực đại ở 365 nm kết hợp dải 220 – 320 nm) có khả năng đóng rắn hoàn toàn lớp mực in 4 màu với nhiệt độ bề mặt đèn đạt 700°C.
  • Xây dựng bảng quy chuẩn kiểm soát dung dịch làm ẩm: Yêu cầu duy trì độ pH ổn định từ 4,8 đến 5,5 nhằm hạn chế tối đa hiện tượng nhũ tương hóa mực UV (vốn có độ nhớt và sức căng mặt tiếp xúc nhạy cảm hơn mực gốc dầu).
  • Xây dựng quy trình 4 bước kiểm soát chất lượng in offset trên giấy metalized tại xưởng in:
    1. Kiểm soát vật tư: Đo sức căng bề mặt giấy metalized, kiểm tra độ nhớt mực UV, kiểm soát pH dung dịch ẩm (4,8 – 5,5).
    2. Kiểm soát chế bản: Bù trừ đường cong gia tăng tầng thứ (TVI curve) riêng cho nền không thấm hút, kiểm tra bản CTP bằng thang đo GATF.
    3. Kiểm soát thông số máy in: Chuẩn hóa áp lực in, đồng bộ tốc độ máy với công suất bức xạ đèn sấy UV để đảm bảo đóng rắn quang hóa 100%.
    4. Kiểm soát chất lượng tờ in: Sử dụng máy Spectrophotometer và Densitometer đo mật độ tông nguyên, độ bắt mực trapping, kiểm tra độ bám dính bằng băng keo thử nghiệm.

Đóng góp của đề tài là việc chuyển giao một quy trình kiểm soát kỹ thuật có cơ sở khoa học, giúp doanh nghiệp in bao bì chuyển từ phương pháp vận hành cảm quan sang kiểm soát bằng thông số đo đạc quang học định lượng, giảm tỷ lệ phế phẩm khi in trên giấy metalized.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Phạm vi thực nghiệm chỉ giới hạn trên dòng máy in offset tờ rời sử dụng mực sấy UV tại một đơn vị sản xuất (Công ty Cổ phần In số 7).
  • Đồ án chưa khảo sát thực nghiệm đối với mực in gốc dầu có phụ gia sấy hoặc các công nghệ in bao bì khác như in ống đồng, in flexo trên giấy metalized.
  • Thiết bị đo quang phổ màu và kiểm tra áp lực phải phụ thuộc vào việc mượn từ đối tác bên ngoài (Công ty Vina Tâm), giới hạn số lượng mẫu đo lặp lại.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy UV LED (bước sóng đơn 385 nm hoặc 395 nm) nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm nhiệt lượng tác động lên màng metalized.
  • Xây dựng bộ thông số dung sai màu $\Delta E$ và đường cong bù trừ tram (calibration curves) chuẩn hóa quốc tế dành riêng cho vật liệu nền ánh kim.
  • Mở rộng khảo sát trên các dòng vật liệu màng ghép phức hợp không thấm hút khác như màng nhôm đa lớp, màng nhựa tổng hợp PET/BOPP.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ In và Kỹ thuật Bao bì: Tham khảo phương pháp xây dựng đồ án thực nghiệm công nghiệp, dữ liệu về năng lượng bề mặt polymer, hóa học mực sấy UV và nguyên lý quang hóa.
  • Kỹ sư QA/QC và kỹ thuật viên chế bản tại các nhà in bao bì: Ứng dụng quy trình kiểm soát chế bản CTP bằng thang GATF, phương pháp bù trừ gia tăng tầng thứ cho vật liệu không thấm hút và bảng thông số dung dịch cấp ẩm.
  • Thợ vận hành máy in offset UV: Ứng dụng cẩm nang nhận diện, phân tích nguyên nhân và quy trình khắc phục các sự cố in trên giấy metalized (mực không khô, tróc màng, đúp nét, kéo dịch, nhũ tương hóa).

