Innovación en tecnologías de inyección de tinta para productos plásticos

Innovación en tecnologías de inyección de tinta para productos plásticos

La demanda de impresión digital por inyección de tinta sobre productos plásticos tridimensionales crece de forma exponencial. Los retos de aplicación para lograr operaciones robustas son la química óptima de la tinta y el diseño del cabezal, la compatibilidad entre la tinta y el sustrato polimérico, y el curado. Este artículo analiza los factores de proceso importantes que combinan la compatibilidad con la superficie polimérica al extender la inyección de tinta hacia nuevas oportunidades.

La impresión por inyección de tinta es mucho más compleja y delicada que la impresión analógica. La inyección de tinta requiere que las boquillas disparen gotas de tamaño preciso con exactitud absoluta. Los sistemas de impresión por inyección de tinta de alta calidad deben integrar simultáneamente cabezales, fluidos, controladores electrónicos, pretratamiento y curado. Todos estos elementos deben trabajar en conjunto para producir los resultados previstos. La mayoría de las empresas que invierten en tecnología de inyección de tinta desean decorar múltiples sustratos. Dado que con frecuencia existen diferencias químicas y físicas sustanciales entre los plásticos, incluso dentro de la misma familia de polímeros, resulta difícil imprimir sobre todos los materiales. Así, existe una paradoja técnica de impresión, que se ilustra con un banco estable de tres patas (Figura 1).

Hay tres parámetros principales de entrada del proceso, cada uno representado por una pata: 1) el sustrato polimérico, 2) la impresora de inyección de tinta y 3) la compatibilidad entre tinta y pretratamiento. Todos los elementos deben ser estables para lograr una excelente calidad de impresión. Modificar cualquiera de las patas del proceso tiene un efecto desequilibrante que obliga a modificar las demás. La impresión por inyección de tinta sobre geometrías plásticas con contornos se complica aún más porque hay relativamente pocas opciones de impresoras y cabezales de OEM. Cada OEM limita las tintas certificadas desarrolladas para una gama limitada. Un conocimiento profundo de las complejidades de la impresión por inyección de tinta y de la ciencia de superficies permite capacidades y resultados sin precedentes.

Puntos clave

• Las tintas UV curan al instante y no emiten solventes, pero se adhieren directamente solo a una gama limitada de plásticos.
• El aglutinante se forma durante el curado, por reacción en cadena de monómeros y oligómeros, a diferencia de cualquier otro tipo de tinta.
• El color solo con pigmentos tiene límites reales. Las tintas CMYK son parcialmente opacas y ocultan las capas inferiores, lo que excluye muchos colores directos Pantone populares.
• La baja viscosidad y la baja tensión superficial dificultan la adhesión en acetales, poliolefinas y poliuretanos.
• Una tinta curada de forma inadecuada es peligrosa, no solo deficiente en lo estético.

Tintas de inyección curables por UV

La tinta de inyección curable por ultravioleta (UV) se ha adoptado ampliamente para imprimir productos plásticos tridimensionales. Las tintas curables por UV secan al instante, se adhieren directamente a un número limitado de plásticos, no emiten solventes y están disponibles para algunas plataformas de OEM. Ampliar la gama a sustratos poliméricos «difíciles de adherir» requiere experiencia en formulación a la medida para cumplir los estrictos requisitos de decoración e impresión. Los formuladores deben conocer las químicas únicas que proporcionan fluidos capaces de microproyectarse y los mecanismos de curado que garantizan un endurecimiento rápido, así como las propiedades físicas y químicas de la tinta resultante, por lo que el trabajo es más complicado que con cualquier otro tipo de tinta.

La mayor parte de cualquier tinta seca es el aglutinante: atrapa el color en su lugar, lo protege de la abrasión y se adhiere a la superficie. El aglutinante normalmente es un polímero. La impresión con tintas UV difiere de otros tipos porque el polímero se forma durante el curado por reacción en cadena de monómeros y oligómeros. Los monómeros son líquidos de baja viscosidad, por lo que también funcionan como portador líquido de la tinta y eliminan la necesidad de agua o solvente; por eso las tintas de curado UV son 100 por ciento sólidos y una alternativa ideal a las tintas de solvente. Los oligómeros (moléculas reactivas más grandes) tienen múltiples funcionalidades químicas y son críticos para construir correctamente el aglutinante.

