PRACE
Instytutu Szk³a, Ceramiki Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych
Scientific Works of Institute of Glass, Ceramics Refractory and Construction Materials
Nr 3
ISSN 1899-3230
Rok II Warszawa–Opole 2009
Podwy¿szenie efektywnoœci procesu wytwarzania kalki ceramicznej
przez wprowadzenie mediów fotoutwardzalnych
W artykule omówiono badania realizowane w celu podwy¿szenia efektyw- noœci procesu wytwarzania kalki ceramicznej za pomoc¹ wprowadzenia me- dium reaguj¹cego na promieniowanie UV. Szczególn¹ uwagê poœwiêcono zagadnieniom wytwarzania past oraz laków b³onotwórczych na bazie mie- szanin zawieraj¹cych dodatek mediów fotoutwardzalnych. Opisano prob- lemy wystêpuj¹ce w czasie utwardzania pow³ok farbowych i lakowych me- tod¹ fotopolimeryzacji oraz scharakteryzowano otrzymane kalki i gotowe dekoracje po procesie wypalania.
1. Wprowadzenie
Kalkomania jest znan¹ od wielu lat metod¹ zdobienia naczyñ ceramicznych i wyrobów szklanych, stosowan¹ szczególnie w wyrobach o skomplikowanych kszta³tach.
Proces druku kalki ceramicznej sk³ada siê z wielu operacji. Na wstêpie proszek farbowy nale¿y przez wymieszanie z zaprawiaczem doprowadziæ do konsysten- cji pasty. Zaprawiaczem jest w tym przypadku roztwór polimeru w rozpuszcza- lniku organicznym. Tak przygotowan¹ pastê farbow¹ nanosi siê na sito ze wzo- rem i przy pomocy rakla przeciska siê na papier odbijankowy. Przed na³o¿eniem kolejnego koloru nale¿y kalkê podsuszyæ na tyle, ¿eby nie nastêpowa³o rozmazywanie rysunku. Po naniesieniu wszystkich przewidzianych wzorem kolorów nastêpuje powolny proces suszenia, polegaj¹cy na odparowaniu rozpuszczalnika. Urz¹dzenia klimatyzacyjne w pomieszczeniach produkcyjnych zapewniaj¹ powtarzalne warunki procesu suszenia i sta³¹ temperaturê, która ma zabezpieczaæ wydruk przed skurczem papieru.
Suche wydruki pokrywa siê nastêpnie lakiem b³onotwórczym, bêd¹cym równie¿
roztworem polimeru w rozpuszczalniku organicznym. Na³o¿ony lak ³¹czy siê
! "#$%& '#()*)+) ,-./0& 12!03"."& 40)2!"0/56 78#"9)!60/*:; " <+=96>0#*:; 6 ?0!(-06"2%
z warstw¹ farby i po odparowaniu rozpuszczalnika tworzy przezroczyst¹, elas- tyczn¹ pow³okê. Pow³oka ta po wysuszeniu nie mo¿e siê kleiæ i winna byæ od- porna na zarysowania. W procesie nanoszenia kalki na wyroby ceramiczne nastêpuje oddzielenie w wodzie warstwy b³onotwórczej laku z naniesionym wzorem od papieru.
Wad¹ ca³ego procesu jest d³ugi czas schniêcia druku. St¹d na pocz¹tku lat dzie- wiêædziesi¹tych XX w. producenci kalki w firmach zachodnich zaczêli intereso- waæ siê technologiami pozwalaj¹cymi na przyspieszenie procesu druku, a co za tym idzie zwiêkszeniem jego wydajnoœci. Wykorzystano do tego celu promie- niowanie UV i metodê fotopolimeryzacji [1]. Technologia UV wymaga stoso- wania odpowiednich zaprawiaczy utwardzanych pod wp³ywem œwiat³a UV.
W zale¿noœci od sk³adu chemicznego tych zaprawiaczy proces utwardzania mo¿e przebiegaæ wolnorodnikowo lub kationowo. W przypadku czêœciej stoso- wanego mechanizmu rodnikowego emitowane promieniowanie wzbudza fotoini- cjatory, powoduj¹c ich rozpad na rodniki, które inicjuj¹ reakcjê fotopolimery- zacji, w efekcie czego nastêpuje utwardzanie farb lub lakierów. Promieniowaniu œwietlnemu lampy towarzyszy czêsto równie¿ ciep³o. Zakres promieniowania UV musi byæ tak dobrany, aby wysoka temperatura nie powodowa³a skurczu papieru odbijankowego, a wyemitowane promieniowanie przenika³o przez war- stwê farby, ca³kowicie j¹ utwardzaj¹c.
Farby utwardzane promieniowaniem UV to najnowsze rozwi¹zanie techniczne pozwalaj¹ce na uzyskanie wielokolorowego druku w bardzo krótkim czasie.
Stanowi¹ one mieszaniny ciek³ych monomerów lub ¿ywic fotopolimeryzuj¹cych o zmiennych lepkoœciach, fotoinicjatorów, pigmentów i fryt. Wa¿n¹ cech¹ tych farb jest brak rozpuszczalników w ich sk³adzie. Dotychczasowy, tradycyjny za- prawiacz jest zast¹piony medium UV. Czas utwardzania farby UV zale¿y od jej rodzaju, gruboœci na³o¿onej warstwy, mocy lampy, zakresu emitowanego pro- mieniowania i odleg³oœci lampy od powierzchni naœwietlanej.
Stwierdzono, ¿e korzyœci, jakie osi¹ga siê z zastosowania technologii UV to przede wszystkim: natychmiastowy proces utwardzania i mo¿liwoœæ kolejnego nadruku, mo¿liwoœæ bezpoœredniego sk³adowania arkuszy bez stosowania przek³adek i brak emisji rozpuszczalników.
Na rynku oferowane s¹ media UV firmy Ferro, które przeznaczone s¹ do zapra- wiania farb fotoutwardzalnych [2]. Mimo ich dostêpnoœci nie znajduj¹ jednak odbiorców wœród producentów kalki ceramicznej. Produkty tej firmy s¹ bo- wiem drogie, dlatego stosowanie ich w czystej postaci handlowej nie jest korzy- stne. Znaczne obni¿enie kosztów mo¿na by³oby uzyskaæ, gdyby zastosowaæ wy¿ej wymienione media jako dodatki do tañszego i stosowanego ju¿ wczeœniej zaprawiacza organicznego 63/23, dlatego m.in. media te sta³y siê przedmiotem badañ [3].
