Actualización para uso de tintas base agua o adhesivos sin solventes

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Las tintas base agua se han utilizado satisfactoriamente en todos los tipos de prensas apropiadas para imprimir en papel, cartón y sustratos de poliolefinas. Sin embargo, se deben anotar ciertos problemas, más específicamente con materiales de película de poliolefinas que con otros sustratos más porosos.

Estos problemas se pueden resumir así:

  • Se requiere más energía para evaporar el agua, y esto significa la modificación de los túneles de secado.
  • La viscosidad de las tintas bases agua necesita ser revisada con más atención.
  • En tirajes largos, el pH del sistema necesita ser monitoreado continuamente porque la amina volátil se evapora lentamente, y necesita ser repuesta.
  • Las prensas deben limpiarse relativamente rápido para que la tinta no se seque y adhiera fuertemente a los anilox.
  • Para tener una buena adhesión es necesario asegurar un nivel alto de tensión superficial en las películas.

Para sobrellevar la mayoría de estos puntos se necesita tener disponibilidad de un buen conocimiento (know-how) y técnicas en la planta de impresión. El problema de tensión superficial, aunque es muy bajo, representa un defecto inherente en el material a usar y solamente se puede superar pre-tratando los materiales en la prensa con un aditamento adicional, llamado un tratador corona.

La Figura 1 muestra el efecto de impresión en una superficie polimérica usando tinta base agua, donde el nivel de tensión de la película es muy bajo. La calidad es pobre, un resultado directo de baja tensión superficial que resulta en adhesión pobre.

Adhesión
En la adhesión entre dos superficies se entiende que su rugosidad proporciona una clave mecánica para el adhesivo. Es cuando las superficies son lisas, que uno puede especular acerca de las razones de por qué ocurre la adhesión con algunos materiales y con otros no. Generalmente se acepta que un enlace fuerte puede darse entre dos materiales polares y un enlace de menor fuerza si una o ambas superficies son no polares. Las poliolefinas no tienen la estructura química necesaria que facilite un pre-tratamiento mecánico y se cree que la dificultad encontrada es dada por la estructura no polar de las poliolefinas.

Los cambios químicos causados por el tratamiento corona incluyen la polarización y por tanto se incrementa la humectabilidad en la superficie del material. Con las poliolefinas, el tratamiento superficial polariza las largas cadenas de moléculas del polímero en fragmentos de cadenas más cortas y oxida los finales de estas secciones más pequeñas, creando principalmente grupos éter e hidróxilo. El tratamiento es caracterizado como una capa de superficie muy delgada y ordenada de la película.

Tensión Superficial
La propiedad de tensión superficial de un líquido surge de fuerzas moleculares desequilibradas en o cerca de la superficie. Si esta es mayor que la energía superficial de un material, el líquido tiende a formar gotas en lugar de dispersarse (Ver Figura 2). Con el fin de lograr una buena adhesión al imprimir, la energía de superficie del polímero debe ser por lo menos 10 dinas mayor que la tensión superficial de la tinta. Esta diferencia es necesaria para que la tinta moje o se disperse uniformemente sobre la superficie de la película.

La tensión superficial se mide normalmente en unidades de energía llamadas dinas/cm., (mN/m). (Una dina es la cantidad de fuerza requerida para producir una aceleración de 10mm/seg. en una masa de 1g [mN/m]). El nivel de dinas de un material es llamado su energía superficial.

Las películas de polipropileno tienen la tensión superficial más baja, de 29 dinas/cm., mientras que la poliamida (Nylon) tiene la más alta tensión superficial, en 46 dinas/cm. La mayoría de los solventes en tintas de impresión están en un intervalo de 18-29 dinas/cm., mientras que el agua tiene una tensión superficial de 72 dinas. Las moléculas de agua preferirán pegarse a ellas mismas en lugar que a una superficie débilmente atractiva de baja energía como lo es una película polimérica.

Si la tensión superficial de una película polimérica es aumentada por tratamiento corona a un nivel más alto, entonces las propiedades de adhesión se mejorarán.

