Chương 2. ỨNG DỤNG CỦA TIA HỒNG NGOẠI VÀO TRONG Y HỌC, NÔNG NGHIỆP, CÔNG NGHIỆP
2.1 Ứng dụng của tia hồng ngoại vào trong y học
2.2.3 Phương pháp làm khô mực in dùng tia hồng ngoại
Thuật ngữ “khô” của mực bao gồm tất cả các quá trình từ sau khi mực đƣợc truyền và bám dính từ bản in qua cao su (đối với in Offset) lên vật liệu in. Qua đó đảm bảo sự liên kết chặt chẽ và ổn định giữa mực in và vật liệu in, mực in sẽ trở nên đông cứng lại trong suốt quá trình khô này, đây là điều kiện tiên quyết để thực hiện công đoạn thành phẩm và sau đó là đảm bảo tính tiêu dùng của sản phẩm. Tùy thuộc và cấu trúc của loại mực, quá trình khô là kết quả từ các phản ứng hóa học (nhƣ oxy hóa, polyme hóa) hay các quá trình vật lý (thấm hút, bay hơi) hoặc cũng là sự kết hợp của cả hai phương thức vật lý và hóa học. Bảng dưới đây sẽ cho ta có một cái nhìn tổng quan về các phương thức làm khô và các ứng dụng chủ yếu trong mỗi phương pháp in.
Hình 2.7: Các quá trình làm khô
a. Tổng quan về các kiểu và hiệu ứng làm khô
b. Các phương pháp làm khô, hiệu ứng khô và ứng dụng của chúng
Cấu trúc của mực in phải đáp ứng thỏa đáng cho hai đòi hỏi rất mâu thuẫn nhau trong tính chất của cách khô và hoạt động sản xuất đó là:
Không khô trên hệ thống các lô mực (hệ thống cấp mực nói chung) trong quá trình in hay trong thời gian dừng máy (chế độ chờ).
Khô nhanh và bám chặt vào bề mặt vật liệu in sau khi in.
Các nhân tố quan trọng quyết định đến thuộc tính khô của mực in:
• Cấu tạo của mực bao gồm cả chất dẫn, chất mang và các chất phụ gia.
• Những đặc trƣng của vật liệu in (vd: khả năng thấm hút).
• Điều kiện in (vd: độ che phủ mực, tờ in chất đống cao, tốc độ in…).
• Điều kiện khí hậu (độ ẩm, nhiệt độ phòng…).
• Cấu trúc thiết bị làm khô (dòng không khí trên bề mặt mực, thời gian phản ứng, dạng cung cấp năng lƣợng…).
Nhiệt độ là nhân tố quyết định. Nhiệt độ cao có nhiều lợi thế hơn:
• Tốc độ polymer hóa đƣợc đẩy nhanh thêm.
• Độ nhớt của mực thì bị giảm để hỗ trợ cho việc thấm hút.
• Làm dung môi bay hơi nhanh hơn.
Mức độ liên kết giữa mực in và bề mặt của vật liệu in sẽ thay đổi sau khi quá trình khô hoàn tất. Khi đó nó có thể gây một số tác động lên tờ in, các tác động này đƣợc phân loại tiêu biểu như là chống trầy xước, bền khi chịu ma sát, chống đóng cặn.
2.2.3.1 Khô vật lý (sự thấm hút vật lý)
Sự thấm hút diễn ra được là nhờ hoạt động hướng vào trong vật liệu in của mực in.
Mực thấm hút vào giấy bằng các ống mao quản nhỏ trong giấy. Nó tùy thuộc vào độ nhớt của mực, chất liên kết và khả năng chứa của vật liệu in. Các thành phần trong mực in sẽ thấm hút vào vật liệu ngay khi nó vừa bám lên bề mặt vật liệu, nhờ lực hút của các mao quản trong giấy. Sự thấm hút trong vật liệu tùy thuộc vào tốc độ thấm hút của vật liệu.
Tốc độ thấm hút đƣợc quyết định bởi trạng thái của các lỗ mao quản và chất lƣợng thấm ƣớt bề mặt vật liệu của mực. Trạng thái của các lỗ mao quản đƣợc đặc trƣng bởi số lƣợng lỗ mao quản trên một đơn vị diện tích và kích thước trung bình của lỗ. Hơn thế nữa, tốc độ thấm hút sẽ càng lớn khi độ nhớt của mực càng thấp.
