CN1109081C - 包含润湿剂的喷墨油墨 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种减少墨滴偏斜的和有故障的喷嘴的喷墨打印油墨组合物。该水基油墨组合物包含至少一种着色剂；一种润湿剂；和一种包括取代的或未取代的内酰胺，酰胺或其混合物的共溶剂。

Description

包含润湿剂的喷墨油墨
本发明涉及一种水性油墨组合物，更具体地说涉及通过喷嘴应用在一种基质上所采用的水性油墨，通常称作喷墨油墨。
喷墨打印机为许多最终用途，包括提供单个或网络计算机的打印输出，提供了低成本和高质量的打印选择。通常，喷墨打印机的打印头在一个腔中使用一个电阻元件，此腔装有来自贮存器例如油墨盒的液态油墨源。多个电阻元件在一个喷嘴板上排列成所需图样以组成打印头，每个电阻元件和喷嘴板上的一个喷嘴相联，墨滴通过喷嘴喷到打印基质上。
在操作中，一个微处理器控制着传到每个电阻中的信号，使得能够以合适的次数加热所选定的元件。这种加热引起油墨在腔中形成气泡。压力达到后即通过喷嘴喷出油墨。通过控制电阻的点火，可以由喷射到打印基质上的墨滴形成字母数字式的符号。
已知对喷墨油墨具有严格的性能要求，包括长适用期的要求，当在打印头中时不干燥和不阻塞喷嘴的要求，以及还具有一旦印在纸或其他基质上就能够快速干燥的能力的要求。由于喷墨打印在获得高分辩率(即每英寸上更多的墨滴)和高打印质量上是先进的，所以对喷墨油墨的性能要求变得更加苛刻。即，喷墨打印机必需能够从一个较小直径的喷嘴精确地并以高的频率送出较小的墨滴质量(即较小直径的墨滴)。因此，现有技术中仍要求喷墨油墨能够在高分辨率和高速度下提供高打印质量。
本发明通过提供一种导致降低墨滴偏斜和喷嘴故障的喷墨打印油墨组合物来满足此要求。按照本发明的一个方面，提供了一种油墨组合物，其包含至少一种着色剂；共溶剂例如一种取代的或未取代的内酰胺、酰胺，或其混合物；一种渗透剂，和一种包含憎水和亲水部分的润湿剂。优选的内酰胺共溶剂包含2-吡咯烷酮，润湿剂是一种烷氧基聚亚烷基氧基烷醇例如一种烷氧基亚乙基氧基乙醇或一种具有通式的聚有机硅氧烷，其中每个R独立地为一种C1-16烷基，芳基，但优选为甲基，Y为A-(OCR2-CR2)m-(OCR2-CR2-CR2)n-Z，Z为H，OH或烷氧基例如OCH3，m，x，和y分别独立地为≥1的整数，n为≥0的整数，以及A为一种桥基例如(CR2)n。该油墨提供了在高分辩率和高速度时的高打印质量。
本发明的液体油墨组合物提供了一种即使当使用减少量的在高频率下从较小直径喷嘴喷出的墨滴时，仍产生高打印质量的喷墨打印油墨。该油墨组合物包括作为重要组份的一种着色剂、一种共溶剂和一种润湿剂。这里所用的术语润湿剂是指一种具有憎水和亲水部分的化合物，而且包括表面活性剂，气泡失稳剂和消泡剂。在更为优选的实施方案中，该油墨组合物还包括一种渗透剂，并且该组合物是水基的。
被设计成能够提供高分辩率打印的喷墨打印机，包括具有喷嘴板的打印头，其中喷嘴直径小于大约40μm，优选小于大约35μm，最优选小于大约30μm的。这种小直径的喷嘴产生质量减小的墨滴，范围从每滴大约15至大约25毫微克。
因为使用这种小直径的喷嘴以及质量减小的墨滴，所以对所用油墨的性能要求是很严格的。诸如偏斜和喷嘴故障之类的问题可能发生，这部分归因于较小墨滴的较低动能。“偏斜”是指墨滴没有从喷嘴中按照它们预定的垂直轨道运动。“喷嘴故障”是指当要喷嘴“点火”喷出墨滴时，它不能这样工作或被堵塞，以致于不能喷出任何墨滴。
