Chuyển hướng tin nhắn

Kiểm soát chất lượng và sàng lọc mực in và sơn bằng NIRS

27 thg 11, 2023

Bài viết

vi

Mực in và sơn là một phần của cuộc sống hằng ngày. Việc kiểm soát chất lượng và sàng lọc mực in và sơn rất quan trọng trong toàn bộ quá trình sản xuất cũng như đối với sản phẩm cuối cùng. Các nhà sản xuất có thể tiết kiệm thời gian và chi phí bằng cách sử dụng quang phổ cận hồng ngoại (NIRS) để kiểm tra nhiều thông số chất lượng trong nguyên liệu đầu vào và sản phẩm mực in, sơn hoàn thiện. NIRS là một kỹ thuật phân tích thân thiện với môi trường, hiệu quả về chi phí và dễ sử dụng.

Privacy Policy

I allow Metrohm AG and its subsidiaries and exclusive distributors to store and process my data in accordance with its Privacy Policy and to contact me by e-mail, telephone, or letter to reply to my inquiry and for advertising purposes. I can withdraw this consent at any time by sending an e-mail to info@metrohm.com.

This field is required.

Chúng ta bắt gặp mực in và sơn trong cuộc sống hằng ngày. Những vật liệu này được sử dụng cho việc viết và in ấn, bảo vệ khỏi các tác động của môi trường, mục đích thẩm mỹ, và còn nhiều hơn thế nữa. Lịch sử của chúng ta phần lớn được lưu giữ nhờ các chất này. Vậy sơn và mực in được sản xuất như thế nào và những biện pháp kiểm soát chất lượng (QC) nào được áp dụng? Bài viết này sẽ giới thiệu ngắn gọn về lịch sử của ngành, quy trình sản xuất, và cách quang phổ cận hồng ngoại (NIRS) có thể được sử dụng như một giải pháp QC đa thông số.

Sự khác biệt giữa sơn và mực in là gì?

Sơn là một chất được áp dụng dưới dạng lỏng hoặc dạng sệt, sau đó khô lại thành một lớp phủ rắn. Lớp phủ này có tác dụng bảo vệ và/hoặc tạo màu cho vật thể hoặc bề mặt mà nó được phủ lên.

Mực in là một chất lỏng chứa sắc tố (pigment) hoặc thuốc nhuộm (dye), được sử dụng cho việc viết, in ấn, v.v.

Nguồn gốc và tổng quan lịch sử ngắn gọn của mực in và sơn

Nhấp vào các mũi tên bên dưới để tìm hiểu thêm về nguồn gốc và lịch sử của hai loại vật liệu này.

Nhiều nền văn hóa đã tự phát triển các loại mực in riêng một cách độc lập, thường dựa trên muội than (sắc tố) còn sót lại từ bếp lửa kết hợp với nước (chất mang). Thực tế, thành phần đơn giản này chính là nền tảng của mực Tàu (India ink), vẫn còn được sử dụng cho đến ngày nay.

Người Trung Quốc và Ai Cập đã thiết lập các công thức mực bền vững từ ít nhất 4.500 năm trước. Những loại mực này có nguồn gốc từ thực vật, động vật và khoáng chất. Ở châu Âu, trước thời Trung Cổ, mực cũng được pha chế từ bột carbon đen và nước, cùng với gôm arabic hoặc các chất kết dính khác.

Sau đó, người La Mã đã phát triển một công thức tốt hơn, được gọi là mực gall sắt (iron gall ink). Loại mực này tương đối dễ chế tạo từ sắt(II) sunfat (FeSO₄), axit tannic và gôm arabic. Đây là loại mực bền vĩnh viễn, được sử dụng cho đến khi các loại mực sản xuất bằng phương pháp hóa học bắt đầu phổ biến vào khoảng giữa những năm 1900.

Vào những năm 1440, sự ra đời của máy in đòi hỏi một loại mực mới. Các loại mực gốc nước không phù hợp để in ấn chất lượng cao. Vì vậy, mực gốc dầu đã được phát triển để bám dính tốt hơn lên bề mặt in.

