Żelowanie farby to usterka, z którą drukarze i producenci farb mierzą się od dziesięcioleci. Najczęściej pojawiała się w starszych farbach olejowych, tych, które schną przez utlenianie lub wsiąkanie w papier. Farby rozpuszczalnikowe, schnące przez odparowanie, oraz farby wodne trafiają na nią rzadziej, ale nie są na nią odporne. Przyczyny są złożone, a część z nich wynika z samego procesu produkcji, na przykład z tego, czy sykatywę dodano na początku, czy na końcu wsadu. Zrozumienie, jak zaczyna się żelowanie, to pierwszy krok do jego zapobiegania.
Jak wygląda żelowanie farby
Gdy farba żeluje, staje się gęsta, ciągnąca się lub grudkowata. Przestaje równomiernie płynąć z kałamarza lub wałka aniloksowego, słabo przenosi się na płytę i podłoże, a czasem nie chce opuścić pojemnika. W skrajnych przypadkach farba zastyga w masę, której nie da się już rozmieszać do stanu użytkowego. Usterka może wystąpić podczas produkcji, podczas magazynowania albo po otwarciu puszki w drukarni.
Sześć przyczyn żelowania farby
Technicy zajmujący się tym problemem zwykle dzielą przyczyny na sześć pozycji:
1. Masa cząsteczkowa żywicy w układzie jest zbyt wysoka, co wypycha lepkość powyżej poziomu użytkowego.
2. Zawartość części stałych jest zbyt wysoka, nawet gdy sam nośnik żywiczny ma niską lepkość.
3. Liczba kwasowa układu farby jest zbyt wysoka.
4. Pigment lub wypełniacz ma zasadowy charakter.
5. Zawartość sykatywy jest nadmierna albo sykatywę dodano w niewłaściwej kolejności.
6. Zawartość rozpuszczalnika jest zbyt wysoka, zwłaszcza gdy rozpuszczalnik szybko schnie.
Pierwsze dwie przyczyny mają charakter fizyczny. Doświadczony formulator farby lub drukarz opakowań, który rozumie układ, zwykle potrafi je wychwycić i ominąć bez większych trudności. Pozostałe cztery to problemy chemiczne i wymagają innego podejścia.
Liczba kwasowa i pigmenty zasadowe
Przyczyny chemiczne sprowadzają się do jednej zależności: równowagi kwasowo-zasadowej między pigmentem a nośnikiem. Substancje kwasowe są elektrofilowe, czyli przyjmują elektrony i działają jako donory protonów. Zasady są nukleofilowe; oddają elektrony i przyjmują protony. Niektóre żywice i rozpuszczalniki są amfoteryczne, mogą działać w obu kierunkach. Woda, alkohole, kwasy karboksylowe i nitroceluloza należą do tej grupy. Rozpuszczalniki węglowodorowe alifatyczne stoją po drugiej stronie, bo nie tworzą wiązań wodorowych, a pigmenty mieszczą się w przedziale od silnie kwasowych przez obojętne do zasadowych.
Problemy pojawiają się, gdy charakter kwasowo-zasadowy pigmentu i nośnika nie pasuje do siebie. Klasyczny przykład to silnie kwasowa sadza stosowana z żywicą kalafoniową o wysokiej liczbie kwasowej. W jednym z udokumentowanych przypadków żywica kalafoniowa o masie cząsteczkowej zaledwie 330 żelowała i zbijała się w grudki w połączeniu z sadzą o wysokiej intensywności koloru w szybkoschnącej farbie fleksograficznej na bazie rozpuszczalnika, a farba nie przenosiła się na podłoże. Do ryzyka dokładają się warunki procesu. Wysoka temperatura dyspergowania, odparowanie rozpuszczalnika podczas mielenia i źle dobrane dodatki popychają układ w stronę reakcji kwasowej.
Rozwiązanie: dopasowanie charakteru kwasowo-zasadowego
Standardowe rozwiązanie polega na zbilansowaniu układu. Formulator może połączyć kilka żywic i pigmentów tak, aby ich charaktery kwasowo-zasadowe się równoważyły, albo dobrać rozpuszczalnik pasujący do obu. To bilansowanie jest w zakładach farbiarskich rutyną i działa, bo żelowanie nie jest zdarzeniem losowym; podlega przewidywalnej chemii.
Micelle i krytyczny zakres stężeń
Chemiczna strona żelowania ujawnia się w pewnym punkcie. Gdy stężenie reagujących substancji osiągnie określoną wartość, mieszczącą się w dość wąskim zakresie, makroskopowe właściwości farby zmieniają się nagle. W skali mikroskopowej aktywne cząsteczki zaczynają się łączyć i tworzą agregaty o rozmiarach koloidalnych. Te agregaty nazywa się micelami lub koloidami asocjacyjnymi.
Micelle mają charakterystyczne zachowanie: solubilizują materiał. Substancje nierozpuszczalne lub słabo rozpuszczalne stają się znacznie lepiej rozpuszczalne, a efekt pęcznienia przyspiesza reakcję chemiczną. Cała sekwencja jest ściśle związana z dyspergowaniem pigmentu w nośniku. Gdy farba osiągnie ten stan, lepkość szybko rośnie, a wsad zachowuje się jak żel.
Zapobieganie w praktyce
Dla operatorów w drukarni praktyczne wnioski są proste. Farby należy przechowywać w zamkniętych pojemnikach, aby szybkie rozpuszczalniki nie uciekały. Dawkę sykatywy trzeba utrzymywać w granicach zalecanych przez producenta i przestrzegać sugerowanej kolejności dodawania. Należy unikać przegrzewania podczas mieszania i mielenia. A gdy przychodzi nowa partia pigmentu, przed przeznaczeniem całego wsadu do produkcji trzeba potwierdzić, że jej charakter kwasowo-zasadowy pasuje do nośnika. Ta sama dyscyplina obowiązuje po stronie formulacji, gdzie dobór żywicy i rozpuszczalnika decyduje o tym, czy gotowa farba pozostanie płynna przez cały okres przydatności.