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Bernard Pineaux - EFPG
(juillet 1998)

V - Mise en oeuvre d'une solution de mouillage acide

    
Plan du chapitre
V-01- Introduction
V-02- Origines de la dureté en offset
V-03- Influence sur le pH de la solution de mouillage
V-04- Influence sur le niveau d'émulsionnement de la solution de mouillage dans l'encre
V-05- Réactions chimiques avec l'encre
V-06- Formation de précipités
    V-6-1- Généralités
    V-6-2- Précipitation sur les rouleaux ("glaçage")
    V-6-3- Précipitations sur la plaque ("aveuglement")
    V-6-4- Précipitations dans les bacs et les canalisations
V-07- Influence sur les propriétés électrocinétiques de la solution de mouillage
V-08- Recommandations relatives à la dureté de l'eau dans la solution de mouillage
V-09- Les solutions possibles aux problèmes de dureté
    V-09-1- Les agents séquestrants ou complexants
    V-09-2- Le traitement de l'eau
      - La filtration
      - L'adoucissement
      - La désionisation
      - L'osmose inverse
      - Les traitements physiques
V-10- Effets liés à la dureté de la solution de mouillage sur le procédé offset
     

V-1- Introduction

Les paramètres essentiels à l'équilibre entre l'encre et la solution de mouillage (encres, additifs de mouillage, plaques, conception des systèmes d'encrage et de mouillage) sont de mieux en mieux contrôlés.

Comme on l'a vu précédemment, l'eau brute représente 77 à 98 % de la solution de mouillage. Or, dans de nombreux cas, elle arrive dans les centrales de mouillage sans avoir été traitée ni contrôlée. On sait par ailleurs que sa composition varie selon l'endroit, la saison et les conditions météorologiques.

Cela signifie que, dans de nombreux cas, la qualité de l'une des composantes majeures de l'émulsion (à savoir, l'eau) peut encore fluctuer dans le temps.

Il n'est pas question ici de dramatiser la situation. Après tout, cela fait longtemps que nombre d'imprimeurs offset travaillent sans prendre en compte la qualité de leur eau d'alimentation. Et, jusqu'à preuve du contraire, ils font plutôt du bon travail...

Hormis leur professionnalisme exemplaire, il y a trois explications à cela :

Cependant, comme nous l'avons expliqué dans l'introduction, les problèmes liés à la dureté de la solution de mouillage sont suffisamment sérieux pour revenir fréquemment dans la littérature spécialisée. Selon MacPhee, une variation dans la nature de l'eau peut même s'avérer critique dans certains cas [MacPhee, 1988].

Remarque : on considère généralement qu'une solution de mouillage trop douce, c'est-à-dire typiquement de dureté inférieure à 50 ppm en CaCO3, est plus corrosive qu'une solution de dureté plus élevée. Selon MacPhee [Ibid.], cette augmentation des risques de corrosion est imputable au phénomène suivant : les eaux naturelles, alcalines et contenant des sels dissous, tendent à former un film protecteur à la surface des matériaux avec lesquels elles sont en contact (voir § III-5-3).

Tandis que les eaux traitées (voir § 5.8.2) sont légèrement acides et ne contiennent que très peu, voire pas du tout, de sels dissous. D'où leur corrosivité plus élevée, surtout si elles contiennent de l'oxygène dissous (voir § 3.5.1) [Ibid.].

Le caractère corrosif d'une eau "trop douce" constitue souvent la raison pour laquelle la littérature technique recommande de ne pas employer une telle eau en offset [2, 1983 ; Burris, 1993 ; Laufs, 1995 ; MacPhee, 1988 ; Sirost, 1990]. De la même manière, il est particulièrement recommandé d'éviter d'utiliser une eau dont la teneur en anions (chlorures, nitrates, sulfates) serait trop élevée [Laufs, 1955  Sirost, 1990 ; Zanon & Charrier, 1990]. En effet, pour prendre l'exemple des ions chlorure, leur très petite taille leur permet de traverser facilement les dépôts éventuels, ainsi que les micro-fissures qui existent toujours à la surface des métaux. Si un oxydant (tel que l'oxygène) est présent, une réaction de corrosion aura lieu entre la surface du métal (passive et cathodique) et l'intérieur de la fissure (actif et anodique). Le pH peut alors devenir localement très bas. De plus, le rapport des surfaces entre l'anode (la fissure) et la cathode (la surface du métal) est très petit. La corrosion du métal va donc être facilitée, et se poursuivra en profondeur [Mayet, 1994].

Les limites supérieures indiquées par la littérature sont de 25 à 50 mg/l [Laufs, 1995], ou de 20 mg/l [Schmitt, 1987].

 

V-2- Origines de la dureté en offset

Nous avons vu précédemment que la dureté de l'eau d'alimentation était variable (voir § III-1-2.3). Si cette eau n'est pas traitée avant son utilisation en offset, la dureté de la solution de mouillage peut donc varier.

Cependant, l'eau n'est pas seule responsable de l'introduction d'agents durcissants dans la solution de mouillage. En effet, l'une des causes majeures de variation de dureté dans cette dernière est l'introduction de carbonate de calcium en provenance d'un papier couché [Braun, 1985 ; Laufs, 1995 ; Tosch & al., 1991]. Ces ions calcium peuvent provenir d'une dissolution partielle de la couche par la solution acide, ou simplement de l'arrachage de particules de couche par une encre trop tirante. Ces particules retournent ensuite, à travers le groupe d'impression, jusqu'au bac de mouillage. L'utilisation d'un système de mouillage sans contact supprime cette éventualité (voir § I-5-2.1). De plus, le papier journal (non couché) n'est plus exempt d'ions calcium, du fait de proportions de plus en plus importantes en fibres recyclées. Comme les rotatives pour journaux n'utilisent pas toutes des systèmes de mouillage sans contact, il peut donc également se produire une contamination de la solution de mouillage par du calcium issu du papier journal.