Sơn là một dạng sắc tố lỏng được sử dụng để trang trí hoặc bảo vệ bề mặt. Rất khó xác định thời điểm những loại sơn đầu tiên xuất hiện, vì chúng có từ trước khi có lịch sử ghi chép. Những bằng chứng cổ xưa nhất về việc sử dụng sơn là các bức tranh hang động, như ở Pháp, Tây Ban Nha, và Nam Phi. Những loại sơn nguyên thủy này được tạo ra bằng cách nghiền các chất có màu (ví dụ như đất son – ochre) và trộn với chất kết dính lỏng đơn giản (ví dụ như trứng) để giúp chúng bám vào bề mặt như đá.

Sơn gốc nước đã được sử dụng trong suốt lịch sử để tạo ra các tác phẩm nghệ thuật vượt thời gian. Ví dụ, người Ai Cập cổ đại đã sử dụng các gam màu đậm, rực rỡ để trang trí các lăng mộ. Nhiều thế kỷ sau, Michelangelo đã vẽ trần Nhà nguyện Sistine nổi tiếng bằng sắc tố dạng bột trộn với nước (fresco). 

Sơn gốc dầu đã được phát triển từ khoảng năm 600 sau Công nguyên, như được thấy trong các bức tranh hang động ở Afghanistan. Những loại sơn này thay thế nước bằng dầu khô và cũng có thể chứa các chất phụ gia khác. Sơn dầu không chỉ được sử dụng trong nghệ thuật (ví dụ: Mona Lisa của Leonardo da Vinci, Đêm đầy sao của Vincent van Gogh), mà còn phổ biến cho mục đích bảo vệ, như chống thấm cho gỗ.

Các sắc tố tự nhiên thường có nguồn gốc từ thực vật, khoáng chất hoặc đất sét. Sắc tố tổng hợp, được tạo ra bằng các phương pháp hóa học, nhiệt hoặc các kỹ thuật khác, cung cấp dải màu phong phú hơn nhiều. Cả sắc tố tự nhiên và tổng hợp đều có thể được phân loại là hữu cơ hoặc vô cơ.

Ngoài ra, cũng có các chất mang/chất kết dính tự nhiên và tổng hợp. Trước đây, sơn gốc dầu thường sử dụng dầu lanh làm chất mang. Vào đầu những năm 1900, nhựa alkyd nhân tạo được phát minh và sử dụng cho mục đích này. Alkyd có giá rẻ, dễ sản xuất, giữ màu tốt và bền. Sau đó, các loại sơn dựa trên polymer như acrylic và latex đã được phát triển và vẫn rất phổ biến cho đến ngày nay.

Việc sử dụng các chất kết dính tổng hợp đã tạo ra các loại sơn khô nhanh, ít bị ngả vàng và có nhiều đặc tính bề mặt cũng như cách sử dụng đa dạng. Đối với các hệ sơn nhũ tương, chất kết dính tổng hợp đã loại bỏ nhu cầu sử dụng dung môi hữu cơ làm chất pha loãng.

Sơn được tạo thành từ những gì?

Sơn thường bao gồm: sắc tố, nhựa (chất kết dính), dung môi và các chất phụ gia.

Sắc tố được sử dụng để tạo màu và kiểm soát độ bóng của sơn. Nồng độ thể tích sắc tố (PVC) thấp sẽ tạo ra bề mặt bóng, trong khi PVC cao sẽ tạo ra bề mặt mờ lì (matte).

Nhựa là chất kết dính, giúp liên kết các hạt sắc tố lại với nhau và tạo độ bám dính của sơn lên bề mặt được sơn.

Dung môi đóng vai trò là chất mang cho các sắc tố và nhựa. Nó có thể là dung môi hữu cơ hoặc gốc nước.

Các chất phụ gia được sử dụng để cải thiện một số đặc tính như dễ quét/sơn, chống nấm mốc, chống trầy xước, tăng tốc độ khô và chống chảy xệ.

Sơn được sản xuất như thế nào?

Quy trình sản xuất sơn có thể được chia thành bốn bước cơ bản. Đầu tiên, hỗn hợp hồ được tạo ra (Hình 1), sau đó các chất màu được nghiền và phân tán để đảm bảo tính đồng nhất (Hình 2). Ở bước thứ ba, hỗn hợp được pha loãng (Hình 3), và cuối cùng sản phẩm hoàn thiện được đóng gói (Hình 4).

Tuy nhiên, các thành phần khác nhau sẽ yêu cầu điều chỉnh quy trình sản xuất, và ví dụ trên chỉ mang tính khái quát. Sơn phủ được sản xuất theo từng mẻ, và các kiểm tra nghiêm ngặt được áp dụng xuyên suốt toàn bộ quy trình để đảm bảo chất lượng.

