DE60008814T2

DE60008814T2 - Schnelltrocknende Tintenstrahl-Tintenzusammensetzungen zum Abdichten von Tintenstrahldruckerdüsen

Info

Publication number: DE60008814T2
Application number: DE60008814T
Authority: DE
Inventors: Deverakonda Danbury Sarma; John Plantsville Rosenberger; James E. Stratford-on-Avon Fox; Alan L. Hudd
Original assignee: Trident International Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2020-06-10
Also published as: JP2001072906A; EP1059340B1; US6302536B1; CA2311072C; CA2311072A1; IL136587A0; DE60008814D1; ATE261477T1; IL136587A; EP1059340A1

Description

Diese Anmeldung ist eine Fortsetzungsanmeldung (Continuation-in-part) der US-Anmeldung Nr. 08/903 016, welche am 31. Juli 1997 eingereicht wurde und deren Offenbarung hierdurch durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Tintenstrahldrucker und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur Verhinderung des Verstopfens der Tinte in solchen Vorrichtungen.
Aus der US-A-5 667 571 ist eine Tintenzusammensetzung bekannt, welche ein basisches Diazo-Farbstoffsalz , einen Alkohol oder Glykolether als Lösungsmittel, und ein Phenol-, Acryl- oder Ketonharz enthält.
Die EP-A-0 688 835 offenbart eine Strahldrucktinte, welche ein nicht-wässriges Lösungsmittel und ein Pigment enthält, zu welchen ein Dispergiermittel und ein Harz hinzugefügt werden.
Die GB-A-2 148 316 beschreibt eine Tintenzusammensetzung zur Verwendung beim Tintenstrahldrucken, welche ein Copolymer, denen Farbstoff und ein Lösungsmittelsystem enthält, welches ein niederes Alkanol und ein niederes aliphatisches Keton enthält.
Hintergrund der Erfindung
Tintenstrahldrucken wird durchgeführt durch Abgabe von Tintentröpfchen von einem Druckkopf zu einem Substrat. Die Tröpfchen werden durch Öffnungen oder Düsen im Druckkopf ausgestoßen und werden auf das Substrat gerichtet, um darauf ein Bild zu bilden. Im Gegensatz zu vielen anderen Arten des Druckens gibt es beim Tintenstrahldrucken vorzugsweise keinen Kontakt zwischen dem Drucker und dem Substrat.
Die meisten der Tintenstrahldrucker, welche im Stand der Technik bekannt sind, können als kontinuierliche oder Impulsvorrichtungen charakterisiert werden, in Abhängigkeit vom Mechanismus, durch welchen die Tintentröpfchen auf das Substrat gerichtet werden. Bei kontinuierlichen Tintestrahlsystemen wird ein im wesentlichen ununterbrochener Strom von Tinte aus einer Düse ausgestoßen und bricht in Tröpfchen auf. Die Tröpfchen tragen eine elektrische Ladung, so dass sie durch ein angelegtes elektrisches Feld abgelenkt werden können, welches gemäß dem besonderen aufzuzeichnenden Bild moduliert wird. Das elektrische Feld richtet die Tröpfchen entweder in Richtung zum Substrat oder zu einem Tintenrezirkulationsbehälter hin.
Bei sogenannten „Impuls"- oder „Tropfen nach Bedarf"-Tintenstrahldruckern wird die Bildbildung eher durch selektives Beaufschlagen mit Energie oder Abschalten von Energie, zum Beispiel eines piezoelektrischen Wandlers oder Solenoids, gesteuert als durch Modulation eines angelegten elektrischen Feldes. Die Tinte wird im Druckkopf oder der Düse gespeichert bis es notwendig ist, ein Bild auf dem Substrat zu bilden. Der Drucker wird dann durch Drucksignale aktiviert, um Druck an die Tinte anzulegen und eine ausgewählte Anzahl von einzelnen Tintentröpfchen in Richtung zum Substrat hin abzugeben.
Da die Tinte aus Impuls-Typ-Druckern nur periodisch ausgestoßen wird, liefern diese Vorrichtungen eine Anzahl von Problemen, welche man typischerweise bei kontinuierlichen Tintenstrahlsystemen nicht antrifft. Diese Probleme, welche während relativ kurzer Intervalle zwischen den einzelnen Drucksignalen während eines einzelnen Druckzyklus auftreten, enthalten unregelmäßig geformte Tropfen und/oder einen unrichtigen Abstand der Tropfen. Die Grundursache dieser Probleme kann der Bewegung des Tintenmeniskus zur Zeit, wenn ein Drucksignal erzeugt wird, zugeschrieben werden, insbesondere wo Anstrengungen gemacht werden, bei einer Frequenz von über 3 kHz zu drucken. Ein Lösungsansatz dieser Probleme ist im US-Patent 4 266 232, im Namen von Juliana, Jr. et al dargestellt, welches einen Impulsdrucker offenbart, bei welchem Tintentropfen von im wesentlichen einheitlicher Größe und Abstand durch Anlegen von Antriebsimpulsen in einer gegenseitig synchronen Art bei jedem von vorbestimmten gleichen Intervallen erzeugt werden. Die Amplitude der Antriebsimpulse wird so gesteuert, dass die Amplitude der Antriebsimpulse unter der eines Drucksignals ist, wenn kein Tropfen geformt werden soll. Ein noch besserer Lösungsweg ist durch das US-Patent 4 459 601 im Namen von Howkins gegeben, wobei eine Füllen-vor-Abschuss-Betriebsweise offenbart ist, d. h. ein Impuls vorbestimmter Länge wird verwendet, um das Füllen der Strahlkammer zu initiieren, und das Abfeuern eines Tröpfchens geschieht an der hinteren Kante des Impulses.
Gewisse andere Probleme, welche mit Impulstintenstrahldruckern zusammenhängen, betreffen die beträchtlich längeren Intervalle zwischen den Druckzyklen. Im Gegensatz zu kontinuierlichen Tintenstrahldruckern werden Impulsvorrichtungen typischerweise während relativ langer Intervalle im Stand-by- oder Ruhemodus gehalten, manchmal in der Größenordnung von Sekunden, Minuten oder selbst Stunden. Während dieser Intervalle lässt man die Tinte stehen, sich verdicken aufgrund von Verdunstung von Tintenkomponenten, und möglicherweise die Düsen des Druckkopfes verstopfen. Impulsdrucker können einen Druckzyklus mit solch verdicktem Material darin beginnen. Viele der Anfahrprobleme, welche bei Impulsdruckern auftreten, sind der Tinte zuzuschreiben, welche man die Düsen während der Ruheperioden verstopfen ließ. Verstopfung durch Tinte ist in kontinuierlichen Systemen weniger bedeutend, da dort typischerweise weniger Unterbrechungen im Tintenstrom sind und jede solch einer Unterbrechung eine beträchtlich kürzere Dauer hat. Selbst wenn man Tinte in einem kontinuierlichen Tintenstrahldrucker stehen und sich verfestigen lässt, ist er leichter zu reinigen aufgrund der beträchtlich höheren Drücke, bei welchen diese Vorrichtungen arbeiten.
