Inchiostro metallico UV

3.12.1 Stampa di imballaggi in metallo

I materiali da imballaggio in metallo, in quanto importante materiale da imballaggio nel settore del packaging, presentano molti vantaggi rispetto ad altri materiali da imballaggio, come la riciclabilità, la buona protezione del contenuto, l'aspetto e le forme diverse e i colori brillanti. Hanno un grande potenziale di sviluppo e sono riconosciuti dai consumatori. Al giorno d'oggi, la tendenza alla tutela ambientale ha invaso l'industria del packaging e della stampa e il "green packaging" è diventato un tema caldo all'interno dell'industria della stampa e una delle tendenze di sviluppo della tecnologia di processo dell'industria della stampa. L'elevato consumo energetico dell'industria della stampa di imballaggi metallici e le grandi emissioni di gas di scarico durante il processo di produzione sono diventati fattori importanti che limitano lo sviluppo e la crescita delle aziende di imballaggi metallici, oltre a rappresentare un ostacolo per lo sviluppo ecologico degli imballaggi metallici.

Negli ultimi anni, il processo di stampa UV è diventato sempre più popolare nel settore della stampa di imballaggi metallici grazie ai suoi evidenti vantaggi in termini di risparmio energetico e protezione ambientale. Unitamente ai suoi enormi vantaggi in termini di costi, è diventato un metodo innovativo per la conservazione dell'energia e la tutela dell'ambiente, ed è sempre più richiesto dalle aziende di imballaggi metallici.

3.12.1.1 Processo tradizionale di stampa su banda stagnata

La banda stagnata viene rivestita all'interno e all'esterno e quindi è pronta per la stampa a colori. La stampa offset è generalmente utilizzata per la stampa su banda stagnata. La banda stagnata ha una superficie liscia e non è assorbente, il che è molto diverso dalla carta. Per questo motivo, per la stampa su banda stagnata si utilizzano inchiostri termoindurenti che richiedono un'essiccazione ad alta temperatura. In altre parole, il processo di stampa richiede l'uso di uno speciale dispositivo di essiccazione per asciugare l'inchiostro. La temperatura di essiccazione è solitamente di circa 150°C e il tempo di essiccazione è controllato a 10-12 minuti. Attualmente, l'industria nazionale della stampa su banda stagnata utilizza per lo più forni a tunnel (di seguito denominati essiccatoi) per asciugare l'inchiostro. Il locale di essiccazione ha una lunghezza di circa 30 metri e un'altezza di 6 metri ed è collegato alla parte posteriore della macchina da stampa per asciugare i prodotti stampati. Nel processo tradizionale di stampa su banda stagnata, indipendentemente dal numero di passaggi di stampa necessari per completare un prodotto, dopo ogni passaggio di stampa il foglio stampato deve passare attraverso il forno di essiccazione per asciugare l'inchiostro. Ogni prodotto stampato deve passare più volte attraverso il forno di essiccazione, il che non solo consuma molta energia, ma emette anche molti COV. Per questo motivo, molte aziende hanno iniziato a prendere in considerazione l'utilizzo di altri metodi per sostituire il tradizionale metodo di riscaldamento e polimerizzazione, e la polimerizzazione UV si è distinta per i suoi vantaggi di alta efficienza e risparmio energetico.

3.12.1.2 Processo di stampa UV della banda stagnata

La tecnologia di applicazione degli UV nel processo di stampa consiste nell'utilizzare l'inchiostro UV per polimerizzare rapidamente sotto la luce ultravioletta, che ha eccellenti proprietà fisiche e chimiche e un'elevata luminosità superficiale. Poiché l'inchiostro nel processo di stampa UV può asciugarsi rapidamente alla luce ultravioletta, dopo l'adozione della tecnologia UV, ogni unità di stampa è dotata di un dispositivo di asciugatura UV, responsabile dell'asciugatura tempestiva di ciascun colore di inchiostro. La parte del forno a tunnel dell'apparecchiatura tradizionale non è più necessaria. Rispetto al processo di stampa tradizionale, i principali vantaggi del processo di stampa UV sono: velocità di polimerizzazione, tempi di polimerizzazione brevi, nessuna necessità di un forno, che non solo migliora l'efficienza produttiva e fa risparmiare energia, ma riduce anche le emissioni di VOC e fa bene all'ambiente.

