DE60019855T2

DE60019855T2 - Polyvinylalkohol-alkylierte Polyaminmischungen enthaltende Tintenstrahldruckpapierbeschichtungen

Info

Publication number: DE60019855T2
Application number: DE60019855T
Authority: DE
Inventors: John Joseph Rabasco; Kevin Rodney Lassila; Richard Van Court Carr; Kristen Elaine Minnich
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 2000-08-08
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2020-08-09
Also published as: US6458876B1; KR100375978B1; CN1206297C; JP2001130132A; EP1075962B1; EP1433619B1; KR20010021197A; EP1433619A1; JP3703131B2; EP1075962A1; CN1283659A; DE60023198D1; DE60019855D1

Description

Allgemeiner Stand der Technik
Vorteile in der Tintenstrahltechnologie haben immer größere Anforderungen an Aufzeichnungspapiere gestellt. Damit das Aufzeichnungspapier geeignet wirkt, muß es die Tinte und Tintenträger direkt nach dem Druck schnell absorbieren, die optische Dichte der Tinte maximieren, das Auslaufen und Aufsaugen der Tinte minimieren und eine gute Wasserbeständigkeit und Lichtechtheit bieten. Um ein Papier mit den vorstehend genannten Wirkungen zu erhalten, wird das Papier gewöhnlich mit einer oder mehreren Beschichtungen behandelt.
Beschichtungen für Tintenstrahlpapier umfassen typischerweise ein Siliciumdioxidpigment wegen seiner starken Absorptionsleistung und ein polymeres Bindemittel, wie Poly(vinylalkohol) "PVOH" wegen seiner hohen Bindungskraft. Von Siliciumdioxid verschiedene Pigmente, wie Tone, Calciumcarbonat, Titandioxid und Aluminiumhydrat, werden ebenfalls verwendet. Zu anderen bekannten polymeren Bindemitteln gehören Poly(vinylpyrrolidon), Styrol-Butadien-Copolymere, Poly(vinylacetat), Stärke und Amin-funktionelle Polymere, wie Amin-funktioneller PVOH.
Die meisten handelsüblichen Amin-funktionellen Homo- und Copolymere und Amin-funktionellen PVOH sind ökonomisch uninteressant. Die handelsüblichen Amin-funktionellen PVOH haben neben den hohen Kosten auch den Nachteil einer geringen Amin-Funktionalität. Als Ergebnis dieser geringen Amin-Funktionalität erfüllen diese Materialien die strengen Leistungsanforderungen für eine gute Qualität des Tintenstrahldrucks, insbesondere bei hochqualitativen Tintenstrahlpa pieren mit Photographiequalität, nicht. Die Dichte und Schärfe des Druckbildes sind unangemessen, genauso wie die Wasser- und Licht beständigkeit. Es besteht deshalb weiterhin Bedarf nach der Herstellung eines besser wirkenden Polymersystems, das eine gute Druckbilddichte und Schärfe sowie auch Wasser- und Lichtbeständigkeit bietet.
Ein großer Teil des Standes der Technik hat sich diesen Leistungsproblemen zugewandt, indem verschiedene synthetische aminhaltige Polymere oder Copolymere in Tintenstrahlbeschichtungszusammensetzungen eingemischt wurden. Dann werden die Verhältnisse zwischen den aminhaltigen Polymeren oder Copolymeren, dem PVOH-Bindemittel, dem Pigment und anderen Zusätzen geändert, um die gewünschten abschließenden Eigenschaften des Tintenstrahlpapiers zu erreichen.
Bei solchen Gemischen kann es jedoch zu Kompatibilitätsproblemen kommen. Zum Beispiel: 1) wenn die Tintenstrahlbeschichtungszusammensetzung hergestellt und vermischt wird, kann es zu einer Phasentrennung, zum Eindicken und/oder Ausflocken kommen, was zu einem System führt, das sich nicht auftragen läßt; 2) das gemischte Polymersystem kann mit anderen Reagenzien inkompatibel sein, die oft in Tintenstrahlbeschichtungszusammensetzungen verwendet werden; und 3) nachdem das Papier einmal beschichtet und getrocknet ist, kann die Inkompatibilität der Gemische zu einer heterogenen Beschichtungsoberfläche führen, die sich nach dem Druck als unterschiedlicher Grad der Bildqualität zeigt.
Ein zweiter im Stand der Technik genannter Versuch besteht darin, das Papier mehrfach zu beschichten, um die gewünschte Qualität des Tintenstrahldrucks zu erreichen. Ein mehrfach beschichtetes Tintenstrahlpapier kann z.B. eine den Farbstoff fixierende Schicht, in der ein Polymer vom kationischen Typ typischerweise das wirksame Mittel dar stellt, und eine Bindemittelschicht enthalten, die oft PVOH enthält, um das Pigment zu binden.
Der Stand der Technik auf dem Gebiet der Beschichtung von Tintenstrahlpapier offenbart die Verwendung verschiedener Amin-funktioneller oder kationischer Polymer- und/oder Copolymergemische, um den fertigen Tintenstrahlpapieren Fixiereigenschaften für Tinte oder Farbstoff zu verleihen.
Die US-Anmeldung 09/162,940, die am 29. September 1998 eingereicht worden ist, und US-A-6,096,826 offenbarten mit Amin modifizierte PVOH für Beschichtungen für Tintenstrahlpapier. Die Anmeldung '940 beschreibt PVOH, das mit einem ethylenisch ungesättigten Monomer pfropfpolymerisiert ist, das eine primäre, sekundäre, tertiäre oder quaternäre Amin-Funktionalität enthält. US-A-6,096,826 beschreibt mit Piperidon funktionalisierten PVOH.
EP-A-0 754 560 beschreibt ein Medium für die Farbtintenstrahlaufzeichnung, das eine Oberflächenbeschichtung aufweist, die auf einer Oberfläche eines Substrats erzeugt worden ist, wobei diese Beschichtung aus einer wäßrigen Beschichtungsformulierung erzeugt wird, die ein wasserslösliches, vernetzbares, polymeres Bindemittel, das Polyvinylalkohol sein kann, und ein kationisch modifiziertes Polymer, das ein polymeres quaternäres Ammoniumsalz sein kann, ein Zirconium-Vernetzungsmittel, das ein Zr⁴⁺- oder ZrO²⁺-Kation enthält, und ein stark adsorbierendes Pigment von Tintenstrahlfarbstoffen enthält, das Siliciumdioxid sein kann.
