DE10301107A1

DE10301107A1 - Magnetische Tinte und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE10301107A1
Application number: DE2003101107
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Gansau; Norbert Dr. Buske
Original assignee: Berlin Heart GmbH
Current assignee: Berlin Heart GmbH
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2004-08-19

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Tinte für Tintenstrahldrucker und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Tinte anzubieten, die eine hohe Sedimentationsstabilität aufweist, die zu keinen Verstopfungen der Düsen der Tintenkartuschen führt und die im ausgedruckten Zustand Teilchen mit einer hohen Koerzitivkraft und magnetischen Remanenz enthalten.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer magnetischen Tinte, bestehend aus einer Trägerflüssigkeit, die Wasser und mit Wasser mischbare organische Lösungsmittel enthält, dispergierten magnetischen Feststoffteilchen und weiteren an sich bekannten Komponenten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Tinte für Tintenstrahldrucker und Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 8.

Tinten für Tintenstrahldrucker sind bekannt. So ist in der DE 199 03 248 A1 die Zusammensetzung einer typischen Inkjettinte angegeben. Sie besteht aus 70% Wasser, 25% höheren Alkoholen, insbesondere Ethylenglykol, sowie 0,05 bis 4% Verdickungsmitteln. Weiterhin können enthalten sein: pH-Einstellungsmittel, Tenside wie Phosphorsäureester, Bacterizide, Papiereindringungsmittel wie wasserlösliche Ester und Ether, Feuchteerhaltungsmittel wie hygroskopische Hochsieder.

Üblicherweise werden die folgenden physikalischen Parameter eingehalten. Die Viskosität der Inkjettinte liegt im Bereich 7 × 10² bis 5 × 10⁴ mPas und bestimmte Fließeigenschaften .

In der DE 195 47 800 sind Inkjettinten aus Mischungen von Wasser und Heptanol oder N-Methylpyrrolidon beschrieben. Nichtionische Tenside erzeugen die entsprechend niedrige Oberflächenspannung.

Diese Tinten können nachteiligerweise keine magnetisch lesbaren Signale erzeugen. Sie enthalten keine magnetischen bzw. magnetisierbaren Bestandteile.

Magnetisch lesbare Drucke müssen Teilchen mit einer Koerzitivkraft und magnetischen Remanenz enthalten.

Solche magnetischen Tinten werden beispielsweise in der DE 41 14 608 A1 und DE 43 27 225 A1 beschrieben. Diese Tinten werden als Tintenkonzentrate mit magnetischen Teilchen angeboten, die normalen Inkjettinten zugesetzt werden und dann in der Lage sind, magnetisch lesbare Drucke zu erzeugen. Die in diesen Konzentraten enthaltenen magnetischen Teilchen sind sogenannte Metallferrite mit Teilchengrößen unter 40 nm, die mit Acrylsäure-Acrylamid-Copolymeren oder Oxyhydroxysäuren-Acrylamid-Copolymeren stabilisiert sind. Diese dort beschriebenen Ferrite enthalten neben Cobalt und Nickel auch Mangan und Zink. Diese Teilchen weisen ferromagnetische Eigenschaften auf und sind somit magnetisch lesbar. Der Nachteil der Tinten, die durch Zusatz dieses Tintenkonzentrates magnetisch gemacht werden können, besteht darin, dass die auf diese Weise hergestellte Inkjettinte nicht agglomerationsfrei gehalten werden kann, weil die ferromagnetischen Eigenschaften der Teilchen zwischenpartikuläre Anziehungskräfte erzeugen, die zur Aggregation und Sedimentation und Verstopfung der Patronendüsen führen.

Des Weiteren sind magnetische Mikrometerteilchen bekannt, die als Bild- und Aufzeichnungsmaterialien seit Jahren genutzt werden. Diese können aber nicht als Inkjettinten benutzt werden, weil sie als Paste aufgrund der hohen Viskosität nicht geeignet sind.

Darüberhinaus sind auch sogenannte Magnetflüssigkeiten bekannt. Diese enthalten superparamagnetische Nanoteilchen, die homogen in Flüssigkeiten verteilt sind und in dieser Flüssigkeit nicht sedimentieren. Die Teilchen bestehen meist aus Magnetit. Die Teilchengröße liegt hier zwischen 3 und 20 nm. Solche Magnetflüssigkeiten können zwar als Tinte für Tintenstrahldrucker eingesetzt werden, doch sind die gedruckten Zeichen ausschließlich optisch lesbar. Sie haben weder in der dispergierten noch in der ausgedruckten Form ferromagnetische Eigenschaften und somit weder eine Remanenz noch eine Koerzitivfeldstärke.

