ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ

Στην προσπάθειά του να αποτυπώσει χαρακτήρες ή εικόνες πάνω στις διάφορες επιφάνειες γραφής, ο άνθρωπος χρησιμοποίησε διάφορες χρωστικές ουσίες, στην αρχή κάρβουνο, γραφίτη, ορυκτές ενώσεις μολύβδου και τελικά το μελάνι. Η επινόηση του μελανιού αποδίδεται στους Κινέζους γύρω στο 2.700 π.Χ., οπότε παρασκευάστηκε η“σινική μελάνη”(IndiaήChina ink), η οποία χρησιμοποιήθηκε για τη μελάνωση πέτρινων ιερογλυφικών επιγραφών. Το μελάνι αυτό ήταν μίγμα αιθάλης (από την καύση ξύλου πεύκου ή λυχναρέλαιου) και ζελατίνης από δέρμα όνου, ενώ γινόταν προσθήκη αρώματος μόσχου (musk) για τη διόρθωση της οσμής του ελαίου. Η χρήση της σινικής μελάνης ήταν ευρεία μετά το 1200 π.Χ., σε ορισμένες μάλιστα περιπτώσεις χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα. Η σινική μελάνη ανήκει σταμελάνια αιθάλης(carboninks)...........

Οι αρχαίοι Έλληνες ονόμαζαν το μελάνι “έγκαυστον” και είχε δημιουργηθεί ιδιαίτερη τέχνη παρασκευής του, η “εγκαυστική”. Η λατινική ονομασία του “έγκαυστον” ήταν “incanstum” και από αυτήν προήλθε η αγγλική λέξη “ink” που σημαίνει μελάνι. Τα μελάνια αιθάλης δεν διεισδύουν στο χαρτί αλλά συγκρατούνται στην επιφάνειά του με τη βοήθεια του λεπτού υμένα της ξηραινόμενης κολλώδους ουσίας που περιέχουν...... Με την πάροδο των χρόνων η σύσταση των μελανιών αιθάλης διαφοροποιήθηκε. Παράγονταν όχι από καπνιά, αλλά από μαύρο άνθρακα (carbonblack), το προϊόν δηλαδή της ατελούς καύσης του φυσικού αερίου. Αντί για κόλλα από δέρματα ζώων χρησιμοποιήθηκε σελλάκη (shellac, γομαλάκα) σε διάλυμα βόρακα, στο οποίο προστίθεται και αμμωνία.

Διάφοροι λαοί παρασκεύαζαν μελάνια χρησιμοποιώντας φυσικές χρωστικές ουσίες από φυτά, καρπούς, ορυκτά, αλλά και το μελανό υγρό που εκκρίνουν διάφορα κεφαλόποδα (σουπιές, καλαμάρια, χταπόδια). Γύρω στο 400 μ.Χ. παρασκευάστηκε μια νέα μορφή μελανιού γραφής (μελάνι σιδήρου-ταννίνης, iron-gall ink), το οποίο χρησιμοποιήθηκε ευρέως κατά την περίοδο του Μεσαίωνα.............

ΟιΒυζαντινοίχρησιμοποιούσαν στη γραφή των κειμένων μελάνι διαφόρων χρωμάτων. Βασικό μελάνι ήταν το γραφικό μέλαν (μαύρο) ή μελάνιον, που το παρασκεύαζαν από τηναιθάλη(καπνιά) καμμένων κουκουναριών ή δαδιών......Ειδικά «ερυθρά» χρώματα στα αυτοκρατορικά βιβλιογραφικά εργαστήρια ήταν το πορφυρό και το κιννάβαρι. Το πορφυρό παρασκευαζόταν από το κοχύλι πορφύρα.......Το 1848 παρασκευάστηκε μελάνι γραφής με βάση τη χρωστική ουσία που παραλαμβάνεται από το φυτό αιματόξυλο (logwood). Λίγο νωρίτερα είχε αρχίσει η παρασκευή κυανών μελανιών γραφής με την προσθήκη διαφόρων χρωστικών ουσιών, όπως κυανού της Πρωσίας, ινδικού (indigo) και αργότερα του κυανού του μεθυλενίου. Το 1867 παρασκευάστηκαν μελάνια νιγροζίνης (μαύρο της ανιλίνης, aniline black)......

