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II - L'intérêt des encres à l'eau |
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II-1- Problèmes relatifs aux encres à solvant |
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Les objectifs dans le développement de l’imprimerie sont une qualité et une productivité
optimum. Dans le procédé qui nous intéresse, l’héliogravure, ces exigences ont été réalisées jusqu’ici grâce à des encres à base de
solvants organiques (toluène). L'évaporation du solvant assure la qualité et la rapidité du séchage ainsi que les vitesses de
production. Cependant, l’utilisation de ce type d’encre pose des problèmes. En effet, aujourd’hui apparaît un réel dilemme entre
satisfaire la demande de qualité du marché et respecter la législation environnementale. Les nouvelles lois anti-pollution sont
strictes et portent notamment sur la sécurité sur le lieu de travail (utilisation de substances dangereuses), la réduction de la
pollution due aux émissions de solvants autour de la presse hélio, la sécurité de transport et de stockage et les effets sur le goût
et l’odeur des emballages (alimentaires, tabac…). |
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Les encres à solvant sont directement concernées par ces critères, même si elles sont très
efficaces quel que soit le type de support. De plus, les enjeux économiques ne sont pas négligeables puisque le prix des encres à
solvant fluctue avec celui des produits pétroliers. Pour réduire ou éviter les rejets d’une imprimerie hélio, trois voies sont
possibles : la récupération des solvants, l'incinération et l’utilisation d’encres sans solvant organique. |
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Les deux premières solutions exigent des investissements importants et supposent des
installations disproportionnées par rapport aux machines hélio existantes. Parmi les encres sans solvant, seules les encres à l’eau
semblent répondre à la fois aux critères environnementaux et à ceux de qualité. |
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II-2- Avantages des encres à l'eau |
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Ce type d’encre, pouvant contenir 30 à 75 % d’eau, présente de nombreux avantages. Tout
d’abord les coûts relatifs à ces encres sont assez peu élevés. L’utilisation de l’eau permet de réduire les coûts associés à la mise
en conformité des installations (extraction, recyclage des solvants…), de plus, l’eau est un composé peu cher et disponible en quantité
suffisante. Du point de vue de la sécurité, les encres à l’eau sont moins nocives car l’eau est inoffensive physiologiquement et non
inflammable. Elles assurent au conducteur de machine une certaine tranquillité puisque leur viscosité est plus stable que celle des
encres à solvant, même si le contrôle du pH est nécessaire. Elles sont faciles à nettoyer tant qu’elles ne sèchent pas. Enfin, la
qualité d’impression est satisfaisante (très bonne sur les produits de la transformation) et les encres à l’eau permettent d’éliminer
les problèmes d’odeurs et de goûts causés par les encres à solvants. C’est pourquoi les encres à l’eau sont déjà utilisées pour les
applications suivantes : papier emballage kraft, papier chewing-gum, paquets cigarettes, papiers cadeaux, serviettes en papier,
briques de lait et de jus de fruits. À l'avenir, l’impression sur films plastiques et l’hélio édition devront être développées. |
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II-3- Respect de l'environnement |
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Une étude sur la biodégradabilité de résines styrène acrylique, d'émulsions styrène acrylique,
et de suspensions colloïdales acryliques a été menée en analysant les rapports DBO/DCO (demande biologique en oxygène et demande
chimique en oxygène). Si le rapport est inférieur à 0,5, le produit est considéré comme non biodégradable, ce qui n'est pas le cas des
résines testées. |
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D'autres tests d'écotoxicité ont été menés, notamment sur la toxicité en milieu aquatique, en
évaluant l'effet des résines sur les organismes vivant dans l'eau (fretins et puces d'eau). Les polymères étudiés apparaissent non
toxiques. De plus, si on étudie l'influence de ces produits sur les plantes terrestres (ceci étant intéressant pour l'agriculture), il
s'avère que les 5 plantes étudiées poussent mieux en présence des trois résines étudiées. |
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Ainsi les classes les plus importantes des polymères acryliques typiquement utilisés dans les
encres à l'eau sont relativement non toxiques et ne présentent pas de risque en aval. |
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II-4- Comparaison des deux types d'encre |
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Il est intéressant d’établir une comparaison selon quatre critères : économique, environnemental, physico-chimique et
sur les formulations (tableau 1).
