DE60106258T2

DE60106258T2 - Wässrige nanopartikulare keramik dispersion für tintenempfangschicht eines inkjet-aufzeichungsmateriales

Info

Publication number: DE60106258T2
Application number: DE60106258T
Authority: DE
Inventors: Masamichi Murota; Hirokuni Shirono; Masahide Arai
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2001-06-21
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2021-06-22
Also published as: US20020041952A1; AU2001278461A1; KR20030047983A; NO20030011D0; ATE278560T1; US20040105964A1; ES2225582T3; TW567145B; DE60106258D1; CA2413739A1; IL153759A0; NO20030011L; EP1299244B1; WO2002002347A1; JP2002019268A; EP1299244A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Verwendung von pyrogen hergestellter Kieselsäure als ergänzendes Pigment zur Herstellung einer Beschichtungsschicht für Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedien ist bekannt ( DE 195 34 327 A1 ).
Es ist weiter die Herstellung eines Tintenstrahl-Aufzeichnungsmediums durch Beschichtung des Substrats mit einer Beschichtungsflüssigkeit, die durch Dispergieren mittels Pulverisieren der Pigmentpartikel eines Agglomerats in einer kationisches Harz enthaltenden Flüssigkeit hergestellt wird ( EP 0 850 777 A2 ).
Es ist weiter die Verwendung von SiO₂-Partikeln als Sorptionsmaterial in der Chromatographie bekannt. Die SiO₂-Partikel werden durch hydrolytische Polykondensation von Tetraalkoxysilanen hergestellt ( US 4,775,520 ).
Es ist weiter die Herstellung eines aufnahmefähigen Tintenstrahl-Aufzeichnungsmediums unter Verwendung von suspendierten Aluminiumoxid-Partikeln bekannt ( EP 0 972 650 A1 ).
Es ist weiter die Herstellung eines Tintenstrahl-Aufzeichnungsmediums bekannt, das ein Substrat und eine Pigmentschicht umfasst. Die Pigmentschicht umfasst eine obere Schicht und eine untere Schicht. Die obere Schicht enthält als ein bedeutendes Pigment ein Aluminiumoxid ( EP 0 450 541 A1 ).
Es ist weiter die Herstellung eines Druckmediums bekannt, welches ein Flüssigkeit adsorbierendes Grundmaterial, eine Tintenstrahl aufnehmende Schicht, die auf dem Grundmaterial bereitgestellt ist, welches ein Pigment, ein Bindemittel und eine kationische Substanz umfasst und eine Oberflächenschicht, die auf der tintenaufnehmenden Schicht bereitgestellt ist, die aus kationischen ultrafeinen Partikeln als anorganische Partikel zusammengesetzt ist, umfasst ( EP 0 732 219 A2 ).
Es ist die Herstellung eines Tintenstrahl-Reaktormaterials mit einer Tinte aufnehmenden Schicht bekannt, die einen sekundären Partikel mit einer durchschnittlichen Größe von 10 bis 300 nm und einschließlich einer Vielzahl von primären Partikeln aus Kieselsäure und/oder Aluminasilikat einschließt ( EP 0 803 374 A3 ).
Es ist weiter die Herstellung von TiO₂-Partikeln mittels zur Reaktion bringen von Ilmenit und H₂SO₄ bekannt. Diese TiO₂-Partikel können als Füllstoffe verwendet werden (Derwent WPI; AN; 1988-094943 (JP(A) 63045123).
Gegenstand der Erfindung ist eine wässrige Dispersion eines Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln zur Bildung einer tintenabsorbierenden Schicht eines Tintenstrahl-Aufzeichnungsmediums umfassend:

– ein Agglomerat aus keramischen Nanopartikeln, das durch Gasphasen-Hydrolyse in einem Brenner, enthaltend Wasserstoff und Sauerstoff unter Verwendung von SiCl₄, AlCl₃ oder TiCl₄ als Rohmaterialien erhältlich ist, dispergiert in deionisiertem Wasser;
– worin die keramischen Nanopartikel des Agglomerats einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,05 bis 0,3 μm, wie durch einen Laser-Diffraktionsapparat zur Messung der Partikelgrößenverteilung gemessen, bei einer zum Beschichten geeigneten Viskosität von 10 bis 200 mPa·s aufweisen, und
– das Verhältnis der Peakbreite (bei einer Höhe, welche die Hälfte der maximalen Höhe darstellt) zur maximalen Höhe für eine Größenverteilungskurve der keramischen Nanopartikel des Agglomerats, die gemäß den Ergebnissen der Messung ermittelt wurde, 0,7 oder weniger beträgt.

