Impresión UV de mangas contraíbles

Frente a la previsión de que el mercado de mangas contraíbles alcance los US$ 525 millones de dólares en el año 2007, se considera que la impresión flexográfica, gracias a sus menores costos, constituye un catalizador para el crecimiento de esta industria. Dado que el mercado tradicional de etiquetas tipo mangas encogibles se encuentra dominado en la actualidad por el sistema de grabado con solventes de los cilindros de rotograbado, los dispositivos de recuperación de solventes y los costos más elevados de las prensas podrían indicar que dicho método de impresión resulta más costoso que el de la flexografía.

Las tintas UV catiónicas llevan algún tiempo en el mercado, pero debido a la necesidad de eliminar el calor IR de las lámparas UV para imprimir películas encogibles, el curado completo de la tinta a menudo enfrenta limitaciones y retrasos. Las tintas catiónicas UV han dejado mucho que desear respecto de los requisitos de calidad gráfica, velocidad y desempeño exigidos por el usuario final. Por ese motivo estas tintas no se han considerado como una alternativa de gran viabilidad -ni para tirajes cortos ni para tirajes largos- en relación con la impresión de rotograbado base solvente.

Con el desarrollo de la nueva tecnología de tintas flexográficas UV de radicales libres específicamente para mangas contraíbles, las aplicaciones han mostrado mejoras en la calidad gráfica, en comparación con la impresión de rotograbado base solvente. Esta tecnología ha producido blancos de muy alta opacidad con menos restricciones ambientales, al igual que ahorros en costos y evidentes ventajas respecto a rasgos de encogido y deslizamiento, así como a velocidades de producción.

En este artículo se hace una descripción sucinta de los mecanismos detallados de las tintas UV catiónicas y las de radicales libres, así como de las ventajas y desventajas de las dos composiciones químicas de UV. Asimismo se comenta cómo la nueva tecnología de tintas flexográficas UV de radicales libres puede mejorar el desempeño, tanto para el impresor como para el usuario final, en comparación con la impresión de rotograbado base solvente. Muchos de los métodos mencionados se pueden también utilizar para mejorar la impresión de películas delgadas sin soporte.

Opciones de composiciones químicas UV
Las dos clases principales de formulaciones químicas disponibles hoy para el curado por ultravioleta son la de acrilatos con radicales libres y la catiónica. Las tintas catiónicas se han utilizado durante varios años en aplicaciones de tirajes cortos de mangas encogibles, mientras que las tintas UV de radicales libres continúan predominando en sustratos y aplicaciones que son menos sensibles al encogimiento por la tinta. Aunque estos métodos presentan múltiples formas, el tema de este artículo se dedica a los aspectos básicos de estas formulaciones químicas.

Mecanismo de la tinta UV catiónica
El mecanismo catiónico utiliza un fotoiniciador que, una vez irradiado con luz UV, genera un superácido que luego cataliza la reacción. La Figura 1 ilustra la reacción catiónica. Esta se inicia y prosigue con otro grupo epóxico hasta que, o bien se agota, o bien hace que el polímero que se va formando se vitrifique, restringiendo así el movimiento en cadena de modo que los puntos reactivos ya no se pueden alcanzar entre sí para continuar la reacción. La reacción es más lenta que la composición de radicales libres, pero contiene un alto grado de post-curado. El calor IR que emiten a las lámparas UV también juega un papel crucial en la velocidad y la conversión total de la reacción. La lógica de la catiónica es que, si se puede obtener una formación inicial suficiente de película para evitar el rastreo de la tinta, ésta continuará hacia una etapa de post-curado hasta lograr conseguir todas sus propiedades.

Ventajas de las tintas catiónicas. Las tintas catiónicas por lo regular presentan una proporción muy reducida de encogimiento en el curado, debido al mecanismo de apertura de anillos de los grupos epóxicos.

