Очевидная польза невидимых лучей в Тулуне

Луч света в царстве полиграфии

Удивительно, насколько по-разному видим мир мы, люди, и наши соседи по планете – звери, птицы, рептилии, насекомые. Человек воспринимает световые волны в диапазоне от 400 до 900 нанометров, причём колбочки наших глаз ориентированы на выделение синего (420 нм), зелёного (530 нм) и красного (560 нм) цветов. Кошки различают 6 основных цветов и 25 оттенков серого (не 100, конечно, но тоже неплохо). У собак нет колбочек, воспринимающих красный и зелёный – эти цвета они видят одинаково серо-жёлтыми. Рептилии днём фиксируют глазами только движущиеся объекты, зато ночью способны обнаружить любую теплокровную добычу с помощью термолокаторов, которые улавливают инфракрасное излучение. Ультрафиолетовый свет они тоже видят – так же, как большинство птиц и рыб.

Словом, жили люди припеваючи, не парясь о каких-то невидимых лучах, пока вездесущие учёные не озадачились вопросом: из чего же сделан белый свет? Не тот, который Мiръ (вселенная, общество), а самый натуральный солнечный луч. 

Явление дисперсии (разложения) света экспериментально открыл Исаак Ньютон в 1672 году. Он установил, что у красного цвета фазовая скорость распространения в среде максимальна, а степень преломления минимальна. Фиолетовый ведёт себя строго наоборот: преодолевать пространство он не спешит, а вот отклоняется от первоначального пути при проходе сквозь призму он сильнее других цветов. Частные случаи дисперсии – радуга, под ножкой которой якобы можно найти клад, и цветная игра света на гранях бриллианта.

Призма, телескоп, яблоко – всё готово для великих открытий!

Инфракрасное излучение открыл английский астроном Уильям Гершель в 1800 году. В ходе исследований Солнца он с помощью термометра установил, что «максимум тепла» лежит за пределами области видимого насыщенного красного света. Так Гершель пришёл к выводу о существовании инфракрасного диапазона световых волн.

Уильям Гершель (1738-1822 гг)

Годом позже, в 1801-м, немецкий химик и физик Иоганн Риттер открыл ультрафиолетовое излучение.

Вооружившись призмой, он изучал химическое воздействие разных участков спектра. Выяснилось, что хлорид серебра обретает всё более интенсивную чёрную окраску по мере продвижения к фиолетовому концу спектра и достигает максимума за его границей.

Риттер совершил ещё ряд открытий – первым получил кислород и водород электролизом воды, предсказал существование термоэлектричества, изобрёл электрическую аккумуляторную батарею.

Иоганн Вильгельм Риттер (1776-1810 гг)

УФ-излучение: научный подход

По международной классификации УФ-излучение делится на три группы:

Фиолетовый цвет, которому УФ-лучи обязаны своим названием, лежит на самом краю видимой зоны спектра – от 380 до 440 нанометров. Ультрафиолетовые (100-400 нм) лишь соприкасаются с ним, но не попадают в область, доступную человеческому зрению. А вот северные олени прекрасно видят более половины диапазона UV-волн, что здорово помогает им выживать в белоснежном мраке Заполярья.

Ну что за глазки!

Северные олени – единственные млекопитающие, у которых ткань сетчатка глаза меняет цвет в зависимости от сезона: летом она золотистая, а зимой приобретает восхитительный аметистово-ультрамариновый окрас. Такое изменение повышает зрительную чувствительность в условиях практически полной темноты. Но тайна восприятия УФ-спектра кроется не в сетчатке оленей, а в их роговице и хрусталике: если у всех животных (в том числе человека) эти ткани блокируют опасные лучи, то у них пропускают около 60%. Этого достаточно для активации колбочек, которые отвечают за цветовое зрение.

