Dispersão de sílica CAB-O-SPERSE® 4012K-F para impressão jato de tinta aquosa em substratos plásticos: indicada para aplicações de contato com alimentos indireto

Tianqi Liu, Patrick Sargent, Zaheed Islam e Koen Burger Cabot Corporation, Billerica, MA, EUA

Introdução

O jato de tinta surgiu como uma das tecnologias de impressão mais promissoras para fins comerciais, de sinalização e embalagens por causa da flexibilidade no processamento e na personalização de dados variáveis, além de alto rendimento, fluxo de trabalho econômico e estruturas de custos. A demanda por embalagens continua aumentando principalmente para embalagens de alimentos, embora o setor ainda enfrente desafios como otimização da cadeia de suprimentos, redução de custos e resíduos, flexibilidade na personalização e conformidade EH&S. Esses desafios resultam em um mercado altamente fragmentado, o que contribui para a força da tecnologia de jato de tinta digital de impressão sob demanda. 

O jato de tinta aquoso, dentre tecnologias de jato de tinta digital variadas, costuma ser considerado a melhor tecnologia para embalagens de alimentos.  As tintas para jato de tinta aquoso são compostas principalmente de água, umectantes, surfactantes, corantes (pigmentos ou corantes) e resinas ligantes. Elas foram projetadas para serem mais seguras de manusear em comparação com tintas gráficas jato de tinta à base de solvente ou UV.  No entanto, uma desvantagem das tintas gráficas jato de tinta aquosas é que elas foram projetadas para uma tecnologia de cabeça de impressão específica, o que atende a determinadas características de viscosidade, tensão superficial e fluxo. Elas não foram adaptadas para substratos que não sejam papéis de escritório tradicionais ou papéis de qualidade fotográfica, ou ainda aplicações de uso final, como embalagens de alimentos.  

Os materiais usados em embalagens de alimentos abrangem um amplo espectro de substâncias e formas químicas, com a finalidade principal de contenção, preservação e proteção de alimentos. Os plásticos são os materiais mais comuns e mais usados em embalagens de alimentos. Eles podem ser transformados em embalagens propriamente ditas como formas flexíveis (folhas, mantas, pacotes, sacolas e bolsas), rígidas (garrafas, bandejas e potes) e semirrígidas (tampas, caixas e tetrapacks), ou usadas como rótulos ou mantas para outros materiais de embalagens de alimentos, como metais, papéis papelões e vidros.  Dentre os plásticos, o PET (Polyethylene Terephthalate, Tereftalato de polietileno) e as poliolefinas (polietileno ou polipropilenos) são os dois tipos predominantes de materiais usados.  Por causa da baixa energia de superfície, da hidrofobicidade e da natureza não porosa desses plásticos, eles são considerados substratos incompatíveis para impressão jato de tinta aquosa. Têm sido feitas tentativas para usar ligantes nas tintas de jato de tinta aquoso para conseguir a adesão da tinta gráfica a esses plásticos após tratamentos corona; no entanto, a secagem da tinta gráfica sobre os plásticos continua sendo um problema crítico para a maioria dos sistemas de impressão aquosa. Conforme descrito acima, as tintas gráficas de jato de tinta aquoso contêm água e umectantes como a massa líquida. Os umectantes são usados para atingir uma determinada faixa de viscosidade e proteger as cabeças de impressão contra secagem e entupimento dos bicos para garantir a consistência do jato. Os umectantes, com altos pontos de ebulição e baixa pressão de vapor, uma vez injetados nesses substratos não porosos, exigirão fortes capacidades de secagem a jusante das estações de impressão para evaporar. No entanto, a secagem em temperatura mais alta ou por mais tempo pode fazer com que os substratos plásticos sofram empenamentos ou deformações indesejadas.

Para resolver o problema de incompatibilidade entre substratos plásticos e técnicas de impressão de jato de tinta aquoso, uma tinta receptiva a jato de tinta pode ser aplicada nos plásticos para criar uma camada microporosa para aceitar gotículas de tinta gráfica. 

Conforme mostrado na Figura 1, uma tinta receptiva a jato de tinta para plásticos costuma ser composta de partículas de FMO (Fumed Metal Oxide, Óxido metálico pirogênico) que conferem porosidade e ligantes que proporcionam adesão aos substratos plásticos. Partículas de FMO, como sílica pirogênica sintética e alumina pirogênica, apresentam estruturas fractais com partículas primárias dispostas em cadeias ramificadas. As estruturas agregadas ramificadas não são fáceis de compactar, o que gera vácuos e canais intra e interpartículas. Esses vácuos ou porosidade gerados pelas partículas fractais são características muito importantes que possibilitam a adsorção do líquido e a fixação do pigmento em uma tinta receptiva a jato de tinta aquoso. 

