Encre
L'encre est une substance fortement teintée, généralement noire, qui sert à marquer le support, papier, textile. Les encres sont utilisées pour l'écriture, le dessin, l'impression ou la décoration.
Sommaire
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Encre pour l'écriture
Ce sont des substances liquides résultant de la mise en solution de colorants d'origines organique, végétale, minérale ou chimique, dans un solvant.
Encre pour le dessin
L'encre de Chine est obtenue par la dispersion de noir de carbone dans une solution aqueuse additionnée de gélatine.
Encre pour l'imprimerie
Présentation
Les encres pour l'imprimerie, bien qu'homogènes, sont en fait un mélange de constituants.Certaines formules d'encre peuvent contenir jusqu'à 20 constituants différents. Cependant, quel que soit le procédé d'impression, on peut diviser ces composants comme suit :
- la matière colorante (de 5 à 25 % du poids selon le type d'encre) : on utilise généralement des pigments très finement divisés et maintenus en suspension dans le véhicule. Il arrive également d'utiliser des colorants qui ont un meilleur rendu de couleur (gamut) mais qui se dégradent plus rapidement à la lumière ;
- le véhicule (environ 70 %) : il est la phase fluide de l'encre. Il est constitué d'un mélange de polymères, de diluants et/ou de solvants. Son rôle est multiple : transporter le pigment/colorant sur le support et le fixer à celui-ci. Le choix du véhicule détermine non seulement le mode de séchage mais aussi les principales caractéristiques du film d'encre (résistance, adhésion...) ;
- les additifs (environ 10%) : ils permettent d'optimiser les caractéristiques de l'encre pendant et après l'impression. Ils sont aussi utilisés pour faciliter la mise en oeuvre de l'encre (agents dispersants, antimousses, etc)
Selon le procédé d'impression, l'encre peut avoir un aspect très différent. Par exemple l'offset requiert une encre visqueuse (ou pâteuse) alors que l'héliogravure, la flexographie, la sérigraphie et le jet d'encre exigent une encre nettement plus liquide.
Les différents types de séchage
Le principe de l'impression est de déposer une fine couche d'encre sur le support (qu'il soit papier, film plastique ou autre). Cette couche d'encre doit avoir une bonne cohésion et une bonne adhésion au support.
On peut considérer deux types de séchages : le séchage physique et le séchage chimique, mais les deux types de séchage peuvent être utilisés simultanément, le but étant bien entendu de réduire le temps de séchage et la consommation d'énergie.
Le séchage physique (ou coldset)
Ici, le véhicule de l'encre ou au moins une partie de ce véhicule, généralement les espèces de bas poids moléculaire comme les solvants , l'eau dans le cas des encres aqueuses, va pénétrer par capillarité dans le support. Les pigments et certains autres constituants de la formule restent en surface. L'encre ne sèche pas à proprement parler, mais sa viscosité augmente à un tel point qu'elle peut apparaîte sèche au toucher.
Ce séchage, dit coldset (séchage à froid), est principalement utilisé sur les presses rotatives de presse (papiers journaux) et toujours avec des supports poreux. C'est pour cette raison que l'on peut avoir de l'encre sur les doigts en frottant un papier journal.
Le séchage chimique
L'encre, au contact de l'air subit une oxydo-polymérisation qui conduit à un film d'encre sec.
Les éléments susceptibles de polymériser sont des huiles végétales (lin, colza, tung...) et de nombreux dérivés de ces huiles végétales comme les alkydes (polyesters modifiés avec des huiles végétales). Ces espèces ont en commun la présence de doubles liaisons insaturées carbone-carbone susceptibles de réagir avec l'oxygène de l'air , en présence de catalyseurs métalliques (sels de cobalt ou de manganèse par exemple). La polymérisation peut être très longue (de 8 à 24 heures, parfois plus) et on peut éventuellement l'accélérer à l'aide de sécheurs à infra-rouges (apport de chaleur).
Les produits dégagés par l'oxydo-polymérisation (aldéhydes, cétones et acides carboxyliques, entre autres) occasionnent souvent des odeurs désagréables et empêchent l'utilisation du séchage chimique pour l'emballage alimentaire.
Le séchage mixte (ou quickset)
Il associe le séchage physique (par pénétration ) et le séchage chimique (par oxydo-polymérisation).
