Флексографские печатные краски для печати упаковочной и этикеточной продукции

Владимир Филин, канд. техн. наук

Печатные краски в флексографии занимают от 3 до 6% стоимости готового продукта; изготовители печатных красок стремятся поставлять краски высокого качества по максимально низким ценам.

Существует три вида печатных красок для флексографской печати.

Печатные краски, содержащие растворители, лучше всего подходят для печати на невпитывающих подложках и поэтому широко используются при печати на гибких упаковках.

Краски на водной основе предназначаются в первую очередь для запечатки впитывающих поверхностей (бумаги и картона).

Ультрафиолетовые краски (УФ-краски) являются универсальной, абсолютно новой, но быстроразвивающейся группой красок, которые закрепляются под воздействием ультрафиолетовых излучений. Поскольку отверждение красочной пленки на оттиске в этом случае происходит практически мгновенно, они пригодны для печати на любых подложках, начиная от бумаги и картона и заканчивая различными невпитывающими основами (пленки, металлы и пр.).

Какие же особенности флексографской печати определяют свойства печатных красок, и наоборот — как сами краски воздействуют на параметры флексографской печати?

Само собой разумеется, что ко всей производственной цепочке, а с нею и к печатным краскам, предъявляются строгие экологические требования. Но для техника-полиграфиста в первую очередь интересны специальные требования к печатным краскам и особенностям их использования для печати упаковочной и этикеточной продукции. Например, на какой машине будет печататься продукция, какого цвета бумага, пленки, гофрированный картон или иной носитель должны при этом использоваться.

Обратимся сначала к запечатываемому материалу. В упаковочной и этикеточной печати в больших объемах используются самые разнообразные пленки. Так, например, различают пленки с гидрофобной или гидрофильной поверхностной обработкой. Это обстоятельство нельзя недооценивать с позиций последующего сцепления с поверхностью печатных красок. Пленки могут быть прозрачными и непрозрачными, содержать различное количество таких добавок, как наполнители, пластификаторы, ультрафиолетовые стабилизаторы и антиоксиданты, связующие, которые даже в малом объеме могут вызывать затруднения при печати и в процессе закрепления красок. Не следует забывать об огромном выборе алюминиевой фольги различного вида, которая может быть лакированной или с чистой поверхностью. И естественно, важное место среди подложек занимают бумага и картон, а также гофрированный картон, сфера использования которого постоянно расширяется.

Послепечатная обработка во флексографской печати может осуществляться автономно вне печатной машины или в линию в печатной машине. И выбор соответствующей технологии также тесно связан со свойствами печатных красок.

Прежде всего способ обработки поверхности запечатываемого материала является решающим условием выбора тех или иных красок. Многие заказчики предъявляют совершенно четкие требования к коэффициенту истирания красочной пленки при послепечатной обработке продукции. Одним необходима высокая гладкость для того, чтобы избежать простоев при работе высокопроизводительных упаковочных линий, другие нуждаются в матовой поверхности таких упаковок, чтобы она препятствовала сползанию упакованного в них товара при транспортировке или хранении.

Выбор красок также зависит от того, как будет дальше обрабатываться готовый печатный продукт (будут ли его после печати ламинировать, наносить на него защитный экструзионный слой или же при заполнении товаром упаковочного изделия будут использовать высокие давление и температуру, что требуется при пастеризации и стерилизации продукта). Далее красочная пленка может подвергаться воздействиям больших механических нагрузок или агрессивных сред.

Потребитель, к которому упаковка попадает вместе с товаром, может также предъявлять особые требования к краскам. Само собой разумеется, что у упаковки для продуктов питания, косметики, напитков, кондитерских изделий и табака должны отсутствовать запах и выделения веществ, входящих в состав красок. Никакие составные части красочной пленки не должны проникать внутрь упаковки. Здесь наряду с органолептическими проблемами должны быть обязательно решены вопросы, связанные с безопасностью для здоровья.

Заказчик также ожидает, что тщательно выбранное им цветовое оформление упаковки в течение длительного времени будет сохраняться неизменным.