US 5,270,103 offenbart ein Aufnahmeblatt, das aus einem Substrat und einer Beschichtung besteht, die ein Pigment und ein Bindemittel enthält. Das Bindemittel umfaßt PVOH und eine weitere Bindemittelkomponente, z.B. ein kationisches Polyamin, wie Poly(2-hydroxypropyl-1,1-N-dimethylammoniumchlorid) oder Poly(dimethyldiallylammoni umchlorid), ein kationisches Polyacrylamid oder ein kationisches Polyethylenimin. Das Aufnahmeblatt ist für den Druck mit wäßrigen Tinten, wie bei Tintenstrahldrucksystemen, besonders vorteilhaft.
JP 63049478 (Zusammenfassung) offenbart eine Beschichtungszusammensetzung für Tintenstrahlpapier durch das Homopolymerisieren von 2-(Dimethylamino)ethylmethacrylat (DMAEMA), gefolgt vom Quaternisieren durch die Reaktion mit 3-Chlor-2-hydroxpropyltrimethylammoniumchlorid, wodurch ein kationisches Polymer erzeugt wird. Dann wird das Papier mit einem Gemisch beschichtet, das aus diesem kationischen Polymer, PVOH und Siliciumdioxid besteht, wodurch ein Tintenstrahlaufzeichnungsblatt mit einer guten Wasser- und Lichtbeständigkeit und guten Bildern erreicht wird.
JP 63160875 (Zusammenfassung) offenbart die Verwendung einer Beschichtungszusammensetzung für Tintenstrahlpapier, die aus einem Methylchloracetatsalz eines DMAEMA-Methylmethacrylat-Cyclohexylmethacrylat-Terpolymers besteht, das mit Methylcellulose und PVOH gemischt ist.
US 4,944,988 offenbart die Verwendung von Tintenstrahlaufzeichnungspapier und ein Verfahren zu dessen Herstellung, das mit einer Zusammensetzung beschichtet ist, die Siliciumdioxid, Poly(natriumacrylat), PVOH und ein DMAEMA-Vinylacetat-Copolymer enthält.
JP 06247036 (Zusammenfassung) offenbart die Verwendung eines Gemischs aus PVOH, Siliciumdioxid und quaternisiertem Poly(ethylenimin) zum Beschichten von Tintenstrahlpapier.
JP 06297833 (Zusammenfassung) offenbart die Verwendung eines Gemischs aus PVOH, Pigment und Poly(ethylenimin) zum Beschichten von Tintenstrahlpapier, wodurch deutliche Drucke mit einer gleichmäßigen Farbe erhalten werden.
JP 06143800 (Zusammenfassung) offenbart das doppelte Beschichten von Papier mit einem Gemisch aus PVOH, Siliciumdioxid, kationisch modifiziertem PVOH und quaternisiertem Poly(ethylenimin), wodurch ein Blatt für die Tintenstrahlaufzeichnung erzeugt wird, das Bilder mit hoher Dichte und Wasserbeständigkeit liefert.
JP 01186372 offenbart das Beschichten von Papier mit einem Gemisch aus PVOH, Siliciumdioxid und kationischem Poly(acrylamid), wodurch ein Blatt für die Tintenstrahlaufzeichnung erzeugt wird, das eine hohe Farbdichte liefert.
JP 01283182 (Zusammenfassung) offenbart das Beschichten von Papier mit einem Gemisch aus PVOH, Siliciumdioxid, modifiziertem PVOH und kationischem Poly(acrylamid), wodurch ein Blatt für eine hochqualitative Tintenstrahlaufzeichnung erzeugt wird.
JP 63162276 (Zusammenfassung) offenbart das Beschichten von Papier mit einem Gemisch aus PVOH, Siliciumdioxid und kationisch modifiziertem PVOH, wodurch ein Blatt für die Tintenstrahlaufzeichnung erzeugt wird, das gute Bilder, Wasserbeständigkeit und Lichtbeständigkeit liefert.
JP 59096987 (Zusammenfassung) offenbart ein Blatt für die Tintenstrahlaufzeichnung, das ein Alkylaminchlorid und ein Alkylaminacetat enthält.
Obwohl es zahlreiche Dokumente über alkylierte Polyamine gibt, ist noch nicht erkannt worden, daß solche Materialien eine Wirksamkeit bei Beschichtungszusammensetzung für Tintenstrahlpapier aufweisen. Die folgenden Patente und Veröffentlichungen betreffen alkylierte Polyethylenamine und deren Anwendungen:
US 2,267,205 offenbart Detergenszusammensetzungen, die Verbindungen mit der Formel X-NH-R-(NH-R)_n-NH-Y enthalten, wobei R ein Alkylenrest ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ethylen- und Propylenresten besteht, n gleich 0, 1 oder 2 ist, und X aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wasserstoff und Niederalkylresten besteht, und Y ein Alkylrest mit mindestens 7 und nicht mehr als 18 Kohlenstoffatomen ist. Es wird auch die Verwendung dieser Materialien bei der Textilbehandlung und der Schwimmaufbereitung von Erzen offenbart.
US 5,804,640 offenbart wäßrige Beschichtungszusammensetzungen, die ein halogeniertes Harz, ein Polyol, ein oberflächenaktives Mittel und ein Amin einschließen, das die Formel
haben kann, wobei R₁ bis R₇ unabhängig aus H oder geradkettigen oder verzweigten Alkyl-, Hydroxyalkyl- oder Alkoxyalkylgruppen mit etwa 1 bis etwa 20 Kohlenstoffatomen ausgewählt sind.
