Innovare le tecnologie a getto d’inchiostro per i prodotti in plastica

Innovare le tecnologie a getto d’inchiostro per i prodotti in plastica

La domanda di stampa digitale a getto d’inchiostro su prodotti plastici tridimensionali cresce in modo esponenziale. Le sfide applicative per ottenere operazioni robuste sono la chimica dell’inchiostro ottimale abbinata al design della testina di stampa, la compatibilità tra inchiostro e substrato polimerico e la polimerizzazione. Questo articolo illustra i principali fattori di processo che, uniti alla compatibilità della superficie polimerica, permettono di estendere il getto d’inchiostro a nuove opportunità.

La stampa a getto d’inchiostro è molto più complessa e delicata della stampa analogica. Il getto d’inchiostro richiede che gli ugelli emettano gocce di dimensioni precise con esatta accuratezza. I sistemi di stampa a getto d’inchiostro di alta qualità devono integrare contemporaneamente testine, fluidi, controllori elettronici, pretrattamento e polimerizzazione. Tutti questi elementi devono lavorare insieme per produrre i risultati desiderati. La maggior parte delle aziende che investono nella tecnologia a getto d’inchiostro desidera decorare più substrati. Poiché spesso esistono differenze chimiche e fisiche sostanziali tra le materie plastiche, anche all’interno della stessa famiglia polimerica, stampare su tutti i materiali diventa difficile. Esiste quindi un paradosso tecnico della stampa, illustrato da uno sgabello a tre gambe stabile (Figura 1).

Vi sono tre principali parametri di processo in ingresso, ciascuno rappresentato da una gamba: 1) il substrato polimerico, 2) la stampante a getto d’inchiostro e 3) la compatibilità tra inchiostro e pretrattamento. Tutti gli elementi devono essere stabili per ottenere un’eccellente qualità di stampa. La modifica di una sola gamba del processo ha un effetto squilibrante che richiede modifiche alle altre. La stampa a getto d’inchiostro su geometrie plastiche sagomate è ulteriormente complicata dal numero relativamente ridotto di stampanti/testine OEM tra cui scegliere. Ogni OEM limita gli inchiostri certificati sviluppati a una gamma ristretta. Una conoscenza approfondita delle complessità della stampa a getto d’inchiostro e della scienza delle superfici consente prestazioni e risultati senza precedenti.

Punti chiave

• Gli inchiostri UV polimerizzano istantaneamente e non emettono solventi, ma aderiscono direttamente solo a una gamma limitata di materie plastiche.
• Il legante si forma durante la polimerizzazione, per reazione a catena di monomeri e oligomeri, a differenza di ogni altro tipo di inchiostro.
• Il colore basato solo su pigmenti ha limiti reali. Gli inchiostri CMYK sono parzialmente opachi e mascherano gli strati sottostanti, escludendo molti colori speciali Pantone molto diffusi.
• La bassa viscosità e la bassa tensione superficiale ostacolano l’adesione su acetali, poliolefine e poliuretani.
• Un inchiostro polimerizzato in modo improprio è pericoloso, non solo esteticamente scadente.

Inchiostri per getto d’inchiostro polimerizzabili con UV

L’inchiostro per getto d’inchiostro polimerizzabile con raggi ultravioletti (UV) è stato ampiamente adottato per la stampa di prodotti plastici tridimensionali. Gli inchiostri polimerizzabili con UV asciugano istantaneamente, aderiscono direttamente a un numero limitato di materie plastiche, non emettono solventi e sono disponibili per alcune piattaforme OEM. Estendere la gamma ai substrati polimerici “difficili da incollare” richiede competenze di formulazione personalizzata per soddisfare i severi requisiti di decorazione e stampa. I formulatori devono conoscere le chimiche specifiche che forniscono fluidi in grado di essere microespulsi e i meccanismi di polimerizzazione che garantiscono un rapido indurimento, oltre alle proprietà fisiche e chimiche dell’inchiostro risultante: il lavoro è quindi più complesso che per qualsiasi altro tipo di inchiostro.