Hình 1. Bước đầu tiên trong quá trình sản xuất sơn là tạo hỗn hợp hồ bằng cách trộn các chất màu, phụ gia, chất kết dính và dung môi.
Hình 2. Bước thứ hai trong quá trình sản xuất sơn là nghiền và phân tán các chất màu trong hỗn hợp hồ.
Hình 3. Bước thứ ba trong quá trình sản xuất sơn là pha loãng hỗn hợp hồ bằng dung môi, chất kết dính và các chất màu bổ sung.
Hình 4. Bước cuối cùng trong quá trình sản xuất sơn là đóng gói sản phẩm sau khi đã được lọc.

Kiểm soát chất lượng và sàng lọc mực in và sơn

Việc kiểm soát chất lượng của mực in và sơn có thể được thực hiện dễ dàng trong tất cả các giai đoạn sản xuất bằng phương pháp quang phổ cận hồng ngoại. Sử dụng NIRS cho kiểm soát chất lượng và sàng lọc mực in và sơn hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí hơn so với các phương pháp phân tích khác.

Phần còn lại của bài viết này trình bày tổng quan ngắn gọn về quang phổ cận hồng ngoại và các ứng dụng của nó trong ngành mực in và sơn. Các ví dụ được đưa ra cho thấy các nhà sản xuất mực in và sơn có thể hưởng lợi như thế nào từ việc sử dụng thiết bị NIRS để đảm bảo và kiểm soát chất lượng, nhằm tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao.

Quang phổ NIR – hoạt động như thế nào?

Quang phổ cận hồng ngoại là một kỹ thuật phân tích sử dụng sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất để xác định các thông số hóa học và vật lý của mẫu. Trong trường hợp này, ánh sáng được mô tả bằng bước sóng hoặc số sóng thay vì năng lượng được áp dụng. Sự tương tác này có thể được đo lường, ví dụ bằng thiết bị Metrohm DS2500 Liquid Analyzer (Hình 5a), thiết bị này tạo ra phổ NIR (Hình 5b).

Hình 5. a) Thiết bị Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer. b) Ví dụ về phổ thu được từ sự tương tác của ánh sáng NIR với năm mẫu chất làm khô sơn khác nhau.

Do NIRS khá nhạy với sự hiện diện của một số nhóm chức phân tử, nên đây là kỹ thuật lý tưởng để định lượng nhiều thông số hóa học. Hàm lượng không bay hơi, hợp chất hữu cơ bay hơi, hàm lượng thuốc nhuộm, hàm lượng chất hoạt động bề mặt và độ ẩm có thể được đo đồng thời trong sơn hoặc mực in. Ngay cả việc xác định các thông số vật lý như khối lượng riêngđộ nhớt cũng có thể thực hiện bằng NIRS.

Một phổ NIR duy nhất chứa tất cả các thông tin này, khiến quang phổ cận hồng ngoại trở nên phù hợp cho việc phân tích nhanh nhiều thông số cùng lúc.

Lựa chọn chế độ đo NIR

Chế độ đo NIRS phụ thuộc vào loại mẫu cần phân tích.

Khi phân tích mẫu lỏng, chế độ truyền qua là phù hợp (Hình 6). Trong quá trình này, ánh sáng NIR bị hấp thụ khi đi qua mẫu, và phần ánh sáng không bị hấp thụ sẽ đi trực tiếp đến bộ dò.

Hình 6. a) Việc đo mẫu lỏng thường được thực hiện bằng các lọ dùng một lần. b) Chế độ đo NIRS được gọi là truyền qua, trong đó ánh sáng đi xuyên qua mẫu và bị hấp thụ (từ trái sang phải trong hình minh họa).

Khi phân tích các mẫu dạng hồ, chế độ phản xạ truyền qua được ưu tiên (Hình 7). Trong trường hợp này, một tấm vàng được sử dụng như một bộ phản xạ khuếch tán. Ánh sáng NIR được chiếu qua mẫu hồ và bị hấp thụ, sau đó được phản xạ bởi tấm vàng. Phần ánh sáng NIR phản xạ tiếp tục bị mẫu hấp thụ thêm và cuối cùng đi đến bộ dò.