Ze wzglêdu na to, ¿e kolejnym etapem procesu wytwarzania kalki ceramicznej jest d³ugotrwa³y proces suszenia laku b³onotwórczego na³o¿onego na pow³okê farbow¹, mo¿na by³oby równie¿ spróbowaæ wykorzystaæ media UV firmy Fer- ro jako dodatki do tradycyjnie stosowanych laków b³onotwórczych [4]. Zagad- nienie to jest tym ciekawsze, ¿e na rynku nie istniej¹ dostêpne handlowo fotou- twardzalne laki b³onotwórcze, które mo¿na by stosowaæ same lub jako dodatki do tradycyjnych laków.
2. Media UV jako sk³adniki mieszanin zaprawiaj¹cych – badania sk³adu fotoutwardzalnych past
Stosowanym powszechnie zaprawiaczem do wytwarzania kalek ceramicznych jest zaprawiacz organiczny 63/23 angielskiej firmy Johnson Matthey, bêd¹cy roztworem polimeru w mieszaninie rozpuszczalników organicznych. Wytwo- rzenie kalki w oparciu o ten zaprawiacz wymaga d³ugiego czasu oczekiwania na wyschniêcie ka¿dej wydrukowanej warstwy.
W celu skrócenia czasu utrwalania pow³ok farbowych zastosowano dodatki me- diów fotoutwardzalnych, zdolnych do wytworzenia trwa³ej pow³oki ju¿ po kilku sekundach naœwietlania œwiat³em UV. Spoœród szerokiego asortymentu produk- tów do badañ wytypowano cztery media firmy Ferro, ró¿ni¹ce siê reaktywno- œci¹ i konsystencj¹. Symbole i charakterystykê wybranych zaprawiaczy przed- stawiono w tabeli 1.
Jak podaje producent, wszystkie wybrane media mog¹ byæ zastosowane do za- prawienia farb u¿ywanych do dekorowania ceramiki. Zawieraj¹ one w swoim sk³adzie wy³¹cznie substancje nielotne, stanowi¹ce polimeryzuj¹ce zwi¹zki akrylanowe.
! " # $ ! % !"#"$%&#'(%'$" )'*#"+',! -&./0) 12%23%)"#.4"5+',! 1/#-' 6&##2
&!'(!
)*+,-./-
0#).+12 345678 9%: ;<!= >? %@=
4: ;<!= 4?? %@=A B+C=D=/#CEF! G#!./D(C+12 <$!=/DE'C+12 H!=/+=+(!CI#
J?5?%K %: 54?
4: 54? )LDCC! (D=+.! CI=.! )LDCC# ;#,I-; ,+
)L!='E'D'C I $ICIIM ,+"*'# +,,!FNE# ,#/!$#
J?5?%J %: OK?
4: PKQ (D=+E#
/I.=+/*+)+(! (D=+.! CI=.! E'/#*+.+$+*+(D ,*-.
*!=/*+(D
J?5?44 R )LDCC! 1*#,CI! 1*#,CI! )LDCC# ;#,I-; ,+
)L!='E'D'C I $ICIIM ,+"*'# +,,!FNE# ,#/!$#
J?5?45 R (D=+E#
/I.=+/*+)+(! 1*#,CI! 1*#,CI! E'/#*+.+$+*+(D ,*-.
*!=/*+(D
Przy ustalaniu sk³adu fotoutwardzalnych mieszanin zaprawiaj¹cych nale¿y kie- rowaæ siê zawartoœci¹ procentow¹ medium UV, która powinna byæ na tyle du¿a, aby w krótkim czasie nastêpowa³o utwardzenie wydruku i jednoczeœnie na tyle ma³a, aby cena otrzymanego produktu by³a konkurencyjna. Ustalenie nowego sk³adu mieszanin zaprawiaj¹cych wp³ywa równie¿ na koniecznoœæ dobra- nia odpowiedniego stosunku zaprawienia (iloœæ farby: iloœci mieszaniny zapra- wiaj¹cej) pasty, gwarantuj¹cego jej dobr¹ mo¿liwoœæ druku.
Do badañ okreœlaj¹cych sk³ad nowych mieszanin zaprawiaj¹cych zastosowano mieszanki o ró¿nych zawartoœciach zaprawiacza 63/23 i mediów UV. Do ustale- nia stosunku zaprawienia nowych past wytypowano farbê 1X-J1. Nadruki wy- konywano na sitach 100T na papierze odbijankowym. Oceny mo¿liwoœci druku otrzymanych past dokonywano wizualnie, przez sprawdzanie jakoœci jednolitej po- wierzchni barwnej. Dane liczbowe stosunków zaprawienia przedstawia tabela 2.
! " # $ ! % !"#$ %#&' ( )$(*#"+, ,+$*-. /0'0)'.#1$(#23456
&'(")$ *!+,'
&-.!/ (0#+1!202' 1!*3!40!567#5 8!*3!40#20# 90$):;
71<:70 (0#+1!202' 1!=
*3!40!567#5 2! >? 71<:70
@!3"' >A=B>C 1!4!3,):; (#/0D( EF
GHI 1!4!3,):; 1!*3!40!71!
JKL%K GHI
M?K?%%=JKL%K N > ??? O PQRS
M?K?%%=JKL%K T S? K? PQUJ
M?K?%%=JKL%K V P? P? JQR>
M?K?%K=JKL%K N >?? O MQ?S
M?K?%K=JKL%K T S? K? SQJJ
M?K?%K=JKL%K V P? P? JQSU
M?K?>S=JKL%K N >?? O JQ?K
M?K?>S=JKL%K T S? K? JQ>M
M?K?>S=JKL%K V P? P? JQKU
M?K?>S=JKL%K W K? S? JQR%P
M?K?>M=JKL%K N >?? O UQJ%
M?K?>M=JKL%K T S? K? MQSJ
M?K?>M=JKL%K V P? P? MQ%>
M?K?>M=JKL%K W K? S? JQSM
Z danych zawartych w tabeli 2 wynika, ¿e ze wzrostem iloœci p³ynnych mediów UV: 803017 i 803022 w mieszaninie zaprawiaj¹cej, zaprawienie farby ulega zmniejszeniu. W przypadku dodatku mediów tiksotropowych 803018 i 803023, wzrost ich iloœci w mieszaninie zaprawiaj¹cej powoduje koniecznoœæ zwiêksze- nia zaprawienia w celu uzyskania dobrej mo¿liwoœci druku pasty.
