Politechnika Łódzka - Instytut Technologii Polimerów i Barwników

Politechnika Łódzka - Instytut Technologii Polimerów i Barwników

Politechnika Łódzka
Wydział Chemiczny
INSTRUKCJA LABORATORIUM
Preparatyka atramentów/tuszy (the preparation of inks)
realizowanego w ramach Zadania nr 9
pn. „Doposażenie laboratorium pod nazwą Materiały i nanomateriały polimerowe jako
materiały inżynierskie”
Instrukcję opracowała:
Prof. dr hab.inż. Jolanta Sokołowska
Łódź, 2010
ul. Żwirki 36, 90-924 Łódź
www. ife.p.lodz.pl
tel. 042 278 45 31
042 638 38 26
Projekt realizowany w ramach Priorytetu IV - Działanie 4.1 - Poddziałanie 4.1.1.
pn. „Przygotowanie i realizacja nowych kierunków studiów
w odpowiedzi na współczesne potrzeby rynku pracy
i wymagania gospodarki opartej na wiedzy”
SPIS TREŚCI
1. CEL ĆWICZENIA (Aim of studies)
2. WPROWADZENIE (Introduction)
2.1. Rodzaje atramentów/tuszy
2.2. Atramenty wodne
2.3. Atramenty/tusze rozpuszczalnikowe
2.4. Atramenty/tusze termotopliwe
2.5. Barwniki stosowane w preparatyce atramentów i tuszy
2.6. Atramenty/tusze pigmentowe
2.7. Receptury atramentów o różnym przeznaczeniu
3. PRZEBIEG ĆWICZENIA (Procedure)
3.1. Wykonanie syntezy barwnika żółtego do atramentu rozpuszczalnikowego
3.2. Przygotowanie atramentu rozpuszczalnikowego
3.3. Wykonanie syntezy barwnika czarnego do tuszu wodnego
3.4. Przygotowanie atramentu wodnego
4. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report)
5. LITERATURA (References)
6. PRZYKŁADOWE PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems)
7. EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes)
8. TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers)
Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9
2
1. CEL ĆWICZENIA (Aim of studies)
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z technologią typowych atramentów/tuszy
stosowanych w drukarkach atramentowych oraz w druku przemysłowym na powierzchniach
hydrofobowych.
2. WPROWADZENIE (Introduction)
Dynamiczny rozwój druku atramentowego związany jest ściśle z postępem
zaawansowanych
technikach
reprograficznych
takich
jak
druk
laserowy lub
w bardziej
kopiowanie
kserograficzne. Druk atramentowy jest dominującą dziedziną reprografii z powodu pełnej
odtwarzalności barwy, znacznej szybkości procesu i stosunkowo niskich kosztów, wynikających z
prostoty działania drukarki. W technologii tej nie używa się drogich półprzewodników, a atrament
wychodzący z głowicy drukarki tworzy obraz, który nie wymaga utrwalenia. Atramenty i tusze mają
różne przeznaczenie. Przede wszystkim są one używane do pisania lub rysowania na papierze.
Możliwe jest także użycie ich do pisania i rysowania na materiałach nie adsorbujących, takich jak
szkło, tworzywa polimerowe i metale.
2.1. Rodzaje atramentów/tuszy
Wyróżnia się trzy rodzaje atramentów:
• wodne
• rozpuszczalnikowe
• termotopliwe.
Wybór atramentu zależy od technologii druku. Atramenty wodne wykorzystuje się w druku
ciągłym i impulsowym, a atramenty rozpuszczalnikowe i termotopliwe stosuje się zwykle w druku
przemysłowym do tworzenia obrazu na szkle, tworzywach polimerowych i metalu.
Z praktycznego punktu widzenia istotne są właściwości funkcjonalne atramentu oraz jakość
wydrukowanego obrazu. Właściwości fizyczne atramentu stanowią:
• odpowiednia lepkość
• odpowiednie napięcie powierzchniowe
Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9
3
• przewodnictwo właściwe
• barwa.
Odpowiednie właściwości funkcjonalne atramentu stanowią następujące parametry:
• długi czas życia
• kompatybilność z drukarką
• brak korodującego wpływu na elementy drukarki i niezatykanie jej dysz
• czystość mikrobiologiczna
• niska toksyczność.
O jakości wydrukowanego obrazu decyduje:
• odpowiednia wydajność kolorystyczna
• odporność na działanie czynników zewnętrznych (np. światła, wody i smarów)
• odporność na ścieranie
• odpowiedni czas schnięcia
• ostrość krawędzi wydruku.
