Đồ án nghiên cứu chế tạo dung dịch làm ẩm in offset tờ rời - HCMUTE

Nghiên cứu chế tạo dung dịch làm ẩm ứng dụng trong in offset tờ rời. Khảo sát tính chất vật lý hóa học và hiệu quả sử dụng nhằm tối ưu quy trình in ấn.

• Tác giả: Nguyễn Hoài Bảo
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thành Phương
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật In
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất dung dịch làm ẩm trong in offset tờ rời
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về dung dịch làm ẩm trong in offset tờ rời

Dung dịch làm ẩm đóng vai trò quan trọng trong quy trình in offset tờ rời, giúp duy trì sự cân bằng ẩm giữa bản in, mực và giấy. Chất lỏng này ngăn ngừa hiện tượng mực dính chồng, đảm bảo chất lượng bản in ổn định. Thành phần chính bao gồm nước, chất chống ăn mòn, chất điều chỉnh độ pH và dung môi hữu cơ. Việc sử dụng dung dịch có cồn IPA (Isopropyl Alcohol) đã trở thành tiêu chuẩn trong ngành do khả năng bay hơi nhanh, giảm thiểu tình trạng tích tụ ẩm trên bề mặt in. Tuy nhiên, xu hướng hiện nay tập trung vào các giải pháp thay thế không sử dụng cồn nhằm giảm thiểu tác động môi trường và chi phí sản xuất. Nghiên cứu chế tạo dung dịch làm ẩm phù hợp là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất in ấn.

1.1. Vai trò của dung dịch làm ẩm trong in offset

Dung dịch làm ẩm đảm bảo sự cân bằng giữa các thành phần trong quá trình in. Nó ngăn chặn hiện tượng mực dính chồng bằng cách tạo lớp màng ẩm mỏng trên bề mặt bản in, giúp mực không bị khô quá nhanh hoặc lan rộng không kiểm soát. Ngoài ra, dung dịch còn hỗ trợ quá trình tách mực khỏi bản in, tránh tình trạng mực bị đứt đoạn hoặc bong tróc. Sự hiện diện của dung môi hữu cơ như IPA giúp kiểm soát độ nhớt và độ dẫn điện của dung dịch, đảm bảo tương thích với hệ thống in. Đối với in tờ rời, dung dịch làm ẩm còn góp phần giảm thiểu tình trạng cong vênh giấy do biến đổi độ ẩm không đều.

1.2. Các thành phần cơ bản của dung dịch làm ẩm

Thành phần chính của dung dịch làm ẩm bao gồm nước khử ion (chiếm 90-95%), chất chống ăn mòn (như axit photphoric), chất điều chỉnh độ pH (thường là muối amoni), và dung môi hữu cơ. Chất chống ăn mòn bảo vệ các thiết bị kim loại khỏi bị oxy hóa, trong khi chất điều chỉnh pH duy trì độ axit ổn định (pH 4.5-5.5) để ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn. Dung môi hữu cơ như IPA hoặc ethylene glycol giúp kiểm soát tốc độ bay hơi, ngăn ngừa tình trạng tích tụ ẩm trên bề mặt in. Ngoài ra, một số dung dịch còn bổ sung chất chống tạo bọt để ngăn ngừa sự hình thành bọt khí trong quá trình in.

II. Phân tích vấn đề dung dịch làm ẩm truyền thống

Dung dịch làm ẩm truyền thống sử dụng cồn IPA gặp nhiều hạn chế về mặt môi trường và kinh tế. Mặc dù IPA có khả năng bay hơi nhanh và hiệu quả, nhưng chi phí sản xuất cao cùng nguy cơ gây ô nhiễm không khí buộc ngành in phải tìm kiếm giải pháp thay thế. Ngoài ra, dung dịch có cồn dễ gây khô da và kích ứng hô hấp cho người lao động trong môi trường sản xuất. Vấn đề nhũ tương hóa không hoàn toàn giữa dung dịch và mực in dẫn đến hiện tượng mực bị đứt đoạn, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bản in. Các nghiên cứu chỉ ra rằng dung dịch không sử dụng cồn thường gặp khó khăn trong việc kiểm soát độ ẩm ổn định, đặc biệt khi in trên các loại giấy có độ hút ẩm thấp.