Une troisième source possible d'ions calcium est l'encre. En effet, certains pigments (comme celui du magenta, le Lithol Rubine 4B [Braun, 1985 ; Leach & al., 1993]) contiennent des ions calcium qui peuvent atteindre le bac de mouillage lors de la mise en œuvre du procédé offset [Laufs, 1995]. Braun ajoute qu'un pigment Lithol Rubine 4B, qui aura été correctement lavé avant d'être incorporé à la résine de l'encre, libérera relativement peu d'ions calcium lorsque l'encre émulsionnera de la solution de mouillage [Braun, 1985].

Nous insistons sur le fait que l'augmentation de dureté d'une solution de mouillage due au papier est souvent bien plus importante que celle qui provient d'une variation de l'eau d'alimentation.

Dans la partie expérimentale, nous ferons varier artificiellement la dureté de la solution de mouillage, en nous intéressant aux conséquences de cette variation sur certains paramètres d'impression. L'origine potentielle de cette dureté calcique (eau, encre, ou papier) sera alors sans incidence sur les résultats.

 

V-3- Influence sur le pH de la solution de mouillage

Nous avons vu (paragraphe IV-1) que le maintien du pH de la solution de mouillage à l'intérieur d'une plage relativement étroite (autour de  5,0) était essentiel au bon fonctionnement du procédé offset.

Une variation de la dureté de l'eau peut modifier le pH de la solution de mouillage [2, 1983 ; Alluchon, 1990 ; MacPhee, 1988 ; Page, 1984 ; Walther, 1988 ; Zanon & Charrier, 1990]. Bien entendu, un tampon efficace maintiendra le pH à sa valeur de travail si les variations de dureté sont faibles, mais peut s'avérer moins efficace en cas de variations plus importantes. Il s'ensuivra, dans le meilleur des cas, une consommation accrue d'additif de mouillage : il devient en effet nécessaire d'augmenter la concentration en additif pour maintenir le pH à la valeur adéquate [Alluchon, 1990 ; Schmitt, 1993].

En testant 9 solutions de mouillage acides, MacPhee [MacPhee, 1988] a montré qu'une modification de dureté de 50 ppm en CaCO3 produisait, en moyenne, un changement de pH de l'ordre de 0,1. Ceci en dépit de la présence de tampon. Compte tenu de l'étroitesse de la plage de pH jugée optimale pour l'impression offset (de 4,5 à 5,5 environ), cette observation est particulièrement importante.

 

V-4- Influence sur le niveau d'émulsionnement de la solution de mouillage dans l'encre

Comme nous l'avons expliqué au début de ce chapitre, on déconseille l'emploi d'eaux "trop douces" pour l'impression offset, essentiellement en raison de leur caractère corrosif. Cependant, certaines sources mentionnent d'autres problèmes engendrés par des solutions de mouillage douces, et en particulier celui du sur-émulsionnement [6, 1995 ; Laufs, 1995-96]. Le National Printing Ink Research Institute (NPIRI, basé en Pennsylvanie) a comparé, au moyen d'un mixeur de laboratoire Duke™ , l'émulsionnement d'une eau distillée (donc douce...) à celui d'une solution de mouillage (formulée à partir d'une eau brute de conductivité 240 µS/cm) dans différentes encres [NPIRI Task Force on Water Pickup, 1990]. La prise d'eau distillée par l'encre était sensiblement plus élevée que celle de la solution de mouillage, ce qui confirme les constats des sources mentionnées plus haut.

D'autres sources évoquent des phénomènes d'accumulation d'encre sur les rouleaux mouilleurs en dessous de 50 ppm en CaCO3 [Schmitt, 1987] et de floconnage (il reste de la solution de mouillage à la surface des rouleaux encreurs et cela engendre des traces d'eau) [Alluchon, 1990 ; Fuchs, 1994]. De tels phénomènes sont symptomatiques de difficultés d'émulsionnement, même si les auteurs ne s'y réfèrent pas directement.

Le problème de sur-émulsionnement lié à la dureté de l'eau est plus souvent évoqué dans le cas d'une eau dure. En effet, une eau trop dure (supérieure à 220 ppm en CaCO3 environ) va accroître la prise de solution de mouillage par l'encre [MacPhee, 1988 ; Schmitt, 1993] -- mais il faut préciser que Braun a trouvé une tendance inverse : une augmentation de la dureté, de 0 à 270 ppm en CaCO3, diminue la prise de solution de mouillage de 23 à 19 % environ [Braun, 1985]. La séparation du film d'encre s'effectuera plus difficilement (la cohésion étant moins bonne) et il en résultera du placage (l'encre s'accumule sur les rouleaux encreurs jusqu'à ce qu'elle soit littéralement pelée), ainsi qu'une chute de la densité d'encrage (car on transfère moins d'encre) [Fuchs, 1994 ; Laufs, 1995 ; Schmitt, 1987]. Cette chute de densité va modifier la tonalité et le rendu des couleurs d'une impression quadrichrome. Selon Laufs, les ions magnésium sont plus particulièrement responsables de ce phénomène de pelage [Laufs, 1995].

