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La solution de mouillage dans le procédé offset
Bernard Pineaux - EFPG
(juillet 1998)
 
I - Le procédé offset
 
1.1. Rappels de physico-chimie [Sommaire dossier]
1.1.1. Énergie de surface [Hiemenz, 1977]

Dans la masse d'un liquide se trouvant à l'intérieur d'un récipient ouvert, chaque molécule subit des forces d'attraction de la part des molécules voisines. Ces forces agissent dans toutes les directions et équilibrent ainsi l'atome ou la molécule.

Cependant, en surface, les atomes ou les molécules ne subissent des forces d'attraction que vers les côtés et l'intérieur. Ces molécules tendent donc à rentrer à l'intérieur du liquide, même si toutes ne le peuvent pas. à l'équilibre, la surface du liquide est donc la plus réduite possible.

Considérons un film savonneux sur un dispositif filiforme en forme de boucle rectangulaire, dont l'un des côtés (de longueur l) peut coulisser, et ainsi en modifier la superficie (voir figure 1.a.). Cette dernière, pour demeurer aussi petite que possible, va exercer une traction sur le côté coulissant, jusqu'à l'équilibre. En exerçant une force F très légèrement supérieure à la force de traction exercée par le film savonneux et de direction opposée, on déplacera le côté coulissant d'une longueur dx, augmentant ainsi l'aire du film d'une valeur dA égale à l.dx (voir figure 1.a).

Schéma film savon

Figure 1.a. Boucle filiforme sur laquelle repose un film savonneux et dont l'aire peut être augmentée

Le travail dw exercé sur le système s'écrit :
dw = F dx        [1]
ou encore :
dw = g dA        [2]
g étant définie comme l'énergie de surface ou tension superficielle du film savonneux.

La notion d'énergie de surface joue un rôle fondamental dans le procédé offset : en effet, les surfaces des rouleaux encreurs et mouilleurs, de la plaque, du blanchet et du support d'impression vont être tour à tour mouillées par les liquides en présence (encres, solution de mouillage) puis, pour certaines d'entre elles, "démouillées". Les ingrédients devront donc être choisis en fonction de leurs modes d'interactions vis-à-vis des surfaces avec lesquelles ils seront en contact.

1.1.2. Tension interfaciale

La notion de tension superficielle se réfère à l'énergie de surface d'un liquide ou d'un solide en présence d'air. Cependant, cette surface peut se trouver en présence d'un (ou de plusieurs) autre(s) corps (solide ou liquide, par exemple). On parle alors de "tension interfaciale", puisque les propriétés de surface du matériau correspondent en fait à celles de son interface avec l'autre (ou les autres) corps en présence.

Si l'on place de l'eau en contact avec de l'huile, l'interface entre ces deux liquides aura tendance à se contracter, de la même manière que la surface d'un liquide en présence d'air. On notera gAB la tension interfaciale entre deux liquides A et B. Elle se définit de la même manière que la tension superficielle dans l'équation [2] [Davies & Rideal, 1963].

L'étalement d'une goutte de liquide sur une surface solide parfaitement lisse constitue un cas typique où la tension interfaciale intervient. La figure 1.b en donne une illustration :

Schéma goutte

Figure 1.b. Etalement d'une goutte de liquide sur une surface

A l'équilibre, le liquide est en présence de sa vapeur, de l'air et du solide, la surface de ce dernier étant également en présence de cette même vapeur. Les tensions interfaciales correspondant respectivement aux interfaces solide/liquide, liquide/vapeur et solide/vapeur, sont notées gSL gLV, et gSV. Nous avons vu qu'elles pouvaient être considérées comme des forces s'exerçant à la périphérie de la goutte. À l'équilibre, le bilan des forces s'exerçant à la surface s'écrit, par projection sur l'axe horizontal :

gSV = gSL + gLV cos q        [3]

C'est l'équation de Young. q est appelé angle de contact et caractérise l'aptitude de la goutte à mouiller la surface : le mouillage est bon si q est inférieur à 90 °, et serait parfait si q était nul. En revanche, le mouillage est médiocre pour un angle q supérieur à 90 °, et serait nul si q était égal à 180 °.