Du point de vue des formulations, la grosse différence se situe bien sûr au niveau du solvant qui est remplacé par l’eau. Pour les autres
composés, seule la concentration en pigments diffère. Les encres à l’eau contiennent plus de pigments, organiques en général, qui se
présentent sous forme de dispersions prêtes à l’emploi ou de granulés. En héliogravure, les principaux solvants utilisés sont le toluène,
des alcools, des esters ou des solvants aliphatiques. Avec les encres à solvants, on utilise en général 2 à 3 résines différentes
(synthétiques) tandis que les encres à l’eau sont un mélange de polymères hydrosolubles et de polymères en émulsion de la famille des acryliques. |
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Enfin, les propriétés physico-chimiques des deux encres conditionnent les propriétés du film d’encre sec, notamment : |
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la viscosité dépend du pH pour les encres à l’eau ; |
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la tension superficielle relativement élevée pour les encres à l’eau, ce qui conditionne la
mouillabilité du support (tableau 2) ; |
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les propriétés liées à l’évaporation
(tableau 3) :
l’eau s’évapore plus difficilement que les solvants, ce qui modifie la durée du séchage. |
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| III - Obstacles au développement des encres à l'eau |
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III-1- Propriétés physiques |
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Les encres à l’eau ont d’abord été utilisées sur des supports absorbants comme les papiers et cartons dans le domaine de
l’emballage et de la presse quotidienne avec de bons résultats. Aujourd’hui, ces applications se sont étendues à des supports très variés
(papiers couchés, films de polymères). C’est justement sur ce type de supports, imperméables, que se posent les principaux problèmes
relatifs aux encres à l’eau : séchage, mouillabilité du support et adhésion du film d’encre. |
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3-1-1 Le séchage sur supports imperméables |
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Le séchage sur supports imperméables constitue le problème principal. Sur les supports non poreux, le mode de séchage de
l’encre est uniquement l’évaporation, car l’eau ne peut pas s’infiltrer (procédé classique : infiltration puis évaporation). Il est
intéressant de comparer les chaleurs latentes d’évaporation et la volatilité de l’eau et de quelques solvants. L’eau s’évapore 3 fois
moins vite que l’alcool isopropylique et 15 fois moins vite que l’éthanoate d’éthyle. Il faudra donc fournir beaucoup plus d’énergie
pour évaporer l’eau. Les encres à l’eau ne peuvent donc pas être imprimées aux mêmes vitesses que les encres à solvant sur ce type de
support. Des résultats acceptables peuvent être obtenus par plusieurs moyens : |
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ajouter un alcool pour augmenter la vitesse d’évaporation de l’encre ; |
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restreindre au maximum la teneur en eau par augmentation de l’extrait sec ; |
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réduire l’épaisseur de la couche d’encre ; |
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améliorer l’efficacité du système de séchage
(bonne circulation d’air, ajustement de la température). |
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3-1-2 Le mouillage des supports imperméables et l'adhésion |
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Pour qu’un liquide mouille une surface solide, il faut que la tension superficielle du liquide soit inférieure à l’énergie de
surface du solide. Or, la tension superficielle de l’eau est nettement plus élevée que celle des solvants couramment utilisés en
héliogravure. De plus, l’énergie de surface des matériaux utilisés est généralement très basse. La solution consiste à diminuer la tension
superficielle de l’eau par la dissolution d’alcool (5 % au maximum) ou par l’ajout de tensioactifs non volatils. Une autre solution
consiste à augmenter l’énergie de surface du support par un traitement de surface (Corona). |
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3-1-3 La résistance au frottement |
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D’autres propriétés sont affectées par l’utilisation d’encres à l’eau comme celles de la résistance au frottement. Pour les
améliorer, on utilise des véhicules à dispersion colloïdale aux masses molaires élevées. |
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3-1-4 La formation de mousses |
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Un autre problème pouvant survenir est la formation de mousse en cours d'impression. Le phénomène peut provenir de l’air
adsorbé à la surface des pigments et déplacé durant la phase de dispersion, ou de l’air introduit dans le système pendant les phases de
