CN1076038C - 改良型喷墨油墨 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适于在选定的液滴形成频率下操作的液滴型静电印刷机所用的油墨，该油墨包括非导电性液体、不溶性可荷电标记颗粒和颗粒的流动性改性剂，所述改性剂是适于与荷电颗粒相互作用或吸附在荷电颗粒上的化合物，并能改变颗粒的荷电性以及颗粒的电荷/质量比。本发明也包括一种使静电喷墨设备中油墨的液滴形成特征频率与喷墨设备中所需液滴形成频率相匹配的方法以及一种匹配多重喷射点静电印刷机的每个喷射点处的液滴形成速率的方法。

Description

改良型喷墨油墨

发明的领域

本发明涉及油墨，更具体地涉及适用于需在选定频率下操作的喷墨印刷装置的油墨。

发明的背景

油墨通常是溶解有染料的液体。油墨也可认为是由液体和分散于其中的颗粒所组成。与写作墨不同的机墨的实际组合物取决于此类油墨的使用方法。

在目前的使用中，有两种基本类型的油墨喷射应用技术。据知，第一种类型为连续式油墨喷射，第二种类型是脉冲式油墨喷射。

在连续性油墨喷射体系中，施加静压力于液墨，使其穿过喷嘴，结果产生墨滴。喷嘴上可施加例如压电振动，引起有规则地喷射出液滴。在将要喷出液滴时，液滴可以是导电性荷电和/或带电化学荷电，接着穿过产生恒定静电场的电极，引起这些液滴偏离。因此，控制所需液滴至基质，并移离不需要的液滴。由于荷电需要，油墨必须是导电的。此种油墨可以是水或者溶剂为基体，着色剂可以是颜料或可溶性染料。

在脉冲式油墨喷射体系中，在邻近于喷嘴的油墨内，借助所产生的压力扰动，仅按照需要形成液滴。压力的施加可用压电晶体或热的作用而产生，热的作用中由电阻加热器产生微泡。典型油墨是水基型的，采用染料作为着色剂，该方法也并不排除采用溶剂及颜料。由于并不需要液滴带电，不存在对油墨导电性的特殊要求。

脉冲式体系的更具体实例是热熔油墨喷射技术。该技术要求类似于压电液滴，不同之处是，室温下油墨是固体，而在印刷端部保持高温，于是在操作条件下油墨是液体。还有一方面，不需要适合于某些设备性能标准的油墨导电性。

采用小型电机阀产生液滴的最终体系称为阀喷射过程。从本质上讲，这是一种微型喷射枪体系，这种体系比真正的油墨喷射技术产生大得多的液滴。液滴依靠机械产生，故不要求油墨的导电性。

由于液滴形成取决于喷嘴直径，所以从可达到的分辨率方面来说，上述工艺受到限制。所用的最小喷嘴的直径范围是7.5到10微米，它产生的液滴是14至20微米的数量级，在选定纸张上液滴转化成30至40微米大小的圆点。而且，在这些小型喷嘴式喷墨印刷机上所用的油墨是基于水溶性染料，这是由于颜料基的油墨会引起喷嘴堵塞问题。因此，排除了颜料配方的优点，这些优点指较佳的耐水性、耐晒性和可供使用的颜色范围较宽。

静电油墨喷射是又一种技术，其特征是在静电场影响下从喷嘴中排出液滴。在阀电极和喷嘴之间的这种场作用，将油墨内部的自由电荷吸引到它的表面，于是在静电吸引超过油墨的表面张力时，就形成液滴。由于这种技术凭籍自由电荷的吸引力，因此就要求油墨是导电的。

澳大利亚Pty Ltd研究实验室于1993年6月24日公开的WOA9311866上描述了一项新型油墨喷印技术。这种方法提供一种颗粒物浓度高和大小可变的油墨液滴的产生方法。这种方法的特点包括，当仍用颜料作为着色材料时，能形成小至几微米的液滴。其原因在于，液滴大小主要是由喷射点的电压和颗粒带电能力所控制，而不是由喷射油墨的喷嘴大小所控制。而且，着色材料明显地浓集在喷出的液滴之中。因此，以耐光和耐水颜料为基础，可产生高分辨率和高密度图象。

