Lösningsmedelsfärgernas torkningsprocess 2007 Juni Inledning I detta kompendium kommer vi att behandla de traditionella lösningsmedelsbaserade färgernas torkningsprocess. Många av de produktionsrelaterade problemen med lösningsmedelsbaserade screentrycksfärger kan på ett eller annat sätt hänföras till screenfärgens torkning. Med screenfärgens torkning menas här de ingående lösningsmedlenas avdunstning. Denna avdunstningsprocess kallas för fysikalisk torkning. För att tryckaren skall kunna förstå och kunna styra denna process måste han/hon känna till en del om en färgs sammansättning, grundegenskaperna hos de olika typer av lösningsmedel som finns i den tryckinställda färgen, vilka två huvudegenskaper hos lösningsmedlen som är viktiga att känna till, vart lösningsmedlen tar vägen under torkprocessen och vad som menas med restlösningsmedel. Utan åtminstone elementära insikter i dessa faktorer kan screentryckaren lätt stå där med en pall med hopblockade ark trots man använt den snabbaste förtunningen eller han/hon kan brottas med ständig intorkning i schablonen trots man använt den långsammaste fördröjaren eller oförklarliga utflytningseffekter och stjärnhimmel i tryck som varit inne i en tork med ättad lösningsmedelsluft. De mest uppenbara torkningsproblemen är förvisso att den tryckta produkten inte torkar så snabbt som man har förväntat sig. Man har t.ex. problem som blockning i stacken, smetning på överliggande ark, repkänslighet i flera dagar, o.s.v. Flera av dessa problem visar sig ofta idag då t.ex. en grafisk tryckare lämnar de invanda kartong- och vinylmaterialen och söker sig mot det industriella screentrycket med mera svårförutsägbara material, kanske mer komplicerade tryckmotiv med flera färger i övertryck, andra typer av screenfärger som kräver mer eftertanke och styrning, särskilt då med tanke på torkprocessen. Att det vanliga handhavandet plötsligt inte fungerar trots att man har tre bra värmesektioner och en kylsektion i genomloppstorken kan vara svårt att acceptera för en rutinerad tryckare. Vi kommer efterhand i att gå igenom orsaker och verkan till ovan beskrivna problem och börjar här med att se vad som ligger bakom begreppet fysikaliskt torkande screentrycksfärg. Screenfärgens sammansättning En lösningsmedelsbaserad screenfärg kan förenklat sägas bestå av fyra huvudingredienser Ett välbekant torkproblem är intorkning i schablonen under tryckningen. Att detta inte bara kan bero på balansen av förtunning/fördröjare utan också kan bero på schablonens egenskaper och/eller ha rent trycktekniska orsaker försöker vi klargöra senare i texten under punkten Intorkning i schablonen. Sida 1/9 - Bindemedel - Spädningsmedel - Pigment - Additiv eller tillsatsmedel
Vi skall här i första hand intressera oss för de två första, bindemedel och spädningsmedel. De två senare ger bara screenfärgens dess kulör och förbättrar dess tryckegenskaper. Bindemedel Bindemedlet, som ger färgens dess ryggrad, bestämmer bl.a. färgens vidhäftningsegenskaper och dess beständighet. Bindemedlet består av två huvudingredienser, ett eller flera hartser och lösningsmedel. Hartset är idag utslutande syntetiska hartser, d.v.s. en eller annan form av de plaster vi ofta känner igen som tryckmaterial, och vanligen en kombination av flera olika t.ex. akryl, PVC, polyuretan, alkyd o.s.v. Dessa hartser får färgtillverkaren i form pulver eller av mer eller mindre stenhårda grova granulat. Lösningsmedel Dessa ovannämnda hartsgranulat måste omvandlas till ett flytande bindemedel genom att de löses upp i ett lösningsmedel. Ju hårdare, starkare och beständigare färgfilm vi kräver desto hårdare, starkare och beständigare är ju då också hartsgranulatet/bindemedlet och desto aggressivare måste lösningsmedlet vara för att kunna lösa upp detta granulat till en flytande bindemedelsmassa. Med speciellt utvalda optimala mängder av ett eller flera aggressiva lösningsmedel löser man alltså de hårda granulaten till ett tjockflytande bindemedel som då blir screenfärgens bas. Detta sker under uppvärmning och kraftig maskinell omröring. Sida 2/9 Spädningsmedel När granulatet väl är löst till ett tjockflytande bindemedel kan man späda det ytterligare till mera lämplig