Wodne farby drukarskie do techniki sitodruku o

ARTYKU£Y NAUKOWO-TECHNICZNE
artyku³y naukowo-techniczne
artyku³y naukowo-techniczne
ARTYKU£Y NAUKOWO-TECHNICZNE
Helena KUCZYÑSKA
[email protected]
Instytut In¿ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników w Toruniu
Oddzia³ Zamiejscowy Farb i Tworzyw w Gliwicach
Wodne farby drukarskie do techniki sitodruku
o poprawionych w³aœciwoœciach aplikacyjnych
Celem badañ by³a poprawa w³aœciwoœci aplikacyjnych nowych, wodnych farb drukarskich, wczeœniej
opracowanych w ramach projektu celowego ROW-531-2004, a przeznaczonych do nak³adania metod¹
sitodruku na tkaninach wiskozowych z apretur¹ polimerow¹. Zadrukowany materia³ s³u¿y do produkcji
os³onek dla wyrobów wêdliniarskich w firmie Nomax Sp. z o.o. — wy³¹cznego producenta os³onek
garma¿eryjnych w Polsce. W wyniku realizacji niniejszej pracy dokonano modyfikacji receptur na farby
drukarskie. Przydatnoœæ farb po modyfikacji zosta³a potwierdzona w próbach na linii przemys³owego
drukowania tkanin. Pozytywne rezultaty osi¹gniêto poprzez szczegó³ow¹ analizê wp³ywu zmian w
sk³adzie farb na ich w³aœciwoœci aplikacyjne. Istotn¹ zmian¹ by³o zast¹pienie hydrofilowego rozpuszczalnika przed³u¿aj¹cego czas schniêcia powierzchniowego farb wysokowrz¹cym rozpuszczalnikiem, nie
mieszaj¹cym siê z wod¹. Skutkowa³o to brakiem zjawiska przysychania pow³ok farb oraz popraw¹
odpornoœci chemicznej otrzymywanych nadruków.
Wstêp
Drukowanie ró¿nych pod³o¿y technik¹ sitodruku
jest szeroko stosowan¹ metod¹ otrzymywania nadruków na opakowaniach, etykietach, artyku³ach
reklamowych. Metoda ta jest tani¹ i szybk¹ technik¹ umo¿liwiaj¹c¹ powielanie jedno- i wielokolorowych motywów graficznych na powierzchniach ró¿nych materia³ów (szk³a, papieru, tworzyw sztucznych, tkanin). Podstawowym wyposa¿eniem tej
techniki jest szablon tzw. sito z siatk¹ sitodrukow¹
z utwardzon¹ warstw¹ emulsj¹, stanowi¹c¹ negatywowy obraz drukowanego wzoru. Elementem
drukuj¹cym sita s¹ nie zakryte oczka siatki (rys.1).
Stosowane siatki w technice graficznej zawieraj¹
najczêœciej od 100 do 150 w³ókien na cm (oczko
siatki ma wtedy œrednicê od 40 do 34 µm). Podczas
nanoszenia nadruków farbê drukarsk¹ rozprowadza
siê na ca³ej powierzchni sita za pomoc¹ rakla i
przeciska przez wolne oczka siatki bezpoœrednio na
drukowane pod³o¿e. Technika ta pozwala na pe³n¹
automatyzacjê procesu drukowania, zarówno na
powierzchniach p³askich, jak i okr¹g³ych i jest wykorzystywana w przemyœle opakowaniowym, meta-
30
lowym oraz w mikroelektronice do wytwarzania
uk³adów scalonych.
Farby do sitodruku mog¹ byæ rozpuszczalnikowe
(jedno- lub dwusk³adnikowe), utwardzane promieniowaniem UV lub wodorozcieñczalne. Ten ostatni
rodzaj farb zas³uguje na szczególne rozpowszechnianie, z uwagi na brak szkodliwego oddzia³ywania
na cz³owieka oraz bezpieczeñstwo i komfort pracy.
S¹ to wyroby niepalne i praktycznie bezzapachowe.