Eine Anzahl von Verfahren und Vorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt um ein Verstopfen in Tintenstrahldruckern während Ruheperioden zu verhindern.
Das US-Patent 4 970 527 im Namen von Gatten offenbart zum Beispiel einen Tintenstrahldrucker, welcher das Verstopfen durch Drucken einiger weniger Tintenpunkte verhindert, wenn der Drucker im Leerlauf ist. Das Verfahren von Gatten verschwendet jedoch Tinte und Drucksubstrat.
Das US-Patent 3 925 789 im Namen von Kashio offenbart eine Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung, welche einen Zeitmesser enthält zur Bestimmung der Länge einer Ruheperiode und ein Mittel zum vorbereitenden Ausstoßen von Tinte aus einer Düse, wenn die Ruheperiode eine vorbestimmte Zeitmenge übersteigt. Die ausgestoßene Tinte wird nicht auf ein Drucksubstrat gerichtet, sondern vielmehr auf eine Tintensammelvorrichtung.
Das US-Patent 4 540 997 im Namen von Biggs u. a. offenbart einen Tintenstrahldrucker, bei welchem das Verstopfen minimiert wird durch Transportieren der Düsen während Ruheperioden, um mit einer Waschstation zu kommunizieren und dann Ausstoßen von Tinte aus den Düsen in die Waschstation, wenn der Drucker einen vorbestimmten Zeitraum nicht gearbeitet hat.
Das US-Patent 5 329 293 im Namen von Liker offenbart eine Tintenstrahldruckvorrichtung, bei welcher das Verstopfen minimiert wird durch Pulsieren der Tinte in der Düse während Ruheperioden. Das gelieferte Pulsierungssignal ist geringer als die Größe eines Impulssignals, welches bewirken würde, dass Tinte aus der Düse ausgestoßen wird. Diese Technik wird als Subpulsieren (sub-pulsing) bezeichnet. Das Subpulsierungsverfahren und die Vorrichtung sind wirksam und effizient beim Verhindern, dass Tinte die Düse verstopft. Jedoch bei einigen extrem schnell trocknenden Tinten führt das Subpulsieren zu einer konstanten Verdunstung von Lösungsmittel aus der Tinte. Als Folge kann die ganze Tinte in der Düse an einer Erhöhung der Viskosität während des Subpulsierungszeitraums leiden. Die Viskosität kann unter Umständen zu stark ansteigen und den Betrieb des Druckers ungünstig beeinflussen.
Es besteht deshalb ein Bedarf an relativ einfachen Verfahren und Vorrichtungen zum Verhindern von Verstopfen des Tintenstrahles bei schneller trocknenden Tinten, welche keine Tinte oder Drucksubstrat verschwenden und welche keine zusätzlichen Vorrichtungen benötigen wie Tintensammelvorrichtungen und Waschstationen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung liefert schnell trocknende Tintenstrahl-Tintenzusammensetzungen zur Verwendung bei einem Impulstintenstrahldrucker. Die schnell trocknenden Tintenzusammensetzungen enthalten ungefähr 20 bis ungefähr 95 Gewichtsprozent eines Lösungsmittels, welches vorzugsweise entweder ein Glykolalkylether mit ungefähr 3 bis 20 Kohlenstoffatomen, ein Ketonalkohol, 1,4-Butandiol, denaturiertes Ethanol, Benzylalkohol, Alkyllactate oder Mischungen davon sind. Die schnell trocknenden Tintenstrahl-Tintenzusammensetzungen enthalten auch ungefähr 1 bis ungefähr 20 Gewichtsprozent eines polymeren Harzes. Das polymere Harz ist vorzugsweise entweder ein Polyesterharz, ein Polyvinylbuterolharz, ein Phenolharz, ein Acrylharz oder Mischungen davon. Die schnell trocknenden Tintenstrahl-Tintenzusammensetzungen enthalten auch ungefähr 1 bis ungefähr 20 Gewichtsprozent eines Farbstoffes.
Es wurde gemäß der Erfindung herausgefunden, dass das Verstopfen von Tinte während Ruheperioden verhindert werden kann durch Vorsehen einer Tinte, welche die Eigenschaft hat, eine Barriere höher viskoser Tinte zu bilden, wo die Tinte die Umgebungsluft kontaktiert. Als Ergebnis schirmt diese Viskositätsbarriere die übrige Tinte von den Wirkungen der Luftexposition während der Ruheperiode ab. Danach wird die Barriere durch eine Reihe von Subimpulsen entfernt, welche die Viskositätsbarriere homogenisieren und dadurch die Düse freimachen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die zahlreichen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung können von einem Fachmann durch Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren besser verstanden werden, bei welchen
1 eine schematische Darstellung ist, welche eine Impulstintenstrahldruckvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 eine schematische Darstellung ist, welche ein Auslösesignal zeigt, welches an eine Druckkopfdüse angelegt wird, und die Bewegung von Tinte innerhalb der Düse als Antwort auf das Signal,
3 eine schematische Darstellung ist, welche ein Sub-Auslösesignal (sub-firing signal) zeigt, welches an eine Druckkopfdüse angelegt wird, und die Bewegung von Tinte innerhalb der Düse als Antwort auf das Signal,
4 eine schematische Darstellung der Barriere ist, welche am Meniskus der Tinte innerhalb der Düse gebildet ist;
5 ein Flussdiagramm der Sequenz der Auslöse- und Subauslösesignale ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung können in Verbindung mit praktisch jedem Impuls- oder „Tropfen-nach-Bedarf"-Tintenstrahldrucker verwendet werden, welcher Stand-by- oder Ruheperioden unterworfen ist. Mit Bezug auf 1 ist eine repräsentative Druckvorrichtung gemäß der vorliegenden Endung dargestellt, welche einen Druckkopf 10 mit einer Vielzahl von Düsen 12 und Steuermittel 16 enthält, welche mit dem Druckkopf elektrisch gekuppelt sind.