viskositet med hjälp av mildare lösningsmedel detta kan vi då kalla spädningsmedel. Vi har nu sett att vi redan på detta stadium kan ha ett flertal olika lösningsmedel med olika egenskaper i färgen. Resten av tillverkningsprocessen går vi här snabbt förbi genom att bara nämna att pigment och övriga tillsatser tillsätts, färgen rivs (finmales), kontrolleras, tappas upp och etiketteras. En reversibel process Upplösningen av hartsgranulaten till ett flytande bindemedel är en reversibel process d.v.s. när lösningsmel/spädningsmedel som en gång gjort hartset flytande avdunstar eller torkar ur bindemedlet efter tryckningen så återgår hartset till sin fasta, hårda ursprungsform men nu i form av en lack- eller färgfilm. I denna lack-/färgfilm finns färgpigmenten bunda och ger då filmen/färgskiktet dess kulör. Denna torkade färgfilm kan återigen lösas upp med hjälp av lösningsmedel alltså även oavsiktligt. Mer eller mindre lätt beroende på hur beständigt bindemedel färgen består av och hur aggressivt lösningsmedel eller lösningsmedelsångor som kommer i kontakt med färgytan. Det är just denna återupplösningseffekt som kan vara en orsak till det problem man brukar kalla för blockning t.ex. vid övertryck med flera färger då nästa tryckta färgskikt börjar lösa det förra redan torkade färgskiktet eller framförallt vid tryck på ett arks båda sidor då det nya trycket staplas i stack mot baksidan på det tidgare tryckta arket. Lösningsmedel från den ännu inte helt torra nya
färgskiktet migrerar in i och löser mer eller mindre upp det gamla färgskiktet med hopklibbning som följd. Denna avdunstnings/torkningsprocess kallas som nämnts tidigare för fysikalisk torkning. Det är alltså en enkel fysikalisk process utan kemiska bindningsreaktioner, men processen kan precis som en kemisk process påskyndas genom värmetillförsel och inte minst luftcirkulation. Vi vet nu att det är de flytande komponenterna som skall bort vid torkningen och då måste vi också ta i beaktande de komponenter som tryckaren själv tillsätter, nämligen förtunning och fördröjare (eller retarder som den ibland kallas). Fördröjare är inte något annat än en långsamt avdunstande förtunning. Dessa två produkttyper är också en form av lösningsmedel precis som de två tidigare nämnda och de skall också ut ur färgfilmen vid torkningen Vi kan nu för enkelhetens skull kalla alla dessa flytande produkter för lösningsmedel det är deras fysiska uppgift i färgen oberoende om de tidigare benämnts spädningsmedel, förtunning eller fördröjare. Den sammanlagda mängden flytande lösningsmedel i den tryckfärdiga screenfärgen kan uppgå till 60 70 %!! Så mycket som möjligt av detta skall alltså ligga snällt kvar i screenramen under tryckningen för att hålla schablonen öppen, men allt skall ut under den korta vägen genom torken så att det tryckta arket är torrt när det kommer ut denna fromma önskan uppfylles inte alltid i verkligheten!! Sida 3/9 Upplösningsförmåga och avdunstning Vi kan nu konstatera att vi har en mängd olika lösningsmedelstyper med olika egenskaper i den tryckfärdiga screenfärgen. De två egenskaper som vi här främst skall intressera oss för är deras upplösningsförmåga och avdunstningshastighet. Med upplösningsförmåga menas lösningsmedlets förmåga att kunna lösa den färg som har börjat torka (eller egentligen lösa dess bindemedel), t.ex. i screenramen under tryckningen men även lösningsmedlets tendens att vilja lösa det underliggande färgskiktet vid en övertryckning eller det mötande färgskiktet på föregående ark vid dubbelsidigt tryck. Det första är en eftersträvansvärd egenskap medan de två senare kan vara ödesdigra. Med avdunstninghastighet menas helt enkelt hur snabbt lösningsmedlet avdunstar, dvs torkar. Det finns inget enkelt samband mellan dessa två egenskaper - ett lösningsmedel kan t.ex. ha god upplösningsförmåga (vara aggressivt) men ändå vara långsamt i avdunstningen (kan då kallas fördröjare) eller omvänt ha svag upplösningsförmåga (milt) men ha snabb avdunstning och kan då kallas för en mild, snabb förtunning. VIKTIGT! Lösningsmedel som det senare kan vara ett effektivt vapen när det gäller många typer av torkningsproblem efter tryckningen. T.ex. Marabu PSV Förtunning.