Большое значение при флексографской печати имеют экологические проблемы, так как со стороны государства требования к экологической безопасности на всех уровнях ужесточаются. Все более актуальной становится проблема утилизации отработанного воздуха, содержащего пары компонентов красок, называемых VOC (volatile organic compounds), или летучими органическими растворителями. В частности, их подозревают в способности разрушать озоновый слой Земли и воздействовать на климатические условия. Кроме того, в высоких концентрациях легколетучие растворители опасны для здоровья работающих.

Для того чтобы извлечь пары этих растворителей из флексографских печатных красок, необходимы большие затраты энергии на сжигание их отходов. Кроме того, требуются значительные инвестиции для исключения в рабочем помещении взрывоопасной ситуации, создаваемой ими. Все это ведет к тому, что флексографские печатные краски на растворителях довольно быстро вытесняются красками на водной основе. Их главным конкурентом являются УФ-краски, поскольку не содержат растворителей и могут рассматриваться как стопроцентно «твердотельная» система.

Для самого печатника эти критерии выбора играют лишь второстепенную роль. Главное для него — возможность безупречной печати в нормальных условиях работы печатной машины. А это значит, что флексографские печатные краски должны соответствовать все более высоким скоростям печатания, максимальное значение которых для работы на широкоформатных машинах составляет до 400 м/мин. Это особенно важно для высыхания красок, которое происходит на коротких отрезках сушильных устройств и при незначительном времени сушки требует сочетаний растворителей и связующих, способных ускорить улетучивание растворителей. При этом, конечно, остальные печатно-технические свойства красок должны оставаться в пределах допусков.

Специальные флексографские печатные краски оказывают большое влияние на качество печати. Для новых печатных материалов, высоких производственных скоростей, необходимых свойств и прочности красочных слоев на самых разнообразных упаковках, а также для учета экологических требований на ряде фабрик, производящих краски, были разработаны соответствующие рецептуры и выпущены на рынок новые красочные системы. Сегодня как само собой разумеющееся воспринимается то, что почти во всех областях печати на бумаге и картоне стали использоваться водные краски. В печати на пленках, где, как и прежде, все еще доминируют краски на растворителях, наиболее вредные из них несколько лет назад были заменены экологически безопасными веществами. С новыми рецептурами и другими базисными материалами при печати растровых изображений на высоких скоростях были достигнуты высококачественные результаты. Некоторые фабрики, производящие краски, предприняли значительные усилия для создания УФ-красок, которые смогли обеспечить получение экономичных  высококачественных результатов при печатании упаковочной продукции.

Рассмотрим основные свойства вышеназванных групп печатных красок для упаковочной и этикеточной флексографской печати.

Флексографские печатные краски на основе растворителей занимают на сегодняшний день доминирующее положение в сегменте гибких упаковок.

В этой группе преобладают краски на основе традиционной нитроцеллюлозы (благодаря их универсальности и готовности к применению). Но сейчас на передний план выходит класс связующих с использованием поливинилбутираля, который по своим свойствам в некоторых случаях превосходит нитроцеллюлозу .

Абсолютно незаменимы флексографские краски на растворителях для печати на невпитывающих подложках, таких как полимерные пленки и алюминиевая фольга. Главная сфера их применения лежит в области гибкой упаковки. При этом в двух других важных сегментах, а именно при печати этикеток и печати на гофрированном картоне, их присутствие незначительно.

В целом клиенты все больше склоняются к тому, что наиболее рационально запечатывать широкий спектр материалов с использованием не множества серий специальных красок, а только двух универсальных серий. Эта тенденция к использованию флексографских красок с широким спектром применения проявляется в разработках производителей все больше и больше.

Флексографские краски на водной основе уже в течение десятилетий содержат доминирующий класс связующих на основе полимеров и сополимеров акрилата в воде, являющейся для них растворителем. Этот вид красок предназначен для запечатки впитывающих поверхностей, таких как бумага и картон. А в области печати на гофрированном картоне этим краскам на рынке принадлежит господствующее место. В то же время доля рынка флексографских красок на водной основе для невпитывающих подложек (то есть гибких упаковок и этикеток) незначительна.

Эти краски, как уже было сказано, в качестве растворителя содержат воду. Ранее их составной частью являлись также летучие растворители, количественная доля которых составляла до 25%. Но благодаря совершенствованию рецептуры к настоящему времени удалось получить флексографские краски исключительно на водной основе. Они применяются для огромного рынка печати на гофрированном картоне. Вода для них является единственным растворителем, а органические растворители полностью исключены из рецептуры, по крайней мере в этикеточном и упаковочном сегментах рынка.

