UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Engenharia

Estudo da interao tinta/papel na impresso

inkjet

Snia Cristina Lopes de Sousa

Tese para obteno do Grau de Doutor em

Engenharia do Papel (3 ciclo de estudos)

Orientadora: Prof. Doutora Ana Maria Matos Ramos Coorientador: Doutor Antnio de Oliveira Mendes

Covilh, junho de 2012

ii

iii

Agradecimentos

Ao finalizar esta tese, no quero deixar de manifestar o meu reconhecimento a todas as

pessoas que, de alguma forma, contriburam para que este trabalho chegasse a bom termo e

prestar-lhes o meu mais sincero agradecimento.

Agradeo minha orientadora, Professora Doutora Ana Ramos, por toda a colaborao e

orientao, pelo apoio laboratorial em momentos cruciais do desenvolvimento deste trabalho,

pela amizade e por todas as sugestes que contriburam para a melhoria desta tese.

Ao Doutor Antnio Mendes, meu coorientador, agradeo toda a colaborao prestada nos

ensaios realizados no Centro de tica da Universidade da Beira Interior. Obrigada pela

cedncia dos sistemas implementados para a anlise da interao tinta/papel, pela pacincia

que teve na transmisso dos princpios bsicos de funcionamento dos sistemas e pelo

acompanhamento constante na execuo dos ensaios.

Agradeo Unidade de Materiais Txteis e Papeleiros da Universidade da Beira Interior, na

pessoa do seu coordenador, Professor Doutor Manuel J. Santos Silva, em especial ao grupo de

investigadores da rea do papel, por me ter acolhido durante a realizao da maior parte

deste trabalho.

Ao RAIZ Instituto de investigao da Floresta e Papel, em particular ao Eng. Jos Lus

Amaral e ao Eng. Mendes de Sousa, agradeo todas as facilidades concedidas na realizao

de ensaios fundamentais concretizao dos objetivos deste trabalho, nomeadamente, a

utilizao da revestidora piloto, a anlise da penetrao dinmica de gua, a avaliao da

topografia de superfcie e a impresso dos papis. Agradeo, tambm, a disponibilizao do

papel base e do amido, matrias-primas indispensveis execuo do trabalho, assim como, o

financiamento concedido pelo perodo de trs meses. Ao tcnico Jos Carlos, o meu

agradecimento pela colaborao prestada na realizao dos ensaios de modificao qumica

da superfcie do papel, realizados na revestidora piloto.

Ao Centro de tica da Universidade da Beira Interior, nomeadamente ao seu coordenador,

Professor Doutor Paulo Torro Fiadeiro, agradeo a facilidade de acesso e utilizao dos seus

equipamentos.

Agradeo ao Centro de Materiais e Tecnologias da Construo (C-MADE) da Universidade da

Beira Interior, nomeadamente ao seu coordenador, Professor Doutor Joo P. Castro Gomes,

pela disponibilizao do porosmetro de mercrio e por todo o apoio prestado.

iv

Agradeo Faculdade de Cincias da Sade (FCS) da Universidade da Beira Interior, em

particular ao Dr. Antnio Pedro T. Cabral, pelas facilidades concedidas na utilizao de

equipamento e material. Um agradecimento especial Dr. Catarina Ferreira pelo apoio

prestado na preparao das amostras de papel em parafina.

Agradeo ao Laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie pour lEnvironnement (LCPME),

do Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) / Universit Henri Poincar (UHP), de

Nancy, pela realizao dos ensaios XPS.

Ao Doutor Jos Gamelas, do Departamento de Engenharia Qumica da Universidade de

Coimbra, agradeo a reviso do texto referente anlise da composio qumica da superfcie

dos papis por XPS.

Aos Mestres ngelo Lus e Nuno Gil agradeo todas as sugestes, apoio laboratorial e as

palavras de incentivo.

Aos meus Pais e Irm, agradeo o carinho e a fora que sempre me deram.

A todos os que, embora no explicitamente mencionados, me ajudaram a cumprir os

objetivos traados, o meu agradecimento.

O trabalho apresentado nesta tese foi realizado no mbito do projeto QREN/PADIS/5348,

cofinanciado pelos fundos FEDER Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional atravs do

COMPETE Programa Operacional Factores de Competitividade.

v

Resumo

As tintas para impresso inkjet so pouco viscosas e possuem baixa tenso superficial, o que

exige ao papel caractersticas controladas de absoro e mecanismos de fixao, na

superfcie, da substncia que confere cor, de modo a obter-se uma imagem bem definida e

com elevada densidade de impresso. Atravs dos tratamentos de superfcie do papel,

possvel modificar caractersticas que determinam a interao entre a tinta e o papel, como a

energia de superfcie, a porosidade e a rugosidade, as quais influenciam a qualidade de

impresso. Esta tese tem como principal objetivo determinar os fenmenos de interao

tinta/papel que contribuem para a qualidade de impresso inkjet. O conhecimento destes

fenmenos permitir otimizar os tratamentos de superfcie, com vista ao melhoramento da

qualidade de impresso inkjet em papis no revestidos.

A modificao da superfcie do papel foi realizada atravs da aplicao de formulaes

preparadas com compostos qumicos comerciais. Os papis modificados foram caraterizados

quanto s seguintes propriedades: espessura, porosidade aparente, permeabilidade ao ar,

lisura Bekk, parmetros de rugosidade obtidos por perfilometria tica, opacidade, brancura,

anlise de penetrao dinmica de gua, energia de superfcie e respetivas componentes

dispersiva e polar. Foi ainda analisada a composio qumica da superfcie dos papis atravs

de XPS, permitindo conhecer a quantidade relativa dos elementos presentes na superfcie,

assim como, as ligaes qumicas envolvidas no carbono e no azoto detetado. Os resultados

obtidos mostraram que as modificaes realizadas tiveram um enorme impacto nas

propriedades qumicas dos papis, nomeadamente nos parmetros relativos energia de

superfcie e na composio qumica, enquanto as propriedades estruturais, a topografia de

superfcie e as propriedades ticas sofreram apenas ligeiras alteraes.

De modo a avaliar o efeito das modificaes realizadas na qualidade de impresso, os papis

foram impressos em duas impressoras que utilizam tintas de cor de natureza distinta,

permitindo, assim, estudar o comportamento das tintas base corante e base pigmento. A

avaliao da qualidade de impresso compreendeu a medio dos seguintes parmetros:

densidades ticas de impresso do preto, ciano, magenta e amarelo; rea gamut; chroma;

largura, raggedness e blur da linha preta; inter color bleed; ganho e circularidades dos pontos

preto e magenta. Verificou-se que, a reteno da tinta superfcie do papel, resultante do

controlo do espalhamento e absoro, proporciona elevada qualidade de impresso. Para tal

necessrio que o papel possua uma certa rugosidade, baixa energia de superfcie e

componente polar significativa. No caso das tintas base corante, a carga catinica na

superfcie do papel preponderante no que concerne s propriedades de cor.

vi

importante conhecer quais os parmetros que afetam o processo de absoro e

espalhamento da tinta, e a forma como estes processos influenciam os parmetros de

avaliao da qualidade de impresso, de modo a controlar estes mecanismos e assim otimizar

a qualidade de impresso. Neste trabalho foi avaliada a dinmica de interao entre gotas de

tinta preta e magenta, provenientes dos tinteiros das impressoras usadas nos testes de

impresso, e a superfcie de alguns dos papis modificados. Os resultados mostraram que o

espalhamento das gotas de tinta preta principalmente determinado pela energia de

superfcie dos papis, enquanto que o espalhamento das gotas de tinta magenta

influenciado pela permeabilidade ao ar. No que diz respeito absoro da tinta, verifica-se a

existncia de uma relao inversa entre a permeabilidade ao ar e variao da profundidade

de penetrao ao longo do tempo. No entanto, dado o coeficiente de correlao moderado,

supe-se que os parmetros fsico-qumicos interfiram tambm no processo de penetrao.

Observou-se que, os papis que registam maior rea de espalhamento mximo das gotas de

tinta preta, tendem a originar pior qualidade de impresso no que concerne aos seguintes

parmetros: largura e raggedness da linha, e ganho do ponto preto.

Os resultados obtidos podem ser aplicados pela indstria de papel, e podem tambm servir de

base a futuros estudos de espalhamento e absoro de gotas de tinta.

Palavras-chave

Absoro da tinta, corantes, espalhamento da tinta, qualidade de impresso, inkjet,

pigmentos, tratamentos de superfcie.

vii

Abstract

Inkjet inks have low viscosity and low surface tension, which requires controlled absorption

characteristics and mechanisms for colorant fixation at the paper surface, so as to obtain an

image with high sharpness and high optical print density. By the paper surface treatments, it

is possible to modify the characteristics that determine the interactions between the ink and

paper, such as surface energy, roughness and porosity, which influences the print quality. The

main objective of this thesis is to determine the ink/paper interaction phenomena that

contribute to inkjet print quality. The knowledge of these phenomena enable to optimize the

surface treatment in order to improve inkjet print quality in uncoated papers.

The paper surface modification was carried out by the application of the formulations

prepared with commercial chemical compounds. The modified papers were characterized in

terms of the following properties: thickness, apparent porosity, air permeability, Bekk

smoothness, roughness parameters accessed by optical profilometry, opacity, brightness,

dynamic analysis of water penetration, surface energy and their dispersive and polar

components. Chemical composition of the paper surface was also determined by XPS analysis

in order to identify the relative amounts of the different chemical elements present on the

surface, as well as the chemical bonds involved in detected carbon and nitrogen. The results

showed the high impact of the chemical modifications on the chemical properties of the

papers, particularly in parameters related to surface energy and chemical composition. On

the other hand, the structural properties, surface topography and optical properties are only

slightly changed by the treatments carried out.

In order to evaluate the effect of modifications in print quality, papers were printed in two

printers using color inks of different nature, which enable both dye-based and pigment-based

inks to be analyzed. Print quality evaluation comprises the measurement of the following

parameters: optical print density of the black, cyan, magenta and yellow printings; gamut

area; chroma; black line width, raggedness and blur; inter color bleed; black and magenta

dot gain and circularity. It was found that ink retention on paper surface, in terms of

spreading and absorption, is the key factor for achieving high print quality. For that, the

paper must have some roughness, low surface energy and significant polar component. For

the case of dye-based inks, cationic charge at the paper surface is preponderant concerning

color properties.

