USPOREDBA FIZIKALNO - KEMIJSKIH SVOJSTAVA KOMERCIJALNIH OTOPINA ZA VLAŽENJE

Gojo Miroslav

Abstract :
In dependence on the concentration of the fountain solution their physical - chemical properties such as the surface tension, conductivity, pH value and contact angle on the non-printing surfaces for offset printing have been determined.

The obtained results show that the foun-tain solution decreases the surface tensi-ons by the increase of the concentration, while the conductivity of the fountain so-lution samples grows constantly, for some of them quicker and for some slower.

The damping process happens in mild acid medium whose pH value lies between 4.2 and 4.7 which shows that some salts were added to the solution which act as buffers.

The contact angle, as the measure of good damping, is decrease by the in-crease of the concentration of the fountain . solution. It enables a good damping of the non printing parts of the printing surface.

The obtained measuring results of the physical – chemical properties of the fountain solution show that the optimal concentration in the basic fountain solution should not be greater than between 3 and 4 vol % for some samples, or between 4 and 6 vol % for another samples.

Depending on the added surface active substance (SAS) the physical – chemical pa-rameters depend as well and 2-propanol is successfully replaced as SAS.

Key words: contact angle, electrical conductivity, fountain solution,offset printing, pH value, surface active substances (SAS), surface tension

1 Uvod

Tehnika plošnog tiska zasniva se na različitim fizikalno-kemijskim svojstvima slobodnih i tiskovnih površina. Tiskov-ne površine moraju imati izrazito hidro-fobna svojstva, dok slobodne površine izrazito hidrofilna. Kako tiskovni ele-menti i slobodne površine kod tiskovne forme za plošni tisak imaju međusob-no suprotni fizikalno - kemijski afinitet, to dolazi do pojave selektivne adsor-pcije molekula različite građe i sup-rotnih svojstava. Pri tome ne treba za-nemariti niti površinska svojstva ano-dizirane površine aluminijske ploče kao slobodnih površina, niti njenu morfo-logiju, hrapavost, poroznost itd. Tako-đer i vrsta, te količina dodanog alko-hola smanjuje površinsku napetost, ali može uzrokovati druge neželjene pos-ljedice (isparavanje alkoholnih para tijekom procesa tiska, zagađenje oko-liša itd.).

Većina otopina za vlaženje, koja se adsorbira na slobodne površine tis-kovne forme neposredno prije na-našanja boje u procesu tiska, priprem-ljene su na približno sličan način, međutim to ne znači da one djeluju podjednako dobro. Otopine za vlaže-nje sadrže tvari koje omogućavaju bolju adsorpciju vode i vlaženje slobod-nih površina, kao što su: vodotopiva gumiarabika, puferi za regulaciju pH vrijednosti, soli za hidrofilizaciju, sred-stva za čišćenje, površinski aktivne tvari, dodaci za podmazivanje, sred-stava za kontrolu emulgiranja, sred-stava za povećanje viskoziteta, bio-cide, otapala, inhibitori korozije itd. Najčešći dodatak koji poboljšava prijenos otopine za vlaženje i nje-zinu adsorpciju na slobodne povr-šine tiskovne forme je 2-propanol (IPA).

Dok su količine drugih dodataka odre-đene uputama proizvođača, dodatak 2-propanola prepušteno je slobodnoj procjeni strojara u procesu tiska i iznosi obično 10 do 15 vol%. Cijena 2-propa-nola i njegov utjecan na zagađenje okoliša dovele su do napora da se njegova potrošnja značajno smanji, ili čak do potpune zamjene drugim površinski aktivnim tvarima. [ 1-7 ] .