Jeder einer großen Vielzahl von Druckköpfen, welche im Stand der Technik bekannt sind, können bei der vorliegenden Erfindung angewendet werden, so lange er mindestens eine Düse enthält, welche Tintentröpfchen als Antwort auf Steuersignale ausstößt. Es wird bevorzugt, dass der Druckkopf ein piezoelektrischer Typ ist, bevorzugter ein MICROCODER 32/16, oder ein ULTRAJET II 192/32-Flüssigkeitstintenstrahl-Bilddruckkopf sein kann, welche beide im Handel erhältlich sind von Trident, Inc. aus Brookfield, CT.
Das Steuermittel 16 kann irgendeines der im Stand der Technik bekannten sein, welches in der Lage ist, Steuersignale zu erzeugen. Wie in 1 dargestellt enthält das Steuermittel 16 vorzugsweise eine Energiequelle 16a, einen Spannungs- oder Stromregler 16b, eine Signalerzeuger 16c, und eine Zeitsteuerungsschaltung 16d zur Bestimmung des Intervalls zwischen Auslösesignalen. Es wird bevorzugt, dass ein Spannungsregler verwendet wird und dass der Signalerzeuger Signale erzeugt, welche unter Softwaresteuerung initiiert werden. Steuermittel, welche der Praxis dieser Erfindung zugänglich sind, enthalten Rechnervorrichtungen, wie z. B. Mikroprozessoren, Mikrosteuereinrichtungen, Kondensatoren, Schalter, Schaltkreise, logische Gates, oder äquivalente logische Vorrichtungen. Bevorzugte Steuermittel 16 enthalten einen Personalcomputer, welcher mit einer Trident-16-Kanal-Analog-Treiberplatte, Teile-Nummer 016-7008-01 gekuppelt ist, welche im Handel von Trident, Inc. erhältlich ist. Die bevorzugte Treiberplatte erzeugt ein Steuersignal in Form einer RC-Zeitkonstanten-gesteuerten Wellenform mit einem 14,5 μs Anfangsimpuls, welchem eine 1,5 μs Auszeit, und ein 3,5 μs Folge-Impuls folgt. Die US-Patentanmeldung Nr. 08/823 718, eingereicht am 25. März 1997 mit dem Titel „Impulstintenstrahlverfahren mit hoher Leistungsfähigkeit und Vorrichtung" (High Performance Impulse Ink Jet Method and Apparatus), welche hier durch Bezugnahme eingeschlossen wird, offenbart Auslösewellenformen zum Ausstoßen von Tinte aus einer Tintenstrahldüse und enthält die bevorzugten Auslöseimpulse der vorliegenden Erfindung.
Wie in den 1 und 2A–2E dargestellt können ein oder mehr Tintentröpfchen 14c aus den Düsen 12 in Richtung zum Substrat 20 hin ausgestoßen werden durch selektives Beaufschlagen piezoelektrischer Wandler 13 mit Energie und Abschalten von Energie. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist jeder Wandler 13 an einer Membran, einem Dichtungsmittel oder einem anderen flexiblen Element 15a in physischem Kontakt mit einem Tintenvolumen 14a, welches innerhalb der Kammer 15 enthalten ist, befestigt. Die Wandler werden durch die Anwendung von Steuersignalen mit Energie versorgt oder abgeschaltet. Obwohl die Steuersignalwellenform aus vielen bekannten Tintentröpfchen-Auslösesignalen ausgewählt werden könnte, ist zwecks Kürze und Einfachheit des Verständnisses das Auslösesignal in 2A in Form einer Rechteckwelle dargestellt.
Wie im Hintergrundsabschnitt oben erörtert, sind Subpulsierungstechniken im Stand der Technik bekannt, wobei ein Signal mit geringerer Amplitude während Ruheperioden vorgesehen wird, um zu verhindern, dass die Düse verstopft. 3A–3E zeigten, wie die Tinte innerhalb einer Düse auf ein Subimpuls-Signal reagieren kann. Wie in 3A dargestellt hat das Subimpuls-Signal typischerweise eine kleinere Amplitude und eine kürzere Dauer als ein voller Tropfenaustoß-Impuls. Als solches ist der Impuls ausreichend, um die Tinte innerhalb der Düse zu bewegen, ohne sie daraus auszustoßen. Solch eine Technik wurde verwendet, wenn ein Drucker in einem Ruhezustand ist, um zu verhindern, dass schnell trocknende, auf Lösungsmittel basierende Tinten austrocknen und die Düse verstopfen. (Siehe zum Beispiel US-Patent Nr. 4 459 601, welches hier durch Bezugnahme eingeschlossen wird, wegen eines Subpulsierungsschemas, welches Impulse an die Düse anlegt, welche ausreichend sind, die Tinte in der Düse zu bewegen und ein Verstopfen zu verhindern, aber welche nicht ausreichend sind, um Tintentröpfchen auszustoßen). Die Erfinder glauben, dass das Subpulsieren durch konstantes Mischen der Tinte innerhalb der Düse, um eine gleich bleibende Viskosität aufrechtzuerhalten, funktioniert.
Bei bestimmten Druckanwendungen ist es vorteilhaft, eine Tinte zu haben, welche eine extrem schnelle Trocknungszeit hat. Bei einigen der schneller trocknenden Tinten würde die bloße Anwendung von Subimpulsen eventuell die Viskosität der Tinte innerhalb der Düse zu einem dicken, unbrauchbaren Zustand erhöhen. Die vorliegende Erfindung erkennt, dass wenn man einer schnell trocknenden Tinte erlaubt, in der Düse zu trocken, dies eine Barriere aus suspendierten Feststoffen mit höherer Viskosität zwischen der Düsenöffnung und der in der Kammer 15 enthaltenen Tinte bildet. Die Tintenstrahlindustrie hat im allgemeinen versucht, solch eine Wirkung zu verhindern, da solch eine Barriere ein dicker Pfropfen werden würde, welcher ein Verstopfen der Düse und einen unzureichenden Betrieb verursachen würde. Im Gegensatz dazu verwendet die vorliegende Erfindung diese früher unerwünschte Eigenschaft schnell trocknender Tinten und verwendet sie zu einem deutlichen Vorteil. Durch eine richtige Tintenzusammensetzung bildet sich die Barriere im wesentlichen in so einer Weise, dass sie die Verdunstung von Lösungsmitteln in der Tinte vorteilhaft steuert. Das Ergebnis ist Tinte in der Kammer, welche eine relativ konstante Viskosität aufrechterhält. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Tinte hergestellt, welche extrem schnell trocknende Eigenschaften hat, so dass während der Ruheperiode sich schnell eine Viskositätsbarriere an der Öffnung der Düse bildet. Auf Lösungsmittel und Harz basierende Tinten, wie vollständiger unten beschrieben, haben die gewünschten Eigenschaften gezeigt.
