In kỹ thuật số trên vải sợi – (P2) Vật liệu dùng trong kỹ thuật in phun trên vải sợi khổ lớn

Vải vóc, khác với giấy in thông thường, là 1 cấu trúc 3 chiều và những điều kiện, yêu cầu của mực in, chất tạo màu cũng rất đa dạng. Trong thực tế, 1 bộ mực in chỉ áp dụng cho 1 vài loại vải và chỉ tạo được 1 dải màu nhất định.

1. Vải sợi – Phân loại vải sợi

Vải sợi là những cấu trúc dạng phẳng, được tạo thành từ các loại tơ sợi được đan lại với nhau theo 1 cách nào đó. Những sợi này có dạng sợi dài, xoắn vào  nhau tạo thành phần tử cơ bản nhất của vải sợi. Mỗi loại sợi này được cấu thành từ hàng triệu chuỗi phân tử hoá học đơn lẻ. Sự xắp xếp và định hướng các chuỗi hoá học này cũng như cấu trúc phân tử của nó sẽ quyết định tính chất vật lý và hoá học của sợi.

Các loại vải sợi thường được chia làm 2 loại lớn: tự nhiên và nhân tạo. Sơ đồ bên chỉ thể hiện số loại tiêu biểu trong mỗi nhánh.

Trong bài báo này chỉ xét đến các loại vải sợi có thực vật và một số loại được tái tạo từ những loại sợi có nguồn gốc thực vật (tơ nhân tạo Rayon).

• Cellulose (xét loại vật liệu điển hình là cotton)

Cellulose – polymer của glucose – là thành phần hoá học cơ bản nhất của tất cả các loại thực vật. Monomer cua cellulose là 1,2,4-8-anhydroglucose, số lương monomer có thể từ 1.000 đến 18.000 đơn vị.

Chuỗi liên kết dài của cellulose làm cho các mối liên kết hydro của các phân tử liền kề liên kết chặt chẽ với nhau. Các chuỗi liên kết liên phân tử này cộng với cấu trúc mạch thẳng của phân tử cellulose hình thành nên những vùng có cấu trúc tinh thể của cellulose (microfibril). Những microfibril này liên kết, sắp xếp lại với nhau thành 1 cấu trúc lớn hơn gọi là fibril (sợi).

• Cotton

Cotton là đại diện lớn nhất và quan trọng nhất về vật liệu vải sợi vì đây là loại vật liệu được ứng dụng rộng rãi nhất ngày nay (chiếm khoảng 50% số lượng các sản phẩm từ vải sợi trên thế giới).

Cotton được lấy từ cây bông vải, thường được trồng ở những nước ôn đới và nhiệt đới. Sau khi được khai thác, sợi cotton được xử lý qua nhiều công đoạn để loại bỏ những thành phần chất béo, chất sáp bám trên thành vỏ sợi làm tăng tính thấm nước và quy trình tẩy trắng sợi. Sau quá trình xử lý, sợi cotton sẽ được trải qua những công đoạn khác để làm nên tấm vải.

Thành phần cấu tạo nên sợi cotton thô

Cấu trúc của sợi cotton rất phức tạp, gồm 3 phần chính. Lớp biểu bì ngoài cùng có tính kỵ nước, có chức năng bảo vệ. Ngoài cellulose ra còn có những lớp chất béo và sáp, nên để có tính thấm nước tốt thì cotton phải được xử lý. Bên dưới lớp biểu bì là lớp thành sợi chính, do những sợi nhỏ đan ngang dọc với nhau tạo thành. Bên dưới lớp thành sợi chính là lớp thành sợi phụ, chiếm hầu hết khối lượng của sợi cotton, do các lớp sợi liên tiếp chồng lên nhau và ngược hướng nhau tạo thành. Ruột (lumen) của sợi cotton rỗng, để dẫn protein đi nuôi lớn sợi cotton. Khi sợi đã trưởng thành, sợi khô đi và ruột bị thu hẹp lại, làm cho những sợi cotton xoắn lại do lớp thành sợi phụ).