mélange de l’encre ou encore des tensioactifs qui fonctionnent comme des agents de stabilisation des mousses. Ce problème est d’autant
plus important lorsque les machines tournent vite et des agents anti-mousse à base de silicone sont alors nécessaires. |
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III-2- Adaptation des matériels et des mentalités |
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D’autres obstacles surviennent dans le développement des encres à l’eau en héliogravure comme
le choix du matériel, l’adaptation des mentalités et des habitudes. |
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3-2-1 Le choix du matériel |
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On ne peut pas utiliser le même matériel avec les encres à solvants et les encres à l’eau, en particulier les cylindres
gravés et les racles. On obtient une meilleure qualité d’impression en adaptant les rouleaux au type d’encre. |
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Une gravure adaptée aux encres à l’eau doit avoir une trame comprise entre 80 et 98 l/cm,
et la profondeur des creux doit se situer entre 23 et 26 µm maximum (40 µm pour les encres à solvants), afin d'assurer le
transfert d’encre dans les meilleures conditions. L’angle d’inclinaison des creux doit être proche de la verticale pour optimiser les
caractéristiques d’écoulement des encres aqueuses. D’autre part, il est important d’avoir une surface de cylindre chromée et cuivrée la
plus lisse possible afin d’éviter les problèmes de mousse ou de voilage. En effet, dans le cas des encres à l’eau, il y a un dépôt très
mince d’encre sur tout le cylindre provoquant un aspect brumeux de l’imprimé. Ce problème est minime avec les solvants, car ils sèchent
ou s’évaporent instantanément. Le choix des racles est primordial : avec les encres à l’eau, les racles sont plus dures. Certains
imprimeurs utilisent toujours des racles en acier, mais des problèmes de corrosion surviennent. Pour une bonne facilité d’utilisation
et pour un imprimé de qualité, les imprimeurs doivent utiliser un matériel adapté aux encres à l’eau. |
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3-2-2 L'adaptation des mentalités |
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Contrairement à ce que l’on pourrait croire, les imprimeurs ont des réticences à utiliser les encres à l’eau. Le changement
d'encre entraîne de nombreuses modifications, impliquant des investissements financiers (coût du matériel), et humains (formation des
conducteurs de machine). De plus, cette adaptation peut prendre du temps. Enfin les imprimeurs doivent consentir à faire certains
sacrifices sur la productivité et les performances finales du produit. |
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On comprend aisément qu’il est plus facile pour un imprimeur d’utiliser une encre dont la
technologie est avancée, et qui a fait ses preuves en matière de qualité d’impression, plutôt que de se lancer dans une technologie
nouvelle. Néanmoins les encres à l’eau représentent une solution d’avenir qui s’implante peu à peu chez les imprimeurs. |
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III-3- Polémique sur la pollution |
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En 1992, l’Institut pour la protection de l’environnement et la technique de l’énergie de la Rhénanie a réalisé un bilan
écologique afin de déterminer si les encres aqueuses sont vraiment plus écologiques que celles au toluène. Il s’est avéré qu’il n’y avait
pas de critères généraux probants à ce sujet, d’autant plus que ce type de recherche demeure long et coûteux à mettre en œuvre. |
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Pour cela, des prescriptions ont été faites au niveau du papier et de la quantité d’encre déposée
(3 à 5 g/m2). 77 000 tonnes des deux encres ont été fabriquées avec les mêmes pigments et la même
proportion en résine et en additifs. L’encre à l’eau contenait 7,5 % d’éthanol, nécessaire pour un séchage suffisamment rapide, et
sa résine était produite à partir de dérivés pétroliers comme pour les encres au toluène. |
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On a constaté qu'il faut trois fois plus d’énergie pour la fabrication des matières premières
composant l’encre à l’eau, parce que la production de la résine en nécessite une grande quantité. Il a fallu : |
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912.800 GJ, dont 54.100 GJ pour la résine de l'encre au
toluène ; |
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2,6 106 GJ, dont 2,2 106 GJ pour le styrène et la résine de l'encre à
l'eau. |
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Pour ces 77.000 tonnes, la pollution totale de l’air résultant de la production des matières premières est
beaucoup plus importante pour l'encre à l’eau que pour celle au toluène. Le rapport des émissions est de : |
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sept pour l'oxyde de soufre ; |
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cinq pour l’oxyde d'azote ; |