2 Pokusni dio

Prethodna ispitivanja obuhvatila su ispitivanja mjerenja povr š inske nape - tosti , elektri č ne provodnosti i pH vrijed - nost uzoraka komercijalnih otopina za vla ž enje u podru č ju koncentracija od 0 do 100 vol % izvornog koncentrata [1]. Kako je realna koncentracija otopine za vla ž enje do 15 vol % izvornog kon - centrata , ispitivanja su nastavljena u tom uskom podru č ju uz mjerenje jo š jednog parametra - kuta vla ž enja . Kut vla ž enja je mjera u č inkovitosti dodanih povr š inski aktivnih Povr š ina koju pokriva lokalna mre ž a obuhva ć a jednu prostoriju ili kat zgrade do skupine od par zgrada . Lokalna mre ž a je tip komunikacijske mre ž e koji je ujedno i nosilac integriranih komunikacija . tvari koje smanjuju povr š insku napetost pove ć avaju ć irazli - jevanje otopine po slobodnom povr š i - nama i njihovo vla ž enje [1].

Za mjerenja su korištena tri različita uzoraka komercijalnih koncentrata otopine za vlaženje. Uzorci otopina pripremljeni su razrijeđivanjem kon-centriranih otopina s deioniziranom vodom u različitim omjerima. Konc-entracija otopine za vlaženje iznosi-la je od 0.5 do 20 vol%, a poveća-vana je postupno za 0.5 vol% do koncentracije od 5 vol%, a zatim po 1 vol% do konačne koncentracije od 20 vol%. Tako je dobiveno po 25 uzoraka za svaku otopinu kojima su mjereni fizikalno-kemijski parametri.

Površinska napetost mjerena je metodom stalagmometra koja se zasniva na mjerenju veličine kapi koja se otkida s kapilare. Metoda stalagmometra je poredbena meto-da kojom se površinska napetost nepoznate otopine određuje pomo-ću tekućine poznate površinske na-petosti (referentne tekućine, što je najčešće destilirana voda) [1].

Električna provodnost pripremljenih otopina mjerena je pomoću kon-duktometra LF 320 Conductivity-meter tvrtke WTW, a pH vrijednost otopina mjerena je pH-metrom WTW pH-meter pH 526 tvrtke WTW u području pH vrijednosti od 0 do 8 [4].

Elerktrična provodnost deionizirane vode iznosila je 8.3 m S, a pH 6.70 [1].

Kut vlaženja ( Q ) na granici faza čvrsto - tekuće mjeren je pomoću goniometra NRL C.A. Goniometer model N o A -100 tvrtke Rame-Hart [4].

Pri mjerenju kontaktnog kuta koristi-la se metoda uranjanja uzorka u pripremljenu otopinu za vlaženje.

Kiveta koja je postavljena na stolić za uzorke sadrži otopinu kojoj se kontaktni kut mjeri. Rub kivete je parafiniran, tako da je otopina za vlaženje izdignuta iznad ruba kivete zbog površinske napetosti i zatvara kontaktni kut s uzorkom tiskovne forme kako je prikazano na slici 1.


Sl. 1. - Način mjerenja kontaktnog kuta

Kontaktni kut mjeren je tri puta za svaku koncentraciju pojedinih otopi-na, a kao rezultat uzeta je srednja vrijednost mjerenja.

Točnost očitavanja, prema specifi-kaciji proizvođača, iznosi ± 0.5°


3. Rezultati

Mjerenja površinske napetosti, elek-trične provodnosti i pH vrijednosti, te kontaktnog kuta kao fizikalno-kemijskih parametara otopine za vlaženje, pro-vedena su u otopinama pripremljenim s deioniziranom vodom [1].

3.1. Mjerenje površinske napetosti

Svakoj pripremljenoj otopini mjerena je specifična gustoća piknometrom, a po-vršinska napetost mjerena je metodom stalagmometra. Iz dobivenih podataka gustoće otopine i broja kapi izračunata je površinska napetost [1].

Na slici 2 prikazane su zavisnosti površinske napetosti o koncentraciji otopina za vlaženje za sva tri ispitivana uzorka. Vrijednost površinske napetos-ti vode (72.75 mNm -1 kod 20 o C) nije uzeta u obzir, budući je značajno viša, ali dodatkom već malih koncentracija otopine za vlaženje dolazi do naglog pada nezine vrijednosti [1].