Im Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1987, Seite 350 sind Cobaltferritteilchen von 15 nm Kerngröße beschrieben, die in ausgedruckter Form remanentes Verhalten zeigen sollen. Nicht beschrieben ist das Verhalten dieser Teilchen in dispergierter Form. Völlig fehlen Angaben, ob eine Tintenformulierung für Tintenstahldrucker hergestellt werden konnte. Der Hineis, dass alkylierte Pyrrolidone mit hohem Molekulargewicht die Teilchen mit dann dicken Schichtdicken stabilisieren, könnte auf hohe Viskositäten der Dispersionen hindeuten, die nicht den Anforderungen an Tinten entsprechen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Tinte anzubieten, die eine hohe Sedimentationsstabilität aufweist, die zu keinen Verstopfungen der Düsen der Tintenkartuschen führt und die im ausgedruckten Zustand Teilchen mit einer hohen Koerzitivkraft und magnetischen Remanenz enthalten.

Es wurde nun gefunden, dass die Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass eine magnetische Tinte zur Verfügung gestellt wird, die magnetische Feststoffteilchen aus Ferriten hoher Anisotropie mit einer Teilchengröße von 5 bis 30 nm bestehen, die eine Umhüllung aus wasserlöslichen und in mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmitteln löslichen or ganischen Verbindungen wie Säuren und Elektrolyte aufweisen.

Erfindungsgemäß wird die magnetische Tinte mittels der folgenden Verfahrensschritte hergestellt:

– Vermischen und Lösen von Me(II)-Salzen und Fe(III)-Salzen im Mol-Verhältnis 1:1 bis 1:2,5 in Wasser, wobei ein pH-Wert zwischen 9 und 11 eingestellt wird
– Einstellen einer Temperatur zwischen 80 und 110 °C und Halten dieser Temperatur unter Rühren für 1,5 bis 2,5 Stunden
– Sedimentation der entstandenen Me(II)-Ferritteilchen und Dekantieren
– Waschen des Sedimentes
– Zusetzen einer organischen Säure, die in Wasser und in Lösungsmitteln, die, mit Wasser mischbar sind, löslich ist und Rühren der Mischung 1 Stunde bei 50 bis 80 °C
– Waschen der Teilchen
– Einstellen eines pH-Wertes zwischen 6 und 8
– Vermischen der so hergestellten Dispersion mit weiteren an sich bekannten Komponenten für Inkjettinten und
– Abdampfen von Wasser und Lösungsmittel bis zu einer Teilchenkonzentration zwischen 3 und 12 Vol%.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

So enthält die Umhüllung insbesondere Oxocarbonsäuren, Hydroxycarbonsäuren, Polyaminosäuren, Huminsäuren, Carbonsäuren, Polycarbonsäuren, Polyacrylsäure und/oder Polyvinylpyrrolidon.

Insbesondere enthält die Umhüllung Fruchtsäuren wie Citronensäure, Weinsäure und Äpfelsäure.

Als Ferrite sind insbesondere Verbindungen der allgemeinen Formel Me(II)Fe(III)₂O₄ enthalten, wobei Me für Cobalt, Nickel oder Mangan steht.

Das Gewichtsverhältnis zwischen Me(II) und Fe(III) beträgt in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung 1:2 bis 1:1.

Die bei der Herstellung der magnetischen Tinte erforderlichen pH-Einstellungen werden auf an sich bekannte Weise durch Zusatz von Laugen durchgeführt.

Der Vorteil der nach der Erfindung hergestellten Ferritteilchen besteht darin, dass sie sich ohne Weiteres und ohne nachteilige Folgen mit den an sich bekannten Komponenten von Inkjettinten vermischen lassen.

