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Les encres : les techniques

Dans la liste des encres abordées pour l'instant, on peut trouver :
- La préparation d'une encre : cliquez ici,
- La voltige : cliquez ici,
- Le séchage : cliquez ici

La préparation d'une encre

Autrefois, la préparation de l'encre était scindée en deux étapes : mélange des ingrédients, juste suffisant pour mouiller correctement le pigment, puis passage dans une broyeuse tri-cylindres jusqu'à l'obtention d'une bonne dispersion.
L'évolution des machines modernes et surtout leur vitesse de production très élevée ont conduit les fabricants à modifier leurs procédés. L'objectif était de réduire la taille des pigments pour un meilleur enrobage donc une meilleure stabilité de l'encre, ainsi qu'une optimisation de son pouvoir colorant. Les solutions à leur disposition impliquaient alors plusieurs passages sur broyeuse tri-cylindres, ce qui est particulièrement coûteux et long. De plus la préparation des encres heatset contenant des solvants à bas point d'ébullition posait des problèmes d'évaporation de ces solvants. Tout cela a conduit au développement de l'emploi des broyeurs à billes, en chambre fermée.
À présent, un cycle typique de production est le suivant :
- pesage et pré-mélange des pigments sous forme sèche et du véhicule avec un mélangeur haute vitesse pour rompre les agglomérats,
- dispersion avec un broyeur à billes et/ou tri-cylindres,
- incorporation des additifs et solvants,
- transfert dans des gros volumes ou mise en boîtes, seaux ou fûts.

La seule étape délicate est l'addition de pigments afin d'éviter une contamination de l'air dans la zone de travail. Il est nécessaire d'installer des systèmes d'extraction de poussières. Cette précaution est inutile lorsque le fabricant d'encres utilise les pigments sous forme de «flush». Dans ce cas, les étapes de préparation se réduisent à un mélange du pigment, du vernis et des additifs, ce qui limite considérablement les temps de fabrication.
- Les mélangeurs : Le mélange est généralement effectué dans des réacteurs. Les ingrédients peuvent être ajoutés manuellement ou mécaniquement par le haut ou par le bas, par l'intermédiaire de vis ou de pompes. Le mélangeur est généralement constitué d'un arbre comportant des pales. Les mélangeurs se distinguent par leurs vitesses de rotation, la taille et la forme de leurs pales, et le rapport entre la taille des pales et le volume du réacteur.

- Les broyeurs : Les broyeurs utilisés pour la fabrication des encres offset sont soit des broyeurs à bille, soit des broyeurs tri-cylindres.
Un broyeur à billes est constitué d'une chambre cylindrique verticale fermée, éventuellement refroidie par une enceinte prévue à cet effet, contenant des petites billes en acier de l'ordre de 1,5 mm de diamètre. Dans cette chambre tourne également un axe avec des disques légèrement plus petits que la chambre et qui font circuler les billes et l'encre.
C'est un procédé en continu où l'alimentation en encre se fait par le bas, puis l'encre est brassée et dispersée entre les billes et les disques, en remontant entre les disques puis entre l'extrémité des disques et la paroi de la chambre. L'encre est donc au contact des billes et des disques qui ont pour rôle de casser les agglomérats de pigment. L'inconvénient est que la température augmente avec le frottement des billes et que toutes les encres ne le supportent pas. D'autre part on ne peut assurer le broyage total et uniforme des pigments et cela donne plus souvent une répartition assez large des tailles de pigments. L'avantage est que c'est un procédé peu énergétique, rapide et efficace, dont le débit peut aller de 300 à 400 kg d'encre par heure, tandis que le broyeur tri-cylindres permet le passage de 150 kg/h. Les broyeurs à bille conviennent donc aux encres heatset et coldset du fait qu'ils sont fermés (pas d'évaporation de solvants) et que ces encres sont moins pigmentées. Les coûts des encres ainsi produites sont plus faibles que les encres qui passent dans les broyeurs tri-cylindres.

Dans un broyeur tri-cylindres, l'encre est apportée dans un premier «réservoir», puis passe lentement entre deux grands cylindres maintenus à température constante pour éviter son échauffement. Les pigments sont cisaillés entre les cylindres qui tournent à des vitesses légèrement différentes. L'encre est ensuite répartie sur un dernier cylindre sur lequel est disposée une racle récupérant l'encre dans un bac.
Ce traitement est destiné à améliorer le brillant et le pouvoir couvrant et à enlever l'air. Les broyeurs tri-cylindres conviennent particulièrement aux encres offset (avec un passage en broyeur à bille préalable), aux encres UV et de façon générale aux encres très visqueuses qui ne pourraient pas circuler dans les broyeurs à billes. La possibilité de refroidir les cylindres est un atout qui permet de limiter l'échauffement des encres.

La voltige
La définition

La voltige, connue aussi sous le nom de «misting», est un défaut de qualité provoqué par la projection de particules d'encre sur le support que l'on vient d'imprimer. Celle-ci est générée dans le procédé offset dans les zones de pincement (entre deux rouleaux) lors de la scission d'un film d'encre. En plus d'une baisse de la qualité de l'imprimé, la voltige est responsable d'une augmentation de la consommation d'encre et d'une salissure de l'environnement de travail.

