CN103370205B - 喷墨介质及其制法、降低其制造过程中腐蚀的方法 - Google Patents
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Abstract
制造喷墨介质(170)的方法包括将七水合泻盐溶解在包含至少一种表面施胶添加剂的涂料溶液中，用该涂料溶液涂布基底的至少意面以制造喷墨介质(170)。喷墨介质(170)包括基底(172)和沉积在所述基底的第一面上的包含七水合泻盐的涂层(174)，该涂层(174)具有基本均匀分布在其体积中的七水合泻盐。
Description
背景
喷墨介质上的涂料或表面处理有助于将喷墨墨水留在介质表面上。一些喷墨介质涂料或表面处理组合物含有二价金属盐，如氯化钙或氯化镁。这些含二价金属盐的喷墨涂料或处理组合物以液体形式沉积在喷墨介质上。但是，含有高浓度氯离子的流体是腐蚀性的。直接暴露于这些液体涂料的造纸生产线上的机械特别容易腐蚀。这些腐蚀机械的维护和更换就更换成本和停机时间而言都是昂贵的。
附图简述
附图图解本文中描述的原理的各种实施方案并且是说明书的一部分。所示实施方案仅是实例并且不限制权利要求书的范围。
图1是根据本文所述的原理的一个实例的示例性喷墨印刷系统的图。
图2是显示根据本文所述的原理的一个实例的示例性喷墨介质的层的侧面剖视图。
图3是显示根据本文所述的原理的一个实例的形成喷墨介质的示例性方法的流程图。
图4是显示被氯化钙涂布的示例性喷墨介质和根据本文所述的原理的一个实例被七水合泻盐(heptahydrate epsomite)（泻盐）涂布的喷墨介质的光学密度 vs 盐浓度的曲线图。
图5是显示黑色墨水在根据本文所述的原理的一个实例被七水合泻盐和氯化钙的混合物涂布的喷墨纸上的光学密度的曲线图。
图6是显示黑色墨水在根据本文所述的原理的一个实例被不同pH的泻盐涂布的喷墨纸上的光学密度的曲线图。
图7是被氯化钙涂布的示例性喷墨介质和根据本文所述的原理的一个实例被七水合泻盐涂布的示例性喷墨介质的墨水透印测量（ink show-through measurements） vs 盐浓度的曲线图。
在所有附图中，相同标号是指类似但不一定相同的要素。
详述
喷墨介质上的涂料或表面处理组合物有助于将墨水颜料留在介质表面上。一些喷墨介质涂料或表面处理组合物包括二价金属盐，如氯化钙或氯化镁。这些喷墨涂料或表面处理组合物以液体形式沉积在喷墨介质上并干燥。二价金属盐提供许多优点。一个优点在于该金属盐在纸表面中产生带正电荷的钙或镁离子。这些带正电荷的离子非常有效地吸引和留住喷墨墨水中的带负电荷的颜料颗粒。钙或镁离子与颜料颗粒之间的基于电荷的吸引防止透背（bleed through）、促进耐水性（water fastness）并通过将更多颜料颗粒固定在印刷介质的可见表面附近来提高印刷图像的光学密度和色域。含有二价氯化物盐的涂料溶液或表面处理组合物具有7至9或更高的pH。
如上论述，含有高浓度氯离子的流体可以是腐蚀性的。造成腐蚀的其它因素包括该液体涂料的pH值和温度。直接暴露在该液体涂料或表面处理组合物中的造纸生产线上的机械特别容易腐蚀。例如，许多常见金属，如碳钢、铸铁和不锈钢（302SS、304 SS、316 SS和416 SS）容易被氯离子腐蚀。这些腐蚀机械的维护和更换就更换成本和停机时间而言都是昂贵的。
已经意外地发现，通过用七水合泻盐取代表面处理或涂料中的所有或一部分二价金属盐，可以在降低制造装置中的腐蚀量的同时基本保持表面处理过的喷墨介质上的喷墨印刷品质。
