CN110036079A - 用于喷墨打印机的安全印刷墨水及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了通过将两种或更多种功能性材料研磨成颜料分散体制得高安全性喷墨墨水，所述多种功能性材料是例如不可见紫外荧光染料或颜料、红外Anti Stokes上转换颜料、红外吸收和荧光染料或颜料以及氧化铁磁性颜料。使用湿介质研磨机研磨所述颜料分散体直至平均粒径低于300nm。将分散体与喷墨墨水的主要组分组合以产生高安全性的喷墨墨水，所述主要组分是例如去离子水、润湿剂、表面活性剂、聚合物树脂和杀菌剂。

Description

用于喷墨打印机的安全印刷墨水及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年10月24日提交的名称为“多功能安全墨水”的美国临时申请序列号62/412,063的优先权，并在此通过引用并入本申请。
技术领域
本发明总体上涉及安全墨水的改进，更具体地涉及用于喷墨打印机的新型改进安全墨水。
背景技术
为印刷文件提供安全特征的安全墨水在墨水中使用了紫外(UV)荧光材料。然后可以使用峰值波长为约365nm或398nm的黑光检测由UV荧光墨水印刷在文件上的安全标记。由于多年使用，UV荧光墨水相对容易制造、UV手电筒易于获得且非常流行。由此，通过在印刷文件上使用UV荧光墨水提供的安全性已经大大降低。为了帮助提高安全性，开始使用UVA荧光材料。含有UVA荧光颜料粉末的安全墨水在纸上几乎不可见。然而，当暴露于365nm黑光时，可以看到独特的荧光颜色。UVB荧光材料使用300nm黑光在280至350nm范围内发出荧光，将使印刷标记呈现出独特的颜色。当被254nm黑光照射时，UVC材料将在100至280nm范围内发出荧光。这些材料以不同的独特颜色发出荧光。颜色范围可以从蓝色到非常深的红色。其他材料，例如IR-Anti Stokes(红外反斯托克斯)上转换材料，由于Stokes(斯托克斯)位移而具有荧光能力。这是吸收光谱与发射光谱的最大波段之间的波长差异。这些材料通常通过响应于吸收较短波长的光子而发射较长波长的光子而发荧光。
这些荧光材料可在市场上获得。有些已用于安全墨水。尽管如此，敏感文件所需的安全水平根本没有实现。本发明通过组合荧光材料提供只能在不同波长光源下被检测的多种不同颜色发射，以提供所需的增强的安全水平。
发明内容
本发明提供的增强的安全性是使用在单个喷墨墨水组合物中发出多种不同颜色发光的荧光材料的结果。制造本发明墨水的方法能够产生在架子上和印刷页面上稳定且耐用的喷墨墨水。所述喷墨墨水含有多种荧光染料或颜料的颜料分散体，例如UVC染料、UVA颜料、双荧光颜料和IR上转换颜料。通过在湿介质研磨机中将所选择的多种荧光材料的混合物与聚合物分散剂、有机溶剂、消泡剂和水一起研磨直至平均粒度低于300nm来制备所述颜料分散体。然后将该多荧光颜料分散体加入到优选的喷墨墨水配料中以制备高安全性喷墨墨水。优选的喷墨墨水配料可包含例如润湿剂、表面活性剂、聚合物树脂、杀菌剂和去离子水。
附图说明
参考以下优选实施例的描述，结合附图，本发明的目的和特征对于本领域技术人员将变得显而易见，在附图中，相同的附图标记在其整个附图中表示相同的部分；其中：
图1是可用于本发明的UV双荧光颜料的激发和发射光谱的一个实施例。
图2是可用于本发明的UVC荧光材料的激发和发射光谱的一个实施例。
图3是可用于本发明的UVA荧光材料的激发和发射光谱的一个实施例。
图4是说明制造本发明的高安全性墨水的方法的框图。