Dado que la reacción catiónica es más lenta en comparación con el mecanismo fotoiniciado de radicales libres, le permite a la película de tinta un mayor tiempo para distensionarse sobre el sustrato mientras tiene lugar el entrecruzamiento de los enlaces, lo cual reduce aún más la tensión sobre el sustrato. El encogimiento que sufre la película de tinta en las composiciones catiónicas durante el curado suele ser del 5 por ciento o menos.

La catiónica ha mejorado la extraibilidad y el olor en las tintas de radicales libres cuando se curan completamente. En tiempos recientes se han logrado ganancias sustanciales; sin embargo, con el desarrollo de componentes menos olorosos y de mejores formulaciones se obtienen tintas de radicales libres que producen menos olor.

Desventajas de las tintas catiónicas. La catiónica presenta algunas limitaciones, una de las cuales es la velocidad. La reacción catiónica no ocurre al nivel de los radicales libres en términos de velocidad, y puede exigir una lámpara de vatiaje adicional para lograr un curado adecuado.

El escaso encogimiento de la película de tinta y el vatiaje más alto en la prensa, que por consiguiente genera más calor IR, es un arma de doble filo en la impresión de películas encogibles. Por otra parte, dado que el 70 por ciento del vatiaje que emiten las lámparas UV en forma de calor IR (que luego se elimina mediante rodillos de enfriamiento y reflectores UV fríos especiales para películas encogibles), el curado de las tintas catiónicas se suele retardar. Esto da lugar a una durabilidad muy deficiente, baja adhesión y rasgos de olores mucho más pronunciados de lo normal en las tintas UV de radicales libres que se utilizan a diario.

Otra desventaja es el agotamiento de la reacción catiónica por la humedad atmosférica. En días de humedad alta o en áreas geográficas más húmedas, los parámetros utilizados para estas tintas pueden variar de un día para otro. Es posible, pues, que necesiten utilizar un ambiente climatizado.

La elección de los componentes también puede resultar difícil en el caso de las tintas catiónicas. Los propios componentes catiónicos por lo regular son más costosos que los componentes a base de radicales libres. Los componentes alcalinos, por su parte, no se pueden utilizar extensamente, debido a que pueden retrasar o neutralizar la reacción. Esto también se observa cuando se emplean tintas catiónicas en lugar de tintas de radicales libres o a base de agua que contengan aminas u otros componentes alcalinos. De igual manera, tampoco se pueden utilizar ampliamente componentes ácidos en las tintas catiónicas, puesto que pueden iniciar la reacción y crear un aumento en la viscosidad que puede llegar a volver gelatinosa a la tinta.

El encargado de la formulación es restringido en el uso de estos tipos de pigmentos y tratamientos superficiales de los pigmentos que se emplean para obtener pigmentos de pH neutro. Estas restricciones eliminan muchas de las opciones de la lista, de por sí limitada, de pigmentos que contienen requisitos adecuados de flujo y de densidades, correspondientes a un determinado sistema UV. Los aditivos dispersadores de estos pigmentos también son muy restringidos, debido a que, según se ha registrado, algunos de los que funcionan con aminas disminuyen el curado de las tintas catiónicas, lo cual limita aún más las capacidades de carga de los pigmentos. Todo lo anterior se traduce, esencialmente, en tintas más espesas y de menor pigmentación y, por consiguiente, en una calidad gráfica más deficiente.

Algunos fotoiniciadores catiónicos pueden asimismo contener metales pesados y liberar cantidades muy pequeñas de benceno, extraíble en el ambiente de la sala de prensas a través de una hendidura derivada del fotoiniciador como respuesta a la irradiación. Sin embargo, nuevos adelantos han permitido obtener iniciadores que no emiten benceno y que se encuentran libres de metales pesados, aunque estas nuevas modalidades pueden disminuir ligeramente las velocidades de curado.

