WO2017065640A1 - Method of preparing sol-gel inks for color interference inkjet printing - Google Patents
Method of preparing sol-gel inks for color interference inkjet printing Download PDFInfo
- Publication number
- WO2017065640A1 WO2017065640A1 PCT/RU2016/000676 RU2016000676W WO2017065640A1 WO 2017065640 A1 WO2017065640 A1 WO 2017065640A1 RU 2016000676 W RU2016000676 W RU 2016000676W WO 2017065640 A1 WO2017065640 A1 WO 2017065640A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- sol
- titanium dioxide
- nanocrystalline
- water
- inkjet printing
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D11/00—Inks
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D11/00—Inks
- C09D11/02—Printing inks
- C09D11/023—Emulsion inks
- C09D11/0235—Duplicating inks, e.g. for stencil printing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G23/00—Compounds of titanium
- C01G23/04—Oxides; Hydroxides
- C01G23/047—Titanium dioxide
Definitions
- the invention relates to inorganic chemistry, and in particular to a method for producing a sedimentation stable sol of crystalline titanium dioxide nanoparticles, mainly in the anatase phase, used as a sol-gel ink for color interference inkjet printing, which allows to obtain printed products with color interference images formed by at least one transparent in the visible region of the light spectrum and in the region of the UV light spectrum by the refractory layer of xerogel of titanium dioxide with a thickness of 300 nm to 1 ⁇ m, with a refractive index of more than 1.7 and a varying color depending on the thickness of the refractive layer.
- Color inkjet printing is the most common and affordable, but color inkjets and specialty papers are usually required to print color images for inkjet printing.
- inkjet inks of some colors are environmentally hazardous, for example, yellow ink is usually made using toxic cadmium (Cd) compounds, and color images printed with conventional inkjet ink fade from exposure to sunlight, UV radiation and high temperatures.
- Cd toxic cadmium
- high-quality color images by inkjet printing can be obtained only when using inks with certain physical properties (of a certain viscosity and surface tension) and on porous substrates (usually on special types of paper on which ink is absorbed but not fuzzy), which after ink dries usually deformed.
- Known ink for an inkjet printer and a method of inkjet printing with the suppression of the phenomenon of twisting of printed materials and stable ejection, including 62-77 wt.% Water, 10-18 wt.% Dye, 2.0-15 wt.% Water-soluble organic substances, including X (%) of water-soluble organic matter 1, and Y (%), water-soluble organic matter 2.
- the ink viscosity is from 1 to 5 cP at 25 ° C
- the content of X (%) of substance 1 and the content of Y (%) of substance 2 satisfies the ratio of formulas (I) and formula (II): (I) 0.15 ⁇ Y / X ⁇ 0.9; (I) 15 wt.% ⁇ + ⁇ ⁇ 32 wt.%.
- Compound 1 is a water-retaining water-soluble organic compound having a difference between the water-holding ability in an environment with a temperature of 23 ° C. and a humidity of 45% and the water-holding ability in an environment with a temperature of 30 ° C. and a humidity of 80% at 36% or less.
- Compound 2 is a water-soluble organic compound other than dye and water-soluble organic compound 1 [RU 2329288C09D1 1/00, B41J2 / 01, B41M5 / 00 Publ. July 20, 2008, WO 2005/087879 (September 22, 2005)].
- the paint includes a UV-curable material, a polymer that is studied by the free radical polymerization mechanism, photoinitiator and dispersible dye.
- the radiation curable material contains a UV curable oligomer having a polyester, urethane or epoxy backbone, a molecular weight of from 500 to 4000 and a viscosity of from 0.5 to 20 Pa-s at 60 ° C.
- the ink jet printing apparatus for said ink includes a printing mechanism, a device for evaporating the solvent from the ink, and a UV radiation source.
- the inkjet method using this ink provides coatings on substrates, including non-porous surfaces, with increased resistance to solvents and dry friction [RU 2561095 C09D1 1/00, C09D1 1/10, B41J2 / 00, B41J1 1/00 Publ. 08/20/2015, WO 201 1/021052 201 1.02.24].
- the photopolymer contains a titanium carboxylic acid ester having the formula (RCOO) HTIR '(4- ⁇ ) (I), where N is an integer from 1 to 4 inclusive, R is the number of hydrogen atoms or alkyl groups with 1- 5 by carbon atoms, and R 'represents a hydrogen atom, a hydroxyl group, or an alkoxy group of 1-5 C atoms.
- the reaction of these first and second components is carried out until the formation of the specified titanium siloxane photopolymer in the absence of added water.
- Known printed product including a substrate and an image printed by a combination of colors of six inks of different colors.
- Each of the colors is defined by a predetermined ink ratio having a full tone of a given color and a halftone of a given color.
- Each of the six inks has a combined color difference dE of the full tone L-C-H-a-b of not more than 2.
- Ink is combined on the product to produce colors other than six ink colors.
- Each of the six inks has a combined color difference of dE halftone of no more than 3.
- Each of the six colors contains one or two pigments.
- a method of printing an article on an analog printing device includes preparing an electronic data file of a given artistic image, including the specified colors for the corresponding elements of the artistic image.
- Printer settings are combined with an electronic art image file. Provide multiple print locations with copies of the combined parameters by setting up a printing device and an electronic file containing visualization of the art image. Using the combined settings of the printing device and the electronic data file of the artistic image, copies of the product are printed dotwise, forming a complete picture of the composed image. [RU 2468923 B41M1 / 14 publ. 12/10/2012, WO 2009/083857 2009.07.09].
- a known method of manufacturing multicolor printing reproductions which consists in sequentially applying to the surface of the printed material of colorful layers of various colors, carrying monochromatic raster images with different raster lines, according to which, to improve the quality of reproductions, the raster lineature for each monochromatic image is selected from the dependence a / b * [(r b- r to UR b ] -0.0007, where a is the raster pitch; b is the distance from the observer's eye to the image in question; p b is the reflection coefficient of the printed material; p to -reflection coefficient of the corresponding paint [RU 2043199 V41M1 / 14 publ. 09/10/1995].
- Known grayscale image obtained by printing on a substrate which consists of at least two types located in the form of a raster image points of different colors.
- the desired color is obtained by mixing the colors of the dots of the image, and fluorescent image dots of printing inks are formed on the substrate, which contain pigments fluorescent when excited by a certain electromagnetic radiation, as well as non-fluorescent image dots of printing inks containing color, non-fluorescent pigments when excited by a certain electromagnetic radiation.
- these fluorescent image points and non-fluorescent image points are placed on a substrate in a checkerboard pattern relative to each other.
- the phenomenon of interference in thin films is known, which is characterized by the fact that at the phase boundary of materials differing in optical density, a reflected beam is formed with a wavelength equal to the thickness of the material layer with a large refractive index (RI), which is perceived by the human eye as monochromatic color.
- RI refractive index
- interference is observed in soap bubbles (air / surfactant in water), in the iris multilayer mother of pearl structure.
- interference is the natural color reproduction, since the entire spectrum of sunlight is used to form the interference image, including the maximum possible number of colors and shades perceived by the human eye.
- the saturation of the color which is responsible for the contrast of the resulting image, largely depends on the magnitude of the difference in the refractive indices of the applied layer and the substrate used.
- An alternative to physical methods for producing interference films can be the preparation of inorganic polymer films by solution chemistry methods.
- the technology of low-temperature sol-gel synthesis which makes it possible to obtain monolithic film crystalline materials at low temperatures and atmospheric pressure, is considered the greatest prospect.
- Inorganic colloids are currently actively used for the film printing of biosensors and electronics, but their application for inkjet color printing is unknown.
- Inkjet printing requires fine-tuning the viscosity and surface tension of the ink or fine-tuning the printer for a specific ink composition.
- additives such as glycerin are used to increase viscosity and surfactants to reduce surface tension. This inevitably reduces the refractive index, due to an increase in the volume fraction of the organic part in PT / RU2016 / 000676
- Known thin-film element with an interference layered structure for tamper-resistant papers, valuable documents and similar objects containing at least two translucent absorbing layers and at least one dielectric separation layer located between at least two absorbing layers.
- Each of the two absorbing layers consists of a material having a complex refractive index N, the real part of n and the imaginary part of which differ at least in the visible spectral region by 5 or more times, when observed in reflected light, the thin-film element has a metallic luster and essentially a neutral color, and when observed in transmitted light it is perceived in color, in transmitted light the thin-film element has a color saturation C a , defined in the CIELAB color space, of more than 15.
- the absorbing layers consist of different materials, the real part nl and the imaginary part kl of the material of one of the two absorbing layers differ 5 or more times, at least in the visible part of the spectrum, and the real part n2 and the imaginary part k2 of the material of the other the two absorbent layers differ 8 or more times, preferably 10 or more times, particularly preferably 15 or more times.
- One of the absorbing layers or both of the absorbing layers are made of silver or aluminum.
- the dielectric separation layer is made of SiO x or MgF 2 .
- the thin film element has a chroma C * ab is determined in CIELAB color space, more than 20, preferably greater than 25.
- the thin film element when viewed vertically - is visible in transmitted light and has a green color saturation C * ab of more than 30, preferably more than 40, or - in transmitted light is visible in yellow and has a color saturation C * ab more than 20, or - in transmitted light is visible in red and has a color saturation of C a b greater than 20, preferably more than 30, or - in transmitted light is seen in blue and has a color saturation of C * a b greater than 20, preferably more than 30 or a thin film element in transmitted light is visible in color and shows the effect of change colors.
- the thin film element may be combined with a color filter, preferably with a color print layer or a color spray layer.
- the thin film element is combined with a relief structure, in particular, deposited on a diffraction relief structure or micro-optical relief structure [RU 2514589 B42D15 / 00 Publ. 04/27/2014, WO 201 1/032665 201 1.03.24].
- a known method of obtaining diffracting images in crystalline colloidal arrays comprising: forming on the substrate an ordered periodic array of particles, where the array of particles diffracts in the wavelength band, depending on the viewing angle; printing the image composition into parts of the array in the image configuration; shifting the wavelength band of the diffracted radiation and / or changing the refractive index in the printed part of the array, so that the printed part diffracts the radiation with a wavelength band and reflection intensity different from the rest of the array; and fixing the printed part of the array in such a way that the printed part of the array diffracts the radiation and displays an image.
- the composition of the image changes the size and refractive index of the particles in the printed part of the array, resulting in a shifted wavelength band diffracted by the printed part of the array.
- the composition of the image contains monomers that change the size and refractive index of the particles in the printed part of the array, and additionally contains a solvent that resizes particles having a core-shell structure by changing the size and refractive index of the particle shells.
- the composition of the outer layer coating provides coalescence of the particles of the array in the printed part to obtain a film showing the image in the printed part, where the rest of this is almost colorless.
- the printing step includes applying the image composition by xerographic printing, inkjet printing, flexographic printing, silk screen printing, metallography or intaglio printing.
- the image composition provides a shift of the diffraction wavelength of a part of the array in the image printed using the image composition, so that part of the array in the image printed using the image composition diffracts the radiation at a wavelength different from the rest of the image [RU 2013125497 O02B 1/00 Publ. 12/10/2014, WO 2012/061207 2012.05.10].
- Printing fluid for printing through narrow nozzles on objects contains a carrier medium and nanoparticles of metal salts in the form of crystalline solid particles with an average diameter of less than 300 nanometers, fluorescent or phosphorescent when excited by UV radiation of range A , B or C or visible light.
- the emitted fluorescence or phosphorescence radiation does not lie in the frequency range of visible light, the frequency range of the excitation and the frequency range of the emission are shifted in frequency.
- Nanoparticles contain subsidizing additives of at least one type with a range of excitation frequencies and a range of emission frequencies for fluorescence or phosphorescence.
- a printing method includes the operation of supplying the above-described printing fluid through one or more narrow nozzles.
- the supply of printing fluid (s) is carried out through several narrow nozzles, the nozzles being individually controlled. or in groups regarding the presence or absence of a printing fluid supply.
- the nozzles individually or in a group are regulated with respect to the duration or intensity of the outflow of the printing fluid [RU 2312882 C09K1 1/08, C09D1 1/00, B41J2 / 00, B41MZ / 14 Publ. December 20, 2007, WO 03/052025 06/26/2003].
- sol-gel processes are known as the technology of materials, including nanomaterials, including the production of sol with its subsequent transfer to gel, that is, to a colloidal system consisting of a liquid dispersion medium enclosed in a spatial network formed connected particles of the dispersed phase. [L8: // sh. ⁇ U1k1re (11a.og / 1k1 / Sol-gel_process].
- Sol (“plural sol, from Latin solutio — solution) is a highly dispersed colloidal system (colloidal solution) with a liquid (lyosol) or gaseous (aerosol) dispersion medium, in the volume of which another (dispersed) phase is distributed in the form of liquid droplets , gas bubbles or small solid particles, the size of which lies in the range from 1 to 100 nm [pnMr8: // gy. ⁇ ⁇ 1k1resNa.o ⁇ L ⁇ 1k1 / Zoli].
- Gels (unit gel, from nar.gelo - “freeze”) are structured systems consisting of high molecular weight and low molecular weight substances.
- the presence of a three-dimensional polymer skeleton (mesh) informs the gels of the mechanical properties of solids: lack of fluidity, ability to maintain shape, strength and deformability (ductility and elasticity) [https: / en.wikipedia.org/wiki/ ⁇ el].
- the particles of the dispersed phase are not bound into the spatial structure, but freely participate in Brownian motion [Lir: // (11C. sucks 1s.g / o! 1s.p8 ⁇ papo1es11po1o y / 449 / Zol].
- sol-gel process (sol-gel technology, sol-gel method) ”unites a group of methods for obtaining (synthesis) of materials from solutions, the essential element of which is gel formation at one of the stages of the process.
- the concentration of sols with subsequent gelation is carried out by dialysis, ultrafiltration, electrodialysis, evaporation at relatively low temperatures or extraction.
- Airgel is the common name for all gels with a low solids content, the pores of which are filled with air, in a narrower sense they are characterized by the fact that they are used in supercritical drying, in the preparation of cryogels, freeze-drying, and in the preparation of xerogels, convection subcritical drying .
- Ambigel is a product of drying an aqueous or organic gel at atmospheric pressure, characterized, in contrast to xerogel, by low density values approaching the density of airgels ⁇
- Xerogel (English xerogel) is a product of drying aqua or alkali gels at atmospheric pressure under conditions leading to the collapse (collapse) of macropores and a significant increase in the density of the material [http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article2155].
- sol-gel synthesis products are used as precursors in the preparation of oxide nanopowders, thin films for coating optical lenses or ceramics.
- the double electric layer is a layer of ions, formed on the surface of a particle as a result of adsorption of ions from a solution or dissociation of surface compounds.
- the particle surface acquires a layer of ions of a certain sign, uniformly distributed over the surface and creating a surface charge on it.
- slip plane The place of the gap when moving the solid and liquid phases relative to each other is called the slip plane.
- the slip plane lies on the boundary between the diffuse and adsorption layers, or in the diffuse layer near this boundary.
- the potential on the slip plane is called the electrokinetic or zeta potential ( ⁇ potential).
- the zeta potential is the potential difference between the dispersion medium and the fixed layer of liquid surrounding the particle [http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article2155].
- the importance of the zeta potential is that its value can be associated with the stability of colloidal dispersions.
- the zeta potential determines the degree and nature of the interaction between the particles of the dispersed system.
- a high zeta potential will mean stability, i.e. solution or dispersion will resistant to aggregation.
- the zeta potential is low, attraction exceeds repulsion, and dispersion stability will be violated. So, colloids with a high zeta potential are electrically stabilized, while colloids with a low zeta potential tend to coagulate or flocculate.
- a zeta potential value of 30 mV (positive or negative) can be considered as a characteristic value for the conditional separation of low-charged surfaces and high-charged surfaces.
- the closest prototype analogue in technical essence and technical result obtained is a method for producing a titanium oxide sol, comprising the steps of: a) increasing the temperature of the reagent solution containing the titanium oxide precursor as a solvent for the reaction to a reaction temperature of 70 to 95; b) obtaining a titanium oxide sol with the addition of an acid catalyst with a reagent solution and carrying out a sol-gel reaction while removing the solvent for the reaction from it; and c) drying the prepared sol by freeze-drying, normal pressure drying, or vacuum drying and re-dispersing the dried titanium in a dispersion solvent.
- the sol-gel reaction when removing the solvent for the reaction in step b) is carried out at a temperature of from 70 to 95 ° C.
- the solvent for the reaction and the solvent for dispersion is the same or different one or more solvents selected from the group consisting of water, a lower alcohol from C G C 5 , a higher alcohol C 6 or more, ethylene glycol, and acetyl acetone.
- the lower alcohol is methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, or isobutyl alcohol or and the higher alcohol is polyvinyl alcohol.
- the titanium oxide precursor is one or more compounds selected from the group consisting of titanium, tetraethoxysilane tetraisopropoxy titanium, titanium tetrabutoxy zirconium, titanyl chloride, titanyl sulfate and oxytitanyl sulfate.
- An acid catalyst is one or more compounds selected from the group consisting of nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, and acetic acid.
- the acid catalyst is added in an amount of from 1 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the titanium oxide precursor.
- One or more inorganic salts selected from the group consisting of NaCl, KCl, NaBr and KBr, or one or more surfactants selected from of the group consisting of sodium dodecyl sulfate, cetyltrimethyl ammonium bromide and cetyl trimethyl ammonium chloride are added to the reagent solution in step a) in an amount of 1 to 10 parts by weight, based on 100 parts by weight of the titanium oxide precursor.
- titanium dioxide having an average diameter of from 1 to 200 nm in the crystalline form of anatase or rutile. Secondary titanium dioxide particles have an average diameter of 200 nm or less.
- the titanium dioxide sol has a solids content of May 8 to 50. %
- the composition for coating glasses, industrial safety glasses or leisure glasses contains a sol of titanium dioxide in an amount from May 10 to May 70. % [WO2007073043 2007-06-28 C01G23 / 047 prototype].
- the technology for producing sols of crystalline titanium dioxide nanoparticles according to the prototype WO2007073043 involves the implementation of multi-stage operations aimed at obtaining functional sol-gel powder and film materials.
- the steps for preparing the powder include hydrolysis followed by protonization and further precipitation using drying.
- the values of the refractive index obtained in the prototype not exceeding 1.6, make it possible to concentrate the field of application of the coatings obtained on the basis of T 2 nanocrystalline sols solely as antireflective (i.e., bleaching!) And UV protective layers for glasses for various functional purposes.
- the technology of the prototype WO2007073043 does not allow obtaining sedimentation-resistant sols (colloids) based on crystalline titanium dioxide without using the stage of complete dehydration or drying. This, in turn, does not allow to achieve high values of the refractive index (more than 1.7) in the entire visible range even after the introduction of a volatile solvent and, therefore, does not allow the formation of color interference nanostructures.
- the main objective of the invention is to enable inkjet printing of color interference images on non-porous surfaces by means of specially prepared colorless sol-gel inks with the ability to observe color images in reflected light of the visible spectrum, which in itself is especially unique to the inkjet printing method.
- a characteristic distinctive original feature of the invention is the use of inkjet printing technology to create color interference nanolayers of xerogel layers of nanocrystalline titanium dioxide with high accuracy without the use of high temperatures and technically complex physical processes.
- Controlling the thickness of the xerogel refractory layer of nanocrystalline titanium dioxide with an accuracy of 10 nm by means of a jet application of sol-gel ink allows to obtain color images in the entire color range of the visible light spectrum with controlled interference using only colorless ink.
- a fundamentally new method for preparing sol-gel colorless inks for color interference inkjet printing is proposed for creating color interference images by inkjet printing, which makes it possible to create refractive coatings with a given thickness with an accuracy of 10 nm, necessary to create color interference images even on unprepared smooth polymer films.
- the proposed approach lays the foundation for the development of a fundamentally new direction in color interference inkjet printing and allows one to master new methods of forming optical nano-objects with an accuracy of 10 nm using widely available inkjet printing methods using conventional inkjet printers on non-porous smooth substrates.
- titanium dioxide nanoparticles in the form of crystals of titanium dioxide of a predominantly anatase phase with a content of an amorphous phase of titanium dioxide of not more than 5%
- the size of the nanocrystalline particles of titanium dioxide 5-200 nm, the average hydrodynamic diameter of the particles of the nanocrystalline sol of titanium dioxide is not more than 200 nm, mainly 15.8 nm,
- the zeta potential of titanium dioxide nanoparticles is not less than +30 mV, mainly +36 ⁇ 5 mV,
- the concentration of ethyl alcohol in water no more than 70 may. % with a predominant ratio of ethyl alcohol: water 3: 1, viscosity not more than 2.5 mPa * s, mainly 2, 1 mPa * s, surface tension not more than 30 nN / m, mainly 27 nN / m
- Sol-gel ink for color interference inkjet printing containing nanocrystalline sol of titanium dioxide in a solution of ethyl alcohol in water is obtained in two stages:
- a sol-gel ink for color interference inkjet printing in the form of a nanocrystalline titanium dioxide sol in a solution of ethyl alcohol in water is obtained from a nanocrystalline sol of titanium dioxide of a predominantly anatase phase in water, with the density, viscosity and surface tension required for inkjet printing.
- a nanocrystalline sol of titanium dioxide of a predominantly anatase phase in water is obtained by:
- Sol-gel ink for color interference inkjet printing in the form of a nanocrystalline sol of titanium dioxide in a solution of ethyl alcohol in water is obtained by:
- the size of the nanocrystalline particles of titanium dioxide 5-200 nm, the average hydrodynamic diameter of the sol particles is not more than 20 nm, mainly 15.8 nm,
- the zeta potential of sol particles is not less than +30 mV, mainly
- nanocrystalline titanium dioxide transparent xerogel refractory xerogel layer visible in the visible spectrum with a thickness of 300 nm to 1 ⁇ m with a refractive index of more than 1.7, and a concentration of ethyl alcohol in water of not more than 70 mass. % with a predominant volume ratio of ethyl alcohol: water 3: 1,
- At least one xerogel layer of a nanocrystalline titanium dioxide predominantly anatase phase xerogel transparent with a thickness from 300 nm to 1 ⁇ m is formed on a substrate on a substrate,
- the formation of the xerogel refractory layer of nanocrystalline titanium dioxide of a predominantly anatase phase is carried out by means of a sol-gel ink in the form of a nanocrystalline titanium dioxide sol, in a solution of ethyl alcohol in water by inkjet printing, rolling, spraying or dipping.
- nanocrystalline particles of predominantly anatase titanium dioxide produce a printed product with a color interference image on the surface containing at least one refractive layer of at least one xerogel layer of nanocrystalline titanium dioxide predominantly anatase phase with the thickness of the refractive layer from 300 nm to 1 ⁇ m, with a refractive index of the refractive layer of more than 1.7 and with a varying color depending on the thickness of the refractory xerogel layer of nanocrystalline titanium dioxide.