优选实施方案
本发明的高安全性墨水使用两种或更多种荧光材料，所述荧光材料选自例如不可见紫外荧光染料/颜料、IR-Anti Stokes上转换颜料、红外吸收和荧光染料/颜料以及氧化铁磁性颜料的荧光材料。本发明克服了将两种或更多种这些荧光材料组合成墨水溶液以获得在架子上和印刷页面上稳定的墨水的问题。
使用本领域技术人员熟悉的喷墨墨水的主要组分作为基料。水基喷墨墨水基料由去离子(DI)水、润湿剂、表面活性剂、聚合物分散剂/粘合剂、杀菌剂和其它添加剂组成，以改善墨水印刷质量和墨水与印刷在其上的基材之间的相互作用。
本发明设计组合了经仔细选择的多种不同荧光材料。图1显示了在两种截然不同的波长中发光的UV可见生物荧光黄-绿颜料和红色有机颜料。图1示出了强度水平15对波长13(单位为纳米)的激发和发射光谱。激发带16的最大值为288nm，发射带20的最大发射波长为547nm。在547nm，当激发时，材料在黄光范围内发荧光。
相同的材料具有激发带18，其最大值为387nm，发射带22的最大值为618nm。在618nm处，当激发时，材料在红-橙色光范围内发出荧光。
图2示出了具有激发带29和发射带33的UVC荧光材料的激发和发射光谱，激发带29具有在288nm处的峰31，发射带33具有在545nm处的峰35。当激发时，该材料在黄光范围内发荧光。
图3示出了具有激发带43和发射带47的UVA荧光材料的激发和发射光谱，激发带43具有在350nm处的峰值45，发射带47具有在500nm处的峰值49。当激发时，该材料在绿光范围内发荧光。
例如，图3和图2中所示的UVA和UVC材料可彼此组合以产生本发明的高安全性喷墨墨水。例如，图1、图2和图3中所示的荧光材料可以彼此组合，或者全部组合在一起。然而，这些材料的选择必须产生一种组合，当暴露于各自不同波长的光时，该组合以不同的独特颜色变得可见。
一旦选择了合适的荧光材料，主要问题是如何将它们组合到润湿剂、表面活性剂、聚合物树脂、杀菌剂和去离子水的水基喷墨墨水基料中。
为了生产具有本发明所需的多色荧光能力的稳定的喷墨墨水，将多荧光颜料和染料加工成分散体是至关重要的。然后可以将所述分散体添加到喷墨墨水的基料溶液中。
现在参见图4，其示出了制造本发明的喷墨墨水的方法51，将两种或更多种所选择的荧光染料和颜料与聚合物分散剂、有机溶剂、消泡剂和去离子(DI)水进行预混合53。然后通过湿介质研磨机，例如由宾夕法尼亚州Exton的NETZCH Premier Technologies制造的Netzsch MiniCer Mill对混合物进行处理55。将混合物研磨1-8小时，直至平均粒径低于300nm，产生所需的稳定、均匀的颜料分散体。
可用于颜料分散体的聚合物分散剂是丙烯酸共聚物、聚苯乙烯丙烯酸聚合物、磺化萘甲醛缩合物的碱金属盐、木质素或木质素衍生物如木质素磺酸盐、碱金属亚硫酸盐与甲醛的反应产物、以及具有颜料亲和基团的其他嵌段共聚物。对本发明最有益的颜料与分散剂的比例为1至10。
优选使用Malvern Nano-Z90 Zetasizer每小时测量由Netzch MiniCer Mill研磨的分散体的粒度。
由发明人生产的五种不同的多荧光颜料分散体的具体配料如下表所示。
除了消泡剂和去离子水之外，表中所示的分散体1还使用了双荧光颜料与分散剂BYKJET-9170的组合，BYKJET-9170是德国Wesel的BYK-CHEMIE GMBH的产品。将该组合混合，然后在湿介质研磨机中研磨，直至最终平均粒径为185nm。