La maggior parte di qualsiasi inchiostro secco è il legante: intrappola il colore in posizione, lo protegge dall’abrasione e aderisce alla superficie. Il legante è in genere un polimero. La stampa con inchiostro UV differisce dagli altri tipi perché il polimero si forma durante la polimerizzazione per reazione a catena di monomeri e oligomeri. I monomeri sono liquidi a bassa viscosità, per cui fungono anche da veicolo liquido dell’inchiostro ed eliminano la necessità di acqua o solvente: per questo gli inchiostri UV sono al 100 percento di solidi e rappresentano un’alternativa ideale agli inchiostri a solvente. Gli oligomeri (molecole reattive più grandi) hanno più funzionalità chimiche e sono fondamentali per costruire correttamente il legante.

La polimerizzazione viene avviata da una breve esposizione alla luce UV, una radiazione elettromagnetica con lunghezza d’onda più corta ed energia più elevata della luce visibile. Per la maggior parte delle polimerizzazioni UV si utilizza l’UV vicino (lunghezza d’onda 390–200 nanometri), a sua volta suddiviso in UV-A (390–320 nanometri) o onde lunghe, UV-B (320–280 nanometri) o onde medie e UV-C (280–200 nanometri) o onde corte. Oltre all’UV vicino, altre categorie UV comprendono l’UV lontano (200–10 nanometri) e l’UV profondo (31–1 nanometri). La lunghezza d’onda di picco più comune per le lampade UV convenzionali al mercurio è 365 nanometri, detta anche linea I del mercurio (spettro luminoso).

I componenti reattivi ai raggi UV sono i fotoiniziatori: composti che assorbono l’energia e si scindono producendo specie chimiche altamente reattive, radicali liberi o cationiche a seconda del tipo. Ciascuna può legarsi a una parte di un monomero o di un oligomero, che trasferisce l’attività a un’altra parte, la quale a sua volta può reagire con un altro monomero, e così via fino a costruire il polimero.

Gli inchiostri UV a radicali liberi per getto d’inchiostro dominano il mercato grazie al costo relativamente basso e all’ampia disponibilità di monomeri, in genere acrilati. Questi offrono una gamma di polimeri con caratteristiche prestazionali desiderabili, dalla durevole resistenza all’abrasione alla flessibilità. Uno svantaggio della polimerizzazione a radicali liberi è la sua intrinseca sensibilità all’ossigeno presente nell’aria, per cui le catene sono spesso corte. Sebbene le reazioni possano essere molto rapide, la reticolazione cessa di fatto quando la luce UV viene meno. Di conseguenza le formulazioni hanno un elevato contenuto di fotoiniziatori. Sebbene gli inchiostri a radicali liberi rappresentino la stragrande maggioranza del consumo di inchiostri per getto d’inchiostro polimerizzabili con UV, gli inchiostri UV cationici stanno emergendo per esigenze sofisticate.

La polimerizzazione cationica offre una famiglia di sostanze chimiche completamente diversa, con adesione generalmente migliore e una reazione che prosegue dopo la fine dell’esposizione. Un’ampia polimerizzazione è essenziale quando è possibile il contatto con gli alimenti e i monomeri non reagiti sono indesiderati. Anche la reticolazione continua è utile con rivestimenti spessi. Gli inchiostri UV sono necessariamente assorbitori di UV, quindi le zone inferiori degli inchiostri spessi ricevono molta meno radiazione e non polimerizzano immediatamente quanto quelle superiori, ma gli inchiostri cationici continuano a polimerizzare nelle ore successive.

Sebbene gli inchiostri cationici non soffrano dell’inibizione da ossigeno della polimerizzazione, l’umidità può avere un effetto. Poiché l’acqua può reagire con i composti intermedi cationici, livelli di umidità relativa superiori all’80 percento possono ritardare la polimerizzazione. Gli inchiostri cationici possono utilizzare sorgenti UV a energia inferiore rispetto a quelli a radicali liberi per avviare la polimerizzazione. Generano meno calore delle lampade UV al mercurio ad alta energia utilizzate in molti sistemi a radicali liberi e consentono di stampare substrati sensibili alla temperatura. I principali fornitori di inchiostri non offrono prodotti cationici perché i volumi richiesti sono troppo ridotti e lo sforzo per soddisfare le aspettative degli OEM è eccessivo. Tuttavia sono disponibili presso produttori specializzati interessati a sviluppare nuove applicazioni.

