Tinta metálica UV

3.12.1 Impresión de envases metálicos

Los materiales de envasado metálicos, como material de envasado importante en el campo del envasado, tienen muchas ventajas sobre otros materiales de envasado, como la reciclabilidad, la buena protección del contenido, el aspecto y las formas diversas y los colores brillantes. Tienen un gran potencial de desarrollo y gozan del reconocimiento de los consumidores. Hoy en día, la tendencia ecológica de protección del medio ambiente se ha extendido a la industria del envasado y la impresión, y el «envasado ecológico» se ha convertido en un tema candente dentro de la industria de la impresión y en una de las tendencias de desarrollo de la tecnología de procesos de la industria de la impresión. El elevado consumo de energía de la industria de impresión de envases metálicos y las grandes emisiones de gases de escape durante el proceso de producción se han convertido en factores importantes que restringen el desarrollo y el crecimiento de las empresas de envases metálicos, y también han puesto obstáculos al desarrollo ecológico de los envases metálicos.

En los últimos años, el proceso de impresión UV se ha hecho cada vez más popular en la industria de impresión de envases metálicos debido a sus evidentes ventajas en ahorro de energía y protección del medio ambiente. Junto con sus enormes ventajas de coste, se ha convertido en una forma innovadora de conservación de la energía y protección del medio ambiente, y es cada vez más solicitado por las empresas de envases metálicos.

3.12.1.1 Proceso tradicional de impresión de hojalata

La hojalata se recubre por dentro y por fuera y se prepara para la impresión en color. Para la impresión de hojalata se suele utilizar la impresión offset. La hojalata tiene una superficie lisa y no es absorbente, lo que la diferencia mucho del papel. Por eso, para imprimir sobre hojalata se utilizan tintas termoendurecibles, que requieren un secado a alta temperatura. En otras palabras, el proceso de impresión requiere el uso de un dispositivo de secado especial para secar la tinta. La temperatura de secado suele ser de unos 150°C, y el tiempo se controla entre 10 y 12 minutos. En la actualidad, la industria nacional de impresión de hojalata utiliza principalmente hornos de túnel (en lo sucesivo, salas de secado) para secar la tinta. La cámara de secado mide unos 30 metros de largo y 6 metros de alto, y está conectada a la parte trasera de la máquina de impresión para secar los productos impresos. En el proceso tradicional de impresión de hojalata, no importa cuántas pasadas de impresión sean necesarias para completar un producto, una vez finalizada cada pasada de impresión, la hoja impresa debe pasar por el horno de secado para secar la tinta. Cada producto impreso debe pasar varias veces por el horno de secado, lo que no sólo consume mucha energía, sino que también emite muchos COV. Por ello, muchas empresas han empezado a plantearse utilizar otros métodos para sustituir el método tradicional de calentamiento y curado, y el curado UV ha destacado por sus ventajas de gran eficacia y ahorro de energía.

3.12.1.2 Proceso de impresión de hojalata UV

La tecnología de aplicación de UV en el proceso de impresión consiste en utilizar tinta UV para curar rápidamente bajo la luz ultravioleta, que tiene excelentes propiedades físicas y químicas y un alto brillo superficial. Dado que la tinta en el proceso de impresión UV puede secarse rápidamente bajo la luz ultravioleta, tras la adopción de la tecnología UV, cada unidad de impresión está equipada con un dispositivo de secado UV, que se encarga de secar rápidamente cada color de tinta. La parte del horno túnel del equipo tradicional ya no es necesaria. En comparación con el proceso de impresión tradicional, las principales ventajas del proceso de impresión UV son: velocidad de curado rápida, tiempo de curado corto, sin necesidad de horno, lo que no sólo mejora la eficiencia de la producción y ahorra energía, sino que también reduce las emisiones de COV y es bueno para el medio ambiente.

3.12.2 Preparación de las tintas metálicas UV

Las tintas UV para metales son tintas fotopolimerizables que pueden imprimirse directamente sobre la superficie de materiales metálicos (incluidos sustratos metálicos con tratamientos superficiales y materiales metálicos con acabados superficiales). Entre los materiales metálicos comúnmente utilizados en impresión se incluyen las planchas de cobre, aluminio, hierro, acero inoxidable y titanio con acabado de espejo, así como materiales metálicos con un tratamiento superficial como las planchas de aluminio poroso anodizado, las planchas de fosfatado de hierro, las planchas de hierro galvanizado, el hierro niquelado y el hierro cromado, y materiales metálicos con un acabado superficial como las planchas de metal recubiertas con pintura en polvo o esmalte horneado.

