Préparation des matières premières

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Pigments

Caractéristiques

Les pigments sont parmi les constituants les plus importants de l’encre. Ils apportent à l’encre sa couleur, sa teinte de coloration et sa profondeur de teinte. Ce sont des substances souvent solides, colorées, généralement de structure cristalline et insolubles dans le véhicule. Mais certains pigments sont solubles dans le véhicule nommé colorant soluble [8].
Les pigments apparaissent sous plusieurs formes dans les encres, à l’état de poudre sèche ou sous forme de pré-dispersion. La mouillabilité de la solution de dispersion dépend essentiellement de la forme du pigment. La structure granulométrique des particules du pigment participe au réglage de la viscosité de l’encre. Plus sa granulométrie est élevée plus la viscosité de l’encre diminue [7,9].

Types

Les pigments peuvent être classés en trois catégories : les pigments noirs, les pigments inorganiques et les pigments organiques [8].

Pigment noir

Le pigment noir est constitué majoritairement de noirs de carbone. Il existe deux types de noirs de carbone :
– Noir de four ou furnace obtenu par craquage de produit pétroliers dans des fourneaux, en contrôlant la quantité d’oxygène O2 apportée. Cette condition est importante pour que les particules de carbone ne se transforment pas entièrement en dioxyde de carbone. Le pigment obtenu à partir de ces noirs de four est mat et de faible force tinctoriale. Leurs tailles sont comprises entre 30 à 150 m.
– Noir de fumée ou channel black obtenu à partir de la combustion incomplète des gaz pétroliers. Les particules sont collectées dans des tunnels ou échappement et elles sont
fines entre 20 et 30 m. Le pigment produit par les particules de noir de fumée est de très bonne qualité.
Le pigment noir est donc très fin, de taille inférieure au micromètre et peut adsorber des substances chimiques à cause de ses caractéristiques de surface. Le pigment noir contient 90 à 99% de carbone. Toutes ces propriétés les rendent différents des autres pigments vis-à-vis des composants de l’encre.
Les encres d’imprimerie exigent deux critères pour la sélection de pigment noir : les profondeurs des teintes et la structure du noir de carbone [10].
– Les profondeurs des teintes d’un noir de carbone est l’intensité de noir réalisable. Ils dépendent essentiellement de la taille des particules : plus les particules sont petites, plus le noir est profond.
– La structure du noir de carbone se traduit par l’agrégation des particules primaires en particules possédant des structures tridimensionnelles ressemblant à des éponges. Ce changement de structure plus la finesse de la taille des particules ont une influence sur la viscosité.
L’utilisation de la structure comme critère de choix de pigment noir est importante lorsque la profondeur de teinte est fixée d’avance. Des noirs pigmentaires à structures différentes peuvent être choisis pour une profondeur de teinte constante.
Il est à noter aussi que la couleur noire peut provenir de composés inorganiques, comme
– le charbon d’os qui est d’origine animale, obtenue par calcination à l’abri de l’air des os dans un creuset pour empêcher l’accès de l’air,
– le noir de vigne, le noir de campêche, le noir de suie ou encore noir de lampe qui est d’origine végétale, obtenus par pyrogravure [10].

