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METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE TINTAS PARA
DECORAÇÃO DIGITAL DE REVESTIMENTOS CERÂMICOS
A. V. Lot (a), L. J. J. Nieves (a), F. G. Melchiades (ab), A. O. Boschi (a)
(a) Laboratório de Revestimentos Cerâmicos – LaRC, Departamento de Engenharia
de Materiais – DEMA, Universidade Federal de São Carlos - UFSCar, São Carlos,
SP, Brasil
(b) Centro de Revestimentos Cerâmicos – CRC, Parque Eco Tecnológico Damha I,
São Carlos, SP, Brasil
*e-mail: [email protected]
RESUMO
O Brasil é o segundo maior consumidor e produtor mundial de revestimentos
cerâmicos. A tecnologia de decoração de revestimentos por impressão digital a jato
de tinta, devido à suas inúmeras vantagens, já foi adotada na indústria do país e se
difunde cada vez mais. Devido às peculiaridades da técnica, ainda não existe uma
metodologia para a avaliação do desempenho das tintas utilizadas nas impressoras
digitais que auxilie na seleção desses insumos pelos produtores de revestimento.
Dessa forma, entre tintas adquiridas de fabricantes distintos, observam-se
diferenças na definição do desenho, na paleta de cores obtidas e no rendimento das
mesmas. Esse trabalho propõe uma metodologia para avaliar comparativamente o
desempenho de tintas industriais para decoração digital, com base na análise do
comportamento colorimétrico e da extensão das mesmas sobre o substrato
cerâmico. O trabalho ainda identifica as características das tintas responsáveis pelas
diferenças de comportamento observadas entre estas.
Palavras chave: decoração digital, decoração por jato de tinta, revestimentos
cerâmicos
60º Congresso Brasileiro de Cerâmica15 a 18 de maio de 2016, Águas de Lindóia, SP
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INTRODUÇÃO
A decoração digital a jato de tinta, devido às inúmeras vantagens que oferece,
já foi adotada na maioria das indústrias de revestimentos cerâmicos no Brasil, que
hoje já é o segundo maior fabricante e consumidor mundial desses produtos(1).
Ao contrário dos métodos mais tradicionais para decoração de revestimentos,
na impressão digital a tinta é transferida à peça sem contato com a mesma(2).
Conforme a necessidade de cada ponto na formação da imagem a ser impressa(3),
gotas de tinta são projetadas através de bocais de diâmetros micrométricos.
Após o impacto da gota no substrato, a gota se estende sobre a peça devido a
sua energia cinética. Quanto maior sua velocidade de impacto, sua densidade e seu
diâmetro inicial, maior sua extensão(4). Quanto maior a viscosidade e a tensão
superficial da tinta, menor tende a ser essa extensão.
Enquanto a tinta se espalha pela peça, ela é sugada pelos poros da mesma. A
rapidez com que a tinta seca depende da porosidade, umidade e temperatura do
substrato e da natureza e características do veículo. Se a tinta seca antes do final da
extensão da gota, essa extensão fica limitada e o ponto formado é menor(4).
A definição de uma imagem é a nitidez que a mesma consegue transmitir e
está diretamente ligada à sua resolução. A resolução da imagem, por sua vez, é
determinada pelo tamanho dos pontos impressos, sendo expressa em dpi ou
“pontos por polegada”. Um dpi equivale a uma gota impressa a cada 25,4mm(5) e
assim, quanto menores os pontos impressos, mais pontos podem ser impressos em
um determinado comprimento e maior a resolução do desenho.
Outro aspecto importante da qualidade da imagem é sua qualidade cromática.
Quando mais intensas e puras as cores das tintas utilizadas, maior a paleta de cores
imprimíveis e melhor a qualidade cromática do desenho impresso.
Na impressão digital, as imagens se formam pela sobreposição de pontos das
quatro cores do modelo CMYK (ciano, magenta, amarelo e preto). Em outros setores,
utilizam-se tintas a base de corantes orgânicos, mas em cerâmica, são usados
pigmentos inorgânicos, e estes não reproduzem as cores puras do modelo CMYK.
Além disso, para evitar a obstrução de bocais na saída da tinta, tais pigmentos são
micronizados (moidos a tamanhos de partícula menores que 1μm(6)) e uma fração
das partículas é tão reduzida que sua estrutura cristalina responsável pela cor é
destruida e o pigmento perde intensidade de cor(7).
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Assim, na indústria de revestimentos, usam-se tintas de cor azul, marrom, bege
e preta, que fornecem uma gama de cores mais estreita do que o conjunto CMYK,
resultando em menor qualidade cromática das imagens impressas.
