Encre métallique UV

3.12.1 Impression d'emballages métalliques

Les matériaux d'emballage métalliques, en tant que matériau d'emballage important dans le domaine de l'emballage, présentent de nombreux avantages par rapport aux autres matériaux d'emballage, tels que la recyclabilité, une bonne protection du contenu, un aspect et des formes diversifiés et des couleurs vives. Ils ont un grand potentiel de développement et sont reconnus par les consommateurs. Aujourd'hui, la tendance à la protection de l'environnement a gagné l'industrie de l'emballage et de l'impression, et l'"emballage vert" est devenu un sujet brûlant dans l'industrie de l'imprimerie et l'une des tendances de développement de la technologie des procédés de l'industrie de l'imprimerie. La consommation d'énergie élevée de l'industrie de l'impression d'emballages métalliques et les importantes émissions de gaz d'échappement au cours du processus de production sont devenues des facteurs importants qui limitent le développement et la croissance des entreprises d'emballages métalliques, et qui constituent également des obstacles au développement écologique de l'industrie de l'emballage métallique.

Ces dernières années, le procédé d'impression UV est devenu de plus en plus populaire dans l'industrie de l'impression d'emballages métalliques en raison de ses avantages évidents en matière d'économie d'énergie et de protection de l'environnement. Associé à ses énormes avantages en termes de coûts, il est devenu un moyen innovant d'économiser l'énergie et de protéger l'environnement, et il est de plus en plus recherché par les entreprises d'emballage métallique.

3.12.1.1 Procédé traditionnel d'impression du fer-blanc

Le fer-blanc est revêtu à l'intérieur et à l'extérieur, puis prêt pour l'impression en couleur. L'impression offset est généralement utilisée pour l'impression du fer-blanc. Le fer-blanc a une surface lisse et n'est pas absorbant, ce qui est très différent du papier. C'est pourquoi on utilise des encres thermodurcissables pour l'impression sur le fer-blanc, qui nécessitent un séchage à haute température. En d'autres termes, le processus d'impression nécessite l'utilisation d'un dispositif de séchage spécial pour sécher l'encre. La température de séchage est généralement d'environ 150°C et le temps de séchage est de 10 à 12 minutes. À l'heure actuelle, l'industrie nationale du fer-blanc utilise principalement des fours tunnels (ci-après dénommés "chambres de séchage") pour sécher l'encre. La salle de séchage mesure environ 30 mètres de long et 6 mètres de haut et est reliée à l'arrière de la presse à imprimer pour sécher les produits imprimés. Dans le processus traditionnel d'impression du fer-blanc, quel que soit le nombre de passes d'impression nécessaires pour réaliser un produit, après chaque passe d'impression, la feuille imprimée doit passer par le four de séchage pour sécher l'encre. Chaque produit imprimé doit passer plusieurs fois dans le four de séchage, ce qui non seulement consomme beaucoup d'énergie, mais émet également beaucoup de COV. C'est pourquoi de nombreuses entreprises ont commencé à envisager d'utiliser d'autres méthodes pour remplacer la méthode traditionnelle de chauffage et de séchage, et le séchage UV s'est distingué par ses avantages en termes d'efficacité et d'économie d'énergie.

3.12.1.2 Procédé d'impression du fer-blanc par UV

La technologie d'application des UV dans le processus d'impression consiste à utiliser une encre UV qui durcit rapidement sous l'effet de la lumière ultraviolette et qui possède d'excellentes propriétés physiques et chimiques ainsi qu'une grande luminosité de surface. Étant donné que l'encre du processus d'impression UV peut sécher rapidement sous la lumière ultraviolette, après l'adoption de la technologie UV, chaque groupe d'impression est équipé d'un dispositif de séchage UV, qui est chargé de sécher rapidement chaque couleur d'encre. Le four tunnel de l'équipement traditionnel n'est plus nécessaire. Par rapport au procédé d'impression traditionnel, les principaux avantages du procédé d'impression UV sont les suivants : vitesse de séchage rapide, temps de séchage court, pas besoin de four, ce qui non seulement améliore l'efficacité de la production et économise de l'énergie, mais réduit également les émissions de COV et est bénéfique pour l'environnement.

3.12.2 Préparation des encres métalliques UV

Les encres métalliques UV sont des encres photopolymérisables qui peuvent être imprimées directement sur la surface des matériaux métalliques (y compris les substrats métalliques avec traitement de surface et les matériaux métalliques avec finition de surface). Les matériaux métalliques couramment utilisés pour l'impression sont le cuivre, l'aluminium, le fer, l'acier inoxydable et les plaques de titane à finition miroir, ainsi que les matériaux métalliques ayant subi un traitement de surface, tels que les plaques d'aluminium poreux anodisé, les plaques de phosphatation du fer, les plaques de fer galvanisé, le fer nickelé et le fer chromé, et les matériaux métalliques ayant subi une finition de surface, tels que les plaques de métal revêtues d'une peinture en poudre ou d'un émail cuit au four.

