artyku³y naukowo-techniczne artyku³y naukowo-techniczne ARTYKU Y NAUKOWO-TECHNICZNE Helena KUCZYÑSKA H.Kuczynska@impib.pl 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, metalowym 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 30
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
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, 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 4. Œrodek odpieniaj¹cy 5. Œrodek poprawiaj¹cy w³aœciwoœci powierzchni syntetyczny, mikronizowany roztwór modyfikowanego polisiloksanu 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/cm 3 (w zale noœci od koloru), zawar- 32
Tabela 2. Wyniki badañ farb drukarskich z ró n¹ zawartoœci¹ glikolu propylenowego Iloœæ glikolu propylenowego w farbie, % m/m W³aœciwoœæ 0 2 4 7 Czas schniêcia powierzchniowego 1 stopieñ, min. 30 40 40 60 Ocena przy drukowaniu przysycha przysycha nie przysycha nie przysycha Wygl¹d nadruku 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 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) Rodzaj rozpuszczalnika wyd³u aj¹cego schniêcie pow³ok W³aœciwoœæ Glikol propylenowy Texanol Czas schniêcia powierzchniowego 40 60 pow³oki 1 stopieñ, min. 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
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. 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 34
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 korzyœæ 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 pod- ³o 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