2.1. Badania czasu utwardzania past skomponowanych z udzia³em mediów UV
Wydrukowane na papierze kalkowym wzory z nowo opracowanych past sito- drukowych poddano badaniom czasu naœwietlania potrzebnego do uzyskania trwa³ych pow³ok. Do naœwietlania u¿yto lampy UV firmy Lasertex, emituj¹cej promieniowanie o du¿ej mocy, z zakresu UV-A (320–450 nm), umieszczonej od wydruku w odleg³oœci 2 cm. Pe³n¹ charakterystykê lampy przedstawia tabela 3.
! " # $ ! % !"#"$%&#'(%'$" )"*+' ,- ./#*' 0"(&#%&1
&!'!(#)'* )#+,-.+/-# $!(0* 12 3.'(* 4!5#')#6
*0 127 "#/ 8*9/.#$!-.! :/:-;
<:9/!= (#)!$:>,!$:?#-@:8!
A:+ BCD E
&!5(: 0':(.#-.:8!-.! %FDGBHD -(
I!)JK#-.# 0':(.#-.:8!-.! L%D (EM+(
N#+,* +/!5 -!O8.#)$!-.!P HGQD 57 +: H 57
9#)#@+=! ;5/@:9/#R $!(0*
Wyniki badañ czasu utwardzania przedstawiono w tabeli 4.
! " # $ ! B 23&4" +56/I!4/ 6 7")&84593/ 5: 37"(; 4"96/&%)"4/" +"(% 4" <"7/&
*/&(7"4/4 7"+#"6/"=>3'3! 7"6/&#"=>3'3! 6 (6'* ($?":7/& *&:/" ,-
S*(":$ 0!5)* N/!5 -!O8.#)$!-.! T5U
LD FD %D BD HD CD VD
VD%DFF>C%MF% W n n n n n n n
VD%DFF>C%MF% X Y Z n n n n n
VD%DFF>C%MF% N Y Y Z n n n n
VD%DF%>C%MF% W n n n n n n n
VD%DF%>C%MF% X Y Z n n n n n
VD%DF%>C%MF% N Y Y Z n n n n
VD%DL[>C%MF% W n n n n n n n
VD%DL[>C%MF% X Z n n n n n n
VD%DL[>C%MF% N Y Z n n n n n
VD%DL[>C%MF% \ Y Z Z n n n n
VD%DLV>C%MF% W n n n n n n n
VD%DLV>C%MF% X Z n n n n n n
VD%DLV>C%MF% N Y Z n n n n n
VD%DLV>C%MF% \ Y Z Z n n n n
! "#$%&'()*+,"(- .$/0( '()1&'(-
2 ! 13(4, %&'()*+,"( '()1&'(- *(567( 1#8 3(&', +()91,'(: ;$&(.,'9; ,1&)+$;- ! *,4)+$ %&'()*+,"(- 1%7<( '()1&'(=
Trwa³oœæ wydrukowanych wzorów roœnie wraz ze wzrostem czasu naœwietla- nia, czyli z postêpem procesu fotopolimeryzacji. Ze wzrostem iloœci medium UV w mieszaninach zaprawiaj¹cych czas utwardzania maleje. Czas utwardza- nia past na bazie mieszanin zaprawiaj¹cych zawieraj¹cych w swym sk³adzie wysokoreaktywne media UV jest krótszy, ni¿ w przypadku past na bazie mie- szanin zawieraj¹cych media UV œrednioreaktywne. Nie zauwa¿ono ró¿nic miêdzy czasem utwardzania past skomponowanych z udzia³em dwóch ró¿nych mediów UV œrednioreaktywnych lub dwóch ró¿nych mediów UV wysokoreak- tywnych.
Wyniki przedstawione w tabeli 4 wskazuj¹, ¿e mo¿liwe jest uzyskanie utwar- dzenia ju¿ przy czasie naœwietlania od 20 do 40 s przy stosowaniu mieszanin z udzia³em œrednioreaktywnych mediów UV i od 30 do 40 s przy stosowaniu mieszanin z udzia³em wysokoreaktywnych mediów UV, przy odleg³oœci Ÿród³a œwiat³a od wydruku równej 2 cm. Dalsze naœwietlanie mia³o na celu ustalenie wp³ywu czasu naœwietlania na elastycznoœæ otrzymanych pow³ok. Wraz ze wzrostem czasu naœwietlania elastycznoœæ pow³ok farbowych mala³a. Nie za- uwa¿ono jednak¿e, aby pow³oki utwardzane przez 80 s by³y ³amliwe. Fakt ten mo¿e ogrywaæ bardzo wa¿n¹ rolê zarówno w przypadku klasycznej techniki si- todruku (farby nak³adane obok siebie), jak i techniki druku czterokolorowego (farby nak³adane jedna na drug¹).
2.2. Ustalenie sk³adu i czasu utwardzania past na bazie mieszaniny zaprawiaj¹cej:
medium 803017 (50%) – zaprawiacz 63/23 (50%) oraz farb naszkliwnych w ró¿nych kolorach
Przedstawione uprzednio wyniki badañ sugeruj¹, i¿ optymalne w³aœciwoœci po- siada mieszanka zaprawiaj¹ca o sk³adzie 50/50 medium UV 803017 do zapra- wiacza 63/23. Dlatego na kolejnym etapie pracy postanowiono przeprowadziæ analogiczne badania wielkoœci zaprawienia i czasu naœwietlania dla past zawie- raj¹cych farby w innych kolorach.
Do badañ zastosowano farby naszkliwne w trzech kolorach podstawowych (¿ó³ty, czerwony, niebieski) oraz w kolorze czarnym, produkowane w Zak³a- dzie Œrodków Zdobniczych i stosowane w zak³adach porcelany oraz u produ- centów kalki ceramicznej. Pe³n¹ charakterystykê u¿ytych farb przedstawiono w tabeli 5.