Глаз северного оленя летом и зимой

Учёные почти 10 лет кумекали, зачем рогатым красавцам оно в принципе надо, и, наконец, подумали: «В жизни главное еда, остальное – ерунда, а в бескрайней снежной пустыне и подавно! Наверное, восприятие UV-лучей как-то помогает отыскать вкусняшку». Исследование нескольких видов лишайников показало: разные грибоводоросли отражают ультрафиолет неодинаково. Именно это и позволяет оленям находить под толщей снега любимую кладонию – основу их рациона. Кстати, питательный лишайник одновременно является мощным антиоксидантом, он защищает сказочные сиреневые глаза от разрушительного воздействия ультрафиолета.

100 оттенков ультрафиолета

Человечество нашло ультрафиолету множество способов применения. Лучи искусственно генерируют с помощью специальных установок – от мобильных мощностью всего в несколько ватт до стационарных киловаттных агрегатов. Вот далеко не полный список способов использования разных длин УФ-излучения:

Микроструктурирование УФ-лазером

Непосвящённому может показаться, что УФ-печать – это нанесение изображений управляемым лучом соответствующего спектра и нужной мощности (вроде того, как работает лазерный станок). Это не так: сами лучи ультрафиолета никакую картину нарисовать не могут, и уж тем более – цветную. Они используются для полимеризации UV-отверждаемых чернил – особой категории типографских красок.

Из чего же, из чего же, из чего же...

...сделаны наши чернила? О-о-ооо, состав у них сложный – многокомпонентный. В него входят:

• олигомеры (40-50%);
• минеральные или органические пигменты (15-20%);
• мономеры (5-20%);
• фотоинициаторы (5-12%);
• добавки (1-8%).

Фотоинициаторы

Производители выпускают два вида УФ-чернил: 1) с радикальной реакцией полимеризации; 2) с катионной катализацией. Звучит страшно, однако всё очень легко объяснимо.

Радикальные ультрафиолетовые краски застывают в считанные секунды независимо от типа запечатываемого материала и стоят очень недорого. Для первых чернил этого типа, появившихся на рынке, были характерны существенные недостатки: неполное отсутствие липкости после отверждения, хрупкость цветного слоя, поглощение кислорода в процессе полимеризации, деформация термоусадочной плёнки при высушивании, остаточный химический запах даже у готовой продукции. Однако современные радикальные УФ-чернила практически полностью избавлены от этих недостатков.

Выбирая тип чернил для УФ-печати, мы каждый раз взвешиваем все pros and cons применительно к конкретной задаче. В целом же радикальные краски рекомендуется использовать для нанесения изображений на термоусадочную плёнку (особенно рукавную), а катионные – для печати на проблемных и грунтованных поверхностях.

Мономеры

Мономер – простейшая группа атомов органического вещества (пример: аминокислоты, рибоза, глюкоза, АТФ – источник энергии в клетках организма и т.д.). Вступая в химическую связь с другими низкомолекулярными соединениями, мономеры образуют полимеры. Так из глюкозы получается крахмал, целлюлоза или гликоген, из аминокислот складывается белок, а рибоза входит в состав РНК.

В УФ-чернилах мономеры обеспечивают текучесть, достаточную для печати, и повышают устойчивость красочного слоя к истиранию. Они регулируют реологические свойства состава – проще говоря, уменьшают вязкость, то есть выполняют функцию растворителя. 

Пример структуры мономера

Полимеры

Полимер – высокомолекулярное органическое соединение, состоящее из повторяющихся мономеров. Примеры природных полимеров – натуральный каучук, мех, кожа, янтарь, хлопок, глина, цемент; синтетических – полиэтилен, ПВХ, полистирол. Есть ещё третья группа – искусственные полимеры: их получают путем химической обработки природного материала (таковы резина, целлулоид, ацетатное волокно, вискоза и проч.).

Олигомеры в ультрафиолетовых чернилах составляют, так сказать, их каркас. Они же определяют эластичность отверждённой краски, стойкость к перепадам температуры и влажности, сопротивляемость химическим воздействиям (например, бытовым моющим средствам или выхлопным газам, если речь идёт о наружной рекламе).

Строение полимера. Красотища, правда?