Mecanismo de los radicales libres
El mecanismo de los radicales libres se inicia con la generación de radicales por parte de un fotoiniciador irradiado. El fotoiniciador excitado reacciona luego con los grupos de acrilatos, que enseguida dan lugar a reacciones subsiguientes con otros acrilatos vecinos. Un esquema de este mecanismo se ilustra en la Figura 2. Los radicales continúan actuando muy aceleradamente sobre los grupos de acrilatos hasta que el radical es agotado por el pigmento, el oxígeno, los aditivos o cualquier otro radical libre, o hasta que tiene lugar la vitrificación, lo cual restringe el movimiento creciente de la cadena de polímeros.

Básicamente, todo el curado ocurre mientras la radiación UV está penetrando las tintas y durante unas fracciones de segundos más tarde. El verdadero post-curado es mínimo; sin embargo, se van formando propiedades tales como la adhesión y el rayado a medida que la tinta se enfría y se distensiona sobre el sustrato. El calor IR de las lámparas UV también aumenta la velocidad de curado, pero éste es un factor mucho menos definitivo en los radicales libres que en la catiónica, y todavía puede tener lugar un curado suficiente al eliminar el calor IR.

Ventajas de las tintas de radicales libres. Este mecanismo es sumamente rápido. Dado que el curado de la tinta de radicales libres no depende tanto de la temperatura como el curado catiónico, se puede utilizar un vatiaje menor en las lámparas para obtener un curado mucho más rápido, con lo cual a los sustratos se les somete a una menor cantidad de calor, lo cual resulta crítico para las aplicaciones de mangas encogibles. La elección del componente no se ve tan restringida por la acidez o basicidad de los pigmentos como lo es en el caso de la catiónica.

La sola cantidad de componentes de radicales libres entre los cuales hay que escoger es también superior a la de los componentes catiónicos. Por consiguiente, se han generado últimamente sistemas de alta pigmentación con elevada reología en la prensa para utilización con rodillos anilox YAG de alta lineatura. Las altas cargas de pigmentos que predominan en la actualidad permiten además un efecto de encogimiento con menos tinta y un efecto de disminución de los olores, por la menor cantidad de tinta.

Debido a que las tintas de radicales libres están menos restringidas por la basicidad de la superficie sobre la que se imprimen, se pueden emplear eficazmente en sustratos más alcalinos y en conjunto con tintas flexográficas a base de agua con contenido de aminas.

Desventajas de las tintas de radicales libres. Todas las propiedades necesarias de curado deben conformarse para que surtan efecto en una ventana de tiempo de fracciones de segundo. Las tintas de radicales libres reaccionan con rapidez y utilizan conjuntamente todos los componentes con el curado. Esto, en consecuencia, ejerce un alto grado de tensión sobre las películas encogibles, y puede llegar a arrugar las películas cuando se les acopla con una baja proporción de calor IR de las lámparas UV. El alto grado de encogimiento también tiende a hacer que las tintas pierdan flexibilidad y capacidad de encogimiento, lo cual se puede presentar igualmente con el sustrato cuando se realiza el sellado al calor. En algunas tintas tradicionales de radicales libres se puede observar un 15 por ciento de encogimiento con el curado.

El mecanismo de radicales libres también es sensible al oxígeno. Esto se puede solucionar fácilmente utilizando lámparas de mayor potencia, componentes altamente eficientes y/o iniciadores que absorban y utilicen oxígeno en la reacción (por ejemplo, las aminas terciarias). En este caso, la ventaja es que el contenido de oxígeno no presenta un alto grado de fluctuación en el ambiente en el que se le pone a prueba. Si funciona bien un día, debe hacerlo igual el día siguiente.

Nueva tecnología
Hay un nuevo método mediante el cual se pueden utilizar tintas UV de radicales libres y de alta definición en aplicaciones de películas de alto encogimiento. Este método comprende tintas de radicales libres, capaces de lograr un bajo encogimiento de la película de tinta y altos gradientes de flexibilidad.

