Approfondimento sugli inchiostri UV

Scritto da il 16 gennaio 2010 in Label&Pack, TECNICHE - Nessun commento
Risposta alle considerazioni di Aldo Faliani sugli inchiostri UV a commento della lettera di Mario Di Berardino “Fare chiarezza sugli inchiostri e vernici UV”.

Riceviamo questo saggio esaustivo sul tema da uno dei massimi esperti di inchiostri che abbiamo in Italia. Ringraziamo il signor Augusto Viganò * per la cortesia e per la precisione con cui è intervenuto sollecitamente alla nostra richiesta di chiarezza.

Queste lettere dimostrano l’interesse per l’argomento e MetaPrintArt è ben lieta di poter contribuire a una maggiore conoscenza tecnologica, nella speranza che sia seguita sia da chi stampa, sia da chi vende macchine e prodotti.

Caro Direttore,

Allo scopo di fornire spiegazioni coerenti debbo fare un salto indietro nel tempo e precisamente al 1976 per descrivere quello che fu il pensiero dei titolari dell’azienda ove prestavo la mia collaborazione.

In un primo tempo, un po’ preoccupati della forte concorrenza di altri produttori di inchiostri UV essi decisero, dopo una lunga ricerca e sperimentazione in loco, su una 4 colori Roland [oggi manroland – ndr], di acquisire il know-how dal Giappone per i soli inchiostri poiché per le vernici l’Azienda era già a un buon livello qualitativo. Gli inchiostri importati erano eccellenti per macchinabilità, trasferimento e qualità della stampa finale come gli inchiostri convenzionali, ma i costi della lavorazione e delle materie prime erano troppo alti. I titolari dell’azienda si trovarono quindi di fronte a un grosso quesito:

1) investire per produrre questi inchiostri UV su larga scala, seppure con costi notevolmente alti e di conseguenza con profitti più bassi rispetto agli inchiostri convenzionali, oppure

2) declassarli, anche se di eccellente qualità, puntando sulla presunta nocività (!) degli inchiostri a polimerizzazione UV e sui sistemi di irraggiamento (sviluppo di ozono ecc.).

Ebbene la scelta fu non per la tecnologia, ma per il profitto, proponendo in alternativa agli UV, nuovi inchiostri grassi IR (con essiccazione mediante calore IR).

Questa situazione continuò sino alla cessione dell’azienda, avvenuta nel1992. Il gruppo francese che la rilevò produceva già quantità rilevanti di inchiostri e Vernici per sovrastampa UV sia in Francia sia in Inghilterra, mentre per il nostro mercato, molto eterogeneo e nel quale era oramai diffusa fra gli stampatori la fama negativa di tali inchiostri in ordine a una non ben definita pericolosità, l’introduzione degli UV si rivelò molto difficile e piuttosto deludente.

Punti di vista

Da parte mia ero invece molto favorevole a questi inchiostri avendo abbracciato con entusiasmo la sofisticata tecnologia giapponese, applicabile laddove gli inchiostri convenzionali non erano in grado di soddisfare i requisiti di una migliore qualità e di un rapido fissaggio su supporti difficili e non assorbenti, quali i materiali plastici, cartoni accoppiati metallizzati, politenati e fogli metallici (per litolatta) ecc..

Gli inchiostri UV riportavano l’etichetta di nocività, con la X della Croce di S. Andrea, riguardante l’irritazione dell’epidermide, per cui si doveva prevedere l’utilizzo di indumenti adatti allo scopo; classificazione che ha penalizzato a lungo la diffusione di tali inchiostri, contrariamente a quanto accaduto per le vernici UV. Al contrario, il grado di nocività degli inchiostri UV per via della loro composizione e quasi privi di monomeri, con basse dosi di fotoiniziatori diversi dal benzofenone era nettamente inferiore a quello delle vernici UV. Nelle vernici, infatti, oltre ai prepolimeri acrilici e epossidici era alta la percentuale di monomeri mono e bi-funzionali di elevata reattività (ma molto irritanti) dei co-fotoiniziatori e foto iniziatori a base benzofenone. Del tutto è stato comunque fatto un unico calderone, senza mai dare indicazioni specifiche al riguardo.

Su questo punto occorre fare pertanto una netta distinzione fra le formulazioni delle Vernici UV, molto semplici per via del processo e quelle degli inchiostri UV, più complesse e delicate perché gli inchiostri, non essendo di natura grassa, devono essere in grado di sopportare l’umidificazione e mantenere l’equilibrio fisico-chimico con la soluzione di bagnatura offset. Anche in merito alla nocività sarebbe comunque opportuno fare una distinzione netta fra inchiostri e vernici, come già detto sopra.