泻盐是七水合泻盐（MgSO4·7H2O）的俗名。七水合泻盐易溶解在水溶液中以产生镁和硫酸根（SO4）离子。在一些实例中，含有七水合泻盐的表面处理或涂料水溶液可具有大约5至9的pH。在一个实例中，含有泻盐的涂料溶液可具有大约6至7的pH。硫酸根离子的腐蚀性远低于氯离子。但是，它们与墨水颜料的结合特性类似于氯离子的二价金属盐。这通过用七水合泻盐涂布或处理的喷墨介质上的印刷图像中的较高墨水光学密度和较低透背证实。
在下列说明书中，为了解释说明，阐述许多具体细节以提供本系统和方法的充分理解。但是，本领域技术人员显而易见的是，可以不靠这些具体细节实践本装置、系统和方法。在说明书中提到“一个实施方案”、“一个实例”或类似词语是指联系该实施方案或实例描述的特定要素、结构或特征包括在至少这个实施方案中，但不一定包括在其它实施方案中。术语“在一个实施方案中”或类似术语在说明书中各处的各种情况不一定都是指同一实施方案。
浓度、量和其它数值数据在本文中可以以范围格式表示。要理解的是，这样的范围格式仅为方便和简要使用，并应灵活地解释为不仅包括作为该范围的界限明确列举的数值，还包括该范围内包含的所有独立数值或子范围，就像明确列举各数值和子范围那样。例如，大约1重量%至大约20重量%的重量范围应被解释为不仅包括1重量%至大约20重量%的明确列举的浓度界限，还包括独立浓度，如2重量%、3重量%、4重量%和子范围，如5重量%至15重量%，10重量%至20重量%等。
图1图解可用于将颜料基喷墨墨水(160)施加到喷墨介质(170)上的示例性喷墨系统(100)。如图1中所示，本系统包括计算装置(110)，其通过伺服机构(120)可控耦合至具有布置在其上的喷墨印刷头(150)的可移动托架（moveable carriage）(140)。储墨器(130)通过可移动托架(140)耦合到喷墨印刷头(150)上。许多辊(180)与喷墨分配器(150)相邻设置并将喷墨介质(170) 选择性定位。下面更详细描述系统(100)的上述部件。
如图1中所示可控耦合到伺服机构(120)的计算装置(110)控制喷墨墨水(160)在喷墨介质(170)上的选择性沉积。可以使用通过计算装置(110)托管（hosted）的程序形成所需图像或文本的表达。随后将该表达转化成控制伺服机构(120)以及可移动托架(140)和喷墨分配器(150)的伺服指令。图1中所示的计算装置(110)可以是，但无论如何不限于，工作站、个人电脑、笔记本电脑、数码相机、个人数字助理（PDA）或任何其它含处理器的装置。
图1中所示的本印刷系统(100)的可移动托架(140)是可移动材料分配器，其可包括构造成分配喷墨墨水(160)的许多喷墨材料分配器(150)。可移动托架(140)可以由计算装置(110)控制并可以由构成伺服机构(120)的例如轴系统、带系统、链系统等可控移动。在可移动托架(140)运行时，计算装置(110)可以告知用户运行条件以及为用户提供用户界面。
当在喷墨介质(170)上印刷图像或文本时，计算装置(110)可控地定位可移动托架(140)并指导一个或多个喷墨分配器(150)在喷墨介质(170)上的预定位置作为数字寻址滴（digitally addressed drop）选择性分配喷墨墨水，由此形成所需图像或文本。本印刷系统(100)使用的喷墨材料分配器(150)可以是构造成实施本方法的任何类型的墨水分配器，包括但无论如何不限于，热驱动喷墨分配器、机械驱动喷墨分配器、静电驱动喷墨分配器、磁驱动分配器、压电驱动分配器、连续喷墨分配器等。另外，本喷墨介质(170)可以从非喷墨源，例如但无论如何不限于丝网印刷、模印（stamping）、压印（pressing）、凹版印刷等接收油墨。