Phần nội dung có giá trị thực tiễn cao nhất là hệ thống tiêu chí kiểm soát ở Chương 2 và quy trình đối chiếu số liệu đo đạc thực tế tại Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Giấy metalized được sản xuất bằng những phương pháp nào theo nội dung đồ án? Giấy metalized được sản xuất bằng hai công nghệ chính: (1) Cán màng nhôm (sử dụng lá nhôm dày 9 – 12 $\mu m$ ghép nhiệt lên mặt giấy) và (2) Metalized hóa trong chân không (nấu chảy nhôm ở 1500°C để bốc hơi bám vào bề mặt). Công nghệ chân không gồm hai quy trình: gián tiếp (phủ nhôm lên cuộn màng plastic BOPP/PET rồi ghép keo sang giấy và bóc màng plastic) và trực tiếp (tráng varnish lên giấy, metalized hóa chân không trực tiếp và phủ lớp lacquer bảo vệ).

2. Tại sao cần kiểm soát năng lượng bề mặt và góc tiếp xúc khi in trên giấy metalized? Giấy metalized có bề mặt không thấm hút nên mực in không thể thẩm thấu vào cấu trúc xơ sợi như giấy thông thường. Để mực in bám dính tốt, góc tiếp xúc $\theta$ giữa chất lỏng và bề mặt phải càng nhỏ càng tốt, tương ứng với năng lượng bề mặt của giấy phải cao hơn sức căng bề mặt của mực in khoảng 8 – 10 dynes/cm. Nếu năng lượng bề mặt thấp, mực in sẽ bị co cụm thành giọt, giảm diện tích tiếp xúc và dễ bị bong tróc.

3. Mực in UV có thành phần cấu tạo như thế nào và cơ chế làm khô diễn ra ra sao? Mực in UV gồm 5 thành phần: Pigment (15 – 20%), Oligomers (20 – 35%), Monomers (10 – 25%), Photoinitiators (5 – 10%) và Phụ gia (5 – 8%). Cơ chế làm khô là phản ứng trùng hợp quang hóa diễn ra trong vài phần giây: Khi tiếp xúc tia cực tím, chất nhạy sáng (photoinitiator) hấp thụ photon và phân rã thành các gốc tự do (free radicals). Các gốc tự do này kích hoạt chuỗi liên kết ngang giữa các monomer và oligomer, đóng rắn lớp mực lỏng thành màng polymer rắn bền vững mà không thải hợp chất hữu cơ bay hơi (VOC).

4. Các dải bức xạ UV có vai trò gì trong quá trình sấy mực và vecni? Phổ bức xạ UV được chia làm 4 dải:

  • UVC (200 – 280 nm): Kích hoạt photoinitiator, sấy khô nhanh bề mặt lớp mực.
  • UVB (280 – 320 nm): Duy trì phản ứng trùng hợp, sấy khô màng mực và lớp lacquer.
  • UVA (320 – 395 nm): Bước sóng dài, xuyên thấu sâu, sấy khô các lớp mực dày và mực có hàm lượng pigment cao.
  • UVV (395 – 455 nm): Sấy khô các lớp mực và vecni UV có độ dày lớn hoặc chứa bột màu trắng đục ($TiO_2$).

5. Dung dịch làm ẩm trong máy in offset in giấy metalized cần duy trì thông số nào? Dung dịch làm ẩm cần được kiểm soát có tính axit nhẹ với độ pH duy trì trong khoảng từ 4,8 đến 5,5 cùng độ cứng nước phù hợp. Mức pH này giúp bảo vệ phần tử không in trên bản kẽm luôn sạch, duy trì sức căng bề mặt tiếp xúc và ngăn ngừa hiện tượng mực UV bị nhũ tương hóa quá mức khi tiếp xúc với hệ thống lô nước.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Kiểm soát quá trình in offset trên vật liệu không thấm hút: giấy metalized trên máy in có hệ thống tráng phủ" đã giải quyết toàn diện bài toán kiểm soát chất lượng in trên vật liệu nền ánh kim thông qua việc kết hợp cơ sở lý thuyết hóa lý bề mặt với thực nghiệm công nghiệp. Nghiên cứu đã xác lập các thông số vận hành chuẩn xác cho hệ thống sấy UV, công đoạn chế bản CTP và kiểm soát dung dịch cấp ẩm tại Công ty Cổ phần In số 7. Kết quả đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng thực tế cao, hỗ trợ các doanh nghiệp in bao bì chuẩn hóa quy trình công nghệ và nâng cao độ ổn định chất lượng sản phẩm.