مروری بر فرمولاسیون و اجزای جوهرهای آب پایه

مهندس ستاره شجاع- مهندس هلما وکیلی 

شرکت رزینفام     

قبل از اواسط دهه 1970 ، رزين های بر پايه روزین فوماریت (مانند نمک های سدیم و آمین روزین) اصلی ترین رزین های مورد استفاده در جوهرهای آب پايه بودند، خواص این رزین های محلول روزین آب پايه کاملاً مشابه خواص رزين های فنولیک روزین و مالئیک روزین پنتا اریتریتول استرهای مورد استفاده در جوهرهای چاپ لیتوگرافی بود. این دسته از رزین ها به دلیل قیمت کم، خاصیت ذاتی پراکنش رنگدانه و قابلیت اصلاح گرانروی و سختی به میزان دلخواه، تا زمان به وجود آمدن چاپ لترپرس مورد استفاده قرار می گرفتند. ولیکن با جایگزینی چاپ گراور و فلکسوگرافی آبی به جای سیستم های حلالی، این رزین ها قادر به برآوردن نیازهای سیستم‌ های جديد نبودند. جهت دستيابی به محدوده گسترده خواص و گرانروی، استفاده از پلیمرهای امولسيونی رواج پيدا کرده است. زیرا از یک سو گرانروی کم آن ها استفاده از آن ها را در جوهرهای چاپ گراور و فلکسو میسر می ساخت و از سوی دیگر با تغییر وزن مولکولی، دمای انتقال-شیشه ای و توزیع اندازه ذرات، امکان دستیابی به خواص مختلف جوهر تولیدی فراهم می¬شد. در نتیجه استفاده از پلیمرهای امولسیونی در ساخت جوهرهای چاپ گراور و فلکسوگرافی جهت چاپ بر روی بسته ها، کارتن های کاغذی، جعبه ها، پاکت ها، روزنامه ها و دیگر زیرآیندهای منعطف و محصولات کاغذی رواج پیدا کرد. لازم به یادآوری است که موارد مهم در طراحی پلیمرهای امولسیونی مورد استفاده در جوهرهای چاپ پایداری پراکنش رنگدانه¬ها، تشکیل فیلم در دمای محیط و انحلال پذيری مجدد جوهر می باشد که در بسیاری از انواع امولسیون جوهرها، رزین کمکی این وظیفه را بر عهده دارد. 
همانند تمامی جوهرها، جوهرهای آب پایه بر اساس کاربرد و تامین خواص یا مشخصات مورد نظر فرموله می شوند. این موارد عبارتند از نوع فرآیند چاپی که قرار است این جوهرها در آن مورد استفاده قرار بگیرند، جنس زیرآیند یا سطحی که روی آن چاپ می شود، محیطی که چاپ نهایی در آن قرار می گیرد، ساختار جوهر، رنگ جوهر و غیره. در ادامه به بررسی اجزای جوهرهای چاپ پرداخته می‌شود.
اجزای جوهرهای چاپ:
جوهرهای آب پایه جهت چاپ فلکسوگرافی و گراور از رزین، پیگمنت، حلال، واکس، سطح فعال، عوامل شبکه ای‌کننده و افزودنی‌ ها تشکیل شده‌اند. رزین علاوه بر محملی برای پیگمنت به عنوان یک جز، اصلی جهت دستیابی به خواص عملکردی چاپ می‌باشد. رزین ماده‌ای جهت پخش نمودن پیگمنت و جلوگیری از تجمع دوباره آن‌ است. هم‌چنین این ماده سبب چسبندگی به زیرآیند نیز می‌شود. شبکه شاخه‌ ای پلیمر حفظ براقیت را بر روی زمینه‌ های متخلخل فراهم می‌کند. ساختارهای پلیمر شبکه‌ای یا اکسید شده سبب ایجاد مقاومت به مواد شیمیایی در تماس با بسته‌ بندی‌های چاپ می‌شود. به علاوه این مواد مقاومت نسبت به سایش را فراهم می‌ آورند. مقاومت به شرایط محیطی مانند گرما و حرارت، چرخه ذوب و انجماد، ازن، نور، عوامل اکسیدکننده، رطوبت و غیره را ایجاد می‌کند. هم‌چنین، رزین ویسکوزیته و ویژگی‌های رئولوژیکی لازم برای انتقال جوهر از پرس به زیرآیند را فراهم می‌کند. 
پیگمنت عامل ایجاد فام‌ در جوهرها می باشد. پیگمنت‌ های آلی در اغلب موارد جهت رسیدن به ثبات نوری و شفافیت استفاده می‌شوند. ثبات نوری و رنگی به منظور حفظ ویژگی‌ های بصری مواد چاپ شده از موارد بسیار مهم هستند. به عنوان مثال یک مصرف‌ کننده عادی در صورت پریدگی رنگ بسته بندی ماده غذایی از خرید آن اجتناب می‌کند و این اثر را به کاهش تازگی ماده غذایی نسبت می‌دهد. 
آب (حلال) به منظور انحلال رزین استفاده می‌شود. آب غالباً در فرآیند چاپ گراور و فلکسوگرافی استفاده می‌شود. دیگر حلال‌ها مانند اتیل ایزو پروپیل الکل، اتیل ایزو پروپیل استات، تولوئن و هپتان نیز در جوهرهای گراور و فلکسوگرافی استفاده می‌شوند. 
اغلب جوهرهای چاپ تجاری با استفاده از مواد واسطه زیر فرموله می‌شوند: پراکنه پیگمنت، محمل امولسیون، محمل محلول در قلیا و ترکیبات امولسیونی واکس. در ادامه نمونه‌ای از فرمولاسیون جوهر آب پایه فلکسوگرافی و اجزای به کار رفته در آن را در جدول 1 مشاهده می‌کنید.