除了消泡剂和去离子水之外，表中所示的分散体2还使用了由新泽西州FlorhamPark的BASF Corporation制造的分散剂Joncryl HPD 296，以及UVC荧光染料和UVA荧光颜料的组合。然后将该组合在湿介质研磨机中研磨，直至最终平均粒径小于150nm。
除了Joncryl HPD 296分散剂之外，分散体3还使用了UVC荧光染料和IR上转换颜料的组合，以及消泡剂和去离子水。
除了Joncryl HPD 296分散剂之外，分散体4还使用了UVA荧光颜料和IR上转换颜料的组合，以及消泡剂和去离子水。
除了BYKJET-9170分散剂之外，分散体5还使用了双荧光颜料和IR上转换颜料的组合，以及消泡剂和去离子水。
表中所示的分散体2、3、4和5全部在湿介质研磨机中研磨，直至最终平均粒径小于150nm。
一旦在湿介质研磨机中适当地处理了颜料分散体，就必须进行59，将其添加到选定的喷墨墨水基料中，以产生本发明的喷墨墨水，该基料通常由润湿剂、表面活性剂、聚合物树脂、杀菌剂和去离子水组成。
通过将分散体1与优选的喷墨墨水基料混合制成的双荧光喷墨墨水的实施例包含：
分散体1： 0.5重量％-5重量％
润湿剂： 20重量％
表面活性剂： 0.5重量％
聚合物树脂： 1重量％
杀菌剂： 0.15重量％
平衡量的去离子水
通过将分散体1添加到上面列出的喷墨墨水配料中，产生双荧光UV荧光喷墨墨水。在双荧光喷墨墨水的上述实施例中使用的双荧光颜料是来自匈牙利布达佩斯的Luminochem Kft的LUBIC1双荧光颜料。
使用HP Officejet Pro 8210喷墨打印机在UV无光纸上将所生产的墨水用于文件印刷。印刷的文件在可见光下是不可见的。当暴露于254nm的UV光时，黄-绿色字符变得可见。当暴露于365nm的UV光时，红色字符变得可见。
使用图4的方法，利用分散体2制得高安全性喷墨墨水，产生双功能UV荧光喷墨墨水。
分散体2： 0.5重量％-5重量％
润湿剂： 20重量％
表面活性剂： 0.5重量％
聚合物树脂： 1重量％
杀菌剂： 0.15重量％
平衡量的去离子水
在分散体2中使用的UVA荧光颜料是由匈牙利布达佩斯的Luminochem Kft制造的LUPTIL2不可见红色荧光颜料。在分散体2中使用的UVC荧光染料是来自匈牙利布达佩斯的Luminochem Kft的LUWS6不可见绿色荧光染料。
使用HP OfficeJet Pro 8210喷墨打印机在UV无光纸上印刷所得墨水。在可见光下看不到文档上的打印内容。当暴露于254nm的UV光时，黄-绿色字符变得可见。当暴露于365nm的UV光时，红色字符变得可见。
本发明设计了使用UVA或UVC荧光染料或颜料与980nm红外Anti Stokes上转换颜料的组合。印刷时荧光材料的这种组合产生可以通过UVC/UVA光识别的转换字符。所述AntiStokes上转换颜料可以通过IR标签剂检测装置例如980nm红外(IR)激光指示器检测。
设计用于本发明的Anti Stokes上转换颜料可以是例如β-NaYF4晶体，例如提供绿光的基于Er和Yb的晶体混合物。其还可以是发射蓝光的基于Tm和Yb的晶体混合物。其还可以是发红光的基于Tm和Er的晶体混合物。这些材料都是可商购的，例如来自佛罗里达州朱庇特的H.W.Sands Corp的ADA-3251、ADA-3252、ADA-3253和来自匈牙利布达佩斯的Luminochem Kft的LUUPC1、LUUPC2和LUUPC3。980nm上转换荧光粉可以从中国潍坊的精细化工有限公司以及其他的制造商获得。
本发明人使用分散体3制造的高安全性墨水包含：