Las películas poliméricas tratadas en la etapa de fabricación/extrusión a menudo son más fáciles de re-tratar que los materiales que no han sido tratados en su totalidad, aún cuando el nivel de energía superficial haya decaído del nivel del tratamiento original. Esto se permite en equipos de tratamiento corona más pequeños, ajustados en la prensa, pero no en el caso para materiales que no han sido tratados en la etapa de manufactura. La mezcla de polímero, particularmente en relación con el contenido de aditivos, tiene una mayor influencia en los niveles de energía superficial alcanzables. Los aditivos como el deslizante (slip), o como el TiO2 inhibirán el proceso de tratamiento corona, necesitando más altos niveles de potencia para lograr un determinado nivel de energía superficial. La tasa de decaimiento del nivel de energía superficial puede ser también acelerado por la presencia de aditivos, particularmente aquellos destinados a quedarse en la superficie de la película, como lo es el deslizante (slip).

Pre-tratamiento corona
El tratamiento corona por descarga para mejorar la adhesión de varios sustratos de polímero a presión atmosférica es ahora una práctica estándar. El tratamiento corona es generado por aplicar una alta frecuencia, una señal de alto voltaje a un electrodo separado de un plano conectado a tierra por un entrehierro, el sustrato y una capa de material dieléctrico.

No todos los sistemas de tratamiento corona son iguales, y muchos factores juegan un rol importante en una correcta y efectiva descarga corona, tal como el suministro de potencia corona, frecuencia de operación, materiales dieléctricos, configuraciones del electrodo de descarga y arreglos del entrehierro.

Generadores corona de alta frecuencia– Suministros de potencia reactiva
Los sistemas de potencia reactiva proporcionan una medida cuantitativa de la adaptación de la impedancia entre la carga y el generador. La adaptación de la impedancia es el procedimiento para maximizar la entrega de la potencia disponible al electrodo de descarga por sintonización de la inductancia y la capacitancia del generador y la estación del electrodo, a la resonancia. La importancia de la adaptación de la impedancia no puede ser sobrestimada. Cuando componentes importantes: inductores, condensadores en una fuente de poder no pueden ser fácilmente cambiados, un factor importante si puede, la frecuencia a la que opera la corona. Un ajuste fino de la salida de la frecuencia puede asegurar que la combinación entre la fuente de poder y la estación de descarga sea mantenida en óptimas condiciones. El resultado final de este proceso es que los niveles de tratamiento equivalentes son alcanzados con significativamente menos potencia absorbida.

Con este conocimiento ahora bien entendido, no es un problema diseñar los paneles de visualización en los generadores del tratador corona que hacen que la repetibilidad de la potencia usada sea muy clara para los operarios de la máquina, un paso adelante significativo hacia un tratador corona con mejor eficiencia, y más fiable.

Los insumos de potencia reactiva, tales como el intervalo ISIS de tratadores Sherman Treaters, son acondicionados con sofisticadas adaptaciones de circuitos que automáticamente se ponen a punto para cargar las condiciones, usando frecuencias de salida en el intervalo de 10 – 60 Khz. Esto permite que el suministro de potencia se vuelva del "tipo conecte y use" en la conexión a una diferente estación de tratamiento, o que la condición de carga no requiera ningún tiempo de preparación. El panel de control del ISIS, de manejo de menús, utiliza un PLC con microcontroladores de alta velocidad para controlar la unidad de potencia y la estación de tratamiento. Los ajustes de variables dentro de los microcontroladores son programados y el flujo de datos resultante es mostrado vía microcomputador y una pantalla gráfica LCD.

El controlador flexible y graduable incorpora un menú de manejo en el software de control del tratador separado en tres niveles diferentes: operario, supervisor e ingeniero, ventana de tiempo de estado real del tratador, un software de control de poder PID que maneja flujo de lazo cerrado y un nuevo medidor de potencia electrónico. El beneficio de correr un sistema basado en software es que las actualizaciones son sin complicaciones. La integración de funciones de control corona adicionales como: Control de factor vatios densidad/potencia en flujo de lazo cerrado; control de empalme; tratamiento faltante; funciones de comienzo húmedo; diagnósticos de defectos remotos, vía Internet con buscador en la red, interfase digital PLC, datos de entrada en tiempo real, que solamente eran posibles en el pasado con piezas adicionales de hardware para tratamiento corona, ahora no, la tecnología del mañana la tenemos disponible hoy.