- Printed products with a color interference image are not obtained on a non-porous smooth or polished surface with a minimal change in texture height along the z axis, for example, on a polyethylene (PET) film, on a surface resistant to ethyl alcohol and liquids with a pH value of at least 3, on the surface, containing water-insoluble substrates on an opaque surface or a surface containing Bragg mirror coatings with preservation of a color rendition not less than 1 year.
- PET polyethylene
- FIG. 1, 2, 3 show examples of color images printed on an inkjet printer, obtained as a result of interference in nanocrystalline titanium dioxide xerogel thin films by sol-gel ink obtained by the proposed method.
- the invention is based on the methods of solution chemistry.
- the proposed method allows to obtain obtaining sol-gel ink for color inkjet printing using solution chemistry methods that allow you to create thin (5-10 nm thick) interference refractive layers of environmentally friendly and biologically inert inorganic material (xerogel nanocrystalline anatase titanium dioxide), which after application two conditions are mandatory for observing the phenomena of interference on the substrate, namely, obtaining a refractive index above 1.7, i.e., a higher in simple polymer (1.5), and the refractive forming layer after drying with a predetermined thickness nanoscale, complementary light wavelength of the visible spectrum from 300 nm to 1 micron up to 10 nm.
- xerogel nanocrystalline anatase titanium dioxide xerogel nanocrystalline anatase titanium dioxide
- the viscosity parameter in the resulting sol-gel Ink can be set up in a relatively simple way by controlling the gelation stage.
- the viscosity will be determined mainly by the concentration of the solvent (mainly ethanol), while sedimentation of the nanocrystalline particles of the sol of titanium dioxide in this case is excluded.
- the rheological properties required for inkjet printing of the obtained sol-gel ink are adjusted by controlling the phase sol-gel transition and introducing volatile solvents, mainly ethyl alcohol (hereinafter, ethanol), into the composition of the sol-gel ink.
- volatile solvents mainly ethyl alcohol (hereinafter, ethanol).
- sol-gel ink makes them unique for use as a material for creating environmentally friendly color interference inkjet printing.
- color interference printing products have unique properties, such as the absence of color change over time, which is promising for long-term storage of color images, since the main material (nanocrystalline titanium dioxide) is extremely stable, inert and does not decompose for a long time even under the influence of UV radiation.
- Inkjet printing with the resulting highly refractive sol-gel inks allows the use of polymer substrates without first modifying and applying the binder layers that are commonly used in inkjet printing.
- the proposed printing technology is universal and can be reused when re-applying the image to a polymer substrate or to a previously made image.
- a common property of these oxides is the ability to form transparent layers in the visible region of light with a high refractive index, greater than 1.5.
- titanium dioxide TU 2 The most preferred of these is titanium dioxide TU 2 , for the following reasons:
- the xerogel of nanocrystalline titanium dioxide is completely transparent in the visible region and in the UV region and has an increased refractive index (more than 2)
- - titanium dioxide is characterized by a phase sol-gel transition.
- titanium isopropylate is most preferred, which forms stable crystalline nuclei during hydrolysis.
- the stage of ash formation that is, the formation of a dispersed solid phase, includes successively the stages of hydrolysis and condensation as a mechanism for the formation and growth of nanoparticles.
- titanium isopropylate as an inorganic precursor has several significant advantages. One of the most important is the possibility of stepwise hydrolysis, due to the regulation of synthesis conditions.
- the frequency of such structures substantially depends on many parameters and synthesis conditions.
- the formation of such bond bridges determines the presence of nanostructures in such materials and their final properties, causing the occurrence of the sol-gel transition in the TU 2 system.
- the gel formation stage for interference inkjet printing by the proposed sol-gel inks proceeds directly on the substrate, since the main condition for gel formation is an increase in the density of the coagulation contact, which is achieved by the natural removal of a volatile solvent, mainly ethanol. Otherwise, gelling may occur inside the ink cartridge, which is unacceptable for ink jet stability.
- Sol-gel ink for color interference inkjet printing in the form of a nanocrystalline sol of titanium dioxide, in a solution of ethyl alcohol in water is prepared in two stages,
- a sol-gel ink for color interference inkjet printing in the form of a nanocrystalline titanium dioxide sol in a solution of ethyl alcohol in water is obtained from a nanocrystalline titanium dioxide sol of a predominantly anatase form in water, with the density, viscosity and surface tension required for inkjet printing.
- nitric acid 0.7- 2.4 ml is added to 100 ml of water and the mixture is heated to 70 ° C to initiate the process of temperature dehydration and increase the content of the crystalline phase, after which the first is gradually added to the second solution with stirring.
- the introduction of acid promotes a change in the pH of the solution, which is responsible for the process of crystal formation and an increase in the ionic strength of the solution, contributing to an increase in the mobility of the molecules and accelerate the dissolution of the molecular "coat” of ligands and ions of crystalline Ti0 2 nuclei.
- the degree of protonization of the particle surface increases to a zeta potential of at least +36 ⁇ 5 mV, which ensures high stability of colloidal particles and leads to the required size of the formed crystalline formations of titanium dioxide at a level of about 5-200 nm, mainly of the anatase phase.
- the resulting mixture was incubated for 1 hour at a temperature of 80 ° C, after which it was sealed with a film and incubated for 1-2 weeks at room temperature with stirring.
- the resulting solution of nanocrystalline sol of titanium dioxide in water does not meet the criteria for inkjet printing, such as density, viscosity and surface tension, in its rheological parameters, therefore, at the second stage of the sol-gel ink preparation for interference inkjet printing, the nanocrystalline sol of titanium dioxide in water is modified with a volatile solvent, mainly ethyl alcohol (ethanol).
- a volatile solvent mainly ethyl alcohol (ethanol).
- ethanol as a volatile solvent is due to its low surface tension, economic cheapness and affordability, the ability to pre-solvate in water without destroying the double electric layer of micelles of the synthesized nanocrystalline sol of titanium dioxide.
- the synthesized sol of titanium dioxide is first concentrated by evaporation in a rotary evaporator under pressure at 50 ° C to bring the concentration of solid phase TU 2 to a concentration of at least 8 mass. % This is necessary to bring the viscosity parameter of the finished sol-gel ink to a level of at least 2.1 MPa * s, in order to ensure the possibility of squeezing a drop of ink from the nozzle of the print head of an inkjet printer.
- sol-gel ink an aqueous solution of sols of nanocrystalline titanium dioxide is mixed with ethanol, mainly the following stoichiometry of H 2 O / Ethanol 1: 3.
- This stoichiometry determines the set of required density and surface tension of at least 25 mN / m.
- the resulting solution is homogenized for at least 12 days to achieve phase equilibrium between the solvents.
- sol-gel inks containing 70 May. % ethanol are sol-gel inks containing 70 May. % ethanol.
- Inkjet printing with sol-gel ink can be carried out on virtually any surface of any material that meets the conditions of inkjet printing, however, to obtain thin interfering layers, the substrate must meet the following basic conditions: have a non-porous, mostly smooth or polished surface with a minimal change in the height of the texture along the z axis,
- Titanium dioxide anatase nanoparticles formed during the preparation of sol-gel ink inks have a purely crystalline structure, with an average crystallite size of about 5 nm, which corresponds to the direction of the interlayer distance of the body-centered tetragonal anatase structure.
- a nanocrystalline lattice of TiO 2 particles is extremely important for obtaining interference in thin films, as already noted.
- the x-ray diffraction data of the synthesized TU 2 particles obtained by the authors show diffraction peaks at angles 25.411 (101), 37.911 (004), 48.011 (200), 54.011 (105), 54.911 (211) and 62.811 (204), which also confirms the anatase TU 2 phase with an average crystallite size of no more than 5, calculated by the Scherrer equation. These data are completely consistent with the data of transmission electron microscopy and electron diffraction.
- the uniformity of the refractive film is critical to product reliability, and inks containing stabilized colloidal nanoparticles are necessary for the liquid phase deposition of thin films.
- surfactants are most often used to stabilize colloidal ink.
- the addition of surfactants or polymers leads to a significant loss of optical properties and stability for TU 2 printing films.
- a simple pH control approach was used to protonize the surface and increase the stability of sol particles in order to achieve high homogeneity of the formed layers. The protonization of the surface of the sol particles significantly shifts the critical point of gelation, preventing the development of coagulation contact between the particles.
- the zeta potential of TU 2 nanocrystalline particles in sol-gel ink is predominantly +36 mV, which ensures a stable state of the sol.
- the protonating agent is capable of influencing the phase composition of Ti 2 during crystallization of amorphous sol particles
- this choice was due to the ability of nitric acid to contribute to the formation of the most photoactive phase of anatase.
- phases of TU 2 - rutile, anatase and brookite have close refractive index values, but the advantage of producing anatase is determined by using a pH closer to neutral, thus minimizing the effect of corrosion processes in the print.
- Ethanol plays a very important role, because it is the main factor affecting the rate of evaporation of the solvent from the ink.
- a low concentration of ethanol can contribute to slow drying of the ink on the substrate, coalescence, and an unpredictable change in morphology, while an excess concentration of ethanol leads to a decrease in particle stability due to the destruction of the double isoelectric layer.
- the print head integrated in the cartridge had a droplet size of 2 PL and a nozzle diameter of 1.280 ⁇ m.
- the cartridge was filled with TU 2 with prepared sol-gel ink, without any further modification.
- Viscosity was determined with a Brookfield HA / HB viscometer, and surface tension with a Kyowa DY-700 tensiometer.
- atomic force microscopy was used to scan the surface relief.
- the change in surface topography is associated with a small particle size, which, according to the TEMP and SEM data, predominantly has a size of 1-5 nm and does not exceed 10-15 nm.
- sol-gel inkjet printing based on a nanocrystalline sol of titanium dioxide predominantly of the anatase phase in an aqueous solution of ethyl alcohol is easily achievable with the high accuracy necessary for constructing the interfering layers of individual elements of color interference images.
- the solvent removal gradient of the proposed and used sol-gel inks allows one to obtain a dense uniform transparent film highly refractive about xerogel titanium dioxide.
- the nanoparticles of the resulting titanium dioxide xerogel are spherical aggregates of predominantly 5-10 nm in diameter, densely packed together.
- the results of profilometric analysis show that the film has a curved surface with a slight roughness, which indicates the high compactness of the aggregated nanoparticles forming the layers during slow drying.
- a more detailed analysis of the surface texture provides AFM images for different layers shows that the superposition of the layers does not lead to a change in the surface structure due to the "healing" of defects of the previous layer with a newly filled sol.
- the continuity of the layers confirms the absence of surface cracking, which can occur during quick drying of the layers and uneven application of the material to the surface, which is in good agreement with classical methods of application.
- the substrate was subjected to a perpendicular cut in the direction of movement of the print head.
- the TU 2 interface subinterface in order to determine the true thickness of the xerogel layer of titanium dioxide, we used energy dispersive analysis with a color contrast function.
- the thickness of the xerogel of titanium dioxide is the same along the perimeter, regardless of the number of applications. It is also clearly seen that the obtained titanium dioxide layers have close contact with the surface of the substrate. This is due to the occurrence of a sol-gel transition of TU 2 ink during drying and condensation of the sol into a dense xerogel layer.
- the particle size of the xerogel of titanium dioxide not exceeding 200 nm, allows the deposition of the proposed sol-gel ink with high penetration.
- inkjet printing on such non-porous surfaces causes a number of difficulties not only due to the coalescence of the droplets, but also due to the low adhesion of the dry xerogel layer to the glass and polymer substrate.
- the effect of such high temperatures makes it impossible to deposit layers of an aqueous sol of titanium dioxide deposited by conventional methods on polymer substrates.
- inventive sol-gel inkjet ink in the form of a nanocrystalline sol of titanium dioxide of a predominantly anatase phase in a solution of ethyl alcohol in water makes it possible to obtain thin xerogel layers from the sol with regulation of thickness up to 10th at room temperature with strong bonding of individual xerogel layers to each other with a friend.
- Synthesized sol-gel inks can be classified as promising highly refractive coatings, given that in the entire visible range this refractive index does not fall below 1.85, which, given the high uniformity of deposition during the sol-gel transition, indicates the prospects of their use as real substitutes for organic refractive polymers .
- Inkjet printing was carried out in a multi-pass technique. Each layer was completely dried after printing, so that the next layer was applied on a wet-to-dry basis.
- the formation of an interference color image occurs in the process of condensation of the sol-gel ink on the surface of the substrate in xerogel. Evaporation of the solvent and gelation of the nanocrystalline sol of titanium dioxide with the formation of the specified thickness of the xerogel layer of titanium dioxide provides the ability to control the color of the printed image as a result of controlled interference.
- the relatively low concentration of the solid phase of nanocrystalline titanium dioxide in sol-gel inks allows for highly accurate positioning of xerogel nanostructures titanium dioxide with a high refractive index.
- the color interference images printed by the inkjet method using sol-gel inks had a multi-color color with a high degree of detail (see Figs. 1,2, 3).
- the appearance of color is caused by the appearance of reflected light waves formed at the phase boundary of two materials with different refractive index TU 2 / air and TU 2 / polyethylene. Interfering with each other, they form a light wave complementary to the thickness of the layer that caused this phenomenon.
- the appearance of a color cast is associated with the thickness of the applied xerogel layer of titanium dioxide, which in the present invention can be controlled by the number of layers applied.
- the uniqueness of the obtained sol-gel ink containing a nanocrystalline sol of titanium dioxide of a predominantly anatase phase, the availability of the starting materials for obtaining the sol-gel ink, and the niceness of the interference images obtained by the new method lies in the possibility of using the colorless sol-gel ink obtained for color interference printing and conventional inexpensive desktop inkjet printer.
- the ability to adjust the rheological properties of the nanocrystalline sol of titanium dioxide and control its sol-gel transition to xerogel provides a wide range of variation properties necessary to obtain a sol-gel ink with the desired properties.
- a nanocrystalline sol of titanium dioxide of a predominantly anatase phase, with an amorphous phase content of less than 5%, provides a manifestation of unique optical properties.
- the condensation of xegogel titanium dioxide and its physical crosslinking with the surface of an unmodified PET film contributes to the excellent adhesion of xegogel titanium dioxide to the surface of a smooth substrate.
- the uniqueness of the results lies in the practical ability to control inkjet interference printing, forming nanostructures of interference color images with high accuracy.
- the protonization of the surface of the particles of nanocrystalline sols of titanium dioxide increases the stability of the ink and the shift of the phase sol-gel transition during atmospheric drying.
- a characteristic distinctive original feature of the invention is the use of nanocrystalline sol-gel systems to create controlled interference in thin films using colorless ink based on nanocrystalline titanium dioxide sols.
- the controlled multilayer printing of highly refractive layers of titanium dioxide xerogel allows the creation of optically transparent nanostructures on the surface of polymers, which interfering with interaction with visible light lead to visual staining of images.
- the color of the interference images created by the inkjet printer can be almost any.
- the invention not only contributes to the creation of new color printing technologies, but also preserves the ecology of the environment and human health, protecting our planet.
- the substrate may be opaque or contain coatings such as a Bragg mirror.
- PET polyethylene
- Image contrast was achieved using black film.
- Color inkjet printing was carried out from a conventional black ink cartridge into which the resulting colorless sol-gel ink was preliminarily poured.
- the settings used increased print quality, providing a twofold increase in ink.
- Printing was carried out by specially prepared files with masking areas.
- ink color formation is achieved by combining CMYK or RGB colors.
- a new technology for inkjet color printing using one of the proposed colorless sol-gel inks is completely safe for use.
- the obtained sol-based ink significantly expands the possible choice of substrates for application, including the use of flexible polymeric substrates and smooth solids, which makes application in a format practically unlimited, and significantly facilitates the technology of application of interference structures controlled with an accuracy of 10 nm.
- the printed product may be packaging materials, tags, bags or other printed materials known in the art.
- the substrate may be any material that is used in the printing industry as a substrate.
- Substrates may include polymer films and other polymeric materials, various types of paper, ranging from thin tissue paper to corrugated cardboard, kraft paper, coated folders.
- Metallic films and metal foils can also be used as a substrate.
- the main substrate may be coated with preparations known in the printing industry to obtain a printed artistic image.
- the printed product may receive a protective and decorative finish after the artistic image is printed on the substrate.
- the printed substrate can be further processed in the manufacturing process of the package, or the process of processing ends with printing.
- An art image of a printed product can be made, configured, or simply saved as an electronic data file.
- the artistic image may include data regarding the desired or specified colors for the respective elements of the product.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Ink Jet Recording Methods And Recording Media Thereof (AREA)
- Inks, Pencil-Leads, Or Crayons (AREA)
Abstract
The invention relates to a method for producing a sedimentation-stable sol of crystalline nanoparticles of titanium dioxide to be used as sol-gel inks for color interference inkjet printing which allows for producing printed products with color interference images. The present sol-gel inks are produced in two stages: the first stage involves producing a nanocrystalline sol of titanium dioxide, preferably in the anatase phase, in water; the second stage involves producing sol-gel inks in the form of a nanocrystalline sol of titanium dioxide in an alcohol in water solution, having the requisite density, viscosity and surface tension for inkjet printing. The present invention provides the possibility of forming optical film nanostructures from a nanocrystalline sol of titanium dioxide by inkjet printing, and of producing interference images with high adhesion to a non-porous substrate.
Description
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ ЧЕРНИЛ METHOD FOR PRODUCING ZOL-GEL INK
ДЛЯ ЦВЕТНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ СТРУЙНОЙ ПЕЧАТИ FOR COLOR INTERFERENCE INKJET
Область техники Technical field
Изобретение относится к неорганической химии, а именно к методу получения седиментационно устойчивого золя кристаллических наночастиц диоксида титана преимущественно в фазе анатаза, используемого в качестве золь-гель чернил для цветной интерференционной струйной печати, позволяющей получать печатные изделия с цветными интерференционным изображениями, образованными по крайней мере одним прозрачным в видимой области спектра света и в области УФ спектра света рефрактивным слоем ксерогеля диоксида титана с толщиной от 300 нм до 1 мкм, с показателем преломления более 1,7 и изменяющейся цветовой окраской в зависимости от толщины рефрактивного слоя. The invention relates to inorganic chemistry, and in particular to a method for producing a sedimentation stable sol of crystalline titanium dioxide nanoparticles, mainly in the anatase phase, used as a sol-gel ink for color interference inkjet printing, which allows to obtain printed products with color interference images formed by at least one transparent in the visible region of the light spectrum and in the region of the UV light spectrum by the refractory layer of xerogel of titanium dioxide with a thickness of 300 nm to 1 μm, with a refractive index of more than 1.7 and a varying color depending on the thickness of the refractive layer.
Предшествующий уровень техники State of the art
Технология цветной печати бурно развивается и менее чем за 40 лет она преодолела путь от матричных принтеров с красящей лентой до 3D принтеров с печатью объёмных цветных материалов, но при этом неизменным остаётся применение для окрашивания красителей CMYK или RGB цветовой схемы, что неизбежно ограничивает и технологические возможности и цветопередачу. Color printing technology is booming and in less than 40 years it has gone from matrix printers with ink ribbon to 3D printers with the printing of bulk color materials, but the use of a color scheme for coloring CMYK or RGB dyes remains unchanged, which inevitably limits technological capabilities and color rendition.
Наиболее распространенной и доступной является цветная струйная печать, однако для печати цветных изображений при струйной печати обычно требуются наборы цветных чернил и специальная бумага. Color inkjet printing is the most common and affordable, but color inkjets and specialty papers are usually required to print color images for inkjet printing.
При этом чернила для струйной печати некоторых цветов экологически опасны, например, чернила жёлтого цвета обычно изготавливаются с применением токсичных соединений кадмия (Cd ), а напечатанные обычными чернилами струйным методом цветные изображения выцветают от действия солнечных лучей, УФ излучения и
высоких температур. At the same time, inkjet inks of some colors are environmentally hazardous, for example, yellow ink is usually made using toxic cadmium (Cd) compounds, and color images printed with conventional inkjet ink fade from exposure to sunlight, UV radiation and high temperatures.
Кроме этого высококачественные цветные изображения методом струйной печати возможно получать только при использовании чернил с определенными физическими свойствами (определенной вязкости и поверхностного натяжения) и на пористых подложках (обычно на специальных видах бумаги, на которых чернила впитываются, но не расплываются), которые после высыхания чернил обычно деформируются. In addition, high-quality color images by inkjet printing can be obtained only when using inks with certain physical properties (of a certain viscosity and surface tension) and on porous substrates (usually on special types of paper on which ink is absorbed but not fuzzy), which after ink dries usually deformed.
Известны чернила для струйного принтера, и способ струйной печати с подавлением явления скручивания печатных материалов и стабильной эжекцией, включающие 62-77 мас.% воды, 10-18 мас.% красителя, 2,0-15 мас.% водорастворимых органических веществ, включающих X (%) водорастворимого органического вещества 1 , и Y (%), водорастворимого органического вещества 2. Причём вязкость чернил составляет от 1 до 5 сП при 25°С, и содержание X (%) вещества 1 и содержание Y (%) вещества 2 удовлетворяет отношению формул (I) и формулы (II): (I) 0,15< Y/X<0,9; (И) 15 мас.% <Χ+Υ<32 мас.%. Соединение 1 является влагоудерживающим водорастворимым органическим соединением, имеющим разность между влагоудерживающей способностью в окружающей среде с температурой 23°С и влажностью 45% и влагоудерживающей способностью в окружающей среде с температурой 30°С и влажностью 80% в 36% или менее. Соединение 2 является водорастворимым органическим соединением, отличным от красителя и от водорастворимого органического соединения 1 [RU 2329288C09D1 1/00, B41J2/01, В41М5/00 Опубл. 20.07.2008, WO 2005/087879 (22.09.2005)]. Known ink for an inkjet printer, and a method of inkjet printing with the suppression of the phenomenon of twisting of printed materials and stable ejection, including 62-77 wt.% Water, 10-18 wt.% Dye, 2.0-15 wt.% Water-soluble organic substances, including X (%) of water-soluble organic matter 1, and Y (%), water-soluble organic matter 2. Moreover, the ink viscosity is from 1 to 5 cP at 25 ° C, and the content of X (%) of substance 1 and the content of Y (%) of substance 2 satisfies the ratio of formulas (I) and formula (II): (I) 0.15 <Y / X <0.9; (I) 15 wt.% <Χ + Υ <32 wt.%. Compound 1 is a water-retaining water-soluble organic compound having a difference between the water-holding ability in an environment with a temperature of 23 ° C. and a humidity of 45% and the water-holding ability in an environment with a temperature of 30 ° C. and a humidity of 80% at 36% or less. Compound 2 is a water-soluble organic compound other than dye and water-soluble organic compound 1 [RU 2329288C09D1 1/00, B41J2 / 01, B41M5 / 00 Publ. July 20, 2008, WO 2005/087879 (September 22, 2005)].