La polimerización se inicia con una breve exposición a la luz UV, que es radiación electromagnética con una longitud de onda más corta y mayor energía que la luz visible. El UV cercano (longitud de onda de 390 a 200 nanómetros) se utiliza para la mayor parte del curado UV. Se subdivide en UV-A (390 a 320 nanómetros) u onda larga, UV-B (320 a 280 nanómetros) u onda media, y UV-C (280 a 200 nanómetros) u onda corta. Además del UV cercano, otras categorías de UV incluyen el UV lejano (200 a 10 nanómetros) y el UV profundo (31 a 1 nanómetros). La longitud de onda pico más común en las lámparas convencionales de curado UV de mercurio es de 365 nanómetros, también conocida como línea I del mercurio (espectro de luz).

Los componentes reactivos a UV son los fotoiniciadores: compuestos que absorben la energía y se dividen para producir especies químicas altamente reactivas, radicales libres o catiónicas según el tipo. Cada una puede unirse a una parte de un monómero u oligómero, lo que transfiere la actividad a otra parte, que a su vez puede reaccionar con otro monómero, y así sucesivamente hasta construir el polímero.

Las tintas UV de inyección por radicales libres dominan el mercado debido a su costo relativamente bajo y a la amplia disponibilidad de monómeros, generalmente acrilatos. Estos ofrecen una gama de polímeros con características de desempeño deseables, desde resistencia duradera a la abrasión hasta flexibilidad. Una desventaja de la polimerización por radicales libres es su sensibilidad inherente al oxígeno del aire, por lo que las longitudes de cadena suelen ser cortas. Aunque las reacciones pueden ser muy rápidas, el entrecruzamiento cesa en la práctica cuando desaparece la luz UV. En consecuencia, las formulaciones tienen altos contenidos de fotoiniciador. Aunque las tintas de radicales libres representan la gran mayoría del consumo de tinta de inyección de curado UV, las tintas catiónicas de curado UV están surgiendo para necesidades sofisticadas.

La polimerización catiónica ofrece una familia de químicos totalmente distinta, con generalmente mejor adhesión y una reacción que continúa después de terminada la exposición. Una polimerización extensa es esencial cuando existe la posibilidad de contacto con alimentos y no se desean monómeros sin reaccionar. Además, el entrecruzamiento continuo es benéfico en recubrimientos gruesos. Las tintas de curado UV son necesariamente absorbentes de UV, por lo que las regiones inferiores de las tintas gruesas reciben mucha menos radiación y no curan de inmediato tanto como las superiores, pero las tintas catiónicas seguirán polimerizando durante las horas siguientes.

Aunque las tintas catiónicas no sufren inhibición por oxígeno en su polimerización, la humedad sí puede afectarlas. Como el agua puede reaccionar con los compuestos intermedios catiónicos, los niveles de humedad relativa superiores a 80 por ciento pueden retardar el curado. Las tintas catiónicas pueden utilizar fuentes UV de menor energía para iniciar la polimerización que las tintas de radicales libres. Generan menos calor que los focos UV de mercurio de alta energía utilizados en muchos sistemas de radicales libres y pueden imprimir sustratos sensibles a la temperatura. Los principales proveedores de tintas no ofrecen tintas catiónicas porque los volúmenes demandados son demasiado pequeños y el esfuerzo para cumplir las expectativas de los OEM es excesivo. Sin embargo, están disponibles con fabricantes especializados interesados en desarrollar nuevas aplicaciones.

Muchos productos impresos tridimensionales los sostienen los consumidores en la mano y están sujetos a una inspección visual muy cercana. El texto alfanumérico puede ser de 6 puntos o menor. Para evitar artefactos visibles y asegurar la legibilidad, se requiere impresión de muy alta resolución. La impresión por inyección de tinta de alta resolución tiene dos componentes principales: el espaciado de los puntos sobre el sustrato y el tamaño (volumen) de las gotas que forman los puntos. Las tecnologías analógicas hablan de espaciado de líneas o tamaño de trama, a menudo de unas 300 líneas por pulgada, pero tienen rangos muy amplios de tamaño de punto: literalmente de 0 a 100 por ciento de cobertura en incrementos de un uno por ciento. Los cabezales de inyección de tinta UV aún no igualan los puntos analógicos más pequeños, ni tienen una escala de grises ajustable de forma infinita. Y el espaciado nativo de las boquillas rara vez es superior a 300 dpi. La alta resolución se obtiene con una colocación cercana de las gotas (actualmente hasta 1,800 × 1,800 dpi), lo que requiere múltiples pasadas y pasos diminutos en la impresora típica de cabezal oscilante. El resultado es impresionante, pero a costa de la velocidad de impresión.

