Lò phản ứng sản xuất mực là gì: Nấu véc ni, phân tán và pha loãng

Máy phản ứng sản xuất mực là gì: Nấu véc-ni, phân tán và pha loãng

Trả lời câu hỏi cốt lõi: Máy phản ứng sản xuất mực là gì? Máy phản ứng sản xuất mực là thiết bị dùng để sản xuất mực in, và nó thực hiện ba nhiệm vụ riêng biệt. Nấu véc-ni hòa tan hoặc phản ứng nhựa với dung môi hoặc dầu ở nhiệt độ 120-200°C trong 2-8 giờ để tạo ra véc-ni mang sắc tố và liên kết nó với vật liệu in. Phân tán phá vỡ các cụm sắc tố trong một hỗn hợp cô đặc với hàm lượng sắc tố 20-40% bằng cách sử dụng máy khuấy tốc độ cao hoặc máy khuấy rotor-stator chạy ở tốc độ đầu 15-30 m/s, nhắm đến kích thước hạt dưới 5-15 micromet và độ mịn Hegman từ 6-8. Pha loãng làm loãng hỗn hợp đến công thức cuối cùng dưới sự khuấy nhẹ ở nhiệt độ 25-45°C. Các nhà máy có thể thực hiện cả ba quy trình trong một thiết bị đa năng hoặc, với khối lượng lớn hơn, dành riêng một lò nấu véc-ni có gia nhiệt và một bể phân tán tốc độ cao riêng biệt, vì hai nhiệm vụ này đòi hỏi các yêu cầu trái ngược nhau.

1. Ba nhiệm vụ và yêu cầu của mỗi nhiệm vụ

Nấu véc-ni, phân tán và pha loãng mỗi quy trình đều cần phần cứng khác nhau, và hiểu lý do tại sao sẽ giải thích toàn bộ bố cục nhà máy:

• Nấu véc-ni: Véc-ni, hay còn gọi là chất mang, là màng tạo màu của mực và quyết định độ bóng, độ bám dính, độ khô và độ lưu biến. Nó được tạo ra bằng cách hòa tan nhựa cứng, chẳng hạn như nhựa phenolic biến tính nhựa thông, nhựa maleic hoặc nhựa hydrocarbon, vào dầu sấy hoặc nhựa alkyd ở nhiệt độ 120-200°C, đôi khi có phản ứng hóa học như este hóa hoặc thêm chất tạo gel nhôm hoặc titan để tạo cấu trúc. Lò phản ứng là một bình có áo khoác được gia nhiệt bằng dầu nhiệt hoặc hơi nước áp suất cao, có bộ ngưng tụ hồi lưu để thu hồi dung môi, lớp phủ nitơ để ngăn oxy hóa và sẫm màu, và một máy khuấy có khả năng xử lý khối vật liệu nhớt, dính. Thời gian nấu là 2-8 giờ và điểm kết thúc được xác định bằng độ nhớt, độ hòa tan hoặc độ trong trên tấm kính và, đối với véc-ni tạo gel, bằng cấu trúc gel xác định thay vì chỉ dựa vào thời gian.