! " # $ ! % !"#"$%&#'(%'$" )'%'*+)",'-! ."#/ ,"(0$12),'-!
&'(")$ *!+"' ,!-! ./+)01)0! 213!+!45#+'.5'4! *!+"'6
789(#:5;7+)</1#:5 5)7:84;7+)</1#:5 -!0!+5)=> ?"@
0 *!+"8# ABC
DEFGD HIJKKJ;?#+(#<8! IE;L&HM@8, DNOJ
DEFPN QKQR;,!.*
& FD;?#+(#<8! IE;L&HM@8, DNOJ
DSFTD;M ?FDKU ,;L&HM@8, IS;L&HM@8, NVOQ
D,FH-D DVWKW;L&HM@8, ,;L&HM@8, VKOV
Wyniki badañ stosunku zaprawienia od rodzaju zastosowanej farby przedstawia rycina 1. Ró¿nice w stosunku zaprawienia dla poszczególnych farb wynikaj¹ przede wszystkim z ich sk³adu chemicznego. Farby ¿ó³ta i czerwona o niskiej zawartoœci o³owiu wymagaj¹ wiêkszej iloœci zaprawiacza, natomiast farby nie- bieska i czarna o zdecydowanie wiêkszej zawartoœci o³owiu tworz¹ pasty z mniejsz¹ iloœci¹ zaprawiacza.
Wyniki badañ czasu utwardzania zobrazowano na rycinie 2. Zaobserwowaæ mo-
¿na wyraŸn¹ zale¿noœæ czasu naœwietlania od wielkoœci zaprawienia past. Dla pa- sty ¿ó³tej i czerwonej, które zawieraj¹ wiêksze iloœci zaprawiacza, czas naœwie-
P'1X NX Y!$#Z:)=> 1-!./ :!=08#5$!:8! 7)5+-#":#9)
<) /50!+<-#:8! 7)0[)4 )< +)<-!\/ *!+"' P'1X DX Y!$#Z:)=> .5)./:4/ -!7+!08#:8! )< +)<-!\/ *!+"'
tlania potrzebny do uzyskania trwa³ej pow³oki jest d³u¿szy, ni¿ w przypadku pas- ty niebieskiej i czarnej o mniejszych zawartoœciach zaprawiacza.
2.3. Wp³yw odleg³oœci naœwietlania na szybkoœæ utwardzania
W praktyce przemys³owej lampy generuj¹ce œwiat³o UV znajduj¹ siê zazwyczaj na wiêkszych odleg³oœciach od wydrukowanych pow³ok ni¿ 2 cm. Poniewa¿
wraz ze zwiêkszeniem odleg³oœci Ÿród³a œwiat³a od przedmiotu naœwietlanego, maleje intensywnoœæ œwiat³a, postanowiono wyznaczyæ wp³yw odleg³oœci na- œwietlania na szybkoœæ utwardzania past opisanych w rozdziale 2.2. Naœwietla- nie z wiêkszej odleg³oœci pozwala te¿ na ograniczenie wp³ywu emisji wydziela- nego przez lampê ciep³a, a zatem szybkoœci parowania rozpuszczalników zawar- tych w zaprawiaczu 63/23 na uzyskane wyniki. W tym celu otrzymane wydruki poddawano naœwietlaniu lamp¹ UV z odleg³oœci 10 cm. Wyniki badañ przedsta- wia rycina 3.
Zwiêkszenie odleg³oœci naœwietlania powoduje wyd³u¿enie czasu utwardzania pow³ok. W przypadku farby 1X-J1 jakoœæ powierzchni naœwietlanych w czasie 80 s z odleg³oœci 10 cm jest porównywalna pod wzglêdem elastycznoœci do ja- koœci powierzchni uzyskiwanych przez naœwietlanie w czasie 30 s z odleg³oœci 2 cm.
Nieco inaczej przedstawiaj¹ siê dane odnoœnie do innych farb. Zaobserwowane ró¿nice œwiadcz¹ o tym, ¿e nale¿y dobraæ warunki utwardzania (odleg³oœæ na- œwietlania i czas naœwietlania) indywidualnie dla ka¿dej farby. Pozwoli to wy- braæ optymalne warunki dla klasycznej techniki sitodruku (farby nak³adane obok siebie) i techniki druku czterokolorowego (farby nak³adane jedna na drug¹).
2.4. Ocena wspó³dzia³ania laku b³onotwórczego z fotoutwardzalnymi pastami
Kolejnym etapem wytwarzania kalki ceramicznej jest pokrycie utwardzonych wydruków pow³ok¹ laku b³onotwórczego. Do badañ u¿yto dwa laki b³onotwór- cze: L406 firmy Hereus, stosowany powszechnie u wytwórców kalki ceramicz- nej oraz Lak F firmy ICSO Chemical Production – Kêdzierzyn-KoŸle.
!"# $# %&'!( )*+,-')."/ 01.(/,2+10/1 01 "314 52(16*310/1 &)(')7/
Zaobserwowano, ¿e w przypadku stosowania mieszanin zaprawiaj¹cych z³o¿o- nych z mediów UV oraz zaprawiacza 63/23, na³o¿one warstwy laku wysycha³y na wydrukach, a utworzone kalki by³y g³adkie i nie posiada³y pêkniêæ. W przy- padku, kiedy lakiem pokrywane by³y wydruki z past, w których zaprawiaczami by³y wy³¹cznie media UV, ju¿ po ok. 1 min od na³o¿enia laku powierzchnia pow³ok ulega³a pomarszczeniu. Wynik ten by³ taki sam dla obu rozpatrywanych laków. Stosowanie mediów UV w mieszaninach z zaprawiaczem 63/23 jest za- tem korzystnym rozwi¹zaniem z technologicznego punktu widzenia, gdy¿ nowo utworzona mieszanina zaprawiaj¹ca jest kompatybilna z powszechnie stosowa- nymi lakami b³onotwórczymi.
2.5. Wp³yw procesu wypalania na jakoœæ powierzchni farbowych
Po wysuszeniu pow³ok lakowych i przeniesieniu utwardzonych kalek na pod³o¿e ceramiczne, poddano je wypalaniu w piecu komorowym firmy Nabert- herm w warunkach temperaturowych przedstawionych na rycinie 4.