Пигменты

Их задача интуитивно понятна: придание нужного цвета образуемой плёнке. Мелкодисперсные частицы могут быть органическими и минеральными: источником для органических служат растения, а искусственные синтезируют из углеводородного сырья – каменного угля, нефти, газа. Минеральные красители получают путём измельчения ряда полезных ископаемых и ярких полудрагоценных камней – неведомый гениальный дизайнер покуражился на славу, когда работал над проектом «Планета Земля»!

Горные хребты, пещеры, болота таят в своих недрах целую палитру красок. Не дожидаясь милостей от природы, мы берём их сами: чёрную – из антрацита, графита или магнетита; красную – из охры, киновари, гематита; синюю – из лазурита и вивианита, белую (диоксид титана) – из рутила, брукита и анатаза. Впрочем, последнюю сейчас на 95% синтезируют промышленным способом: этот пигмент чрезвычайно популярен, и не только среди художников и печатников. Он является легирующей добавкой для сталей, служит загустителем для косметических кремов и кондитерских изделий, применяется на производстве бумаги, обоев, паштетов, колбасы, пельменного теста... словом, почти полной потребительской корзины.

Жаль, что у нас нет времени пробежаться по всей минеральной радуге (в ней, кстати, гораздо больше семи цветов!). Заметим лишь, что эта категория пигментов обладает высокой стойкостью к атмосферным воздействиям, сколам и трению, не склонна к выгоранию и выцветанию от времени.

Вот сколько цветов можно получить из охры и гематита!

Органические пигменты экстрагируют из индигосферы и вайды красильной (синий); марены и семян гармалы (красный); куркумы, сафлора, календулы, коры яблони – жёлтый; и так далее. Кстати, это ещё в буквальном смысле цветочки: в старину художники пользовались красками, выделенными из коровьей мочи («индийский жёлтый»), египетских мумий («mummy»), жидкости из чернильного мешка каракатицы («сепия») и прочими экзотическими компонентами.

Солнечная календула дарит людям пигмент того же цвета, а вот жёлтая вайда внезапно даёт насыщенный синий

Органические пигменты нечасто применяются для нужд полиграфии, но в пищевой промышленности они просто незаменимы. Красители этой группы отличаются чистыми, яркими, сочными цветами, легко растворяются в различных средах и смешиваются с другими составляющими. Растительные пигменты быстро проникают в толщу поверхности, поэтому их любят производители интерьерных и фасадных эмалей и красок. 

Органические пигменты: все краски летнего луга

Самый широкий колористический диапазон – у синтетических пигментов. Многие из них (кобальтово-синий, железный синий, оксид цинка и др.) были открыты или описаны ещё во второй половине XVIII столетия, в эпоху расцвета европейской неорганической химии. Однако способы их лабораторного получения продолжались на протяжении всего XIX века. Некоторые синтетические пигменты выделяют в воздух токсичные испарения и отравляют организм при постоянном контакте с кожей (например, соединения свинца, кобальта и ртути), но большая часть абсолютно безопасна.

Главными потребителями ядовитых свинцовых белил были в эпоху Возрождения не художники, а великосветские модницы. Воистину, красота требует жертв!

Около 80% объёма искусственных минеральных пигментов составляют железоокисные. Полученные промышленным путём, они отличаются от природных сородичей чистотой цвета и дисперсностью (размером частиц). Оксиды железа дают не только базовые цвета, но и множество их оттенков. Вот лишь несколько:

• марс жёлтый – градации жёлтого от сочного лимонного до смугло-оливкового и цвета спелых пшеничных колосьев. Все оттенки кажутся на вид бархатистыми и очень естественными. Если же прокалить жёлтый марс, он изменит окраску на фиолетовую или карминную;
• группа красных марсов – различные вариации красного, лиловые и фиолетовые оттенки. Чем крупнее частицы порошка окиси железа, тем темнее пигмент. Влияет на цвет и форма частиц: светлый оттенок дают пластинчатые, насыщенный – зернистые;
• хромовая зелень – оксид трёхвалентного хрома, твёрдый тугоплавкий порошок. Дарит нам всю гамму тонов от салатового до цвета абсента, от мятного до хвойного;
• изумрудная зелень – гидрат окиси хрома, грубозернистый аморфный пигмент. Название говорит само за себя: колер – чистый изумруд!