Remarque : l'influence réelle du niveau d'émulsionnement de la solution de mouillage sur la densité imprimée demeure mal connue. En effet, certains auteurs, en procédant à des essais d'impression, ont obtenu des résultats contradictoires. Lindqvist [Lindqvist, 1976] a constaté que la densité imprimée augmentait avec le niveau d'émulsionnement ; il a supposé que l'eau réduisait la pénétration de l'émulsion dans le papier. Martin et Silver [Martin & Silver, 1976] ont constaté le phénomène exactement inverse : une augmentation du niveau d'émulsionnement diminuait la densité imprimée. Neuman et Almendinger [Neuman & Almendinger, 1981] ont confirmé ce dernier constat en augmentant le niveau de mouillage sur un système Dahlgren (indirect). Fadner et Doyle [Fadner & Doyle, 1985] sont parvenus aux mêmes conclusions en utilisant des encres pour l'impression des journaux. Sans comparer ces publications entre elles (les conditions opératoires étant sensiblement différentes d'une série d'expériences à l'autre), on peut remarquer la diversité de leurs résultats.

Rappelons par ailleurs que Surland a constaté que la capacité d'émulsionnement d'un couple encre/solution de mouillage était proportionnelle au produit de son pH par sa conductivité [Surland, 1983] (voir § IV-1-4).

Tosch et al. ont mené une étude particulièrement intéressante [Tosch & al., 1991] : ils ont utilisé une solution de mouillage modèle (baptisée GRA), composée d'acide citrique, de soude, de carboxyméthylcellulose, et d'un tensioactif (polyoxyde d'éthylène Tergitol 15-S-12, de valeur HLB égale à 6,5). Puis ils ont introduit du chlorure de calcium dans cette solution, et étudié le niveau d'émulsionnement de cette dernière dans une encre (baptisée W), en fonction de la concentration en CaCl2.

Lorsque la concentration en chlorure de calcium augmente, le niveau d'émulsionnement diminue, passe par un minimum, puis remonte.

Ce minimum est atteint pour une concentration située entre environ 10–4 et 10–3 mole/l de CaCl2, soit 10–4 à 10–3 mole d'ions calcium par litre de solution. Cette concentration correspond à une masse allant de 4 à 40 mg de calcium par litre, soit une dureté comprise entre 10 et 100 ppm en CaCO3.

Cette observation étaye les propos selon lesquels les solutions de mouillage trop douces ou trop dures augmentent le niveau d'émulsionnement dans l'encre.

Konig & al. ont étudié par spectroscopie ESCA les zones non imprimantes de plaques offset après leur utilisation sur presse [Konig & al., 1991]. Ils ont constaté une concentration en calcium cinq fois plus importante sur les zones où s'étaient manifestés des phénomènes de voilage.

Si ces résultats sont intéressants, les interprétations qui en sont données sont pour le moins obscures, ce qui prouve la complexité des phénomènes mis en jeu.

 

V-5- Réactions chimiques avec l'encre

Les sels de calcium et de magnésium, lorsqu'ils sont en concentrations élevées dans la solution de mouillage, peuvent réagir avec les acides gras des encres. Cela se traduit par la précipitation de savons [2, 1983 ; Alluchon, 1990 ; Burris, 1993 ; Walther, 1988 ; Zanon & Charrier, 1990]. Ces savons possèdent, par définition, une partie hydrophile et une partie oléophile. Ils peuvent donc d'une part perturber le transfert de l'encre dans les systèmes d'encrage et d'autre part se déposer sur les toucheurs-mouilleurs, affectant ainsi la précision du dosage [2, 1983 ; Alluchon, 1990 ; Page, 1984].

En se déposant sur les zones imprimantes de la plaque, ils peuvent "boucher" les trames (la solution de mouillage ne s'insère plus entre les points de trame, qui ne sont donc plus séparés : on perd ainsi les détails dans les tons sombres) [Ibid.].

Ces précipitations de savon peuvent également se produire sur le blanchet, en vis-à-vis des zones imprimantes de la plaque [Alluchon, 1990 ; Schmitt, 1993 ; Zanon & Charrier, 1990].

 

V-6- Formation de précipités

V-6-1-Généralités

En dehors de toute réaction chimique avec les encres, les sels de calcium et de magnésium, peu solubles, peuvent facilement précipiter sous forme de dépôts.

L'acidité de la solution de mouillage contribue d'ailleurs à augmenter la solubilité de ces sels [Laufs, 1995 ; Johnson, 1997]. En effet, lorsque la concentration en ions hydronium augmente, l'équilibre [6] se déplace vers la droite, favorisant la dissolution du carbonate de calcium.

MacPhee a procédé à un calcul édifiant [MacPhee, 1988] : partant de sa constatation que l'essentiel de la solution de mouillage s'évaporait dans le train d'encrage [MacPhee, 1985], il a montré qu'à long terme, une solution de mouillage trop "dure" pouvait gravement perturber l'impression. Il a considéré une rotative de laize (largeur de bande) égale à 965 mm, tournant à une vitesse moyenne de 450 m/min, et consommant environ 10 litres de solution de mouillage par heure, dont la concentration totale en sels dissous serait de 500 mg/l. La quantité de solides précipités chaque mois pourrait, dans ces conditions, excéder 1,5 kg.