US 4,195,152 offenbart mit MIBK und MIAK reduzierbare Alkylate von Diethylentriamin:
Es wird festgestellt, daß diese Materialien aufgrund ihrer sehr geringen Viskosität als Härter bei Epoxidbeschichtungen mit hohem Feststoffgehalt vorteilhaft sind. Andere vorgeschlagene Verwendungszwecke sind Vergußmassen, Laminierungen und Klebemittel.
Murata, Y.; Ueda, M. J. Anibact. Antifung. Agents 1989, 17 (8), 371–375 offenbart Trihydrochloride von N,N''-Dialkyldiethylentriaminen mit der Formel
wobei R eine lineare C₈- oder C₁₀-Alkylgruppe ist, die antimikrobielle Eigenschaften gegenüber Zahnplaquebakterien gezeigt haben. Diese Untersuchung hat gezeigt, daß die bakterizide Wirkung in vitro dazu neigt, mit der Länge der N-substituierten Alkylkette zuzunehmen.
EP-A-916 392 offenbart wäßrige Zusammensetzungen, die eine alkylierte Polyaminverbindung der folgenden Struktur enthalten:
wobei m gleich 2 bis 6 ist, n gleich 2 oder 3 ist und R und R' C₅-C₈-Alkylgruppen sind.
EP-A-921 164 offenbart wäßrige Zusammensetzungen, die mindestens eine alkylierte Polyaminverbindung der Strukturen I und II enthalten:
wobei die Gruppen R unabhängig voneinander Wasserstoff oder C₅-C₈-Alkyl sind, mit der Maßgabe, daß zumindest ein R kein Wasserstoff ist; n gleich 2 bis 6 ist und p gleich 2 bis 8 ist, und
wobei die Gruppen R unabhängig voneinander Wasserstoff oder C₅-C₈-Alkyl sind, mit der Maßgabe, daß zumindest ein R kein Wasserstoff ist, m gleich 2 bis 6 ist, t gleich 0 bis 3 ist, q gleich 0 bis 3 ist und r gleich 0 bis 5 ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft verbesserte Beschichtungen für Tintenstrahlpapier. Die Verbesserung besteht in der Verwendung einer Beschichtung, die auf ein Papiersubstrat aufgebracht wird, die Bilder mit hoher optischer Dichte und eine gute Wasserbeständigkeit verleiht, indem in die Beschichtungszusammensetzung Poly(vinylalkohol) (PVOH), das ein Polymer mit einer Mehrzahl von gebundenen Hydroxylgruppen ist, und zumindest ein alkyliertes, nicht-polymeres Polyamin eingeführt werden, wobei das nicht-polymere Polyamin eine Verbindung mit mehreren Aminogruppen mit einem Molekulargewicht von bis zu 1000 ist.
Die alkylierten nicht-polymeren Polyamine können ohne unvorteilhafte Viskositäten oder Ausflockung leicht in wäßrige, Siliciumdioxid ent haltende Tintenstrahlbeschichtungszusammensetzungen eingemischt werden, wodurch eine bessere Wasserbeständigkeit geboten wird.
Durch das Einführen der vorstehend genannten Mischungszusammensetzung in Beschichtungen für Tintenstrahlpapier gibt es einige Vorteile:

– die Möglichkeit, hochqualitatives Papier für die Tintenstrahlaufzeichnung mit einer einzigen Beschichtung der Zusammensetzung herzustellen;
– die Möglichkeit, hochqualitatives Tintenstrahlpapier herzustellen, das, wenn es bedruckt ist, Bilder mit hoher optischer Dichte in bezug auf monochromes Schwarz, gemischtes Schwarz und Primärfarben ergibt;
– die Möglichkeit, hochqualitatives Tintenstrahlpapier herzustellen, das, wenn es bedruckt ist, wasserfeste Bilder ergibt; und
– die Möglichkeit, kurze Trocknungszeiten der Tinte zu erreichen, nachdem das mit den vorstehend genannten Zusammensetzungen beschichtete Tintenstrahlpapier bedruckt worden ist.

Außerdem kann es durch die Fähigkeit der alkylierten nicht-polymeren Polyamine, die dynamische Oberflächenspannung zu verringern, wobei im wesentlichen kein Schaum erzeugt wird, Vorteile geben. Durch eine solche Kombination von Eigenschaften kann es möglich werden, die Beschichtung schneller aufzubringen und die Anzahl von Mängeln beim Auftragen der Beschichtung auf das Papier zu verringern.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein beschichtetes Tintenstrahlpapier hergestellt durch:

(a) Mischen einer wäßrigen Lösung von PVOH mit einem alkylierten nicht-polymeren Polyamin, wodurch eine wäßrige Bindemittelzusammensetzung, wie eine wäßrige Lösung oder Dispersion, erhalten wird;
(b) Einbringen der wäßrigen Bindemittelzusammensetzung in eine Papierbeschichtungszusammensetzung in Form einer wäßrigen Suspension eines Pigments, vorzugsweise Siliciumdioxid;
(c) Beschichten eines Papiersubstrats mit der wäßrigen Bindemittel-Pigment-Suspensionszusammensetzung; und
(d) Trocknen des beschichteten Papiersubstrats.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Papier für die Tintenstrahlaufzeichnung weist eine darauf aufgebrachte Beschichtung auf, die ein polymeres Bindemittelsystem enthält, das einen Polyvinylalkohol (PVOH) umfaßt, der mit einem oder mehreren alkylierten nicht-polymeren Polyaminen gemischt ist. Eine der wesentlichen Erkenntnisse dieser Erfindung ist die hervorragende Leistung, die mit alkylierten nicht-polymeren Polyaminen im Vergleich mit ihren nicht-alkylierten Gegenstücken erreicht wird. Eine andere wesentliche Erkenntnis besteht darin, daß Amin-funktionelle oder kationische Polymersysteme nicht notwendig sind, um Tintenstrahlpapieren Fixiereigenschaften für Farbstoffe oder Tinten (d.h. Wasserfestigkeit) zu verleihen. Eine gute Wasserfestigkeit wird erreicht, indem in die Beschichtungszusammensetzung einfach alkylierte nicht-polymere Polyamine eingeführt werden.