Синтетические пигменты позволяют получить цвета, которых нет в природе

Добавки

Разработка добавок для чернил – целая индустрия!

Добавки для повышения пластичности – настоящая находка, если стоит задача нанести довольно-таки жёсткий слой краски на гибкий материал (например, полиэтиленовую плёнку) или ткань (баннеры, растяжки, футболки с логотипом и т.д.). Диспергаторы предотвращают образование сгустков путём однородного распределения пигментов и прочих компонентов. Пеногасители безжалостно убивают непрошеные пузырьки, которые порой образуются в процессе УФ-печати. Силиконовые добавки улучшают растекание чернил и наделяют готовый принт стойкостью к царапинам (attention: котики вездесущи!).

Химическая суть UV-печати объясняется в двух словах: свет ультрафиолетовых ламп возбуждает фотоинициаторы, а они запускают реакцию полимеризации чернил. Основная часть межмолекулярных связей образуется сразу, но процесс продолжается ещё несколько часов после завершения работы принтера. Чем мощнее УФ-излучение, тем быстрее протекает реакция. Да что рассказывать – просто рассмотрите картинку ниже!

Нам солнца не надо – LED-лампа нам светит!

с

Soundtrack: Pink Floyd «The Dark Side of the Moon»

UV-лампа

Давным-давно, а именно в 1877 году, английские учёные Даунс и Блант обнаружили, что солнечный свет губителен для болезнетворных бактерий, но не весь его спектр, а конкретно ультрафиолетовый диапазон. Они же разработали метод обеззараживания питьевой воды путём обработки УФ-лучами. Эти исследования продолжил их земляк, учёный Гарри Маршал Уорд: в 1892 году он убедительно доказал, что ультрафиолет эффективно уничтожает микробы и бактерии.

В 1893-м фарерско-датский физиотерапевт Нильс Финзен начал лечение волчаночного туберкулёза UV-излучением. Источником света служила дуговая угольная лампа – пациенты сидели под ней в течение 2 часов ежедневно на протяжении нескольких месяцев. В 1896 году Финзен основал целый институт светолечения, а в 1903-м получил за своё открытие Нобелевскую премию.

Словом, теоретическая база пользы применения ультрафиолета была создана, дело оставалось за малым – изготовить настоящую УФ-лампу. Инженеры всего мира, заточив оккамовские бритвы, мимоходом изобрели 33 новых способа отделять овец от козлищ, 66 способов сепарировать зёрна от плевел и 99 способов изолировать котлеты от мух. Наконец, в начале 1920-х миру была представлена она – первая лампа, испускающая UV-лучи. Дальнейшие эксперименты показали, что дозированное UV-облучение положительно влияет на здоровье человека и способствует бурному росту и развитию растений.

Бактерицидные ртутные лампы

Может, нашим читателям и не удалось застать те славные времена, но в советскую эпоху бактерицидные лампы в обязательном порядке применяли во всех детских садах, школах и больницах для обеззараживания воздуха помещений. Технически они представляли собой длинные колбы из кварцевого стекла, заполненные инертным газом с парами ртути. Такие изделия можно купить и сейчас, но речь не об этом. Для нас главное то, что именно ртутными лампами были оснащены первые струйные УФ-принтеры, выпущенные в 2000 году.

Газоразрядные лампы для УФ-принтеров

Маленькие, да удаленькие

Первым эффект электролюминесценции заметил британский радиотехник Генри Раунд, ранее работавший персональным ассистентом у Гульельмо Маркони, в 1907 году. Пропуская ток через металл-карборунд, он увидел свечение, испускаемое твердотельным диодом, изучил и описал его.

Генри Раунд в самом расцвете сил

Независимо от английского коллеги скромный лаборант и будущий учёный-физик Олег Лосев в 1923-м обнаружил, что при контакте карборунда со стальной проволокой под воздействием электрического напряжения образуется свет. Молодой человек быстро сообразил: это свойство можно использовать для создания компактных, быстродействующих и экономичных осветительных приборов. Задумано – сделано: уже в 1927 году Лосев получил патент на «Световое реле». Всю жизнь Олег занимался поиском наиболее эффективных полупроводников, открыл явления инжекционной и предпробойной люминесценции. Наверняка он бы сделал ещё много замечательного, но земной путь учёного оборвала безжалостная война: Лосев умер от голода в блокадном Ленинграде, в госпитале, в 1942 году.