Đồ thị nhƣ trong hình 2.8 minh họa cho sự phụ thuộc của lƣợng mực thâm nhập vào bề mặt vật liệu so với khả năng thấm hút của vật liệu. Trong một bài kiểm tra, mật độ quang học của lớp màng mực in trên đƣợc truyền qua từ tờ in dùng để đo độ khô (không thấm hút) đƣợc đo đạc có liên quan đến chu kỳ khô (tờ kiểm tra là tờ chƣa đƣợc in đặt đối diện với hình ảnh vừa mới đƣợc in ở tờ in thử, đo mật độ quang học của lớp mực bám trên tờ thử nghiệm này trong một điều kiện nhất định cho thấy mức độ khô của nó). Đồ thị cũng cho thấy, với các vật liệu không thấm hút, đường biểu diễn mật độ đo được vẫn còn rất cao sau khi in đã 120 phút (Nó chưa khô hoàn toàn). Mức độ thấm hút đƣợc nâng cao rõ rệt khi diện tích các lỗ mao quản trên bề mặt nhỏ dần.
Thể tích thấm hút quá cao của vật liệu có thể là nguyên nhân làm suy yếu chất liên kết trong mực in. Mực in bị mất
độ chói sáng, tính chống trầy xước và có thể bị chùi sau khi in. Do đó phải lựa chọn giấy có hiệu ứng phân tách tốt, bởi vì giấy có mật độ mao quản cao và nhỏ sẽ là điều kiện in tốt và cũng tạo thuận lợi cho việc sấy khô.
Sự thấm hút phụ thuộc vào thể tích thấm hút của vật liệu, cũng nhƣ phải phụ thuộc vào độ nhớt của mực.
Tốc độ thấm hút cũng phụ thuộc vào độ thấm ƣớt giữa mực in ấn và vật liệu in ấn.
2.2.3.2 Làm khô bằng tia hồng ngoại (IR – Infrared)
Sự thấm hút mực in sẽ nhanh hơn nếu độ nhớt của mực thấp. Độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng. Màng mực có thể đƣợc truyền với sự tăng gia nhiệt khi tiếp xúc với vật liệu in bởi nguồn phát tia hồng ngoại. Hiệu ứng khô bằng tia hồng ngoại trong in Offset (hình 2.9) đƣợc mô tả nhƣ sau:
• Làm giảm độ nhớt của dầu trong mực nhờ nguồn nhiệt trong khi thấm hút nhanh Hình 2.8: Đồ thị biểu diễn mối liên hệ của sự thấm
hút mực, bề mặt vật liệu và thời gian khô
• Quá trình oxy hóa làm diễn ra nhanh chóng trong mực (phần đƣợc thấm hút)
• Quá trình oxy hóa diễn ra nhanh hơn nhờ tỷ lệ nước rất nhỏ trong lớp mực . Quá trình khô hóa học (oxy hóa) tiếp ngay sau quá trình khô vật lý cũng nhanh hơn khi nhiệt độ tăng. Những quá trình trên có thể nhận thấy ở hầu hết loại mực in offset. Sự cân đối trong dải sóng tương ứng với bức xạ hồng ngoại và các thành phần của chất dẫn có tính thấm hút trong một khoảng tần số sẽ giúp gia tăng hiệu quả của bức xạ. Hiệu quả của nguồn bức xạ hồng ngoại đạt đƣợc tối đa nếu năng lƣợng của nguồn bức xạ là lớn nhất và sự thấm hút của mực in lớn nhất khi cả hai yếu tố diễn ra đồng thời. Dải bước sóng trong quang phổ IR với khoảng bức xạ hồng ngoại được dùng theo từng mức độ của các bước sóng:
• Dải cỏc bước súng ngắn (từ 0.8-2àm tương ứng với đốn dựng phỏt dõy túc hỡnh xoán ốc có nhiệt độ từ 2700 - 15000C) nguồn bức xạ dùng cho loại mực thấm hút chủ yếu trên giấy.
• Dải cỏc bước súng trung bỡnh (2-4àm tương ứng với nhiệt độ từ 1500 - 7500 C) không khí đƣợc gia nhiệt tác động chủ yếu lên lớp mực.