Wie hier verwendet sollten numerische Bereiche, welchen der Ausdruck „ungefähr" vorausgeht, nicht als auf den genannten Bereich beschränkt betrachtet werden. Vielmehr sollten die numerischen Bereiche, welchen der Ausdruck „ungefähr" vorausgeht, so verstanden werden, dass sie einen Bereich einschließen, welcher von einem Fachmann für irgendein gegebenes Element in Impulstintenstrahl-Tintenzusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung akzeptiert wird.
Bevorzugte schnell trocknende Tintenzusammensetzungen enthalten ein Lösungsmittel oder eine Kombination von Lösungsmitteln zu ungefähr 20 bis ungefähr 95 Gewichtsprozent, ein polymeres Harzsystem zu ungefähr 1 bis ungefähr 20 Gewichtsprozent und einen Farbstoff zu ungefähr 1 bis ungefähr 20 Gewichtsprozent.
Die bevorzugten schnell trocknenden Tintenzusammensetzungen enthalten niedrig siedende Lösungsmittel. Die ausgewählten Lösungsmittel haben im allgemeinen einen Siedepunkt unter 150°C. Bevorzugte niedrig siedende Lösungsmittel enthalten Glykolalkylether mit ungefähr 3 bis 20 Kohlenstoffatomen, bevorzugter ungefähr 3 bis 7 Kohlenstoffatome, und am bevorzugtesten 4 Kohlenstoffatome, einen Ketonalkohol, wie z. B. Diacetonalkohol, 1,4-Butandiol, denaturiertes Ethanol, Benzylalkohol und Alkyllactate. Glykolalkylether sind besonders bevorzugt. Der bevorzugte Glykolalkylether ist Propylenglykolmethylether. Die Tintenzusammensetzungen gemäß dieser Erfindung können irgendeines der oben genannten Lösungsmittel oder Mischungen davon enthalten. Solch ein Lösungsmittel oder Kombinationen von Lösungsmitteln sind vorzugsweise in der Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung zu ungefähr 20 bis ungefähr 95 Gewichtsprozent vorhanden, bevorzugter zu ungefähr 50 bis ungefähr 90 Gewichtsprozent, und am bevorzugtesten zu ungefähr 70 bis ungefähr 88 Gewichtsprozent.
Die bevorzugten schnell trocknenden Tintenzusammensetzungen dieser Erfindung enthalten ferner zu ungefähr 1 bis ungefähr 20% eines polymeren Harzes. Bevorzugte polymere Harze enthalten Polyesterharze, Polyvinylbuterolharze, wie z. B. MOWIFOL B3020H (im Handel erhältlich von Hoechst, Großbritannien), Phenolharze wie z. B. ALNOVOL PN 320 (im Handel erhältlich von Hoechst, Großbritannien), und Acrylharze, wie z. B. Styrolacrylharz. Das polymere Harzsystem der Tintenzusammensetzungen gemäß dieser Erfindung kann irgendeines der obigen polymeren Harze oder Mischungen davon enthalten und enthält vorzugsweise nur die genannten Harze als die polymere Harzkomponente. Die Tintenzusammensetzung enthält vorzugsweise ungefähr 1 bis ungefähr 20 Gewichtsprozent eines alkohollöslichen auf Polyester basierenden Harzes und ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gewichtsprozent eines Styrol-Acrylpolymer-Harzes. Bevorzugter ungefähr 5 bis 15% des alkohollöslichen auf Polyester basierenden Harzes und ungefähr 3 bis ungefähr 6 Gewichtsprozent des Styrol-Acrylpolymerharzes, und am bevorzugtesten ungefähr 9 Gewichtsprozent des alkohollöslichen auf Polyester basierenden Harzes und ungefähr 4,5 Gewichtsprozent des Styrol-Acrylpolymerharzes. Ein bevorzugter alkohollöslicher Polyester ist Prince 5180, hergestellt von Lawter International, Northbrook, III. Ein bevorzugtes Styrol-Acrylpolymer is Joncryl 678, erhältlich von S. C. Johnson & Son, Inc.
Bevorzugte Tintenzusammensetzungen enthalten auch einen Farbstoff. Die Wahl des Farbstoffes und seine Konzentration hängt prinzipiell von der Löslichkeit des Farbstoffes und der Intensität seiner Farbe bei einer besonderen Anwendung ab. Der Farbstoff wird vorzugsweise ausgewählt, um die Tintenzusammensetzung dem menschlichen Auge oder einer mechanischen Datensammelvorrichtung, wie z. B. einem Strichcodescanner oder einer anderen Art von optischem Zahlenleser, sichtbar zu machen. Ein bevorzugter Farbstoff enthält ein Farbmittel wie z. B.
Orasol Black RLI, welcher von Ciba-Geigy Co. aus Ardsley, N. Y. erhältlich ist. Der Farbstoff enthält vorzugsweise von ungefähr 1 bis ungefähr 20 Gewichtsprozent der Tintenzusammensetzung.
Die schnell trocknenden Impulstintenstrahl-Tintenzusammensetzungen zum Gebrauch bei der vorliegenden Erfindung wurden gemischt, um typischerweise in ungefähr 3 bis ungefähr 35 Sekunden zu trocknen, wenn sie verwendet werden, um Text mit 150 Punkte pro Inch (DPI, dots per Inch) zu drucken, und ungefähr 5 bis ungefähr 100 Sekunden bei Blockbuchstaben mit 150 DPI. Alle Drucktests wurden mit einem Microcoder 321/16-Druckkopf (im Handel erhältlich von Trident International, Inc., Brookfield CT) durchgeführt. Als eine Basislinie wurden die Trocknungszeiten auf einem Glassubstrat bei Raumtemperatur ohne eine extra angewendete Heizung gemessen. Das Messen der Trocknungszeiten ist typischerweise eine ungenaue Kunst. Wie hier später erwähnt wurden die Trocknungszeiten erhalten durch Messen der Zeit, welche benötigt wird, um kein sichtbares Schmieren der gedruckten Buchstaben oder Blöcke zu beobachten, wenn sie mit einem Substrat, wie z. B. einem Papier oder einem Baumwolllappen gerieben werden. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Trocknungszeiten der schnell trocknenden Impulstintenstrahl-Tintenzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung variieren, basierend auf der Zusammensetzung des oder der ausgewählten Lösungsmittel und den besonderen Mengen jedes Lösungsmittels.