Por ser uma tecnologia recente e peculiar, ainda não existe uma metodologia
para a avaliação do desempenho das tintas para da decoração digital. Na indústria,
essas tintas são adquiridas sem critérios técnicos de seleção, na maioria das vezes,
com base em seu preço. E entre conjuntos de tintas de fornecedores diferentes, são
observadas diferenças na resolução da imagem impressa e na qualidade cromática
da mesma. Além disso, o rendimento, ou seja, a quantidade de metros quadrados
de uma mesma decoração que podem ser impressos por unidade de volume da
tinta, varia entre tintas diferentes. E o rendimento, devido ao alto custo dessas tintas,
é uma grande preocupação para os produtores de revestimentos.
Nesse contexto, o trabalho objetiva desenvolver uma metodologia para avaliar
comparativamente o desempenho de tintas para decoração digital de revestimentos
cerâmicos. O trabalho busca ainda identificar nas características técnicas das tintas
as razões para as diferenças de desempenhos observados entre essas.
.
MATERIAIS E MÉTODOS
Foram estudadas tintas de cor azul e bege de 3 fornecedores diferentes. As
tintas foram aplicadas em forma de gotas sobre a superfície de placas de 5cm x 5cm
de um porcelanato técnico esmaltado. Para cada tinta, foram produzidas 3 amostras
com umidades superficiais distintas (peça seca, 80g/m² e 160g/m²) para simular a
situação industrial em que as peças são decoradas logo após sua esmaltação,
podendo estar úmidas. Foram aplicadas 5 gotas de tinta em cada placa, com uma
micropipeta de volume fixo de 30 μL, com ponteira da abertura de raio 0,1297mm,
fixada a uma altura de 13 mm da superfície das peças. As amostras foram
queimadas por 55 minutos na temperatura de patamar de 1200°C.
Para a análise do desempenho das tintas foram avaliados parâmetros que
podem ser medidos a partir dessas amostras e que fornecem indícios da qualidade
cromática das imagens impressas, da resolução dessas imagens e do rendimento
das tintas. Esses parâmetros selecionados foram as coordenadas cromáticas L* a* e
b* do espaço CIELab e o índice de extensão.
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As coordenadas L*, a* e b* dos pontos formados nas amostras foram medidas
com um espectrofotômetro. No espaço CIELab, a coordenada L* mede a
luminosidade da cor, variando de 0 (preto) a 100 (branco) e a* e b* valem zero para
a cor cinza, e quanto mais se afastam de zero, maior a saturação da cor medida. A
coordenada a* tem valores positivos para a cor vermelha e negativos para a cor
verde. A coordenada b* tem valores positivos para a cor amarela e negativos para a
cor azul. As coordenadas a* e b* indicam, então, a intensidade da cor de uma tinta,
sendo, portanto, um parâmetro indicativo da gama colorimétrica fornecida pela tinta
e consequentemente da qualidade colorimétrica da imagem.
O índice de extensão (IE) é uma medida da extensão de uma gota de tinta de
diâmetro inicial conhecido, calculado pela razão entre o diâmetro do ponto formado
na peça e o diâmetro inicial da gota que originou tal ponto, conforme mostra a
Equação (A)(8).
(A)
Sendo o índice de extensão, um indicador do tamanho do ponto formado a
partir de uma gota, o mesmo pode ser então, um indicador da definição do desenho
impresso e do rendimento da tinta. Tintas que apresentam índice de extensão menor
são capazes de produzir pontos menores na impressão, permitindo a reprodução de
imagens com maior resolução. Por outro lado, com um mesmo número de gotas
geradas, as tintas que se estendem mais (IE maiores) recobrem maior área da
superfície com um dado volume de tinta, o que contribui com seu rendimento.
O tamanho da gota inicial é fixo (considerado o diâmetro de abertura da
micropipeta) e o diâmetro dos pontos consolidados nas amostras foi determinado a
partir da fotografia das amostras com auxilio de um software de análise de imagens.
As tintas foram caracterizadas com o objetivo de se identificarem as razões
para as possíveis diferenças de cor ou de extensão detectadas. A viscosidade
aparente das tintas foi medida a 30rpm com um viscosímetro Brookfield.
As tintas foram calcinadas a 350°C por 1h, com taxa de aquecimento de
2°C/minuto para remoção do veículo e aditivos do sistema. O pó resultante foi
submetido à uma análise química por espectroscopia de energia dispersiva (EDS) e
à análise das fases cristalinas através da difração de raios X.
