Inovando em tecnologias de jato de tinta para produtos plásticos

Inovando em tecnologias de jato de tinta para produtos plásticos

A demanda por impressão digital a jato de tinta em produtos plásticos tridimensionais cresce de forma exponencial. Os desafios de aplicação para obter operações robustas são a química da tinta e o projeto do cabeçote de impressão ideais, a compatibilidade entre a tinta e o substrato polimérico e a cura. Este artigo discute os principais fatores de processo que combinam a compatibilidade da superfície polimérica ao levar o jato de tinta a novas oportunidades.

A impressão a jato de tinta é muito mais complexa e delicada do que a impressão analógica. O jato de tinta exige que os bicos disparem gotas de tamanho preciso com exatidão. Sistemas de impressão a jato de tinta de alta qualidade precisam integrar simultaneamente cabeçotes de impressão, fluidos, controladores eletrônicos, pré-tratamento e cura. Todos esses itens devem funcionar juntos para produzir os resultados desejados. A maioria das empresas que investem em tecnologia de jato de tinta deseja decorar vários substratos. Como muitas vezes há diferenças químicas e físicas substanciais entre plásticos, mesmo dentro da mesma família de polímeros, imprimir em todos os materiais é um desafio. Existe, portanto, um paradoxo técnico de impressão, ilustrado por um banco estável de três pernas (Figura 1).

Há três parâmetros principais de entrada do processo, cada um representado por uma perna: 1) substrato polimérico, 2) impressora a jato de tinta e 3) compatibilidade entre tinta e pré-tratamento. Todos os elementos devem estar estáveis para alcançar excelente qualidade de impressão. Alterar qualquer uma das pernas do processo causa desequilíbrio e exige modificações nas demais. A impressão a jato de tinta em geometrias plásticas contornadas é ainda mais complicada, pois há relativamente poucas opções de impressoras/cabeçotes dos fabricantes originais (OEMs). Cada OEM limita as tintas certificadas, desenvolvidas para uma gama restrita. O conhecimento profundo das particularidades da impressão a jato de tinta e da ciência de superfície permite capacidades e resultados sem precedentes.

Principais conclusões

• As tintas UV curam instantaneamente e não emitem solvente, mas aderem diretamente a uma gama limitada de plásticos.
• O ligante se forma durante a cura, por reação em cadeia de monômeros e oligômeros, ao contrário de todos os outros tipos de tinta.
• A cor apenas por pigmentos tem limites reais. As tintas CMYK são parcialmente opacas e mascaram as camadas abaixo, o que exclui muitas cores especiais Pantone populares.
• A baixa viscosidade e a baixa tensão superficial dificultam a adesão em acetais, poliolefinas e poliuretanos.
• Tinta curada de forma inadequada é perigosa, e não apenas esteticamente ruim.

Tintas para jato de tinta curáveis por UV

A tinta para jato de tinta curável por radiação ultravioleta (UV) tem sido amplamente adotada na impressão de produtos plásticos tridimensionais. As tintas curáveis por UV secam instantaneamente, aderem diretamente a um número limitado de plásticos, não emitem solventes e estão disponíveis para algumas plataformas de OEMs. Estender a gama a substratos poliméricos “de difícil colagem” exige conhecimento de formulação personalizada para atender aos requisitos rigorosos de decoração e impressão. Os formuladores precisam conhecer as químicas exclusivas que resultam em fluidos capazes de microjateamento e os mecanismos de cura que garantem endurecimento rápido, além das propriedades físicas e químicas da tinta resultante; por isso, o trabalho é mais complicado do que para qualquer outro tipo de tinta.

A maior parte de qualquer tinta seca é o ligante: ele prende a cor no lugar, a protege da abrasão e adere à superfície. O ligante normalmente é um polímero. A impressão com tinta UV difere dos demais tipos porque o polímero se forma durante a cura, por reação em cadeia de monômeros e oligômeros. Os monômeros são líquidos de baixa viscosidade, por isso também funcionam como veículo líquido da tinta e eliminam a necessidade de água ou solvente; é por isso que as tintas de cura UV têm 100 por cento de sólidos e são alternativas ideais às tintas à base de solvente. Os oligômeros (moléculas reativas maiores) têm múltiplas funcionalidades químicas e são essenciais para construir o ligante corretamente.