Иначе обстоит дело с флексографскими красками на водной основе для пленок. По сравнению с рецептурами 80-х годов доля органических растворителей в них была значительно уменьшена, тем не менее небольшое их количество (до 5%) все еще необходимо для получения оптимальных результатов печати. Для этого сегмента рынка также проводятся интенсивные работы по созданию красок на водной основе, полностью свободных от растворителей.

Одним из критериев различия между красками на водной основе и на основе растворителей является отношение «пигмент/вязкость». Для обеспечения одинаковой вязкости краски на водной основе должны содержать значительно больше пигмента, чем сравниваемые с ними краски на основе растворителей. Только таким путем можно добиться более высокой толщины красочного слоя. Этот на первый взгляд незначительный факт имеет, однако, большое значение для совершенствования флексографских красок.

Изготовители красок вынуждены считаться с тем, что при печати на запечатываемую подложку переносится лишь малое количество краски. Поэтому печатникам требуются все более концентрированные флексографские краски для получения на оттисках необходимых оптических плотностей. Но вязкость краски не может повышаться безгранично, и по печатно-техническим соображениям в распоряжение производителя попадает лишь узкая зона вязкости, что значительно усложняет задачу. А она и без того не проста: нужно разработать рецептуру краски таким образом, чтобы была реализована большая толщина красочного слоя при одновременной низкой вязкости. При этом более высокое содержание пигмента у красок на основе растворителей всегда ухудшает их растекаемость — они становятся вязко-структурными (этот эффект ранее проявлялся только в офсетной печати). Плохая текучесть отрицательно влияет на вытекаемость краски из ячеек растрового валика при сокращении времени контакта с флексографской печатной формой. Комбинацию свойств из высокого содержания пигмента и низкой вязкости у флексографских красок на водной основе значительно проще претворить в жизнь. Это является одной из причин того, почему флексографские краски на водной основе все больше вытесняют краски на основе растворителей.

Одним из главных препятствий для быстрого распространения флексографских красок на водной основе, особенно для рынка гибкой упаковки, являются их особые свойства высыхания и смачивания. Для красок на водной основе необходима значительно более высокая высыхаемость, чем для красок на растворителях.

Кардинальной технической проблемой является различная величина смачивания красок на водной основе или на растворителях. Чтобы однородно смочить гладкую поверхность флексографской краской, ее поверхностное натяжение должно быть ниже, чем у носителя. При этом поверхностное натяжение флексографской краски определяется растворителем, а не пигментом или связующим. Без обработки коронным разрядом запечатываемого материала обычные краски на водной основе (без поверхностно-активных добавок) не в состоянии смачивать пленочные поверхности. Это является причиной того, почему для этих красок необходимы небольшие доли органических растворителей в качестве смачивающих вспомогательных средств при печати на гибких пленочных материалах. Однако при печати на пористом гофрированном картоне эта проблема не имеет значения, поэтому здесь можно применять краски на водной основе без органических растворителей.

Совершенствование прежних, медленно сохнущих водных красок привело к тому, что теперь они стали высыхать быстро, а поэтому практически все водные системы обеспечивают возможность послепечатной обработки оттисков немедленно после печати.

Ультрафиолетовые краски (УФ-краски) в своем нынешнем виде появилась на рынке совсем недавно. В них используются связующие в виде ненасыщенных, функциональных акрилатов на основе полиэфиров, полиуретанов и полиэпоксидов. С использованием флексографских УФ-красок можно запечатывать все имеющиеся подложки, начиная от бумаги и картонов и кончая пленками. В то время как УФ-технология в некоторых областях полиграфической отрасли еще борется со своими предшественниками, в узкоформатной этикеточной печати она уже получила признание. И сегодня флексографская УФ-печать все шире применяется для гибких упаковок и складных коробок.

На смену краскам на базе растворителей приходят твердотельные печатные краски без растворителей, имеющие совершенно иной механизм закрепления на оттисках, а именно — под действием ламп, излучающих ультрафиолетовые лучи.