本发明涉及可用于上述新型油墨喷印工艺的油墨，其中所形成的喷射液滴主要是固体着色剂，仅包含少量液体。尤其是，在液滴喷射时这种油墨具有浓集色物所必需的特性。

本发明的油墨喷射型油墨还具有易于用来产生高分辨标记的性质。这部分是由于喷墨印刷机产生的固有小液滴，以及由于在液滴内浓集着色剂颗粒而减少毛细作用和渗色的倾向。

当将印刷端部技术和油墨与所需印刷速度相匹配时以及例如当将印刷端部中多种油墨用于彩色印刷时，形成液滴时的频率可能是一个重要的考虑因素。

现已发现，似乎有许多因素影响使用WO-A-9311866中所揭示的印刷技术形成液滴的特征频率。虽然其中某些因素是不易改变的，但现已发现油墨组合物的改良可明显影响液滴形成的频率。

本发明的一个目的是生产适用于所选定的液滴形成频率的喷墨油墨。

一般而言，本发明将论述有关用油墨的印刷，然而应看到，本发明并不局限于此，而可用于很多需要以特定的速度施加或给予可载于液体中的细颗粒物的应用中。

发明的概述

因此，一方面，虽然不是唯一或最广义的形式，但本发明涉及一种适于在选定频率下操作的液滴型静电印刷机所用的油墨，这种油墨适于在选定的频率下聚集并从印刷机的喷射部位喷射出来，所述的油墨包括非导电性液体、不溶性可荷电标记颗粒和颗粒的流动性改性剂(mobility modifier)，所述流动性改性剂是适于与荷电颗粒相互作用或吸附在荷电颗粒上的化合物，所述的化合物能改变颗粒的荷电性以及颗粒的电荷/质量比，改变油墨中流动性改性剂的含量能使油墨液滴在选定的频率下聚集和喷射。

另一方面，本发明涉及使静电喷墨设备中油墨的液滴形成特征频率与喷墨设备中所需液滴形成频率相匹配的方法，其特征在于这种油墨含有非导电性的液体和不溶性的颜料颗粒，该油墨的液滴形成特征频率取决于颜料颗粒和该液体的流变性，所述方法包括加入选定量的流动性改性剂的步骤，所述流动性改性剂是适于加入该液体中并改变所述颗粒的荷电性以及电荷/质量比的化合物。

第三方面，本发明涉及匹配多重喷射点静电印刷机的每个喷射点处的液滴形成速率的方法，所述的印刷机适于从选定的喷射点喷射不同颜色的油墨，而且视油墨的不溶性可荷电标记颗粒的特性和每种油墨液体部分的流变性不同，每种油墨具有不同的液滴形成特征频率，该方法包括在每一种油墨中加入选定量的用于改变液滴形成特征频率的流动性改性剂的步骤，以使每一种油墨的液滴形成频率基本上相同。

油墨中流动性改性剂的用量为0.05-20％重量。所述的流动性改性剂可选自可溶解于或可部分溶解于载体液体并有助荷电过程的任何物质。

优选实施方案的描述

所述的液体可以是任何具有上述特性的合适液体，而且可包括脂族烃(如己烷、环己烷、异癸烷、Isopar(Exxon公司制造)和Shellsol T(Shell公司制造))、芳族烃(如二甲苯、甲苯和Solvesso100(Exxon公司制造))、氯化溶剂(如diethylenechloride和氯仿)、硅氧烷液体或油(如二甲基聚硅氧烷(如Dow Corning公司制造的DC200)和环状二甲基聚硅氧烷(如Dow Corning公司制造的DC345))以及植物油(如橄榄油、红花油、葵花油、大豆油和亚麻子油)。

标记颗粒可以是颜料、不溶性的染料、聚合物或其混合物，或者它可以是一种药物。它在油墨中的浓度为0.5-30％重量，3-20％更佳。令人惊奇的是可以成功地使用固含量这样高的喷墨油墨，从而减少了配制和储存成本。因此，对于给定的固体容量而言可以使用较小的容器、泵和油墨筒。

流动性改性剂可以是羧酸的金属盐、金属皂、脂肪酸、卵磷脂、有机磷化合物、琥珀酰亚胺、硫代琥珀酸盐(sulphosuccinate)或其混合物。或者，流动性改性剂可以是可溶或部分可溶的树脂，如改性的松香酯、丙烯酸树脂、乙烯基树脂、烃或其混合物。流动性改性剂的浓度范围可以为0.05-20％重量，优选的范围为0.1-10％重量。

人们将会认识到，本发明油墨的重要特征之一是油墨的液体部分基本上是非导电性的，因此，流动性改性剂的最大用量必须不能将液体的导电性减少至不能形成可控制液滴的程度。

不溶于该液体的标记颗粒可以根据具体的用途进行选择，而且可由各种着色剂、聚合物和化学药品或其混合物制成。适用于油墨的着色剂的例子是有机颜料，如颜料黄1、颜料黄14、颜料红48∶2、颜料红122、颜料蓝15∶3和颜料蓝56；无机颜料，如颜料白6、颜料黄35、颜料蓝27、颜料黑7和颜料黑11；溶剂染料，如溶剂红7、溶剂黄88、溶剂蓝49、基本红1和基本蓝26；及金属颜料，如颜料金属1和颜料金属2。

