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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Consommables > Les encres offset > Composition (2)           Révision : 28 juin 2001
Les encres offset de labeur
Dominique Gilet - CERIG
(Juin 2001)
V - La composition des encres offset
(suite)
 
V-4 Les encres UV     Précédent     Sommaire     Suite
5-4-1 Présentation

L'apport d'énergie permettant le changement d'état du film d'encre de l'état liquide à l'état solide provient des rayons ultra-violets. Les encres UV constituent probablement l’une des plus grandes avancées dans le domaine des encres d’imprimerie sur les dernières décennies. L’enjeu était de formuler des encres sans solvant pétrolier, stables sur machine, inodores et séchant rapidement. Réputées irritantes dans leurs premières formulations du fait de la présence de certains monomères mal purifiés, elles sont aujourd’hui devenues de très bonne qualité.

Ces encres possèdent l’énorme avantage de réduire l'émission de COV, voire d’éliminer ces rejets. Outre la bonne qualité des imprimés obtenus, cette technique permet aussi d’accroître la productivité, étant donné la rapidité de séchage. Enfin, ces encres ont l'avantage d'avoir 100 % d'extrait sec, c'est-à-dire que la totalité du dépôt d'encre constitue le film d'encre sec, sans aucune évaporation ou absorption de solvant. Par ailleurs, ces encres peuvent également être formulées pour de l’offset "waterless", ce qui accroît encore leur intérêt puisque les inconvénients liés à la solution de mouillage sont supprimés.

Les encres UV ne sont pas nocives, mais peuvent être irritantes et allergisantes, et nécessitent donc des précautions de manipulation (voir le chapitre 5). Ce taux d’irritation est traduit par un indice Draize (échelle de 0 à 8). Aujourd’hui, les encres UV atteignent des indices Draize inférieurs à l'unité [15]. La législation française est cependant assez floue quant à l’utilisation des produits irritants (monomères), et ce sont les fabricants d’encres eux-mêmes qui décident de l’utilisation ou non de ces produits. Il existe en effet un guide de bonnes pratiques surtout mis au point à l'origine pour l'emballage alimentaire, secteur très sensible en imprimerie. En Angleterre, la BPIF (British Printing Industries Federation) est plus "stricte" et propose une liste positive d'acrylates, basée sur des critères d'indices d'irritation.

L'utilisation de ce type d'encres est freinée par leur coût (environ 500 F ou 75 euros pour un set d’encres, soit un kg de chaque couleur en quadri) et par la nécessité d’utiliser des revêtements particuliers des rouleaux qui sinon gonfleraient sous l’action des monomères et photoamorceurs. En outre, ces encres nécessitent l’emploi de plaques spécifiques car les plaques photopolymères classiques ne résistent pas longtemps aux monomères et photoamorceurs (300 à 100000 tours) [16]. Toutefois les encres UV de type cationique se retrouvent plutôt dans le secteur des emballages à forte valeur ajoutée pour des raisons de coûts et de sensibilité à l'humidité.

L'investissement à prévoir pour un système à séchage UV (environ 200 000 Euros ou 1,3 millions de francs) s'élève à moins de la moitié à celui qu'il faut prévoir pour le système EB (1 million d'euros environ soit 6,5 millions de francs), bien que ce dernier ait considérablement diminué ces dernières années [28,32].

La composition générale d'une encre UV est la suivante [1] :
Composants Pourcentage
Pigment 15-20 %
Prépolymères 20-35 %
Monomères, oligomères 10-25 %
Photoamorceurs 5-10 %
Additifs 1-5 %
 Tableau 9 – Composition globale d’une encre UV
5-4-2 Les photo-amorceurs

Les photo-amorceurs sont des produits qui, sous l'effet des rayonnements UV, donnent des espèces réactives (radicaux libres ou cations) susceptibles d'amorcer la réaction en chaîne en impliquant les prépolymères. Aujourd’hui, 90 % des formulations sont basées sur des mécanismes radicalaires et 10 % sur des mécanismes cationiques. Dans les encres EB, les photo-amorceurs ne sont pas nécessaires. Les électrons apportent suffisamment d'énergie pour amorcer les réactions de polymérisation entre les différents prépolymères et oligomères ou monomères. Ainsi, la formule d'une encre EB est globalement la même que celle d’une encre UV, sans les photo-amorceurs.