Sl. 2. - Zavisnost površinske napetosti o koncentraciji otopine za vlaženje

Vrijednost površinske napetosti do-bivene za sva tri uzorka se smanjuje već malim povećanjem koncentra-cije otopine za vlaženje. Sve tri kri-vulje imaju približno sličan tijek, a izmjerene vrijednosti površinske na-petosti značajno su više za uzorak 1 u odnosu na uzorke 2 i 3.

3.2. Mjerenje električne provodnosti

Soli koje povećavaju količinu adsor-birane vode na slobodnim površi-nama tiskovne forme, kao i tvari koje zamjenjuju 2-propanol mijenjaju električnu provodnosti, tako da po-većanjem koncentracije dolazi do njihove disocijacije i stvaranja vodlji-vih iona. Zavisno o njihovom broju zavisi i električna provodnosti ispiti-vane otopine. Za uzorke 2 i 3 elek-trična provodnosti mnogo brže raste (slika 3.) u odnosu na uzorak 1. U ispitivanom području koncentracija otopine za vlaženje sve tri krivulje imaju približno sličan tijek.


Sl. 3. - . Zavisnost električne vodljivosti o koncentraciji otopine za vlaženje


3.3. Mjerenje pH vrijednosti

Otopinama za vlaženje osim soli za hidrofilizaciju i tvari koje smanjuju površinsku napetost dodaju se i soli koje čine pufere, te stabiliziraju pH na određenu konstantnu vrijednost.

Slično kao i kod površinske nape-tosti, tako i kod mjerenja pH vrij-ednosti mali dodaci koncentrata naglo smanjuju pH vrijednost oto-pine za vlaženje. Kako je pH vrijed-nost deionizirane vode značajno viša u odnosu na djelovanje pufera, to njena vrijednost nije prikazana u dijagramima.

Iz dijagrama na slici 4 vidi se da pH vrijednost za sva tri uzorka naglo pada do koncentracije od oko 3 vol %, a na-kon te koncentracije pad pH vrijed-nosti je značajno sporiji. Najviše pH vrijednosti pokazuje uzorak 1, dok za uzorke 2 i 3 pH vrijednost je nešto niža.


Sl. 4. - Zavisnost pH vrijednosti o koncentraciji otopine za vlaženje

3.4. Mjerenje kontaktnog kuta

Mjerenje kontaktnog kuta vlaženja ukazuje na stupanj pokrivenosti slo-bodnih površina otopinom za vla-ženje. Što je vrijednost kontaktnog kuta niža, otopina se bolje razlijeva po površini i bolje je vlaži. Površinski aktivne tvari koje se dodaju u oto-pinu za vlaženje utječu na sma-njenje površinske napetosti a time i smanjuju kontaktni kut. U dijagrami-ma je uvrštena vrijednost kosinusa kontaktnog kuta, budući se pomoću njega lakše može matematički opi-sati djelovanje međufazne napetosti u trojnoj točci kada su u kontaktu čvrsta, tekuća i plinovita faza [8].

Iz dijagrama na slici 5. vidi se da ko-sinus kontaktnog kuta pri niskim kon-centracijama otopine za vlaženje naglo raste, da bi nakon koncentracije od oko 5 % taj porast bio dosta blaži. Kri-vulje za sva tri uzorka imaju sličan tijek, a vrijednosti kosinusa kontaktnog kuta nešto su veće za uzorak 1.


Sl. 5. - Zavisnost kontaknog kuta o koncentraciji otopine za vlaženje


4 Rasprava

Smanjenje količine 2-propanola ili nje-govo potpuno eliminiranje iz otopina za vlaženje povlači znako-vitu promjenu njihovih fizikalno-kemijskih svojstava. Ta promjena ogleda se u narušavanju emulgacijskog odnosa, te ravnovjesja boja - voda. Sama zamjena 2-propa-nola uvjetovana je i zabranom onečiš-ćenja okoliša, jer je 2-propanol jedan od njih [2,4,5,6,7].

