Химия чернил для широкоформатной струйной печати

Самой важной составляющей струйной печати являются, наверное, чернила (краски). Химия красок и их составы не только отвечают за качество печатаемого изображения, но они также определяют характеристики инжекции капель и надежность печатающей системы. Для струйных систем разработаны и применяются многие различные типы красок. На рисунке показана технологическая карта применения различных типов струйных красок.

^{Технологическая карта применения струйных красок.}

Водорастворимые, или красок на водной основе обычно используются в домашних струйных принтерах и принтерах для малых офисов, таких как Hewlett-Packard серии DeskJet, Canon серии BJC и Epson серии Stylus Color. В случае применения термоструйных печатающих головок, вода, благодаря основному процессу образованию пузырьков пара, является естественной жидкостью для применения в этом методе. Типовые составы красок для струйной печати на водной основе представлены в Таблице ниже. Вязкость воды на основе струйных чернил в диапазоне изменяется от 2 до 8 спз (сантипуаз – cps).

На рисунке ниже показано поведение капли водорастворимых чернил, когда она падает на поверхность печати без покрытия, такого как высококачественная бумага, бумага для копирования, или обычная бумага. Чернила, как правило, распространяются вдоль волокон бумаги и проникают внутрь. На самом деле механизм высыхания чернил на водной основе зависит, в основном, от проникновения и поглощения. Имеет место частичное испарение воды, но этот механизм сушки зачастую очень длительный. Такие свойства чернил снижают чистоту цвета и разрешение за счет растекания пятна на бумаге. Уже достаточно давно было известно, что бумага или другой носитель с покрытием для водоприемного слоя может значительно улучшить чистоту цвета и разрешение, за счет контроля распространения и проникновения чернил в слое специального покрытия. Тем не менее, только за последние несколько лет рынок бумаги со специальными покрытиями для струйной печати буквально взорвался, особенно в сфере качественного домашнего фото и широкоформатной струйной печати. Наличие в последнее время печатающих головок с технологией высокого разрешения (например, таких как 1440 dpi Epson Stylus Color 800, 1200 x 1200 dpi Lexmark 7000, 10 pL капельный Hewlett-Packard DeskJet 890C), многоуровневыми оттенками всех цветов (например, в фотопринтерах от Epson, Canon, Hewlett-Packard), и многоуровневыми оттенками серого (например, компании Hewlett-Packard DeskJet 720C и 890C), безусловно, положительно сказывается на этой тенденции.

Состав красок на водяной основе для широкоформатной струйной печати

^{Механизм высыхания капли краски на водяной основе на обычной бумаге (1 – задержка всасывания и испарение; 2 – всасывание и испарение; 3 – высыхание).}

Краску, изменяющую свое физическое состояние (фазу) также называют тугоплавкой или твердыми чернилами, и она находится в твердом состоянии при комнатной температуре. Капли краски вылетают из печатающей головки в виде жидкого расплава. После соударения с поверхностью, на которую наносится изображение, расплавленная капля чернил застывает, сразу предотвращая, таким образом, растекание красителя или всасывания в поверхность. Свойство быстрого застывания гарантирует хорошее качество изображения на различных поверхностях, на которые наносится изображение. На рисунке ниже показана фотография капель чернил с изменением фазового состояния при печати на поверхности высокосортной бумаги Xerox 4024, сделанная при помощи электронного микроскопа. Обратите внимание, что капли чернил сохраняют форму полушария, при этом практически не видно растекания чернил даже по грубым волокнам структуры бумаги. В настоящее время фирма Tektronix использует струйную технологию печати с изменением фазового состояния капель в струйном принтере Phaser 300. Однако, на практике, застывшие капли чернил должны быть сплавлены с поверхностью бумаги для увеличения адгезии краски, а так же необходимо предотвратить рассеивание света благодаря эффекту образования линз в форме полушарий в точках падения капель. На следующем рисунке показана сделанная электронно-лучевым микроскопом фотография нескольких капель чернил с фазовым переходом принтера Tektronix Phaser 300 после прохождения валков холодного пресса.