Pigments inorganiques

La plupart des pigments inorganiques comparativement à leurs homologues organiques présentent une meilleure stabilité chimique et thermique ainsi qu’une bonne résistance au rayonnement UV. Toutefois, ces pigments contiennent des matériaux lourds (chrome, zinc, plomb).
Dans cette catégorie figure :
– Les pigments blancs qui sont combinés à des charges. Généralement, ils sont souvent à base d’oxydes métalliques (Oxyde de Fer : FeO, Dioxyde de titane : Ti O2). Les charges sont des particules minérales de faible coût (par exemple : CaCO3), dont l’indice de réfraction est voisin de celui du véhicule d’encre [10,11].
Le rôle du pigment blanc dans l’impression est d’augmenter le pouvoir couvrant de l’encre.
– Les pigments métalliques se présentent souvent sous forme de poudre ou pâte de métaux tels que l’aluminium, le cuivre ou les laitons. Ils sont à base d’aluminium ou d’alliage cuivre/zinc, parfois mélangés dans différentes proportions. Ils peuvent également être mélangés à des pigments colorés, ce qui permet de faire varier les effets optiques à l’infini.
Ils apportent à l’imprimé un effet attirant, très recherché pour certains types d’imprimés (emballage de luxe en particulier) [10].
– Les pigments nacrés sont les pigments à base de mica, revêtu d’un oxyde métallique ou d’oxychlorure de bismuth (BiOCl) ou bismoclite. Ces pigments sont à l’origine d’interférences lumineuses provoquant un changement de couleur suivant l’angle d’observation et induisant ainsi l’effet nacré. Ils apportent à l’imprimé un jeu de couleur séduisant.
– Les pigments fluorescents sont utilisés dans certains types d’imprimés, d’emballage, mais aussi de documents à sécuriser ou les papiers pour billets de banque. L’effet fluorescent est dû à l’absorbance de la lumière dans le domaine UV et la réémission dans le domaine du visible [10,11].

Pigments organiques

Actuellement, la majorité des industries utilisent les pigments d’origine organique. Il existe plusieurs centaines de variétés de pigments. Pour simplifier leur appellation, ils sont répertoriés de façon classique dans le Color Index édité par la Society of Dyes and Colorists
[8]. Cet index permet de retrouver pour une appellation courante le nom générique du pigment. Il permet également de trouver les pigments en fonction de leur constitution chimique ou bien encore leur nom commercial et les codes fabricants.

Les pigments les plus employés qui permettent de réaliser les quatre teintes de base de la quadrichromie sont le cyan ou pigment de phtalocyanine PB CI 15, le magenta ou pigment de littholrubine PR CI 57, le jaune ou pigment de diarylide PY CI 12 et le noir ou C.I pigment black 7 [5,8].

Véhicule

Les quatre pigments cyan, magenta, jaune et noir sont sous forme de poudre. Pour obtenir la bonne consistance d’encre, ces pigments sont combinés avec une substance visqueuse appelée véhicule.
Le véhicule est la phase fluide, visqueuse ou pâteuse, dans laquelle le pigment est intimement incorporé.
Généralement, le véhicule est un mélange de liant et de solvant. Il est composé d’une ou de plusieurs résines dures et des matériaux plus fluides comme des huiles végétales ou des distillats pétroliers. Son rôle est donc d’une part, de lier les pigments entre eux et d’autre part lier les pigments au support. Par ailleurs, ces solvants tendent à être réduits pour des raisons environnementales [7,9].

Résine

Les liants appelés vernis dans l’imprimerie, sont des résines qui forment une fois, le colorant ou le pigment placé sur le support, un film protecteur ou décoratif. Les résines ou mélange de polymères sont des éléments essentiels à l’encre. Elles déterminent les caractéristiques rhéologiques de l’encre et assurent la liaison entre les pigments et le support. La nature des résines utilisées définit en effet les propriétés du film d’encre sec : dureté ou flexibilité, brillance et adhésion [2].

Type de résines

On peut classer les résines en deux types : les résines liquides et les résines solides.

Résines liquides

Les résines liquides se divisent en plusieurs types comme les résines acryliques de type époxy-acrylate préparées par réaction d’un groupe époxy avec l’acide acrylique (figure 1) et de type polyuréthane acrylique ou méthacrylate préparé par réaction d’un groupe isocyanate d’une résine uréthane sur un groupe hydroxyde d’un monomère acrylique ou méthacrylique de formule C4H6O2 (figure 2).

Additifs

Ce sont des substances additionnelles qui jouent un rôle important sur la performance d’une encre. Elles améliorent une ou plusieurs propriétés de l’encre. Elles peuvent ainsi accélèrent le temps de séchage, augmentent l’adhérence sur le support après séchage ou encore la protège vis-à-vis de l’abrasion ou du frottement.
Les additifs sont donc des agents d’étalement, d’épaississants et de remplissage. Elles assurent la bonne définition de l’encre (sa fluidité, la viscosité ou l’opacité).
En général, les additifs les plus rencontrés pour la formulation des encres sont : les cires (animales, végétales, minérales ou synthétiques), les siccatifs, les composés antioxydants et les composés antimaculants [7,8].