Za vrijeme vlaženja ofsetne ploče ob-navlja se sloj molekula koje poveća-vaju sposobnost vezanja molekula vo-de na sebe solima koje se nalaze u otopini za vlaženje. Te su soli nazvane solima za hidrofilizaciju. Osim tih soli otopini za vlaženje dodaju se i povr-šinski aktivne tvari (PAT) koje smanjuju površinsku napetost vode kao što su alkoholi, karboksi-metil celuloza, glikol, dietil glikol, propilen glikol, tripropilen glikol, glicerol i dr. Zavisno o količini i vrsti dodanih PAT u otopinu za vlaže-nje značajno se mijenjaju i njihova fizikalno-kemijska svojstva [1,2,4,6].


Sl. 6. Zavisnost površinske napetosti ( O ) i električne vodljivosti ( u ) o koncentraciji otopine za vlaženje za uzorak 1

Povećanje koncentracije uzoraka u prip-remljeim otopinama za vlaženje uzrokuje konstantno smanjenje površinske nape-tosti, što je posljedica povećanja koncen-tracije površinski aktivnih tvari[6]. Zavisno o dodanoj PAT zavisi i sama vrijednost površinske napetosti (sika 2.). Uspoređu-jući zavisnost površinske napetosti i elek-trične provodnosti za uzorak 1 (slika 6.) može se pretpostaviti da upravo dodana PAT (najčešće je to 2-propanol) uzrokuje smanjenje površinske napetosti [1,2, 4,6,10]. Smanjenje površinske napetosti u odnosu na vodu (72.5 mNm -1 ) kod uzorka 1 uzrokovano dodatkom PAT je gotovo linearno. Ujedno električna pro-vodnost zavisna je o broju iona koji prenose električni naboj, a u slučaju uzorka 1 ona je relativno niska. Mogući uzrok takvom ponašanju uzorka 1 sva-kako je u tome da organske kompo-nente ima slabiju električnu provodnost i slabije izražena polarna svojstava, a time i manju adsorpciju na površini po-larnog Al 2 O 3 kao osnove slobodne po-vršine na monometalnoj tiskovnoj formi za plošni tisak. Niske vrijednosti električne provodnosti, kao i nešto više vrijednosti površinske napetosti za uzorak 1 ukazuju da je dodana PAT, ili optapalo za druge vrste PAT upravo 2-popanol [2]. Uspoređujući ta dva fizikalna parametra može se pretpostaviti da

podkanalu, sigurnosnom ključu i šiframa za koncentracija otopi-ne za vlaženje ne bi trbala biti veća od 12 % koncentrata.

Međutim, kao jedan od najvažnijih parametara u djelovanju otopine za vlaženje svakako je kontaktni kut. Uspoređujući odnos površinske na-petosti i kosinusa kontaktnog kuta (slika 7.) može se primjetiti da opti-malna koncentracija otopine za vlaženje ne bi trebala biti veća od 5%. Naime, u tom području koncen-tracija uz smanjenje površinske napetosti otopine kontaktni kut je dovoljno mali da omogući dobro vlaženje slobodnih površina [7].


Sl. 7. - Zavisnost površinske napetosti ( O) i kosinusa kuta kvašenja ( u ) o koncentraciji otopine za vlaženje za uzorak 1

Za razliku od uzorka 1, uzorci 2 i 3 pokazuju da dodatkom već malih koncentracija otopine za vlaženje dolazi do naglog smanjenja površin-ske napetosti uz značajano više vrijednosti električne provodnosti (slika 8).

Uspoređujući vrijednosti površinske napetosti i električne provodnosti za uzorke 2 i 3 može se pretpostaviti da uzorak 2 ima nešto više koncen-tracije PAT u odnosu na uzorak 3, budući da ima manje vrijednosti po-vršinske napetosti uz istovremeno više vrijednosti električne provodnosti. Naime, uspoređujući vrijednosti povr-šinske napetosti i električne provod-nosti za uzorak 1 (slika 7) i za uzorke 2 i 3 može se vidjeti da je za uspješan proces vlaženja dovoljna koncentracija od oko 7do 8 vol%.

