Guma w poligrafii
Trzymając w ręku pachnącą farbą drukarską książkę, długopis z nadrukiem reklamowym, czy też kolorowe opakowanie pełne smakowitych czekoladek, mało kto jest świadomy, że do ich wytworzenia potrzebna była guma. Zapewne nie zastanawia się nad tym także wiele osób związanych z przetwórstwem elastomerów…
Guma jest materiałem niezbędnym w wielu gałęziach przemysłu, również w poligrafii, który ze względu na specyficzne właściwości mechaniczne trudno zastąpić. Co więcej, w urządzeniach drukarskich elementy wykonane z elastomerów nie są jedynie częściami napędu, ani nie pełnią wyłącznie funkcji ochronnych, ale wpływają bezpośrednio na proces technologiczny. Z mieszanek kauczukowych wykonuje się m.in. powłoki wałków w maszynach drukujących, obciągi offsetowe, czy grawerowane laserowo drukowe formy fleksograficzne. Od ich jakości i trwałości zależy jakość i efektywność druku przy zastosowaniu takich technik drukarskich jak: tampondruk, offset, czy fleksografia.
Tampondruk
Najprawdopodobniej pozostanie tajemnicą, kto wynalazł tampondruk. Wiadomo jednak, że korzenie tej metody drukowania tkwią w przemyśle zegarmistrzowskim i ceramicznym. Szwajcarscy zegarmistrzowie początkowo zdobili tarcze wytwarzanych przez siebie zegarków za pomocą pędzli, co było czynnością niezwykle czasochłonną. Z biegiem czasu i postępem miniaturyzacji, tarcze zmniejszały się coraz bardziej. Żeby je ozdobić, potrzebne były z kolei coraz mniejsze pędzle. Ostatecznie trzeba było używać pojedynczego włosia i szkła powiększającego – w ten sposób powstawały prawdziwe dzieła sztuki, które można podziwiać w muzeum zegarków w La Chaux de Fonds w Szwajcarii. Pisma stały się tak małe, że nieuzbrojone oko nie było w stanie ich odczytać, a na fantazyjne czasomierze nanoszono nawet fragmenty biblijne i mapy.
Mimo szczegółowych badań zegarków zgromadzonych w La Chaux de Fonds nie udało się ustalić, kiedy nastąpiło przejście na tampondruk; tj. kiedy rozpoczęto mechaniczną reprodukcję z grawerowanej matrycy. Wiadomo jednak, że pierwsze maszyny tampondrukowe były używane już w XVIII w.
W tampondruku drukarz wykorzystuje do nakładania farby na podłoże miękkie, gładkie stemple z kauczuku silikonowego, zwane tamponami, które są kluczowym elementem tej techniki druku. Na jakość nadruku wpływa ich kształt, twardość i wykończenie powierzchni.
W tej technice drukowania można nanosić obrazy na rozmaite podłoża, w tym na przedmioty o złożonych kształtach (co doskonale zaobserwować można w branży reklamowej). Tampon może także przybierać kształt rolki (tampondruk rotacyjny) do ciągłego zadrukowywania, np. osłon przewodów elektrycznych lub rur i innych kształtek z tworzyw sztucznych.
Twardość tamponu reguluje się poprzez dodanie zmiękczacza – oleju silikonowego o niskiej lepkości – do mieszanki przed rozpoczęciem sieciowania. Zmieniając stosunek ilościowy olej/kauczuk silikonowy można otrzymać cały typoszereg tamponów różniących się twardością.
Końcowa twardość tamponu jest niezwykle ważna. Jeśli odbiega ona o 4 stopnie Shore A od wartości zakładanej, to uwidaczniają się zmiany w jakości nadruków. Ogólnie, bardziej miękkie tampony są mniej efektywne, jeśli chodzi o przenoszenie farby. Stemple wyprodukowane w niewłaściwy sposób (ze źle skomponowanej mieszanki) będą twardnieć w czasie, co również nie pozostanie bez wpływu na jakość nadruków. Jeśli materiał z którego wykonano tampon jest zbyt twardy, nie odkształca się odpowiednio i nie odwzorowuje właściwie obrazu; ponadto uszkodzeniu może ulec obiekt, na który nanoszony jest nadruk.
