CN1894349B - 用于油墨组合物的溶解性添加剂 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于改进染料在染料组合物中的溶解性的添加剂。该添加剂是一种两性离子，具有比染料分散或溶解在其中的溶剂的极性更高的极性。在一个实施方案中，添加剂包括氨基酸或氨基酸衍生物。根据本发明配制的染料组合物尤其适用于喷墨打印机。
Description
背景技术
喷墨打印过程包括根据由控制器如微处理器产生的电信号将油墨组合物的微滴喷在打印介质如纸上。微滴典型地由在打印介质上通行但不接触该打印介质的打印头射出。
在一些实施方案中，打印头可以包括带有非常小的喷嘴的孔板，油墨微滴通过该喷嘴喷出。喷嘴直径可以是，例如，小于50微米。喷嘴与油墨组合物实现流体连通。目前墨滴通过热或压电方法喷出。在热喷墨打印中，每个喷嘴与一个电阻器元件相关联。每个电阻器元件进而连接在一个微处理器上，微处理器的信号引导一个或多个电阻器元件迅速发热。这引起油墨迅速膨胀，促使墨滴通过关联的喷嘴射在打印介质上。
在压电式喷墨打印中，油墨微滴由于微处理器产生的电信号激发的压电晶体的振动而喷出。
许多喷墨式油墨组合物包含溶于溶剂中的染料。该染料通常是阴离子的。例如，磺化染料被广泛用于喷墨应用中。尤其理想的是，这些染料可以溶解或分散在水性体系中。
然而，遗憾的是，许多喷墨式油墨易于发生染料聚集。当使用较高分子量染料，如那些分子量接近1,000g/mol的染料时，染料聚集尤其突出。如果染料组合物含有基础盐(backgroud salts)和其它杂质，也会发生染料聚集，所述杂质可以是由工业染料合成留下的碎片。染料聚集物的形成可引起染料聚结并形成导致喷嘴堵塞的更大的团块。一旦喷嘴发生堵塞，喷墨打印机的精确度将受到损害。事实上，喷嘴的堵塞可导致打印机的完全崩溃。
如此，当前需要有一种抑制染料在染料组合物中聚结从而获得更高的染料溶解性的溶解性添加剂。特别地，为防止打印头的喷嘴堵塞，需要有一种阻止染料聚集物絮凝成大颗粒的添加剂。
本发明概述
大体上，本发明涉及一种改进的稳定化的油墨组合物。该油墨组合物可以，例如，被设计供喷墨打印机使用。在一个实施方案中，油墨组合物包括染料，染料的溶剂，和包括氨基酸或氨基酸衍生物的添加剂。已经发现，氨基酸添加剂可以防止染料在溶剂中聚结而堵塞使用该染料组合物的打印机。特别地，添加剂具有比溶剂的极性更高的极性。最后，氨基酸添加剂可以提高染料在溶剂中的溶解性。
氨基酸添加剂可以是两性离子。可用于本发明的具体氨基酸的例子包括甘氨酸、赖氨酸、氨基乙磺酸、β-丙氨酸、甜菜碱或它们的混合物。在一个实施方案中，添加剂可以包括氨基酸的磺酸类似物。氨基酸添加剂可以具有大于约4德拜，如大于约10德拜的偶极矩。
在一个实施方案中，染料组合物包含的溶剂是水。另一方面，染料可以是磺化染料或酸性染料。染料组合物也可包含各种其它成分，如有机共溶剂和/或表面活性剂。
添加剂可以足以阻止染料凝结的量包含于染料组合物中。例如，在一个实施方案中，添加剂可以大于约0.001，如大于约0.004的摩尔分数(mole fraction)存在于染料组合物中。在一个具体的实施方案中，添加剂可以约0.004-约0.04，如约0.01-约0.02的摩尔分数存在于组合物中。
在根据本发明的方法的一个实施方案中，上述染料组合物使用喷墨打印机打印在基材上。喷墨打印机可以，例如，包括将染料组合物微滴直接射在基材上的打印头。喷墨打印机可以在打印头不与基材接触的情况下将微滴沉积在基材上。
本发明的其它特征和优点将通过下面的详述变得更清楚。
发明详述
现在本发明将参照其具体的实施方案进行详细说明。实施方案用于解释本发明，但不认为是本发明的限制。例如，作为一个实施方案的一部分描述或举例说明的特征可供另一个实施方案使用，从而形成又另外一个实施方案。希望的是，本发明包括在本发明范围和精神之内的这些和其它改进和变化。
在许多染料配制剂中，配制剂中的染料可能具有可最终引起染料聚结的形成聚集物的倾向。当染料配制剂中含有高分子量染料时，染料的聚集和聚结是一个突出的问题。一旦染料发生聚结，在将染料配制剂打印至基材上时将会出现问题。例如，如果染料聚集物引起聚结，染料配制剂易于堵塞打印机，尤其是喷墨打印机。