It is important to understand which parameters affect the absorption and spreading

processes, and how these influence the print quality parameters, to be able to control these

mechanisms and thus optimize the print quality. A study of the dynamic interaction of black

and magenta ink drops into paper surface was made in this work. The results shown that the

spreading of black ink drops is mainly determined by the surface energy of the papers, while

viii

for the magenta ink drops, spreading is influenced by the air permeability. Concerning the ink

absorption, it appears that there is an inverse relationship between the air permeability and

time-dependency of penetration depth. However, since the correlation coefficient is

moderate, it is assumed that the physico-chemical parameters also interfere in the

penetration process. It was observed, that the papers which exhibit higher maximum

spreading area of the black ink drops tend to give poorer print quality regarding the following

parameters: line width and raggedness, and black dot gain.

The results are applicable to paper industry and can be used as a base for future studies of

spreading and absorption.

Keywords

Ink absorption, dyes, ink spreading, print quality, inkjet, pigments, surface treatments.

ix

ndice

Agradecimentos ............................................................................................... iii

Abstract........................................................................................................ vii

ndice ........................................................................................................... ix

Lista de Figuras ............................................................................................... xi

Lista de Tabelas .............................................................................................. xv

Lista de smbolos e abreviaturas ......................................................................... xvii

Captulo 1 Contexto, objetivos e organizao da tese ................................................ 1

Captulo 2 Introduo geral ................................................................................ 4

2.1 Tecnologia e tintas de impresso inkjet ......................................................... 4

2.1.1 - Aplicaes ....................................................................................... 5

2.1.2 Tecnologia inkjet .............................................................................. 6

2.1.3 - Tintas inkjet .................................................................................... 9

2.2 Papel ................................................................................................. 13

2.2.1 Papis para impresso inkjet .............................................................. 14

2.2.2 Tratamentos de superfcie ................................................................. 17

2.3 Imprimabilidade .................................................................................... 23

2.3.1 Caracterizao das propriedades do papel .............................................. 24

2.3.2 Qualidade de impresso .................................................................... 37

2.4 Interao tinta/papel ............................................................................. 41

2.4.1 Interaes qumicas ......................................................................... 41

2.4.2 Espalhamento e absoro ................................................................... 42

2.4.3 Avaliao da penetrao da tinta ......................................................... 47

Captulo 3 Modificao qumica da superfcie do papel ............................................. 49

3.1 - Introduo ....................................................................................... 49

3.2 - Materiais e mtodos ............................................................................ 49

3.3 Resultados e discusso ......................................................................... 54

3.4 Concluses ....................................................................................... 67

Captulo 4 Efeito da modificao qumica da superfcie do papel na qualidade de impresso inkjet .......................................................................................................... 69

4.1 - Introduo ....................................................................................... 69

4.2 Materiais e mtodos ............................................................................ 69

4.3 Resultados e discusso ......................................................................... 72

4.4 Concluses ....................................................................................... 89

Captulo 5 Dinmica de interao tinta/papel na impresso inkjet .............................. 92

5.1 - Introduo ....................................................................................... 92

5.2 Materiais e mtodos ............................................................................ 92

5.3 Resultados e discusso ......................................................................... 97

5.4 Concluses ...................................................................................... 120

x

Captulo 6 Concluses gerais e perspetivas .......................................................... 123

Referncias .................................................................................................. 128

ANEXOS ....................................................................................................... 147

Anexo I - Anlise da composio qumica da superfcie dos papis por XPS .................. 149

Anexo II - ngulos de contacto ........................................................................ 151

Anexo III - Princpio de medida dos parmetros de qualidade de impresso da linha e dos pontos ..................................................................................................... 152

Anexo IV - Parmetros tcnicos de avaliao da qualidade de impresso inkjet ............ 155

Anexo V - Parmetros resultantes da dinmica de interao tinta/papel .................... 159

xi

Lista de Figuras

Figura 2.1 - Aplicaes da tecnologia de impresso inkjet: a) microesferas que podem ser

carregadas com fator de crescimento do nervo; b) pontos de 500 m de um dodo

polimrico emissor de luz; c) sistema de guias de onda ticas (MicroFab, 2011). .......... 5

Figura 2.2 - Categorias e subcategorias da tecnologia de impresso inkjet (adaptado de

Stanton, 2007). .......................................................................................... 6

Figura 2.3 - Princpio de funcionamento do sistema inkjet de fluxo contnuo (adaptado de

Martin et al., 2008). .................................................................................... 7

Figura 2.4 - Princpio de funcionamento do sistema de impresso DOD: a) trmico; b)

piezoeltrico (adaptado de Stanton, 2007); c) eletrosttico (adaptado de Martin et al.,

2008). ..................................................................................................... 8

Figura 2.5 Mecanismo de secagem de uma gota de tinta aquosa num papel comum (adaptado

de Le, 1998). ........................................................................................... 11

Figura 2.6 Perfil 2D e definio dos parmetros Rp, Rv e Rt (adaptado de Gadelmawla et al.,

2002). ................................................................................................... 25

Figura 2.7 Curva diferencial e cumulativa da distribuio do tamanho de poros, obtidas por

porosimetria de mercrio. ........................................................................... 28

Figura 2.8 Balano de foras que originam o ngulo de contacto (adaptado de Grundke,

2001). ................................................................................................... 29

Figura 2.9 Esquema da clula de medida com sensores de ultrassons de um instrumento

utilizado na anlise de penetrao dinmica (adaptado de Hickey et al., 2004). ........ 32

Figura 2.10 Representao esquemtica da atenuao dos ultrassons (vista de corte da

amostra) (adaptada de Hickey et al., 2004). .................................................... 33

Figura 2.11 Curva tpica da anlise de penetrao dinmica da gua em papel colado e no

colado (adaptado de Emtec, 2011). ............................................................... 34

Figura 2.12 Interaes da luz com o papel (adaptado de Vaarasalo, 1999). .................... 36

Figura 2.13 Padro de impresso para avaliao dos parmetros tcnicos de qualidade de

impresso inkjet (adaptado de Trehoult, 2007). ................................................ 38

Figura 2.14 Modelo de cor CIELAB (Adobe, 2012). ................................................... 39

Figura 2.15 Ilustrao da sequncia de eventos que ocorrem aps o impacto da gota no

substrato (adaptado de Derby, 2010). ............................................................. 43

Figura 3.1 Imagem da revestidora piloto com secagem por infravermelho (a) e pormenor do

sistema de rolos (b, c) (adaptado de Mathis, 2012)............................................. 52

Figura 3.2 - Quantidade relativa de cada elemento obtida por XPS para os vrios papis (a

imagem inferior uma ampliao da imagem superior, sem a representao dos

elementos C e O). ..................................................................................... 59

xii

Figura 3.3 Espectros XPS na regio C1s para o papel base e para dois papis modificados

(Intensidade x102). .................................................................................... 60

Figura 3.4 Espectros XPS na regio N1s do papel base e dos papis modificados com

compostos qumicos que contm azoto na sua estrutura (Intensidade x101). .............. 63

Figura 3.5 Representao dos valores de energia de superfcie, componente dispersiva e

polar para os vrios papis. ......................................................................... 64

Figura 3.6 Curvas da penetrao dinmica da gua nos diferentes papis. ...................... 66

Figura 4.1 rea gamut e densidades ticas de impresso do preto (K), ciano (C), magenta

(M) e amarelo (Y) dos papis impressos na impressora Lexmark X-8350. ................... 73

Figura 4.2 rea gamut e densidades ticas de impresso do preto (K), ciano (C), magenta

(M) e amarelo (Y) dos papis impressos na impressora HP Photosmart B8850. ............ 74

Figura 4.3 Relaes entre rea gamut e densidades ticas de impresso para a impressora

Lexmark X-8350 (imagem topo) e para a impressora HP Photosmart B8850 (imagem

inferior). ................................................................................................ 75

Figura 4.4 Saturao das reas impressas a ciano, magenta e amarelo, utilizando as

impressoras Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850. ......................................... 76

Figura 4.5 Imagem ampliada da impresso do ciano e do magenta (100%) no mesmo papel,

utilizando as impressoras Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850. ........................ 77

Figura 4.6 Densidade tica de impresso do preto nos diferentes papis impressos nas

impressoras Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850. ......................................... 77

Figura 4.7 rea gamut dos vrios papis impressos nas impressoras Lexmark X-8350 e HP

Photosmart B8850. .................................................................................... 78

Figura 4.8 Imagem ampliada da impresso do vermelho no papel modificado com amido,

usando as impressoras Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850. ............................ 79

Figura 4.9 Grficos relativos aos parmetros de avaliao da qualidade das linhas nos vrios

papis impressos nas impressoras Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850. .............. 80

Figura 4.10 Imagem da linha preta em campo branco (papel) para o papel FR1 (a) e FR4.1

(b), impressos nas impressoras Lexmark X-8350 (1) e HP Photosmart B8850 (2). ......... 81

Figura 4.11 Ganho dos pontos preto e magenta resultantes da impresso dos papis nas

impressoras Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850. ......................................... 82

Figura 4.12 Imagem da impresso dos pontos preto e magenta no papel linha FR4.1,

utilizando as impressoras Lexmark X-8350 (1) e HP Photosmart B8850 (2). ................ 83

Figura 4.13 Circularidade dos pontos preto e magenta resultantes da impresso dos vrios

papis com as impressoras Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850. ....................... 83

Figura 4.14 Diagrama das variveis (em cima) e das amostras (em baixo) no plano PC1-PC2,

resultante do sistema constitudo pelas propriedades dos papis e pelos parmetros de

qualidade de impresso obtidos com a impressora Lexmark X-8350. ........................ 84

xiii

Figura 4.15 Diagrama das variveis (em cima) e das amostras (em baixo) no plano PC1-PC2,

resultante do sistema constitudo pelas propriedades dos papis e pelos parmetros de

qualidade de impresso obtidos com a impressora HP Photosmart B8850. ................. 88

Figura 5.1 Imagem do sistema tico experimental usado na anlise da dinmica de interao

tinta/papel. ............................................................................................ 94

