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Il existe probablement autant de définitions différentes d'encre que de types. La description la plus simple est peut-être que l’encre est un matériau liquide ou semi-liquide utilisé pour l’écriture, l’impression ou le dessin. Les chimistes le voient comme un système colloïdal de fines particules de pigment dispersées dans un solvant (Chem. Br., Février 2003, p28). Le pigment peut être coloré ou non, et le solvant peut être aqueux ou organique.

Les premières encres d'écriture noires, développées avant 2500 ans avant JC, étaient des suspensions de carbone, généralement de noir de fumée, dans de l'eau stabilisée avec une gomme naturelle ou des matériaux comme l'albumine d'œuf. Les formulations d'encre modernes sont un peu plus complexes. En plus du pigment, ils contiennent de nombreux autres ingrédients à des niveaux variables. Collectivement appelés «véhicule», ces ingrédients supplémentaires comprennent des modificateurs de pH, des humectants pour retarder le séchage prématuré, des résines polymères pour conférer des propriétés liantes et alliées, des agents antimousse / antimousse pour réguler l'efficacité de la mousse, des agents mouillants tels que des tensioactifs pour contrôler les propriétés de surface, des biocides inhiber la croissance fongique et bactérienne menant à l’encrassement, ainsi que les épaississants ou les modificateurs de rhéologie permettant de contrôler l’application d’encre.

Plus de 90% des encres sont des encres d'imprimerie dans lesquelles les pigments donnent la couleur plutôt que les colorants utilisés dans les encres d'écriture. Les pigments sont insolubles, alors que les colorants sont solubles, bien que ces termes soient parfois utilisés indifféremment dans la littérature commerciale. Les pigments d'encre sont à la fois inorganiques et organiques. La plupart des encres à écrire rouges sont une solution diluée du colorant rouge éosine. La couleur bleue peut être obtenue avec des colorants triphénylméthane substitués. De nombreuses encres à écrire permanentes contiennent du sulfate de fer et des acides gallique et tanique, ainsi que des colorants. L'encre à bille est généralement une pâte contenant de 40 à 50% de colorant.

La plupart des encres blanches contiennent du dioxyde de titane en tant que pigment, du rutile et de l'anatase sous forme cristalline tétragonale. Cependant, les préoccupations croissantes concernant la toxicité connue des métaux lourds ont conduit au remplacement de nombreux pigments inorganiques tels que le jaune chrome, l'orange de molybdène et le rouge de cadmium par des pigments organiques, qui offrent une meilleure résistance à la lumière et une toxicité réduite. De plus, le noir de carbone remplace désormais le noir spinelle, le noir rutile et le noir de fer dans presque toutes les encres noires. En fait, l’industrie de l’encre est le deuxième consommateur en importance de noir de carbone.

D'autres matériaux inorganiques tels que les argiles servent de charges ou de charges, ce qui réduit principalement le coût des pigments, bien que certains améliorent également les propriétés de l'encre. Les pigments métalliques tels que la poudre d'aluminium (bronze d'aluminium) et la poudre d'alliage cuivre-zinc (bronze doré) sont utilisés dans les nouvelles encres à l'argent et à l'or. Divers pigments inorganiques fournissent des effets luminescents et nacrés.

Les changements intervenus au cours des années dans la chimie de l’encre sont étroitement liés à l’évolution des instruments de revêtement d’encre: le stylo et la machine à imprimer. Le stylo à bille, le marqueur au feutre et le stylo à fibre ont conduit à des encres contenant des solutions de colorants dans de l'eau ou des solvants organiques tels que le propylène glycol, l'alcool propylique, le toluène ou des glycoéthers. D'autres ingrédients tels que des résines, des conservateurs et des agents mouillants sont également ajoutés.

De même, la composition des encres d'impression dépend du type de processus d'impression, en particulier de la manière dont les rouleaux de distribution d'encre sont disposés dans la presse. Les principales catégories de procédés d'impression sont la lithographie ou l'impression offset, la flexographie, l'héliogravure, la sérigraphie, la presse à lettres et l'impression numérique.