Vad beträffar de lösningsmedel/spädningsmedel som finns i originalfärgen så känner inte tryckaren till så mycket om dessa men han vet i regel om färgen betecknas som snabb eller långsam, eller om den anses ha bra självupplösande egenskaper i schablonen under tryckningen. Därmot kan tryckaren i stor grad förbättra eller försämra färgens original egenskaper i tryck/torkprocessen genom de tillsatser han själv gör med lösningsmedel/fördröjare, både vad det gäller kombination av lämpliga produkter och den totala mängden. En enkel grundregel är att ju mindre lösningsmedel/fördröjare man tillsätter desto mindre måste avdunsta bort alltså snabbare torkning. Men vi vet alla att hela screentrycksprocessen är en evig balansgång med kompromisser. Vi kan ofta inte minimera tillsatserna bara för att få snabbare torkning vi får då automatiskt tryckproblem som dålig utflytning, intorkning i schablonen osv. Problem med intorkning i schablonen löses då med det omvända dvs ju mer förtunning/fördröjare vi tillsätter desto längre tid tar det innan färgen torkar in i schablonen alltså bättre öppethållning. Sida 4/9
Tillsats av hjälpmedel Man bör också vara medveten om att flera av de tillsatser och hjälpmedel som används inom screentrycket kan göra torkningen något långsammare. Det kan gälla t.ex. tillsats av härdare, mjukgörare och liknande. Kontrollera alltid i de tekniska databladen före tryckjobbet. Använd minsta möjliga mängder vid sådana tillsatser om torkningsproblem förväntas. Gör prov före upplagetryck. Andra effekter Även om ett färgskikt uppfattas som helt torrt och har minimalt med restlösningsmedel (dvs kvarvarande lösningsmedel) så finns risk för blockning om det tryckta arket staplas varmt efter torkningen. Orsaken är att de flesta lösningsmedelsfärger är termoplastiska, dvs de mjuknar något då de värmes upp. Har de då dessutom en blank yta så är risken att de blockar större. En effektiv kylsektion efter genomloppstorken är därför en bra investering. Enbart uppvärmning gör att lösningsmedelsångorna lägger sig som en isolerande kudde ovanpå färgskiktet och hindrar ytterligare avdunstning. Denna kudde måste hela tiden transporteras bort med ett effektivt fläktsystem. Därför är torkning i ett överbelastat torkställ eller en s.k. Wicket-tork med tätt mellan racken och med dålig eller ingen luftcirkulation sällan någon bra lösning ännu mindre om man kör ut et torkställ på ett kallt lager för att det skall vara ur vägen. När vi pratar om lufttillförsel menar vi ständig tillförsel av lösningsmedelsfri och torr luft. Ju torrare luften är desto effektivare kan den absorbera det lösningsmedel som värmen driver ut ur färgskiktet. Att luftkanaler, evt filter och torkutrustning med temperaturstyrning blir översedda med jämna mellanrum så att de verkligen har den effekt som de en gång installerats för bör vara självklart. Den lösningsmedelsmättade luften blåses ut i det fria utanför trycklokalen dessförinnan kan den passera genom någon form av avskiljnings/filtreringsutrustning beroende på myndigheternas krav. Matta färger eller färger med tillsatt matteringsedel är mindre känsliga för blockning. Matteringsmedlet ligger som korn i ytan på färgen och håller ytorna från varandra. Vad händer i torken? Vi har talat om lösningsmedlets avdunstning. Avdunstning är den naturliga processen i rumstemperatur. När vi påskyndar denna process med hjälp av värme kan vi tala om förångning även om lösningsmedlet egentligen avgår i form av ånga i båda fallen. Men värmetillförsel måste kombineras med luftcirkulation om det skall ge någon bra effekt. Sida 5/9 En genomlopptork baserad på den s.k. konvektionsprincipen, d.v.s. strömmande uppvärmd luft, är med andra ord det effektivaste torksystemet. IR-torkar, d.v.s. rena värmestrålnings element blir mest effektiva om de kan kombineras med ett fläktsystem.