Figura 5.2 - Imagem do sistema utilizado para avaliar a penetrao da gota de tinta na

estrutura do papel. ................................................................................... 97

Figura 5.3 - Curvas de distribuio de tamanhos de poros nos vrios papis analisados. ...... 97

Figura 5.4 Evoluo do ngulo de contacto formado entre as gotas de tinta preta Lexmark X-

8350 ( esquerda) e HP Photosmart B8850 ( direita) e a superfcie dos papis

analisados. ............................................................................................ 100

Figura 5.5 Variao do volume, normalizado, das gotas de tinta preta Lexmark X-8350 (

esquerda) e HP Photosmart B8850 ( direita) nos vrios papis analisados. .............. 100

Figura 5.6 Variao da rea, normalizada, das gotas de tinta preta Lexmark X-8350 (

esquerda) e HP Photosmart B8850 ( direita) nos papis analisados. ...................... 100

Figura 5.7 Variao da rea de absoro radial, normalizada, das gotas de tinta preta

Lexmark X-8350 ( esquerda) e HP Photosmart B8850 ( direita) nos vrios papis

analisados. ............................................................................................ 101

Figura 5.8 Comportamento da gota de tinta preta Lexmark ( esquerda) e HP Photosmart (

direita) na superfcie dos papis FR1, FR3.2 e FR4.2, segundo duas vistas laterais

(sentido mquina e sentido transversal) e segundo a vista de topo. ....................... 102

Figura 5.9 Valores iniciais do ngulo de contacto e da rea normalizada da gota de tinta

preta Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850, obtidos nos diferentes papis. .......... 103

Figura 5.10 Relaes entre ngulo de contacto com gua (esquerda) e componente polar da

energia de superfcie (direita), com a rea de espalhamento inicial das gotas de tinta

preta Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850. ................................................ 104

Figura 5.11 rea de espalhamento mximo da gota e rea de absoro radial final

(normalizadas), resultantes da interao dinmica entre as gotas de tinta preta Lexmark

e HP Photosmart e a superfcie dos papis. ..................................................... 105

Figura 5.12 Energia de superfcie dos papis em funo da rea de espalhamento mximo da

gota de tinta preta Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850. ............................... 106

Figura 5.13 Volume no absorvido de tinta pelos diferentes papis, no final dos 10 s de

ensaio (valores na tabela V.1 do Anexo V). ..................................................... 107

Figura 5.14 Ajuste lei de potncia para o raio da gota formado pela tinta preta Lexmark X-

8350 ( esquerda) e HP Photosmart B8850 ( direita), nos vrios papis. ................. 108

Figura 5.15 Relao entre a rea de espalhamento mximo da gota e a constante c obtida na

determinao da cintica de espalhamento. ................................................... 108

Figura 5.16 Imagens das seces transversais no centro da rea ocupada pela gota de tinta

preta aps secagem.................................................................................. 109

xiv

Figura 5.17 Evoluo da profundidade de penetrao da gota de tinta preta Lexmark X-8350

( esquerda) e HP Photosmart B8850 ( direita) nos vrios papis. ........................ 110

Figura 5.18 Relao entre o volume absorvido no final dos 10 s e a constante k. ............ 111

Figura 5.19 Relao entre a permeabilidade ao ar dos papis e a constante a, indicativa da

variao da profundidade de penetrao da tinta preta com o tempo. ................... 112

Figura 5.20 Relao entre a rea de espalhamento mximo da gota de tinta preta e alguns

parmetros de avaliao da qualidade de impresso da linha e dos pontos. ............. 113

Figura 5.21 Evoluo do ngulo de contacto formado entre as gotas de tinta magenta

Lexmark X-8350 ( esquerda) e HP Photosmart B8850 ( direita) e a superfcie dos vrios

papis analisados..................................................................................... 114

Figura 5.22 Evoluo da rea, normalizada, das gotas de tinta magenta Lexmark X-8350 (

esquerda) e HP Photosmart B8850 ( direita) e a superfcie dos vrios papis analisados.

.......................................................................................................... 114

Figura 5.23 Variao do volume, normalizado, das gotas de tinta magenta Lexmark X-8350 (

esquerda) e HP Photosmart B8850 ( direita) nos papis analisados. ...................... 114

Figura 5.24 Evoluo da rea de absoro radial, normalizada, para as gotas de tinta

magenta Lexmark X-8350 ( esquerda) e HP Photosmart B8850 ( direita), nos diferentes

papis. ................................................................................................. 115

Figura 5.25 Valores iniciais do ngulo de contacto e da rea normalizada da gota de tinta

magenta Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850, obtidos nos papis analisados. ...... 115

Figura 5.26 rea de espalhamento mximo da gota e rea de absoro radial final

(normalizadas), para os ensaios efetuados com a tinta magenta Lexmark X-8350 e HP

Photosmart B8850, nos vrios papis (valores na tabela V.2 do Anexo V). ................ 117

Figura 5.27 Permeabilidade ao ar versus rea de espalhamento mximo da gota tinta

magenta Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850. ............................................ 117

Figura 5.28 Imagens das seces transversais obtidas no centro da rea ocupada pela gota de

tinta magenta aps secagem, nos papis analisados. ......................................... 118

Figura 5.29 Evoluo da profundidade de penetrao da gota de tinta magenta Lexmark X-

8350 ( esquerda) e HP Photosmart B8850 ( direita) nos vrios papis. .................. 119

Figura 5.30 Relao entre a permeabilidade ao ar dos papis e a constante a, indicativa da

evoluo da profundidade de penetrao da tinta magenta com o tempo. ............... 120

xv

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 Mecanismos de secagem das diferentes tintas inkjet (Le, 1998). ................... 11

Tabela 3.1 Compostos qumicos selecionados para a modificao da superfcie do papel. .. 50

Tabela 3.2 - Composio das formulaes aplicadas. ................................................. 51

Tabela 3.3 - Tenso superficial (mN/m) dos lquidos utilizados nas medies de ngulo de

contacto (Good e van Oss, 1991). .................................................................. 54

Tabela 3.4 Gramagem de formulao aplicada, espessura, densidade aparente e

permeabilidade ao ar. ................................................................................ 55

Tabela 3.5 Lisura Bekk e parmetros de rugosidade. ............................................... 57

Tabela 3.6 Opacidade e brancura ISO dos diferentes papis....................................... 58

Tabela 3.7 Razo oxignio/carbono e quantificao dos diferentes tipos de ligaes qumicas

detetadas por XPS para os tomos de carbono. ................................................. 61

Tabela 3.8 Tempo de molhagem e da velocidade de penetrao da gua nos vrios papis. 66

Tabela 4.1 Tenso superficial e respetivas componentes dispersiva e polar das tintas

utilizadas pelas impressoras Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850. ..................... 72

Tabela 5.1 Porosidade total, de superfcie e interna, e dimetro mdio de poros para os

diferentes papis. ..................................................................................... 98

Tabela 5.2 Densidade e viscosidade aparente das tintas usadas no estudo da dinmica de

interao tinta/papel. ............................................................................... 99

Tabela 5.3 - Nmeros Re, We e Oh obtidos nos ensaios realizados com a tinta preta das

impressoras Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850. ........................................ 103

Tabela 5.4 Valores das constantes c e n, obtidas a partir do ajuste lei de potncia. ...... 108

Tabela 5.5 Valores das constantes k e a, obtidas a partir do ajuste. ........................... 111

Tabela 5.6 - Nmeros de Re, We e Oh obtidos nos ensaios realizados com a tinta magenta das

impressoras Lexmark X-8350 e HP Photosmart B8850. ........................................ 116

Tabela 5.7 Valores das constantes k e a, obtidas a partir do ajuste aos valores de

profundidade de penetrao da tinta magenta. ................................................ 119

xvi

xvii

Lista de smbolos e abreviaturas

Smbolos

Constante emprica com o valor de 0,0001247 m2/mJ2, na equao de Neumann

Fator de espalhamento

Porosidade

ou LV Tenso superficial

SL Tenso interfacial slido/lquido

SV Energia de superfcie

AB Componente cido-base

ou

Componente dispersiva da energia de superfcie ou da tenso superficial

ou

Componente polar da energia de superfcie ou da tenso superficial

ou

Componente de Lifshitz-van der Waals da energia de superfcie ou da tenso superficial

ou

Componente cida da energia de superfcie ou da tenso superficial

ou

Componente bsica da energia de superfcie ou da tenso superficial

Viscosidade

Velocidade da gota antes do impacto

ngulo de contacto

/m Razo entre o ngulo de contacto dinmico e o ngulo de contacto obtido quando o raio de base da gota mximo