Πριν τη βιομηχανική παραγωγή των μελανιών εκτύπωσης, ο κάθε τυπογράφος παρασκεύαζε το δικό του μελάνι χρησιμοποιώντας αιθάλη και λινέλαιο.Ο Gutenberg αρχικά χρησιμοποίησε τα μελάνια των ξυλογραφικών εκτυπώσεων (μίγμα λινέλαιου και αιθάλης). Αργότερα δοκίμασε να παρασκευάσει μελάνι με ρετσίνι, τερεβινθέλαιο και χρωστικές ουσίες. Το αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία λιπαρού μελανιού ειδικά για την τυπογραφία.........Το πρώτο εργοστάσιο παρασκευής μελανιού λειτούργησε στην Αμερική το 1742. Στα μέσα του 19^ουαιώνα ανακαλύφθηκαν οι χρωστικές από πίσσα. Το λινέλαιο ήταν το κύριο συστατικό των μελανιών έως τα μέσα της δεκαετίας του 1930, οπότε χρησιμοποιήθηκαν θερμοσκληραινόμενα μελάνια για την εκτύπωση περιοδικών στις ΗΠΑ......... Οι πιο πρόσφατες εξελίξεις στα μελάνια (για περιβαλλοντικούς κυρίως λόγους) είναι τα μελάνια με βάση το νερό για την εκτύπωση φλεξογραφίας και βαθυτυπίας, καθώς και τα μελάνια σογιέλαιου για τη λιθογραφία και την τυπογραφία. Η γενική τάση είναι η μείωση των εκπομπών πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs) που παράγονται κατά την εκτύπωση, η οποία επιτυγχάνεται με τη χρήση των παραπάνω τύπων μελανιών......

ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΜΕΛΑΝΙΩΝ

Τα βασικά συστατικά ενός μελανιού είναι: (α) ηστερεήαδιάλυτη χρωστική(pigment), (β) τοσυνδετικό μέσο, (γ) οδιαλύτηςμαζί με τααραιωτικάκαι (δ) ταπρόσθετα. Το σύνολο των συστατικών της υγρής φάσης του μελανιού (συνδετικό μέσο και διαλύτης μαζί με τα αραιωτικά) ονομάζεταιφορέας.Ηαπομελανωσιμότητα(deinkability), δηλαδή η ευκολία απομάκρυνσης ενός μελανιού από το χαρτί εξαρτάται κυρίως από τη φύση του φορέα και το μηχανισμό ξήρανσής του και όχι από το είδος της αδιάλυτης χρωστικής ή των πρόσθετων. Η αδιάλυτη χρωστική προσδίδει χρωματισμό στο μελάνι. Το μεγαλύτερο ποσοστό (80-90%) των μελανιών εκτύπωσης που χρησιμοποιούνται σήμερα περιέχουν μαύρο άνθρακα (carbonblack).

Τοσυνδετικό μέσοείναι το μη πτητικό μέρος του φορέα, συμπεριφέρεται ως η «κόλλα» που συνδέει τα σωματίδια της αδιάλυτης χρωστικής μεταξύ τους και με το υπόστρωμα (εκτυπούμενη επιφάνεια), ενώ μετά την ξήρανση του μελανιού σχηματίζει υμένα που συγκρατεί την αδιάλυτη χρωστική πάνω στο υπόστρωμακαι την προστατεύει από τη θερμότητα, την υγρασία και την τριβή.Η φύση του συνδετικού μέσου καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τις ιδιότητες και την αντοχή του υμένα του μελανιού μετά την ξήρανση. Επίσης, προσδίδει στιλπνότητα στον υμένα και εμποδίζει τη διείσδυση του μελανιού στο εσωτερικό των ινών του χαρτιού (ink hold out). Αποτελείται συνήθως από έλαια ή ρητίνες φυσικής ή συνθετικής προέλευσης.......

