Красители для струйной печати

  Классификацию типов чернил можно представить в виде следующей схемы(рис.2):

Рисунок 2. Классификация типов чернил

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Глава 2 . Водные чернила на красителях

  В термоструйных и пьезоструйных принтерах применяются водные чернила на красителях. В их состав входят красящее вещество, система растворителей и добавки, улучшающие рабочие свойства чернил (смачиватели, поверхностно-активные вещества, полимеры). Основным растворителем является вода, ее количество достигает 90%. К ней добавляется органический растворитель, например диэтиленгликоль. Растворитель – важный компонент, который выполняет определенные функции, такие как:

1. он увеличивает вязкость чернил до величины, необходимой для формирования капелек и уменьшения растекания их по бумаге;
2. диэтиленгликоль препятствует испарению воды из чернил, чем предотвращает их высыхание в принтере и засорение сопел.

  В состав чернил  обязательно вводят поверхностно-активные вещества, регулирующие их поверхностное натяжение, от чего зависят размеры и форма капелек. Рассмотрим рисунке 2 , где показаны  молекулы, расположенные в верхнем слое чернильной фракции. Они направляют свою результирующую энергию в толщу чернил, образуя на её поверхности прозрачную упругую стягивающую плёнку. При увеличении поверхностного натяжения носителя красящая жидкость быстрее растекается по его верхнему слою и достигает уравновешенного состояния, обеспечивая при этом высокоскоростную и качественную печать[4].

Рисунок 3. Соотношение между поверхностным натяжением чернил и носителя

  Кроме того, в чернила входит небольшое количество водорастворимого полимера (например, полиакриламида), подавляющего образование сателлитов.Описанные выше компоненты оказывают значительное влияние на поведение чернил при печати. Поэтому специалисты стараются разработать наиболее эффетивную рецептуру.

  Преимущества  водных чернил на красителях:

1. низкая цена,
2. простота очистки после засыхания печатающей головки (размачиваются даже теплой водой),
3. рекомендованы для фотопечати, так как позволяют  получать яркие, сочные изображения с большим количеством цветов и оттенков, чем дают чернила на пигментах[4].

   Однако с использованием водных чернил на красителях связано несколько проблем.

1. при печати на «простой», т. е. офисной бумаге, чернила впитываются в ее поверхностные поры, унося с собой краситель. Насыщенность отпечатка заметно падает. При необходимости получать отпечатки с яркими, насыщенными цветами используют фотобумагу со специальным красковоспринимающим покрытием;

Фирмой Canon был предложен способ, позволяющий получать хорошие отпечатки на простой бумаге с использованием подслоя, содержащего катионосодержащее вещество и тонко измельченную целлюлозу. Чернила с анионосодержащими красителями, попадая на такой подслой, реагируют с ним и образуют нерастворимое в воде соединение. Получается водостойкое изображение и предотвращается впитывание чернил в бумагу. Способ использован в принтере Canon BJC 8500 , где в состав черного картриджа включен чернильный модуль с «оптимизатором»

 

 

Рисунок 4. Процесс печати чернилами с «оптимизатором»: 1 - оптимизатор; 2 – чернила

 

2. быстро выцветают на солнце. Когда фотон, поглощенный одной молекулой красителя, достаточен для разрушения ее хромофорной группы, молекула переходит в бесцветную форму (лейкоформу). При поглощении того же фотона молекулой, находящейся в группе таких же молекул (пигментов), энергия распределяется между молекулами, и разрушение хромофорной группы становится менее вероятным. Это равносильно повышению энергии активации, необходимой для выцветания. При выцветании могут изменяться соотношения цветов изображения, так как различные красители выцветают с разной скоростью.

Проблемы выцветания решаются разными способами. В последние годы активно разрабатываются светостойкие красители относящиеся, например, к классу азокрасителей. Об использовании светостойких чернил заявили фирмы Hewlett Packard, Encad и др. Но на ярком свету отпечатки чернилами на светостойких красителях выцветают все равно достаточно быстро. Другой способ защиты отпечатков от вредного воздействия окружающей среды - ламинирование отпечатков - наклеивание на отпечатки полимерной пленки, не пропускающей ультрафиолетовое излучение.