Producent tamponów najczęściej dokonuje doboru silikonu kierując się indywidualnymi potrzebami klienta. Każdy z użytkowników posługuje się bowiem unikalną kompozycją farby – zawartością procentową opóźniacza, rozcieńczalników, dodatków antystatycznych, promotorów adhezji i utwardzacza, w zależności od rodzaju zadrukowywanej powierzchni. Możemy posługiwać się silikonem, który jest niepolarny i doskonale nadaje się do farb, opóźniaczy na bazie rozcieńczalników organicznych. Do niepolarnego kauczuku silikonowego można wprowadzić więcej zmiękczacza i uzyskać bardziej miękkie tampony. Możemy też zastosować silikon, który po usieciowaniu będzie charakteryzował się bardziej polarną powierzchnią i który będzie bardziej odporny na działanie kompozycji drukarskich na bazie rozpuszczalników polarnych, np. alkoholi.
Zazwyczaj wykorzystuje się tampony o twardości z zakresu 2–18 Shore A, jednak w specjalnych zastosowaniach zakres ten wynosi 0–40 Shore A. Twardszy tampon lepiej odwzorowuje elementy dekoracyjne i ma dłuższą żywotność ze względu na większą stabilność właściwości mechanicznych. Jednak w wielu przypadkach pożądana twardość nie może być zastosowana, ponieważ uszkodzeniu mógłby ulec zadrukowywany materiał. Bardziej miękkie tampony używane są do nierównych lub złożonych powierzchni, ponieważ dostosowują się do nich lepiej niż tampony twarde. Wybór rodzaju tamponu uzależniony jest od właściwości urządzenia.
Przygotowanie stempli silikonowych jest stosunkowo proste. Do ich produkcji potrzebne są formy wykonane z tworzywa sztucznego, wypolerowanego metalu lub żywicy epoksydowej. Receptura materiałowa oparta jest na silikonach dwuskładnikowych RTV sieciowanych na zimno w procesie addycji (katalizatory platynowe) lub kondensacji (katalizatory cynowe). Przygotowanie mieszaniny sieciującej addytywnie polega na wymieszaniu dwóch składników A i B w proporcji 10:1 lub 1:1. Sieciowanie przebiega w temperaturze pokojowej. Aby je przyspieszyć, mieszaninę można ogrzać. Otrzymane stemple mają doskonałe właściwości mechaniczne, relatywnie wysoką twardość (>25 Shore A) i dobrą odporność na działanie rozpuszczalników, dlatego są szczególnie przydatne do farb zawierających agresywnie działające substancje. Silikony sieciujące poprzez kondensację miesza się z katalizatorem w stosunku 20:1. W rezultacie można uzyskać tampony o doskonałych właściwościach mechanicznych w szerokim zakresie twardości, nawet poniżej 1 Shore A. W tym wypadku nie zaleca się stosowania oleju silikonowego jako zmiękczacza, ze względu na skłonność do jego nadmiernego „wypacania się” na powierzchnię stempla w trakcie pracy. Jednak lepsze właściwości fizyczne, takie jak odporność na ścieranie, pęcznienie (pod wpływem rozpuszczalnika), uzyskuje się dla silikonów sieciowanych w reakcji poliaddycji. Są one niestety droższe od tych sieciowanych przez polikondensację.
Kluczową właściwością tamponu wpływającą na proces druku jest gładkość jego powierzchni. Jakiekolwiek zanieczyszczenia bądź pęcherzyki powietrza pogarszają jakość druku. Nowe tampony wykazują tendencję do niewłaściwego przenoszenia farby z formy, co jest głównie związane z obecnością na ich powierzchni substancji małocząsteczkowych (wypocony olej silikonowy). Problem ten można rozwiązać, wykonując kilka odbitek testowych na papierze lub przecierając powierzchnię tamponu ściereczką zwilżoną alkoholem. Jeśli powierzchnia zostanie przetarta bardziej agresywnym rozpuszczalnikiem, to farba zostanie pobrana z szablonu, ale nie odciśnie się właściwie na podłożu. W przypadku gdy powierzchnia tamponu jest zabrudzona, należy usunąć zanieczyszczenia posługując się taśmą klejącą.