Szczególnie istotnym parametrem jest odporność na działanie wody. Konieczne jest zatem
zastosowanie barwnika, który jest bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie i jednocześnie nie rozpływa
się na papierze. W praktyce jest to możliwe do osiągnięcia, gdyż atramenty wodne mają zwykle
odczyn lekko zasadowy (pH: 7.5-10), podczas gdy papier ma odczyn lekko kwaśny (4.5-6.5).
2.2. Atramenty wodne
Atramenty wodne zawierają zazwyczaj około 80% wody. Poza nią zawierają barwniki,
rozpuszczalniki organiczne, środki higroskopijne, stabilizatory pH, środki konserwujące oraz środki
poprawiające odporność na działanie światła. Rozpuszczalniki organiczne zatrzymują wilgoć,
Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9
4
zapobiegają krystalizacji barwnika w dyszach, podnoszą jego rozpuszczalność i poprawiają odporność
na magazynowanie w niskich temperaturach. Dodatkowo wywierają korzystny wpływ na napięcie
powierzchniowe
atramentu
i
jego
lepkość.
Powszechnie
stosowanymi
rozpuszczalnikami
organicznymi są: glikol dietylenowy, glikol propylenowy-1,2, gliceryna i N-metylopirolidon–2. W
atramentach pracujących w systemie ciągłym stosowany jest dodatek octanu litu lub cyjanianu potasu,
które poprawiają przewodnictwo elektryczne.
2.3. Atramenty/tusze rozpuszczalnikowe
W atramentach rozpuszczalnikowych niezbędne jest zastosowanie rozpuszczalników
organicznych, które zapewnią im wysoką adhezję do materiałów hydrofobowych. Powszechnie
używany jest: keton metylowo-etylowy (MEK). Z powodów ekologicznych zaleca się stosowanie
alkoholu etylowego lub n-propanolu.
2.4. Atramenty/tusze termotopliwe
W atramentach termotopliwych używa się nasyconych alkoholi lub kwasów tłuszczowych o
długości łańcucha węglowego 18-21 lub sulfonamidów, topiących się w zakresie 60-125ºC oraz
specjalnego asortymentu barwników tłuszczowych o dobrej rozpuszczalności lub pigmentów
tworzących trwałą dyspersję.
Najważniejszymi etapami produkcji atramentu są:
• mikrofiltracja, mająca na celu usunięcie substancji nie rozpuszczonych
• filtracja membranowa, której zadaniem jest usunięcie jonów chlorkowych i siarczanowych,
powodujących korozję.
2.5. Barwniki stosowane w technologii atramentów
Wśród barwników stosowanych w produkcji atramentów i tuszy dominują cztery barwy. Są to:
•czarny
• żółty (yellow)
Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9
5
• purpurowy (magenta)
• turkusowy (cyan).
Wszystkie barwniki stosowane w tej technologii muszą być niemutagenne (negatywne w teście
Amesa).
Barwniki stosowane w produkcji atramentów wodnych należą do klasy barwników
kwasowych (barwniki o charakterze anionowym, przeznaczone do barwienia włókien proteinowych:
wełna, jedwab oraz syntetycznych: poliamid), do żywności (głównie wyselekcjonowane barwniki
kwasowe) i bezpośrednich (barwniki o charakterze anionowym przeznaczone do barwienia wyrobów z
celulozy: np. bawełna, papier). Głównym typem strukturalnym są pochodne azowe.
Barwniki stosowane w produkcji atramentów rozpuszczalnikowych i termotopliwych to pochodne
azowe (metalokompleksowe) i antrachinonowe (z grupy tzw. barwników tłuszczowych).
Wybrane struktury barwników stosowanych w technologii atramentów i tuszy wodnych,
rozpuszczalnikowych i termotopliwych podano poniżej:
COOH
HO3S
N
N
HOOC
HO
NH2
SO3H
Barwnik czarny: C. I. Direct Black 195
Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9
6
OCH3 H
H
N
HOOC
N
N
N
N
OCH3
N
N
N
COOH
N
H
N
OH
COOH
COOH
Barwnik żółty: C. I. Direct Yellow 86 (analog)
NH2
HO3S
N
N
OH
HO3H
NH
N
N
NH
N
SO3H
NH
SO3H
Barwnik purpurowy (magenta) pochodna kwasu γ
O
CH3
NHCH
CH3
O
CH3
NHCH
CH3
Barwnik turkusowy (cyan) C. I. Solvent Blue 36
Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9
7
2.6. Atramenty/tusze pigmentowe
W ostatnim czasie znaczenia nabierają atramenty i tusze pigmentowe, w których substancję
barwiącą stanowi pigment a nie barwnik. Pigment, w przeciwieństwie do barwnika jest substancją
barwną nierozpuszczalną w medium stosowania. Atramenty pigmentowe stanowią zawiesinę, a nie
roztwór i nadają się do wydruków na gorszej jakości papierze.