Le principe de l'impression est illustré par la simple opération de tampon encreur. Ici, nous utilisons une encre liquide qui mouille le tampon. Un type de caoutchouc trempé dans le tampon est mouillé avec l'encre, qui est pressée contre le substrat, par exemple le papier, pour produire l'empreinte. Il est clair que cette encre doit être liquide lorsqu'elle est dans le bloc-notes et doit sécher rapidement sur du papier. Les différents procédés d'impression diffèrent par la manière dont le type est imprégné d'encre, bien que l'impression numérique ne comporte pas de types mobiles. Chaque processus exige donc une encre dont la viscosité et l'efficacité de séchage diffèrent, ce qui est possible en ajustant la composition.

Un chimiste en encre d'imprimerie s'intéresse principalement à la préparation d'une dispersion de particules de pigment qui ne se dépose pas en touffes. Les pigments inorganiques peuvent être facilement dispersés en appliquant une force minimale, mais la plupart des pigments organiques nécessitent des techniques de broyage spéciales pour produire des particules de taille inférieure au millimètre afin d'assurer une dispersion stable. En général, la couleur de l'encre provient de pigments organiques; la taille des particules du pigment détermine l'intensité de la couleur.

Le broyage s'effectue en deux étapes: le mélange primaire est effectué avec un mélangeur ordinaire et le pré-mélange résultant est soumis à un broyage secondaire dans un broyeur à boulets ou un broyeur à cylindres. Après le mélange primaire, le chimiste ajoute des produits chimiques appelés dispersants ou auxiliaires de broyage afin d’empêcher les fines particules de pigment de se regrouper au cours de l’étape de broyage. Le choix correct des dispersants, associé à la technique de broyage appropriée, est la clé pour obtenir une dispersion stable.

Les dispersants stabilisent les particules de pigment en réduisant l'énergie mécanique nécessaire au broyage. Deux classes de composés sont utilisées à cet effet: les tensioactifs et les polymères. Ces composés s'adsorbent sur les particules de pigment et forment un revêtement de composition et d'épaisseur variables. Les surfaces de particules modifiées résultantes s’attirent ou se repoussent, ce qui conduit à une floculation ou à une stabilisation, respectivement. La floculation entrave la dispersion et des forces de stabilisation sont essentielles pour empêcher les fines particules de pigment de se déposer. La taille et la forme des particules de pigment déterminent l'intensité de la couleur, la teinte et la résistance à la lumière.

De nos jours, on a de plus en plus tendance à exclure les solvants organiques des produits commerciaux et les encres ne font pas exception. Des réglementations strictes limitent l'utilisation de composés organiques volatils (COV) partout, de la peinture à la fabrication du plastique. En conséquence, les chimistes en encre ont été contraints d'abandonner de nombreuses recettes efficaces et éprouvées en remplaçant les solvants organiques par de l'eau. Les encres à base d'eau ont à leur tour introduit de nouvelles classes de tensioactifs et de polymères dans la chimie des encres.

L’un des inconvénients évidents de l’utilisation de l’eau comme moyen est l’augmentation de la tension superficielle des encres aqueuses, ce qui rend plus difficiles les substrats «mouillants» tels que le papier ou les plastiques. Une approche à deux volets a permis d’atténuer ce problème: des tensioactifs spéciaux réduisent la tension superficielle des encres, tandis que la modification de la surface des substrats comme le plastique (traitement corona, par exemple) augmente l’énergie de surface et facilite ainsi le mouillage. Les tensioactifs ont l'inconvénient de produire une mousse stabilisée.

Les encres doivent avoir une viscosité (appelée l’épaisseur lâche) appropriée au processus d’impression. Certaines encres ont la consistance d'un beurre et d'autres une viscosité intermédiaire. Divers agents épaississants polymères sont ajoutés à cet effet. À cet égard, les chimistes en encre s’intéressent à la rhéologie, à l’étude de la relation entre la contrainte appliquée et la déformation qui en résulte. Les fluides complexes, comme les encres, présentent un comportement non newtonien, c'est-à-dire que leur viscosité change lorsqu'ils sont agités, bien que la plupart des matières premières d'une composition d'encre typique montrent le contraire, un comportement newtonien. De plus, la plupart des encres présentent une pseudoplasticité, ce qui signifie essentiellement qu'elles deviennent plus coulantes lorsqu'elles sont agitées ou répandues.