Vart tar det vägen? Inne i det torkande färgskiktet strävar lösningsmedlet åt alla håll. Den enklaste vägen är förvisso uppåt ut ur den fria färgytan, men även i kontaktytan mot tryckmaterialet arbetar vårt flitiga lösningsmedel. Har vi tryckt på metall, glas eller någon helt lösningsmedelsbeständig plast så händer här inget lösningsmedlet måste vända uppåt. Om däremot vi trycker på PVC, vinyl, styren (PS), akryl (PMMA), vissa lackerade underlag så kommer lösningsmedlet också att arbeta sig ner i tryckmaterialet. Detta är inte alltid en nackdel, i vissa fall är det en bra hjälp för färgens vidhäftning när lösningsmedlet bearbetar tryckytan så att bindemedlet kan gå i kemisk kontakt med tryckmaterialet. Det är dock ytterst viktigt att tryckaren är medveten om vilka effekter som kan upkomma då man trycker på lösningsmedelskänsliga material då tänker vi främst på styren (PS) som är extremt lösningsmedelskänsligt. Agressiva lösningsmedel går här snabbt och djupt ner i styrenet men långsamt tillbaka och fördröjer därmed torkningen. Restlösningsmedel Det lösningsmedel som inte hunnit ut från färgskiktet när det tryckta arket efter kylsektionen hamnar i stacken kallar vi för restlösningsmedel. Är det endast några få procent så ställer det normalt inte till några problem, men det är detta restlösningsmedel som luktar färg i flera dagar från en nytryckt produkt. Man uppfattar trycket som helt torrt då det känns torrt på ytan men det tar alltså lång tid innan de absolut sista resterna av lösningsmedel har försvunnit d.v.s. tills trycket inte luktar längre. Sida 6/9 Så länge det finns restlösningsmedel kvar i färgen är den också lättare utsatt för återupplösning t.ex. det kan påverkas av ett på nytt tryckt färgskikt och det kan ha sämre vidhäftning och sämre kemisk beständighet. Det är alltså detta restlösningsmedel som gör att vissa tryckta arbeten kan vara repkänsliga en lång tid efter tryckningen. Vi har sett exempel där trycket efter torkningen har dålig vidhäftning. Detta att trots att den aktuella färgen borde ha goda egenskaper i kombination med det använda tryckmaterialet. Trycket som var ett ark med nästan fullt tryckt yta med full vit bottning över låg i stapel efter en genomloppstork och var tryckt två dagar tidigare. Det uppfattades även av oss som torrt men luktade lösningsmedel och repades lätt med nageln. Trycket föntorkades då i c:a 30 sek så det blev hett efter avsvalning var forfarande vidhäftningen dålig. Vi lät sedan trycket ligga och lufta med färgen uppåt i fyra timmar därefter hade vi full och bra vidhäftning (och ingen lukt)! Vad hände då här?? Trycket hade alltså körts i en snabb process i genomloppstork (två gånger) och sedan staplats direkt allt som låg instängt i stacken hade då inte torkat mer än att det kändes torrt och det var alltså fullt med restlösningsmedel (lukten!). Den heta men korta föntorkningen hade inte lyckats driva ut restlösningsmedlet. Man kan säga att detta hade bara skakat om lösningsmedelsmolekylerna inne i färgskiktet. Dessa behövde helt enkelt tiden på sig för att krypa hela vägen ut genom färgskiktets yta för att sedan avdunsta och låta färgen få sin rätta vidhäftning.