Preguntas frecuentes

¿Por qué las tintas de inyección UV se adhieren a algunos plásticos y a otros no?

Las tintas de inyección tienen baja viscosidad y baja tensión superficial, mientras que los plásticos químicamente inertes, como los acetales, las poliolefinas y los poliuretanos, son hidrofóbicos y no se humectan de forma natural. Sin un pretratamiento que eleve la energía superficial del sustrato, la tinta no puede lograr el contacto íntimo que requiere la adhesión.

¿Puede la inyección de tinta igualar los colores directos Pantone?

No de manera fiable. Las tintas UV usan únicamente colorantes pigmentados y el juego CMYK ofrece una gama amplia porque las capas pueden ser gruesas, pero los pigmentos son parcialmente opacos y ocultan los colores inferiores. La intensidad no se traduce por completo en colores secundarios, lo que excluye varios colores Pantone populares entre las grandes marcas.

¿Por qué no se pueden simplemente añadir colores directos a una máquina de inyección de tinta?

Cambiar un color directo en una impresora de inyección de tinta es mucho más difícil que en la impresión flexográfica o analógica. Las máquinas con seis, ocho o diez cabezales podrían llevarlos, pero la carga del cambio hace que este enfoque no sea popular.

¿Qué hace más difícil la formulación de tintas UV que la de otros tipos de tinta?

El formulador debe entregar un fluido que se microproyecte de forma fiable, cure con rapidez y produzca las propiedades físicas y químicas requeridas en la película terminada, y el polímero aglutinante solo se forma durante el curado. Esa combinación hace que el trabajo sea más complicado que con cualquier otro tipo de tinta.

¿Cuáles son los riesgos de curar insuficientemente la tinta UV?

Las tintas mal curadas son peligrosas, no solo pegajosas o quebradizas. El curado debe ajustarse a la química de la tinta y a la especificación de la lámpara, en lugar de darse por hecho.

Pigmentos y paletas de color

Las tintas UV usan únicamente colorantes pigmentados, pero la gama es amplia y no constituye una limitación seria. Los avances en formulación y fabricación de tintas permiten a los fabricantes ofrecer blanco (W), especialmente útil como base sobre sustratos de color oscuro o como fondo sobre material transparente. Los colores primarios de inyección de tinta (cian, magenta, amarillo y negro, CMYK) en conjunto ofrecen una amplia gama de color porque las capas de tinta pueden ser gruesas. Sin embargo, al estar basadas en pigmentos, son al menos parcialmente opacas y ocultan los colores inferiores. La intensidad no se traduce por completo en los colores secundarios, lo que excluye varios colores Pantone populares entre las grandes marcas. La impresión analógica usa colores directos formulados específicamente. Podrían estar disponibles en este mercado, especialmente con máquinas de 6, 8 y 10 cabezales, pero no son populares porque es mucho más difícil cambiar un color directo en una impresora de inyección de tinta que en la impresión flexográfica o serigráfica. Esto también choca con la capacidad de lo digital de cambiar de trabajo con imágenes consecutivas. Una alternativa es emplear juegos de tintas de gama extendida con tintas intensas de tono intermedio entre CM y Y. El rojo, verde y azul (RGB), o el naranja, verde y violeta (OGV), se utilizan en la impresión de etiquetas y publicidad para ampliar la gama y cubrir la mayoría de los colores de marca brillantes, especificados e intensos. Estos colores también pueden formularse a la medida para productos plásticos tridimensionales.

Reproducir colores claros, especialmente los tonos de piel, es una dificultad constante en la impresión por inyección de tinta de curado UV. Incluso las gotas más pequeñas de CMYK, hoy de tan solo 4 picolitros, son demasiado grandes para el fotorrealismo. Sin embargo, si se incluye un juego secundario de magenta claro (lm) y cian claro (lc), se eliminan los artefactos de los puntos individuales. Los OEM de impresoras ofrecen a este mercado la opción CMYKlclmW.

El desvanecimiento por la luz solar puede ser una preocupación importante de durabilidad de la impresión. Como las tintas UV usan pigmentos, no colorantes solubles, son inherentemente menos sensibles a la luz solar que las tintas de escritorio. Se obtiene muy buena resistencia al desvanecimiento cuando las tintas se fabrican con pigmentos de la industria de pinturas automotrices. Aunque son más costosos, se usan en tintas premium. La luz solar también puede degradar el polímero y producir caleo y fragilidad.