Dans le passé, les chimistes ont affiné les propriétés des encres à base de solvant en incluant des polymères de différentes masses moléculaires. Ces encres contenaient relativement peu de matières solides, c’est-à-dire du type «à faible teneur en solides», et nécessitaient une grande quantité de solvant pour dissoudre les polymères de haut poids moléculaire. Les encres modernes sans solvant sont des types à haute teneur en solides, incorporant des précurseurs de polymères monomères et oligomères qui peuvent être polymérisés in situ après l'application de l'encre sur le substrat, par exemple par une lumière UV ou un faisceau d'électrons de haute énergie.

Ces encres contiennent des unités monomères ou oligomères facilement polymérisables mélangées à un initiateur qui produit des radicaux ou des ions lors d'une irradiation qui initieront le processus de polymérisation. Les encres à faisceau d'électrons ne nécessitent pas d'initiateur ajouté de manière externe car les électrons peuvent eux-mêmes générer des radicaux. En plus d'être sans solvant, ces encres durcissent instantanément, donnant des vitesses d'impression rapides. La demande pour ces encres augmente actuellement d’environ 10% par an.

La vitesse à laquelle l'encre sèche détermine la vitesse du processus d'impression. Le séchage peut impliquer l'absorption ou la pénétration de composants liquides dans le substrat; évaporer le solvant à une certaine température; ou des processus chimiques impliquant une oxydation ou une polymérisation.

Une encre nouvellement développée qui répond aux exigences d'un processus d'impression et d'un substrat sera soumise à un certain nombre de tests de contrôle de la qualité avant d'être commercialisée. Ces tests varient en fonction de l'application finale. Certains des tests portent le nom de qualité d’impression, résistance au blocage, nettoyage, solidité à la lumière, saignement, «moussabilité», stabilité au cisaillement, brillance, résistance à l’eau, adhérence du ruban et séchage à l’air. La qualité d’impression teste la qualité de l’impression, la résistance des blocs, le transfert de l’encre d’un rouleau imprimé sur une surface non imprimée et la «moussabilité» indique l’étendue de la formation de mousse dans une formulation d’encre, etc.

Outre ces propriétés, de nombreuses encres spéciales sont conçues pour d'autres utilisations finales spécifiques. Avec certaines nouvelles encres thermochromiques et photochromiques, la chaleur et la lumière sont nécessaires pour produire de la couleur, tandis que l'encre électronique nécessite un champ électrique pour induire la couleur (voir encadré ci-dessous et Chem. Br., Juillet 2002, p22). Les encres thermochromiques aident à détecter les changements de température dans une pièce mobile tandis que les encres électroniques trouvent une application dans divers affichages. Les encres magnétiques incorporent certains matériaux magnétiques dans l'encre et sont utilisées dans l'impression des carnets de chèques pour un filtrage efficace par les caissiers.

Comme le montrent ces exemples et bien d'autres, l'encre est un fluide plus complexe que vous ne l'auriez imaginé auparavant. La société sans papier que beaucoup de gens envisagent pour l'avenir est encore loin. Pendant ce temps, la chimie de l’encre devrait continuer de préoccuper les scientifiques pendant de nombreuses années.

Source: Chimie en Grande-Bretagne

Remerciements

Joy T. Kunjappu

Lectures complémentaires

  • Joy T. Kunjappu, Essais en chimie de l'encre. New York: Nova Science Publishers, 2001.
  • Le manuel des encres d’impression (5th edn), R. H. Leach et R. J. Pierce (eds). Londres: Blueprint, 1993.
  • Technologie chimique dans les systèmes d'impression et d'imagerie, J. A. G. Drake (ed). Cambridge: RSC, 1993.
  • Phénomènes de surface et additifs dans les revêtements à base d’eau et les techniques d’impression, M.K. Sharma (ed). Plenum Press, New York, 1991.
  • Chimie et technologie des formulations UV et EB pour revêtements, encres et peintures, G. Webster (ed). New York: Wiley / SITA, 1997.
  • Chimie et technologie des encres à base d'eau, Pat Laden (ed). New York: Chapman et Hall, 1997.
    Pour certaines recettes d’encres d’écriture et de dessin.
  • La Société des teinturiers et des coloristes.

