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Des encres spécifiques
Tous les concepts de formulation des encres pour les procédés de typographie, offset, sérigraphie, héliogravure ou flexographie ont été bousculés par l’avènement de la génération des encres UV.
Les procédés énumérés ci-dessus utilisent des encres et des vernis formulés pour un processus de séchage spécifique à chaque procédé:
- filtration oxydation pour la typographie et l’offset, avec utilisation d’huiles végétales et minérales, de résines glycérophtaliques et de dérivés lointains de la colophane;
- évaporation en héliogravure, flexographie et sérigraphie, avec l’emploi de solvants à volatilité réglée selon les conditions d’emploi;
- filtration-évaporation en flexographie, avec l’emploi important d’encres aqueuses.
Dans le domaine de l’UV, ces composants n’ont plus cours et la formule se simplifie apparemment
- pour les vernis: avec l’emploi de composés fluides, visqueux ou solides sans aucune trace de solvants ou d’huiles;
- pour les encres: avec les mêmes composants mais la présence nécessaire des pigments donnant la coloration.
On est donc en présence de produits à 100% d’extrait sec: rien ne s’évapore, rien ne devrait filtrer, tout se transforme dans une réaction chimique instantanée.
Les dérivés acryliques ont été choisis du fait de leur très grande réactivité, grâce à une valeur élevée de la constante vitesse de propagation et une valeur faible de la constante vitesse de terminaison.
On est donc en présence d’une réticulation photochimique du film d’encres ou de vernis par l’effet d’un mécanisme de réaction en chaîne de fonction réactive des constituants.
Mais la seule énergie UV fournie par les lampes UV n’est pas suffisante pour amorcer et déclencher cette réaction. Il est donc nécessaire d’introduire dans la formule (à une dose moyenne de 5%) un » photo-amorceur » ou » photo-initiateur » qui, sous l’effet des rayons UV, génère des radicaux libres qui viennent se fixer sur les groupes hydrocarbonés de la chaîne acrylique. A la phase d’initiation succède une phase de propagation, la formation d’un réseau moléculaire qui aboutit en terminaison à la constitution d’un nouveau composé dur et sec. La vitesse de réaction est de l’ordre de la fraction de seconde, assurant ainsi ce passage immédiat de la phase humide (encres ou vernis) à la phase sèche (impression stable).
1. Les constituants de la formule
Dans le type de réticulation décrit ci-dessus et dénommé « radicalaire » on emploie quatre familles de composants.
Des encres spécifiques dans l'ultraviolet
Les monomères
Chimiquement il s’agit d’acrylates mono- ou multifonctionnels à faible masse moléculaire. De consistance fluide, ils vont servir à réguler la viscosité des différentes formules et à jouer le rôle de solvants pour la seconde classe de composants.
Monomère Etat liquide à faible viscosité
Réglage de la viscosité des encres et vernis
Vitesse de réticulation
Du choix entre les mono-, di-, tri- ou tetra-acrylates va dépendre la réactivité ainsi que les caractéristiques de souplesse, dureté et adhérence de film sec. En effet, si la fonctionnalité du monomère s’accroît, la réactivité de la formule augmente, le séchage est plus rapide mais la souplesse diminue et le film devient plus cassant.
Ces monomères sont également responsables des effets secondaires d’irritation cutanée souvent constatés aux débuts de l’emploi des encres et vernis UV. L’élimination de l’acide acrylique libre et le choix réfléchi par le formulateur des composés à plus faible indice DRAIZE ont pratiquement annulé tous ces problèmes d’irritation de l’épiderme. Toutefois ces monomères demeurent des solvants actifs (non volatiles) pour divers éléments utilisés en imprimerie: rouleaux, blanchets, plaques, clichés. Il a donc été nécessaire de mettre au point des produits résistants aux monomères. C’est chose faite à présent mais il est bon de le savoir, afin de faire le choix des composants adaptés à l’usage de l’UV.
Les prépolymères ou oligomères
Les prépolymères constituent la part la plus importante de la formulation. Porteurs de fonctions acryliques réactives, ces produits ont une configuration en chaîne polyester epoxy ou uréthannes. Selon les constituants du polyester et la masse moléculaire du composé, on pourra opter en accord avec la fonctionnalité du prépolymère pour des qualités finales de dureté, brillance, compatibilité pigmentaire, réactivité, etc.