جدول 1. فرمولاسیون جوهر آب پایه قلکسوگرافی
اجزای جوهرهای فلکسوگرافی آب پایه  مقدار (% وزنی)
پراکنه(دیسپرسیون) پیگمنت  50-35
محمل امولسیونی  35-25
محمل محلولی  20-10
خنثی کننده آمینی  1.5-0.5
ترکیبات امولسیونی واکس  5-2
واکس پودری  2-0
سطح فعال  1.5-1
افزودنی های شبکه ای کننده  2-0
افزودنی سیلیکا  5-2
بازدارنده خوردگی  1-0
ضد کف  1-0
سایر افزودنی ها  0.5-0.25
  100

پراکنه(دیسپرسیون) پیگمنت:
پراکنه پیگمنت از پیگمنت خشک (که عموماً آماده‌سازی سطحی شده است) پراکنده شده در یک محلول پلیمری آب پایه ساخته شده است. معمول‌ ترین پلیمرهای استفاده شده جهت پراکندن پیگمنت، استایرن اکریلیک‌ ها با وزن مولکولی کم تا متوسط، استایرن مالئیک انیدرید (SMA) یا روزین فومارات استرها هستند. پایداری پراکنه پیگمنت، پایداری ویسکوزیته جوهر، شفافیت و pH با استفاده از پلیمرهایی با گروه‌های نمکی و عاملیت هیدروکسیلی کنترل می‌شوند. به طور مثال جدول 2 خواص فیزیکی پلیمرهای مورد استفاده در پراکنه پیگمنت را نشان می‌دهد. 
جدول 2. خواص فیزیکی پلیمرهای مورد استفاده در پراکنه پیگمنت
  نقطه نرم شدگی(℃)  دمای انتقال شیشه ای(℃)  وزن مولکولی (g〖mol〗^(-1))  عدد اسیدی (mg KOHg^(-1))
استایرن اکریلیک  170-140  125-70  18000-12000  240-210
SMA استر  NA  110-45  150000-50000  285-165
روزین فومارات استر  145-125  90-80  10000-2000  200-115

پایدارسازی پراکنه پیگمنت‌ های آلی با استفاده از سطح فعال‌های پلیمری آنیونی که روی سطح قطبی پیگمنت به طور قوی جذب می‌ شوند و دارای گروه‌ های هیدروکسیل برای تعامل با فاز آبی هستند، به دست می‌ آید.