Revues techniques et professionnelles

  • Monde d'encre
  • Fabricant d'encre
  • Industrie de la peinture et des revêtements
  • Monde des revêtements
  • Flexo
  • Peinture et revêtements modernes
  • Convertisseur de feuille de papier
  • European Coatings Journal
  • Journal of Coatings Technology

Une palette colorée
Les pigments sont considérés comme le constituant principal d'une encre et représentent environ 50% de son coût. Un pigment est essentiellement un solide particulaire – coloré, noir, blanc ou fluorescent – qui modifie l’aspect d’un objet par l’absorption sélective et / ou la diffusion de la lumière. Il se présente sous la forme d'une suspension colloïdale dans de l'encre et conserve une structure cristalline ou particulaire tout au long du processus de coloration ou d'impression.

Les pigments organiques des encres modernes sont identifiés par un numéro de système d'index de couleur qui reflète la nuance ou la teinte de la couleur, ainsi que des détails structurels et chronologiques (ordre de synthèse) du pigment. Par exemple, le bleu de phtalocyanine de cuivre, un pigment bleu bien connu, est le PB 15. L’intensité de la couleur (la résistance) d’un pigment augmente à mesure que la taille des particules diminue, et l’opacité culmine autour d’une taille de particules de 0,3 µm. Les structures moléculaires de quatre pigments importants utilisés dans les encres sont indiquées ci-dessous.

À mesure que la concentration de tensioactifs augmente dans une solution, certaines propriétés physiques de la solution vont changer brusquement à une concentration appelée concentration micellaire critique (CMC) (voir la figure). Au-dessus de la CMC, les molécules de surfactant se rejoignent pour former des agrégats sphériques (micelles) dans lesquels le noyau est peuplé de chaînes hydrophobes et la couronne par des groupes polaires. Le nombre moyen de molécules de surfactant dans chaque structure micellaire est connu sous le nom de nombre d'agrégation, qui est d'environ 60 dans le cas des micelles SDS.

Les tensioactifs s'agglomèrent sur les couches superficielles aux interfaces liquide-air et solide-liquide. Dans le premier cas, la tension superficielle du liquide diminue et dans le dernier cas, l'interface solide (pigment)-liquide est modifiée. Quoi qu’il en soit, le résultat final est de faciliter l’application de l’encre sur son substrat (par exemple, le papier).

Polymères multi-tâches

Les polymères ont de multiples fonctions pour affiner les propriétés d'une encre. Dans le passé, les résines polymères naturelles trouvaient une utilisation dans les encres et les revêtements, mais les encres modernes contiennent de nombreux polymères synthétiques. L’une des fonctions principales des polymères dans l’encre est de servir de dispersants, seuls ou en association avec des tensioactifs. Ils aident également à ajuster la viscosité et à modifier les propriétés rhéologiques. D’autres fonctions importantes sont notamment l’aide à la formation du film et l’amélioration des propriétés mécaniques et spécifiques des encres, telles que la «lavabilité» et la résistance à l’abrasion.

Les polymères à base de nitrocellulose ont été le principal acteur dans les encres à base de solvant, mais les polyacrylates sont plus familiers dans les encres à base d’eau modernes. Divers homopolymères et copolymères de polyacrylate sont largement utilisés, bien que d'autres classes telles que les polyuréthannes et les polyesters soient utiles pour conférer des propriétés spécifiques. Les propriétés de base telles que la température de transition vitreuse – à laquelle le polymère passe d'un état vitreux ou dur à un état flexible – doivent être contrôlées pour obtenir la résistance de blocage appropriée (faisant en sorte que l'encre n'adhère que sur son substrat) et la température minimale de formation de film (MFFT). ).

