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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Tintenstrahltintenzusammensetzungen,
die als ein Ergebnis des Vorliegens einer Kälteschutzmittelkomponente in
der Tintenzusammensetzung über
eine gute Frost-Tau-Beständigkeit
verfügen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
ist bekannt, dass vielen Teilchensystemen auf Wasserbasis eine Kältestabilität bzw. -beständigkeit fehlt,
d. h. sie zeigen bei einem oder mehreren Frost-Tau-Zyklen eine Instabilität. Viele
Milchprodukte, pharmazeutische Emulsionen und Anstrichfarben auf
Wasserbasis, trennen sich nach einem einzelnen Frost-Tau-Zyklus
in zwei Schichten auf oder zeigen eine Teilchenaggregation. Der
Grund für
die Instabilität
ist vermutlich die Bildung von Eiskristallen, die dazu neigen, die
Teilchen der Emulsion oder Suspension zusammenzudrücken. Für „harte" Suspensionsteilchen,
wie zum Beispiel Pigmente in Anstrichfarben, führt dies zu der Bildung irreversibler
Klumpen, sodass ein Erhöhen
der Temperatur dieselben nicht wieder suspendiert. Im Schwerkraftfeld
setzen sich diese Klumpen schnell ab. Für „weiche" Teilchen, wie zum Beispiel Emulsionen
und Vesikel (Liposomen), können
Eiskristalle eine irreversible Vergröberung des Systems aufgrund
des Flüssigkeitsfilmbruchs
bewirken.
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Suspensionen
von Teilchen in der Form von Lipid-Bischicht-Vesikeln oder Liposomen, sowie Öl-In-Wasser-Emulsionen
in einem wässrigen
Trägermittel
wurden in dem pharmazeutischen und/oder biochemischen Kontext untersucht.
Frost-Tau-Experimente haben gezeigt, dass das Vorliegen von Glyzerin,
Dimethylsulfoxid (DMSO), bestimmten Zuckern und bestimmten Aminosäuren eine
Kälteschutzwirkung
auf die Lipidschichten in den Suspensionen übertragt. Siehe McDonald & McDonald, Liposome
Technology, Bd. 1, S. 209-227, 1993, CRC Press, Inc.; Strauss u.
a., Biochimica et Biophysica Acta 858 (1986) 169-180, Elsevier Science
Publishers; Higgins u. a., J. Pharm. Pharmacol. 1986, 38:259-263;
Saito u. a., Journal of Colloid and Interface Science 219: (1) 129-134,
1. November 1999.
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Spinelli
offenbarte die Behandlung des Problems der Frost-Tau-Instabilität in wässrigen Tintenstrahltinten
mit einem Polymer-Bindemittel-Zusatzstoff. Siehe Spinelli in Adv.
Mater 1998, Bd. 10, Seiten 1215-1218. Spinelli offenbarte außerdem unterschiedliche
Acrylblockcopolymere zur Verwendung in pigmentierten Tinten zu dem
Zweck der Verbesserung der Frost-Tau-Instabilität in den Tinten. Es scheint,
dass keiner der durch Spinelli offenbarten Zusatzstoffe mehr als
eine eingeschränkte
Verbesserung der Kältestabilität bewirkt.
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Früher wurden
Polyole, wie z. B. Glyzerin, sowie Zucker und/oder Aminosäuren in
wässrigen
Tintenstrahltinten eingesetzt, wurden jedoch niemals spezifisch
mit dem Zweck einer Beeinflussung der Kältestabilität der Tintenteilchen verwendet.
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Bermel
und Burger (D. Bermel und D.E. Burger, „Particle size effects in
pigmented ink jet inks",
J. Imaging Sc., Tech., Bd. 43 (1999) 320-324 offenbarten mehrere
pigmentierte Farbtinten, in denen das Tintenträgermittel 7-12% Glyzerin enthält. Sie
haben insbesondere die Frost-Tau-Beständigkeit der Tinten untersucht und
für einige
Dispersionen akzeptable Ergebnisse gefunden. Es erscheint in dem
Artikel keine Erklärung
der Rolle des Glyzerin (d. h. die Wirkung wurde nicht dem Vorliegen
von Glyzerin zugeschrieben). Das Hauptziel bestand darin, die Teilchengrößewirkung
auf die Frost-Tau-Beständigkeit
zu zeigen.