Cires

L’addition de cires comme additif dans l’encre améliore le temps de séchage de l’encre, son tack (tirant ou pégosité), sa brillance et le trapping (superposition adéquate de deux encres). Cependant, un excès peut conduire à un ralentissement du séchage, à des problèmes de trapping et à une diminution de la brillance.
L’évolution de la technologie entraîne l’utilisation des cires synthétiques améliorant la résistance à l’abrasion et aux frottements. Cette forme, très commode à mélanger avec l’encre est de plus en plus utilisée. La méthode consiste à disperser le grain de cire dans un liant à base d’huile végétale.
Pour les cires synthétiques, les plus utilisées dans les encres sont des particules de polyéthylène micronisé (PE) et de polytétrafluoroéthylène (PTFE). Les premières sont inertes, non toxiques et inodores tandis que la seconde sont particulièrement intéressantes pour les encres heatset car elles supportent la température élevée des sécheurs [7].

Siccatifs

Ce sont des catalyseurs de l’oxydopolymérisation des huiles siccatives et des résines. Ces catalyseurs sont des composés de métaux de transition pouvant exister sous des formes stables dans plusieurs états d’oxydation. Ce sont, en général, des sels métalliques d’acides gras. Les plus utilisés sont les sels de cobalt et les sels de manganèse. La présence du siccatif dans les encres quickset (0,5 à 4% en masse dans l’encre), accélère son séchage [10,12].

Composés antioxydants

Ces produits sont utilisés pour éviter la formation des ‘peaux’ en surface des pots d’encres. Ils empêchent l’oxydopolymérisation des encres pendant leurs stockages. Ils nécessitent un dosage très précis dans leur utilisation pour éviter le ralentissement du séchage de l’encre sur le support. Les plus utilisés sont les oximes (butyraldoxine, cyclohexanoneoxine) et les phénols substitués (butyl-hydroxytoluene : BHT) [2].

Composés antimaculants

Lors d’une impression en feuille avec une encre, il est parfois nécessaire d’ajouter un additif qui évite tout risque de maculage (reports d’une encre non-sèche au verso de la feuille suivante). Généralement, les composés antimaculants sont constitués de poudre d’amidon ou de particules d’oxyde de silicium pulvérisées sur la feuille. Ces produits peuvent être directement introduits dans l’encre [7].

Charges

Il s’agit principalement de carbonate de calcium, de bentonite, de kaolin. Elles sont parfois utilisées pour abaisser le prix de revient d’une encre, mais surtout pour ajuster la viscosité de l’encre et son tack ou encore pour éliminer le problème de voltige. Certain charge comme les silices pyrogènes peuvent également servir d’agents de matage pour obtenir des finitions demi-brillantes, satinées ou mates.
Bien que les constituants des encres soient généralement les mêmes, elles sont classées selon leurs utilisations.

CLASSIFICATION

Les encres peuvent être divisées en trois catégories. Il y a les encres pour l’écriture, les encres pour le dessin et les encres pour l’imprimerie.

Encre pour écriture

Le premier type d’encre est de type métallo-gallique et est produite par réaction chimique entre un acide d’origine végétale, le tanin et un sel de métal. Elle est principalement employée au 12eme siècle pour l’écriture à plume avec une excellente qualité. La recette la plus importante se présente comme une infusion de noix de galle avec du vitriol (sulfate de fer) et de la colle de poisson. Actuellement, l’encre la plus utilisée est insérée directement dans les stylos (stylos-plume, stylo à bille, stylo feutre, etc.). L’encre pour écriture existe sous plusieurs couleurs [2].