Niezawodnoœæ i powtarzalnoœæ nadruków zale¿y
od w³aœciwie skomponowanego sk³adu farby drukarskiej, zawieraj¹cej szereg sk³adników:
— jako podstawowy — spoiwo w postaci wodnej
dyspersji
— rozpuszczalniki koalescencyjne i rozpuszczalniki wyd³u¿aj¹ce tzw. „open time”
— œrodki zwil¿¹j¹co-dysperguj¹ce — do ucierania pigmentów i wype³niaczy z utworzeniem
trwa³ych dyspersji pigmentów w œrodowisku
wodnym
— œrodki odpieniaj¹ce i odpowietrzaj¹ce — do
zapobiegania powstawaniu piany i likwidowania spienienia wyrobu
ARTYKU£Y NAUKOWO-TECHNICZNE
— œrodki zagêszczaj¹ce i modyfikatory reologii —
do otrzymania wymaganej lepkoœci wyrobu i
charakterystyki reologicznej
— œrodki poprawiaj¹ce rozlewnoœæ pow³oki — do
poprawy wygl¹du pow³ok
— œrodki neutralizuj¹ce — do regulacji pH
— biocydy — do zapobiegania rozwojowi mikroorganizmów podczas sk³adowania.
Prawid³owe sformu³owanie sk³adu wodorozcieñczalnej farby do sitodruku o ¿¹danych w³aœciwoœciach wymaga starannego doboru wszystkich niezbêdnych sk³adników.
Rys. 1. Siatka sitodrukowa. Czêœæ oczek zakryta
jest utwardzon¹ emulsj¹ œwiat³oczu³¹.
Wymagane w³aœciwoœci farb do nadruku na tkaninach wiskozowych dotycz¹:
— lepkoœci umo¿liwiaj¹cej ³atw¹ aplikacjê metod¹ sitodruku
— dobrego zwil¿ania pod³o¿a
— dobrej przyczepnoœci do pod³o¿a
— braku wolnych monomerów w bazie b³onotwórczej (z uwagi na przeznaczenie tkanin do
kontaktu z ¿ywnoœci¹)
— wolnego schniêcia pocz¹tkowego umo¿liwiaj¹cego naniesienie druku
— szybkiego wyschniêcia pow³oki po zadrukowaniu
— tworzenia czytelnego i trwa³ego nadruku
— odpornoœci pow³oki na œcieranie
— dobrej przyczepnoœci przy zginaniu tkaniny
— dobrej odpornoœci chemicznej nadruków.
Geneza pracy
W ramach zrealizowanego projektu celowego z
firm¹ Nomax Sp. z o.o. z Piekar Œl¹skich pt.: „Opracowanie technologii wytwarzania ekologicznych
farb o minimalnej zawartoœci VOC, spe³niaj¹cej
wymogi higieniczne, przeznaczonych do nanoszenia metod¹ sitodruku na tkaninach wiskozowych
powlekanych wodn¹ dyspersj¹ akrylow¹ i ich wdro¿enie do stosowania” ustalono receptury ekologicznych farb do sitodruku, które spe³nia³y postawione
wymagania dotycz¹ce trwa³oœci nadruków w warunkach póŸniejszego stosowania zadrukowanych
tkanin. Opracowane farby na wodnej dyspersji polimerowej przeznaczone s¹ do wykonywania dekoracyjnych i informuj¹cych nadruków na zewnêtrznych powierzchniach os³onek wiskozowych, produkowanych w Nomax sp. z o.o., a stosowanych jako
opakowania na wyroby wêdliniarskie i garma¿eryjne. Nadruki trwale zwi¹zane z pod³o¿em wykazuj¹
odpornoœæ na dzia³anie œrodków spo¿ywczych i nie
wp³ywaj¹ ujemnie na cechy organoleptyczne opakowanych produktów.
Produkcja nowych farb drukarskich przewidziana
by³a w naszym Instytucie, na stanowisku produkcji
doœwiadczalnej.
Przy stosowaniu opracowanych farb w produkcji
ci¹g³ej os³onek zauwa¿ono ich ograniczenia i potrzebê modyfikacji sk³adu recepturowego w kierunku polepszenia ich w³aœciwoœci aplikacyjnych.