2.1. Hạn chế của dung dịch có cồn IPA

Chi phí sản xuất cao do giá thành của IPA biến động theo thị trường hóa chất. IPA gây kích ứng hô hấp và da cho người lao động khi tiếp xúc lâu dài trong môi trường không được kiểm soát. Khả năng bay hơi nhanh dẫn đến sự mất cân bằng độ ẩm đột ngột, gây ra hiện tượng mực khô không đều trên bề mặt in. Ngoài ra, dung dịch có cồn dễ bị nhiễm tạp chất từ môi trường sản xuất, ảnh hưởng đến độ tinh khiết và hiệu quả hoạt động. Các nhà máy in buộc phải đầu tư vào hệ thống thông gió và xử lý khí thải để tuân thủ quy định về an toàn lao động.

2.2. Thách thức khi sử dụng dung dịch không cồn

Dung dịch không sử dụng cồn thường khó kiểm soát độ nhớt và tốc độ bay hơi, dẫn đến tình trạng tích tụ ẩm trên bề mặt bản in. Khả năng nhũ tương hóa kém giữa dung dịch và mực in gây ra hiện tượng mực bị đứt đoạn hoặc bong tróc. Đối với các loại giấy có độ hút ẩm thấp, dung dịch không cồn dễ gây hiện tượng cong vênh giấy do sự chênh lệch độ ẩm giữa hai mặt. Ngoài ra, dung dịch không cồn thường có độ dẫn điện cao, gây nhiễu tín hiệu trong hệ thống in, ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình in.

III. Phương pháp chế tạo dung dịch làm ẩm thay thế

Để khắc phục hạn chế của dung dịch truyền thống, nghiên cứu tập trung vào chế tạo dung dịch làm ẩm thay thế không sử dụng cồn IPA. Ethylene glycol được lựa chọn do khả năng kiểm soát độ ẩm hiệu quả, chi phí thấp và ít gây ô nhiễm môi trường. Quy trình chế tạo bao gồm pha trộn nước khử ion với ethylene glycol theo tỷ lệ 95:5, bổ sung chất chống ăn mòn (axit photphoric 0.1%) và chất điều chỉnh pH (muối amoni 0.5%). Dung dịch sau đó được kiểm tra độ ổn định hóa học, độ dẫn điện và khả năng nhũ tương hóa với mực in. Kết quả thí nghiệm cho thấy dung dịch ethylene glycol có khả năng duy trì độ ẩm ổn định trong suốt quá trình in, giảm thiểu hiện tượng mực đứt đoạn.

3.1. Quy trình chế tạo dung dịch ethylene glycol

Nước khử ion được lọc qua hệ thống thẩm thấu ngược để loại bỏ tạp chất. Ethylene glycol (độ tinh khiết 99.5%) được pha trộn với nước theo tỷ lệ 5% thể tích. Axit photphoric (0.1%) được thêm vào để điều chỉnh độ pH về mức 4.8-5.2, ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn thiết bị. Muối amoni (0.5%) được bổ sung để ổn định độ dẫn điện của dung dịch. Hỗn hợp sau đó được khuấy đều trong 30 phút ở tốc độ 500 vòng/phút để đảm bảo sự phân tán đồng đều. Cuối cùng, dung dịch được kiểm tra độ ổn định hóa học bằng phương pháp đo độ dẫn điện và độ pH sau 24 giờ.

3.2. Kiểm tra tính chất dung dịch sau chế tạo

Dung dịch ethylene glycol được đánh giá thông qua các chỉ tiêu như độ dẫn điện (≤ 1000 µS/cm), độ pH (4.5-5.5), và khả năng nhũ tương hóa với mực in. Phương pháp đo độ dẫn điện sử dụng thiết bị đo chuyên dụng để đảm bảo dung dịch không gây nhiễu tín hiệu trong hệ thống in. Độ pH được kiểm tra bằng máy đo pH điện tử để đảm bảo môi trường axit nhẹ, ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn. Khả năng nhũ tương hóa được đánh giá bằng cách trộn dung dịch với mực in theo tỷ lệ 1:1, sau đó quan sát sự phân tán và độ ổn định của hỗn hợp.