Ταορυκτέλαιαέχουν υψηλό σημείο ζέσεως (μεγαλύτερο από 300°C), δεν ξηραίνονται ούτε σκληραίνουν, αλλά απλά απορροφούνται από το χαρτί, με αποτέλεσμα να «μουντζουρώνονται» τα χέρια κατά την ανάγνωση εφημερίδων εκτυπωμένων με τέτοια μελάνια. Ταφυτικά έλαιαείναι περισσότερο ακριβά από τα ορυκτέλαια, αλλά χρησιμοποιούνται ευρέως επειδή είναι περισσότερο φιλικά στο περιβάλλον (είναι μη τοξικά, προέρχονται από φυσικές ανανεώσιμες πηγές, ελευθερώνουν πολύ μικρή ποσότητα από πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCs) κατά την ξήρανση του μελανιού). Τα μελάνια που περιέχουν φυτικά έλαια ξηραίνονται, με αποτέλεσμα ο σχηματιζόμενος υμένας να είναι ανθεκτικός στην τριβή και οι εκτυπωμένες με αυτά εφημερίδες και φυλλάδια να μην μουντζουρώνουν......

Τα φυτικά έλαια υφίστανται πολυμερισμό μέσω του μηχανισμού ελευθέρων ριζών, ο οποίος καταλύεται από την παρουσία ατμοσφαιρικού οξυγόνου, κοβαλτίου και μαγγανίου. Συχνά, στα μελάνια αυτά (π.χ. όταν χρησιμοποιούνται για εκτύπωση εφημερίδων) προστίθενται αντιοξειδωτικές ουσίες για να μειωθεί η ταχύτητα του πολυμερισμού και να διευκολυνθεί η απομάκρυνσή τους κατά την απομελάνωση. Στην πράξη γίνεται προσπάθεια να συνδυαστεί η απαίτηση των αναγνωστών να μην «μουντζουρώνουν» οι εφημερίδες και των μονάδων ανακύκλωσης του χαρτιού για ευκολότερη απομελάνωση. Τα συνηθισμένα φυτικά έλαια είναι της μορφής C₁₇COOH και περιέχουν έναν ή περισσότερους διπλούς δεσμούς.......

Οι κυριότερες φυσικές ρητίνες που χρησιμοποιήθηκαν ως συνδετικά μέσα είναι το κολοφώνιο, η σελλάκη(γομαλάκα, shellac) και διάφορα άλλα κόμμεα. Μια άλλη φυσική ρητίνη που χρησιμοποιείται σήμερα είναι ο γιλσονίτης (gilsonite).......... Σήμερα οισυνθετικές ρητίνεςέχουν σχεδόν αντικαταστήσει τις φυσι­κές ρητίνες. Εξα­σφαλίζουν συνεχή διαθεσιμότητα, στα­θερή ποιότητα, ταχύτερη και καλύτερα ελεγχόμενη διαδικασία πολυμερισμού και ξήρανσης και τα χαρακτηριστικά τους μπορούν να σχεδιασθούν εκ των προτέρων. Για να επιτευχθεί η σκλήρυνσή τους με πολυμερισμό προστίθενται κατα­λύτες και επιπλέον εφαρμόζεται θέρμανση, η οποία επιταχύνει το φαινόμενο.......Συνήθως χρησιμοποιούνταιρητίνες από πετρελαϊκούς υδρογονάνθρακες,αλκυδικές ρητίνες, ακρυλικές ρητίνες, παράγωγα κολοφωνίου, υδατοδιαλυτές ρητίνες κ.ά............

Οδιαλύτηςαποτελεί την πτητική (στις συνηθισμένες συνθήκες ξήρανσης) υγρή φάση του μελανιού, η οποία διαλύει το συνδετικό υλικό και απομακρύνεται εύκολα με εξάτμιση οδηγώντας στο σχηματισμό ενός ξηρού υμένα (από την χρωστική και το συνδετικό υλικό) στην επιφάνεια του χαρτιού. Προσδίδει στο μελάνι την κατάλληλη ρευστότητα, ώστε να εφαρμόζεται εύκολα στην εκτυπωτική πλάκα. Είναι συνήθως μίγμα οργανικών διαλυτών. Μαζί με τον διαλύτη χρησιμοποιείται και το αραιωτικό, το οποίο είναι πτητικό υγρό, πολύ φθηνότερο από το διαλύτη και χρησιμοποιείται για τη μείωση του ιξώδους του μελανιού.Ταπρόσθεταχρησιμοποιούνται για να βελτιώσουν τις ιδιότητες των μελανιών, όπως την ταχύτητα ξήρανσης, τη διασπορά της χρωστικής, το ιξώδες, τη στιλπνότητα, την αντοχή σε διάφορους παράγοντες κ.ά., αλλά και για να μειώσουν το κόστος......