分散体3： 0.5重量％至5重量％
润湿剂： 20重量％
表面活性剂： 0.5重量％
聚合物树脂： 1重量％
杀菌剂： 0.15重量％
平衡量的去离子水
分散体3中使用的IR上转换颜料是由佛罗里达州朱庇特的H.W.Sands Corp制造的ADA3252 IR Anti Stokes上转换颜料。分散体3中使用的UVC荧光染料是来自匈牙利布达佩斯的Luminochem Kft的LUWS5不可见红色荧光染料。
使用HP Officejet Pro 8210喷墨打印机在UV无光纸上印刷所得喷墨墨水。在可见光下，打印文档上的打印内容是不可见的。当暴露于254nm紫外光时，红色字符变得可见。当暴露于980nm红外激光指示器时，绿色字符变得可见。
本发明人使用分散体4制造的高安全性墨水包含：
分散体4： 0.5重量％至5重量％
润湿剂： 20重量％
表面活性剂： 0.5重量％
聚合物树脂： 1重量％
杀菌剂： 0.15重量％
平衡量的去离子水
使用HP OfficeJet Pro 8210喷墨打印机在UV无光纸上印刷所得到的墨水。在可见光下，文件上的印刷内容是不可见的。当暴露于316nm紫外光时，红色字符变得可见。当暴露于980nm红外激光指示器时，绿色字符变得可见。
本发明人使用分散体5制造的高安全性墨水包含：
分散体5： 0.5重量％至5重量％
表面活性剂： 0.5重量％
聚合物树脂： 1重量％
杀菌剂： 0.15重量％
平衡量的去离子水
使用HP Officejet Pro 8210喷墨打印机在UV无光纸上印刷所得墨水。在可见光下，文件上的印刷内容是不可见的。当暴露于365nm紫外光时，红色字符变得可见。当暴露于254nm紫外光时，绿色字符变得可见。使用980nm红外激光指示器同样可以检测到绿色。
总之，本发明的喷墨打印机用安全印刷墨水可包括以2至5种不同颜色发荧光的材料。这些材料优选选自UVC荧光材料、UVA荧光材料、980nm IR Anti Stokes上转换材料、红外荧光材料和红外吸收材料。可以使用相应波长的UV光检测这些材料的荧光功能。可以使用相应的UV或可见光波长检测IR荧光功能，并且也可以使用IR相机进行观察。可以使用具有相应波长的IR相机检测IR吸收。可以使用980nm红外激光笔检测IR Anti Stokes上转换功能。

Claims (20)

1.一种用于喷墨打印机的安全墨水，包括：
含有荧光或IR上转换材料、分散剂、消泡剂和去离子水的颜料分散体，当所述荧光或IR上转换材料暴露于各自不同波长的光下时，可以以不同的颜色变得可见；和
含有润湿剂、表面活性剂、聚合物树脂、杀菌剂和去离子水的喷墨墨水配料。
2.权利要求1的安全墨水，其中荧光或IR上转换材料占分散体重量的约25％至35％，分散剂占分散体重量的约4％至10％，消泡剂占分散体重量的约0.5％至1％；和
分散体的平均粒径小于300nm。
3.权利要求1的安全墨水，其中颜料分散体占安全墨水重量的约0.5％-5％，润湿剂占喷墨墨水重量的约20％，表面活性剂占喷墨墨水重量的约0.5重量％，聚合物树脂占喷墨墨水重量的约1％，和杀菌剂占喷墨墨水重量的约0.15％。
4.权利要求3的安全墨水，其中颜料分散体中的荧光或IR上转换材料是占颜料分散体重量的约25％的双荧光颜料，分散剂占颜料分散体重量的约8％，消泡剂占颜料分散体重量的约1％；和
平均粒径为约135nm。
5.权利要求3的安全墨水，其中颜料分散体中的荧光或IR上转换材料是占颜料分散体重量的约13％的UVC荧光染料和占颜料分散体重量的约12％的UVA荧光颜料，分散剂占颜料分散体重量的约4％，消泡剂占颜料分散体重量的约0.5％；和