Torkningsprocessen i det tryckta färgskiktet På bilderna här ovan anges lösningmedlet med ljusgrå färg screenfärgen med mörkgrå. Bilderna visar följande steg i torkningsprocessen: 4. Det helt torra färgskiktet. Inget restlösningsmedel, ingen lukt och maximal vidhäftning samt minst risk för delaminering i färgskiktet. Detta visar hur viktigt tidsfaktorn är i torkprocessen och hur viktig luftning är för att få ut restlösningsmedelet. Detta är faktorer som absolut måste beaktas tex. vid tryck på paneler/overlayers där ofta många färgskikt trycks över varandra i snabba tryckprocesser och där man kort tid efteråt monterar en dubbelhäftande tejp över trycket. Denna tejp kan då fungera som ett sista lock över färgen och det restlösningsmedel som fanns i färgen har svårt att finna vägen ut trots att man haft bra vidhäftning i färgen före monteringen av tejpen kan restlösningsmedlet nu arbeta under tejpen med delaminering av det torra färgskiktet som resultat dvs. overlayern släpper från tejpen/underlaget och delar färgen sitter delvis på tejpen och delvis på overlayern. Det våta färgskiktet omedelbart efter rakeln passerat. 1. Den beynnande torkningen i genomloppstorken efter 1-2 min. 2. Lösningsmedel på väg ut i ångform genom den torkande färgytan. I botten på färgskiktet är färgen forfarande våt (av lösningsmedel). 3. Färgskiktet efter genomloppstorken. Färgen uppfattas som torr, vidhäftningen är bra i de flesta fall, trycket luktar färg dvs det är fortfarande lösningsmedel på väg ut. Restlösningsmedel finns kvar i vid kontaktytan mot tryckmaterialet. Detta är det vanliga läget efter den färdiga torkningen och detta läge kan vara allt från ett antal minuter till flera dagar. Se vidare under restlösningsmedel. Sida 7/9 Vi har också sett tillfällen när liknande problem försökts lösas med extremt snabba förtunningar tex Marabu 7037. Denna kallas för sprutförtunning och användas av de som vill sprutmåla med våra screentrycksfärger. Denna förtunning är inte bara den snabbaste i vårt sortiment, den är också aggressiv och därmed starkt färglösande. Därför leder vanligen en insats av denna till problemen snarare förvärras än förbättring. Den går snabbt ner i underliggande färgskikt men alltid långsammare tillbaka med problemet restlösningsmedel som följd. Vi rekommenderar i princip aldrig denna för att lösa sådana torkningsproblem. Snabba aggressiva förtunningar kan möjligen användas i det allra första färgskiktet som hjälp för vidhäftningen, men inte sedan.
Nyckelorden här är istället: Snabba milda förtunningar (Marabu PSV), inte för långsamma fördröjare, ej för tjocka färgskikt, kontrollerad torkning, luftning och tid!! Detta är absolut viktigt när efterbeartbetning av produkten skall ske tex. montering av häftämne, laminering, prägling eller stansning, Det finns lika många förslag på sådana kombinationer som det finns tryckare rådfråga våra tekniker om ni får problem. För stor mängd förtunning/fördröjare påverkar till slut även färgens utflytning och täckförmåga/nyans försök hålla den totala mängden till under 20 %. Intorkning i schablonen Intorkning i schablonen är ett av screentryckarens klassiska problem. Grundorsaken kan sägas vara att man har en tryckprocess som är långsammare än den färgserie man använder är avsedd för. Men i många fall har man inget val här utan då gäller det i stället att välja rätt hjälpmedel. Den primära lösningen har vi nämnt tidigare ju mer lösningsmedel och ju långsammare lösningsmedel vi har i färgen desto längre håller den sig öppen. Men det finns gränser när färgens viskositet blir för tunn är den inte längre tryckbar då skall man använda fördröjarpasta Marabu VP som en del av förtunningen. Det finns också gränser för långsamheten de allra långsammaste fördröjarna - tex. Marabu SV9 - har också dålig upplösningsförmåga. Den har svårt att lösa sig i bindemedlet till redan tjocknande färg och får alltså absolut inte användas som ensam spädningsprodukt. Använd den högst