DE19715187C2 - Aufzeichnungsmaterial für wasserverdünnbare Tinten - Google Patents

Aufzeichnungsmaterial für wasserverdünnbare Tinten

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Description

Die Erfindung betrifft ein Aufzeichnungsmaterial für wasser­ verdünnbare Tinten, insbesondere zur Verwendung von Tinten­ strahldruckern, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die Bildaufzeichnung oder -wiedergabe mittels Tintenstrahl­ druckern ist ein verbreitetes Verfahren, da eine direkte und schnelle Umsetzung elektronischer Bilddaten möglich ist. Die moderne Druckertechnik erlaubt Bildwiedergabe mit einer Auflösung, die der Auflösung bei der Bildwiedergabe mit der herkömmlichen Silberhalogenidphotographie entspricht, unter Verwendung verschiedenster Druckmedien wie Papierträger oder transparenten Folien. Die Qualität der Bilder, insbesondere der Auflösung, hängt sowohl von den Möglichkeiten des einge­ setzten Druckers als auch entscheidend von den Eigenschaften ds Aufzeichnungsmaterials ab. Das Aufzeichnungsmaterial bestimmt ferner die weitere Handhabung und die Anwendungs­ möglichkeiten der fertigen Bilder. Es wird angestrebt, daß das Aufzeichnungsmaterial den folgenden Anforderungen genügt: gute Tintenaufnahme zur Erzielung hoher Farbdichten; geringe Diffusion der Tinte (Farbstofflösung) im Aufzeichnungs­ material, um die Tröpfchengröße gering zu halten und somit eine hohe Konturenschärfe und ein gutes Auflösungsvermögen zu erzielen; schnelle Trocknung und gute Wischfestigkeit nach dem Tintenauftrag; geringe Klebrigkeit selbst bei hohen Luft­ feuchten; hohe Transparenz des Aufzeichnungsmaterials bei Ausbildung als Projektionsfolie; und geringe Wasserempfind­ lichkeit und somit Eignung für Anwendungen im Außenbereich.
Herkömmliche Aufzeichnungsmaterialien realisieren diese Anforderungen nicht und sind daher in ihrer Anwendung beschränkt.
Bei Aufzeichnungsmaterialien mit Papierträgern wird eine schnelle Tintenaufnahme und eine Wischfestigkeit durch eine Modifizierung einer Farbaufnahmeschicht mit hohen Pigment­ mengen realisiert (DE 30 24 205, EP 379 964). Dabei tritt jedoch eine starke Trübung auf, so daß derartig modifizierte Aufzeichnungsmaterialien nicht als Projektionsfolien geeignet sind. Es ist bekannt, Farbaufnahmeschichten aus wasser­ löslichen Polymeren, wie z. B. Polyvinylalkohol, Polyvinyl­ pyrrolidon oder Gelatine vorzusehen (US 4 503 111, US 4 680 235, US 4 555 437, DE 44 05 969). Diese Polymere zeichnen sich jedoch bei Feuchtigkeitseinfluß durch eine hohe Klebrigkeit und fehlende Wasserbeständigkeit aus. Der Einsatz von kationischen Polymeren als Bindemittel zur Fixierung der Farbstoffe in einer Farbaufnahmeschicht und zur Erhöhung der Wischfestigkeit ist aus DE 37 07 627 oder EP 514 633 bekannt. Es können auch Polymergemische aus Polyvinylalkohol oder Poly­ alkylenoxiden mit kationischen Polymeren eingesetzt werden (EP 379 964, EP 634 284, JP 56-84992, JP 59-20696).
Der Einsatz von Metalloxidsolen als Füllstoffe ist in den EP 524 626 und DE 44 05 969 beschrieben. Zur Verbesserung der Wischfestigkeit ist es bekannt, Silane den Bindemittellösungen zuzusetzen, um Matrixpolymere zu bilden (siehe EP 583 141, EP 482 837). Zur Verminderung der Wasserempfindlichkeit wird in EP 233 703 vorgeschlagene, säurehaltige, wasserunlösliche Polyacrylate und Polyvinylpyrrolidon als Farbempfangsschicht zu verwenden.
Es ist auch bekannt, 2-Schicht-Systeme herzustellen, die eine mikroporöse Polyvinylacetat-Deckschicht zur Verbesserung der Wischfestigkeit aufweisen. Dadurch wird jedoch die Transparenz vermindert, so daß eine Anwendung als Projektionsfolie unmöglich ist. Für Folienträger wird deshalb vorgeschlagen, wasserlösliche Mischpolymerisate auf der Basis von Acrylsäure oder p-Styrensulfonsäure mit polyfunktionellen Aziridinen zu vernetzen (EP 482 838). Durch diese Vernetzung wird jedoch die Trocknungszeit der aufgebrachten Tinte negativ beeinflußt.