Les métaux ont des propriétés de surface différentes et le type d'encre UV utilisé doit également être différent, sous peine de problèmes tels qu'une mauvaise adhérence et une fissuration fragile de la couche d'encre lorsque le métal se plie.

Les encres métalliques UV se répartissent entre les types suivants : encres métalliques UV générales, encres métalliques UV spéciales, encres métalliques UV élastiques, encres métalliques UV résistantes aux hautes températures, encres métalliques UV à effets décoratifs spéciaux, encres UV anticorrosion pour la gravure des métaux et séries de vernis métalliques UV.

Chaque encre UV métallique a une séquence de couleurs d'impression optimale. La vitesse de séchage à la lumière des encres UV de différentes couleurs varie, certaines séchant lentement et d'autres rapidement. Il n'est pas possible d'imprimer n'importe quelle couleur en premier, comme c'est le cas avec les encres à solvant à séchage automatique. La sérigraphie avec des encres UV métalliques, en particulier lorsqu'il s'agit d'imprimer plusieurs couleurs, suit généralement le principe de l'impression des couleurs foncées en premier et des couleurs claires en dernier.

Les encres métalliques UV de différentes couleurs ont un ordre de séchage optimal. L'ordre de durcissement des encres métalliques UV est le suivant :

or, argent → noir → bleu → rouge → jaune → vernis transparent incolore

Les encres foncées nécessitent plus d'énergie UV, sèchent plus lentement et la lumière UV ne pénètre pas facilement la couche d'encre, ce qui rend plus difficile le durcissement de la couche sous-jacente. C'est pourquoi les encres foncées doivent être imprimées en premier ; les encres claires durcissent facilement et ne nécessitent qu'une seule exposition à la lumière. Si les encres claires sont imprimées en premier, l'encre de couleur claire sera inévitablement trop durcie, la couche d'encre deviendra fragile et l'adhérence sera médiocre, tandis que la couche d'encre sombre ne sera pas suffisamment durcie, la dureté de la surface sera faible et la résistance à l'usure et aux solvants sera médiocre. Les encres métalliques UV peuvent être durcies immédiatement après l'impression, et la couche d'encre est durcie une fois après l'impression de chaque couleur. Lorsque l'encre de la deuxième couleur est durcie, l'encre de la première couleur a déjà été exposée deux fois à la lumière. S'il s'agit d'un motif à quatre couleurs, lorsque l'encre de la quatrième couleur est durcie, l'encre sous-jacente a déjà été exposée à la lumière et durcie quatre fois.

Les surfaces métalliques fraîches ont une énergie libre de surface élevée (500 à 5000 mN/m), qui est beaucoup plus élevée que celle des matériaux polymères organiques (<100 mN/m). Cette énergie libre de surface élevée est très bénéfique pour l'adhérence de l'encre. En effet, de nombreux métaux sont susceptibles de s'oxyder dans l'air, formant un film d'oxyde sur la surface, ce qui réduit l'énergie libre de surface et affecte l'adhérence de l'encre. Toutefois, l'énergie libre de surface de la plupart des films d'oxyde métallique reste supérieure à celle des encres UV, de sorte que ces dernières ont un bon effet de mouillage sur les substrats métalliques. Les encres UV ont donc un bon effet de mouillage sur les substrats métalliques. Cependant, un problème courant avec les encres UV appliquées sur des substrats métalliques est que l'adhérence de l'encre au métal n'est pas bonne. Sans l'ajout d'un additif favorisant l'adhérence, il est difficile pour les encres UV d'obtenir une adhérence idéale sur le métal. Cela peut s'expliquer par le fait que la surface du substrat métallique est dense, ce qui rend difficile la pénétration et l'absorption des encres UV. L'interface de contact effective est petite, contrairement au papier et au bois, qui ont des surfaces rugueuses avec des pores, et aux plastiques, qui peuvent être gonflés par l'huile pour former une structure d'ancrage perméable. En outre, comme les encres UV durcissent rapidement, la contrainte interne causée par la contraction du volume ne peut être libérée et la réaction agit sur l'adhérence de la couche d'encre au substrat métallique, ce qui réduit l'adhérence. Les surfaces métalliques sont souvent facilement contaminées par de la graisse, ce qui ne favorise pas non plus l'adhérence du revêtement et la protection du métal contre la corrosion.