Wypalone próby poddano ocenie wizualnej pod wzglêdem jakoœci powierzchni.
Wszystkie otrzymane dekoracje z wyj¹tkiem farby 1N-K1/M charakteryzowa³y siê dobr¹ jakoœci¹, posiada³y po³ysk, pod³o¿e by³o równomiernie pokryte, a kontury rysunku ostre.
Przedstawione powy¿ej wyniki badañ œwiadcz¹ o tym, i¿ znaleziono rozwi¹za- nie pozwalaj¹ce na otrzymanie szybkoutwardzalnych w œwietle UV past wspó³dzia³aj¹cych z lakiem b³onotwórczym. Pomimo uzyskania krótkiego czasu utrwalania pow³oki farbowej, wci¹¿ d³ugim czasem schniêcia charakteryzuj¹ siê jednak powszechnie stosowane laki b³onotwórcze, co znacznie wyd³u¿a ca³ko- wity czas powstawania kalki. Dlatego w³aœnie na kolejnym etapie pracy posta- nowiono zastosowaæ media fotoutwardzalne jako dodatki do laków b³onotwór- czych i utwardzaæ powsta³e pow³oki przy u¿yciu lampy UV.
!"# $# %&'!() (!*)+),-) *.(/.0 1)&2.(!"3
3. Media UV jako sk³adniki mieszanek z lakami b³onotwórczymi – badania czasu utwardzania
W celu uzyskania fotoutwardzalnych mieszanek lakowych sporz¹dzono mie- szanki o ró¿nych zawartoœciach laków b³onotwórczych i mediów UV, które na³o¿ono za pomoc¹ rakla na papier kalkowy i poddano naœwietlaniu. W czasie naœwietlania odleg³oœæ lampy od naœwietlanych powierzchni wynosi³a 2 cm.
Otrzymane wyniki przedstawiaj¹ tabele 6 i 7.
! " # $ ! % !"#$ %&'(")*!+#( ' *$,"-#&.!( &/ !*$01 #$.'("2,$#($ %&'3&4 ,$4&'5!+
* /&/$24("6 .)"/#(&)"$425'#5!+ 6"/(7' ')$-,('5!+ #$ .'($23& 89
&'(!) *+#,-!.+./ $!'01#2 - 3)-+!(#*
45#).+05#!'6/1./78 *#)+91 :; <-!, .!41+#6$!.+! =,>
?@A@BB =C> DE@% =C> F@ B@ A@ E@ G@ %@ H@ ?@
A@ H@ I I I J J n n n
G@ G@ I I J J n n n n
H@ A@ I I J J n n n n
?@A@BB =C> D!' K =C>
A@ H@ I I I J J J n n
G@ G@ I I I J J n n n
H@ A@ I I J J n n n n
?@A@BA =C> DE@% =C>
A@ H@ I I I J J n n n
G@ G@ I I J J n n n n
H@ A@ I I J J n n n n
?@A@BA =C> D!' K =C>
A@ H@ I I I J J J n n
G@ G@ I I I J J n n n
H@ A@ I I J J n n n n
! "#$%&'()*+,"(- .$/0( '()1&'(-
2 ! 13(4, %&'()*+,"( '()1&'(- *(567( 1#8 3(&', +()91,'(: ;$&(.,'9; ,1&)+$;- ! *,4)+$ %&'()*+,"(- 1%7<( '()1&'(=
! " # $ ! H !"#$ %&'(")*!+#( ' *$,"-#&.!( &/ !*$01 #$.'("2,$#($ %&'3&4 ,$4&'5!+
* /&/$24("6 '50&4&)"$425'#5!+ 6"/(7' ')$-,('5!+ #$ .'($23& 89
&'(!) *+#,-!.+./ $!'01#2 - 3)-+!(#*
1/,0'05#!'6/1./78 *#)+91 :; <-!, .!41+#6$!.+! =,>
?@A@FH =C> DE@% =C> F@ B@ A@ E@ G@ %@ H@ ?@
A@ H@ I J J J n n n n
G@ G@ I J J n n n n n
H@ A@ I J J n n n n n
?@A@FH =C> D!' K =C>
A@ H@ I J J J J n n n
! ! " # # # n n n n
$! %! " # # # n n n n
&!%!'& ()* +,!- ()*
%! $! " " # # n n n n
! ! " # # n n n n n
$! %! # # # n n n n n
&!%!'& ()* +./ 0 ()*
%! $! " " # # # n n n
! ! " " # # n n n n
$! %! " # # # n n n n
! "#$%&'()*+,"(- .$/0( '()1&'(-
2 ! 13(4, %&'()*+,"( '()1&'(- *(567( 1#8 3(&', +()91,'(: ;$&(.,'9; ,1&)+$;- ! *,4)+$ %&'()*+,"(- 1%7<( '()1&'(=
Trwa³oœæ naniesionych na papier kalkowy pow³ok lakowych roœnie wraz ze wzrostem czasu naœwietlania, czyli wraz z postêpem procesu fotopolimeryzacji.
Nie zauwa¿ono ró¿nic pomiêdzy czasem utwardzania pow³ok skomponowanych na bazie ró¿nych œrednioreaktywnych mediów UV (803022 i 803023) i takiego samego laku b³onotwórczego (L406 lub Lak F). W przypadku wysokoreaktyw- nych mediów UV, dla tego samego laku obecnego w mieszance, proces utwar- dzania zaczyna siê nieco wolniej dla medium tiksotropowego 803018, jednak ca³kowite utwardzenie powierzchni równie¿ nastêpuje po tym samym czasie, co dla medium 803017. Istotn¹ ró¿nic¹ pomiêdzy mieszankami na bazie wysokoreak- tywnych mediów UV a mieszankami na bazie œrednioreaktywnych mediów UV jest obecnoœæ pêcherzyków powietrza w pow³okach dla mieszanek lakowych za- wieraj¹cych media tiksotropowe. Nawet d³u¿sze (30 min) sezonowanie zarówno mieszanek lakowych zawieraj¹cych tiksotropowe media UV, jak równie¿ nanie- sionych ju¿ na papier kalkowy pow³ok lakowych nie pozwala pozbyæ siê utwo- rzonych pêcherzyków powietrza. Wyklucza to mo¿liwoœæ u¿ycia mediów tiksotro- powych jako dodatków do mieszanek lakowych, z których pow³oki powinny cha- rakteryzowaæ siê jednolit¹ powierzchni¹ pokrywaj¹c¹ ca³¹ dekoracjê barwn¹.