尽管不希望受任何特定理论束缚，但至少部分由于喷嘴板表面能的差异而可能导致产生偏斜和喷嘴故障。油墨在喷嘴板上的不均匀浸湿可能导致油墨在一个或多个喷嘴边缘附近的捣拌。捣拌的油墨影响了从喷嘴喷出的油墨滴轨迹，并使得这些墨滴偏离其预定的垂直路径。偏斜还产生了动量较低墨滴(即具有减小的质量或减小的速度，或两者均减小的墨滴)的更大问题。此外，如果在大视界打印时油墨的捣拌变得严重，这种油墨捣拌通过阻止从打印头喷出连续墨滴而可能导致喷嘴故障。
偏斜和喷嘴故障还可能至少部分因打印头单个点火腔中的气泡而引起。当持续点火使油墨温度升高时，溶解在油墨中的气泡放出。由于气体在这种较高温度下不易溶解于油墨中，所产生的气泡可能影响或甚至完全阻碍随后的点火。
本发明在油墨组合物中使用一种烷氧基聚亚烷基氧基烷醇和/或一种聚有机硅氧烷润湿剂，二者的作用均是给予油墨以高湿性，而且使在打印头点火腔中形成的气泡不稳定。即，润湿剂起降低油墨表面张力的作用，以致能够在喷嘴板表面得到更加均匀的表面能。已看出这种作用减少了油墨在喷嘴板表面的捣拌。此外，该润湿剂不仅减少在点火腔中油墨所处的高温下因溶解在油墨中的气体的放出而形成的气泡，还使确实形成的气泡不稳定。
此外，还意想不到地发现，在本发明油墨组合物中使用润湿剂可以减少用于组合物中的渗透剂的数量，如果实际需要渗透剂的话。这样，可以使用较少的渗透剂而仍满意地阻止在打印基质上颜色间的互混，同时提供油墨快干。
在本发明优选实施方案中，该液体油墨配制物包括以下组份：
    成分     功能   重量％
    染料/颜料     着色剂   1-4％
    EDTA     螯合剂   0-0.1％
    2-吡咯烷酮     润湿剂/共溶剂   4-11％
    四甘醇     润湿剂/共溶剂   8-17％
    1，2-己二醇     渗透剂   3-6％
    聚有机硅氧烷     润湿剂   0.1-10％
    1，2-苯并-异噻唑啉-3-酮     生物杀伤剂   0-0.3％
    硼酸钠     缓冲剂   0-0.75％
该油墨的静态表面张力最好≤大约45达因/cm2
                        着色剂
可用于本发明的着色剂包括颜料分散体或染料。如现有技术中已知的，颜料分散体是颜料与通常为聚合分散化合物的分散剂的混合物。实践中可用于本发明的颜料实际上包括以前用于现有技术的颜料的任一类，包括偶氮颜料，多元环颜料，碱性与酸性染料色淀，以及有机与无机颜料。
通常用于喷墨油墨中的染料例如酸性的，直接的，食用的，和活性染料都适合用作本发明的着色剂。在采用蓝青/洋红/黄色的颜色组合作为多色喷墨体系的本发明优选实施方案中，着色剂包含作为蓝青组份的直接蓝199，作为洋红组份的Lexmark93A(商标)(在Beach等人的美国专利No 5254160中有描述)，作为黄色组份的酸性黄23。然而，实际上可以采用任何其他的能够在记录介质上形成彩色可视图像的染料，包括蒽醌，单-和双-偶氮染料，酞菁，以及偕苯偶氮铜络合物。具体的染料包括食用黑No 2，直接黑168，酸性蓝9，酸性红249，活性黑31，直接黑154，活性红180，直接蓝86，和直接黄132。
油墨组合物中的着色剂数量可以变化，这取决于多种因素，但着色剂通常使用的数量为大约1至10重量％，更优选为大约1至4重量％(基于油墨的总重量)，包括被包含在其中的所有范围。
                         共溶剂