Sl. 8. Zavisnost površinske napetosti ( o , ¡ ) i električne vodljivosti ( n , l ) o koncentraciji otopine za vlaženje za uzorak 2 i 3

Tako dobiveni rezultati ukazuju da uzorci 2 i 3 sadrže drugu vrstu PAT koja svojom nazočnošću ne utjeće na disocijaciju soli za hidrofiizaciju koje se nalaze u otopini za vlaženje. Na taj način dolazi do izražaja povećanje ionskih vrsta u

otopini za vlaženje. Na taj način dolazi do izražaja povećanje ionskih vrsta u otopini koje omogućavaju povećanje elek-trične provodnosti. Sukladno dobive-nim rezultatima može se pretposta-viti da uzorci 2 i 3 sadrže istu ili slič-nu PAT, kao zamjenu za 2-propa-nol, ali u različitim koncentracijama. Naime, kao zamjena za 2-propanol u otopine za vlaženje najčešće se dodaju glikoli kao glikol, dietil glikol, propil glikol, tripropil glikol. butil glikol itd. [1,2,9].

Uspoređujući odnos površinske nape-tosti i kosinusa kontaktnog kuta kao jednog od najvažnijih fizikalno-kemij-skih parametara otopina za vlaženje može se primjetiti da optimalna kon-centracija otopine za vlaženje ne bi tre-bala biti veća od 4 vol%. Naime, u tom području koncentracija uz smanjenje površinske napetosti otopine kontaktni kut je dovoljno mali da omogući dobro vlaženje slobodnih površina (slika 9).

Očito je da dodane PAT u uzorak 2 i 3 kao zamjena za 2 - propanol po-kazuju bolja fizikalno-kemijska svoj-stva u odnosu na uzorak 1

Sl. 9. - Zavisnost površinske napetosti ( o , ¡ ) i kosinusa kuta kvašenja ( n , l ) o koncentraciji otopine za vlaženje za uzorak 2 i 3

Proces vlaženja odvija se u uskom području pH vrijednosti između 4.2 i 4.7. Zavisno o vrsti primjenjenog pufera, soli za hidrofilizaciju, inhibi-torima korozije zavisi i pH vrijednost pripremljene otopine za vlaženje. Određena pH vrijednost podešena puferom stabilizira otopinu u želje-nom području djelovanjas obzirom na Al 2 O 3 kao materijal slobodnih površina. U tom području pH vrijed-nosti anodno stvoreni Al 2 O 3 je be-mitne strukture i nalazi se u pod-ručju pasivacije[11,13]. Budući da deionizirana voda, odnosno u praksi najčešće korištena omekšana voda, ima značajno višu pH vrijednost, to već mali dodaci koncentrata u oto-pinu za vlaženje uvjetuju nagli pad pH vrijednosti. Pufersko djelovanje (stabilizacija pH vrijednosti) postiže se već pri koncentraciji otopine za vlaženje od oko 7 vol% za sva tri ispitivana uzorka.

Uspoređujući pH vrijednosti i kosi-nusa kontaktnog kuta za sva tri uzorka može se pretpostaviti da otopina za vlaženje pripremljene od uzorka 2 ima najniže pH područje djelovanja pufera. Uspoređujući pH vrijednosti i kontaktni kut moguće je pretpostaviti da optimalne koncen-tracije otopina za vlaženje iznose između 3 i 5 vol%. Niske vrijednosti kontaktnog kuta (visoke za cos Q ) ukazuju na dobru adsorpciju soli za hidrofilizaciju koje omogućuju dobro razlijevanje po slobodnim površina-ma tiskovne forme, a time i njihovo dobro vlaženje (slika 10).


Sl.10. - Zavisnost pH vrijednosti ( O , o , ¡ ) i kosinusa kuta kvašenja ( u , n , l ) o koncentraciji otopine za vlaženje

Uspoređujući izmjerene fizikalne parametre za sva tri uzorka za očekivati je da će uzorak 2 bolje vlažiti slobodne površine u odnosu na uzorak 1 i 3, budući da u istim područjima koncentracija uzorak 2 brže smanjuje površinsku napetost, ima dovoljno mali kontaktni kut, a time ujedno smanjuje i slobodnu

5 Zaključak

Dobiveni rezultati ukazuju da dodatkon već malih koncentracija oto-pine za vlaženje dolazi do naglog sma-njenja površinske napetosti za uzorke 2 i 3, a uzorak 1 pokazuje značajno višu površinsku napetost što je dokaz da je kao PAT bio 2- propanol.

