Dung dịch làm ẩm khuôn in loại thay thế Isopropanol (IPA) - Phần 2

Cơ chế hoạt động của dung dịch làm ẩm:

Để chọn loại dung dịch làm ẩm thay thế cồn IPA theo yêu cầu hiện nay ta xem xét cơ chế hoạt động của quá trình làm ẩm khuôn in. Tác dụng của dung dịch làm ẩm là nhanh chóng tạo thành một màng nước mỏng phủ kín toàn bộ bề mặt của các phần tử không in trên khuôn, để làm được điều đó thì dung dịch làm ẩm phải có tính thấm ướt bề mặt, nghĩa là góc thấm ướt phải nhỏ. Góc thấm ướt q được tính theo công thức Young.

Các tính toán đã chỉ ra rằng dung dịch có sức căng bề mặt lớn không dàn trải trên các bề mặt nhẵn và không được gia công bằng keo ưa nước. Như vậy để quá trình thấm ướt hoàn toàn phần tử không in người ta sử dụng các cách sau: giảm sức căng bề mặt của dung dịch làm ẩm; tăng diện tích bề mặt phần tử không in (k>1,2) hoặc thay đổi bề mặt của các phần tử không in bằng cách hấp phụ lên nó một màng keo ưa nước. Trong quá trình in các phần tử không in mất đi độ nhám ban đầu do tác dụng hoá học và cơ học, do đó khả năng nhận dung dịch làm ẩm giảm xuống, để duy trì quá trình thấm ướt tốt thì phải dùng keo ưa nước trong dung dịch làm ẩm để duy trì cân bằng “hòa tan – hấp phụ”.

Tuy nhiên trong quá trình in độ nhám bề mặt của phần tử không in ngày một giảm, lớp keo ưa nước trong dung dịch làm ẩm cũng không bù đắp được. Do đó, để đảm bảo sự thấm ướt hoàn toàn phần tử không in cần phải giảm sức căng bề mặt của dung dịch làm ẩm. Khi đó giới hạn trên của sức căng bề mặt của dung dịch làm ẩm được xác định theo công thức Keable khi xuất phát từ sức căng bề mặt của vật rắn là các phần tử không in. Trong trường hợp này ta giả thiết: sức căng pha của hệ “phần tử không in – dung dịch làm ẩm” là nhỏ có thể bỏ qua, hệ số độ nhám bằng 1, không có lớp keo ưa nước trên bề mặt phần tử không in, khi đó giới hạn trên này phụ thuộc vào sức căng bề mặt của các phần tử không in. Giới hạn này có thể định hướng cho việc pha chế dung dịch làm ẩm.

Trong quá trình in dung dịch làm ẩm không chỉ tiếp xúc với phần tử không in trên bản mà còn tiếp xúc với mực tại lô chà mực và xẩy ra hiện tượng thấm ướt lớp mực. Khi lớp mực trên lô tiếp xúc với lớp dung dịch trên bản, lúc tách ra một lượng nước sẽ bám lên lớp mực. Nếu dung dịch làm ẩm có sức căng bề mặt lớn thì dung dịch làm ẩm trên bề mặt lớp mực bị phân chia thành các giọt nhỏ, nghĩa là xẩy ra quá trình co cụm của màng dung dịch; nếu dung dịch làm ẩm có sức căng bề mặt nhỏ thì có thể đạt tới sự dàn trải của dung dịch làm ẩm trên bề mặt lớp mực, việc dàn trải này là điều kiện cần thiết khi sử dụng hệ thống làm ẩm liên tục. Việc thấm ướt lớp mực gây ra quá trình nhũ tương hoá mực in. Chiều dầy của màng dung dịch làm ẩm trên bề mặt lớp mực, độ nhám của bề mặt lớp mực và độ nhớt của mực quyết định tới quá trình tạo nhũ tương.

Việc điều chỉnh các thông số trên có thể thực hiện được nhờ việc giảm sức căng bề mặt động lực học của dung dịch làm ẩm. Sự tạo thành nhũ tương được xem xét theo quan điểm không ổn định thuỷ động lực học, khi đó quá trình tạo thành nhũ tương gồm 3 giai đoạn: (1) tạo thành màng mỏng dung dịch làm ẩm trên bề mặt lớp mực; (2) phân chia lớp này trong vùng tiếp xúc; (3) sự xuất hiện các hạt nhũ tương trong thể tích lớp mực. Giai đoạn thứ nhất phụ thuộc vào quá trình thấm ướt dung dịch làm ẩm lên lớp mực, do đó bằng cách thay đổi các thông số thấm ướt có thể điều khiển được quá trình tạo thành nhũ tương.