Se si vuole d’altro canto approfondire il concetto relativo alla salvaguardia della salute e si mettono a confronto gli inchiostri convenzionali offset (i quali non sono mai stai oggetto di etichettatura sebbene contengano solventi idrocarburi con frazioni aromatiche – con abbondanti tracce di PNA -, essiccativo, organo metallico di cobalto, stabilizzanti a base di idrochinone), con gli inchiostri UV, risulta difficile anche da parte mia dire quali fra i due sia il più nocivo (specie se, per favorire l’evaporazione della parte volatile degli inchiostri grassi si impiegano sistemi di essiccazione IR).

Per quanto poi attiene al problema della sicurezza ambientale, si possono citare le indicazioni del Verband der Lackindustrie (la Bibbia della legislazione tedesca in materia di controllo dell’inquinamento) che già dal 1986 sosteneva che “quando si vogliano ridurre drasticamente i problemi di inquinamento, si adotti la tecnologia UV“.

L’impiego degli inchiostri offset UV per il settore degli imballaggi è stato, sino al 2000, molto contrastato a causa dell’odore dell’acido acrilico libero e dei prodotti secondari di formazione dei fotoiniziatori che andavano a inficiare, soprattutto quando il grado di polimerizzazione raggiunto non era totale, le caratteristiche organolettiche dell’alimento.

Da questa data in poi sono stati fatti passi notevoli per produrre inchiostri specifici a basso “odore e migrazione controllata” destinati al settore dell’imballaggio alimentare: sono stati infatti sostituiti i monomeri sospetti e i fotoiniziatori in maniera da rendere accettabili i valori delle sostanze migrate dal supporto all’alimento, secondo quanto definito dalla regolamentazione vigente della CEE molto chiara e che comporta peraltro l’obbligo di osservare le “Norme di Buona Pratica (GMP)” stabilite nel regolamento EU 2023/2006/EC(v. nota). A mio parere tali norme sono il “fulcro” indispensabile per raggiungere i risultati richiesti per questo tipo di applicazione. Voglio dire, che noi possiamo acquistare i migliori inchiostri del mondo, ma se non curiamo a fondo anche la selezione degli altri materiali necessari e lavoriamo industrialmente male, non possiamo poi dare la colpa agli inchiostri!

Vorrei citare in proposito l’Ing. Bernhard Kuter, tecnico ricercatore del BDP (Berufsgenossenschaft Druk und Papierverarbeitung – Istituto tedesco per l’igiene del lavoro nell’Industria della Stampa e della Carta) il quale, in ordine alla “pericolosità” della tecnologia UV ha detto che nelle condizioni corrette, inchiostri e vernici UV sono da ritenersi sicuri; aggiungendo poi che è peraltro vero che non esiste un prodotto chimico sicuro, ma c’è comunque un modo sicuro per usare un prodotto.

Formulazioni

Mi interessa peraltro in questa sede ribadire il concetto che la struttura degli inchiostri è completamente diversa da quella delle vernici, molte delle quali, per diverse ragioni, non risultano propriamente adatte all’impiego per il “packaging alimentare” di livello primario

Le formulazioni degli inchiostri ovvero le strutturazioni in ordine alle loro composizioni sono tre:

1) a polimerizzazione radicalica

2) a polimerizzazione cationica (foto indotta)

3) a polimerizzazione EB (Electron Beam), mediante bombardamento di elettroni di alta energia che danno luogo a una reazione a catena di polimerizzazione. Per questo tipo di polimerizzazione gli inchiostri non hanno bisogno di fotoiniziatori. Gli impianti però sono molto costosi, non semplici da gestire e adatti soprattutto per l’applicazione di strati di vernice barriera a contatto con l’alimento [allo stato attuale se ne utilizzano solo su alcune rotative a banda stretta – ndr].