适用于油墨中作为颗粒的聚合物是环氧树脂，如双酚A环氧化物、酚醛环氧树脂和脂环族环氧树脂；丙烯酸树脂，如丙烯酸和丙烯酸酯的聚合物和共聚物、甲基丙烯酸和甲基丙烯酸酯的聚合物和共聚物；乙烯基树脂，如乙酸乙烯酯、氯乙烯、乙烯醇和乙烯丁醛的聚合物和共聚物；醇酸树脂，如油、酚醛树脂和松香改性醇酸树脂；及改性松香酯，如二聚季戊四醇松香酯。这些聚合物可以是染料，或者包括以此分散的颜料。

适用于油墨中作为颗粒的化学品的实例是药物，如乙酰水杨酸、蔗糖和抗坏血酸；农业化学品，如氧氯化铜和元素硫以及工业化学品。组合物中标记颗粒的浓度为0.5-30％重要。

此外，可将液体中溶解或部分溶解的树脂和聚合物用来将标记颗粒分散于液体中，并且起着上述标记颗粒对基质的粘合剂功能。适宜的树脂实例包括某些与上面所列的树脂相类似的改性松香酯，丙烯酸树脂和乙烯基树脂，但不包括那些具有能增加液体中溶解度的较长烷基的树脂。此外，诸如α-甲基苯乙烯和聚异丁烯等烃类树脂也适用。

流动性改性剂可以是可溶解于或部分溶解于液体中并有助于荷电过程的任何物质。这种流动性改性剂包括金属盐，如庚酸的锂、镉、钙、镁和锰盐；辛酸的锆、铝、钴和锰盐以及2-乙基己酸的锆、铝、钴和镁盐；脂肪酸；卵磷酯；有机磷化合物；琥珀酰亚胺；硫代琥珀酸盐，如二己基硫代琥珀酸钠和二辛基硫代琥珀酸钠；及极性溶剂，如醇、酮和酯。已发现，起着颗粒分散和粘合剂作用的上述可溶性聚合物和树脂也起到改进流动性的作用。重要的是添加到配方中的流动性改性剂的量并不使油墨电阻率值降低到10⁹欧姆·厘米的极限之外。此种流动性改性剂在油墨中的作用尚未被充分理解，但是可以相信，当喷射部位或喷射部位附近存在明显梯度的非均匀静电场时，流动性改性剂有助于颗粒带电，从而促进荷电颗粒在非导电性液体中形成团粒。油墨组合物中流动性改性剂的浓度可以为0.05-20％重量。

将所述标记颗粒和其它上述组份分散于液体中，可制备出本发明的喷墨油墨。制备这种油墨可利用众多方法，如球磨机，磨碎机，胶磨机，三辊磨机，珠磨机和高速分散机。或者可通过液体中颗粒的聚合形成颗粒。

对于喷墨型印刷机所用的已有油墨配方而言，载体液体中颗粒的流动性已不再是一个重要的因素，因为对液滴内的颗粒流动性已不存在任何要求，而只存在对整个液滴流动性的要求。这是因为对过液滴形成过程中的颗粒浓度不曾提出过任何要求和揭示。

如果用PCT专利申请WO-A-9311866中所述的新技术将油墨中的颗粒团粒用于产生密集的标记颗粒，则液体中颗粒的流动性是重要的。如果选定量的颗粒形成团粒需花较长的时间，则液滴形成的频率将不会象另一种颗粒已有较高流动性的油墨配方一样高。现已发现，对于特定的油墨喷射油墨液滴的特征频率取决于油墨配方和组合物。这不仅包括不溶性标记颗粒的类型，而且包括颗粒的大小和形成方法(如研磨这些颗粒)。具体地说，现已发现改变配方中流动性改性剂的用量，可以改变液滴形成的特征频率。

虽然与这种关系有关的确切机理还不清楚，但可以认为增加流动性改性剂的用量可以增加不溶性颗粒的电荷/质量比。因此，当施加电场时，油墨载体液体中不溶性颗粒获得更高的流动性，这就使其以更快的速率聚集至可以喷射的尺寸，因此产生更高的喷射频率。