Trong giai đoạn thứ hai độ nhám bề mặt lớp mực, chiều dầy lớp dung dịch làm ẩm ảnh hưởng nhiều đến quá trình phân chia của màng dung dịch làm ẩm, khi đó thay đổi độ nhớt của dung dịch làm ẩm sẽ điều chỉnh được lượng nước đi vào mực. Trong giai đoạn thứ ba sự dịch chuyển của lớp mực có ảnh hưởng quyết định lên sự thâm nhập của các giọt nhỏ dung dịch làm ẩm vào thể tích lớp mực. Sự hòa nhập của hai lớp mực sẽ kết thúc quá trình tạo nhũ tương. Khi đó độ nhớt của mực đóng vai trò quan trọng, độ nhớt cao của mực làm giảm sự chuyển dịch và làm xấu đi điều kiện hòa nhập của hai lớp mực, do đó, hàm lượng nhũ tương giảm đi. Thời gian tạo thành nhũ tương nhỏ hơn 3ms và sau khi tạo thành một phần nhũ tương lập tức bị phá huỷ, thời gian phá huỷ rất ngắn thường nhỏ hơn 1,5 ms. Thời gian và cơ chế phá huỷ chỉ ra độ bền vững của nhũ tương theo qui luật hoá lý kém tin tưởng.

Để đánh giá các tính chất của dung dịch làm ẩm chứa các chất hoạt động bề mặt phải kiểm tra khả năng nhũ hoá của chúng trong điều kiện thực, các số liệu nhũ hoá thu được trong phòng thí nghiệm chỉ có tính chất tham khảo. Nhũ hoá sẽ ảnh hưởng tới độ dính của mực in, khi độ nhớt của mực tăng thì độ dính của nó tăng, nhưng sự có mặt của nhũ tương sẽ làm phá huỷ sự phụ thuộc này. Sự tạo thành nhũ tương làm tăng độ nhớt của mực in, việc tăng độ nhớt sẽ làm tăng độ dính của mực và sự phá huỷ của nhũ tương làm giảm độ dính của mực.

Quá trình thấm ướt bề mặt các phần tử không in trong khi in offset xẩy ra trong các điều kiện động lực học. Thời gian sống của bề mặt dung dịch làm ẩm (hình thành, tồn tại, phá huỷ ) phụ thuộc vào tốc độ của máy in, khoảng từ 24 đến 325 ms, đối với máy in giấy cuộn có thể nhỏ hơn 10 ms. Trong thời gian ngắn như vậy quá trình thấm ướt phải hoàn thành. Quá trình thấm ướt diễn ra qua hai giai đoạn: (1) thấm ướt dưới tác dụng của áp lực; (2) là thấm ướt tự do. Trong giai đoạn thứ nhất các điều kiện tiếp xúc đóng vai trò quan trọng. Khi đó việc giảm khoảng cách giữa các bề mặt tới giá trị tương tác hiệu quả đóng vai trò quan trọng (điều này giải thích tính ưu việt của hệ thông làm ẩm liên tục).

Trong giai đoạn thấm ướt tự do diễn ra song song hai quá trình: hợp nhất hai lớp dung dịch làm ẩm và thấm ướt bề mặt bởi dung dịch làm ẩm. Tương tác giữa các phân tử xuất hiện khi khoảng cách giữa 2 bề mặt đạt tới giá trị hiệu quả của tương tác giữa các phân tử và việc phân tách lớp luôn xẩy ra trong thể tích của lớp dung dịch làm ẩm. Trong giai đoạn thấm ướt tự do tùy thuộc vào động lực dàn trải, lớp dung dịch làm ẩm hoặc là dàn trải hoặc là tích tụ thành giọt.

Khi tính toán chấp nhận hai giả thuyết: (1) sức căng bề mặt động lực học của vất rắn bằng sức căng tĩnh; (2) sức căng giữa pha động lực học của hệ “vật rắn – dung dịch làm ẩm” bằng sức căng bề mặt tĩnh của hệ “vật rắn - nước sạch”. Khi đó động lực phụ thuộc vào sức căng động lực học của dung dịch làm ẩm và độ nhám bề mặt. Như vậy để điều khiển quá trình thấm ướt tự do cần phải giảm sức căng bề mặt động lực học chứ không phải sức căng bề mặt tĩnh của dung dịch làm ẩm. Trong cả 2 trường hợp: dàn trải và tích tụ độ nhớt của dung dịch làm ẩm là yếu tố cản trở sự hoạt động của chất lỏng. Tuy nhiên trong quá trình dàn trải tùy thuộc vào khoảng thời gian mà trong đó quá trình diễn ra, độ nhớt có thể không ảnh hưởng đến quá trình này.

Các tính toán đã chỉ ra rằng độ nhám gây nên các ảnh hưởng thực sự đối với động lực của quá trình dàn trải. Việc giảm sức căng bề mặt của dung dịch là một trong các yếu tố quan trọng trong quá trình làm ẩm. Nhiều chất khác nhau có thể làm giảm sức căng bề mặt, có thể chia thành hai nhóm: nhóm các chất có phân tử lượng thấp và nhóm các chất có phân tử lượng cao, cơ chế làm giảm sức căng mặt của mỗi loại cũng khác nhau.