Ró¿nica pomiêdzy czasem utwardzania pow³ok na bazie wysokoreaktywnych me- diów UV a pow³ok na bazie œrednioreaktywnych mediów UV, dla takich samych zawartoœci i takich samych laków b³onotwórczych, wynosi ok. 10 s na korzyœæ mediów wysokoreaktywnych. Uzasadniony jest zatem wybór do dalszych badañ mieszanek lakowych zawieraj¹cych wysokoreaktywne medium UV 803017. Ze wzrostem iloœci medium UV w mieszaninach lakowych czas utwardzania maleje.
Czas utwardzania pow³ok na bazie laku L406 jest ok. 10 s krótszy w stosunku do czasu utwardzania pow³ok na bazie Laku F, przy takich samych zawartoœciach takich samych mediów UV. Jest to najprawdopodobniej spowodowane ró¿nicami w zawartoœci polimeru rozpuszczonego w rozpuszczalnikach organicznych, a za- tem ró¿nicami w szybkoœci odparowywania tych rozpuszczalników z pow³ok.
123 4.53 $
3.1. Ocena wspó³dzia³ania fotoutwardzalnych mieszanek lakowych z pow³okami farbowymi
Otrzymane fotoutwardzalne mieszanki lakowe na³o¿ono za pomoc¹ rakla w po- staci pow³ok na suche pow³oki farbowe, wczeœniej uzyskane z wy¿ej opisanych past fotoutwardzalnych, a tak¿e na pow³oki farbowe z past schn¹cych na powie- trzu, czyli bez dodatku mediów UV.
Po utwardzeniu œwiat³em UV na³o¿onych pow³ok lakowych, zarówno w przy- padku pow³ok farbowych fotoutwardzalnych, jak równie¿ pow³ok farbowych schn¹cych na powietrzu, wszystkie otrzymane kalki charakteryzowa³y siê dobr¹ jakoœci¹, by³y równomiernie pokryte lakiem, a kontury rysunku pozostawa³y ostre, co œwiadczy o wzajemnej kompatybilnoœci fotoutwardzalnych mieszanek lakowych z pastami fotoutwardzalnymi oraz schn¹cymi na powietrzu.
3.2. Wp³yw procesu wypalania na jakoœæ powierzchni farbowych
Otrzymane kalki przeniesiono na pod³o¿e ceramiczne i wypalono w piecu ko- morowym w warunkach opisanych w rozdziale 2.5. Wypalone próby poddano ocenie wizualnej dotycz¹cej jakoœci powierzchni. Wszystkie otrzymane dekora- cje posiada³y na wypalonej powierzchni pêkniêcia i dziury, a pow³oki farbowe by³y w tych miejscach skurczone, niezale¿nie od rodzaju farby, sk³adu zapra- wiacza, czasu naœwietlania oraz sk³adu mieszanki lakowej (ryc. 5).
!"# $# %!&'()*+ *' &),-)./ "+0'12"3*!1 ,+4)0'"5+ &)678'-+ &03+3 *'*)73+*2+
9)8)/86'0,3'(*!": 12+73'*+4 ('4)6!": *' &)6-)42 9'0;)6+<
'= > *' ;'32+ 9)8)/86'0,3'(*!": &'78? ;= > *' ;'32+ &'78 7/73)*!": *' &)62+803/
a)
b)
!"#$ %&'()#*!&
+#!,-'.
*#0-&'12/)#(
+#*&#
%&'2 ()#*!&
+#!,-'.
3(4 5 678759 : ;<7= >87 : 97? @7 A 678759 : ;<7= >@7 : @7? <7 8 678759 : ;<7= >97 : 87? <7 !"#$ %&'()#*!& +#!,-'. /)#( *#0-&'1+#*&#
%&'()#*!& +#!,-'. 3(4
5 ;<7= B
A 678759 : ;<7= >@7 : @7? <7
8 678759 : ;<7= >87 : 97? @7
< 678759 : ;#!C >@7 : @7? @7
@ 678759 : ;#!C >87 : 97? =7
To niepowodzenie na ostatnim etapie procesu wytwarzania kalki mo¿e byæ spo- wodowane wspó³oddzia³ywaniem dwóch pow³ok polimerowych, znajduj¹cych siê jedna na drugiej, oraz ich nierównoczesnym spalaniem siê, co powoduje wy- rywanie pow³oki farbowej z powierzchni ceramicznej w trakcie wypalania.
Powy¿sze wyniki badañ wskazuj¹, ¿e dodatek rozpatrywanych mediów UV do powszechnie stosowanych laków b³onotwórczych nie daje pozytywnych wyni- ków w zakresie poprawy efektywnoœci procesu wytwarzania kalki ceramicznej.
4. Badania mo¿liwoœci wykorzystania mediów UV do jednoetapowego procesu druku kalki ceramicznej
Stosowane w pracy media UV s¹ przez producenta okreœlane jako fotoutwardzal- ne zaprawiacze, co sprawi³o, ¿e postanowiono wykorzystaæ opracowane wczeœniej fotoutwardzalne mieszanki lakowe (medium UV/lak b³onotwórczy) do wytworzenia barwnych pow³ok kalkowych w jednym etapie.
Za³o¿ono, ¿e mieszanki zawieraj¹ce medium UV, traktowane jak zaprawiacz, oraz lak b³onotwórczy, bêd¹ dzia³a³y jednoczeœnie jako te dwa surowce. Dziêki obecnoœci w zaprawiaczu UV, np. œrodków poœlizgowych, mo¿liwe bêdzie wy- tworzenie pasty oraz wydruk wzoru, a obecnoœæ zwi¹zków akrylanowych i fotoi- nicjatorów pozwoli na uzyskanie w czasie naœwietlania pow³oki polimerowej utrzymuj¹cej proszek farbowy w powstaj¹cej cienkiej warstwie. Sk³ad laku b³onotwórczego umo¿liwi natomiast przeniesienie powsta³ej dekoracji z papieru odbijankowego na pod³o¿e ceramiczne.