Ogni meccanismo di reazione ha le proprie peculiarità e anche deficienze, per cui la scelta è sempre determinata da ciò che si vuole ottenere per la realizzazione del prodotto finito. Sarà il fornitore dell’inchiostro a consigliare il prodotto più idoneo allo scopo in relazione ai risultati che lo stampatore vuole ottenere. Non possiamo dimenticare che negli inchiostri UV si impiegano gli stessi pigmenti che si usano negli inchiostri convenzionali (e anche negli inchiostri rotocalco per il packaging alimentare) e questi pigmenti sono anche fonte di elementi indesiderabili, come i metalli pesanti o altri composti chimici che il produttore, in considerazione della complessità del processo, non è in grado di monitorare. Inoltre, in aggiunta a queste sostanze immaginiamo tutto quello che può essere trasferito dal supporto cartaceo ! (questo fatto naturalmente indisporrà Aldo Faliani: guai a toccare la nobile carta…!).

In conclusione, secondo la mia esperienza, è della massima importanza seguire le Norme di Buona Pratica per raggiungere il target desiderato con gli inchiostri UV i quali, non avendo sostanze volatili nella loro composizione, permettono di ottenere, anche se solo apparentemente un film solido al 100% di secco su supporti anche difficili senza problemi di cessioni. (Generalmente sfugge anche agli esperti del settore che l’inchiostro, durante la stampa in offset incorpora una certa quantità di soluzione idroalcolica della bagnatura per instaurare quell’equilibrio necessario per ottenere la tiratura costante. Orbene, la quantità di soluzione incorporata dagli inchiostri varia dal 10 al 20%in funzione del colore. Quindi, a voler essere obiettivi, non possiamo affermare con certezza assoluta che il film dell’inchiostro depositato sul supporto non contenga a fine stampa sostanze volatili, certamente però in misura limitata e comunque non a causa dei prodotti UV.)

Gli inchiostri cationici (generalmente usati per gli imballaggi flessibili) hanno come prerogativa la capacità di totale polimerizzazione; una volta iniziata la reazione a catena, questa continuerà anche quando la sorgente UV è stata rimossa. Per contro manifestano difficoltà di trasferimento in sovrapposizione dei colori, velocità di produzione e costi maggiori.

Per quanto attiene agli inchiostri UV radicalici, quelli che contengono BF e derivati (4-metil-BF, 4-Idrossi-BF) non sono raccomandati per imballi alimentari di tipo primario (precisamente a contatto diretto con l’alimento) poiché possono consentire la migrazione di sostanze pericolose oltre il limite di 10 ppb fissato dalla legislazione CEE vigente. Possono invece essere impiegati per imballaggi di tipo secondario (non a contatto diretto con l’alimento).

Se valutiamo a fondo quanto sopra descritto, possiamo trarre la conclusione che per gli imballaggi a contatto diretto della stampa con l’alimento non è possibile operare con l’impiego degli inchiostri convenzionali chiamati “a basso odore” (senza essiccativi di Co e Mn, idrochinone ecc.), per il cui processo completo è altresì necessaria l’applicazione in linea della vernice acrilica a base acquosa (contenente diverse sostanze volatili non sempre gradite); lo si può fare invece solo con speciali “inchiostri UV a bassa migrazione”.

Quanti sono però gli imballi in commercio dove la stampa è a contato diretto con l’alimento?

Sicuramente è solo una piccola parte dell’applicazione UV.

Non sottovalutiamo poi il fatto che la quasi totalità degli stampatori UV usa l”IPA” (alcool Isopropilico) o peggio alcool ëalternativi’ nella bagnatura, la quale contiene anche molte altre sostanze chimiche che possono essere trasferite insieme al film d’inchiostro sul supporto. Non c’è quindi certezza che tutte queste sostanze rimangano inglobate nel film polimerizzato.

Anche con gli inchiostri “basso odore” convenzionali succede esattamente la stessa cosa, con la differenza, a loro svantaggio, che i prodotti stampati con tali inchiostri necessitano, come si è detto sopra, di essere verniciati con vernice all’acqua il cui contenuto di parte volatile del 70% circa (acqua, plastificanti, alcalinizzanti, tensioattivi, surfattanti ecc) rappresenta un buon veicolo di migrazione per determinate sostanze idrosolubili, sino all’alimento.

Impianti di irraggiamento UV

Anche in questo campo sono stati fatti notevoli progressi allo scopo di ridurre o eliminare prodotti indesiderati quali l’ozono, l’anidride carbonica, il calore. Sono stati realizzati riflettori con una distribuzione più corretta delle radiazioni ultraviolette delle lampade, che ne aumenta l’efficienza e consente di consumare meno energia. è stato altresì migliorato il sistema di raffreddamento degli impianti (la IST Metz di N¸rtingen, sta operando con molto impegno in tal senso, con risultati eccellenti).

