A presente invenção refere-se a um processo de pré-revestimento de substratos com cópia da superfície de uma matriz por material curável por radiação para uso em sistemas de impressão industrial.

Na indústria gráfica são empregados diferentes tipos de substratos desde os naturais como couros e peles de animais até os industrializados como papéis, plásticos e polímeros diversos.

Via de regra, do ponto de vista do substrato, o processo industrial gráfico envolve as etapas de pré-tratamento, impressão, pós-tratamento e acabamento.

Por pré-tratamento, compreende-se os processos necessários ao preparo do substrato para receber adequadamente as demais etapas e materiais. Geralmente um bom substrato para uma determinada aplicação não é capaz de receber sozinho os demais materiais necessários para a constituição do produto final, sendo por isso mesmo preciso ser realizada esta etapa de pré-tratamento, quase sempre para promover as modificações superficiais requeridas para a ancoragem dos componentes da impressão e pós-tratamento.

A impressão é a aplicação de tintas, lacas e vernizes que conferirão a materialização da arte, coloração e funcionalidades diversas ao substrato, tornando-o apropriado para seu emprego determinado. Deste modo, se um substrato se destina a ser utilizado como embalagem de produto alimentício, receberá materiais, isto é, tintas e vernizes, já designados para esta aplicação e serão usualmente diferentes se o mesmo substrato for destinado ao emprego como um cartaz de anúncio por exemplo.

O pós-tratamento é o estágio que conferirá características específicas ao substrato impresso, tais como (i) de efeitos visuais, (ii) de atrito ou toque e (iii) de regulação da interação do substrato com o ambiente. No primeiro grupo se destacam os efeitos fosco, brilhante e tridimensional; no segundo o controle da fricção entre dois substratos iguais, como no caso de embalagens a serem empilhadas ou mesmo entre a embalagem e o produto embalado; por no terceiro há os revestimentos que impedem a migração de componentes indesejáveis da impressão para alimentos em embalagens, ou aqueles que prolongarão a qualidade da arte impressa em produtos expostos a intempéries.

Já o acabamento trata da conformação final do substrato impresso e pós- tratado, podendo ser desde a montagem de estruturas geométricas, como caixas e dispositivos diversos até bolsas, sacos e sacolas dos mais diferentes formatos e aplicações.

Grosso modo, pré e pós tratamento referem-se a processos de revestimento superficiais do substrato, sendo o primeiro com o objetivo de facilitar as demais etapas de fabricação e a última para conferir características específicas. Este revestimento pode ser feito de várias maneiras e implicar no uso de mais de uma camada de material. Alternativamente estes revestimentos também podem requerer a cura por meio de radiação ultra violeta (UV) ou por meio de feixes de elétrons (EB de sua sigla em inglês).

Um método amplamente utilizado para pós-tratamento é denominado "cast and cure" no qual um revestimento é aplicado ao substrato sob pressão por uma matriz que imprime sua superfície sobre o dito substrato. Este procedimento permite desde a replicação de rugosidades para conferir efeitos ópticos específicos, até a obtenção de superfícies extremamente lisas, conforme a necessidade técnica.

• No documento US20100136356 "Paper coating compositions, coated papers, and methods" de Kelly et ai. se ressalta que a qualidade da impressão final no substrato depende diretamente do processo e da composição do revestimento usado, especialmente quando se trata de papel, daí a necessidade imperiosa de se pré-tratar este tipo de substrato, de modo a corrigir suas imperfeições superficiais naturais, dada sua origem fibrosa. Adicionalmente, após a impressão ainda se pode requerer o pós-tratamento do material já impresso de modo a conferir-lhe características específicas, como os efeitos visuais holográficos, proteção a abusos diversos, como por exemplo citado em US7674527 "Coated Paper" de Yokochi em que se descreve o revestimento de substrato de papel para proteção a gordura.