Kinh nghiệm người ta cho thấy sự thấm hút của mực tốt nhất khi dùng nguồn bức xạ hồng ngoại ở dải sóng ngắn hoặc trung bình. Hơn nữa, nguồn bức xạ sóng ngắn có năng suất và hiệu quả cao hơn. Cỏc thiết bị làm khụ NIR (vựng gần tia hồng ngoại 0.8-1.2 àm) làm việc trong vựng cú bước súng thấp hơn dải súng ngắn. Nguồn bức xạ súng dài (4 àm -1mm) không phù hợp cho
việc làm khô trong Offset.
Sự thấm hút có ý nghĩa đặc biệt quan trọng cho việc làm khô mực nhanh chóng, làm khô bằng bức xạ đạt hiệu quả tốt nhất chỉ khi có sự thấm hút trên bề mặt vật liệu đƣợc in. Biểu đồ trong hình 2.9 mô
Hình 2.9: Ảnh hưởng của bức xạ IR trên bề mặt có tính thấm hút (in Offset tờ rời trên giấy có tráng phủ)
tả hiệu quả của bức xạ hồng ngoại trên bề mặt có tính thấm hút.
Bức xạ nhiệt hồng ngoại cũng gây tác động nhiệt lên tất cả các vùng trên giấy, nó làm tăng nhiệt độ trong các mao quản (hơn 4000 C) và giúp đẩy nhanh quá trình polyme hóa trong mực. Những thuận lợi và hạn chế của việc dùng nguồn bức xạ hồng ngoại (IR) trong quá trình làm khô mực đƣợc trình bày nhƣ sau:
ƯU ĐIỂM
• Sự thấm hút mực in nhanh chóng dẫn đến những thuận lợi khi xếp giấy thành chồng.
• Mực bám chắc trên vật liệu
• Mực khô nhanh và khô hoàn toàn
• Sự dụng bột ít hơn khi giấy di chuyển ở bộ phận dẫn giấy ra và xếp thành chồng. Tờ in có chất lƣợng tốt hơn và giảm bớt lƣợng bụi dơ trong máy
• Công đoạn thành phẩm sẽ dễ dàng hơn do có rất ít bột bám trên bề mặt lớp mực in.
NHƯỢC ĐIỂM
• Mức đầu tƣ cao, chi phí làm việc tính theo giờ cũng rất cao trong các máy in có gắn hệ thống sấy hồng ngoại (IR).
• Mức tiêu thụ năng lượng cao làm tăng nhiệt độ trong máy in và trong xưởng sản xuất.
2.2.3.3 Khô nhờ quá trình bay hơi
Trong mực in gồm có nhiều thành phần nhƣ: các loại nhựa, pigment, dung môi.
Phương pháp làm khô này ở một mức độ nhất định làm bay hơi các chất trong thành phần mực. Quá trình này nhƣ sau :
• Sự chuyển biến từ chất lỏng (dung môi) sang trạng thái hơi.
• Sự thoát ra của dòng khí hoặc dòng khí thổi dung môi bay đi. Nhƣ là một quy tắc, hệ thống làm khô chỉ cung cấp một nguồn nhiệt chung đƣợc thổi thành một dòng khí, không cần quan tâm đến loại nhiệt năng, hiệu suất kinh tế và phải cẩn thận trong cách xử lý sản phẩm đƣợc làm khô. Quy tắc này mang tính riêng biệt khi thiết kế cho các loại máy in vì vật liệu in sẽ bị nóng lên một chút dẫn đến những khó khăn khi in nhƣ chồng màu không chính xác, tính co giãn của vật liệu và bị cong. Dung môi bay hơi khi
mực in đƣợc làm khô bằng cách bay hơi. Quá trình khô đƣợc quyết định bởi nhiệt và vật liệu truyền nhiệt (cách truyền nhiệt) trong giới hạn của lớp màng trên bề mặt dung dịch (mực in). Nhiệt độ bề mặt, tốc độ không khí thổi dọc trên toàn bộ bề mặt vật liệu sẽ tốt hơn áp lực thổi cục bộ khác nhau tại từng vùng, đây là thông số chính quyết định tốc độ khô. Việc khô nhờ sự bay hơi sẽ nhanh chóng hơn khi thêm vào đó có sự đối lưu.