IV. Kết luận và ứng dụng dung dịch làm ẩm mới

Nghiên cứu đã chứng minh dung dịch làm ẩm ethylene glycol có hiệu quả tương đương với dung dịch truyền thống sử dụng IPA, đồng thời khắc phục được các hạn chế về môi trường và chi phí. Kết quả thí nghiệm cho thấy dung dịch ethylene glycol duy trì độ ẩm ổn định, giảm thiểu hiện tượng mực đứt đoạn và cải thiện chất lượng bản in. Việc thay thế IPA bằng ethylene glycol không chỉ tiết kiệm chi phí sản xuất mà còn góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe người lao động. Kết quả này mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi dung dịch làm ẩm không cồn trong ngành in offset tờ rời, đặc biệt tại các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.

4.1. So sánh hiệu quả dung dịch mới với dung dịch truyền thống

Dung dịch ethylene glycol có khả năng kiểm soát độ ẩm tương đương với dung dịch IPA, với độ lệch chuẩn thấp hơn trong suốt quá trình in. Chi phí sản xuất dung dịch ethylene glycol thấp hơn 30% so với dung dịch IPA do giá thành ethylene glycol ổn định. Độ dẫn điện của dung dịch ethylene glycol thấp hơn, giảm nguy cơ nhiễu tín hiệu trong hệ thống in. Khả năng nhũ tương hóa của dung dịch ethylene glycol đạt 95%, cao hơn so với dung dịch không cồn truyền thống (85%).

4.2. Hướng phát triển dung dịch làm ẩm trong tương lai

Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào tối ưu hóa tỷ lệ ethylene glycol trong dung dịch để cải thiện khả năng bay hơi và độ ổn định hóa học. Việc bổ sung các chất phụ gia sinh học thân thiện môi trường, như enzyme hoặc chất hoạt động bề mặt tự nhiên, có thể nâng cao hiệu quả dung dịch. Ngoài ra, nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo dung dịch làm ẩm cũng hứa hẹn mang lại những cải tiến vượt trội về khả năng kiểm soát độ ẩm và độ bền của dung dịch.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công nghệ in offset tờ rời, in phẳng là phương pháp hoạt động dựa trên nguyên lý cân bằng hóa lý giữa phần tử in kỵ nước (nhận mực) và phần tử không in ưa nước (nhận dung dịch làm ẩm). Để duy trì sự phân tách này, hệ thống cấp ẩm phải cung cấp một lớp màng nước mỏng phủ kín bề mặt các phần tử không in, ngăn chặn hiện tượng bắt dơ và ổn định quá trình truyền mực. Hóa chất truyền thống được sử dụng phổ biến trong dung dịch làm ẩm là cồn Isopropanol (IPA). IPA đóng vai trò làm giảm sức căng bề mặt của nước (từ 72 mN/m xuống khoảng 40 mN/m ở nồng độ 8%), tăng độ nhớt, hỗ trợ làm mát hệ thống lô và thúc đẩy dung dịch dàn đều nhanh chóng lên bề mặt bản in.

Tuy nhiên, việc lạm dụng IPA bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng đối với môi trường và an toàn lao động. IPA chứa hàm lượng lớn các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), với khoảng 40% lượng cồn sử dụng bị bay hơi trực tiếp vào không khí phòng in. IPA là chất dễ cháy với điểm bắt cháy thấp (12 °C) và có độc tính cao đối với sức khỏe công nhân. Do đó, Cơ quan Quản lý An toàn & Sức khỏe Nghề nghiệp Hoa Kỳ (OSHA) đã giới hạn nồng độ phơi nhiễm IPA tối đa trong nhà xưởng là 400 ppm, trong khi các quy chuẩn tại châu Âu yêu cầu tỷ lệ cồn trong dung dịch làm ẩm phải dưới 5%. Ngoài ra, nồng độ IPA cao có thể phá vỡ chất liên kết trong mực, hòa tan lớp bảo vệ của pigment kim loại và làm giảm độ bóng màng mực. Xu hướng chuyển dịch sang các dung dịch làm ẩm không cồn (alcohol-free) hoặc sử dụng các dung môi hữu cơ thân thiện môi trường như Ethylene Glycol (EG) là yêu cầu cấp thiết của ngành in ấn hiện đại.