Outro fator a ser considerado, principalmente em aplicações que envolvam em particular o contato com alimentos ou direto com a pele de usuários há que se ressaltar a conveniência do emprego de revestimentos curáveis por radiação que além da obtenção destes resultados finais com o emprego de materiais menos nocivos, ainda fornece de imediato as características desejadas, uma vez que a cura é instantânea.

Em muitas situações existe a necessidade de se tratar duas superfícies opostas do substrato o que pode ser feito por processos "off-line", isto é, trata-se primeiramente uma superfície, em seguida inverte-se o lado a ser trabalhado e retorna-se o substrato para a mesma máquina, o que impacta diretamente a produtividade, especialmente se os materiais do revestimento exigem tempo de espera antes de se retomar etapas produtivas com o substrato pré-tratado. O documento US2321939 "Process for coating porous materiais" de Quinn descreve uma alternativa através de uma máquina específica que é capaz de transportar em suspenso um substrato para permitir o tratamento da superfície oposta.

Os processos descritos até o momento possuem algumas características deletérias em comum:

1. Demandam a aplicação de grande quantidade de material;

2. Não permitem o tratamento de superfícies opostas de modo eficiente;

3. Não excluem a necessidade de pós-tratamento para a obtenção de atributos específicos;

4. Elevado consumo de energia para permitir a secagem e cura dos revestimentos;

5. Uso intensivo de espaço de armazenagem para acomodar os materiais enquanto aguardam atingir as condições ideais para as próximas etapas de produção.

A presente invenção se propõe a solucionar estes e outros desafios pelo emprego de um processo de revestimento de substratos com cópia de superfície por materiais curáveis por radiação, no qual uma quantidade pequena de material selecionado é aplicado como um pré-revestimento sobre um substrato por meio de moldagem por pressão e que permite inclusive a aplicação em duas superfícies opostas simultaneamente, conforme a descrição e materializações a seguir demonstrarão.

A intenção deste invento é substituir os sistemas aquosos ou com solvente por sistemas curáveis por radiação para o tratamento de substratos, tais como papéis ou filmes especiais. A grande vantagem deste sistema, quando combinado com o conceito de cópia de superfície é que conseguimos transferir para a superfície do papel, cartão ou filme a característica presente em uma matriz com o uso de uma quantidade significantemente menor de revestimento.

Geralmente as aplicações podem ser menores que 5g/m ² para resultados excepcionais, além de dispensar completamente o uso de calandras que comprimem os substratos e causam sua compactação com influência nas propriedades mecânicas.

A compactação passa a ser opcional, uma vez que esta não é mais necessária para a obtenção do resultado de superfície desejado.

A matriz acima citada pode ser forma de um cilindro, filme ou chapa e sejam estas de compostas de materiais poliméricos, metais ou composição dos mesmos.

Adicionalmente, diferentemente da tecnologia tradicional que geralmente produz superfícies tendendo ao brilho ou fosco, esta tecnologia pode copiar qualquer tipo de característica superficial, como texturas, holografias etc.

De fato parte deste método já é utilizada para pós-tratamento gráfico, sendo que a cópia de filmes holográficos pós impressão é uma tecnologia bastante difundida com a nomenclatura comercial de "cast and cure", conforme descrito acima. O que a presente invenção propõe de inovador é a transferência desta tecnologia como pré-tratamento dos filmes e não mais como pós- tratamento.

Uma vantagem para a área papeleira,na qual a associação da eficiência do método com a alta produtividade que pode ser aportada pelos sistemas de cura UV ou EB podem gerar produtos com características mais diversas que as tecnologias atuais, com muito superior qualidade e a um custo muito reduzido em relação aos atuais.

Hoje a tecnologia de tratamento de papéis é quase completamente através de revestimentos base água e com o conceito de aplicação, secagem térmica para evaporação da água, seguido por calandragem em calandras ou supercalandras para compactar e alisar a superfície.