Eine bevorzugte Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung, welche die gewünschten schnell trocknenden Eigenschaften zeigt, wurde zum Beispiel wie folgt hergestellt:

Propylenglykolmethylether (Lösungsmittel)	ungefähr 44,0%
Diacetonalkohol (Lösungsmittel)	ungefähr 40,6%
Prince 5180 (Harz)	ungefähr 6,3%
Joncryl 678 (Harz)	ungefähr 1,7%
Orasol Black RLI (Farbstoff)	ungefähr 7,4%

Diese Zusammensetzung zeigt typischerweise eine Trocknungszeit auf einem Glassubstrat von ungefähr 50 Sekunden bei Blockbuchstaben mit 150 DPI und ungefähr 19 Sekunden bei Text mit 150 DPI bei Raumtemperatur. Diese Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung trocknet, wenn man 150 DPI Text auf ein hochdichtes Polyethylensubstrat druckt, in ungefähr 7 bis 9 Sekunden bei Raumtemperatur. Auf mattiert beschichtetem, nicht glänzendem Stapelpapier trocknet die Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung in ungefähr 3 bis 4 Sekunden bei Raumtemperatur, wenn man Text mit 150 DPI druckt.

Im Vergleich dazu wurde eine bevorzugtere Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung, welche die gewünschten schnell trocknenden Eigenschaften zeigt, wie folgt hergestellt:

Propylenglykolmethylether (Lösungsmittel)	ungefähr 22,5%
denaturiertes Ethanol (Lösungsmittel)	ungefähr 55,0%
Benzylalkohol (Lösungsmittel)	ungefähr 5,0
Prince 5180 (Harz)	ungefähr 9,0%
Joncryl 678 (Harz)	ungefähr 4,5%
Orasol Black RLI (Farbstoff)	ungefähr 5,0%

Diese Zusammensetzung zeigt typischerweise eine Trocknungszeit auf einem Glassubstrat von ungefähr 6 Sekunden bei 150 DPI Blockbuchstaben und ungefähr 3 Sekunden bei 150 DPI Text bei Raumtemperatur. Diese Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung trocknet, wenn man einen 150 DPI Text auf einem hochdichten Polyethylensubstrat druckt, in ungefähr 4 Sekunden bei Raumtemperatur. Auf mattiert beschichtetem, nicht-glänzendem Stapelpapier trocknet die Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung in ungefähr 2 Sekunden bei Raumtemperatur, wenn man 150 DPI Text druckt.

