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          Révision : 30 décembre 2001 
Les encres métalliques
 
Alice Jaussaud et Pascal Césari (étudiants EFPG)
Ce texte a reçu une mention spéciale Grand Prix des Couleurs 2000
      
 
  Plan  
I -  Introduction
II -  La fabrication des pigments métalliques
III -  La fabrication des encres
IV -  Les propriétés des encres métalliques
V -  Les différents procédés d'impression
VI -  Conclusion
VII -  Bibliographie
 
        
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I - Introduction
Sommaire
Les encres métalliques attirent l'attention et donnent un aspect luxueux aux imprimés. Si elles séduisent de nombreux clients et imprimeurs, elles font actuellement l'objet de nombreux développements et recherches appliquées.
Dans cette étude nous exposons : les caractéristiques principales des pigments métalliques, les techniques spécifiques de fabrication des encres métalliques, leurs propriétés de suspension et leurs propriétés optiques. Enfin nous aborderons les encres métalliques au travers des trois principaux procédés d'impression.
Avertissement. Le terme leafing est traduisible en français par "effet de feuille" ; mais comme il fait partie du jargon des fabricants français d'encres, nous utiliserons le terme anglais dans le présent rapport.
 
II - La fabrication des pigments métalliques
Sommaire
Tout ce qui brille n'est pas or. En particulier dans le domaine des encres d'imprimerie où les métaux rares sont remplacés, dans le cas de l'or, par des poudres de bronze, dans celui de l'argent par de l'aluminium. Trois éléments sont nécessaires à la préparation des pigments :
    un métal (aluminium, bronze ou cuivre) ;
  un solvant minéral ;
  des acides gras (acide oléique ou acide stéarique).
Actuellement, la majorité des pigments est fabriquée selon la méthode des "billes humides ". Celle-ci consiste à placer les ingrédients dans un grand tambour avec des billes dures en acier ou en céramique. On fait tourner la préparation à grande vitesse afin d'obtenir de petits flocons de particules métalliques. Le lubrifiant empêche les pigments de se coller et le White spirit, en quantité suffisante, maintient le milieu humide.
En général, cette opération dure entre 5 et 40 heures, selon la taille de particules souhaitée (entre 5 et 25 µm). La préparation est ensuite vidée sur un tamis. Les particules trop grandes et indésirables sont recyclées dans le tambour, de même que l'excès de solvant, tandis que les écailles de tailles satisfaisantes passent dans un filtre sous pression. On obtient alors un gâteau de pigments dont le taux en particules métalliques est de l'ordre de 80 %. Ce gâteau est ensuite mixé avec une addition de solvant afin d'homogénéiser la préparation. Le taux de solvant atteint alors environ 26 à 38 %.
 
III - La fabrication des encres
Sommaire
III-1 Encres métalliques
Les pigments métalliques diffèrent des pigments organiques sur deux points :
    les éléments sont nettement plus grands. Une particule organique, quand elle est parfaitement dispersée dans une encre, possède une taille variant de 0,25 à 2,5 µm ; les pigments métalliques ont une taille variant de 5 à 25 µm ;
  les pigments métalliques ont une forme d'écaille plate, comme un disque de métal, au contraire des pigments organiques qui peuvent être irréguliers, sphériques ou en forme d'aiguille.
Lors de la fabrication de l'encre, les pigments métalliques doivent être introduits en fin de procédé en agitant le moins possible, afin de ne pas trop endommager les écailles. De plus il est nécessaire que le véhicule utilisé favorise le phénomène de leafing - défini plus loin - afin de provoquer l'effet miroir souhaité.
III-2 Mélanges d'encres colorées et métalliques
Les encres métalliques ne se limitent pas aux effets dorés ou argentés, il existe aussi des couleurs métalliques (Pantone en référence plus de 200). Il n'y a pas de théorie pour modéliser les propriétés des mélanges d'encres colorées et métalliques, on doit procéder à une étude en laboratoire au cas par cas. En effet les pigments ayant des comportements très différents d'un mélange à l'autre, les phénomènes ne sont pas prévisibles.
 
