انسان ها از سال ها پیش در پی یافتن وسیله ای برای ثبت وقایع و برقراری ارتباط با یکدیگر در فواصل دور و یا نسل های آینده بوده اند. در ابتدا نقاشی های حک شده بر تنه ی تخته سنگ ها، زبان ارتباط بشر بود و پس از آن با اختراع خط، نوشته ها جایگزین نقاشی ها شدند. پس از آن انسان کمال طلب توانست به کاغذ دست یابد و به دنبال آن در پی جوهری برای ثبت نوشته بر کاغذ بود. آن ها در ابتدا از خون حیوانات، جوهره ی سبزیجات، آب میوه ها، خاکستر چوب، صمغ درختان، چربی حیوانات، ترشحات جوهر گونه بدن هشت پا، خاک سیاه یا قرمز و … استفاده می کردند.

اولین تلاش ها برای تهیه ی جوهر توسط مصری ها حدود ۴۵۰۰ سال پیش صورت گرفت و پس از آن چینی ها حدود ۲۵۰۰ سال قبل از میلاد موفق به تولید نخستین جوهر به وسیله ی دوده های سیاه رنگ حاصل از سوختن چربی ها، صمغ ها و ترکیبات نفتی (lampblack) شدند.

از این جوهرها جهت ثبت نوشته های دستی استفاده می شد. پس از آن در قرن ۱۵ با اختراع نخستین ماشین چاپ توسط گوتنبرگ در اروپا جوهرهای قبلی ناکارآمد واقع شدند. خشک شدن سریع جوهرهای نوشتاری، و نچسبیدن آن ها بر روی سطوح سربی از معایب آن دسته از جوهرها به شمار می رفت. اطلاعات دقیقی از فرمولاسیون جوهر گوتنبرگ در دسترس نیست و به گفته محققان وی از ترکیبات نفتی و یا روغن های گیاهی در جوهر چاپ خود استفاده کرده است.

به طور معمول جوهر با عنوان ترکیب مایعی از رنگ دانه ها و رنگ هایی که برای چاپ و نوشتن مورد استفاده قرار می گیرند تعریف می شود. خواص جوهرها بنابه میزان ضخامت، رنگ، جریان پذیری و ماندگاری می توانند بسیار متفاوت باشند. اما به طور کلی جوهرها از سه دسته ی اصلی مواد شیمیایی شامل رنگ کننده ها(colorants)، لاک ها (varnishes) (نقش واسطه داشته و موجب توزیع رنگ می شوند.) و افزودنی ها (additives) (به منظور تغییر خواصی مانند ضخامت، ویسکوزیته و توزیع پذیری افزوده می شوند) تشکیل شده اند.

ترکیبات سازنده جوهرها؛

۱) رنگ کننده ها :

مشهود ترین جز سازنده جوهرها، رنگ ها هستند. در بسیاری از موارد فارق از کیفیت و کاربرد، رنگ ها بر اساس رنگ از نظر مصرف کننده فیلتر می شوند. با اینکه برخی از افزودنی ها و لاک ها می توانند بر خواص فیزیکی و ظاهری جوهر مانند میزان کدورت و شفافیت آن تاثیر بگذارند، رنگ کننده ها همان موادی هستند که رنگ ها را قابل مشاهده می سازند.

در ابتدا مهم است بدانیم که چگونه رنگ ها در سطح شیمیایی قابل مشاهده می شوند. هنگامی که ما رنگ ها را مشاهده می کنیم، در واقع بازتاب رنگ در یک طول موج خاص را میبینیم. هرچه انرژی نور بیشتر باشد، طول موج آن کوتاه تر است. بنابراین هنگامی که اتم ها انرژی جذب و یا آزاد می کنند، این فرآیند می تواند به صورت نور با طول موج های مجزا مشاهده شود.

در شکل روبرو طیف های مختلفی از نور که در طول موج های مختلف قابل انتشار هستند، نشان داده شده است. در این شکل طول موج های مختلف از طیف نورهای مرئی نیز قابل مشاهده هستند.

به طور کلی مواد فاقد رنگ هستند و آنچه ما مشاهده می کنیم نتیجه ی بازتاب یا دریافت نور توسط اجسام است. رنگ هایی که در یک جسم مشاهده می کنیم، با طول موج های منعکس شده از آن مطابقت دارند. علت تیره دیده شدن اجسام مشکی، عدم بازتاب، و جذب تمام طول موج هاست. وقتی ما رنگ خاصی از جوهر را مشاهده می کنیم، به علت منعکس شدن طول موج خاصی از نور مطابق با طول موج و رنگی از میان طیف مرئی است. در تصویر روبرو مقایسه میان جذب و بازتاب نور در جسم سیاه و اجسام کدر یا شفاف قابل مشاهده است.