Los distintos metales tienen propiedades superficiales diferentes, y el tipo de tinta UV utilizada también debe ser diferente, ya que de lo contrario pueden surgir problemas como una mala adherencia y el agrietamiento frágil de la capa de tinta cuando el metal se dobla.

Las tintas UV metálicas se dividen en los siguientes tipos: tintas UV metálicas generales, tintas UV metálicas especiales, tintas UV metálicas elásticas, tintas UV metálicas resistentes a altas temperaturas, tintas UV metálicas con efectos decorativos especiales, tintas UV anticorrosión para el grabado de metales y series de barnices UV metálicos.

Cada tinta metálica UV tiene una secuencia de colores de impresión óptima. La velocidad de fotopolimerización de las tintas UV de distintos colores varía, ya que algunas se polimerizan lentamente y otras rápidamente. No es posible imprimir primero cualquier color, como ocurre con las tintas al disolvente de secado automático. La serigrafía con tintas metálicas UV, especialmente cuando se imprime en varios colores, suele seguir el principio de imprimir primero los colores oscuros y después los claros.

Las tintas metalizadas UV de diferentes colores tienen un orden de curado óptimo. El orden de curado de las tintas metálicas UV es:

oro, plata → negro → azul → rojo → amarillo → barniz transparente incoloro.

Las tintas oscuras requieren más energía UV, se secan más lentamente y la luz UV no penetra fácilmente en la capa de tinta, lo que dificulta el curado de la capa subyacente. Por lo tanto, las tintas oscuras deben imprimirse primero; las tintas claras se curan fácilmente y sólo requieren una exposición a la luz. Si se imprimen primero las tintas claras, la tinta de color claro se curará inevitablemente en exceso, la capa de tinta se volverá quebradiza y la adherencia será deficiente, mientras que la capa de tinta oscura no se curará lo suficiente, la dureza de la superficie será baja y la resistencia al desgaste y a los disolventes será escasa. Las tintas metálicas UV pueden curarse inmediatamente después de la impresión, y la capa de tinta se cura una vez después de imprimir cada color. Cuando se cura la tinta del segundo color, la tinta del primero ya se ha expuesto a la luz dos veces. Si se trata de un patrón de cuatro colores, cuando se cura la tinta del cuarto color, la tinta subyacente ya ha sido expuesta a la luz y curada cuatro veces.

Las superficies metálicas frescas tienen una elevada energía libre superficial (de 500 a 5000 mN/m), muy superior a la de los materiales poliméricos orgánicos (<100 mN/m). Esta elevada energía libre superficial es muy beneficiosa para la adherencia de la tinta. De hecho, muchos metales son propensos a la oxidación en el aire, formando una película de óxido en la superficie, lo que reduce la energía libre superficial y afecta a la adherencia de la tinta. Sin embargo, la energía libre superficial de la mayoría de las películas de óxido metálicas sigue siendo superior a la de las tintas UV, por lo que las tintas UV tienen un buen efecto humectante sobre los sustratos metálicos. Sin embargo, un problema común de las tintas UV aplicadas a sustratos metálicos es que la adherencia de la tinta al metal no es buena. Sin la adición de un aditivo que favorezca la adherencia, es difícil que las tintas UV logren una adherencia ideal al metal. Esto puede deberse a que la superficie del sustrato metálico es densa, lo que dificulta la penetración y absorción de las tintas UV. La interfaz de contacto efectiva es pequeña, a diferencia del papel y la madera, que tienen superficies rugosas con poros, y de los plásticos, que pueden hincharse con el aceite para formar una estructura de anclaje permeable. Además, como las tintas UV curan rápidamente, la tensión interna causada por la contracción del volumen no puede liberarse, y la reacción actúa sobre la adhesión de la capa de tinta al sustrato metálico, reduciendo la adherencia. Las superficies metálicas suelen contaminarse fácilmente con grasa, lo que tampoco favorece la adherencia del revestimiento ni la protección contra la corrosión del metal.