4.1. Badanie sk³adu i czasu utwardzania past na bazie fotoutwardzalnych lakowych mieszanek zaprawiaj¹cych
Sporz¹dzanie past do kalek ceramicznych na podstawie mieszanin skompono- wanych z laku b³onotwórczego i medium UV wymaga ustalenia zarówno sk³adu fotoutwardzalnej lakowej mieszaniny zaprawiaj¹cej, jak równie¿ wielkoœci za- prawienia pasty. Optymalna zawartoœæ procentowa medium UV w mieszaninie powinna byæ na tyle du¿a, aby mo¿liwe by³o wytworzenie pasty oraz wydruk wzoru, który w krótkim czasie ulega³by utwardzeniu, a jednoczeœnie na tyle ma³a, aby mo¿na by³o przenieœæ gotowy wzór z papieru odbijankowego na pod³o¿e ceramiczne. Bior¹c pod uwagê powy¿sze wytyczne oraz wczeœniejsze spostrze¿enia i wyniki opisane w rozdziale 3, do dalszych badañ wytypowano mieszankê o sk³adzie: lak L406/medium UV 803017 – 50%/50%. Ustalenie sk³adu lakowej mieszaniny zaprawiaj¹cej wymusi³o koniecznoœæ dobrania odpo- wiedniego stosunku zaprawienia (iloœæ farby: iloœæ lakowej mieszaniny zapra- wiaj¹cej) past, gwarantuj¹cego dobr¹ drukowoœæ (tab. 8).
! " # $ ! % !"#$%&' ()*+),!"-!) .%/%0/,)+1()#-234 *)5/ -) 6)(!" #)$%,"7 8!"5()-!-2
()*+),!)793"7 (),!"+)793"7 #)$ :;<=>8"1!08 ?@ A<B<CD E F<G>F<G
&'(")$ *!+"' ,!-+!./#0/# 1/$)23 45624/ $!7).#8 (/#95!0/0' 5!-+!./!8:4#8 0! ;< 45624/ *!+"'=
;>?@; %AB<
;>?CD %AB<
;E?F;GH IADJ
;K?L5; IADJ
Ró¿nice w stosunku zaprawienia dla poszczególnych farb wynikaj¹ przede wszystkim z ich sk³adu chemicznego. Farby ¿ó³ta i czerwona o niskiej zawar- toœci o³owiu wymagaj¹ wiêkszej iloœci zaprawiacza, natomiast niebieska i czar- na o zdecydowanie wiêkszej zawartoœci o³owiu tworz¹ pasty z mniejsz¹ iloœci¹ zaprawiacza.
Otrzymane i wydrukowane fotoutwardzalne pasty na bazie lakowych mieszanin zaprawiaj¹cych poddano badaniom czasu naœwietlania potrzebnego do uzyska- nia trwa³ych wzorów. W czasie naœwietlania odleg³oœæ lampy od wydruku wy- nosi³a 2 cm. Wyniki badañ przedstawiono w tabeli 9.
! " # $ ! M H3"-) *%,!"+(34-! , ()#"I-%&3! %1 3()50 -)&,!"/#)-!) *)5/ -) 6)(!" .%/%0/,)+1()#-234 #)J
$%,234 8!"5()-!- ()*+),!)793234 ! %1 +%1()70 .)+62 C)N5!8
*!+"' L5!9 0!2./#O$!0/! P9Q
;< D< R< S< J< I< %<
;>?@; T n n n n n n
;>?CD T n n n n n n
;E?F;GH U n n n n n n
;K?L5; U n n n n n n
! "#$%&'()*+,"(- .$/0( '()1&'(-
2 ! 13(4, %&'()*+,"( '()1&'(- *(567( 1#8 3(&', +()91,'(: ;$&(.,'9; ,1&)+$;- ! *,4)+$ %&'()*+,"(- 1%7<( '()1&'(=
Mo¿liwe jest uzyskanie utwardzenia ju¿ przy czasie naœwietlania równym 20 s.
Dalsze naœwietlanie mia³o na celu ustalenie wp³ywu czasu naœwietlania na ela- stycznoœæ otrzymanych pow³ok, a tym samym na mo¿liwoœæ przenoszenia kalki z papieru odbijankowego na pod³o¿e ceramiczne. Okaza³o siê, ¿e kalki otrzy- mane w czasie 20 s naœwietlania by³y bardzo elastyczne, a ich struktura na tyle delikatna, ¿e bardzo trudno by³o przenosiæ je bez uszkodzenia dekoracji z jed- nego pod³o¿a na drugie. Wraz ze wzrostem czasu naœwietlania elastycznoœæ pow³ok farbowych mala³a, a struktura kalek ulega³a wzmocnieniu na skutek tworzenia siê gêstej sieci polimerowej. Optymaln¹ d³ugoœci¹ czasu naœwietlania by³o 40 s, kiedy to przeniesienie dekoracji na pod³o¿e ceramiczne nie sprawia³o problemów. Po d³u¿szym od 40 s czasie naœwietlania kalki charakteryzowa³y
siê zbyt ma³¹ elastycznoœci¹, by³y za kruche i zbyt ³amliwe, aby bez trudu prze- nieœæ je z papieru odbijankowego na pod³o¿e ceramiczne (ryc. 6).
4.2. Wp³yw procesu wypalania na jakoœæ powierzchni farbowych po wypaleniu
Próby wypalania przeprowadzono w sposób analogiczny do opisanego w roz- dziale 2.5. Wypalone wzory poddano ocenie wizualnej pod wzglêdem jakoœci powierzchni. Wszystkie otrzymane dekoracje charakteryzowa³y siê dobr¹ jako- œci¹, posiada³y po³ysk, pod³o¿e by³o równomiernie pokryte, a kontury rysunku ostre (ryc. 6).