Eine bevorzugteste Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung, welche die gewünschten schnell trocknenden Eigenschaften zeigt, wurde noch wie folgt hergestellt:

Propylenglykolmethylether (Lösungsmittel)	ungefähr 80,0%
Diacetonalkohol (Lösungsmittel)	ungefähr 5,0%
Prince 5180 (Harz)	ungefähr 6,3%
Joncryl 678 (Harz)	ungefähr 1,7%
Orasol Black RLI (Farbstoff)	ungefähr 7,4%

Diese Zusammensetzung zeigt typischerweise eine Trocknungszeit auf einem Glassubstrat von ungefähr 20 Sekunden bei 150 DPI Blockbuchstaben und von ungefähr 8 Sekunden bei 150 DPI Text bei Raumtemperatur.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann den schnell trocknenden Tintenstrahl-Tintenzusammensetzungen Wasser als Zusatzstoff zugesetzt werden, um die Trocknungszeit einer Tintenzusammensetzung zu steuern, d. h. die Trocknungsrate zu verringern, wo spezielle schnell trocknende Lösungsmittel verwendet werden, wie z. B. denaturiertes Ethanol. Das Wasser kann von ungefähr 1 bis 40 Gewichtsprozent vorhanden sein. Die besondere Menge Wasser, welche verwendet wird, hängt ab von der Flüchtigkeit der verwendeten Lösungsmittel. Die folgende schnell trocknende Tintenstrahl-Tintenzusammensetzung zeigt eine andere bevorzugte schnell trocknende Tintenzusammensetzung, wobei Wasser zugefügt wurde, um eine Trocknungszeit zu steuern, welche sonst zu schnell war, um eine Steuerung der Druckqualität zu erlauben:

Denaturiertes Ethanol (Lösungsmittel)	ungefähr 67,0%
Destilliertes Wasser (Zusatzstoff)	ungefähr 10,0%
1,4-Butandiol (Lösungsmittel)	ungefähr 3,0%
Mowifol B3020H (Harz)	ungefähr 1,0%
Alnovol PN 320 (Harz)	ungefähr 14,0%
Valifast 3806 (Farbstoff)	ungefähr 5,0%