Para conseguir una buena adherencia, protección contra la corrosión y una superficie limpia en las superficies metálicas, antes de imprimir con tinta se suele realizar una limpieza, un tratamiento físico y un tratamiento químico. La forma más sencilla de limpiar es pasar un paño de algodón empapado en disolvente por la superficie metálica, o sumergir las piezas metálicas directamente en el disolvente para lavarlas. Un método más eficaz es el desengrase con vapor, que consiste en colgar las piezas metálicas en una cinta transportadora y transportarlas sobre un disolvente halogenado hirviendo en un depósito, de modo que el disolvente se condensa en la superficie de las piezas metálicas y disuelve la grasa, consiguiendo así el objetivo de la limpieza. El tratamiento físico, como el arenado de la superficie metálica, elimina la superficie corroída y forma una nueva superficie rugosa. Se utiliza principalmente para algunas piezas industriales brutas, como puentes, tanques, etc. Además, para la limpieza de superficies también se utiliza el granallado con alúmina al vacío, la limpieza con granalla de acero o adhesivo soluble en agua, el granallado con gránulos de plástico y, a veces, el granallado con agua a alta presión. El tratamiento químico suele consistir en el uso de ácido fosfórico o fosfato para grabar suavemente la superficie metálica con un ácido, formando una capa de sales de fosfato de hierro/ferroso de cierta forma para mejorar la adherencia del revestimiento, pero la resistencia a la corrosión sólo mejora ligeramente. La superficie metálica tratada debe limpiarse a fondo para eliminar las sales solubles. Las superficies de aluminio están cubiertas por una fina y densa capa de óxido de aluminio, por lo que generalmente sólo es necesario limpiar la superficie.

El problema central de las tintas UV para metal es también resolver la adherencia entre la capa de tinta y el metal. Los oligómeros y diluyentes reactivos de la formulación de la tinta pueden formar enlaces de hidrógeno o enlaces químicos con la superficie metálica, lo que puede mejorar enormemente la adherencia entre la capa y el metal. En general, los oligómeros y diluyentes reactivos que contienen grupos carboxilo y grupos hidroxilo, especialmente los que contienen grupos carboxilo, tienen un efecto más significativo sobre los sustratos metálicos y y tienen un efecto significativo en la mejora de la adherencia (Tabla 3-48). Al mismo tiempo, el uso de oligómeros y diluyentes reactivos con baja contracción volumétrica también ayuda a mejorar la adhesión. Algunos diluyentes reactivos tienen cierta permeabilidad a los metales, lo que también ayuda a mejorar la adhesión (véase la Tabla 3-49).

Tabla 3-48 Efecto de los monómeros que contienen carboxilo sobre la adherencia de las tintas UV al metal

Tabla 3-49: Diluyentes reactivos que son fácilmente permeables sobre sustratos metálicos

La adición de promotores de adherencia es un medio importante para mejorar la adherencia de las tintas UV sobre metal. Se suelen utilizar resinas con grupos carboxilo, acrilatos que contengan grupos carboxilo, fosfatos de acrilato, agentes de acoplamiento de siloxano, agentes de acoplamiento de titanato, etc. Los mercaptanos no pueden utilizarse porque son demasiado olorosos, pero tienen un fuerte efecto sobre las superficies de oro, que son extremadamente inertes. Para los promotores de adherencia de metales adecuados para las tintas metálicas UV, véase la Tabla 3-50. Los monómeros o resinas ácidas contienen grupos ácidos que pueden corroer ligeramente las superficies metálicas y formar complejos con los átomos o iones metálicos superficiales, reforzando la adhesión entre la capa de tinta y la superficie metálica. Generalmente, la cantidad de promotores de adhesión de éster de fosfato en la fórmula es baja, no superior al 1%. Los agentes de acoplamiento de silicona promueven la adhesión a sustratos metálicos porque, tras la hidrólisis, pueden condensarse con los óxidos o grupos hidroxilo de la superficie metálica para formar un enlace químico interfacial y mejorar la adhesión. Los agentes de acoplamiento de silicona adecuados incluyen KH550, KH560, KH570 y algunas resinas UV modificadas con silicona. Los agentes de acoplamiento de titanato se utilizan en las tintas UV para metales para mejorar la adhesión a los sustratos metálicos. Entre los agentes de acoplamiento de titanato adecuados se incluyen el titanato de tetraisooctilo, el titanato de tetraisopropilo y el titanato de n-butilo.