"Nicht-polymeres Polyamin" steht für eine Verbindung mit einem Molekulargewicht von bis zu 1000, das mindestens zwei, vorzugsweise drei oder mehr Aminogruppen hat, das eine primäre, sekundäre oder tertiäre, d.h. eine Verbindung mit mehreren Aminogruppen, sein kann.
Geeignete alkylierte nicht-polymere Polyamine sind jene nichtpolymeren Polyamine, die ausreichend N-alkyleriert sind, damit die Wasserfestigkeit verbessert wird, d.h. 5 bis 75 Äqu.-%, vorzugsweise 25 bis 50 Äqu.-% der Wasserstoffatome des Amins sind durch eine C₃-C₁₂-Alkylgruppe ersetzt. Die Alkylgruppen können gleich oder verschieden sein. Sie können linear oder verzweigt sein, und der Bindungsort an das Stickstoffatom des Polyamins kann entweder an einem inneren oder endständigen Kohlenstoffatom sein. Bevorzugte Alkylgruppen werden von reduzierenden Alkylierungsreaktionen eines C₅-C₈-Aldehyds oder -Ketons abgeleitet, besonders jene, die von reduzierenden Alkylierungsreaktionen von Methylisobutylketon oder Methylisoamylketon abgeleitet sind. Zu bestimmten Beispielen geeigneter C₅-C₈-Aldehyde und -Ketone gehören Pentanal, 2-Pentanon, 2-Pentanon, Methylisopropylketon, Hexanal, 2-Hexanon, 3-Hexanon, Methyl-tert.-butylketon, Ethylisopropylketon, Heptanal, 2-Methylhexanal, 2-Heptanon, 3-Heptanon, 4-Heptanon, Octanal, 2-Octanon, 3-Octanon, 4-Octanon, 2-Ethylhexanal usw.
Zu repräsentativen alkylierten nicht-polymeren Polyaminen, die als Teil der Beschichtungszusammensetzung für Tintenstrahlpapier verwendet werden können, gehören hydrierte Addukte von Dialkylketonen mit Diethylentriamin, Triethylentetramin, Tetraethylenpentamin, Tetraaminopropyldiaminobutan und dgl. Zu geeigneten Dialkylketonen gehören Methylisobutylketon, Methylisoamylketon und dgl.
Zu Beispielen solcher alkylierter nicht-polymerer Polyamine gehören jene, die in EP-A-916 392, das alkylierte Polyaminverbindungen mit der folgenden Struktur 1 offenbart: RHN-(CH₂)_J-NH-(CH₂)_K-NHR 1worin J 2 bis 6 ist, wobei J vorzugsweise 2 oder 3 ist, K 2 oder 3 ist und Gruppen R unabhängig voneinander Wasserstoff oder eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, mit der Maßgabe, daß mindestens ein R kein Wasserstoff ist; und in EP-A-921 164 beschrieben sind, daß alkylierte Polyaminverbindungen mit der Struktur 2 RHN-[(CH₂)_nNH]_p-(CH₂)_nNHR 2worin die Gruppen R unabhängig voneinander Wasserstoff oder eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, mit der Maßgabe, daß mindestens ein R kein Wasserstoff ist; n 2 bis 6 ist und p 2 bis 8 ist, vorzugsweise ist R eine C₅-C₈-Alkylgruppe, n ist 2 oder 3 und p ist 2 oder 3,
und der Struktur 3 offenbart
worin die Gruppen R unabhängig voneinander Wasserstoff oder eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, mit der Maßgabe, daß mindestens ein R kein Wasserstoff ist, w 2 bis 6 ist, t 0 bis 3 ist, q 0 bis 3 ist und r 0 bis 5 ist, vorzugsweise ist R eine C₅-C₈-Alkylgruppe, w ist 2 oder 3, ist 0 oder 1, q ist 0 bis 2 und r ist 0 bis 3.
Es sind auch alkylierte Polyaminverbindungen mit der Struktur 4 geeignet
worin die Gruppen R unabhängig voneinander Wasserstoff oder eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, mit der Maßgabe, daß mindestens ein R kein Wasserstoff ist, x unabhängig voneinander 2 bis 6 ist, y 0 bis 2 ist und z 0 bis 2 ist; vorzugsweise sind die Gruppen R unabhängig voneinander eine C₅-C₈-Alkylgruppe, x ist unabhängig voneinander 2 bis 4, y ist 1 oder 2 und z ist 1 oder 2.
Die alkylierten Polyaminverbindungen der Struktur 4 können hergestellt werden, indem geeignete Verbindungen mit zwei oder mehreren Aminogruppen mit Acrylnitril umgesetzt werden, so daß ein Teil der oder alle Wasserstoffatome des Amins durch Cyanoethylgruppen ersetzt werden. Dann werden die Nitril-Funktionalitäten durch Hydrieren über einem geeigneten Katalysator, z.B. Nickelschwamm oder Cobaltschwamm, zu primären Amin-Funktionalitäten reduziert. Die primären Amin-Funktionalitäten werden wiederum mit eine Aldehyd oder Keton durch Hydrieren mit einem geeigneten Katalysator, z.B. Platin oder Palladium, reduzierend alkyliert.
Die Ausgangsmaterialien in Form von Diamin, die für die vorstehend aufgeführte Reaktionsfolge geeignet sind, schließen ein: 1,-Ethylendiamin, 1,3-Propandiamin, 1,2-Propandiamin, 1,4-Butandiamin, 1,5-Pentandiamin, 2-Methyl-1,5-pentandiamin, 1,6-Hexandiamin und 1,2-Cyclohexandiamin. Ausgangsmaterialien mit mehreren Aminogruppen, die für die gleiche Reaktionsfolge geeignet sind, schließen ein: Diethylentriamin, Di-3-aminopropylamin, Triethylentetramin, Tetraethylenpentamin, Pentaethylenhexamin, N,N,N',N'-Tetrakis(3- aminopropyl)-1,2-ethlyendiamin und N,N,N',N'-Tetrakis(3-aminopropyl)-1,4-butandiamin.