流体连接到喷墨材料分配器(150)上的储墨器(130)容纳和向喷墨材料分配器供应喷墨墨水(160)。储墨器(130)可以是构造成在印刷前气密密封颜料基喷墨墨水(160)的任何容器。
图1 还图解本系统的促进颜料基喷墨墨水(160)接受（reception）到喷墨介质(170)上的部件。如图1中所示，许多定位辊(180)可以在印刷操作过程中运送喷墨介质(170)和/或固定喷墨介质(170)的位置。或者，可以使用许多带、辊、基底或其它运送装置在印刷操作过程中运送喷墨介质(170)和/或固定喷墨介质(170)的位置。
本系统和方法为多孔喷墨介质(170)提供增强的图像品质，下面详细描述其组合物。
在图2中图解构造成接收喷墨墨水(160)的示例性喷墨介质(170)。如图2中所示，喷墨介质(170)包括基底(172)，其在两面上用含有七水合泻盐和施胶剂的受墨层(174, 176)表面处理。如上所述，泻盐是七水合泻盐（MgSO4·7H2O）的俗名。七水合泻盐易溶解在水溶液中以产生镁和硫酸根（SO4）离子。含有七水合泻盐的水溶液通常具有5-7的pH。因此，该水溶液是酸性而非碱性的。施胶剂可包括淀粉、填料或聚合表面施胶组合物的一种或多种。
基底(172)具有35至250克/平方米（gsm）的基重和5至35重量%填料。该填料可包括，但不限于，碳酸钙(CaCO3)、粘土、高岭土、石膏(水合硫酸钙)、氧化钛(TiO2)、滑石、三水合氧化铝、氧化镁(MgO)、矿物和/或合成和天然填料。这些上述填料的加入在一些实例中可降低基底(172)的总成本。包括白色填料，如碳酸钙可增强基底(172)的亮度、白度和品质。
基底(172)还包括机械浆（mechanical pulp）（磨木浆、热机械浆和化学热机械浆）、无木浆和/或非木纤维，如甘蔗渣或竹子。基底(172)可包括施胶剂，例如，脂肪酸的金属盐和/或脂肪酸、烷基烯酮二聚物乳化产物和/或环氧化高级脂肪酸酰胺、烯基琥珀酸酐或烷基琥珀酸酐乳化产物和松香衍生物，干增强剂，例如阴离子、阳离子或两性聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、阳离子淀粉和植物半乳甘露聚糖，湿增强剂，例如聚胺聚酰胺表氯醇树脂，定影剂，例如水溶性铝盐、氯化铝和硫酸铝，pH调节剂，例如氢氧化钠、碳酸钠和硫酸，光学增白剂（optical brightening agents）和着色剂，例如颜料、着色染料和荧光增白剂（fluorescent brighteners）。
基底(172)可以包括，但不限于，含颜料的表面施胶纸、含颜料的涂布纸（pigmented coated papers）和铸涂涂布纸（cast-coated paper）或表面超级压光纸（surfaced super-calendared paper）。这些基底(172)可以使用多种技术表面处理。