Известны краска, устройство и способ струйной печати краской с вязкостью краски 100 мПа с или менее на основе 50 до 80 мас.% органического растворителя, способного к испарению из отпечатанной краски. Краска включает отверждаемый УФ излучением материал, полимер изуемый по механизму свободнорадикальной полимеризации,
фотоинициатор и диспергируемый краситель. Отверждаемый излучением материал содержит отверждаемый УФ-излучением олигомер, имеющий полиэфирную, уретановую или эпоксидную основную цепь, молекулярную массу от 500 до 4000 и вязкость от 0,5 до 20 Па-с при 60°С. Устройство для струйной печати указанной краской включает печатающий механизм, приспособление для испарения растворителя из отпечатанной краски и источник УФ излучения. Способ струйной печати с использованием указанной краски обеспечивает покрытия на подложках, в том числе на непористых поверхностях, с повышенной устойчивостью к растворителям и сухому трению [RU 2561095 C09D1 1/00, C09D1 1/10, B41J2/00, B41J1 1/00 Опубл. 20.08.2015, WO 201 1/021052 201 1.02.24]. Known ink, device and method of inkjet printing with ink viscosity of 100 mPa ink or less based on 50 to 80 wt.% Organic solvent capable of evaporation from printed ink. The paint includes a UV-curable material, a polymer that is studied by the free radical polymerization mechanism, photoinitiator and dispersible dye. The radiation curable material contains a UV curable oligomer having a polyester, urethane or epoxy backbone, a molecular weight of from 500 to 4000 and a viscosity of from 0.5 to 20 Pa-s at 60 ° C. The ink jet printing apparatus for said ink includes a printing mechanism, a device for evaporating the solvent from the ink, and a UV radiation source. The inkjet method using this ink provides coatings on substrates, including non-porous surfaces, with increased resistance to solvents and dry friction [RU 2561095 C09D1 1/00, C09D1 1/10, B41J2 / 00, B41J1 1/00 Publ. 08/20/2015, WO 201 1/021052 201 1.02.24].
Известен способ получения композиции полисилоксана и органического титаната включающий силоксановый фотополимер содержащий титан, предназначенный для производства покрытия с высоким показателем преломления и устойчивого к истиранию для защиты изготовляемых из органических стекол очковых линз, который включает в качестве первого компонента фотополимера практически безводный гидролизат алкоксисилана, полученный путем гидролиза органосилана. В качестве второго компонента фотополимер содержит сложный эфир карбоновой кислоты титана, имеющего формулу (RCOO) HTIR '(4-η) (I), где N является целым числом от 1 до 4 включительно, R является числом атомов водорода или алкильных групп с 1-5 атомами углерода, и R 'представляет собой атом водорода, гидроксильную группу, или алкоксигруппу 1-5 С атомов. Реакция указанных первого и второго компонентов проводится до завершения образования указанного титан силоксанового фотополимера в отсутствии добавленной воды. После добавления воды и гидролиза ι идролизуемых групп проходит дальнейшая полимеризация с получением стабильного водного золя, содержащего 20- 30 % по весу ТЮ2, относительно массы твердых материалов конечной KOMno3Humi[US5357024 C08G77/58; C08G79/00; С08К5/09; C08L83/04;
C09D183/04; C09D183/14; 1994.10.18]. A known method of obtaining a composition of polysiloxane and organic titanate comprising a siloxane photopolymer containing titanium, designed to produce a coating with a high refractive index and is resistant to abrasion to protect spectacle lenses made from organic glasses, which includes, as the first component of the photopolymer, anhydrous alkoxysilane hydrolyzate obtained by hydrolysis organosilane. As a second component, the photopolymer contains a titanium carboxylic acid ester having the formula (RCOO) HTIR '(4-η) (I), where N is an integer from 1 to 4 inclusive, R is the number of hydrogen atoms or alkyl groups with 1- 5 by carbon atoms, and R 'represents a hydrogen atom, a hydroxyl group, or an alkoxy group of 1-5 C atoms. The reaction of these first and second components is carried out until the formation of the specified titanium siloxane photopolymer in the absence of added water. After the addition of water and hydrolysis of the ι idrolizable groups, a further polymerization takes place to obtain a stable aqueous sol containing 20-30% by weight of Ti 2, relative to the mass of solid materials of the final KOMno3Humi [US5357024 C08G77 / 58; C08G79 / 00; S08K5 / 09; C08L83 / 04; C09D183 / 04; C09D183 / 14; 1994.10.18].
Известно напечатанное изделие, включающее подложку и изображение, напечатанное комбинацией цветов из шести чернил разного цвета. Каждый из цветов определен заданным соотношением чернил, имеющим полный тон заданного цвета и полутон заданного цвета. Каждое из шести чернил имеют величину объединенного цветового отличия dE полного тона L-C-H-a-b не более 2. Чернила объединены на изделии для получения цветов, отличных от шести цветов чернил. Каждое из шести чернил имеют величину объединенного цветового отличия dE полутона не более 3. Каждый из шести цветов содержит один или два пигмента. Способ печати изделия на аналоговом печатающем устройстве включает подготовку электронного файла данных заданного художественного изображения, включающего заданные цвета для соответствующих элементов художественного изображения. Выполняют пробную печать художественного изображения, печатая файл данных с помощью цифрового печатающего устройства. Параметры настройки печатающего устройства объединяют с электронным файлом художественного изображения. Обеспечивают множество мест печати копиями объединенных параметров путем настройки печатающего устройства и электронного файла, содержащего визуализацию художественного изображения. С использованием объединённых параметров настройки печатающего устройства и электронного файла данных художественного изображения печатают копии изделия поточечно, формируя полную картину составленного изображения. [RU 2468923 В41М1/14 Опубл. 10.12.2012, WO 2009/083857 2009.07.09]. Known printed product, including a substrate and an image printed by a combination of colors of six inks of different colors. Each of the colors is defined by a predetermined ink ratio having a full tone of a given color and a halftone of a given color. Each of the six inks has a combined color difference dE of the full tone L-C-H-a-b of not more than 2. Ink is combined on the product to produce colors other than six ink colors. Each of the six inks has a combined color difference of dE halftone of no more than 3. Each of the six colors contains one or two pigments. A method of printing an article on an analog printing device includes preparing an electronic data file of a given artistic image, including the specified colors for the corresponding elements of the artistic image. Perform test printing of the artistic image by printing a data file using a digital printing device. Printer settings are combined with an electronic art image file. Provide multiple print locations with copies of the combined parameters by setting up a printing device and an electronic file containing visualization of the art image. Using the combined settings of the printing device and the electronic data file of the artistic image, copies of the product are printed dotwise, forming a complete picture of the composed image. [RU 2468923 B41M1 / 14 publ. 12/10/2012, WO 2009/083857 2009.07.09].
Известен способ изготовления многокрасочных полиграфических репродукций, заключающийся в последовательном нанесении на поверхность запечатываемого материала красочных слоев различных цветов, несущих однокрасочные растровые изображения с разной линиатурой растра, по которому для повышения качества репродукции,
линиатуру растра для каждого однокрасочного изображения выбирают из зависимости а/Ь*[(рб-ркУРб]-0.0007, где а шаг растра; Ъ расстояние от глаза наблюдателя до рассматриваемого изображения; рб - коэффициент отражения запечатываемого материала; рк -коэффициент отражения соответствующей краски [RU 2043199 В41М1/14 Опубл. 10.09.1995]. A known method of manufacturing multicolor printing reproductions, which consists in sequentially applying to the surface of the printed material of colorful layers of various colors, carrying monochromatic raster images with different raster lines, according to which, to improve the quality of reproductions, the raster lineature for each monochromatic image is selected from the dependence a / b * [(r b- r to UR b ] -0.0007, where a is the raster pitch; b is the distance from the observer's eye to the image in question; p b is the reflection coefficient of the printed material; p to -reflection coefficient of the corresponding paint [RU 2043199 V41M1 / 14 publ. 09/10/1995].
Известно полутоновое изображение, полученное путем печатания на подложке, которое состоит из по меньшей мере двух видов расположенных в виде растра точек изображения различного цвета. Искомый цвет получают путем смешения цветов точек изображения, а на подложке сформированы флюоресцирующие точки изображения печатных красок, которые содержат флюоресцирующие при возбуждении определенным электромагнитным излучением пигменты, а также нефлюоресцирующие точки изображения печатных красок, содержащих цветные, нефлюоресцирующие при возбуждении определенным электромагнитным излучением пигменты. При этом указанные флюоресцирующие точки изображения и нефлюоресцирующие точки изображения размещены на подложке в шахматном порядке относительно друг друга. Таким образом обеспечивается получение полутонового изображения, которое отличается высоким блеском и близкими к реальному цветопередачей [RU 2264296 В41М1/14 В41МЗ/14 B42D15/10 Опубл. 20.1 1.2005, WO 03/01 1606 (13.02.2003)]. Known grayscale image obtained by printing on a substrate, which consists of at least two types located in the form of a raster image points of different colors. The desired color is obtained by mixing the colors of the dots of the image, and fluorescent image dots of printing inks are formed on the substrate, which contain pigments fluorescent when excited by a certain electromagnetic radiation, as well as non-fluorescent image dots of printing inks containing color, non-fluorescent pigments when excited by a certain electromagnetic radiation. Moreover, these fluorescent image points and non-fluorescent image points are placed on a substrate in a checkerboard pattern relative to each other. This ensures the obtaining of a grayscale image, which is distinguished by high gloss and close to real color rendition [RU 2264296 V41M1 / 14 V41MZ / 14 B42D15 / 10 Publ. 20.1 1.2005, WO 03/01 1606 (02.13.2003)].
Известные чернила для цветной струйной печати не позволяют получать цветные интерференционные изображения. Known inks for color inkjet printing do not allow to obtain color interference images.
Известно явление интерференции в тонких пленках, характерное тем, что на границе раздела фаз материалов, отличающихся друг от друга оптической плотностью, происходит формирование отраженного луча, с длиной волны равной толщине слоя материала с большим показателем преломления (RI), что воспринимается человеческим глазом как монохроматический цвет. В частности интерференция наблюдается в мыльных пузырях (воздух/ПАВ в воде), в радужной оболочке
многослойной структуры перламутра. The phenomenon of interference in thin films is known, which is characterized by the fact that at the phase boundary of materials differing in optical density, a reflected beam is formed with a wavelength equal to the thickness of the material layer with a large refractive index (RI), which is perceived by the human eye as monochromatic color. In particular, interference is observed in soap bubbles (air / surfactant in water), in the iris multilayer mother of pearl structure.
Важным преимуществом интерференции является естественность цветопередачи, так как при формировании интерференционного изображения используется весь спектр солнечного света, включающего максимально возможное количество цветов и оттенков, воспринимаемых человеческим глазом. An important advantage of interference is the natural color reproduction, since the entire spectrum of sunlight is used to form the interference image, including the maximum possible number of colors and shades perceived by the human eye.
Однако, насыщенность окраски - отвечающей за контрастность получаемого изображения во многом зависит от величины разности показателей преломления наносимого слоя и используемой подложки. However, the saturation of the color, which is responsible for the contrast of the resulting image, largely depends on the magnitude of the difference in the refractive indices of the applied layer and the substrate used.
Для усиления этого эффекта предпринимались попытки модификации полимеров при помощи различных наноразмерных кристаллических веществ. To enhance this effect, attempts were made to modify polymers using various nanoscale crystalline substances.
Такие подходы позволили получить высокий показатель преломления для органических полимеров, однако оптические свойства органических полимеров при этом резко ухудшались из-за отсутствия гомогенного распределения компонентов между собой и технологически не решенных проблем формирования пленок заданной толщины с точностью до 10 нм, комплиментарных по структуре длине световой волны. Such approaches made it possible to obtain a high refractive index for organic polymers, however, the optical properties of organic polymers deteriorated sharply due to the lack of a homogeneous distribution of components between themselves and technologically unsolved problems of forming films of a given thickness with an accuracy of 10 nm, complementary to the structure of the light wavelength .
Альтернативой физическим методам получения интерференционных пленок (методами лазерного напыления, температурного прокаливания, лазерного возбуждения металлов в кислороде с образованием оксидных слоев, вакуумного нанесения «масок» и т.п.) может быть получение пленок неорганических полимеров методами растворной химии. В частности, наибольшей перспективой считается технология низкотемпературного золь-гель синтеза, позволяющая получать монолитные пленочные кристаллические материалы при низких температурах и атмосферном давлении. An alternative to physical methods for producing interference films (by laser spraying, thermal calcination, laser excitation of metals in oxygen with the formation of oxide layers, vacuum deposition of “masks”, etc.) can be the preparation of inorganic polymer films by solution chemistry methods. In particular, the technology of low-temperature sol-gel synthesis, which makes it possible to obtain monolithic film crystalline materials at low temperatures and atmospheric pressure, is considered the greatest prospect.
Ланглет и др. показали применение данной технологии в области создания ТЮ2 покрытий для оптики и создания фото каталитических
покрытий на плёнках. Langlet et al. Showed the application of this technology in the field of creating TU 2 coatings for optics and creating photo-catalytic coatings on films.
Известна масштабируемая монохроматичная интерференция на гладкой поверхности, формируемая или жидкой фазой или твёрдым субстратом с минимальной шероховатостью, например искусственное получение интерферирующих слоёв на полированном кремнии и на твёрдых органических полимерах. Known scalable monochromatic interference on a smooth surface, formed either by a liquid phase or a solid substrate with a minimum roughness, for example, the artificial preparation of interfering layers on polished silicon and solid organic polymers.
Известно явление интерференции в тонких пленках, являющееся основополагающим для появления переливающегося эффекта при создании красок-хамелеонов. The phenomenon of interference in thin films is known, which is fundamental for the appearance of an iridescent effect when creating chameleon paints.
Известно появление цвета в микроструктурах фотонных кристаллов и коллоидных магнитных материалов, однако все известные методы создания и интерференции не пригодны для цветной струйной печати. The appearance of color in the microstructures of photonic crystals and colloidal magnetic materials is known, however, all known methods of creation and interference are not suitable for color inkjet printing.
Неорганические коллоиды в настоящее время активно используются для пленочной печати биосенсоров и объектов электроники, но неизвестно их применение для струйной цветной печати. Inorganic colloids are currently actively used for the film printing of biosensors and electronics, but their application for inkjet color printing is unknown.
Вместе с тем до настоящего момента возможности струйной печати фокусировались микродиапазоном, то есть формированием элементов изображений на микронном уровне, большем, чем длины световых волн. However, until now, the capabilities of inkjet printing have been focused by the microrange, that is, by the formation of image elements at the micron level, greater than the wavelengths of light.
Поэтому актуальна разработка неизвестных ранее технологий струйной печати неорганических наноструктур с точностью по толщине до 10 нм для создания основы развития новой стадии развития цветной струйной печати и разработки принципиально новых интерференционных методов формирования оптических структур нанообъектов методами струйной печати. Therefore, it is urgent to develop previously unknown inkjet printing technologies for inorganic nanostructures with an accuracy of up to 10 nm in thickness to create the basis for the development of a new stage in the development of color inkjet printing and to develop fundamentally new interference methods for forming optical structures of nano-objects by inkjet printing methods.
Струйная печать требует тонкой настройки параметров вязкости и поверхностного натяжения чернил либо тонкой настройкой принтера под определенный состав чернил. В большинстве случаев используют такие добавки как глицерин для увеличения вязкости и ПАВ для уменьшения поверхностного натяжения. Это неизбежно уменьшает показатель преломления, в связи с увеличением объёмной доли органической части в
P T/RU2016/000676 Inkjet printing requires fine-tuning the viscosity and surface tension of the ink or fine-tuning the printer for a specific ink composition. In most cases, additives such as glycerin are used to increase viscosity and surfactants to reduce surface tension. This inevitably reduces the refractive index, due to an increase in the volume fraction of the organic part in PT / RU2016 / 000676
8 сухом остатке. 8 solids.
Известен тонкопленочный элемент с интерференционной слоистой структурой для защищенных от подделки бумаг, ценных документов и подобных объектов, содержащий по меньшей мере два полупрозрачных поглощающих слоя и по меньшей мере один диэлектрический разделительный слой, расположенный между по меньшей мере двумя поглощающими слоями. Каждый из двух поглощающих слоев состоит из материала, имеющего комплексный показатель преломления N, действительная часть п и мнимая часть к которого по меньшей мере в части видимой области спектра отличаются в 5 или большее число раз, при наблюдении в отраженном свете тонкопленочный элемент имеет металлический блеск и по существу нейтральный цвет, а при наблюдении в проходящем свете он воспринимается в цвете, в проходящем свете тонкопленочный элемент имеет насыщенность цвета С аь, определённую в цветовом пространстве CIELAB, более 15. Два поглощающих слоя состоят из разных материалов, причём действительная часть nl и мнимая часть kl материала одного из двух поглощающий слоев отличаются в 5 или большее число раз, по меньшей мере в части видимой области спектра, а действительная часть п2 и мнимая часть к2 материала другого из этих двух поглощающий слоёв отличаются в 8 или большее число раз, предпочтительно в 10 или большее число раз, особенно предпочтительно в 15 или большее число раз. Один из поглощающих слоёв или оба поглощающих слоя изготовлены из серебра или из алюминия. Диэлектрический разделительный слой изготовлен из SiO х или MgF2. В проходящем свете тонкопленочный элемент имеет насыщенность цвета С* аЬ, определенную в цветовом пространстве CIELAB, более 20, предпочтительно более 25. Тонкопленочный элемент при наблюдении под прямым углом - в проходящем свете виден зеленым и имеет насыщенность цвета С* аь более 30, предпочтительно более 40, или - в проходящем свете виден желтым и имеет насыщенность цвета С* аЬ более 20, или - в
проходящем свете виден красным и имеет насыщенность цвета С аь более 20, предпочтительно более 30, или - в проходящем свете виден голубым и имеет насыщенность цвета С* аЬ более 20, предпочтительно более 30 или тонкоплёночный элемент в проходящем свете виден цветным и показывает эффект изменения цвета. Тонкопленочный элемент может быть скомбинирован с цветным светофильтром, предпочтительно с цветным печатным слоем или цветным напыленным слоем. Тонкопленочный элемент скомбинирован с рельефной структурой, в частности нанесен на дифракционную рельефную структуру или микрооптическую рельефную структуру [RU 2514589 B42D15/00 Опубл. 27.04.2014, WO 201 1/032665 201 1.03.24]. Known thin-film element with an interference layered structure for tamper-resistant papers, valuable documents and similar objects, containing at least two translucent absorbing layers and at least one dielectric separation layer located between at least two absorbing layers. Each of the two absorbing layers consists of a material having a complex refractive index N, the real part of n and the imaginary part of which differ at least in the visible spectral region by 5 or more times, when observed in reflected light, the thin-film element has a metallic luster and essentially a neutral color, and when observed in transmitted light it is perceived in color, in transmitted light the thin-film element has a color saturation C a , defined in the CIELAB color space, of more than 15. Two p the absorbing layers consist of different materials, the real part nl and the imaginary part kl of the material of one of the two absorbing layers differ 5 or more times, at least in the visible part of the spectrum, and the real part n2 and the imaginary part k2 of the material of the other the two absorbent layers differ 8 or more times, preferably 10 or more times, particularly preferably 15 or more times. One of the absorbing layers or both of the absorbing layers are made of silver or aluminum. The dielectric separation layer is made of SiO x or MgF 2 . In transmitted light, the thin film element has a chroma C * ab is determined in CIELAB color space, more than 20, preferably greater than 25. The thin film element when viewed vertically - is visible in transmitted light and has a green color saturation C * ab of more than 30, preferably more than 40, or - in transmitted light is visible in yellow and has a color saturation C * ab more than 20, or - in transmitted light is visible in red and has a color saturation of C a b greater than 20, preferably more than 30, or - in transmitted light is seen in blue and has a color saturation of C * a b greater than 20, preferably more than 30 or a thin film element in transmitted light is visible in color and shows the effect of change colors. The thin film element may be combined with a color filter, preferably with a color print layer or a color spray layer. The thin film element is combined with a relief structure, in particular, deposited on a diffraction relief structure or micro-optical relief structure [RU 2514589 B42D15 / 00 Publ. 04/27/2014, WO 201 1/032665 201 1.03.24].
Известен способ получения дифрагирующих изображений в кристаллических коллоидных массивах включающий: формирование на подложке упорядоченного периодического массива частиц, где массив частиц дифрагирует в полосе длин воли, в зависимости от угла наблюдения; печать композиции изображения на части массива в конфигурации изображения; сдвиг полосы длин волн дифрагированного излучения и/или изменение показателя преломления в отпечатанной части массива, так что отпечатанная часть дифрагирует излучение при полосе длин волн и интенсивности отражения, отличающихся от остальной части массива; и фиксацию отпечатанной части массива таким образом, что отпечатанная часть массива дифрагирует излучение и проявляет изображение. Композиция изображения изменяет размеры и показатель преломления частиц в отпечатанной части массива, в результате чего сдвигается полоса длин волн, дифрагируемая отпечатанной частью массива. Композиция изображения содержит мономеры, которые изменяют размеры и показатель преломления частиц в отпечатанной части массива, и дополнительно содержит растворитель, изменяющий размеры частиц, имеющих структуру «ядро-оболочка», изменением размеров и показателя преломления оболочек частиц. Композиция внешнего слоя
покрытия обеспечивает коалесценцию частиц массива в отпечатанной части с получением пленки, проявляющей изображение в отпечатанной части, где остальная часть при этом является практически бесцветной. Стадия печати включает в себя нанесение композиции изображения при помощи ксерографической печати, струйной печати, флексографической печати, шелкографии, металлографии или глубокой печати. Композиция изображения обеспечивает сдвиг дифракционной длины волны части массива в изображении, отпечатанном с использованием композиции изображения, так что часть массива в изображении, напечатанном при использовании композиции изображения, дифрагирует излучение при длине волны, отличной от остальной части изображения [RU 2013125497 О02В 1/00Опубл. 10.12.2014, WO 2012/061207 2012.05.10]. A known method of obtaining diffracting images in crystalline colloidal arrays comprising: forming on the substrate an ordered periodic array of particles, where the array of particles diffracts in the wavelength band, depending on the viewing angle; printing the image composition into parts of the array in the image configuration; shifting the wavelength band of the diffracted radiation and / or changing the refractive index in the printed part of the array, so that the printed part diffracts the radiation with a wavelength band and reflection intensity different from the rest of the array; and fixing the printed part of the array in such a way that the printed part of the array diffracts the radiation and displays an image. The composition of the image changes the size and refractive index of the particles in the printed part of the array, resulting in a shifted wavelength band diffracted by the printed part of the array. The composition of the image contains monomers that change the size and refractive index of the particles in the printed part of the array, and additionally contains a solvent that resizes particles having a core-shell structure by changing the size and refractive index of the particle shells. The composition of the outer layer coating provides coalescence of the particles of the array in the printed part to obtain a film showing the image in the printed part, where the rest of this is almost colorless. The printing step includes applying the image composition by xerographic printing, inkjet printing, flexographic printing, silk screen printing, metallography or intaglio printing. The image composition provides a shift of the diffraction wavelength of a part of the array in the image printed using the image composition, so that part of the array in the image printed using the image composition diffracts the radiation at a wavelength different from the rest of the image [RU 2013125497 O02B 1/00 Publ. 12/10/2014, WO 2012/061207 2012.05.10].