Die folgende Reaktionsfolge zeigt alkylierte nicht-polymere Polyamine über eine vollständige Cyanoethylierung des ursprünglichen Amins.
Die folgende Reaktionsfolge zeigt alkylierte nicht-polymere Polyamine über eine unvollständige Cyanoethylierung des ursprünglichen Amins.
Zu bestimmten Beispielen geeigneter alkylierter nicht-poylmerer Polyamine gehören das hydrierte Addukt von Methylisobutylketon und Tetraaminopropyldiaminobutan mit 4:1 (TAPDAB/MIBK4), das hydrierte Addukt von Methylisoamylketon und Diethylentriamin mit 2:1 (DETA/MIAK2) und das hydrierte Addukt von Methylisobutylketon und Tris-(2-aminoethyl)amin mit 3:1 (TAEA/MIBK3).
Polymere mit einer Vielzahl von gebundenen Hydroxylgruppen können durch Polymerisieren von Vinyl- oder Acrylestern erzeugt werden, bei denen die Ester-Einheit 1 bis 4 Kohlenstoffatome enthält. Die gebundenen Estergruppen bilden, wenn sie hydrolysiert sind, Polymere, die gebundene Hydroxylgruppen enthalten. Eine bevorzugte Klasse von Polymeren mit einer Vielzahl von gebundenen Hydroxylgruppen basiert auf hydrolysierten Vinylacetatpolymeren, bei denen das Vinylacetat als Homopolymer oder in Verbindung mit anderen Monomeren polymerisiert worden ist, wodurch Copolymere erzeugt werden, und diese sind als PVOH bzw. Vinylalkohol-Copolymere bekannt. Der Vinylester, insbesondere Vinylacetat, bildet typischerweise 60 bis 100 Mol-% des Copolymers, vorzugsweise mindestens 90 Mol-%, der zur Vinylalkohol-Einheit hydrolysiert wurde.
Der in dieser Erfindung verwendete PVOH hat im allgemeinen ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts (Mw) im Bereich von etwa 5000 bis 300000, vorzugsweise von 10000 bis 200000. In einer anderen Ausführungsform kann der PVOH einen Polymerisationsgrad (DPn) von 100 bis 5000, vorzugsweise von 200 bis 3500 haben. PVOH, das kommerziell durch die Hydrolyse von Poly(vinylacetat) erzeugt wird, hat typischerweise einen Hydrolysegrad im Bereich von etwa 85 bis mehr als 99 Mol-%. Für diese Erfindung kann der Hydrolysegrad im Bereich von 50 bis mehr als 99 Mol-%, vorzugsweise von 85 bis 98 Mol-% liegen. In der vorliegenden Erfindung können auch gemischte PVOH-Sorten verwendet werden, wobei Kombinationen von PVOH mit unterschiedlichem Molekulargewicht und unterschiedlichen Hydrolysegraden verwendet werden.
Eine Vielzahl von Monomeren kann mit einem Vinylester copolymerisiert werden, wodurch Copolymere erzeugt werden, die Vinylalkohol-Einheiten enthalten. Zu Monomeren, die mit dem Vinylester, vorzugsweise Vinylacetat, polymerisieren können; gehören Ethylen, ungesättigte Säuren, wie Malein-, Acryl- und Methacrylsäure, und Ester, wie die C₁-C₁₂-, vorzugsweise C₁-C₆-Alkylester von Acryl- oder Methacrylsäure. In vielen Fällen können diese Polymere hydrolysiert werden, um unterschiedliche PVOH-Sorten herzustellen, dazu gehört zum Beispiel, daß nur der Vinylester hydrolysiert wird und die Acrylester-Funktionalität intakt bleibt. Andere Monomere mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen, wie Alkylmaleate (z.B. Dibutylmaleat und dgl.) können falls erwünscht mit Vinylacetat polymerisiert werden, um den hydrophilen und hydrophoben Gehalt zu regeln. Vinylalkoholcopoly mere, die in dieser Erfindung verwendet werden können, sind wasserlöslich.
Tabelle 1 führt die wirksamen und bevorzugten Bereiche für die Verwendung von alkylierten nicht-polymeren Polyamingemischen mit PVOH als Bindemittelsystem auf:
Tabelle 1
Tintenstrahlbeschichtungszusammensetzungen enthalten typischerweise ein Pigment, wie Siliciumdioxid, Aluminiumsilicat, Ton, Talkum, Calciumcarbonat oder Magnesiumsilicat, wünschenswerter Weise Siliciumdioxid mit einer Oberfläche von 50 bis 700 m²/g, und möglicherweise eine geringe Menge von einem der anderen Mineralpigmente. Das Siliciumdioxidpigment wird typischerweise in Mengen im Bereich von etwa 10 bis etwa 95 Gew.-%, vorzugsweise 50 bis 90 Gew.-% (Feststoffbasis), in die Tintenstrahlbeschichtungszusammensetzung eingeführt. Die Menge des polymeren Bindemittels (PVOH und Polyamin) kann im Bereich von 5 bis 90 Gew.-% der Tintenstrahlbeschichtungszusammensetzung (Feststoffbasis), vorzugsweise von 10 bis 50 Gew.-%, liegen.
Die Menge von Pigment und Bindemittel hängt von der Art der bei der Herstellung des Tintenstrahlpapiers verwendeten Beschichtungsvorrichtung ab. Das Auftragen mit einem Puddle-Zweiwalzenauftragswerk würde aufgrund der Beschränkungen durch die Viskosität z.B. einen geringen Gewichtsprozentsatz des Pigmentes im Verhältnis zum Bindemittel verwenden – verglichen mit einer Luftbürstenbeschichtungsvorrichtung, bei der das Verhältnis zwischen Pigment und Bindemittel höher wäre. Tintenstrahlbeschichtungszusammensetzungen können auch herkömmliche Zusätze, wie Schaumverhütungsmittel, oberflächenaktive Mittel, Farbstoffe, UV-Absorptionsmittel, Pigmentverteiler, Forminhibitoren, Verdickungsmittel und wasserbeständige Mittel, enthalten.