Une partie du véhicule, essentiellement les solvants, est d'abord absorbée par le substrat poreux, ce qui laisse un film d'encre frais en surface. Celui-ci va, dans un deuxième temps, sécher par oxydo-polymérisation, en quelques heures généralement.
L'ajout de sécheurs à infra-rouge accélère la réaction mais occasionne une assez forte consommation d'énergie.
Un séchage hybride du même type associe l'évaporation du solvant (séchage heat-set) et oxydo-polymérisation.
Le séchage thermique (ou heatset)
Il combine à la fois le séchage par infiltration et le séchage par évaporation. Une partie du véhicule de l'encre est absorbée par le support (10 à 20 %) et l'autre partie évaporée dans des fours chauffés entre 100 et 200 °C. Les fours sont alimentés par gaz (butane, propane, GPL...) ou fioul.
Les produits évaporés doivent alors être récupérés pour ne pas être rejetés dans l'atmosphère.
Le séchage par rayonnement ultra-violet (UV) ou Electron Beam (EB) faisceaux d’électrons
La polymérisation des encres à séchage UV est initiée par la lumière UV qui clive un photo-initiateur donnant ainsi naissance à des espèces très réactives (électrons ou cations). Ceux-ci induisent immédiatement une réaction de polymérisation des monomères et oligomères réactifs contenus dans l'encre. La polymérisation a généralement lieu par voie radicalaire et plus rarement par voie cationique.
la polymérisation des encres à séchage EB est initiée par un faisceau d'électrons. De part l'énergie mise en jeu, l'encre à séchage EB peut être formulée sans photo-initiateur. En dehors de ce composé, la formule est assez similaire à celle d'une encre à séchage UV radicalaire. Le séchage EB nécessite une inertisation (utilisation d'azote) pour éviter l'inhibition de la réaction de polymérisation par l'oxygène de l'air ambiant.
L'avantage de ces systèmes est que l'on peut obtenir une encre sèche quasi instantanément et sans dépenser beaucoup d'énergie. De plus, le film d'encre est très résistant à l'abrasion, au vieillissement, à toutes sortes d'agents chimiques ainsi qu'à l'humidité...
En contrepartie, les systèmes UV ou EB sont moins versatiles (ils ne sont pas compatibles avec tous les pigments), ils sont moins stables au stockage, ils contiennent souvent des ingrédients irritants, ce qui nécessite des précautions supplémentaires lors de la manipulation des encres et peuvent poser des problèmes au désencrage.
Ces encres sont très utilisées dans l'emballage et permettent l'impression sur des supports peu poreux (PVC, papier couché...)
offset
En offset : l'encre est grasse car le procédé repose sur l'antagonisme eau-encre. Elle est très visqueuse (ne coule pas). Les différents modes de séchage de l'encre vont influer sur sa composition : séchage UV, hot-melt... Elles ont une viscosité en conséquence : 2 à 40 Pa.s
Composition
Les pigments
Le procédé offset permet le dépôt d'un film d'encre très fin. De ce fait, les pigments doivent avoir un très bon pouvoir colorant. De plus, ils doivent être compatibles avec la solution de mouillage qui permet de créer une émulsion entre l'eau et l'encre.
La nature de l'imprimé, de par son utilisation, peut également influencer le choix des pigments (transparence ou opacité, tenue à la lumière, humidité, résistance à des agents chimiques, contraintes toxicologiques...)
Le véhicule
Il s'agit du cœur de l'encre, c'est ce qui va lier les pigments entre eux et également au support. Généralement, on utilise un mélange composé d'une ou plusieurs résines dures et des matériaux plus fluides commes des huiles végétales ou distillats pétroliers (ces derniers tendent à être réduits pour des raisons environnementales évidentes).
- Les huiles végétales sont les composantes historiques des encres, peintures ou vernis.
- L'huile de lin est l'huile végétale la plus utilisée. Elle est extraite mécaniquement ou par action d'un solvant. Elle est produite aux USA, en Russie, en Argentine et en Inde. Selon sa provenance, elle a des propriétés différentes. Il est nécessaire de la purifier avant son utilisation car elle contient des impuretés (tanins...) qui peuvent nuire à l'encre.