La réactivité des polymères avec d'autres composants de l'encre détermine les propriétés finales du revêtement d'encre. Par exemple, les interactions polymère-tensioactif nuisent aux propriétés fines telles que la viscosité et la stabilité de la dispersion, affectant l'applicabilité et la force de la couleur de l'encre.

Ingrédients d'encre

  • Pigments (organiques et inorganiques)
  • Dispersants (tensioactifs et polymères)
  • Les résines ou les polymères améliorent la liaison, la rhéologie et les propriétés mécaniques
  • Les humectants retardent le séchage prématuré
  • Agents antimousse et antimousse
  • Les agents mouillants améliorent le contact avec le substrat
  • Modificateurs de pH (généralement des dérivés d'amine)
  • Biocides et bactériostatiques

Ventes d'encres diverses aux États-Unis * (en millions de dollars)

Décalage 2200
Flexo 1100
La gravure 600
UV / EB 300
Écran 250
Typographie 100
Jet d'encre ~ 300
Total des ventes aux États-Unis: environ 4700

* Les ventes totales dans le monde sont estimées à 13 500 millions de dollars (environ 9 000 millions de dollars). La ventilation devrait suivre la même tendance que ci-dessus.

Source: David Savastano, Ink World, 2001.

Encres numériques et électroniques

La technologie d’impression sans impact (NIP) («impression sans plaque») est en train de gagner en popularité avec la prolifération des ordinateurs, des copieurs de bureau, des télécopieurs et des imprimantes laser, ainsi que des imprimantes à jet d’encre pour la maison et le bureau. Par définition, NIP accepte les entrées électroniques (numériques, par exemple) et utilise les technologies d’impression électrostatique, à jet d’encre diélectrique, de transfert thermique ou d’impression magnétique «sans impact» pour appliquer une image sur des substrats. L’impression numérique est la fusion du système de conception graphique (scanner ou ordinateur) avec l’unité d’impression.

La technologie à jet d'encre est le segment en pleine croissance du secteur des NIP (Chem. Br., Août 2000, p. 39). Ici, une impulsion électrique force l'imprimante à éjecter une goutte d'encre. L’encre utilisée à cet effet a la même composition générale que les autres encres, mais présente certaines caractéristiques spéciales: par exemple, de très petites tailles de particules sont nécessaires pour passer à travers la buse fine et une très faible viscosité est nécessaire pour un écoulement d’encre libre. Drop on Demand (DOD) et jet d'encre continu (CIJ) sont les deux principales technologies d'impression à jet d'encre. La technologie DOD piezo à jet d’encre, dans laquelle un cristal piézoélectrique pousse une goutte d’encre sous l’impulsion d’une impulsion d’énergie régulée en fréquence, domine le marché.

Les encres électroniques représentent le dernier développement dans les encres qui devrait changer le concept d'impression lui-même. Ces encres sont maintenant utilisées dans les panneaux de signalisation et l'affichage peut être modifié électroniquement, sans recourir à des écrans à cristaux liquides (LCD) ni à des diodes électroluminescentes (DEL). Les encres électroniques changent de couleur lorsqu'un champ électrique leur est appliqué. L'encre est composée de minuscules bulles d'un colorant de couleur sombre dans lesquelles sont suspendues des particules de couleur claire. Ces particules encapsulées dans du plastique sont imprimées sur un matériau conducteur. Certaines sont plus claires et d’autres plus sombres lorsque l’électricité est appliquée, créant ainsi des images. Normalement, l'encre n'est pas visible et ne révèle les images que lors de l'application d'électricité. Les microcapsules de matériaux particulaires exclusifs mélangés aux liants appropriés constituent les principaux constituants de ces encres.

Six grandes sociétés internationales d’encre et leurs ventes

  • Dainippon Ink & Chemicals, Japon, 4210 M $ (y compris Sun Chemical Corporation)
  • Flint Ink Corporation, US, 1 400 M $
  • Toyo Ink Manufacturing Company, Japon, 702,1 M $
  • SICPA, Suisse, 660 millions de dollars
  • BASF Drucksysteme, Allemagne, 535,6 M $
  • Sakata Inx Corp., Japon, 491 millions de dollars

Source: David Savastano, Ink World, novembre 2001.

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