Олег Владимирович Лосев (1903-1942 гг), советский физик, обладатель 15 патентов и авторских свидетельств. Неофициальное звание – «Учёный, опередивший время».

К счастью, труды учёного не пропали даром: в 70-е годы советские заводы начали выпуск ламп на основе полупроводниковых светодиодов. Но этому предшествовало ещё одно событие: в 1962-м американский учёный Ник Холоньяк (1928-2022 гг) создал первый в мире полупроводниковый светодиод видимого спектра.

Ник был подлинным self-made man: сын шахтёра, эмигранта из Закарпатья, он первым в семье получил школьное образование. В возрасте 26 лет он уже стал доктором наук Илинойсского университета, а восемь лет спустя изготовил знаменитый светодиод. К сожалению, приборы на его основе излучали маломощный инфракрасный спектр, поэтому годились только для индикаторных ламп и числовых дисплеев.

В 1971-м исследования Жака Панкова привели к получению синего светодиода, в 1972-м Джордж Крафорд изобрёл жёлтый и увеличил яркость красных и оранжевых в 10 раз. Через несколько лет физик Жорес Алфёров из ФТИ им. Иоффе вырастил многопроходную гетероструктуру на базе арсенида галлия, образованную полупроводниками с различной шириной запрещённой зоны (не будем вдаваться в подробности, а то придётся вам одолеть ещё две страницы, доверху набитых терминологией!).

Важно то, что это открытие сделало возможным появление современных лазерных светодиодов, а учёному в 2000 году присудили за него Нобелевскую премию.

В 1993-м японский физик Сюдзи Накамура изготовил синий диод замечательно высокой яркости на базе нитрида галлия, после чего почти сразу появились светодиодные RGB-устройства – они могут воспроизводить разные цвета спектра, в том числе белый. А в 1996 году удалось создать отдельный белый светодиод.

Первый в мире принтер, работающий на LED-лампах, был представлен на берлинской выставке FESPА-2007 российской компанией SUN Innovations. Этот же производитель вскорости отличился ещё несколькими оригинальными разработками: сотрудники SUN создали антибактериальные ультрафиолетовые чернила, новые сольвентные чернила с рекордно кратким периодом отверждения и даже нашли способ печати... на воде!

Надо сказать, расходники для первых УФ-принтеров стоили просто бешеных денег: например, модуль светодиодов обходился потребителю в 100 000 евро. «Любимая типография» не экономит на оборудовании и материалах для печати, но от таких цен у нас бы навсегда встали волосы дыбом, случилось несварение ума и произошёл экзистенциальный кризис. В наши дни LED по-прежнему стоят дороже ртутных ламп, но вы таки зацените все их достоинства!

Светодиодные модули-малыши по всем параметрам превосходят старичков – газоразрядные лампы.

Срок службы светодиодов – от 40 до 100 тысяч часов. На рабочую мощность они выходят в мгновение ока в отличие от дуговых ламп, которым на разогрев требуется несколько минут. LED почти не выделяют тепла, обладают маленькой массой и скромными размерами, что позволяет производить компактные принтеры. Энергопотребление у светодиодов минимальное, а КПД высокий – 25% по сравнению с 1% у газоразрядных ламп. Поскольку в механизме формирования изображения отсутствуют подвижные части, оборудование работает стабильнее и дольше. LED-лампы генерируют узкий диапазон ультрафиолетового света от 200 до 400 нанометров – именно то, что требуется для полимеризации UV-краски. Можно печатать на шёлке, шифоне, бумаге, натуральной коже, полиэтиленовой плёнке – в общем, почти на всех мыслимых материалах! Ну, а отсутствие озона и ртути – просто вишенка на этом светодиодном тортике.

