Polimeryzacja rodnikowa versus kationowa część I

6 Dec 2016 14:45

Jeżeli posiadamy drukarkę ink jet wyposażoną w tusze sieciowane promieniami UV, to istnieje duża szansa, że sieciują one w wyniku zachodzenia polimeryzacji wolnorodnikowej. Dlaczego powinniśmy mieć tego świadomość? Ponieważ na rynku w najbliższej przyszłości pojawi się nowy system tuszy opartych na polimeryzacji kationowej. Jeżeli posiadamy drukarkę z systemem sieciowania promieniami UV, nie martwmy się o to, czy zainwestowaliśmy we właściwe urządzenie. Systemy tuszy UV sieciowane wolnorodnikowo w dalszym ciągu będą zajmować dominującą pozycję na rynku. Każdy z systemów sieciowania promieniami UV ma bowiem swoje zalety i słabości. Polimeryzacja wolnorodnikowa Tusze UV sieciowane wolnorodnikowo składają się z fotoinicjatorów, monomerów, oligomerów, pigmentów i specjalnych dodatków. Systemy cyfrowego druku ink jet oparte na tuszach UV nie stanowią zagrożenia dla środowiska naturalnego. Zalety Tusze sieciowane promieniami UV zawierają minimalną ilość VOC (lotnych substancji organicznych), nie są łatwo palne, sieciują przy niskim poziomie używanej energii wytwarzanej przez generatory niewielkich rozmiarów. Mogą być wystarczająco szybkie dla urządzeń drukujących „one pass”. Tusze UV przylegają do szerokiej gamy podłoży. Ich zapach jest charakterystyczny, ale umiarkowany w porównaniu z parującymi tuszami rozpuszczalnikowymi. Odporność tych tuszy na płowienie jest dobra lub bardzo dobra w zależności od koloru; również ich odporność na zadrapania jest bardzo dobra. Pozycja tuszy UV sieciowanych wolnorodnikowo wydaje się być ugruntowana na rynku. Głowice piezoelektryczne ink jet typu drop-on-demand (DOD) nadają się znakomicie do tuszy sieciowanych promieniami UV. Coraz mniejsza jest potrzeba odpowietrzania przewodów doprowadzających tusze, nie występuje też zjawisko zatykania przez nie przewodów (lepkość ok. 10 cps). Marnotrawstwo tuszy jest minimalne przy stałym poziomie ich zużycia; wszystko to przy stabilnym poziomie kolorów. Systemy UV sieciujące wolnorodnikowo są relatywnie niedrogie i sprawdzają się bardzo dobrze przy większości druków ink jet. Liczba tuszy UV sieciowanych wolnorodnikowo będzie się w dalszym ciągu powiększała i pozostaną one dominującą technologią w najbliższej przyszłości. Wady Jednakże, tak jak w przypadkach innych technologii, sieciowanie wolnorodnikowe ma pewne ograniczenia. Obecność tlenu czyni sieciowanie trudniejszym, szczególnie na granicy zetknięcia się tuszu z powietrzem. Im grubsza warstwa tuszu, tym trudniej jest uzyskać pełną penetrację promieni UV potrzebnych do sieciowania. Tusze te rzadko w pełni sieciują, nie mogą też później sieciować termicznie. Szybkość ich sieciowania jest o wiele większa w poduszce azotowej aniżeli w otoczeniu tlenowym. Usieciowany tusz może posiadać znaczną ilość nieprzereagowanych monomerów i fotoinicjatorów, które mogą pogarszać wytrzymałość na płowienie i warunki zewnętrzne. Pigmenty zawarte w tuszu w celu uzyskania pożądanego koloru konkurują o dostęp do światła i inhibitują transfer wolnych rodników, czego wynikiem jest tworzenie się ozonuW celu poprawy przyczepności większość tuszy UV zawiera oligomery, ale ich lepkość jest zbyt wysoka (tusz staje się zbyt gęsty). Dlatego też ich przyczepność do niektórych materiałów może być w dalszym ciągu niezadowalająca. Ponadto charakterystyczny zapach tuszy sieciowanych wolnorodnikowo ogranicza zastosowanie ich w produktach takich jak opakowania żywności. W tym przypadku tusze kationowe UV mogą być doskonałą alternatywą dla sieciowania wolnorodnikowego. Sieciowanie kationowe Tusze kationowe i wolnorodnikowe zawierają podobne składniki jak monomery i oligomery. Zasadniczą różnicą jest rodzaj stosowanego fotoinicjatora. W tuszach