本发明油墨组合物的余量没有限制。因而，该油墨可以是水性的或非水性的。然而为了使着色剂维持在溶液中并提高油墨性能，在油墨组合物中使用了共溶剂。一般来说，水溶性的有机溶剂如多羟基醇是适合的而且包括乙二醇、丙二醇、丁二醇、二甘醇、二甘醇、己二醇、1，2，6-己三醇、硫代二甘醇。其他适合于该组合物的共溶剂包括二醇、二醇酯、甘油、多烷基二醇如聚乙二醇、以及多羟基醇的低级烷基酯。还有其他合适的共溶剂包括醇类，酮类如丙酮，醚类如四氢呋喃与二噁烷，酯类如醋酸乙酯、四氢噻吩砜类、N-甲基吡咯烷酮，内酯类如γ-丁内酯，以及具有通式：的上述取代的或不取代的内酰胺，其中R为H，C1-6烷基，芳基，或卤素，t为从1至3的整数。适合的取代的或不取代的内酰胺的例子包括2-吡咯烷酮，1-甲基2-吡咯烷酮，和N-(2-羟乙基)-2-吡咯烷酮。当然，也可以使用任何以上化合物的相掺和物和混合物。共溶剂还在组合物中起着润湿剂的作用以防止油墨在打印头上干燥。
共溶剂还可以包括单独的1°、2°、3°酰胺或其与任何上述共溶剂的混合物。合适的酰胺共溶剂包括具有通式的那些，其中R如前所定义，q为0至6之间的整数。
共溶剂通常使用的数量为从大约5至30重量％，更优选为大约12至大约28重量％，包括被包含在其中的所有范围。将会理解，共溶剂的数量部分地取决于油墨中的其他组份。优选用于本发明的共溶剂包括一种内酰胺如2-吡咯烷酮(2-50重量％，优选为4-15重量％)与四甘醇(8-17重量％)的相容混合物。
意想不到地发现上述共溶剂和润湿剂相结合，提供一种油墨，它产生较少偏斜喷射和较少有故障的喷嘴。
                           渗透剂
当在发明中优选使用渗透剂(包括表面活性剂)时，将它们加入油墨组合物中以提高墨滴渗透至打印基质表面的能力并能减少或消除颜色间的互混(即颜色的横向互混)。优选用于本发明的渗透剂包括如通常授权给Beach等人的美国专利No.5364461中讲述的烷基中含有4至10个碳原子的1，2-烷基二醇。最优选的为1，2-己二醇和1，2-戊二醇。在优选实施方案中，油墨组合物中渗透剂的数量为约3至6重量％之间。
惊奇地发现可以在本发明油墨组合物中使用较低浓度的渗透剂并仍能减少颜色间的互混。尽管不希望被任何特定理论局限，但人们相信，与渗透剂协同作用的上述润湿剂，在油墨中渗透剂浓度比必要的低时，能减少颜色间的互混。
                        润湿剂
为了减小墨滴的偏斜和喷嘴故障，本发明的油墨还包括一种含有烷氧基聚亚烷基氧基烷醇和/或聚有机硅氧烷的润湿剂。具体地说，优选的聚有机硅氧烷润湿剂的种类是那些具有通式：
的聚烯化氧改性的聚有机硅氧烷共聚物，其中R为甲基，Y为-(CH2)3-(OCH2-CH2)m-(OCH2-CH2-CH2)n-Z，且Z为H或OCH3，m、x和y为≥1的整数，以及n为≥0的整数。这种聚烯化氧改性的聚有机硅氧烷共聚物是市场上可得到的，而一种最优选的组成具有结构式：
其中m为≥1的整数。该润湿剂在油墨组合物中的数量为基于油墨组合物重量的大约0.1至10.0％，更优选为大约0.1至1.0％，包括被包含在其中的所有范围。
                   其他还可含有的组份
本发明油墨组合物还包含以前在喷墨打印油墨组合物中含有的其他合适的组份，包括螯合剂、生物杀伤剂、粘度调节剂及缓冲剂。可加入螯合剂如乙二胺四乙酸(EDTA)以防止金属或碱金属离子污染或杂质而引起的有害作用。通常，可加入组合物中的螯合剂数量为大约0.1至1.0重量％。
生物杀伤剂，如1，2-苯并-异噻唑啉-3-酮可加入到油墨中以防止或抑制油墨中微生物的生长。通常，加入大约0.1至0.3重量％的生物杀伤剂将是有效的。
缓冲剂如硼酸钠也可加入以调节或保持油墨中合适的pH值。将会理解，缓冲剂的数量取决于油墨中其他组份。然而，发现向油墨中加入少量，如大约0.25至0.75重量％的缓冲剂，是有用的。