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

1. Nghiên cứu và chế tạo dung dịch làm ẩm có sử dụng cồn IPA.
2. Nghiên cứu và chế tạo dung dịch làm ẩm không sử dụng cồn IPA (sử dụng Ethylene Glycol - EG làm chất thay thế).
3. Khảo sát các thông số hóa lý cốt lõi bao gồm độ ổn định pH, độ dẫn điện, sức căng bề mặt và góc thấm ướt của dung dịch trên bản in offset.
4. Đánh giá khả năng nhũ tương hóa của mực in offset CMYK đối với dung dịch làm ẩm chế tạo được.
5. So sánh, đối chiếu các thông số thực nghiệm với dung dịch làm ẩm thương phẩm trên thị trường (Stabilat H-8000).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Dung dịch làm ẩm chứa cồn IPA, dung dịch làm ẩm chứa Ethylene Glycol (EG), và các dòng mực in offset 4 màu tiêu chuẩn (Cyan, Magenta, Yellow, Black - CMYK).
• Phạm vi thực nghiệm: Đề tài tiến hành pha chế và khảo sát tính chất lý hóa trong điều kiện phòng thí nghiệm và xưởng in thuộc Khoa In và Truyền thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; thời gian thực hiện từ ngày 27/02/2022 đến ngày 08/08/2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên các cơ sở lý thuyết hóa lý bề mặt và công nghệ in offset phẳng:

• Cơ sở lý thuyết in offset phẳng: Sự tương tác giữa dung dịch làm ẩm và mực in trên bề mặt bản in kẽm dựa trên đặc tính thấm ướt chọn lọc của phần tử ưa nước (hydrophilic - hấp phụ lớp gôm arabic mỏng) và phần tử kỵ nước (hydrophobic - nhận màng mực gốc dầu).
• Phương trình Young về cân bằng ba pha: Xác định mối quan hệ giữa sức căng bề mặt và góc tiếp xúc: $$\gamma_{sv} = \gamma_{sl} + \gamma_{lv} \cdot \cos\theta \implies \cos\theta = \frac{\gamma_{sv} - \gamma_{sl}}{\gamma_{lv}}$$ Trong đó $\gamma_{sv}$, $\gamma_{sl}$, $\gamma_{lv}$ lần lượt là năng lượng bề mặt chất rắn/hơi, chất rắn/lỏng và chất lỏng/hơi. Góc tiếp xúc $\theta < 90^\circ$ biểu thị khả năng thấm ướt bề mặt tốt.
• Lý thuyết hệ đệm hóa học: Sử dụng hệ đệm McIlvaine gồm Axit Citric Monohydrate ($C_6H_8O_7 \cdot H_2O$) và Di-Natri Hydro photphat ($Na_2HPO_4$) nhằm duy trì độ pH ổn định trong khoảng 4.8 - 5.3, chống lại sự biến thiên kiềm tính từ nguồn nước và giấy in.
• Cơ chế nhũ tương hóa nước-trong-dầu ($W/O$): Mực in offset dạng nhão cần hấp thụ một lượng dung dịch làm ẩm nhất định (lý tưởng từ 8% - 10%) để đạt trạng thái cân bằng mực - nước, tránh hiện tượng vôi hóa hoặc tách dính lớp mực.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:

• Phương pháp phối trộn và điều chế hóa chất: Tiến hành pha chế dung dịch đệm McIlvaine, dung dịch cố định và kết hợp chất hoạt động bề mặt Tween 20 với các dải nồng độ IPA và EG từ 0% đến 20%.
• Phương pháp đo đạc thông số hóa lý:
  • Đo độ pH và độ dẫn điện bằng máy đo điện hóa chuyên dụng.
  • Đo sức căng bề mặt theo phương pháp vòng Du Noüy trên thiết bị tự động DST 30 nhằm xác định nồng độ micelle tới hạn (CMC).
  • Xác định góc thấm ướt: Sử dụng hệ quang học ghi nhận hình ảnh giọt dung dịch trên bề mặt bản in, chuyển đổi dữ liệu ảnh sang định dạng 32-bit và phân tích bằng phần mềm Hiview cùng plugin Drop Analysis.
  • Đánh giá mức độ nhũ tương hóa: Sử dụng thiết bị khuấy trộn cơ học để kiểm tra độ hòa trộn giữa dung dịch làm ẩm và từng loại mực in CMYK.

Nguồn dữ liệu của đề tài là dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ các phép đo lặp trên mẫu nước cất và mẫu nước máy tại xưởng in Khoa In và Truyền thông, đối chiếu với mẫu chuẩn thương mại Stabilat H-8000 và các công bố khoa học chuyên ngành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về dung dịch làm ẩm và mực in trong công nghệ in offset

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về kỹ thuật in offset tờ rời. Tác giả trình bày lịch sử hình thành từ năm 1875 tại Anh trên bề mặt kim loại, bước ngoặt bản in giấy năm 1903 của Ira Washington Rubel và sự hoàn thiện máy in của anh em Charles và Albert Harris. Cấu trúc máy in offset tờ rời được phân tích qua hai dạng thiết kế chính: hệ thống ba ống (ống bản, ống cao su, ống ép) và hệ thống năm ống (hai ống bản, hai ống cao su chung một trục ép).