在这点上，本发明一般涉及一种引入到染料组合物中的添加剂，后者倾向于抑制染料分子的聚集和因此获得更高的染料溶解性。根据本发明，添加剂是一种在染料组合物中形成两性离子的物料，且具有比染料分散在其中的溶剂的极性更高的极性。在一个实施方案中，例如，本发明添加剂包括氨基酸或氨基酸衍生物，如氨基酸类似物。
通常，本发明添加剂可用于任何合适的油墨组合物。在许多实施方案中，例如，油墨组合物包括油墨或染料，染料的溶剂，和各种其它成分。可与本发明添加剂一起使用的合适的染料包括，例如，酸性染料，和磺化染料(包括直接染料)。所述染料可被配制用于水性组合物或非水性组合物中。
可用于本发明的水性染料(aqueous dyes)的具体例子包括直接黑19、直接蓝86、直接蓝199、直接黄132、酸性黄132、直接红9、直接红32、酸性黄23、酸性蓝185、酸性蓝9、酸性红17、酸性红52、酸性红249、和活性红180。
可以使用的其它染料包括颜料黄138、颜料红122、颜料蓝15:3、甲苯胺红、永久胭脂红FB、坚牢黄AAA、双偶氮橙PMP、色淀红C、亮胭脂红6B、酞菁蓝、喹吖啶酮红、二
烷紫(dioxane violet)、维多利亚纯兰(victoria pure blue)、碱性蓝调色剂、炉法黄10G、双偶氮黄AAMX、双偶氮黄AAOT、双偶氮黄AAOA、氧化铁黄、双偶氮黄HR、邻硝基苯胺橙、二硝基苯胺橙、硫化橙(vulcan orange)、甲苯胺红、氯化对位红、亮坚牢猩红、萘酚红23、杀草敏(pyrazon)红、钡红2B、钙红2B、锶红2B、锰红2B、钡立索红、颜料猩红3B色淀、色淀枣红10B、碱性偶氮色淀、碱性偶氮5B色淀、若丹明6G色淀、曙红色淀、氧化铁、萘酚红FGR、若丹明B色淀、甲基紫色淀、二嗪紫、碱性兰5B色淀、碱性兰6G色淀、坚牢天兰、碱性兰R调色剂、孔雀蓝色淀、铁蓝、群青兰、射光兰2G、射光兰R、亮绿色淀、金刚绿硫代黄素色淀(diamond green thioflavine lake)、酞花青绿G、绿金、酞花青绿Y、氧化铁粉、铁锈粉、锌白、氧化钛、碳酸钙、粘土、硫酸钡、矾土、矾土白、铝粉、青铜粉、白昼萤光颜料、珠光颜料、萘酚胭脂红(Naphthol Carmine)FB、萘酚红M、永久胭脂红FB、坚牢黄G、双偶氮黄AAA、二烷紫、碱性兰G调色剂、和已加工颜料如颜料表面用树脂进行加工的接枝碳。
如上所述，每种上述染料都可用于水性组合物。然而，在可选择的实施方案中，染料可被引入到溶剂为有机化合物的非水性组合物中。
当引入到水性组合物中时，除了水和染料，所述组合物也可包括有机助溶剂和一种或多种表面活性剂。任选地，有机酸也可被包含在组合物中。
可用于组合物的有机助溶剂是水溶性的。示例性的水溶性有机助溶剂包括脂肪族醇、芳族醇、二元醇、三元醇、酰胺、酮、聚酮或酮醇、含氮杂环酮、醚、二醇醚、聚二醇醚、亚烷基二醇、聚亚烷基二醇、含亚烷基的硫代二醇、多元醇的低级烷基醚和内酰胺。
有机助溶剂的具体例子包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇、和叔丁醇。可以使用的酰胺包括二甲基甲酰胺和二甲基乙酰胺。可以使用的醚包括四氢呋喃和二氧已环，而具体的二醇包括乙二醇、丙二醇、丁二醇、三甘醇、1，2，6-己三醇、硫代二甘醇、己二醇、和二甘醇。多元醇的低级烷基醚包括丙三醇、乙二醇一甲基醚、二甘醇一甲基醚、三甘醇一甲基醚、N-甲基-2-吡咯烷酮、2-吡咯烷酮和1，3-二甲基-2-咪唑啉酮。
可用于染料组合物的表面活性剂包括阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂、非离子表面活性剂等等。
作为阴离子表面活性剂，可以使用烷基硫酸盐、聚氧化乙烯烷基醚硫酸盐，包括二苯基磺酸盐衍生物，例如但不限于，十六烷基二苯醚二磺酸钠、和乙氧化油醇磷酸酯等。作为阳离子表面活性剂，可以用烷基三甲基氯化铵、二烷基二甲基氯化铵、质子化的聚氧化乙烯(POE)胺等。