5. Podsumowanie
W wyniku przeprowadzonych badañ ustalono, ¿e:
• mo¿liwe jest podwy¿szenie efektywnoœci procesu wytwarzania kalki ceramicz- nej na etapie przed lakowaniem za pomoc¹ wprowadzenia medium reaguj¹cego na promieniowanie UV. Czas procesu schniêcia pow³oki farbowej na bazie za- prawiacza bez dodatku medium UV wynosi ok. 24 godz., podczas gdy czas procesu utrwalania pow³oki farbowej na bazie mieszaniny zaprawiaj¹cej fotou- twardzalnej wynosi 10–30 s;
• zastosowanie jako zaprawiacza mieszaniny medium UV z tradycyjnym zapra- wiaczem oleistym pozwala uzyskaæ cenê ni¿sz¹ ni¿ w przypadku stosowania sa- mego medium fotoutwardzalnego;
!"# $"%&'()*"$'" +"#), -#.
/ 01
0 21
2 31
3 41
5,67 87 9,+"*:$( $" +:;<:=> 6(?"@'6!$,@ ;(A:?"6B( +:&#)"<(
! C:):>)&"?;!"*$,6D +"#) $" E"!'( *"A:&,6D @'(#!"$'$ !"+?"&'"BF6,6D
• opracowana fotoutwardzalna mieszanina zaprawiaj¹ca jest kompatybilna z po- wszechnie stosowanym lakiem L-406, podczas gdy same media fotoutwardzal- ne nie wykazuj¹ tej cechy;
• wraz ze wzrostem czasu naœwietlania elastycznoœæ pow³ok farbowych na ba- zie fotoutwardzalnych mieszanin zaprawiaj¹cych maleje. Nie zauwa¿ono, aby pow³oki utwardzane nawet przez 80 s by³y ³amliwe, co mo¿e mieæ du¿e znacze- nie w przypadku druku wielokolorowego (nanoszenie kilku pow³ok na siebie);
• mo¿liwe jest podwy¿szenie efektywnoœci procesu wytwarzania kalki ceramicz- nej przez wykorzystanie mediów fotoutwardzalnych do jednoetapowego pro- cesu druku kalki ceramicznej;
• czas procesu schniêcia kalki na etapie suszenia przed lakowaniem, w przypa- dku zastosowania tradycyjnego zaprawiacza, wynosi ok. 24 godz. Kolejne 24 godz. w trakcie powszechnie znanego procesu wytwarzania kalki ceramicz- nej to suszenie po etapie lakowania. Natomiast ca³kowity czas jednoetapowego procesu wytwarzania kalki ceramicznej, polegaj¹cego na zastosowaniu lakowej mieszaniny zaprawiaj¹cej sk³adaj¹cej siê z laku b³onotwórczego i medium UV, wynosi ok. 40 s;
• w przypadku stosowania fotoutwardzalnej lakowej mieszaniny zaprawiaj¹cej bardzo wa¿ny jest dobór odpowiedniego czasu naœwietlania dekoracji na papie- rze odbijankowym, ze wzglêdu na elastycznoœæ powstaj¹cych pow³ok farbo- wych i mo¿liwoœæ ich przenoszenia na pod³o¿e ceramiczne. Wraz ze wzrostem czasu naœwietlania struktura pow³ok farbowych staje siê mocniejsza, ale ju¿ po 40 s ich elastycznoœæ maleje na tyle, ¿e pow³oki staj¹ siê kruche i ³amliwe, co mo¿e mieæ znaczenie w przypadku druku wielokolorowego;
• nie uzyskano pozytywnych wyników skrócenia procesu wytwarzania kalki ce- ramicznej na etapie lakowania z równoczesnym skróceniem czasu schniêcia kal- ki na etapie przed lakowaniem, przez zastosowanie w obu etapach dodatku me- diów wra¿liwych na promieniowanie UV;
• nie uzyskano równie¿ pozytywnych wyników podwy¿szenia efektywnoœci procesu wytwarzania kalki ceramicznej na etapie lakowania przez zastosowanie dodatku medium UV do laku b³onotwórczego, w przypadku gdy przed lakowa- niem pow³oka farbowa ulega³a suszeniu na powietrzu.
Literatura
!" # $ % % $ &'( !"#$%&'()(*+$ ,-. /+$ 0$1(.23+(' 4(' 5)26 7'/ 8(.9$))2'( )*$+,-.%/0$ 1$.23
%/0+.425 6778( 9+' :;( %' <=7><=:'
6" ? , @ 2 $ + A'( !"&:.3$'/$ ;<9+$&<+)/$. 97. 0$1(.23+(' 4(' 5$6%&+..1$.2=+1 > '$7$63$ ?'3@+%1"
)7'*$'( )*$+,-.%/0$ 1$.2%/0+.425 6778( 9+' :;( %' <=;><=B'
!" # $ % & ' ( ) *+, -&(.( &%(/$012('( 2 &(3(.4 50$(6(/'17.$ 8)()9)12%: ;<=*>$# ?@@AB C#(5(D '$% 31E/$217.$ 2F&12(50%'$( 51 F&1.%89 2G)2(&0('$( H(/H$ .%&(3$.0'%: 0(F&(2$(.0( &%(D I9:J.%I1 '( F&13$%'$12('$% KL, 2 .%/9 F152GE80%'$( %M%H)G2'17.$ )%I1 F&1.%89N+
O" # $ % & ' ( ) *+, -&(.( &%(/$012('( 2 &(3(.4 50$(6(/'17.$ 8)()9)12%: ;<=*>$# ?@@PB C#(5(D '$% 31E/$217.$ 2F&12(50%'$( 51 F&1.%89 2G)2(&0('$( H(/H$ .%&(3$.0'%: 0(F&(2$(.0( &%(D I9:J.%I1 '( F&13$%'$12('$% KL, 2 .%/9 F152GE80%'$( %M%H)G2'17.$ )%I1 F&1.%89N+
MONIKA BIERNAT
INCREASING OF EFFICIENCY OF CERAMIC TRANSFER PAPER MANUFACTURING PROCESS BY MEANS OF ADDITION OF UV
HARDENING MEDIA
In the article research conducted in order to increase of the efficiency of manufacturing process of ceramic transfer paper by means of adding UV medium were discussed.
The special attention to manufacturing of pasts and transfer wax on the ba- sis of mixtures with addition of photohardening media was payed. Problems occurring in the photohardening of paint coating and transfer wax coating were described and the obtained transfer papers as well as finished decors after burning were characterized.