Oligomère ou état liquide de haute viscosité ou de résine
prépolymère sèche soluble dans les monomères
Base de broyage des pigments
Choix de comptabilité avec les pigments
Améliore la brillance et l’adhésion
La basse viscosité générale des acrylates de polyester et la réactivité de ce type de prépolymère en fait le matériau de choix des formules actuelles. Mais il est possible d’utiliser d’autres familles de prépolymères :
- les époxy-acrylates sont obtenus par réaction de l’acide acrylique avec des dérivés glycidylés. Le film obtenu après réticulation est très dur et cassant;
- les uréthanne-acrylates sont issus de la réaction entre les diols à haute masse moléculaire et des diisocyanates. Ils constituent une large classe de composés en fonction de leur structure et offrent une large gamme de qualités mécaniques allant du plus souple au plus dur des films secs.
Les photo-initiateurs
Les photo-initiateurs permettent l’amorçage de la réaction de réticulation par la libération de radicaux sous l’effet de l’énergie UV. Un transfert d’énergie favorise la réaction du radical libre avec les doubles liaisons présentes dans les monomères et prépolymères. Le produit liquide initial passe à un stade de réticulation progressive puis à l’état solide.
Photo-initiateur Solide
Permet l’amorçage de la réaction
Les photo-initiateurs les plus usuels sont des dérivés cétoniques tels que l’acétophénone ou le benzophénone. Ces composants posent un problème: ils ne participent qu’à la phase d’amorçage de la réticulation et demeurent donc partiellement à l’état libre dans le film sec. Etant donc « extractibles », ils peuvent constituer un risque lors de l’emploi d’encres et vernis UV dans l’emballage alimentaire. Les mises au point actuelles vont donc dans le sens d’une intégration totale du photo-initiateur à la phase de réticulation.
Par ailleurs, il est important d’allier les longueurs d’onde d’émission en UV des lampes et celles de réception du photoinitateur. La solution se trouve dans le choix du dernier et dans le « dopage » avec certaines iodures métalliques (tel que fer ou gallium) présents à côté du mercure dans la lampe UV.
Les additifs
Toute bonne formule d’encres et vernis contient nécessairement des additifs qui permettent de modifier et d’adapter certaines caractéristiques et qui demeurent présents en faible pourcentage, sans influencer les conditions de réticulation.
Cire Solide
Dérivés de polyéthylène ou de téflon
Résistance à la rayure et aux frottements
Les principaux produits utilisés sont:
- des cires, afin d’accroître le glissant et la résistance au frottement;
- des produits minéraux inertes, comme modifiants de viscosité ou comme agents de matage (l’opposition de surfaces mates et brillantes sur les emballages implique de réduire la brillance élevée et naturelle des encres et vernis UV !);
- des agents modificateurs de tension superficielle, aussi bien pour un meilleur enrobage des pigments que pour un plus grand équilibre eau/encre dans le procédé offset, ce qui permet de favoriser les caractéristiques d’étalement des vernis de surimpression à la surface d’impression sèche.
Résines et pigments
Si le formulateur a un choix assez large de composants quant aux monomères et prépolymères, il doit par contre considérer divers impératifs:
- le procédé d’impression,
- la nature du support,
- le type d’équipement de séchage,
- la vitesse d’impression,
- les solidités et caractéristiques d’aspect requises pour l’impression.
Sur ce dernier point, la sélection des pigments doit se faire de manière très précise afin d’éviter tout phénomène ultérieur de migration, décoloration, réticulation hâtive dans les emballages des encres (boîtes en métal ou en plastique). En effet, certaines impuretés présentes dans les pigments tout comme certaines compositions chimiques de ceux-ci peuvent se révéler incompatibles avec les monomères ou prépolymères.
Le taux d’absorption ou de réflexion du rayonnement ultraviolet de certains pigments (noir, blancs, pigments métalliques) a posé certaines difficultés en raison de la perte de réactivité engendrée par ces phénomènes. Notons également que des teintes claires ou des couleurs comportant des pigments à trop faible solidité lumière peuvent présenter une nette décoloration après le passage sous les émetteurs d’UV qui se comportent évidemment comme un « super soleil » !
Pigments Solides sous forme de poudres
Après broyage fournissent
couleur et intensité adaptée
Il est donc important de déterminer avec les fournisseurs d’encres et vernis les caractéristiques attendues du produit final. Le dialogue avec les fournisseurs de lampes UV est tout aussi indispensable pour faire correspondre au mieux les produits utilisés avec le modèle de sécheur et avec les conditions de tirage envisagées.
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