Die Tintenstrahlbeschichtungszusammensetzung wird gewöhnlich in Mengen im Bereich von etwa 2 bis 20 g/m², vorzugsweise von 3 bis 15 g/m², auf die Papieroberfläche aufgebracht. Das Beschichtungsgewicht ändert sich in Abhängigkeit von der Art der Auftragsvorrichtung für die Beschichtung. Ein Puddle-Zweiwalzenauftragswerk kann z.B. nur ein Beschichtungsgewicht von 2 bis 4 g/m² aufbringen, wohingegen eine Luftbürste bis zu 10 g/m² liefern kann.
Obwohl für das Auftragen der erfindungsgemäßen Tintenstrahlbeschichtungen irgendeine Papierart verwendet werden kann, ist unbeschichtetes holzfreies Papier bevorzugt.
Obwohl wir nicht an irgendeine Theorie gebunden sein möchten, wird angenommen, daß die Aminogruppen im alkylierten nicht-polymeren Polyamin auf der Papieroberfläche eine kationische Ladung liefern, die mit den anionischen Sulfonsäuregruppen des Direkt- oder Säure farbstoffs der Tintenstrahltinten reagiert, wodurch ein unlösliches Salz gebildet wird. Somit werden die Tinten auf der Papieroberfläche wasserfest. Aufgrund der starken Absorption der Amine an die Silanolgruppen auf dem Siliciumdioxidpigment wird auch die Bindungstärke des Pigmentes durch die Verwendung alkylierter nicht-polymerer Polyamine verbessert.
Beispiel 1 – TAEA/MIBK3
Tris(2-aminoethyl)amin (0,5 Mol) (TAEA), Methylisobutylketon (1,68 Mol) (MIBK) und 10% Pd/C (4 Gew.-% der gesamten Charge) wurden in einen 1 l Autoklaven aus rostfreiem Stahl gegeben. Der Reaktor wurde verschlossen und mit Stickstoff und danach mit Wasserstoff gespült. Der Inhalt des Reaktors bei 7.105 Pa (7 bar) (100 psig) Wasserstoff auf 80°C erwärmt. Der Wasserstoffdruck wurde auf 55·10⁵ Pa (55 bar) (800 psig) erhöht und während der Reaktion (24 Stunden) bei diesem Wert gehalten, indem bei Bedarf Wasserstoff mit einem Glockenkappenregler aus einem 1 gallon (3,8 l) Vorrat eingeführt wurde. Das Rohprodukt wurde im Vakuum konzentriert und danach bei 160 bis 166°C und 100 Pa (1,0 mbar) (0,8 Torr) destilliert, wodurch 173,0 g als klare farblose Flüssigkeit erhalten wurden.
Beispiel 2 – TAPDAB/MIBK4
Tetraaminopropyldiaminobutan (0,41 Mol, 65%ige Lösung in Isopropanol) (TAPDAB), MIBK (1,72 Mol) und 10% Pd/C (3 Gew.-% der gesamten Charge) wurden in einen 1 l Autoklaven aus rostfreiem Stahl gegeben und 24 Stunden wie in Beispiel 1 umgesetzt. Das Rohprodukt wurde im Vakuum konzentriert und dann 20 Minuten bei 130 Pa (1,3 mbar) bis auf etwa 175°C erwärmt, um das restliche Wasser und flüchtige organische Bestandteile bis zu einer klaren farblosen Flüssigkeit mit 0,06 Gew.-% Wasser, laut Karl-Fischer-Titration, zu entfernen.
Beispiel 3 – DETA/MIAK2
Diethylentriamin (1,5 Mol) (DETA), Methylisoamylketon (3,2 Mol) (MIAK) und 10% Pd/C (2,4 Gew.-% der gesamten Charge) wurden in einen 1 l Autoklaven aus rostfreiem Stahl gegeben und 5 Stunden wie in Beispiel 1 umgesetzt. Der Inhalt des Reaktors wurde durch GC/FID analysiert, und es wurden 92,4 Flächen-% dialkyliertes Diethylentriamin festgestellt. Das Produkt wurde durch Destillation bei 155 bis 157°C und 270 Pa (2,7 mbar) (2 Torr) gereinigt.
Beispiel 4
Ein Gemisch aus PVOH und alkylierten nicht-polymeren Polyaminen wurde wie folgt hergestelllt: PVOH Airvol^®523 (21 g, DPn ~ 1200, zu 88 Mol-% hydrolysiert) wurde 30 Minuten unter Rühren bei 90°C in Wasser (127 g) gelöst, wodurch eine Lösung mit 14,1% bereitgestellt wurde. Dieser abgekühlten PVOH-Lösung wurde unter Rühren das hydrierte Addukt von Methylisobutylketon und Tetraaminopropyldiaminobutan mit 4:1 (2,4 g, TAPDAB/MIBK4) zugesetzt. Der pH-Wert des Gemischs wurde dann mit Essigsäure zwischen 6 und 8 eingestellt. Das resultierende homogene wäßrige Polymergemisch wurde ohne weitere Reinigung bei der Formulierung von Papierbeschichtungen hergestellt. Die anderen Amin/PVOH-Gemische von Tabelle 2 wurden ähnlich hergestellt.