IV - Les propriétés des encres métalliques
Sommaire
IV-1 Les pigments en suspension
4-1-1 Le phénomène de leafing
Le phénomène de leafing concerne la capacité des pigments à s'aligner à la surface du film d'encre en créant une feuille constituée d'une multitude d'écailles, par opposition aux pigments qui présentent un phénomène de non-leafing c'est-à-dire qui restent dispersés et non orientés dans le film d'encre.
LeafingCoupes d'un film d'encre illustrant le phénomène de leafing (à gauche) et de non-leafing (à droite).
Cette propriété des pigments provient du type d'acide gras introduit lors de la fabrication. L'addition d'acide stéarique conduit au phénomène de leafing alors que l'acide oléique conduit au phénomène de non-leafing.
Dans le cas de non-leafing les pigments sont parfaitement mouillés par le véhicule et les flocons restent dispersés aléatoirement dans le film. On utilise plutôt les pigments à effet non-leafing pour la coloration et la teinte des encres métalliques (finition polychromatique).
4-1-2 La tension superficielle
La tension superficielle du véhicule de l'encre joue également un rôle important dans l'orientation et la stabilité des pigments. Ainsi, plus la tension superficielle du véhicule ou du mélange de solvant est grande, plus le phénomène de leafing peut être important. Une fois enrobés d'acide stéarique, les flocons montent à la surface entraînés par l'évaporation du véhicule, et s'y maintiennent jusqu'au séchage de l'encre, si la tension superficielle le permet. Par exemple, l'eau, qui a une tension superficielle élevée, peut engendrer un important effet de leafing. De même, le toluène, utilisé dans les encres hélio, possède une tension superficielle suffisante pour maintenir les flocons à la surface du film d'encre. Inversement, plus la tension est basse, moins il y a d'effet de leafing, les pigments étant moins tenus à la surface.
Type d'impression Véhicule Tension Superficielle
(dynes/cm)
Encre flexo à solvant Alcools 21 à 24
Encre hélio à solvant Toluène 28,50
Xylène 30,10
Encre à l'eau Eau 73
IV-2 Les propriétés optiques
4-2-1 Le brillant
L'effet métallique de l'encre est largement déterminé par l'orientation des pigments dans le film d'encre. Ainsi les pigments dispersés dans l'encre provoquent une apparence terne, tachetée avec des tons inégaux. Une encre est d'autant plus brillante que le phénomène de leafing est présent.
La taille moyenne des particules a également un effet sur la brillance. Plus les pigments sont gros, plus l'encre est brillante ; inversement, plus les pigments sont fins, plus l'aspect est perlé. En effet les grosses particules favorisent la réflexion, alors que les petites particules favorisent la rétrodiffusion au sein du film d'encre.
Enfin, pour compenser l'effet terne des pigments de bronze et de cuivre, la solution utilisée par les fabricants d'encre consiste à ajouter du benzatriazote.
4-2-2 Le pouvoir couvrant et la densité optique
L'épaisseur du film d'encre, liée au poids et à l'orientation des pigments, au mode d'impression et à la porosité des papiers, influe directement sur la densité optique d'une impression.
     
Opacité du film d'encre en fonction de la taille des particules pour une concentration de 5 % en pigments métalliques Opacité du film d'encre en fonction de la taille des particules pour différentes concentrations en pigments métalliques (5 et 10 %)
Comme le montrent les graphiques ci-dessus, plus l'épaisseur du film est importante, plus l'opacité de l'encre métallique est grande. De plus, l'opacité augmente avec la charge pigmentaire (le flux lumineux transmis diminue au profit des flux réfléchi et rétrodiffusé). Ce phénomène est dû au fait qu'en augmentant le taux de pigments, le nombre d'interfaces véhicule-pigments augmente, ainsi que le nombre de surfaces réfléchissantes.
D'autre part, on montre que le pouvoir couvrant des encres contenant des pigments métalliques décroît avec l'augmentation de la taille des particules (pour des pigments leafing ou non-leafing). En effet, les particules fines recouvrent mieux le support que les gros éléments. De plus, le film d'encre contenant des particules plus petites sera probablement imprimé plus facilement.
Enfin, les problèmes d'impression généralement associés aux encres métalliques tendent à croître avec l'augmentationde la charge pigmentaire.
Par exemple, deux fois plus de pigments sont nécessaires à une encre pour produire un film de pouvoir couvrant comparable si la taille moyenne des particules augmente de 10 à 20 µm.
4-2-3 La résistance mécanique
Les pigments non-leafing ont une bonne résistance aux frottements, car il y a une meilleure répartition dans le film d'encre. Ils sont aussi mieux protégés car moins exposés à la surface du film d'encre. Le phénomène de non-leafing entraîne une meilleure adhésion du film d'encre sur son support.
 