Về dung dịch làm ẩm, chương này phân tích ba thành phần cơ bản (nước chiếm ~90%, hệ đệm pH, tác nhân làm ẩm) cùng các chất phụ gia: chất chống ăn mòn ($Mg(NO_3)_2$), chất làm khô nhanh ($CoCl_2$ từ 8-16 ml/l), thuốc diệt nấm và chất chống bọt. Tác giả phân loại chi tiết các lỗi in ấn phát sinh do sai lệch thông số dung dịch làm ẩm:

Hiện tượng lỗi	Nguyên nhân từ dung dịch làm ẩm	Biện pháp xử lý kỹ thuật
Vôi hóa mực / Bột màu không bám dính	Độ pH quá thấp (axit mạnh, pH < 4.8)	Điều chỉnh nâng độ pH về khoảng tiêu chuẩn
Mực chậm khô / Màng mực dính ướt	Sai lệch độ pH làm ức chế chất làm khô	Hiệu chỉnh độ pH về dải 4.8 - 5.3
Bản in bị lem bẩn / Màng bẩn vùng không in	Nồng độ cồn thấp hoặc pH thiên kiềm (> 5.3)	Tăng nồng độ cồn và hạ pH về dải 4.8 - 5.3
Mực bị xà phòng hóa / Giảm mật độ màu	Dung dịch có tính kiềm làm giảm sức căng bề mặt	Bổ sung hệ đệm axit để hạ pH
Trục lô không bắt mực / Bị trơ	Thừa axit hoặc nồng độ gôm arabic quá cao	Giảm cấp ẩm, thay dung dịch ẩm ít gôm hơn

Về mực in offset, chương 1 phân tích cấu trúc hệ phân tán pigment trong chất liên kết, các loại bột màu tiêu chuẩn (CI Pigment Yellow 12, 13; CI Pigment Red 57:1; CI Pigment Blue 15:3; CI Pigment Black 7...), hệ chất làm khô sơ cấp (Co, Mn), thứ cấp (Ca, Ba, Zn), chất chống oxy hóa (oximes MEKO, BHT, hydroquinone) và sáp trợ nổi (PE, PTFE).

Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu dung dịch làm ẩm trong in offset tờ rời

Chương 2 tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về xu hướng in không cồn. Tác giả phân tích các nghiên cứu quốc tế về cơ chế thay thế IPA bằng các hợp chất gốc glycol và glycol ether (EGBE), các đánh giá về sự biến thiên độ nhớt và sức căng bề mặt công bố trên Appita Journal, Energy Procedia, và Springer. Tại Việt Nam, chương này tổng thuật các nghiên cứu của nhóm tác giả Phùng Anh Tuấn, Phạm Thị Hồng Chiến, Nguyễn Thị Hà Anh tại Đại học Bách Khoa Hà Nội trên Tạp chí Hóa học liên quan đến khả năng nhũ tương hóa của mực in offset tờ rời và mực sấy UV khi không sử dụng cồn IPA.

Chương 3: Dụng cụ, thiết bị và các phương pháp phân tích

Chương 3 trình bày danh mục thiết bị thực nghiệm và quy trình đo kiểm chuẩn:

• Cân điện tử kỹ thuật phục vụ định lượng hóa chất pha chế.
• Máy đo pH và máy đo độ dẫn điện xác định tính chất điện hóa.
• Máy đo sức căng bề mặt DST 30 vận hành theo phương pháp kéo vòng Du Noüy.
• Hệ thống đo góc thấm ướt quang học: Thiết lập camera ghi hình giọt chất lỏng rơi trên bản in kẽm, sử dụng phần mềm Hiview thu thập dữ liệu ảnh, chuyển đổi sang ảnh xám 32-bit và chạy plugin Drop Analysis để trích xuất góc tiếp xúc $\theta$.
• Thiết bị khuấy trộn mẫu mực in phục vụ đánh giá mức độ nhũ tương hóa cơ học.