2.7. Receptury atramentów o różnym przeznaczeniu
Atrament wodny
Barwnik kwasowy bądź bezpośredni
4.0%
Glikol dietylenowy
10.0%
N-metylopirolidon-2
5.0%
Trójetanoloamina
0.5%
Substancja przeciwgrzybiczna
0.1%
Woda
80.4%
Atrament stosowany w drukarkach nanoszących druk na materiały hydrofobowe
C.I. Solvent Black 27 (barwnik tłuszczowy)
5.0%
MEK (keton metylowo-etylowy)
80.0%
Glikol propylenowy-1,2
Binder - kopolimer poli(chlorek winylu)/poli(octan winylu)
Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9
10.0%
5.0%
8
Atramenty stosowane w piórach (żelowych, kulkowych)
C.I. Acid Blue 93 (barwnik kwasowy)
0.5%
Gliceryna
1.7%
Kwas siarkowy (95%)
0.2%
Środek antygrzybiczny
0.07%
Dyspergator niejonowy
0.03%
Woda
97.5%
C.I. Acid Blue 9 (barwnik kwasowy)
3.0%
Glikol propylenowy -1,2
25.0%
Poliwinylopirolidon
0.1%
Dyspergator niejonowy
0.1%
Woda
71.8%
Atrament stosowany w długopisach
C.I. Solvent Blue 89 (barwnik tłuszczowy)
30.0%
Kwas oleinowy
10.0%
Alkohol benzylowy
35.0%
Kwas poliakrylowy
25.0%
Atrament stosowany w markerach
Barwnik kwasowy
15.0%
Etanol
25.0%
Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9
9
Propanol
25.0%
Glikol dietylenowy
15.0%
Binder (naturalna bądź syntetyczna żywica)
20.0%
3. PRZEBIEG ĆWICZENIA (Procedure)
W ramach ćwiczenia należy wykonać jeden ze wskazanych przez prowadzącego preparatów:
3.1. Synteza atramentu rozpuszczalnikowego:
3.2. Schemat syntezy barwnika C.I. Solvent Yellow 56:
NH2
+
NaNO2
HCl
N N Cl
+
N
CH2CH3
CH2CH3
CH2CH3
N N
N
CH2CH3
3.1.1. Synteza barwnika żółtego (C.I. Solvent Yellow 56).
W 100 ml wody rozpuścić 4.7 g aniliny z dodatkiem 15 ml 30% HCl i zdiazować za pomocą
3.45 g NaNO2 w temperaturze 0-5ºC w czasie 30 minut. Otrzymana sól diazoniową wkroplić do
roztworu N,N-dietyloaniliny (4.5g) rozpuszczonej w 150 ml wody z dodatkiem 6 ml 30% HCl.
Sprzęganie prowadzić w temperaturze 0-2ºC dodając jednocześnie roztwór octanu sodowego, aby
utrzymać pH 4-5. Osad barwnika odsączyć, przemyć wodą i wysuszyć. Otrzymuje się około 12 g
barwnika, co stanowi około 94% wydajności teoretycznej. Barwnik należy przekrystalizować z
etanolu.
W ramach badań identyfikacyjnych wykonać widmo elektronowe barwnika oraz wyznaczyć jego
właściwości spektroskopowe. Oznaczyć temperaturę topnienia barwnika.
3.1.2. Preparatyka atramentu rozpuszczalnikowego
Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9
10
W 10 g ketonu metylowo- etylowego (MEK) z dodatkiem 3.2 g glikolu propylenowego-1,2
rozpuścić 1.56g barwnika C.I. Solvent Yellow 56. Po dokładnym rozpuszczeniu barwnika dodać 1,56
g żywicy – kopolimer: poli(chlorek winylu)/poli(octan winylu) i starannie wymieszać.
3.2. Synteza atramentu wodnego:
3.2.1. Schemat syntezy barwnika C.I. Acid Black 1
1 etap syntezy:
NH2
O2N
NH2
NaNO2
HCl
NH2
O2N
+
N N Cl +
HO3S
O2N
OH
SO3H
OH
N N
HO3S
SO 3H
2 etap syntezy:
OH
+
NH2 NaNO 2
HCl
NH2
N N
-
N N Cl
HO3S
OH
NO 2
+
SO 3H
NH2
N N
N N
HO 3S
SO 3H
NO 2
Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9
11
3.2.2. Synteza barwnika czarnego (C.I. Acid Black 1).
W 100 ml wody z 15 ml 30% kwasu solnego rozpuścić w temperaturze 95ºC 6.9 g pnitroaniliny. Po utworzeniu chlorowodorku przerwać ogrzewanie i dodać 50 g lodu, ochładzając
jednocześnie mieszaninę reakcyjną z zewnątrz. Następnie dodać w jednej porcji w temperaturze 0-5ºC
3.45 g azotynu sodowego rozpuszczonego w 5 ml wody. Diazowanie prowadzić 1 godzinę. Po tym
czasie sól diazoniowa powinna znajdować się w roztworze. W przypadku wytrącenia się niewielkich
ilości związków diazoaminowych należy je odsączyć. Przed sprzęganiem usunąć kwas azotawy przy
pomocy mocznika lub kwasu sulfamidowego. Do otrzymanej soli diazoniowej wlać powoli roztwór 16
g kwasu H (kwas 1-amino-8-hydroksynaftaleno- 3,6-disulfonowy) w 250 ml wody z dodatkiem 3 g
Na2CO3 o temperaturze 5-10ºC. Sprzęganie prowadzić przez 2 godziny. Próbkę barwnika zachować do
kontroli chromatograficznej.
W międzyczasie w 100 ml wody z lodem zawierającej 15 ml 30% kwasu solnego rozpuścić w
temperaturze 0-2ºC 4.7 g aniliny, a następnie zdiazować ją dodając 3.45 g azotynu sodowego w 15 ml
wody. Diazowanie prowadzić 15 minut. Do roztworu barwnika monoazowego dodać 15 g Na 2CO3
(ostrożnie!), obniżyć jego temperaturę do 0-2ºC, a następnie wkroplić zdiazowana anilinę. Reakcję
sprzęgania prowadzić 1 godzinę w temperaturze 5ºC. Po zakończeniu sprzęgania (kontrola
chromatograficzna: płytki Silufol, eluent: octan n-butylu:pirydyna:woda: 5:5:3 v/v) barwnik podgrzać
do temperatury 80ºC, wysolić 80 g NaCl, ochłodzić do temperatury pokojowej i odsączyć. Wysuszony
barwnik użyć do przygotowania atramentu wodnego wg przepisu podanego poniżej.
W ramach badań identyfikacyjnych wykonać widmo elektronowe barwnika oraz wyznaczyć jego
właściwości spektroskopowe.
3.2.3. Preparatyka atramentu wodnego:
W 20 ml wody z dodatkiem 2.5 g glikolu dietylenowego, 1.3 g N-metylopirolidonu -2, 0.15 g
trietanoloaminy i 0.05 g substancji antygrzybicznej starannie rozpuścić 1 g barwnika kwasowego C.I.
Acid Black 1. W razie potrzeby roztwór lekko podgrzać w celu rozpuszczenia składników. Atrament
przesączyć na lejku Büchnera z użyciem twardej bibuły filtracyjnej.
4. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report)
•
Wstęp teoretyczny
Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9
12
•
Cel ćwiczenia
•
Opis przeprowadzonych doświadczeń.
•
Opis podstawowych właściwości fizykochemicznych (temperatura topnienia barwnika
żółtego) i właściwości spektroskopowych barwników (λmax i ε).
5.
LITERATURA (References)
[1]. K. Hunger, Industrial dyes, chemistry, properties, application; Wiley-VCH, Weinheim, 2003.
[2]. J. Sokołowska, Barwniki w nowoczesnych technikach, Łódzkie Towarzystwo Naukowe, Łódź,
2005.
6. PRZYKŁADOWE PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems)
7.
•
Podać zastosowania atramentów i tuszy.
•
Wymienić rodzaje atramentów/tuszy.
•
Podać typy i barwy barwników stosowanych w produkcji atramentów.
•
Podać rolę innych składników poszczególnych typów atramentów/tuszy.
EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes)
a. Co student powinien wiedzieć
• Rozumie i rozróżnia technologie otrzymania atramentów/tuszy
• Rozpoznaje i identyfikuje dziedziny zastosowania tuszy/atramentów
• Rozumie i rozróżnia czynniki wpływające na właściwości funkcjonalne
tuszy/atramentów
• Rozpoznaje i identyfikuje czynniki wpływające na jakość wydrukowanego
obrazu.
b. Co student powinien umieć
•
Wykonać syntezę podstawowego barwnika azowego
•
Zbadać właściwości spektroskopowe barwników
Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9
13
•
Wskazać typ i zastosowanie atramentu/tuszu w zależności od składu
•
Prezentować preparatykę atramentu/tuszu
•
Krytycznie skomentować wpływ składu atramentu/tuszu na jego właściwości
funkcjonalne oraz jakość otrzymanego obrazu.
8. TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers)
•
Pogotowie ratunkowe: 999
•
Straż pożarna: 998
•
Policja: 997
•
Straż miejska: 986
•
Pogotowie ciepłownicze: 993
•
Pogotowie energetyczne: 991
•
Pogotowie gazowe:992
•
Pogotowie wodociągowe: 994
•
Numer alarmowy z telefonu komórkowego: 112
Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9
14