Beispiel 5
Herstellung einer Tintenstrahlbeschichtung
Blätter von unbeschichtetem Rohpapier wurden beschichtet, um die optische Dichte einiger Farben und die Wasserfestigkeit des Tintenstrahls auszuwerten. Eine Papierbeschichtungsdispersion wurde hergestellt, indem 800 Teile Wasser, 100 Teile Siliciumdioxidpigment und 40 Teile (Feststoffbasis) des in Beispiel 4 hergestellten Gemischs vermengt wurden. Bei der Herstellung der Beschichtungen wurde zuerst eine Dispersion des Siliciumdioxidpigments in Wasser hergestellt, darauf folgte die Zugabe des PVOH-Gemischs mit den alkylierten nicht-polymeren Polyaminen (z.B. das in Beispiel 4 hergestellte Gemisch) zu dieser Dispersion bei einer hohen Scherkraft. Die entstandene Dispersion wurde mit einem Beschichtungsgewicht von 7 bis 8 g/m² auf unbeschichtetes holzfreies Papier mit einem Grundgewicht von 40 g/m² aufgebracht, wobei der Abzugsstab "Meyer Rod" verwendet wurde. Nach dem Beschichten und dem 60 Sekunden langen Trocknen bei 250°F (121°C) wurden die Blätter mit einem Tintenstrahldrucker Hewlett Packard 560 bedruckt, wobei ein HP-Testmuster verwendet wurde, das von Hewlett Packard zum Test von Tintenstrahlpapiermedien geliefert wird. Nach dem Druck wurde die optische Dichte der Proben gemessen, wobei ein Reflexionsdensitometer Tobias IQ 200 verwendet wurde. Der Test der Wasserfestigkeit wurde durchgeführt, indem nach dem Drucken zuerst die Tintendichte von monochromem Schwarz gemessen wurde. Die bedruckte Fläche wurde dann 30 Sekunden mit leichtem Bewegen in destilliertes Wasser getaucht und unter Spannung auf einer Heizplatte getrocknet.
Tabelle 2 zeigt die Tintenstrahlwerte für Gemische von PVOH/alkylierten Aminen, d.h. dem Bindemittelsystem, bei einer Tintenstrahlbeschichtungszusammensetzung mit 15 Gew.-% Feststoffen, die 100 Gew.-Teile Siliciumdioxid und 40 Gew.-Teile Bindemittel umfaßt. Das angegebene Amin wurde im aufgeführten, auf das Trockengewicht bezogenen Verhältnis von Amin:PVOH mit wäßrigem PVOH AIRVOL 523 (wäßrige Lösung mit 14,1 Gew.-%) gemischt. Der pH-Wert des wäßrigen Gemischs wurde mit Essigsäure bei 7 bis 8 eingestellt. Die Wasserfestigkeit wurde als der Verlust der optischen Dichte bei der monochromen schwarzen Tinte nach dem 30 Sekunden langem Einweichen des bedruckten Papiers in Wasser in % gemessen.
Tabelle 2
Tabelle 2 vergleicht die optische Dichte und die Wasserbeständigkeit der Tinte bei Druckbildern auf Tintenstrahlpapieren, die mit den in dieser Erfindung beschriebenen Gemischen beschichtet sind. Vergleichende Amine, wie DETA und TETA, verschlechtern tatsächlich die Druckqualität und zeigen im Vergleich mit einer Beschichtung, die nur Siliciumdioxid und PVOH enthält, eine unbedeutende Verbesserung der Wasserfestigkeit, wenn sie in eine Beschichtungszusammensetzung für Tintenstrahlpapier eingebracht werden. Beim Alkylieren dieser Amine, wie DETA/MIAK2, TAEA/MIBK3, und insbesondere TAPDAB/MIBK4 gibt es jedoch deutliche Verbesserungen der Wasserfestigkeit, in einigen Fällen werden sogar eine vollständige Wasserfestigkeit sowie auch eine sehr gute optische Dichte der Tinte erreicht.
Feststellung der industriellen Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung stellt Beschichtungszusammensetzungen für die Herstellung von Tintenstrahlaufzeichnungspapier bereit.

Claims

Wäßrige Beschichtungszusammensetzung für Papier für die Tintenstrahlaufzeichnung, die 10 bis 95 Gew.-%, Feststoffbasis, eines Mineralpigments, das Siliciumdioxid, Aluminiumsilicat, Ton, Talkum, Calciumcarbonat oder Magnesiumsilicat ist, und 5 bis 90 Gew.-%, Feststoffbasis, eines polymeren Bindemittels in einem wäßrigen Medium enthält, wobei das polymere Bindemittel einen Polyvinylalkohol und ein alkyliertes nicht-polymeres Polyamin umfaßt, wobei das nicht-polymere Polyamin eine Verbindung mit mehreren Aminogruppen mit einem Molekulargewicht von bis zu 1000 ist, wodurch die Zusammensetzung als Beschichtung für Papier für die Tintenstrahlaufzeichnung geeignet ist.
Wäßrige Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Mineralpigment Siliciumdioxid ist und das alkylierte nichtpolymere Polyamin aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: alkylierten Polymaminverbindungen der Struktur 1: RHN-(CH₂)_J-NH-(CH₂)_K-NHR 1worin J 2 bis b ist, K 2 oder 3 ist und Gruppen R unabhängig voneinander Wasserstoff oder eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, mit der Maßgabe, daß mindestens ein R kein Wasserstoff ist; alkylierten Polyaminverbindungen der Struktur 2: RHN-[(CH₂)_nNH]_p-(CH₂)_nNHR 2worin die Gruppen R unabhängig voneinander Wasserstoff oder eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, mit der Maßgabe, daß mindestens ein R kein Wasserstoff ist; n 2 bis 6 ist und p 2 bis 8 ist; alkylierten Polyaminverbindungen der Struktur 3:
worin die Gruppen R unabhängig voneinander Wasserstoff oder eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, mit der Maßgabe, daß mindestens ein R kein Wasserstoff ist, w 2 bis 6 ist, t 0 bis 3 ist, q 0 bis 3 ist und r 0 bis 5 ist; und alkylierten Polyaminverbindungen der Struktur 4:
worin die Gruppen R unabhängig voneinander Wasserstoff oder eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, mit der Maßgabe, daß mindestens ein R kein Wasserstoff ist, x unabhängig voneinander 2 bis 6 ist, y 0 bis 2 ist und z 0 bis 2 ist; und Kombination davon.
Wäßrige Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 2, wobei das alkylierte nicht-polymere Polyamin aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem hydrierten Addukt von Methylisobutylketon und Tetraaminopropyldiaminobutan mit 4:1 (TAPDAB/MIBK4), einem hydrierten Addukt von Methylisoamylketon und Diethylentriamin mit 2:1 (DETA/MIAK2) und einem hydrierten Addukt von Methylisobutylketon und Tris-(2-aminoethyl)amin mit 3:1 (TAEA/MIBK3) besteht.