^{Фотография капель чернил с фазовым переходом на поверхности высокосортной бумаги, сделанная при помощи электронного микроскопа.}

^{Фотография капель чернил с фазовым переходом после прохождения валков холодного пресса, сделанная электронным микроскопом.}

Другим успешным методом реализации струйной технологии печати при помощи чернил с фазовым переходом является архитектура с промежуточным носителем, реализованная в принтере Phaser 350 фирмы Tektronix. На рисунке внизу показаны основные элементы цветного струйного принтера Tektronix Phaser 350. В основном, процесс печати начинается с покрытия теплого вращающегося алюминиевого барабана тонкой пленкой силиконового масла. Затем краска наносится на этот промежуточный барабан. Когда напечатано все изображение, оно переводится с барабана на предварительно разогретый носитель (бумагу) методом прессования. При этом очень важно, чтобы барабан нагревался до температуры выше температуры перехода краски в аморфное состояние (т.н. температуры стеклования) и ниже температуры плавления, таким образом, чтобы с материал, изменяющий фазу, был достаточно мягким для сплавления с бумагой при умеренном давлении. Но при этом ещё достаточно твёрдым, для того, чтобы чернила не расплывались на выходе в процессе прессования.

^{Принцип работы цветного струйного принтера Tektronix Phaser 350 с промежуточным барабаном.}

На следующем рисунке показана сделанная электронным микроскопом фотография капли чернил, изменяющих фазовое состояние на алюминиевой поверхности. Далее показана сделанная электронным микроскопом фотография точки краски с фазовым переходом, перенесенной офсетным методом с поверхности алюминиевого барабана на поверхность высокосортной бумаги. Благодаря способности печати изображений с хорошим качеством цветопередачи на различные сорта бумаги, в том числе и обычную бумагу при скорости до 6 стр/мин, принтер Tektronix Phaser 350, использующий чернила с изменением фазового состояния, оказался очень успешным на рынке офисных сетевых принтеров. Другими компаниями, которые активно разрабатывают и реализуют метод струйной печати с использованием чернил с изменяемой фазой, являются компании Spectra и Dataproducts.

^{Фотография капли чернил с изменяющимся фазовым состоянием на поверхности алюминиевой подложки, сделанная электронным микроскопом.}

^{Капля чернил, изменяющих фазовое состояние, перенесенная с барабана на бумагу.}

В Таблице I приведен типичный состав красок с изменением фазового состояния. Рабочая температура для изменения фазового состояния чернила варьируется в диапазоне от 120 до 140C. Вязкость при рабочей температуре составляет от 8 до 15 спз (cps).

Таблица I. Состав чернил с изменением фазового состояния

Краски на основе растворителей обычно используются для промышленной маркировки или для печати на поверхностях непористых материалов, таких как пластик, металл или стекло. Поскольку в этом случае нет всасывания и проникновения в материал, растворитель чернил должен быстро испаряться, чтобы отпечатанное изображение оказалось зафиксированным на подложке.

Другим типом не водорастворимых чернил являются чернила на масляной основе. Этот тип чернил недавно был использован в нескольких широкоформатных струйных принтерах, включая принтер PiezoPrint 5000 фирмы Raster Graphics и Xerox Colorgraf X. Оба эти принтера используют пьезоэлектрические печатающие головки фирмы Nu-Kote, работающие в режиме сдвига. Эти печатающие головки требуют от чернил совместимости с электродом из цирконит-титанида свинца (PZT), из которого изготовлены стенки камеры чернил. Использование неполяризующихся чернил на масляной основе минимизирует влияние электрического поля на чернила в печатающей головке и материалы, из которых изготовлена сама головка. Однако, производитель чернил (фирма Zeneca) для струйной печатающей головки Nu-Kote также утверждает, что по сравнению с красками на водной основе, преимущества красок на масляной основе в том, что они быстрее высыхают и не образуют складок (морщин) на бумажных подложках. Эти утверждения могут быть реализованы при нанесении соответствующего покрытия на поверхность бумаги.