Tampon może wykonać 50 - 100 tys. odbitek. Ich liczba jest jednak uzależniona od satysfakcjonującej klienta jakości oraz farb, jakimi dysponuje drukarnia - czy są to farby jedno-, czy dwuskładnikowe. Rozmiar, kształt i twardość tamponu, podobnie jak kształt zadrukowywanego podłoża, także mają wpływ na trwałość tamponu. W przypadku podłoży o ostrych krawędziach, gdzie zadrukować trzeba stosunkowo duże powierzchnie, tampon może się zużyć po wykonaniu 1000–5000 odbitek. Żywotność tamponu można wydłużyć poprzez dbałość o stan jego powierzchni oraz poprzez zabezpieczanie (przecieranie) jej olejem silikonowym.
Fleksografia
W technice fleksograficznej guma jest elementem wałków przenoszących farbę w kałamarzu farbowym (w klasycznym, trójwałkowym zespole drukującym). W zależności od charakteru zlecenia i właściwości podłoża stosuje się farby oparte na różnych rozpuszczalnikach. W przypadku druku na podłożach niechłonnych, foliach z tworzyw sztucznych, stosuje się farby rozpuszczalnikowe zawierające octany, estry i ketony, lub farby utrwalane promieniowaniem ultrafioletowym, zawierające wysoko reaktywne mieszanki mono- i oligomerów. Do podłoży wsiąkliwych używa się farb wodnych, a także zawierających glikole i węglowodory alifatyczne. Dlatego też wałki fleksograficzne pokrywane są najczęściej mieszankami kauczuku nitrylowego (NBR) lub etylenowo-propylenowo-dienowego (EPDM) o twardości od 55 do 85 Shore A.
Jednak guma we fleksografii to nie tylko wałki farbowe. Firmy drukujące etykiety i opakowania premium przy realizacji zleceń korzystają także z elastomerowych, laserowo grawerowanych form w postaci płaskich matryc oraz bezszwowych tulei (ang. sleeve) wykonanych z mieszanek kauczuku EPDM (choć stosuje się również mieszanki kauczuku butadienowo-styrenowego (SBR)). Gumowe formy fleksograficzne posiadają dobre właściwości zarówno pod względem transferu farby, jak i odporności na działanie farb. Matryce EPDM, w porównaniu z fotopolimerami, mają dłuższą żywotność – nie pęcznieją i nie kruszą się po kontakcie z agresywnymi rozpuszczalnikami. Dłuższy okres pracy rekompensuje więc wyższe koszty wykonania formy grawerowanej laserem.
W przeciwieństwie do fotopolimerowych form fleksograficznych, formy wykonane z gumy posiadają ściśliwą warstwę, co pozwala uniknąć stosowania piankowych, samoprzylepnych taśm kompensujących docisk podczas druku. Dzięki tej właściwości nie następuje także roztłaczanie elementów formy podczas docisku, przez co kształt i rozmiar punktów na wydruku nie zmienia się istotnie w stosunku do formy. Gwarantuje to wysoką jakość nadruku i stabilność procesu drukowania.
Elastomerowe formy fleksograficzne to materiały kompozytowe wytwarzane metodą kalandrowania (płyty, które można docinać w zależności od potrzeb produkcyjnych) lub metodą współwytłaczania (tuleje). Do bezpośredniego grawerowania laserowego tulei i płyt z powłoką elastomerową stosuje się laser CO2, laser diodowy lub laser światłowodowy dużej mocy. W tej technologii obrazowania form fleksodrukowych wiązka lasera usuwa materiał bezpośrednio do określonej głębokości reliefu.
Firma Continental, która oferuje technologię CONTI Laserline, zwraca uwagę na ekologiczne aspekty produkcji elastomerowych form fleksograficznych. W trakcie ich wytwarzania promień lasera usuwa materiał w obszarach niedrukujących, a powstały popiół usuwany jest strumieniem wody. Nie stosuje się więc w tym procesie technologicznym żadnych szkodliwych dla środowiska substancji. Wyeliminowanie etapu naświetlania materiału promieniami UV redukuje także wiele zagrożeń z zakresu BHP, w tym powstawanie ozonu oraz narażenie na szkodliwe działanie promieniowania ultrafioletowego.