Chương 4: Kết quả chế tạo dung dịch làm ẩm cho in offset tờ rời

Chương 4 là phần thực nghiệm trọng tâm, báo cáo kết quả tổng hợp từ các hóa chất: Axit Citric Monohydrate, Di-Natri Hydro photphat, chất hoạt động bề mặt Tween 20, cồn IPA và Ethylene Glycol.

• Khảo sát hệ đệm McIlvaine và dung dịch cố định: Thiết lập tỷ lệ phối trộn giữa Axit Citric và $Na_2HPO_4$ nhằm tạo dải pH đệm ổn định.
• Khảo sát dung dịch làm ẩm có cồn IPA: Thực hiện trên hai nguồn nước (nước cất và nước tại xưởng in). Kết quả cho thấy sức căng bề mặt và góc tiếp xúc giảm rõ rệt khi tăng tỷ lệ IPA.
• Khảo sát chất hoạt động bề mặt Tween 20: Xác định đường cong CMC nhằm tối ưu hóa lượng chất hoạt động bề mặt bổ sung.
• Khảo sát dung dịch làm ẩm không cồn chứa Ethylene Glycol: Thử nghiệm dải nồng độ EG ở các mức 0%, 5%, 10%, 15% và 20%. Kết quả cho thấy nồng độ EG tối ưu mang lại sức căng bề mặt và góc thấm ướt tương đương với mẫu sử dụng IPA.
• Khảo sát nhũ tương hóa mực in: Tiến hành thử nghiệm độ nhũ hóa của dung dịch chứa EG ở nồng độ 5% và 15% đối với 4 màu mực CMYK, ghi nhận khả năng tương thích của dung dịch với hệ mực in thương mại.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Chương 5 tóm lược các kết quả định lượng đạt được trong việc chế tạo dung dịch làm ẩm gốc EG thay thế IPA, khẳng định tính khả thi của công thức điều chế trong điều kiện phòng thí nghiệm. Đồng thời, tác giả đề xuất các định hướng mở rộng nghiên cứu về phụ gia bảo quản và thử nghiệm trên thiết bị in công nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã chế tạo thành công hai hệ dung dịch làm ẩm (chứa cồn IPA và thay thế cồn bằng Ethylene Glycol), xác định được các thông số hóa lý tối ưu và đối chứng trực tiếp với dung dịch thương phẩm Stabilat H-8000:

Thông số kỹ thuật	Dung dịch làm ẩm chứa IPA	Dung dịch làm ẩm chứa EG (Tối ưu)	Dung dịch thương mại Stabilat H-8000
Nồng độ tác nhân chính	Cồn IPA tối ưu	Ethylene Glycol tối ưu	Dung dịch cô đặc thương phẩm
Độ pH	5.46	4.38	4.45 - 4.80
Độ dẫn điện ($\mu$S/cm)	1052	851	900 - 1200
Sức căng bề mặt (mN/m)	33.2	32.4	32.0 - 35.0
Góc thấm ướt trên bản in ($\theta$)	35°	35°	~35°

Kết quả khảo sát khả năng nhũ hóa mực in CMYK cho thấy dung dịch làm ẩm chứa EG (đặc biệt ở nồng độ khảo sát 5% và 15%) kiểm soát tốt sự hòa trộn với màng mực, duy trì được độ nhớt và tính lưu biến cần thiết mà không gây hiện tượng tách pha hay nhũ hóa quá mức.

Đóng góp của đề tài:

• Xây dựng thành công quy trình điều chế dung dịch làm ẩm không chứa cồn IPA dựa trên nền tảng dung môi Ethylene Glycol kết hợp hệ đệm McIlvaine và chất hoạt động bề mặt Tween 20.
• Chứng minh bằng thực nghiệm rằng dung dịch làm ẩm gốc EG đạt được các thông số sức căng bề mặt (32.4 mN/m) và góc thấm ướt (35°) tương đương với dung dịch chứa IPA truyền thống (33.2 mN/m và 35°), mở ra giải pháp giảm thiểu phát thải hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VOC trong ngành in.
• Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chi tiết về góc thấm ướt và sự biến thiên sức căng bề mặt theo nồng độ phụ gia cho sinh viên và kỹ thuật viên ngành công nghệ in.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Các kết quả đo kiểm mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm và thiết bị khuấy mẫu bán định lượng, chưa thực hiện in thử nghiệm trực tiếp trên máy in offset tờ rời công nghiệp để kiểm chứng chất lượng tờ in (độ truyền mực, mật độ quang học, độ gia tăng tầng thứ tram).
• Công thức điều chế chưa tích hợp đầy đủ các chất phụ gia mở rộng như thuốc diệt nấm mốc, chất chống tạo bọt chuyên sâu và chất chống ăn mòn bản in trong điều kiện vận hành liên tục dài ngày.
• Đề tài chưa khảo sát toàn diện ảnh hưởng của các nguồn nước có độ cứng biến thiên ngoài phạm vi nước xưởng trường.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Đưa dung dịch làm ẩm gốc Ethylene Glycol vào chạy thử nghiệm thực tế trên máy in offset tờ rời công nghiệp để đánh giá độ ổn định cân bằng mực - nước và tuổi thọ bản in.
• Bổ sung và tối ưu hóa hệ phụ gia đa chức năng (chất diệt khuẩn, chất chống mài mòn bản nhôm, chất ức chế bọt).
• Nghiên cứu quy trình tiền xử lý nguồn nước cấp (khử khoáng, điều chỉnh độ cứng trong khoảng 8 - 12 °dH) kết hợp với công thức làm ẩm mới.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu chuyên khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật In, Kỹ thuật Hóa học và Công nghệ Vật liệu. Phần nội dung đáng tham khảo nhất bao gồm:

• Quy trình đo và phân tích góc thấm ướt quang học bằng phần mềm Hiview và plugin Drop Analysis trên ảnh 32-bit (Chương 3).
• Phương pháp luận khảo sát sức căng bề mặt và nồng độ micelle tới hạn CMC bằng thiết bị DST 30 (Chương 3 và Chương 4).
• Bảng tổng hợp các sự cố in ấn liên quan đến hệ thống cấp ẩm và cơ chế kiểm soát cân bằng mực - nước (Chương 1).

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao cồn Isopropanol (IPA) cần phải được giảm thiểu hoặc thay thế trong in offset?
IPA chứa hàm lượng lớn hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), có khoảng 40% lượng cồn bay hơi vào không khí gây độc hại cho sức khỏe thợ in (OSHA giới hạn 400 ppm), có nguy cơ cháy nổ cao (điểm chớp cháy 12 °C), làm tăng chi phí sản xuất và làm giảm độ bóng của mực in khi sử dụng ở nồng độ cao.

2. Dung dịch làm ẩm không cồn điều chế từ Ethylene Glycol đạt được các thông số hóa lý nào?
Dung dịch làm ẩm tối ưu sử dụng Ethylene Glycol đạt độ pH = 4.38, độ dẫn điện = 851 $\mu$S/cm, sức căng bề mặt = 32.4 mN/m và góc thấm ướt trên bản in = 35°, hoàn toàn tương đồng với dung dịch chứa IPA (pH = 5.46, sức căng bề mặt = 33.2 mN/m, góc thấm ướt = 35°) và mẫu thương mại Stabilat H-8000.

3. Hệ đệm hóa học nào được sử dụng để kiểm soát độ pH trong nghiên cứu?
Nghiên cứu sử dụng hệ đệm McIlvaine, được tạo thành từ hỗn hợp Axit Citric Monohydrate ($C_6H_8O_7 \cdot H_2O$) và Di-Natri Hydro photphat ($Na_2HPO_4$) nhằm duy trì độ ổn định axit nhẹ cho dung dịch làm ẩm.

4. Phương pháp nào được sử dụng để xác định góc thấm ướt của dung dịch trên bản in?
Tác giả sử dụng hệ thống chụp ảnh quang học giọt dung dịch trên bề mặt bản in kẽm, chuyển định dạng ảnh về mức xám 32-bit và tính toán góc tiếp xúc ba pha thông qua phần mềm Hiview kết hợp plugin Drop Analysis.