Τα στιλπνά μελάνια (highglossinks) αποτελούνται από ρητίνες υψηλού μοριακού βάρους, οι οποίες διαβρέχουν τις αδιάλυτες χρωστικές και εμποδίζουν την απορρόφησή τους στο εσωτερικό του χαρτιού. Τα μαγνητικά μελάνια αποτελούνται από διασπορά Fe₃O₄σε κατάλληλα βερνίκια Τα μεταλλικά μελάνια, τα οποία διακρίνονται σε μελάνια «χρυσού» και «ασημιού», κατασκευάζονται με διασπορά μπρούντζου ή αλουμινίου σε κατάλληλες ρητίνες. Χρησιμοποιούνται κυρίως στη βαθυτυπία. Σε ορισμένες περιπτώσεις, για προστατευτικούς, διακοσμητικούς ή τεχνικούς λόγους, εφαρμόζονται πάνω στην εκτυπωμένη επιφάνειαεπικαλυπτικά βερνίκια(overprint varnishes), τα οποία σχηματίζουν ένα συνεκτικό διαφανή υμένα. Αυτά ουσιαστικά είναι μελάνια που δεν περιέχουν χρωστική. Χρησιμοποιούνται συνήθως στα εξώφυλλα των περιοδικών και σε διάφορα χαρτιά συσκευασίας, όπου απαιτείται υψηλή στιλπνότητα και προστασία των μελανιών από την τριβή.......

ΜΕΘΟΔΟΙ ΞΗΡΑΝΣΗΣ ΤΩΝ ΜΕΛΑΝΙΩΝ

Απαραίτητη προϋπόθεση για τη χρησιμοποίηση ενός μελανιού στην εκτύπωση είναι να μπορεί να ξηραίνεται (στεγνώνει) μετά την εφαρμογή του στο υπόστρωμα, δηλαδή να σχηματίζει έναν στερεό υμένα πάνω σε αυτό. Βασικά χαρακτηριστικά ενός μελανιού εκτύπωσης είναι ο χρόνος και η μέθοδος ξήρανσης, τα οποία επηρεάζουν την ταχύτητα και την παραγωγικότητα της διεργασίας εκτύπωσης. Η μέθοδος ξήρανσης συνδέεται με τη σύσταση του μελανιού και κυρίως με τον φορέα της χρωστικής. Διακρίνονται οι ακόλουθεςμέθοδοι ξήρανσηςτων μελανιών:

ŒΞήρανση με διείσδυση ή απορρόφηση.Η διείσδυση και η απορρόφηση του μελανι­ού είναι βασικός μηχανισμός ξήρανσης σε πορώδη υποστρώματα, όπως το χαρτί.Αμέσως μόλις το μελάνι εφαρμόζεται στην επιφάνεια του χαρτιού, αρχίζει να απορροφάται από τους πόρους του. Ο ελαιώδης φορέας του μελανιού, μέσω τριχοειδών φαινομένων, διεισδύει στους πόρους, ενώ στην επιφάνεια αυξάνεται το ιξώδες του μίγματος αδιάλυτης χρωστικής και φορέα που απομένει και σχηματίζεται ένας ξηρός υμένας. Όσο μεγαλύτερη αδιαβροχοποίηση έχει υποστεί το χαρτί, τόσο μειώνεται ο ρυθμός διείσδυσης του φορέα..........

Ξήρανση με εξάτμιση του διαλύτη.Στην περίπτωση αυτή το συνδετικό μέσο έχει διαλυθεί σε κατάλληλους διαλύτες, με την απομάκρυνση των οποίων πραγματοποιείται η ξήρανση. Συνήθως χρησιμοποιούνται διαλύτες με μεγάλη πτητικότητα, ώστε να μην απαιτείται θέρμανση για την ξήρανση. Ταθερμοσκληρυνόμενα μελάνια, τα μελάνια εκτύπωσης ρολών με φλεξογραφία, βαθυτυπία, offset ή μεταξοτυπία στεγνώνουν με εξάτμιση. Η εξάτμιση γίνεται πολύ γρήγορα, επιτρέποντας στην εκτυπωτική μηχανή να λειτουργεί με μεγάλη ταχύτητα (180-230 m/min). Συχνά η εξάτμιση πραγματοποιείται με προσφορά θερμότητας (διοχέτευση θερμού αέρα), με αποτέλεσμα την κατανάλωση ενέργειας και την εκπομπή αέριων ρύπων (VOCs). Για περιβαλλοντικούς λόγους (μείωση των VOCs) υπάρχει τάση μείωσης της συγκέντρωσης του διαλύτη στο μελάνι.....