Offset
Drukowanie techniką offsetową jest najbardziej rozpowszechnione, zwłaszcza jeśli chodzi o druk wysokich nakładów. Nanoszenie farby w maszynach offsetowych odbywa się w zespole farbowym, który składa się z systemu wałków i cylindrów. Zadaniem wałków jest m.in. pobieranie farby z kałamarza i przenoszenie jej na formę drukową oraz pobieranie roztworu wodnego i zwilżanie nim formy. Dla niewtajemniczonych – w technice offsetowej elementy drukujące i niedrukujące formy znajdują się w tej samej płaszczyźnie, a ich powierzchnie są odpowiednio hydrofobowe i hydrofilowe. Farba pozostaje jedynie w miejscach niezwilżonych roztworem wodnym. Serce zespołu stanowi cylinder pokryty gumą – tzw. obciągiem, który pośredniczy w przeniesieniu wzoru z formy drukowej na podłoże drukowe.
Obciąg offsetowy jest produktem kompozytowym, którego konstrukcję przedstawiono na schemacie (fot. 6). Warstwę wierzchnią stanowi guma, która musi być odporna na działanie roztworu nawilżającego oraz farby, a także na działanie zmywaczy (które często są mieszaniną kilku rozpuszczalników). Pod nią znajduje się tkanina stabilizująca, warstwa kompresyjna oraz kolejne warstwy tkaniny pozwalające na wielokrotne wykorzystanie z zapewnieniem niezbędnego pasowania. Podobnie skonstruowane są płyty lakierujące do lakierowania wybiórczego in-line, w których techniką grawerowania laserowego wycina się pożądany wzór w warstwie gumowej, a zbędny materiał usuwa.
Historycznie ujmując, początkowo wyzwaniem dla producentów wyrobów gumowych na potrzeby poligrafii było sprostanie wymaganiom związanym z odpornością chemiczną materiałów. Obniżenie twardości gumy do 22–35 Shore A wymagało użycia zmiękczaczy, które w wielu przypadkach reagowały z lotnymi związkami organicznymi (VOC), w następstwie czego migrowały z mieszanki. Przez wiele lat problemy związane ze zmianami starzeniowymi gumy – wzrostem twardości, niestabilnością wymiarową – pociągały za sobą znaczne koszty finansowe, które wiązały się z wymianą wałków, a także przestojami na ponowne skalibrowanie maszyn drukarskich.
Kiedy w przemyśle zapoczątkowana została tendencja, aby zaprzestać stosowania lotnych rozpuszczalników organicznych, pojawił się kolejny problem. Okazało się, że nowe rozpuszczalniki powodują pęcznienie gumy, a co więcej, pęcznienie to nie jest równomierne. Miejscowe pęcznienie, zwłaszcza na końcach wałków gumowych, uniemożliwiało operatorom właściwe ustawienie maszyn, a tym samym powodowało błędy druku wynikające z nierównomiernego docisku. Zwiększony docisk zwiększał także ilość ciepła wydzielanego w spęczniałych strefach w trakcie obrotu wałków, co prowadziło ostatecznie do ich przedwczesnego zużycia. Aby zaradzić temu problemowi, producenci wałków wprowadzili nowe rozwiązania konstrukcyjne oraz zmiany recepturowe w mieszankach gumowych.
Wraz ze wzrostem szybkości drukowania – współczesna arkuszowa maszyna offsetowa może wykonać 18 tys. odbitek formatu B1 w ciągu godziny – zwiększyły się znacznie wymagania dotyczące odporności mechanicznej, m.in. na wielokrotne odkształcenie, i temperaturowej. Dodajmy, że elementy gumowe muszą właściwie spełniać swoją funkcję 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, a temperatura pracy waha się w zakresie 27–50°C.
Przykładowo można przyjąć, że rolka gumowa o średnicy ok. 76 milimetrów odkształca się ponad 7500 razy na minutę. Po każdym ściśnięciu musi ona powrócić do stanu pierwotnego w czasie 0,008 sekundy, aby zapewnić właściwe przeniesienie farby. Różnice w średnicy wałka rzędu 0,1 milimetra wynikające z odchyłek produkcyjnych, bądź rozszerzalności cieplnej materiału, mogą powodować nieproporcjonalnie duże zmiany docisku, a tym samym nierównomierne rozprowadzenie farby lub roztworu nawilżającego i negatywnie wpływać na proces druku.
Jak widać na powyższych przykładach, odbiorcy z przemysłu poligraficznego stawiają wysokie wymagania producentom wyrobów gumowych. Elastomerowe elementy drukowe muszą być wykonane z dużą dokładnością i doskonałe jakościowo, aby opakowanie czekoladek czy książka były wykonane estetycznie i spełniły oczekiwania konsumentów.
Dr Karol Niciński