A dispersão de sílica CAB-O-SPERSE® 4012K-F de contato indireto com alimentos como um componente-chave em formulações de tinta receptiva a jato de tinta aquoso para embalagens de alimentos

Os componentes em uma tinta receptiva a jato de tinta deverão ser preferencialmente autorizados ou aprovados em regulamentações específicas do país se as tintas se destinarem a embalagens de contato indireto com alimentos. Além disso, testes de migração gerais e específicos podem ser necessários para garantir que os limites permitidos não sejam excedidos e para estudar qualquer possível transferência de substância química adversa da embalagem para o alimento. 

Por exemplo, na Europa, os componentes destinados a tintas receptivas a jato de tinta para suporte de plástico se enquadram no Regulamentação para Plástico de Contato com Alimentos EU 10/2011, nas categorias de “materiais que podem ser impressos ou cobertos por uma tinta” e “camadas de plástico em artigos multimaterial e multicamada” sem prejuízo a provisões nacionais aplicáveis a tintas. Os componentes também estão sujeitos ao escopo da Portaria Suíça SOBRE MATERIAIS E ARTIGOS EM CONTATO COM ALIMENTOS (SR 817.023.21) Anexo 10, em "substâncias permitidas na produção de tintas gráficas para embalagem em materiais e artigos destinados a entrar em contato com alimentos".

Para permitir que os clientes formulem sob as regulamentações de contato indireto com alimentos, desenvolvemos e comercializamos a dispersão de sílica CAB-O-SPERSE 4012K-F para aplicações de embalagens de alimentos. A dispersão é estável coloidalmente, eliminando a necessidade de trituração e controle de poeira. A dispersão de sílica é livre de dispersantes para minimizar problemas de incompatibilidade em uma formulação. A alta pureza do processo de produção e dispersão de sílica oferece boa estabilidade química e de temperatura sem amarelar. Os formuladores só precisam de equipamentos de mistura de baixo cisalhamento para incorporar a dispersão de sílica, ligantes de resina, aditivos coalescentes e surfactantes, conforme mostrado na Figura 2. A sílica base usada para fazer CAB-O-SPERSE 4012K-F tem muita área superficial e pouco tamanho de agregado e pode gerar tintas de alto brilho e translúcidas em comparação com sílicas pirogênicas com menos áreas superficiais ou sílicas precipitadas com tamanhos de agregado muito maiores.

Desempenho de porosidade, adesão e transparência da tinta receptiva a jato de tinta com base na dispersão de sílica CAB-O-SPERSE® 4012K-F

Partículas como as da dispersão de sílica CAB-O-SPERSE 4012K-F são necessárias para formar redes porosas na tinta a fim de ajudar a absorver o líquido das tintas gráficas. Os poros gerados nas tintas podem variar de 10 a 150 nm de tamanho. A absorção dinâmica de fluidos em meios porosos é possibilitada pela pressão capilar, que é inversamente proporcional ao tamanho dos poros. Por isso, esses poros de tamanho nanométrico devem possibilitar uma rápida absorção do líquido da tinta gráfica.

Quando é adicionada à formulação, uma resina (na forma solúvel ou particulada) atua como ligante para ajudar a tinta a aderir à superfície plástica e manter as partículas juntas como uma cola para evitar rachadura na secagem ou abrasões mecânicas resultantes das operações do rolo. No entanto, se muito ligante for usado, ele preencherá alguns dos poros gerados pelas partículas, o que acarreta uma redução no volume total dos poros a um peso de tinta constante.

Uma série de cinco tintas à base de várias cargas de uma dispersão de sílica (com uma área superficial diferente) e um ligante de poliuretano foram gerados para estudar a morfologia da tinta em SEM (Scanning Electron Microscopy, Microscopia eletrônica de varredura) (Figura 3). Quando a carga de sílica é baixa (por exemplo, 16,7%), observa-se um filme contínuo. O ligante serve para homogeneizar a superfície e cobrir as partículas de sílica, preenchendo vazios, cortes e contatos entre partículas. À medida que a carga de sílica aumenta, a superfície começa a ficar áspera e a se abrir, com poros indicando menos cobertura de ligante na superfície.  

Uma formulação baseada na dispersão de sílica CAB-O-SPERSE 4012K-F e em um ligante de poliuretano, com 30% de sílica em base seca, foi comparada com as formulações concorrentes 1 e 2 à venda no mercado em termos de adesão e aparência em um filme de PET a 0,5 mil de espessura de filme seco (Tabela 1).  A formulação concorrente 1 tem excelente adesão sem tratamento corona e boa transmissão, mas apresenta alta turbidez, indicando dispersão de luz pelas partículas grandes na tinta.  As medições de tamanho de partícula por difração a laser confirmaram que a formulação concorrente 1 tem partículas na faixa 4–5 mícrons.  A formulação concorrente 2 tem baixa adesão mesmo após o tratamento corona, embora proporcione boa transparência, o que é consistente com o pequeno tamanho de partícula observado.  A formulação baseada na dispersão de sílica CAB-O-SPERSE 4012K-F apresenta o melhor desempenho geral em termos de adesão e transparência.