Die bekannten Aufzeichnungsmaterialien erfüllen die oben­ genannten Anforderungen nicht. Sie sind insbesondere nicht für Anwendungen geeignet, bei denen ein Feuchtigkeits- oder Wasserkontakt möglich ist, da unter Quellung oder Lösung der Farbempfangsschicht Farbstoff aus der Schicht extrahiert wird, so daß sich die erzielten Farbdichten verringern und eine mangelhafte Konturenschärfe ausbildet.
Weitere Aufzeichnungsmaterialien sind aus DE-OS 44 05 969, EP 0 649 752 A1, EP 0 583 141 A2 und EP 0 482 837 A1 bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Aufzeichnungs­ material, das eine verbesserte Feuchtigkeits- und Wasser­ beständigkeit besitzt, und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben. Das Aufzeichnungsmaterial soll insbesondere einen erweiterten Anwendungsbereich besitzen und praktikable Trock­ nungszeiten nach Tintenauftrag aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch ein Material gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungs­ formen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäßes Aufzeichnungsmaterial besitzt eine Farbempfangsschicht, die ein epoxidvernetzbares, carbonsäure­ gruppenhaltiges kationisches Mischpolymerisat, ein wasserlös­ liches Polymerisat und ein epoxidfunktionelles Metalloxidsol enthält. Die Gewichtsanteile betragen vorzugsweise jeweils entsprechend 30 bis 60 Gew.-%, des Mischpolymerisats, 30 bis 60 Gew.-% des Metalloxids und 10 bis 40 Gew.-% des wasserlös­ lichen Polymerisats.
Das epoxidvernetzbare, carbonsäuregruppenhaltige kationische Mischpolymerisat besitzt die Strukturformel:
wobei
M: carbonsäurehaltiges Monomer
Z: Vinylmonomer
A: Sauerstoff oder Stickstoff
R1: H, CH3
R2: Alkylengruppe von C2 bis C8
R3: CH3, C2H5, C3H7, C4H9
X: Chlorid, Bromid, und
a: 10 bis 50 Mol-%, b: 0 bis 20 Mol.-%, c: 50 bis 90 Mol.-%
bedeuten.
Beispiele für derartige, vernetzbare Polymere der angegebenen allgemeinen Strukturformel sind:
Acrylsäure-Methacryloxyethyl-trimethylammoniumchlorid- Copolymere:
Acrylsäure-Ethylacrylat-Methacryloxyethyltrimethylammonium­ chlorid-Terpolymer:
Acrylsäure-Methacrylamidopropyl-trimethylammoniumchlorid- Copolymer
Die Komponente des vernetzbaren Polymers kann auch eine Zusammensetzung aus verschiedenen Polymeren entsprechend der allgemeinen Strukturformel enthalten.
Als carbonsäurehaltiger Monomerbaustein wird Acrylsäure, Methacrylsäure oder Itaconsäure bevorzugt. In diesem Fall beträgt der Gehalt in der Polymerkomponente vorzugsweise 20 bis 35 Mol-%. Neben Ethylacrylat als Comonomerbaustein können alle bekannten Vinylmonomere, z. B. Vinylpyrrolidon, Styrol, Acrylamid oder Vinylacetat fungieren. Das Molekular­ gewicht dieser Polymerkomponent beträgt gewöhnlich 10000 D bis 500000 D.
Die Metalloxidsolkomponente wird in bekannter Weise durch durch Sol/Gel-Technologien aus epoxidhaltigen Metalloxidsolen mit einem organischen Lösungsmittel (z. B. Methanol, Ethanol) hergestellt (siehe US 3 955 035, H. I. Schmidt et al. Non- Cryst. Solids 80 (1989) 557). Es werden vorzugsweise Hydrolysate von Epoxidsilanen eingesetzt. Beispiele der epoxidhaltigen, hydrolysierbaren Silane sind:
  • - Glycidoxypropyltrimethoxysilan,
  • - Glycidoxypropyltriethoxysilan, und
  • - (3,4-Epoxycyclohexylethyltrimethoxysilan).
Die Hydrolyse und Kondensation kann in Gegenwart von Tetra­ alkoxysilanen, Alkyltrialkoxysilanen oder Dialkyldialkoxy­ silanen durchgeführt wird, wodurch der Epoxidgehalt der Metalloxidsole gezielt steuerbar ist. Erfindungsgemäß können auch Metalloxidgemische eingesetzt werden, indem bei der Solherstellung Alkoxylate von Bor, Aluminium oder Titan als Cobausteine fungieren.
