Почему говорят, что «чернила DTF без осадка» — это ложный постулат?
В практическом применении белых пигментных чернил DTF утверждение об «отсутствии осадка» считается ложным постулатом. Основная причина заключается в непримиримых противоречиях между физическими свойствами диоксида титана, функциональными требованиями к чернилам и законами материаловедения — осаждение является термодинамически спонтанной тенденцией, а существующие технологии могут только замедлить его, но не устранить полностью. Это можно объяснить в следующих четырех аспектах:
1. Физические свойства диоксида титана определяют, что «осаждение — это спонтанная тенденция»
Диоксид титана (особенно рутиловый тип) имеет плотность около 4,2 г/см³, тогда как система растворителей (вода, спирты и т.д.) белых чернил для термопереноса имеет плотность всего 1–1,2 г/см³, с разницей в плотности более чем в 3 раза между ними. Согласно закону Стокса об осаждении:
Скорость осаждения частиц пропорциональна разности плотностей частиц и растворителя и обратно пропорциональна вязкости растворителя.
Это означает, что частицы диоксида титана в чернилах неизбежно будут иметь тенденцию к осаждению под действием силы тяжести. Пока существует разница в плотности, невозможно полностью компенсировать эту термодинамически спонтанную тенденцию осаждения с помощью материалов. Даже если частицы диспергированы до наномасштаба (например, ниже 100 нм) с помощью диспергаторов для улучшения краткосрочной стабильности, длительное стояние (более одного месяца) все равно приведет к постепенному оседанию частиц из-за «ослабленного броуновского движения и медленной агломерации», что приводит к необратимому осаждению. Это лишь вопрос времени.
2. Существует естественное противоречие между требованиями «текучести» и «антиосаждения» чернил
Белые чернила для термопереноса должны соответствовать требованию печатной текучести: диаметр сопла обычно составляет 20–50 мкм, поэтому вязкость чернил не должна быть слишком высокой (как правило, 10–30 мПа·с для водных систем и 5–15 мПа·с для масляных систем); в противном случае это забьет сопло или вызовет неравномерное выбрызгивание.
Однако «антиосаждение» требует высокой вязкости или сильной структурной поддержки (например, тиксотропных систем), и высокая вязкость напрямую конфликтует с печатной текучестью:
- Если значительно увеличить вязкость для предотвращения осаждения (например, превысив 50 мПа·с), чернила не могут быть плавно выброшены через сопло, теряя свою печатную функцию;
- Если полагаться только на заряд или стерическое отталкивание диспергаторов, хотя и можно поддерживать низкую вязкость, частицы все равно будут медленно оседать из-за разницы в плотности, особенно в состоянии покоя, поскольку отсутствует сдвиговое усилие для разрушения агломерации.
Это «противоречие функциональных требований» определяет, что чернила должны идти на компромисс между «печатаемостью» и «антиосаждением». Невозможно добиться абсолютного отсутствия осадка в ущерб печатным характеристикам, поэтому осаждение можно только отсрочить, а не устранить.
3. Роль добавок заключается в «задержке», а не «устранении», с присущими ограничениями
Основная функция существующих антиосадочных материалов (диспергаторов, суспендирующих агентов и т.д.) — продлить цикл осаждения, но они не могут преодолеть физические законы:
1. Ограниченная адсорбционная стабильность диспергаторов: Диспергаторы адсорбируются на поверхности диоксида титана посредством физической адсорбции (редко химической). Если система чернил изменяется (например, колебания pH, повышение температуры или испарение растворителя), диспергаторы могут десорбироваться. Например:
- В средах с низкой температурой молекулярные цепи диспергаторов сворачиваются, ослабляя стерическое отталкивание и делая частицы склонными к агломерации;
- После длительного хранения некоторые диспергаторы могут подвергаться «конкурентной адсорбции» примесями на поверхности диоксида титана (такими как ионы железа, кальция и магния), теряя свое диспергирующее действие.
2. Структурная поддержка суспендирующих агентов со временем ослабевает: Тиксотропные сети, образованные ксантановой камедью, пирогенной кремнеземной кислотой и т.д., после длительного стояния или повторяющихся циклов замораживания-оттаивания будут иметь постепенно ослабленные водородные связи или межчастичные силы, снижая прочность сетчатой структуры. В результате «связывающая сила» для диоксида титана ослабевает, что в конечном итоге приводит к осаждению.
3. Высокое содержание диоксида титана усиливает нестабильность: Для обеспечения укрывистости белые чернила для термопереноса обычно содержат 20–40 % диоксида титана, что намного выше, чем в обычных чернилах (5–15 %). В высококонцентрированных системах частиц расстояние между частицами короче, вероятность столкновения выше, и риск агломерации со временем возрастает экспоненциально. Даже при идеальной начальной дисперсии локальная агломерация и осаждение неизбежны через несколько месяцев.
4. Сложность практических сценариев применения ускоряет неизбежность осаждения
Существует множество переменных в условиях хранения, транспортировки и использования белых чернил для термопереноса, что еще больше усиливает неизбежность осаждения:
Колебания температуры: Высокие температуры летом (выше 30°C) ускоряют испарение растворителя и старение диспергатора; низкие температуры зимой (ниже 0°C) могут вызвать замерзание и расслоение суспендирующих агентов, разрушая стабильность системы;
Механическая вибрация: Толчки во время транспортировки могут вызвать агломерацию частиц диоксида титана под действием сдвиговой силы, делая их более склонными к осаждению после покоя;
Открытое использование: При печати чернила подвергаются воздействию воздуха, и испарение растворителя увеличивает концентрацию диоксида титана, повышая риск агломерации.
Эти неконтролируемые факторы в практических сценариях делают «абсолютное отсутствие осадка» полностью недостижимым в промышленных применениях. Даже если в краткосрочной перспективе в лабораторных условиях осадка нет, в реальном обращении осаждение неизбежно произойдет.
Заключение: «Без осадка» нарушает законы материаловедения и является идеализированным заблуждением
«Отсутствие осадка» у белых чернил для термопереноса по сути является идеализированной целью, нарушающей законы термодинамики и гидромеханики. Разница плотностей между диоксидом титана и растворителями, требования к печатной текучести чернил и ограничения добавок совместно определяют, что осаждение — это «неизбежная тенденция». Существующие технологии могут только продлить цикл осаждения, чтобы удовлетворить практические потребности (например, отсутствие видимого осадка в течение 1–3 месяцев, который можно восстановить встряхиванием перед использованием).
Следовательно, белые чернила для термопереноса, заявляющие об «отсутствии осадка», либо игнорируют реальный сценарий длительного хранения, либо жертвуют печатными характеристиками (например, сверхвысокая вязкость, делающая их непригодными), и проблемы неизбежно проявятся в применении.