Stwierdzono m.in. tendencjê do zbyt szybkiego
przysychania i zatykania oczek sit (szczególnie przy
pracy na sitach o mniejszych rozmiarach oczek)
oraz otrzymywania ma³o wyraŸnych drobnych nadruków. Dodatkowym utrudnieniem okaza³y siê
zmienne i niepowtarzalne w³aœciwoœci nadrukowywanych tkanin wiskozowych z apretur¹ polimerow¹.
Przyk³ad niew³aœciwego nadruku (niedomalowania, „zbieganie siê” farby) przestawia rys. 2.
Rys. 2. Przyk³ad niew³aœciwego nadruku
31
ARTYKU£Y NAUKOWO-TECHNICZNE
Podjêcie w Instytucie produkcji tych farb zosta³o
uzale¿nione od dopracowania receptur, z uwzglêdnieniem ca³ego kompleksu wymagañ, ³¹cz¹cego cechy aplikacyjne z w³aœciwoœciami u¿ytkowymi.
W³aœciwoœci finalne wyrobów lakierowych otrzymywanych na spoiwach dyspersyjnych zale¿¹
w zakresie podstawowych wymagañ od rodzaju
spoiwa, natomiast dopracowanie wyrobu pod
k¹tem ich przydatnoœci do okreœlonych technik aplikacji wymaga starannego doboru pozosta³ych
sk³adników.
Przeprowadzono badania zmierzaj¹ce do oceny
wp³ywu okreœlonych komponentów (œrodków pomocniczych, rozpuszczalników koalescencyjnych,
rozpuszczalników opóŸniaj¹cych schniêcie powierzchniowe, modyfikatorów w³aœciwoœci reologicznych) na w³aœciwoœci aplikacyjne i trwa³oœæ
otrzymywanych nadruków. Odpowiednio dobrane
œrodki pomocnicze odpowiedzialne s¹ za konsystencjê i cechy reologiczne, stabilnoœæ oraz w³aœciwoœci
po¿¹dane w technice sitodruku: ³atwoœæ nak³adania, brak przysychania na sicie podczas pracy, szybkie schniêcie po na³o¿eniu na tkaninê.
Cel i program badañ
Celem pracy by³a modyfikacja receptur farb drukarskich w kierunku zapewnienia stabilnej i niezawodnej pracy z ich u¿yciem.
Spoiwem w farbach by³a wytypowana wodna
dyspersja polimerowa o zerowej minimalnej temperaturze tworzenia filmu (MTTF), charakteryzuj¹ca siê du¿¹ elastycznoœci¹. Do pigmentowania
stosowano wczeœniej przygotowane wodne pasty
pigmentowe otrzymywane z u¿yciem nowoczesnych œrodków dysperguj¹cych nie zawieraj¹cych
etoksylowanych nonylofenoli oraz pigmenty dopuszczone do stosowania w opakowaniach do kontaktu z ¿ywnoœci¹.
W pracach recepturowych skoncentrowano siê
na doborze œrodków pomocniczych reguluj¹cych
w³aœciwoœci aplikacyjne.
Metody badañ
Stosowano nastêpuj¹ce metody badañ lakierów i
nadruków:
— napiêcie powierzchniowe — wykonano przy
pomocy tensjometru du Noüya zgodnie z instrukcj¹ obs³ugi ISO W-26 zgodnie z norm¹
PN-90/C-04809 Œrodki powierzchniowo czynne. Oznaczanie napiêcia powierzchniowego
(Vs) i napiêcia miêdzyfazowego,
— wygl¹d nadruku na tkaninie — organoleptycznie,
32
— czas schniêcia pow³oki — wg PN-EN ISO
1517:2004 Farby i lakiery. Badanie schniêcia
powierzchniowego — Metoda schniêcia powierzchniowego. oraz PN-EN ISO 29117:2004
Farby i lakiery. Badanie stanu ca³kowitego
wyschniêcia i czasu ca³kowitego wyschniêcia.
