2009.05.06, Автор: Александр МакаровОлег Потураев5431 прочтений

"Антикризисные" ГРУНТЫ для УФ-печати на пленках

Теги: FSP

Проблема адгезии флексографских красок УФ-закрепления была поставлена перед нашей исследовательской лабораторией типографией "Бородино" в конце 2006 г. Совместными усилиями нам удалось найти решение этой нетривиальной задачи, надеемся, результаты будут и

Наиболее распространёнными и эффективными улучшающими адгезию праймерами (грунтами) до сих пор являются лаки на основе органических растворителей. Благодаря тому, что растворители смачивают даже неактивированные полимерные плёнки, а содержащиеся в грунте органические смолы обладают высоким химическим сродством к ним, в ряде случаев такие покрытия — единственный способ добиться хорошей адгезии.

К сожалению, современные флексомашины для печати УФ-красками редко оснащены секцией для нанесения грунта на основе растворителей, поэтому типографии вынуждены наносить покрытие на плёнку отдельно. Кроме того, применение грунта на основе растворителей полностью не избавляет от легковоспламеняющихся материалов, что вообще ставит под угрозу целесообразность применения УФ-технологии.

Появление эффективных УФ-грунтов решило бы много проблем благодаря возможности печати «в линию» на стандартном оборудовании. Увы, пока не удалось создать дешёвый УФ-праймер с хорошей адгезией, применимый на различных материалах, но потребность в нём велика.

УФ-грунт для полимерной плёнки

Основная причина проблем с адгезией красок и лаков УФ-отверждения — усадка красочного слоя в процессе закрепления. Из-за образования новых химических связей уменьшается расстояние между молекулами и, следовательно, на 10–20% уменьшается занимаемый краской объём, вызывая механические напряжения в лаковой или красочной плёнке.

Если её пластичности для компенсации напряжений не хватает, ухудшается адгезия красочного слоя к подложке. Это особенно критично при печати на пластичных материалах, ибо при деформации субстрата краска или лак не должны разрушаться. Для решения проблемы при создании УФ-отверждаемых лаков и красок применяются пластичные олигомеры на основе полиуретанов, полиэфиров и т. п. Но они значительно дороже эпоксиакрилатных смол, и цены на подобные краски и лаки для пластичных подложек значительно выше.

Результаты выполнения скотч-теста после нанесения праймера (крупно) и без него

При создании УФ-грунтов для гибких полимерных материалов возникают и другие сложности. В полимерных плёнках содержатся «ловушки свободных радикалов» (ингибиторы старения полимеров). А ведь стандартные УФ-отверждаемые краски закрепляются по механизму радикальной полимеризации, с участием активных радикалов. Следовательно, если «ловушка радикалов» попадает в краску или лак из плёнки, она одновременно ингибирует полимеризацию.

Чтобы нейтрализовать отрицательный эффект воздействия «ловушек радикалов», грунт должен содержать нужное количество специальных добавок. Но стандартных фотоинициаторов не должно быть больше обычного: иначе снизятся пластичность праймера и, следовательно, адгезия. Эластичность теряется из-за того, что при высокой концентрации фотоинициаторов образуется слишком много центров полимеризации, приводящих к образованию коротких полимерных цепочек и формированию хрупкой полимерной плёнки.

Другая сложность при создании УФ-грунтов связана со смачиванием запечатываемой поверхности. Полимерные плёнки обладают низкой поверхностной активностью, их необходимо обрабатывать коронным разрядом или пламенем, но достигнутая активация достаточно быстро пропадает. В случае использования грунта на основе растворителей проблем с печатью по плёнкам нет, т. к. растворители смачивают даже неактивированные поверхности. Но ведь в УФ-отверждаемом материале растворителей быть не должно, так что задача усложняется.

Для смачивания подложки в грунте должно содержаться большое количество добавок. Наиболее эффективные содержат силикон, но его наличие в грунте создаёт проблему с нанесением на него последующих красок, поэтому приходится использовать несиликоновые малоэффективные добавки в больших концентрациях.

Как показали наши тесты, в любом случае УФ-грунт не может применяться на полностью неактивированной поверхности. Если плёнка частично деактивировалась, печать по ней затруднена и приводит к большому проценту брака, проблему можно решить посредством грунта, ибо он лучше краски смачивает полимерную поверхность и имеет большую поверхностную энергию.