Hình chụp những sợi cotton thô dưới kính hiển vi điện tử

Cấu trúc 1 sợi cotton

Cotton thuộc họ cellulose, là polyalcohol (có nhóm -OH), nhưng mối liên kết hydro giữa những nhóm hydroxyl của các phân tử liền kề khá bền vững, ngăn không cho nước xuyên thấu vào những vùng có cấu trúc tinh thể của cellulose, do đó nó không hoà tan trong nước. Tuy nhiên, cotton lại khá ưa nước, có khả năng thấm hút nước tốt. Cấu trúc tổ ong với các lỗ li ti giúp các phân tử nước xuyên thấu qua những vùng trống trong chuỗi polymer và hình thành liên kết hydro với các cellulose hydroxyl tự do. Các sợi cotton khi hút nước sẽ phồng lên, trở nên dẻo dai hơn, mềm hơn và độ bền tăng lên (20%) do liên kết hydro mới tạo thành. Mức độ thấm hút nước của cotton thông thường là 8% và tăng lên đến 25 – 30% ở độ ẩm tương đối 100%, nhiệt độ phòng.

Giữa những vùng cấu trúc tinh thể trong cotton là những vùng trống, những chất màu của thuốc nhuộm hay mực in sẽ bám vào những vùng này. Cotton sẽ bị phân hủy (hydro hoá) khi gặp dung dịch acid loãng nóng hoặc đậm đặc lạnh, nhưng không có tác dụng với acid loãng ở nhiệt độ phòng.

Cotton bền với dung dịch kiềm nên dung dịch kiểm được dùng trong quá trình xử lý và gọi là mercerization. Trong dung dịch kiềm, sợi cotton sẽ phồng lên, trở nên tròn, đều đặn và giảm thiểu tính xoắn của các sợi. Nếu trong khi phồng lên, vải được giữ chặt để tránh co rút thì cotton sẽ thay đổi hình dạng và tạo ra 1 bề mặt nhẵn hơn. Sau khi tẩy chất kiềm và sấy khô, sợi cotton vẫn giữ nguyên dạng hình ống tròn. Tuy không có sự khác biệt rõ rệt về tính chất hoá học của vải được xử lý mercer và không được xử lý nhưng vải qua xử lý sẽ cho tính bám màu tốt hơn và chất lượng hình ảnh cao hơn.

Sợ cotton chưa qua xử lý mercer

Sợ cotton qua xử lý mercer

• Tơ nhân tạo Rayon (xét vật liệu điển hình là Viscose)

Rayon là loại tơ nhân tạo đầu tiên được sản xuất thương mại hoá. Rayon được tạo ra từ những vật liệu có nguồn gốc cellulose (bột gỗ, vải vụn…) và trải qua quá trình xử lý để tạo thành sợi vải, vì vậy, về bản chất, viscose hoàn toàn tương tự như cotton, chỉ khác biệt ở 1 số tính chất vật lý và hoá học. Hiệp hội thương mại Mỹ quy định thành phần chất thay thế nhóm hydroxyl không được vượt quá 15%.

Rayon được sản xuất theo 3 phương pháp tạo thành Viscose Rayon, Cuprammonium (hỗn hơp đồng amoni) Rayon, và saponified Cellulose Acetate.  Trong 3 sản phẩm thì tơ Viscose có ứng dụng rộng rãi nhất và giá thành thấp nhất.

Ứng dụng Viscose trong may mặc

Viscose được tạo ra từ quá trình viscose hóa, trong đó có sự tạo thành Natri Cellulose

(C6H10O5)n + nNaOH = (C6H9O4ONa)n + nH2O

 sau đó phản ứng với CS2 để tạo thành Cellulose Xanthate

(C6H9O4ONa)n + nCS2 = (C6H9O4O-SC-SNa)n

Và được phun tơ (wet spinning) trong dung dịch acid loãng để tạo thành sợi viscose

(C6H9O4O-SC-SNa)n + (n/2)H2SO4 = (C6H10O5)n + nCS2 + (n/2)Na2SO4

Cellulose trong cotton có mức độ polymer hoá (degree of polymerization) là 2000 đơn vị, và mức độ tinh thể hoá là 70%. Còn đối với tơ viscose thông thường thì mức độ polymer hoá là 250 – 400, mức độ tinh thể hoá là 25 – 30%. Cấu trúc tinh thể trong viscose nhỏ hơn cotton 4 – 5 lần và mức độ định hướng thấp hơn. Do đó sợi viscose yếu hơn sợi cotton nhiều, mặc dù về bản chất là như nhau, đặc biệt là khi ướt. Sợi viscose sẽ trở nên mềm hơn và dẻo hơn cotton khi ướt. Độ bền viscose khi ướt thấp hơn 50% khi khô. Vì có mức độ tinh thể hoá thấp và mức độ chịu tác động cao nên viscose dễ bị phồng lên khi ướt và nở ra trên 20%.