Molti prodotti stampati tridimensionali vengono tenuti in mano dai consumatori e sono sottoposti a un’ispezione visiva molto ravvicinata. Il testo alfanumerico può essere di corpo 6 o inferiore. Per evitare artefatti visibili e garantire la leggibilità è necessaria una stampa ad altissima risoluzione. La stampa a getto d’inchiostro ad alta risoluzione ha due componenti principali: la spaziatura dei punti sul substrato e la dimensione (volume) delle gocce che compongono i punti. Le tecnologie analogiche fanno riferimento alla spaziatura delle linee o alla dimensione del retino, spesso circa 300 linee per pollice, ma hanno intervalli molto ampi di dimensione del punto: letteralmente dallo 0 al 100 percento di copertura a incrementi dell’uno percento. Le testine di stampa a getto d’inchiostro UV non sono ancora in grado di eguagliare i punti analogici più piccoli, né dispongono di una scala di grigi regolabile all’infinito. Inoltre la spaziatura nativa degli ugelli raramente supera 300 dpi. L’alta risoluzione si ottiene con un posizionamento ravvicinato delle gocce (oggi fino a 1.800×1.800 dpi), che richiede più passaggi e piccoli avanzamenti sulla tipica stampante a testina oscillante. Il risultato è impressionante, ma a scapito della velocità di stampa.

Domande frequenti

Perché gli inchiostri UV per getto d’inchiostro aderiscono ad alcune materie plastiche e ad altre no?

Gli inchiostri per getto d’inchiostro hanno bassa viscosità e bassa tensione superficiale, mentre le materie plastiche chimicamente inerti come acetali, poliolefine e poliuretani sono idrofobiche e non naturalmente bagnabili. Senza un pretrattamento che aumenti l’energia superficiale del substrato, l’inchiostro non riesce a stabilire lo stretto contatto richiesto dall’adesione.

Il getto d’inchiostro può riprodurre i colori speciali Pantone?

Non in modo affidabile. Gli inchiostri UV utilizzano solo coloranti a pigmento e il set CMYK offre una gamma cromatica ampia perché gli strati possono essere spessi, ma i pigmenti sono parzialmente opachi e mascherano i colori sottostanti. L’intensità non si traduce pienamente nei colori secondari, il che esclude alcuni colori Pantone diffusi tra i grandi marchi.

Perché non si possono semplicemente aggiungere colori speciali a una macchina a getto d’inchiostro?

Cambiare un colore speciale in una stampante a getto d’inchiostro è molto più difficile che nella stampa flessografica o analogica. Le macchine con sei, otto o dieci testine potrebbero ospitarli, ma l’onere del cambio di produzione rende l’approccio poco diffuso.

Che cosa rende la formulazione degli inchiostri UV più difficile rispetto ad altri tipi di inchiostro?

Il formulatore deve fornire un fluido che si microespelle in modo affidabile, polimerizza rapidamente e conferisce al film finito le proprietà fisiche e chimiche richieste, e il polimero legante si forma solo durante la polimerizzazione. Questa combinazione rende il lavoro più complesso che per qualsiasi altro tipo di inchiostro.

Quali sono i rischi di una polimerizzazione insufficiente dell’inchiostro UV?

Gli inchiostri polimerizzati in modo improprio sono pericolosi, non solo appiccicosi o fragili. La polimerizzazione deve essere abbinata alla chimica dell’inchiostro e alle specifiche della lampada, senza darla per scontata.

