CN106661358B - 包含聚氨酯的油墨组合物 - Google Patents
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Abstract
根据一个方面，油墨组合物包含着色剂、峰值平均分子量范围为约25,000g/mol至约35,000g/mol的聚氨酯以及溶剂。所述油墨组合物的总固体含量按重量计小于约12％，且其着色剂与聚氨酯的重量比在约1:1和1:2之间。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求申请日为2014年6月26日，发明名称为“包含聚氨酯的油墨组合物”的美国临时专利申请No.62/017,804的优先权。本申请引用上述专利申请的全文。
联邦资助研究或研发情况
不适用。
序列表
不适用。
技术领域
本发明主要涉及油墨组合物，更具体地，涉及用于能够高速印刷的印刷系统中的喷墨油墨组合物。
背景技术
喷墨打印技术提供了具有不同容量的打印机。有三种主要的喷墨技术：热喷墨技术，即气泡喷墨技术、压电喷墨技术以及连续喷墨技术。在每一技术中，微小的墨水液滴被发射(即，喷射)到页面上。在热喷墨打印机中，热源使墨水蒸发以产生气泡。膨胀的气泡导致形成液滴，并且液滴从打印头喷出。压电技术采用位于墨水贮存器后部的压电晶体。改变电位用于在晶体中引起振动。晶体的前后运动能够为一滴液滴吸入足够的墨水并将该墨水喷射到纸上。在连续喷墨系统中，喷嘴连续地发射，并且与每个喷嘴相关联的电极将液滴偏转到沟槽，以在喷嘴不打印时收集液滴。当喷嘴要打印时，电极被停用并且液滴将传递到基板。
高速彩色喷墨打印的质量通常低于平版印刷和凹版印刷的质量。此外，最快的喷墨打印机的速度通常比平版印刷或凹版印刷机慢得多。传统的水基喷墨印刷也存在受纸上水基油墨放置的影响。使用水基油墨可使纸张浸透，并可能导致打印纸幅起皱和变形，并且纸幅也可能由于不慎暴露于潮湿环境而容易损坏。为了控制这些现象，喷墨打印机使用某些专门的纸或涂层。这些纸通常比用于商业印刷的传统幅材贵得多。
此外，当喷墨技术用于彩色打印时，可以增加油墨覆盖率和水饱和度。这主要归功于用于生成彩色图像的四色处理。四色处理包括将青色、品红色、黄色和黑色(即，CMYK)墨水以不同的量沉积在页面上以产生特定的印刷颜色。因此，如果需要全部四种颜色以产生所需的印刷颜色，页面的一些部分可以具有多达四层的墨。作为印刷所需颜色所需的各种油墨的总印刷液滴体积的结果，由喷墨打印机印刷的点可能扩散并产生模糊图像。通过精细平衡配方组分来控制液滴扩散或增加，以优化液滴铺展或生长从而得到所需的印刷液滴重叠，而没有模糊性或交互色彩油墨的混合。更进一步地，与用于传统平版印刷或凹版印刷的油墨相比，用于喷墨打印机的油墨趋于更昂贵。然而，通过精确的配方控制，精细控制点滴生长和油墨与纸基材的相互作用可以降低与使用喷墨型油墨相关的总成本，从而可以在不牺牲最终打印质量的情况下利用喷墨打印技术非常有利的多变特性。
因此，在一些情况下，使用高速喷墨印刷比使用平版印刷或凹版印刷更合适。在这种情况下，就需要图像在幅材上具有长期耐用性。长期耐用性指的是油墨保留在最终印刷产品上并抵抗由印后工艺接触水引起的潜在损害、突出标记以及其他对打印文档的机械磨损的能力。另外，纸张类型被分组为未涂布纸和涂布纸，两种纸对水基喷墨油墨具有不同的孔隙率，其中涂布纸有较低的孔隙率水平以及对水基喷墨油墨较低的吸收速率。结果是，就前面列出的性质而言，与没有涂层的喷墨印刷纸相比，在涂布纸上的喷墨图像的长期耐久性质量倾向于更低。
短期耐久性是最终的一个挑战，其通过印刷系统对即时印刷中的纸张运动或传送至关重要的。通过打印系统的纸张折叠和形成的步骤可能会因剪切力和各种打印系统硬件间的接触而损坏新打印的喷墨图像。例如在印刷过程中，当幅材通过高速印刷机的连续滚筒和/或其它元件移动时，油墨倾向于被剪切应力干扰。可使油墨在纸张上快速凝固并且在打印系统中对涂抹或位移具有即时抵抗性的配方设计将是有利的。
总结
根据一个方面，油墨组合物包含着色剂、峰值平均分子量范围为约10,000g/mol至约40,000g/mol的聚氨酯以及溶剂。所述油墨组合物的总固体含量按固体计小于约15％，且其着色剂与聚氨酯的重量比在约2:1和1:2之间。
根据另一个方面，适合用于喷墨打印头的油墨组合物包含按固体计约2.0％至约7.5％的着色剂、约1.0％至约9.3％的峰值平均分子量范围为约10,000g/mol至约40,000g/mol的聚氨酯以及溶剂。