Afin d'obtenir une bonne adhérence, une protection contre la corrosion et une surface propre sur les surfaces métalliques, un nettoyage, un traitement physique et un traitement chimique sont généralement effectués avant l'impression avec de l'encre. La méthode de nettoyage la plus simple consiste à essuyer la surface métallique avec un chiffon de coton imbibé de solvant ou à immerger les pièces métalliques directement dans le solvant pour les laver. Une méthode plus efficace est le dégraissage à la vapeur, qui consiste à suspendre les pièces métalliques sur un convoyeur et à les transporter au-dessus d'un solvant halogéné en ébullition dans un réservoir, de sorte que le solvant se condense à la surface des pièces métalliques et dissout la graisse, ce qui permet d'atteindre l'objectif du nettoyage. Le traitement physique, tel que le sablage de la surface métallique, élimine la surface corrodée et forme une nouvelle surface rugueuse. Cette méthode est principalement utilisée pour certaines pièces industrielles brutes, telles que les ponts, les réservoirs, etc. En outre, le nettoyage de la surface se fait par projection d'alumine sous vide, de grenaille d'acier ou d'adhésif soluble dans l'eau, de granulés de plastique, et parfois par projection d'eau à haute pression. Le traitement chimique implique généralement l'utilisation d'acide phosphorique ou de phosphate pour attaquer doucement la surface métallique avec un acide, formant une couche de sels de phosphate de fer/ferreux d'une certaine forme pour améliorer l'adhérence du revêtement, mais la résistance à la corrosion n'est que légèrement améliorée. La surface métallique traitée doit être soigneusement nettoyée pour éliminer les sels solubles. Les surfaces en aluminium sont recouvertes d'une couche mince et dense d'oxyde d'aluminium, de sorte que seule la surface doit généralement être nettoyée.

Le principal problème des encres métalliques UV est également de résoudre le problème de l'adhérence entre la couche d'encre et le métal. Les oligomères et les diluants réactifs contenus dans la formulation de l'encre peuvent former des liaisons hydrogène ou des liaisons chimiques avec la surface du métal, ce qui peut considérablement améliorer l'adhérence entre le revêtement et le métal. D'une manière générale, les oligomères et les diluants réactifs contenant des groupes carboxyles et des groupes hydroxyles, en particulier ceux contenant des groupes carboxyles, ont un effet plus important sur les substrats métalliques et ont un effet important sur l'amélioration de l'adhérence (tableau 3-48). Parallèlement, l'utilisation d'oligomères et de diluants réactifs à faible retrait volumique contribue également à améliorer l'adhérence. Certains diluants réactifs ont une certaine perméabilité aux métaux, ce qui contribue également à améliorer l'adhérence (voir tableau 3-49).

Tableau 3-48 Effet des monomères contenant des carboxyles sur l'adhésion des encres UV au métal

Tableau 3-49 : Diluants réactifs facilement perméables aux substrats métalliques

L'ajout de promoteurs d'adhésion est un moyen important d'améliorer l'adhésion des encres métalliques UV. Les résines à groupes carboxyles, les acrylates contenant des groupes carboxyles, les phosphates d'acrylate, les agents de couplage siloxane, les agents de couplage titanate, etc. sont couramment utilisés. Les mercaptans ne peuvent pas être utilisés car ils sont trop odorants, mais ils ont un effet important sur les surfaces en or, qui sont extrêmement inertes. Pour les promoteurs d'adhésion des métaux convenant aux encres métalliques UV, voir le tableau 3-50. Les monomères ou résines acides contiennent des groupes acides qui peuvent légèrement corroder les surfaces métalliques et former des complexes avec les atomes ou les ions métalliques de surface, renforçant ainsi l'adhérence entre la couche d'encre et la surface métallique. En général, la quantité de promoteurs d'adhérence à base d'esters de phosphate dans la formule est faible, ne dépassant pas 1%. Les agents de couplage de silicone favorisent l'adhésion aux substrats métalliques parce qu'après l'hydrolyse, ils peuvent se condenser avec les oxydes ou les groupes hydroxyles de la surface métallique pour former une liaison chimique interfaciale et améliorer l'adhésion. Les agents de couplage siliconés appropriés comprennent le KH550, le KH560, le KH570 et certaines résines UV modifiées par du silicone. Les agents de couplage à base de titanate sont utilisés dans les encres métalliques UV pour améliorer l'adhérence aux substrats métalliques. Les agents de couplage de titanate appropriés comprennent le titanate de tétraisooctyle, le titanate de tétraisopropyle et le titanate de n-butyle.