Viscose hầu như là cellulose nên về tính chất hoá học là giống cotton. Tuy nhiên, viscose phản ứng với chất hoá học nhanh hơn cotton và phản ứng cả trong những điều kiện mà cotton tỏ ra khá bền như dung dịch kiềm đặc lạnh hay loãng nóng sẽ tấn công và hoà tan viscose nên nó đòi hòi quá trình xử lý cẩn thận.

Sợi tơ viscose bóng hơn cotton và thân có hình trụ tròn hơn cotton, do cách thức sản xuất, do đó chất lượng in cao hơn cotton.

Sợi viscose dưới kính hiển vi

Như đã thấy, in phun trực tiếp lên vải có thể tạo ra những sản phẩm chất lượng rất tốt. Thế nhưng, để nâng cao chất lượng thì việc cải tiến công nghệ in là không đủ, mà còn phụ thuộc vào loại mực in tuỳ theo chất liệu vải và các công đoạn xử lý vật liệu trước và sau khi in để tăng độ bền màu và 1 số tính chất khác.

2. Xử lý vật liệu – vải sợi trước in hoặc sau in:

– Trước khi in: mục đích của quá trình này là làm mưc bám dính tốt hơn trên vải và gia tăng chất lượng in.

Quá trình này bao gồm xử lý vải qua 1 số hoá chất nhằm  kiểm soát chất lượng in và sự hiện mực (mercerization); dán vật liệu lên 1 lớp đế giấy để cố định tấm vải. Việc dán 1 lớp đế giấy (paper backing) dành cho những loại vải có độ đàn hồi cao, hay những loại vải mỏng, density (mật độ phân tử trong cấu trúc hoá học của bản thân sợi vải) thấp. Ưu điểm do việc dán lớp đế giấy mang lại là tăng độ chính xác khi in (những loại vải mềm mà không dán đế giấy thì không thể nào in được hình ảnh chính xác) và cố định hướng các sợi ngang dọc trong tấm vải.

Ngoài ra còn 1 số quá trình xử lý nữa như là tẩy trắng vải (đối với những mẫu thiết kế đòi hỏi in trên nền trắng) và chai, đập vải (để giảm thiểu lượng bụ vải và những sợi chỉ đứt bám trên vải).

– Sau khi in: bao gồm hấp và giặt. Đây là quy trình không bắt buộc nhưng sẽ làm tăng độ bám dính của mực lên vải và tăng độ bền của mực.

QUÁ TRÌNH XỬ LÝ MERCER:

Mercerization (xử lý vật liệu có nguồn gốc cellulose): đây là quy trình xử lý được giới thiệu bởi John Mercer (1850).

Đây là 1 trong những quy trình xử lý rất quan trọng đối với vật liệu từ cellulose, đặc biệt là cotton. Nó làm tăng độ bóng, khả năng thấm nước, độ bền và chất lượng in của vải.

Trong quá trình này, tấm vải cotton được tráng qua dung dịch NaOH loãng 20% ở nhiệt độ 15 – 18 (độ C). Có 2 phương pháp Mercer: có lực căng và không có lực căng.  Lực căng sẽ làm tấm vải có độ bóng cao, không có lực căng thì tấm vải không có độ bóng. Cellulose trong cotton phản ứng với NaOH tạo thành Na-cellulose:

(C6H10O5)n + nNaOH = (C6H9O4ONa)n + nH2O

Những tác động chính của quá trình lên sợi cotton:

• • • Lớp biểu bì bị phá huỷ
    • Thân sợi phồng lên và trở nên tròn hơn
    • Sợi mất tính chất xoắn
    • Tăng hoạt tính
    • Tăng độ bền với chất hoá học, thời tiết, ánh sáng, ngăn cản sự tấn công của côn trùng, vi khuẩn
    • Tăng thuộc tính nhuộm, in
    • Tăng độ bóng, sáng
    • Tăng độ sâu màu.