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Looman
offenbarte, dass Säuren,
die eine basische funktionelle Gruppe enthalten, die Linderung eines
Zerfließens
in pigmentierten Tintenstrahltinten unterstützen (US-Patent Nr. 5,679,143, übertragen
an HP). Insbesondere zeigte Zooman, dass, wenn Tinten Aminosäurenzusatzstoffe
aufweisen, wie z. B. Beta-Alanin, 4-Amino-Buttersäure, DL-Alanin,
Glycin, Threonin, Sarcosin, Diido-L-Tyrosin, L-Glutaminsäure, L-Histidin,
Hydroxy-L-Prolin, DL-Isoleucin, DL-Deucin, L-Lysin, DL-Methionin, DL-Phenylalanin,
L-Prolin, DL-Serin, L-Tryptophan, L-Tyrosin, 6-Amino-Kapronsäure und
DL-Valin, eine Zerfließeindämmung und
pH-Einstellung erzielt werden. Die Wirkung von Aminosäuren auf
die Frost-Tau-Instabilität
wird nicht erwähnt.
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Gundlach
u. a. offenbarten die Verwendung von Betain-Zwitterionen-Basen-Zusammensetzungen
als Tintenzusatzstoffe (US-Patent Nr. 5,540,765, übertragen
an Xerox). In einer verwandten Offenbarung offenbarten Gundlach
u. a. Tintenzusammensetzungen mit Vesikeln, die Betain enthalten
(US-Patent Nr. 5,772,743, übertragen
an Xerox). In keiner dieser Offenbarungen wurde eine Verbindung
wurde zwischen diesen Zusammensetzungen und der Frost-Tau-Instabilität hergestellt.
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Yatake
offenbarte Zucker als Zusatzstoffe in Tintenstrahltinten (US-Patent
Nr. 6,004,389, übertragen an
Seiko Epson). Die offenbarten Vorteile dieser Zusatzstoffe haben
nichts mit der Frost-Tau-Instabilität zu tun. Vielmehr wird gelehrt,
dass die Zugabe von Saccharid ein Verstopfen der Düse in dem
Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf wirksam verhindern kann.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Kälteschutzmittels,
das aus der Gruppe ausgewählt
ist, die Monosaccharide, Polysaccharide, Glyzerin, β-Ala nin,
DL-Alanin, Betain, Dimethylsulfoxid, Polyvinylpyrrolidon und Kombinationen
und Derivate derselben umfasst, in einer Tintenstrahltinte zur Verbesserung
der Frost-Tau-Beständigkeit
der Tinte.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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1A und 1B sind
Vergleichsfotografien, die durch mikroskopische Untersuchung die
Abwesenheit und das Vorliegen großer Vesikelteilchen in Ink
Set 0.0-Proben vor und nach einer Temperaturwechselbeanspruchung
zeigen.
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2A und 2B sind
Vergleichsfotografien, die durch mikroskopische Untersuchung zeigen,
dass kein Anstieg der Anzahl großer Vesikelteilchen in den
Ink Set 0.7-Proben nach einer Temperaturwechselbeanspruchung vorliegt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
Frost-Tau-Unbeständigkeit
bzw. -Instabilität
ist ein potenzielles Problem für
Tintenstrahltinten, sowohl vom Standpunkt des Volumentintenversandts
aus betrachtet als auch vom Standpunkt einer Zuverlässigkeit
bereits gefüllter
Stifte betrachtet, die gelegentlich durch den Benutzer eingefroren
werden können.