Velocidades. El método comprende rápidas velocidades de curado con radicales libres, a la vez que los altos rasgos de adhesión permiten un leve contacto en la adhesión de la tinta al material utilizando al mismo tiempo el mínimo vatiaje posible, lo cual elimina cualquier exceso de calor en el material. El hecho de que la velocidad del mecanismo catiónico es determinado en gran manera por el grado de calor no permite que se presenten altas velocidades ni bajas intensidades de luz, y esto ha servido como un factor restrictivo importante en el rendimiento de la flexografía UV, en comparación con el rotograbado base solventes. Con un equipo de curado y con arreglos de prensa adecuados, la nueva tecnología de radicales libres ha eliminado esta restricción y fácilmente permite alcanzar la misma tasa de productividad del rotograbado.

Encogimiento. Con este nuevo método los fuertes enlaces de adhesión les permiten a las tintas fundirse con el sustrato inmediatamente después del curado. Este efecto de fusión inmediata (y la pequeña cantidad de encogimiento del acrilato) permite que se forme una pequeña tensión en la propia película de la tinta, pero que no alcanza a ser suficiente para arrugarla. El efecto tensionante es semejante a la forma como se fabrican las películas encogibles. En este proceso la película se somete a calentamiento, luego se estira y finalmente se enfría, con lo cual se incorpora una memoria en la película, que regresa a su estado original una vez se le calienta de nuevo.

En el caso de las tintas UV de radicales libres, esencialmente se le está incorporando un pequeño grado de memoria a la propia tinta. De hecho las tintas para rotograbado base solvente, por su parte, inhiben el encogimiento a un nivel más elevado que las nuevas tintas de radicales libres, al no poder obtener este efecto de tensión. El bajo grado de tensión de esta nueva forma de tecnología UV de radicales libres esencialmente activa los rasgos de encogimiento y genera porcentajes de encogimiento más rápidos y uniformes con la película que el rotograbado o las tintas flexográficas a base de solventes o de agua. Con este nuevo estilo de tecnología de radicales libres se obtiene un encogimiento hasta de 75 por ciento, junto con las más altas películas encogibles de PETG que se encuentran en la industria.

Calidad gráfica. La calidad gráfica que brinda la nueva tecnología de radicales libres es también mejor que la que se genera en el rotograbado a base de solventes utilizando las planchas poliméricas estándar 150-175LPI. Esto se puede entender teniendo presente que en el rotograbado no existen planchas que causen una separación de la película de tinta. En muchas situaciones (dependiendo del rodillo de rotograbado), se aplica casi el doble de la tinta en la impresión por rotograbado. Con tintas del doble de espesor y una menor viscosidad, la ganancia de punto con el rotograbado será mayor. Las películas de tinta delgadas y vibrantes, y la capacidad para congelar el punto en la tinta inmediatamente después de la impresión mejoran la calidad gráfica en flexo UV, en comparación con el rotograbado. Los blancos opacos también han mostrado considerables ganancias en opacidad y se pueden utilizar en impresión combinada con tintas flexográficas a base de agua, cuando esto no se pueda lograr con la catiónica.

Costos. Los ahorros en costos del flexo en comparación con el rotograbado están representados en el uso de prensas más económicas y planchas de fotopolímeros en lugar de cilindros grabados, así como en la ausencia de dispositivos de recuperación de solventes y en la menor cantidad de restricciones ambientales, además de lámparas UV de menor costo, en comparación con los secadores convencionales para mangas contraíbles. El flexo también implica una mano de obra menos intensiva en cuanto al tiempo necesario para arrancar la prensa, y permite cambios de trabajo rápidos para manejar tirajes tanto cortos como largos. Si bien los costos de las tintas UV son más altos que los del rotograbado a base de solventes, cuando se tiene en cuenta que su pigmentación es del doble, los precios iniciales de las dos tecnologías se acercan mucho más de lo que parece a primera vista.

COF. Los rasgos de deslizamiento también son menores cuando se emplea la nueva tecnología de radicales libres frente a los niveles obtenidos a partir del rotograbado base solvente. Esto permite una transferencia más fluida de las mangas en aplicaciones muy ajustadas/pegadas a la superficie de los envases.