A polimerização é iniciada por uma breve exposição à luz UV, que é radiação eletromagnética com comprimento de onda menor e energia maior que a luz visível. O UV próximo (comprimento de onda de 390 a 200 nanômetros) é usado na maior parte da cura UV. Ele se subdivide em UV-A (390 a 320 nanômetros) ou onda longa, UV-B (320 a 280 nanômetros) ou onda média e UV-C (280 a 200 nanômetros) ou onda curta. Além do UV próximo, outras categorias de UV incluem o UV distante (200 a 10 nanômetros) e o UV profundo (31 a 1 nanômetros). O comprimento de onda de pico mais comum nas lâmpadas convencionais de mercúrio para cura UV é 365 nanômetros, também chamado de linha I do mercúrio (espectro de luz).

Os componentes reativos ao UV são os fotoiniciadores: compostos que absorvem a energia e se dividem, produzindo espécies químicas altamente reativas, radicais livres ou catiônicas, conforme o tipo. Cada uma pode se ligar a uma parte de um monômero ou oligômero, o que transfere a atividade a outra parte, que por sua vez pode reagir com outro monômero, e assim por diante até formar o polímero.

As tintas UV de radical livre para jato de tinta dominam o mercado por seu custo relativamente baixo e pela ampla disponibilidade de monômeros, geralmente acrilatos. Eles oferecem uma gama de polímeros com características de desempenho desejáveis, da durável resistência à abrasão à flexibilidade. Uma desvantagem da polimerização por radical livre é sua sensibilidade inerente ao oxigênio do ar, de modo que as cadeias costumam ser curtas. Embora as reações possam ser muito rápidas, a reticulação praticamente cessa quando a luz UV termina. Consequentemente, as formulações têm alto teor de fotoiniciador. Embora as tintas de radical livre respondam pela grande maioria do consumo de tintas de cura UV para jato de tinta, as tintas de cura UV catiônicas estão surgindo para necessidades sofisticadas.

A polimerização catiônica oferece uma família de produtos químicos completamente diferente, em geral com melhor adesão e com reação que continua após o fim da exposição. A polimerização extensa é essencial quando há possibilidade de contato com alimentos e monômeros não reagidos são indesejáveis. Além disso, a reticulação contínua é benéfica em revestimentos espessos. As tintas de cura UV são necessariamente absorvedoras de UV; assim, as regiões inferiores das tintas espessas recebem muito menos radiação e não curam de imediato tanto quanto as superiores, mas as tintas catiônicas continuam a polimerizar nas horas seguintes.

Embora as tintas catiônicas não sofram inibição da polimerização pelo oxigênio, a umidade pode ter efeito. Como a água pode reagir com os compostos intermediários catiônicos, níveis de umidade relativa acima de 80 por cento podem retardar a cura. As tintas catiônicas podem usar fontes de UV de menor energia para iniciar a polimerização do que as de radical livre. Elas geram menos calor do que as lâmpadas de mercúrio de alta energia usadas em muitos sistemas de radical livre e permitem imprimir em substratos sensíveis à temperatura. Os grandes fornecedores de tintas não oferecem tintas catiônicas, pois as demandas de volume são pequenas demais e o esforço para atender às expectativas dos OEMs é excessivo. Porém, elas estão disponíveis com fabricantes especializados interessados em desenvolver novas aplicações.

Muitos produtos impressos tridimensionais são segurados nas mãos dos consumidores e sujeitos a inspeção visual muito próxima. O texto alfanumérico pode ter corpo 6 ou menor. Para evitar artefatos visíveis e garantir a legibilidade, é necessária impressão de resolução muito alta. A impressão a jato de tinta de alta resolução tem dois componentes principais: o espaçamento dos pontos no substrato e o tamanho (volume) das gotas que formam os pontos. As tecnologias analógicas referem-se ao espaçamento de linhas ou à densidade da retícula, geralmente cerca de 300 linhas por polegada, mas têm faixas muito amplas de tamanho de ponto, literalmente de 0 a 100 por cento de cobertura em incrementos de um por cento. Os cabeçotes UV de jato de tinta ainda não conseguem igualar os menores pontos analógicos, nem têm escala de cinza ajustável de forma infinita. E o espaçamento nativo dos bicos raramente passa de 300 dpi. A alta resolução é obtida com o posicionamento próximo das gotas (hoje até 1.800×1.800 dpi), o que exige várias passagens e passos minúsculos na impressora típica de cabeçote oscilante. O resultado é impressionante, mas vem à custa da velocidade de impressão.