La estabilidad del polímero bajo luz UV se volvió necesaria desde los inicios de la inyección de tinta UV para dar soporte a la industria de publicidad exterior. Se obtiene mediante la selección de monómeros y oligómeros, la incorporación de estabilizadores y, en las situaciones más exigentes, barnices de sobreimpresión. Una exposición a la luz exterior de cinco años es una expectativa que se cumple comúnmente.

Los aditivos son esenciales en todas las formulaciones de tinta. Las tintas para imprimir plásticos suelen contener promotores de adhesión. El proyectado y la formación de gotas, evidentemente centrales en la inyección de tinta, requieren balances cuidadosos de modificadores de viscosidad y surfactantes. Si no son correctos, la tinta puede formar neblina o mojar el cabezal, y ninguna de las dos cosas es satisfactoria. Estos mismos compuestos también controlan la humectación y el flujo de la tinta sobre el sustrato, es decir, la adhesión y la ganancia de punto. Generalmente se optimizan para una química de superficie particular, pero existen limitaciones. Por ejemplo, una tinta que humecte un sustrato de baja energía superficial goteará del cabezal. Por ello, muchas superficies deben tratarse para colocarlas en el rango de funcionalidad de la tinta.

Pretratamientos de superficie: compatibilidad entre la tinta y el sustrato plástico

Las tintas de inyección tienen baja viscosidad y baja tensión superficial, lo que genera retos de unión por adhesión en muchos sustratos poliméricos, como los acetales, las poliolefinas y los poliuretanos. Estos tipos de plásticos químicamente inertes son hidrofóbicos y no se humectan de forma natural. Considere una sola gota de fluido líquido sobre una superficie sólida plana en reposo (equilibrio). El ángulo formado por la superficie sólida y la línea tangente a la superficie superior de la gota en el punto extremo se denomina ángulo de contacto; es el ángulo (x) entre la línea tangente en el punto de contacto y la línea horizontal de la superficie sólida. Véase la Figura 2.

La forma de la burbuja o gota se debe a las fuerzas moleculares por las cuales todos los líquidos, mediante la contracción de la superficie, tienden a formar el volumen contenido con la menor área superficial. Las fuerzas intermoleculares que contraen la superficie se denominan «tensión superficial». La tensión superficial, una medida de la energía superficial, se expresa en dinas/cm. Cuanto mayor sea la energía superficial del sustrato sólido respecto de la tensión superficial de un líquido (agua, tintas de impresión, adhesivos y encapsulantes, recubrimientos, etc.), mejor será su «humectabilidad» y menor será el ángulo de contacto (Figura 2). Como regla general, se logra una adhesión aceptable cuando la energía superficial de un sustrato es aproximadamente de 8 a 10 dinas/cm mayor que la tensión superficial del líquido.

En la realidad, los fluidos y los ángulos de contacto son dinámicos, no estáticos. Véase la Figura 3. El ángulo de contacto dinámico (DCA) es el más importante. Cuando una gota está adherida a una superficie sólida y esta se inclina, la gota se desplaza hacia adelante y se desliza hacia abajo. Los ángulos formados se denominan, respectivamente, ángulo de avance (θa) y ángulo de retroceso (θr).

En general se considera que los ángulos de contacto se ven afectados tanto por cambios en la química de la superficie como por cambios en su topografía. El ángulo de contacto de avance es más sensible a los componentes de baja energía (sin modificar) de la superficie del sustrato, mientras que el ángulo de retroceso es más sensible a los grupos oxidados de alta energía introducidos por los pretratamientos de superficie. Por lo tanto, el ángulo de retroceso es en realidad la medición más característica del componente modificado de la superficie tras los pretratamientos, medido con soluciones de dinas. Por ello, es importante medir tanto el ángulo de contacto de avance como el de retroceso en todos los materiales con la superficie modificada.

La velocidad de la prensa de impresión también puede afectar la tensión superficial efectiva de la tinta. Una tinta que en condiciones estáticas mide 25 dinas de tensión superficial podría comportarse dinámicamente como una tinta con 40 dinas de tensión superficial en una prensa de alta velocidad². Las acciones de los cabezales y sistemas de impresión por inyección de tinta sobre los fluidos que dispensan pueden afectar de manera significativa la forma en que los componentes del fluido se realinean durante la dispensación y la interacción con la superficie de impresión y con otras capas de tinta o recubrimiento. A medida que la frecuencia a la que los cabezales pueden expulsar gotas aumenta a niveles más altos, y que la velocidad de las impresoras y prensas de inyección de tinta crece con arreglos de ancho completo de una sola pasada, las interacciones de tensión superficial de tintas, recubrimientos y sustratos plantean retos adicionales.