3. струйные отпечатки, полученные водорастворимыми красителями, чувствительны к влаге и разрушаются водой. Пути решения проблемы состоят в ламинировании отпечатка или в получении на бумаге водостойкого красящего вещества за счет реакции красителя, например с подслоем «оптимизатора», как было показано выше на рис.2.1. Есть другой способ, который представляет использование красителей, содержащих карбоксильные группы и имеющих растворимость в водных чернилах с щелочной реакцией. В простой воде красители не растворяются. При попадании на бумагу, имеющую слабокислую реакцию, чернила теряют растворимость, и получаются водостойкие отпечатки. Оба примера решения проблемы водостойкости связаны с потерей красителем растворимости в воде при попадании на бумагу. Примером красителя, имеющего повышенное сродство к бумаге и повышенную водостойкость, может служить соединение:

 

 

 

Рисунок 5. Соединения Рс - фталоцианин[3]

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Водные чернила на пигментах

   Они представляют собой коллоидный раствор пигмента в воде с размером частиц около 0,2 мкм. Для стабилизации дисперсии в чернила входит стабилизатор, либо пигмент им обрабатывается заранее. Стабилизатором обычно служит поверхностно-активное вещество (ПАВ), молекулы которого своей гидрофобной частью адсорбируются на частицах пигмента, а гидрофильными группами обращены к воде. Частицы пигмента, покрытые такими молекулами, приобретают гидрофильные свойства и хорошо распределяются в воде, образуя стабильный коллоидный раствор. Пигмент при этом становится совместимым с гидрофильным полимером, который является обязательной составной частью пигментных чернил. Примером ПАВ может служить алкилфенолэтоксилат, у которого алкилфенол представляет гидрофобную часть молекулы, а этоксилат - гидрофильную часть[3].

   Полимер играет роль пленкообразующего вещества, удерживающего пигмент на отпечатке. При попадании капель на бумагу вода и растворенные в ней вещества проникают в нее, в то время как частицы пигмента с полимером остаются на поверхности. Однако отпечаток, выполненный такими чернилами, менее устойчив к механическому воздействию. На участках, содержащих плашки с наложением нескольких красочных слоев, часть краски может осыпаться. Сравнительная схема формирования изображения из пигментных чернил и чернил на красителях показана на рис.6:

 

 

Рисунок 6. Взаимодействие чернил на красителях (а) и на пигментах (б) с бумагой: 1 - рабочее покрытие; 2 - бумажная основа[3]

 

  В состав пигментных  водных чернил входит смачиватель - диэтиленгликоль, пропиленгликоль или подобное им вещество (например, полиэтиленгликоль - 400), которое замедляет испарение воды и задерживает высыхание чернил в соплах. Смачиватель, увеличивает стабильность чернил при их замерзании и оттаивании. Этот показатель влияет на транспортировку чернил. Пигментные чернила должны выдерживать несколько циклов «замерзания - оттаивания» (при оценке числа циклов чернила попеременно выдерживают 24 ч при - 20°C и 24 ч при +60°C [1]). Другие добавки - пеногаситель, амины или кислоты, служащие для достижения нужной величины рН, и биоциды, мешающие росту бактерий.

    Повышение стабильности  дисперсии и увеличение яркости  и насыщенности цветов - является главной проблемой. Это связано с тем, что  цветовой охват цветных пигментных чернил много меньше, чем у чернил на красителях.

    Фирма Epson выпускаются водостойкие чернила на водной основе с частицами пигмента размером около 25 нм, заключенными в полимерную оболочку. Они получаются диспергированием в водной среде красителя, растворимого в органическом растворителе, без использования дисперсантов[5], по-видимому, смешиванием раствора красителя в органическом растворителе с водным раствором остальных компонентов чернил. К этому типу чернил можно отнести чернила UltraChrome фирмы Epson.

 

3.1 Сольвентные чернила (чернила на органических растворителях)

   Сольвентные чернила (solvent - растворитель) представляют собой коллоидный раствор пигмента в смеси органических растворителей. Гликолевый эфир, лактат( например бутиллактат)-выступают в качестве основного растворителя,  другое вещество. Высыхание отпечатков происходит в основном путем испарения, поэтому в состав системы растворителей должны входить вещества, регулирующие скорость испарения, например метилэтилкетон. Они должны обеспечивать баланс между временем высыхания отпечатка и допустимым временем открытой печатной головки, в течение которого при простое принтера не возникает опасности высыхания чернил в соплах. Для решения этой проблемы при длительном простое принтера на головку одевается крышка, а для ускорения высыхания используется нагрев отпечатка. Короткое время высыхания особенно важно при печати на невпитывающих поверхностях, так как в противном случае на сплошных участках изображения могут образовываться «змейки»[2].Во многих сольвентных чернилах, смесь растворителей содержит 70% бутиллактата, 20% метилэтилкетона и 10% циклогексанона.[1]

  Сольвентные чернила предназначены для печати на материалах, не имеющих специального покрытия. Это могут быть, с одной стороны неплотные ткани и бумага, а с другой - самоклеящийся винил и другие материалы, не впитывающие чернила[3]. Печать производится тонкими слоями,  т.е. для получения насыщенных цветов краска накладывается в несколько слоев.