Sự giảm nhanh sức căng bề mặt của dung dịch isopropanol có phân tử lượng thấp được giải thích bằng cơ chế khuếch tán, theo đó, các phân tử isopropanol có kích thước nhỏ nhanh chóng khuếch tán từ thể tích lên bề mặt và nhờ nồng độ cao của isopropanol ở lớp sát bề mặt. Sự giảm sức căng bề mặt của các chất hoạt động cao phân tử được giải thích bởi khả năng định hướng lại mạch cacbon trên bề mặt của dung dịch từ vị trí nằm ngang tới vị trí thẳng đứng.

Tuy nhiên các dung dịch làm ẩm có sức căng bề mặt tĩnh thấp không phải lúc nào cũng thấm ướt tốt phần tử để trắng trong điều kiện động lực học. Để thỏa mãn quá trình thấm ướt bề mặt của dung dịch làm ẩm trong khi in, khi màng nước tách ra, những phân tử hoạt động bề mặt này phải nhanh chóng chuyển tới bề mặt của nước, sao cho các phân tử phải sắp xếp cực ưa nước hướng lên trên bề mặt. Các phân tử nằm trong thể tích dung dịch không có hiệu quả trong quá trình thấm ướt. Chất hoạt động bề mặt có hiệu quả là chất có các phân tử có thể nhanh chóng liên kết tạo thành bề mặt tốt khi phân chia lớp nước.

Việc sử dụng nồng độ cao các chất hoạt động bề mặt trong dung dịch làm ẩm sẽ làm ổn định giá trị sức căng bề mặt của chúng. Các chất hoạt động bề mặt nồng độ thấp sẽ không có khả năng bảo đảm sự không đổi của sức căng bề mặt khi tăng bề mặt giữa các pha. Điều này do sự khuếch tán các chất hoạt động bề mặt từ thể tích lên lớp bề mặt xẩy ra chậm do lượng chất hoạt động bề mặt nhám trong thể tích.

Đối với hệ thống làm ẩm liên tục, độ nhớt của dung dịch làm ẩm sẽ ảnh hưởng đến chiều dầy của màng dung dịch làm ẩm được truyền lên bản in. Nếu dùng dung dịch làm ẩm có chứa 10% isopropanol ở 10oC thì độ nhớt của dung dịch lớn hơn 1,7 lần độ nhớt của dung dịch làm ẩm chứa các chất hoạt động bề mặt. Nghĩa là khi sử dụng các chất hoạt động bề mặt thay thế cồn thì cần phải tăng độ nhớt của dung dịch làm ẩm để đảm bảo chiều dầy của màng dung dịch mà không cần có sự thay đổi hoặc điều chỉnh nhiều hệ thống làm ẩm của máy in. Yêu cầu chính khi dùng các chất làm thay đổi độ nhớt của dung dịch là không gây tác dụng phụ khác tới quá trình làm ẩm và bản in.

Cồn có sức căng bề mặt trung bình, nhưng các phân tử của nó nhỏ, động lực tốt nên khả năng di chuyển lên trên bề mặt gấp hàng trăm lần các phân tử của các chất hoạt động bề mặt thay thế cồn. Cồn là chất tạo cho dung dịch làm ẩm nhiều đặc tính tốt vì cồn có một số đặc điểm sau: làm giảm sức căng bề mặt của dung dịch; bay hơi nhanh ra khỏi lớp mực, khi bay hơi không để lại cặn; quá trình bay hơi giúp làm lạnh mực trong quá trình in; làm tăng độ nhớt của dung dịch. Dung dịch có pha cồn sẽ đảm bảo cho quá trình màng nước chảy liên tục từ bể chứa tới các quả lô và cuối cùng lên bản với độ đồng đều cao. Đặc tính quan trọng của cồn trong dung dịch làm ẩm là đặc tính kép vừa làm giảm sức căng bề mặt vừa tăng độ nhớt của dung dịch làm ẩm. Sử dụng dung dịch làm ẩm có thêm cồn đem lại rất nhiều thuận lợi trong quá trình in, tuy nhiên một nhược điểm lớn nhất của dung dịch cồn là làm ô nhiễm không khí và dùng cồn IPA có nguồn gốc dầu mỏ không thân thiện với môi trường. Vì vậy hiện nay người ta đang thay dung dịch cồn bằng một loại dung dịch làm ẩm khác có chức năng tương tự. Có nhiều loại dung dịch thay thế, nhưng khả năng làm ẩm của chúng không được như cồn, đồng thời quá trình in còn gặp một số khó khăn, ngoài ra muốn dùng được phải thay một số chi tiết của hệ thống làm ẩm hiện tại của máy in.