Gelning av färg är ett fel som tryckare och färgtillverkare har hanterat i decennier. Det förekommer oftast i äldre oljebaserade färger, de som torkar genom oxidation eller genom inträngning i papperet. Lösningsmedelsbaserade färger, som torkar genom avdunstning, och vattenbaserade färger drabbas mer sällan, men de är inte immuna. Orsakerna är komplexa, och en del går tillbaka till själva tillverkningsprocessen, till exempel om torkmedlet tillsattes tidigt eller sent i satsen. Att förstå hur gelningen börjar är första steget mot att förebygga den.
Så här ser gelning av färg ut
När en färg gelar blir den tjock, trådig eller klumpig. Den slutar flyta jämnt från färgkaret eller aniloxvalsen, överförs dåligt till plåten och substratet och vägrar ibland lämna behållaren. I extrema fall stelnar färgen till en massa som inte går att röra upp till användbart skick. Felet kan uppstå under produktion, under lagring eller efter att burken öppnats i tryckeriet.
Sex orsaker till gelning av färg
Tekniker som studerar problemet delar vanligen in orsakerna i sex punkter:
1. Hartsens molekylvikt i systemet är för hög, vilket driver viskositeten över en användbar nivå.
2. Torrsubstanshalten är för hög, även när hartsbindemedlet i sig har låg viskositet.
3. Färgsystemets syratal är för högt.
4. Pigmentet eller fyllmedlet är alkaliskt till sin karaktär.
5. Torkmedlets halt är för hög, eller torkmedlet tillsattes i fel ordning.
6. Lösningsmedlets halt är för hög, särskilt när lösningsmedlet är av snabbtorkande typ.
De två första orsakerna är fysikaliska till sin natur. En erfaren färgformulerare eller en förpackningstryckare som känner systemet kan vanligen identifiera och undvika dem utan större svårighet. De återstående fyra är kemiska problem och kräver ett annat angreppssätt.
Syratal och alkaliska pigment
De kemiska orsakerna hänger alla samman med ett enda förhållande: syra-basbalansen mellan pigmentet och bindemedlet. Sura ämnen är elektrofila, vilket betyder att de tar emot elektroner och fungerar som protondonatorer. Baser är nukleofila; de avger elektroner och tar emot protoner. Vissa hartser och lösningsmedel är amfotera och kan verka i båda riktningarna. Vatten, alkoholer, karboxylsyror och nitrozellulosa hör alla till denna grupp. Alifatiska kolväten som lösningsmedel står på andra sidan, eftersom de inte kan bilda vätebindningar, och pigment spänner från starkt sura till neutrala till alkaliska.
Problem uppstår när pigmentets och bindemedlets syra-baskaraktär inte matchar. En starkt sur kimrök tillsammans med ett kolofoniumharts med högt syratal är ett klassiskt exempel. I ett dokumenterat fall gelade och klumpade ett kolofoniumharts med en molekylvikt på endast 330 när det användes med en högfärgad kimrök i en snabbtorkande lösningsmedelsbaserad flexofärg, och färgen överfördes inte till substratet. Processförhållandena ökar risken. Hög dispergeringstemperatur, avdunstning av lösningsmedel under malningen och dåligt valda tillsatser driver alla systemet mot en syrareaktion.
Åtgärden: matcha syra-baskaraktären
Den vanliga lösningen är att balansera systemet. En formulerare kan kombinera flera hartser och pigment så att deras syra-baskaraktärer tar ut varandra, eller välja ett lösningsmedel som passar båda. Denna balansgång är rutin i färgfabriker, och den fungerar eftersom gelning inte är en slumpmässig händelse; den följer förutsägbar kemi.
Miceller och det kritiska koncentrationsintervallet
Den kemiska sidan av gelningen blir synlig vid en bestämd punkt. När koncentrationen av de reagerande ämnena når ett visst värde, ett som ligger inom ett ganska snävt intervall, förändras färgens makroskopiska egenskaper plötsligt. På mikroskopisk nivå börjar aktiva molekyler associera och bilda aggregat av kolloidal storlek. Dessa aggregat kallas miceller eller associationskolloider.
Miceller har ett karakteristiskt beteende: de solubiliserar material. Ämnen som var olösliga eller endast svagt lösliga blir mycket mer lösliga, en svällningseffekt som påskyndar den kemiska reaktionen. Hela förloppet är nära knutet till pigmentets dispergering i bindemedlet. När färgen väl når detta tillstånd stiger viskositeten snabbt och satsen beter sig som en gel.
Förebyggande i praktiken
För operatörer i tryckeriet är de praktiska lärdomarna enkla. Förvara färger i slutna behållare så att snabba lösningsmedel inte kan avdunsta. Håll torkmedelsdosen inom tillverkarens rekommendation och följ den föreslagna tillsättningsordningen. Undvik överhettning vid blandning eller malning. Och när ett nytt pigmentparti anländer, bekräfta att dess syra-baskaraktär passar bindemedlet innan en hel sats tas i bruk. Samma disciplin gäller på formuleringssidan, där val av harts och lösningsmedel avgör om den färdiga färgen förblir flytande under sin hållbarhetstid.