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quatre pour les composés organiques volatils. |
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Cependant, la pollution de l’air est plus importante lors de l’impression que lors de la
production des matières premières, du moins pour les encres à solvant. Nous manquons de chiffres pour les encres à l’eau à ce sujet,
car peu d'imprimeurs en héliogravure (de publication) se sont convertis à ces encres. Il est donc nécessaire, pour avoir un bon
jugement écologique, de faire des expériences sur les besoins en énergie pour l’impression des encres à l’eau, en tenant compte de
l’importance du recyclage de l’air qui doit être mis en œuvre. |
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On attend plus de déchets et donc une pollution plus importante due aux plus grandes
difficultés de désencrage des encres à l'eau. Les résidus des encres après impression seront a priori plus importants car ils ont une
solubilité médiocre. Comme le nettoyage des machines et des cylindres d’impression sera plus important, la quantité de déchets
le sera également. Selon cette étude, il serait nécessaire que la somme des énergies pour l’impression avec l’utilisation des encres à
l’eau soit largement moins importante mais ceci semble peu probable. N’oublions pas cependant que cette étude a presque 10 ans et que
de nouvelles recherches ont été envisagées notamment pour développer des résines plus écologiques et apportant une meilleure qualité
d’impression. |
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IV - Les solutions concurrentes |
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IV-1- Les encres UV et les encres "hot-melt" |
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Même si certaines études maintiennent que les encres à l’eau sont plus polluantes que celles à solvant, pour l’héliogravure
notamment, les pressions environnementales conduisent au développement de nouvelles techniques qui émettent moins de COV (Composés
Organiques Volatils). C’est ainsi que sont nées les encres hélio UV et les hot-melt, mais des problèmes techniques restent non résolus. |
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Les encres hot-melt se solidifient au contact du support. Comme elles ont 100 % d'extrait sec, il n’y a pas
d’émission de COV. Ceci permet donc aux imprimeurs d’éviter les équipements coûteux de récupération
et d’incinération des solvants. De plus, ces encres sèchent vite ce qui est intéressant par rapport aux encres à l’eau traditionnelles.
Elles ont une bonne imprimabilité et reproduisent les tons de façon excellente. Mais elles ne sont pas sans défauts : |
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elles sont instables à température élevée ; |
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elles sont difficiles à solubiliser après impression (désencrage) ; |
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elles résistent mal à la friction ;
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elles posent des problèmes de trapping ;
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elles ont un coût élevé ;
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elles nécessitent un changement de changer le matériel d’impression pour pouvoir être
utilisées. |
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Les encres hélio UV ont un séchage instantané, résistent à la friction mais posent également des problèmes de trapping et ont
une viscosité trop élevée pour un procédé qui nécessite une viscosité faible. Ces encres rendent également difficile l’impression d’un film
d’encre mince. Ainsi ces deux types d'encres ont une viabilité commerciale incertaine, d’autant plus que leur utilisation en quadrichromie
n’est pas évidente, la qualité obtenue n'étant pas équivalente à celle des encres conventionnelles. |
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IV-2- Une nouvelle résine |
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Ces dernières années, de nouvelles séries de copolymères greffés ont fait leur apparition
comme le Joncryl ECO. Ils ne contiennent pas de composés classés dangereux (tels les éthers glycols), et présentent une teneur en COV
de 50 à 80 % inférieure à celle des encres traditionnelles. Or les encres traditionnelles ne contenant pas d’éthers glycols
fonctionnent moins bien, car ces résines possèdent des propriétés intéressantes : amélioration du mouillage, de l’écoulement, du
nivellement et de la vitesse de séchage de l'encre. Elles apportent de la stabilité, favorisent la compatibilité entre les différents
ingrédients, la balance des couleurs, et améliorent la formation de film. |
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Les polymères greffés maintiennent ces propriétés sans contenir d’éthers glycols, grâce à la
géométrie particulière de leur molécule. En effet, les chaînes de ces nouveaux polymères possédent une extrémité présentant une
affinité pour le pigment, alors que leur autre extrémité est compatible avec le milieu de dispersion (l’eau) tout en présentant une