Bei der Vernetzung der Epoxidgruppen bzw. Gelbildung (während der Trocknung) reagieren die epoxidfunktionellen Metalloxidsole mit den freien Carbonsäuregruppen der Polymeren und ergeben somit ein wasserunlösliches Netzwerk aus Metalloxid und kationischem Polymerisat. Um diese Reaktion zu beschleunigen, können der Zusammensetzung zusätzlich Epoxidkatalysatoren zugesetzt sein.
Beispiele für Epoxidkatalysatoren sind Triethylamin, Dimethyl­ benzylamin und N-Methylimidazol. Bezogen auf das epoxidfunktionelle Metalloxidsol beträgt ihre Konzentration vorzugsweise 1 bis 5 Gew.-%.
Die zweite, wasserlösliche Polymerkomponente ist vorzugsweise ein nichtionisches oder kationisches wasserlösliches Polymer. Dies kann beispielsweise durch Polyvinylalkohol, Polyvinyl­ pyrrolidon, Polyacrylamid, kationisches Polyacrylamide, kationische Polyacrylester oder Zusammensetzungen aus diesen gebildet werden.
Das erfindungsgemäße Aufzeichnungsmaterial kann in der Farb­ empfangsschicht ferner Mittel zur Steuerung der Schichtgleich­ mäßigkeit und Oberflächenspannung enthalten. Hierfür sind insbesondere nichtionische oder kationische Tenside geeignet. Besonders wird Hexadecyltrimethylammoniumbromid bevorzugt.
Das erfindungsgemäße Aufzeichnungsmaterial kann als Träger­ material einen flexiblen Träger enthalten, der zum Bedrucken in einem Tintenstrahldrucker geeignet ist. Hierbei werden vorzugsweise Papier oder transparente Kunststoff-Folien verwendet. Es ist jedoch auch möglich, als Trägermaterial starre oder nicht-flexible Materialien wie beispielsweise Glas- oder Kunststofftafeln zu verwenden. Das Trägermaterial kann im wesentlichen flächig sein oder auch eine beliebige Körperform besitzen, wobei die Auftragung der Farbempfangs­ schicht auf beliebigen Oberflächen des Trägermaterial möglich ist. Schließlich ist es möglich, die Farbempfangsschicht mit einer derartigen Dicke herzustellen, daß ein freitragendes Aufzeichnungsmaterial gebildet wird.
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Aufzeichnungsmaterials erfolgt durch Auftragung einer Beschichtungslösung zur Bildung einer Farbempfangsschicht auf einem Trägermaterial. Der Ansatz der Beschichtungslösung erfolgt durch Zubereitung eines Metalloxidsols entsprechend der obengenannten Zusammensetzung und Zusatz der Polymerkomponenten. Der Ansatz erfolgt vor­ zugsweise in wässrig-organischen Lösungsmitteln, z. B. in einem Wasser-Ethanol-Gemisch. Die Auftragung der Beschichtungslösung auf das Trägermaterial erfolgt durch ein Begußverfahren wie es beispielsweise von photochemischen Beschichtungsverfahren bekannt ist. Alternativ kann das Trägermaterial auch durch Tauchen, Besprühen oder ein ähnliches Antragsverfahren beschichtet werden. Anschließend erfolgt eine Gelierung der Beschichtungslösung auf dem Trägermaterial, die durch eine Wärmezufuhr beschleunigt sein kann.
Das erfindungsgemäße Aufzeichnungsmaterial besitzt die folgenden Vorteile. Das Aufzeichnungsmaterial enthält eine neuartige Farbempfangsschicht, die wasserunslöslich ist, bei Feuchtigkeitskontakt keine klebrige Oberfläche bildet und eine praktikable Trocknungszeit aufweist. Die Farbempfangsschicht ist transparent und somit sowohl für Papier- als auch für Folienträger geeignet. Die Farbempfangsschicht läßt sich mit bekannten Schichten herkömmlicher Aufzeichnungsmaterialien kombinieren, indem die neue Farbempfangsschicht als Deckschicht verwendet wird. Nach ortsselektivem Auftrag der Tinte (Farbstofflösung) werden die Tintenfarbstoffe fest in der vernetzten Polymerzusammensetzung der Farbempfangsschicht verankert und werden bei Wasserkontakt nicht ausgewaschen. Dadurch ist die Verwendung des Aufzeichnungsmaterials nicht auf Druckmaterial für Tintenstrahldrucker beschränkt, sondern auch im Außen- oder Freilufteinsatz möglich. Ein Verlaufen von kleinsten Tintenflecken erfolgt nicht, so daß sich das erfindungsgemäße Aufzeichnungsmaterial für Aufzeichnungsvor­ gänge (Druckvorgänge) mit Anforderungen an das Auflösungs­ vermögen eignet, wie sie an moderne Druckvorrichtungen zur Herstellung von Overhead-Projektorfolien oder von Farb-Prints von Photographien gestellt werden.