Печатные УФ-краски появились на рынке менее 10 лет назад. А в настоящее время уже во всем мире на печатных машинах установлено несколько десятков тысяч УФ-установок для сушки, а точнее — для отверждения и закрепления на упаковочных оттисках красочного слоя. И их число постоянно растет. С помощью этих красок можно автономно или в линию печатать на самых разнообразных основах: бумаге, пленках, алюминии, жести, полимерных и других материалах.

Следует отметить и такое достоинство УФ-красок, как возможность комбинирования в одном печатном процессе (в одной так называемой гибридной печатной машине) высокой трафаретной и офсетной УФ-печати.

При использовании УФ-красок достигается такое качество оттисков, о котором несколько лет тому назад нельзя было даже мечтать. Они имеют постоянную вязкость, что обеспечивает неизменность цветовых параметров печати. С их помощью отлично воспроизводятся растровые изображения при исключительно невысоком растискивании растровых точек и возможности воспроизведения двупроцентных точек (а при использовании систем СТР — даже однопроцентных). Эти краски обеспечивают высокую резкость краев печатных элементов, не создают проблем при печати негативных и позитивных шрифтов. Фоновые поверхности воспроизводятся исключительно равномерно, с высоким глянцем изображения. Отсутствуют проблемы с печатью на высоких скоростях, а технологические простои невелики благодаря мгновенному высыханию красочного слоя, так что снимается проблема сушки оттисков.

В противоположность другим типам красок у УФ-красок при работе не испаряются растворители и не происходит впитывание красок в материал. Также не происходит изменение вязкости — она постоянна. Другими словами, изменение плотности плашки и толщины нанесения красочной пленки при необходимости производятся не за счет изменения вязкости, а с помощью растровых валиков. Машину в любой момент можно остановить и не заботиться о том, что краска в машине высохнет. При УФ-технологии в течение нескольких секунд красочная пленка переходит из квазижидкого полностью в твердое состояние. Этот переход происходит только под воздействием ультрафиолетовых лучей, расщепляющих так называемый фотоинициатор на реактивные частицы, которые путем цепной реакции объединяют в цепь частицы связующего. При этом в конечном итоге образуется очень стабильная, стойкая к воздействиям полимерная цепь.

Обобщенно все достоинства ультрафиолетовых печатных красок представлены в табл. 1.

Таблица 1. Достоинства ультрафиолетовых печатных красок

Если же рассмотреть общую рецептуру типичной флексографской УФ-краски, то там не найдется сырья, которое используется в красках на основе растворителей или в водорастворимых красках. Мы уже говорили о фотоинициаторах и о цепной реакции под действием света. Основу этих красок составляют так называемые преполимеры, компоненты связующих веществ, которые объединяются в цепи посредством фотоинициатора. Путем использования разбавителя, может регулироваться с одной стороны степень сшивки, а с другой — вязкость и текучесть УФ-красок.

Эти краски особенно пригодны для использования в пищевой и фармацевтической промышленности, так как не имеют вкуса и запаха или обладают очень слабым, практически не ощущаемым запахом. В настоящее время эти краски претерпевают наиболее бурное развитие.

УФ-краски хорошо согласуются с характеристиками секционных печатных машин. Они обеспечивают высокое качество печати, дают возможность сократить число типов используемых красок для различных подложек, характеризуются простотой обработки, не имеют выбросов в атмосферу, имеют слабый запах в машине и отличаются высокой экономичностью, несмотря на более высокую их стоимость.

В настоящее время существуют две системы УФ-красок — радикальные и катионные. В чем же состоят особенности и различия между ними? Прежде всего это — твердотельные краски. Около 15% их состава — красящие вещества, или пигменты, 65% — не сшитые полимерные связующие и 20% — вспомогательные вещества, большую часть которых составляет фотоинициатор. Под действием УФ-излучения фотоинициатор вызывает химическую реакцию, связующее при этом полимеризуется, а УФ-краска затвердевает. Различия между двумя названными системами заключаются в составе связующего или в виде полимеризации.

Радикальные краски имеют химический состав на базе акрилатов. Они обладают невысоким эффектом последубления, имеют незначительный запах, хорошую устойчивость к механическим и термическим воздействиям. Без проблем ими можно печатать на впитывающих материалах, имеющих щелочную поверхность.