Pow³oki do badañ nak³adano aplikatorem
o wysokoœci szczeliny wynosz¹cej 60 µm,
— trwa³oœæ nadruków oceniano wg:
— metody gotowania — tkaninê z naniesionymi
i wyschniêtymi nadrukami gotowano w wodzie
w czasie 3 godz. Po zakoñczeniu gotowania
fragmenty tkaniny suszono w temperaturze
pokojowej i oceniano wygl¹d nadruków,
— badania odpornoœci na dzia³anie œrodków spo¿ywczych (woda, 10 % roztwór NaCl, t³uszcz
zwierzêcy, 10 % roztwór peklosoli) w temperaturze pokojowej w ci¹gu 24 godzin — wg
PN-EN ISO 2812-2:2001 Farby i lakiery. Oznaczanie odpornoœci na ciecze — Czêœæ 1: Metody ogólne.
Próby aplikacyjne wykonywano na tzw. karuzeli
drukuj¹cej z u¿yciem aluminiowych ram do sitodruku (wielkoœæ oczek 120 i 150) oraz rakli. Proces
suszenia farb odbywa³ siê za pomoc¹ lampy Aerotherm, w zakresie temperatur 50-70°C, w czasie od
2 do 8 sekund. Nadruki nanoszono na tkaninê wiskozow¹ z apretur¹ polimerow¹ na dwóch rodzajach
sit.
Przebieg badañ i wyniki
Ogólny sk³ad recepturowy farb wodnych do wykonywania nadruków przed modyfikacj¹ przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Ogólny sk³ad recepturowy wodnych
farb drukarskich do sitodruku na tkaninie
wiskozowej z apretur¹ polimerow¹
L.p.
Sk³adnik
Charakterystyka
1.
Substancja b³onotwórcza
wodna dyspersja
polimerowa
2.
Pigmenty
wodne pasty pigmentowe
3.
Wype³niacz
syntetyczny,
mikronizowany
4.
Œrodek odpieniaj¹cy
roztwór modyfikowanego
polisiloksanu
5.
Œrodek poprawiaj¹cy
w³aœciwoœci powierzchni
emulsja woskowa
6.
Œrodek poprawiaj¹cy
zwil¿anie pod³o¿a
fluorosurfaktant
7.
Modyfikator reologii
zagêszczacz polimerowy
Opracowane farby drukarskie mia³y gêstoœæ
1,10-1,30 g/cm3 (w zale¿noœci od koloru), zawar-
ARTYKU£Y NAUKOWO-TECHNICZNE
Tabela 2. Wyniki badañ farb drukarskich z ró¿n¹ zawartoœci¹ glikolu propylenowego
W³aœciwoœæ
IloϾ glikolu propylenowego w farbie, % m/m
0
2
4
7
30
40
40
60
przysycha
przysycha
nie przysycha
nie przysycha
wyraŸny
wyraŸny
wyraŸny
wyraŸny
Trwa³oœæ nadruku — próba gotowania
wytrzymuje próbê
wytrzymuje próbê
wytrzymuje próbê
nie wytrzymuje próby
Odpornoœæ na œrodki spo¿ywcze
wytrzymuje próbê
wytrzymuje próbê
wytrzymuje próbê
wytrzymuje próbê
Czas schniêcia powierzchniowego
1 stopieñ, min.
Ocena przy drukowaniu
Wygl¹d nadruku
toœæ czêœci nielotnych ok. 45 % wag., a zawartoœæ
lotnych substancji organicznych (LZO) wynosi³a
4,8% wag. Najkorzystniejsza lepkoœæ farb odpowiednia do nadruków mieœci³a siê w zakresie 7 500
— 10 000 mPa·s. Lepkoœæ farb ma znaczny wp³yw na
szybkoœæ druku, na iloœæ przechodz¹cej farby przez
sito, gruboœæ warstwy, ostroœæ krawêdzi itp. Dla
zachowania powtarzalnoœci druku nale¿y utrzymaæ
ten parametr na sta³ym poziomie.
W celu poprawy w³aœciwoœci aplikacyjnych wykonano próby zmierzaj¹ce do wyd³u¿enia czasu
schniêcia pocz¹tkowego oraz obni¿enia napiêcia
powierzchniowego farb.
Czas wysychania pow³ok farb wodnych mo¿na regulowaæ dodatkiem glikolu propylenowego, którego temp. wrzenia wynosi 189°C, spowalniaj¹cego
proces schniêcia pow³ok lakierowych. Wykonano
próby farb z wzrastaj¹c¹ zawartoœci¹ glikolu propylenowego (0, 2, 4, 7% m/m) i oznaczano czas
wysychania pow³ok oraz przeprowadzono próby ich
aplikacji.