Sangria entre cores, secagem de tinta gráfica e desempenho de cor de tintas receptivas a jato de tinta com base na dispersão de sílica CAB-O-SPERSE® 4012K-F 

Conforme abordado anteriormente, a carga de partículas em uma composição afeta a porosidade da tinta e as respectivas capacidades de recepção da tinta gráfica, como secagem e sangria entre cores.  A morfologia e a química das partículas, além do peso da tinta, também desempenham papéis importantes.  

A Figura 5 mostra imagens de microscópio de tintas gráficas jateadas por uma impressora Epson Workforce WF-3730 em tintas secas de 0,5 mil com base na dispersão de sílica CAB-O-SPERSE 4012K-F e uma dispersão à base de alumina, respectivamente.  A acuidade da borda do quadrado preto contra o fundo amarelo indica o desempenho da sangria entre cores de preto para amarelo.  Ambas as tintas têm 50% (p/p) de partículas na composição e a mesma espessura. É óbvio que a tinta à base da dispersão de sílica CAB-O-SPERSE 4012K-F tem uma sangria entre cores muito melhor, conforme mostrado pelas bordas mais nítidas em comparação com as características de bolhas observadas com a tinta à base de alumina.

A adesão da tinta gráfica e a gama de cores também foram avaliadas com tintas ejetadas pela impressora Epson Workforce WF-3730. A adesão da tinta gráfica foi medida seguindo-se ASTM D3359. Sete cores (preto, vermelho, verde, azul, amarelo, magenta e ciano) foram impressas como colunas. Cada cor recebeu uma classificação de adesão de 0 a 5, com um total de adesão da tinta gráfica variando de 0 a 35. Para a gama de cores, os quadrados de todas as sete cores foram impressos e medidos usando-se um colorímetro de varredura em laboratório Hunter XE. A gama de cores total foi determinada pela soma da cromaticidade de cada cor; quanto maior o número, melhor a gama de cores alcançada. 

Três dispersões de poliuretano diferentes baseadas em diferentes polióis foram combinadas com dispersão de sílica CAB-O-SPERSE 4012K-F para criar as formulações A, B e C nas quais a relação de peso de sílica para ligante era de 3:7. A gama de cores e a adesão da tinta gráfica foram avaliadas para todas as três formulações e para as formulações concorrentes (comerciais) pré-formuladas 1 e 2  (Tabela 2). Embora a maioria das formulações tenha proporcionado uma boa gama de cores, somente as formulações A e B contendo dispersão de sílica CAB-O-SPERSE 4012K-F demonstraram boa adesão da tinta, indicando que a química da resina desempenha um papel importante na fixação do pigmento da tinta gráfica. A formulação concorrente 2 apresentou uma gama de cores inadequada e nenhuma fixação da tinta gráfica e, portanto, não é uma boa candidata para essa aplicação. 

Dispersão de sílica CAB-O-SPERSE® 4012K-F usada em formulações receptivas de jato de tinta jateáveis

A dispersão de sílica CAB-O-SPERSE 4012K-F não só pode ser formulada em tintas receptivas a jato de tinta visando aplicações analógicas em filmes plásticos, mas também pode ser aplicada em uma formulação jateável digital e usada em uma estação de jateamento de primer como parte do processo de impressão digital.

A tecnologia atual do cabeçote de impressão a jato de tinta tem exigências rigorosas para partículas usadas no cabeçote de impressão para evitar problemas de secagem e entupimento dos bicos. Por exemplo, o ideal é que o tamanho típico das partículas esteja abaixo de 0,3 mícrons com uma distribuição de partículas estreita. A Figura 7 mostra as medições do tamanho de partícula por difração a laser de três lotes das dispersões de sílica CAB-O-SPERSE 4012K-F. Com D50 em torno de 125 nm e D90 abaixo de 200 nm, a consistência no tamanho de partícula e na distribuição do tamanho de partícula atende às exigências do tamanho de partícula de muitas cabeças de impressão jato de tinta. 

Conclusões

O desenvolvimento e a comercialização da dispersão de sílica CAB-O-SPERSE 4012K-F nos permite atender ao segmento de impressão digital de embalagens e rótulos em rápida expansão com um produto compatível com contato indireto com alimentos. Ela mostrou ser um ingrediente benéfico para o desenvolvimento de tintas receptivas jato de tinta aquoso em substratos plásticos difíceis de imprimir. A dispersão de sílica CAB-O-SPERSE 4012K-F permite a formação de tintas receptivas porosas com boa adesão e transparência, além de excelente desempenho da tinta gráfica (sangria entre cores, adesão e gama de cores) na presença de uma seleção indicada de ligantes de resina.

Além disso, resultados preliminares demonstraram que a dispersão de sílica CAB-O-SPERSE 4012K-F pode ser usada em formulações de primers jateáveis ou tintas gráficas digitais por causa do tamanho de partícula pequeno e da distribuição do tamanho de partículas estreita.

Agradecimento 

 Este artigo técnico foi publicado originalmente na PCI Magazine em 17 de março de 2022.