                       油墨制备
本发明的油墨基本上可以用任何制备水基油墨的方法来制备。优选的制备例证性的油墨的方法如下：将染料，螯合剂(EDTA)，和去离子水搅拌混合大约20分钟使之混合在一起。然后将以下组份顺序加入，每种组份加入后搅拌大约15-20分钟——内酰胺共溶剂；四甘醇共溶剂；1，2-己二醇渗透剂；生物杀伤剂；硼酸钠缓冲剂；和聚烯化氧改性的聚有机硅氧烷。所有混合步骤均可在室温进行。
一旦所有组份都加入并完全混合，测定油墨的pH值，再调至pH值为7.2。然后将油墨组合物过滤以去除任何固态或颗粒物质。
为了使本发明更容易理解，参考以下实施例，这些实施例只是对本发明的说明，而不是对范围的限定。
对比例1，2和3
制备三种油墨配制物并包含以下所列组份。没有一种对比例油墨包含2-吡咯烷酮或聚烯化氧改性的聚有机硅氧烷。
对比例1
组份 重量％
直接蓝199 2.25
EDTA 0.01
四甘醇 20.0
1，2-己二醇 6.0
1，2-苯并-异噻唑啉-3-酮 0.2
硼酸钠 0.5
去离子水 余量
对比例2
组份 重量％
洋红93A 2.25
EDTA 0.01
四甘醇 20.0
1，2-己二醇 6.5
1，2-苯并-异噻唑啉-3-酮 0.2
硼酸钠 0.5
去离子水 余量
对比例3
组份 重量％
直接黄132 2.00
EDTA 0.01
四甘醇 20.0
1，2-己二醇 7.0
1，2-苯并-异噻唑啉-3-酮 0.2
硼酸钠 0.5
去离子水 余量
实施例4，5和6按本发明制备三种油墨配制物并包含以下所列组份。对比例4
组份 重量％
直接蓝199 3.00
EDTA 0.01
2-吡咯烷酮 7.5
四甘醇 12.5
1，2-己二醇 4.0
1，2-苯并-异噻唑啉-3-酮 0.2
硼酸钠 0.2
聚有机硅氧烷1 0.5
去离子水 余量
Figure C9810807800121
对比例5
组份 重量％
洋红93A2 3.00
EDTA 0.01
2-吡咯烷酮 7.5
四甘醇 12.5
1，2-己二醇 4.0
1，2-苯并-异噻唑啉-3-酮 0.2
硼酸钠 0.2
聚有机硅氧烷3 0.5
去离子水 余量
2美国专利No.5254160
Figure C9810807800122
对比例6
组份 重量％
直接黄23 3.25
EDTA 0.01
2-吡咯烷酮 7.5
四甘醇 12.5
1，2-己二醇 4.0
1，2-苯并-异噻唑啉-3-酮 0.2
硼酸钠 0.2
聚有机硅氧烷4 0.5
去离子水 余量
Figure C9810807800131
对比例7
组份 重量％
酸性黄23 2.25
EDTA 0.01
2-吡咯烷酮 7.5
四甘醇 12.5
1，2-己二醇 4.0
1，2-苯并-异噻唑啉-3-酮 0.2
硼酸钠 0.2
烷氧基聚亚乙基氧基乙醇 0.5
去离子水 余量
实施例8
将对比例油墨与本发明油墨在具有一个含多喷嘴打印头的高分辩率三色喷墨打印机上使用。用对比例1，2和3的油墨进行三次测试，并将测试结果平均比。用本发明油墨(即实施例4，5和6)进行二次测试，并将测试结果平均化。观察从打印头喷嘴喷出的墨滴偏斜和喷嘴故障(即堵塞或没有墨滴喷出)情况，结果如下：
    油墨   #有故障的喷嘴     #偏斜的
    对比测试1     6     7
    对比测试2     3     2
    对比测试3     5     5
    平均值     4.7     4.7
    测试1     0     0
    测试2     0     0
    平均值     0     0