جدول زیر رنگ های جذب شده و مشاهده شده در طول موج های مختلف را در طیف مرئی نشان می دهد:

۱) رنگ ها و رنگ دانه ها :

ترکیبات شیمیایی که این ویژگی بازتاب رنگ را به جوهرها می بخشند؛ در دو گروه رنگ و رنگ دانه طبقه بندی می شوند. تمایز اصلی این دو گروه، در طریقه و میزان انحلال پذیری آن ها است. عموما رنگ ها ترکیباتی انحلال پذیر هستند در حالی که رنگ دانه ها به صورت ذراتی پراکنده درون لاک ها و یا هر محیط دیگری قرار می گیرند. به عنوان مثال می توان احلال پذیری شکر در آب را مشابه انحلال پذیری رنگ و نامحلول بودن شن و ماسه در آب و توزیع پذیری آن ها در محلول را مانند رنگ دانه ها دانست. رنگ دانه ها عموما زنجیره های طولانی تری داشته و از دیدگاه شیمیایی پیچیده تر هستند. رنگ دانه ها ترکیبی از هزاران مولکول هستند و از رنگ ها بسیار درشت ترند ولی رنگ ها عموما ابعادی کوچکتر از ۱۰۰ نانومتر دارند. همین امر موجب انحلال پذیری دشوار آن ها می شود. از مزایای این درشت مولکول ها ثبات بیشتر، مقاومت بیشتر در برابر نور و تاثیر پذیری اندک در برابر عوامل محیطی است.

در تصویر روبرو در ظرف سمت چپ، اجزای جوهر پیش از مخلوط شدن نشان داده شده اند؛ و تصویر سمت راست مقایسه ی میزان انحلال پذیری و توزیع پذیری رنگ ها و رنگ دانه هاست.

علاوه بر این همان طور که در تصویر زیر می بینید، رنگ ها نسبت به رنگ دانه ها روشن تر و براق تر بوده، ولی ماندگاری کمتری دارند و سریع تر محو می شوند.

مقایسه ی ماندگاری جوهرهای حاصل از رنگ و جوهرهای حاصل از رنگ دانه

مقایسه ی براقیت جوهرهای حاصل از رنگ و جوهرهای حاصل از رنگ دانه

جوهرهای رنگ عموما برای چاپ محصولاتی که در فضای باز قرار نداشته، روزانه در معرض نور مستقیم خورشید قرار ندارند و در کمتر از یک سال مصرف می شوند، استفاده می گردد. جوهرهای رنگ دانه مقاومت بیشتری در برابر اشعه UV داشته بنابراین برای چاپ محصولاتی که سال ها در خانه استفاده شده و یا نهایتا دو سال در فضای باز قرار دارند، گزینه ی مناسبی هستند.

جوهرهای حاصل از رنگ نسبت به آب و رطوبت حساس تر بوده و در برابر گازهای محیطی مانند ازن آسیب پذیر تر هستند. به همین دلیل عموما سطح کاغذهایی که به وسیله ی این جوهرها چاپ شده اند با استفاده از یک برچسب پوشانده می شود و تا زمانی که به وسیله ی شی خراشیده نشوند و یا با چیزی اصطکاک پیدا نکنند، ضد آب هستند.

طریقه ی بازتاب نور نیز در رنگ ها و رنگ دانه ها متفاوت است. در رنگ ها تنها ساختار شیمیایی تاثیر گذار بوده در حالی که در رنگ دانه ها خصوصیات فیزیکی نیز در بازتاب نور موثر هستند. در حقیقت رنگ دانه ها از طریق جذب انتخابی یا پراکندگی نور(scattering light)، رنگ ها را بازتاب می کنند در صورتی که رنگ ها به میزان بسیار ناچیزی نور را پراکنده کرده و تصاویر اشباع تر و پررنگ تری ارائه می دهند. علت پراکندگی نور توسط رنگ دانه ها، سطح بسیار ناهموار جوهرهای حاوی رنگ دانه، پس از خشک شدن است. در تصویر روبرو تفاوت بازتاب نور در یک جوهر حاصل از رنگ دانه و یک جوهر حاصل از رنگ مشهود است.

با این حال، پیشرفت های اخیر در تکنولوژی آماده سازی رنگ دانه ها، باعث بهبود کیفیت رنگ ها از طریق آسیاب کردن رنگدانه ها و کوچکتر کردن ابعاد آن ها و همچنین از طریق استفاده از رزین ها به عنوان پوشش دهنده به منظور بهبود کیفیت سطح رنگ و صیقلی کردن سطح ناهموار شده است.