C’è Inoltre da considerare lo sviluppo recente in Giappone (TOYO) della nuova tecnologia di irraggiamento denominata “LED System” prodotta da dispositivi semiconduttori (Light Emitting Diode), il cui spettro prodotto è molto ristretto rispetto alle tradizionali lampade UV Metal Halide. Tale tecnologia ha un potere di polimerizzazione più forte, con basse emissioni di calore e anidride carbonica e nessuna emissione di ozono. Ha inoltre un basso consumo di energia e maggiore durata nel tempo (naturalmente i costi iniziali dell’impianto sono molto più elevati).

Inchiostri Ibridi

è un argomento nel quale non voglio addentrarmi molto. Esiste al riguardo, infatti, una grande confusione e molte state le mistificazioni da parte anche di importanti fabbricanti d’inchiostri che in alcuni casi hanno miscelato inchiostri UV con inchiostri grassi in modo semplicistico, procurando disastri.

Se vogliamo però dire qualcosa su questi inchiostri, intesi nella maniera più corretta e non come semplici “inchiostri tradizionali con l’aggiunta di additivi che consentono l’accettazione della vernice UV bagnato su bagnato” come sostiene Faliani, possiamo dire che essi sono nati, mi pare di ricordare, prima del 2000, da una intuizione, avvalorata poi da numerose prove, della Grafix North America e successivamente brevettati da SunChemical.

“Nel sistema degli inchiostri ibridi, proprietà degli inchiostri a base di oli minerali ed inchiostri UV reattivi sono combinate in un solo prodotto”: così li definisce la EPPLE, azienda tedesca che più di ogni altra ha sviluppato negli anni questa tecnologia.

Gli inchiostri ibridi sono formulati, nella loro configurazione più corretta, per dare la possibilità di realizzare stampati con alto grado di lucido sia su carta che su cartoncino (stampato commerciali e imballaggi), con l’ulteriore vantaggio di consentire il passaggio immediato a lavorazioni successive riducendo così i tempi morti. Essi uniscono infatti i vantaggi degli inchiostri convenzionali con quelli degli inchiostri UV senza la necessità di dover impiegare macchine da stampa attrezzate in modo particolare. Rappresentano indubbiamente una delle più importanti novità degli ultimi anni, in grado di rivoluzionare la verniciatura UV “in linea”, rendendo superflua l’applicazione del primer: un passo avanti per la “nobilitazione degli stampati”.Non mi dilungo oltre sull’argomento. Molte cose potrebbero infatti essere dette, anche a smentita di tante, troppe voci fuori dal coro che di tutto e di più hanno detto e continuano a dire di questi inchiostri senza conoscerne la tecnologia e la sua corretta applicazione, ovvero anche “volutamente” in certi casi, per scoraggiarne l’impiego.

Conclusione

Secondo il mio parere, l’impiego degli inchiostri UV sarà sempre più ampio e in futuro tali inchiostri non saranno più considerati un prodotto di nicchia, ma si affiancheranno e sostituiranno una buona fetta degli inchiostri convenzionali.

Le proprietà di questi inchiostri permettono infatti agli stampatori di ottenere stampati con maggiore forza di colore, caratteristiche di elevata resistenza allo sfregamento, anche senza la vernice, resistenza agli agenti chimici e produzioni più rapide con immediate operazioni di finitura in cartotecnica, nonché con una riduzione di puliture in macchina (non fanno pelle), ecc.

L’unico grosso inconveniente ancora da risolvere per i sistemi UV rimane invece il problema della “Disinchiostrazione” (De-inking) per gli stampati di riciclo nelle cartiere. Di questo problema non se ne parla mai, ma purtroppo esiste e andrà affrontato in considerazione dell’incremento della produzione degli stampati su supporti cartacei in UV.

Spero vivamente di essere stato esaurientemente chiaro nel rispondere a quanto mi è stato richiesto.

Nota: L’Istituto Superiore della Sanità ha emanato in proposito nel mese di novembre 2009, nell’ambito del “Progetto CAST (Contatto Alimentare Sicurezza e Tecnologia)”, le Linee Guida per l’applicazione del Regolamento 2023/2006/CE alla filiera di produzione dei materiali e oggetti destinati a venire in contatto con gli alimenti.

* Augusto Viganò è esperto tecnologo inchiostri da stampa offset e di grafica industriale offset; trainer simulatore di stampa offset della Sinapse Print Simulators.

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