• Trộn sơ bộ và làm ướt sắc tố: Trước khi áp dụng bất kỳ lực cắt nào, sắc tố phải được làm ướt: không khí và nước hấp phụ trên bề mặt sắc tố phải được thay thế bằng véc-ni, nếu không năng lượng cắt sẽ bị lãng phí và quá trình phân tán sẽ không bao giờ đạt được. Làm ướt được thực hiện trong máy trộn tốc độ chậm, lưu lượng cao, thường là máy trộn hành tinh hoặc máy trộn bướm đối với mực nhão, sử dụng véc-ni có độ nhớt thấp và đặc tính làm ướt tốt. Hàm lượng sắc tố trong hỗn hợp sơ bộ cố tình cao, 20-40%, vì hàm lượng chất rắn cao làm tăng độ nhớt và do đó lực cắt truyền đến các cụm sắc tố. Giai đoạn trộn sơ bộ là nơi người vận hành thường mất nhiều thời gian nhất, vì việc làm ướt không đủ không thể phục hồi ở các giai đoạn sau: một mẻ được làm ướt kém sẽ xay trong nhiều giờ mà không đạt được độ mịn, trong khi một mẻ được làm ướt tốt sẽ đạt tiêu chuẩn nhanh chóng.
• Phân tán và xay nghiền: Phân tán phá vỡ các cụm sắc tố đã được làm ướt thành các hạt nguyên thủy của chúng. Đối với mực lỏng, đĩa phân tán tốc độ cao chạy ở tốc độ đầu 15-30 m/s thường là đủ, và mẻ được thực hiện trong một thiết bị duy nhất trong 30-90 phút. Đối với mực nhão và sắc tố hiệu suất cao, hỗn hợp được đưa qua máy nghiền bi, máy nghiền ba trục hoặc máy nghiền phương tiện ngang, nơi lực cắt được tạo ra bởi chuyển động tương đối của phương tiện nghiền thay vì bởi rotor, tạo ra phân bố kích thước hạt mịn hơn và hẹp hơn nhiều. Các thông số kiểm soát là năng lượng đầu vào cụ thể, tính bằng kilowatt-giờ trên tấn, thời gian lưu trong máy nghiền và kích thước phương tiện, và mục tiêu là kích thước hạt dưới 5-15 micromet với độ mịn Hegman từ 6-8 đối với hầu hết các loại mực.
• Pha loãng, điều chỉnh và hoàn thiện: Pha loãng là bước thường bị đánh giá thấp nhất. Hỗn hợp cô đặc được pha loãng với véc-ni, dung môi, chất làm khô và phụ gia bổ sung dưới sự khuấy nhẹ ở nhiệt độ 25-45°C, vì lực cắt liên tục ở giai đoạn này có thể làm tái kết tụ một phân tán đã phát triển, phá vỡ cấu trúc thixotropic hoặc làm bay hơi dung môi dễ bay hơi. Đây cũng là điểm mà các đặc tính cuối cùng được điều chỉnh: độ nhớt theo thông số kỹ thuật của máy in, độ bám dính, độ chảy và quan trọng nhất là màu sắc, được so sánh với tiêu chuẩn bằng máy đo quang phổ và điều chỉnh bằng cách thêm một lượng nhỏ các chất tạo màu. Mực thành phẩm sau đó được lọc, thường qua túi hoặc hộp lọc 25-100 micromet, để loại bỏ bất kỳ hạt quá cỡ nào và các đốm gel có thể gây ra vệt hoặc mài mòn bản in trên máy, và được đóng gói trong điều kiện giảm thiểu hiện tượng đóng váng và mất dung môi.