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RESULTADOS
Análise colorimétrica e comportamento de extensão das tintas
A Tabela 1 apresenta as coordenadas l*, a* e b* medidas para as tintas nas
três umidades superficiais avaliadas. Uma graduação de cor foi aplicada às células
da tabela para simular a cor indicada pelas coordenadas no espaço CIELab.
Umidade superficial
AZUL 1
AZUL 2
AZUL 3
L* a* b*
L* a* b*
L* a* b*
Superfície seca 31,3 8,4 -14,3
44,2 -9,9 -31,4
40,8 -5,9 -27,2
80 g/m² 33,8 10,5 -12,8
43,6 -10,8 -30,4
37,9 -4,0 -14,1
160 g/m² 31,8 11,5 -13,8
44,2 -10,0 -31,2
36,9 -5,6 -16,0
Umidade superficial
BEGE 1
BEGE 2
BEGE 3
L* a* b*
L* a* b*
L* a* b*
Superfície seca 43,4 9,7 10,0
41,1 10,2 11,8
48,2 18,1 21,5
80 g/m² 40,8 10,2 9,9
42,1 10,1 10,8
51,8 19,6 25,7
160 g/m² 46,5 9,8 11,4
40,0 11,5 11,8
54,5 20,6 29,1
Tabela 1. Análise colorimétrica das tintas azuis e beges dos fornecedores 1, 2 e 3.
As diferenças colorimétricas entre as tintas de cor azul de cada um dos três
fornecedores são bastante significativas. A tinta do fornecedor 2 se destaca com
valores de b* de maior módulo, mais distantes do zero, fornecendo tonalidades azuis
mais saturadas. Além disso, as tintas variam muito em termos de tonalidade. A
coordenada a* é positiva para a tinta azul 1, que fornece, portanto, uma coloração
azul “manchada” com o vermelho, tendendo para o roxo. Por outro lado, as tintas
azuis 2 e 3, com valores de a* negativos, possuem tonalidade azul mais esverdeada.
As tintas de cor bege não apresentam tonalidades tão distintas, mas entre
elas há uma grande diferença na intensidade de cor. A tinta bege 3 apresenta
valores de a* e b* bem mais altos do as tintas beges 1 e 2. Isso indica que essa tinta
tem cor mais saturada, fornecendo tons beges mais vivos com uma gama cromática
mais ampla na impressão, contribuindo para a qualidade cromática das imagens.
Nota-se que as coordenadas cromáticas variam ligeiramente com a umidade
da superfície das amostras, mas não foi observado um padrão nessa variação.
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A Figura 1. Índices de extensão das tintas azuis e beges dos fornecedores 1,
2 e 3Figura 1 apresenta o índice de extensão das tintas de cor azul e bege nas três
condições de umidade superficial estudadas.
Figura 1. Índices de extensão das tintas azuis e beges dos fornecedores 1, 2 e 3
Observam-se diferenças de extensão expressivas entre tintas de fornecedores
distintos. Para as duas cores de tintas, a tinta do fornecedor 3 apresenta índice de
extensão mais alto, o que pode contribuir para seu maior rendimento no processo.
Com um número fixo de gotas impressas, maior área do substrato é recoberta com
essa tinta, em comparação com tintas de índices de extensão menores.
Por outro lado, as tintas do fornecedor 1 apresentam índices de extensão mais
baixos. Considerando a ejeção de gotas das tintas dos fornecedores 1, 2 e 3 através
de um bocal de tamanho fixo, os pontos produzidos com as tintas azul 1 e bege 1
são menores que os outros e a resolução das imagens impressas pode ser melhor.
O produtor de revestimento deve definir sua prioridade na seleção das tintas,
pois, enquanto índices de extensão mais baixos favorecem a definição da imagem,
índices mais altos favorecem o rendimento da tinta.
Nota-se ainda que, para cada tinta, o índice de extensão aumenta com a
umidade superficial da peça. A presença de água nos poros do substrato retarda a
sucção capilar da tinta e sua secagem e dessa forma, a mesma tem mais tempo
para se espalhar sobre o substrato, resultando em pontos de maiores diâmetros.
As diferenças colorimétricas e de extensão observadas entre as tintas não são
diferenças pequenas, mas sim, discrepâncias grandes que não podem ser
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desprezadas pela indústria. Isso reafirma a necessidade de se desenvolver uma
metodologia para avaliação dessas tintas e realça a importância desse trabalho.
