Красители для струйной печати

МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«САНКТ–ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ИНСТИТУТ  КИНО И  ТЕЛЕВИДЕНИЯ»

Кафедра кинофотоматериалов и регистрирующих систем

Курсовая работа по дисциплине:

“Технология фотографических материалов”

на тему:

«Красители для струйной печати»

Выполнил: студент 4 курса ФФДиЖ ,

134 группы Коровина И.

Принял: ассистент каф. КФМиРС,

Жданова А.В.

Санкт-Петербург

2015г

Реферат

  Курсовая работа содержит 22 страницы текста, 6 рисунка и 5 литературных источников. 
Содержание

Введение

   Основой любого процесса струйной печати является процесс создания капель красителя и переноса этих капель на бумагу или любой другой носитель, пригодный для струйной печати. Управление потоком капель позволяет добиться различной плотности и тональности изображения.[5]

   На сегодняшний  день существует два различных  подхода к созданию управляемого  потока капель. Первый метод, основанный  на создании непрерывного потока  капель - метод непрерывной струйной печати. Второй метод создания потока капель предусматривает возможность непосредственного управления процессом создания капли в нужный момент времени. Системы, использующие этот метод управления потоком капель, получили название системы импульсной струйной печати.

   Каждый производитель  струйных принтеров разрабатывает  и совершенствует свой состав  чернил, который наиболее адаптирован  к выпускаемой технике. В данной курсовой работе будут рассматриваться водные чернила на красителях и водные чернила на пигментах, сравним преимущества, и недостатки этих типов чернил.  
Глава 1. Чернила для струйной печати

   Чернила для струйной  печати представляют собой жидкие  краски с низкой вязкостью, которая  находится в следующем диапазоне:

1. для чернил на водной основе и на растворителях она составляет 1...5 сПз (10...50 мПа);
2. ультрафиолетовые чернила при 50...100°C имеют вязкость 10...30 сПз;
3. твердые чернила в расплавленном (рабочем) состоянии при температуре 125°C имеют вязкость 15...30 сПз;
4. вязкость большей части чернил для непрерывной струйной печати не превышает 1 сПз и может быть даже меньше[3].

   Низкая вязкость чернил вызвана тем, что капельные струи выбрасываются на бумагу через очень маленькие отверстия (несколько десятков микрон или даже меньше 10 мкм).Для того чтобы чернила на выходе из сопла образовывали капельки заданных размеров, они должны иметь определенное поверхностное натяжение, которое лежит в диапазоне 25...60  Нм2.В качестве чернил используют растворы красителей и коллоидные растворы пигментов очень низкой концентрации (около 5 мас. %) в воде или органических растворителях, обычно гликолевых эфирах или лактатах.

Требования, предъявляемые к чернилам:

1. чернила не должны засыхать в соплах, выводя их из строя, но должны быстро сохнуть на запечатываемом материале.
2. чернила на водной основе должны образовывать водостойкие изображения, не расплываться на бумаге и не слишком сильно в нее впитываться. Чернила на границе участков разного цвета не должны смешиваться, образуя разделительные полоски.
3. для чернил на красителях важна светостойкость отпечатков, что не является простой задачей.
4. для непрерывной струйной печати чернила должны быть электропроводными, так как капелькам сообщается электрический заряд.
5. чернила на органических растворителях и маслах должны быть экологически безопасными и безвредными для операторов[2].

      Чернил, отвечающих всем этим требованиям, пока нет. Но производители чернил, струйного оборудования и печатных материалов стремятся разрешить эту проблему следующими путями: разработки новых чернил, использования для печати специальных бумаг, перехода к 6...8-красочной печати для получения цветных отпечатков высокого качества, совершенствования струйных технологий, защиты печатающих головок от высыхания чернил и автоматической промывки сопел.

     При эксплуатации чернил необходимо учитывать следующие факторы :

1. в процессе печати происходит испарение летучих компонентов. Это может повлиять на изменение рН, увеличение вязкости и поверхностного натяжения. Может произойти выпадение в осадок электропроводящей добавки, а также изменении оптической плотности отпечатков и цветопередачи. Поэтому необходимо контролировать вязкость композиции и при ее отклонении от нормы добавлять рассчитанное количество испарившегося компонента.
2. большое значение имеет чистота чернил, так как наличие в них небольшого количества катионов поливалентных металлов (кальция, магния, железа) может быть причиной коагуляции. Поэтому при изготовлении чернил необходимо применять дистиллированную или деионизированную воду, а также производить очистку красителя от солей, потому что краситель является основным источником загрязнения. Все сосуды и шланги, используемые для хранения композиции, должны быть чистыми и иметь инертную поверхность.

1.1 Чернила для непрерывной струйной печати

   Непрерывная струйная  печать имеет в основном промышленное  применение. Она используется для нанесения на изделия различных маркировок, а в полиграфии непрерывная струйная печать применяется в цифровых печатных машинах и в цветопробных устройствах. Промышленное использование непрерывной струйной печати выдвигает повышенные требования к стабильности  работы печатающих устройств.

    Безотказность  и стабильность работы печатающего  устройства во многом зависит  от стабильности свойств используемых в них чернил, таким как:

1. реологические свойства чернил;
2. способность к зарядке;
3. летучесть растворителя;
4. растворимость и совместимость компонентов в чернилах;
5. чувствительность чернил к температуре и влажности воздуха;
6. устойчивость к коагуляции и при дроблении струи, должны образовывать мелкие и однородные капельки без сателлитов (рис .1)

Рисунок 1. Формирование капельной струи: а - без сателлитов; б - с сателлитами

   К основным реологическим свойствам чернил относятся вязкость, которая находится в пределах 0,3…5 сПз, и поверхностное натяжение. Летучесть растворителя должна быть достаточной для высыхания чернил на изделии, но не допускать большого испарения чернил в системе непрерывной циркуляции[3].