- L'huile de tung est extraite des amandes des fruits du bois de tung. Elle a la propriété de bien convenir pour des encres à séchage rapide.
- L'huile de soja est, avec l'huile de lin, l'huile la plus utilisée dans le domaine de l'imprimerie. Elle est obtenue à partir des graines. C'est l'huile la plus abondamment produite aux USA. Elle peut être utilisée sans purification et est appréciée pour l'amélioration qu'elle apporte au mouillage des pigments.
- L'huile de tournesol est principalement utilisée pour préparer des résines alkydes.
- L'huile de colza est fabriquée avec des plants génétiquement modifiés.
- Le tall oil est un sous produit de la délignification des résineux. Lors de la fabrication de la pâte à papier kraft ou au bisulfite, les résines et corps gras contenus dans le bois forment des acides gras et des sels résiniques. Après traitement, elle peut être utilisée dans la fabrication des encres.
- Les distillats pétroliers ont connu un grand essor à partir de la Seconde Guerre mondiale et sont largement utilisés à cause de leur faible coût. On les retrouve notamment dans l'impression des journaux. Cependant le choc pétrolier de 1973 et les fortes pressions écologiques font apparaître de nouveaux produits à base d'huiles végétales. Bien que toujours utilisées, ces encres sont soumises à une règlementation sévère.
Les additifs
La simple combinaison d'un véhicule et de pigments ne donne que des encres de piètre qualité. Pour améliorer celles-ci, on a recours aux additifs (moins de 5% de la masse). Ceux-ci ont des rôles divers : accélération du séchage, amélioration du brillant, meilleur résistance du film d'encre...
On trouve parmi ces additifs :
- Les cires (animales, végétales ou minérales) qui étaient à l'origine incorporées dans les encres pour en réduire le tack. Actuellement, les cires synthétiques dominent le marché et ont pour but d'améliorer l'état de surface des encres (résistance à l'abrasion, coefficient de glissement du film d'encre...).
- Les siccatifs sont des catalyseurs de l'oxydopolymérisation des encres. Ils permettent d'améliorer grandement le temps de séchage des encres de type quick set. Ce sont généralement des sels de métaux tels que le cobalt et le manganèse.
- Les antioxydants permettent de contrôler l'oxydopolymérisation des encres offset. Ils tendent à réduire la formation de peau à la surface de l'encre sans toutefois gêner le séchage de celle-ci.
- Les composés anti-maculants sont des particules de silice ou d'amidon dont l'épaisseur est légerement plus élevée que celle du film d'encre. Leur utilisation permet de réduire le maculage (report d'encre humide du verso sur le recto de la page suivante).
Encres à solvants : Héliogravure et flexographie
En l'héliogravure, une encre à faible viscosité (5 à 50 mPa.s) et au séchage très rapide est requise. L'évaporation d'un ou plusieurs solvants assez volatils est donc la méthode de séchage la plus rapide et la plus économique actuellement. Cependant, l'utilisation de ces solvants n'est pas sans risque : ils sont généralement très inflammables et parfois toxiques. Leur utilisation requiert de grandes précautions, et ils font l'objet d'une réglementation très sévère. Des recherches pour développer des encres à eau sont en cours, mais les résultats ne sont pas encore satisfaisants.
La flexographie est un procédé en relief sur lequel la forme imprimante est un photopolymère flexible. La taille du relief est de l'ordre du millimètre. La flexographie est principalement utilisée dans l'emballage, spécification venant des avantages que peut avoir un procédé d'impression dont la forme imprimante est souple (carton ondulé, sacs plastiques...). Elle est également utilisée pour l'impression des quotidiens (en Italie par exemple). Contrairement à l'héliogravure, la flexographie a réussi à adopter les encres à eau.
Mode de séchage
Le séchage des encres héliogravure ou flexographie se fait par évaporation forcée de ou des solvants lors du passage de l'imprimé dans un four à air chaud. Le four doit être dimensionné en fonction de l'encre (température d'évaporation du liquide, sa pression de vapeur saturante, sa chaleur latente de vaporisation...) et de la machine (laize, vitesse...).