Wäßrige Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 2, wobei der Polyvinylalkohol ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 5000 bis 300000 und einen Hydrolysegrad von 50 bis mehr als 99 Mol-% aufweist.
Wäßrige Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 2, wobei der Polyvinylalkohol ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 10000 bis 200000 und einen Hydrolysegrad von 85 bis 98 Mol-% aufweist.
Wäßrige Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 2, wobei das polymere Bindemittel in einer Menge von 10 bis 50 Gew.-% vorliegt und das Siliciumdioxid in einer Menge von 50 bis 90 Gew.-% vorliegt, auf die Feststoffe bezogen.
Wäßrige Beschichtungszusammensetzung für Papier für die Tintenstrahlaufzeichnung, die im wesentlichen besteht aus: in Wasser, 50 bis 90 Gew.-%, Feststoffbasis, eines Siliciumdioxidpigments und 10 bis 50 Gew.-%, Feststoffbasis, eines polymeren Bindemittels, das Polyvinylalkohol mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 10000 bis 200000 und einem Hydrolysegrad von 85 bis 98 Mol-% und 5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf den Polyvinylalkohol, eines alkylierten nicht-polymeren Polyamins umfaßt, wobei das nicht-polymere Polyamin eine Verbindung mit mehreren Aminogruppen mit einem Molekulargewicht von bis zu 1000 ist und aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: alkylierten Polymaminverbindungen der Struktur 1: RHN-(CH₂)_J-NH-(CH₂)_K-NHR 1worin J 2 bis 6 ist, K 2 oder 3 ist und Gruppen R unabhängig voneinander Wasserstoff oder eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, mit der Maßgabe, daß mindestens ein R kein Wasserstoff ist; alkylierten Polyaminverbindungen der Struktur 2: RHN-[(CH₂)_nNH]_p-(CH₂)_nNHR 2worin die Gruppen R unabhängig voneinander Wasserstoff oder eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, mit der Maßgabe, daß mindestens ein R kein Wasserstoff ist; n 2 bis 6 ist und p 2 bis 8 ist; alkylierten Polyaminverbindungen der Struktur 3:
worin die Gruppen R unabhängig voneinander Wasserstoff oder eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, mit der Maßgabe, daß mindestens ein R kein Wasserstoff ist, w 2 bis 6 ist, t 0 bis 3 ist, q 0 bis 3 ist und r 0 bis 5 ist; und alkylierten Polyaminverbindungen der Struktur 4:
worin die Gruppen R unabhängig voneinander Wasserstoff oder eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, mit der Maßgabe, daß mindestens ein R kein Wasserstoff ist, x unabhängig voneinander 2 bis 6 ist, y 0 bis 2 ist und z 0 bis 2 ist und Kombination davon, wobei die Zusammensetzung als Beschichtung für Papier für die Tintenstrahlaufzeichnung geeignet ist.
Wäßrige Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 7, wobei das alkylierte nicht-polymere Polyamin eine alkylierte Polyaminverbindung der Struktur 1 ist: RHN-(CH₂)_J-NH-(CH₂)_K-NHR 1worin J 2 oder 3 ist, K 2 oder 3 ist und Gruppen R eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind.
Wäßrige Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 7, wobei das alkylierte nicht-polymere Polyamin eine alkylierte Polyaminverbindung der Struktur 2 ist: RHN-[(CH₂)_nNH)_p-(CH₂)_nNHR 2worin die Gruppen R unabhängig voneinander eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, n 2 oder 3 ist und p 2 oder 3 ist.
Wäßrige Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 7, wobei das alkylierte nicht-polymere Polyamin eine alkylierte Polyaminverbindung der Struktur 3 ist:
worin die Gruppen R unabhängig voneinander eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, w 2 oder 3 ist, t 0 oder 1 ist, q 0 bis 2 ist und r 0 bis 3 ist.
Wäßrige Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 7, wobei das alkylierte nicht-polymere Polyamin eine alkylierte Polyaminverbindung der Struktur 4 ist:
worin die Gruppen R unabhängig voneinander eine C₅-C₈-Alkylgruppe sind, x unabhängig voneinander 2 bis 4 ist, y 1 oder 2 ist und z 1 oder 2 ist.
Wäßrige Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 7, wobei das alkylierte nicht-polymere Polyamin aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem hydrierten Addukt von Methylisobutylketon und Tetraaminopropyldiaminobutan mit 4:1 (TAPDAB/MIBK4), einem hydrierten Addukt von Methylisoamylketon und Diethylentriamin mit 2:1 (DETA/MIAK2) und einem hydrierten Addukt von Methylisobutylketon und Tris-(2-aminoethyl)amin mit 3:1 (TAEA/MIBK3) besteht.
Wäßrige Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 7, die auch einen oder mehrere Zusätze umfaßt, der bzw. die aus der Gruppe ausgewählt ist bzw. sind, die aus Schaumverhütungsmitteln, oberflächenaktiven Mitteln, Farbstoffen, UV-Absorptionsmitteln, Pigmentverteilern, Forminhibitoren, Verdickungsmitteln und wasserbeständigen Mitteln besteht.
Papier für die Tintenstrahlaufzeichnung, das ein Papiersubstrat umfaßt, das mit etwa 2 bis 20 g/m² einer Beschichtungszusammensetzung beschichtet ist, die aus der wäßrigen Beschichtungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 7, 8 und 9 abgeschieden worden ist.
Verfahren zur Herstellung einer dünnen Lage für die Tintenstrahlaufzeichnung, welches umfaßt: (a) Mischen einer wäßrigen Lösung von PVOH mit einem alkylierten nicht-polymeren Polyamin, wodurch ein wäßriges Bindemittel erhalten wird, wobei das nicht-polymere Polyamin eine Verbindung mit mehreren Aminogruppen mit einem Molekulargewicht von bis zu 1000 ist; (b) Einbringen der wäßrigen Bindemittelzusammensetzung in eine Papierbeschichtungszusammensetzung in Form einer wäßrigen Pigmentsuspension; (c) Beschichten eines Papiersubstrats mit der wäßrigen Bindemittel-Pigment-Suspensionszusammensetzung; und (d) Trocknen des beschichteten Papiersubstrats.