   Хорошие растворимость  и совместимость компонентов  в чернилах особенно важны  для принтеров с непрерывной  циркуляцией чернил, так как неиспользованные чернила после фильтрации возвращаются в работу. При недостаточной растворимости чернил и совместимости компонентов друг с другом будут образовываться осадки.

   Помимо  факторов, влияющих на эксплуатационные характеристики, чернила имеют сложный состав. Самая простая рецептура включает красящее вещество (краситель или пигмент), полимер, замедлитель испарения растворителя из сопла и струи (гликоль или эфир гликоля), поверхностно-активное вещество и растворитель. Для снижения электрического сопротивления чернил до необходимого уровня в их состав вводят электропроводящую добавку. Это легко ионизирующееся соединение (неорганическая или органическая соль, либо органический проводник, например N-метил-2-пирролидон)[3].

  Существует два типа красящих веществ: краситель и пигмент. Это в значительной степени влияет на свойства чернил. Наибольшее применение находят красители - растворимые красящие вещества. Чернила на их основе меньше забивают сопла печатающей головки и имеют большую стабильность, особенно при замерзании и оттаивании чернил. Однако они создают больше проблем с качеством изображения. Их впитывание вместе с растворителем в волокнистые материалы, например бумагу, понижает оптическую плотность изображения, оставшегося на поверхности. Растекание чернил по поверхности запечатываемого изделия приводит к слиянию элементов изображения. Это ухудшает читаемость текста и разрешающую способность процесса. Отпечатки, полученные водными чернилами на основе красителей, имеют низкую светостойкость и легко выцветают. Они также обладают  малой водостойкостью. Свойства чернил ухудшаются, если красители загрязнены солями и органическими примесями[2].

    Пигменты - нерастворимая часть чернил. Чернила на пигментах представляют собой коллоидный раствор. Они содержат дисперсант, адсорбирующийся на поверхности частиц и тем стабилизирующий чернила. Дисперсантом может быть полимер или поверхностно-активное вещество. Хорошие результаты дают пигменты с химически модифицированной поверхностью. К частицам пигмента, например саже, с помощью химической реакции присоединяют легко ионизирующиеся функциональные группы (сульфогруппы или карбоксильные группы). В результате ионизации этих функциональных групп частицы пигмента приобретают заряд, и происходит электростатическая стабилизация дисперсии (коллоидного раствора).

   На качество печати влияет большое количество компонентов в составе чернил, которые ухудшает их стабильность. Лучше всего использовать многофункциональные добавки. Так N-метил-2-пирролидон выступает в качестве замедлителя испарения, загустителя, электропроводящей добавки и регулятора поверхностного натяжения. Красители, включающие в свою структуру фрагменты ПАВ и полимерных молекул, дают отпечатки с насыщенными цветами. В чернилах на основе пигмента такие красители могут быть как стабилизаторами  дисперсии, так и увеличивать яркость цветов[2].

    А также  в непрерывной струйной печати используются быстросохнущие чернила на основе метилэтилкетона, этилцеллозольва и спиртов.

1.2 Чернила для импульсной струйной печати

   Импульсная струйная печать использует термоструйную и пьезоструйную технологии. В этих технологиях капля вылетает из сопла за счет механического воздействия на чернила либо расширяющегося газового пузырька, либо волнового импульса от деформации пьезоэлемента. В пьезоструйном эмиттере чернила испытывают только механическое воздействие. В термоструйном эмиттере, где активатором является термоэлемент, чернила около него с большой частотой нагреваются до температуры более 300°C и остывают, меняя свое фазовое состояние. Поэтому в термоструйной печати используются только водные чернила, и большие требования предъявляются к их стабильности при изменении концентрации растворителя. Для пьезоструйной печати можно использовать чернила любой природы. В обоих случаях чернила имеют низкую вязкость. В термоструйной печати она равна 1...3 сПз, а в пьезоструйной вязкость определяется типом чернил, но не превышает 30 сПз[5].

   Рассмотрим требования, предъявляемые к чернилам для импульсной струйной печати:

1. Печатающие головки не должны засоряться ни при работе, ни во время простоя оборудования. Чернила должны быть стабильной системой. В соплах, чернильных камерах и чернильном резервуаре не должны выделяться осадки. Особенно высокие требования к стабильности чернил предъявляются в термоструйной печати, где они подвергаются резким перепадам температуры.
2. Чернила должны хорошо закрепляться на запечатываемом материале и сохранять яркий цвет после полного высыхания. Способ закрепления зависит от типа чернил. Например, водные чернила закрепляются впитыванием в печатный материал с последующим испарением воды из материала, а сольвентные чернила закрепляются за счет испарения растворителя и адгезии полимерного связующего к материалу.
3. Выбор типа чернил определяется назначением отпечатка. Например, для наружной рекламы, где плакаты, афиши и т.п. подвергаются длительному атмосферному воздействию, чернила на водной основе не обеспечивают достаточной для этой цели влагостойкости и светостойкости. Отпечатки надо либо ламинировать, либо использовать чернила на органических растворителях или УФ-чернила[5].

   Современные струйные чернила по типу используемого растворителя можно разделить на чернила водные, сольвентные, чернила на масляной основе и УФ-чернила. По типу красящего вещества различают чернила на красителях и чернила на пигментах.

  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)