Известна защитная печатная жидкость и способ печати с наночастицами, позволяющие защитить печатные материалы от поддельных перепечаток, например, при изготовлении денежных знаков, акций, чеков и других представляющих ценность бумаг. Печатная жидкость для печати через узкие сопла на предметы, в частности при изготовлении денежных знаков, акций, чеков, содержит несущую среду и наночастицы солей металлов в виде кристаллических твердых частиц со средним диаметром менее 300 нанометров, флуоресценцирующих или фосфоресцирующих при возбуждении УФ-излучением диапазона А, В или С или видимым светом. Испускаемое при этом излучение флуоресценции или фосфоресценции не лежит в диапазоне частот видимого света, диапазон частот возбуждения и диапазон частот испускания сдвинуты по частоте. Наночастицы содержат дотирующие добавки, по крайней мере, одного вида с диапазоном частот возбуждения и диапазоном частот испускания для флуоресценции или фосфоресценции. Способ печатания, включает операцию подачи вышепредложенной печатной жидкости через одно или несколько узких сопел. Подачу печатной жидкости(ей) проводят через несколько узких сопел, причем сопла регулируются по отдельности
или группами относительно наличия или отсутствия подачи печатной жидкости. Сопла по отдельности или в группе регулируются относительно длительности или интенсивности истечения печатной жидкости [RU 2312882 С09К1 1/08, C09D1 1/00, B41J2/00, В41МЗ/14 Опубл. 20.12.2007, WO 03/052025 26.06.2003]. Known protective printing fluid and method of printing with nanoparticles, which allows to protect printed materials from fake reprints, for example, in the manufacture of banknotes, stocks, checks and other valuable papers. Printing fluid for printing through narrow nozzles on objects, in particular in the manufacture of banknotes, stocks, checks, contains a carrier medium and nanoparticles of metal salts in the form of crystalline solid particles with an average diameter of less than 300 nanometers, fluorescent or phosphorescent when excited by UV radiation of range A , B or C or visible light. The emitted fluorescence or phosphorescence radiation does not lie in the frequency range of visible light, the frequency range of the excitation and the frequency range of the emission are shifted in frequency. Nanoparticles contain subsidizing additives of at least one type with a range of excitation frequencies and a range of emission frequencies for fluorescence or phosphorescence. A printing method includes the operation of supplying the above-described printing fluid through one or more narrow nozzles. The supply of printing fluid (s) is carried out through several narrow nozzles, the nozzles being individually controlled. or in groups regarding the presence or absence of a printing fluid supply. The nozzles individually or in a group are regulated with respect to the duration or intensity of the outflow of the printing fluid [RU 2312882 C09K1 1/08, C09D1 1/00, B41J2 / 00, B41MZ / 14 Publ. December 20, 2007, WO 03/052025 06/26/2003].
Аналогов способов получения чернил с наночастицами для цветной струйной печати, позволяющих печатать бесцветными чернилами цветные интерференционные изображениями, образованные по крайней мере одним прозрачным в видимой области спектра рефрактивным слоем ксерогеля, в объеме проведенного поиска, не обнаружено. Analogues of the methods for producing ink with nanoparticles for color inkjet printing, which allow color interference images to be printed with colorless ink, formed by at least one xerogel refractive layer transparent in the visible region of the spectrum, were not found in the scope of the search.
Известны золь-гель процессы (англ. sol-gel process) - технологии материалов, в том числе наноматериалов, включающие получение золя с последующим переводом его в гель, то есть в коллоидную систему, состоящую из жидкой дисперсионной среды, заключенной в пространственную сетку, образованную соединившимися частицами дисперсной фазы. [Ьйр8://ш.\У1к1ре(11а.ог / 1к1/Золь-гель_процесс]. The known sol-gel processes are known as the technology of materials, including nanomaterials, including the production of sol with its subsequent transfer to gel, that is, to a colloidal system consisting of a liquid dispersion medium enclosed in a spatial network formed connected particles of the dispersed phase. [L8: // sh. \ U1k1re (11a.og / 1k1 / Sol-gel_process].
Золь (мн.ч. золи, от лат. solutio— раствор) - это высокодисперсная коллоидная система (коллоидный раствор) с жидкой (лиозоль) или газообразной (аэрозоль) дисперсионной средой, в объеме которой распределена другая (дисперсная) фаза в виде капелек жидкости, пузырьков газа или мелких твердых частиц, размер которых лежит в пределе от 1 до 100 нм [рпМр8://ги.\¥1к1ресНа.о^Л¥1к1/Золи]. Sol (plural sol, from Latin solutio — solution) is a highly dispersed colloidal system (colloidal solution) with a liquid (lyosol) or gaseous (aerosol) dispersion medium, in the volume of which another (dispersed) phase is distributed in the form of liquid droplets , gas bubbles or small solid particles, the size of which lies in the range from 1 to 100 nm [pnMr8: // gy. \ ¥ 1k1resNa.o ^ L ¥ 1k1 / Zoli].
Гели (ед.ч. гель, от nar.gelo— «застываю»)— структурированные системы, состоящие из высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ. Наличие трёхмерного полимерного каркаса (сетки) сообщает гелям механические свойства твёрдых тел: отсутствие текучести, способность сохранять форму, прочность и способность к деформации (пластичность и упругость) [https:/ ru.wikipedia.org/wiki/Γeли]. Gels (unit gel, from nar.gelo - “freeze”) are structured systems consisting of high molecular weight and low molecular weight substances. The presence of a three-dimensional polymer skeleton (mesh) informs the gels of the mechanical properties of solids: lack of fluidity, ability to maintain shape, strength and deformability (ductility and elasticity) [https: / en.wikipedia.org/wiki/Γel].
В противоположность гелям, в золях частицы дисперсной фазы не связаны в пространственную структуру, а свободно участвуют в
броуновском движении [Ьйр://(11С.асаёет1с.ги/о!1с.п8^папо1ес11по1о у/449/Золь]. In contrast to gels, in sols, the particles of the dispersed phase are not bound into the spatial structure, but freely participate in Brownian motion [Lir: // (11C. sucks 1s.g / o! 1s.p8 ^ papo1es11po1o y / 449 / Zol].
Известно, что большинство гелей термодинамически неустойчиво; при старении вследствие изотермической переконденсации или рекристаллизации обратимая по отношению к механическому воздействию коагуляцционная структура перерождается в необратимую конденсационно-кристаллизационную. Кроме того, многие гели подвержены синерезису - сокращению объема с выделением жидкой фазы в результате самопроизвольного уплотнения структурной сетки [http://www.xumuk.ru/encyklopedia/958.html]. Most gels are known to be thermodynamically unstable; during aging due to isothermal recondensation or recrystallization, the coagulation structure that is reversible with respect to the mechanical action degenerates into an irreversible condensation-crystallization structure. In addition, many gels are prone to syneresis - volume reduction with the release of the liquid phase as a result of spontaneous compaction of the structural network [http://www.xumuk.ru/encyklopedia/958.html].
Общее название «золь-гель процесс» (золь-гель технология, золь- гель способ)» объединяет группу методов получения (синтеза) материалов из растворов, существенным элементом которых является образование геля на одной из стадий процесса. The general name “sol-gel process” (sol-gel technology, sol-gel method) ”unites a group of methods for obtaining (synthesis) of materials from solutions, the essential element of which is gel formation at one of the stages of the process.
В основе наиболее известного варианта золь-гель процесса лежат процессы контролируемого гидролиза соединений, обычно алкоксидов M(OR)x (М = Si, Ti, Zr, V, Zn, Al, Sn, Ge, Mo, W и др.) или соответствующих хлоридов, в водной или органической, чаще спиртовой, среде [здесь и далее https://ru.wikipedia.org/wiki Зoль-гeль_πpoцecc]. The most famous variant of the sol-gel process is based on the processes of controlled hydrolysis of compounds, usually alkoxides M (OR) x (M = Si, Ti, Zr, V, Zn, Al, Sn, Ge, Mo, W, etc.) or the corresponding chlorides, in an aqueous or organic, often alcoholic, environment [hereinafter https://ru.wikipedia.org/wiki Zol-gel_procecc].
На первой стадии золь-гель процесса реакции гидролиза и поликонденсации приводят к образованию коллоидного раствора - золя - частиц гидроксидов, размер которых не превышает несколько десятков нм. At the first stage of the sol-gel process of the hydrolysis and polycondensation reaction lead to the formation of a colloidal solution - sol - particles of hydroxides, the size of which does not exceed several tens of nm.
Увеличение объемной концентрации дисперсной фазы или иное изменение внешних условий (рН, замена растворителя) приводят к интенсивному образованию контактов между частицами и образованию монолитного геля, в котором молекулы растворителя заключены в гибкую, но достаточно устойчивую трёхмерную сетку, образованную частицами гидроксидов. An increase in the volume concentration of the dispersed phase or any other change in external conditions (pH, solvent replacement) leads to intensive formation of contacts between the particles and the formation of a monolithic gel in which the solvent molecules are enclosed in a flexible but sufficiently stable three-dimensional network formed by hydroxide particles.
Концентрирование золей с последующим гелеобразованием осуществляют путем диализа, ультрафильтрации, электродиализа,
упаривания при относительно низких температурах или экстракции. The concentration of sols with subsequent gelation is carried out by dialysis, ultrafiltration, electrodialysis, evaporation at relatively low temperatures or extraction.
Известно, что исключительно важную роль в золь-гель процессе играют процессы удаления растворителя из геля (сушки). В зависимости от метода их осуществления, могут быть получены различные продукты синтеза (ксерогели, амбигели, криогели, аэрогели). It is known that the processes of solvent removal from the gel (drying) play an extremely important role in the sol-gel process. Depending on the method of their implementation, various synthesis products (xerogels, ambigels, cryogels, aerogels) can be obtained.
Аэрогель - это общее название для всех гелей с невысоким содержанием твердых веществ, поры которых заполнены воздухом, в более узком смысле они характеризуются тем, что при их получении используют сверхкритическую сушку, при получении криогелей - сублимационную сушку, а при получении ксерогелей - конвекционную субкритическую сушку. Airgel is the common name for all gels with a low solids content, the pores of which are filled with air, in a narrower sense they are characterized by the fact that they are used in supercritical drying, in the preparation of cryogels, freeze-drying, and in the preparation of xerogels, convection subcritical drying .
Амбигель - продукт сушки водного или органического геля при атмосферном давлении, характеризующийся, в отличие от ксерогеля, низкими значениями плотности, приближающимися к плотности аэрогелей^ Ambigel is a product of drying an aqueous or organic gel at atmospheric pressure, characterized, in contrast to xerogel, by low density values approaching the density of airgels ^
Ксерогель (англ. xerogel) - продукт сушки аква- или ал ко гелей при атмосферном давлении в условиях, приводящих к коллапсу (схлопыванию) макропор и значительному увеличению плотности материал [http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article2155]. Xerogel (English xerogel) is a product of drying aqua or alkali gels at atmospheric pressure under conditions leading to the collapse (collapse) of macropores and a significant increase in the density of the material [http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article2155].
Общими особенностями этих продуктов являются сохранение наноразмеров структурных элементов и достаточно высокие значения удельной поверхности (сотни м2/г), хотя их объемная плотность может отличаться в сотни раз. Common features of these products are the preservation of nanoscale structural elements and fairly high values of specific surface area (hundreds of m 2 / g), although their bulk density can differ hundreds of times.
Большинство продуктов золь-гель синтеза используется в качестве прекурсоров при получении оксидных нанопорошков, тонких пленок покрытия оптических линз или керамики. Most sol-gel synthesis products are used as precursors in the preparation of oxide nanopowders, thin films for coating optical lenses or ceramics.
В дисперсных системах на поверхности частиц (на границе раздела частица-дисперсионная среда) возникает двойной электрический слой [http://www.photocor.ru/theory/zeta-potential/]. In dispersed systems, a double electric layer appears on the surface of particles (at the particle-dispersion medium interface) [http://www.photocor.ru/theory/zeta-potential/].
Двойной электрический слой представляет собой слой ионов,
образующийся на поверхности частицы в результате адсорбции ионов из раствора или диссоциации поверхностных соединений. Поверхность частицы приобретает слой ионов определенного знака, равномерно распределенный по поверхности и создающий на ней поверхностный заряд. The double electric layer is a layer of ions, formed on the surface of a particle as a result of adsorption of ions from a solution or dissociation of surface compounds. The particle surface acquires a layer of ions of a certain sign, uniformly distributed over the surface and creating a surface charge on it.
Теории двойного электрического слоя широко используются для интерпретации поверхностных явлений, однако не существует прямых методов измерения потенциалов на границе адсорбционного слоя. Для количественного определения величины электрического заряда в двойном электрическом слое широко используется дзета-потенциал. Дзета- потенциал не равен адсорбционному потенциалу или поверхностному потенциалу в двойном электрическом слое. Тем не менее, дзета-потенциал часто является единственным доступным способом для оценки свойств двойного электрического слоя. Theories of the double electric layer are widely used to interpret surface phenomena, but there are no direct methods for measuring potentials at the boundary of the adsorption layer. To quantify the magnitude of the electric charge in the double electric layer, the zeta potential is widely used. The zeta potential is not equal to the adsorption potential or surface potential in the double electric layer. However, the zeta potential is often the only available way to evaluate the properties of a double electric layer.
При движении частицы двойной электрический слой разрывается. When a particle moves, the double electric layer breaks.
Место разрыва при перемещении твердой и жидкой фаз друг относительно друга называется плоскостью скольжения. Плоскость скольжения лежит на границе между диффузными и адсорбционными слоями, либо в диффузном слое вблизи этой границы. Потенциал на плоскости скольжения называют электрокинетическим или дзета-потенциалом (ζ- потенциал). The place of the gap when moving the solid and liquid phases relative to each other is called the slip plane. The slip plane lies on the boundary between the diffuse and adsorption layers, or in the diffuse layer near this boundary. The potential on the slip plane is called the electrokinetic or zeta potential (ζ potential).
Иными словами, дзета-потенциал - это разность потенциалов дисперсионной среды и неподвижного слоя жидкости, окружающего частицу [http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article2155]. In other words, the zeta potential is the potential difference between the dispersion medium and the fixed layer of liquid surrounding the particle [http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article2155].
Важность дзета-потенциала состоит в том, что его значение может быть связано с устойчивостью коллоидных дисперсий. Дзета-потенциал определяет степень и характер взаимодействия между частицами дисперсной системы. The importance of the zeta potential is that its value can be associated with the stability of colloidal dispersions. The zeta potential determines the degree and nature of the interaction between the particles of the dispersed system.
Для молекул и частиц, которые достаточно малы, высокий дзета- потенциал будет означать стабильность, т.е. раствор или дисперсия будет
устойчивы по отношению к агрегации. Когда дзета-потенциал низкий, притяжение превышает отталкивание, и устойчивость дисперсии будет нарушаться. Так, коллоиды с высоким дзета-потенциалом являются электрически стабилизированными, в то время, как коллоиды с низким дзета-потенциалом склонны коагулировать или флокулировать. For molecules and particles that are small enough, a high zeta potential will mean stability, i.e. solution or dispersion will resistant to aggregation. When the zeta potential is low, attraction exceeds repulsion, and dispersion stability will be violated. So, colloids with a high zeta potential are electrically stabilized, while colloids with a low zeta potential tend to coagulate or flocculate.
Значение дзета-потенциала равное 30 мВ (положительное или отрицательное) можно рассматривать как характерное значение, для условного разделения низко-заряженных поверхностей и высоко- заряженных поверхностей. Чем больше электрокинетический потенциал, тем устойчивее коллоид. A zeta potential value of 30 mV (positive or negative) can be considered as a characteristic value for the conditional separation of low-charged surfaces and high-charged surfaces. The greater the electrokinetic potential, the more stable the colloid.
Известно, что при значениях дзета-потенциала от 0 до ± 30 мВ наблюдается плохая устойчивость коллоидных систем (возможна коагуляция или флокуляция), а при значениях больше ± 30 мВ - хорошая устойчивость коллоидных систем [http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article2155]. It is known that at values of the zeta potential from 0 to ± 30 mV, poor stability of colloidal systems is observed (coagulation or flocculation is possible), and at values greater than ± 30 mV, good stability of colloidal systems [http://thesaurus.rusnano.com/wiki / article2155].
Известен способ получения диспергируемых в воде наночастиц золя диоксида титана фазы рутила со средним диаметр частиц менее 30 нм высокой чистоты в водной среде, не имеющей ионных примесей и используемых для оптических материалов, имеющих высокий показатель преломления и имеющие высокую диэлектрическую постоянную и диспергируемость в растворителях без каких-либо ионных примесей, таких как СГ, NO3 ", S04 "2, включающий следующие стадии: производства смешанного растворителя из воды и перекиси водорода; гидролиз пероксида титаната и гидротермическая обработка раствора с растворением пероксида титаната и образованием золя диоксида титана [US20061 10319 C01 G23/047 2006-05-25]. A known method of producing water dispersible nanoparticles of sols of titanium dioxide rutile phase rutile with an average particle diameter of less than 30 nm of high purity in an aqueous medium that does not have ionic impurities and is used for optical materials having a high refractive index and having a high dielectric constant and dispersibility in solvents without any any ionic impurities such as SG, NO 3 " , S0 4 " 2 , comprising the following steps: production of a mixed solvent from water and hydrogen peroxide; hydrolysis of titanate peroxide and hydrothermal treatment of the solution with dissolution of titanate peroxide and the formation of a titanium dioxide sol [US20061 10319 C01 G23 / 047 2006-05-25].
Аналогов золь-гель чернил для цветной струйной печати, позволяющих печатать бесцветными чернилами цветные интерференционные изображениями, образованные по крайней мере одним прозрачным в видимой области спектра рефрактивным слоем
ксерогеля, в объеме проведенного поиска, не обнаружено. Analogs of sol-gel inks for color inkjet printing, which allow color interference images to be printed with colorless ink, formed by at least one refractive layer transparent in the visible region of the spectrum xerogel, in the scope of the search, was not found.
Наиболее близким по технической сущности и получаемому техническому результату аналогом-прототипом является способ получения золя оксида титана, включающий стадии: а) повышения температуры реагента раствора, содержащего предшественник оксида титана в качестве растворителя для реакции до температуры реакции 70 до 95; б) получение золя оксида титана с добавлением кислотного катализатора с раствором реагента и проведения реакции золь-гель при удалении растворителя для реакции из него; и в) сушки готового золя методом сублимационной сушки, сушки нормальной давления или вакуумной сушки и повторное диспергирование высушенного титана в растворителе для дисперсии. Золь- гель реакцию при удалении растворителя для реакции на стадии б) проводят при температуре от 70 до 95°С. Растворитель для реакции и растворитель для диспергирования является одинаковым или разным одним или более растворителей, выбранных из группы, состоящей из воды, низшего спирта из СГС5, высшего спирта С6 или более, этиленгликоль, и ацетил ацетона. Низший спирт представляет собой метанол, этанол, пропанол, изопропиловый спирт, бутиловый спирт, изобутиловый спирт или и высший спирт является поливиниловый спирт. Предшественник оксида титана представляет собой один или несколько соединений, выбранных из группы, состоящей из титана, тетраэтоксисилана тетраизопропоксититан, тетрабутоксицирконий титана, хлорид титанила, титанилсульфата и оксититанилсульфат. Кислотный катализатор представляет собой один или несколько соединений, выбранных из группы, состоящей из азотной кислоты, серной кислоты, соляной кислоты, и уксусной кислоты. Кислотный катализатор добавляют в количестве от 1 1 до 30 частей по массе в расчете на 100 частей по массе предшественника оксида титана. Один или более неорганических солей, выбранных из группы, состоящей из NaCl, КС1, NaBr и КВг, или одним или несколькими поверхностно-активными веществами, выбранными из
группы, состоящей из натрия додецилсульфата, бромид цетилтриметил аммония и цетилтриметил аммония хлорид, добавляется к раствору реагента на стадии а) в количестве от 1 до 10 частей по массе в расчёте на 100 частей по массе предшественника оксида титана. Первичные частицы диоксида титана, имеющие средний диаметр от 1 до 200 нм в кристаллической форме анатаза или рутила. Вторичные частицы диоксида титана имеют средний диаметр 200 нм или менее. Золь диоксида титана имеет содержание твёрдого вещества от 8 до 50 мае. %. Композиция для покрытия очков, очков промышленной безопасности или очков для отдыха содержит золь диоксида титана в количестве от 10 до 70 мае. % [WO2007073043 2007-06-28 C01G23/047 прототип]. The closest prototype analogue in technical essence and technical result obtained is a method for producing a titanium oxide sol, comprising the steps of: a) increasing the temperature of the reagent solution containing the titanium oxide precursor as a solvent for the reaction to a reaction temperature of 70 to 95; b) obtaining a titanium oxide sol with the addition of an acid catalyst with a reagent solution and carrying out a sol-gel reaction while removing the solvent for the reaction from it; and c) drying the prepared sol by freeze-drying, normal pressure drying, or vacuum drying and re-dispersing the dried titanium in a dispersion solvent. The sol-gel reaction when removing the solvent for the reaction in step b) is carried out at a temperature of from 70 to 95 ° C. The solvent for the reaction and the solvent for dispersion is the same or different one or more solvents selected from the group consisting of water, a lower alcohol from C G C 5 , a higher alcohol C 6 or more, ethylene glycol, and acetyl acetone. The lower alcohol is methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, or isobutyl alcohol or and the higher alcohol is polyvinyl alcohol. The titanium oxide precursor is one or more compounds selected from the group consisting of titanium, tetraethoxysilane tetraisopropoxy titanium, titanium tetrabutoxy zirconium, titanyl chloride, titanyl sulfate and oxytitanyl sulfate. An acid catalyst is one or more compounds selected from the group consisting of nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, and acetic acid. The acid catalyst is added in an amount of from 1 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the titanium oxide precursor. One or more inorganic salts selected from the group consisting of NaCl, KCl, NaBr and KBr, or one or more surfactants selected from of the group consisting of sodium dodecyl sulfate, cetyltrimethyl ammonium bromide and cetyl trimethyl ammonium chloride are added to the reagent solution in step a) in an amount of 1 to 10 parts by weight, based on 100 parts by weight of the titanium oxide precursor. Primary particles of titanium dioxide having an average diameter of from 1 to 200 nm in the crystalline form of anatase or rutile. Secondary titanium dioxide particles have an average diameter of 200 nm or less. The titanium dioxide sol has a solids content of May 8 to 50. % The composition for coating glasses, industrial safety glasses or leisure glasses contains a sol of titanium dioxide in an amount from May 10 to May 70. % [WO2007073043 2007-06-28 C01G23 / 047 prototype].