Perguntas frequentes

Por que as tintas UV para jato de tinta aderem a alguns plásticos e a outros não?

As tintas para jato de tinta têm baixa viscosidade e baixa tensão superficial, enquanto plásticos quimicamente inertes, como acetais, poliolefinas e poliuretanos, são hidrofóbicos e não molháveis naturalmente. Sem pré-tratamento para elevar a energia de superfície do substrato, a tinta não consegue estabelecer o contato íntimo que a adesão exige.

O jato de tinta consegue reproduzir cores especiais Pantone?

Não de forma confiável. As tintas UV usam apenas corantes pigmentados e o conjunto CMYK oferece uma grande gama de cores porque as camadas podem ser espessas, mas os pigmentos são parcialmente opacos e mascaram as cores abaixo. A intensidade não se traduz totalmente em cores secundárias, o que exclui várias cores Pantone populares entre grandes marcas.

Por que não é possível simplesmente adicionar cores especiais a uma máquina de jato de tinta?

É muito mais difícil trocar uma cor especial em uma impressora a jato de tinta do que na impressão flexográfica ou analógica. Máquinas com seis, oito ou dez cabeçotes poderiam comportá-las, mas o trabalho da troca faz com que essa abordagem seja pouco adotada.

O que torna a formulação de tinta UV mais difícil do que a de outros tipos de tinta?

O formulador precisa entregar um fluido que microjateie de forma confiável, cure rapidamente e produza as propriedades físicas e químicas exigidas no filme final, e o polímero ligante só se forma durante a cura. Essa combinação torna o trabalho mais complicado do que para qualquer outro tipo de tinta.

Quais são os riscos da subcura da tinta UV?

Tintas curadas de forma inadequada são perigosas, e não apenas pegajosas ou quebradiças. A cura deve ser ajustada à química da tinta e à especificação da lâmpada, e não presumida.

Pigmentos e paletas de cores

As tintas UV usam apenas corantes pigmentados, mas a gama é ampla e não é uma limitação séria. Os avanços em formulação e fabricação de tintas permitem aos fabricantes oferecer branco (W), especialmente útil como base em substratos de cor escura ou como fundo em substratos transparentes. As cores primárias do jato de tinta (ciano, magenta, amarelo e preto, ou CMYK) juntas oferecem uma grande gama de cores porque as camadas de tinta podem ser espessas. No entanto, por serem baseadas em pigmentos, são no mínimo parcialmente opacas e mascaram as cores abaixo. A intensidade não se traduz totalmente nas cores secundárias, o que exclui várias cores Pantone populares entre grandes marcas. A impressão analógica usa cores especiais formuladas especificamente. Elas poderiam estar disponíveis nesse mercado, especialmente em máquinas de 6, 8 e 10 cabeçotes, mas não são populares porque é muito mais difícil trocar uma cor especial em uma impressora a jato de tinta do que na impressão flexográfica ou serigráfica. Isso também conflita com a capacidade do digital de alternar trabalhos com imagens consecutivas. Uma alternativa é empregar conjuntos de tintas de gama estendida, com tintas intensas de matiz intermediário entre CM e Y. Vermelho, verde e azul (RGB), ou laranja, verde e violeta (OGV), são usados na impressão de rótulos e publicidade para ampliar a gama e cobrir a maioria das cores de marca brilhantes, especificadas e intensas. Essas cores também podem ser formuladas sob medida para produtos plásticos tridimensionais.

Reproduzir cores claras, especialmente tons de pele, é uma dificuldade constante na impressão a jato de tinta de cura UV. Mesmo as menores gotas de CMK, hoje de apenas 4 picolitros, são grandes demais para o fotorrealismo. No entanto, se um conjunto secundário de magenta claro (lm) e ciano claro (lc) for incluído, os artefatos dos pontos individuais são eliminados. A opção CMYKlclmW está disponível nesse mercado com os OEMs de impressoras.

O desbotamento sob a luz do sol pode ser uma grande preocupação de durabilidade da impressão. Como as tintas UV usam pigmentos, e não corantes solúveis, elas são inerentemente menos sensíveis à luz solar do que as tintas de mesa. Obtém-se resistência muito boa ao desbotamento quando as tintas são feitas com pigmentos da indústria de tintas automotivas. Embora mais caros, eles são usados em tintas premium. A luz solar também pode degradar o polímero, causando calcinação (chalking) e fragilidade.