ماهیت مقاومت آن ها در برابر انحلال پذیری، موجب افزایش مقاومت آن ها در برابر گرما نیز شده است و همین امر موجب شده تا در مصارف صنعتی کاربرد بیشتری داشته باشند. در جدول زیر ساختار یک رنگ و یک رنگدانه با یکدیگر مقایسه شده اند :

در حالی که رنگ دانه ها در انواع مختلفی از لاک ها توزیع پذیر هستند، رنگ ها تنها در حلال هایی که با آن ها دارای مشابهت و سازگاری هستند، انحلال پذیرند. به طور مثال رنگ های قطبی تنها در حلال های قطبی و رنگ های ناقطبی تنها در حلال های ناقطبی انحلال پذیر هستند.

کروموفورها* :

*Chromophores : بخشی از مولکول است که موجب بروز رنگ در آن می شود. کروموفور در واقع ناحیه‌ای از مولکول است که در آن اختلاف تراز انرژی دو اوربیتال ملکولی در محدودهٔ انرژی طیف مرئی قرار می‌گیرد. نور در اثر برخورد به مولکول می‌تواند توسط الکترون جذب شده و باعث برانگیختگی آن از حالت پایه به حالت برانگیخته شود.

خاصیت جذب رنگ، رنگ دانه ها و رنگ ها ناشی از گروه شیمیایی به نام کروموفورهاست. خاصیت شیمیایی رنگ پذیری وابسته به مکان قرار گرفتن کروموفور در مولکول است. اگر کروموفورها طول موج های مابین ۸۰۰ -۴۰۰ نانومتر را در محدوده ی مرئی جذب کنند، موجب بروز رنگ می شوند. گروه های کروموفوریک شامل پیوندهای دوگانه ی کربن با کربن ( C=C )، پیوند دوگانه ی کربن با اکسیژن (C=O )، پیوند دوگانه ی نیتروژن با نیتروژن (N=N  ) و نیتروژن دی اکسید (NO₂ ) هستند. هنگامی که الکترون های این گروه ها به سطح انرژی بالاتر برانگیخته شده و دوباره به حالت پایه باز می گردند، انرژی آزاد و یا جذب می کنند. در صورت پیوند اتم ها با یکدیگر، سطح انرژی آن ها بیشتر و پیچیده تر می شود. در واقع، الکترون ها از بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده به پایین ترین  اوربیتال مولکولی خالی می روند. اختلاف انرژی بین این دو تراز تعیین کننده ی رنگ بازتاب شده است.

با توجه به این مفاهیم شیمیایی، رنگ کننده ها باید دارای اجزا و ویژگی های خاصی برای بروز رنگ باشند که در زیر به برخی از آن ها اشاره می کنیم:

۱- جذب نور در طیف مرئی

۲- دارای کروموفر

۳- پیوند دوگانه داشته باشد

۳) لاک ها (Varnishes):

لاک مایع شفاف و بی رنگی است که ستون فقرات و پایه ی هر جوهری می باشد. چرا که آن ها وظیفه ی حمل رنگ دانه ها و تامین خواص لازم برای چاپ به وسیله ی چاپگر را به عهده دارند. سه کار برد اصلی لاک ها شامل :

۱- انحلال رنگ

۲- کمک به انتقال جوهر از دستگاه یا خودکار به کاغذ

۳- اتصال جوهر به کاغذ و جلوگیری از فرسایش آن

لاک ها ترکیبی از سه جز حلال، رزین و افزودنی ( اجزای خشک کننده در دمای بالا) هستند. در ادامه به شرح هریک از اجزای سازنده ی لاک می پردازیم.

• اجزای خشک کننده (Drying Component):

جوهر ها در فاز مایع بوده و پس از چاپ به سرعت خشک شده و به عبارتی جامد می شوند. خشک شدن جوهر از سه روش جذب (Absorption drying)، تبخیر (evaporation drying) و اکسید شدن (oxidation drying) امکان پذیر است. در فرآیند جذب، جوهر در میان فیبرها طبق قانون مویینگی نفوذ کرده و به وسیله ی فیبرها جذب می شود. در فرآیند اکسیداسیون، اکسیژن اتمسفر طی یک واکنش شیمیایی با ماده ترکیب شده و باعث تغییر فاز آن از مایع به جامد می شود. این فرآیند بسیار آهسته بوده به همین دلیل عموما یک جز مایع که توانایی جداشدن از ترکیب را دارا بوده به فرمولاسیون اضافه می کنند. این ماده پس از جداشدن از مابقی جوهر، به وسیله ی کاغذ جذب شده و تنها یک فیلم از جوهر بر روی سطح باقی می ماند. سپس با انجام فرآیند اکسیداسیون، فیلم مایع سخت و سفت می شود.