另外，基底(172)可包括透明膜、纤维素酯，包括三乙酸纤维素、乙酸纤维素、丙酸纤维素或乙酸丁酸纤维素，聚酯，包括聚(对苯二甲酸乙二醇酯)，聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酰胺、聚烯烃、聚(乙烯醇缩醛)、聚醚、聚氯乙烯、双乙酸酯、三乙酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸酯、玻璃纸、赛璐珞、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚砜和聚磺酰胺。此外，可以使用不透明照相材料作为基底(172)，包括，但无论如何不限于，钡地纸、聚乙烯涂层纸和空隙化聚酯（voided polyester）。
如图2中所示，基底(172)在至少一个表面上用含有七水合泻盐的涂料溶液或表面处理组合物涂布。使这种涂料溶液或表面处理组合物干燥以形成受墨层(174, 176)，其改善墨水施加至喷墨介质(170)时的光学密度、色域、墨水透印、芯吸、色调不匀（mottle）、渗色、擦金（bronzing）和干燥时间。受墨层(174, 176)的总干涂层重量为大约0.5至10克/平方米喷墨介质，其含有0.1至2.0克/平方米七水合泻盐。在一个实施方案中，受墨层的总干涂层重量为大约1至5克/平方米，其含有0.2至1.0克/平方米七水合泻盐。在一些实例中，基底表面仅用一个受墨层涂布或处理。在另一些实例中，基底表面仅用在水中的盐溶液涂布或处理。根据一个示例性实例，受墨层(174, 176)还可包含二价金属盐，如氯化钙或氯化镁、溴化钙或溴化镁、硝酸钙或硝酸镁和乙酸钙或乙酸镁。在将二价金属盐添加到七水合泻盐中时，涂料溶液具有大约5:1至1:1的硫酸根阴离子/氯阴离子摩尔比。这会使造纸过程中的腐蚀问题最小化，因为硫酸根不是侵蚀性阴离子并充当氯离子相关点蚀的腐蚀抑制剂。如果硫酸根离子与氯离子相比以摩尔过量存在，抑制作用特别显著。在一个实例中，七水合泻盐的重量百分比大于该涂料溶液中的总盐的50%。
图3是显示提供喷墨介质以制造包括七水合泻盐涂料的受墨层的示例性方法的流程图。该方法包括将泻盐溶解在包含至少一种表面施胶添加剂的涂料溶液中（方框305）。混合该涂料溶液直至泻盐基本均匀分布在其体积中。然后将该涂料溶液施加至基底的至少一面（方框310）。该涂料溶液或表面处理组合物可以通过许多材料分配机器和/或方法施加到基底上，包括但无论如何不限于，池式施胶机（puddle size press）、与造纸机联线的计量施胶机或脱机涂布机，如狭缝涂布机（slot coater）、幕涂机、级联涂布机、刮刀涂布机、棒涂机、凹版涂布机、Mylar棒涂机、绕线涂布机（wired coater）等。该涂料溶液通过红外线加热器、热空气或其它适当的技术干燥以在喷墨介质上制造（方框315）具有基本均匀分布在其体积中的七水合泻盐的受墨层。
在一些实施方案中，可以使用其它形式的硫酸镁代替七水合泻盐。例如，可以使用硫酸镁的无水、一水合、四水合、五水合和七水合形式。但是，这些形式的硫酸镁不像七水合泻盐那样容易溶解。这可以通过在混合之前或混合过程中水合硫酸镁来补救。在一些实例中，可以使用分散技术使硫酸镁形成与涂料或表面处理组合物混合的稳定水溶液。
图4是显示被氯化钙涂布的喷墨介质和被泻盐涂布的示例性喷墨介质的光学密度 vs 盐浓度的曲线图。光学密度是通过反射比的变化测得的颜色密度。
公式1
其中OD是光学密度，是入射光强度，是反射光强度。较高光学密度值较合意。