Dieses Unbeständigkeitsproblem
wurde mit dem „T-Zyklus-Test" angegangen, bei
dem die Tinten in bis zu insgesamt 4 Frost-Tauzyklen wiederholt
zwischen –40
und +70°C
abgekühlt
und erhitzt wurden. Als ein Kriterium der T-Zyklus-Unbeständigkeit
werden die Viskosität
und Dichte der Probe vor und nach dem T-Zyklus analysiert. Nach
dem T-Zyklus wird die Probe in einen oberen und einen unteren Abschnitt
getrennt. Dann werden die Proben durch verschiedene Techniken, wie
z. B. Viskometrie und Densitometrie, charakterisiert. Ein weiteres Verfahren
zum Charak terisieren der T-Zyklus-Unbeständigkeit besteht darin, die
Konzentration großer
Teilchen vor und nach dem T-Zyklus zu messen.
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Im
Allgemeinen sind Teilchen, die eine Größe von mehr als 0,5 μm aufweisen,
für einen
Tintenstrahl sehr unerwünscht,
da sie dazu neigen, sich in der Abfeuerungskammer abzusetzen. Ferner
können
sehr große Aggregate
von mehr als 5 μm
potenziell die Düsen
des Druckkopfs verstopfen. Deshalb ist es wichtig, dass die Konzentration
der großen
Teilchen nach dem T-Zyklus klein bleibt.
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Experimente
haben gezeigt, dass viele kommerzielle schwarze Tinten, die beim
thermischen Tintenstrahldrucken eingesetzt werden, nicht T-Zyklus-stabil
sind. Die schwarze Tinte z. B., die in einem HP 2000c-Tintenstrahldrucker
eingesetzt wird, besitzt eine Viskosität, die zwischen 2,4 (oben in
der Phiole) und 4,3 cP (unten) verteilt ist, und eine Dichte, die
zwischen 1,030 (oben) und 1,055 g/ml (unten) verteilt ist. Dies zeigt
an, dass das Tintenverhalten nach dem T-Zyklus aufgrund der Gesamtveränderung
bei Viskosität
und Dichte unterschiedlich ist. Was noch wichtiger ist, es zeigt,
dass die Tinten große
Kohleschwarzaggregate bilden, die ein potenzielles Problem für die Stiftzuverlässigkeit
sind.
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Eine
frühere
Behandlung dieses Problems bestand darin, ein Polymerbindemittel
zu pigmentierten Tinten hinzuzufügen,
wie z. B. in der Spinelli-Schrift, die oben erwähnt wurde, beschrieben ist.
Es war bekannt, dass einige Bindemittel zu einer stärkeren Verbesserung
der T-Zyklus-Stabilität
von Dispersionen beitragen als andere. Das Bindemittel allein jedoch
liefert keine ausreichende Stabilität für die Tinten und das Problem
wird nicht gelöst.
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Das
Problem der Instabilität
oder Unbeständigkeit
wässriger
Systeme gegenüber
einem Frieren ist in der Biologie und auf dem Gebiet der Pharmazeutik
bekannt, wo es durch ein Zu geben von Kälteschutzmitteln zu den Systemen
gelöst
wird. Die Rolle von Kälteschutzmitteln
ist nicht sehr klar. Eine mögliche
Erklärung
für ihre
Wirkung ist eine Verglasungswirkung bei geringen Temperaturen. Man
weiß,
dass beim Frieren die Bildung von Glasen, im Gegensatz zu Kristallen,
weniger schädlich
für die
Stabilität
des wässrigen
Systems ist und normalerweise die ursprüngliche Struktur des Systems
beibehalten wird (siehe die Schrift von McDonald & McDonald, die
oben erwähnt
wurde).
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Eine
nicht ausschließliche
Liste einiger in der Biologie eingesetzter Kälteschutzmittel ist unten gezeigt: Glucose,
Saccharose, Maltose, Trehalose, Sorbitol, Mannitol, andere Mono-
und Polysaccharide und ihre Derivate, Glyzerin, Alanin, β-Alanin,
Betain, Dimethylsulfoxid und Polyvinylpyrrolidon.