Električna provodnost otopina pripremljenih dodatkom koncentrata najmanja je za uzorak 1. Uzrok to-mu može biti djelovanje električki nevodljivih ili slabo vodljivih PAT koji se dodaju za smanjenje površinske

napetosti. Uzorci 2 i 3 pokazuju po-rast električne provodnosti u cijelom području koncentracija. Već malim dodatkom otopine za vlaženje dolazi do naglog povećanja električne pro-vodnosti u odnosu na deioniziranu vodu (8.3 mScm -1 ). Električna prov-odnost uzorka 2 raste nešto brže nego provodnost uzorka 3 u cijelom području koncentracija što ukazuje na veći stupanj disocijacije nazočnih dodataka. Ta razlika električne pro-vodnosti između uzorka 2 i 3 može biti uzrok njihovoj većoj koncentraciji ili drugačijim dodacima kao što su: puferi, inhibitori korozije ili na manju koncentraciju dodane PAT.

Proces vlaženja odvija se u blago kiselom mediju, u pH području od 4.2 do 4.7. Uzorak

1 ima nešto više pH vrijednosti u odnosu na pH vrijednost uzoraka 2 i 3. Djelovanje pufera uspostavlja se relativno pri niskim koncentacijama otopine za vlaženje. Djelovanje pufera izražaj-nije je kod uzorka 3.

Mjerenja kontaktnog kuta poka-zala su da sva tri uzorka značajno smanjuju kontaktni kut omogućavajući dobro vlaženje slobodnih površina.

Dobiveni rezultati mjerenja fi-zikalnih svojstava otopine za vlaže-nje ukazuju da bi optimalna koncen-tracija iznosila do maksimalno 3 do 4 vol% za uzorke 2 i 3, te između 4 i 6 vol% za uzorak 1.

Usprkos relativno dobrom kva-šenju uzorka 1 njegova druga fizikalno-kemijska svojstva su slabije izražena u odnosu na uzorke 2 i 3. Osim toga, uzorak 1 sadrži izvjesnu količinu 2-pro-panola kojeg je potrebno zamijeniti jer je jedan od zagađivaća okoliša.


7 Literatura

[1 ] M. Gojo, Acta Graph, 11, ( 1999)2, 63.
[ 2 ] K. Traber, Forschungsbericht FOGRA, Nr. 32.107, M ü nchen, Januar, (1996).
[ 3 ] M. Endisch, G. Johner, Acta Graph,7(1995)3, 165.
[ 4 ] M. Gojo, K. Dragčević, I. Hincak, 15 th International Scientific Conference on Graphic Arts, Conference Proceedings.- Zagreb: Acta Graphica; Faculty of Grapic Arts, University of Zagreb, (1998), 117.
[5] http://www.fgsc.ca/fgsc.ca/html/pressRoom/PrintingAlcoholSubstit.pdf
[6] http://www.anchorlith.com/assets/images/FunctionFS.pdf
[7] W. Rauch, Research Report, FOGRA, No. 32.103 Munich, August, (1999). [8] M. Kumar,: Standardizacija izrade i eksploatacija tiskovne forme za plošni tisak. - Zagreb: Viša grafička škola, (1978), 94.
[ 9 ] M. Lovrećek, M. Gojo, K. Dragčević, Advances in Printing Science and Technology, vol 25, Randalls Road, Leatherhead, UK, Pira International, (1998), 103.
[10] R. Brdička: Osnove fizikalne kemije.- Zagreb : Školska knjiga,1969.
[11] http://www.anchorlith.com/assets/images/WaterpHCond.pdf
[12] http://nt7.fujihuntusa.localweb.com/pdfs/graphic/literature_guides/WaterpHCond.pdf
[13] M. Porbeaix, Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions, Pergamon Press, Oxford, London (1966), 172.