Verbesserte Bedruckbarkeit von beschichteten Kartons mit wasserbasierten Inkjet-Tinten - Untersuchung zu Benetzung, Haftung und Wechselwirkung

Der zunehmende Einsatz des Inkjet-Druckverfahrens, vor allem im industriellen Bereich, ist unter anderem auf seine Modularität, seine Modifikationsmöglichkeiten für verschiedene Arten von Substraten und seine besondere Eignung für Kleinauflagen zurückzuführen. Der Druck von beschichteten Kartons erfolgt heute überwiegend mit UV-Tinten in Inkjet Drop-on-Demand-Drucksystemen oder mit kohlenstoffhaltigen, lösemittelbasierten Tinten in Continuous-Drucksystemen. Oberflächenmodifikationen von beschichteten Kartons werden, aufgrund des unterschiedlichen Verhaltens der Tinten, in der Regel für einen Typ von Tintenfarbmittel (Pigment oder Farbstoff) entwickelt. Wasserbasierte Inkjet-Tinten und die Pigmentstriche der Kartons sind oft chemisch inkompatibel, da beide einen anionischen Charakter aufweisen können. Außerdem ist die Kartonoberfläche hydrophob, mit geringer Permeabilität und Rauheit. Gegenstand der vorliegenden Forschungsarbeit ist die Modifizierung der Oberfläche von beschichteten Kartons – zum einen mittels eines Primers auf Polyvinylalkoholbasis zur Erhöhung der Tintenhaftung und zum anderen mittels einer Nachbehandlung mit mittelwelliger Infrarotstrahlung zur Fixierung der Tinte – welche der Inkompatibilität von Substrat und Tinte entgegenwirken. Die Anwendung dieses Verfahrens zeigte eine Erhöhung der Haftung und Fixierung von farbstoffbasierten und pigmentbasierten Tinten und damit eine Reduzierung des Ablegens beim Stapeln der Kartonbogen und des Schmierens bei Berührung. Der Einfluss des Verfahrens auf die Druckqualität ist abhängig vom Tintentyp. Primer und IR-Bestrahlung erhöhten die optische Dichte, den Punktzuwachs, die Linienbreite und die Linien-Dunkelheit. Die Bewertungen der Homogenität, der Auflösung, der Kantenglätte und der Kantengeradheit von Linien ergab uneinheitliche Ergebnisse. Darüber hinaus wurde die Wechselwirkung zwischen wasserbasierten Inkjet-Tinten und beschichteten Kartons anhand des Spreitens der Tinte in Abhängigkeit von modifizierten Stoffeigenschaften der Tinten und der Substrate analysiert. Die mit einem Videosystem durchgeführte Analyse des Tintenspreitens zeigt, wie die oberflächenspannung der Tinten und die Grenzflächenenergie der Substrate das Spreiten beeinflussen und wie die Erhöhung der Viskosität sich aufgrund verringerter Absorption durch das Substrat indirekt auf ein stärkeres Spreiten der Tinten auswirkt. Korrelationsanalysen zeigen, dass die Oberflächenspannung und die Viskosität die entscheidenden Einflussgrößen für das Spreiten der Tintentröpfchen sind; der Einfluss anderer Parameter wie Rauheit oder Permeabilität des Substrats ist uneinheitlich und steht hinter den beiden Einflussgrößen Oberflächenspannung und Viskosität weit zurück. Diese beiden Parameter zeigen erwartungsgemäß eine negative Korrelation mit dem Spreiten (Erhöhung der Parameter reduziert das Spreiten). Interessanterweise beschleunigen jedoch erhöhte Oberflächenspannung und Viskosität die Ausbreitung der Tröpfchen (positive Korrelation). Generell haben diese Untersuchungen im Labormaßstab gezeigt, dass eine Vorbehandlung von beschichteten Kartons die Bedruckung mit wasserbasierten Inkjet Tinten wesentlich verbessert, wobei nicht alle Einflüsse und scheinbar widersprüchliche Phänomene ursächlich zu klären waren. Dies speziell zu fokussieren obliegt weiterführenden Forschungsarbeiten mit dafür angepassten Laborausstattungen sowie auch der industriellen Umsetzung der Laborerkenntnisse.The increasing use of the inkjet printing process, especially in the industrial sector, is due among other things to its modularity, its modification possibilities for different types of substrates and its particular suitability for short runs. Nowadays, coated cardboards are printed predominantly with UV inks in Inkjet-Drop-on-Demand printing systems or with solvent-based inks in Inkjet-Continuous printing systems. Surface modifications of coated cardboards are usually developed for one type of ink colourant (pigment or dye), due to the different behaviour of the inks. Water-based inkjet inks and the coatings of the cardboards are chemically incompatible, as both may have an anionic character. In addition, the surface of coated cardboards is hydrophobic, with low permeability, porosity and roughness. The subject of the present research is the modification of the surface of coated cardboard – firstly, by mean a polyvinyl alcohol-based primer to increase ink adhesion and secondly, by means post-treatment with mid-wavelenght infrared radiation to fix the ink – which counteract the incompatibility of substrate and ink. Application of this process showed an increase in adhesion and fixation of dye-based and pigment-based inks, i.e. reduction in set-off during the stacking and the smearing on contact. The final quality of pre and pos-treated cardboards varied depending on the ink type. Primer and IR irradiation increase optical density, dot gain, line width and line darkness. The assessments of homogeneity, resolution, blurriness and raggedness of the lines had partly non-uniform results. In addition, the interaction between water-based inkjet inks and coated cardboards was analyzed based on ink spreading as a function of modified properties of the inks and substrates. Ink spreading analysis shows how the surface tension of the inks and the interfacial energy of the substrates affect spreading, and how increasing viscosity indirectly affects ink spreading due to reduced absorption by the substrate. Correlation analyses show that surface tension and viscosity are the decisive influencing variables for the spreading of the ink droplets; the influence of other parameters such as roughness or permeability of the substrate is inconsistent and ranks far behind the two influencing variables surface tension and viscosity. As expected, these two parameters show a negative correlation with spreading. Interestingly, however, increased surface tension and viscosity accelerate droplet spreading. In general, these laboratory-scale studies have shown that pretreatment of coated cardbboards significantly improves printing with water-based inkjet inks, although not all influences and seemed contradictory phenomena could be causally clarified. It is up to further research work with laboratory equipment adapted for this purpose and also the industrial implementation of the laboratory findings to focus on this specifically