Технология получения золя наночастиц кристаллического диоксида титана по прототипу WO2007073043 предполагает выполнение многостадийных операций, направленных на получение функциональных золь-гель порошковых и пленочных материалов. Стадии, описывающие получение порошка, включают протекание гидролиза с последующей протонизацией и дальнейшее осаждение с использованием сушки. При этом полученные в прототипе значения коэффициента преломления, не превышающие величины 1.6, позволяют сосредоточить области применения полученных покрытий на основе нанокристаллических золей Т 2 исключительно в качестве просветляющих (то есть обесцвечивающих!) и УФ защищающих слоев для очков различного функционального предназначения. The technology for producing sols of crystalline titanium dioxide nanoparticles according to the prototype WO2007073043 involves the implementation of multi-stage operations aimed at obtaining functional sol-gel powder and film materials. The steps for preparing the powder include hydrolysis followed by protonization and further precipitation using drying. At the same time, the values of the refractive index obtained in the prototype, not exceeding 1.6, make it possible to concentrate the field of application of the coatings obtained on the basis of T 2 nanocrystalline sols solely as antireflective (i.e., bleaching!) And UV protective layers for glasses for various functional purposes.
Вместе с тем технология по прототипу WO2007073043 не позволяет получать седментационно устойчивые золи (коллоиды) на основе кристаллического диоксида титана без использования стадии полного обезвоживания или сушки. Это, в свою очередь, не позволяет достигать высоких значений показателя преломления (более 1.7) во всем видимом диапазоне даже после введения легколетучего растворителя и, следовательно, не позволяет формировать цветные интерфереционные
наноструктуры. However, the technology of the prototype WO2007073043 does not allow obtaining sedimentation-resistant sols (colloids) based on crystalline titanium dioxide without using the stage of complete dehydration or drying. This, in turn, does not allow to achieve high values of the refractive index (more than 1.7) in the entire visible range even after the introduction of a volatile solvent and, therefore, does not allow the formation of color interference nanostructures.
Сущность изобретения SUMMARY OF THE INVENTION
Основной задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности струйной печати цветных интерференционных изображений на непористых поверхностях посредством специально приготовляемых бесцветных золь-гель чернил с возможностью наблюдения цветных изображений в отраженном свете видимого спектра, что само по себе особо уникально для струйного метода печати. The main objective of the invention is to enable inkjet printing of color interference images on non-porous surfaces by means of specially prepared colorless sol-gel inks with the ability to observe color images in reflected light of the visible spectrum, which in itself is especially unique to the inkjet printing method.
Техническими результатами, получаемым при реализации и использовании изобретения являются: The technical results obtained by the implementation and use of the invention are:
- формирование методом струйной печати оптических пленочных наноструктур из нанокристаллического золя диоксида титана с точностью до 10 нм, обеспечивающих появление управляемой интерференции, в то время как обычно струйная печать фокусируется на микрометровом манипулировании печатных объектов, и только в исключительных случаях переходит в наномасштаб; - the formation by inkjet printing of optical film nanostructures from nanocrystalline sols of titanium dioxide with an accuracy of 10 nm, which provide the appearance of controlled interference, while usually inkjet printing focuses on micrometer manipulation of printed objects, and only in exceptional cases goes into the nanoscale;
- создание нетоксичных чернил для цветной струйной печати на основе химически инертного диоксида титана, в то время как классические цвета струйной печати являются экологически опасными и включают использование токсических соединений, таких как Cd2+ для желтого картриджа; - the creation of non-toxic inkjet inks based on chemically inert titanium dioxide, while classic inkjet colors are environmentally hazardous and include the use of toxic compounds such as Cd 2+ for a yellow cartridge;
- получение чернил для струйной печати не выцветающих от действия солнечных лучей и УФ излучения интерференционно окрашенных изображений, обладающих высокой адгезией к непористой подложке; - obtaining ink for inkjet printing that does not fade from the action of sunlight and UV radiation of interference-colored images that have high adhesion to a non-porous substrate;
- обеспечение возможности повторного нанесения чернилами для струйной печати рефрактивных слоев и повторного использования подложки с возможностью удаления нанесенных слоев водными растворителями.
Характерной отличительной оригинальной особенностью изобретения является использование технологии струйной печати для создания цветных интерференционных нанослоев слоев ксерогеля нанокристаллического диоксида титана с высокой точностью без использования высоких температур и технически сложных физических процессов. - providing the possibility of re-application of ink for inkjet printing of refractive layers and reuse of the substrate with the ability to remove the applied layers with aqueous solvents. A characteristic distinctive original feature of the invention is the use of inkjet printing technology to create color interference nanolayers of xerogel layers of nanocrystalline titanium dioxide with high accuracy without the use of high temperatures and technically complex physical processes.
Это стало возможным благодаря созданию технологии получения специальных золь-гель чернил на основе нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы, при естественном высыхании которых образуются оптически монолитные покрытия в виде рефрактивного слоя ксерогеля нанокристаллического диоксида титана с высоким коэффициентом преломления (более 2 во всем диапазоне видимого света). This was made possible thanks to the creation of a technology for the production of special sol-gel inks based on a nanocrystalline sol of titanium dioxide of a predominantly anatase phase, during the natural drying of which optically monolithic coatings are formed in the form of a refractory xerogel layer of nanocrystalline titanium dioxide with a high refractive index (more than 2 in the entire range of visible light )
Управление толщиной рефрактивного слоя ксерогеля нанокристаллического диоксида титана с точностью до 10 нм посредством струйного нанесения золь-гель чернил позволяет получать цветные изображения во всем диапазоне цветов видимого спектра света с контролируемой интерференцией с использованием одних бесцветных чернил. Controlling the thickness of the xerogel refractory layer of nanocrystalline titanium dioxide with an accuracy of 10 nm by means of a jet application of sol-gel ink allows to obtain color images in the entire color range of the visible light spectrum with controlled interference using only colorless ink.
Отсутствие красителей в предлагаемых золь-гель чернилах для цветной струйной печати обладает высокой перспективностью с экологической стороны, так как применяемые системы на основе нанокристаллических золей анатаза диоксида титана нетоксичны и биоинертны. The absence of dyes in the proposed sol-gel inks for color inkjet printing is highly promising from an environmental perspective, since the systems used based on nanocrystalline anatase titanium dioxide sols are non-toxic and bioinert.
Согласно изобретения предлагается принципиально новый способ приготовления методами растворной химии золь-гель бесцветных чернил для цветной интерференционной струйной печати для создания цветных интерференционных изображений струйным методом печати, обеспечивающих возможность создания рефрактивных покрытий с заданной толщиной с точностью до 10 нм, необходимых для создания
цветных интерференционных изображений даже на неподготовленных гладких полимерных пленках. According to the invention, a fundamentally new method for preparing sol-gel colorless inks for color interference inkjet printing is proposed for creating color interference images by inkjet printing, which makes it possible to create refractive coatings with a given thickness with an accuracy of 10 nm, necessary to create color interference images even on unprepared smooth polymer films.
Предлагаемый подход закладывает основу для развития принципиально нового направления цветной интерференционной струйной печати и позволяет освоить новые методы формирования оптических нанообъектов с точностью до 10 нм широкодоступными методами струйной печати с использованием обычных струйных принтеров на непористых гладких подложках. The proposed approach lays the foundation for the development of a fundamentally new direction in color interference inkjet printing and allows one to master new methods of forming optical nano-objects with an accuracy of 10 nm using widely available inkjet printing methods using conventional inkjet printers on non-porous smooth substrates.
Поставленная задача решается и требуемый технический результат достигается тем, что согласно изобретения получают золь-гель чернила для цветной интерференционной струйной печати, содержащие нанокристаллический золь диоксида титана преимущественно анатазнои фазы в растворе этилового спирта в воде, характеризующиеся по крайней мере одним из следующей группы свойств: The problem is solved and the required technical result is achieved by the fact that according to the invention receive sol-gel ink for color interference inkjet printing containing nanocrystalline sol of titanium dioxide predominantly anatase phase in a solution of ethyl alcohol in water, characterized by at least one of the following properties:
наличием наночастиц диоксида титана в виде кристаллов диоксида титана преимущественно анатазной фазы с содержанием аморфной фазы диоксида титана не более 5 %, the presence of titanium dioxide nanoparticles in the form of crystals of titanium dioxide of a predominantly anatase phase with a content of an amorphous phase of titanium dioxide of not more than 5%,
концентрацией нанокристаллических частиц диоксида титана 1-5 мае. %, the concentration of nanocrystalline particles of titanium dioxide on May 1-5. %
размером нанокристаллических частиц диоксида титана 5-200 нм, средним гидродинамическим диаметром частиц нанокристаллического золя диоксида титана не более 200 нм, преимущественно 15,8 нм, the size of the nanocrystalline particles of titanium dioxide 5-200 nm, the average hydrodynamic diameter of the particles of the nanocrystalline sol of titanium dioxide is not more than 200 nm, mainly 15.8 nm,
дзета-потенциалом наночастиц диоксида титана не менее +30 мВ, преимущественно +36 ± 5 мВ, the zeta potential of titanium dioxide nanoparticles is not less than +30 mV, mainly +36 ± 5 mV,
возможностью формирования прозрачного в видимой области спектра рефрактивного слоя ксерогеля диоксида титана толщиной от 300 нм до 1000 нм с показателем преломления более 1,7, the possibility of forming a transparent in the visible spectrum of the refractive layer of the xerogel of titanium dioxide with a thickness of 300 nm to 1000 nm with a refractive index of more than 1.7,
концентрацией этилового спирта в воде не более 70 мае. % при преимущественном соотношении этиловый спирт:вода 3: 1,
вязкостью не более 2,5мПа*с, преимущественно 2, 1мПа*с, поверхностным натяжением не более 30 нН/м преимущественно 27 нН/м the concentration of ethyl alcohol in water no more than 70 may. % with a predominant ratio of ethyl alcohol: water 3: 1, viscosity not more than 2.5 mPa * s, mainly 2, 1 mPa * s, surface tension not more than 30 nN / m, mainly 27 nN / m
длительностью седиментационной устойчивости нанокристаллического золя диоксида титана не менее 1 года. the duration of sedimentation stability of the nanocrystalline sol of titanium dioxide for at least 1 year.
Золь-гель чернил для цветной интерференционной струйной печати, содержащие нанокристаллический золь диоксида титана, в растворе этилового спирта в воде, согласно изобретения получают в два этапа: Sol-gel ink for color interference inkjet printing containing nanocrystalline sol of titanium dioxide in a solution of ethyl alcohol in water, according to the invention, is obtained in two stages:
на первом этапе получают нанокристаллический золь диоксида титана преимущественно анатазной фазы в воде, at the first stage receive a nanocrystalline sol of titanium dioxide predominantly anatase phase in water,
а на втором этапе из нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы в воде получают золь-гель чернила для цветной интерференционной струйной печати в виде нанокристаллического золя диоксида титана в растворе этилового спирта в воде, с требуемыми для струйной печати плотностью, вязкостью и поверхностным натяжением. and in the second stage, a sol-gel ink for color interference inkjet printing in the form of a nanocrystalline titanium dioxide sol in a solution of ethyl alcohol in water is obtained from a nanocrystalline sol of titanium dioxide of a predominantly anatase phase in water, with the density, viscosity and surface tension required for inkjet printing.
Нанокристаллический золь диоксида титана преимущественно анатазной фазы в воде получают путем: A nanocrystalline sol of titanium dioxide of a predominantly anatase phase in water is obtained by:
получения раствора алкоксида титана смешением изопропоксида титана и 2-пропанола, obtaining a solution of titanium alkoxide by mixing titanium isopropoxide and 2-propanol,
гидролиза алкоксида гитана с образованием устойчивых кристаллических зародышей оксида титана анатазной фазы в воде, hydrolysis of guitar alkoxide with the formation of stable crystalline nuclei of anatase titanium oxide in water,
проведения температурной дегидратации аморфного оксигидроксида титана нагревом до 70 °С в кислой среде, conducting temperature dehydration of amorphous titanium oxyhydroxide by heating to 70 ° C in an acidic environment,
созданием кислой среды и выдержкой при 80 °С в течение 1-го часа с увеличением содержания кристаллической фазы оксида титана анатазной фазы и с получением нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы с размером кристаллов диоксида титана не более 200 нм преимущественно 5-200 нм, со средним гидродинамическим диаметром частиц золя не более 30 нм
преимущественно 15,8 нм, с дзета-потенциалом частиц золя не менее +30 мВ преимущественно +36 ± 5 мВ, the creation of an acidic medium and holding at 80 ° C for 1 hour with an increase in the content of the crystalline phase of the anatase phase titanium oxide and obtaining a nanocrystalline titanium dioxide sol of a predominantly anatase phase with a titanium dioxide crystal size of not more than 200 nm, mainly 5-200 nm, with average hydrodynamic diameter of sol particles no more than 30 nm predominantly 15.8 nm, with a zeta potential of sol particles of at least +30 mV, predominantly +36 ± 5 mV,
стабилизации нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы путем протонизации частиц золя в присутствии азотной кислоты и выдержке в течении 1-2 недель при комнатной температуре при постоянном перемешивании с получением стабильного нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы с содержанием аморфной фазы диоксида титана не более 5%, с размером кристаллов диоксида титана 5- 200 нм, преимущественно анатазной фазы, со средним гидродинамическим диаметром частиц золя не более 200 нм преимущественно 15.8 нм, с дзета- потенциалом частиц золя не менее +30 мВ преимущественно +36,1+5,3 мВ. stabilization of the nanocrystalline sol of titanium dioxide predominantly anatase phase by protonization of the sol particles in the presence of nitric acid and holding for 1-2 weeks at room temperature with constant stirring to obtain a stable nanocrystalline sol of titanium dioxide predominantly anatase phase with a content of the amorphous phase of titanium dioxide not more than 5% with a titanium dioxide crystal size of 5-200 nm, mainly of the anatase phase, with an average hydrodynamic diameter of the sol particles of not more than 200 nm predominantly 15.8 nm, with a zeta potential of sol particles of at least +30 mV, mainly + 36.1 + 5.3 mV.
Золь-гель чернила для цветной интерференционной струйной печати в виде нанокристаллического золя диоксида титана в растворе этилового спирта в воде получают путем: Sol-gel ink for color interference inkjet printing in the form of a nanocrystalline sol of titanium dioxide in a solution of ethyl alcohol in water is obtained by:
доведения параметра вязкости нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы в воде до показателя не более 2,1 мПа*с посредством концентрирования золя наночастиц диоксида титана преимущественно анатазной фазы в воде до концентрации не менее 8 мае. % вакуумным выпариванием при температуре 50 °С, bringing the viscosity parameter of a nanocrystalline sol of titanium dioxide of a predominantly anatase phase in water to an index of not more than 2.1 MPa * s by concentrating a sol of nanoparticles of titanium dioxide of a predominantly anatase phase in water to a concentration of not less than May 8. % by vacuum evaporation at a temperature of 50 ° C,
получения необходимой плотности и поверхностного натяжения нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы не более 25 мН/м добавлением этанола до концентрации этилового спирта в воде не более 70 масс. %, obtaining the required density and surface tension of the nanocrystalline sol of titanium dioxide predominantly anatase phase of not more than 25 mN / m by adding ethanol to a concentration of ethyl alcohol in water of not more than 70 mass. %
обеспечения фазового равновесия между водой и этиловым спиртом гомогенизацией в течении не менее 12 суток с получением нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной формы в растворе этилового спирта в воде, характеризующегося по крайней мере одним из следующей группы свойств: ensuring phase equilibrium between water and ethanol by homogenization for at least 12 days to obtain a nanocrystalline sol of titanium dioxide predominantly anatase in a solution of ethyl alcohol in water, characterized by at least one of the following group of properties:
наличием нанокристаллических частиц диоксида титана в виде
кристаллов диоксида титана преимущественно анатазной фазы с содержанием аморфной фазы диоксида титана не более 5%, the presence of nanocrystalline particles of titanium dioxide in the form crystals of titanium dioxide predominantly anatase phase with a content of an amorphous phase of titanium dioxide of not more than 5%,
концентрацией нанокристаллических частиц диоксида титана 1-5 мае. %, the concentration of nanocrystalline particles of titanium dioxide on May 1-5. %
размером нанокристаллических частиц диоксида титана 5-200 нм, средним гидродинамическим диаметром частиц золя не более 20 нм, преимущественно 15,8 нм, the size of the nanocrystalline particles of titanium dioxide 5-200 nm, the average hydrodynamic diameter of the sol particles is not more than 20 nm, mainly 15.8 nm,
дзета-потенциалом частиц золя не менее +30 мВ, преимущественно the zeta potential of sol particles is not less than +30 mV, mainly
+36 ± 5 мВ мВ, +36 ± 5 mV mV,
возможностью формирования прозрачного в видимой области спектра рефрактивного слоя ксерогеля нанокристаллического диоксида титана толщиной от 300 нм до 1 мкм с показателем преломления более 1,7, концентрацией этилового спирта в воде не более 70 масс. % при преимущественном объемном соотношении этиловый спирт:вода 3: 1, the possibility of forming a nanocrystalline titanium dioxide transparent xerogel refractory xerogel layer visible in the visible spectrum with a thickness of 300 nm to 1 μm with a refractive index of more than 1.7, and a concentration of ethyl alcohol in water of not more than 70 mass. % with a predominant volume ratio of ethyl alcohol: water 3: 1,
вязкостью не более 2,5 мПа*с, преимущественно 2, 1 мПа*с, поверхностным натяжением не более 30 нН/м преимущественно 27 нН/м. viscosity not more than 2.5 MPa * s, mainly 2, 1 MPa * s, surface tension not more than 30 nN / m, mainly 27 nN / m.
При цветной интерференционной печати описанными выше золь- гель чернилами формируют на подложке по крайней мере один прозрачный в видимой области спектра рефрактивный слой ксерогеля нанокристаллического диоксида титана преимущественно анатазной фазы о с толщиной от 300 нм до 1 мкм, In color interference printing with the solgel ink described above, at least one xerogel layer of a nanocrystalline titanium dioxide predominantly anatase phase xerogel transparent with a thickness from 300 nm to 1 μm is formed on a substrate on a substrate,
о с показателем преломления более 1 ,7, преимущественно более 2, about with a refractive index of more than 1, 7, mainly more than 2,
о с изменяющейся цветовой окраской в зависимости от толщины рефрактивного слоя o with varying color depending on the thickness of the refractive layer
Формирование рефрактивного слоя ксерогеля нанокристаллического диоксида титана преимущественно анатазной фазы осуществляют посредством золь-гель чернил в виде нанокристаллического золя диоксида титана, в растворе этилового спирта в воде путем струйной печати,
прокатки, распыления или окунания. The formation of the xerogel refractory layer of nanocrystalline titanium dioxide of a predominantly anatase phase is carried out by means of a sol-gel ink in the form of a nanocrystalline titanium dioxide sol, in a solution of ethyl alcohol in water by inkjet printing, rolling, spraying or dipping.
Управление цветом изображений, напечатанных подробно описанными выше золь-гель чернилами в виде нанокристаллического диоксида титана преимущественно анатазной формы, осуществляют формированием заданного значения толщины рефрактивного слоя нанокристаллического диоксида титана преимущественно анатазной формы посредством: The color management of images printed in detail by the above-described sol-gel ink in the form of nanocrystalline titanium dioxide of predominantly anatase form is carried out by forming a predetermined thickness of the refractive layer of nanocrystalline titanium dioxide of predominantly anatase form by:
послойного нанесения золь-гель чернил до заданного значения толщины рефрактивного слоя ксерогеля, layer-by-layer application of sol-gel ink to a predetermined xerogel refractive layer thickness,
изменением концентрации твердой фазы в золь-гель чернилах, использованием набора золь-гель чернил с заданной концентрацией для формирования определенной толщины рефрактивного слоя ксерогелядиоксида титана с определенным цветом a change in the concentration of the solid phase in the sol-gel ink, using a set of sol-gel inks with a given concentration to form a certain thickness of the refractive layer of titanium xerogel dioxide with a certain color
В результате цветной струйной печати описанными выше золь-гель чернилами, нанокристаллические частицы диоксида титана преимущественно анатазной формы получают печатное изделие с цветным интерференционным изображением на поверхности, содержащее по крайней мере один рефрактивный слой по крайней мере одного рефрактивного слоя ксерогеля нанокристаллического диоксида титана преимущественно анатазной фазы с толщиной рефрактивного слоя от 300 нм до 1мкм, с показателем преломления рефрактивного слоя более 1,7 и с изменяющейся цветовой окраской в зависимости от толщины рефрактивного слоя ксерогеля нанокристаллического диоксида титана. As a result of color inkjet printing with the above-described sol-gel ink, nanocrystalline particles of predominantly anatase titanium dioxide produce a printed product with a color interference image on the surface containing at least one refractive layer of at least one xerogel layer of nanocrystalline titanium dioxide predominantly anatase phase with the thickness of the refractive layer from 300 nm to 1 μm, with a refractive index of the refractive layer of more than 1.7 and with a varying color depending on the thickness of the refractory xerogel layer of nanocrystalline titanium dioxide.
Печатные изделия с цветным интерференционным изображением на получают на непористой гладкой или полированной поверхности с минимальным изменением высоты текстуры по оси z, например на полиэтиленовой (PET) пленке, на поверхности стойкой к воздействию этилового спирта и жидкостей со значением рН не менее 3, на поверхности, содержащей водонерастворимые субстраты, на непрозрачной поверхности или поверхности, содержащей покрытия брегговского зеркала
с сохранением цветопередачи не менее 1 года. Printed products with a color interference image are not obtained on a non-porous smooth or polished surface with a minimal change in texture height along the z axis, for example, on a polyethylene (PET) film, on a surface resistant to ethyl alcohol and liquids with a pH value of at least 3, on the surface, containing water-insoluble substrates on an opaque surface or a surface containing Bragg mirror coatings with preservation of a color rendition not less than 1 year.
Краткое описание фигур чертежей Brief Description of the Drawings
На фиг. 1 ,2,3 показаны примеры напечатанных на струйном принтере цветных изображений, полученных в результате интерференции в тонких пленках ксерогеля нанокристаллического диоксида титана посредством золь-гель чернил, полученных предлагаемым способом. Осуществление изобретения In FIG. 1, 2, 3 show examples of color images printed on an inkjet printer, obtained as a result of interference in nanocrystalline titanium dioxide xerogel thin films by sol-gel ink obtained by the proposed method. The implementation of the invention
В отличии от известных способов создания интерфереционного эффекта на твердых материалах, то есть образования тонкопленочных рефрактивных структур с измененным показателем преломления, которые реализуются обычно с использование технически сложного физического (лазерного, температурного или вакуумного) воздействия, предлагаемое изобретение основано на методах растворной химии. In contrast to the known methods for creating an interference effect on solid materials, that is, the formation of thin-film refractive structures with a modified refractive index, which are usually realized using technically complex physical (laser, temperature or vacuum) exposure, the invention is based on the methods of solution chemistry.