A estabilidade do polímero sob luz UV tornou-se necessária no início da vida do jato de tinta UV para atender à indústria de publicidade externa. Ela é obtida pela seleção de monômeros e oligômeros, pela incorporação de estabilizantes e, nas situações mais exigentes, por vernizes de proteção. Uma exposição à luz externa de cinco anos é uma expectativa comumente atendida.

Os aditivos são essenciais em todas as formulações de tinta. As tintas para impressão em plásticos costumam conter promotores de adesão. O jateamento e a formação de gotas, obviamente centrais no jato de tinta, exigem equilíbrio cuidadoso entre modificadores de viscosidade e tensoativos. Se não estiver correto, a tinta pode formar névoa ou molhar excessivamente o cabeçote, e nenhuma das duas situações é satisfatória. Esses mesmos compostos também controlam o molhamento e o escoamento da tinta no substrato, ou seja, a adesão e o ganho de ponto. Geralmente são otimizados para uma química de superfície específica, mas há limitações. Por exemplo, uma tinta que molhe um substrato de baixa energia de superfície vazará do cabeçote de impressão. Por isso, muitas superfícies precisam ser tratadas para ficarem na faixa de funcionalidade da tinta.

Pré-tratamentos de superfície: compatibilidade entre tinta e substrato plástico

As tintas para jato de tinta têm baixa viscosidade e baixa tensão superficial, o que cria desafios de adesão em muitos substratos poliméricos, como acetais, poliolefinas e poliuretanos. Esses tipos de plásticos quimicamente inertes são hidrofóbicos e não molháveis naturalmente. Considere uma única gota de fluido líquido sobre uma superfície sólida plana em repouso (equilíbrio). O ângulo formado pela superfície sólida e pela linha tangente à superfície superior da gota no ponto extremo é chamado de ângulo de contato; é o ângulo (x) entre a linha tangente no ponto de contato e a linha horizontal da superfície sólida. Veja a Figura 2.

O formato de bolha/gota deve-se às forças moleculares pelas quais todos os líquidos, por contração da superfície, tendem a moldar o volume contido na forma de menor área superficial. As forças intermoleculares que contraem a superfície são chamadas de “tensão superficial”. A tensão superficial, uma medida da energia de superfície, é expressa em dynes/cm. Quanto maior a energia de superfície do substrato sólido em relação à tensão superficial de um líquido (água, tintas de impressão, adesivos/encapsulantes, revestimentos etc.), melhor será sua “molhabilidade” e menor será o ângulo de contato (Figura 2). Como regra geral, obtém-se adesão aceitável quando a energia de superfície de um substrato é aproximadamente 8 a 10 dynes/cm maior que a tensão superficial do líquido.

Na realidade, fluidos e ângulos de contato são dinâmicos, não estáticos. Veja a Figura 3. O ângulo de contato dinâmico (DCA) é o mais importante. Quando uma gota está presa a uma superfície sólida e a superfície é inclinada, a gota avança e desliza para baixo. Os ângulos formados são chamados, respectivamente, de ângulo de avanço (θa) e ângulo de recuo (θr).

Em geral, considera-se que os ângulos de contato são afetados tanto por mudanças na química da superfície quanto por mudanças na topografia da superfície. O ângulo de contato de avanço é mais sensível aos componentes de baixa energia (não modificados) da superfície do substrato, enquanto o ângulo de recuo é mais sensível aos grupos oxidados de alta energia introduzidos pelos pré-tratamentos de superfície. Assim, o ângulo de recuo é, na verdade, a medida mais característica do componente modificado da superfície após os pré-tratamentos, medido com soluções de dynes. Portanto, é importante medir os ângulos de contato de avanço e de recuo em todos os materiais com superfície modificada.

A velocidade da impressora também pode afetar a tensão superficial efetiva da tinta. Uma tinta que mede estaticamente 25 dynes de tensão superficial pode se comportar dinamicamente como uma tinta com 40 dynes de tensão superficial em uma impressora de alta velocidade2. A ação dos cabeçotes e dos sistemas de impressão a jato de tinta sobre os fluidos que dispensam pode afetar de forma significativa o modo como os componentes do fluido se realinham durante a dispensação e a interação com a superfície de impressão e com outras camadas de tinta ou revestimento. À medida que a frequência de ejeção de gotas dos cabeçotes aumenta e que a velocidade das impressoras e prensas a jato de tinta cresce com matrizes de largura total de passagem única, as interações de tensão superficial entre tintas, revestimentos e substratos apresentam desafios adicionais.