3.12.2 Preparazione degli inchiostri metallici UV

Gli inchiostri UV per metalli sono inchiostri fotopolimerizzabili che possono essere stampati direttamente sulla superficie di materiali metallici (inclusi substrati metallici con trattamenti superficiali e materiali metallici con finiture superficiali). I materiali metallici comunemente utilizzati nella stampa includono rame, alluminio, ferro, acciaio inossidabile e lastre di titanio con finitura a specchio, nonché materiali metallici con trattamento superficiale come lastre di alluminio poroso anodizzato, lastre di fosfatazione del ferro, lastre di ferro zincato, ferro nichelato e ferro cromato, e materiali metallici con finitura superficiale come lastre metalliche rivestite con vernice in polvere o smalto al forno.

Metalli diversi hanno proprietà superficiali diverse e anche il tipo di inchiostro UV utilizzato deve essere diverso, altrimenti si possono verificare problemi come scarsa adesione e fratture fragili dello strato di inchiostro quando il metallo si piega.

Gli inchiostri UV per metalli si dividono nei seguenti tipi: inchiostri UV per metalli generici, inchiostri UV per metalli speciali, inchiostri UV per metalli elastici, inchiostri UV per metalli resistenti alle alte temperature, inchiostri UV per metalli con speciali effetti decorativi, inchiostri UV anticorrosione per l'incisione dei metalli e serie di vernici UV per metalli.

Ogni inchiostro metallico UV ha una sequenza di colori di stampa ottimale. La velocità di polimerizzazione degli inchiostri UV di diversi colori varia: alcuni si polimerizzano lentamente, altri rapidamente. Non è possibile stampare qualsiasi colore per primo, come invece è possibile fare con gli inchiostri a solvente autoasciuganti. La stampa serigrafica degli inchiostri metallici UV, soprattutto quando si stampano più colori, segue generalmente il principio di stampare prima i colori scuri e per ultimi quelli chiari.

Gli inchiostri metallici UV di diversi colori hanno un ordine di polimerizzazione ottimale. L'ordine di polimerizzazione degli inchiostri metallici UV è:

oro, argento → nero → blu → rosso → giallo → vernice trasparente incolore

Gli inchiostri scuri richiedono più energia UV, si asciugano più lentamente e la luce UV non penetra facilmente nello strato di inchiostro, rendendo più difficile la polimerizzazione dello strato sottostante. Pertanto, gli inchiostri scuri devono essere stampati per primi; gli inchiostri chiari polimerizzano facilmente e richiedono una sola esposizione alla luce. Se gli inchiostri chiari vengono stampati per primi, è inevitabile che l'inchiostro chiaro venga polimerizzato eccessivamente, che lo strato di inchiostro diventi fragile e che l'adesione sia scarsa, mentre lo strato di inchiostro scuro non sia sufficientemente polimerizzato, che la durezza della superficie sia bassa e che la resistenza all'usura e ai solventi sia scarsa. Gli inchiostri metallici UV possono essere polimerizzati immediatamente dopo la stampa e lo strato di inchiostro viene polimerizzato una volta dopo la stampa di ciascun colore. Quando viene polimerizzato il secondo colore, l'inchiostro del primo colore è già stato esposto alla luce due volte. Se si tratta di un motivo a quattro colori, quando viene polimerizzato l'inchiostro del quarto colore, l'inchiostro sottostante è già stato esposto alla luce e polimerizzato quattro volte.