som en liten del tillsammans med andra starkare fördröjare (t.ex. Marabu Fördröjare SV1, SV3, SV5 eller SV10 - Se den aktuella färgens Tekniska Datablad). En lämplig mix vid svåra intorkningsproblem kan tex. vara 20 % SV 3 och 10 % VPpasta. Sida 8/9 Tänk på att om en färg som en gång tillsats fördröjare plockas fram till ett repeatjobb långt senare och visar sig ha tjocknat in att man då endast späder den med original förtunningen t.ex. UKV1 eller UKV2 se färgens Tekniska Datablad. Det är detta som där kallas för efterförtunning. Det är ju de snabba förtunningarna som avdunstat ur färgen inte de långsamma fördröjarna. Om man fortsätter med mer och mer fördröjare i ett sådant läge så dödar man färgen så småningom. Utflytning, vidhäftning och beständighet kommer att påverkas negativt. Intorkningen i schablonen förvärras vid varm och torr luft i trycklokalen. Även andra faktorer kan också påverka öppethållningen negativt, tex. om man placerat ett inblåsningsdon från ventilationssystemet så att det riktas mot screentrycksmaskinen. Tryckmaskinens fyllare har en viktig uppgift när det gäller att förhindra intorkning i schablonen. Genom att använda en högt ställd fyllare så lägger man någon millimeter tjockt vått färglager över schablonen vid fyllarrörelsen. Detta fördröjer effektivt intorkning i motivet. Man bör också då se till att maskinen är så inställd att fyllarrörelsen sker omedelbart efter rakelrörelsen så att den rentryckta schablonen inte lämnas öppen mer än nödvändigt.
Det finns dock i praktiken flera tillfällen när detta förfarande inte alltid låter sig göras t.ex. om färgen är tunt inställd så får den inte ligga över schablonen mer än kortast möjliga tid för att inte börja rinna igenom. Då får fyllarrörelsen vänta och göras först omedelbart före rakelrörelsen. Ett annat tillfälle är om man har behov av att låta fyllaren vid sin rörelse framåt tvinga ner färg i maskorna som hjälp åt rakelns tryckarbete, t.ex. vid fina tryckmotiv och snabba tryckrörelser. Detta görs med en vertikal fyllare med något rundad framkant kant och i lätt kontakt med screenväv/schablon. Men då lämnas mycket lite våt färg ovanpå schablonen. Ett tredje, i förhållande till det just nämnda motsatt fall, fall är om man vid rastertryck och andra fina motiv har behov av att fylla minsta möjliga mängd i maskorna och samtidigt lämna minsta möjliga mängd ovanpå schablonen. Detta för att inte överdriva färgfyllningen i vävmaskorna före rakelns tryckrörelse. Då använder man den skarpa plogformade fyllartyp som kallas för rasterfyllare som skär av färgen ovanpå schablonen och bara knuffar den framför sig. I dessa här tre sist nämnda fallen lägger man alltså minimalt med våt färg över schablonen och löper därmed större risk för intorkning. Detta är åter ett exempel på alla de tillfällen man måste kompromissa i screentryckprocessen. Ett intorkningsproblem i schablonen som egentligen inte har sin huvudorsak i allt det som nämnts ovan är när fina motiv i schablonen som raster, tunna linjer och fina texter snabbt gror igen under tryckningen. Detta kan bero på schablonens fysiska egenskaper i kombination med andra tryckparametrar d.v.s. en för tjock schablon kan ha svårt för att lämna färgen ifrån sig. Mikroskopiskt små mängder färg stannar kvar i schablon och vävmaskor efter rakeldraget och dessa mikrovolymer torkar snabbt in (oberoende av fördröjartillsatsen) och efter ett antal rakeldrag har rasterpunkten, bokstaven eller den tunna linjen grott igen och ingen färg kommer igenom. Detta sker särskilt om den tjocka schablonen är kombinerad med en dålig dukspänning. Spänsten från en optimalt spänd screenväv behövs i släppet bakom rakeln för att färgen skall lösgöras ur schablon/vävmaskor. Vid sådana fina motiv är nyckelorden: Optimalt tunn schablon, en bra spänd screenväv tex.18-22 Newton (beroende på screenramens storlek) och kontroll över andra tryckparametrar som rakel, fyllare och rakelhastighet. AB System 070603 / HN Sida 9/9