Densidade

a Constante emprica na lei que descreve a profundidade de penetrao

a* Coordenada cromtica que varia entre o verde e o vermelho

A0 rea projetada da esfera correspondente ao volume da gota usada

AC W ngulo de contacto com gua

AG rea gamut

Amax rea de espalhamento mximo da gota

b* Coordenada cromtica que varia entre o azul e o amarelo

Bekk Lisura Bekk

Bo Nmero de Bond

Branc Brancura

c Constante emprica da lei que descreve a cintica de espalhamento

C Ciano

C1 Ligaes qumicas do tipo C-C, C-H e C=C

C1s Orbital 1s do carbono

C2 Ligaes qumicas do tipo C-O

C3 Ligaes qumicas do tipo O-C-O e C=O

C4 Ligaes qumicas do tipo O-C=C

Cab Chroma ou saturao

Circ K; Circ M Circularidade do ponto preto; circularidade do ponto magenta

D Dimetro de poro

d Parmetro associado incerteza do tempo zero, na lei cintica de espalhamento

d(t) Profundidade de penetrao ajustada

xviii

d0 Dimetro da gota antes do impacto

dexp(t) Profundidade de penetrao calculada a partir de valores experimentais

DI C Densidade tica de impresso do ciano

DI K Densidade tica de impresso do preto

DI M Densidade tica de impresso do magenta

DI Y Densidade tica de impresso do amarelo

DM Direo mquina

DT Direo transversal

Ec Energia cintica

EDisp Componente dispersiva da energia de superfcie

EPolar Componente polar da energia de superfcie

ETotal Energia de superfcie

Gan K; Gan M Ganho do ponto preto; ganho do ponto magenta

h. Energia do foto de raios-x incidente

ICB Inter color bleed

k Constante emprica na lei que descreve a profundidade de penetrao

K Preto

l Comprimentos de amostragem

l(t) Distncia de penetrao do lquido no capilar

L* Luminosidade

l/l* Razo entre o raio da rea molhada e o valor mximo da rea molhada

L/Lm Razo entre o raio de base da gota e o valor mximo do raio de base da gota

Larg Largura da linha preta

Lex Impressora Lexmark

M Magenta

Max Tempo de molhagem

n Constante emprica da lei que descreve a cintica de espalhamento

N/C Razo azoto/carbono

N1s Orbital 1s do azoto

O/C Razo oxignio/carbono

Oh Nmero de Ohnesorge

Opac Opacidade

P Presso

Perm ar Permeabilidade ao ar

Poros Porosidade aparente

r Raio do capilar

r(t) Raio da gota ao longo do tempo

R(t) Raio de absoro radial ao longo do tempo

R0 Refletncia de uma nica folha sobre suporte preto

R Fator de refletncia

Ra Mdia aritmtica da rugosidade

Rag Raggedness da linha preta

Re Nmero de Reynolds

Rmax Refletncia do papel

Rmin Refletncia da linha

Rp Altura mxima do pico

Rq Raiz quadrada da mdia da rugosidade

Rt Altura mxima do perfil

xix

Rv Profundidade mxima do vale

Rz Altura de dez pontos

t Tempo

t* Tempo adimensional

t/t*p Razo entre o tempo e o tempo de espalhamento total

V(t)absorvido Volume absorvido ao longo do tempo

V(t)evaporado Volume evaporado ao longo

V(t)gota Volume da gota ao longo do tempo

vel95 Velocidade de penetrao quando a intensidade do sinal de ultrassons passa de 95% para 90% da intensidade mxima

VT Vista de topo

W Parmetro relacionado com a rugosidade, porosidade de superfcie e colagem superficial do papel, no ensaio PDA

We Nmero de Weber

Y Amarelo

yi Desvios de altura da superfcie

FRx.1 Formulao composta apenas por composto qumico

FRx.2 Formulao composta por composto qumico e amido em igual proporo

Abreviaturas

AFM Microscopia de fora atmica

AKD Dmero de alquilceteno

Al3+ Io alumnio

ASA Anidrido alcenilsuccnico

AZC Carbonato de amnio-zircnio

Ca2+ Io clcio

CELPA Associao da Indstria Papeleira

CIELAB Espao de cores definido pela Comission Internationale dEclairage

CLSM Microscopia confocal de varrimento laser

CMC Carboximetilcelulose

CMYK Sistema de cores usado pela impressora (ciano, magenta, amarelo e preto)

COO- Io carboxilato

Cryo-SEM Crio-microscopia eletrnica de varrimento

CTAB Brometo de hexadeciltrimetilamnio

DNA cido desoxirribonucleico

DOD Drop-on-demand

EDS Espectrometria de raio-x de disperso de energias

ESCA Espectroscopia eletrnica para anlise qumica

FWA Agente branqueador fluorescente

GCC Carbonato de clcio natural

HP Hewlett-Packard

IGC Cromatografia de gs inversa

IGT Sistema para testes de imprimabilidade IGT (Instituut voor Grafische Techniek TNO)

IR Infravermelho

ISO International Organization for Standardization

K&N Teste de imprimabilidade da K& N Laboratoires, Inc

MEMS Sistemas microeletromecnicos ou tecnologia de microssistemas

MF Melamina-formaldedo

MFP Impressoras multifuncionais

NR4+ Io amnio

xx

OBA Agente branqueador tico

OCT Tomografia de coerncia tica

OH Hidroxilo

PAE Poliamida-epiclorohidrina

PC Componente principal

PCA Anlise de componentes principais

PCC Carbonato de clcio precipitado

PDA Anlise de penetrao dinmica

PEI Polietilenoimina

PLED Dodo emissor de luz

PO33- Io fosfito

Poli-DADMAC Cloreto de polidialildimetilamnio

PPS Parker Print-Surf

PVA lcool polivinlico

PVP Polivinilpirrolidona

RFID Identificao por rdio frequncia

SB3-14 N-tetradecil-N,N-dimetil-3-amnio-1-propanosulfato

SEM Microscopia eletrnica de varrimento

SFP Impressoras de funo nica

SMA Estireno-anidrido maleico

SMAI Estireno-anidrido maleico imida

SO32- Io sulfito

THAM Tris(hidroximetil)aminometano

Ti4+ Io titnio

ToF-SIMS Espectrometria de massa de ies secundrios por tempo-de-voo

UF Ureia-formaldedo

UV Ultravioleta

X-CT Microtomografia de raios-x

XPS Espectroscopia de fotoeletres de raios-x

1

Captulo 1 Contexto, objetivos e organizao da

tese

O rpido desenvolvimento da tecnologia de impresso digital criou novas oportunidades para

a produo de material impresso. Com o crescimento dos computadores pessoais, a impresso

tornou-se uma rotina nos escritrios e lares domsticos. O aumento das cmaras digitais e a

internet aceleraram ainda mais o uso da tecnologia de impresso digital, assim como,

promoveram uma maior utilizao da cor.

As impressoras inkjet e as impressoras laser so dois dos mais populares tipos de impressoras

no mercado atual. Estas podem ser impressoras multifuncionais (MFP) ou impressoras de

funo nica (SFP). Com uma expedio mundial de 34 milhes de impressoras no quarto

trimestre de 2009, as impressoras inkjet e laser dominaram o mercado. As unidades de

impresso inkjet representaram 23,8 milhes de impressoras, o que equivale a 70% do total

de expedies registadas no perodo mencionado. Alm disso, o sector de mercado inkjet o

maior representante no segmento das impressoras multifuncionais, com uma taxa superior a

75%. Isto, apesar do facto de as impressoras MFP inkjet a cores registarem apenas o terceiro

maior crescimento, 2% inferior ao obtido para as impressoras MFP laser a cores (8%)

(Printcountry.com, 2010). A impresso inkjet, assim, um dos processos de impresso mais

usados, pois permite produzir imagens a cores com elevada qualidade e a baixo custo

(Jrgens, 1999).

O papel o material mais utilizado nos processos de impresso, pois econmico e

reciclvel. O setor de pasta e papel dos que mais contribui para a economia nacional.

Segundo a CELPA, em 2010, a produo total de papel e carto, em Portugal, aumentou 25,7%

relativamente a 2009, tendo os papis para uso grfico representado 70,3% da produo

nacional de papel. Estes dados colocam Portugal como o 2 maior produtor europeu de papel

fino no revestido (CELPA, 2012). Deste modo, assume especial relevncia o estudo dos

mecanismos de interao tinta/papel que contribuem para a qualidade de impresso inkjet

em papis no revestidos.

A qualidade de impresso determinada pelas interaes entre a tinta e o papel. Estas

interaes dependem das propriedades fsicas e qumicas do papel e das tintas utilizadas

(Kowalczyk e Trksak, 1998; Fleming et al., 2003; Xu et al., 2005; Hodgson, 2007; Moutinho et

al, 2007; Provost e Lavery, 2009; Lamminmki et al., 2010; Saraiva et al., 2010; Sousa et al.,

2010a; Lamminmki et al., 2011b; Sousa et al., 2010b). Os tratamentos de superfcie do

papel so de extrema importncia com vista melhoria da qualidade de impresso inkjet. Os

papis multifuncionais so papis no revestidos, mas com colagem superficial.

2

Existem poucos estudos publicados sobre esta temtica e, na maior parte deles, as interaes

entre a tinta e o papel no so discutidos com detalhe (Moutinho et al, 2007; Pauler et al.,

2009; Costa et al., 2010; Saraiva et al., 2010; Sousa et al., 2010b; Lundberg, 2011). Segundo

Kannangara e Shen (2008), o processo de espalhamento de gotas incidentes sobre a superfcie

do papel configura as condies iniciais para o subsequente wicking1 e penetrao da tinta no

papel, os quais, por sua vez, influenciam a qualidade de impresso. Contudo, apesar da

dinmica de espalhamento de lquidos em superfcies slidas porosas e no porosas, ter vindo

a ser amplamente estudada, nunca foi efetivamente estabelecida qualquer relao com a

qualidade de impresso (Apel-Paz e Marmur, 1999; Wgberg e Westerlind, 2000; Clarke et al.,

2002; Holman et al., 2002; Modaressi e Garnier, 2002; Park et al., 2003; Starov et al., 2003;

von Bahr et al., 2003; Alleborn e Raszillier, 2004; Bouchon, 2004; Desie et al., 2004; Ikegawa

e Azuma, 2004; Daniel e Berg, 2006; Girard et al., 2006; Kannangara et al., 2006; Alleborn e

Raszillier, 2007; Attan et al., 2007; Kannangara e Shen, 2008; Lim et al., 2009; Son e Kim,

2009; Lundberg et al., 2011). Relativamente aos fenmenos de absoro existem vrios

estudos publicados, tendo sido desenvolvidos vrios modelos para descrever a cintica de

penetrao em diferentes materiais porosos (Oliver et al., 1994; Wgberg e Wgberg, 1996;

Schoelkopf et al., 2000; Martic et al., 2003; Bouchon, 2004; Martic et al., 2004; Hilpert e

Ben-David, 2009; Masoodi e Pillai, 2010; Lundberg et al., 2011; Masoodi et al., 2011). No

entanto, semelhana do que sucede com o processo de espalhamento, os resultados

alcanados no foram usados para avaliar o seu impacto na qualidade de impresso inkjet.

Esta tese reporta a influncia da modificao qumica da superfcie do papel, utilizando

formulaes preparadas com compostos comerciais, nas propriedades estruturais e de

superfcie dos papis, e a sua relao com os parmetros de avaliao da qualidade de

impresso inkjet. As impressoras utilizadas nos testes de impresso permitem avaliar, quer as

tintas base corante, quer as tintas base pigmento, assim como compreender as interaes

fsico-qumicas entre as tintas e os compostos qumicos utilizados na modificao da

superfcie do papel. A dinmica de interao entre as gotas de tinta e o papel compreende a

competio entre os processos de espalhamento e absoro. Nesta tese, a dinmica de

interao entre as gotas de tinta e o papel avaliada atravs de um sistema tico

experimental que permite a aquisio simultnea de imagens segundo trs vistas distintas:

duas laterais que monitorizam a evoluo do ngulo de contacto, rea de espalhamento e

volume da gota, e uma de topo que permite visualizar a rea de absoro radial. Os

resultados da dinmica de interao so correlacionados com os parmetros tcnicos de

avaliao da qualidade de impresso.