V-6-2- Précipitation sur les rouleaux ("glaçage")

En précipitant sur les rouleaux en élastomère, les sels de calcium et de magnésium peuvent en obstruer les pores. Ces dépôts vont constituer une couche hydrophile, qui va durcir la surface des rouleaux et finir par empêcher localement le transfert de l'encre [Burris, 1993 ; Schmitt, 1993]. Schmitt évoque cet effet au-dessus d'une dureté de 325 ppm en CaCO3. En analysant ces dépôts hydrophiles, Braun a montré qu'ils étaient constitués soit de carbonate de calcium, soit de citrate ou de phosphate de calcium, ce qui prouve que les anions du tampon sont également susceptibles de précipiter avec les ions calcium [Braun, 1985].

Cet inconvénient peut passer inaperçu à l'intérieur du train d'encrage (il y a répartition du film d'encre dans le sens transversal), mais pas sur les toucheurs-encreurs : en effet, un manque d'encre à ce niveau affecte directement la plaque (et éventuellement une zone imprimante). Malgré la présence de 4 rouleaux toucheurs, la densité d'encrage de la zone imprimante affectée sera inférieure à celle des images immédiatement voisines.

On appelle ce phénomène le glaçage des rouleaux [2, 1983 ; Page, 1984]. La commercialisation de liquides "déglaceurs" témoigne de son importance.

V-6-3- Précipitation sur la plaque ("aveuglement")

Il est évident que ce phénomène de précipitation peut intervenir sur les zones imprimantes de la plaque. Des dépôts hydrophiles, présents sur ces dernières, vont empêcher le transfert de l'encre et ainsi faire disparaître localement l'image. Il y a alors aveuglement de la plaque [Bassemir & Bean, 1979].

V-6-4- Précipitation dans les bacs et les canalisations

Sans nécessairement pénaliser l'impression, les précipités peuvent perturber la mise en œuvre du procédé offset. En effet, une obstruction partielle des conduites de transport de la solution de mouillage va réduire son débit d’alimentation.

Dans le bac de mouillage, les précipités vont gêner la circulation de la solution (et peut-être ainsi empêcher sa température de rester constante dans le circuit).

Les dépôts peuvent également obstruer les buses d'un système de mouillage à pulvérisation  ou gêner le fonctionnement des brosses d'un système de mouillage (sans contact) à projection [6, 1995 ; Burris, 1993 ; Zanon & Charrier, 1990].

 

V-7- Influence sur les propriétés électrocinétiques de la solution de mouillage

Quelques études ont montré une influence significative de la présence d'ions calcium sur le potentiel zêta d'une émulsion de solution de mouillage dans une encre.

Tosch et al [Tosch & al., 1991] ont montré que la présence de chlorure de calcium dans une solution de mouillage modèle diminuait la valeur du potentiel zêta négatif aux interfaces zones imprimantes de la plaque/solution de mouillage et zones non imprimantes de la plaque/solution de mouillage, et ceci pour des pH allant de 3,6 à 8,6 (nous rappelons que, dans le cadre de cette étude, nous nous intéressons aux seules solutions de mouillage acides).

On peut constater qu'au niveau des zones non imprimantes, la diminution du potentiel zêta est très réduite lorsqu'on utilise une solution de chlorure de calcium dissous dans de l'eau désionisée, sans y incorporer d'additif.

Tosch et al. ont également mesuré le potentiel zêta à l'interface encre/solution de mouillage. Dans ce cas, selon la valeur du pH, la courbe donnant le potentiel zêta en fonction de la concentration en CaCl2 peut présenter un maximum. C'est en particulier vrai pour une valeur de pH égale à 5,2 : le maximum est alors atteint pour une concentration en chlorure de calcium de l'ordre de 10–4 mol/l (soit une dureté d'environ 10 ppm en CaCO3).

Ils ont également observé une réduction de l'angle de contact d'une goutte de solution de mouillage sur une zone imprimante de la plaque à mesure que la concentration en chlorure de calcium augmentait (phénomène à rapprocher des précipités évoqués au paragraphe III-5-2). Les interactions hydrophobes à la surface des zones imprimantes sont réduites et le mouillage de ces dernières par une solution aqueuse s'en trouve facilité.

Dans une autre publication [Trauzeddel & Kempe, 1985], Trauzeddel et Kempe ont montré l'influence de la teneur en ions calcium d'une solution de mouillage sur sa stabilité (évaluée dans ce cas en termes d'aptitude à ne pas former d'agrégats). En augmentant la concentration en ions calcium de 10–5 à 10–4 mole/l (c'est-à-dire, en augmentant la dureté de 1 à 10 ppm en CaCO3), on augmente la stabilité de la solution. Les auteurs n'ont pas procédé à des mesures pour des concentrations en calcium plus élevées.

Là encore, on constate une influence significative de la présence de dureté (ou plus précisément d'ions calcium, dans les deux cas présentés ci-dessus) sur le comportement de la solution de mouillage et de l'émulsion qu'elle forme avec l'encre.

 

V-8- Recommandations relatives à la dureté de l'eau dans la solution de mouillage

Nous avons déjà constaté au paragraphe III-1-2.3) que les plages à l'intérieur desquelles une eau naturelle était considérée douce, de dureté moyenne, ou dure, variaient sensiblement d'une source à l'autre.

Si la plupart des auteurs s'accordent sur la nature des phénomènes liés à la dureté sur presse offset, on trouve là encore de grands écarts dans les plages de duretés recommandées (c'est-à-dire, jugées adaptées à une bonne mise en œuvre du procédé).