Diese Zusammensetzung zeigt typischerweise auf einem Glassubstrat eine Trocknungszeit von ungefähr 6,0 Sekunden bei 150 DPI Blockbuchstaben und von ungefähr 3,0 Sekunden bei einem 150 DPI Text bei Raumtemperatur. Im Vergleich dazu würde diese Zusammensetzung ohne das zugefügte Wasser fast augenblicklich trocknen und die Druckqualität wäre schwer aufrechtzuerhalten.
Ein Fachmann wird erkennen, dass die schnell trocknenden Impulstintenstrahl-Tintenzusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur schnell ein Viskositätsbarriere an der Öffnung der Düse bilden, wie oben beschrieben, sondern auch das Bedürfnis nach extra Heizvorrichtungen, wie z. B. Mikrowellenheizvorrichtungen, Gebläseluft-Heizvorrichtungen, Konvektionsheizvorrichtungen und ähnliches beseitigen, welche typischerweise angewendet werden, um die Rate zu erhöhen, bei welcher die Tinte auf einem Substrat trocknet.
Die Tintenzusammensetzung dieser Erfindung kann ferner zusätzliche Additive enthalten, so lange der Zusatz der Additive nicht die Schlüsseltrocknungseigenschaften wie unten detaillierter beschrieben ändert.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten die Tintenzuammensetzungen der vorliegenden Erfindung ferner ungefähr 0,01 bis ungefähr 2, bevorzugter zwischen 0,01 und 0,2 Gewichtsprozent eines Antioxidationsmittels. Am bevorzugtesten stellt das Antioxidationsmittel ungefähr 0,2 Gewichtsprozent der Tintenzusammensetzung dar.
Das Antioxidationsmittel wird ausgewählt wegen seiner Fähigkeit die dynamische Durchsatzleistung im Druckkopf zu verbessern. Kavitation ist die Bildung von Gasblasen in einer Flüssigkeit und wird durch das Vorhandensein von gelösten Gasen in der Flüssigkeit verursacht. Innerhalb eines Druckkopfes des Impulstyps ist ein Piezoelement an einer Wand einer Flüssigkeitskammer befestigt, welche expandiert und kontrahiert und dadurch ein oszillierendes Druckfeld innerhalb der Kammer erzeugt. Die Bildung von Blasen und die Wahrscheinlichkeit ihres anfänglichen Wachsens und nachfolgenden Schrumpfens im oszillierenden Druckfeld verringert die Strahlleistung des Druckkopfes wesentlich.
Es ist aus mindestens zwei Gründen besonders wichtig, die Kavitation zu steuern, wenn piezoelektrische Tintenstrahl-Druckköpfe verwendet werden, welche eine größere Anzahl von Öffnungen haben, wie z. B. der ULTRAJET II 192/32-Druckkopf (im Handel erhältlich von Trident International, Brookfield, Connecticut). Erstens haben solche größeren Druckköpfe einen größeren Oberflächenbereich, welcher typischerweise eine größere Gelegenheit zur Verdunstung erlaubt. Zweitens erhöht die größere Anzahl von Öffnungen typischerweise die Gelegenheit für einen Lufteintrag als ein Ergebnis des Betriebes des Piezoelements, wie oben beschrieben.
Geeignete Antioxidationsmittel zur Verwendung bei schnell trocknenden Tintenstrahl-Tintenzusammensetzungen sind in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 09/328 652, angemeldet am 9. Juni 1999, Anwalts-Zeichen Nr. TRID-0156, offenbart, welche hier durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Beispiele solcher Antioxidationsmittel schließen z. B. Eugenol, Hydrochinon, Pyrocatechol, Guaiacol (Methylcatechol), butyliertes Hydroxytoluol, butyliertes Hydroxyanisol, Methylethylketoxim, Butylaldoxim und Cyclohexanonoxim ein.
Gemäß der Erfindung ist die Tintenzusammensetzung so gewählt, dass man eine Viskositätsbarriere aus suspendierten Feststoffen, welche tatsächlich ein fester Körper werden können, sich über der Öffnung der Düse während Ruheperioden bilden lässt, welche eine vorbestimmte Zeitdauer überschreiten, welche basierend auf der Tintenzusammensetzung und anderen Faktoren gewählt wird. Danach, wenn Drucken gefordert wird, wird ein Subpulsieren ausgelöst, bevor das Drucken aufgenommen werden kann, um die Viskositätsbarriere zu entfernen durch Rehomogenisierung der Barriere mit frischer Tinte. Während man nicht wünscht durch irgendeine besondere Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die theoretische Erklärung der Funktion der Viskositätsbarriere wie weiter unten detailliert beschrieben wird ist.
Ohne Subpulsieren wird schnell ein Lösungsmittel-Konzentrationsgradient an der Oberfläche der Tinte in der Düsenöffnung gebildet, wenn das flüchtige Lösungsmittel verdunstet (siehe 4A). Die Bildung dieses Viskositätsgradienten oder Barriere 18 verlangsamt dramatisch die Rate des Lösungsmittelverlusts aus der Düse 12. Im Gegensatz zu vielen Tinten geschieht bei einer richtig gewählten Tinte, wie z. B. der oben beschriebenen Zusammensetzung, die Rehomogenisierung schnell unter der Störwirkung der Subimpulse. Daher kann, indem eine Düse, welche die schnell trocknende Tinte enthält, zuerst subpulsiert wird, eine Düse 12, welche eine Stunde oder mehr im Ruhezustand war, erfolgreich nach wenigen Sekunden Subpulsieren wieder ausgelöst werden.
Im Gegensatz dazu kann, wenn ein konstantes Subpulsierungssystem bei solch einer schnell trocknenden Tinte, wie der bevorzugten oben beschriebenen Tinte, angewendet wird, die Tintenviskosität innerhalb der Düse 12 zu stark steigen und eine schlechte Druckleistung erzeugen. Bei solch einem System wird angenommen, dass das Subpulsieren Wirbelströme erzeugt, welche die Tinte in der Düse 12 umrühren und ihre Homogenität aufrechterhalten. Als ein Ergebnis wird frisches Lösungsmittel kontinuierlich an der Düsenöffnung präsentiert, und es wird kein Viskositätsgradient gebildet. Über ausgedehnte Subpulsierungszeiträume wird das Lösungsmittelniveau in der Düse 12 extrem verringert und bewirkt, dass die Viskosität der Tinte beträchtlich steigt, insbesondere an den Kanten der Düse 12, wo das Subpulsieren die geringste Wirkung hat (siehe 4B).
Die bevorzugte Schrittsequenz, um die Viskositätsbarriere und das Subpulsieren anzuwenden, sind im Flussdiagramm von 5 dargestellt. Die Anfahrsequenz beginnt, wenn immer eine Düse während eines ausgedehnten Zeitraums im Leerlauf war (Schritt 20). Nach dem Anfahren wird die Düse 12 eine vorbestimmte Zeitdauer subpulsiert. Die Subimpulse haben vorzugsweise eine Pulsbreite von ungefähr 1,5 μs und eine Frequenz von ungefähr 5 kHz (Schritt 22). Die Subimpulsamplitude wird so gewählt, dass sie die Tinte bewegt, doch unzureichend, um die Tinte aus der Düse 12 auszustoßen. Die besonderen Subimpulsparameter wurden gewählt, um wirkungsvoll bei der bevorzugten Tinte zu arbeiten. Andere Parameter können ersetzt werden und ähnliche Ergebnisse erzeugen, insbesondere wo die Tintenzusammensetzung von der bevorzugten hier offenbarten Tinte unterschiedlich ist. Die vorbestimmte Dauer der Subpulsierungszeit ist die Zeit, welche benötigt wird, um sicherzustellen, dass die Tinte in der Düse mit frischer Tinte aus der Kammer rehomogenisiert wird. Es wurde festgestellt, dass 5 Sekunden eine ausreichende Zeit sind, um die Viskositätsbarriere aufzubrechen, welche durch die bevorzugte oben beschriebene Tintenzusammensetzung gebildet wurde. Natürlich könnten andere Rehomogenisierungsperioden verwendet werden, in Abhängigkeit von den besonderen Eigenschaften der ausgewählten Tinte und der gewünschten Betriebsqualität. Nach dem 5-Sekunden-Zeitraum (Schritt 24) wird die Druckfunktion der Düse aktiviert (Schritt 26). Die Düse ist dann bereit, um Tröpfchen nach Bedarf auszustoßen, bis der Druckvorgang vollendet ist, und kehrt dann zu einem Ruhezustand zurück (Schritt 28).
Während der Drucker aktiv ist und ein Zeitraum danach kann das Subpulsieren der Tinte weitergehen, um eine konstante Viskosität der Tinte aufrechtzuerhalten, wie bei einem konstanten Subpulsierungssystem. D. h. genau wie bei konstanten Subpulsierungssystemen zieht das hier offenbarte System in Erwägung, dass der Drucker aktiviert bleiben kann bei konstantem Weitersubpulsieren während eines vorbestimmten Zeitraumes, ohne die Düse zu verstopfen oder die Tintenviskosität auf ein unbrauchbares Niveau zu heben. Wenn jedoch der Drucker während eines ausgedehnten Zeitraumes (ungefähr 15 Minuten im vorliegenden Beispiel) im Leerlauf bleibt, sollte das Subpulsieren aufhören und es erlauben, dass sich die Viskositätsbarriere 18 über der Öffnung bildet (siehe auch 4A). Folglich ist ein Zeitmesser auf ungefähr 15 Minuten gesetzt, während welcher Zeit das Drucken nach Bedarf wieder beginnen kann (Schritte 30, 32). Nachdem diese Zeit abgelaufen ist, wird das Subpulsieren gestoppt und das Wiederstarten erfordert die Vollendung der Anfahrsequenz, um die Viskositätsbarriere zu rehomogenisieren (Schritte 34, 36).