Esta tese est organizada em 6 captulos. Neste primeiro captulo descreve-se o contexto em

que se insere este trabalho, os objetivos e a organizao da tese.

1 Wicking - espalhamento da tinta por ao capilar ao longo das fibras do papel (Jrgens, 1999).

3

Os conceitos bsicos de impresso inkjet, tinta, papel, tratamentos de superfcie e qualidade

de impresso inkjet, assim como a reviso da literatura sobre o conhecimento atual dos

fenmenos de interao tinta/papel, e as metodologias de avaliao do espalhamento e da

penetrao de lquidos, sero apresentados no captulo 2.

Os captulos 3 a 5 contm os resultados experimentais, distribudos da seguinte forma:

No captulo 3 so apresentados os compostos qumicos e a metodologia experimental usada

para a modificao qumica da superfcie do papel. So tambm referidos os mtodos

utilizados na caracterizao das propriedades estruturais e de superfcie dos papis

produzidos. O efeito das modificaes realizadas discutido em termos das seguintes

propriedades: gramagem de formulao aplicada, espessura, porosidade aparente,

permeabilidade ao ar, lisura Bekk e parmetros de rugosidade, opacidade e brancura,

composio qumica da superfcie, energia de superfcie e penetrao dinmica de gua.

O captulo 4 apresenta o efeito da modificao qumica da superfcie do papel na qualidade

de impresso inkjet. Este captulo inicia-se com a descrio da metodologia usada para a

avaliao da qualidade de impresso. Os resultados obtidos para os diferentes parmetros

tcnicos de avaliao da qualidade de impresso so analisados com base nas propriedades

estruturais e de superfcie determinadas no captulo 3. As relaes entre estes dois conjuntos

de variveis (propriedades do papel/qualidade de impresso) so identificadas atravs da

anlise de componentes principais (PCA). As diferenas registadas entre as duas impressoras,

relativamente ao desempenho na impresso, so discutidas tendo em considerao a natureza

distinta da substncia que confere cor e as diferenas de tenso superficial das tintas.

O captulo 5 refere-se ao estudo da dinmica de interao entre as gotas de tinta ejetadas

sobre a superfcie de alguns dos papis modificados. A metodologia adotada para este estudo

descrita no incio do captulo. A cintica de espalhamento das gotas de tinta preta

descrita por uma lei de potncia. Faz-se, tambm, a avaliao da dependncia da

profundidade de penetrao da tinta com o tempo. Os resultados obtidos so discutidos com

base nas propriedades dos papis, como energia de superfcie, componente polar e

permeabilidade ao ar, e com base nas propriedades das tintas, como tenso superficial e

viscosidade. No final do captulo, avaliada a relao entre os parmetros resultantes da

dinmica de interao tinta/papel e os parmetros de avaliao da qualidade de impresso.

O captulo 6 contm as concluses mais relevantes do trabalho realizado no mbito da

presente tese, assim como algumas perspetivas para trabalho futuro.

4

Captulo 2 Introduo geral

2.1 Tecnologia e tintas de impresso inkjet

A palavra inkjet tornou-se bastante familiar pela presena constante no quotidiano dos

consumidores, pois representa um mtodo de impresso de ficheiros digitais, fivel, rpido,

simples e de baixo custo (Hudd, 2009).

O ncleo das impressoras inkjet consiste na cabea de impresso, a qual gera e deposita

diretamente no substrato milhes de minsculas gotas de tinta de aproximadamente 10 pL de

volume (Hudd, 2009; Martin et al., 2008). O processo de impresso inkjet um processo sem

contacto, pois a tecnologia utilizada permite aplicar a tinta no substrato, em localizaes

definidas digitalmente, sem existir contacto fsico ou presso entre o sistema de impresso e

o papel (Hon et al., 2008; Jrgens, 1999; Kettle et al., 2010).

Ao longo dos ltimos 30 anos, as impressoras inkjet tornaram-se habituais em pequenos

escritrios e lares domsticos. O rpido desenvolvimento desta tecnologia permitiu a sua

introduo em contexto industrial, encontrando aplicao na codificao e marcao de

produtos (Hon et al., 2008). Mais recentemente, esta tecnologia tem sido utilizada em

aplicaes no grficas, para deposio digital controlada de materiais estruturais e

funcionais (escrita direta), para formar dispositivos eletrnicos, biolgicos, polimricos e

metlicos (Hon et al., 2008; Martin et al., 2008; de Gans et al., 2004).

O sucesso da impresso inkjet deve-se combinao de importantes caractersticas de

impresso numa nica tecnologia, designadamente: cor, velocidade e resoluo elevadas,

baixo custo e versatilidade de impresso em diferentes substratos (Jrgens, 1999).

Geralmente, considera-se que um sistema inkjet composto por trs elementos: a tecnologia

de impresso, a tinta e o substrato (Lindqvist et al., 2006; Hodgson, 2007; Provost e Lavery,

2009), contribuindo cada um deles para o resultado da qualidade de impresso. A tecnologia

de impresso afeta a formao da gota e a estabilidade do fluxo. Na tinta, parmetros como a

viscosidade, a tenso superficial e a estabilidade so bastante importantes. Relativamente ao

substrato de impresso, a energia de superfcie e a rugosidade determinam a adeso da tinta.

Por outro lado, tambm as interaes dinmicas tinta/substrato, como o impacto,

espalhamento e penetrao da tinta no substrato, afetam a qualidade final da impresso

(Lindqvist et al., 2006).

5

2.1.1 - Aplicaes

A impresso nos escritrios e lares domsticos a principal aplicao do processo inkjet. A

combinao do uso de computadores pessoais e a possibilidade de imprimir a cores com

elevada qualidade estimulou a impresso pessoal (Martin et al., 2008). Na realidade, o grande

incremento da tecnologia inkjet ocorreu no incio dos anos 80, principalmente devido ao

aparecimento dos computadores pessoais (Svanholm, 2007). Apesar desta tecnologia ter vindo

a ser utilizada desde os anos 50 em instrumentao mdica pela Siemens, e de na dcada de

70 ter atingido o sucesso comercial na codificao de equipamentos a elevada velocidade, o

potencial desta tecnologia em aplicaes industriais s agora largamente reconhecido

(Hudd, 2009). A sua utilizao nesta rea envolve a codificao e marcao de embalagens ou

produtos a elevada velocidade, o endereamento de correio, o fabrico de portas e mobilirio

imitando madeira, e impresses grficas em formato largo para interior e exterior como

sinaltica, cartazes, expositores, outdoors e estandartes. Outras aplicaes incluem a

decorao de txteis e cermica (Hudd, 2009). Em aplicaes industriais mais recentes, o

sistema inkjet utilizado como parte do processo de fabrico do produto, para imprimir

materiais estruturais ou funcionais (Martin et al., 2008). Neste mbito, encontram-se

aplicaes em diversas reas, nomeadamente biomdica e cincias da vida, como por

exemplo na preparao de micromatrizes de DNA (de Gans et al., 2004; Pierik et al., 2008),

impresso/funcionalizao de estruturas para a regenerao de tecidos, e diagnsticos em

papel (Khan et al., 2010). No domnio da eletrnica, o sistema inkjet utilizado na produo

de dispositivos como resistncias, condensadores, transstores e semicondutores embutidos

em placas de circuitos e microbaterias (Hon et al., 2008), mostradores PLED (dodo

polimrico emissor de luz) usados em monitores de ecr plano (de Gans et al., 2004) e clulas

solares (Hon et al., 2008), etiquetas RFID (identificao por rdio frequncia) (Hodgson, 2007;

Martin et al., 2008) e MEMS (sistemas microeletromecnicos ou tecnologia de microssistemas)

(Fuller et al., 2002). Na rea da tica, a impresso inkjet aplicada na produo de

microlentes e guias de onda ticas (Hon et al., 2008). A impresso tridimensional para

prototipagem rpida utilizada em cermica (de Gans et al., 2004). A figura 2.1 ilustra

algumas das aplicaes da tecnologia de impresso inkjet.

Figura 2.1 - Aplicaes da tecnologia de impresso inkjet: a) microesferas que podem ser carregadas

com fator de crescimento do nervo; b) pontos de 500 m de um dodo polimrico emissor de luz; c)

sistema de guias de onda ticas (MicroFab, 2011).

http://www.microfab.com/images/stories/split32.JPG

6

2.1.2 Tecnologia inkjet

A tecnologia de impresso inkjet pode ser fundamentalmente descrita como a ejeo de

gotas de um fluido, digitalmente controlada, a partir da cabea de impresso para um

substrato. No entanto, este processo pode ser realizado de vrias formas (Hudd, 2009). A

tecnologia inkjet , normalmente, classificada em duas categorias principais: fluxo contnuo e

drop-on-demand (DOD), podendo estas ser divididas em diversas subcategorias, dependendo

das diferentes tcnicas usadas para gerar e depositar a gota de tinta (Stanton, 2007; Martin et

al., 2008; Hudd, 2009; Kettle et al., 2010; Derby, 2010). A figura 2.2, mostra as diferentes

variantes tecnolgicas das impressoras inkjet (Stanton, 2007), no entanto, nem todos os

autores fazem referncia s subcategorias apresentadas.

Figura 2.2 - Categorias e subcategorias da tecnologia de impresso inkjet (adaptado de Stanton, 2007).

Na tecnologia de impresso inkjet de fluxo contnuo, as gotas so formadas constantemente,

contudo, apenas algumas so depositadas no substrato de acordo com a informao digital a

imprimir. Na tecnologia DOD as gotas de tinta so ejetadas somente quando so necessrias

para imprimir (Kettle et al., 2010).