根据另一个方面，使用喷墨打印头进行打印的方法，包括将油墨组合物喷射到基材上的步骤，其中所述油墨组合物包含峰值平均分子量范围在约10,000g/mol至约40,000g/mol的聚氨酯。
根据进一步的另一个方面，一种用于喷墨打印操作的装置，其包括外壳，安装在外壳内部的一系列喷嘴以及外壳内与喷嘴连通的油墨。所述油墨包含峰值平均分子量范围在约25,000g/mol至约35,000g/mol的聚氨酯。
在考虑以下详细描述和附图后，其它方面和优点将变得显而易见，其中在整个说明书中相同的附图标记表示相同的结构。
详细描述
油墨组合物包含着色剂、峰值平均分子量范围为约10,000g/mol至约40,000g/mol的聚氨酯以及溶剂。所述油墨组合物的总固体含量按重量计小于约15％，且其着色剂与聚氨酯的重量比在约2:1和1:2之间。
这种油墨组合物适合用于高速印刷系统。打印介质，例如幅材，纸张或其它基材，以大于约50ft/min的速度移动通过纸幅，优选大于约300ft/min，更优选在约500和约1,000ft/min之间。
所述油墨组合物的粘度满足可使油墨组合物施加到使用喷墨打印头的基材上。所述粘度可为约1.0至20.0厘泊(cP)，优选约4.0cP至约6.0cP，尽管优选的粘度可能部分取决于所使用的喷墨印刷头的要求。
所述聚氨酯用作粘合剂以稳定打印介质上的着色剂。众所周知，高分子量提供给终产品增强的长期耐用性。令人惊讶地发现具有相对低分子量的聚氨酯是可喷射的，并具有即时的耐用性，同时还具有可接受水平的长期耐用性。即时耐用性是指喷射的油墨组合物快速结合到纸幅并穿过高速印刷机而不转移到印刷机的元件和/或沉积在墨盒的油墨喷嘴上的能力。峰值平均和重均分子量使用标准凝胶渗透色谱(GPC)测定。本申请的聚氨酯具有约10,000g/mol至约40,000g/mol，优选约30,000g/mol的峰值平均分子量(Mp)。
所述酸值指中和1克物质或组合物所需的氢氧化钾(KOH)的毫克数。一个组合物的酸值可以通过合适的国际标准测定，如ASTMD664。为了测定组合物的酸值，用已知浓度的氢氧化钾溶液和作为颜色指示剂的酚酞滴定已知量的溶解在有机溶剂中的样品。本发明中所述油墨组合物中聚氨酯的酸值在约15和约25之间。
尽管可以使用其他的聚氨酯，适合用于本申请油墨组合物中的聚氨酯包括Essential Industries(Racine,WI)生产的R4289和R2650聚氨酯。
所述着色剂可为市售可得的任何常见的色素或染料。合适的着色剂的例子包括但不限于炭黑着色剂，如卡博特公司(Cabot Corp.，波士顿，马萨诸塞州)生产的IJX 1996；品红着色剂，如卡博特公司(Cabot Corp.，波士顿，马萨诸塞州)生产的Cab-Q-Jet 465；青色着色剂，如卡博特公司(Cabot Corp.，波士顿，马萨诸塞州)生产的Cab-O-Jet 450或者452；或者黄色着色剂，如卡博特公司(Cabot Corp.，波士顿，马萨诸塞州)生产的Cab-O-Jet470。
所述油墨组合物的总固体含量少于总重量的约15％。所述油墨组合物包含按固体计约2.0％至约7.5％的着色剂和约1.0％至约9.3％的聚氨酯。所述着色剂与聚氨酯的重量比可在约2:1和1:2之间。
本发明所述的油墨组合物还包含作为溶剂的水。所述组合物还可包含水溶性的有机化合物作为共溶剂。合适的水溶性或者混溶性的有机成分包括：甘油、聚缩水甘油和醇类，例如：甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇或叔丁醇；酰胺，如二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺；羧酸；酯类，例如乙酸乙酯、乳酸甲酯、乳酸乙酯、乳酸丙酯和碳酸亚乙酯；醚类，例如2-丁氧基乙醇、四氢呋喃或二恶烷；二醇类，例如丙二醇和二甘醇；乙二醇酯；乙二醇醚，例如丙二醇甲醚，二丙二醇甲醚；酮类，例如丙酮、双丙酮或甲基乙基酮；内酰胺类，例如N-异丙基己内酰胺或N-乙基戊内酰胺、2-吡咯烷酮，N-甲基吡咯烷酮；内酯类，例如丁内酯；有机硫化物；砜类，例如二甲基砜；有机亚砜类，如二甲基亚砜或四亚甲基亚砜；及其衍生物和混合物。附加材料可以向组合物添加其他性质，包括充当湿润剂以防止油墨在打印头中变干。
水与其它材料的相对量可以根据所需成品油墨的性质而广泛变化。通常，相对于其它材料，特别是湿润剂，具有更多水的油墨将更快地干燥，因为水在干燥器中比其它组分更容易闪蒸。