Explicações para as diferenças colorimétricas e de extensão
As tintas azuis que apresentam diferenças de cor mais expressivas entre si são
as tintas 1 e 2. Dentre as tintas beges, as tintas mais diferentes entre si são as tintas
1 e 3. Essas quatro tintas foram selecionadas para serem caracterizadas a fim de
que se determinem as razões para as diferenças de comportamento observadas.
A tabela 2 apresenta a composição química dos pigmentos sólidos obtidos da
calcinação dessas tintas e a Figura 2 apresenta a difração de raios X desses
pigmentos, com as fases cristalinas detectadas em cada um.
Tabela 2. Composição química dos pigmentos azul 1, azul 2, bege 1 e bege 3.
Pigmentos: Al Si Co Zn Cr Zr Fe Cu Outros
AZUL 1 3,1 24,9 69,9 - - 0,1 - 1,2 0,8
AZUL 2 31,8 1,0 28,8 8,9 22,8 5,0 0,1 0,8 0,8
BEGE 1 19,3 0,4 0,1 50,1 13,4 0,9 15,7 - 0,1
BEGE 3 8,8 12,5 - 44,7 7,8 17,3 8,7 - 0,2
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Figura 2. Difratograma de Raios-X para os pigmentos A1, A2, B1, e B3.
Pela análise conjunta da composição química e de fases dos sólidos obtidos da
calcinação das tintas, foi possível determinar as fases pigmentantes em cada uma
delas. A tinta azul 1 é composta pela olivina ou silicato de cobalto, CoSiO4, um
pigmento azul bastante comum. Detectou-se ainda uma pequena porcentagem de
aluminato de cobalto, CoAl2O4, pigmento azul de estrutura do tipo espinélio.
Na composição da tinta azul 2 foi identificado um pigmento espinélio do tipo
(Co,Zn)(Cr,Al,Co)2O4 de cor verde-azul. Isso explica porque enquanto a tinta azul 1
apresenta coloração azul arroxeada (coordenadas a* positivas na Tabela 1), a tinta
azul 2 fornece uma tonalidade azul mais esverdeada (coordenadas a* negativas).
As diferenças de cor entre as tintas de cor bege de fornecedores diferentes
também são justificadas pelas diferenças de composição entre elas. Nas duas tintas
de cor bege foi identificado o pigmento espinélio bege, Zn(Fe,Al,Cr)2O3, solução
sólida bastante rica em zinco. Apesar disso, na tinta bege 3 foi encontrado ainda um
pigmento zircão, (Zr(SiO4)) e a fase willemita (silicato de zinco, Zn2SiO4.), que atua
no sistema, não como um pigmento, mas como um “buffer”, aditivo que evita
reações pigmento-esmalte.
A willemita satura o meio em zinco e evita que o espinélio bege (rico em zinco)
reaja com o esmalte em altas temperaturas e sofra perda de saturação de cor.
Dessa forma, essa tinta bege 3, que é composta por uma mistura de pigmentos e
ainda um aditivo que preserva a intensidade de cor do pigmento espinélio após a
queima, apresenta maior intensidade de cor do que a tinta bege 1.
Ainda resta conhecer o motivo pelo qual as tintas de fornecedores distintos
diferem em relação ao seu comportamento de extensão na peça cerâmica.
A Figura 3 apresenta as medidas de viscosidade aparente das tintas avaliadas
confrontadas com seus índices de extensão já apresentados previamente.
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Figura 3. Viscosidade aparente e índices de extensão para as tintas
É possível observar que existem diferenças de viscosidade entre as tintas de
fornecedores distintos e que, quanto maior essa viscosidade, maior a extensão da
gota. Isso pode ser explicado se considerarmos que a viscosidade das tintas pode
afetar sua extensão de duas maneiras:
1. No espalhamento da tinta, ou na sua extensão propriamente dita, visto que
tintas menos viscosas tendem a fluir mais facilmente, se espalhando mais
sobre o substrato cerâmico e formando pontos maiores.
2. Na penetração da tinta nos poros do substrato, e consequentemente, na sua
secagem. Nesse caso, tintas menos viscosas tendem a penetrar mais
facilmente na superfície da peça cerâmica, secando mais rapidamente.
Considerando que essas duas etapas da consolidação da gota na superfície
cerâmica ocorrem ao mesmo tempo, e que são, portanto, concorrentes, é importante
observar que, se uma gota de tinta projetada seca muito rapidamente, a sua
extensão no substrato pode ficar limitada. Os resultados aqui apresentados apontam
justamente nessa direção.