Wyniki i ocenê jakoœci otrzymanych nadruków
zamieszczono w tabeli 2.
Przeprowadzone badania w³aœciwoœci farb o
zmiennej zawartoœci glikolu propylenowego wykaza³y, ¿e jego iloœæ, zgodnie z przewidywaniami, w
istotny sposób reguluje pocz¹tkowy czas wysychania farby. W próbach aplikacyjnych stwierdzono
zdecydowan¹ poprawê — brak przysychania na sicie. Niestety, dodatek glikolu propylenowego powy¿ej 4% m/m wp³ywa niekorzystnie na w³aœciwoœci odpornoœciowe otrzymywanych nadruków. Ich
trwa³oœæ przy próbie gotowania okaza³a siê niewystarczaj¹ca.
W dalszych pracach wykonano próby farb, w których zast¹piono ten hydrofilowy rozpuszczalnik
zwi¹zkiem hydrofobowym o ma³ym powinowactwie
do wody. Sprawdzono mo¿liwoœæ zastosowania rozpuszczalnika o nazwie handlowej Texanol, powszechnie stosowanego jako koalescent w farbach
dyspersyjnych. Charakteryzuje siê on wysok¹ temperatur¹ wrzenia (oko³o 250°C), która klasyfikuje
go w grupie zwi¹zków nie zaliczanych do VOC (lotnych zwi¹zków organicznych).
Wykonano próby porównawcze dwóch farb
z udzia³em glikolu propylenowego i Texanolu w tej
samej iloœci — 4 % m/m. Wyniki zamieszczono w
tabeli 3.
Tabela 3. Wyniki badañ farb z udzia³em glikolu
propylenowego lub Texanolu (4 % m/m)
W³aœciwoœæ
Rodzaj rozpuszczalnika
wyd³u¿aj¹cego schniêcie pow³ok
Glikol
propylenowy
Texanol
Czas schniêcia
powierzchniowego
pow³oki 1 stopieñ, min.
40
60
Ocena przy drukowaniu
nie przysycha
nie przysycha
Wygl¹d nadruku
wyraŸny
wyraŸny
Trwa³oœæ nadruku —
próba gotowania
nie wytrzymuje
wytrzymuje
Odpornoœæ na œrodki
spo¿ywcze
wytrzymuje
wytrzymuje
Wprowadzenie Texanolu w miejsce glikolu propylenowego spowodowa³o wyd³u¿enie czasu
schniêcia oraz, co jest najwa¿niejsze, poprawê
trwa³oœci otrzymywanych nadruków. W wyniku zast¹pienia rozpuszczalnego w wodzie glikolu propylenowego, który zastosowany w iloœci skutkuj¹cej
popraw¹ w³aœciwoœci aplikacyjnych powodowa³
spadek trwa³oœci nadruków, wysokowrz¹cym rozpuszczalnikiem hydrofobowym uzyskano pozytywne rezultaty przy aplikacji farb z jego udzia³em.
Kolejnym problemem, wynikaj¹cym ze stosowania opracowanych wodnych farb drukarskich by³o
silna zale¿noœæ jakoœci nadruków od napiêcia powierzchniowego zadrukowywanych pod³o¿y. Wielokrotne oznaczenia tego parametru na tkaninach,
w przypadku wyst¹pienia wad otrzymywanych nadruków, wykaza³y, ¿e napiêcie powierzchniowe
33
ARTYKU£Y NAUKOWO-TECHNICZNE
a) nadruk dobry — farba po modyfikacji
b) nadruk z³y — farba przed modyfikacj¹
c) nadruk dobry — farba po modyfikacji
d) nadruk z³y — farba przed modyfikacj¹
pod³o¿a nie jest wielkoœci¹ sta³¹, ale waha siê
znacznie, od 27 do 35 mN/m. Brak powtarzalnoœci
napiêcia powierzchniowego tkanin prawdopodobnie spowodowany jest trudnymi do opanowania
ró¿nicami technologicznymi w aplikacji apretury
polimerowej (masy jednostkowej, lepkoœci, wysuszenia).