Plage de duretés
(ppm CaCO3)
Plage approximative
de conductivités (µS/cm)
Références
inférieure à 250 - Alluchon, 1990 ; Page, 1984
de 50 à 150 de 75 à 250 Burris, 1993 ; Sirost, 1990
de 50 à 200 de 75 à 300 MacPhee, 1988
de 50 à 300 - Johnson, 1997
de 90 à 270 - 6, 1995
de 120 à 200 - Dédame, 1989
de 125 à 215 de 220 à 330 Fuchs, 1994 ; Schmitt, 1993
de 145 à 180 de 250 à 280 Schmitt, 1987
de 140 à 300 - 2, 1983

Tableau 5.A. Plages de duretés jugées compatibles avec le procédé offset
 

Le tableau 5.A montre bien ces écarts. Cependant, deux tendances se dégagent :

Ces valeurs restent empiriques : à de rares exceptions près, elles ne sont justifiées par aucune mesure. Cela ne signifie évidemment pas qu'elles soient fausses. Mais, compte tenu des écarts relevés dans le tableau 5.A, il est difficile pour l'imprimeur offset de se faire une idée précise de l'adéquation de son eau d'alimentation à son procédé d'impression.

Remarque : certains auteurs mentionnent une plage de conductivités en même temps que la plage de duretés qu'ils jugent adaptée au procédé offset. Il faut être très prudent avec de telles recommandations : en effet, une eau naturelle peut avoir une conductivité élevée en raison de la présence d'ions en quantités importantes. Cela ne signifie pas pour autant que sa dureté soit élevée.

Qui plus est, lorsqu'on mélange cette eau à un additif de mouillage, la conductivité résultante dépendra de la composition de l'additif. Ainsi, une même eau brute peut donner des conductivités très différentes lorsqu'elle est mélangée à deux additifs de mouillage en provenance de fournisseurs différents.

La valeur de la conductivité n'a donc pour seul intérêt que de permettre de constater son évolution dans le temps (et ainsi de détecter d'éventuelles modifications dans la nature des substances dissoutes). Elle n'en présente pas pour apprécier l'adéquation d'une eau ou d'une solution de mouillage au procédé offset.

Par ailleurs, on peut relever quelques affirmations ou recommandations supplémentaires relatives au contenu d'une eau utilisée en offset. Elles apparaissent en italiques ci-dessous :

Enfin, MacPhee a procédé à un sondage auprès de 6 fournisseurs d'additifs de mouillage et auprès d'imprimeurs nord-américains [MacPhee, 1988]. Tous étaient d'accord pour dire que la dureté de l'eau brute ne posait pas de problèmes "insolubles" (si l'on exclut les précipités...), mais qu'en revanche, la variabilité de cette dureté était source de grandes difficultés. Johnson confirme l'importance de cette variabilité [Johnson, 1997]. Partant de ce constat, l'intérêt d'utiliser une eau d'alimentation de qualité constante paraît logique.

 

V-9- Les solutions possibles aux problèmes de dureté

V-9-1- Les agents séquestrants ou complexants

Si l'eau d'alimentation d'une imprimerie offset est très dure, il est possible de minimiser ses effets sur la solution de mouillage en incorporant à l'additif un agent complexant ou séquestrant [Alluchon, 1990  Burris, 1993 ; Zanon & Charrier, 1990].

Les séquestrants agissent comme ralentisseurs du processus de maturation des germes de cristallisation des composés ayant atteint leur limite de solubilité. Ils sont d'origine minérale (les polyphosphates) ou organique dérivés de l'acide polyphosphonique ou de l'acide polyacrylique). Le terme séquestrant vient du fait que la substance tend à "emprisonner" les sels, empêchant toute interaction avec le reste de la solution. Ils peuvent agir à titre préventif ou curatif. En modifiant la structure cristalline de surface de dépôts éventuels, les séquestrants remettent progressivement ces derniers en suspension [Mayet, 1994].

Les complexants agissent sur les ions susceptibles de se combiner pour former un composé insoluble en modifiant leur produit de solubilité limite. Ils agissent également en mode préventif (en empêchant la formation de dépôts minéraux - tartre, oxydes -) ou curatif (car ils peuvent redissoudre des dépôts existants). Ce sont toujours des composés organiques de synthèse, dont le plus utilisé est l'EDTA (éthylène diamine tétraacétique) [Mayet, 1994].

Zanon et Charrier rappellent que les séquestrants sont sujets à hydrolyse lente (pour des températures inférieures à 40 °C [Mayet, 1994]), d'où leur efficacité limitée dans le temps [Zanon & Charrier, 1990].

Enfin, l'utilisation d'agents complexants peut également augmenter la corrosivité de la solution de mouillage [Laufs, 1995].

V-9-2- Le traitement de l'eau

Dans la vidéo intitulée "Dampening chemistry", John Peters, de la GATF (Graphic Arts Technical Foundation, basée à Pittsburgh, en Pennsylvanie), suggère de traiter l'eau d'alimentation d'une presse offset si sa conductivité dépasse 500 µS/cm, ou si elle varie de plus de 100 µS/cm d'un jour à l'autre [Peters, 1991].

Mc Faul souligne l'importance du traitement de l'eau dans les différents processus associés aux industries graphiques, compte tenu de contraintes environnementales de plus en plus strictes [Mc Faul, 1992]. Selon Schmitt, la normalisation de l'offset nécessite aussi une normalisation de l'eau dans la solution de mouillage [Schmitt, 1993].