En pratique, on accélère l'évaporation par les moyens suivants :
- Par conduction : la bobine passe sur des cylindres chauffés,
- Par convection : la bobine passe au travers de sécheurs à air chaud,
- Par radiation : rayonnement infra-rouge ou micro-onde. Il y a alors apport calorique ; à ne pas confondre avec le séchage ultra-violet qui, lui, implique des changements chimiques de l'encre.
Le séchage physique (par absorption de l'encre par le support) nécessite un support poreux (papier ou carton) et ne peut pas être utilisé sur d'autres supports.
Solvants utilisés
Les solvants contenus dans ces encres ne sont que temporaires car ils sont éliminés par évaporation et/ou infiltration lors du séchage de l'imprimé. De ce fait, ils ne participent théoriquement pas aux propriétés finales du film d'encre. Cependant, il arrive que du solvant résiduel soit prisonnier et il en résulte des problèmes d'odeur, de toxicité...
- Les solvants les plus utilisés en hélio emballage sont :
- En hélio édition, on utilise presque exclusivement du toluène
Polymères utilisés
L'ajout de polymères permet d'améliorer les propriétés du film d'encre, notamment son adhérence au support, sa solubilité avec le solvant choisi, son brillant, sa résistance et son mouillage des pigments.
On utilise entre autre :
- Nitrocellulose
- Ethyl cellulose
Additifs
- Les cires changent l'état de surface du film d'encre. Elles permettent notamment d'augmenter la résistance au frottement, d'améliorer le glissant...
- Les charges minérales pour corriger la viscosité
- Les plastifiants pour donner de la souplesse au film d'encre.
- Les agents de surface augmentent le mouillage des pigments
Jet d'encre
Le procédé jet d'encre peut se diviser en deux catégories : le jet continu (Continus Ink Jet CIJ) ou la goutte à la demande (Drop On Demand). Ceux-ci ayant également différentes méthodes d'éjection (voir jet d'encre). De ce fait les encres doivent être différentes.
Le CIJ requiert une très bonne qualité de l'encre, au risque de boucher les buses d'éjection. Il faut généralement trouver un compromis entre les performances de l'imprimante et la qualité d'impression. Une encre est toujours constituée de solvant, de matière colorante, d'un liant et d'additifs.
Le solvant, appelé aussi véhicule sert à transporter l'encre du réservoir jusqu'au média. Il contribue également grandement au séchage. La volatilité du solvant est déterminante dans le séchage de l'encre : un solvant peu volatil peut entraîner des problèmes de séchage et un trop volatile risque de créer une peau à la surface de la goutte ce qui limitera le séchage en profondeur. Afin de bien déterminer le temps de séchage, on utilise généralement du méthyléthylcétone (MEK), des acétates, de l'éther glycol et des alcools. L'utilisation de ces solvants pose des problèmes environnementaux évidents. La recherche développe actuellement des encres à base d'eau ou d'encre UV.
La matière colorante est la substance ou les particules qui donnent la couleur d'une encre. Au début on utilisait principalement des colorants qui devaient être très solubles dans le solvant afin d'éviter tout séchage à l'intérieur du capillaire. Ils doivent avoir une bonne tenue à la lumière et ne pas utiliser de métaux lourds. La nouvelle tendance est d'utiliser des pigments très fins (<1µm). Mais ceux-ci posent des problèmes car ils arrivent à boucher les buses.
Le liant a pour but d'assurer la cohésion de l'encre et contrôler sa viscosité. Il assure l'adhésion de la matière colorante au support. Il s'agit d'un des composants les plus difficiles à doser dans la formulation. On utilisait autrefois des résines phénoliques mais celles ci ne vieillissaient pas bien et bouchaient les têtes d'impression. Actuellement on se dirige plus vers l'utilisation de copolymères.
Les additifs sont aussi déterminants dans la qualité de l'encre. Ils sont pourtant en quantité infime (moins de 1%). Ils cherchent à améliorer la fluidité, l'adhésion, la rhéologie du liant ou la conductivité de l'encre. La conductivité est un élément déterminant dans le jet d'encre CIJ. Il est alors nécessaire de bien maîtriser ce paramètre.
Les encres à l'eau
Les pressions législatives et environnementales ont poussé à développer des encres à base d'eau et non plus à base de solvant. En effet les encres à base d'eau offrent un bon moyen de satisfaire les exigences légales et améliorent les conditions de travail. De plus elles permettent de réduire les coûts du retraitement des solvants.