 
 Consultez la page intitulée Les photo-amorceurs (encres UV) 
5-4-3 Les monomères

Les monomères sont parfois appelés des diluants réactifs. Ils jouent un rôle équivalent aux solvants des encres quickset : mouillage du pigment et ajustement des propriétés rhéologiques. En plus, ils participent à la réaction de polymérisation.

5-4-4 Les prépolymères

Les prépolymères sont les équivalents des résines utilisées dans les encres non-UV. Ce sont des molécules qui contiennent des insaturations et qui ne sont pas totalement polymérisées. Avec les mécanismes radicalaires, les prépolymères utilisés sont de type acrylate/méthacrylate ou des résines polyesters insaturées, tandis qu'avec les mécanismes cationiques, ce sont des résines époxides ou phénoxides et des éthers de vinyl [9].

 
 Consultez la page PDF intitulée Les prépolymères (encres UV) 

Les radicaux libres issus des photoamorceurs initient la réaction de polymérisation des prépolymères et monomères. La deuxième phase est la propagation de la réaction de polymérisation qui permet d'augmenter progressivement la taille des macromolécules et par conséquent la viscosité, ce qui solidifie petit à petit le film d'encre. Des réactions de terminaison conduisent à l'absorption des radicaux libres des polymères en cours de polymérisation. Il peut s'agir de réactions combinant deux macromolécules, une macromolécule et un photoamorceur, une macromolécule et l'oxygène de l'air pour former des peroxydes, etc. Les peroxydes sont indésirables car ils empêchent les réactions de se poursuivre et ils peuvent modifier les caractéristiques physico-chimiques du film d'encre considéré.

5-4-5 Les diluants

Les diluants jouent plusieurs rôles : ajustement des propriétés rhéologiques, solubilisation des prépolymères solides, mouillage des pigments, amélioration des propriétés finales du film sec.

Dans les encres UV et EB, les diluants sont réactifs, c’est-à-dire qu’ils participent à la réaction de polymérisation avec les prépolymères. C’est ce qui permet d’avoir une formulation avec 100 % de matière sèche.

Ce rôle est rempli principalement par des monomères contenant des fonctions acrylates. Ils peuvent être classés suivant le nombre de groupes fonctionnels. Les diluants monofonctionnels, peu visqueux, confèrent de la souplesse au film d'encre tandis que les diluants polyfonctionnels, très visqueux, apportent surtout de la réactivité au séchage.

 
 Consultez la page PDF intitulée Les diluants (encres UV et EB) 

Le nombre de ces composés effectivement utilisés dans la formulation des encres est relativement réduit car beaucoup d’entre eux sont écartés du fait de leur toxicité, leur volatilité ou leur odeur. Il faut noter qu'un groupe de travail constitué du HSE (Health and Safety Executive - Angleterre), du BG (Berufsgenossenschaften - Allemagne) et de la CNAMTS (Caisse Nationale d'Assurance Maladie des Travailleurs Salariés) étudie tous les aspects liés à une utilisation correcte de l'impression UV. Ils travaillent notamment sur la classification des composants qui ne figurent pas encore dans les directives européennes.

5-4-6 Les pigments

Le choix des pigments dans la formulation des encres UV a été difficile pendant les premières années du fait de l’absorption partielle des rayonnements UV par certains d’entre eux (par ex. le dioxyde de titane, le noir et les pigments foncés). Le résultat est un ralentissement du séchage du film et éventuellement une différence de séchage entre la surface et l’intérieur du film. En outre, certains pigments (noirs et foncés particulièrement) peuvent réagir avec les photoamorceurs, ce qui inhibe le mécanisme de séchage. Depuis, les photoamorceurs privilégiés pour les produits pigmentés comme les encres sont sélectionnés pour avoir une efficacité d’absorption supérieure aux systèmes non-pigmentés dans la région 330 à 400 nm.

Par ailleurs, la sélection des pigments doit tenir compte de leur compatibilité avec les monomères et prépolymères. Il faut en effet que les résines les mouillent correctement (ce que font difficilement les résines acrylates) d’une part, mais aussi que le système soit stable. Il peut en effet y avoir une polymérisation spontanée sans UV pendant le stockage, auquel cas il faut ajouter un stabilisant. Enfin les pigments or et argent sont très difficiles à mettre en œuvre pour des raisons de réaction spontanée provoquant une gélification ou/et de sensibilité vis-à-vis des amines [10].