油墨颗粒在施加电场的作用下通过油墨载体液体的流动性可用如下公式表示。

                   μ＝q/6πηr

式中μ表示流动性，q表示颗粒电荷，η表示介质的粘度，r表示颗粒的半径。颗粒荷电的机理同样也不完全清楚，它取决于所用化学品的性质。例如据认为，当溶解于非水液体中时，金属羧酸盐流动性改性剂形成反胶束(inversemicell)。然后在油墨颗粒和反胶束之间发生离子交换，当油墨颗粒带正电荷时，反胶束带负电荷并用作抗衡离子。

总的结果是在颗粒上产生了增电荷(increase charge)，因此在一组给定的条件下提高了颗粒的流动性。

本发明实际应用是将不同颜色油墨用于彩色印刷过程的多重喷射部位印刷端部中。视所用的颜料不同，各种油墨的液滴形成特征频率的差别高达六倍。通过提高“较慢”油墨的液滴形成特征频率和降低“较快”油墨的液滴形成特征频率，可以使每一种油墨以基本上相同的速度聚集成团粒并喷射，从而避免了印刷图像上不同颜色的重合问题。

本发明油墨的应用实例是形形色色的，包括办公室印刷机，组分标记，磁墨字母识别，标记集成电路、标记玻璃和陶瓷、标记金属和合金，食品标记，纺织印染、用作胶印模板的印刷板的制作。应该认识到所推存的最终用途将决定各种组分的选择。

本发明油墨组合物也可用于药物直接给予动物或人体，或当希望施用正确剂量药物时加到基质如惰性药片。选择液滴形成特征频率或速率就可以精确地配药。

实施例

以上，一般性地叙述本发明，为了有助于理解本发明，下面将论述油墨配方实施例以及通过改变流动性改性剂的用量改变液滴形成特征频率。实施例1-6油墨浓缩物1Hostaperm Pink E                40gPOA-2                           4gIsopar L                        356g

将以上的组分加入到球罐中，研磨2天，制备品红色油墨浓缩物。

然后制备如下的油墨分散体。实施例    油墨浓缩物1(g)  6％Nuxtra锆(g)  Isopar G(g)1         10.0            0.1             89.92         10.0            0.2             89.83         10.0            0.3             89.74         10.0            0.5             89.55         10.0            2.0             88.06         10.0            5.0             85.0

在PCT/AU92/00665中所述的油墨喷印装置中试验这些实施例，在高级复印纸上印刷图象，并观察如下的性能。实施例    流动性改性剂(％)   点频率(kHz)    点尺寸(μm)1         0.1                1.5            602         0.2                4.5            503         0.3                7.0            404         0.5                8.0            305         2.0                10.0           206         5.0                15.0           15

实施例1-6说明如何通过改变流动性改性剂(辛酸锆)的用量来控制油墨的频率。在一种可能的组合中，实施例1的油墨可适用于单色图表记录器(操作频率为1kHz，记录纸速为60毫米/秒)。另一种组合中，实施例3的油墨可适用于单色系列印刷机装置(操作频率为7kHz，分辨力为600dpi)。

Isopar G和Isopar L是由Exxon化学公司制造的异链烷烃溶剂，HostapermPink E(CI颜料红122)是由Hoechst AG制造的。

FOA-2是由杜邦公司制造的石油添加剂。

6％Nuxtra锆是石油溶剂中的辛酸锆溶液(由Huels America Inc.制造)。

实施例7Monolite黄GNA                40gFOA-2                        4g6％Nuxtra锆                  8gIsopar L                     348g

将以上的组分加入到球罐中，研磨2天，制备黄色油墨浓缩物。然后用IsoparG按1∶10的比例将该浓缩物稀释成流动性改性剂含量为0.2％重量的油墨分散体。

实施例8Microlith黑CT              40gReflex兰3G                 10gFOA-2                      4g6％Nuxtra锆                40gIsopar L                   306g

将以上的组分加入到球罐中，研磨2天，制备黑色油墨浓缩物。然后用IsoparG按1∶10的比例将该浓缩物稀释成流动性改性剂含量为为1.0％重量的油墨分散体。

实施例9Hostaperm Pink E                40gFOA-2                           4g6％Nuxtra锆                     12gIsoparL                         344g

将以上的组分加入到球罐中，研磨2天，制备品红色油墨浓缩物。然后用IsoparG按1∶10的比例将该浓缩物稀释成流动性改性剂含量为0.3％重量的油墨分散体。

实施例10Irgalite兰LGLD               40gFOA-2                        4g6％Nuxtra锆                  40gIsoparL                      316g