محمل امولسیونی:
محمل امولسیونی به جوهر خواص عملکردی می‌بخشد (به عنوان مثال چسبندگی، براقیت، ویسکوزیته پایین، قابلیت چاپ شدن، انحلال مجدد در آب، مقاومت حرارتی و شیمیایی با قیمت پایین). بیش‌تر محمل‌ های امولسیونی جوهرهای چاپ، پراکنه‌های پلیمری شامل استایرن اکریلیک‌ ها و ترپلیمرهای استایرن-آلفا- متیل استایرن و دیگر مونومرهای اکریلاتی (به عنوان مثال اتیل اکریلات، متیل متاکریلات، بوتیل آکریلات، 2- اتیل هگزیل آکریلات، متاکریلیک اسید، اکریلیک اسید، 2- هیدروکسی اتیل اکریلات، آمینو اکریلات) می‌ باشد. مقدار استایرن بیش‌تر Tg بالاتری می‌ دهد در حالی که مقدار بوتیل و 2- اتیل هگزیل اکریلات، Tg پایین‌ تر بنابراین پلیمر انعطاف پذیرتری ایجاد می‌ نماید. 
محمل‌ های امولسیونی از طریق پلیمریزاسیون امولسیونی در آب در حضور پایدارکننده‌ های سطح فعال تهیه می‌ شود. ویسکوزیته به جرم مولکولی وابسته نیست و به درصد جامد و توزیع اندازه ذره بستگی دارد بنابراین وزن‌ های مولکولی بالا (بیش‌تر از 200.000 گرم بر مول) با ویسکوزیته پایین قابل دستیابی است. امولسیون‌ هایی با اندازه ذرات کوچک ویژگی‌ های مشابه رزین‌ های محلولی ایجاد می‌کنند. ضمناً دارای مزایای زیر هستند:
ویسکوزیته پایین، رئولوژی نزدیک به نیوتنی، پایداری pH، قطبیت کم و عدم انحلال بعد از خشک شدن به منظور مقاومت فوری در برابر آب.
محمل محلول در آب:
محمل محلول در آب از پلیمرهای محلول آبی ساخته شده است که توسط پلیمریزاسیون امولسیونی به دست نیامده‌ اند. محمل محلول در آب یک پلیمر حل‌ شونده در شرایط قلیایی در محیط آبی است. پلیمرهای محلول از طریق پلیمریزاسیون رادیکالی در یک حلال یا محصولات افزایشی یا تراکمی با دمایی تا حدود ℃ 265 هستند.  محمل‌ های محلولی برخلاف پلیمرهای امولسیونی مخلوط رزین‌ های محلول هستند. یک محمل محلولی به منظور افزایش چسبندگی به فیلم و بهبود قابلیت چاپ یا انتقال جوهر استفاده می‌شود. محمل محلولی پایدارسازی پخش پیگمنت، شفافیت، دمای تشکیل فیلم پایین، براقیت و قابلیت انحلال مجدد را فراهم می‌آورد. یک رزین محلول قلیایی یک پلیمر دارای گروه عاملی کربوکسیلیک اسید خنثی شده با آمونیاک، آمین یا سدیم هیدروکسید است. عدد اسیدی این محمل‌ها عموماً بالای 100 می‌باشد. بعد از تبخیر آمین رزین نامحلول شده و به اسپری آب یا تماس با آب مقاوم می‌شود. جوهر مجدداً با آب قلیایی به منظور تمیز نمودن تجهیزات حل می‌شود. 
امولسیون‌های واکس آب پایه:
واکس‌های طبیعی و سنتزی در فرمولاسیون جوهر استفاده می‌شوند. واکس‌ ها مقاومت خشک چسبی، سایشی و مقاومت در برابر آب ایجاد می‌کنند. امولسیون‌های واکس آب پایه با اندازه ذرات بین 35 تا 175 نانومتر تولید می‌شوند. 
افزودنی‌های جوهر:
یک خنثی‌ گر آمینی به منظور انحلال (خنثی‌سازی) رزین‌ های دارای عاملیت کربوکسیلیک اسید استفاده می‌شود. آمین با گروه کربوکسیلیک اسید واکنش می‌دهد تا یک نمک محلول در آب تولید نماید. آمین‌های فرار مانند دی متیل آمینو اتانل (DMAE)  یا آمونیاک به منظور حصول اطمینان از مقاومت در برابر آب هنگام خشک شدن یا تبخیر آمین استفاده می‌شوند. یون آمین مورد استفاده بر اساس سرعت پرس، pH لازم و نرخ تبخیر انتخاب می‌شود. 
یک عامل شبکه‌ ای کننده به منظور ایجاد شبکه در پلیمر برای افزایش استحکام کشش فیلم چاپ شده و افزایش مقاومت شیمیایی اضافه می شود. ترکیباتی مانند کمپلکس آمونیم روی یا اکسید روی با عاملیت های کربوکسیلیک اسید آزاد واکنش می دهد.

(ادامه دارد …)

[EasyDNNnewsLink|74]