染料と顔料の化学――用途に適したインクとは？

現代のインクには、印刷機の印刷速度と精度を高めるためのさまざまな成分が含まれています。

多くの人は、インクを二の次だと考えがちです。つまり、すべてのプロセスを連携させて機能させているのはプリンターやソフトウェアであり、インクはどれでも同じように良いものだと考えているのです。 しかし実際には、現代のインクジェット用インクのほぼすべてが、印刷システム全体の中で高度に設計された構成要素であり、特定のプリンターに合わせて精密に配合され、あらかじめ定められた価格帯で所定の特性を発揮するように作られています。

言うまでもなく、ほとんどすべてのプリンターユーザーは、インクの価格が割高だと感じています。しかし、その価格は、インクの製造に用いられる知的財産の価値など、さまざまな要因によって決まりますが、主に使用される原材料によるものです。では、その原材料とは一体何なのでしょうか？

おそらく、まず注目すべきは着色剤でしょう。多くの民生用水性インクジェットインクやテキスタイル用インクでは依然として染料が使用されていますが、商業用プリンターでは主に顔料が使用されています。顔料は退色に対する耐性がはるかに優れており、特に屋外看板や店頭のショーウィンドウに掲示されるポスターなど、直射日光にさらされる環境でも、印刷物の耐久性を高めます。 染料とは異なり、これらの顔料は印刷後も固体のまま、メディアの表面に定着します。顔料は、高解像度のインクジェットプリントヘッドに搭載された微細なノズルから噴射できるほど十分に小さくなるよう、ミクロンサイズの粒子に細かく粉砕されています。

ここ数年までは、ほとんどのインクメーカーが、インクの噴射性を向上させ、インク粒子がプリントヘッドを詰まらせるリスクを抑えるために、比較的低いインク粒子濃度を採用していました。その結果、鮮やかで彩度の高い画像を再現するには、十分な着色剤を塗布するためにヘッドキャリッジを数回往復させる必要がありました。 しかし、現在ではほとんどのプリントヘッドがはるかに高い顔料含有量に対応できるようになったため、1回の通過でより多くの着色剤を塗布できるようになり、印刷時間全体が大幅に短縮されています。

顔料自体は、顔料が均一に分散され、単に沈殿してインクタンクの底に沈むことがないように設計されたキャリア液の中に懸濁されています。 最も一般的なキャリア液の一つは水であり、比較的安価であると同時に環境に優しいという二重の利点があります。水性インクだけでなく、ほとんどの樹脂系やラテックス系インクにおいても、水はキャリアとして使用されています。 水は溶剤よりも純粋で自然なものだと考えられがちですが、水もまた溶剤に分類されます。とはいえ、水性インクに含まれる揮発性有機化合物（VOC）はごくわずかであり、通常の作業環境で推奨される範囲を超える換気はほとんど必要ありません。

一方、エコソルベントインクは、キャリアとしてやや刺激の強い溶剤を使用しており、この溶剤が基材のコーティング層を溶かし、顔料粒子をメディアの表面に定着させます。 一般的に、エコソルベントインクは噴射時に多少の臭いを発生させることがありますが、これは過去に使用されていたフルソルベントインクに比べてはるかに少なく、作業場が十分に換気されていれば、あまり気にならない程度です。いずれにせよ、臭いは24時間以内にほぼ消えます。

次に、摩擦や引っかき傷を受けても顔料粒子が媒体上に定着した状態を保つために、何らかの結合剤が必要となります。樹脂系やラテックス系のインクでは、顔料粒子がポリマー樹脂で包み込まれており、場合によってはその樹脂自体がラテックスであることもあります。 通常、インク噴射の直後に熱が加えられ、これによりキャリア液中の水分が蒸発しやすくなります。

また、熱によって樹脂が溶け、これにより顔料粒子が基材の表面に定着します。これにより、他の水性インクに比べて印刷物の耐久性が格段に高まり、屋外での使用にも適しています。

UV硬化型インクは、ポリマーを基盤とした異なる化学的仕組みを採用しています。基本的に、このインクには、インクの粘度や流動特性を決定する反応性希釈剤であるモノマーと、インクが硬化する際に主膜を形成するオリゴマーが含まれています。 また、このインクには光開始剤として機能する化学物質も含まれています。インクが紫外線にさらされると、光開始剤の作用によりモノマーとオリゴマーが架橋反応を起こし、瞬時に乾燥（より正確には硬化）し、顔料を含むポリマーを基材に結合させます。

ほぼすべてのインクには、いくつかの添加剤が含まれています。これらは主に、インクの流動特性を制御するために使用され、プリントヘッド内でのインクの流れをスムーズにするだけでなく、印字媒体上でのインクの広がりを防ぐ役割も果たしています。 一部の添加剤は、プリンター内でインクが乾燥するのを防ぐために使用され、他の添加剤は、インクが基材に付着した後の乾燥プロセスを促進するために配合されています。

最も一般的な添加剤としては、水性インクに添加される炭化水素やシリコーンなどの界面活性剤が挙げられます。 これは、水の表面張力が非常に高いため、界面活性剤を使用することでインクが均一に広がり、さまざまな基材への濡れ性を向上させ、玉状になる現象や塗布ムラなどの問題を軽減できるからです。このように、界面活性剤は、表面エネルギーの低い素材を含め、さまざまな素材へのインクの密着性を高める役割を果たします。

また、保湿剤も使用されます。これはインク中の水分を保持し、プリントヘッド内部での早期乾燥を防ぐことで、より安定したインク噴射を確保するためのものです。 その他の添加剤としては、インク表面での気泡の発生を防ぐ消泡剤、印刷後の乾燥プロセスを促進する乾燥剤、そして乾燥中に樹脂粒子の融合を助け、メディア上に均一な膜を形成する凝集剤などがあります。

また、インクの流れをより適切に制御するために、インクの粘度を高める増粘剤やレオロジー調整剤が含まれている場合もあります。さらに、インク内の真菌やカビの繁殖を防ぎ、保存期間を延ばすために、殺菌剤が含まれているインクもあります。

当然のことながら、これらの成分はすべて規制の変更の影響を受けるため、メーカーはインクの配合を見直さざるを得なくなる場合があります。 とはいえ、これらすべての成分が相まって、インクにはあらゆる印刷業者が求めるあらゆる特性が備わっています。これには、色域の広さ、さまざまなメディアへの定着性、耐擦傷性や耐退色性の高さ、そして十分な保存期間などが含まれます。

当然のことながら、これらの部品のいずれかに供給上の問題が生じれば、価格上昇につながることになる。