Mặt cắt ngang sợi cotton không được xử lý mercer

Mặt cắt ngang sợi cotton được xử lý mercer

Máy xử lý mercer của Brugman

3. Mực dùng trong in vải

Vải vóc, khác với giấy in thông thường, là một cấu trúc 3 chiều và những điều kiện, yêu cầu của mực in và chất tạo màu cũng rất đa dạng. Trong thực tế, một bộ mực in chỉ áp dụng cho một vài loại vải và chỉ tạo được một dải màu nhất định. Đối  với 1 số loại vải có tính thấm hút như len, cotton, mực in được thấm hút nhanh và dễ dàng, vì vậy lượng mực có tính chất như nước không thấm vào vải (cả những loại vải không được xử lý trước). Không như loại mực dày, đặc như keo của in lưới truyền thống, loại mực gốc nước này sẽ bị thất thoát rất lớn đối với những loại vải mà sợi của nó không có những lỗ nhỏ li ti như là polyester, nylon. Vì vậy, đòi hỏi cần phải có 1 cơ chế kiểm soát sự thất thoát mực ở những loại vải đó. Điều này cũng quan trọng đối với những ứng dụng in ấn  những sản phẩm đòi hỏi màu sắc phải đồng đều trên cả mặt của tấm vải. Trong những kỹ thuật in truyền thống, điều này đươc kiểm soát bằng độ nhớt của mực in. Còn trong in phun kỹ thuật số, việc làm nóng (pre-heating) hay xử lý vải trước khi in sẽ giúp kiểm soát vấn đề này. Cơ cấu liên kết của pigment với sợi phản ứng của thuốc  nhuộm với sợi vải đòi hỏi phải có những quy trình xử  lý vải trước và sau khi in để đạt được kết quả mong muốn.

Mực dùng trong in vải có rất nhiều dạng. Hãng HP sử dụng loại mực in phun thông thường để in trên vải. Ngoài ra còn 1 số loại mực riêng biệt để in vải:

• • Mưc Acid: để dành riêng cho việc in các loại vải có cấu trúc là protein như lụa tơ tằm, len …
  • Mực hoạt tính: chuyên dụng cho in các loại vải có nguồn gốc cellulose như cotton, nỉ …
  • Mực pigment: dùng cho hầu hết các loại vật liệu (trừ lụa tơ tằm), nhưng có độ sáng không cao bằng các loại mực khác.

In trên vải có rất nhiều ứng dụng: thời trang, gia đình, bảng hiệu “mềm” (soft signage)… và mỗi ứng dụng đòi hòi mỗi loại vải khác nhau và mỗi loại mực khác nhau, đi kèm với biện pháp xử lý riêng biệt.

Tổng quan cấu tạo của Mực gốc dung môi và Mực gốc nước

Loại mực reactive dyes

Reactive dyes được giới thiệu vào năm 1956. Nguyên lý của loại mực này dựa trên nguyên lý của thuốc nhuộm vải reactive và thành phần chính của loại mực này là thành phần chính của thuốc nhuộm. Các phân tử của loại mực này có thể tạo liên kết hoá trị với nhóm hydroxyl của cellulose. Loại mực chính được phát triển cho in ấn trên vải là loại có nhóm monohalogenotriazine (đồng phân 3 vị trí nhóm thế nhóm halogen của benzen), phản ứng theo cơ chế nhường 1 electron, chiếm khoảng 85% trong các loại mực reactive dyes.

Phương trình phản ứng của 1 loại mực điển hình có thành phần monochloro-s-triazine, phản ứng diễn ra trong môi trường kiềm.

Nguyên lý tạo màu đỏ

Do tạo được mối liên kết hoá trị bền vững giữa các phân tử mực và cellulose nên vải được in bằng mực reactive dye có tính bền màu rất cao khi giặt hay 1 số quá trình khác.

Trên đây là bài giới thiệu về Vật liệu dùng trong kỹ thuật in phun trên vải sợi khổ lớn về vật liệu vải và phân loại vải, xử lý vật liệu vải trước khi in và mực dùng trong in vải.

Bạn đọc có thể xem thêm: In kỹ thuật số trên vải sợi – (P1)Thị trường in kỹ thuật số khổ lớn thế giới trên vải sợi