该曲线图的纵轴显示黑色墨水的光学密度（KOD），其在0.500开始并达到1.700。横轴显示受墨层中的盐浓度，余量是施胶剂。显示印刷在两种不同喷墨介质上的墨水的光学密度：用氯化钙(CaCl2)表面处理的喷墨介质和用七水合泻盐表面处理的喷墨介质。用氯化钙表面处理的喷墨介质的光学密度测量显示为实线连接的三角形。用不同浓度的七水合泻盐表面处理的喷墨介质的光学密度显示为虚线连接的正方形。
当盐浓度为0%时，在受墨层中仅存在淀粉和填料。在这种情况下，这两种喷墨介质都具有0.900的光学密度。在1%盐浓度下，氯化钙喷墨处理的介质具有大约1.300的光学密度，而七水合泻盐处理的喷墨介质具有大约1.100的光学密度。在3%盐浓度下，氯化钙处理的喷墨介质具有略超过1.500的光学密度，而七水合泻盐处理的喷墨介质具有大约1.350的光学密度。在5%盐浓度下，氯化钙处理的喷墨介质具有略超过1.500的光学密度，而七水合泻盐处理的喷墨介质具有大约1.450的光学密度。
这一数据表明，在低盐浓度下，氯化钙涂料带来比七水合泻盐高的光学密度。但是，随着盐浓度提高，氯化钙与七水合泻盐之间的差异显著降低。
图5是显示黑色墨水在用七水合泻盐和氯化钙的不同混合物处理的喷墨纸上的光学密度的曲线图。该曲线图的纵轴显示光学密度，其在1.00开始并达到1.60的光学密度。横轴显示1%、3%和5%的混合盐浓度。
第一混合物包括90%泻盐和10%氯化钙。印刷在用第一混合物表面处理的纸上的颜料基黑色墨水的光学密度数据显示为虚线连接的空心正方形。当混合盐浓度从1%提高至3%时，第一混合物的光学密度从1.10快速提高至1.37。第一混合物在5%混合盐浓度下具有在数据集中的最高光学密度。
第二混合物包括70%泻盐和30%氯化钙。印刷在用第一混合物表面处理的纸上的颜料基黑色墨水的光学密度数据用虚线连接的“X”形标记显示。第二混合物在1%和3%混合盐浓度下具有略高于第一混合盐浓度的光学密度。但是，第二混合物在5%处的光学密度略低于第一混合物。
第三混合物包括50%泻盐和50% 氯化钙。印刷在用第三混合物表面处理的纸上的黑色墨水的光学密度数据用实线连接的圆形显示。第三混合物在低盐浓度下具有最高光学密度，但在5%混合盐浓度下具有略低于第一混合物的光学密度。
图6是显示颜料基黑色墨水在被不同pH的5%泻盐涂布的喷墨纸上的光学密度的曲线图。纵轴显示光学密度的窄范围，其在1.415开始并达到1.445的光学密度。横轴显示在4开始并达到10的pH范围。对于用pH 5的5%七水合泻盐表面处理的喷墨纸，黑色墨水的光学密度为1.44。对于用pH值为大约6.2、7.5和9.3的5%七水合泻盐涂料表面处理的喷墨纸，光学密度为1.42。此数据表明可以与七水合泻盐结合宽的pH值范围。例如，该涂料溶液可具有大约6至7的pH。
图7是用氯化钙和七水合泻盐表面处理的示例性喷墨介质的墨水透印测量 vs 盐浓度的曲线图。墨水透印是作为光学密度测得的从纸张背面观察的图像的颜色强度。对于墨水透印，低光学密度值是合意的。
该曲线图的纵轴显示黑色墨水的光学密度（KOD），其在0.090开始并达到0.130。横轴显示涂料中的盐浓度，余量是施胶剂。该曲线图显示用氯化钙(CaCl2)表面处理的喷墨介质和用七水合泻盐表面处理的喷墨介质的数据。如上所述，用氯化钙表面处理的喷墨介质的光学密度测量显示为实线连接的三角形。用七水合泻盐涂布的喷墨介质的光学密度测量显示为虚线连接的正方形。