On note ces dernières années une évolution dans les performances des matériels de séchage qui permettent, grâce à des réflecteurs "froids" par exemple (structure en aluminium) de sécher de mieux en mieux les couleurs sombres.

5-4-7 Les additifs et inhibiteurs

Les additifs sont ajoutés en petite quantité pour ajuster leur rhéologie, augmenter la stabilité de l'encre ou donner une caractéristique particulière (glissant, etc). Les inhibiteurs sont nécessaires pour éviter une gélification prématurée du système. Les produits utilisés les plus fréquemment sont des hydroquinones et dérivés. La plupart des cires utilisées pour les encres conventionnelles peuvent être employées dans les encres UV : polyéthylène, PTFE (polytétrafluoroéthylène). On trouve parfois du silicone pour améliorer le glissement des feuilles les unes sur les autres.

 
V-5 Les encres EB     Sommaire

Les encres EB sont très similaires aux encres UV dans leur composition. Leurs différences sont liées au type d'énergie fournie avec deux types de conséquences : l'absence de photoamorceurs et une efficacité de séchage indépendante des pigments (les pigments n'absorbent pas d'énergie comme dans le cas de l'UV).

L'absence de photoamorceurs a pour effet de ne pas communiquer d'odeur à l'encre, ce qui est parfois utile pour des applications dans le domaine de l'emballage alimentaire. Le séchage est également plus complet. D'autre part, comme le séchage est indépendant des pigments et de la couche, le séchage est plus régulier que dans le cas de l'UV, même pour les pigments métalliques, foncés, ou les couches épaisses et fortement pigmentées. La seule (et forte) contrainte est l’obligation de disposer d’une atmosphère inerte car il peut y avoir une génération de rayons X aux alentours de la machine.

Ces encres sont principalement employées dans le secteur de l'emballage (séchage immédiat, pas d'odeur, pas de photoamorceurs, etc), mais à l'heure actuelle, ces encres ne sont plus employées en France. La seule usine en France exploitant ce procédé l'a délocalisé pour des raisons stratégiques.

 
V-6 Les encres végétales (quickset, heatset, UV et EB)     Sommaire

En Europe, environ 10 % des matières premières contenues dans les encres tous types confondus proviennent de ressources renouvelables. Cela comprend les huiles végétales, les résines alkydes et dérivés de colophane (résines de pin) ainsi que des dérivés de la cellulose employés dans d'autres encres [24].

Rappelons ici que les huiles végétales furent les premières à être utilisées dans les encres d’imprimerie et ce pratiquement jusqu'à la deuxième guerre mondiale. Par la suite, le pétrole et ses dérivés étant disponibles sur les marchés, l’utilisation des distillats pétroliers s’est largement répandue en raison de son abondance et de son coût intéressant. Mais durant la crise pétrolière, des substituts ont été activement recherchés et les encres sont formulées depuis pour réduire les proportions de distillats pétroliers. D'autres motivations sont la diminution des COV, la biodégradabilité et une moindre toxicité.

En 1987, les premières versions d’encres végétales (pour journal) apparaissent. Elles sont à base d’huile de soja mais contiennent encore des résines à base de pétrole. En 1991, les premières versions de vernis pour encres offset "100 % végétale" apparaissent. Aux États-Unis, en 1997, 25 % des imprimés commerciaux sont imprimés avec de telles encres [13]. Ce taux est loin d’être atteint en Europe peut-être par le manque de fournisseurs mais aussi par le prix qui est plus élevé en raison du surcoût des matières végétales .

Il faut noter que tous les composants dans l’encre ne peuvent pas se remplacer par des composés issus de la biomasse. En effet, il est pour l'instant exclu de pouvoir remplacer les pigments organiques, les résines synthétiques et les additifs (cires). La partie remplaçable concerne la totalité ou une partie seulement des huiles minérales (hydrocarbures pétroliers à point d’ébullition élevé). Ainsi suivant le type d’encre, on peut encore trouver un pourcentage de distillats pétroliers dans leur formulation. Par ailleurs, les huiles végétales pures ayant des viscosités trop élevées, elles sont le plus souvent estérifiées pour pouvoir être utilisées dans les encres d'imprimerie. Ainsi leur viscosité plus faible permet le remplacement des distillats pétroliers de basse viscosité destinés à ajuster la viscosité de l'encre [22, 13].

5-6-1 Les encres végétales quickset

Aux États-Unis, l’huile de soja est privilégiée pour favoriser les cultures de soja. Une encre quickset peut prendre le label "contains Soyoil" lorsqu’elle contient au moins 20 % d’huile de soja [39].