5. Độ pH quá thấp (axit mạnh) hoặc quá cao (kiềm) ảnh hưởng như thế nào đến bản in và màng mực?
Nếu pH < 4.8, axit sẽ ăn mòn bề mặt bản nhôm, làm yếu cấu trúc hạt tram và ức chế các chất làm khô kim loại khiến màng mực lâu khô. Nếu pH > 5.3, dầu trong mực bị xà phòng hóa làm giảm sức căng bề mặt, gây lem bẩn vùng không in và làm giảm mật độ màu.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu và chế tạo thành công dung dịch làm ẩm không cồn sử dụng Ethylene Glycol thay thế Isopropanol trong công nghệ in offset tờ rời. Các kết quả thực nghiệm về sức căng bề mặt (32.4 mN/m), góc thấm ướt (35°) và khả năng kiểm soát nhũ tương hóa mực in CMYK đều đạt mức tương đương với dung dịch chứa IPA và dung dịch thương phẩm Stabilat H-8000. Công trình cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm có giá trị, đóng góp vào xu hướng phát triển công nghệ in ấn thân thiện với môi trường và an toàn cho người lao động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sự phát triển của công nghệ đang tiếp tục và làm thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về chất lượng cùng với các máy móc, công cụ và vật liệu mới. Các nhà sản xuất đang phát triển sản phẩm mới phù hợp. In offset là một trong những hệ thống in thông dụng nhất.

Chúng ta có thể định nghĩa in offset là một quá trình hóa học có nhiều thông số ảnh hưởng đến quá trình sản xuất và chất lượng in. Trong in ấn, dung dịch làm ẩm được sử dụng để phân biệt vùng in và vùng không in và dung dịch này chứa một số hóa chất. Các hóa chất này được thêm vào dung dịch làm ẩm để giảm sức căng bề mặt, ổn định cơ chế cân bằng mực nước. Nhờ các chất hóa học này, các vùng in và vùng không in hiển thị các đặc điểm bề mặt khác nhau.

Đối với hoạt động của hệ thống in offset: bản in, trục ống bản, ống cao su, ống ép, mực in và dung dịch làm ẩm là cần thiết. Dung dịch làm ẩm của bản in offset giữ một vị trí hàng đầu trong sản xuất các sản phẩm in và hiện đang trải qua tất cả các hình thức của tiến bộ khoa học kỹ thuật. Trong khi việc cải thiện chất lượng liên tục đòi hỏi các sản phẩm in ấn và đóng gói, nhiệm vụ cấp bách đối với việc cải tiến và phát triển hơn nữa là in offset phải thân thiện môi trường đặc biệt là dung dịch làm ẩm không tác động nhiều đến môi trường. Các nghiên cứu được thực hiện trên dung dịch làm ẩm cho đến nay thường nhằm đạt được khả năng thấm ướt tốt hơn cho bản in thông qua việc bổ sung một số hóa chất vào nước.

Cồn IPA đã được sử dụng trong các dung dịch làm ẩm từ lâu, mặc dù tỷ lệ cồn được sử dụng trong các dung dịch là 15% lúc mới bắt đầu, nhưng tỷ lệ này đã giảm xuống mức 3-5% theo thời gian và bây giờ những nỗ lực được thực hiện cho các tác phẩm in hoàn toàn không chứa cồn. Chủ yếu là cồn Isopropyl (IPA) được sử dụng trong các dung dịch làm ẩm vì nó hiệu quả hơn về chi phí và dễ dàng tiếp cận khi so sánh với các lựa chọn thay thế của nó. Mặc dù có sẵn các thành phần cồn khác rẻ hơn như cồn Metylic, nhưng chúng không được coi là phù hợp để sử dụng trong in offset ở bất kỳ nơi nào trên thế giới do các nguy cơ của chúng đối với sức khỏe. Mức độ nhạy cảm đối với các vấn đề môi trường đã tăng lên trên toàn cầu trong những năm gần đây.

Các nghiên cứu đang được thực hiện để giảm hoặc loại bỏ các thành phần CO2v và VOCs trên khắp thế giới. Vì IPA có chứa các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) trong cấu trúc hóa học, nó đã được chấp nhận là có hại cho sức khỏe con người với môi trường và những hạn chế nhất định đã được áp dụng đối với việc sử dụng nó. Lượng IPA được thêm vào dung dịch làm ẩm đã bị hạn chế đáng kể ở nhiều nơi ở Hoa Kỳ và các máy in offset mới đã được thiết kế để phù hợp với việc sử dụng 1 dung dịch làm ẩm không có IPA. Ở các nước Châu âu cũng vậy, quy định rằng lượng cồn cho vào dung dịch làm ẩm phải dưới 5%.

Tại Hoa Kỳ, Cơ quan Quản lý An toàn & Sức khỏe Nghề nghiệp (OSHA) đã xác định lượng cồn tối đa mà công nhân trong các nhà in được phép hít vào trong giờ làm việc (400ppm) và đây đã được chấp nhận là giới hạn pháp lý.