sušenje boja - unizg.hrmaterijali.grf.unizg.hr/media/tb_mehanizmi susenja tb.pdfadekvatno sušenje...

PREDAVANJA IZ KOLEGIJA TISKARSKE BOJE

Sušenje tiskarskih boja

SUŠENJE TISKARSKIH BOJA

• Za kvalitetan otisak, u svim tehnikama tiska i na svim tiskovnim podlogama, izuzetno je važno sušenje boje.

• Dobar otisak između ostalog je onaj otisak gdjeje postignuta dobra povezanost tiskarske boje s podlogom na koju se tiska. 

• Otisak mora biti otporan prema otiranju, brisanju i pritisku, a to je u direktnoj vezi sa sušenjem boje.

Adekvatno sušenje utječe i na pravilan rad strojeva za tisak jer se boja ne smije sušiti na valjcima za vrijeme tiska ili u periodima kratkog mirovanja stroja.

Pojam sušenje uključuje sve procese koji se odvijaju nakon prijenosa boje na tiskovnu podlogu, omogućavajući čvrstu vezu boje s podlogom te odgovarajuću doradu i uporabu samog grafičkog proizvoda.

U konvencionalnim tehnikama tiska otiskuje se s tekućom bojom na tiskovnu podlogu nakon čega se boja treba osušiti u što kraćem vremenskom roku, odnosno iz tekućeg prijeći u kruto agregatno stanje.

Sušenje otisnutog sloja boje općenito dijelimo u dvije faze

• POČETNO SUŠENJE (prihvaćanje) boje (engl. SET) kojim otisak postaje «suh na dodir»

•ZAVRŠNO OTVRDNJAVANJE (engl. DRY) kojim otisak postaje potpuno suh.

Sušenje boje popraćeno je brojnim  kemijskim i fizikalnim procesima koji ovise o svojstvima veziva. 

Razlikujemo sušenje koje nastaje(1) oksidacijom (oksipolimerizacijom) veziva, (2) sušenje prodiranjem (upijanjem) veziva u tiskovnu podlogu, (3) sušenje hlapljenjem (isparavanjem) otapala i (4) sušenje taloženjem. 

To su ujedno 4 glavna mehanizma pomoću kojih se sušetiskarske boje iako se u praksi boje suše kombinacijom navedenih mehanizama.

Izvor: Handbook of Print Media, H. Kipphan

Brzina sušenja ovisna je o 

• svojstvu sušivosti boje (vrsta i sastav veziva),• svojstvima upojnosti podloge na koju se tiska (neupojna, slabo upojna, upojna), 

• debljini otisnutog sloja boje,• konzistenciji boje,• doziranju boje na stroju,• vlažnosti i temperaturi (mikroklimi) radioničke atmosfere,

• visini kupa u kojem je otisnuta naklada izložena sušenju.

Temperatura je vrlo važan čimbenik, općenito, viša temperatura pogoduje sušenju iz sljedećih razloga: 

‐ ubrzava proces polimerizacije

‐ smanjuje viskozitet boje čime pospješuje prodiranje

‐ ubrzava hlapljenje otapala.

a) Sušenje upijanjem/prodiranjem (penetracijom) i adsorpcijom

Sušenje prodiranjem (penetracijom) veziva u tiskovnu podlogu najjednostavniji je način sušenja koji za razliku od drugih mehanizama ne uključuje kemijsku promjenu veziva. 

Javlja se prilikom otiskivanja na svakoj upojnoj podlozi. 

Tiskarska se boja adsorbira na površinu papira ili kartona te malo prodire u njegovu strukturu. 

Proces se dijeli na primarnu i sekundarnu penetraciju.U primarnoj penetraciji vezivo prodire u pore tiskovne podloge, a manji dio zaostaje na površini gdje veže pigment. 

Kod optimalne kombinacije boje i podloge proces traje od10 do 20 minuta.

Sekundarna penetracija je proces polaganog prodiranja vezivau kapilarne šupljine tiskovne podloge i može trajati mjesecima.

Otisak je zaštićen samo strukturom vlakanaca, pa je otpornost tako dobivenog otiska na trenje (trljanje) relativno mala.

Isključivo prodiranjem suše se:• roto boje,• «cold set» boje za offsetne rotacije,• neke jeftine boje za  duboki tisak.

Penetracija je također važna pri sušenju ostalih tiskarskih boja kada se s njima tiska na papirima i kartonima, a nema nikakve važnosti pri tisku na neupojnim podlogama.

Boje koje se suše penetracijom suše se vrlo brzo, ako se tiska na odgovarajućoj tiskovnoj podlozi, a stabilnost takvih boja na tiskarskom stroju je izvrsna.

Brzina sušenja ovisi o poroznosti (upojnosti) tiskovne podloge, tečljivosti  tiskarske boje, močenju vlakanaca tiskarskom bojom. 

Celulozna se vlakanca lako moče vodom, pa se vodotopljive fleksografske boje brzo suše na kraft papirima i valovitom kartonu. 

Kod keljenih papira smanjeno je močenje celuloze vodom ali se povećava močenje celuloze s bojama temeljenim na uljnim vezivima.

Ovisnost brzine prodiranja boje o upojnosti podloge

Prevelika upojnost tiskovne podloge može prouzročiti prebrzoprodiranje veziva u podlogu pa na površini zaostaje samo pigment. Boja gubi sjaj i otisak se lako otire.Stoga papiri velike gustoće malih pora daju najkvalitetniji otisak. 

Ako vezivo presporo prodire, boja suši predugo i nije pogodna za tisak.

U novinskom tisku, sušenje se odvija isključivo prodiranjem boje u podlogu (engl. cold set).

Boje koje se koriste u novinskom tisku uglavnom ne sadrže vezivana bazi sušivih ulja. U slučajevima kad su ona ipak prisutna, nakonprodiranja boje u podlogu dolazi do sušenja oksipolimerizacijom.

b) Sušenje oksipolimerizacijom

Način sušenja koji je karakterističan za tiskarske boje u kojima vezivo sadrži sušiva ili polusušiva ulja. 

Ulje apsorbira (veže) kisik iz zraka te se polimerizira u kruti (čvrsti) film na površini otiska. 

Sušiva ulja sadrže nezasićene masne kiseline kod kojih se reakcije oksidacije ili polimerizacije odvijaju na nezasićenim dvostrukim kovalentnim vezama. 

Osušeni otisci imaju glatku i zatvorenu površinu.

Takve boje sadrže manju ili veću količinu sušila (sikativa) koja djeluju kao katalizator i ubrzavaju proces sušenja. 

Ako ni to nije dovoljno, reakcija se dodatno može ubrzati zagrijavanjem (prisilnim sušenjem).

Usprkos svim naporima oksipolimerizacija je još uvijek prespora za tisak. 

U pravilu se rabi za specijalne slučajeve, npr. za tisak s offsetnim bojama ili bojama za visoki tisak na neupojnim podlogama (filmovi, folije) gdje nije moguće otiskivati s brzosušećim (engl. quickset) bojama ili prisilnim sušenjem.

Tijekom oksipolimerizacije iz otiska se oslobađaju nusprodukti male molekularne mase i neugodnog mirisa što je problem pri tisku ambalaže za prehrambene proizvode.

Te reakcije se odvijaju polako danima, pa i tjednima nakon što je otisak prividno suh. 

pH papira i velika relativna vlažnost mogu značajno usporiti sušenje oksipolimerizacijom. Sam papir može imati pH manji od 7, a dodatci za vlaženje su često vrlo kiseli spojevi koji usporavaju sušenje oksipolimerizacijom.

Problemi koji se mogu javiti kod tiska (sušenja) na polimernim filmovima i folijama:

Antioksidansi, plastifikatori i antistatici koji se nalaze u sklopu polimernih folija ili filmova i poboljšavaju im uporabna svojstva, često migriraju na površinu folije ili filmagdje reagiraju s bojama i mogu značajno usporiti (prolongirati) sušenje.

c) Brzo sušenje (engl. Quicksetting)

Brzo sušenje ili «quicksetting» složeni je mehanizam sušenja  koji se sastoji od penetracije i oksipolimerizacije. 

Brzosušeća tiskarska boja sastavljena je od dvije komponente (faze): 

• vrlo viskozne otopine krute smole u sušivom ulju i 

• mineralnog ulja male viskoznosti u kojem se dispergira prva komponenta.

Kada se s takvim bojama otiskuje na odgovarajućim tiskovnim podlogama, kao što su premazani papiri, dolazi do brzog početnog sušenja (prihvaćanja) boje, jer sastavnica male viskoznosti (mineralno ulje) selektivno penetrira u tiskovnu podlogu, a smolasta komponenta s pigmentom zaostaje na površini tiskovne podloge.

Brzo sušenje temeljni je mehanizam sušenja većine offsetnih boja i boja za visoki tisak kad se tiska na papiru i kartonu.

Tijekom odjeljivanja komponenata (faza) povećava se ljepljivost otiska do maksimuma nakon čega se smanjuje do nule u suhom otisku.

Zbog toga može doći do sljepljivanja naklade i stvaranja kontra otisaka (engl. set off – preslikavanje / mrljanje na poleđini otiska) pa se često rabe prašci protiv sljepljivanja (engl. anti‐set‐off spray powder) otisnutih araka ili se sušenje pospješuje (ubrzava) IR zračenjem.

Većina premazanih papira posjeduje finu poroznu strukturu u premazu koja djeluje poput filtera koji pospješuje odjeljivanjekomponenata brzosušećih boja. 

Zbog navedenog se s brzosušećim bojama ne otiskuje naneupojne tiskovne podloge.

Problem u tisku s brzosušećim bojama je tzv. povratnovlaženje otiska (engl. swet back). 

Boje se naizgled dobro suše, ali nakon nekoliko dana dolazido reverzibilne reakcije, odnosno otisci omekšaju. 

Ovu pojavu vjerojatno uzrokuju keljiva u papiru zbog kojihse otapalo iz boje ne može raspršiti po papiru, pa se vraća u otisak koji zbog oksidacije bolje prihvaća otapalo. 

Do problema dolazi i tijekom tiska na premazanim papirima s vrlo poroznom strukturom zbog koje se upiju obadvijekomponente, pa na površini papira zaostaje nedovoljno vezanpigment.

d)   Sušenje isparavanjem (hlapljenjem)

Ovim mehanizmom suše se tiskarske boje kojima je vezivo priređeno otapanjem smole/smola ili sličnih tvari u prikladnom organskom otapalu (hlapivo vezivo).

Isparavanje otapala jedan je od najčešćih mehanizama sušenja za sve tehnike tiska. 

Karakterističan je u prvom redu za fleksografske boje i  boje za duboki tisak, ali i za sitotiskarske i "heat set " web offsetne boje.

Brzina isparavanja ovisi o:• brzini isparavanja otapala ili smjese otapala,• brzini kojom smola otpušta otapalo i • lakoći migracije otapala kroz sloj (film) otiska.                            

Kombinaciju ovih svojstava jednim imenom zovemo «otpuštanje otapala» (engl. solvent release).

Boje za duboki tisak, fleksotisak, sitotisak i grafički lakovi sadrže otapala koja za vrijeme tiska isparavaju, a na tiskovnoj podlozi ostane kruta boja.

Vezivo ovih boja sastavljeno je uglavnom od smola i otapala, bez ulja. Ove vrste boja ne smiju sušiti na valjcima ili tiskovnoj formi. Put boje od bojanika do tiskovne podloge je kratak.

e) Sušenje taloženjem i neutralizacijom

Taloženje je mehanizam sušenja knjigotiskarskih i fleksografskih boja. 

Mehanizam sušenja je sljedeći: smola koja je topljiva u nekom određenom otapalu pri određenim uvjetima, može postati netopljiva u tom istom otapalu ako se uvjeti promjene. 

Npr. knjigotiskarske boje sadrže vrlo kisele smole otopljene u glikolu. Nakon otiskivanja glikol (otapalo) apsorbira vlagu iz zraka i kartona (tiskovne podloge), a smole postaju netopljive u smjesi glikola i vode te dolazi do taloženja smole. 

Smola se taloži na otisku odnosno boja se suši.

Boje koje se suše na opisani način suše se vrlo brzo, a uz taloženje, kao mehanizam sušenja, važna je i penetracija.

Najmodernije boje koje se suše na ovaj način su emulzije. 

Početno sušenje uzrokuje adsorpcija vode nakon čega dolazi do izlučivanja i sljepljivanja smole s tiskovnom podlogom. 

• Kemijsko sušenje

Tiskarske boje koje se suše kemijski sadržavaju dvije komponente koje međusobno reagiraju stvarajući kruti polimerni sloj/film velike molekularne mase. U pravilu su takvi otisci jačeg sjaja, bolje se lijepe na «teške» neupojne tiskovne podloge i otporniji su na fizikalne i kemijske promjene. Te su boje skuplje, pa se rabe za tisak specijalnih otisaka koje nije moguće otisnuti drugim bojama.

• Kemijsko sušenje se sve više rabi za fleksotisak, duboki tisak i sitotisak zbog sve zahtjevnijih specifikacija.

• Kako ne bi došlo do kemijskog sušenja boje u ambalaži proizvođači isporučuju boje u obliku dvokomponentnogsustava koji treba zajedno promiješati prije uporabe.

• Izmiješanu boju treba rabiti tijekom istog dana i boja se ne smije zasušiti na valjcima jer ju je teško i ponekad nemoguće oprati.

g) Ubrzano (“prisilno”) sušenje

Sušenje toplinom je ubrzano sušenje u sušionicima koje se često rabi, pa se takvo sušenje više ne kategorizira kao ubrzano sušenje već na neki način sušenje toplinom spada u temeljne mehanizme sušenja tiskarskih boja.

«Prava» ubrzana sušenja tiskarskih boja su:UV sušenje (sušenje ultraljubičastim valovima),IR sušenje (sušenje infracrvenim valovima),EB sušenje (sušenje elektronskim snopom),RF sušenje (sušenje radio valovima).

UV, IR, EB i RF su energije različitih elektromagnetskih zračenja.

Spektar elektromagnetskog zračenja(izvor: H. Kipphan

“Handbookof Print Media”)

• Sušenje toplim zrakom

Kod boja koje suše isparavanjem otapala koristi se često sušenje toplim zrakom.U pravilu, bez obzira na izvor topline, zagrijavati treba samo do isparavanja, ne samo radi ekonomičnosti proizvodnje već i kako bi se zadržala odgovarajuća kvaliteta tiskarskog proizvoda budući da zagrijavanjem papira dolazi do pogrešaka u registru, promjena u dimenzionalnoj stabilnosti papira i nabiranja.Kod tiska na offset rotacijama koriste se takozvane Heatset boje koje sadrže umjetne smole i Heat set veziva s 20‐40% udjela mineralnih ulja visokih vrelišta. Takve boje suše se zagrijavanjem na visoke temperature IR grijačima i vrućim zrakom.

Pare nastale isparavanjem veziva odvode se iz sušionika kroz cijevi u koje ih usisavaju jaki ventilatori. 

Boja na papirnoj traci nakon sušenja mora se ohladiti. 

Zato zagrijana traka u hodu odmah odlazi u aparat u kojem se uz pomoć valjaka za hlađenje boje i papirne trake, ohladi na normalnu temperaturu.

• IR sušenje

Prodiranje boje je brže što je viskoznost boje manja. 

Kako viskoznost opada s porastom temperature, sloj nanesene boje na podlozi može se grijati pomoću izvora IR zračenja. 

Kako bi se poboljšala efikasnost IR sušionika potrebno je uskladiti raspon njegova zračenja s vezivom koje reagira unutar tog raspona. 

Optimalan efekt se postiže kad se maksimalna energija zračenja podudara s maksimalnim prodiranjem veziva.

IR sušionici zrače u sljedećim rasponima valnih duljina: 

• kratkovalni (0.8‐2 μm, temperatura žarne niti 2700‐1500 °C), zračenje prodire u papir 

• srednjevalni (2‐4 μm, temperatura 1500‐750 °C), zagrijava se zrak iznad otisnutog sloja

Dugovalna zračenja (4 μm do 1 mm) nisu pogodna za sušenje.

IR zrake zagrijavaju i slobodne površine na tiskovnoj podlozi čime se temperatura izložene naklade podiže i do 40 °C što pogoduje polimerizaciji.

Prednosti i mane sušenja IR zračenjem

• UV sušenje

UV boje su specijalne boje koje ostaju u tekućem stanju do trenutka izlaganja UV zračenju odgovarajuće valne duljine kada započinje vrlo brza lančana reakcija i boje se suše trenutačno.

UV boje sastavljene su od: ‐ pigmenata,

‐ oligomera ili pretpolimera (tzv. reaktivne smole), 

‐ monomera (razrjeđivača),

‐ fotoinicijatora (koji se aktivira UV zračenjem i započinju     fotopolimerizaciju (sušenje) i 

‐ različitih dodataka (aditiva).

• UV boje sadrže vrlo malo ili nimalo organskih otapala!

• UV boje se ne mogu »sušiti« na klasičan način (one će se transformirati iz tekućeg u čvrsto agregatno stanje jedinoako su izložene visoko koncentriranom ultraljubičastom zračenju)

• Kemijski fotoinicijatori su osjetljivi na UV zračenje koje im mijenja kemijsko strukturalne veze formirajući grupe slobodnih radikala.

• UV boje su također proizvedene od polimernih smola, koje osiguravaju osnovu boje i njene prianjajuće karakteristike. Polimerne smole su u ovom slučaju različite od onih koje se koriste kod boja na bazi otapala; one su u obliku viskoznih oligomera koji koji sadrže reaktivne akrilatne grupe i poznati su pod imenom »reaktivne smole«. 

• Primjeri oligomera koji se upotrebljavaju za izradu konvencionalnih UV boja su epoksi‐akrilat, poliester‐akrilat i uretan‐akrilat.

• Monomeri (reaktivna otapala) koriste se za razrjeđivanje oligomera do viskoznosti koja je pogodna za upotrebu u tisku. 

• U ovom smislu, monomeri obavljaju istu funkciju koju kod tradicionalnih boja imaju otapala. Monomeri također utječu i na karakteristike prianjanja na podlogu, kao i na površinske karakteristike (tvrdoću, fleksibilnost) očvrsnute boje.

• Fotoinicijatori su ključni za proces sušenja, odnosno očvršćivanja UV boja. Oni apsorbirajući ultraljubičasto zračenje iniciraju proces očvršćivanja boje. 

• Različite vrste fotoinicijatora reagiraju na različite valne dužine ultraljubičastog zračenja. Iz tog razloga, kombiniranje različitih vrsta fotoinicijatora je uobičajena praksa u formuliranju boja, kako bi se osiguralo efikasno očvršćivanje boje.

• Pigmenti obavljaju istu funkciju kao i oni koji se koriste kod boja na bazi otapala (nositelji su obojenja).

• Aditivi u UV bojama, obavljaju slične funkcije kao i oni koji se koriste kod boja na bazi otapala.

