Достать чернил

Чернила – это в первую очередь пигмент и основа. Но состав современных чернил для принтеров намного сложнее. Сложная композиция делает современные чернила невероятно стойкими – напечатанные ими документы могут храниться десятилетиями. Они легко пристают к бумаге, не дают клякс и полос, не выцветают на солнце, не засыхают и не слеживаются, даже если картридж не используется месяцами, и не склеивают подвижные детали принтеров. Как чернила стали такими – разбираемся в партнерском материале с HP.

Древность и Средние века. Все натуральное

Люди пользуются чернилами уже как минимум 7 тысяч лет, а может, и больше. К числу первых сообществ, достоверно использовавших чернила для письма, относятся древние царства Египта и Китая: там чернилами начали пользоваться уже в 4-5 тысячелетии до нашей эры.

И китайские, и египетские чернила хранили в виде твердых стиков и размешивали в воде непосредственно перед использованием. Черный цвет давала сажа (от жженого дерева или кости), красный – охра. Известны египетские рецепты: жидкую основу делали из воды с добавлением гуммиарабика (смолы акаций или вишни), растительных масел и уксуса.

У Плиния-старшего мы находим больше десятка рецептов чернил, в том числе невидимых – из сока молочая. Плиний знал и рецепт железисто-галловых чернил. В основе этого рецепта – любопытный естественный продукт, а именно дубовые галлы. Часто их называют орешками, но галлы – это не орехи, а образования на дубовых листьях, в которых растут личинки гусениц-орехотворок.

В дубовых галлах много танинов, которые в реакции с солями железа образуют окрашенные в темный цвет комплексные соли – пигмент старинных чернил. Чернильные орешки выдерживали в уксусе, а затем засыпали железными опилками, ржавчиной или железным купоросом; с некоторыми нюансами эта технология получения чернил просуществовала до XIX века.

В средней полосе России дубовые орешки достать труднее, чем в Европе, поэтому железистые чернила часто делали на основе других богатых танинами продуктов – в основном дубовой или ольховой коры. Использовались и чернила, по древнему рецепту замешанные на воде, с сажей и камедью.

Составители берестяных новгородских грамот почти не пользовались чернилами – они просто царапали на бересте металлическим писалом. Археологи нашли всего несколько, предположительно, чернильных грамот; анализ показал, что на них писали сажевыми чернилами (но это неточно).

Начало книгопечатания. Чернила Гутенберга

Первый книгопечатник Иоганн Гутенберг изобрел не только печатный станок, но и чернила для него – и к задаче, судя по всему, подошел так же, как подошел бы современный химик-технолог. Гутенберг определил свойства нужных чернил: они должны были быть достаточно густыми и вязкими, чтобы не стекать с металлических литер.

Для этого подходили саженные краски на масляной основе, которые в начале XV века уже использовали граверы. Чернила Гутенберга в целом повторяли состав краски для гравюр. Черный пигмент в таких чернилах – это графит; под микроскопом можно увидеть его крупные блестящие частички.

Но четкость и яркость текста гутенберговских книг объясняются не только качеством пигмента. Как показал проведенный в восьмидесятые годы анализ, первопечатник добавлял в свой состав соединения олова и меди – вероятно, именно они сделали шрифт четче, долговечнее и ярче.

XV-XVII века. Развитие чернильной промышленности

Следом за Гутенбергом печатники начали экспериментировать с составом чернил, и к XVII-XVIII векам их производство превратилось в развитый и широко описанный раздел химической технологии. В чернилах использовались растительные масла (льняное, ореховое и другие) и канифоль (выделенное из смолы хвойных вещество). Типографы много экспериментировали с присадками: так, добавление скипидара в масло оказалось хорошим способом повысить клейкость чернил, а мыло помогало чернилам отставать от металлических литер.

В общих чертах процесс приготовления чернил выглядел так: в металлический котел наливали масло и долго грели его на огне – до тех пор, пока масло не становилось липким. Затем в горячее или охлажденное масло добавляли присадки. Так получалась масляная основа. Пигмент готовили отдельно. Черноту давала сажа, жженое дерево и кость; чернила других цветов получали, добавляя к основе минеральные и органические красители.

Самым популярным красным пигментом был кармин – краситель, который получали, обрабатывая массу кошенильного червеца. Оттенки оранжевого давала сиена – природный минеральный краситель, состоящий в основном из оксидов железа. За синий цвет отвечал краситель индиго, который до XIX века получали из растительного сырья, а позднее – берлинская лазурь, полученная в XVIII веке немецкими химиками. Сложные цвета получали, смешивая красители – так, смесь кошенили и берлинской лазури давала фиолетовый.

Технологии чернильного производства Нового времени касались только типографских красок; документы по-прежнему писали железистыми или сажевыми чернилами. Однако знания и технологии, накопленные типографами, пригодились в XIX и даже XX веке – для создания чернил для новых печатных устройств.

XIX век. Первая синтетика

В XIX веке в производстве красителей произошла технологическая революция. На основе выделенного из каменного угля вещества анилина химики научились делать красители, не уступавшие в яркости натуральным – они получили общее название анилиновых. Вы наверняка знакомы по крайней мере с одним из них – бриллиантовым зеленым, а в быту – просто зеленкой. Врачам и биологам хорошо знаком другой анилиновый краситель, метиловый фиолетовый – с его помощью исследуют бактерии.

В 1848 году академик Зинин нашел способ получения анилина, пригодный для промышленного использования; вскоре анилиновые краски захватили рынок. Яркие, а главное – дешевые красители вытеснили дорогую кошениль, индиго и другие естественные пигменты. Революция затронула и чернильную индустрию.

