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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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).
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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.
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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
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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
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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.
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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).
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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).
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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).
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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