SIMULAÇÃO E CONTROLO DA QUALIDADE DO PAPEL PARA IMPRESSÃO A JACTO DE TINTA
António F. M. Silva1, Ana Margarida Fadigas2, José Ataíde2, José M. R. C. A. Santos1, M. H. Gil1 1
CIEPQPF - Departamento de Engenharia Química, Universidade de Coimbra, Pólo II – Pinhal de Marrocos, 3030-290 Coimbra, Portugal
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Portucel SA, Apartado 55 – 2901-861 Setúbal, Portugal
Resumo
O mercado para as impressoras a jacto de tinta está em pleno crescimento, nomeadamente no sector SOHO,”small office, home office”, sendo que neste sector, as necessidades são imprimir documentos com rapidez e qualidade. Devido ao constante aumento na rapidez da impressão em conjunto com o uso de diferentes cores, torna-se necessário desenvolver um tipo de papel que seja adequado a este mercado alvo. Um papel específico para impressão a jacto de tinta, tem um preço elevado o que o afasta do sector SOHO. Com este trabalho pretendeu-se simular em laboratório dois papéis comerciais: - não revestido (PCNR) e revestido (PCR). Os resultados obtidos nos papéis laboratoriais são comparáveis aos dos papéis comerciais, em termos de propriedades de sorção e qualidade de impressão jacto de tinta.
Objectivo
Desenvolver um método de simulação de tratamento superficial que permita gerar amostras laboratoriais comparáveis com papéis comerciais em termos de impressão a jacto de tinta.
Introdução
Neste trabalho pretendeu-se reproduzir dois tipos de papéis, utilizando tratamentos de superfície diferentes. O primeiro apenas utiliza como tratamento de superfície amido nativo e um agente hidrófobo de base estireno e acrilato que confere hidrofobicidade à superfície – papel não revestido. O segundo é considerado um papel revestido, no qual é utilizado um agente inorgânico com elevada área de superfície (sílica), além dos agentes de ligação, tais como poli(álcool vinilico) e amido.
Com o intuito de comparar os papéis simulados em laboratório com os papéis comerciais, torna-se também necessário proceder à caracterização dos papéis comerciais. No que diz respeito à caracterização utilizaram-se as diferentes técnicas de caracterização disponíveis, nomeadamente:
- Determinação de ângulo de contacto, diâmetro da base e volume da gota dinâmicos
- Determinação da absorção da tinta no papel através do teste Bristow Absorption Tester (BAT) - Caracterização da superfície por SEM
- Impressão e análise de imagem
Procedimento Experimental Matérias primas
- Água - Sol. de amido nativo a 14 %
- Branqueador óptico (OBA) - Sílica
- Poli(álcool vínilico) (PVA) - Tinta preta HP 45 - Agente hidrófobo de base estireno acrilato - Papel não revestido
(papel base)
Equipamento
- Máquina de revestir papel
- Equipamento de medição de ângulos de contacto (OCA 20 da Dataphysics)
- Equipamento de determinação de absorção de tinta em papel (Bristow Absorption Tester) - Equipamento de caracterização SEM (JSM 5310)
- Impressora HP deskjet 6122 - Densitómetro (Fag Vipdens 1000P)
Preparação e Aplicação de Formulações por forma a obter os Papéis Simulados em Laboratório As amostras laboratoriais foram tratadas superficialmente, com as formulações indicadas na tabela 1
Tabela 1 – Formulações utilizadas para tratamento de superfície do papel base
Formulação Tratamento Sólidos
(%) Papel laboratorial não revestido
(PLNR)
Amido Estireno acrilato
OBA
14,7
Papel laboratorial revestido (PLR)
Sílica
PVA 15,3
Após a preparação das formulações procedeu-se ao tratamento de superfície do papel. Para tal utilizou-se a máquina de revestir papel e optou-utilizou-se por utilizar folhas de papel bautilizou-se de tamanho A4. Após o tratamento de superfície as folhas foram secas numa sala à temperatura ambiente durante 48 horas. Posteriormente procedeu-se à sua caracterização utilizando as diversas técnicas acima indicadas.
Resultados e Discussão
Estudo de propriedades de sorção pela determinação dos ângulos de contacto dinâmicos formados entre a tinta preta HP 45 e os diferentes papéis
Nas figuras 1 a 3, estão apresentados os resultados obtidos na determinação dos ângulos de contacto dinâmicos, diâmetro da base e volume da gota para a tinta preta HP 45 e os papéis em estudo. Optou-se por representar os resultados normalizados em relação ao primeiro valor de cada medição para mais fácil análise.
Ângulo de contacto dinâm ico norm alizado
0,60 0,80 1,00 1,20 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Tem po (s) PCNR PLNR PCR PLR
Figura 1 – Variação dos ângulos de contacto normalizados ao longo do tempo para os papéis em estudo
Diâm etro da base da gota norm alizado
0,80 1,00 1,20 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Tem po (s) PCNR PLNR PCR PLR
Figura 2 – Variação do diâmetro da base da gota normalizado ao longo do tempo para os papéis em estudo
Volum e da gota norm alizado 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Tem po (s) PCNR PLNR PCR PLR
Figura 3 – Variação do volume da gota normalizado ao longo do tempo para os papéis em estudo
Para a análise desta técnica as premissas são:
Se o θD diminuísse, o diâmetro da base da gota aumentasse e o volume da gota se mantivesse constante, então estaríamos perante um fenómeno de espalhamento.
Se o θD diminuísse, o diâmetro da base da gota se mantivesse constante e o volume da gota diminuísse então estaríamos perante um fenómeno de absorção.
Como em termos práticos estes dois fenómenos ocorrem em simultâneo por aplicação das seguintes fórmulas, é possível obter um valor numérico para a absorção e espalhamento.
(1)
(2)
Na tabela 2 são apresentados os valores de absorção e espalhamento ao fim do tempo de análise.
Tabela 2 – Valores da absorção e espalhamento
Papel Absorção (%) Espalhamento (%) PCNR 0,0 0,1 PLNR 0,0 0,9 PCR 0,0 10,6 PLR 4,5 11,0
Da observação da figuras acima indicadas e da tabela 2, verifica-se que os papéis não revestidos (PCNR e PLNR) têm um comportamento semelhante: apresentam baixa percentagem de espalhamento e absorção. Quanto aos papéis revestidos (PCR e PLR) apresentam uma diminuição elevada do ângulo de contacto ao longo do tempo. Tal facto acontece porque ocorre um espalhamento elevado.
Determinação de propriedades de absorção utilizando a técnica Bristow Absorption Tester (BAT) Na tabela 3, estão apresentados os resultados obtidos na determinação das propriedades de absorção da tinta preta para os diversos papéis em estudo utilizando a técnica Bristow Absorption Tester.
Tabela 3 - Resumo dos parâmetros obtidos através do método BAT, para os papéis em estudo
Papel Ka (ml/m2s0,5) Vl (ml/m2) tw (s) PCNR 5,15 6,96 0,01 PLNR 3,19 6,26 0,01 PCR 6,74 11,11 0,01 PLR 12,27 9,49 0,01 Onde: Ka – coeficiente de absorção (ml/m2/s0,5)
Vl – volume correspondente à rugosidade (ml/m2) tw – tempo de molhagem (s)
Da observação da tabela anterior, verifica-se que os papéis não revestidos apresentam um coeficiente de absorção mais baixo que os papéis revestidos, passando-se o mesmo com o volume correspondente à rugosidade. O papel que apresenta maior absorção é o PLR, o que está de acordo com os resultados obtidos através da técnica da determinação dos ângulos de contacto dinâmicos
Uma outra forma de apresentar os resultados da técnica BAT é efectuar a representação gráfica da quantidade de tinta preta absorvida ao longo do tempo, como se observa na figura 4.
Quantidade de tinta preta absorvida por unidade de área
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Tempo (s) A ( m l/ m 2 ) PCNR PLNR PCR PLR
Figura 4 – Variação da absorção da tinta preta por unidade de área para os papéis em estudo
A observação da figura 4, justifica os valores obtidos para o coeficiente da absorção (tabela 3): o papel que absorve menos é o PLNR e o que absorve mais é o PLR.
Análise de superfície dos papéis por microscopia electrónica de varrimento (SEM)
Na figura 5 estão apresentadas as fotografias obtidas na análise de superfície dos papéis em estudo por microscopia electrónica de varrimento.
PLNR
PCR
PLR
Figura 5 – Fotografias de SEM para os papéis em estudo – Superfície
Da observação das figuras acima pode-se verificar, de uma forma geral, a constituição da superfície dos papéis em estudo. Quanto ao papel PLNR e quando comparado com o papel PCNR, observa-se uma maior deposição de amido à superfície o que faz com que o papel seja mais hidrófilico e aumente o espalhamento da tinta, que por sua vez é de base aquosa.
Quanto ao papel PLR e quando comparado com o papel PCR, observa-se que este tem uma menor deposição de sílica à superfície, o que faz com que o efeito das fibras contribua significativamente para o resultado final da impressão, ou seja, o revestimento efectuado em laboratório não foi totalmente eficiente/homogéneo.
Impressão e qualidade de imagem
O teste padrão de impressão foi realizado na impressora HP deskjet 6122. As condições de impressão foram ajustadas ao tipo de papel em causa (papel comum – PCNR, PLNR e outros papéis para jacto de tinta – PCR e PLR). Na representação gráfica 6 são apresentados os resultados para as densidades ópticas dos diferentes papéis em estudo.
Densidade óptica (HP DesKjet 6122)
1,00 1,50 2,00 2,50 PCNR PLNR PCR PLR Papéis em estudo
Preto Ciano Magenta Amarelo
Figura 6 – Resultados da densidade óptica obtidos para os papéis em estudo
O papel PLNR, de uma forma geral, apresenta uma boa qualidade de impressão. Em termos de densidade óptica das diferentes cores apresenta sempre um melhor resultado que o papel PCNR. O papel PLNR apresenta um maior brilho (cores mais vivas), no entanto, existe o aparecimento de pigmentação (ainda que reduzida) nas cores verdes, o qual não existe no papel PCNR.
Quanto ao papel PLR, este apresenta valores de densidade óptica inferior ao PCR, especialmente em preto.
Em termos de qualidade de imagem, além da determinação da densidade óptica, optou-se por determinar a largura de uma linha de espessura conhecida, por forma a verificar o “desvio”, traduzido por um aumento da largura de linha. A largura da linha definida foi de 350 µm.
Largura de Linha (horizontal) 0 100 200 300 400 500 600 PCNR PLNR PCR PLR L a rg u ra d e l in h a (µµµµ m )
Figura 7 – Resultados da largura da linha horizontal
Como se pode verificar na figura 7, os papéis com menor desvio são os papéis comercias PCNR e PCR. Os papéis simulados em laboratório apresentam um aumento de largura entre 130 e 100 µm, PLNR e PLR respectivamente
Conclusões
O papel tratado em laboratório com a formulação contendo amido (PLNR), contém uma maior percentagens deste polissacarídeo na superfície, o que se traduz num aumento de hidrofilicidade e espalhamento da tinta à superfície.
O papel tratado em laboratório com a formulação contendo sílica, tem uma menor deposição desta à superfície. Tal facto está associado ao baixo poder ligante do poli(álcool vínilico) utilizado e ao tamanho da sílica usada.
Depois de avaliar a qualidade de impressão das várias folhas de papel, pode concluir-se que:
- Os vários métodos utilizados ao longo do trabalho são eficazes para uma análise de superfície