La définition

Le film d'encre est mis en pression à l'entrée de la zone de pincement, le maximum de pression étant atteint juste avant le centre de la zone de contact entre les deux rouleaux. Le film se déforme avec la chute de pression, et l'on observe la formation des bulles d'air. Suite à la séparation asymétrique des deux films d'encre, les cavités produites par les bulles d'air se rallongent en formant des filaments. Quand ces filaments atteignent leur limite d'élongation, on constate leur rupture avec la formation de gouttelettes.
Aujourd'hui, les phénomènes produits dans une zone de pincement sont généralement décomposés en différentes parties, chacune d'entre elles correspondant à un changement de pression. La zone de pincement correspond à l'endroit où les deux rouleaux sont les plus proches.

La gestion de la voltige

Trois paramètres entrent dans la gestion de la voltige :
- La machine :
Une augmentation de la vitesse provoque une augmentation exponentielle de la voltige. La dureté et la compressibilité du revêtement des rouleaux du groupe d'impression influencent la pression dans la zone de pincement. L'utilisation de matériaux souples et compressibles permet d'égaliser le profil de pression de la zone de pincement, celle-ci contribuant à une diminution de la voltige. En augmentant l'angle de décollement entre le support imprimé et le blanchet, la voltige augmente aussi. Cet angle est influencé par la vitesse de la machine et le matériau du revêtement des rouleaux.
- Le papier :
Une augmentation de l'absorptivité et du lissé du support contribue à une diminution du risque de voltige, car la scission du film d'encre est plus uniforme et le seuil de déclenchement de la voltige est déplacé.
- L'encre :
L'augmentation de la charge pigmentaire associée à une augmentation de la taille et distribution des particules de pigment s'est montrée efficace dans la réduction de voltige. Un bon moyen de contrôle du phénomène consiste à ajouter des charges ayant la capacité d'absorber l'huile, ce qui permet de réduire la fluidité de l'encre. Pour cela, on utilise souvent du talc ou de la silice. Une autre conséquence est que les particules ajoutées permettent aux filaments de se rompre plus rapidement, avant qu'ils ne soient trop longs.
On a montré également que l'utilisation des encres gélifiées, qui combinent un tack modéré avec une viscosité suffisamment élevée, diminue aussi la voltige. En comparaison avec une encre offset classique contenant un épaississant, l'encre gélifiée provoque une voltige similaire, quand les valeurs de viscosité sont au même niveau. En plus d'une diminution de voltige, les encres gélifiées ont aussi des autres avantages économiques et qualitatifs. En conclusion, on peut dire qu'il faut optimiser les propriétés de l'encre aux contraintes de vitesse et de support utilisé pour minimiser la voltige et pour optimiser la qualité de l'imprimé. Les deux possibilités les plus connues sont l'ajout des charges et l'utilisation des encres gélifiées, afin d'obtenir un profil rhéologique optimal.

Le séchage
La définition

Le mécanisme de séchage est un processus physique ou chimique, mais le plus souvent sera un subtil compromis entre les deux. Il doit avoir lieu le plus rapidement possible après la dépose du film sur le support. Les composants de l'encre permettent de réguler son séchage «en surface» ou «à cœur».

Le séchage physique

Le séchage physique est encore appelé séchage par infiltration. L'encre déposée sur un support poreux pénètre dans ses interstices. Plus exactement, le véhicule de l'encre s'infiltre entre les fibres du papier par capillarité, laissant en surface les pigments. En réalité, ce film d'encre ne sèche pas vraiment, il perd juste sa fluidité.

Le séchage chimique

Le séchage chimique est encore appelé séchage par oxydo-polymérisation. Le véhicule contenu dans l'encre, au contact de l'oxygène de l'air et à température ambiante, polymérise pour former un film «sec» de rigidité variable.
Les éléments susceptibles de polymériser sont des huiles végétales insaturées (huiles siccatives), employées telles quelles ou modifiées sous forme de résines synthétiques. En présence de l'oxygène de l'air, les insaturations provoquent une polymérisation de type radicalaire qui peut être très longue (de 8 à 24 heures). Ces réactions peuvent être accélérées par l'ajout de siccatifs, généralement des sels métalliques ou parfois par la chaleur (sécheurs infrarouges).
Il faut noter qu'en pratique cette réaction se poursuit longtemps et qu'elle entraîne la perte progressive de la souplesse du film, de son brillant, et donc son vieillissement.

Le séchage mixte

Le séchage mixte, encore appelé «séchage quickset», associe infiltration et oxydo-polymérisation. Ce mode de séchage est le plus courant dans l'impression sur les machines à feuilles, où le séchage par oxydo-polymérisation est combiné au séchage par infiltration. On utilise des encres quickset qui peuvent être formulées pour le procédé «waterless».
Il s'agit d'un équilibre entre les deux modes de séchage : le véhicule de l'encre est composé de solvants et de résines, stables pendant l'impression, mais qui se séparent sur le support. Les composants fluides pénètrent par infiltration dans ce support, laissant en surface un composé relativement sec et mou qui va subir un séchage par oxydo-polymérisation.
Avec ce principe, le séchage des impressions par superposition de couleurs est très influencé par les premières couches déposées.
La présence de sécheurs IR (infrarouge) permet d'accélérer l'infiltration et l'oxydo-polymérisation par apport de chaleur. Les sécheurs sont constitués de tubes de quartz accolés dont le rayonnement utile est de 0,8 à 2 mm.