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Der
typische erforderliche Konzentrationsbereich dieser Zusatzstoffe
in der Formulierung, um die Kälteschutzwirkung
zu erzielen, beträgt
1-30%. Obwohl Glyzerin, Betain, β-Alanin
und einige Zucker als Bindemittel beim Tintenstrahl verwendet werden,
sind dieselben bisher nicht aufgrund ihrer Kälteschutzwirkung verwendet
worden.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Kälteschutzmitteln,
um eine Frost-Tau-Beständigkeit
in einer Tintenstrahltintenzusammensetzung zu verbessern, was ein
Zugeben eines Kälteschutzmittels,
wie es hierin definiert ist, zu einer Tintenstrahltintenzusammensetzung
aufweist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt das zumindest
eine Kälteschutzmittel
von 1-30 Gewichtsprozent der Tintenstrahltintenzusammensetzung.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Monosaccharide und Polysaccharide aus der Gruppe ausgewählt, die
aus Glucose, Saccharose, Maltose, Trehalose, Sorbitol und Mannitol
besteht. Bei wiederum einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die Tintenstrahltintenzusammensetzung zumin dest ein Element
von Farbmittelteilchen, Emulsionstropfen, Polymerlatexen und Vesikeln
in einem wässrigen
Trägermittel
auf.
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Bei
einem stärker
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Menge zu der Tintenstrahltintenzusammensetzung zugegebenen
Kälteschutzmittels
ausreichend, dass die Zusammensetzung nach zumindest einem Frost-Tau-Zyklus
im Wesentlichen frei von sichtbarem Sediment bleibt, wobei die Zusammensetzung
auf eine Hochtemperatur von höchstens
70°C erwärmt und
auf eine Niedrigtemperatur von minimal –40°C abgekühlt wird. Bei einem sehr stark
bevorzugten Ausführungsbeispiel
gibt es höchstens
vier Frost-Tau-Zyklen, die bei der Zusammensetzung durchgeführt werden.
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Bei
einem weiteren bevorzugteren Ausführungsbeispiel ist die Menge
zu der Tintenstrahltintenzusammensetzung zugegebenen Kälteschutzmittels
ausreichend, sodass die Konzentration von Teilchen mit einer Größe von mehr
als 0,5 μm
in der Zusammensetzung sich nach zumindest einem Frost-Tau-Zyklus nicht wesentlich
erhöht,
wobei die Zusammensetzung auf eine Hochtemperatur von maximal 70°C erwärmt und
auf eine Niedrigtemperatur von minimal –40°C abgekühlt wird. Bei einem sehr stark
bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden höchstens
vier Frost-Tau-Zyklen bei der Tintenstrahltintenzusammensetzungsprobe
durchgeführt.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Tintenvesikelzusammensetzungen
1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b wurden gemäß den unten
gegebenen Formulierungen hergestellt. Sie wurden durch Beschallung
unter Verwendung eines Sonication XL (West Systems) in einem Eisbad
erzeugt. Resultierende Systeme waren visuell transparent.
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Beispiel 2
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Ergebnisse
eines Frost-Tau-Testens
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Die
Instabilität
der Tintenzusammensetzungen von Beispiel 1 gegenüber einem Frost-Tau-Zyklus
wurde mit vier Frost-Tau-Zyklen
zwischen –40
und +70°C
innerhalb von 36 Stunden getestet. Nach dem Test wurden die Proben
visuell untersucht. Für
einige Proben wurde der Zählwert
großer
Teilchen (größer als
0,5 μm) unter
Verwendung eines 780 A Accusizer (Particle Sizing Systems, Santa
Barbara, Ca., USA) bestimmt. Das Verfahren basiert auf der Einteilchen-Erfassungstechnik.
Die Probe wird durch Wasser stark verdünnt, wonach dieselbe durch
eine kleine Kammer gepumpt wird, in der das Lichtstreusignal von
jedem Teilchen als ein elektrischer Impuls erfasst wird. Die Messzelle
ist auf eine derartige Weise aufgebaut, dass das Signal proportional zu
dem Radius des Teilchens ist. 50 μL
Tinte wurde in die Messzelle eingeführt und automatisch durch das Instrument
auf den erforderlichen Pegel verdünnt. Nach einer Minute Mischen
wurde die Messung durchgeführt.
Die Ergebnisse sind unten gegeben.