Ausführungsbeispiele Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)
Mit einer 10 Gew.-%igen Wasser/Alkohollösung (40/60) wird auf eine 100 µm starke Polyesterunterlage in bekannter Weise mittels Abstreichgießers eine 7,8 µm starke Schicht folgender Zusammensetzung aufgebracht:
45 Gew.-% Gelatine (alkalisch aufgeschlossene Knochengelatine)
35 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon (K 90)
20 Gew.-% epoxidfunktionelles Metalloxidsol, hergestellt aus
80 Gew.-% Tetraethoxysilan und 20 Gew.-% Glycidooxypropyl­ trimethoxysilan.
Nach Trocknung der Schicht bei 85°C wird die Folie mittels eines Tintenstrahldruckers, Typ HP Deskjet 690C bedruckt. Zur Charakterisierung der Eigenschaften wird die Farbdichte bestimmt, visuell die Konturenschärfe beurteilt und die Transparenz sowie die Klebrigkeit der Oberfläche ermittelt. Die Folie wird weiterhin zur Prüfung der Wasserfestigkeit 30 min bei 25°C mit fließendem Wasser in Kontakt gebracht und danach die Farbdichte und Schichtbeschaffenheit geprüft. Folgende Eigenschaften werden erhalten:
Konturenschärfe: gut, nach Wässerung unscharfe Abbildung
Trocknungszeit: 7,5 min
Oberflächenbeschaffenheit (85% RF): leicht klebrig, bei Wasserkontakt starkes Quellen
Transparenz: klare Folie.
Die Schicht ist nicht wasserfest. Der Farbstoff wird ausge­ waschen und diffundiert auch in der Schicht.
Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)
Analog zu Beispiel 1 wird eine 8,5 µm starke Schicht folgende Zusammensetzung aufgetragen:
33 Gew.-% Na-Polyacrylat
59 Gew.-% Polyacylsäure (vernetzt in Gegenwart von Silanen gemäß EP 583 141)
8 Gew.-% Metalloxidsole aus Tetraethoxysilan
Es werden folgende Eigenschaften erhalten:
Konturenschärfe: gut, nach Wässerung unscharfe Abbildung
Trocknungszeit: 6,5 min
Oberflächenbeschaffenheit (85% RF): nicht klebrig, Schicht quillt stark bei Wasser­ kontakt
Transparenz: klare Folie
Die Schicht ist nicht wasserfest. Der Farbstoff diffundiert in der Schicht und wird beträchtlich ausgewaschen.
Beispiel 3
Analog zu Beispiel 1 wird eine 11,5 µm starke Schicht folgender Zusammensetzung aufgetragen:
45 Gew.-% Copolymeres aus Acrylsäure und Methacryloxyethyl­ trimethylammoniumchlorid (20/80), Molekulargewicht 130000 D,
45 Gew.-% Metalloxidsol, hergestellt aus 75 Gew.-% Tetra­ ethoxysilan und 25 Gew.-% Glycidopropyltrimethoxy­ silan
10 Gew.-% Polyvinylalkohol (voll verseift, Molekulargewicht 95000 D)
Es werden folgende Eigenschaften erhalten.:
Konturenschärfe: gut, auch nach Wässerung scharfe Abbildungen
Trocknungs Zeit: 7,0 min
Oberflächenbeschaffenheit: nicht klebrig, bei Wasserkontakt klebefreie unlösliche Schicht
Transparenz: klare Folie.
Die Schicht ist wasserfest. Bei Wasserkontakt erfolgt keine nennenswerte Ausbleichung des Farbstoffes. Nach der Trocknung werden wieder scharfe Abbildungen erhalten.
Beispiel 4
Analog zu Beispiel 1 wird eine 12,5 µm starke Schicht folgender Zusammensetzung aufgetragen:
55 Gew.-% Mischpolymerisat aus Acrylsäure/Ethylacrylat/Meth­ acryloxyethyltrimethylammoniumchlorid (28/12/60), Molekulargewicht 140000 D.
35 Gew.-% Metalloxidsol aus 50 Gew.-% Glycidoxypropyltri­ ethoxysilan und 50 Gew.-% Tetraethoxysilan
10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, Molekulargewicht 320000 D.