Le superfici metalliche fresche hanno un'elevata energia libera superficiale (da 500 a 5000 mN/m), molto superiore a quella dei materiali polimerici organici (<100 mN/m). Questa elevata energia libera superficiale è molto vantaggiosa per l'adesione dell'inchiostro. Infatti, molti metalli sono soggetti a ossidazione all'aria, formando una pellicola di ossido sulla superficie, che riduce l'energia libera superficiale e influisce sull'adesione dell'inchiostro. Tuttavia, l'energia libera superficiale della maggior parte dei film di ossido metallico è ancora superiore a quella degli inchiostri UV, quindi gli inchiostri UV hanno un buon effetto bagnante sui substrati metallici. Tuttavia, un problema comune degli inchiostri UV applicati ai substrati metallici è che l'adesione dell'inchiostro al metallo non è buona. Senza l'aggiunta di un additivo che favorisca l'adesione, è difficile che gli inchiostri UV raggiungano un'adesione ideale al metallo. Ciò può essere dovuto al fatto che la superficie del substrato metallico è densa e rende difficile la penetrazione e l'assorbimento degli inchiostri UV. L'interfaccia di contatto effettiva è piccola, a differenza della carta e del legno, che hanno superfici ruvide con pori, e della plastica, che può essere gonfiata dall'olio per formare una struttura di ancoraggio permeabile. Inoltre, poiché gli inchiostri UV polimerizzano rapidamente, lo stress interno causato dalla contrazione del volume non può essere rilasciato e la reazione agisce sull'adesione dello strato di inchiostro al substrato metallico, riducendo l'adesione. Le superfici metalliche sono spesso facilmente contaminate da grassi, che non favoriscono l'adesione del rivestimento e la protezione dalla corrosione del metallo.

Per ottenere una buona adesione, una protezione dalla corrosione e una superficie pulita sulle superfici metalliche, prima di stampare con l'inchiostro vengono solitamente eseguiti la pulizia, il trattamento fisico e il trattamento chimico. Il metodo più semplice per la pulizia consiste nello strofinare la superficie metallica con un panno di cotone imbevuto di solvente, oppure nell'immergere direttamente le parti metalliche nel solvente per il lavaggio. Un metodo più efficace è lo sgrassaggio a vapore, che prevede di appendere le parti metalliche a un nastro trasportatore e di trasportarle su un solvente alogeno bollente in un serbatoio, in modo che il solvente si condensi sulla superficie delle parti metalliche e sciolga il grasso, raggiungendo così lo scopo della pulizia. Il trattamento fisico, come la sabbiatura della superficie metallica, rimuove la superficie corrosa e forma una nuova superficie ruvida. Questo trattamento è utilizzato principalmente per alcune parti industriali grezze, come ponti, serbatoi, ecc. Inoltre, per la pulizia delle superfici si ricorre alla sabbiatura a vuoto con allumina, alla pulizia con graniglia d'acciaio o adesivo idrosolubile, alla sabbiatura con pellet di plastica e, talvolta, alla sabbiatura ad acqua ad alta pressione. Il trattamento chimico prevede comunemente l'uso di acido fosforico o fosfato per incidere delicatamente la superficie metallica con un acido, formando uno strato di sali di ferro/fosfato ferroso di una certa forma per migliorare l'adesione del rivestimento, ma la resistenza alla corrosione è solo leggermente migliorata. La superficie metallica trattata deve essere pulita accuratamente per rimuovere i sali solubili. Le superfici in alluminio sono ricoperte da uno strato sottile e denso di ossido di alluminio, quindi in genere è sufficiente pulire la superficie.