Hình 7. a) Việc đo các mẫu dạng hồ thường được thực hiện trong cốc slurry bằng cách sử dụng tấm vàng làm bộ phản xạ khuếch tán. b) Chế độ đo được gọi là phản xạ truyền qua, trong đó ánh sáng đi qua mẫu, phản xạ trên bộ phản xạ khuếch tán, sau đó tiếp tục đi qua mẫu một lần nữa trong khi bị hấp thụ.

Ưu điểm của việc sử dụng NIRS cho kiểm soát chất lượng và sàng lọc

Quang phổ cận hồng ngoại có nhiều ưu điểm so với các kỹ thuật phân tích khác, đặc biệt trong kiểm soát chất lượng và sàng lọc.

NIRS cho kết quả rất nhanh, chỉ trong vòng dưới một phút. Không cần chuẩn bị mẫu, giúp tiết kiệm thêm thời gian. Phép đo không phá hủy mẫu, nên có thể tái sử dụng mẫu. Không cần sử dụng thuốc thử khi phân tích bằng quang phổ NIR. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí cho mỗi mẫu mà còn làm cho phương pháp này thân thiện với môi trường.

NIRS is also compliant with international standards such as ASTM E1655: Standard Practices for Infrared Multivariate Quantitative Analysis, making it simpler for industries to adopt it. Finally, NIRS is easy to use and can be operated by non-technical personnel, unlike other more complicated analytical techniques.

Các thông số kiểm soát chất lượng và sàng lọc trong sản xuất mực in và sơn

Các sản phẩm mực in và sơn phải trải qua nhiều phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để xác định các tính chất hóa học và vật lý của chúng. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm như vậy là một phần không thể thiếu trong nghiên cứu, phát triển và kiểm soát chất lượng. Bảng 1 liệt kê các thông số thử nghiệm quan trọng nhất cho việc kiểm soát chất lượng và sàng lọc mực in và sơn.

Các ví dụ ứng dụng cho thấy khả năng của NIRS trong việc phân tích đồng thời nhiều thông số này từ cùng một mẫu sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo.

Bảng 1. Các thông số kiểm soát chất lượng và sàng lọc cho mực in và sơn cùng với phương pháp phân tích thông thường

Thông số Phương pháp phân tích truyền thống
Intrinsic, kinematic viscosity Viscometry
Moisture Karl Fischer titration
Surfactant content Titration
Non-volatile content / Solids content Loss on drying (LOD)
Dye content / Pigment content Ashing
Volatile organic compounds (VOC) Multiple wet chemical methods
Additives and wax in packaging paint HPLC and GC

Ví dụ ứng dụng: Kiểm soát chất lượng mực in bằng NIRS

Khi thực hiện kiểm soát chất lượng trong quá trình sản xuất mực in, các thông số thường được đo là hàm lượng thuốc nhuộm, diethylene glycol, chất hoạt động bề mặt và nước. Thuốc nhuộm (ví dụ như thuốc nhuộm triphenylmethane/phenazine hoặc azo) tạo màu cho mực. Diethylene glycol được sử dụng làm dung môi và giúp ngăn mực bị khô. Các chất hoạt động bề mặt kiểm soát kết cấu và ngăn mực tạo bọt.

Các thông số này thường được theo dõi bằng nhiều kỹ thuật phân tích khác nhau như tro hóa, chuẩn độ và chuẩn độ Karl Fischer. Việc chuẩn bị mẫu tốn nhiều thời gian và sử dụng nhiều phương pháp xác định khác nhau khá phức tạp. Khi sử dụng NIRS, nhiều thông số kiểm soát chất lượng của mực có thể được đo đồng thời, với kết quả có được trong vòng chưa đến một phút.

Phổ NIR của một số mẫu mực được trình bày trong Hình 8 cùng với biểu đồ tương quan tương ứng để dự đoán hàm lượng thuốc nhuộm trong Hình 9. Các chỉ số đánh giá hiệu suất cho việc dự đoán bằng NIRS đối với thuốc nhuộm, diethylene glycol, chất hoạt động bề mặt và nước trong mực được đưa ra trong Bảng 2.