برخی از جوهرها طی فرآیند تبخیر حلال فرار و باقی ماندن رزین جهت اتصال رنگدانه به کاغذ خشک می شوند. نرخ تبخیر وابسته به میزان سازگاری حلال با رزین است. هرچه میل رزین برای ترکیب با مواد بیشتر باشد، نرخ تبخیر کندتر می شود. در برخی از جوهرها از اشعه ماوراء بنفش (UV radiation) به عنوان عامل گرمایش (heating agent) در فرآیند اکسیداسیون استفاده می شود. واکنش های فتوشیمیایی(photochemical reactions)دیگری نیز برای خشک کردن جوهر وجود دارند که اکثر آن ها با مکانیسم ماوراء بنفش خشک می شوند. اشعه ی UV به نفوذ لاک ها کمک کرده و سرعت اکسیداسیون خود به خودی (autoxidation) را افزایش می دهد.

• • • رزین ها (Resins):

     

رزین ها ترکیبات آلی پیچیده با جرم مولکولی بالا هستند. رزین ها سفت، بی رنگ، انحلال پذیر در حلال ها و به فرم فیلم هستند. ویسکوزیته ی لاک ها بسته به میزان رزین به کار رفته در آن ها متفاوت است. رزین ها با نفوذ در بستر موجب کاهش نفوذ جوهر و افزایش میزان براقیت آن می شوند. براقیت جوهر میزان توانایی آن در بازتاب نور و وابسته به سطح مقطع آن است. چرا که جوهر یک فیلم صیقلی بر روی سطح تشکیل داده و بی نظمی ها و ناهمواری ها را می پوشاند. درجه ی این درخشندگی وابسته به ماهیت رنگ کننده، اندازه ذرات آن، شکل و مشخصات سطح، میزان رزین و توانایی آن در تشکیل یک فیلم منسجم و پیوسته وابسته است. به طور کلی هرچه رزین بیشتری در ارتباط با رنگ وجود داشته باشد، میزان براقیت بیشتر است. به عبارتی دیگر، هرچه میزان توزیع پذیری رنگ در رزین بهتر و بیشتر باشد، میزان درخشندگی نیز بیشتر است.

طیف گسترده ای از رزین ها برای اصلاح لاک ها به منظور تغییر خواص مورد نظر استفاده می شوند. برخی از رزین های مورد استفاده در جوهر شامل رزین های آکریلیک(acrylic resins) رزین های وینیلی(vinyl resins)و رزین های محلول در هیدروکربن (hydrocarbon-soluble resins) هستند. رزین های آکریلیک نقطه ی نرم شوندگی* پایینی دارند، رزین های وینیلی براقیت، جریان پذیری و مقاومت گرمایی اندکی به جوهر می دهند و رزین های محلول در هیدروکربن ویسکوزیته لاک را کاهش می دهند.

*softening points : دمایی است که در آن طول یک فیبر شیشه‌ای با قطر یکنواخت در اثر وزن خودش با سرعتی مشخص افزایش می‌یابد. ویسکوزیته در نقطه ی نرم‌شوندگی به چگالی و کشش سطحی شیشه وابسته است.

• • • حلال ها (Solvent):

     

حلال ها در جوهر عناصر موقتی هستند که به عنوان یک ابزار برای به کارگیری لاک ها بر روی بستر در حین فرآیند چاپ استفاده می شوند. در آخر حلال طی فرآیند تبخیر یا جذب از میان مواد اولیه حذف می شود. انتخاب حلال در جوهر وابسته به رزین انتخابی، سرعت پرس (press speed) ماهیت طراحی، بستر، خواص خروجی نهایی، ملاحظات ایمنی و سلامتی است. در میان این موارد، ماهیت شیمیایی رزین مهم ترین فاکتور در انتخاب حلال شمرده می شود. هرچه میزان رزین ترکیبی با حلال بیشتر باشد، ویسکوزیته بیشتر کاهش می یابد. با در نظر گرفتن پارامترهای انحلال پذیری و بررسی امکان سنجی پیوند هیدروژنی می توان حلال مورد نیاز را پیش بینی کرد. همان طور که در بخش قبل ذکر شد، انتخاب حلال می تواند فاکتوری تاثیر گذار بر درخشندگی محصول باشد چرا که بر توزیع پذیری رنگدانه و ویسکوزیته ی چاپ اثر می گذارد. چنانچه حلال به درستی انتخاب نشود، جوهر درخشندگی و جریان پذیری مناسب را نخواهد داشت. در جدول زیر برخی از حلال های مناسب جوهر به همراه خواصشان آورده شده اند :