作为高分子量表面活性剂，可以使用高分子量聚氨酯、聚酯等。作为高分子量聚合物，可以使用携带对颜料具有亲和力的官能团如羰基或/和氨基的聚合物。
非离子表面活性剂包括烷基聚氧化乙烯(POE)、烷基苯基聚氧化乙烯包括聚氧化乙烯烷基苯基醚、氧化乙烯/氧化丙烯嵌段共聚物、炔类聚氧化乙烯、聚氧化乙烯酯、聚氧化乙烯烷基醚、聚氧化乙烯二酯、聚氧化乙烯胺、聚氧化乙烯酰胺、和聚二甲基硅氧烷共聚多元醇。其它非离子表面活性剂包括聚氧乙烯脱水山梨糖醇脂肪酸酯、聚氧化丙烯二醇和聚氧丙烯烷基醚。U.S.专利5,106,416(在此引入作为参考)详细讨论了许多上述的表面活性剂。
两性表面活性剂如取代氧化胺或辛胺氯乙酸加合物的辛基二甲基甘氨酸系的成员可以被使用。其它两性表面活性剂包括烷基二甲基氨基乙酸甜菜碱、烷基二甲基氧化胺、烷基羧甲基羟乙基咪唑甜菜碱等。
可用于本发明实施中的表面活性剂的特定例子包括仲醇乙氧基化物、SURFYNOLTM CT-11、辛基二甲基甘氨酸、十六烷基二苯醚二磺酸钠、油化烯基三乙氧基单二磷酸盐、异十六烷基环氧乙烷20(以商品名ARLASOLVETM 200从ICI Group购得)、和氧化胺如N，N-二甲基-N-十二烷基氧化胺、N，N-二甲基-N-十四烷基氧化胺、N，N-二甲基-N-十六烷基氧化胺、N，N-二甲基-N-十八烷基氧化胺、N，N-二甲基-N-(Z-9-十八烯基)-N-氧化胺。
在本发明的一个具体实施方案中，油墨组合物可以包含至多约15wt％，如约0.2-约10wt％的染料。有机助溶剂可以至多约50wt％，如约5wt％-约30wt％的量存在。一种或多种表面活性剂可以至多约40wt％，如约0.1wt％-约15wt％的量存在。如果存在有机酸，则其以约5-10wt％的量存在。油墨组合物的剩余部分包括水和少量可能的其它成分。
根据本发明，油墨组合物还含有用于稳定组合物和阻止包含于组合物中的染料聚结的添加剂。根据本发明的添加剂可以是两性离子，在分子的相对端同时具有正电荷和负电荷。本发明人发现，通过使用具有比包含在染料组合物中的溶剂更高极性的添加剂，该添加剂可用于改进染料的溶解性和阻止染料聚结。例如，本发明的添加剂可以具有大于约4德拜，如大于约6德拜的偶极矩。例如，在各个实施方案中，添加剂的偶极矩可以大于约10德拜，如大于约12德拜，和甚至大于约15德拜。作为参照，水的偶极矩小于2德拜。因此，在大部分应用中，添加剂具有比水更大的偶极矩。
为了确定添加剂是否具有比溶剂更高的极性，在一个实施方案中，可以在测量液体的介电常数时将添加剂加入溶剂中。如果加入添加剂后介电常数升高，则可以认为添加剂具有更高的极性。例如，添加剂可以将液体的介电常数提高至少20％、至少50％、至少75％，或甚至高于100％。
在本发明的一个实施方案中，添加剂是有机两性离子，如氨基酸或氨基酸衍生物。氨基酸衍生物可以包括，例如，氨基酸的磺酸或膦酸类似物。用于本发明的氨基酸添加剂通常具有较低的分子量。例如，氨基酸添加剂可以具有低于约500，如低于约200(基于标准原子量)的分子量。在许多应用中，氨基酸添加剂的分子中还具有相对小的侧链或不含侧链。例如，侧链可含有低于约6个碳原子。例如，在一个特定实施方案中，侧链具有比分子主链少的碳原子数。可用于本发明的氨基酸添加剂的具体例子包括甘氨酸、赖氨酸、氨基乙磺酸(其是一种类似物)、β-丙氨酸和甜菜碱。
虽然本发明的两性离子添加剂如何改进染料在染料组合物中的溶解性是未知的，但可以相信的是，添加剂与染料之间产生了紧密缔合。例如，染料典型地携带导致围绕每一个染料分子或染料聚集物形成双带电层的电荷。这些高电场的区域倾向于强烈获取和积聚存在于溶剂空间中的较高极性物质。因此，根据本发明的两性离子，如氨基酸，由于它具有比溶剂更高的偶极矩，被认为具有强烈的在染料的双带电层区域优先积聚的倾向。当以大浓度存在于染料的紧邻附近时，两性离子添加剂被认为赋予双带电层区域较大的渗透活性，导致染料被溶剂分子如水包围。