1. Gegenstand der Erfindung ist eine wässrige Dispersion eines Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln, die für tintenabsorbierende Schichten auf Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedien geeignet ist und welche das Drucken scharfer und klarer Bilder auf den Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedien erleichtert.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein typisches, übliches Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedium schließt ein Substrat mit einer Dicke von 100 bis 300 μm, wie zum Beispiel Papier oder eine Polyethylenfolie ein, wobei eine tintenabsorbierende Schicht eine Dicke von 30 bis 200 μm aufweist, die darauf durch Beschichtung gebildet wird und wobei eine Schutzschicht eine Dicke von 1 bis 10 μm aufweist, die sich aus einem wasserlöslichen Harz oder dergleichen zusammensetzt, die auf der tintenabsorbierenden Schicht durch Sprühen gebildet wird.
Die tintenabsorbierende Schicht des Tintenstrahl-Aufzeichnungsmediums wird im Allgemeinen wie folgt gebildet. Agglomerate aus keramischen Nanopartikeln, wie zum Beispiel ein pulverförmiges Siliciumdioxid-Agglomerat (hierin als SiO₂-Agglomerat bezeichnet) und ein pulverförmiges Aluminiumoxid-Agglomerat (hierin nachstehend als Al₂O₃-Agglomerat bezeichnet) werden deionisiertem Wasser zur Bildung einer wässrigen Dispersion eines Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln zugefügt, damit die Dispersion eine Viskosität von 10 bis 200 mPa·s aufweist, die zur Beschichtung geeignet ist. Zur Herstellung einer Beschichtung werden der Dispersion zum Beispiel ein kationisches Polymer, Ethanol, Propanol, Ethylacetat, Polyvinylalkohol und Borsäure zugefügt. Die Beschichtung wird auf die Substratoberfläche aufgebracht und getrocknet.
Die für die wässrige Dispersion eines Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln verwendeten vorstehenden Rohmaterialien werden im Allgemeinen mittels eines Syntheseverfahrens in der Dampfphase unter Verwendung von SiCl₄ und AlCl₃ in Gegenwart von Wasserstoff und Sauerstoff, zum Beispiel von einem Brenner, hergestellt. Das resultierende Pulver aus keramischen Nanopartikeln weist einen extrem kleinen durchschnittlichen Durchmesser von 7 bis 40 nm auf. Die keramischen Partikel interagieren folglich unweigerlich miteinander und agglomerieren ohne weiteres. Selbst wenn dieses Pulver aus keramischen Nanopartikeln nach der Disintegration in einer Kugelmühle dem deionisierten Wasser zugefügt wird, liegt das Pulver aus keramischen Nanopartikeln als ein keramisches Pulver-Agglomerat mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1 bis 30 μm vor.
Beim Drucken von Bildern auf das Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedium werden feine Tintentröpfchen, die durch punktförmige Düsen eines Tintenstrahldruckers abgegeben werden, in der tintenabsorbierenden Schicht absorbiert. Beim Farbdrucken, wird ein derartiges Verfahren mehrere Male unter Verwendung von Tinten verschiedener Farben wiederholt.
Mit Trends zu einer höheren Leistung wurde bei Tintenstrahldruckern die Größe der aus den Tintenstrahldruckern abgegeben Tintentröpfchen auf 20 μm oder weniger reduziert. Wenn diese Tinte auf das vorstehende übliche Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedium abgegeben wird, fließen die Tintentröpfchen lokal in die tintenabsorbierende Schicht und resultieren in Ausbluten. Aufgrund dessen sind die gedruckten Bilder, ungeachtet dessen, wie ultrafein die Tintentröpfchen auch immer sind, nicht klar.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine erfindungsgemäße Aufgabe, eine wässrige Dispersion eines Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln bereitzustellen, die für tintenabsorbierende Schichten auf Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedien geeignet ist und die das Drucken scharfer und klarer Bilder auf den Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedien erleichtert.
Diese Erfinder haben wässrige Dispersionen eines Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln für tintenabsorbierende Schichten untersucht, damit die tintenabsorbierende Schicht ultrafeine Tintentröpfchen halten kann, die aus einem Tintenstrahldrucker an den Abgabepositionen abgegeben werden und sind zu den folgenden Schlussfolgerungen gelangt:

a) In einer üblichen wässrigen Dispersion eines Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln weisen die keramischen Nanopartikel des Agglomerats einen durchschnittlichen Durchmesser von 1 bis 30 μm gemäß den Messungen mithilfe eines Laser-Diffraktionsapparats zur Messung der Partikelgrößenverteilung auf. Die gemäß den Ergebnissen der Messung bestimmte Größenverteilungskurve ist in 2 ersichtlich. Das Verhältnis der Peakbreite bei einer Position, die eine Höhe aufweist, welche die Hälfte der maximalen Höhe der Kurve darstellt (auf die hierin nachstehend als auf die halbe Breite verwiesen wird), zur maximalen Höhe, beträgt 1 zu 1,5. Ein derartiges Verhältnis lässt erkennen, dass das Agglomerat aus keramischen Nanopartikeln relativ grob ist und die Größen davon nicht gleichförmig sind. Das heißt, die Größengleichförmigkeit der Agglomerate ist unzulänglich. In einer isolierenden Hilfsschicht, die solche Agglomerate aus keramischen Nanopartikeln mit einer breiten Größenverteilung enthält, absorbieren größere Agglomerate auf der tintenabsorbierenden Schicht viele ultrafeine Tintentröpfchen. Das heißt, dass die ultrafeinen Tintentröpfchen nicht an den Abgabepositionen gehalten werden können und aus den Abgabepositionen ausbluten.
b) Die vorstehende übliche wässrige Dispersion eines Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln wird im Allgemeinen mittels Dispersion von 1 bis 50% eines Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln in deionisiertem Wasser unter Verwendung eines üblichen Mischgerätes hergestellt. Wenn diese Dispersion unter Verwendung eines üblichen Ultraschallhomogenisators für eine prädeterminierte Zeitdauer oder unter Verwendung eines Strahlmühlenapparates für eine prädeterminierte Zeit behandelt wird, worin Gegenstrahlströme der Dispersion unter ultrahohem Druck miteinander kollidieren, werden die keramischen Nanopartikel der Agglomerate im wässrigen Medium rasch disintegriert. Wenn die keramischen Nanopartikel des Agglomerats die folgenden Bedingungen durch Kontrolle der Behandlungszeit zufriedenstellen, weisen die resultierenden keramischen Nanopartikel des Agglomerats in der Dispersion eine relativ kleine und gleichförmige Größe auf, wobei eine tintenabsorbierende Schicht, die diese wässrige Dispersion eines Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln enthält, an den Abgabepositionen, ohne Ausbluten, feine Tintentröpfchen halten kann und ein auf ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedium gedrucktes Bild signifikant scharf und klar ist. Das heißt, dass die Bedingungen wie folgt sind:

Der durchschnittliche Durchmesser der in deionisiertem Wasser dispergierten keramischen Nanopartikel des Agglomerats beträgt 0,05 bis 0,3 μm gemäß Messungen unter Verwendung eines Laser-Diffraktionsapparats zur Messung der Partikelgrößenverteilung bei einer für eine Beschichtung geeigneten Viskosität von 10 bis 200 mPa·s und das Verhältnis der Peakbreite (die halbe Breite), an einer Position, die eine Höhe aufweist, bei der es sich um die Hälfte der maximalen Höhe handelt, zur maximalen Höhe, von einer in 2 ersichtlichen Kurve von der gemäß den Ergebnissen der Messung bestimmten Partikelgrößenverteilung, 0,7 oder weniger beträgt.
Demgemäß umfasst eine erfindungsgemäße wässrige Dispersion eines Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln zur Bildung einer tintenabsorbierenden Schicht eines Tintenstrahl-Aufzeichnungsmediums ein in deionisiertem Wasser dispergiertes Agglomerat aus keramischen Nanopartikeln, worin die keramischen Nanopartikel des Agglomerats einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,05 bis 0,3 μm, wie durch einen Laser-Diffraktionspparat zur Messung der Partikelgrößenverteilung gemessen, bei einer zum Beschichten geeigneten Viskosität von 10 bis 200 mPa·s aufweisen und das Verhältnis der Peakbreite (bei einer Höhe, welche die Hälfte der maximalen Höhe) zur maximalen Höhe in einer Größenverteilungskurve der keramischen Nanopartikel des Agglomerats darstellt, die gemäß den Ergebnissen der Messung ermittelt wurde, 0,7 oder weniger beträgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Größenverteilungskurve von erfindungsgemäßen keramischen Agglomeraten in einer wässrigen Dispersion eines Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln; und
2 ist eine Größenverteilungskurve von keramischen Agglomeraten in einer üblichen Dispersion eines Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Der durchschnittliche Durchmesser der keramischen Nanopartikel des Agglomerats liegt erfindungsgemäß im Bereich von 0,05 bis 0,3 μm. Bei einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 0,05 μm bestehen in der Qualität der gedruckten Bilder keine deutlichen Unterschiede mehr. Bei einem Durchmesser über 0,3 μm hinausgehend werden einige feine Tintentröpfchen verschiedener Farben mit Durchmessern von 20 μm oder weniger im gleichen Agglomerat aus keramischen Nanopartikeln absorbiert, was im Ausbluten der Tinte resultiert. Die resultierenden Bilder sind folglich nicht klar.
Das Verhältnis der halben Breite in der Größenverteilungskurve der keramischen Nanopartikel des Agglomerats zur maximalen Höhe liegt in einem Bereich von 0,7 oder weniger. Bei einer halben Breite, die über 0,7 hinausgeht, wobei viele keramische Agglomerate Durchmesser aufweisen, die signifikant vom durchschnittlichen Durchmesser abweichen, sind anwesend. Wenn eine tintenabsorbierende Schicht diese keramischen Agglomerate enthält, absorbiert jedes der relativ großen Agglomerate verschiedene Typen der farbigen Tinten, was im Ausbluten der Tinte resultiert. Aufgrund dessen weist das gedruckte Bild Farbunregelmäßigkeiten auf.
Die zur Beschichtung der wässrigen Dispersion des Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln geeigneten Viskosität liegt in einem Bereich von 10 bis 200 mPa·s. Bei einer Viskosität von weniger als 10 mPa·s wird die Dispersion nicht auf dem Substrat gehalten. Bei einer Viskosität, die über 200 mPa·s hinausgeht, kann die Dispersion nicht gleichförmig auf das Substrat aufgetragen werden.
Die erfindungsgemäße wässrige Dispersion des Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben.
Unter Verwendung von SiCl₄, AlCl₃ oder TiCl₄ als Rohmaterialien wurden SiO₂-Pulver in Nanopartikelform, Al₂O₃-Pulver in Nanopartikelform und TiO₂-Pulver in Nanopartikelform, wobei jedes eine Anzahl durchschnittlicher primärer Partikeldurchmesser (hierin nachstehend als durchschnittliche Partikeldurchmesser bezeichnet) wie in Tabelle 1 gezeigt aufweist, mittels Gasphasen-Hydrolyse in einem Brenner, enthaltend Wasserstoff und Sauerstoff, hergestellt. Da diese Pulver aus keramischen Nanopartikeln als Agglomerate vorlagen, wurden sie für eine prädeterminierte Zeit in einem üblichen Trockendisintegrator disintegriert und dem deionisierten Wasser in einer Kugelmühle zugefügt, während sie zur Herstellung üblicher wässriger Dispersionen des Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln (hierin nachstehend bezeichnet als wässrige keramische Dispersion) 1 bis 15 gerührt wurden, wobei jede eine in Tabelle 1 ersichtliche Viskosität aufweist.