可以看出，本发明油墨在任一测试中都没有产生偏斜的或有故障的喷嘴，而对比例油墨在每个测试中都有明显数量的偏斜的或有故障的喷嘴。此外，观察到的本发明油墨在喷嘴板表面的充斥量较少，使得该油墨比以往油墨能在较高频率(如以更快次序点火)下使用。
尽管给出了一些有代表性的例子和细节以说明本发明，但对于那些本技术领域熟练人员来说很清楚的是，可以在不超出附上的权利要求所限定的本发明范围的情况下，对这里已披露的方法和装置进行各种改变。

Claims (15)

1.一种油墨组合物，它包含1至10重量％的至少一种着色剂；一种0.1至10重量％的具有结构
Figure C9810807800021
的聚有机硅氧烷润湿剂，其中每个R独立地为一种C1-16烷基或一种芳基，Y为A-(OCR2-CR2)m-(OCR2-CR2-CR2)n-Z，且Z为H，OH或一种烷氧基，这些m，x和y独立地为≥1的整数，n为≥0的整数，以及A为一种桥基；和5至30重量％的一种包括取代的或未取代的内酰胺的共溶剂。
2.如权利要求1所要求的油墨组合物，它包含用于所述着色剂的第二种共溶剂。
3.如权利要求1所要求的油墨组合物，它还包含一种渗透剂。
4.如权利要求3所要求的油墨组合物，其中该渗透剂包括其烷基含4至10个碳原子的1，2-烷基二醇。
5.如权利要求1所要求的油墨组合物，它包括另一种润湿剂。
6.如权利要求1所要求的油墨组合物，其中所述着色剂包括一种水溶性的染料，而且该油墨组合物还包含水。
7.如权利要求3所要求的油墨组合物，它包含1至10重量％水溶性染料作为着色剂；一种4至15重量％的取代的或未取代的内酰胺作为共溶剂；一种3至6重量％的所述烷基中有4至10个碳原子的1，2-烷基二醇作为渗透剂；和一种0.1至10重量％的具有结构
Figure C9810807800022
的聚有机硅氧烷润湿剂，其中每个R独立地为一种C1-16烷基或一种芳基，Y为A-(OCR2-CR2)m-(OCR2-CR2-CR2)n-Z，且Z为H，OH或一种烷氧基，这些m，x和y独立地为≥1的整数，n为≥0的整数，以及A为一种桥基。
8.如权利要求7所要求的油墨组合物，它包含8至17重量％四甘醇作为第二种共溶剂。
9.如权利要求7所要求的油墨组合物，其中该内酰胺为2-吡咯烷酮。
10.如权利要求7所要求的油墨组合物，其中该1，2-烷基二醇为1，2-己二醇。
11.如权利要求7所要求的油墨组合物，其中所述的聚有机硅氧烷润湿剂具有结构式，
Figure C9810807800031
其中m为≥1的整数。
12.一种从一系列喷嘴中将液体油墨打印至基质上的方法，包括提供一种包含至少一种着色剂，一种具有结构
的聚有机硅氧烷润湿剂，其中每个R独立地为一种C1-16烷基或一种芳基，Y为A-(OCR2-CR2)m-(OCR2-CR2-CR2)n-Z，且Z为H，OH或一种烷氧基，这些m，x和y独立地为≥1的整数，n为≥0的整数，以及A为一种桥基，和一种包括取代的或未取代的内酰胺的共溶剂的油墨组合物；通过加热油墨形成气泡而产生单个墨滴；以及将该墨滴从该喷嘴喷出，由此减少偏斜的和有故障的喷嘴。
13.如权利要求12所要求的方法，其中该喷嘴直径小于40μm。
14.如权利要求12所要求的方法，其中该喷嘴直径小于30μm。
15.如权利要求12所要求的方法，其中该单个墨滴的质量从15至25毫微克。
CN98108078A 1997-03-27 1998-03-27 包含润湿剂的喷墨油墨 Expired - Lifetime CN1109081C (zh)

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