Получить качественное и прочное изображение при помощи струйных красок на водной основе, с изменяемым фазовым состоянием или на масляной основе, как правило, удается только при печати на подложке или бумаге со специальным покрытием. Однако, при печати на материалах с низкой степенью адгезии поверхности, таких как металл, стекло или пластик, описанных выше составов чернил недостаточно, чтобы произвести прочные и четкие изображения. Для решения этой проблемы уже давно обсуждается идея использования системы струйной печати с УФ-отверждаемыми чернилами. Однако, многие факторы (например, возможности струйных печатающих головок, доступность светочувствительных компаундов и низкотоксичных мономеров, а так же потребности рынка), препятствуют прогрессу внедрения метода печати УФ-отверждаемыми красками. Сегодня струйные печатающие головки становятся все более эффективными и доступными; светочувствительные (к УФ излучению) компаунды, мономеры и олигомеры также становятся экономически доступны; а потребности рынка возрастают. Так что можно предполагать успешное развитие струйных приложений с использованием УФ-отверждаемых красок, в ближайшем будущем.

Механизмы сушки для различных струйных чернил систем сведены в Таблицу.

Механизмы высыхания различных красок для струйной печати

Еще одним направлением разработок в струйной печати является успешное промышленное внедрение и выход на рынок чернил на пигментной основе для приложений цветной печати. Многие компании, включая 3M, Dupont и Kodak уже выпустили продукцию, использующую пигментные струйные чернила на рынок. Промышленность работает в направлении улучшения качества цветопередачи, долговечности изображения, и надежности струйных чернил. Кроме того, острая конкуренция на рынке, скорее всего, приведет к значительному удешевлению струйных чернил на пигментной основе.

Одним из наиболее значительных преимуществ красок на пигментной основе, по сравнению с водорастворимыми чернилами, является стойкость цветов при воздействии света (солнечных лучей) и погодных условий. Эта функция, безусловно, важна для таких приложений, как печать рекламных вывесок или других широкоформатных приложений. Однако, по сравнению с растворимыми красителями, струйные чернила на пигментной основе обладают неотъемлемым недостатком нестабильности взвешенных частиц, которая может привести к забиванию форсунок. Хотя химия пигментной дисперсии и процесс изготовления струйных чернил значительно улучшилась в последние несколько лет, в промышленности производства струйного оборудования преобладает тенденция в сторону уменьшения диаметра сопла для более высокого разрешения и увеличения числа струй для увеличения скорости печати. В этом случае вопрос надежности должен быть основной частью процесса принятия решения, когда дело доходит до выбора типа красителя – растворимого или на пигментной основе.

^{Сравнение поведения на поверхности бумаг растворимого красителя и диспергированного пигмента.}

(Вверху – поведение краски с растворимым красителем: слева – сразу после падения капли, слева – после высыхаия. 
Внизу – поведение краски с диспергированным пигментным красящим веществом: слева – после падения капли, справа – после высыхания путем абсорбции носителя поверхностью бумаги.)

^{Фотография среза следа краски на поверхности бумаги, сделанная оптическим микроскопом: краска на пигментной основе (слева) и на основе растворимого красителя (справа).}

Еще одна последняя разработка в области струйной печати применена в струйном принтере Canon BJC-7000. В этом новом принтере реализован новый процесс, называемый оптимизацией печати на обычной бумаге (P-POP). Черная печатающая головка содержит помимо черных чернил грунтующую жидкость, которая наносится на поверхность бумаги за несколько микросекунд до нанесения основного красителя. Грунтующая жидкость прозрачна и, как считается, содержат соединения, которое взаимодействуют с красителем, тем самым мгновенно фиксируя его на поверхности бумаги. Доказано, что этот уникальный подход обеспечивает превосходную водостойкость изображения. Процесс P-POP не только улучшает водостойкость напечатанного изображения, но и удерживает чернила на поверхности бумаги, что дает возможность печатать на обычной бумаге с тем же качеством, как и на бумаге со специальным покрытием. Если такой подход не повлияет каким-либо образом на общую надежность системы, процесс P-POP станет одним значительных технологических прорывов фирмы Canon. Так как технологии развиваются интенсивно, то следует ждать в недалёком будущем улучшения качества широкоформатной печати и повышения надёжности в работе широкоформатных плоттеров.

химия для печати в Алматы

Источник:printwork.ru