Como consequência, temos um elevadíssimo consumo de energia para a evaporação da água e uma superfície que mesmo sendo relativamente fechada, ainda apresenta uma porosidade elevada se comparada a dos filmes plásticos.

Uma tecnologia disponível no mercado para papéis de elevado brilho e qualidade é o do uso de revestimentos base água que são aplicados em papéis e estes são "colados" à superfície de um grande cilindro aquecido e à muito baixa velocidade, provocará a secagem deste revestimento em contato com este cilindro, também copiando a sua superfície espelhada.

A desvantagem deste método é a baixíssima produtividade e alto custo do produto final, além de submeter o papel a um nível de umidade muito elevado que depois vai caindo, provocando expansão e contração do papel que pode resultar em perdas apreciáveis na produção, uma vez que o papel trabalha mecanicamente com a variação de umidade.

Este processo, dado a sua baixíssima produtividade é reservado à papeis de arte, para impressão de livros de pintura ou arte. Adicionalmente a estes problemas, a formulação do revestimento depende de resinas comerciais que mantenham a permeabilidade do sistema e são usualmente muito mais caras, como as resinas à base de caseína de leite.

Ambos os processos mencionados, dependem de expressivo volume de aplicação para obtenção do resultado final, ficando sempre acima de 10 a 30 g/m2 de aplicação seca para um resultado satisfatório. Isto significa entre 20 e 60 g/m2 de aplicação a úmido e evaporação entre 10 e 30 gramas de água por metro quadrado.

Dependendo do tipo de substrato a ser utilizado, pode-se modular as características do revestimento curável para melhor se adaptar a este.

Por exemplo: No caso do pré-tratamento para substratos celulósicos, que geralmente apresentam porosidade e capilaridade, as formulações mais ricas em oligômeros de peso molecular mais altos são mais adequadas, pois evitam que o material reativo seja absorvido pelo substrato, perdendo efetividade de cobertura da superfície e consequentemente perda da capacidade de cópia da superfície da matriz.

Para substratos com baixa porosidade, pode-se lançar mão de viscosidades mais baixas, que podem simplificar o processo de aplicação. Praticamente qualquer oligômero ou monômero pode ser usado para produzir um material curável por radiação desde que este apresente compatibilidade com o substrato escolhido.

Para pré-tratamento dos substratos celulósicos como acima mencionado, são mais ideais os produtos de custo de aquisição mais baixos, pelo alto volume e a competitividade de preços do mercado.

Também para este segmento, um fator determinante é a sustentabilidade e a reciclabilidade do produto final.

Atendendo muito bem a todos os quesitos acima, temos o óleo de soja epoxidado acrilado que apresenta em sua composição mais de 60% de material de origem sustentável e que se mostrou apto a receber impressões à base de água, solvente e também tintas oleosas, sendo igualmente um dos oligômeros de menor custo disponível no mercado.

Outra característica distintiva do óleo de soja epoxidado acrilado é a sua viscosidade intermediária, em torno de 2000 cps a 25°C, que virtualmente dispensa a diluição com monômeros dependendo do processo de aplicação escolhido.

Um dos mecanismos de aplicação mais indicados neste caso é o sistema "kissroll" ou o sistema presente nas laminadoras tipo Solventless com possibilidade de termorregulação dos cilindros dosadores.

Apenas para a finalidade de comparação, uma resina epóxi acrilada convencional, diluída com 20% de TRPGDA (tripropilenoglicoldiacrilado) tem ao redor de 20.000 cps a 25°C, o que certamente exigirá ainda uma diluição com monômeros como o próprio TRPGDA ou TMPTA (TrimetilolpropanoTriacrilado) para se obter uma viscosidade aplicável.

Especialmente em aplicações sobre substratos celulósicos, o uso de monômeros pode trazer o indesejável efeito da absorção pelas fibras de celulose que poderá resultar, especialmente nas curas por luz Ultra Violeta, a presença de monômeros não curados ao final do processo.