Итак, нам удалось создать рецептуру, которая может применяться в качестве УФ-отверждаемого грунта для невпитывающих материалов. Испытания показали, что грунт достаточно эффективен при печати по сложным полимерным плёнкам, хотя проблема уже не столь актуальна, как раньше. Всего пару лет назад остро стоял вопрос создания грунта для печати по полимерным материалам, а теперь появилось новое поколение УФ-красок, таких как INXFlex ITX-free от Sakata-INX, с высокой адгезией к плёнкам. Теперь УФ-грунт целесообразен лишь при печати на плёнках с нестабильным качеством поверхности для нивелирования колебаний их активации или для нейтрализации «ловушек радикалов» у плёнок низкой ценовой категории.

УФ-грунт для металлизированных плёнок

Так как физические характеристики одной из сторон металлизированной плёнки аналогичны свойствам обычных прозрачных плёнок, проблему печати по ней можно считать решённой. Однако вопрос адгезии к металлизированной её стороне остаётся открытым.

Первый раз мы столкнулись с особенностями металлизированных поверхностей во время испытаний грунта в типографии «Бородино», а именно, при нанесении стандартного грунта на металлизированную плёнку, когда улучшения адгезии не обнаружилось.

Нанесение грунта при помощи ручной лакировальной секции с анилоксом линиатурой 400 лин/смПри осмотре выяснилось: печать шла по стороне напыления металла. Для проверки предположения мы перевернули плёнку, после чего проблема исчезла. Стало ясно: чтобы создать грунт для металлизированных поверхностей, необходимы принципиально новые решения и иная химия.

Естественно, мы не могли применять органические смолы на основе поливинилбутираля, толуол и другие растворители, часто используемые для улучшения адгезии к металлам. За основу мы взяли уже имеющуюся рецептуру праймера для полимерных плёнок. В любом случае грунт должен обладать высокой пластичностью и повышенной способностью к смачиванию подложки, так что основное связующее и добавки остались без изменений.

Принципиально изменилась инициирующая система грунта, ибо не надо было бороться с «ловушками свободных радикалов». В процессе работы обнаружилось, что адгезия к металлу напрямую зависит от состава инициирующей системы. Как показали тесты, адгезия резко возрастала при увеличении эффекта ингибирования отверждения кислородом. Так как молекула кислорода — бирадикал, она реагирует со свободными радикалами, вызывая обрыв полимеризации.

В результате такой реакции кислород ингибирует полимеризацию и препятствует закреплению УФ-отверждаемых материалов. Эффект заметен во время работы с УФ-отверждаемыми лаками при изменении толщины наносимого слоя. Так как при более тонком слое единице массы лака достаётся большая доза УФ-излучения, можно было предположить, что он будет закрепляться быстрее. Но на практике это не совсем так.

Утончая красочный слой, мы увеличиваем площадь контакта лака с воздухом, в результате чего в нём повышается концентрация кислорода, скорость закрепления снижается. То есть существует равновесная толщина слоя, при которой интенсивность отверждения оптимальна. При увеличении толщины относительно этого значения усиливается поглощение УФ-излучения поверхностью лака, тогда как внутренняя часть его слоя плохо закрепляется. Если толщина уменьшается, из-за ингибирования кислородом отверждение ухудшается.

Есть несколько способов борьбы с ингибированием кислородом. В наносимые толстым слоем мебельные лаки добавляют парафиновые воски, которые всплывают на поверхность и препятствуют попаданию в неё кислорода. Лаки катионного отверждения отлично работают в присутствии кислорода, ибо он не мешает катионной полимеризации. Однако катионную полимеризацию затрудняет влага и ингибируют любые вещества с щелочной реакцией, что делает материалы радикальной полимеризации более простыми в использовании.

Ингибирование кислородом исчезает при УФ-отверждении в среде инертного газа (азота). Этот способ борьбы с ним применяется во всех системах электронно-лучевой сушки и в некоторых машинах УФ-печати («холодный УФ»). Наиболее распространено добавление в лак третичных аминов, нейтрализующих кислород во время отверждения лака. Наличие аминов придаёт УФ-материалам щелочные свойства: если покрывать УФ-лаком нестойкие к щелочам краски, их цвет изменяется.

В плёночном грунте мы, естественно, используем третичный амин, иначе лак не закрепится. Но при печати по металлу возникают проблемы, связанные с природой металлического покрытия. Металлизированная плёнка — итог напыления на её поверхность алюминия, склонного к окислению активного металла: недаром алюминиевая пудра используется при изготовлении бомб.