У анилиновых чернил были и достоинства, и недостатки. Они были дешевы, выпускались в широком ассортименте цветов, легко стекали с пера, в отличие от кислых железистых чернил не вызывали коррозии пера и хорошо хранились в упаковке.

Но на бумаге они вели себя не слишком хорошо: расплывались кляксами при увлажнении и быстро выцветали. Поэтому до середины прошлого столетия они конкурировали с традиционными железисто-галловыми и им подобными (в СССР, например, выпускались железистые чернила на соке коры кампешевого дерева).

XX век – век печатной машинки

Создателям печатных машинок пришлось решать задачи, схожие с теми, что стояли перед Гутенбергом и его последователями – в том числе и в вопросах композиции чернил. Или, вернее сказать, красящего напыления на ленте печатной машинки.

Напыление на лентах (сначала целлулоидных, позднее нейлоновых) должно было соответствовать ряду требований. Оно

• не должно было осыпаться с ленты,
• должно было легко переходить на бумагу при ударе литеры,
• не должно было прилипать к литере и менять ее геометрию,
• не должно было делать ленту хрупкой или разрушать ее,
• должно было быстро высыхать на бумаге.

Кроме того, пигмент должен был хорошо прикрепляться к бумаге, не рассыпаться, не расплываться от влаги и подолгу сохранять цвет. Выполнение этих требований зависело от трех главных компонентов – основы, чернил и присадок.

На роль черного пигмента иногда выбирали и анилиновый краситель нигрозин, каменноугольную смолу и даже старые-добрые галловые пигменты. Но лучше всего подошли аналоги древнейшего черного пигмента – сажи. Цветные красители использовали и природные минеральные, и анилиновые.

Основа была, как правило, масляная. В ее состав входили – всегда в сложных комбинациях – глицерин, растительные масла (в частности, касторовое масло), иногда даже китовый жир. В качестве пластификаторов (присадок для повышения эластичности) использовали высокомолекулярные спирты и смеси органических фосфатов; в некоторых формулах можно было встретить соли алюминия. Вместе с глицерином они составляли защиту от высыхания: алюминиевые соли привлекали и удерживали воздушную влагу, а глицерин предотвращал испарение.

Современные чернила для принтеров: сложная задача и сложный состав

Краски для современной оргтехники устроены гораздо сложнее, чем старинные сажевые и железистые чернила, типографские краски и напыление лент печатных машинок. И требования к ним гораздо серьезнее. Чернила для струйных принтеров должны давать четкий отпечаток, быстро впитываться в бумагу, не склеивать подвижные детали принтера и не расслаиваться при хранении. Порошковые тонеры лазерных принтеров должны состоять из частиц строго определенного размера и формы, проявлять заданные магнитные свойства, легко ссыпаться с барабана, чтобы не оставлять полос, не слеживаться в картридже.

Производители не раскрывают состав своих чернил, но мы можем выделить несколько категорий веществ, которые обязательно входят в формулу.

Чернила для струйных принтеров состоят из основы пигмента и присадок. В качестве основы используется вода или другой растворитель; растворяющую способность обычно усиливают с помощью экстрагентов. За то, чтобы чернила не липли к печатающей головке, отвечает целый набор поверхностно-активных веществ; в некотором смысле их можно считать новыми, технологичными аналогами мыла, которое добавляли в типографские краски печатники Нового времени.

Для чернил, которые хранятся в герметичном картридже, очень важно постоянство состава, поэтому в формулу вводят консерванты, вещества, предотвращающие расслоение, и биоциды – для защиты от микробиологического заражения. А за качество печати отвечают регуляторы кислотности, вязкости, поверхностного натяжения и антистатики.

Точно соблюсти такой сложный состав можно не на всяком производстве. Поэтому производители оригинальных картриджей так настойчиво напоминают покупателям: используя подделки или картриджи «неродных» брендов, вы рискуете испортить или свои документы, или принтер.

Тонер для лазерных принтеров представляют собой мелкодисперсные порошки из довольно сложно устроенных гранул. Ядро каждой гранулы состоит из парафина – при нагревании он плавится смазывает бумагу, чтобы та лучше проходила вдоль механизма принтера. Полимерная оболочка гранулы служит основой, на которую «садятся» полезные частицы, в том числе пигмент. Любопытно, что в качестве черного пигмента до сих пор используются аналоги сажи – графит высокого качества. Ничего более черного, стойкого и одновременно дешевого человечество пока не придумало.

Для того, чтобы переносить частицы тонера с барабана принтера на бумагу, используется магнитный механизм. Поэтому в состав тонера входят частицы оксида железа, которые сообщают ему нужные магнитные свойства. Отдельный класс компонентов, модификаторы, отвечают за постоянную температуру плавления тонера; если модификаторы в тонере не те или не в том количестве, печать будет некачественной.

Путь усложнения

Самые простые чернила можно сделать «на коленке», размешав в воде толченый уголек. Если очень постараться, то можно в домашней лаборатории повторить формулу Гутенберга или даже получить, например, берлинскую лазурь. А вот чернила для принтера приготовить самостоятельно не получится. Никто, кроме технологов фирм-производителей, не знает наверняка, что нужно смешать и в какой последовательности.

Даже совсем не кустарным, а вполне промышленным производствам бывает трудно выдать правильный продукт. Тайной формулой чернил для каждой модели принтера владеет, как правило, только производитель; у него же есть мощности для точного соблюдения технологии и контроля качества. У компаний поменьше нет ни того, ни другого. Поэтому попытки создать «совместимые» чернила или тонеры (и картриджи к ним) часто заканчиваются неудачей.