Como a cura por feixe de elétrons é mais penetrante e eficiente, ainda que haja uma indesejada absorção de componentes reativos nas fibras e porosidades do substrato, há uma maior possibilidade que os mesmos sejam totalmente polimerizados, reduzindo os riscos de migração futura para os elementos embalados.

De qualquer forma, o uso apenas de elementos com baixa probabilidade de absorção, penetração e futura migração, além de serem mais efetivos no aspecto de fechamento adequado da superfície, ainda certamente apresentará menores riscos para a segurança de uso do produto final.

Outra categoria interessante de produtos são os poliésteres acrilados, pois são encontrados em ampla gama de viscosidades e de pesos moleculares, muitos na faixa ideal para a aplicação em sistema sem solvente.

Para atendimento de todos os requisitos de custo, performance e produtividade, descrevem-se abaixo fórmulas que apresentam desempenho satisfatório para o pré-tratamento de substratos celulósicos:

F ^{^} romula Al - Epoxi

As mesmas fórmulas acima, sem o fotoiniciador são adequadas à cura por feixe de elétrons:

Fórmula BI - Epoxi

Produto Nome Comercial %

OligomeroEpoxiAcrilado AgiSyn 1010 A75 49.44

TrimetilolpropanoTriacrilado

Monomero 49.44

(TMPTA)

AgenteNivelante Tego Glide 432 1.12

Para o pré-tratamento de substratos não porosos, pode-se empregar formulações de viscosidade mais baixa, apesar de não ser mandatório. As mesmas fórmulas acima podem ser empregadas para esta finalidade, porém, dependendo do substrato a ser pré-tratado, poderá ser necessária a adição de monômeros mais agressivos para promover a adesão.

Dentre os monômeros que podem ser usados para esta finalidade, destacam-se:

IsobornilAcrilado

THFA TetrahidrofurfurilAcrilado 2-PEA 2-Fenoxietil Acrilado

ODA Acrilato de Octildecila

HDDA HexanodiolDiacrilado

São exemplos de Monômeros além dos acima citados:

TMPTA - TrimetilolpropanoTriacrilado

TMP(EO)TA - TrimetilolpropanoEtoxilado Acrilado

TRPGDA - TripropilenoglicolDiacrilado

GPTA - GlicerolpropoxiladoTriacrilado

NPGDA - NeopentilglicolDiacrilado

NPG(PO)DA - NeopentilglicolPropoxiladoDiacrilado

PEG(X)DA - PolietilenoglicolDiacrilado - Vários pesos moleculares.

Outros exemplo de Oligômeros:

- EpóxiAcrilados, preferencialmente com viscosidade inferior a 20.000 cps.

- Poliéster Acrilados - preferencialmente com viscosidade inferior a 20.000 cps.

- Poliuretano Acrilados - preferencialmente com viscosidade inferior a 20.000 cps.

- Acrílico Acrilados - preferencialmente com viscosidade inferior a 20.000 cps.

- PoliisobutenosAcrilados - preferencialmente com viscosidade inferior a 20.000 cps.

Os principais fotoiniciadores para este processo, são:

1173- 2-hidroxi-2metil- 1 -fenil-propan- 1 -ona

184- 1 -hidroxi-ciclofenil-cetona

TPO- difenil-( 1 ,4,6-trimetilbenzoil)-fosfina-oxido

BDK- benzil-dimetil-cetal

Exemplos de aditivos: Os principais aditivos são:

Agentes nivelantes, pigmentos e corantes, agentes umectantes, sílicas e cargas minerais.

Para melhor ilustrar o emprego do processo e das formulações de revestimento propostos, são exemplificados modelos de máquinas de pré- tratamento adequadas à execução da presente invenção.

Breve descrição das figuras

As figuras anexas ilustram as máquinas apropriadas para a execução deste invento.