При контакте с воздухом алюминий быстро покрывается тонкой оксидной плёнкой, которая имеется и на поверхности металлизированной подложки. Оксид алюминия (корунд) — амфотерное соединение, реагирующее с щелочами и кислотами. Но это пассивное образование, особенно в отношении слабых щелочей и тем более третичных аминов. Со слабыми кислотами вступает в очень медленные реакции.

Нанесение грунта аппликаторомСодержащий амин лак — довольно слабое основание, не формирующее химических связей с оксидом алюминия. Присутствие амина мешает образованию в лаках ионов водорода, которые могли бы реагировать с металлом. Исходя из этой логики, мы удалили из лака амин, дабы придать рецептуре свойства слабой кислоты, и обнаружили, что адгезия к металлу значительно улучшилась. В итоге, нам удалось создать рецептуру с адгезией к металлу, но она не отверждалась при обычных условиях из-за ингибирования полимеризации кислородом.

В таком виде грунт мало пригоден в качестве конечного покрытия, но ведь он применяется не в виде отдельного материала, а в сочетании со стандартными УФ-красками и лаками. Если не до конца закреплённый грунт покрыть УФ-краской или лаком, доступ кислорода к нему прекратится и он полностью высохнет. Таким образом, полученная рецептура подходит к использованию в качестве грунта при печати «в линию».

На практике всё не так просто, ибо наложение красок на полностью незакреплённый грунт затруднено из-за более высокой липкости краски. Для решения проблемы мы ввели в рецептуру амин, но не стандартный «свободный», а специальный «связанный». Он не влияет на кислотность материала до облучения УФ-светом, то есть не противодействует адгезии к металлу. Под воздействием УФ-излучения амин высвобождается и улучшает закрепление грунта. Конечно, такой компонент не столь эффективен, как стандартный амин, но позволяет добиться частичного поверхностного отверждения грунта и решить проблему наложения последующих красок.

По завершении лабораторных тестов мы провели серию промышленных испытаний совместно с типографией «Бородино». Благодаря грунту адгезия к металлизированной плёнке значительно улучшилась. Краска INXFlex стала отрываться скотчем только вместе со слоем металла. Грунт не теряет эффективность даже при нанесении минимально возможным в типографии слоем, что делает расход этого дорогостоящего продукта минимальным и повышает экономическую целесообразность его использования. Даже в отсутствие покровного лака, при нанесении грунта тонким слоем в первой печатной секции, он полностью отверждается при выходе из машины. Мы убедились, что можно создать материал УФ-отверждения, не содержащий растворителей, но обладающий хорошей адгезией к металлу.

После изготовления экспериментальной промышленной партии лака были проведены широкомасштабные испытания грунта во многих типографиях. Тесты на различных подложках подтвердили улучшение адгезии к ним УФ-красок. Несмотря на свои особенности, праймер не вызывает затруднений в использовании.

Антикризисные материалы

Во время глобального экономического кризиса, в условиях сокращения объёма производства остро встаёт вопрос снижения себестоимости печатной продукции и повышения рентабельности производства. Основная составляющая себестоимости — цена запечатываемого материала. Если типография использует высококачественные запечатываемые материалы с подготовленной и грунтованной поверхностью, у неё нет проблем с качеством печати, но себестоимость продукции может превысить рыночную цену.

Работа с самыми дешёвыми материалами потребует дополнительных усилий, например нанесения слоя грунта на основе растворителей на отдельном оборудовании, в результате чего себестоимость станет сопоставимой с её величиной в ранее рассмотренной ситуации.

Наша технология значительно снижает себестоимость печати. Основное её преимущество — возможность печати «в линию» УФ-отверждаемыми красками на стандартной флексомашине, исключающая необходимость в дополнительных прогонах. Грунт для обычных плёнок хотя и не работает с неактивированными субстратами, сглаживает колебания поверхностного натяжения дешёвых материалов, снижая процент брака при печати.

Грунт для металлизированных плёнок позволяет печатать на поверхностях, закреплению красок на которых мешали проблемы с адгезией. Например, в «Бородино» упаковку мороженого ранее печатали на прозрачной плёнке и ламинировали металлизированной. Наша технология позволяет отказаться от лишней операции ламинирования.