  Хранение и эксплуатация  чернил требуют контроля и  хорошо вентилируемого помещения, так как они содержат летучие  растворители. Печатающие головки для печати сольвентными чернилами выпускают фирмы Spectra, Xaar и Epson.

   Разновидностью чернил  на растворителях являются чернила  на масляной основе. В основном  используют невысыхающие малолетучие масла. Отпечатки закрепляются за счет впитывания масла в поры материала. Поэтому чернила на масляной основе пригодны для печати на бумаге, в том числе дешевой, и картоне. Отпечатки устойчивы к воде и свету и не высыхают в печатающей головке во время простоя принтера. Применяются такие чернила в упаковочном производстве, инженерной графике, печать внешней рекламы на материалах, впитывающих масло. Печатающие головки для чернил на масляной основе выпускает фирма Xaar.

 

3.2 Ультрафиолетовые чернила 

   Эти чернила называют ультрафиолетовыми, так как они закрепляются ультрафиолетовым светом. Лампа, которая производит закрепление, излучает в диапазоне 280...350 нм. В рабочих помещениях такого излучения нет, так как оно поглощается оконным стеклом и даже воздухом. Поэтому чернила остаются жидкими вплоть до облучения УФ-светом, т. е. они стабильны при хранении и эксплуатации и мгновенно затвердевают под светом УФ-лампы:

Но существуют проблемы:

1. образование озона при действии УФ-света на молекулы воздуха. Для удаления озона используют вытяжку;
2. УФ-чернила могут вызывать аллергическую реакцию кожных покровов, поэтому требуют осторожного обращения;
3. при использовании УФ-ламп с неоптимальными спектральными и энергетическими характеристиками отпечатки могут оставаться липкими, либо закрепление толстых слоев может происходить не по всей толще, что ухудшит механическую прочность отпечатка[4].

   УФ-чернила представляют собой дисперсию модифицированного пигмента в жидкой, способной к полимеризации смеси акрилатного мономера и акрилатного олигомера. Кроме того, в систему обязательно входят небольшие количества фотоинициатора, ингибитора, который предотвращает полимеризацию в отсутствие света и смачивателя (ПАВ). Никаких растворителей чернила не содержат[3].

   Ультрафиолетовыми  чернилами можно печатать на  любых поверхностях. Поскольку у  них все компоненты включаются  в красочную пленку, чернила не  выделяют никаких веществ ни  в атмосферу, ни в запечатываемый  материал. С этой точки зрения  они являются экологически чистыми. Однако ультрафиолетовая лампа  вызывает образование в воздухе  озона. Поэтому печатающее устройство  должно быть оборудовано вытяжкой (озон быстро распадается с  образованием кислорода). Либо должны  быть предусмотрены озоновые  фильтры, содержащие катализатор, на  котором это разложение идет  так быстро, что озон в помещение  не проникает.

  УФ-чернила используются только в промышленном оборудовании такие как, цифровые печатные машины и плоттеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Заключение

  По мнению специалистов, будущее принадлежит водным чернилам, образующим на бумаге стойкие  и прочные отпечатки. Чернила на красителях дешевы и удобны в эксплуатации. Поскольку в них не входят нерастворимые вещества, они меньше других чернил засоряют сопла печатающей головки и хорошо хранятся. В том числе они выдерживают без образования осадков большое число циклов «замерзание - оттаивание». А также на фотобумаге с их помощью можно получать яркие, сочные изображения с большим количеством цветов и оттенков, чем дают чернила на пигментах.

 

 

Список литературы

1. Киппхан Г. Энциклопедия по печатным средствам информации. Технологии и способы производства. Гл. 5.5. Струйная печать. М.: МГУП, 2003, 1280 с.
2. Статья «Теория печати»: – [Электронный ресурс] URL: http://promo-oskol.ru/teoriya-pechati (дата посещения 19.03.2015)
3. Статья « Основы цифровой печати: II. Струйная печать»: – [Электронный ресурс] URL: http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook792/01/part-005.htm  (дата посещения 23.03.2015-31.03.2015)
4. Статья «Что выбрать: пигментные или водные (водорастворимые) чернила: различия, свойства, что лучше» »: – [Электронный ресурс] URL: http://mnogochernil.ru/newsroom/пигментные-или-водные-чернила/ (дата посещения 30.03.2015)
5. Статья «Струйная технология печати» »: – [Электронный ресурс] URL: http://www.print-city.ru/ink_jet_tech/ (дата посещения 23.03.2015)