当盐浓度为0%时，对这两种喷墨介质而言，墨水透印均为大约0.125。在1%盐浓度下，氯化钙处理的喷墨介质具有大约0.124的光学密度，而七水合泻盐处理的喷墨介质具有大约0.120的光学密度。在3%盐浓度下，氯化钙处理的喷墨介质具有略高于0.105的光学密度，而七水合泻盐处理的喷墨介质具有大约0.117的光学密度。在5%盐浓度下，氯化钙处理的喷墨介质具有略高于0.095的光学密度，而七水合泻盐处理的喷墨介质具有大约0.110的光学密度。
此数据表明，在低盐浓度下，七水合泻盐涂料的墨水透印与氯化钙涂料的相当。但是，随着盐浓度提高，氯化钙与七水合泻盐之间的墨水透印差增大。随着七水合泻盐的量提高，墨水透印稳定地改进。
在另一些实例中，七水合泻盐可以与二价金属盐结合以提高性能。如上论述，这种盐组合具有大约5:1至1:1的硫酸根阴离子/氯阴离子比。另外，在该涂料中还可包括一些阳离子材料。硫酸根阴离子不像氯阴离子那样侵蚀性并充当氯离子相关点蚀的腐蚀抑制剂。如果硫酸根与氯离子相比以摩尔过量存在，抑制作用特别显著。例如，泻盐可用于替代涂料制剂中50%至100%的氯化物金属盐。
总之，在喷墨涂料配方中包括七水合泻盐减少或消除了造纸厂表面施胶制剂和白水中的氯离子。在维持喷墨介质的图像品质性能的同时减轻造纸厂机械的腐蚀。
上文的描述仅用于例示和描述所述原理的实施方案和实例。这一描述无意排他或将这些原理局限于所公开的任何确切形式。可以根据上文的教导做出许多修改和变动。
Claims (13)
1.制造喷墨介质的方法，其包括：
将七水合泻盐溶解在包含至少一种表面施胶添加剂的涂料溶液中，其中所述涂料溶液具有低于7的pH，并且其中所述七水合泻盐的重量百分比大于所述涂料溶液中的总盐的50%；和
用所述涂料溶液涂布基底(172)的至少一面以制造喷墨介质(170)。
2.权利要求1的方法，其中所述涂料溶液具有6至7的pH范围。
3.权利要求1的方法，进一步包括将二价氯化物盐溶解在所述涂料溶液中。
4.权利要求3的方法，其中所述涂料溶液具有相对于氯阴离子摩尔过量的硫酸根阴离子比率。
5.权利要求3的方法，其中所述涂料溶液具有5:1至1:1的硫酸根阴离子/氯阴离子比率。
6.权利要求1的方法，其包括用所述涂料溶液涂布所述基底的第二面。
7.降低涂布的喷墨介质的制造过程中的腐蚀的方法，其包括：
将七水合泻盐和二价氯化物金属盐溶解在涂料溶液中以使所述涂料溶液包含相对于氯阴离子摩尔过量的硫酸根阴离子比率；
用所述涂料溶液涂布基底的两面；和
将所述涂布的基底干燥。
8.由权利要求1的方法制造的喷墨介质，其包含：
基底(172)；
包含七水合泻盐和表面施胶添加剂的涂层(174)，所述涂层沉积在基底(172)上并具有基本均匀分布在其体积中的七水合泻盐。
9.权利要求8的喷墨介质，其中所述表面施胶添加剂包含下列的至少一种：淀粉、填料和聚合表面施胶剂。
10.权利要求8的喷墨介质，进一步包含氯化物金属盐，所述涂层(174)包含相对于氯阴离子摩尔过量的硫酸根阴离子。
11.权利要求10的喷墨介质，其中所述涂层(174)具有5:1至1:1的硫酸根阴离子/氯阴离子比率。
12.权利要求8的喷墨介质，其中所述涂层(174)的干涂布重量为0.5至10克/平方米喷墨介质，所述涂层(174)包含0.1至2.0克/平方米七水合泻盐。
13.权利要求8的喷墨介质，其中所述涂层(174)的干涂布重量为1至5克/平方米喷墨介质，所述涂层(174)包含0.2至1.0克/平方米七水合泻盐。
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