MacPhee, sans recommander spécifiquement de traiter l'eau d'alimentation d'une presse offset, insiste sur la nécessité pour la nature de cette eau brute de varier peu dans le temps. Il renvoie la décision de la traiter en amont de la presse à des considérations économiques [MacPhee, 1988].

Nombreux sont les autres exemples où l'on évoque le traitement de l'eau brute comme solution possible aux problèmes engendrés par la dureté et sa variabilité.

Nous ne mentionnerons évidemment pas les recommandations des fournisseurs de systèmes de traitement d'eau qui, par définition, sont favorables à la solution du traitement. Cependant, l'état des connaissances actuelles du problème ne nous permet pas de nous prononcer en faveur ou non de cette solution. En revanche, nous ne pouvons ignorer les nombreux systèmes qui sont proposés aux imprimeurs offset, dont certains semblent donner pleine satisfaction.

C'est pourquoi nous présentons dans ce paragraphe les types de traitement de l'eau brute que l'on retrouve le plus fréquemment dans les industries graphiques. Les systèmes en place proposent le plus souvent une combinaison des différentes techniques présentées ci-dessous. Il s'agit de la filtration, de l'adoucissement, de la désionisation, et de l'osmose inverse.

La filtration. Une superposition de filtres de plus en plus fins, au travers desquels circule l'eau, permet d'en éliminer les particules solides de taille supérieure à 10 µm. Ce traitement est quasi systématique avant tout autre traitement, car il permet d'éliminer les particules les plus grossières.

Mc Faul recommande l'emploi de filtres au charbon afin de supprimer le chlore éventuel qui, selon lui, est préjudiciable au bon fonctionnement de la gomme arabique [Ibid.].

L'adoucissement [Mc Faul, 1992 ; Tardat-Henry & Beaudry, 1992]. L'adoucissement est basé sur l'échange d'ions entre l'eau brute et une résine composée de fines billes (de 0,1 à quelques millimètres de diamètre). La résine comporte des anions fixés à une structure polymère, ainsi que des cations libres (par exemple, des ions Na+). On la notera RNa.

Les ions calcium et magnésium de l'eau brute vont être attirés par les anions fixés, et remplacés dans l'eau par les cations libres selon l'équilibre [16] (qui représente le cas du calcium) :

2 RNa + Ca2+     R2–Ca + 2 Na+ [16]

La dureté diminue donc, d'où l'emploi du nom "adoucissement".

Ce traitement n'élimine pas les substances dissoutes de l'eau. Il les remplace. La conductivité de la solution peut donc demeurer relativement importante. L'intérêt de l'équilibre [16] est de ne pas affecter le pH de l'eau traitée.

Par ailleurs, il est nécessaire de régénérer la résine régulièrement (par exemple, avec du chlorure de sodium), étant donné que les ions sodium sont consommés dans le processus d'adoucissement. Lors de la régénération, les ions sodium du sel régénérant, en quantité importante, vont déplacer l'équilibre [16] vers la gauche. Ils vont ainsi remplacer les ions calcium (et magnésium, dans un cas plus général) qui, de nouveau en solution, vont être fixés par les ions chlorure. De ce fait, les ions sodium pourront à nouveau jouer ultérieurement leur rôle de "cations de remplacement".

Remarque : comme, par principe, la résine a moins d'affinité avec les ions régénérants qu'avec ceux qu'elle a fixés pendant son cycle de production, il est nécessaire d'utiliser une solution relativement concentrée en ions régénérants et de la faire passer à faible débit sur la résine [Mayet, 1994].

La désionisation [Mc Faul, 1992 ; Tardat-Henry & Beaudry, 1992]. La désionisation repose sur le même principe que l'adoucissement, mais en utilisant deux résines échangeuses d'ions au lieu d'une seule. La première résine contient des sites acides (donc cationiques). La seconde contient des sites basiques (anioniques). En général, on place les résines dans des colonnes ou dans des lits : le liquide les traverse lentement, afin que l'échange soit aussi quantitatif que possible. Les échanges ioniques se font non seulement en surface, mais aussi à l'intérieur des résines qui sont poreuses.

Les sites acides vont fixer les ions calcium et magnésium en les remplaçant par des ions hydronium, selon l'équilibre [17] (cas du calcium) :

2 R—H + Ca2+ +2 H2O     R2—Ca + 2 H3O+ [17]

Etant donné que les concentrations [R—H] et [Ca2+] sont élevées lorsque l'eau brute passe sur la première couche de résine, l'équilibre [17] est fortement déplacé vers la droite, et l'échange se fait. La concentration en calcium diminue mais, à mesure que l'eau progresse, elle atteint de nouvelles couches de résine où la concentration en R—H est élevée, de telle sorte que l'équilibre est toujours déplacé dans le sens de l'échange ionique.

La seconde résine (qui comporte les sites basiques) présente l'intérêt de fixer les anions tels que chlorures et sulfates (ce que l'adoucissement ne réalise pas). Les ions hydroxyde remplacent ces derniers selon l'équilibre [18] (cas du chlorure) :

R'—OH + Cl     R'—Cl + OH [18]

La combinaison des ions hydroxyde et hydronium introduits dans l'eau brute va former de l'eau (pure...).

Ce procédé de traitement de l'eau est plus performant que l'adoucissement. Cependant, la régénération nécessite de l'acide chlorhydrique et de la soude caustique, dont le coût est plus élevé que le sel régénérant utilisé pour l'adoucissement, et qui peuvent présenter un caractère polluant.

L'osmose inverse. L'osmose est un phénomène bien connu. Il résulte de la tendance des solutions à s'homogénéiser.