Предлагаемый способ позволяет получать получения золь-гель чернила для цветной струйной печати методами растворной химии, позволяющие создавать тонкие (толщиной 5 - 10 нм) интерфереционные рефрактивные слои экологически не опасного и биологически инертного неорганического материала (ксерогеля нанокристаллического диоксида титана анатазной формы), которые после нанесения на подложку обеспечивают два обязательных для наблюдения явления интерференции условия, а именно - получение показателя преломления выше 1,7, то есть более высокого чем у простого полимера (1,5), а также формирование рефрактивного слоя после высыхания с заданной толщиной нанодиапазона, комплиментарной длине световой волны видимого спектра от 300 нм до 1мкм с точностью до 10 нм. The proposed method allows to obtain obtaining sol-gel ink for color inkjet printing using solution chemistry methods that allow you to create thin (5-10 nm thick) interference refractive layers of environmentally friendly and biologically inert inorganic material (xerogel nanocrystalline anatase titanium dioxide), which after application two conditions are mandatory for observing the phenomena of interference on the substrate, namely, obtaining a refractive index above 1.7, i.e., a higher in simple polymer (1.5), and the refractive forming layer after drying with a predetermined thickness nanoscale, complementary light wavelength of the visible spectrum from 300 nm to 1 micron up to 10 nm.
При этом в отличие от известных высокорефрактивных органических полимеров, параметр вязкости в получаемых золь-гель
чернилах может быть настроен сравнительно простым путем управления стадией гелирования. Более того, в случае высокой степени химической протонизации поверхности наночастиц золя вязкость будет определяться в основном концентрацией растворителя (преимущественно этанола), при этом седиментация нанокристаллических частиц золя диоксида титана в таком случае исключена. Moreover, in contrast to the well-known highly refractive organic polymers, the viscosity parameter in the resulting sol-gel Ink can be set up in a relatively simple way by controlling the gelation stage. Moreover, in the case of a high degree of chemical protonization of the surface of the sol nanoparticles, the viscosity will be determined mainly by the concentration of the solvent (mainly ethanol), while sedimentation of the nanocrystalline particles of the sol of titanium dioxide in this case is excluded.
Настройка требуемых для струйной печати реологических свойств получаемых золь-гель чернил осуществляется управлением фазового золь- гель перехода и введением в состав золь-гель чернил легколетучих растворителей, преимущественно - этилового спирта (далее - этанола). The rheological properties required for inkjet printing of the obtained sol-gel ink are adjusted by controlling the phase sol-gel transition and introducing volatile solvents, mainly ethyl alcohol (hereinafter, ethanol), into the composition of the sol-gel ink.
Именно это достоинство получаемых золь-гель чернил делает их уникальными для применения в качестве материала для создания экологически безопасной цветной интерференционной струйной печати. It is this advantage of the obtained sol-gel ink that makes them unique for use as a material for creating environmentally friendly color interference inkjet printing.
Полученные по предлагаемой технологии цветные интерференционные печатные изделия обладают уникальными свойствами, такими как отсутствие изменения цвета со временем, что является перспективным для долгосрочного хранения цветных изображений, так как основной материал (нанокристаллический диоксид титана) чрезвычайно стабилен, инертен и не разлагается в течении длительного времени даже под действие УФ излучения. Obtained by the proposed technology, color interference printing products have unique properties, such as the absence of color change over time, which is promising for long-term storage of color images, since the main material (nanocrystalline titanium dioxide) is extremely stable, inert and does not decompose for a long time even under the influence of UV radiation.
Струйная печать пполучаемыми высокорефрактивными золь-гель чернилами позволяет использовать полимерные подложки без предварительного модифицирования и нанесения связующих слоев, которые обычно используются в струйной печати. Inkjet printing with the resulting highly refractive sol-gel inks allows the use of polymer substrates without first modifying and applying the binder layers that are commonly used in inkjet printing.
Учитывая способность многих неорганических золей (коллоидов) к ресуспендированию предлагаемая технология печати является универсальной и может быть многократно использована при повторном нанесении изображения на полимерный субстрат или на ранее изготовленное изображение. Considering the ability of many inorganic sols (colloids) to resuspend, the proposed printing technology is universal and can be reused when re-applying the image to a polymer substrate or to a previously made image.
Среди множества неорганических коллоидов, которые можно
адаптировать к струйной печати и активно использовать уже сейчас, только несколько можно отнести к высокорефрактивным, обладающим высокой прозрачностью и не дорогие в использовании, например, ZrO2, Ti02, ZnO, FeO. Among the many inorganic colloids that can be adapt to inkjet printing and actively use it now, only a few can be attributed to highly refractive, with high transparency and not expensive to use, for example, ZrO 2 , Ti0 2 , ZnO, FeO.
Общим свойством указанных оксидов является способность образовывать прозрачные слои в видимой области света с высоким показателем преломления,, больше 1.5. A common property of these oxides is the ability to form transparent layers in the visible region of light with a high refractive index, greater than 1.5.
Для других неорганических соединений существуют проблемы с устойчивостью их золей в связи с протеканием спонтанного гелирования, отсутствием УФ поглощение (что важно для высокой стабильности напечатанных изображений) и недостаточные адгезионные свойства. For other inorganic compounds, there are problems with the stability of their sols due to the occurrence of spontaneous gelling, the absence of UV absorption (which is important for the high stability of printed images) and insufficient adhesive properties.
Наиболее предпочтительным из них является диоксид титана ТЮ2, по следующим причинам: The most preferred of these is titanium dioxide TU 2 , for the following reasons:
- получение кристаллических золь-гель систем диоксида титана достаточно хорошо изучено, - the preparation of crystalline sol-gel systems of titanium dioxide is quite well understood,
- показатель преломления диоксида титана в фазе анатаза составляет - the refractive index of titanium dioxide in the anatase phase is
2,61, 2.61,
- ксерогель наноклисталлического диоксида титана полностью прозрачен в видимой области и в УФ области и имеет повышенный показатель преломления (более 2), - the xerogel of nanocrystalline titanium dioxide is completely transparent in the visible region and in the UV region and has an increased refractive index (more than 2),
- диоксид титана легко кристаллизуется в условиях температурной дегидратации, так как практически всегда имеет кристаллическое ядро, - titanium dioxide easily crystallizes under conditions of temperature dehydration, since it almost always has a crystalline core,
- высокое значение изоэлектрической точки (I.E.P. = 5,9) позволяет получать высокостабильные, седиментационно устойчивые золи диоксида титана, - a high value of the isoelectric point (I.E.P. = 5.9) allows to obtain highly stable, sedimentation-resistant sols of titanium dioxide,
- диоксиду титана свойственен фазовый золь-гель переход. - titanium dioxide is characterized by a phase sol-gel transition.
Как показали исследования авторов, для синтеза нанокрсталлических частиц ТЮ2 преимущественно анатазной фазы из алкоксидов титана наиболее предпочтителен изопропилат титана, образующий при гидролизе устойчивые кристаллические зародыши.
Стадия золеобразования, то есть формирование дисперсной твердой фазы, включает последовательно стадии гидролиза и конденсации как механизма формирования и роста наночастиц. As the studies of the authors have shown, for the synthesis of nanocrystalline particles of Ti 2 predominantly anatase phase from titanium alkoxides, titanium isopropylate is most preferred, which forms stable crystalline nuclei during hydrolysis. The stage of ash formation, that is, the formation of a dispersed solid phase, includes successively the stages of hydrolysis and condensation as a mechanism for the formation and growth of nanoparticles.
Схематично взаимодействие алкоголятов с водой (реакции гидролиза) можно представить следующим образом (где R- алкоксидный радикал, например С3Н70): Schematically, the interaction of alcoholates with water (hydrolysis reaction) can be represented as follows (where R is an alkoxide radical, for example C 3 H 7 0):
=Ti-OR+H20->=Ti-OH+R-(OH) = Ti-OR + H 2 0 -> = Ti-OH + R- (OH)
ΞΊΪ-ΟΗ +RO-Ti->=Ti-0-Ti^ R-(OH) ΞΊΪ-ΟΗ + RO-Ti -> = Ti-0-Ti ^ R- (OH)
Использование изопропилата титана в качестве неорганического прекурсора, имеет ряд существенных преимуществ. К одним из наиболее важных относится возможность осуществления ступенчатого гидролиза, за счёт регулирования условий синтеза. The use of titanium isopropylate as an inorganic precursor has several significant advantages. One of the most important is the possibility of stepwise hydrolysis, due to the regulation of synthesis conditions.
15 с3н7о он 15 s 3 n 7 about he
Ti(C3H70)4 + Н20— > ' +С3Н7ОН Ti (C 3 H 7 0) 4 + H 2 0—>' + C 3 H 7 OH
с3н7о с3н7о s 3 n 7 o s 3 n 7 o
или or
с3н7о он with 3 n 7 about he
20 Ti(C3H70)4 + — +2 С3Н7ОН 20 Ti (C 3 H 7 0) 4 + - +2 C 3 H 7 OH
с3н7о он with 3 n 7 about he
Из-за высокой реакционной способности такого прекурсора, его использование осуществляется с добавлением всевозможных органических 2<. модификаторов, позволяющих предотвратить процессы агрегации. Due to the high reactivity of such a precursor, its use is carried out with the addition of various organic 2 < . modifiers to prevent aggregation processes.
В данном конкретном случае предотвращение агрегации осуществлялось протонированием поверхности наночастиц диоксида титана добавлением азотной кислоты. In this particular case, aggregation was prevented by protonating the surface of titanium dioxide nanoparticles with the addition of nitric acid.
После протекания гидролиза за формирование золя отвечают ^ механизмы конденсации. Они протекают по следующим реакциям:
а) алкоксилирование: After hydrolysis, the formation of sols is responsible for the condensation mechanisms. They proceed according to the following reactions: a) alkoxylation:
ΞΤΪ -ОН + i-C3H7O ~Τι= -> =Τι -О- Ti= +i-C3H7OH ΞΤΪ -OH + iC 3 H 7 O ~ Τι = -> = Τι -О- Ti = + iC 3 H 7 OH
б) оксилирование:b) oxidation:
в) оляция: c) olation:
Н ΞΤί N ΞΤί
ΞΤΐ-ΟΗ + S Q / - \ О -НЕ + i-C3H7OH i-C3H7 / ΞΤΐ-ΟΗ + SQ / - \ O-HE + iC 3 H 7 OH iC 3 H 7 /
Ключевую роль в дальнейшем структурировании играют процессы поликонденсации, способствующие образованию гибридных связей и формированию упорядоченных структур в виде массива геля, т.е. по принципу гелеобразования: The key role in further structuring is played by polycondensation processes that promote the formation of hybrid bonds and the formation of ordered structures in the form of a gel array, i.e. according to the principle of gelation:
Дегидратная поликонденсация: Dehydrated Polycondensation:
с3н7о он он с3н7о с3н7о оч .с3н7о from 3 n 7 o he is from 3 n 7 o s 3 n 7 o o h . from 3 n 7 o
+ \ Ч + Н2( с3н7о / \ с3н7о с3н7о / \r сзuН7nо СзН7о / \ о Чг ^зНн7ои или + \ B + H 2 (C 3 H 7 o / \ C 3 H 7 C 3 H 7 on / \ r with s u H 7n about SzN7 o / \ o H r zNn or 7 ou
Периодичность таких структур существенно зависит от многих параметров и условий синтеза. Образование таких мостиков связи определяет наличие наноструктур в подобных материалах и их конечные свойства, обуславливая протекание золь-гель перехода в системе ТЮ2. The frequency of such structures substantially depends on many parameters and synthesis conditions. The formation of such bond bridges determines the presence of nanostructures in such materials and their final properties, causing the occurrence of the sol-gel transition in the TU 2 system.
Стадия гелеобразования для интерференционной струйной печати предлагаемыми золь-гель чернилами протекает уже непосредственно на подложке, так как основным условием гелеообразования является увеличение плотности коагуляционного контакта, который достигается естественным удалением легколетечего растворителя, преимущественно этанола. В противном случае гелеобразование может протекать внутри картриджа с чернилами, что для стабильности струйной печати является недопустимым. The gel formation stage for interference inkjet printing by the proposed sol-gel inks proceeds directly on the substrate, since the main condition for gel formation is an increase in the density of the coagulation contact, which is achieved by the natural removal of a volatile solvent, mainly ethanol. Otherwise, gelling may occur inside the ink cartridge, which is unacceptable for ink jet stability.
Золь-гель чернила для цветной интерференционной струйной печати в виде нанокристаллического золя диоксида титана, в растворе этилового спирта в воде приготавливают в два этапа, Sol-gel ink for color interference inkjet printing in the form of a nanocrystalline sol of titanium dioxide, in a solution of ethyl alcohol in water is prepared in two stages,
на первом этапе получают нанокристаллический золь диоксида титана преимущественно анатазной фазы в воде, at the first stage receive a nanocrystalline sol of titanium dioxide predominantly anatase phase in water,
а на втором этапе из нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной формы в воде получают золь-гель чернила для цветной интерференционной струйной печати в виде нанокристаллического золя диоксида титана в растворе этилового спирта в воде, с требуемыми для струйной печати плотностью, вязкостью и поверхностным натяжением. and at the second stage, a sol-gel ink for color interference inkjet printing in the form of a nanocrystalline titanium dioxide sol in a solution of ethyl alcohol in water is obtained from a nanocrystalline titanium dioxide sol of a predominantly anatase form in water, with the density, viscosity and surface tension required for inkjet printing.
Для приготовления нанокристаллического золя диоксида титана в воде вначале готовят два раствора: To prepare a nanocrystalline sol of titanium dioxide in water, two solutions are first prepared:
Для первого раствора используется 3-16 мл изопропоксида титана и
12-50 мл 2-пропанола. Такая концентрация обеспечивает содержание твердой фазы в итоговых золь-гель чернилах на уровне 1-5 мае. %. For the first solution, 3-16 ml of titanium isopropoxide and 12-50 ml of 2-propanol. This concentration ensures the solids content in the resulting sol-gel ink at the level of May 1-5. %
Для приготовления второго раствора в 100 мл воды добавляют 0,7- 2,4 мл азотной кислоты и смесь нагревают до 70 °С для инициации процесса температурной дегидратации и увеличения содержание кристаллической фазы, после чего во второй раствор постепенно при перемешивании добавлялся первый. To prepare a second solution, 0.7- 2.4 ml of nitric acid is added to 100 ml of water and the mixture is heated to 70 ° C to initiate the process of temperature dehydration and increase the content of the crystalline phase, after which the first is gradually added to the second solution with stirring.
Введение кислоты способствует изменению рН раствора, отвечающее за процесс кристаллообразования и увеличение ионной силы раствора, способствуя приросту мобильности молекул и ускорению растворения молекулярной «шубы» из лигандов и ионов кристаллических Ti02 зародышей. Вследствие этого увеличивается степень протонизации поверхности частиц до значения дзетта потенциала не менее +36 ± 5 мВ, что обеспечивает высокую стабильность коллоидных частиц и приводит к требуемому размеру формирующихся кристаллических образований диоксида титана на уровне около 5-200 нм, преимущественно анатазной фазы. The introduction of acid promotes a change in the pH of the solution, which is responsible for the process of crystal formation and an increase in the ionic strength of the solution, contributing to an increase in the mobility of the molecules and accelerate the dissolution of the molecular "coat" of ligands and ions of crystalline Ti0 2 nuclei. As a result, the degree of protonization of the particle surface increases to a zeta potential of at least +36 ± 5 mV, which ensures high stability of colloidal particles and leads to the required size of the formed crystalline formations of titanium dioxide at a level of about 5-200 nm, mainly of the anatase phase.
Полученную смесь выдерживают 1 час при температуре 80 °С, после чего закрывают герметично пленкой и выдерживают в течении 1-2 недель при комнатной температуре с перемешиванием. The resulting mixture was incubated for 1 hour at a temperature of 80 ° C, after which it was sealed with a film and incubated for 1-2 weeks at room temperature with stirring.
Длительная выдержка способствует достижению равновесию коллоидной системы золя и постепенному увеличению содержания кристаллической фазы до показателя не менее 95% относительно твёрдой фазы. Long exposure helps to achieve equilibrium of the colloidal system of the sol and a gradual increase in the content of the crystalline phase to an indicator of at least 95% relative to the solid phase.
Полученный раствор нанокристаллического золя диоксида титана в воде не отвечает по своим реологическим показателям критериям струйной печати, таким как плотность, вязкость и поверхностное натяжение, поэтому на втором этапе приготовления золь-гель чернил для интереференционной струйной печати нанокристаллический золь диоксида титана в воде модифицируют легколетучим растворителем,
преимущественно этиловым спиртом (этанолом). The resulting solution of nanocrystalline sol of titanium dioxide in water does not meet the criteria for inkjet printing, such as density, viscosity and surface tension, in its rheological parameters, therefore, at the second stage of the sol-gel ink preparation for interference inkjet printing, the nanocrystalline sol of titanium dioxide in water is modified with a volatile solvent, mainly ethyl alcohol (ethanol).
Преимущественный выбор этанола в качестве легколетучего растворителя обусловлен его низким поверхностным натяжением, экономической дешевизной и доступностью, способностью предварительного сольватирования в воде без разрушения двойного электрического слоя мицелл синтезированного нанокристаллического золя диоксида титана. The predominant choice of ethanol as a volatile solvent is due to its low surface tension, economic cheapness and affordability, the ability to pre-solvate in water without destroying the double electric layer of micelles of the synthesized nanocrystalline sol of titanium dioxide.
Для получения требуемого для струйной печати показателя вязкости синтезированный золь диоксида титана в начале концентрируют упариванием в роторном испарителе под давлением при 50 °С для доведения концентрации твердой фазы ТЮ2 до концентрации не менее 8 масс. %. Это необходимо для доведения параметра вязкости готовых золь- гель чернил на уровне не менее 2, 1 мПа*с, чтобы обеспечить возможность выдавливания капли чернил из сопла печатной головки струйного принтера. To obtain the viscosity index required for inkjet printing, the synthesized sol of titanium dioxide is first concentrated by evaporation in a rotary evaporator under pressure at 50 ° C to bring the concentration of solid phase TU 2 to a concentration of at least 8 mass. % This is necessary to bring the viscosity parameter of the finished sol-gel ink to a level of at least 2.1 MPa * s, in order to ensure the possibility of squeezing a drop of ink from the nozzle of the print head of an inkjet printer.
Для получения требуемого для струйной печати поверхностного натяжения золь-гель чернил водный раствор золя нанокристаллического диоксида титана смешивают с этанолом, преимущественно следующей стехиометрии Н2О/Этанол 1 :3. To obtain the surface tension required for inkjet printing, sol-gel ink, an aqueous solution of sols of nanocrystalline titanium dioxide is mixed with ethanol, mainly the following stoichiometry of H 2 O / Ethanol 1: 3.
Данная стехиометрия обуславливает набор необходимой плотности и поверхностного натяжения не ниже 25 мН/м. This stoichiometry determines the set of required density and surface tension of at least 25 mN / m.
Полученный раствор гомогенизируют в течении не менее 12 суток для достижения фазового равновесия между растворителями. The resulting solution is homogenized for at least 12 days to achieve phase equilibrium between the solvents.
Основные реологические характеристики золь-гель чернил в зависимости от содержания этанола представлены в Таблице 1, где Z параметр вычислялся исходя из уравнения: Z = V(d- σ- δ)/η, где δ - плотность, d - диаметр сопла, σ - поверхностное натяжение, η - вязкость.
Таблица 1The main rheological characteristics of the sol-gel ink depending on the ethanol content are presented in Table 1, where the Z parameter was calculated based on the equation: Z = V (d-σ-δ) / η, where δ is the density, d is the nozzle diameter, and σ is surface tension, η - viscosity. Table 1
Реологические характеристики золь-гель чернил в зависимости от The rheological characteristics of sol-gel ink depending on
содержания этилового спирта (этанола) ethanol content (ethanol)
Эти данные показывают, что наиболее оптимальными для струйной печати по зависимости параметров золь-гель чернил от концентрации этанола ианокристаллическом золе диоксида титана преимущественной фазы анатаза являются золь-гель чернила, содержащие в своем составе 70 мае. % этанола. These data show that the most optimal for inkjet printing according to the dependence of the sol-gel ink parameters on the concentration of ethanol and the crystalline ash of titanium dioxide of the predominant anatase phase are sol-gel inks containing 70 May. % ethanol.
При этом также установлено, что стабильность нанокрис ι аллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы резко понижается при добавлении этанола более 70 мае. %. It was also established that the stability of the nanocris ι allic sol of titanium dioxide of a predominantly anatase phase sharply decreases with the addition of ethanol over May 70. %
Это связано с тем, что этанол изменяет строение двойного электрического слоя частиц ТЮ2, резко понижая их устойчивость. This is due to the fact that ethanol changes the structure of the double electric layer of Ti 2 particles, drastically lowering their stability.
Струйная печать получаемыми золь-гель чернилами может осуществляться практически на любую поверхность из любого материала, отвечающих условиям струйной печати, однако для получения тонких интерферирующих слоев подложка должна соответствовать следующим основным условиям:
иметь непористую, преимущественно гладкую или полированную поверхность с минимальным изменением высоты текстуры по оси z, Inkjet printing with sol-gel ink can be carried out on virtually any surface of any material that meets the conditions of inkjet printing, however, to obtain thin interfering layers, the substrate must meet the following basic conditions: have a non-porous, mostly smooth or polished surface with a minimal change in the height of the texture along the z axis,
обладать стойкостью к воздействию этанола и жидкостей со значением ph не менее 3, be resistant to ethanol and liquids with a ph value of at least 3,
содержать водонерастворимые субстраты. contain water-insoluble substrates.
Формируемые в процессе приготовления золь-гель чернил чернил наночастицы анатаза диоксида титана имеют строение чисто кристаллической структуры, со средним размером кристаллитов около 5 нм, что соответствует направлению межслоевого расстояния бодицентрированной тетрагональном структуры анатаза. Titanium dioxide anatase nanoparticles formed during the preparation of sol-gel ink inks have a purely crystalline structure, with an average crystallite size of about 5 nm, which corresponds to the direction of the interlayer distance of the body-centered tetragonal anatase structure.
Нанокристаллическая решетка из частиц TiO2 крайне важна для получения интерференции в тонких пленках как уже отмечалось ранее. A nanocrystalline lattice of TiO 2 particles is extremely important for obtaining interference in thin films, as already noted.
Полученные авторами данные просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМВР), подтверждают присутствие монокристалличной фазы с высокой степенью кристалличности. The high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) data obtained by the authors confirm the presence of a single crystalline phase with a high degree of crystallinity.
Полученные авторами данные рентгеновской диффракции синтезированных ТЮ2 частиц показывают диффракционные пики на углах 25.411 (101), 37.911 (004), 48.011 (200), 54.011 (105), 54.911 (211) и 62.811 (204), что также подтверждает анатазную ТЮ2 фазу со средним размером кристаллитов на уровне не более 5, вычисленным по уравнению Шерерра. Эти данные полностью согласуются с данными просвечивающей электронной микроскопии и электронограммы. The x-ray diffraction data of the synthesized TU 2 particles obtained by the authors show diffraction peaks at angles 25.411 (101), 37.911 (004), 48.011 (200), 54.011 (105), 54.911 (211) and 62.811 (204), which also confirms the anatase TU 2 phase with an average crystallite size of no more than 5, calculated by the Scherrer equation. These data are completely consistent with the data of transmission electron microscopy and electron diffraction.