Le séchage thermique

Ce mode de séchage, encore appelé «séchage heatset», combine le séchage par infiltration et le séchage par évaporation. Les solvants volatils contenus dans le véhicule de ces encres heatset sont partiellement absorbés par le support (10 à 20 % des solvants), la majeure partie (80-90 %) étant évaporée lors du passage dans le four sous une circulation d'air chaud de 100 à 200 °C. Ces encres peuvent être aussi formulées en version waterless.
Ces encres sont employées pour les impressions sur rotatives lorsque les vitesses d'impression nécessitent un séchage presque instantané sans risque de maculage.
Les sécheurs à air chaud utilisent du gaz (butane, propane, gaz naturel ou GPL) ou du fioul pour fournir de l'air dans plusieurs caissons successifs. Ils sont en général très longs, d'autant plus que les machines sont rapides. Les sous-produits du séchage (solvants) sont extraits et doivent être éliminés pour ne pas être rejetés dans l'atmosphère. Cette étape d'épuration peut se faire par l'intermédiaire d'épurateurs catalytiques ou thermiques. Actuellement, certains fournisseurs proposent des solutions intégrant le séchage et l'épuration thermique récupérative ou régénérative.

Le séchage par rayonnement UV

Il concerne des encres dont le film se solidifie par action de rayonnement UV (ultraviolet) ou EB (Electron Beam - faisceaux d'électrons) sur certains composés du véhicule. Ces rayonnements agissent de différentes manières.
- Les encres UV :
Ces encres polymérisent par action du rayonnement UV sur les photo-amorceurs contenus dans le véhicule de l'encre. La polymérisation a lieu par voie radicalaire ou plus marginalement par voie cationique. Ces systèmes ont pour grand avantage d'être très rapides et de fournir un film d'encre durci en sortie de machine. Ces encres sont très utilisées dans le secteur de l'emballage, pour l'impression d'étiquettes ou encore sur des supports très fermés (type PVC, papiers couchés ou supports papiers déjà imprimés en plusieurs couleurs donc fermés également). Ces systèmes sont très utilisés également pour le vernissage des impressions.
- Les sécheurs UV :
Les sécheurs UV peuvent être disposés entre les différents groupes de la machine ou en fin de machine. Le rayonnement UV utile pour le séchage des encres est compris entre 220 et 440 nm, issu de lampes regroupées parfois en panneaux (un sécheur sera constitué de 1 à 4 lampes). Sur rotative, on peut trouver ainsi 4 à 10 tubes au total.
Les lampes classiques sont constituées de tubes de quartz contenant un gaz inerte et du mercure, les plus courantes étant des lampes à vapeur de mercure polychromatiques à moyenne ou haute pression. Leur forme et principe de fonctionnement ont beaucoup évolué ces dernières années pour obtenir une meilleure efficacité en intensité (sélection des longueurs d'ondes). Des réflecteurs, paraboliques ou elliptiques, sont notamment installés pour renvoyer les rayons sur le support imprimé. Par ailleurs, sur tout le spectre de la lampe émis, seulement 1/3 de la puissance fournie à une lampe est transformée en rayonnement UV, les 2/3 restants sont transformés en lumière visible et surtout en chaleur (infrarouge). La part d'infrarouge provoque notamment un échauffement du support, il est donc préférable d'ajouter un système de refroidissement, ce qui augmente les consommations électriques. Enfin l'ensemble de l'installation doit être correctement ventilé, pour d'une part assurer un refroidissement et d'autre part éliminer l'ozone formé pendant la phase d'amorçage des réactions de polymérisation.

Le séchage par rayonnement EB

- Les encres EB :
Ces encres (EB = Electron Beam) ont un véhicule qui ne nécessite pas de photoamorceur, puisque l'énergie des faisceaux d'électrons est dans ce cas suffisante pour créer les radicaux libres nécessaires à la polymérisation. Ce type d'encres est employé principalement sur des rotatives imprimant du carton ou du papier couché, dans le secteur de l'emballage.
- Les sécheurs EB :
Le principe de fonctionnement (système à rideau) de ces sécheurs est basé sur une émission d'électrons produits par un ou plusieurs filaments de tungstène chauffés par un courant électrique dans un vide poussé. Un dispositif électromagnétique de haute tension permet ensuite d'accélérer ces électrons et de les focaliser vers le support, à travers une fente. Plus l'accélération est forte, plus la profondeur de pénétration des électrons est importante. Ceci permet de sécher des épaisseurs d'encre plus importantes encore qu'en UV (jusqu'à 500 mm pour l'EB contre 150 mm environ pour l'UV). L'ensemble est disposé sous atmosphère inerte et sous blindage pour éviter la diffusion des rayons X générés dans l'atelier.

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