Claims

Schnell trocknende Tintenzusammensetzung zur Verwendung bei Impulstintenstrahldruckern enthaltend a) ein Lösungsmittel, b) ein polymeres Harz, c) einen Farbstoff, dadurch gekennzeichnet, dass a1) das Lösungsmittel einen Ketonalkohol oder Mischungen davon mit Glykolalkylether mit ungefähr 3 bis 20 Kohlenstoffatomen, mit 1,4-Butandiol, mit denaturiertem Ethanol, mit Benzylalkohol oder mit einem Alkyllactat enthält, wobei das Lösungsmittel ungefähr 20 bis ungefähr 95 Gewichtsprozent der Tintenzusammensetzung enthält und einen Siedepunkt unter 150°C hat; b1) das polymere Harz ein Polyesterharz, ein Polyvinylbuterolharz oder Mischungen davon oder Mischungen davon mit Phenolharz oder Acrylharz enthält, wobei das polymere Harz ungefähr 1 bis ungefähr 20 Gewichtsprozent der Tintenzusammensetzung ausmacht; und c1) der Farbstoff ungefähr 1 bis 20 Gewichtsprozent der Tintenzusammensetzung beträgt.
Schnell trocknende Tintenzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Lösungsmittel zu ungefähr 60 bis 90 Gewichtsprozent der Tintenzusammensetzung vorhanden ist.
Schnell trocknende Tintenzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lösungsmittel Propylenglykolmethylether und Diacetonalkohol enthält.
Schnell trocknende Tintenzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lösungsmittel Propylenglykolmethylether und Benzylalkohol enthält.
Schnell trocknende Tintenzusammensetzung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Glykolalkylether ungefähr 3 bis 7 Kohlenstoffatome hat.
Schnell trocknende Tintenzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lösungsmittel Propylenglykolmethylether enthält.
Schnell trocknende Tintenzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lösungsmittel Diacetonalkohol enthält.
Schnell trocknende Tintenzusammensetzung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wasser ungefähr 1 bis ungefähr 20% der Tintenzusammensetzung enthält.
Schnell trocknende Tintenzusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Wasser ungefähr 1 bis ungefähr 10% der Tintenzusammensetzung enthält.
Verfahren zum Betrieb eines Impulstintenstrahldruckers mit mindestens einer Düse, enthaltend die Schritte: Luftexposition eines Teils der Tinte, welche in der Düse enthalten ist, so dass sich eine Barriere höherer Viskosität in der Tinte bildet, wobei die Tinte enthält: a) ungefähr 20 bis ungefähr 95 Gewichtsprozent eines Lösungsmittels, welches einen Glykolalkylether mit ungefähr 3 bis 20 Kohlenstoffatomen, einen Ketonalkohol, 1,4-Butandiol, denaturiertes Ethanol, Benzylalkohol, ein Alkyllactat oder Mischungen davon enthält, b) ungefähr 1 bis ungefähr 20 Gewichtsprozent eines polymeren Harzes, welches ein Polyesterharz, ein Polyvinylbuterolharz, ein Phenolharz, ein Acrylharz oder Mischungen davon enthält, und c) ungefähr 1 bis ungefähr 20 Gewichtsprozent eines Farbstoffes; Erzeugen einer Vielzahl von Subpulsierungssignalen, wobei die Subpulsierungssignale Amplituden haben, welche wirksam sind, um die Barriere zu entfernen, doch unwirksam sind, um Tintentröpfchen auszustoßen, und Erzeugen einer Vielzahl von Auslösesignalen, wobei die Auslösesignale Amplituden haben, welche wirksam sind, um Tintentröpfchen aus der Düse auszustoßen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Lösungsmittel zu ungefähr 60 bis 90 Gewichtsprozent der Tintenzusammensetzung vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Lösungsmittel Propylenglykolmethylether und Diacetonalkohol enthält.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Lösungsmittel Propylenglykolmethylether und Benzylalkohol enthält.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Glykolalkylether ungefähr 3 bis ungefähr 7 Kohlenstoffatome hat.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Lösungsmittel Propylenglykolmethylether enthält.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Lösungsmittel Diacetonalkohol enthält.
Schnell trocknende Tintenzusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei das Wasser ungefähr 1 bis ungefähr 20% der Tintenzusammensetzung enthält.
Schnell trocknende Tintenzusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei das Wasser ungefähr 1 bis ungefähr 10% der Tintenzusammensetzung enthält.