Pigmenti e tavolozze di colori

Gli inchiostri UV utilizzano solo coloranti a pigmento, ma la gamma è ampia e non rappresenta una limitazione seria. Gli sviluppi nella formulazione e nella produzione degli inchiostri consentono ai produttori di offrire il bianco (W), particolarmente utile come base su substrati scuri o come sfondo su materiali trasparenti. I colori primari del getto d’inchiostro (ciano, magenta, giallo e nero, CMYK) offrono insieme un’ampia gamma cromatica perché gli strati di inchiostro possono essere spessi. Tuttavia, essendo a base di pigmenti, sono almeno parzialmente opachi e mascherano i colori sottostanti. L’intensità non si traduce pienamente nei colori secondari, il che esclude alcuni colori Pantone diffusi tra i grandi marchi. La stampa analogica utilizza colori speciali formulati appositamente. Potrebbero essere disponibili in questo mercato, soprattutto con macchine a 6, 8 e 10 testine, ma non sono diffusi perché cambiare un colore speciale in una stampante a getto d’inchiostro è molto più difficile che nella stampa flessografica o serigrafica. Ciò è inoltre in conflitto con la capacità del digitale di passare da un lavoro all’altro con immagini consecutive. Un’alternativa è impiegare set di inchiostri a gamma estesa con inchiostri intensi di tonalità intermedia tra CM e Y. Rosso, verde e blu (RGB), oppure arancione, verde e viola (OGV), sono utilizzati nella stampa di etichette e pubblicità per estendere la gamma e coprire la maggior parte dei colori di marchio specificati, luminosi e intensi. Questi colori possono anche essere formulati su misura per prodotti plastici tridimensionali.

Riprodurre i colori chiari, in particolare gli incarnati, è una difficoltà costante per la stampa a getto d’inchiostro polimerizzabile con UV. Anche le gocce più piccole di CMK, oggi fino a 4 picolitri, sono troppo grandi per il fotorealismo. Tuttavia, se si include un set secondario di magenta chiaro (lm) e ciano chiaro (lc), gli artefatti dei singoli punti vengono eliminati. L’opzione CMYKlclmW è disponibile per questo mercato presso gli OEM delle stampanti.

La decolorazione alla luce solare può essere un grave problema di durabilità della stampa. Poiché gli inchiostri UV utilizzano pigmenti e non coloranti, sono intrinsecamente meno sensibili alla luce solare rispetto agli inchiostri da ufficio. Un’ottima resistenza alla decolorazione si ottiene quando gli inchiostri sono prodotti con pigmenti dell’industria delle vernici per autoveicoli. Pur essendo più costosi, vengono utilizzati negli inchiostri premium. La luce solare può anche degradare il polimero, provocando sfarinamento e fragilità.

La stabilità del polimero alla luce UV è diventata necessaria fin dai primi tempi del getto d’inchiostro UV per supportare il settore della pubblicità esterna. Si ottiene attraverso la scelta di monomeri e oligomeri, l’incorporazione di stabilizzanti e, nelle situazioni più impegnative, con vernici di finitura. Un’esposizione alla luce esterna di cinque anni è un’aspettativa comunemente soddisfatta.

Gli additivi sono essenziali in tutte le formulazioni di inchiostro. Gli inchiostri per la stampa su materie plastiche contengono comunemente promotori di adesione. L’espulsione e la formazione delle gocce, ovviamente centrali nel getto d’inchiostro, richiedono equilibri accurati di modificatori di viscosità e tensioattivi. Se non sono corretti, l’inchiostro può nebulizzarsi o bagnare la testina, due situazioni insoddisfacenti. Gli stessi composti controllano anche la bagnatura e il flusso dell’inchiostro sul substrato, ovvero l’adesione e l’allargamento del punto. In genere sono ottimizzati per una particolare chimica superficiale, ma esistono dei limiti. Ad esempio, un inchiostro in grado di bagnare un substrato a bassa energia superficiale gocciolerà dalla testina. Per questo motivo molte superfici devono essere trattate per portarle nell’intervallo di funzionalità dell’inchiostro.

Pretrattamenti superficiali: compatibilità tra inchiostro e substrato plastico

Gli inchiostri per getto d’inchiostro hanno bassa viscosità e bassa tensione superficiale, che creano difficoltà di adesione su molti substrati polimerici come acetali, poliolefine e poliuretani. Questi tipi di materie plastiche chimicamente inerti sono idrofobici e non naturalmente bagnabili. Si consideri una singola goccia di fluido liquido su una superficie solida piana a riposo (equilibrio). L’angolo formato dalla superficie solida e dalla tangente alla superficie superiore nel punto finale è detto angolo di contatto: è l’angolo (x) tra la tangente nel punto di contatto e la linea orizzontale della superficie solida. Si veda la Figura 2.