Для печати тонких интерференционных слоев - однородность рефрактивной пленки имеет решающее значение для надежности продукта, и чернила, содержащие стабилизированные коллоидные наночастицы, необходимы для жидкофазного осаждения тонких пленок. Для оксидных частиц, чаще всего используют ПАВы для стабилизации коллоидных чернил. Однако, добавление поверхностно-активных веществ или полимеров приводит к значительной потере оптических свойств и стабильности для печатных пленок ТЮ2.
При исследовании использовался простой подход регулирования рН, для протонизации поверхности и увеличения стабильности частиц золя с целью достижения высокой гомогенности формируемых слоев. Протонизация поверхности частиц золя существенно смещает критическую точку гелеобразования, препятствуя развитию коагуляционного контакта между частицами. For printing thin interference layers, the uniformity of the refractive film is critical to product reliability, and inks containing stabilized colloidal nanoparticles are necessary for the liquid phase deposition of thin films. For oxide particles, surfactants are most often used to stabilize colloidal ink. However, the addition of surfactants or polymers leads to a significant loss of optical properties and stability for TU 2 printing films. In the study, a simple pH control approach was used to protonize the surface and increase the stability of sol particles in order to achieve high homogeneity of the formed layers. The protonization of the surface of the sol particles significantly shifts the critical point of gelation, preventing the development of coagulation contact between the particles.
В результате структурообразование по механизму поликонденсации начинает происходить при силе взаимодействия 10""-10"10 н/контакт, когда расстояние между частицами снижается до 10~9 м. As a result, structure formation by the polycondensation mechanism begins to occur when the interaction force is 10 " " -10 "10 n / contact, when the distance between the particles decreases to 10 ~ 9 m.
Такой подход позволяет существенно уменьшить диаметр сопла при сохранении высокой стабильности струйной печати. Таким образом, получение стабильных ТЮ2 золь-гель чернил, должно происходить в интервале рН между 2 и 5. This approach can significantly reduce the diameter of the nozzle while maintaining high stability of inkjet printing. Thus, the production of stable TU 2 sol-gel inks should occur in the pH range between 2 and 5.
Дзетта-потенциал нанкористаллических частиц ТЮ2 в золь-гель чернилах составляет преимущественно +36 mV, что обеспечивает стабильное состояние золя. The zeta potential of TU 2 nanocrystalline particles in sol-gel ink is predominantly +36 mV, which ensures a stable state of the sol.
Для увеличения степени кристалличности частиц золя и соответствующего увеличения показателя преломления твердой фазы увеличивали ионную силу раствора введением соединения с высокой константой диссоциации в виде неорганической азотной кислоты (Ка = 24). To increase the crystallinity of the sol particles and the corresponding increase in the refractive index of the solid phase, the ionic strength of the solution was increased by introducing a compound with a high dissociation constant in the form of inorganic nitric acid (K a = 24).
Учитывая то, что протонирующий агент способен оказывать влияние на фазовый состав ТЮ2 в процессе кристаллизации аморфных частиц золя, этот выбор был обусловлен способностью азотной кислоты способствовать формированию наиболее фотоактивной фазы анатаза. Considering that the protonating agent is capable of influencing the phase composition of Ti 2 during crystallization of amorphous sol particles, this choice was due to the ability of nitric acid to contribute to the formation of the most photoactive phase of anatase.
Наиболее популярные полиморфные модицификации (фазы) ТЮ2 - рутил, анатаз и брукит имеют близкие значения показателя преломления, но преимущество получения анатаза обуславливается использованием рН ближе к нейтральному, минимизируя таким образом влияние коррозионных процессов в печати. The most popular polymorphic modifications (phases) of TU 2 - rutile, anatase and brookite have close refractive index values, but the advantage of producing anatase is determined by using a pH closer to neutral, thus minimizing the effect of corrosion processes in the print.
Наличие легколетучего растворителя (преимущественно этанола) в
золь-гель чернилах способствует быстрому высыханию чернил на пленке.The presence of a volatile solvent (mainly ethanol) in sol-gel ink promotes quick drying of ink on a film.
Этанол играет очень важную роль, потому что он является основным фактором, влияющим на скорость испарения растворителя из чернил. Недостаточная концентрации этанола может способствовать медленной сушке чернил на подложке, коалисценции и не прогнозируемому изменению морфологии, в то время как избыточная концентрация этанола ведет к снижению стабильности частиц из-за разрушения двойного изоэлектрического слоя. Ethanol plays a very important role, because it is the main factor affecting the rate of evaporation of the solvent from the ink. A low concentration of ethanol can contribute to slow drying of the ink on the substrate, coalescence, and an unpredictable change in morphology, while an excess concentration of ethanol leads to a decrease in particle stability due to the destruction of the double isoelectric layer.
Для контрольных экспериментов использовался широко распространенный настольный принтер Canon Pixma IP2870, со стандартными картриджами PG745, CL-746. For control experiments, we used the widespread Canon Pixma IP2870 desktop printer, with standard cartridges PG745, CL-746.
Печатающая головка, встроенная в картридж, имела размер капли 2 пл и диаметр сопла 1,280 мкм. The print head integrated in the cartridge had a droplet size of 2 PL and a nozzle diameter of 1.280 μm.
После промывки картридж наполняли ТЮ2 приготовленными золь- гель чернилами, без дополнительного модифицирования. After washing, the cartridge was filled with TU 2 with prepared sol-gel ink, without any further modification.
В конструкцию принтера и картриджа не вносились никакие конструктивные изменения. No design changes were made to the design of the printer and cartridge.
Вязкость определяли вискозиметром Brookfield НА / НВ, а поверхностное натяжение тензиометром Kyowa DY-700. Viscosity was determined with a Brookfield HA / HB viscometer, and surface tension with a Kyowa DY-700 tensiometer.
Для управления цветом изображения, получаемого после высыхания золя рефрактивного слоя ксерогеля диоксида титана, необходимо формирование ровных гомогенных слоев, для достижения интерферирующего эффекта в твердых тонких пленках. To control the color of the image obtained after drying the sol of the refractive layer of the xerogel of titanium dioxide, it is necessary to form even homogeneous layers in order to achieve the interfering effect in solid thin films.
Для изучения рельефа нанесенных структур использовали атомносиловую микроскопию (АСМ) для сканирования рельефа поверхности. To study the relief of the deposited structures, atomic force microscopy (AFM) was used to scan the surface relief.
По полученным авторами данным профилограммы АСМ изображений установлено, что изменение рельефа, не зависимо от количества наносимых слоев, изменяется не более чем на 200 нм в диапазоне до 1мкм. Такая поверхность полностью обеспечивает условия
возникновения интереференции в тонких пленках ксерогеля диоксида титана и может быть использована для технологии цветной печати струйным методом оптических наноструктур. According to the data obtained by the authors of the profilogram of AFM images, it was found that the change in relief, regardless of the number of layers applied, changes by no more than 200 nm in the range up to 1 μm. Such a surface fully provides conditions the occurrence of interest in thin films of xerogel titanium dioxide and can be used for color printing technology using the inkjet method of optical nanostructures.
Изменение рельефа поверхности связано с малым размером частиц, которые по данным ПЭМВР и СЭМ преимущественно имеют размер 1-5 нм и не превышают 10-15 нм. The change in surface topography is associated with a small particle size, which, according to the TEMP and SEM data, predominantly has a size of 1-5 nm and does not exceed 10-15 nm.
Это доказывает, что струйная печать золь-гель чернилами на основе нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно фазы анатаза в водном растворе этилового спирта легко достижима с высокой точностью, необходимой для построения интерферирующих слоев отдельных элементов цветных интерференционных изображений. This proves that sol-gel inkjet printing based on a nanocrystalline sol of titanium dioxide predominantly of the anatase phase in an aqueous solution of ethyl alcohol is easily achievable with the high accuracy necessary for constructing the interfering layers of individual elements of color interference images.
Известно, что для получения методом струйной печати изображений на PET пленке её обычно предварительно нагревают до 70 °С, для увеличения скорости сушки чернил, но использование добавки легколетучего этанола в используемых по изобретению золь-гель чернилах этого не требует, несмотря на то, что скорость испарения ниже 70 °С. It is known that in order to obtain images by means of inkjet printing on a PET film, it is usually preheated to 70 ° C to increase the drying speed of the ink, but the use of volatile ethanol additive in the sol-gel inks used according to the invention does not require this, despite the fact that the speed evaporation below 70 ° C.
Градиент удаления растворителя предлагаемых и используемых золь-гель чернил позволяет получать плотную однородную прозрачную пленку высокорефрактивно о ксерогеля диоксида титана. The solvent removal gradient of the proposed and used sol-gel inks allows one to obtain a dense uniform transparent film highly refractive about xerogel titanium dioxide.
По данным СЭМ наночастицы получаемого ксерогеля диоксида титана представляют собой сферические аггрегаты преимущественно 5-10 нм в диаметре плотно упакованные между собой. According to SEM, the nanoparticles of the resulting titanium dioxide xerogel are spherical aggregates of predominantly 5-10 nm in diameter, densely packed together.
Результаты профилометрического анализа показывают, что пленка имеет криволинейную поверхность с небольшой шероховатостью, что говорит о высокой компактности агрегированных наночастиц, формирующих слои в процессе медленной сушки. Более детальный анализ текстуры поверхности обеспечивают АСМ изображения для разных слоев показывает, что наложение слоев не приводит к изменению структуры поверхности, за счет «залечивания» дефектов предыдущего слоя вновь заполняемым золем.
Сплошность слоев подтверждает отсутствие растрескивания поверхности, которая может возникать при быстрой сушке слоев и неравномерном нанесении материала на поверхность, что хорошо согласуется с классическими методами нанесения. The results of profilometric analysis show that the film has a curved surface with a slight roughness, which indicates the high compactness of the aggregated nanoparticles forming the layers during slow drying. A more detailed analysis of the surface texture provides AFM images for different layers shows that the superposition of the layers does not lead to a change in the surface structure due to the "healing" of defects of the previous layer with a newly filled sol. The continuity of the layers confirms the absence of surface cracking, which can occur during quick drying of the layers and uneven application of the material to the surface, which is in good agreement with classical methods of application.
Для определения соответствия определяемым величинам толщины слоя ксерогеля диоксида титана из спектров отражения использовали сканирующую электронную микроскопию ультравысокого разрешения (СЭМ - УВ). To determine the correspondence to the determined thicknesses of the xerogel layer of titanium dioxide from the reflection spectra, scanning electron microscopy of ultrahigh resolution (SEM - HC) was used.
Для этого подложка подвергалась перпендикулярному разрезу в направлении движения печатной головки. Для определения границы раздела ТЮ2-подложка, с целью определения истинной толщины слоя ксерогеля диоксида титана, использовался энергодиспресионный анализ с функцией цветового контрастирования. For this, the substrate was subjected to a perpendicular cut in the direction of movement of the print head. To determine the TU 2 interface subinterface, in order to determine the true thickness of the xerogel layer of titanium dioxide, we used energy dispersive analysis with a color contrast function.
В итоге наблюдали формирование близких к идеальному состоянию ровных слоев ксерогеля диоксида титана, что свидетельствует о безупречности печатной технологии и используемой композиции золь-гель чернил. As a result, the formation of even layers of titanium dioxide xerogel close to perfect condition was observed, which indicates the impeccability of the printing technology and the sol-gel ink composition used.
Согласно полученным авторами данным, достигается высокая однородность по толщине ксерогеля диоксида титана и согласованность между различными измерениями. Кроме того, установлено, что толщина слоев ксерогеля диоксида титана одинакова по периметру, не зависимо от количества нанесений. Также отчетливо видно, что полученные слои диоксида титана имеют плотный контакт с поверхностью подложки. Это обуславливается протеканием золь-гель перехода ТЮ2 чернил в процессе высыхания и конденсацией золя в плотный слой ксерогеля. Размер частиц ксерогеля диоксида титана, не превышающих 200 нм, позволяет осуществить депозицию предлагаемых золь-гель чернил с высокой проникающей способностью. According to the data obtained by the authors, a high uniformity in the thickness of the xerogel of titanium dioxide and consistency between different measurements is achieved. In addition, it was found that the thickness of the xerogel layers of titanium dioxide is the same along the perimeter, regardless of the number of applications. It is also clearly seen that the obtained titanium dioxide layers have close contact with the surface of the substrate. This is due to the occurrence of a sol-gel transition of TU 2 ink during drying and condensation of the sol into a dense xerogel layer. The particle size of the xerogel of titanium dioxide, not exceeding 200 nm, allows the deposition of the proposed sol-gel ink with high penetration.
Исследование механических свойств струйных покрытий ксерогеля диоксида титана на поверхности полиэтиленовых пленок было выполнено
с использованием анализатора текстуры. The study of the mechanical properties of jet coatings of xerogel titanium dioxide on the surface of plastic films was performed using a texture analyzer.
Известно, что микротвёрдость осажденных из растворов пленок ксерогелей являются ключевым показателем, так как использование мягкой растворной химии обычно ведет к потере механической стойкости, вследствие формирования высокой пористости слоя ксерогеля. It is known that the microhardness of xerogel films deposited from solutions is a key indicator, since the use of soft solution chemistry usually leads to a loss of mechanical resistance due to the formation of a high porosity of the xerogel layer.
Кроме того, струйная печать на таких непористых поверхностях, таких как стекло и полимеры, вызывает ряд сложностей не только вследствие коалисценции капель, но и вследствие низкой адгезии сухого слоя ксерогеля к подложке из стекла и полимера. In addition, inkjet printing on such non-porous surfaces, such as glass and polymers, causes a number of difficulties not only due to the coalescence of the droplets, but also due to the low adhesion of the dry xerogel layer to the glass and polymer substrate.
Исследования показали падение механической прочности в 2 раза Studies have shown a decrease in mechanical strength by 2 times
(для 7-го слоя относительно первого), что может быть обусловлено сравнительно низкой плотностью контакта между самими частицами ксерогеля после высыхания золя, и, как следствие, падением градиента механической твердости при увеличении толщины слоя ксерогеля. (for the 7th layer relative to the first one), which may be due to the relatively low density of contact between the xerogel particles themselves after drying of the sol, and, as a result, a decrease in the mechanical hardness gradient with increasing thickness of the xerogel layer.
Известно также, что послойное нанесение золя может вызвать деформацию предыдущих слоев, усложняя процесс получения иерархичных структур, поэтому для увеличения механической прочности ксерогелей используют температурную обработку при 300-500 °С, увеличивая степень кристалличности и инициируя протекание межфазных взаимодействий с последующим спеканием. It is also known that layer-by-layer deposition of a sol can cause deformation of previous layers, complicating the process of obtaining hierarchical structures, therefore, to increase the mechanical strength of xerogels, heat treatment is used at 300-500 ° C, increasing the degree of crystallinity and initiating the occurrence of interfacial interactions with subsequent sintering.
Очевидно, что воздействие таких высоких температур делает невозможным депозицию наносимых обычными методами слоев водного золя диоксида титана на полимерные подложки. Использование предлагаемых по изобретению золь-гель чернила для цветной струйной печати в виде нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы в растворе этилового спирта в воде позволяет получать из золя тонкие слои ксерогеля с регулированием толщины до 10 ым при комнатной температуре с прочным скреплением отдельных слоев ксерогеля друг с другом. Obviously, the effect of such high temperatures makes it impossible to deposit layers of an aqueous sol of titanium dioxide deposited by conventional methods on polymer substrates. The use of the inventive sol-gel inkjet ink in the form of a nanocrystalline sol of titanium dioxide of a predominantly anatase phase in a solution of ethyl alcohol in water makes it possible to obtain thin xerogel layers from the sol with regulation of thickness up to 10th at room temperature with strong bonding of individual xerogel layers to each other with a friend.
Натурные исследования струйной печати цветных
интерференционных изображений получаемыми золь-гель чернилами показали, что несмотря на структурные особенности сформированных мокрыми методами растворной химии слоев ксерогеля диоксида титана их оптические свойства оказались аналогичными оптическим свойствам прокаленным ксерогелям диоксида титана. Full-color studies of color inkjet printing The interference images obtained by sol-gel inks showed that despite the structural features of titanium dioxide xerogel layers formed by wet solution chemistry, their optical properties turned out to be similar to the optical properties of calcined titanium dioxide xerogels.
Синтезированные золь-гель чернила можно классифицировать как перспективные высокорефрактивные покрытия учитывая, что во всем видимом диапазоне этот показатель преломления не опускается ниже 1.85, что с учетом высокой однородность нанесения при протекании золь-гель перехода говорит о перспективах их использования в качестве реальных заменителей органических рефрактивных полимеров. Synthesized sol-gel inks can be classified as promising highly refractive coatings, given that in the entire visible range this refractive index does not fall below 1.85, which, given the high uniformity of deposition during the sol-gel transition, indicates the prospects of their use as real substitutes for organic refractive polymers .
Струйная печать осуществлялась в условиях многопроходной методики. Каждый слой полностью высушивали после печати, таким образом, чтобы следующий слой наносился по методом "мокрый на сухой". Inkjet printing was carried out in a multi-pass technique. Each layer was completely dried after printing, so that the next layer was applied on a wet-to-dry basis.
Формирование интерференционного цветного изображение происходит при этом в процессе конденсации золь-гель чернил на поверхности подложки в ксерогель. Испарение растворителя и гелирование нанокристаллического золя диоксида титана с формированием заданной толщины слоя ксерогеля диоксида титана обеспечивает при этом возможность управления цветом печатного изображения в результате управляемой интерференции. The formation of an interference color image occurs in the process of condensation of the sol-gel ink on the surface of the substrate in xerogel. Evaporation of the solvent and gelation of the nanocrystalline sol of titanium dioxide with the formation of the specified thickness of the xerogel layer of titanium dioxide provides the ability to control the color of the printed image as a result of controlled interference.
Натурные исследования показали практическую возможность формирования интерференционного цветного изображение при полном исключении температурного разогрева подложки для фиксации чернил, что положительно влияет на сохранение морфологии нанесенного слоя и существенно снижает коробление подложки после высыхания чернил. Field studies have shown the practical possibility of forming an interference color image with the complete exclusion of temperature heating of the substrate for fixing the ink, which positively affects the preservation of the morphology of the applied layer and significantly reduces warping of the substrate after drying of the ink.
Сравнительно низкая концентрация твердой фазы нанокристаллического диоксида титана в золь-гель чернилах позволяет осуществить высокоточное позиционирование наноструктур ксерогеля
диоксида титана с высоким показателем преломления. The relatively low concentration of the solid phase of nanocrystalline titanium dioxide in sol-gel inks allows for highly accurate positioning of xerogel nanostructures titanium dioxide with a high refractive index.
Цветные интерференционные изображения, напечатанные струйным методом получаемыми золь-гель чернилами, имели многоцветную окраску с высокой степенью детализации (см. фиг. 1,2, 3). The color interference images printed by the inkjet method using sol-gel inks had a multi-color color with a high degree of detail (see Figs. 1,2, 3).
Появление цвета обуславливается появлением отраженных световых волн, образованных на границе раздела фаз двух материалов с различным показателем преломления ТЮ2/воздух и ТЮ2/полиэтилен. Интерферируя друг с другом они образуют световую волну, комплиментарную толщине слоя, вызвавшее это явление. The appearance of color is caused by the appearance of reflected light waves formed at the phase boundary of two materials with different refractive index TU 2 / air and TU 2 / polyethylene. Interfering with each other, they form a light wave complementary to the thickness of the layer that caused this phenomenon.
Таким образом, появление цветового оттенка связано с толщина наносимого слоя ксерогеля диоксида титана, которая в по предлагаемому изобретению может регулироваться количеством нанесенных слоев. Thus, the appearance of a color cast is associated with the thickness of the applied xerogel layer of titanium dioxide, which in the present invention can be controlled by the number of layers applied.
Практически реализуя изобретение впервые удалось получить цветное изображение с использованием бесцветных чернил на струйном принтере. Practically implementing the invention for the first time it was possible to obtain a color image using colorless ink on an inkjet printer.
При использовании получаемых бесцветных золь-гель чернил для струйной печати и при использовании предлагаемого метода цветной интерференционной струйной печати может быть получено практически любое цветное изображение, окрашенное во всем видимом диапазоне света. Примеры представлены на фиг. 1, 2, 3. When using the obtained colorless sol-gel ink for inkjet printing and using the proposed method of color interference inkjet printing, almost any color image painted in the entire visible range of light can be obtained. Examples are presented in FIG. 1, 2, 3.
Уникальность получаемых золь-гель чернил, содержащих нанокристаллический золь диоксида титана преимущественно анатазной фазы, доступность исходных материалов для получения золь-гель чернил, и у никальность полученных новым способом интерференционных изображений заключается в возможности использования для цветной интерференционной печати получаемых бесцветных золь-гель чернил и обычного недорого настольного струйного принтера. The uniqueness of the obtained sol-gel ink containing a nanocrystalline sol of titanium dioxide of a predominantly anatase phase, the availability of the starting materials for obtaining the sol-gel ink, and the niceness of the interference images obtained by the new method lies in the possibility of using the colorless sol-gel ink obtained for color interference printing and conventional inexpensive desktop inkjet printer.
Возможность настройки реологических свойств нанокристаллического золя диоксида титана и управление его золь-гель переходом в ксерогель обеспечивает широкий диапазон варьирования
свойств, необходимых для получения золь-гель чернил с требуемыми свойствами. The ability to adjust the rheological properties of the nanocrystalline sol of titanium dioxide and control its sol-gel transition to xerogel provides a wide range of variation properties necessary to obtain a sol-gel ink with the desired properties.
Нанокристаллический золь диоксида титана преимущественно анатазной фазы, с содержанием аморфной фазы менее 5%, обеспечивает проявление уникальных оптических свойств. A nanocrystalline sol of titanium dioxide of a predominantly anatase phase, with an amorphous phase content of less than 5%, provides a manifestation of unique optical properties.
Конденсирование ксегогеля диоксида титана и его физическая сшивка с поверхностью немодифированной ПЭТ пленки способствует великолепной адгезии ксегогеля диоксида титана к поверхности гладкой подложки. The condensation of xegogel titanium dioxide and its physical crosslinking with the surface of an unmodified PET film contributes to the excellent adhesion of xegogel titanium dioxide to the surface of a smooth substrate.
Все это позволяет получать струйной печатью уникальные цветные интерференционные изображения с управляемой цветопередачей на гибких и гладких полимерных поверхностях без использования высокотемпературной тепловой обработки. All this allows inkjet printing to produce unique color interference images with controlled color rendering on flexible and smooth polymer surfaces without the use of high-temperature heat treatment.
Уникальность полученных результатов заключается в практической возможности управлять струйной интерференционной печатью, формируя наноструктуры интерференционных цветных изображений с высокой точностью. The uniqueness of the results lies in the practical ability to control inkjet interference printing, forming nanostructures of interference color images with high accuracy.