Bởi vậy sự nóng lên thông qua nguồn bức xạ nhiệt hoặc hỗn hợp khí nóng luôn đƣợc kết hợp với điều kiện dẫn không khí thuận lợi nhất. Phương pháp làm khô này rất quan tâm đến khí động học. Nhƣ cách làm khô bằng luồng hơi thẳng đứng dùng cho các loại mực in có thành phần dung môi ở nhiệt độ sôi thấp, đây là các loại dung môi chủ yếu trong mực in ống đồng và Flexo. Hơi nước và các chất hữu cơ tạo ra được hấp thụ bởi than (Carbon) hoạt tính trong hệ thống có thể thu hồi dung môi.
• Dẫn truyền dung môi (dẫn qua buồng thấm hút). Luồng khí thải có thành phần là dung môi đƣợc hút bằng quạt hút tại điểm bay hơi (ví dụ: trong máy in ống đồng, làm khô bằng các vòi khí đứng) và được vận chuyển từ dưới đi lên bởi nhiều bộ lọc hút được làm từ Cacbon (C) hoạt tính. Dung môi bị hút vào than hoạt tính. Không khí đã đƣợc làm sạch dung môi bốc lên trên ra khỏi hệ thống. Dung môi và hơi nước tiếp tục được đưa vào, sức chứa của các miếng thấm hút có thể bị quá tải. Khi đó khí thải sẽ theo các ống thu trong buồng lọc chảy xuống bộ ngƣng tụ.
• Thu hồi dung môi. Chiết xuất lại than C hoạt tính là cách tái sinh trực tiếp bằng cách đảo ngược lại quá trình bay hơi của hơi nước (ngưng tụ lại). Than hoạt tính khi làm việc có nhiệt độ khoảng 1000C, dung môi bao gồm dung môi có điểm sôi cao – là dung môi thoát ra từ mực dưới dạng hơi. Chúng ngưng tụ lại trong nước của bình ngưng tụ và được tách ra. Dung môi thu đƣợc lúc này hoàn toàn có thể tái sử dụng.
2.2.3.4 Sấy nhiệt (Heatset)
Khác với in ống đồng, các loại mực in dùng cho in offset cuộn trong thành phần bao gồm phần lớn là dầu vô cơ có điểm sôi cao. Các loại dầu có điểm sôi thấp không thể dùng cho mực này vì nó bị khô trên hệ thống lô mực ngay trong khi truyền mực. Mực heatset dùng cho in offset cuộn trong thành phần loại dầu vô cơ có điểm sôi cao chiếm tỷ lệ 20%-40%. Đương nhiên nó phải được pha vào một cách thích hợp cho phương pháp khô nhờ bay hơi đƣợc dùng phổ biến trong offset cuộn. “Khô theo sự chỉ định” - tức là dùng hệ thống sấy với một nhiệt độ phù hợp để mực phải khô theo tốc độ chạy của máy in - chủ yếu đƣợc dùng nhƣ là một đơn vị làm khô chủ yếu trong máy in offset cuộn.
Băng giấy đƣợc di chuyển tiếp xúc tự do với hơi nhiệt trong suốt quá trình làm khô mà
không cần tiếp xúc với các phần tử (lô) dẫn giấy. Điều này đạt đƣợc nhờ quạt gió thổi dòng không khí nóng trực tiếp. Sự luân chuyển dòng khí nóng đã phân chia cho phép thổi khí ở cả hai mặt của băng vật liệu. Chúng rất phổ biến với các loại máy in Offset cuộn tốc độ cao, trong suốt quá trình khô, không có bất cứ sự tiếp xúc nào lên bề mặt vật liệu. Hệ thống sấy khô đang thay đổi mạnh mẽ đƣợc phân loại theo cơ cấu ứng dụng loại dòng không khí tới bề mặt của giấy. In cuộn cần có tiêu chuẩn cao đối với cách vận chuyển giấy, thiết bị máy móc và kỹ thuật điều khiển để đạt đƣợc điều kiện khô tốt nhất, kinh tế nhất trong chu trình sản xuất. Không khí đƣợc thải trực tiếp sau khi đốt cháy, nhiệt độ phát sinh trong quá trình cháy này đƣợc dùng trở lại để gia nhiệt cho quá trình làm khô.