Un liquide mouillera facilement un solide si ce dernier possède une énergie de surface plus élevée que celle du liquide. En effet, l'adhésion du liquide à la surface du solide sera alors supérieure à la cohésion du liquide.

Il faut préciser qu'en dépit de son apparente simplicité, l'équation de Young fait intervenir deux grandeurs impossibles à mesurer indépendamment, g SLet gSV, même si des facteurs correctifs permettent de l'adapter à des situations réelles.

 
1.2. La mise en oeuvre du procédé offset [Début chapitre] [Sommaire dossier]

Le terme "offset" signifie "double report" : l'image est reportée de la forme imprimante au support d'impression en deux temps. Cette technique peut être employée dans la plupart des procédés d'impression : en lithographie, mais également en typographie ou en héliogravure. Toutefois, la grande majorité des impressions lithographiques s'effectuant par le procédé offset, ce terme a quasiment remplacé celui de lithographie [Bruno, 1986]. C'est d'ailleurs dans ce sens que nous l'emploierons dans la suite de ce document.

1.2.1. Mouillage

La pierre calcaire utilisée par Aloys Senefelder (l'inventeur de la lithographie) possédait la propriété de refuser l'encre grasse lorsqu'elle était humide, mais de l'accepter lorsqu'elle était sèche.

Le même phénomène se produit sur la forme imprimante utilisée dans les applications modernes de l'offset. Cette dernière est généralement une plaque d'aluminium anodisé et grainé (dont l'épaisseur est typiquement de 0,3 mm) recouverte d'une fine couche de matière photopolymère (quelques micromètres). Cette couche constitue la zone imprimante de la plaque et correspond au motif à reproduire. Quant à la surface en aluminium (ou, plus précisément, en alumine - Al2O3) non recouverte par la couche photopolymère, elle correspond à la zone non imprimante de cette même plaque.

L'objectif étant de reproduire l'image figurant sur la plaque, il va s'agir de ne déposer l'encre que sur la zone imprimante. Cependant, l'alumine (qui constitue la zone non imprimante) possède une énergie de surface élevée (de l'ordre de 60 à 70 mN/m), si bien que l'encre (d'énergie de surface située autour de 35 mN/m) tendra à s'y déposer (à la mouiller) facilement. Pour éviter cet état de fait, on va d'abord appliquer une solution de mouillage sur la plaque. La haute énergie de surface de l'alumine va permettre à la solution de mouillage de s'étaler facilement sur les zones non imprimantes, d'autant plus que le grainage de la plaque en augmente la superficie réelle (la plaque devenant plus rugueuse). En revanche, le mouillage de la zone imprimante (non polaire) demeurera médiocre, bien que non nul [Fetsko, 1986]. Ensuite, on étalera l'encre sur la plaque mouillée : le film de solution de mouillage, présent sur les zones non imprimantes, "repoussera" l'encre (non polaire), mais cette dernière s'étalera aisément sur les zones imprimantes, qui ont des caractéristiques physico-chimiques similaires (énergie de surface de l'ordre de 40 mN/m). Ainsi parvient-on à ne déposer l'encre qu'aux endroits de la plaque où se trouve l'image à reproduire.

1.2.2. Emulsionnement

Le principe de fonctionnement de la lithographie est donc relativement simple.

Cependant, la réalité des faits est un peu plus complexe. En effet, il n'y a pas "incompatibilité totale" entre l'encre et la solution de mouillage (l'antagonisme entre l'eau et l'encre est réel, mais la solution de mouillage contient un ou plusieurs tensioactif(s) destinés à favoriser l'émulsionnement de cette solution dans l'encre). D'ailleurs, si c'était le cas, il serait très vite impossible de transférer une image depuis la plaque jusqu'au blanchet (qui est l'élément recouvert d'élastomère, servant d'intermédiaire entre la forme imprimante et le support d'impression). En effet, le film liquide présent à la surface de la plaque viendrait rapidement recouvrir les rouleaux toucheurs encreurs (voir figure 1.d), empêchant ainsi tout transfert de l'encre vers la forme imprimante (la séparation du film s'effectuerait au niveau du plan de moindre résistance, qui est le film de solution de mouillage) [Ibid.].