Die erfindungsgemäße magnetische Tinte weist Anfangssuszeptibilitäten von 1 bis 5, vorzugsweise von 2 bis 4 auf. Die Magnetisierungskurve der magnetischen Tinte verläuft durch den Nullpunkt oder nahe des Nullpunktes.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Herstellung einer wässrigen Cobalt-Ferrit-Flüssigkeit:
Zu einer Lösung aus 81 g FeCl3 × 6H2O und 36g CoCl2 × 6H2O und 300 ml Wasser wird langsam bei 25°C eine Lösung aus 62 g NaOH und 120 ml Wasser gegossen. Der pH nach Ende der Fällung ist größer 10. Die Suspension wird erhitzt und für 90 min bei 98°C gerührt. Es wird abgekühlt und die gebildeten Partikel werden magnetisch sedimentiert. Die Lösung wird dekantiert und der Partikelkuchen mehrmals mit Wasser gewa schen. Die Partikel werden in 400 ml Wasser aufgenommen und 6g Citronensäure zugegeben.
Die Suspension wird erhitzt und 40 min bei 80°C gerührt. Nach dem Abkühlen wird magnetisch separiert und die Partikeln mehrfach mit Wasser gewaschen. Mit NaOH-Lösung wird der Partikelkuchen neutralisiert (pH=7) und im Ultraschall dispergiert.
Man erhält eine wässrige konzentrierte Lösung an Cobalt-Ferrit-Fluid mit einer Sättigungspolarisation von 20-25 mT
Beispiel 2
Zu einer Lösung aus 8,1 g FeCl3 × 6H2O und 3,6g CoCl2 × 6H2O und 200 ml Wasser wird langsam bei 25°C 60 ml einer 25%igen Lösung von Tetramethylammoniumhydroxid gegossen. Der pH nach Ende der Fällung ist größer 10. Die Suspension wird erhitzt und für 60 min bei 97°C gerührt. Es wird abgekühlt und die gebildeten Partikel werden magnetisch sedimentiert. Die Lösung wird dekantiert und der Partikelkuchen mehrmals mit Wasser gewaschen. Die Partikel werden in 100 ml Wasser aufgenommen und 1,2 g Polyvinylpyrrolidon zugegeben.
Die Suspension wird erhitzt und 40 min bei 80°C gerührt. Nach dem Abkühlen wird magnetisch separiert und die Partikeln mehrfach mit Wasser gewaschen. Mit NaOH-Lösung wird der Partikelkuchen neutralisiert (pH = 7) und im Ultraschall dispergiert.
Man erhält eine wässrige Lösung an Cobalt-Ferrit-Fluid mit einer Sättigungspolarisation von ca. 10 mT
Beispiel 3
Zu einer Lösung aus 8,1 g FeCl3 × 6H2O und 3,6g CoCl2 × 6H2O und 300 ml Wasser wird langsam bei 25°C eine Lösung aus 62g NaOH und 120 ml Wasser gegossen. Der pH nach Ende der Fällung ist größer 10. Die Suspension wird erhitzt und für 90 min bei 97°C gerührt. Es wird abgekühlt und die gebildeten Partikeln werden magnetisch sedimentiert. Die Lösung wird dekantiert und der Partikelkuchen mehrmals mit Wasser gewaschen. Die Partikel werden in 400 ml Wasser aufgenommen und 12g Polyacrylsäure zugegeben.
Die Suspension wird erhitzt und 40 min bei 80°C gerührt. Nach dem Abkühlen wird magnetisch separiert und die Partikel mehrfach mit Wasser gewaschen. Mit NaOH-Lösung wird der Partikelkuchen neutralisiert (pH=7) und im Ultraschall dispergiert.
Man erhält eine wässrige Lösung an Cobalt-Ferrit-Fluid mit einer Sättigungspolarisation von ca. 15 mT
Herstellung einer Tintenformulierung:
60 ml der wässrigen Cobalt-Ferrit-Flüssigkeit aus Beispiel 1 werden mit 10 ml Ethylenglykol und 10 ml Diethylenglycol vermischt und am Rotationsverdampfer werden 30g Wasser abdestilliert. Die hergestellte Tinte wird in eine Kartusche eingefüllt und an einem Tintenstrahldrucker (HP 3120) ausgedruckt und die magnetischen Eigenschaften des Drucks bestimmt.

Claims

Magnetische Tinte für Tintenstrahldrucker, bestehend aus einer Trägerflüssigkeit, die Wasser und mit Wasser mischbare organische Lösungsmittel enthält, dispergierten magnetischen Feststoffteilchen und weiteren an sich bekannten Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Feststoffteilchen aus Ferriten hoher Anisotropie mit einer Teilchengröße zwischen 5 und 30 nm bestehen, die eine Umhüllung aus wasserlöslichen und in organischen Lösungsmitteln, die mit Wasser mischbar sind, löslichen organischen Verbindungen wie Säuren und Elektrolyte, aufweisen.
Magnetische Tinte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung Oxocarbonsäuren, Hydroxycarbonsäuren oder Oxohydroxycarbonsäuren aufweist.
Magnetische Tinte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung Polyaminosäuren, Polyacrylsäure oder Polyvinylpyrrolidon aufweist.
Magnetische Tinte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung Huminsäuren aufweist.
Magnetische Tinte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung Carbonsäuren und/oder Polycarbonsäuren aufweist.
Magnetische Tinte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung Fruchtsäuren wie Citronensäure, Weinsäure und Äpfelsäure aufweist.
Magnetische Tinte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Ferrite der allgemeinen Formel Me(II)Fe(III)₂O₄ enthalten sind, wobei Me für Cobalt, Nickel oder Mangan steht.
Verfahren zur Herstellung von magnetischen Teilchen für Tintenstrahldrucker gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: – Vermischen und Lösen von Me(II)-Salzen und Fe(III)-Salzen im Mol-Verhältnis 1:1 bis 1:2,5 – Einstellen eines pH-Wertes zwischen 9 und 11 – Einstellen einer Temperatur zwischen 80 und 110°C und Halten dieser Temperatur unter Rühren für 1,5 bis 2,5 Stunden – Sedimentation der entstandenen Me(II)-Ferritteilchen und Dekantieren – Waschen des Sedimentes – Zusetzen einer organischen Säure oder eines organischen Elektrolyten, die in Wasser oder in einem mit Wasser mischbaren Lösungsmittel löslich sind, und Rühren der Mischung 1 Stunde bei 50 bis 80°C – Waschen der Teilchen – Einstellen eines pH-Wertes zwischen 6 und 8 – Vermischen der so hergestellten Dispersion mit weiteren an sich bekannten Komponenten für Inkjettinten – Abdampfen von Wasser und Lösungsmittel bis zu einer Teilchenkonzentration zwischen 3 und 12 Vol%.