O modelo 1 representa o método de aplicação de um revestimento curável por UV com matriz transparente cilíndrica.

O modelo 2 apresenta o método de aplicação de um revestimento curável por feixe de elétrons (EB) com matriz cilíndrica.

O modelo 3 mostra o processo de aplicação de um revestimento curável por UV com um filme como matriz.

O modelo 4 representa o processo de aplicação do revestimento curável por feixe de elétrons (EB) com um filme como matriz.

O modelo 5 apresenta um método de aplicação de um revestimento curável por UV em que a matriz é uma cintacontínua.

O modelo 6 mostra o processo de aplicação de um revestimento curável por feixe de elétrons (EB) em que a matriz é uma cinta contínua.

O modelo 7 demonstra a aplicação de revestimento curável por feixe de elétrons (EB) simultaneamente nas duas faces opostas do substrato, em que as matrizes são cintas contínuas.

Descrição detalhada das figuras

Para todas as figuras vale a seguinte nomenclatura:

A - Unidade de cura UV

B - Unidade de cura EB

Cl, C2 - Pontos de possível aplicação do revestimento

D - Substrato

El - Matriz cilíndrica transparente

E2 - Matriz cilíndrica

E3 - Matriz em forma de filme

E4 - Matriz em forma de cinta contínua

Na figura 1 um substrato D na forma de uma película embobinada passa por pelo menos uma estação de aplicação de revestimento curável por radiação Cl ou C2, e é pressionado contra uma matriz El de formato cilíndrico e transparente aos raios UV. Esta dita matriz transparente é oca e comporta em seu interior uma unidade A de cura UV que emitirá o feixe de radiação necessário para curar o revestimento então aderido ao substrato.

Na figura 2 um substrato D na forma de uma película embobinada passa por ao menos uma estação de aplicação de revestimento curável por radiação Cl ou C2 e é pressionado contra uma matriz E2 cilíndrica de modo que o referido revestimento curável por radiação encontra- se entre a matriz cilíndrica E2 e o substrato D. Sendo assim o feixe de elétrons oriundo da unidade B, atravessa o substrato e cura o revestimento na superfície oposta.

O feixe de elétrons energéticos tem um poder penetração maior que os raios UV e sendo assim, esta característica física pode ser empregada com vantagens, uma vez que a presença do oxigénio atmosférico resulta em reações químicas indesejáveis no revestimento, o que impacta a qualidade do tratamento e pode até inviabilizar sua aplicação, daí a necessidade de se realizar a cura destes compostos em atmosfera inerte. Ao se irradiar pelo lado reverso do substrato D, apenas uma quantidade negligível de ar será armadilhada entre a matriz E2 e o substrato D, o que dispensa os complexos equipamentos de inertização.

Na figura 3 um substrato D na forma de uma película embobinada que passa por ao menos uma estação de aplicação de revestimento curável por radiação Cl ou C2 e é pressionado contra uma matriz em formato de filme que desenrola e é enrolado após ser destacado do substrato D entre as bobinas E3. Enquanto em contato próximo com o substrato D o revestimento percebe a radiação UV oriunda da unidade A. Na figura 4 se descreve um substrato D na forma de uma película embobinada que passa por ao menos uma estação de aplicação de revestimento curável por radiação Cl ou C2 e é pressionado contra uma matriz em formato de filme que desenrola e é enrolado após ser destacado do substrato D entre as bobinas E3. Enquanto em contato próximo com o substrato D o revestimento percebe o feixe de elétrons (EB) oriundo da unidade B pelo lado oposto da matriz E3 em forma de filme.

Na figura 5 se descreve um substrato D na forma de uma película embobinada que passa por ao menos uma estação de aplicação de revestimento curável por radiação Cl ou C2 e é pressionado contra uma matriz em formato de uma cinta contínua E4.Enquanto em contato próximo com o substrato D o revestimento percebe a radiação UV oriunda da unidade A.