Il faut par conséquent "forcer" une partie de la solution de mouillage à pénétrer à l'intérieur de l'encre pour créer une émulsion. C'est donc une émulsion (de solution de mouillage dans l'encre) qui se forme sur les zones imprimantes et qui est transférée au blanchet.

MacPhee a proposé un modèle qualitatif du procédé offset, représentant le mouillage de la plaque et l'émulsionnement de la solution de mouillage dans l'encre (voir figures 1.c et 1.d) [MacPhee, 1979].

Schéma mouillage plaque offset

Figure 1.c. Mouillage de la plaque sur une presse offset [d'après MacPhee]

 

Schéma encrage plaque offset

Figure 1.d. Encrage de la plaque sur une presse offset [d'après MacPhee]

Par ailleurs, Rosenberg [Rosenberg, 1985] a mis en évidence l'existence d'une "eau liée" à l'intérieur de l'émulsion, et d'une "eau de surface", libre, à la surface de cette même émulsion. Il a également prouvé que cette dernière était indispensable pour éviter le "bouchage" des trames (on parle de bouchage lorsque l'encre remplit les espaces, théoriquement non imprimants, situés entre les points de trame). Ce n'est donc pas la quantité de solution de mouillage apportée à la plaque qui conditionne son "nettoyage", mais plutô;t la quantité de cette solution qui s'émulsionnera dans l'encre.

On comprend par là aisément l'importance des propriétés physico-chimiques et rhéologiques des différents matériaux dans la mise en oeuvre du procédé offset. Ainsi, la tendance à l'émulsionnement d'une encre va dépendre fortement de sa viscosité et de sa tension interfaciale [Lindqvist, 1976]. Par ailleurs, le niveau d'émulsionnement de la solution de mouillage dans l'encre conditionnera les propriétés rhéologiques de l'émulsion [Rosenberg, 1985]. Comme nous le verrons plus loin, le mouillage et l'émulsionnement se produisent sur presse à bobines en quelques centièmes de seconde, voire moins [Bassemir, 1995]. La mise au point des ingrédients, de même que les réglages des groupes d'impression (qui conditionnent, entre autres, la qualité des transferts), doivent par conséquent être optimaux.

1.2.3. Séquence et contraintes mises en jeu
La mise en oeuvre de l'impression offset s'effectue suivant la séquence ci-dessous (voir figures 1.c et 1.d) :
   répartition d'un film d'encre dans le train d'encrage, jusqu'aux rouleaux toucheurs encreurs (généralement au nombre de 4, tous de diamètres différents, et en contact avec la plaque lors de la mise en pression du système d'encrage) ;
  transport du film de solution de mouillage dans le système de mouillage, jusqu'aux rouleaux toucheurs mouilleurs (généralement au nombre de deux, et en contact avec la plaque lors de la mise en pression du système de mouillage).
De manière permanente et indépendante de la mise en pression des différents éléments du groupe :
   Etape 1 : mouillage de la plaque. Un film de solution de mouillage se dépose et demeure sur les zones non imprimantes.
  Etape 2 : encrage de la plaque. Une émulsion de solution de mouillage dans l'encre se forme à la surface des zones imprimantes de la plaque.
  Etape 3 : transfert de l'émulsion de la plaque au blanchet (le revêtement élastomère de ce dernier possède une bonne affinité pour l'encre).
  Etape 4 : transfert de l'image encrée du blanchet au support d'impression (généralement une feuille ou une bande de papier).