Existe una fuerte tendencia de los fabricantes a centrarse únicamente en las mediciones del ángulo de contacto como único predictor para determinar problemas de unión y realizar pruebas rutinarias de superficie. Igualmente importante es la funcionalidad química de la superficie, mediante la cual las superficies hidrofóbicas se activan y se convierten en superficies hidrofílicas aptas para el pegado. Para la activación química de la superficie se utilizan procesos de pretratamiento por oxidación superficial en fase gaseosa, de «descarga luminiscente». Los pretratamientos de superficie resolverán la mayoría de los problemas de adhesión de la tinta al aumentar la energía superficial del sustrato y crear funcionalidad química oxidativa.

Los métodos de oxidación superficial en fase gaseosa incluyen la descarga corona eléctrica, el tratamiento a la flama, el plasma frío de gas y la irradiación ultravioleta. Cada método es específico de la aplicación y tiene ventajas únicas y posibles limitaciones. La reacción química y física básica que ocurre en electrones libres, iones, especies metaestables, radicales y UV, cuando se generan en el plasma, puede impactar una superficie con energías suficientes para romper los enlaces moleculares en la superficie de la mayoría de los sustratos poliméricos. Esto crea radicales libres muy reactivos en la superficie del polímero, que a su vez pueden formar entrecruzamientos o, en presencia de oxígeno, reaccionar rápidamente para formar diversos grupos funcionales químicos en la superficie del sustrato. Los grupos funcionales polares que pueden formarse y mejorar la capacidad de pegado incluyen los grupos carbonilo (C=O), carboxilo (HOOC), hidroperóxido (HOO-) e hidroxilo (HO-). Incluso pequeñas cantidades de grupos funcionales reactivos incorporados en los polímeros pueden ser muy benéficas para mejorar la funcionalidad química de la superficie y la humectabilidad.

El grado o la calidad del tratamiento se ve afectado por la limpieza de la superficie del plástico. La superficie debe estar limpia para lograr un pretratamiento óptimo y la posterior adhesión de la tinta. La contaminación superficial, como el desmoldante de silicón, la suciedad, el polvo, la grasa, los aceites y las huellas dactilares, inhibe el tratamiento. La pureza del material también es un factor importante. La vida útil de los plásticos tratados depende del tipo de resina, la formulación y el ambiente del área de almacenamiento. La vida útil de los productos tratados está limitada por la presencia de materiales como antioxidantes, plastificantes, agentes deslizantes y antiestáticos, colorantes y pigmentos, estabilizadores, etc. La exposición de las superficies tratadas a temperaturas elevadas aumenta la movilidad de las cadenas moleculares: cuanto mayor es la movilidad de las cadenas, más rápido es el envejecimiento del tratamiento. La movilidad de las cadenas poliméricas en los materiales tratados hace que los sitios de unión creados por el tratamiento se alejen de la superficie. Estos componentes pueden migrar eventualmente a la superficie del polímero. Por lo tanto, se recomienda pegar, recubrir, pintar, imprimir o decorar el producto tan pronto como sea posible después del pretratamiento.

Conclusión

La inyección de tinta UV digital está revolucionando la impresión y la decoración de productos plásticos tridimensionales. La inyección de tinta es un proceso complejo y de múltiples variables. Existen retos significativos para imprimir sobre polímeros difíciles de adherir, que van más allá de las tintas e impresoras estándar de los OEM. Las tintas de baja viscosidad proyectadas sobre plásticos de baja energía superficial son química y físicamente incompatibles y con frecuencia requieren pretratamiento para resolver los problemas de adhesión. Aunque la tecnología de curado UV tiene beneficios significativos, las tintas curadas de forma inadecuada son peligrosas. Comprender las complejidades de la impresión por inyección de tinta y de la ciencia de superficies de los materiales permite soluciones a la medida que satisfacen las exigencias de nuevas aplicaciones.

Referencias

• “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 es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: pretratamiento de superficies, pegado, decoración y acabado, marcado láser y seguridad del producto. Ha desarrollado nuevas tecnologías y resuelto problemas de manufactura durante más de 25 años. Puede contactarlo al 888.SABREEN o visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., fundó SPF-Inc en 2000 para atender a las industrias de la impresión y el empaque, con enfoque en adaptar la impresión digital a nuevos mercados y aplicaciones. Nanoquímico de formación, cerca de la mitad de sus 25 patentes estadounidenses están relacionadas con la impresión digital. Es miembro de SGIA, TAPPI y Radtech. Puede contactarlo en [email protected].

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