Обычные радикальные УФ-краски полимеризуются только при воздействии на них УФ-излучения. При радикальном задубливании фотоинициаторы под действием мощного УФ-излучения распадаются на два высокореактивных радикала. Эти радикалы присоединяются к двойным углеродным связям. Путем перемещения электронов возникает новый, более длинный радикал, который снова может вступать в реакцию. Это оказывает влияние на полимеризацию и, следовательно, на задубливание краски. Так как этот процесс происходит в течение долей секунды, то высыхание краски осуществляется также быстро. Но если продолжительность излучения слишком мала, то могут образоваться незадубленные остатки мономера и слой краски на оттиске окажется незакрепленным. Поэтому здесь длительность излучения должна соответствовать скорости работы машины.

Такие системы УФ-красок с энергетическим закреплением могут быть предложены там, где в офсетной и флексографской печати требуется немедленная последующая обработка. Благодаря высокой скорости реакции высыхания красок возможны скорости печати до 300 м/мин. Радикальные красочные системы могут высушиваться с применением азота, что приводит к дальнейшему ослаблению запаха при высоких скоростях обработки.

Следует отметить еще одно важное достоинство этих красок — их способность в течение нескольких дней и даже недель оставаться в машине и не высыхать.

Что представляют собой катионные краски? Их химической основой являются эпоксидные смолы. Они обладают слабым запахом, хорошим сцеплением с замкнутыми поверхностями запечатываемых материалов; имеют высокую механическую и химическую устойчивость.

Однако они непригодны к использованию на впитывающих запечатываемых материалах со щелочным меловальным слоем или высокой остаточной влажностью. В то же время возможно их применение для первичных упаковок пищевых продуктов, что достигается путем соответствующего выбора сырья.

При катионном задубливании фотоинициаторы распадаются не на радикалы, а на положительно и отрицательно заряженные частицы — на катион и анион. Возникает очень активный катион, который присоединяется к отрицательному концу полярного соединения. В результате положительный заряд перемещается и начинается цепная реакция.

В отличие от радикальных красок катионные системы для своего задубливания нуждаются в определенной дозе инициирования УФ-излучения. Процесс сшивки продолжается дольше (после действия излучения еще в течение 1-2 с) и через определенное время достигает 100-процентной величины, закрепляя красочную пленку на оттиске. Кроме того, здесь происходит и «темновая реакция», так что окончательные свойства красочной пленки формируются только через 1-2 дня.

Их достоинство здесь состоит в том, что, в отличие от радикальных красок, в красочной пленке не остается никаких остаточных мономеров.

В обзорной табл. 2 представлен систематизированный сравнительный обзор свойств радикальных и катионных печатных УФ красок.

Таблица 2. Свойства радикальных и катионных УФ-красок

Катионные УФ-краски являются универсальными и используются в таких областях, как печать упаковки на бумаге, полимерах и алюминиевых пленках (для косметики, моющих средств и т.п.), на крышках для йогурта, фармацевтических пленках, пленках для продовольственных упаковок. Хороший эффект может быть достигнут при работе на печатных материалах с очень трудным красочным сцеплением.

В табл. 3 представлены сравнительные данные по экологической безопасности различных типов красок.

Таблица 3. Сравнительные данные по экологической безопасности различных типов красок

В табл. 4 представлены экономические аспекты использования разных флексографских печатных красок.

Таблица 4. Экономические аспекты использования разных флексографских печатных красок

Для флексографской печати, как и для других способов, в последнее время создаются принципиально новые виды печатных красок. Причинами их появления можно считать успехи науки, а также стремление наряду с повышением экологической безопасности упростить работу печатника, обеспечить еще более высокое качество оттисков и получение новых визуальных эффектов. Не в последнюю очередь мощным стимулом развития здесь выступает рекламный фактор.

Экологические проблемы в области печатных красок пока остаются. В этом направлении уже предпринят ряд важных шагов, и постепенно все проблемы будут решены.

Мир флексографской печати, без сомнения, становится все обширнее и красочнее. И это полно и наглядно отражает весь спектр современных достижений в области современных флексографских печатных красок для печатания упаковочной и этикеточной продукции.

Мир Этикетки 2'2001