2. Thiết kế máy phản ứng theo loại mực

Ba họ mực chính đặt ra các yêu cầu rất khác nhau đối với máy phản ứng:

• Mực nhão và mực offset: Mực offset và mực lithographic là mực nhão có độ nhớt cao, điển hình là 10-100 Pa·s, với cấu trúc thixotropic và giảm độ nhớt rõ rệt vì chúng phải truyền qua một chuỗi trục lăn mà không bị bay hoặc sương mù. Do đó, máy phản ứng phải tạo ra mô-men xoắn rất cao ở tốc độ thấp, đó là lý do tại sao các nhà máy mực nhão sử dụng máy trộn hành tinh, máy nhào cánh khuấy sigma hoặc cánh khuấy kép, và máy khuấy hạng nặng thay vì máy khuấy tuabin tiêu chuẩn. Việc loại bỏ nhiệt rất quan trọng vì năng lượng đầu vào lớn và mực nhão là chất dẫn nhiệt kém, vì vậy bình được áo khoác và máy khuấy thường được cung cấp một lưỡi gạt hoặc thiết kế khe hở hẹp. Nhiệt độ được giữ dưới khoảng 50-60°C vì nhiều loại nhựa và chất tạo gel nhạy cảm với nhiệt, và vì nhiệt dư thừa trong véc-ni tạo gel sẽ phá hủy vĩnh viễn cấu trúc tạo nên độ lưu biến của mực.
• Mực lỏng, mực flexo và mực gravure: Mực flexo và mực gravure là chất lỏng có độ nhớt thấp, điển hình là 0,05-2 Pa·s, và chúng có thể gốc dung môi hoặc gốc nước. Máy phản ứng là một bình thép không gỉ có áo khoác hoặc không có áo khoác tiêu chuẩn với máy khuấy tốc độ cao, và quy trình là hoạt động một bình: nạp véc-ni, thêm sắc tố dưới lực cắt cao, xay nếu cần và pha loãng. Vì dung môi dễ bay hơi và dễ cháy, bình phải được đóng kín hoặc ít nhất là có nắp đậy, được nối đất và nối dây, và thường được đánh giá cho lỗ thông hơi áp suất thấp hoặc kết nối với hệ thống thu hồi dung môi; các phiên bản gốc nước thay vào đó cần kiểm soát bọt và điểm châm chất chống tạo bọt. Mực lỏng gốc nước bổ sung thêm một yêu cầu: amine được sử dụng để hòa tan nhựa bay hơi trong quá trình sấy, vì vậy pH và hàm lượng amine được kiểm soát trong máy phản ứng và theo dõi trong quá trình chạy.
• Mực đóng rắn bằng năng lượng và mực UV: Mực UV và mực chùm tia điện tử là các công thức 100% chất rắn được xây dựng từ oligomer, monome phản ứng và chất quang hóa trùng hợp trong vài giây khi tiếp xúc với ánh sáng UV. Yêu cầu về máy phản ứng là bất thường: không có dung môi nào được loại bỏ, vì vậy không cần cột chưng cất, nhưng nhiệt độ phải được giữ dưới khoảng 60-70°C trong suốt quá trình vì hỗn hợp oligomer và monome có thể trùng hợp nhiệt, và mẻ phải được bảo vệ khỏi bất kỳ nguồn sáng nào có thể bắt đầu quá trình đóng rắn. Do đó, các bình được áo khoác để làm mát, được trang bị kính quan sát màu hổ phách hoặc mờ đục và có nắp đậy trên tất cả các lỗ mở, và thường được trang bị khóa liên động nhiệt độ. Việc khuấy là vừa phải, vì các công thức này có độ nhớt thấp đến trung bình, và các bước quan trọng là thứ tự thêm vào và hòa tan hoàn toàn chất quang hóa, có thể mất 30-90 phút.
• Vật liệu, vệ sinh và thay đổi màu sắc: Các nhà máy mực sản xuất hàng trăm công thức và hàng chục màu sắc, vì vậy yếu tố kinh tế chi phối là việc thay đổi. Thép không gỉ 316L với bề mặt đánh bóng hoặc đánh bóng điện là tiêu chuẩn, và thép tráng men được sử dụng cho các hệ thống có tính axit hoặc có sắc tố cao. Thiết kế để vệ sinh có nghĩa là cấu trúc không có khe hở, van đáy lắp phẳng, không có đường ống chết bên trong, các quả phun để vệ sinh tại chỗ và, ở nhiều nhà máy, một hệ thống thu hồi dung môi giặt chuyên dụng vì dung môi được sử dụng để vệ sinh là dòng chất thải lớn nhất. Nhiều nhà sản xuất dành riêng các bình theo nhóm màu, giữ riêng màu đen, trắng và màu quy trình, vì việc vệ sinh kỹ lưỡng không thể loại bỏ mọi dấu vết khỏi rãnh gioăng, và vì một đốm đen trong mực trắng sẽ dẫn đến mẻ bị loại bỏ thay vì một lỗi nhỏ.

Ma trận so sánh các giai đoạn sản xuất mực

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Q: Sự khác biệt giữa lò phản ứng véc-ni và bể phân tán là gì?

A: Lò phản ứng véc-ni là một bình có áo khoác, được gia nhiệt, nấu nhựa với dầu hoặc dung môi ở nhiệt độ 120-200°C, có bộ ngưng tụ hồi lưu, lớp phủ nitơ và máy khuấy tốc độ vừa phải; nhiệm vụ của nó là hòa tan và đôi khi là phản ứng hóa học, và các yếu tố thiết kế là đầu vào nhiệt, hồi lưu dung môi và ngăn ngừa oxy hóa. Bể phân tán là một bình có lực cắt cao hoạt động ở nhiệt độ 30-60°C, với đĩa phân tán hoặc rotor-stator đạt tốc độ đầu 15-30 m/s, và nhiệm vụ của nó hoàn toàn là vật lý: phá vỡ các cụm sắc tố thành các hạt nguyên thủy của chúng. Hai loại này trái ngược nhau về hầu hết mọi khía cạnh, đó là lý do tại sao các nhà máy có khối lượng lớn tách chúng ra và tại sao một bình kết hợp luôn là một sự thỏa hiệp. Cấu hình một bình đa năng phù hợp cho một nhà máy nhỏ với nhiều mẻ chạy ngắn; các bình chuyên dụng sẽ có lợi khi khối lượng đủ lớn để biện minh cho chúng.