Estaciones de descarga corona:
Escogiendo el sistema correcto, rodillo con o sin recubrimiento
El hecho de que existe la necesidad de dos tipos de estaciones de descarga corona diferentes se explica por la presencia de dos grupos de sustratos utilizados en la industria del empaque, llamados materiales conductores y no conductores.

Sustratos: Conductores o no conductores
Tradicionalmente el medio de aislamiento dieléctrico en un sistema corona siempre era situado en la parte trasera de la estación de rodillo con recubrimiento. Este modo es solamente apropiado para materiales no conductores ya que estos no proveen una trayectoria a tierra cuando ocurre la descarga entre el electrodo acondicionado y el electrodo recubierto con aislante que es el rodillo dieléctrico (Ver Figura 3).

Un sustrato conductor moviéndose a través de esta construcción mecánica generará una trayectoria a tierra desde el mismo, a todos los rodillos de trayectoria a tierra en la línea de producción. Cuando el tratador corona es energizado, esto previene que el sistema requiera de alta tensión para encender el arco corona.

Para vencer este problema, el medio aislante es movido desde la base del rodillo hasta la descarga del electrodo que luego se vuelve el electrodo aislado y la base de rodillo permanece metálica manteniendo así la construcción del condensador. Esto es conocido como la construcción del tratador de rodillo sin recubrimiento o descubierto y podrá manejar sustratos conductores y no conductores. Debería anotarse que los sistemas de rodillo descubierto no son tan efectivos en películas difíciles como si lo son los tratadores di-eléctricos de rodillo recubierto.

La Figura 4 compara una estación convencional de rodillo recubierto, dada la misma potencia de densidad corona en vatios, y produjo más altos niveles de dinas con la estación de rodillo descubierto. Si el sustrato no ha sido tratado en la etapa de manufactura, entonces sería necesario considerar un sistema de rodillo recubierto en la prensa de impresión/conversión.

Sistemas de rodillo recubierto - dieléctricos
Las características de los dieléctricos juegan un papel importante en el éxito o beneficio del tratador corona. Como resultado es necesario definir la naturaleza precisa de ese dieléctrico cuando hay un recubrimiento en el rodillo tratador. Tradicionalmente, la base del medio del recubrimiento dieléctrico era de caucho, y cada vez más de silicona. En años recientes el recubrimiento de caucho en la base del rodillo ha tendido a ser reemplazado por cerámica, porque se incrementa dramáticamente su durabilidad. La cerámica es inorgánica y no sujeta a cambios moleculares como resultado de la descarga corona.

Una dimensión muy importante respecto al recubrimiento dieléctrico es la constante dieléctrica del recubrimiento. Cuando un rodillo va a ser recubierto esta dimensión es más crítica que el diámetro total del rodillo recubierto. El espesor del dieléctrico debería ser especificado en lugar del diámetro total del rodillo, debido a su efecto en la constante dieléctrica y el efecto de carga/combinación resultante sobre el generador HF.

Antes de instalar cualquier rodillo recubierto dieléctrico, debería medirse la constante dieléctrica y las dimensiones volverse parte de cualquier especificación del recubrimiento. Una vez se ha establecido un ajuste de la constante dieléctrica en el generador se puede asegurar que se alcanza la máxima eficiencia del tratamiento corona.

Mecanismos de descarga
En los sistemas corona de rodillo recubierto, el mecanismo de descarga preferido para un tratamiento sobre todo el ancho, de orilla a orilla, es la barra de descarga multi-cuchilla permitiendo a la superficie ser variada para alcanzar diferentes índices de Kw., y proveer un excelente tiempo de intervalos de reposo del tratamiento corona para sustratos corriendo en líneas de altas velocidades.

Pero cuando se requieren senderos de no tratamiento a lo largo del ancho de la película, entonces se debería utilizar el electrodo segmentado (Ver Figura 5).