Fluxo contnuo

Tal como referido anteriormente, no processo de impresso inkjet de fluxo contnuo, as gotas

so formadas a partir de um fluxo contnuo de tinta, o qual, sob presso, forado a sair pelo

injetor (Martin et al., 2008). Quando se impe uma perturbao, por exemplo atravs da

vibrao de um cristal piezoeltrico, o fluxo de tinta divide-se em gotas (Martin et al., 2008;

Hudd, 2009). As gotas so seletivamente carregadas por um eltrodo e quando passam atravs

de um campo eltrico constante, estas so defletidas lateralmente em direo ao substrato a

imprimir, sendo depositadas a diferentes nveis dependendo da magnitude da sua carga. As

7

gotas no carregadas e, por isso, no defletidas, so recolhidas num canal e a tinta

reutilizada (Jrgens, 1999; Stanton, 2007; Martin et al., 2008; Hon et al., 2008). Este sistema

de impresso inkjet designado por deflexo mltipla (Stanton, 2007). Um outro sistema de

deflexo designado por binrio, pois a gota ou carregada ou permanece sem carga, sendo

depositada numa das duas localizaes possveis: no substrato ou no canal para reutilizao

(Stanton, 2007; Derby, 2010). A figura 2.3 apresenta um esquema ilustrativo do princpio de

funcionamento do sistema de impresso inkjet de fluxo contnuo.

Figura 2.3 - Princpio de funcionamento do sistema inkjet de fluxo contnuo (adaptado de Martin et al.,

2008).

A tecnologia de impresso inkjet contnua gera gotas com um dimetro tpico de 120 m e

velocidades entre 10 e 20 m/s (Hon et al., 2008). principalmente utilizada em aplicaes

que exijam elevada velocidade e permitam baixa resoluo, nomeadamente na codificao e

marcao de embalagens (Lindqvist 2006; Hudd, 2009). Apresenta como desvantagem a baixa

resoluo de impresso, elevada manuteno, limitaes quanto composio da tinta pelo

facto desta ser eletricamente carregada e, adicionalmente, a utilizao de solventes volteis

nocivos ao ambiente (Hudd, 2009).

Drop-on-demand

As impressoras inkjet DOD geram gotas individuais apenas quando necessrio, sendo assim

mais econmicas na utilizao da tinta comparativamente s de fluxo contnuo (Derby, 2010).

Apresentam menores velocidades de impresso, mas permitem maior resoluo (Lindqvist

2006). As gotas geradas tm um dimetro tpico de 50 m e uma velocidade compreendida

entre 5 e 10 m/s (Hon et al., 2008). Esta a tecnologia dominante em impresses de imagens

e texto, nomeadamente nas impresses de formato largo, nos escritrios e nos lares

domsticos (Lindqvist 2006; Derby, 2010).

Na tecnologia inkjet DOD, as gotas so formadas pela propagao de um pulso de presso na

tinta contida numa cmara atrs do injetor (Derby, 2010). O mecanismo utilizado para gerar

8

esse pulso de presso define os trs tipos de sistemas de impresso inkjet DOD: trmico,

piezoeltrico e eletrosttico (Martin et al., 2008; Hudd, 2009).

Na impresso DOD trmica (ou bubble jet), as gotas so formadas pelo aquecimento rpido de

um elemento trmico presente na cmara que contm a tinta (cmara de injeo),

provocando assim a vaporizao da tinta que est em contacto com esse elemento. A

vaporizao da tinta gera uma bolha que colapsa aps o elemento trmico cessar o

aquecimento, provocando deste modo um pulso de presso que impele uma gota de tinta a

ser lanada do injetor em direo ao substrato (Hudd, 2009; Derby, 2010) (figura 2.4a). A

ejeo da gota deixa um vazio na cmara que preenchido pela tinta contida no

reservatrio, podendo assim recomear o processo de gerao de uma nova gota.

As vantagens do sistema inkjet DOD trmico centram-se no pequeno tamanho das gotas e na

elevada densidade de injetores presentes numa cabea de impresso, conduzindo a sistemas

compactos e de baixo custo (Hudd, 2009). A desvantagem deste processo est associada s

limitaes da composio das tintas utilizadas, pois tm que ser relativamente volteis, e

simultaneamente suportarem o efeito das temperaturas elevadas sem alterarem a sua

funcionalidade (Jrgens, 1999; Hon et al., 2008; Hudd, 2009). As impressoras fabricadas pelas

empresas Hewlett-Packard (HP), Canon e Lexmark utilizam a tecnologia DOD trmica (Hudd,

2009).

Relativamente ao processo DOD piezoeltrico, o pulso de presso gerado por uma ao

mecnica direta usando um elemento piezoeltrico. Esse pulso de presso provoca a projeo

de uma gota de tinta a partir do injetor (figura 2.4b) (Stanton, 2007; Martin et al., 2008;

Hudd, 2009). Este processo no coloca restries ao nvel da composio da tinta (Jrgens,

1999; Hon et al., 2008; Hudd, 2009). A Epson a principal fabricante de impressoras com

tecnologia piezoeltrica (Hudd, 2009).

Figura 2.4 - Princpio de funcionamento do sistema de impresso DOD: a) trmico; b) piezoeltrico

(adaptado de Stanton, 2007); c) eletrosttico (adaptado de Martin et al., 2008).

O processo DOD eletrosttico caracterizado pela utilizao de um campo eltrico para gerar

as gotas (figura 2.4c) (Stanton, 2007; Martin et al., 2008; Hudd, 2009). Este campo, que atua

entre o substrato e o injetor, atrai as cargas livres do interior da tinta para a superfcie, de

9

modo a que se forme uma gota quando a atrao eletrosttica excede a tenso superficial. A

impresso DOD eletrosttica permite obter impresses com elevada resoluo e elevada

densidade tica de impresso, pois tem a possibilidade de gerar gotas de pequeno tamanho e

utiliza tintas mais concentradas. Como desvantagens deste processo destacam-se a

necessidade de utilizar uma tinta condutora e tambm os elevados custos de implementao

desta tecnologia (Hudd, 2009).

2.1.3 - Tintas inkjet

Como j foi referido anteriormente, as variantes da tecnologia de impresso inkjet requerem

a utilizao de diferentes tintas. A composio das tintas e as suas propriedades qumicas no

s determinam as caractersticas de ejeo da gota e a fiabilidade do sistema de impresso,

mas tambm ditam a qualidade da imagem impressa (Le, 1998).

A composio das tintas inkjet bastante variada, dependendo dos diferentes sistemas de

impresso e dos fabricantes de impressoras; alm disso, a constituio da tinta sofre

constantes alteraes com vista melhoria do seu desempenho. Uma tinta aquosa

constituda essencialmente por gua (34,0%-97,6%) e pela substncia que confere cor (corante

ou pigmento) numa proporo que varia entre 1% e 10% (Ryu et al., 2003). No entanto, para

ajustar as propriedades das tintas inkjet, muitos outros aditivos so utilizados em pequenas

quantidades. Em algumas tintas so adicionados agentes humectantes para prevenir o

entupimento dos injetores. Os agentes tensioativos so utilizados para ajustar a tenso

superficial da tinta, permitindo assim controlar a estabilidade da gota e acelerar a molhagem

na superfcie do substrato. A viscosidade deve ser controlada, por meio da adio de um

aditivo polimrico que modifica esta caracterstica da tinta, de modo a assegurar um jato

regular de gotas (Zhmud, 2003; Ryu et al., 2003; Reinhardt e Foucher, 2010). Outros aditivos

das tintas inkjet incluem: biocidas, para evitar o crescimento microbiano; agentes tampo

para controlar o pH; e agentes que previnem a ondulao (curl) do papel impresso (Reinhardt

e Foucher, 2010). Nas tintas base pigmento adicionam-se dispersantes para estabilizar estas

partculas no veculo (gua), podendo funcionar simultaneamente como ligantes, pois, os

pigmentos no tm afinidade qumica pela superfcie do papel (Zhmud, 2003; Provost e

Lavery, 2009; Reinhardt e Foucher, 2010).

A viscosidade da tinta inkjet baixa, variando normalmente entre 1 e 5 cP, de modo a

permitir a rpida formao das gotas (Reinhardt e Foucher, 2010). Contudo, a viscosidade

muito baixa faz aumentar o espalhamento da tinta sobre o papel, contribuindo para uma

menor definio e resoluo das imagens impressas (Thompson, 1998). A tenso superficial da

tinta varia, geralmente, entre 30-45 mN/m (Reinhardt e Foucher, 2010).

10

As tintas inkjet, dependendo do veculo e do mecanismo de secagem, podem ser classificadas

em quatro grupos principais: base aquosa, base solvente, mudana de fase e cura por

radiao ultravioleta (UV) (Hudd, 2009).

As tintas aquosas ou base gua predominam nas impressoras usadas em escritrios e lares

domsticos e tm a vantagem de ser econmicas e ecolgicas (Carr 2000; Hudd, 2009).

Contudo, a sua utilizao em aplicaes industriais relativamente limitada. Por um lado,

estas tintas necessitam de substratos porosos ou especialmente tratados de modo a

originarem impresses durveis, pois apresentam dificuldade de adeso a substratos no

porosos. Por outro lado, muitas das cabeas de impresso do tipo piezoeltricas usadas na

indstria so incompatveis com as formulaes de tinta base gua (Hudd, 2009).

As tintas base solvente so tradicionalmente utilizadas em aplicaes de formato largo devido

compatibilidade com uma gama larga de substratos, excecional qualidade de impresso e

durabilidade da imagem (Carr, 2000; Hudd, 2009). Em termos econmicos, so geralmente

consideradas de baixo custo. As vantagens da utilizao destas tintas incluem a sua

capacidade de adeso a uma larga gama de substratos, assim como o rpido tempo de

secagem. As desvantagens prendem-se com as preocupaes ambientais e a necessidade de

elevada manuteno, devido possibilidade de obstruo dos injetores causada pela secagem

rpida da tinta (Hudd, 2009).

Relativamente s tintas de cura por UV, so concebidas para se manterem como um lquido

estvel at serem curadas atravs de radiao de luz UV, originando uma instantnea

polimerizao da tinta no suporte. Estas tintas so utilizadas na impresso de formato largo,

na decorao de embalagens primrias (embalagens que esto em contacto direto com o

produto) e rotulagem. Apresentam como desvantagens o elevado custo, a necessidade de

instalao do equipamento de cura UV e limitaes em aplicaes que envolvam contacto

com alimentos (Hudd, 2009).