Elles se sont tout d'abord largement répandues en flexographie et commencent à se développer en héliogravure. Les supports ont tout d'abord été des supports poreux tel que le papier et le carton et ils se limitaient donc à l'emballage et à la presse quotidienne. Mais aujourd'hui, ces encres permettent d'imprimer sur des supports variés tels que les films polyester.
Remarque : Des systèmes hybrides commencent à apparaître qui combinent les encres à eau et les encres UV (voir plus loin). Ils ont alors l'avantage des encres UV tout en étant nettoyables à l'eau. Ces encres sont applicables en fines couches pour la flexographie et l'héliogravure ou en couche épaisse comme pour la sérigraphie.
Caractéristiques
*Composition :
- Eau : 45 à 75 %
- Pigment : 10 à 20 %
- Résine : 10 à 15 %
- Additifs : 1 à 7%
- Solvant : 0 à 10 %
- Polymères : deux types de polymères sont présents dans ces types d'encre ; des hydrosolubles qui améliorent les propriétés d'imprimabilité de l'encre et des polymères en émulsion qui améliorent les propriétés du film d'encre sur l'imprimé.
- Pigments : ils dépendent du type de véhicule, du pH de l'encre... Ils sont généralement de base organique.
- Additifs :
- Cires : changent l'état de surface du film d'encre. Elles permettent notamment d'augmenter la résistance au frottement, d'améliorer le glissant...
- Antimousse : empêche la formation de mousse et donc améliore l'impression.
Les encres UV et EB
Les contraintes environnementales sur l'émission de solvant sont de plus en plus fortes. De plus, le séchage doit toujours être plus rapide pour répondre aux impératifs de production toujours croissants. Il a donc été nécessaire pour les fabricants d'encre de développer une nouvelle technologie.
Les encres UV (Ultra-Violet) et EB (Electron-beam = bombardement d'électrons) sont ces nouvelles encres. Le véhicule de ces encres, bien que proche des encres classiques a une composition bien différente : elles contiennent des prépolymères, des monomères et un photoamorceur. Les photoamorceurs sont exités par les UV et déclenchent une réaction de polymérisation en chaîne des prépolymères et des monomères. La réaction est complète et quasi-instantanée. Le film d'encre est alors, normalement, sans aucune odeur résiduelle, ce qui est très appréciable en emballage alimentaire par exemple. Le film d'encre est d'une excellente solidité, ce qui a l'inconvénient de poser des problèmes au désencrage. De plus les encres UV restent plus coûteuses que leurs grandes sœurs.
Le procédé est le même pour les encres EB, seuls les photoamorceurs changent.
<! à développer >
électrophotographie et Xérographie
L'encre est stockée dans un toner liiquide ou solide. A l'origine, l'encre était solide (sous forme de poudre) mais l'utilisation de tonerliquide tend à s'étendre car ils permettent une meilleure qualité.
Les encres thermochromiques
Elles ont la particularité d'avoir une couleur variable. Celle-ci varie de façon réversible ou irréversible en fonction de la température. ces encres passent de l'état coloré à incolore lorsque le température s'élève.
Le développement de ces encres a commencé dans les années 1970. Au début ces encres n'étaient formulées que pour la sérigraphie, ce procédé offrant un contraste de couleurs plus intense. Vers les années 1980-1985 leur formulation s'est étendue au système flexographique. Avec les nouvelles applications le marché s'est accru et l'on utilise maintenant ces encres en offset conventionnel et UV, ainsi qu'en impression jet d'encre.
La substance d'origine animale
L'encre est également une substance, appelée aussi sépia, produite par les céphalopodes, la seiche, le calamar, le poulpe..., qu'ils projettent dans l'eau sous forme d'un nuage pour masquer leur fuite en cas d'agression.
La maladie de l'encre
L'encre est aussi une maladie très grave du châtaignier provoquée par un champignon, nommée ainsi à cause de la coloration noire que prennent les racines.
Sens du mot encre
L'expression «faire tache d'encre» signifie détonner, défigurer, comme une tache d'encre ruine un devoir autrement impeccable :«(...)aux sites dégradés, à l’urbanisation en tache d’encre, aux structures malades(...)»
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