Il problema principale degli inchiostri UV per metalli è anche quello di risolvere l'adesione tra lo strato di inchiostro e il metallo. Gli oligomeri e i diluenti reattivi presenti nella formulazione dell'inchiostro possono formare legami idrogeno o legami chimici con la superficie del metallo, migliorando notevolmente l'adesione tra il rivestimento e il metallo. In generale, gli oligomeri e i diluenti reattivi contenenti gruppi carbossilici e idrossilici, in particolare quelli contenenti gruppi carbossilici, hanno un effetto più significativo sui substrati metallici e hanno un effetto significativo sul miglioramento dell'adesione (Tabella 3-48). Allo stesso tempo, anche l'uso di oligomeri e diluenti reattivi a bassa contrazione volumetrica contribuisce a migliorare l'adesione. Alcuni diluenti reattivi hanno una certa permeabilità ai metalli, che contribuisce anch'essa a migliorare l'adesione (vedere Tabella 3-49).

Tabella 3-48 Effetto dei monomeri contenenti carbossile sull'adesione degli inchiostri UV al metallo

Tabella 3-49: Diluenti reattivi facilmente permeabili su substrati metallici

L'aggiunta di promotori di adesione è un mezzo importante per migliorare l'adesione degli inchiostri UV metallici. I più comuni sono le resine con gruppi carbossilici, gli acrilati contenenti gruppi carbossilici, i fosfati di acrilato, gli agenti di accoppiamento silossanici, gli agenti di accoppiamento titanici, ecc. I mercaptani non possono essere utilizzati perché troppo puzzolenti, ma hanno un forte effetto sulle superfici d'oro, che sono estremamente inerti. Per i promotori dell'adesione dei metalli adatti agli inchiostri metallici UV, vedere la Tabella 3-50. I monomeri o le resine acide contengono gruppi acidi che possono corrodere leggermente le superfici metalliche e formare complessi con gli atomi o gli ioni metallici superficiali, rafforzando l'adesione tra lo strato di inchiostro e la superficie metallica. In genere, la quantità di promotori di adesione a base di esteri fosforici nella formula è bassa, non superiore a 1%. Gli agenti accoppianti siliconici favoriscono l'adesione ai substrati metallici perché, dopo l'idrolisi, possono condensare con gli ossidi o i gruppi idrossilici sulla superficie metallica per formare un legame chimico interfacciale e migliorare l'adesione. Gli agenti accoppianti siliconici adatti includono KH550, KH560, KH570 e alcune resine UV modificate con silicone. Gli agenti accoppianti titanati sono utilizzati negli inchiostri UV metallici per migliorare l'adesione ai substrati metallici. Gli agenti di accoppiamento titanati adatti includono il titanato di tetraisoottile, il titanato di tetraisopropile e il titanato di n-butile.

Tabella 3-50 Promotori di adesione per inchiostri metallici UV

Rispetto ai sistemi di fotopolimerizzazione radicale, gli inchiostri a fotopolimerizzazione cationica hanno maggiori probabilità di ottenere una buona adesione sul metallo. La polimerizzazione cationica presenta un basso ritiro e un gran numero di legami eterei formati dopo la polimerizzazione che possono agire sulla superficie del metallo, migliorando così l'adesione. Tuttavia, l'acido protonico superforte prodotto dalla fotolisi dei fotoiniziatori cationici non solo avvia la polimerizzazione cationica e la reticolazione, ma corrode anche il substrato metallico, il che è ovviamente dannoso per l'adesione del rivestimento e non contribuisce a migliorare l'adesione. Solo riducendo la concentrazione del fotoiniziatore cationico è possibile migliorare l'adesione. Inoltre, i fotoiniziatori cationici comunemente utilizzati, come i sali di tiourea o di ioduro, hanno un assorbimento ultravioletto <300nm, che non è compatibile con le sorgenti di luce UV. La loro efficienza di fotoiniziazione è estremamente bassa. È necessario aggiungere una piccola quantità di un fotoiniziatore radicale libero, come l'ITX, che può assorbire l'energia luminosa nella regione a onde lunghe dello spettro violetto e trasferire l'energia al sale di tiourea, eccitando indirettamente il fotoiniziatore e migliorando l'efficienza di fotoiniziazione.