Es werden folgende Eigenschaften erhalten:
Konturenschärfe: gut, auch nach Wässerung scharfe Abbildungen
Trocknungszeit: 7,0 min
Oberflächenbeschaffenheit (85% RF): nicht klebrig, bei Wasser­ kontakt klare nichtklebrige Schicht
Transparenz: klare Schicht
Die Schicht ist wasserfest. Bei der Wässerung erfolgt keine nennenswerte Auswaschung des Farbstoffes. Nach der Trocknung werden wieder scharfe Abbildungen erhalten.
Beispiel 5
Analog zu Beispiel 1 wird eine 10,5 µm starke Schicht folgender Zusammensetzung aufgetragen:
48,5 Gew.-% Copolymer aus Acrylsäure und Acrylamidopropyl­ trimethylammoniumchlorid (35/65), Molekulargewicht 195000 D.
40 Gew.-% Metalloxidsol, hergestellt aus 80 Gew.-% Tetra­ ethoxysilan und 20 Gew.-% Glycidoxypropyltri­ methoxysilan
10 Gew.-% Poly-methacrylamidopropyltrimethylammoniumchlorid, Molekulargewicht 85000 D.
1,5 Gew.-% Hexadecyltrimethylammoniumbromid.
Es werden folgende Eigenschaften erhalten:
Konturenschärfe: gut, auch nach Wässerung scharfe Abbildungen
Trocknungszeit: 7,5 min
Oberflächenbeschaffenheit (85% RF): nicht klebrig, auch bei Wasserkontakt
Transparenz: klare Schicht
Die Schicht ist wasserfest. Bei Wasserkontakt erfolgt keine nennenswerte Auswaschung des Farbstoffes. Nach der Trocknung werden scharfe Abbildungen erhalten.
Die Beispiele zeigen gegenüber den herkömmlichen Vergleichs­ beispielen eine hohe, nach Wasserkontakt konstante Dichte, trockene, nicht-klebende Oberflächen und hohe Transparenz auch nach Wasserkontakt und erneuter Trocknung. Die Farbempfangs­ schicht besitzt eine weitgehend ungiftige Zusammensetzung.

Claims (9)

1. Aufzeichnungsmaterial, das eine Farbempfangsschicht auf­ weist, die zur Aufnahme einer wasserlöslichen Tinte vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbempfangsschicht neben einem wasserlöslichen Polymeren ein Vernetzungsprodukt eines epoxidvernetzbaren, carbonsäure­ haltigen kationischen Mischpolymerisats der Strukturformel
mit
M: carbonsäurehaltiges Monomer
Z: Vinylmonomer
A: Sauerstoff oder Stickstoff
R1: H, CH3
R2: Alkylengruppe von C2 bis C8
R3: CH3, C2H5, C3H7, C4H9
X: Chlorid, Bromid
a: 10 bis 50 Mol-%
b: 0 bis 20 Mol-%
c: 50 bis 90 Mol-%
mit einem epoxidfunktionellen Metalloxid enthält.
2. Aufzeichnungsmaterial gemäß Anspruch 1, bei dem die Gewichtsanteile des Mischpolymerisats 30 bis 60 Gew.-%, des epoxidfunktionellen Metalloxids 30 bis 60 Gew.-% und des wasserlöslichen Polymers 10 bis 40 Gew.-% betragen.
3. Aufzeichnungsmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Farbempfangsschicht Mittel zur Steue­ rung der Schichtgleichmäßigkeit und der Oberflächenspannung enthält.
4. Aufzeichnungsmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Farbempfangsschicht mit einem Träger­ material verbunden ist.
5. Aufzeichnungsmaterial gemäß Anspruch 4, bei dem das Träger­ material eine transparente Kunststoffschicht oder Papier ist.
6. Verwendung eines Aufzeichnungsmaterials gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 als Druckunterlage für Tintenstrahldrucker.
7. Verfahren zur Herstellung eines Aufzeichnungsmaterials ge­ mäß Anspruch 1, umfassend die Schritte:
Herstellung einer Beschichtungslösung aus dem epoxidvernetzba­ ren, carbonsäuregruppenhaltigen kationischen Mischpolymerisat, einem epoxidfunktionellen Metalloxidsol und dem wasserlösli­ chen Polymer,
Auftragung der Beschichtungslösung auf einem Trägermaterial und
Gelierung und Trocknung der Beschichtungslösung zur Bildung der Farbempfangsschicht.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem der Beschichtungslösung ein Epoxidkatalysator zugesetzt wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem die Auftragung der Beschichtungslösung durch Beguß einer transparenten Kunst­ stoff-Folie oder eines Papierträgermaterials erfolgt.
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