As tintas de mudana de fase, tambm designadas de fuso a quente (hot melt), esto sob a

forma slida e quando introduzidas num sistema compatvel so fundidas antes de serem

usadas na impresso. Estas tintas apresentam como vantagem a secagem muito rpida

(solidificao), sendo por isso muito fcil controlar o espalhamento, oferecem boa opacidade

e so ecolgicas. As principais desvantagens so a falta de durabilidade e a fraca resistncia

abraso. As tintas de mudana de fase so atualmente usadas na impresso de cdigos de

barras em substratos no porosos (Hudd, 2009).

Os quatro tipos de tinta inkjet acima descritos apresentam diferentes mecanismos de

secagem, sumarizados na tabela 2.1.

11

Tabela 2.1 Mecanismos de secagem das diferentes tintas inkjet (Le, 1998).

Tipo de tinta Secagem

Aquosa Absoro/penetrao e evaporao

Solvente Evaporao

Cura por UV Polimerizao

Mudana de fase (Hot melt) Solidificao

A figura 2.5 ilustra o comportamento de uma gota de tinta base aquosa, quando esta atinge a

superfcie de um papel comum. A tinta tende a espalhar-se ao longo das fibras (molhagem) e

a penetrar no interior do papel. A secagem das tintas aquosas efetuada principalmente por

absoro e penetrao, embora possa ocorrer tambm alguma evaporao da gua, sendo

este ltimo mecanismo muito lento. Deste modo, a secagem das tintas aquosas origina baixa

densidade tica de impresso e baixa resoluo. No caso dos papis revestidos, o

espalhamento e a penetrao da tinta controlado ao nvel da camada de revestimento,

permitindo melhorar significativamente a densidade de impresso e a resoluo (Le, 1998).

Figura 2.5 Mecanismo de secagem de uma gota de tinta aquosa num papel comum (adaptado de Le,

1998).

Em termos de tecnologia de impresso, as impressoras de fluxo contnuo utilizam

principalmente tintas base solvente, pelo facto de encontrarem aplicao fundamentalmente

no setor industrial para marcao de embalagens e envolverem a utilizao de substratos no

porosos como vidro e metal (Le, 1998; Carr, 2000). Relativamente s impressoras DOD

trmicas, utilizam essencialmente tintas aquosas, enquanto as impressoras piezoeltricas

podem operar com tintas aquosas, base solvente ou tintas de fuso a quente (Carr, 2000).

Quanto ao tipo de substncia que confere cor, as tintas inkjet podem ser classificadas de base

corante ou base pigmento (Provost e Lavery, 2009; Kettle et al., 2010). Quimicamente, os

corantes existem na tinta como molculas individuais, contrariamente aos pigmentos que

consistem em agregados de milhares de molculas. O corante encontra-se dissolvido no

veculo enquanto o pigmento se encontra sob a forma de partculas slidas dispersas no

Tempo de

molhagem e evaporao

Molhagem,

penetrao e evaporao

Tinta seca

12

veculo da tinta (Jrgens, 1999; Zhmud, 2003). Devido a esta caracterstica, as tintas base

corante provocam menos problemas de entupimento dos injetores do que as tintas

pigmentadas (Le, 1998; Thompson, 1998). Por outro lado, a penetrao das tintas base

corante no papel superior das tintas pigmentadas, isto porque, enquanto o corante tende

a penetrar juntamente com o solvente, as partculas de pigmento ficam retidas na superfcie

do revestimento (Le, 1998). Contudo, a presena de um bolo filtrante de pigmentos na

superfcie do papel uma matria controversa, no tendo sido observado por Shibatani et al.

(2008). As tintas base corante, pelo facto de poderem penetrar mais facilmente no papel,

tendem a originar menor qualidade de impresso do que as tintas pigmentadas,

nomeadamente ao nvel da reproduo de cor. Uma outra vantagem da utilizao das tintas

base pigmento reside na maior estabilidade gua, luz e aos gases poluentes (ozono,

dixido de azoto), comparativamente impresso com tintas base corante (Vogt, 2001;

Vikman 2004; Vikman e Vuorinen, 2004). Os autores Xu et al. (2005) verificaram que a

utilizao de tintas base corante ou base pigmento tem efeitos distintos no brilho da

impresso, dependendo do tipo de papel fotogrfico utilizado para imprimir.

Os corantes mais comuns nas tintas de impresso inkjet so os corantes orgnicos sintticos,

geralmente derivados de hidrocarbonetos aromticos como o benzeno, naftaleno ou

antraceno. De entre os mais utilizados destacam-se os corantes azo e as ftalocianinas. As

molculas de corante azo contm um ou mais grupos azo (-N=N-) ou (-N-N-), para alm do

grupo cido sulfnico que confere solubilidade em gua. a molcula de corante mais comum

nas quatro cores de tinta inkjet (Jrgens, 1999). As ftalocianinas so geralmente solveis em

gua e originam cores fortes. A ftalocianina de cobre encontra-se entre os corantes azuis mais

estveis e com cor mais intensa (Jrgens, 1999; Carr, 2000). Os pigmentos quimicamente

inertes utilizados nas tintas inkjet incluem o negro de fumo (carbon black), azuis de

ftalocianina, amarelos diarilido e vermelhos de sais metlicos (Jrgens, 1999).

As tintas so aplicadas em condies ligeiramente alcalinas (pH 7,5-9,0), da que os grupos

carboxlicos e sulfnicos, normalmente presentes na estrutura dos corantes para os tornar

solveis, estejam ionizados. Deste modo, as tintas normalmente utilizadas na impresso

inkjet apresentam carga aninica (Thompson, 1998; Carr, 2000; Kettle et al., 2010).

A maior parte das impressoras inkjet utiliza quatro tintas: ciano (C), magenta (M), amarelo

(Y) e preto (K). Contudo, nos sistemas de impresso inkjet mais recentes, para alm da srie

CMYK, so tambm includos tinteiros com as cores magenta claro, ciano claro e branco, de

modo a ampliar a gama de cores da impressora (Hudd, 2009).

Em geral, uma formulao de tinta deve preencher os seguintes requisitos: viscosidade e

tenso superficial adequadas, de modo a originar estabilidade do fluxo, elevada densidade

13

tica e uniformidade do ponto; secar rapidamente originando baixo inter color bleed2; boas

caractersticas de cor - tonalidade, luminosidade e saturao (pureza); resistncia gua e

estabilidade de armazenamento (Carr, 2000; Ryu et al., 2003; Zhmud, 2003).

Para alm das tintas tradicionalmente utilizadas na impresso e no mbito das novas

aplicaes da tecnologia inkjet, uma variada gama de materiais podem ser depositados sobre

a superfcie do substrato. A nica restrio utilizao desses materiais que estes se

encontrem na forma lquida e com propriedades reolgicas adequadas no momento da

impresso. Esses materiais incluem metais, cermica, polmeros sintticos e vrios materiais

biolgicos (Hon et al., 2008).

2.2 Papel

No passado, o papel foi o mais importante veculo de informao. Atualmente, o papel um

produto bsico, com um elevado valor prtico na comunicao, na educao, na rea

artstica, higinica e sanitria. No mundo digital, o papel um meio de confiana para

preservao de dados e documentos de longo prazo. As impresses realizadas a partir de

computadores e os documentos grficos, tais como jornais, revistas ou livros, acompanham-

nos ao longo da nossa vida e fazem do papel o material mais usado como suporte de

impresso.

O papel um material complexo, produzido a partir de vrios tipos fibras naturais de

celulose, s quais so adicionadas cargas minerais, constituindo o volume do material. Alguns

aditivos so igualmente usados de modo a melhorar os parmetros do processo de produo

do papel, designadamente, a reteno de partculas finas, otimizao da velocidade de

drenagem, modificao das propriedades de resistncia a seco e a hmido, e aumento da

resistncia absoro de lquidos (Tiberg et al., 2001).

A verstil utilizao do papel como material de embalagem, absorvente e talvez a mais

importante, como veculo de informao, requer a implementao de vrios tratamentos de

superfcie de modo a otimizar o produto com respeito aos requisitos da utilizao final

(Tiberg et al., 2001). Os tratamentos de superfcie, tais como: colagem superficial,

revestimento e calandragem, assumem especial relevncia no caso dos papis utilizados na

impresso inkjet. Os elevados requisitos colocados pelo consumidor em termos de qualidade

de impresso, e o facto de a impresso inkjet utilizar tintas bastante fluidas, exigem um

papel com caractersticas controladas de molhagem e absoro.

2 Inter color bleed - Mistura entre cores impressas adjacentes.

14

2.2.1 Papis para impresso inkjet

O processo de fabrico do papel inclui os seguintes passos: preparao do material fibroso

(cozimento da madeira e tratamentos das fibras); disperso das fibras e cargas minerais em

gua e mistura dos aditivos; formao da folha por drenagem da gua da suspenso de fibras

numa teia; prensagem e secagem; tratamento qumico da superfcie e calandragem (Tiberg et

al., 2001; Holik, 2006).

O papel produzido base de fibras de madeira, sendo, por isso, um material renovvel e

reciclvel (Holik, 2006). Predominantemente so utilizados dois tipos de madeira - folhosas e

resinosas. As resinosas so usadas devido s suas fibras longas, as quais conferem resistncia

mecnica folha, enquanto as folhosas possuem fibras mais curtas, as quais so importantes

para uma boa formao da folha (Roberts, 1996). Assim, para produzir papel comum, a

suspenso fibrosa geralmente constituda por uma mistura de pastas qumicas branqueadas

de folhosas e de resinosas, numa proporo de 80% e 20 %, respetivamente (Thompson, 1998).

O papel tambm constitudo por materiais no fibrosos, tais como cargas minerais, agentes

de colagem, agentes de reteno e drenagem, agentes de resistncia a seco e a hmido, e

branqueadores ticos (Roberts, 1996; Scott, 1996; Thompson, 1998).