将以上的组分加入到球罐中，研磨2天，制备深兰色油墨浓缩物。然后用IsoparG按1∶10的比例将该浓缩物稀释成流动性改性剂含量为1.0％重量的油墨分散体。

在PCT/AU92/00665中所述的油墨喷印装置中试验实施例7-10中所述的油墨，在高级复印纸上印刷图象，并观察如下的性能。实施例    点频率(kHz)  点尺寸(μm)7            8            408            8            409            7            4010           7            40

这组四种油墨适用于四色台式印刷机(操作频率为7kHz，分辨力为800dpi)。

Monolith黄GNA(CI颜料黄1)由ICI Australia制造，Irgalite兰LGLD(CI颜料兰15∶3)由Ciba-Geigy公司制造，Microlith黑CT(CI颜料黑7)由Ciba-Geigy公司制造，Reflex兰3G(CI颜料兰18)由Hoechst AG制造。

由此可知，按照本发明可以配制适于在选定频率下喷射的喷墨印刷机液体油墨或多色印刷液体油墨，加入流动性改性剂可以使每一种颜色的喷射频率与所选的值相匹配。

除了另作要求的内容，在本说明书和所附的权利要求书中的“包括”一词被理解为包括所述的组份或组份组，但不排除任何其它的组份或组份组。

Claims (14)

1.一种适于在选定频率下操作的液滴型静电印刷机所用的油墨，所述油墨适于在选定的频率下聚集并从印刷机的喷射部位喷射出来，所述的油墨包括非导电性液体、0.5-30％重量不溶性可荷电标记颗粒和0.05-20％重量用于所述颗粒的流动性改性剂，所述流动性改性剂是适于与荷电颗粒相互作用或吸附在荷电颗粒上的化合物，所述的化合物能改变颗粒的荷电性以及颗粒的电荷/质量比，改变油墨中流动性改性剂的含量能使油墨液滴在选定的频率下聚集和喷射。

2.如权利要求1所述的静电印刷机所用的油墨，其特征在于所述的流动性改性剂选自羧酸的金属盐、金属皂、脂肪酸、卵磷脂、有机磷化合物、琥珀酰亚胺、硫代琥珀酸盐、改性的松香酯、丙烯酸树脂、乙烯基树脂、烃类树脂或其混合物。

3.如权利要求1所述的静电印刷机所用的油墨，其特征在于所述的流动性改性剂选自庚酸的锂、镉、钙、锰和镁盐；辛酸的锆、铝、钴和锰盐以及2-乙基己酸的锆、铝、钴和锰盐。

4.如权利要求1所述的静电印刷机所用的油墨，其特征在于流动性改性剂的用量为0.1-10％重量。

5.如权利要求1所述的静电印刷机所用的油墨，其特征在于非导电性液体选自脂族烃、芳族烃、氯化溶剂、硅氧烷液体或油以及植物油。

6.如权利要求1所述的静电印刷机所用的油墨，其特征在于不溶性标记颗粒选自颜料、不溶性染料、聚合物或其混合物。

7.如权利要求6所述的静电印刷机所用的油墨，其特征在于油墨中不溶性标记颗粒的浓度为3-20％重量。

8.如权利要求1所述的静电印刷机所用的油墨，其特征在于它还包括粘合剂，所述的粘合剂选自改性的松香酯、丙烯酸树脂、乙烯基树脂、烃类树脂。

9.如权利要求1所述的静电印刷机所用的油墨，其特征在于油墨的电阻率至少为10⁹欧姆·厘米。

10.一种使静电喷墨设备中如权利要求1所述的油墨的液滴形成特征频率与喷墨设备中所需液滴形成频率相匹配的方法，其特征在于所述油墨含有非导电性的液体和不溶性的颜料颗粒，该油墨的液滴形成特征频率取决于颜料颗粒和该液体的流变性，所述方法包括在所述油墨中加入选择数量的流动性改性剂的步骤，所述流动性改性剂是适于加入所述液体中并改变所述颗粒的荷电性以及电荷/质量比的化合物。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述的流动性改性剂选自羧酸的金属盐、金属皂、脂肪酸、卵磷脂、有机磷化合物、琥珀酰亚胺、硫代琥珀酸盐、改性的松香酯、丙烯酸树脂、乙烯基树脂、烃类树脂或其混合物。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述的流动性改性剂选自辛酸锆、庚酸的锂、镉、钙、镁和锰盐；辛酸的锆、铝、钴和锰盐以及2-乙基己酸的锆、铝、钴和锰盐。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述流动性改性剂的用量为0.05-20％重量。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述流动性改性剂的用量为0.1-10％重量。