Na figura 6 se descreve um substrato D na forma de uma película embobinada que passa por ao menos uma estação de aplicação de revestimento curável por radiação Cl ou C2 e é pressionado contra uma matriz em formato de uma cinta contínua E4.Enquanto em contato próximo com o substrato D o revestimento percebe o feixe de elétrons (EB) oriundo da unidade Bpelo lado oposto da matriz E4 em forma de cinta contínua.

Na figura 7 se descreve um substrato D na forma de uma película embobinada que passa por ao menos duas estações de aplicação de revestimentos curáveis por radiação Cl e C2 e são pressionados contra uma matriz em formato de uma cinta contínua E4.Enquanto em contato próximo com o substrato D os revestimentos percebe o feixe de elétrons (EB) oriundo da unidade Bpelo lado oposto da matriz E4 em forma de cinta contínua, sendo que o referido feixe de elétrons é capaz de atravessar a matriz E4 em forma de cinta contínua, o revestimento, o substrato D e curar a camada de revestimento aplicada na superfície oposta.

Estas descrições são meramente ilustrativas e não pretendem de modo algum limitar as possibilidades que os técnicos versados na área possam aventar.

Exemplo 1 :

Emprego do pré-revestimento de substratos com cópia da superfície de matriz lisa por material curável por radiação com a finalidade de obter uma superfície de impressão de qualidade superior ao dos papéis couchês tradicionais de mercado.

No caso específico, foi utilizada a formulação Al por cura por lâmpadas ultra violetas ou BI para cura por feixe de elétrons na razão de 4 g/m ² em papel kraft branco monolúcido com uma máquina do modelo 3 posição de aplicação Cl. Em seguida foi feita a impressão flexográfica com tintas à base de água e à base de solvente. A comparação do resultado da qualidade de impressão com o que é convencionalmente realizado com papel couchê revelou que o desempenho foi superior ao que se obtém regularmente no couchê convencional, assemelhando-se ao resultado de um couchê cote fabricado pela empresa Brasilcote na tecnologia mencionada anteriormente de castcote, porém com os ganhos de custo, tempo e produtividade também acima explicados.

Exemplo 2:

Emprego do pré-revestimento de substratos com cópia da superfície de matriz lisa por material curável por radiação com a finalidade de obter uma superfície de qualidade superior e com porosidade reduzida como base para aplicação de silicone para uso como linner de papeis auto adesivos com a redução significativa de consumo de silicone. No caso específico, foi utilizada a formulação A2 por cura por lâmpadas ultra violeta ou B2 para cura por feixe de elétrons na razão de 6 g/m ² em papel monolúcido branco fibra curta de 60 g/m ² com uma máquina do modelo 3 posição de aplicação Cl.

O material foi posteriormente enviado para aplicação de silicone, onde foi possível registrar uma redução da ordem de 35% da aplicação de silicone com a manutenção das mesmas propriedades de liberação de auto adesivo.

Exemplo 3:

Emprego do pré-revestimento de substratos com cópia da superfície de matriz lisa por material curável por radiação com transferência simultânea de coating, revestimento ou metalização da superfície copiada para o substrato.

No caso específico, foi utilizada a formulação Al por cura por lâmpadas ultra violetas ou BI para cura por feixe de elétrons na razão de 4 g/m ² em papel kraft branco monolúcido com uma máquina do modelo 3 posição de aplicação Cl. O objetivo básico foi o de transferir a metalização realizada sobre um coating de polivinibutiral com baixa adesão e com gramatura inferior a 1 g/m ² aplicado a um filme de BOPP de 45 micras cuja metalização realizada por meio de metalização à vácuo sobre o respectivo coating foi transferido por desplacamento para a superfície do substrato. O substrato assim tratado passou apresentar uma superfície metalizada com as mesmas características do filme metalizado, porém sem o consumo do filme de BOPP e com plena reciclabilidade.