Wartoœci napiêcia powierzchniowego pod³o¿a i
nak³adanej farby drukarskiej decyduj¹ o zwil¿alnoœci pod³o¿a, a tym samym jakoœci nadruków. Im
mniejsze napiêcie powierzchniowe farb i im wy¿sze
napiêcie powierzchniowe drukowanego pod³o¿a,
tym korzystniejsze warunki do uzyskania zadawalaj¹cych rezultatów.
Wykonano oznaczenia napiêcia powierzchniowego poszczególnych rozpuszczalników wchodz¹cych
w sk³ad farb i ich mieszanin z wod¹, które pozwalaj¹ oceniæ ich wp³yw na zwil¿alnoœæ pod³o¿a. Wyniki przedstawia tabela 4.
34
Tabela 4. Wyniki oznaczeñ napiêcia
powierzchniowego stosowanych
rozpuszczalników i ich mieszanin
Rodzaj rozpuszczalnika
Napiêcie powierzchniowe,
mN/m
Woda
74,9
Glikol propylenowy
25,0
Metoksybutanol
16,0
Texanol
21,3
Woda/glikol propylenowy (1/1)
35,0
Woda/metoksybutanol (1/1)
22,4
Woda/Texanol (1:1)
27,0
ARTYKU£Y NAUKOWO-TECHNICZNE
Z powy¿szych danych wynika, ¿e najni¿sze napiêcie powierzchniowe ma metoksybutanol, nastêpnie Texanol, a najwy¿sze glikol propylenowy.
Podobn¹ zale¿noœæ stwierdzono przy pomiarach
mieszanin tych rozpuszczalników z wod¹. Mieszanina Texanolu z wod¹ ma korzystnie du¿o ni¿sze napiêcie powierzchniowe ni¿ glikolu propylenowego
z wod¹. Zatem, poprzez zast¹pienie glikolu propylenowego Texanolem mo¿liwa jest istotna poprawa
w³aœciwoœci aplikacyjnych farb z jego udzia³em,
wynikaj¹ca z jego wp³ywu na zmniejszenie napiêcia powierzchniowego wodnych farb. Pomiary napiêcia powierzchniowego farby, która zawiera³a Texanol w równowagowej iloœci zamiast glikolu propylenowego potwierdzi³y powy¿sze wyniki. Ró¿nica
napiêæ powierzchniowych tych farb wynosi³a 4,6
mN/m, na korzyϾ farby z Texanolem.
W wyniku przeprowadzonych doœwiadczeñ ustalono nowy sk³ad wodnych farb o poprawionych
w³aœciwoœciach aplikacyjnych, spe³niaj¹cych wymagania odbiorcy.
Osi¹gniête rezultaty obrazuj¹ zamieszczone
przyk³ady nadruków farb¹ przed i po modyfikacji.
Nadruki z u¿yciem farby po modyfikacji jej sk³adu
s¹ wyraŸne o intensywnym kolorze.
Podsumowanie
1. Badania nad opracowaniem optymalnego
sk³adu wodnych farb drukarskich, przynios³y
pozytywne rezultaty potwierdzone przez odbiorcê.
2. Stwierdzono, ¿e dominuj¹cym czynnikiem
okreœlaj¹cym przydatnoœæ farb wodnych do
ci¹g³ego zadrukowywania tkanin jest rodzaj
i iloœæ rozpuszczalników koalescencyjnych.
Kszta³tuj¹ one nie tylko czas wysychania pow³oki, lecz równie¿ napiêcie powierzchniowe farb, które determinuje zwil¿anie pod³o¿a.
3. Zast¹pienie wczeœniej dobranego hydrofilowego glikolu propylenowego wysokowrz¹cym, hydrofobowym rozpuszczalnikiem Texanolem pozwoli³o na uzyskanie korzystnie
wyd³u¿onego czasu wysychania farby (brak
wysychania na sicie w czasie prac aplikacyjnych), zmniejszenie napiêcia powierzchniowego farby (lepsza zwil¿alnoœæ pod³o¿a i lepsza jakoœæ nadruków) oraz poprawê trwa³oœci
nadruków w warunkach ich póŸniejszego stosowania.
35