As tintas de menor viscosidade, por apresentarem menor resistência ao fluxo,
teriam se espalhado mais pela peça do que as tintas mais viscosas. No entanto,
essas tintas menos viscosas foram absorvidas mais rapidamente pelos poros do
substrato, e sua secagem rápida limitou o espalhamento da gota, levando a
formação de pontos menores na peça.
Por outro lado, as tintas mais viscosas, que foram sugadas mais lentamente
pelos poros da peça, permaneceram por mais tempo sobre a superfície dessa peça,
o que permitiu maior extensão das gotas, com a formação de pontos maiores.
CONCLUSÕES
O trabalho propôs um método de avaliação comparativa de tintas para
decoração digital de revestimentos baseado na análise de parâmetros indicativos do
desempenho dessas tintas medidos em amostras produzidas com uma micropipeta.
As medidas das coordenadas colorimétricas dos pontos produzidos nas
amostras predizem a qualidade cromática das imagens que pode ser alcançada com
a tinta. Quanto mais a* e b* se distanciam do zero, mais intensa é a cor da tinta e
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assim, maior a gama de cores fornecidas na impressão, o que promove a melhoria
da qualidade cromática das imagens impressas.
O índice de extensão também foi adotado como parâmetro indicativo do
desempenho das tintas. Tintas com índices de extensão menores podem favorecer a
impressão de imagens com alta resolução, visto que o tamanho dos pontos
produzidos é menor. Já tintas com maiores índices de extensão podem apresentar
maior rendimento no processo, visto que, com um determinado volume de tinta, as
gotas de tintas que se espalham mais recobrem maior área do substrato cerâmico.
A metodologia foi aplicada na avaliação de tintas de três fornecedores distintos
e foram detectadas entre elas diferenças bastante expressivas em termos de
comportamento colorimétrico e de extensão, o que demonstra a relevância da
metodologia proposta nesse trabalho.
As diferenças de desempenho entre tintas diferentes não devem ser
negligenciadas, mas sim, quantificadas através do procedimento proposto. Com as
informações obtidas, o produtor de revestimentos pode ter um embasamento técnico
para a seleção mais adequada das tintas na indústria, melhorando a qualidade das
imagens impressas ou reduzindo custos de produção.
Na seleção das tintas, o fabricante de revestimento conheça seus objetivos e
determine se sua prioridade é a qualidade da imagem ou o custo de produção. Nem
sempre uma tinta será a mais vantajosa em termos de rendimento, qualidade
cromática e resolução da imagem ao mesmo tempo.
Além disso, geralmente não é possível escolher cada cor de tinta de um
fornecedor diferente. Compram-se as tintas das quatro cores do conjunto de
impressão de um só fornecedor. É importante, então, avaliar o desempenho de cada
tinta de cada cor individualmente, mas considerar os prós e os contras oferecidos
pelos conjuntos de tintas de cada fornecedor como um todo.
Esse trabalho ainda identificou as razões pelas quais tintas diferentes
apresentam diferenças de comportamento. Tanto para as tintas azuis quanto para as
beges, constatou-se que tintas de fornecedores distintos são compostas por
pigmentos distintos, o explica as discrepâncias de coloração entre as mesmas.
A principal razão encontrada para os diferentes comportamentos de extensão
entre tintas de fornecedores distintos foi a diferença de viscosidade entre elas.
Tintas mais viscosas formam pontos maiores no substrato, graças ao maior tempo
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disponível para seu espalhamento sobre a superfície da peça devido a sua maior
dificuldade de penetração nos poros da mesma.
AGRADECIMENTOS
Ao CNPq, pela concessão de bolsa de mestrado à primeira autora e de
doutorado à segunda autora.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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ABSTRACT
Brazil is the second largest consumer and producer of ceramic tiles. The technology
of tile decoration by inkjet digital printing, due to its many advantages, has already
been adopted in the national's industry and spreads more and more. Because of the
peculiarities of this technique, there is still no methodology for evaluating the
performance of inks for digital printers, which would give technical basis to tile
producers for the selection of these inks. For this reason, between inks acquired from
different suppliers, differences are observed in the definition of the image, in the color
palette obtained and in the yield of paint. This work proposes a methodology for
comparative evaluation of the performance of industrial inks for digital decoration,
based on the analysis of the colorimetric behavior and the extent of the ink on the
ceramic substrate. The work also identifies the characteristics of inks responsible for
the behavioral differences observed between them.
Key words: digital printing, inkjet digital printing, ceramic tiles
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