Tabla 3-50 Promotores de adherencia para tintas metálicas UV

En comparación con los sistemas de fotopolimerización radical, las tintas de fotopolimerización catiónica tienen más probabilidades de lograr una buena adherencia sobre el metal. El curado catiónico tiene una baja contracción y un gran número de enlaces éter formados tras la polimerización que pueden actuar sobre la superficie metálica, todo lo cual puede mejorar la adhesión. Sin embargo, el ácido protónico superfuerte producido por la fotólisis de los fotoiniciadores catiónicos no sólo inicia la polimerización catiónica y la reticulación, sino que también corroe el sustrato metálico, lo que obviamente es perjudicial para la adherencia del revestimiento y no ayuda a mejorar la adherencia. Sólo reduciendo la concentración del fotoiniciador catiónico se puede mejorar la adherencia. Además, los fotoiniciadores catiónicos utilizados habitualmente, como las sales de tiourea o las sales de yoduro, tienen una absorción ultravioleta <300 nm, lo que no es compatible con las fuentes de luz UV. Su eficacia de fotoiniciación es extremadamente baja. Debe añadirse una pequeña cantidad de un fotoiniciador radical libre como ITX, que puede absorber energía luminosa en la región de onda larga del espectro violeta y transferir energía a la sal de tiourea, excitando indirectamente el fotoiniciador y mejorando la eficacia de la fotoiniciación.

Dado que el aglutinante de las tintas de impresión UV consiste en monómeros o prepolímeros acrílicos insaturados, tiene propiedades de solubilidad diferentes de las del aglutinante de las tintas de curado por calor tradicionales (principalmente alquidálicas). Los monómeros acrílicos insaturados son muy agresivos, lo que hace que el caucho sintético de los rodillos y las mantillas se expanda y dañe la capa fotosensible de la superficie de la plancha de impresión PS, provocando el desprendimiento de la imagen. Por lo tanto, cuando se imprime con tintas de impresión UV, es necesario utilizar rodillos, mantillas y agua de lavado especialmente diseñados para tintas de impresión UV. La plancha PS debe hornearse a alta temperatura para mejorar la resistencia a la corrosión de la capa de imagen.

3.12.3 Tinta UV para grabado de metales

El grabado de metales es un medio técnico que consiste en utilizar un tratamiento químico (grabado químico, lijado químico) o mecánico (arenado mecánico, gofrado, etc.) para transformar una superficie metálica brillante en una superficie cristalina rugosa cóncava y convexa. La dispersión de la luz produce un efecto visual especial que confiere al producto un estilo artístico único. Como tecnología de procesamiento químico precisa y científica, el grabado químico se utiliza ampliamente en una gran variedad de materiales metálicos. La clave del grabado de materiales metálicos es doble: proteger la parte que necesita ser grabada y grabar completamente la parte que no necesita ser grabada, para obtener la imagen deseada.

Se clasifica según el tipo de reacción química durante el grabado:

① Grabado químico. Proceso: pregrabado → grabado → aclarado → inmersión en ácido → aclarado → decapado de la resistencia → aclarado → secado.

② Grabado electrolítico. Proceso: carga → encendido → mordentado → aclarado → inmersión en ácido → aclarado → decapado de la resistencia → aclarado → secado.

El grabado químico se puede clasificar según el tipo de material a grabar de la siguiente manera:

① Grabado del cobre. El proceso: limpiar la superficie de la placa de cobre pulida o cepillada → serigrafiar tinta resistente a UV → curado UV → grabado → aclarado → eliminar capa de tinta resistente serigrafiada → aclarado → postratamiento → secado → producto acabado.

En este proceso, la tinta resistente a los rayos UV se utiliza para serigrafiar directamente la imagen, a fin de proteger la pieza deseada de la corrosión. La parte no impresa se elimina durante el grabado. Por lo tanto, la tinta resistente a los rayos UV utilizada requiere una fuerte adherencia al metal, resistencia a los ácidos (o álcalis) y resistencia a la galvanoplastia.

② Grabado de acero inoxidable. Proceso: limpieza de la superficie de la placa → serigrafía de tinta fotorresistente líquida → secado → exposición con una película → revelado → lavado → secado → inspección y reparación de la placa → curado de la película → grabado → eliminación de la capa protectora → lavado → postratamiento → secado → producto acabado.

Este proceso consiste en recubrir la plancha con tinta de resistencia fotopolimerizable, exponerla a la luz, revelarla para formar un patrón de resistencia y, a continuación, grabarla.

La pulverización, el cepillado, el laminado o la inmersión pueden utilizarse para aplicar una capa uniforme de tinta fotopolimerizable a la superficie metálica para formar una película fotosensible. Sin embargo, para superficies planas de pequeño tamaño, la serigrafía es el método más cómodo y fiable. Las tintas de resistencia fotolitográfica también requieren una fuerte adherencia al metal, resistencia a los ácidos (o álcalis) y resistencia a la galvanoplastia.

Para la preparación de resistivos resistentes a los rayos UV y fotoimprimibles, véase el capítulo 4 sobre tintas para PCB.