Encre pour dessin

Il y a quatre types d’encre pour le dessin : l’encre de noix de galle, l’encre de chine, les encres de couleur et le bistre.
– L’encre de noix de galle apparait au 12eme siècle et initialement employée en écriture. C’est une encre d’excellente qualité et fabriquée en grande quantité, la seule adaptée à l’écriture aves des plumes d’oiseau fines.
– L’encre de chine est d’un noir pur et brillant, et parfois utilisée dans les manuscrits au 13eme siècle. C’est une encre rare et très coûteuse. Elle est obtenue par la dispersion de noir de carbone dans une solution aqueuse additionnée de gélatine.
– Les encres de couleurs sont utilisées dans l’illustration des livres ou des dessins décoratifs.
– Le bistre est utilisé par les miniaturistes qui cherchent à créer des effets de transparence. En raison de sa coloration moins intense, il ne rend pas la profondeur avec conviction et n’autorise pas des trais d’une grande force de caractère.
Une encre de qualité se mesure par sa fluidité et sa fixité. Aussi, elle doit marquer le papier, soit en s’y imprégnant, soit en y laissant une trace qui sèche rapidement à la surface. Ce qui attire le dessinateur vers une encre noire est sa puissance chromatique [2.7].

Encre pour impression

L’encre pour impression se divise en 4 catégories selon leurs procédés d’impression: l’encre offset, l’encre pour la flexographie, l’encre pour l’héliogravure et l’encre pour la sérigraphie.

Encre offset

L’encre offset est une encre grasse, très visqueuse. Ses propriétés reposent sur l’antagonisme eau-encre. Sa viscosité est comprise entre 2 et 40 Pa.s. La tension superficielle de ce type d’encre se situe entre 35 et 40 N.m-1. Ce paramètre est très important pour permettre un bon étalement de l’encre sur la plaque d’impression. Il y a de nombreuses couleurs possibles pour ce type d’encre [7,8].
En offset, il y a 3 autres encres : l’encre quickset, l’encre heatset et l’encre U.V.

Encre heatset

L’encre heatset est utilisée sur des machines rotatives à bobines. Elle se caractérise par une grande brillance et une grande rapidité de séchage. Elle est également composée d’un pigment et d’une résine solide diluée sous l’action d’un hydrocarbure (distillat de pétrole). Par ailleurs, elle présente un teneur en solvant faible mais un fort pourcentage de résine, d’où une grande facilité à libérer les solvants lors de son séchage. Ce séchage est analogue à celui des encres quickset, mais combiné à un séchage physique. Lors du passage dans un four à circulation d’air chaud, une partie de solvant contenu dans la formulation s’évapore [7.10]. La formulation typique des encres heatset est présentée dans le tableau 1.

Séchage chimique

C’est un processus classique qui fait intervenir l’oxygène de l’air. Le véhicule contenu dans l’encre entre en contact avec cet oxygène à température ambiante et déclenche l’oxydopolymérisation (une partie du véhicule s’oxyde).
En effet, le véhicule contient une grande proportion d’huiles végétales siccatives, telles quelles ou modifiées sous forme de résine synthétiques (alkydes par exemple).
A la fin, un film sec, plus ou moins rigide est obtenu par polymérisation de type radicalaire des triglycérides d’acides gras des huiles végétales et l’oxygène [8,11].

Séchage physique

Ce mode de séchage convient aux papiers non surfacés et absorbants. Il s’agit d’une infiltration de l’encre sur le support, c’est-à-dire il pénètre dans ses interstices. Plus exactement, le véhicule de l’encre s’infiltre entre les fibres du papier par capillarité, laissant en surface les pigments. En réalité, ce film d’encre ne sèche pas vraiment, il perd juste sa fluidité [8].

Séchage mixte

Le séchage mixte ou séchage quickset est l’association du séchage physique (par infiltration) et du séchage chimique (par oxydopolymérisation). Tout d’abord, une partie du véhicule, essentiellement le solvant, est absorbé par le support poreux. Ensuite, un film d’encre frais se présente sur la surface du support. Enfin, ce film d’encre frais va sécher par oxydopolymerisation [8,11].

Séchage thermique

Le séchage thermique ou encore appelé séchage heatset est la combinaison du séchage par infiltration et le séchage par évaporation. Une partie du véhicule de l’encre, plus exactement les solvants volatils, est absorbée par le support (10 à 20%) et le reste évaporée lors du passage dans de fours chauffés entre 100 à 200°C [8].