Poiché il legante degli inchiostri da stampa UV è costituito da monomeri acrilici insaturi o prepolimeri, ha proprietà di solubilità diverse dal legante degli inchiostri tradizionali a polimerizzazione termica (principalmente alchidici). I monomeri acrilici insaturi sono molto aggressivi e provocano l'espansione della gomma sintetica dei rulli e dei caucciù, danneggiando lo strato fotosensibile sulla superficie della lastra di stampa PS e causando il distacco dell'immagine. Pertanto, quando si stampa con inchiostri UV, è necessario utilizzare rulli, caucciù e acqua di lavaggio appositamente progettati per gli inchiostri di stampa UV. La lastra PS deve essere cotta ad alta temperatura per aumentare la resistenza alla corrosione dello strato di immagine.

3.12.3 Inchiostro per incisione UV su metallo

L'incisione dei metalli è un mezzo tecnico che utilizza un trattamento chimico (incisione chimica, levigatura chimica) o meccanico (sabbiatura meccanica, goffratura, ecc.) per trasformare una superficie metallica lucida in una superficie cristallina ruvida concava e convessa. La diffusione della luce produce uno speciale effetto visivo, conferendo al prodotto uno stile artistico unico. Essendo una tecnologia di lavorazione chimica precisa e scientifica, l'incisione chimica è ampiamente utilizzata su una varietà di materiali metallici. La chiave per l'incisione dei materiali metallici è duplice: proteggere la parte che deve essere incisa e rimuovere completamente la parte che non deve essere incisa, in modo da ottenere l'immagine desiderata.

Si classificano in base al tipo di reazione chimica durante l'incisione:

① Incisione chimica. Processo: pre-incisione → mordenzatura → risciacquo → immersione in acido → risciacquo → spellatura della resistenza → risciacquo → asciugatura.

Incisione elettrolitica ②. Processo: caricamento → accensione → mordenzatura → risciacquo → immersione in acido → risciacquo → stripping della resistenza → risciacquo → asciugatura.

L'incisione chimica può essere classificata come segue in base al tipo di materiale da incidere:

Incisione del rame. Il processo: pulire la superficie della lastra di rame lucida o spazzolata → serigrafare l'inchiostro resistente ai raggi UV → polimerizzare ai raggi UV → incidere → risciacquare → rimuovere lo strato di inchiostro resistente serigrafato → risciacquare → post-trattamento → asciugare → prodotto finito.

In questo processo, l'inchiostro resistente ai raggi UV viene utilizzato per serigrafare direttamente l'immagine, in modo da proteggere il pezzo desiderato dalla corrosione. La parte non stampata viene eliminata durante l'incisione. Pertanto, l'inchiostro resistente ai raggi UV utilizzato deve avere una forte adesione al metallo, resistenza agli acidi (o agli alcali) e resistenza alla galvanica.

Incisione dell'acciaio inossidabile. Processo: pulizia della superficie della lastra → serigrafia dell'inchiostro fotoresistente liquido → asciugatura → esposizione con una pellicola → sviluppo → lavaggio → asciugatura → ispezione e riparazione della lastra → polimerizzazione della pellicola → incisione → rimozione dello strato protettivo → lavaggio → post-trattamento → asciugatura → prodotto finito.

Questo processo consiste nel rivestire la lastra con inchiostro resistente fotopolimerizzabile, esporla alla luce, svilupparla per formare un modello di resistenza e quindi inciderla.

Per applicare uno strato uniforme di inchiostro resistente fotolitografico sulla superficie metallica e formare una pellicola fotosensibile, si possono utilizzare le tecniche di spruzzatura, spazzolatura, laminazione o immersione. Tuttavia, per le superfici piane di piccole dimensioni, la serigrafia è il metodo più conveniente e affidabile. Gli inchiostri resistenti fotolitografici richiedono inoltre una forte adesione al metallo, resistenza agli acidi (o agli alcali) e resistenza alla galvanica.

Per la preparazione di resine resistenti ai raggi UV e alla fotoimmagine, vedere il capitolo 4 sugli inchiostri per PCB.