As cargas so pigmentos minerais brancos finamente divididos, representando em termos de

peso, o maior componente no fibroso do papel (Scott, 1996; Thompson, 1998). A sua

aplicao no papel tem como objetivo melhorar as seguintes propriedades (Scott, 1996;

Laufmann, 2006):

- as propriedades ticas, tais como, a brancura e opacidade;

- a lisura;

- a formao da folha pelo preenchimento dos espaos vazios na rede fibrosa;

- a imprimabilidade3 devido maior uniformidade da superfcie, maior opacidade e melhor

recetividade da tinta, resultando esta ltima caracterstica numa menor penetrao da tinta,

wicking e strike-through4;

- a estabilidade dimensional do papel, pois a maior parte das cargas permanece inerte quando

molhadas, contrariamente ao que acontece com as fibras;

- a estabilidade do papel no tempo.

Adicionalmente, a utilizao de cargas minerais como substituto de uma parte das fibras traz

benefcios econmicos na produo de papel, dado que as cargas minerais so, em geral, mais

baratas que as fibras. Nos papis comuns, as cargas mais utilizadas so o carbonato de clcio

3 Imprimabilidade - termo genrico indicativo do desempenho do papel durante o processo de impresso (Suontausta, 1999). 4 O termo strike-through descreve a situao em que alguma tinta penetra no interior do papel. Pode ser medido como o nmero ou a cobertura de pontos que so visveis no verso (Oittinen e Saarelma, 1998).

15

precipitado (PCC), o carbonato de clcio natural (GCC), os silicatos amorfos e o caulino, em

teores que podem variar entre 12% e 26%. Noutro tipo de papis, utiliza-se ainda o talco e o

dixido de titnio (Laufmann, 2006).

A composio qumica, morfologia, distribuio de tamanhos, brancura, ndice de refrao,

superfcie especfica, carga eltrica e abrasividade das partculas, so propriedades

fundamentais para caracterizar as cargas (Laufmann, 2006).

Os agentes de colagem interna tornam as fibras e as cargas hidrofbicas, e so utilizados com

o objetivo de controlar as interaes lquido/papel, nomeadamente, o espalhamento e a

absoro de tintas aquosas no papel (Tiberg et al., 2001). As resinas so tradicionalmente

utilizadas como agente de colagem interna em sistemas cidos de produo de papel.

Apresentam como vantagem o fcil controlo do grau de colagem e o facto de o efeito de

colagem ser totalmente alcanado quando o papel sai da mquina (Tiberg et al., 2001;

Auhorn, 2006;). Contudo, o processo de produo de papel atual decorre em condies

neutras e alcalinas, sendo utilizados agentes de colagem sintticos, tais como, o dmero de

alquilceteno (AKD) e o anidrido alcenilsuccnico (ASA) (Thompson, 1998; Tiberg et al., 2001;

Auhorn, 2006). O ASA tem sido preferencialmente usado, devido sua maior reatividade,

desenvolvendo cerca de 80% do poder colante total ainda em mquina. Adicionalmente, a

cura do ASA ocorre temperatura ambiente, enquanto no caso do AKD necessria

temperatura adicional (Scott, 1996).

Os agentes de reteno e drenagem so utilizados com o objetivo de reduzir a perda de finos

e cargas e melhorar a drenagem da gua durante a formao da folha (Auhorn, 2006). Estes

agentes podem ser classificados em trs categorias: sais inorgnicos, polmeros naturais e

polmeros sintticos (Roberts, 1996; Scott, 1996; Auhorn, 2006). Na primeira categoria,

salientam-se o sulfato de alumnio, o cloreto de polialumnio e o cloreto de clcio. Algumas

cargas inorgnicas, como por exemplo a slica e a bentonite, podem ser usadas em conjunto

com estes polmeros (Scott, 1996). O amido catinico sem dvida o agente de reteno mais

usado na categoria dos polmeros naturais (Roberts, 1996; Scott, 1996). Os polmeros

sintticos representam o maior grupo de agentes de reteno e drenagem. Caracterizam-se

pela sua solubilidade em gua e podem ser no inicos, catinicos, aninicos ou anfotricos,

(Scott, 1996). Exemplos destes polmeros incluem poliacrialmidas, poliaminas, cloreto de

polidialildimetilamnio (poli-DADMAC), xido de polietileno e polietilenoiminas (Scott, 1996;

Auhorn, 2006).

Frequentemente necessrio aumentar as propriedades de resistncia do papel utilizando

meios qumicos, principalmente quando os meios mecnicos originam efeitos indesejados,

como por exemplo a diminuio da opacidade (Roberts, 1996). Os agentes de resistncia a

seco so normalmente polmeros naturais ou sintticos, solveis em gua e capazes de formar

ligaes de hidrognio. Comercialmente os mais importantes so o amido, gomas vegetais e

poliacrilamidas, sendo o primeiro o mais utilizado (Roberts, 1996; Scott, 1996; Auhorn, 2006).

16

Novos tipos de polmeros recentemente desenvolvidos na forma de polivinilformamida e

polivinilamina tm sido introduzidos como agentes de resistncia a seco (Auhorn, 2006).

Os agentes de resistncia a hmido permitem que uma folha, aps ser molhada, tenha a

capacidade de manter parte da sua resistncia a seco (Roberts, 1996). Os agentes de

resistncia a hmido mais comuns so as resinas ureia-formaldedo (UF) e melamina-

formaldedo (MF) para sistemas de produo de papel em meio cido, enquanto que nos

sistemas alcalinos e neutros utilizam-se as resinas poliamida-epiclorohidrina (PAE) (Roberts,

1996; Scott, 1996; Auhorn, 2006).

Existem duas teorias que explicam o mecanismo de resistncia humidade; a primeira afirma

que, em parte, a resistncia se deve reao entre a resina e a celulose, a qual conduz

formao de ligaes ter. A outra teoria assume que as resinas, quando expostas ao calor na

seco de secagem, formam uma rede reticulada em redor das fibras, protegendo as ligaes

de hidrognio interfibras, e inibindo deste modo a absoro de gua e o intumescimento. A

formao das ligaes qumicas no est concluda no final do processo de produo de papel,

atingindo-se o mximo da resistncia a hmido apenas uma a trs semanas mais tarde (Scott,

1996; Auhorn, 2006).

Os branqueadores ticos (OBA) ou agentes branqueadores fluorescentes (FWA) so produtos

qumicos adicionados suspenso de fibras com o objetivo de aumentar a brancura do papel

(Scott, 1996; Auhorn, 2006). So tambm usados nos tratamentos qumicos de superfcie.

Derivados de cido diaminostilbeno disulfnico so os agentes branqueadores mais usados na

indstria devido s suas propriedades de estabilidade. Os OBAs absorvem a luz na gama

ultravioleta do espectro (abaixo dos 370 nm) e reemitem-na no visvel na gama do azul (457

nm). Como resultado, obtm-se um efeito fluorescente em que o branco brilhante luz do

dia dissimula o amarelo intrnseco da pasta branqueada (Auhorn, 2006).

Existem, fundamentalmente, dois tipos de papis utilizados na impresso inkjet: o papel

comum e o papel revestido. O papel comum, tipicamente utilizado em ambiente de escritrio

para mltiplas aplicaes, colado internamente e por vezes calandrado (Jrgens, 1999). A

penetrao da tinta na estrutura do papel e o espalhamento da mesma por ao capilar ao

longo das fibras contribuem para a diminuio da densidade de impresso, aumento do print-

through5, e reduo da definio (Jrgens, 1999). Uma imagem bem definida, sem wicking

nem inter color bleed, com elevada densidade tica de impresso e sem strike-through, pode

ser obtida usando papel revestido com uma formulao composta por slica gel, lcool

polivinlico (PVA), e/ou carboximetilcelulose (CMC) e um polmero catinico de baixa massa

molecular, como por exemplo, polietilenoimina modificada, polivinilamina ou poliacrialmida

(Auhorn, 2006). O papel ideal para impresso inkjet deve absorver rapidamente o veculo da

5 Print-through - impresso visvel no verso da folha, devido grande penetrao da tinta na estrutura do papel. medido como a densidade tica no verso da folha (Oittinen e Saarelma, 2000).

17

tinta e, simultaneamente, reter o corante ou pigmento na superfcie (Ryu et al., 1999). A

reteno do corante na superfcie minimiza o inter color bleed e o print-through, e melhora a

definio e a densidade tica da imagem impressa (Donigian et al., 1999; Sangl e Weigl, 1999;

Kettle et al., 2010).

2.2.2 Tratamentos de superfcie

A qualidade de impresso depende do espalhamento e da penetrao da tinta, os quais so

controlados quer pelas propriedades da tinta (tenso superficial e viscosidade), quer pelas

propriedades do papel (energia de superfcie, rugosidade e porosidade). As propriedades do

papel podem ser modificadas atravs de diferentes tratamentos de superfcie. Estes

tratamentos podem ser qumicos, como a colagem superficial e o revestimento e/ou

mecnico como a calandragem.

O processo de colagem superficial consiste na aplicao de uma camada contnua de uma

formulao cujo teor de slidos pode variar entre 2% e 15%, sendo essencialmente constituda

por ligantes (normalmente amido) juntamente com uma agente hidrofbico (Heikkil et al.,

2000; Tiberg et al., 2001). Por sua vez, o revestimento consiste na deposio de uma camada,

com uma espessura de cerca de 10 m, de uma formulao constituda essencialmente por

pigmentos, ligantes e aditivos funcionais, cujo teor de slidos pode variar entre 50% e 70%

(Tiberg et al., 2001; Fardim, 2002). O processo de calandragem consiste na passagem do

papel entre dois rolos sob presso. Este processo tem como objetivo melhorar as propriedades

de superfcie do papel como a lisura e o brilho. Adicionalmente reduz a porosidade interna e

de superfcie, diminuindo a absoro de lquidos e a permeabilidade ao ar (Rtt et al., 2001;

Schuman et al., 2003).

Os processos de colagem superficial e revestimento so a seguir descritos mais

pormenorizadamente.

Colagem superficial

A colagem superficial consiste em aplicar na superfcie do papel, uma camada contnua

(filme) de uma soluo, tradicionalmente composta por amido e agentes hidrofbicos. Este

processo tem como objetivo principal melhorar a imprimabilidade do papel, proporcionando

resistncia penetrao de lquidos e melhorando propriedades de superfcie e fsicas como a

resistncia superficial e