Séchage par rayonnement

Le séchage par rayonnement concerne les encres dont le film se solidifie par polymérisation à la présence de rayonnement UV (Ultra-Violet) ou EB (Electron Beam- faisceaux d’électrons).
– Le séchage UV nécessite un photoinitiateur qui produit la lumière UV donnant naissance à des espaces très réactives (électrons ou cations). Ceux-ci induisent immédiatement une réaction de polymérisation des monomères et des oligomères, réactifs contenus dans l’encre.
– Le séchage EB nécessite une inertisation (utilisation d’azote) pour éviter l’inhibition de la réaction par l’oxygène de l’air ambiant. Ce système de séchage EB présente plusieurs avantages comme par exemple d’obtenir une encre sèche sans dépenser beaucoup d’énergie. De plus, le film d’encre obtenu est très résistant à l’abrasion, au vieillissement, à toutes sortes d’agents chimiques (acides, bases, solvants…) ainsi qu’à l’humidité [8,11].
Autant les modes de séchage des encres se présentent sous diverses formes, les procédés d’impressions sont aussi nombreux.

TYPES DE PROCEDES D’IMPRESSION

Depuis le 15ème siècle, les chercheurs ont mis au point des nombreux procédés d’impression. Ces procédés ont souvent des progressions parallèles, chacun d’eux répond à une utilisation, donc à un besoin spécifique.
Parmi ces nombreux procédés d’impression, les plus utilisés actuellement sont le jet d’encre, la sérigraphie, l’offset, la flexographie et l’héliogravure.

Jet d’encre

Historique

Vers 1960, la théorie du procédé jet d’encre élaborée par le Dr Richard G. Sweet de l’université de Standford a montré qu’en appliquant une onde de pression à une buse, l’encre pouvait former des gouttes uniformes et répétables. Il a été ensuite démontré que les gouttes, une fois chargée, pouvaient être déviées par un champ électrique afin de sélectionner les gouttes déposées sur le support, d’où le principe de l’impression par jet continu. Dans les années 70, les informaticiens d’IBM a commercialisé l’imprimante IBM 46406Ink-Jet.
En 1977, un autre procédé appelé goutte à la demande a été mis au point. La goutte n’est générée que si elle est désirée sur le support. Sur ce principe, les scientifiques chez Canon et Hewlett-Packard développent simultanément le principe de jet d’encre thermique (ThernalInk-Jet) : Bubble-Jet pour Canon et Think-Jet pour HP.
Puis en 1990, Epson parvient à développer sa propre technique de tête d’impression piézoélectrique lui permettant d’être aujourd’hui un des acteurs principaux du marché des imprimantes de bureau [14]. Actuellement, le jet d’encre est en plein essor dans de nombreux autres domaines de hautes technologies, principalement l’industrie du graphisme.

Table des matières

SOMMAIRE
GLOSSAIRE
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABREVIATIONS
INTRODUCTION
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LES ENCRES
A – HISTORIQUE
B – CONSTITUANTS
B.1 – Pigments
B.2 – Véhicule
B.3 – Résine
B.4 – Additifs
C – CLASSIFICATION
C.1 – Encre pour écriture
C.2 – Encre pour dessin
C.3 – Encre pour impression
D – MODES DE SECHAGE
D.1 – Séchage chimique
D.2 – Séchage physique
D.3 – Séchage mixte
D.4 – Séchage thermique
D.5 – Séchage par rayonnement
E – TYPES DE PROCEDES D’IMPRESSION
E.1 – Jet d’encre
E.2 – Sérigraphie
E.3 – Offset
E.4 – Flexographie
E.5 – Héliogravure
PARTIE EXPERIMENTALE
A – MATERIELS ET METHODES
A.1 – Préparation des matières premières
A.2 – Préparation de l’encre
A.3 – Test sur les encres préparées
B – RESULTATS ET DISCUSSIONS
B.1 – Encres de références
B.2 – Encres aux alcools
B.3 – Encres à l’huile de lin
C – RENTABILITE DE LA PRODUCTION
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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