ŽΞήρανση με χημική δράση (οξείδωση - πολυμερισμός).Ορισμένα φυτικά έλαια μπορούν να πο­λυμεριστούν με την παρουσία του ατμο­σφαιρικού οξυγόνου και να σχηματίσουν στερεές ουσίες υψηλού μοριακού βά­ρους. Τα έλαια αυτά ονομάζονται ξη­ραινόμενα (π.χ. λινέλαιο,σογιέλαιο) και έχουν μεγάλους χρόνους ξήρανσης (6-12 hr), όταν εκτεθούν στον αέρα χω­ρίς την παρουσία ειδικών καταλυτών. Τα προϊόντα αυτά ήταν τα πρώτα που χρησι­μοποιήθηκαν για την παραγωγή μελανιών τυπογραφίας και offset, ενώ σήμερα χρησιμοποιούνται κυρίως σε εκτυπώσεις ταχείας offset.....

Τελευταία έχουν αναπτυχθείφω­τοξηραινόμενα μελάνια,τα οποία ξηραίνονται αφού εκτεθούν για ελάχιστα δευτερόλεπτα σε υπεριώδη ακτινοβολία (UV curing inks)ήακτινοβολία δέσμης ηλεκτρονίων (EB, electron beam). Η ξήρανση και ο σχηματισμός του στερεού υμένα εξαρτώνται από τον πολυμερισμό με ελεύθερες ρίζες των ακόρεστων υγρών συστατικών........Η απομελάνωση παλαιόχαρτου που περιέχει φωτοξηραινόμενα μελάνια είναι δύσκολη, καθώς το συνδετικό μέσο είναι αδιάλυτο στους κοινούς διαλύτες, δεν σαπωνοποιείται και διασπείρεται δύσκολα με τα χημικά αντιδραστήρια της απομελάνωσης. Έτσι, στον πολτοποιητή παραμένουν αδιάλυτα σωματίδια του συνδετικού μέσου μεγέθους 50-100 μm. Ο πολυμερισμός του υμένα συνεχίζεται και μετά την εκτύπωση, με αποτέλεσμα όσο αυξάνεται η παλαιότητα του χαρτιού, τόσο δυσκολότερη να είναι η απομελάνωσή του. Τα σωματίδια του συνδετικού μέσου, αν δεν απομακρυνθούν, εμφανίζονται ως μεγάλες κηλίδες (specks) στο χαρτί.......

Οι ρητίνες του συνδετικού μέσου χρησιμοποιούνται μόνες (χωρίς την παρουσία αδιάλυτων χρωστικών) για την παραγωγή επιχρισμάτων επικάλυψης του εκτυπωμένου χαρτιού (overprint coating) σε εξώφυλλα περιοδικών και βιβλίων, ώστε να εξασφαλίζεται στιλπνή εξωτερική επιφάνεια, ανθεκτική στις τριβές. Η εφαρμογή των άχρωμων αυτών επιχρισμάτων πάνω σε χαρτί που έχει εκτυπωθεί με τη χρήση μελανιών λιθογραφίας κάνει περιττή τη χρησιμοποίηση μελανιών UV και τείνει να τα υποκαταστήσει......

Ξήρανση με καταβύθιση (προσρόφηση υγρασίας).Τα υδατοξηραινόμενα (moisture-set) μελάνια είναι διασπορές αδιάλυτων χρωστικών σε ρητίνες διαλυτές σεπολυυδρικές αλ­κοόλες,αλλά αδιάλυτες στο νερό. Οι αλκοόλες αυτές είναι υδρόφιλες καιόταν προσροφούν υγρασία έχουν την ιδιότητα να αποβάλλουν τις ρητίνες. Έτσι, μετά την εκτύπωση το χαρτί ψεκάζεται με νερό ή ατμό, οπότε καταβυθίζεται το μίγμα της ρητίνης και της χρωστικής.