平均粒径小于150nm。
6.权利要求3的安全墨水，其中颜料分散体中的荧光IR上转换材料是占颜料分散体重量的约15％的UVC荧光染料和占颜料分散体重量的约20％的IR上转换颜料，分散剂占颜料分散体重量的约7％，消泡剂占颜料分散体重量的约0.5％；和
平均粒径小于150nm。
7.权利要求3的安全墨水，其中颜料分散体中的荧光或IR上转换材料是占颜料分散体重量的约15％的UVA荧光颜料和占颜料分散体重量的约15％的IR上转换颜料，分散剂占颜料分散体重量的约10％，消泡剂占颜料分散体重量的约0.5％；和
平均粒径小于150nm。
8.权利要求3的安全墨水，其中颜料分散体中的荧光或IR上转换材料是占颜料分散体重量的约15％的双荧光材料和占颜料分散体重量的约15％的IR上转换颜料，分散剂占颜料分散体重量的约10％，消泡剂占颜料分散体重量的约1％；和
平均粒径小于150nm。
9.一种制造安全墨水的方法，包括以下步骤：
将当暴露于各自不同波长的光下时以不同的颜色变得可见的荧光或IR上转换材料，与分散剂、消泡剂和去离子水混合生产颜料分散体；
在湿磨机中研磨所述颜料分散体，直至平均粒径低于300nm；和
将所述研磨的颜料分散体添加到喷墨墨水配料中。
10.权利要求9的方法，其中荧光或IR上转换材料占分散体重量的约25％至35％，分散剂占分散体重量的约4％至10％，和消泡剂占分散体重量的约0.5％至1％。
11.权利要求10的方法，其中颜料分散体占安全墨水重量的约0.5％-5％；和
喷墨墨水包含：
润湿剂，占安全墨水重量的约20％，
表面活性剂，占安全墨水重量的约0.5％，
聚合物树脂，占安全墨水重量的约1％，
杀菌剂，占安全墨水重量的约0.15％。
12.权利要求9的方法，其中研磨步骤包括研磨所述颜料分散体直至平均粒径达到约185nm。
13.权利要求9的方法，其中研磨步骤包括研磨所述颜料分散体直至平均粒径达到小于150nm。
14.权利要求9的方法，还包括每小时测量一次颜料分散体的粒径，直到达到所需的尺寸。
15.权利要求9的方法，其中颜料分散体包含约25重量％的双荧光颜料，约8重量％的分散剂和约1重量％的消泡剂。
16.权利要求9的方法，其中颜料分散体包含约13重量％的UVC荧光染料，约12重量％的UVA荧光染料，约4重量％的分散剂和约0.5重量％的消泡剂。
17.权利要求9的方法，其中颜料分散体包含约15重量％的UVC荧光染料，约20重量％的IR上转换颜料，约7重量％的分散剂和约0.5重量％的消泡剂。
18.权利要求9的方法，其中颜料分散体包含约15重量％的UVA荧光颜料，约15重量％的IR上转换颜料，约10重量％的分散剂和约0.5重量％的消泡剂。
19.权利要求9的方法，其中颜料分散体包含约1重量％的双荧光材料，约15重量％的IR上转换颜料，约10重量％的分散剂，和约1重量％的消泡剂。
20.一种用于喷墨打印机的安全墨水，包含：
占墨水重量0.1％至20％的粒径小于300nm的颜料分散体，其包含当暴露于各自不同波长的光下时以不同的颜色变得可见的荧光或IR上转换材料，分散剂，消泡剂和去离子水，其中颜料与分散剂的比例为1∶1至10∶1，分散体中的颜料占分散体重量的10％至50％，分散体中的消泡剂占分散体重量的0％至2％；和
包含润湿剂、表面活性剂、聚合物树脂、杀菌剂和去离子水的喷墨墨水配料。
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