Prenons le cas d'un litre de solution diluée de chlorure de sodium, séparé d'une même quantité de solution concentrée de chlorure de sodium par une paroi semi-perméable (figure 5.a). Cette paroi semi-perméable comporte des pores dont la taille permet le passage de petites molécules mais retient les molécules de diamètre plus important. Dans notre cas, la paroi permet le passage des molécules d'eau mais interdit celui des substances dissoutes.

Parce que la solution a tendance à s'homogénéiser spontanément, l'eau de la solution diluée va migrer vers la solution concentrée pour diluer cette dernière. Le niveau d'eau va donc monter du côté de la solution concentrée : c'est le phénomène d'osmose. Les substances dissoutes, quant à elles, ne peuvent pas traverser la paroi. Lorsque l'équilibre est atteint, la différence de niveau entre les deux compartiments engendre une pression, que l'on appelle pression osmotique (figure 5.a).

La pression osmotique est la pression qu'il faut exercer sur la solution pour empêcher l'entrée du solvant pur séparé de la solution (et donc du soluté) par une membrane semi-perméable.

Le phénomène d'osmose

Figure 5.a. Principe de l'osmose

Afin de ramener les deux compartiments au même niveau, il faut exercer sur le liquide de niveau plus élevé (compartiment de droite sur la figure 5.a) une pression égale à la pression osmotique. Dans ce cas, on augmente la concentration dans le compartiment de droite et on la diminue dans celui de gauche : c'est le principe de l'osmose inverse. En d'autres termes, si l'on force à travers une paroi semi-perméable adéquate une eau contenant diverses substances dissoutes, ces dernières seront retenues par la paroi et l'eau en ressortira désionisée.

Ce système, à la fois simple et efficace, demande cependant à l'eau d'être exempte de particules solides. En effet, la paroi, généralement en matière synthétique, est très fragile et pourrait aisément être perforée par de telles particules. C'est pourquoi les systèmes d'osmose inverse prévoient systématiquement une pré-filtration.

Schmitt recommande de désioniser l'eau brute par l'osmose inverse, car ce procédé physique ne génère pas d'eaux usées indésirables comme c'est le cas lors de l'utilisation d'échangeurs d'ions [Schmitt, 1993].

Les traitements physiques. Que ce soit pour des usages industriels ou domestiques, il existe de très nombreux systèmes de traitement de l'eau faisant appel à une ou plusieurs grandeurs physiques (électricité, champ magnétique, champ électrique, ultrasons, etc.), dans l'objectif de réduire les dépôts de tartre sur les éléments en contact avec l'eau brute (conduites, réservoirs, etc.).

Pour des applications au procédé offset, on leur attribue de plus la faculté de remplacer avantageusement l'isopropanol dans la solution de mouillage (ou plus exactement, d'en permettre une réduction de l'ordre de 80 % [3, 1995]).

Pour de telles utilisations, nous avons trouvé deux types de produits : les systèmes soumettant l'eau brute à un champ magnétique et ceux qui la soumettent à des fréquences radio. Dans le premier cas, un ensemble d'aimants puissants entoure la conduite d'eau, qui est donc soumise à des champs magnétiques dont la direction forme un angle non nul avec celle du liquide [Maydatchevsky & al., 1995]. Dans le second cas, le système se compose d'un générateur de fréquences radio, relié à des "injecteurs" par un câble coaxial. Chaque injecteur émettra les fréquences radio dans une conduite donnée (il y aura donc autant d'injecteurs que de systèmes de mouillage sur la presse offset) [Bates, 1993].

Les théories expliquant le fonctionnement de tels systèmes varient d'une source à l'autre. En ce qui concerne la dureté, les champs magnétiques réduiraient la taille des solides dissous tels que le carbonate de calcium. Ces derniers seraient alors plus facilement entourés par les molécules d'eau et tendraient par conséquent à demeurer en solution [Bates, 1993]. Un autre auteur [3, 1995] évoque une modification de la structure cristalline des sels dissous sous l'influence d'un puissant champ magnétique.

En ce qui concerne le remplacement de l'isopropanol, on se réfère à sa viscosité et à son rôle tensioactif : le champ magnétique augmenterait le nombre de liaisons hydrogène dans la solution, et donc la viscosité de cette dernière. De plus, en ionisant les sels présents en solution, il augmenterait le nombre d'anions (un générateur de fréquences radio agirait en "excitant" les molécules d'eau pour créer un "état de suspension" des solides présents dans la solution [4, 1993]). Comme ces derniers tendent à être attirés par les zones non imprimantes de la plaque, chargées positivement, le mouillage en serait favorisé [3, 1995].

Cette théorie attribue au champ magnétique des effets très différents sur les anions et les cations. Elle est de plus en contradiction avec le fait que le point isoélectrique de l'oxyde d'aluminium est atteint pour un pH voisin de 5. Par conséquent, il ne devrait exister que peu d'attraction entre la surface des zones non imprimantes et les anions.

Ces explications sont loin d'être convaincantes. Cependant, nous ne pouvons ignorer les faits : de nombreux imprimeurs témoignent "d'améliorations spectaculaires" apportées par l'installation de tels systèmes de traitement de l'eau brute [4, 1993]. Le fournisseur Aqua Dynamics Group. Corp., basé dans le Tennessee, a d'ailleurs reçu l'une des prestigieuses "GATF Intertech Technology Awards" en 1993, compte tenu du caractère innovant de son système et des effets probants apparemment obtenus (selon les dires de certains imprimeurs).