Conceptos de curado
En definitiva, la clave (además del desempeño de la tinta) en las aplicaciones de procesamiento para el encogido es mantener el calor IR que liberan las lámparas UV alejado del material encogible en el curado, con el fin de evitar que se encoja el material. Esto se puede lograr de diferentes maneras, como se explica enseguida. Estos métodos se pueden utilizar también en aplicaciones de películas delgadas sin soporte, en las que el calor en la prensa es igualmente crítico.

• Rodillos de enfriamiento. La utilización de rodillos de enfriamiento es el método mejor y más seguro para eliminar buena parte del calor IR en las películas encogibles y obtener las más altas velocidades de prensa. El empleo de otros de los métodos mencionados en este artículo puede permitir su uso sin rodillos de enfriamento, pero puede sacrificar velocidad y aumentar el desperdicio.
• Lámparas de bajo vatiaje. Básicamente, lo que se busca es establecer una verdadera adhesión y unas características de desempeño deseables; no se necesita un curado exagerado de la tinta más allá de tal punto. Por consiguiente, no todos los pigmentos iluminan a los mismos niveles. Esto quiere decir que en las lámparas los colores más claros se deben manejar con un menor vatiaje que los colores más oscuros. Ciertos pigmentos -por ejemplo, el negro carbón- también absorben mucha mayor cantidad de calor de las lámparas UV y no se deben manejar hasta llevarlos a densidades extremas sin aplicar la capacidad de los rodillos de enfriamiento. Aplicando colores proceso por capas debajo de una capa negra densa y finamente impresa se minimiza el vatiaje de lámpara necesario y se produce un negro denso y uniforme. Esta puede ser una de las ventajas más relevantes de utilizar lámparas que emitan un alto nivel de IR.
• Doped Lámparas. Son lámparas de hierro que pueden brindar una potencia de curado más fuerte y completa, que se traduce en un vatiaje de lámpara menor, y necesario para poder obtener la adhesión. Esta es una alternativa interesante a los dispositivos de UV que funcionan con más calor incluso con rodillos con enfriamento.
• Utilización de guías termales para la banda. El empleo de calibradores térmicos en la banda ofrece una indicación exacta del radio entre el vatiaje de la lámpara y la velocidad de la prensa que se puede utilizar para los tirajes de diversos trabajos. Si no se cuenta con este tipo de termómetros, el empleo de una tinta UV termocromática en la barra de la escala de colores puede también indicar si se están sobrepasando los requerimientos de temperatura de la película.
• Enfriamiento y refrescamiento UV. El sistema de lámparas es el motor que impulsa toda esta tecnología. El uso de reflectores dicroicos, espejos fríos y filtros de IR, tales como obturadores con recubrimientos dicroicos, pueden resultar indispensables para eliminar el calor que perjudica al sustrato en la prensa. Últimamente se han construido nuevos sistemas especializados de lámparas para la industria de las mangas contraíbles y las películas delgadas. Estas lámparas transmiten una mayor cantidad de milijulios para el curado a un vatiaje de lámpara inferior. Esto se traduce, fundamentalmente, en menos calor y velocidades de prensa superiores.

Conclusión
Las aplicaciones de mangas contraíbles pueden constituir verdaderos retos, pero, asimismo, oportunidades de ganancias para las prensas que cuenten con capacidades de UV. La tecnología continúa cambiando, y los sistemas de tintas y recubrimiento logran crecientes avances y se especializan más cada día. Hoy se dispone de sistemas especializados de UV de radicales libres para las aplicaciones en mangas encogibles y películas delgadas, con excelentes resultados. La industria de las mangas encogibles está creciendo a un ritmo acelerado. Las alternativas de menor costo y mayor rendimiento disponibles en la tecnología de UV de radicales libres pueden actuar como un catalizador importante para este mercado en crecimiento.