kationowych wszystkie pigmenty, sensybilizator i dodatki muszą być wolne od alkaliów, gdyż inaczej grupy kationowe zostaną zneutralizowane. Zalety Tak samo jak systemy rodnikowe, tusze kationowe mogą znaleźć szerokie zastosowanie. Ich cechą charakterystyczną jest zjawisko późniejszego sieciowania (post-curing). Oznacza to, że grupy kationowe w systemie pozostają aktywne długo po ekspozycji tuszu na promienie UV, dzięki czemu sieciowanie następuje jeszcze przez wiele godzin. W rezultacie mamy do czynienia z wysokim stopniem przereagowania i znakomitym sieciowaniem zarówno powierzchniowym, jak i w masie bez potrzeby użycia poduszki azotowej lub sensybilizatora zmieniającego zakres absorpcji. Mobilność niskocząsteczkowych grup kationowych może przyspieszyć szybkość reakcji pomimo żelowania struktury stworzonej w czasie reakcji polimeryzacji. Późniejsze sieciowanie optymalizuje powierzchniowe właściwości tuszy kationowych. Połysk, wytrzymałość mechaniczna powłoki oraz odporność na ścieranie i zadrapania w połączeniu z odpornością na pęknięcia spowodowane ekspozycją w warunkach zewnętrznych należą do ich istotnych zalet. Kolejną widoczną korzyścią jest fakt, że możemy stosować tusze kationowe do tych samych drukarek, które używają tuszy wolnorodnikowych. Prawdopodobnie najbardziej intrygującą (i potencjalnie atrakcyjną) właściwością tuszy kationowych sieciowanych promieniami UV jest jednak ich doskonała przyczepność do podłoży, z którymi mamy notoryczne problemy, czyli szkła (więcej informacji na ten temat – w dalszej części artykułu). Wady Trzeba stwierdzić, że opracowanie kompozycji tuszy kationowych może być bardzo trudne i będzie wymagało wielu prac badawczych, aby dopasować szybkość sieciowania do specyficznej aplikacji. Muszą powstać kompozycje tuszy odpowiadające potrzebom klientów, ich produktów i procesów. Niektóre cechy ich działania wzajemnie się wykluczają. Nie można stosować w nich alkalicznych składników, barwników czy też dodatków. Przykładowo, system może zostać zatruty przez aminy (podstawowy komponent inicjatorów wolnorodnikowych). Reakcja łańcuchowa grup kationowych może zostać zneutralizowana przez cząsteczki anionowe. Inaczej mówiąc, kombinacja negatywnych anionów i pozytywnych kationów może się przyczynić do wygaśnięcia reakcji łańcuchowej. Opracowano i wprowadzono na rynek nowe innowacyjne surowce dla sieciowania kationowego. W rezultacie tusze kationowe oparte na supernowoczesnej technologii będą sprzedawane za cenę tylko 25-50% wyższą aniżeli tusze wolnorodnikowe. Jest to prawdopodobnie pierwszy przypadek w historii przemysłu poligraficznego, że w sposób rozsądny ustalono w druku cyfrowym ink jet koszt przestawienia się w stosunku do ceny surowca (tuszu). W dalszym ciągu jednak będą istnieli potencjalni użytkownicy, którzy zakwestionują rynkową wartość systemów kationowych, szczególnie na początku ich stosowania. W niektórych przypadkach pozostałe nieprzereagowane grupy kationowe mogą powodować korozję. Tusze kationowe są też bardziej wrażliwe na strumień światła aniżeli wolnorodnikowe i dlatego wymagane jest stosowanie osłon ochronnych. Prawdopodobnie jednak najsłabszą stroną systemu kationowego jest wrażliwość na wilgoć na granicy zetknięcia tuszu z powietrzem. Przykładowo folie winylowe i papiery z wysoką zawartością wilgoci mogą hamować polimeryzację kationową. Nadmiar wilgoci można kompensować dodatkową ilością fotoinicjatorów, osuszaniem powietrza, wyższą energią UV, zmniejszeniem szybkości liniowej drukowania lub przez ogrzewanie części odpornych na temperaturę w procesie drukowania. Paradoksalnie, małe ilości wody mogą zostać zemulgowane przez tusz kationowy i ich obecność będzie przyspieszała szybkość reakcji nie powodując odwrotnego skutku w niektórych typach aplikacji. cdn.