En contrepartie, il est rare que les imprimeurs mécontents de leur système de traitement soient appelés à témoigner ou simplement se manifestent... Il est donc difficile pour l'imprimeur offset de se faire une opinion au sujet de tels systèmes.

Fort heureusement, des chercheurs ont récemment conduit deux études pour juger de l'efficacité réelle de ces systèmes de traitement faisant appel à une grandeur physique. L'une, très générale et présentant de nombreux cas de figure, a été publiée par Maydatchevsky et al. [Maydatchevsky & al., 1995]. L'autre, spécifique au procédé offset, a été menée à la GATF par une étudiante de l'EFPG, Anne-Thérèse Bach, et concerne l'effet du traitement par fréquence radio sur les solutions de mouillage [Bach & al., 1996]. Les conclusions de ces deux études sont claires et sans équivoque.

Sur les 47 procédés de traitement qu'ont testé Maydatchevsky et al. :

En d'autres termes, pour 18 imprimeurs satisfaits de leur système, on en trouverait 29 déçus, voire mécontents. Le fonctionnement de ces systèmes est donc très aléatoire.

En traitant différentes solutions de mouillage au moyen d'un générateur de fréquences radio, Bach et al. n'ont observé aucun changement significatif dans les propriétés suivantes :

Compte tenu de ces résultats peu concluants, le choix d'un de ces systèmes de traitement ne peut être motivé que par des considérations propres à chaque cas. N'oublions pas que, si l'on en croit certains témoignages, ces systèmes sont censés donner des résultats satisfaisants dans plusieurs cas.

 

V-10- Effets liés à la dureté de la solution de mouillage sur le procédé offset

Ce paragraphe contient le résultat d'études menées à l'EFPG [Pineaux, 1997].

Nous sommes partis des deux constats suivants :

Ces constats soulèvent certaines questions :

  1. pour quelle(s) raison(s) certaines duretés semblent-elles mieux adaptées au procédé offset que d'autres ?
  2. pourquoi trouve-t-on autant de différences entre les diverses recommandations ?
  3. Le traitement de l'eau d'alimentation se justifie-t-il dans le cadre de l'impression offset ? Il faut tenir compte ici non seulement de son impact éventuel sur le rendu d'impression, mais également de ses effets perturbateurs, à plus ou moins long terme, sur la mise en œuvre du procédé offset (dépôts, précipités, sur-émulsionnement, etc.).

Pour répondre à ces questions, nous avons procédé de la manière suivante :

Ce travail de recherche abordait un problème industriel concret, sérieux dans certains cas et où l'empirisme gêne souvent la prise de décision rationnelle. Cependant, l'empirisme constitue généralement une bonne solution lorsque la complexité des phénomènes n'en permet pas une interprétation simple. Nos expériences ont d'ailleurs mis en évidence cette difficulté, compte tenu des nombreuses interactions mises en jeu.

Nous avons pu mettre en évidence des phénomènes tout à fait remarquables, dont certains sont listés ci-après.

  1. Parmi les niveaux de duretés calciques étudiés (0, 70, 140, 200, 250, 350, 500, et 700 ppm en CaCO3) les valeurs de 70 et 140 ppm en CaCO3 minimisent l'augmentation de la valeur tonale (c’est-à-dire, l’élargissement du point de trame) de documents imprimés sur rotative coldset (papier journal) ou presse à feuilles (papier non couché). En d’autres termes, la reproduction sur presse des points de trame est plus fidèle à leur dimension originale à ces deux niveaux de dureté.
  2. Ces mêmes niveaux de dureté réduisent sensiblement la viscosité (mesurée à 1000 Pa de contrainte de cisaillement) d'émulsions modèles en écoulement.
  3. Des essais d'émulsionnement en laboratoire, sur un appareil Litho-Lab™, ont montré que les ions calcium et magnésium n'affectaient pas l'émulsionnement de la même manière.
  4. Le capteur Graphometronic™, installé sur une presse à feuilles, a permis de constater qu'à densité d'aplat constante, l'émulsionnement et la quantité de solution de mouillage sur la plaque augmentaient avec la dureté.
  5. La présence d'ions calcium peut affecter le comportement de certains tensioactifs non ioniques incorporés à l'additif de mouillage.

Bien que nombre de ces effets aient lieu à des niveaux de dureté similaires, nous ne nous sentons pas à même de recommander ces niveaux pour des applications offset. En effet, nous n'avons étudié que certains phénomènes liés à la dureté et toujours à court terme. Par conséquent, ce travail de recherche n'a pas mis en évidence la plupart des problèmes de mise en œuvre, apparaissant à moyen ou long terme et évoqués dans la littérature technique (dépôts, précipitations, etc.).

D'autre part, l'interprétation de nos expériences reste délicate, notamment en raison du nombre encore trop important d'ingrédients de nos composés modèles. Nous proposons par conséquent de considérer nos émulsions modèles d'un point de vue macroscopique, en les caractérisant par leur "fragilité". Cette dernière, décrite par Angell [Angell, 1991] met en effet en jeu les propriétés physico-chimiques, rhéologiques, structurelles et thermodynamiques de ces systèmes pluriphasiques. Dès lors, il devient envisageable d'interpréter certains comportements à l'échelle macroscopique.

Cette étude aura donc montré que la dureté de la solution de mouillage ne peut en aucun cas être négligée, car elle affecte aussi bien la mise en œuvre de l'impression offset que son rendu.

     
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