在其他实施例中，所述油墨组合物可以含有高达2.5％重量的表面活性剂。所述表面活性剂可包括，例如：非离子表面活性剂，如泊洛沙姆、乙氧基化炔二醇或其它乙氧基化表面活性剂。任何类型的表面活性剂可用在油墨组合物中以赋予所需性能，包括阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、阳离子表面活性剂或其它类型的表面活性剂。另外，匀染剂也可以用作表面改性剂。
适用的乙氧基化炔二醇包括空气产品(Air Products)提供的
400系列表面活性剂：分别为
420、440、465和485。所述由空气产品(艾伦镇，宾夕法尼亚州)提供的
400系列表面活性剂是通过使不同量的环氧乙烷与2,4,7,9-四甲基-5-癸炔-4,7-二醇(Air Products’
104)反应制得，后者是一种在两个对称疏水基团中间具有亲水部分的非离子分子。
在进一步的实施例中，所述油墨组合物还进一步包含粘度调节化合物。这些化合物可用于进一步控制墨水组合物的粘度，使得墨水从所选定的喷墨头适当地分配。合适的粘度调节剂包含丙烯酸共聚物以及疏水改性的丙烯酸共聚物等。合适的粘度调节剂包含从美国新泽西州东温莎的海明斯特殊化学品公司(Elementis Specialties,Inc.)购买的Rheolate 125。
所述油墨组合物还可包含可选的组分，例如防腐剂，如Arch Biocides(乔治亚州，士麦那)生产的Proxel GXL；防卷剂；杀虫剂；消泡剂；匀染剂；盐；无机化合物；有机化合物；pH调节剂和/或其任意组合。
以下实施例进一步说明本发明，但不应解释为以任何方式限制其范围。
实施例1用于本发明的油墨组合物的制备如下：
30％体积的(4.50％固体)品红色着色剂(COJ 465)
18％体积的(5.67％固体)聚氨酯(R4289)
0.1％体积的Proxel GXL
0.15％体积的乙氧基化炔二醇(Surfynol 440)
1％体积的乙氧基化炔二醇(Surfynol 465)
5％体积的四甘醇
30％体积的甘油
1％体积的三乙醇胺/乙酸盐
14.75％体积的去离子水
实施例2第二种用于本发明的油墨组合物的制备如下：
30％体积的(4.50％固体)黄色着色剂(COJ 470)
15％体积的(4.73％固体)聚氨酯(R4289)
0.1％体积的Proxel GXL
0.1％体积的乙氧基化炔二醇(Surfynol 440)
1％体积的乙氧基化炔二醇(Surfynol 465)
5％体积的四甘醇
32％体积的甘油
1％体积的三乙醇胺/乙酸盐
15.8％体积的去离子水
实施例3第三种用于本发明的油墨组合物的制备如下：
15％体积的(2.25％固体)青色着色剂(COJ 452)
15％体积的(4.73％固体)聚氨酯(R4289)
0.1％体积的Proxel GXL
0.1％体积的乙氧基化炔二醇(Surfynol 440)
1％体积的乙氧基化炔二醇(Surfynol 465)
4％体积的四甘醇
37％体积的甘油
1％体积的三乙醇胺/乙酸盐
26.8％体积的去离子水
实施例4第四种用于本发明的油墨组合物的制备如下：
30％体积的(4.50％固体)炭黑(IJX 1996)
15％体积的(4.73％固体)聚氨酯(R2650)
0.1％体积的Proxel GXL
0.07％体积的乙氧基化炔二醇(Surfynol 440)
0.85％体积的乙氧基化炔二醇(Surfynol 465)
5％体积的四甘醇
29％体积的甘油
1％体积的三乙醇胺/乙酸盐
18.98％体积的去离子水
实施例1-4的所有配方产生可接受的具有即时和长期耐用性的有价值的印刷油墨。
实施例5第五种用于本发明的油墨组合物的制备如下：
30％体积的(4.50％固体)炭黑(IJX 1996)
15％体积的(4.73％固体)聚氨酯(R2650)
0.1％体积的Proxel GXL
0.55％体积的乙氧基化炔二醇(Surfynol 440)
0.1％体积的乙氧基化炔二醇(Surfynol 465)
5％体积的双甘油(60％固体)
0.5％体积的改性丙烯酸共聚物(Rheolate 125)
22.5％体积的甘油
1％体积的三乙醇胺/乙酸盐
1％体积的二甲基乙醇胺(10％固体)
21.4％体积的去离子水
实施例5的油墨在32℃下的粘度为5.48cP，25℃下的表面张力为35.8达因/cm，pH为9.24。
实施例5的配方产生可接受的具有即时和长期耐用性的有价值的印刷油墨。