V - Les différents procédés d'impression
Sommaire
V-1 Les paramètres généraux
5-1-1 Les résines
La présence de résine améliorant la suspension, et le séchage étant plus rapide, il y a moins de leafing car les pigments n'ont pas le temps de s'orienter. Enfin, plus la résine est fluide, plus l'encre est brillante, et meilleure est l'imprimabilité.
5-1-2 La photogravure et l'impression
L'application MIPP [Metallic Integrated Process Printing], développée en 1992, permet de gérer la reproduction d'image à effets métalliques. Tout utilisateur de logiciel de traitement d'image peut réaliser facilement la séparation polychromatique de son imprimé en utilisant des encres métalliques. La seule contrainte, en ce qui concerne la séquence d'impression, est le respect de l'ordre suivant : Argent /Jaune /Or. Quand on imprime une encre métallique avant une encre classique, elles doivent être toutes deux formulées pour permettre un bon trapping.
5-1-3 Le papier
L'utilisation de papier couché brillant de bonne qualité donne de meilleurs résultats. Les papiers couchés mats ou non-couchés ne sont pas aussi efficaces quand on imprime avec des encres métalliques. En effet, ils ont tendance à absorber trop d'encre ce qui induit une perte de couleur brillante et d'effet métallique.
V-2 Les encres grasses
Sur les rotatives offset, le séchage UV implique un séchage du film d'encre très rapide. Ce procédé ne permet pas d'obtenir un maximum de phénomène de leafing. Dans ce cas, il est préférable de changer la séquence d'impression, en commençant par l'impression de l'encre métallique afin d'augmenter le temps de séchage de cette encre.
La pression entre le blanchet et le papier peut être ajustée pour faciliter le transfert exact de l'image. D'autres variables peuvent affecter l'effet métallique : composition de la solution de mouillage, niveau de leafing, épaisseur du film d'encre, pilling, trapping, nature du papier.
Le défaut de pilling, qui peut survenir lors de l'impression offset des encres métalliques, est l'accumulation de pigments métalliques sur le blanchet, rouleaux encreurs et plaque. Cette accumulation a un effet néfaste sur le transfert de l'image. Quand le pilling se produit, l'addition de vernis empêche les pigments de se séparer du film d'encre.
L'encre métallique peut réagir avec des composants de la solution de mouillage et entraîner une réduction du brillant. Les solutions acides peuvent ternir les particules métalliques ; dans ce cas il est recommandé de rouler avec un pH légèrement plus élevé. De plus, un pH trop faible peut causer des problèmes de salissures des plaques ; la réduction de la quantité d'alcool dans la solution de mouillage est alors un bon remède.
V-3 Les encres liquides
5-3-1 Les encres flexo à solvant
En flexographie, on utilise des solvants organiques (type alcool). La tension superficielle de ces solvants étant faible, le phénomène de leafing n'est pas stable, l'impression est donc terne.
On peut également noter qu'il faut adapter la linéature du cylindre anilox à la taille des particules pigmentaires, afin d'éviter d'obstruer les alvéoles.
5-3-2 Les encres hélio à solvant
En héliogravure, la présence de solvant à base d'hydrocarbure (toluène et xylène) favorise la brillance des encres métalliques. En effet la tension superficielle de l'hydrocarbure est supérieure à celle des solvants organiques. On a donc un plus fort effet de leafing que pour la flexo.
5-3-3 Les encres à l'eau : flexo et hélio
Depuis quelques années, pour répondre à des considérations environnementales, les encres hélio et flexo à solvant tendent à être remplacées par des encres à base d'eau. Ce changement de technologie constitue un tremplin pour le développement des encres métalliques. En effet, la grande tension superficielle de l'eau entraîne une très bonne répartition des pigments à la surface et favorise le phénomène de leafing.
Les facteurs qui jouent sur la répartition des paillettes dans les encres à base d'eau sont :
    le rapport solvant/eau
  le pH
  la tension superficielle
  la viscosité
Par exemple, il faut maintenir le pH entre 7 et 8,5 dans les encres à l'eau afin de minimiser les réactions chimiques entre les pigments et les autres constituants.
 
V I- Conclusion
Sommaire
Si les encres métalliques constituent un élément obligatoire du catalogue des fabricants, elles demandent un fort investissement financier, pas toujours à la hauteur des commandes des imprimeurs.
Dans cette étude, nous avons montré que le brillant, propriété déterminante des encres métalliques, est obtenu pour une épaisseur de film importante, pour des particules de grandes tailles, pour une forte concentration pigmentaire et en présence du phénomène de leafing. Mais les pigments de petite taille ont une capacitéd'imprimabilité meilleure, les pigments traités non-leafing apportent une meilleure résistance mécanique. De plus, le coût important des pigments métalliques limite leur concentration dans l'encre.
L'ensemble de ces paramètres oblige les fabricants d'encre à trouver une formulation adaptée aux attentes du client, aux usages de l'imprimé et au procédé d'impression.
 
VII - Bibliographie
Sommaire
Documents imprimés
    Mastering metallics DIBERNARDO A. American Printer, vol 204, n°4, Janvier 1990. p 52-54.
  Beyond color special effects pigments and sparkle to print CLINKENBROOMER J. American Ink Maker, vol 77, n°6, Juin 1999. p 20, 24, 26.
  Roto star aqua : high-brilliance water metallics for flexography and rotogravure CROWHURST O. American Ink Maker, vol 74, n°9, Septembre 1993. p 60-62, 64, 66.
  Hiding power of aluminium pigments in printed inks films KERN G.M., MICALE J., LAVELLE S., VALENZUELA P. American Ink Maker, vol 69, n°10, Octobre 1991. p 60-68.
  Using water and solvent metallic ink in gravure and flexo printing LADEN P. American Ink Maker, vol 64 n°9, Septembre 1986. p 24-28 .
  Aluminium flake FERGUSSON L.R. Pigment Handbook, p785-801, 1988.
  Aluminium pigment developments for printing inks SEATH B. Surface Coatings International, vol 82, n°9, Septembre 1999. p 448-450.
  Mastering the new metallics STREIGHT S. American Ink Maker, vol 67, n°11, Novembre 1989. p 18-22.
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