Tableau 3-50 Promoteurs d'adhésion pour les encres métalliques UV

Par rapport aux systèmes de photopolymérisation radicale, les encres de photopolymérisation cationique ont plus de chances d'obtenir une bonne adhérence sur le métal. Le durcissement cationique présente un faible retrait et un grand nombre de liaisons éther formées après la polymérisation qui peuvent agir sur la surface du métal, ce qui améliore l'adhérence. Cependant, l'acide protonique très puissant produit par la photolyse des photo-initiateurs cationiques ne déclenche pas seulement la polymérisation cationique et la réticulation, mais corrode également le substrat métallique, ce qui est évidemment nuisible à l'adhérence du revêtement et ne contribue pas à améliorer l'adhérence. Seule une réduction de la concentration du photo-initiateur cationique permet d'améliorer l'adhérence. En outre, les photo-initiateurs cationiques couramment utilisés, tels que les sels de thiourée ou les sels d'iodure, ont une absorption ultraviolette <300nm, ce qui n'est pas compatible avec les sources de lumière UV. Leur efficacité de photoinitiation est extrêmement faible. Il faut ajouter une petite quantité de photo-initiateur radicalaire tel que l'ITX, qui peut absorber l'énergie lumineuse dans la région des ondes longues du spectre violet et transférer l'énergie au sel de thiourée, excitant indirectement le photo-initiateur et améliorant l'efficacité de la photo-initiation.

Le liant des encres d'impression UV étant constitué de monomères ou de prépolymères acryliques insaturés, il présente des propriétés de solubilité différentes de celles du liant des encres traditionnelles à séchage à chaud (principalement des alkydes). Les monomères acryliques insaturés sont très agressifs. Le caoutchouc synthétique des rouleaux et des blanchets se dilate et endommage la couche photosensible à la surface de la plaque d'impression PS, ce qui entraîne le décollement de l'image. C'est pourquoi, lors de l'impression avec des encres UV, il est nécessaire d'utiliser des rouleaux, des blanchets et de l'eau de lavage spécialement conçus pour les encres UV. La plaque PS doit être cuite à haute température pour améliorer la résistance à la corrosion de la couche d'image.

3.12.3 Encre de gravure métallique UV

La gravure sur métal est un moyen technique consistant à utiliser un traitement chimique (gravure chimique, sablage chimique) ou un traitement mécanique (sablage mécanique, gaufrage, etc.) pour transformer une surface métallique brillante en une surface cristalline rugueuse concave et convexe. La diffusion de la lumière produit un effet visuel spécial, conférant au produit un style artistique unique. En tant que technologie de traitement chimique précise et scientifique, la gravure chimique est largement utilisée sur une variété de matériaux métalliques. La clé de la gravure des matériaux métalliques est double : protéger la partie qui doit être gravée et éliminer complètement la partie qui n'a pas besoin d'être gravée, afin d'obtenir l'image souhaitée.

Il est classé en fonction du type de réaction chimique lors de la gravure :

① Gravure chimique. Procédé : pré-mordançage → mordançage → rinçage → trempage dans l'acide → rinçage → décapage de la résine → rinçage → séchage.

② Gravure électrolytique. Processus : chargement → mise sous tension → gravure → rinçage → trempage dans l'acide → rinçage → décapage de la résine → rinçage → séchage.

La gravure chimique peut être classée comme suit en fonction du type de matériau à graver :

① Gravure sur cuivre. Processus : nettoyage de la surface de la plaque de cuivre polie ou brossée → sérigraphie d'une encre résistante aux UV → durcissement aux UV → gravure → rinçage → élimination de la couche d'encre résistante sérigraphiée → rinçage → post-traitement → séchage → produit fini.

Dans ce processus, une encre résistante aux UV est utilisée pour sérigraphier directement l'image, afin de protéger la pièce souhaitée de la corrosion. La partie non imprimée est éliminée lors de la gravure. Par conséquent, l'encre résistante aux UV utilisée doit présenter une forte adhérence au métal, une résistance à l'acide (ou à l'alcali) et une résistance à la galvanoplastie.

② Gravure sur acier inoxydable. Procédé : nettoyage de la surface de la plaque → sérigraphie encre photorésistante liquide → séchage → exposition avec un film → développement → lavage → séchage → inspection et réparation de la plaque → durcissement du film → gravure → enlèvement de la couche protectrice → lavage → post-traitement → séchage → produit fini.

Ce procédé consiste à recouvrir la plaque d'une encre de réserve photopolymérisable, à l'exposer à la lumière, à la développer pour former un motif de réserve, puis à la graver.

La pulvérisation, le brossage, le laminage ou le trempage peuvent être utilisés pour appliquer une couche uniforme d'encre photolithographique à la surface du métal afin de former un film photosensible. Toutefois, pour les surfaces planes de petite taille, la sérigraphie est la méthode la plus pratique et la plus fiable. Les encres photolithographiques doivent également présenter une forte adhérence au métal, une résistance à l'acide (ou à l'alcali) et une résistance à la galvanoplastie.

Pour la préparation des résines résistantes aux UV et photo-imageables, voir le chapitre 4 sur les encres pour circuits imprimés.