La forma della bolla/goccia è dovuta alle forze molecolari per cui tutti i liquidi, tramite la contrazione della superficie, tendono a portare il volume contenuto in una forma con la minima area superficiale. Le forze intermolecolari che contraggono la superficie sono dette “tensione superficiale”. La tensione superficiale, una misura dell’energia superficiale, si esprime in dyne/cm. Quanto più alta è l’energia superficiale del substrato solido rispetto alla tensione superficiale di un liquido (acqua, inchiostri da stampa, adesivi/incapsulanti, rivestimenti ecc.), tanto migliore sarà la sua “bagnabilità” e tanto minore l’angolo di contatto (Figura 2). Come regola generale, un’adesione accettabile si ottiene quando l’energia superficiale di un substrato è circa 8-10 dyne/cm superiore alla tensione superficiale del liquido.

In realtà fluidi e angoli di contatto sono dinamici, non statici. Si veda la Figura 3. L’angolo di contatto dinamico (DCA) è il più importante. Quando una goccia è aderente a una superficie solida e la superficie solida viene inclinata, la goccia si sposta in avanti e scivola verso il basso. Gli angoli formati sono detti, rispettivamente, angolo di avanzamento (θa) e angolo di recessione (θr).

Si ritiene in genere che gli angoli di contatto siano influenzati sia dalle variazioni della chimica superficiale sia da quelle della topografia superficiale. L’angolo di contatto di avanzamento è più sensibile ai componenti a bassa energia (non modificati) della superficie del substrato, mentre l’angolo di recessione è più sensibile ai gruppi ossidati ad alta energia introdotti dai pretrattamenti superficiali. Pertanto l’angolo di recessione è in realtà la misura più caratteristica del componente modificato della superficie dopo i pretrattamenti, come misurato con soluzioni di dyne. È quindi importante misurare sia l’angolo di contatto di avanzamento sia quello di recessione su tutti i materiali con superficie modificata.

Anche la velocità della macchina da stampa può influire sulla tensione superficiale effettiva dell’inchiostro. Un inchiostro che misura staticamente 25 dyne di tensione superficiale potrebbe comportarsi dinamicamente come un inchiostro con 40 dyne di tensione superficiale su una macchina da stampa ad alta velocità2. Le azioni delle testine e dei sistemi di stampa a getto d’inchiostro sui fluidi erogati possono influire in modo significativo sul modo in cui i componenti del fluido si riallineano durante l’erogazione e l’interazione con la superficie di stampa e con altri strati di inchiostro o rivestimento. Con l’aumentare della frequenza con cui le testine a getto d’inchiostro possono espellere gocce e della velocità delle stampanti e delle macchine a getto d’inchiostro con array a tutta larghezza a passaggio singolo, le interazioni di tensione superficiale tra inchiostri, rivestimenti e substrati pongono ulteriori sfide.

Vi è una forte tendenza, da parte dei produttori, a concentrarsi solo sulle misure dell’angolo di contatto come unico indicatore per individuare problemi di adesione ed eseguire prove superficiali di routine. Altrettanto importante è la funzionalità chimica della superficie, con cui le superfici idrofobiche vengono attivate rendendole idrofile e incollabili. Per l’attivazione chimica della superficie si utilizzano processi di pretrattamento di ossidazione superficiale in fase gassosa a “scarica a bagliore”. I pretrattamenti superficiali risolvono la maggior parte dei problemi di adesione dell’inchiostro aumentando l’energia superficiale del substrato e creando una funzionalità chimica ossidativa.