Nous avons déjà souligné l'importance des propriétés physico-chimiques et rhéologiques mises en jeu, compte tenu des vitesses et des gradients atteints au cours d'une impression. D'autres paramètres vont également s'avérer déterminants : la température, qui va notamment influencer la viscosité de l'émulsion, le pH de la solution de mouillage, les pressions appliquées entre rouleaux et entre cylindres, la dureté des revêtements, la cohésion du papier ou de la couche qui peut en constituer la surface, etc.

 
1.3. Les consommables du procédé offset [Début chapitre] [Sommaire dossier]

Dans ce paragraphe, nous décrirons brièvement les fonctions des "consommables" du procédé offset, c'est-à-dire les ingrédients qui contribuent à sa mise en oeuvre, tout en étant consommés dans le processus (par transfert ou par dégradation). Il s'agit de l'encre, de la solution de mouillage, de la plaque, du blanchet et du papier. Nous omettrons volontairement les éléments mécaniques du groupe d'impression également susceptibles de s'user, et par conséquent d'être remplacés (rouleaux encreurs et mouilleurs, "cordons" - bagues en acier durci situées aux extrémités des cylindres dans de nombreux groupes d'impression -, roulements, etc.).

Nous réserverons un paragraphe spécifique à la solution de mouillage.
1.3.1. L'encre
Une encre doit :
   pouvoir être transférée correctement dans le système d'encrage ;
  couvrir rapidement et uniformément les zones imprimantes de la plaque ;
  être transférée (sous la forme d'une émulsion) jusqu'au support d'impression ;
  et sécher sur ce dernier.
1.3.2. La plaque
La plaque offset est la forme imprimante. Ses fonctions sont donc évidentes :
   accepter l'encre (l'émulsion de solution de mouillage dans l'encre) sur ses zones images ;
  faciliter le mouillage rapide et uniforme, en un film fin, de la solution de mouillage ;
  tolérer une large plage d'émulsionnements ;
  transférer l'image à reproduire jusqu'au blanchet, avec un minimum de distorsion.
Elle doit de plus, selon l'utilisation qui en est faite :
   présenter une sensibilité élevée à la lumière (afin de raccourcir le temps de développement) ;
  posséder une bonne définition (c'est-à-dire, autoriser la reproduction de points de très petites dimensions) ;
  résister à l'abrasion et conserver ses qualités de reproduction le plus longtemps possible.
1.3.3. Le blanchet
Le blanchet possède deux fonctions essentielles :
   transférer l'image le plus fidèlement possible (grâce à ses caractéristiques de surface) ;
  absorber (grâce à son élasticité) les chocs dus aux incidents tels que le "bourrage" (accumulation de papier entre les cylindres du groupe, allant jusqu'à déclencher son arrêt), les inégalités d'épaisseur du papier (par exemple, lors d'un raccord de bobine), les particules étrangères entraînées dans le groupe, etc.
1.3.4. Le papier
On distinguera évidemment le papier couché du papier non couché (dit offset) :
   Le papier couché s'emploie préférentiellement pour des impressions de bonne qualité. En effet, sa surface, plus lisse et moins poreuse, d'une part autorise un meilleur transfert d'encre depuis le blanchet, et d'autre part laisse pénétrer moins de pigments (d'où une couverture du film d'encre plus efficace). Par ailleurs, la couche du papier peut en améliorer la blancheur, l'opacité et le brillant ;
  Le papier offset non couché contient souvent, en plus des fibres, des charges diverses.
Les charges du papier couché sont destinées à :
   minimiser l'absorption d'eau lors des contacts répétés avec des blanchets humides. En effet, les fibres de cellulose, très hydrophiles, absorberaient facilement l'eau de la solution de mouillage, occasionnant des distorsions de l'image inacceptables, une fragilisation de la surface, et du tuilage (déformation curviligne du papier, parce qu'une face absorbe davantage de liquide que l'autre) ;
  augmenter la blancheur et l'opacité du papier (dioxyde de titane, etc.).
 
 
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