Размер имеет значение

Есть несколько видов УФ-принтеров – каждый предназначен для определённого круга задач.

• Сувенирные. Малоформатные печатные станки преспокойно умещаются на специальном рабочем столе, оборудованном вакуумном прижимом (он нужен, чтобы материал не ёрзал и не сползал). Высокое разрешение (1200 dpi), плавные градиентные переходы, точнейшая цветопередача – всё включено! Сувенирные принтеры применяются для персонализации и брендирования зажигалок, ручек, флешек, чехлов для смартфонов, фляжек, шкатулок, шильдов, табличек, игрушек и т.д.. Некоторые модели (а такая у нас есть!) обладают функцией печати на цилиндрических объектах, так что если вам нужна кружка или термос с УФ-печатью – милости просим!

Сувенирный настольный УФ-принтер Mimaki UJF-6042MKII

Рулонные. Заточены под печать на изделиях, длина которых превышает ширину на столько же, на сколько продолжительность рабочего дня превышает блаженные мгновения пития утреннего кофе. Натяжение и подачу материала в рабочую зону осуществляет вращающийся вал. Рулонные пластики, холст, различные ткани, кожа и кожзам, баннеры, плёнка, фотообои – сфера применения рулонных УФ-принтеров. Этот вид типографского оборудования отличается высокой скоростью обработки материалов, а пьезоэлектрические печатные головки гарантируют высокое разрешение и четкость линий.

Планшетные. Для них характерна высокая точность позиционирования каретки над запечатываемой поверхностью, что позволяет воспроизвести очень сложное высокодетализированное изображение. Реалистичная передача полутонов, градиентов, светотени делает планшетные УФ-принтеры идеальным средством для печати фотографий, произведений искусства и дизайнерских проектов, где важна каждая неуловимая на первый взгляд деталь. Мало того: можно создавать многослойные изображения с эффектом рельефа и глубины путём поочередного нанесения нескольких порций чернил. Благодаря регулируемой каретке и вакуумной системе фиксации планшетный принтер позволяет обработать материалы толщиной до 10 см – очень даже солидно! Дерево, ДСП, стекло, зеркала, керамика, металл – ему подвластно всё!

Планшетный УФ-принтер ROLAND LEF-20

• Гибридные. Этот вид УФ-принтеров объединяет возможности рулонных и планшетных. Впрочем, они не всеядны: одни модели не переваривают скользкие поверхности (зеркало или стекло), вторым не по зубам чрезвычайно прочные материалы (сталь, алюминий, керамика), третьи не осиливают обработку предметов тяжелее 12-15 кг (двери, массивные стенды) и т.д. Зато для печати баннеров, POS-материалов, интерьерной и наружной графики они подходят как нельзя лучше.

Видимо-невидимо

Это выражение прекрасно отражает ассортимент изделий, которые можно декорировать методом УФ-печати. Их так много, что перечислить все не берёмся – обозначим лишь основные категории:

• сувенирная продукция – как традиционная (ручки, кружки, бейсболки, футболки, ёлочные шары), так и современные корпоративные презенты (чехлы для смартфонов, USB-накопители);
• упаковка – буквально всё от пакетов из крафтовой бумаги и картонных коробок до целлофановой плёнки, в которую оборачивают букеты цветов и мягкие игрушки;

• наружная реклама – вывески, баннеры, афиши, плакаты, штендеры, билборды, мобильные стенды и т.д.;
• оформление обложек многостраничной продукции – книг, ежедневников, блокнотов, папок, дипломных работ, фотоальбомов;
• премиальный дизайн визитных, бонусных, клубных, дисконтных, подарочных карт;

• POS-материалы – воблеры, шелфтокеры, стикеры и проч.;
• поздравительные открытки;
• декор интерьера – печать картин, постеров, фотографий на холсте, ПВХ, стекле, плёнке, картоне.

Ультра-качество, мега-скорость, экстра-возможности

Говорят, что кашу маслом не испортишь, однако масло масляное – это моветон. Придерживаясь золотой середины, сообщим о тех достоинствах УФ-печати, о которых ещё не говорилось в этой саге.