I metodi di ossidazione superficiale in fase gassosa comprendono il trattamento corona (scarica elettrica), il trattamento a fiamma (flammatura), il plasma freddo e l’irraggiamento ultravioletto. Ciascun metodo è specifico per l’applicazione e presenta vantaggi unici e potenziali limitazioni. La reazione chimica e fisica di base che si verifica tra elettroni liberi, ioni, metastabili, radicali e UV, quando generati nel plasma, può colpire una superficie con energie sufficienti a rompere i legami molecolari sulle superfici della maggior parte dei substrati polimerici. Ciò crea radicali liberi molto reattivi sulla superficie del polimero, che a loro volta possono formare legami, reticolare o, in presenza di ossigeno, reagire rapidamente formando vari gruppi funzionali chimici sulla superficie del substrato. I gruppi funzionali polari che possono formarsi e migliorare l’incollabilità comprendono i gruppi carbonile (C=O), carbossile (HOOC), idroperossido (HOO-) e ossidrile (HO-). Anche piccole quantità di gruppi funzionali reattivi incorporati nei polimeri possono essere molto utili per migliorare la funzionalità chimica superficiale e la bagnabilità.

Il grado o la qualità del trattamento dipendono dalla pulizia della superficie plastica. La superficie deve essere pulita per ottenere un pretrattamento ottimale e la successiva adesione dell’inchiostro. Contaminazioni superficiali come distaccante siliconico, sporco, polvere, grasso, oli e impronte digitali inibiscono il trattamento. Anche la purezza del materiale è un fattore importante. La durata di conservazione delle materie plastiche trattate dipende dal tipo di resina, dalla formulazione e dall’ambiente di stoccaggio. La durata di conservazione dei prodotti trattati è limitata dalla presenza di sostanze quali antiossidanti, plastificanti, agenti di scorrimento e antistatici, coloranti e pigmenti, stabilizzanti ecc. L’esposizione delle superfici trattate a temperature elevate aumenta la mobilità delle catene molecolari: quanto maggiore è la mobilità delle catene, tanto più rapido è l’invecchiamento del trattamento. La mobilità delle catene polimeriche nei materiali trattati fa sì che i siti di legame creati dal trattamento si allontanino dalla superficie. Questi componenti possono infine migrare verso la superficie del polimero. Si raccomanda pertanto di incollare, rivestire, verniciare, stampare o decorare il prodotto il prima possibile dopo il pretrattamento.

Conclusione

Il getto d’inchiostro UV digitale sta rivoluzionando la stampa e la decorazione dei prodotti plastici tridimensionali. Il getto d’inchiostro è un processo complesso e multivariabile. Vi sono sfide significative per la stampa su polimeri difficili da incollare, che vanno oltre gli inchiostri e le stampanti standard degli OEM. Gli inchiostri a bassa viscosità espulsi su materie plastiche a bassa energia superficiale sono incompatibili dal punto di vista chimico e fisico e richiedono spesso un pretrattamento per risolvere i problemi di adesione. Sebbene la tecnologia di polimerizzazione UV offra vantaggi significativi, gli inchiostri polimerizzati in modo improprio sono pericolosi. La comprensione delle complessità della stampa a getto d’inchiostro e della scienza delle superfici dei materiali consente soluzioni personalizzate per soddisfare le esigenze di nuove applicazioni.

Riferimenti bibliografici

• “Solving the Problems of Plastics Adhesion”, Plastics Engineering, April 2011, Scott R. Sabreen, The Sabreen Group Inc.
• “Some Things to Remember About Dynamic Surface Tension”, PFFC, April 2003, Dr. Richard M. Podhajny, Ph.D.

Scott R. Sabreen è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., una società di ingegneria specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura, marcatura laser e sicurezza del prodotto. Sviluppa nuove tecnologie e risolve problemi di produzione da oltre 25 anni. Può essere contattato al numero 888.SABREEN oppure visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., ha fondato SPF-Inc nel 2000 per servire i settori della stampa e dell’imballaggio, con particolare attenzione all’adattamento della stampa digitale a nuovi mercati e applicazioni. Nanochimico di formazione, circa la metà dei suoi 25 brevetti statunitensi riguarda la stampa digitale. È membro di SGIA, TAPPI e Radtech. Può essere contattato all’indirizzo [email protected].

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