Конечно, грунты вносят свою составляющую в себестоимость продукции, в них есть дорогостоящие добавки, фотоинициаторы и связующие, но низкий расход (менее 1 г/м2) делает их экономически целесообразными. Праймеры можно наносить при помощи растрированных валов с линиатурой 500–600 лин./см и использовать фотополимерные формы с растром 60–80%.

Резюме

Разработанные грунты стали настоящими антикризисными материалами, позволяющими значительно сократить расходы на производство печатной продукции и повысить конкурентоспособность типографии.

Об авторах: Александр Макаров, научный сотрудник, Олег Потураев, менеджер-технолог компании Tanzor.


Проблема адгезии УФ-красок к металлизированным подложкам актуальна не только для флексографии, но и для офсетной печати. Естественно, разработанные грунты неприменимы в офсете из-за низкой вязкости. Да и использование праймеров не всегда возможно. Например, при печати пивных этикеток необходимо, чтобы металлизированная бумага сохранила способность пропускать влагу, иначе возникнут проблемы с удалением этикетки при вторичном использовании тары, что и происходит при покрытии металлизированной бумаги. Но есть офсетные УФ-краски, например Brancher Fusion, с приемлемой адгезией без какого-либо грунта. Поэтому пока не видим необходимости в оптимизации технологических решений для офсетной печати.

При написании статьи богатство русского языка не стало для авторов благом, ибо не рекомендует многократно употреблять одно и то же слово в предложении, что, напротив, допустимо в английском.
В итоге, одному английскому термину должно соответствовать, как минимум, два совпадающих по смыслу русских аналога.

Это, несмотря на художественные достоинства языка, приводит к сложностям при описании ряда технических процессов. Например, в качестве синонима английскому «primer», во избежание постоянного повторения слова «грунт», автор вынужден употреблять термин «покрытие» и варваризм (русскоязычную транскрипцию английского слова) «праймер», часто употребляемый в устной речи специалистов.

Процесс закрепления УФ-материалов в английской версии обозначается словом «curing», а красок на базе растворителей — «drying». В русском языке оба процесса обычно именуют «высыхание», что некорректно в отношении УФ-материалов, ибо подразумевает испарение чего-либо. Корректный по смыслу неологизм «отверждение», неблагозвучен и режет ухо. «Отвердение» не подходит по смыслу, ибо обозначает не превращение жидкой фазы в твёрдую, а изменение физических параметров твёрдого тела. «Закрепление» и «полимеризация» обеспечивают наилучшее сочетание литературности и точности описания процесса, хотя не полностью соответствуют смысловому оттенку термина «curing».

Переводчикам ещё сложнее. Термины «in-line» и «off-line» невозможно корректно перевести на русский язык одним словом или кратким словосочетанием. «Top-coating» переводится как «покровный лак» или «верхнее покрытие», что для людей, выросших на стихах Пушкина и прозе Толстого, звучит коряво. Подобных примеров много, так что филологам давно пора помочь полиграфистам и создать словарь терминов, которые позволят корректно описывать процесс печати УФ-красками без ущерба русскому языку.

Архив журналов в свободном доступе.

На ту же тему:
  • Антикризисная выставка для клиентов
    "Наш ответ кризису - инновации". Под таким девизом в середине ноября Windmoeller & Hoelscher провела на заводе в Ленгерихе собственную выставку (День открытых дверей) "Экспо-2009", которую посетили более 1000 специалистов. Об итогах мероприятия нам расска
  • Фитнес для самоклейки
    Визит на стенд UPM Raflatac во время выставки "ПолиграфИнтер-2009" был весьма продуктивным: здесь состоялся разговор с директором по продажам Дмитрием Стречиным.
  • Комфортная работа с двухсторонними лентами *
    При работе с плоскими печатными формами и бесшовными формными гильзами в равной степени необходима компрессионная подложка на формном цилиндре или монтажной гильзе. Иначе о высоком качестве печати можно забыть.
  • 35 лет с флексографией
    19 ноября в местечке Ной-Изенбург под Франкфуртом-на-Майне состоялось знаменательное событие: DuPont Packaging Graphics отпраздновала 35-ю годовщину со дня представления на рынок флексографских фотополимерных пластин Cyrel.
  • Лизинг или кредит: что выбрать?
    Автор и ведущий рубрики - Сергей Иванов, генеральный директор компании "ИКБ Лизинг".

comments powered by Disqus