faible affinité pour la surface du pigment. Le copolymère s’étend dans le milieu et fournit une barrière stérique effective. On obtient
ainsi un excellent développement de la couleur et du brillant tout en maintenant la stabilité, la vitesse de séchage, la formation de
film et la compatibilité dans la formulation des encres à l’eau. A cet effet, les chercheurs ont testé cette résine avec une large variété de
pigments, et ont comparé les polymères greffés et les éthers glycols (voir le
tableau 4). |
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Afin de comparer le taux de COV des encres à l’eau traditionnelle avec celui des encres
utilisant la résine greffée, des tests d’extraction de solvant ont été effectués. En mesurant la quantité de solvant retenu sur le
support imprimé, on trouve qu'avec les copolymères greffés, le niveau de retenue est de 121 mg/rame, ce qui est inférieur au taux
standard de 3.000 à 5.000 autorisé pour l’emballage alimentaire. La chute du taux de COV retenu entraîne la diminution du risque
d’odeur et de contamination gustative dans le domaine alimentaire, et pour les produits du tabac. De plus, les copolymères greffés
réduisent de plus de cinq fois le niveau de COV contenu par rapport aux encres à l’eau traditionnelles, ce qui ajoute un degré de
liberté dans la formulation des encres -- d’autant que ce nouveau type de polymère protège l’environnement. |
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IV-3- Les encres à l'eau hybrides |
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Les résines sulfopolyesters et les résines acryliques présentent un certain nombre d’avantages
(tableau 5), et
la chimie des hybrides sulfopolyesters a tenté de combiner les deux familles. La famille hybride
contient 3 à 35 % de sulfopolyester, et une fraction acrylique de 65 à 95 %. Les solutions hybrides sont des systèmes
d’émulsion de latex contenant 35 à 45 % de particules solides, et dont le pH varie de 6 à 8,5. Ces solutions présentent des
effets de synérgie, grâce à la stabilisation par les particules d’émulsion de latex. Il existe deux types de stabilisation : |
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la stabilisation électrostatique résultant de la nature ionique des polymères sulfopolyesters
qui entourent la particule de latex hybride ; |
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la stabilisation électrostérique des particules d’acrylique en solution provenant de
l’utilisation des solutions de résines pendant le processus de polymérisation, ce qui stabilise stériquement et électrostatiquement les
particules de latex grâce aux chaînes acides. |
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La présence de sulfopolyesters dans l’émulsion hybride conduit à un nombre conséquent d’avantages :
la stabilisation électrostatique ne nécessite pas d’ajustement du pH (on peut donc travailler à pH neutre), la vitesse de séchage est
importante et il n’est donc pas nécessaire d’utiliser une solution de résine, c'est-à-dire de chaîne fonctionnelle acide, donc la
neutralisation basique est inutile. En effet, la solution de résine s’évapore pendant l’impression ce qui empêche l’eau de s’échapper
par les interstices du latex et diminue donc la vitesse de séchage. De plus, il n’est pas nécessaire d’ajouter un surfactant pendant le
processus d’émulsification ce qui diminue la formation de mousse. Enfin, ce type de stabilisation donne un latex peu visqueux à haut
extrait sec (grâce à la faible quantité de chaînes acides qui peuvent interagir). |
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Les résines acryliques apportent aux émulsions hybrides une bonne résistance à l’eau, lui confèrent des propriétés
rhéologiques déterminées par le contenu en fonctionnalité acide, augmentent la compatibilité avec le pigment, et favorisent l’association
des deux types de résines. La technologie hybride possède également certains atouts, puisqu’il est possible de faire varier le
nombre de fonctions acides de la partie acrylique. Cet aspect n’est pas négligeable car on peut modifier les propriétés rhéologiques
de transfert, et améliorer la compatibilité avec la dispersion de pigment. On peut également ajouter des agents de transfert de chaîne
pour favoriser la formation de film. De plus, on peut faire varier la température de transition vitreuse du polymère, Tg, ce qui apporte
des propriétés physiques très différentes. À basse Tg, on favorise la flexibilité et la formation de film alors qu’à Tg élevée, le polymère
possède une meilleure résistance à la chaleur. Il est possible de jouer sur la polymérisation en faisant varier la composition en
monomère ; le cœur des systèmes hybrides est généralement composé de monomères durs alors que la partie extérieure est plus malléable
pour favoriser la formation de film. D’ailleurs, ce type de système est actuellement utilisé en héliogravure pour l’impression des papiers
cadeaux. (La formulation d’une encre hélio pour emballage figure dans le
tableau 6). |
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