Há uma forte tendência de os fabricantes se concentrarem apenas nas medições do ângulo de contato como único indicador para determinar problemas de adesão e realizar testes de superfície de rotina. Igualmente importante é a funcionalidade química da superfície, pela qual superfícies hidrofóbicas são ativadas e se tornam superfícies hidrofílicas aderíveis. Processos de pré-tratamento por oxidação superficial em fase gasosa, do tipo “descarga luminescente”, são usados para a ativação química da superfície. Os pré-tratamentos de superfície resolverão a maioria dos problemas de adesão da tinta ao aumentar a energia de superfície do substrato e criar funcionalidade química oxidativa.

Os métodos de oxidação superficial em fase gasosa incluem descarga corona elétrica, tratamento a chama, plasma frio de baixa pressão e irradiação ultravioleta. Cada método é específico da aplicação e tem vantagens exclusivas e possíveis limitações. A reação química e física básica que ocorre com elétrons livres, íons, metaestáveis, radicais e UV, quando gerados no plasma, pode atingir uma superfície com energias suficientes para romper as ligações moleculares na superfície da maioria dos substratos poliméricos. Isso cria radicais livres muito reativos na superfície do polímero, que por sua vez podem se formar, reticular ou, na presença de oxigênio, reagir rapidamente para formar diversos grupos funcionais químicos na superfície do substrato. Os grupos funcionais polares que podem se formar e melhorar a aderência incluem os grupos carbonila (C=O), carboxila (HOOC), hidroperóxido (HOO-) e hidroxila (HO-). Mesmo pequenas quantidades de grupos funcionais reativos incorporados aos polímeros podem ser muito benéficas para melhorar a funcionalidade química da superfície e a molhabilidade.

O grau ou a qualidade do tratamento é afetado pela limpeza da superfície do plástico. A superfície deve estar limpa para obter o pré-tratamento ideal e, em seguida, a adesão da tinta. Contaminações superficiais, como desmoldante de silicone, sujeira, poeira, graxa, óleos e impressões digitais, inibem o tratamento. A pureza do material também é um fator importante. A vida útil dos plásticos tratados depende do tipo de resina, da formulação e do ambiente da área de armazenamento. A vida útil dos produtos tratados é limitada pela presença de materiais como antioxidantes, plastificantes, agentes de deslizamento e antiestáticos, corantes e pigmentos, estabilizantes etc. A exposição das superfícies tratadas a temperaturas elevadas aumenta a mobilidade das cadeias moleculares: quanto maior a mobilidade das cadeias, mais rápido o envelhecimento do tratamento. A mobilidade das cadeias poliméricas nos materiais tratados faz os sítios de ligação criados pelo tratamento se afastarem da superfície. Esses componentes podem, com o tempo, migrar para a superfície do polímero. Por isso, recomenda-se colar, revestir, pintar, imprimir ou decorar o produto o mais rápido possível após o pré-tratamento.

Conclusão

O jato de tinta UV digital está revolucionando a impressão e a decoração de produtos plásticos tridimensionais. O jato de tinta é um processo complexo e com muitas variáveis. Há desafios significativos para imprimir em polímeros de difícil colagem, que vão além das tintas e impressoras padrão dos OEMs. Tintas de baixa viscosidade jateadas em plásticos de baixa energia de superfície são química e fisicamente incompatíveis e frequentemente exigem pré-tratamento para resolver problemas de adesão. Embora a tecnologia de cura UV tenha benefícios significativos, tintas curadas de forma inadequada são perigosas. Compreender as particularidades da impressão a jato de tinta e da ciência de superfície dos materiais permite soluções personalizadas para atender às demandas de novas aplicações.

Referências

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

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., empresa de engenharia especializada em processos secundários de fabricação de plásticos: pré-tratamentos de superfície, colagem, decoração e acabamento, marcação a laser e segurança de produtos. Ele desenvolve novas tecnologias e resolve problemas de fabricação há mais de 25 anos. Ele pode ser contatado pelo telefone 888.SABREEN ou pelos sites www.sabreen.com ou www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., fundou a SPF-Inc em 2000 para atender às indústrias de impressão e embalagem, com foco em adaptar a impressão digital a novos mercados e aplicações. Nano-químico de formação, cerca de metade de suas 25 patentes nos EUA está relacionada à impressão digital. Ele é membro da SGIA, da TAPPI e da Radtech. Pode ser contatado pelo e-mail [email protected].

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