通过使用摩擦试验装置测定油墨对纸基材的粘附性和油墨自身的内聚性，摩擦试验装置在平行于油墨/纸结合表面的方向上对油墨表面施加一剪切磨料力(shearingabrasive weighted force)。本领域已知的这种摩擦试验装置的一个实例是摩擦掉色测定仪(Crockmeter，纽约，北托纳旺达，泰伯工业(Taber Industries)，)。通过分别印刷单种颜色(即，青色、品红色、黄色、黑色)和所列出的每一种颜色的组合颜色结合施加高达且包括400％的墨到表面上，提供用于分析的覆盖率为100至400％TAC(总面积覆盖)的印刷油墨样品。使用通常用于高速喷墨印刷系统的红外干燥系统依次干燥油墨。在印刷的30秒内样品试样被从干燥的油墨/纸组合物上切割下来，并经受预设循环摩擦数量的摩擦试验应力以及与在高速喷墨纸处理设备上典型的等效力相关的力。研磨面通常是橡胶化的转印带的一部分，其通常用于高速喷墨印刷机纸张处理系统的纸张转印部分中。通过使用实际印刷油墨区域以及紧邻打印区域的反射密度计测量来确定油墨粘附性和内聚性的评价。使用未经受摩擦试验装置方案的样品测量偏差来评定喷墨油墨配方的耐用性改进。
工业实用性
所引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利都通过引用以相同的程度并入本文，如同每个参考文献被单独且具体地指出其通过引用并入本文并在本文中全部阐述。
除非本文中另有说明或显然与上下文矛盾，在上下文中用于描述本发明(特别是在所附权利要求的上下文中)的术语“一”、“所述”等类似的说法应理解为其包括单数和复数。除非本文中另有说明，否则本文中的值的范围的详述仅旨在用作单独提及落入该范围内的每个单独数值的速记方法，并且每个单独的值被并入本说明书中，如同其在本文中单独引用一样。除非本文另有说明或上下文明显矛盾，本文所述的所有方法可以以任何合适的顺序进行。除非另有声明，本文提供的任何和所有实施例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地说明本公开，而不对本公开的范围构成限制。说明书中的语言不能被解释为：其表明任何未要求保护的元素对于本公开的实践是必要的。考虑到前面的描述，对本公开的许多修改对于本领域技术人员将是显而易见的。应当理解，所示出的实施例仅仅是示例性的，并且不应被视为限制本公开的范围。
Claims (14)
1.一种水性油墨组合物，其特征在于，其包含着色剂、峰值分子量范围为25,000 g/mol至35,000 g/mol的单一聚氨酯以及溶剂；所述油墨组合物的总固体含量按重量计小于15%，且其着色剂与单一聚氨酯的重量比在2:1和1:2之间；所述单一聚氨酯的用量按固体计为4.73%至5.67%；所述溶剂为水。
2.如权利要求1所述的水性油墨组合物，其特征在于，所述着色剂的用量按固体计为2.0%至7.5%。
3.如权利要求1所述的水性油墨组合物，其特征在于，所述溶剂还包含湿润剂。
4.如权利要求1所述的水性油墨组合物，其特征在于，所述组合物还包含至少一种表面活性剂。
5.如权利要求1所述的水性油墨组合物，其特征在于，所述组合物还包含粘度调节剂。
6.如权利要求1所述的水性油墨组合物，其特征在于，所述组合物在32℃的粘度为1至20cP。
7.如权利要求1所述的水性油墨组合物，其特征在于，所述单一聚氨酯的酸值为15至25。
8. 一种使用喷墨打印头的打印方法，包括将水性油墨组合物喷射到基材上的步骤，其特征在于，所述水性油墨组合物包含着色剂、峰值分子量范围为25,000 g/mol至35,000 g/mol的单一聚氨酯以及溶剂；其中所述油墨组合物的总固体含量按重量计小于15%，且其着色剂与单一聚氨酯的重量比在2:1和1:2之间，所述单一聚氨酯的用量按固体计为4.73%至5.67%；所述溶剂为水。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述着色剂的用量按固体计为2.0%至7.5%。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述溶剂还包含湿润剂。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述组合物还包含至少一种表面活性剂。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述组合物还包含粘度调节剂。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述组合物在32℃的粘度为1至20cP。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述单一聚氨酯的酸值为15至25。
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