Hình 8. Lựa chọn các phổ Vis-NIR từ các mẫu mực được đo bằng thiết bị Metrohm NIRS DS2500 Analyzer ở chế độ phản xạ truyền qua. Hình chèn minh họa sự khác biệt của các phổ khi hàm lượng thuốc nhuộm thay đổi.
Hình 9. Biểu đồ tương quan để dự đoán hàm lượng thuốc nhuộm trong mực bằng thiết bị Metrohm NIRS DS2500 Analyzer.

Bảng 2. Các chỉ số đánh giá hiệu suất cho các thông số kiểm soát chất lượng trong mẫu mực sử dụng thiết bị Metrohm NIRS DS2500 Analyzer

Figures of merit Dye content DEG content Water content Surfactant content
R2 0.996 0.993 0.991 0.977
Standard Error of Calibration (SEC) 0.0835% 0.5037% 0.5571% 0.0368%
Standard Error of Cross Validation (SECV) 0.0949% 0.5888% 0.9614% 0.1316%

Ví dụ ứng dụng: Kiểm soát chất lượng chất làm khô sơn bằng NIRS

Chất làm khô sơn giúp giảm thời gian khô của sơn và ảnh hưởng đến độ bóng cũng như độ trong của lớp phủ. Trong trường hợp này, các thông số kiểm soát chất lượng chính cần quan tâm là hàm lượng kim loại, hàm lượng chất rắn, độ nhớt và khối lượng riêng.

Tất cả các quy trình thử nghiệm tham chiếu cho các thông số này được quy định trong các tiêu chuẩn—ASTM D2373, ASTM D1644, ASTM D5125,  ASTM D2196. Mỗi tiêu chuẩn sử dụng các thiết bị phân tích khác nhau để đo lường như cân và lò sấy, máy chuẩn độ, tỷ trọng kế và máy đo độ nhớt. Ngược lại, việc sử dụng NIRS để đo đồng thời tất cả các thông số này giúp tiết kiệm đáng kể thời gian và giảm chi phí cho mỗi lần phân tích.

Hình 10. Lựa chọn các phổ Vis-NIR từ các mẫu chất làm khô sơn được đo bằng thiết bị Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer ở chế độ truyền qua. Các phổ khác nhau tùy theo hàm lượng coban.
Hình 11. Biểu đồ tương quan để dự đoán hàm lượng coban trong chất làm khô sơn bằng thiết bị Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer.

Bảng 3. Các chỉ số đánh giá hiệu suất cho các thông số kiểm soát chất lượng trong mẫu chất làm khô sơn sử dụng thiết bị Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer

Figures of merit Cobalt content* Solids content Specific gravity Viscosity
R2 0.999 0.999 0.977 0.999
SEC 0.08% 0.24% 0.003% 9.3 MPa
SECV 0.09% 0.29% 0.003% 10.9 MPa
* Dải phổ cho kết quả tốt nhất trong việc đo hàm lượng coban nằm trong vùng khả kiến (400–800 nm, xem Hình 9).

Tóm tắt

NIRS là một lựa chọn xuất sắc cho kiểm soát chất lượng và sàng lọc mực in và sơn trong toàn bộ chuỗi sản xuất, từ nguyên liệu đầu vào đến sản phẩm hoàn thiện. Những ưu điểm của phương pháp này so với các kỹ thuật phân tích khác là rất đáng kể. Khả năng phân tích nhiều thông số trên cùng một mẫu với kết quả trong vòng chưa đến một phút giúp tiết kiệm đáng kể thời gian và chi phí.

Các kỹ thuật phòng thí nghiệm truyền thống thường yêu cầu xử lý mẫu trước hoặc sử dụng hóa chất và cần nhân sự có chuyên môn để thực hiện phân tích. Mỗi thông số được đo bằng một thiết bị khác nhau, do đó thời gian để có kết quả thường lâu hơn nhiều.

Boost efficiency in the QC laboratory: How NIRS helps reduce costs up to 90%

Click here to download

Underestimating QC processes is one of the major factors leading to internal and external product failure, which have been reported to cause a loss of turnover between 10–30%. As a result, many different norms are put in place to support manufacturers with this. However, time to result and the associated costs for chemicals can be quite excessive, leading many companies to implement near-infrared spectroscopy in their QC process. This White Paper illustrates the potential of NIRS and displays cost saving potentials up to 90%.

Authors
Guns

Wim Guns

International Sales Support Spectroscopy
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland

Liên hệ

Lanciki

Dr. Alyson Lanciki

Scientific Editor
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland

Liên hệ