Jede dieser wässrigen Dispersionen des Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln 1 bis 15 wurde in einem Strahlmühlenapparat behandelt, in dem Gegenstrahlströme der Dispersion bei einem Strahlstromradius von 0,1 mm an der Kollisionsposition, einer Strahlstromgeschwindigkeit von 600 m/sec und einer Fließrate der Strahlströme an den Düsen von 15 Litern/min für eine prädeterminierte Zeit zur Disintegration der Agglomerate von keramischen Nanopartikeln miteinander kollidierten. Auf diese Weise wurden die erfindungsgemäßen wässrigen Dispersionen des Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln 1 bis 15 (hierin nachstehend als erfindungsgemäße wässrige keramische Dispersionen bezeichnet) hergestellt.
Nachdem die üblichen wässrigen keramischen Dispersionen 1 bis 15 und die erfindungsgemäßen wässrigen keramischen Dispersionen 1 bis 15 über 2 Stunden bei 22°C aufrechterhalten wurden, wurde die Viskosität von jeder Dispersion bei 2,5 U/min unter Verwendung eines Viskosimeters des E-Typs (Hersteller: Toki Sangyo K.K.) gemessen. Die Partikelgrößenverteilung der keramischen Nanopartikel des Agglomerats in der Dispersion wurden unter Verwendung eines Laser-Diffraktionsapparates zur Messung der Partikelgrößenverteilung gemessen, und der durchschnittliche Agglomeratdurchmesser wurde gemäß den Ergebnissen berechnet. Es wurde überdies eine Größenverteilungskurve zur Bestimmung des Verhältnisses der halben Breite (der Breite bei einer Position mit einer Höhe, welche die Hälfte der maximalen Höhe der Kurve betrug) zur maximalen Höhe hergestellt. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 1 ersichtlich.
Zu 1000 ml einer jeden Dispersion wurden 10 bis 40 g kationisches Polymer, 50 bis 100 ml Ethanol, 15 bis 30 ml Propanol, 10 bis 20 ml Ethylacetat, 20 bis 50 g Polyvinylalkohol und 1 bis 10 g Borsäure zur Herstellung einer Beschichtung zur Bildung einer tintenabsorbierenden Schicht hergestellt. Die Beschichtung wurde auf eine Aufzeichnungsoberfläche von wasserabsorbierendem Papier mit einer Dicke von 200 μm aufgetragen, wurde rasch abgekühlt und wurde 3 Minuten mittels Heißluft bei 50°C getrocknet. Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedium mit einer 80 μm dicken tintenabsorbierenden Schicht wurde hierdurch hergestellt.
Solide Bilder in Gelb, Magenta und Cyan wurden unter Verwendung eines Tintenstrahl-Farbdruckers PM-3300C (Hersteller: Seiko Epson Corporation) auf das Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedium gedruckt und die Reflexionsdichten wurden für monochromatisches Licht von Rot, Grün und Blau gemessen. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 2 ersichtlich.
Ein Farbbild von einer Person, das eine Größe von 250 × 180 mm aufweist, wurde auf das Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedium gedruckt, und die Bildqualität wurde bei einer Vergrößerung von 3000 unter Verwendung eines Digitalmikroskops von hoher Präzision beobachtet.
Tabelle 1
Tabelle 2
Die Ergebnisse in Tabelle 1 deuten darauf hin, dass die Durchmesser der Agglomerate der erfindungsgemäßen wässrigen keramischen Dispersionen 1 bis 15 kleiner und gleichförmiger als die der üblichen wässrigen keramischen Dispersionen 1 bis 15 sind. Da die tintenabsorbierende Schicht, die aus einer der erfindungsgemäßen wässrigen keramischen Dispersionen 1 bis 15 gebildet wurde, relativ feine und gleichförmige Agglomerate enthält, werden die aus dem Tintenstrahldrucker abgegebenen Tintentröpfchen an den Abgabepositionen präzise aufrechterhalten. Die auf das Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedium gedruckten Bilder weisen folglich eine hohe Dichte auf und sind signifikant klarer.
Die erfindungsgemäße wässrige Dispersion des Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln kann demgemäß ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsmedium bereitstellen, das zu Leistungsverbesserungen der Tintenstrahldrucker beiträgt.

Claims

Wässrige Dispersion eines Agglomerats aus keramischen Nanopartikeln zur Bildung einer tintenabsorbierenden Schicht eines Tintenstrahl-Aufzeichnungsmediums umfassend: – ein Agglomerat aus keramischen Nanopartikeln, das durch Gasphasen-Hydrolyse in einem Brenner enthaltend Wasserstoff und Sauerstoff unter Verwendung von SiCl₄, AlCl₃ oder TiCl₄ als Rohmaterialien erhältlich ist, dispergiert in deionisiertem Wasser; – worin die keramischen Nanopartikel des Agglomerats einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,05 bis 0,3 μm, wie durch einen Laser-Diffraktionsapparat zur Messung der Partikelgrößenverteilung gemessen, bei einer zum Beschichten geeigneten Viskosität von 10 bis 200 mPa·s aufweisen, und – das Verhältnis der Peakbreite (bei einer Höhe, welche die Hälfte der maximalen Höhe darstellt) zur maximalen Höhe für eine Größenverteilungskurve der keramischen Nanopartikel des Agglomerats, die gemäß den Ergebnissen der Messung ermittelt wurde, 0,7 oder weniger beträgt.