加入到染料组合物中的两性离子添加剂的量取决于具体的染料配制剂和希望的结果。例如，在许多实施方案中，添加剂应该以高于约0.001，如高于约0.004的摩尔分数存在于染料组合物中。例如，添加剂可以约0.004至低于约0.1的摩尔分数存在于染料组合物中。例如，添加剂可以约0.004-约0.04，如约0.01-约0.02的摩尔分数存在于染料组合物中。加入更大量的添加剂不会对染料组合物产生不利影响但也不会进一步改进染料的溶解性。
根据本发明制备的染料组合物可用于任何合适的应用中。例如，染料组合物可被加入任何合适的打印机并将其转移至基材上。例如，在一个具体的实施方案中，染料组合物可被加入通过非打击式打印机，如喷墨打印机。喷墨打印机通常包括具有许多孔的喷墨打印头。根据本发明制备的染料组合物可从一个或多个这种孔中排出，从而离开喷墨打印机的打印头。染料组合物的微滴然后通过在打印头和基材如纸之间的喷射距离。打印头的孔可以单排排列或形成各种图案。组合物可以同时从这些孔中排出或在任何既定时间穿过选定孔。
根据本发明，任何合适的喷墨打印设备能够用于施加根据本发明的染料组合物。例如，可与染料组合物共同使用的喷墨打印机的例子包括热敏式喷墨打印机、压电式打印机，和阀喷式打印机。
对于本发明的这些和其它改进和变化可在不背离本发明的精神和范围的前提下由本领域普通技术人员实施，该精神和范围更具体地在所附权利要求中进行了阐述。另外，应当理解，各个实施方案的所述方面可以全部或部分互换。而且，本领域普通技术人员会认识到，上述说明仅仅是举例而已，不希望限制进一步在所附权利要求中描述的本发明。
Claims (18)
1.一种油墨组合物，包括：
染料；
染料的溶剂；和
包括氨基酸的磺酸类似物的添加剂，该添加剂具有比溶剂的极性更高的极性，该添加剂的量防止染料在溶剂中聚结，从而提高染料在溶剂中的溶解性。
2.根据权利要求1所述的油墨组合物，其中，染料包括磺化染料或酸性染料。
3.根据权利要求1或2所述的油墨组合物，其中，溶剂包括水。
4.根据权利要求1或2所述的油墨组合物，其中，氨基酸的磺酸类似物是两性离子。
5.根据权利要求1或2所述的油墨组合物，其中，氨基酸包括甘氨酸、赖氨酸、氨基乙磺酸、β-丙氨酸、甜菜碱、或它们的混合物。
6.根据权利要求1或2所述的油墨组合物，其中，添加剂以高于0.004的摩尔分数存在于油墨组合物中。
7.根据权利要求1或2所述的油墨组合物，其中，添加剂具有大于4德拜的偶极矩。
8.根据权利要求1或2所述的油墨组合物，其中，油墨组合物还包括有机助溶剂和表面活性剂。
9.根据权利要求1或2所述的油墨组合物，其中，油墨组合物的介电常数由于添加剂的存在而提高至少20％。
10.根据权利要求1或2所述的油墨组合物，其中，氨基酸的磺酸类似物的分子量低于500。
11.一种在基材上打印的方法，包括：
将油墨组合物喷墨打印至基材上，该油墨组合物包括：
(a)包括磺化染料或酸性染料的染料；
(b)染料的溶剂，该溶剂包括用于形成水性介质的水；和
(c)包括氨基酸的磺酸类似物的添加剂，该氨基酸的磺酸类似物是两性离子，添加剂具有比水的极性更高的极性，该添加剂的量防止染料在溶剂中聚结，从而提高染料在溶剂中的溶解性。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，油墨组合物通过打印头以微滴状射在基材上，打印头在打印过程中不接触基材。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，氨基酸包括甘氨酸、赖氨酸、氨基乙磺酸、β-丙氨酸、甜菜碱、或它们的混合物。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，添加剂以高于0.004的摩尔分数存在于油墨组合物中。
15.根据前述权利要求11或12所述的方法，其中，添加剂具有大于4德拜的偶极矩。
16.根据前述权利要求11或12所述的方法，其中，油墨组合物还包括有机助溶剂和表面活性剂。
17.根据前述权利要求11或12所述的方法，其中，油墨组合物的介电常数由于添加剂的存在而提高至少20％。
18.根据前述权利要求11或12所述的方法，其中，氨基酸的磺酸类似物的分子量低于500。
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