En estaciones de rodillo descubierto la elección preferida de electrodo aislante es el tubo de cerámica dieléctrico. Llenado con un medio conductivo, de anchura ajustada y sección transversa uniforme, proveen una excelente descarga de electrodos, que no está sujeta al decaimiento del corona. Los factores importantes para lograr una larga vida del electrodo cerámico, es mantenerlos fríos y limpios, que es ayudado cuando son montados en su propio montaje de extracción, y que asegura un flujo de aire constante sobre la cara de la descarga.

El tratador triple de Sherman Treaters, de electrodo cerámico, proporciona un incremento en la salida corona, excelente tiempo de intervalos de reposo a altas velocidades en materiales de difícil tratamiento, y no demanda espacio adicional.

Tal y como hemos expuesto dos áreas críticas en el diseño de sistema de descarga, llamado diseño del medio dieléctrico y del electrodo, podemos ahora considerar un tercer factor que afectará la eficiencia del tratamiento corona, llamada la distancia entre el rodillo de respaldo y el electrodo de descarga llamada entrehierro (air gap).

Entrehierro
El análisis dimensional del mecanismo de descarga indica la importancia de la dimensión del entrehierro. Parte de esta dimensión es el espesor del sustrato a ser tratado, considerado en micras, sin embargo el entrehierro para el arco corona es medido en milímetros.

Para una potencia de corona dada, un pequeño entrehierro y su voltaje de interrupción resultante producirá relativamente un bajo nivel de energía. Incrementando el entrehierro se incrementa el voltaje de interrupción y correspondientemente el nivel de energía de cada partícula es incrementada. Simplemente incrementando el voltaje de interrupción y el entrehierro no aumenta la potencia corona en el sustrato. Un ajuste óptimo del entrehierro depende del material dieléctrico y la frecuencia del generador corona. Tal y como es un factor crítico, una lectura manométrica en el mecanismo de ajuste del entrehierro debería ser especificada, no solamente en las orillas del sustrato sino en los intervalos por todo el ancho.

La Figura 6 muestra los componentes necesarios para una instalación de pre-tratamiento corona: Un generador de potencia reactiva de alta frecuencia, un transformador HT, una estación de electrodo de construcción apropiada, un sensor de rotación, un sistema de extracción de ozono.

Remoción de ozono
Los sistemas de tratamiento corona producen ozono, su efecto es tóxico y corrosivo. Por tanto es importante extraer el ozono del área de producción (Ver Figura 7).

Así como las leyes ambientales se vuelven más estrictas en las emisiones de gases para las plantas de producción, el tema de la emisión de ozono del tratamiento corona se vuelve igual de importante.

Ahora hay una solución a la mano, la destrucción del ozono dentro de la planta de producción, significa que no se necesita dejar escapar el dañino gas ozono a la atmósfera. El ozono del tratamiento corona es catalíticamente removido del flujo de gas, resultando en niveles de menos de 0.1ppm de ozono en el área de trabajo (Ver Figura 8).

Conclusión
No podemos controlar el decaimiento en el nivel de dinas en el tiempo, dado a los efectos de aditivos, cristalinidad, y condiciones de almacenamiento. El tiempo de almacenamiento puede ser reducido para minimizar el decaimiento. Sin embargo, esto aún no garantiza que se obtendrá una buena adhesión de la impresión o de la laminación sin solventes. Montando un tratador en línea en la prensa o en la laminadora, da al convertidor una forma de seguridad de que se obtendrán los resultados deseados.

También proporciona cierta flexibilidad respecto a trabajar usando tintas, adhesivos sin solventes, y materiales difíciles para obtener siempre una adhesión aceptable.

La Figura 9 muestra claramente los beneficios del tratamiento en línea en la prensa flexo. Parte de esta película de PEBD fue re-tratada en línea dando una mejor humectabilidad de la tinta, mejoramiento en la ganancia de punto y definición de color sobre la sección de la imagen sin tratamiento en línea.

Después de todo, el costo de un sistema de tratamiento, es aproximadamente igual a aquél gastado por unos cuantos rollos devueltos.

Artículo reproducido de la revista Flexo & Gravure Internacional, con autorización expresa de los editores.

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