• Ako materijal otisnut UV bojom propustimo kroz npr. topli zrak, boja će ostati tekuća. Da bi boja prešla iz tekućeg u čvrsto agregatno stanje, mora se izložiti djelovanju ultraljubičastog zračenja. 

• Ovo se postiže propuštanjem otisnute površine ispod UV lampe koja emitira UV energiju. Kada UV zračenje dođe u kontakt s otisnutom površinom, ono izaziva brzu kemijsku reakciju tokom koje se različiti kemijski sastojci u UV boji međusobno povezuju. Ovo takoreći trenutno izaziva očvršćivanje boje i pretvara je u čvrsti film.

• Spomenuti  proces međusobnog povezivanja komponenata UV boja pod djelovanjem UV zračenja poznat je pod nazivom fotopolimerizacija.

• UV boje nazivaju se još i proizvodi koji stopostotno očvršćavaju. Kako nema otapala koji isparava, sva boja koja se otisne na podlogu ostaje u sloju očvrsnute boje.

Fotopolimerizacija (izvor: Sericolov priručnik za UV sito štampu http://www.graphiccenter.hr/proizvodi/sericol/vodic%20za%20uv%20sitostampu.pdf?phpMyAdmin=9mJAH3OjeEUgIhi%2CewsoogoLwdf )

Shema UV sušenja (izvor: H. Kipphan“Handbookof Print Media”)

Tekuće vezivo s monomerima, pretpolimerima (oilgomerima) i fotoinicijatorima.

UV zračenje uzrokuje raspad fotoinicijatora na radikale.

Oslobođena energija raspadom radikala uzrokuje potpunu polimerizaciju monomera i pretpolimera.

Prednosti UV sušenja:

• na izlagačem dijelu stola skupljaju se suhi otisci koji se odmah mogu dorađivati,

• stabilnost boje je vrlo velika,• nije potrebno rabiti prašak protiv sljepljivanja,• nema emisije hlapivih otapala kao u fleksotisku, dubokom 

tisku i sitotisku,• miris boje u radnoj okolini je stalan i slabo izražen,

• UV sušionici su znatno manjih dimenzija od klasičnih toplinskih sušionika.

Oprez kod tiska s UV bojama na prehrambenoj ambalaži!!!

Opasnost od kontaminacije otiska ostacima fotoinicijatora.

Poznati su slučajevi kontaminacije prehrambenih namirnica fotoinicjatorima iz UV boja koji su migrirali s otiska, apliciranog s vanjske strane prehrambene ambalaže, u hranu (benzofenon, ITX).

Bilo je slučajeva da je fotoinicjator (benzofenon) migrirao s vanjske strane kartonske ambalaže u unutrašnjost – pa čak i kroz polimernu foliju na/u hranu.

• EB sušenje

EB boje, tiskarske boje koje se suše snopom elektrona,vrlo su slične UV bojama, no za razliku od njih, EB boje ne sadrže fotoinicijatore.

Naime, snop elektrona koji se generira u EB sušioniku sadrži dovoljno energije za reakciju polimerizacije koja započinje bez fotoinicijatora. 

Stoga su EB boje jeftinije od UV boja, stabilnije su tijekom skladištenja i nema opasnosti od zagađenja otiska ostacima fotoinicijatora. 

EB uređaji za sušenje su vrlo skupi, znatno veći od UV sušionika, a najviše su isplativi u rotacijama.

• RF i MW sušenje (sušenje radiovalovima i mikrovalovima)

Radiovalovi i mikrovalovi imaju veće valne duljine od IR valova pa uzrokuju stvaranje topline unutar otisnutog sloja/filma ili premaza koji sadrži polarne molekule vode ili u manjoj mjeri molekule alkohola. 

Zbog oslobođene energije u sušioniku molekule brzo osciliraju pa se unutarnjim posmikom stvara toplina. 

Postupak je specijalno učinkovit za boje temeljene na vodi (ekološki prihvatljive) koje se, inače, sporo suše.