 

Un inventaire et une étude d’impact menés en 1998 sur une encre typique à base d’huile de soja (dont la composition figure dans le paragraphe 6-1-4 de la page suivante), ont permis de quantifier les différents éléments qui entrent dans la composition et l’utilisation de l’encre et d'identifier et mesurer les risques environnementaux liés aux éléments observés dans l’inventaire [41]. Cette étude est un point de départ pour de futures études comparatives entre des encres à base pétrolière et des encres à base d'huiles végétales.

Cette étude a permis de mettre en avant les points suivants :
    la culture du soja ne consomme que 0,5 % de l'ensemble de l'énergie nécessaire lors du cycle de vie d'une telle encre ;
  les résines de tall-oil, du fait de leur origine, sont principalement responsables de la réduction de la couche d'ozone ;
  les rejets atmosphériques sont dus majoritairement aux combustibles fossiles, quel que soit le type d'encre.

Cette étude est la première de la sorte et il serait intéressant de la compléter par des études d'encres contenant d'autres huiles végétales et leurs dérivés, notamment les esters, et également par des études d'encres "classiques" contenant des distillats pétroliers.

D’après le questionnaire envoyé aux fabricants d’encres, environ 10 % des encres quickset vendues en France sont "végétales". Le coût moyen d’une encre quickset végétale est légèrement plus cher qu’une encre à base d’huile minérale : 160-200 F (25-30 euros) contre 150 à 180 F (23-27 euros), pour un set d’encre (1 kg de chaque couleur quadri).

5-6-2 Les encres végétales heatset

Le remplacement des diluants pétroliers par des huiles végétales est plus problématique dans le cas des encres heatset car le principe du procédé est basé sur l’évaporation rapide des solvants pour que le film d’encre puisse durcir. Or les huiles végétales ne sont pas volatiles. Elles n’ont pas de point d'ébullition car elle se dégradent avant de l'atteindre.

Comme le diluant doit s’évaporer dans les sécheurs, l’emploi de composés d’origine végétale est limité aux résines alkydes (10 à 15 %). Les solvants n'ont pas pu encore être remplacés.

Les formules "100 % végétales" pour les encres heatset n'existent qu'en laboratoire mais ne sont pas encore répandues dans les imprimeries. Elles sont composées d'esters d'huiles végétales à faible point d'ébullition ou d'acides gras sélectionnés. Dans ce cas, ce ne sont pas les viscosités ou les capacités d'évaporation qui posent problème, mais le pouvoir solvant des huiles employées qui sont faibles par rapport aux distillats pétroliers habituellement employés [22].

Il semble que ces formules ne soient pas sur le point de changer, étant donné le principe même du séchage de ce procédé. Il reste donc encore environ 30 % de solvants.

5-6-3 Les encres végétales UV et EB

Nous n'avons pas trouvé de document relatif à la substitution de certains des composants par des produits d'origines renouvelables dans ce type d'encre.

 
V-7 Les encres waterless     Sommaire

Les encres offset destinées au procédé waterless sont peu différentes des encres offset conventionnelles. Les pigments et les cires sont similaires. Pour les encres heatset, les solvants pétroliers utilisés peuvent différer quelque peu car le séchage étant plus rapide, le point d'ébullition peut être un peu plus faible.

Les différences entre les deux types d'encres sont essentiellement rhéologiques. La viscosité et la contrainte de seuil des encres waterless doivent être supérieures à celles de l'offset conventionnel pour pallier l'absence de solution de mouillage et convenir au type de plaque. D'autre part une bonne stabilité vis-à-vis de la température doit être respectée.

Les vernis de ces encres contiennent des résines dures (molécules à haut poids moléculaire), des huiles végétales telle que l'huile de lin, des distillats pétroliers et des agents gélifiants [21]. Il semblerait que l'ajout d'une certaine quantité de silicone soit indispensable pour que l'encre se répartisse correctement sur la plaque et qu'elle se détache des zones à imprimer.

La thèse de V. Lanet [13] fait mention de la composition d'une encre waterless végétale composée d'ester d'huile de colza. La faisabilité d'une telle encre est démontrée ce qui permet d'associer l'intérêt d'un procédé sans alcool isopropylique à celui d'une encre végétale.

Le coût moyen d ‘un set d’encre offset waterless quickset est environ 250 F soit 40 euros.

 
 
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