Этого удалось достичь только в результате создания принципиально нового подхода по созданию золь-гель чернил и фиксации золь-гель чернил для струйной печати на непористой полимерной подложке, а также путем нового способа синтеза нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы. This was achieved only as a result of creating a fundamentally new approach to creating sol-gel ink and fixing sol-gel ink for inkjet printing on a non-porous polymer substrate, as well as by a new method for the synthesis of nanocrystalline sols of titanium dioxide predominantly anatase phase.
Протонизация поверхности частиц нанокристаллического золя диоксида титана способствует увеличению стабильности чернил и смещению фазового золь-гель перехода при атмосферной сушке. The protonization of the surface of the particles of nanocrystalline sols of titanium dioxide increases the stability of the ink and the shift of the phase sol-gel transition during atmospheric drying.
В результате впервые струйным способом печати получены масштабируемые оптические интерференционные наноструктуры. As a result, scalable optical interference nanostructures were first obtained by inkjet printing.
Это является основой для использования мягкой растворной химии при создании объектов квантовой коммуникации и эффективной площадки для транспорта фотонов в будущем.
Высокая точность нанесения и уникальные оптические характеристики получаемых слоев ксерогеля диоксида титана преимущественно анатазной фазы могут быть основой для получения планарных волноводов, маскирования микроэмбосированной бумаги, а также формирования широкоугольной фотоиндуцированной панели как основа для создания суперкомпьютера, работающего по принципу фотон/сигнал. This is the basis for the use of soft solution chemistry when creating objects of quantum communication and an effective platform for the transport of photons in the future. The high precision of application and the unique optical characteristics of the obtained titanium dioxide xerogel layers of a predominantly anatase phase can be the basis for the production of planar waveguides, masking of microembedded paper, as well as the formation of a wide-angle photoinduced panel as the basis for creating a photon / signal supercomputer.
Характерной отличительной оригинальной особенностью изобретения является применение нанокристш ических золь-гель систем для создания управляемой интерференции в тонких пленках с использованием бесцветных чернил на основе нанокристаллических золей диоксида титана. A characteristic distinctive original feature of the invention is the use of nanocrystalline sol-gel systems to create controlled interference in thin films using colorless ink based on nanocrystalline titanium dioxide sols.
Управляемая многослойная печать высокорефрактивных слоев ксерогеля диоксида титана позволяет создавать на поверхности полимеров оптически прозрачные наноструктуры, которые интерферируя при взаимодействии с видимым светом приводят к визуальному окрашиванию изображений. The controlled multilayer printing of highly refractive layers of titanium dioxide xerogel allows the creation of optically transparent nanostructures on the surface of polymers, which interfering with interaction with visible light lead to visual staining of images.
Наличие высокорефрактивного слоя или слоев ксерогеля диоксида титана между воздухом и полимерной подложкой, позволяют выделять монохроматические отражения света комплементарные по длине волны с толщиной этого слоя. The presence of a highly refractive layer or xerogel layers of titanium dioxide between air and the polymer substrate allows one to isolate monochromatic light reflections complementary in wavelength with the thickness of this layer.
Учитывая множественное количество цветов в видимом спектре света, окраска создаваемых струйным принтером интерференционных изображений может быть практически любая. Considering the multiple number of colors in the visible light spectrum, the color of the interference images created by the inkjet printer can be almost any.
Уникальные оптические, морфологические и текстурные свойства интерференционных тонких слоев ксерогеля диоксида титана позволяют реализовать это на практике. The unique optical, morphological, and textural properties of the interference thin layers of titanium dioxide xerogel make it possible to put this into practice.
В связи с этим изобретение не только способствует созданию новых технологий цветной печати, но и сохранят экологию окружающей среды и здоровье людей, защищая нашу планету.
Для увеличения контрастности цветопередачи подложка может быть непрозрачной или содержать покрытия типа брегговского зеркала. In this regard, the invention not only contributes to the creation of new color printing technologies, but also preserves the ecology of the environment and human health, protecting our planet. To increase the color contrast, the substrate may be opaque or contain coatings such as a Bragg mirror.
Для струйной печати цветных изображений предлагаемым способом использовалась полиэтиленовая (PET) пленка формат А4, толщиной 1.5 μηι. For inkjet printing of color images, the proposed method used a polyethylene (PET) film of A4 format, 1.5 μηι thick.
Контрастирование изображения достигалось использованием пленки черного цвета. Image contrast was achieved using black film.
Цветная струйная печать осуществлялась из обычного картриджа для черных чернил, в который предварительно заливались получаемые бесцветные золь-гель чернила. Color inkjet printing was carried out from a conventional black ink cartridge into which the resulting colorless sol-gel ink was preliminarily poured.
Для печати цветных изображений по трехпроходной методике использовали в настройках повышенное качество печати, обеспечивающее двукратное увеличение нанесения чернил. To print color images using the three-pass method, the settings used increased print quality, providing a twofold increase in ink.
Для анализа структуры слоев использовали струйную печать со средним качеством, обеспечивающим нанесение высокорефрактивных слоев с увеличенной точностью, но с меньшим количеством наносимых чернил. To analyze the structure of the layers, we used inkjet printing with medium quality, which ensures the application of highly refractive layers with increased accuracy, but with less ink applied.
Печать проводили специально подготовленными файлами с маскированием областей. Printing was carried out by specially prepared files with masking areas.
Использование набора различно окрашенных чернил при струйной печати - один из основных известных способов формирования цветных изображений. Обычно формирование цвета при струйной печати достигается комбинированием цветов CMYK или RGB. Using a set of differently colored inks for inkjet printing is one of the main known methods for forming color images. Typically, ink color formation is achieved by combining CMYK or RGB colors.
Согласно изобретения создается новая технология струйной цветной печати с использованием одних предлагаемых бесцветных золь-гель чернил, полностью безопасных для использования. According to the invention, a new technology for inkjet color printing using one of the proposed colorless sol-gel inks, is completely safe for use.
При этом получаемые золь- ель чернила существенно расширяют возможный выбор подложек для нанесения, в том числе позволяют использовать гибкие полимерные субстраты и гладкие твердые тела, что делает возможным нанесение по формату практически безграничным, и
существенно облегчает технологию контролируемого с точностью до 10 нм нанесения интерференционных структур. At the same time, the obtained sol-based ink significantly expands the possible choice of substrates for application, including the use of flexible polymeric substrates and smooth solids, which makes application in a format practically unlimited, and significantly facilitates the technology of application of interference structures controlled with an accuracy of 10 nm.
В качестве печатных изделия могут быть упаковочные материалы, метки, пакеты или другие печатные материалы, известные в данной области. Подложка может быть любым материалом, который используют в полиграфии в качестве подложки. Подложки могут включать полимерные пленки и другие полимерные материалы, различные виды бумаги, начиная от тонкой папиросной бумаги до рифленого картона, крафт-бумаги, мелованной папки. As the printed product may be packaging materials, tags, bags or other printed materials known in the art. The substrate may be any material that is used in the printing industry as a substrate. Substrates may include polymer films and other polymeric materials, various types of paper, ranging from thin tissue paper to corrugated cardboard, kraft paper, coated folders.
В качестве подложки могут также использоваться металлизированные пленки и металлические фольги. Metallic films and metal foils can also be used as a substrate.
Основная подложка может быть покрыта препаратами, известными в полиграфии для получения печатного художественного изображения. The main substrate may be coated with preparations known in the printing industry to obtain a printed artistic image.
Печатное изделие может получить защитную и декоративную отделку после того, как художественное изображение будет напечатано на подложке. Печатная подложка может быть далее либо обработана в процессе изготовления упаковки, либо процесс ее обработки заканчивается печатью. The printed product may receive a protective and decorative finish after the artistic image is printed on the substrate. The printed substrate can be further processed in the manufacturing process of the package, or the process of processing ends with printing.
Рисунок художественного изображения печатного изделия может быть изготовлен, сконфигурирован или просто сохранен в виде электронного файла данных. An art image of a printed product can be made, configured, or simply saved as an electronic data file.
Художественное изображение может включать данные, касающиеся желательных или заданных цветов для соответствующих элементов изделия. The artistic image may include data regarding the desired or specified colors for the respective elements of the product.
Размеры и величины, раскрытые в описании, не должны быть поняты как строго ограниченные перечисленными точными числовыми значениями. Наоборот, если иначе не определено, каждый такой размер предназначен как для обозначения приведенного в описании значения, так и для функционально эквивалентного диапазона этого значения. Например, размер, раскрытый как "20 нм", означает "приблизительно 20
НМ " . The dimensions and values disclosed in the description should not be understood as strictly limited to the listed exact numerical values. On the contrary, unless otherwise specified, each such size is intended both to indicate the value given in the description and to the functionally equivalent range of this value. For example, a size disclosed as “20 nm” means “approximately 20 NM ".
Все документы, процитированные в подробном описании изобретения, в соответствующей части, включены здесь в качестве справочной информации; упоминание любого документа не должно рассматриваться как признание того, что этот документ раскрывает настоящее изобретение. Если любое значение или определение термина в описании противоречит любому значению или определению того же термина в документе, включенном в качестве справочной информации, то значение или определение термина, приведенное в описании, должно быть определяющим. All documents cited in the detailed description of the invention, in the relevant part, are included here as reference information; reference to any document should not be construed as recognition that this document discloses the present invention. If any meaning or definition of a term in the description contradicts any meaning or definition of the same term in the document included as reference, then the meaning or definition of the term given in the description should be defining.
Несмотря на то, что конкретные варианты выполнения и/или отдельные признаки настоящего изобретения были здесь описаны, для лиц, имеющих квалификацию в данной области, будет очевидно, что различные другие изменения и модификации могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения. Поэтому прилагаемая формула предназначена для того, чтобы охватить все такие изменения и модификации, которые находятся в пределах объема данного изобретения.
Although specific embodiments and / or individual features of the present invention have been described herein, it will be apparent to those skilled in the art that various other changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the appended claims are intended to cover all such changes and modifications that are within the scope of this invention.
Claims
1. Способ получения золь-гель чернил для цветной интерференционной струйной печати, содержащих нанокристаллический золь диоксида титана, в растворе этилового спирта в воде, в два этапа, на первом этапе получают нанокристаллический золь диоксида титана преимущественно анатазной фазы в воде, 1. A method of producing a sol-gel ink for color interference inkjet printing containing a nanocrystalline titanium dioxide sol in a solution of ethyl alcohol in water, in two stages, at the first stage, a nanocrystalline titanium dioxide sol of a predominantly anatase phase in water is obtained,
а на втором этапе из нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы в воде получают золь-гель чернила для цветной интерференционной струйной печати в виде нанокристаллического золя диоксида титана в растворе этилового спирта в воде, с требуемыми для струйной печати плотностью, вязкостью и поверхностным натяжением. and in the second stage, a sol-gel ink for color interference inkjet printing in the form of a nanocrystalline titanium dioxide sol in a solution of ethyl alcohol in water is obtained from a nanocrystalline sol of titanium dioxide of a predominantly anatase phase in water, with the density, viscosity and surface tension required for inkjet printing.
2. Способ получения золь-гель чернил для цветной интерференционной струйной печати по п. 1, характеризующийся тем, что нанокристаллический золь диоксида титана преимущественно анатазной фазы в воде получают путем 2. The method of obtaining sol-gel ink for color interference inkjet printing according to claim 1, characterized in that the nanocrystalline sol of titanium dioxide predominantly anatase phase in water is obtained by
получения раствора алкоксида титана смешением изопропоксида титана и 2-пропанола, obtaining a solution of titanium alkoxide by mixing titanium isopropoxide and 2-propanol,
гидролиза алкоксида гитана с образованием устойчивых кристаллических зародышей оксида титана анатазной фазы в воде, hydrolysis of guitar alkoxide with the formation of stable crystalline nuclei of anatase titanium oxide in water,
проведения температурной дегидратации аморфного оксигидроксида титана нагревом до 70 °С в кислой среде, conducting temperature dehydration of amorphous titanium oxyhydroxide by heating to 70 ° C in an acidic environment,
созданием кислой среды и выдержкой при 80 °С в течение 1-го часа с увеличением содержания кристаллической фазы оксида титана анатазной фазы и с получением нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы с размером кристаллов диоксида титана не более 200 нм преимущественно 5-100 нм, со средним гидродинамическим диаметром частиц золя не более 30 нм преимущественно 15,8 нм, с дзета-потенциалом частиц золя не менее +30
мВ преимущественно +36 ± 5 мВ, the creation of an acidic medium and holding at 80 ° C for 1 hour with an increase in the content of the crystalline phase of the anatase phase titanium oxide and obtaining a nanocrystalline titanium dioxide sol of a predominantly anatase phase with titanium dioxide crystal size of not more than 200 nm, mainly 5-100 nm, with the average hydrodynamic diameter of the sol particles is not more than 30 nm, mainly 15.8 nm, with the zeta potential of the sol particles not less than +30 mV mainly +36 ± 5 mV,
стабилизации нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы путем протонизации частиц золя в присутствии азотной кислоты и выдержке в течении 1-2 недель при комнатной температуре при постоянном перемешивании с получением стабильного нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы с содержанием аморфной фазы диоксида титана не более 5%, с размером кристаллов диоксида титана 5- 200 нм преимущественно анатазной фазы, со средним гидродинамическим диаметром частиц золя не более 200 нм преимущественно 15.8 нм, с дзета- потенциалом частиц золя не менее +30 мВ преимущественно +36 ± 5 мВ. stabilization of the nanocrystalline sol of titanium dioxide predominantly anatase phase by protonization of the sol particles in the presence of nitric acid and holding for 1-2 weeks at room temperature with constant stirring to obtain a stable nanocrystalline sol of titanium dioxide predominantly anatase phase with a content of the amorphous phase of titanium dioxide not more than 5% with a titanium dioxide crystal size of 5-200 nm predominantly anatase phase, with an average hydrodynamic diameter of sol particles of not more than 200 nm predominantly nificant 15.8 nm, a zeta potential of particles of a sol of at least +30 mV, preferably +36 ± 5 mV.
3. Способ получения золь-гель чернил для цветной интерференционной струйной печати по п. 1, характеризующийся тем, что нанокристаллическии золь диоксида титана в растворе этилового спирта в воде получают путем 3. A method of producing a sol-gel ink for color interference inkjet printing according to claim 1, characterized in that the nanocrystalline sol of titanium dioxide in a solution of ethyl alcohol in water is obtained by
доведения параметра вязкости нанокристаллического золя диоксида гитана преимущественно анатазной фазы в воде до показателя не более 2,1 мПа*с посредством концентрирования золя наночастиц диоксида титана преимущественно анатазной фазы в воде до концентрации не менее 8 мае. % вакуумным выпариванием при температуре 50 °С, bringing the viscosity parameter of a nanocrystalline sol of a titanium dioxide of a predominantly anatase phase in water to an index of not more than 2.1 MPa * s by concentrating a sol of nanoparticles of titanium dioxide of a mainly anatase phase in water to a concentration of at least May 8. % by vacuum evaporation at a temperature of 50 ° C,
получения необходимой плотности и поверхностного натяжения нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной фазы не более 25 мН/м добавлением этанола до концентрации этилового спирта в воде не более 70 масс. %., obtaining the required density and surface tension of the nanocrystalline sol of titanium dioxide predominantly anatase phase of not more than 25 mN / m by adding ethanol to a concentration of ethyl alcohol in water of not more than 70 mass. %.,
обеспечения фазового равновесия между водой и этиловым спиртом гомогенизацией в течении не менее 12 суток, ensuring phase equilibrium between water and ethyl alcohol by homogenization for at least 12 days,
с получением нанокристаллического золя диоксида титана преимущественно анатазной формы в растворе этилового спирта в воде. to obtain a nanocrystalline sol of titanium dioxide predominantly anatase in a solution of ethyl alcohol in water.
4. Способ получения золь-гель чернил для цветной интерференционной струйной печати по п. 3, характеризующийся тем, что
получают нанокристаллическии золь диоксида титана в растворе этилового спирта в воде, характеризующегося по крайней мере одним из следующей группы свойств: 4. The method of obtaining sol-gel ink for color interference inkjet printing according to claim 3, characterized in that get nanocrystalline sol of titanium dioxide in a solution of ethyl alcohol in water, characterized by at least one of the following group of properties:
наличием нанокристаллических частиц диоксида титана в виде кристаллов диоксида титана преимущественно анатазной фазы с содержанием аморфной фазы диоксида титана не более 5%, the presence of nanocrystalline particles of titanium dioxide in the form of crystals of titanium dioxide predominantly anatase phase with an amorphous phase of titanium dioxide content of not more than 5%,
концентрацией нанокристаллических частиц диоксида титана 1-5 мае. %. the concentration of nanocrystalline particles of titanium dioxide on May 1-5. %
размером нанокристаллических частиц диоксида титана 5-200 нм, средним гидродинамическим диаметром частиц золя не более 200 нм, преимущественно 15 нм, the size of the nanocrystalline particles of titanium dioxide 5-200 nm, the average hydrodynamic diameter of the sol particles is not more than 200 nm, mainly 15 nm,
дзета-потенциалом частиц золя не менее +30 мВ, преимущественно +36 ± 5 мВ мВ, the zeta potential of sol particles is not less than +30 mV, mainly +36 ± 5 mV mV,
возможностью формирования прозрачного в видимой области спектра рефрактивного слоя ксерогеля нанокристаллического диоксида титана толщиной от 300 нм до 1 мкм с показателем преломления более 1,7, концентрацией этилового спирта в воде не более 70 масс. % при преимущественном объемном соотношении этиловый спирт:вода 3: 1, the possibility of forming a nanocrystalline titanium dioxide transparent xerogel refractory xerogel layer visible in the visible spectrum with a thickness of 300 nm to 1 μm with a refractive index of more than 1.7, and a concentration of ethyl alcohol in water of not more than 70 mass. % with a predominant volume ratio of ethyl alcohol: water 3: 1,
вязкостью не более 2,5 мПа*с, преимущественно 2, 1 мПа*с, поверхностным натяжением не более 30 нН/м преимущественно 27 нН/м, viscosity not more than 2.5 MPa * s, mainly 2, 1 MPa * s, surface tension not more than 30 nN / m, mainly 27 nN / m,
длительностью седиментационной устойчивости золя не менее 1 года.
the duration of sedimentation stability of the sol is not less than 1 year.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015143537 | 2015-10-12 | ||
RU2015143537A RU2618064C2 (en) | 2015-10-12 | 2015-10-12 | Method of production sol-gel ink for colour interference jet printing |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2017065640A1 true WO2017065640A1 (en) | 2017-04-20 |
Family
ID=58518432
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/RU2016/000676 WO2017065640A1 (en) | 2015-10-12 | 2016-10-07 | Method of preparing sol-gel inks for color interference inkjet printing |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2618064C2 (en) |
WO (1) | WO2017065640A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113185836A (en) * | 2021-03-22 | 2021-07-30 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Method for preparing magnetic field regulation and control bionic structure color and mechanical property dual-response component by utilizing multi-material direct-writing 3D printing and product |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7419538B2 (en) * | 2001-08-02 | 2008-09-02 | Merck Patent Gmbh | Highly anti-corrosive metal pigments |
WO2012083025A2 (en) * | 2010-12-15 | 2012-06-21 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Ink-jet ink comprising encapsulated cross-linked pigment dispersions |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100727579B1 (en) * | 2005-12-20 | 2007-06-14 | 주식회사 엘지화학 | Titania sol, preparing method thereof and composition for coating comprising thereof |
AU2008337899B2 (en) * | 2007-12-19 | 2013-10-31 | Merck Patent Gmbh | Optically variable pigments of high electrical conductivity |
KR101706026B1 (en) * | 2010-01-19 | 2017-02-10 | 이엘씨 매니지먼트 엘엘씨 | Composite particles, compositions and methods |
-
2015
- 2015-10-12 RU RU2015143537A patent/RU2618064C2/en active
-
2016
- 2016-10-07 WO PCT/RU2016/000676 patent/WO2017065640A1/en active Application Filing
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7419538B2 (en) * | 2001-08-02 | 2008-09-02 | Merck Patent Gmbh | Highly anti-corrosive metal pigments |
WO2012083025A2 (en) * | 2010-12-15 | 2012-06-21 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Ink-jet ink comprising encapsulated cross-linked pigment dispersions |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113185836A (en) * | 2021-03-22 | 2021-07-30 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Method for preparing magnetic field regulation and control bionic structure color and mechanical property dual-response component by utilizing multi-material direct-writing 3D printing and product |
CN113185836B (en) * | 2021-03-22 | 2022-05-17 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Method for preparing magnetic field regulation and control bionic structure color and mechanical property dual-response component by utilizing multi-material direct-writing 3D printing and product |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2618064C2 (en) | 2017-05-02 |
RU2015143537A (en) | 2017-04-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7421026B2 (en) | Oxide particles with controlled color properties and coating or film compositions containing the oxide particles | |
US20220002554A1 (en) | Structurally colored materials with spectrally selective absorbing components and methods for making the same | |
Yakovlev et al. | Inkjet color printing by interference nanostructures | |
RU2641500C2 (en) | Printed product with colour interference image | |
WO2017065641A2 (en) | Method for color interference inkjet printing | |
WO2011004750A1 (en) | High-refractive index powder and production method and application of same | |
KR20050002857A (en) | Coated powder, coating composition, and coated article | |
CN108430926A (en) | Metal-oxide powder, dispersion liquid and cosmetic | |
Yakovlev et al. | Inkjet printing of TiO2/AlOOH heterostructures for the formation of interference color images with high optical visibility | |
CN114401927A (en) | Metal oxide nanoparticles | |
Furasova et al. | Inkjet fabrication of highly efficient luminescent Eu-doped ZrO 2 nanostructures | |
RU2618064C2 (en) | Method of production sol-gel ink for colour interference jet printing | |
RU2635908C2 (en) | Printed product with protected printing polygraphic methods with rainbow holographic images | |
US9051470B2 (en) | Method for producing thin films and the application thereof | |
JP7461668B2 (en) | Method for producing oxide particles having controlled color properties, oxide particles, and coating or film-like composition containing the oxide particles | |
WO2017065639A1 (en) | Sol-gel inks for colour interference inkjet printing | |
RU2616151C1 (en) | Method of ink-jet printing with colorless sol-gel ink of iridescent holographic images on holographic paper or micro-embossed surface and printed product with iridescent holographic images | |
RU2650138C2 (en) | Colorless sol-gel ink for ink-jet printing iridescent holographic images and method for producing thereof | |
JP2020023419A (en) | Organic solvent dispersion of flaky titanate, manufacturing method therefor, and application thereof | |
JP4751221B2 (en) | Method for producing coloring structure | |
Li et al. | Preparation of inverse opal zirconia | |
JP7498582B2 (en) | Particles having a cavity inside an outer shell and an internal particle, a coating solution containing the particles, and a substrate with a transparent coating containing the particles | |
Hofmann | Surface science in photography |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 16855831 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
DPE2 | Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101) | ||
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 16855831 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |