Vandfri offset i dansk grafisk industri

8. Silikone og offsetpladens overfladeenergetiske egenskaber

Dette afsnit indeholder en gennemgang af silikones kemiske egenskaber i relation til dens anvendelse på en offsetplade. Endvidere findes en sammenligning mellem de overfladeenergetiske forhold på trykplader til traditionel og vandfri offset.

Silikone er baseret på kvarts (silicium dioxid), der er rigeligt til stede i jordoverfladen. Alligevel er silikoneforbindelser en forholdsvis sen opdagelse, sammenlignet med andre polymere stoffer, der er baseret på kulstof. Grundstofferne silicium og kulstof har en elektronegativitet på henholdsvis 1,8 og 2,5, hvilket betyder, at alle silikoneforbindelser efterhånden bliver til oxider, og der findes derfor ingen organiske siliciumforbindelser i naturen.

De første kemiske stoffer, der indeholder silicium-kulstofbindinger, blev fremstillet i 1863 af Friedel og Craft ud fra diethyl zink og silicium tetrachlorid. Senere fortsatte Ladenburg arbejdet med disse stoffer og konkluderede, at "såkaldte uorganiske grundstoffer er i stand til at danne kemiske forbindelser, analoge med organiske forbindelser der er baseret på kulstof". Han viste endvidere, at ved hydrolyse af (C₂H₅)₂Si(OC₂H₅)₂ fremkommer en stabil væske (olie) i stedet for en simpel flygtig forbindelse, parallelt med diethylketon, der dannes ved hydrolyse af (C₂H₅)₂C(OC₂H₅)₂.

På trods af denne principielle forskel har man alligevel bibeholdt navnet silikone som generelt navn for ovennævnte hydrolyseprodukter, selvom de ikke er analoge med ketoner, R₂Si=O.

I perioden fra 1899 til 1944 publicerede Kipping en række artikler (54), der er et væsentligt bidrag til udviklingen af organiske siliciumforbindelser, som han fremstillede ved hjælp af Grignard reagenser. Da han imidlertid var en teoretisk kemiker, arbejdede han udelukkende med at isolere de kemisk rene stoffer ved destillation og udkrystallisation. De olier og klæbestoffer, som han ofte fremstillede, interesserede ham ikke, men han betegnede dem korrekt som makromolekyler.

De første kommercielle silikoneprodukter var harpikser og olier til militær anvendelse, og i 1945 blev silikonegummi også fremstillet og udnyttet industrielt.

Siden er der fremkommet en del producenter af af silikoneforbindelser - den amerikanske Dow Chemical Company, den japanske Toraykoncern, samt andre amerikanske, japanske og europæiske fabrikker.

Udtrykket silikone anvendes ofte på forskellig måde. I visse tilfælde er det betegnelsen for alle monomere og polymere organiske siliciumforbindelser, der indeholder bindingen Si-C. Det kan dog også være fællesbetegnelsen for alle typer polymere, der indeholder silicium. Den almindeligt videnskabeligt accepterede betegnelse for stoffer, der indeholder Si-O-Si - det vil sige, at silicium er bundet til hinanden gennem oxygenatomer - er siloxan. Det betyder, at den korrekte kemiske betegnelse for silikone er polysiloxan.

Polydimethylsiloxan (PDMS) er den første silikone, der blev anvendt i farve- og lakindustrien. Den generelle formel er:

hvor n = 0 til 2500.

Polymere med tværbindinger kan eksempelvis se ud som:

og copolymerisationen kan ske med mange forskellige grupper, hvorved fås polymere med afvigende egenskaber.

Methyl (Me) og Phenyl (Ph) er de to mest anvendte grupper i silikoneharpikser, og de giver følgende egenskaber i det færdige produkt:

PhSiO_3/2 hård, moderat hurtig hærdning

MeSiO_3/2 sprød, hård, hurtig hærdning

Ph₂SiO hård, langsom hærdning

PhMeSiO sej, fleksibel

Me₂SiO blød, fleksibel

Fremstillingen af polysiloxaner finder sted ved hjælp af en hydrolytisk polykondensation:

Centralt i forbindelse med anvendelse af silikone- og andre polymerforbindelser i trykteknologien er disse materialers overfladeenergetiske egenskaber.

Til sammenligning angives en række forskellige polymerer med følgende overfladespænding:

Disse overfladeenergetiske egenskaber er afgørende ved beskrivelse af en offsetplades forhold under trykning. I nærværende sammenhæng er foretaget en sammenligning mellem traditionel offset med fugtevand og vandfri offset.

Den traditionelle offsetplades ikke-trykbærende områder er stærkt hydrophile (vandvenlige) med høj overfladeenergi. Disse områder dækkes af et tyndt lag fugtevand under trykning og får derfor samme overfladeegenskaber som vand. Samtidig kommer disse områder også i kontakt med formvalserne, og det tynde lag fugtevand fungerer derfor som et grænselag, således at splitningen mellem vand og farve finder sted i dette fugtevandslag.

Dannelsen af tynde farve- og vandfilm under trykning er en dynamisk proces, og resultater fra statiske målinger af overfladeegenskaber for farve og vand kan sjældent overføres til praktisk trykning. Således kan den spontane punktbredning ved overførsel af farve fra plade til gummidug afhængig af trykfarveviskositeten kun forklares ud fra moderne teorier om dynamisk befugtning.

Den traditionelle offsetplades trykbærende områder er stærkt hydrophobe (vanduvenlige) med lav overfladeenergi.

Til sammenligning har man på den vandfri offsetplade erstattet de ikke-trykbærende områder med et materiale - silikonegummi - med en ekstrem lav overfladeenergi.

Det betyder, at under trykning i vandfri offset vil farven befugte de trykkende områder, men ikke de ikke-trykkende områder.

Til karakterisering af overfladespændingen for både væsker og faste stoffer foretages en opdeling i dispersions- og den polære del:

g = g^d + g^p

Dispersionskræfterne er altid til stede og skyldes den indre bevægelse af elektronerne i materialet. Disse kræfter er relativt svage og går op til ca. 50 mN/m. Endvidere findes polære materialer, det vil sige materialer med en usymmetrisk molekyleopbygning. Her kan nævnes vand og alkohol, og disse materialer vil have en total overfladespænding, der er væsentlig over den, man ser for tilsvarende symmetrisk opbyggede molekyler.

Størrelsen og sammensætningen af overfladespændingen af henholdsvis fugtevand, trykfarve, ikke-trykkende og trykkende områder af trykplade (ITO ogTO) kan forklare, hvorledes offsetprocessen fungerer.

Det ses på nedenstående figur 8.1:

Påføring af fugtevand på Påføring af farve på

ITO TO TO ITO

Fig. 8.1

Fugtevandet befugter således de ikke-trykkende områder (ITO), men ikke de trykkende (TO). De fugtevandsdråber, der findes på disse trykkende områder emulgeres senere ind i trykfarven. Derfor er den traditionelle teori om, at vand og farve skyr hinanden ikke tilstrækkelig til at forklare offsetprocessen, tværtimod skal trykfarven kunne emulgere disse vanddråber.

Trykfarven indfarver de trykkende områder, og i samme proces splittes fugtevandsfilmen på de ikke-trykkende del. Den overskydende mængde fugtevand på formvalserne emulgeres i trykfarven.

Fordelingen af overfladespændingens dispersionsdel og polære del for de fire involverede materialer i offsetprocessen ses af nedenstående tabel 8.1:

Tabel 8.1

Fordeling af overfladespændingens dispersionsdel og polære del for de fire involverede materialer i den traditionelle offset proces.

Man kan følgelig opstille følgende model for befugtningsforholdene ved traditionel offset:

Fig. 8.2

Model for traditionel offset.

Fugtevandets overfladespænding (både dispersions- og polær del) skal befinde sig indenfor det grå område. Koordinaterne fremgår af tabel 8.1.

I vandfri offset ser fordelingen af overfladespændingens dispersionsdel og polære del ud som følger:

Tabel 8.2

Fordeling af overfladespændingens dispersionsdel og polære dele for de tre involverede materialer i vandfri offset.

Man kan opstille følgende model for befugtningsforholdene i vandfri offset:

Fig. 8.3

Model for vandfri offset.

Overfladespændingen for det ikke-trykkende område skal befinde sig indenfor det grå område.

Det er silikonegummiens lave overfladespænding, der er afgørende for dens anvendelighed i vandfri offset.

Ved fremkaldning af pladerne efter belysning skal materialet imidlertid også kunne kvælde op, så de belyste/ikke-belyste områder på pladen kan fjernes, afhængig af om det er positiv eller negativ plade.

I nedenstående figur ses kvældningsforholdene for silikonegummi, hvor D m (på y-aksen) er vægtforøgelsen af materialet ved neddypning i den pågældende væske i et tidsrum t (på x-aksen).

Fig. 8.4

Kvældning af silikonegummi på en aluminiumsbærer.

Polytetraflourethylen (PTFE eller teflon) er trods sin lave overfladespænding (18 mN/m) ikke egnet til vandfri offset, da dette materiale ikke kan bringes til at kvælde op.