Q: Tại sao phân tán sắc tố là bước quan trọng trong sản xuất mực?

A: Bởi vì độ bền màu, độ bóng, độ trong suốt và độ ổn định của mực đều được xác định bởi mức độ phân tán hoàn toàn của sắc tố. Sắc tố được sản xuất dưới dạng các cụm có kích thước 10-100 micromet, nhưng các đặc tính quang học của nó chỉ phát triển khi các cụm đó bị phá vỡ thành các hạt nguyên thủy có kích thước 0,05-1 micromet. Mực được phân tán kém có độ bền màu thấp hơn, do đó cần nhiều sắc tố hơn cho cùng một sắc thái, và nó có độ bóng kém, kết cấu sạn làm mòn bản in, và có xu hướng lắng trong lon. Phân tán quá mức cũng có thể xảy ra: lực cắt liên tục sau khi phân tán đã phát triển có thể phá vỡ các hạt nguyên thủy, gây ra sự thay đổi sắc thái, hoặc có thể làm tái kết tụ chúng thông qua va chạm. Đây là lý do tại sao quá trình phân tán được theo dõi bằng thước đo độ mịn Hegman trong quá trình chạy và dừng ngay khi đạt được thông số kỹ thuật, thay vì xay trong một khoảng thời gian cố định.

Q: Độ mịn Hegman là gì và mực nên đạt giá trị nào?

A: Độ mịn Hegman là một phép đo nhanh tại xưởng về các hạt lớn nhất trong một phân tán, thu được bằng cách kéo một mẫu xuống một khối thép cứng có rãnh côn, từ 100 micromet ở đầu sâu đến 0 ở đầu nông, và đọc điểm mà tại đó các hạt hoặc vết xước đầu tiên xuất hiện. Thang đo chạy từ 0 đến 8, trong đó số cao hơn có nghĩa là mịn hơn. Hầu hết các loại mực in nhắm đến 6 đến 8, tương ứng với kích thước hạt tối đa dưới khoảng 15-25 micromet, với mực gravure và mực phun mịn ở đầu phạm vi và mực in lưới thô ở mức thấp hơn. Bài kiểm tra này có giá trị vì nó chỉ mất khoảng một phút và không cần chuẩn bị mẫu, vì vậy nó có thể được sử dụng để dừng máy nghiền vào đúng thời điểm; nó thường được hỗ trợ bởi nhiễu xạ laser để phân bố kích thước hạt đầy đủ và đo màu bằng máy đo quang phổ để phát hành.

Q: Nguyên nhân gây ra sự biến đổi giữa các mẻ mực in là gì?

A: Năm nguyên nhân, theo thứ tự tần suất. Biến đổi sắc tố: các lô sản xuất khác nhau của cùng một sắc tố có thể khác nhau về kích thước hạt, xử lý bề mặt và sắc thái, đó là lý do tại sao sắc tố đầu vào được đánh giá theo bản vẽ tiêu chuẩn thay vì chấp nhận chỉ dựa trên chứng nhận. Năng lượng phân tán: năng lượng đầu vào cụ thể tính bằng kilowatt-giờ trên tấn và tốc độ đầu đều ảnh hưởng đến kích thước hạt cuối cùng, vì vậy một máy nghiền bị mòn, hoặc kích thước mẻ khác với tiêu chuẩn, sẽ thay đổi kết quả ngay cả khi công thức giống hệt nhau. Mất dung môi và chất bay hơi: sự bay hơi trong quá trình phân tán dài hoặc nóng làm thay đổi hàm lượng chất rắn và do đó làm thay đổi độ nhớt và độ bền màu. Thứ tự cân và thêm: sai sót nhỏ trong lượng sắc tố tạo ra sự khác biệt màu sắc rõ rệt, và thứ tự kết hợp nhựa, dung môi và phụ gia ảnh hưởng đến khả năng làm ướt và độ ổn định. Và nhiệt độ, ảnh hưởng đến độ nhớt, tốc độ làm ướt và, trong mực gốc nước, sự cân bằng amine và pH.