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Die
obigen Ergebnisse zeigen, dass die Proben, die Kälteschutzmittel enthalten („a"-Proben), stabil gegenüber mehreren
Frost-Tau-Zyklen sind, während
die jeweiligen Kontrollproben, als „b" markiert, dies nicht sind. Nach dem
Test ist bei den „a"-Proben nur eine
moderate Veränderung
der Anzahl großer
Teilchen zu sehen. Andererseits ist ohne Kälteschutzmittel eine visuelle
Ausfällung
großer
Klumpen zu beobachten.
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Beispiel 3
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Frost-Tau-Beständigkeit
von Vesikeltinten
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Die
Zusammensetzung zweier vesikelhaltiger Tintenzusammensetzungen ist
unten aufgelistet. Eine Tintenherstellung umfasste die folgenden
Stufen:
- (i) Ein Tintenkonzentrat wurde für jede Farbe
hergestellt, Co-Lösungsmittel,
Farbstoffe, einen Puffer und ein Antimikrobenmittel (Proxel GXL)
enthaltend.
- (ii) 15 g Eigelb-Lezithin wurden zu dem Tintenkonzentrat zugegeben
und mit einem 25%-Ultratorrax (Janke & Kunkel, IKA Labortechnik) 10 Minuten
lang vorgemischt. Die Konzentrate wurden dann mit einem APV-Rannie-Homogenisator
bei 14.000 psi über
sechs Durchläufe
Hochdruck-homogenisiert. Sie wurden dann durch eine in einem Wasserbad
platzierte Spule gekühlt.
Nach der Homogenisierung waren die Tinten nicht mehr trüb, sondern
leicht opaleszent.
- (iii) Die Lösung
des Polymer-Bindemittels und des oberflächenaktiven Mittels wurde zu
den Tintenzusammensetzungen zugegeben und einer Schlussmischung
unterzogen. Als Bindemittel wurde ein Acryl-Polymer, hergestellt
durch duPont de Nemours, verwendet. Als ein oberflächenaktives
Mittel wurde das fluorinierte oberflächenaktive Mittel Fluorad FC-99 (3M) zugegeben.
Danach wurden die Tinten eine halbe Stunde lang gerollt, wonach
dieselben einsatzbereit waren.
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Die
Zusammensetzungen von Ink Set 0.0 und Ink Set 0.7 sind unten gegeben.
Für die
Farbstoffe sind die Konzentrationen als optische Dichten bei einer
1:10.000-Verdünnung
gezeigt.
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Zusammensetzung
von Ink Set 0.0
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Zusammensetzung
von Ink Set 0.7
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Beispiel 4
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Vergleich der Frost-Tau-Beständigkeit
von Ink Set 0.0 und Ink Set 0.7
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Ink
Set 0.0 enthält
keine Kälteschutzmittel
in seinem Lösungsmittelsystem.
Folglich ist seine Frost-Tau-Beständigkeit schlecht. Nach der
oben beschriebenen Temperaturwechselbeanspruchung fällt Phospholipid
aus den Tinten aus und die Tinten erlangen ein trübes Erscheinungsbild,
was bei der gelben Farbe am deutlichsten zu sehen ist.
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Die 1A und 1B sind
Vergleichsfotografien, die durch mikroskopische Untersuchung die
Abwesenheit und das Vorliegen von Ausfällungen in Tintenproben vor
und nach einer Temperaturwechselbeanspruchung in gelben Tinten zeigen.
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Im
Gegensatz dazu bleibt Ink Set 0.7, das Kälteschutzmittel enthält, nach
der Temperaturwechselbeanspruchung relativ stabil. Die 2A und 2B sind
Vergleichsfotografien, die durch mikroskopische Untersuchung zeigen,
dass nach der Temperaturwechselbeanspruchung kein Anstieg der Anzahl
großer
Teilchen in der Tinte vorliegt.
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Beispiel 5
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Physische Eigenschaften
von Ink Set 0.7 vor und nach einem Frost-Tau-Testen
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Proben
von Ink Set 0.7, sowohl vor als auch nach der Temperaturwechselbeanspruchung
genommen, wurden auf Viskosität,
Dichte, pH, Oberflächenspannung
und Teilchengrößenzählwerte
hin getestet. Ergebnisse der Tests sind in den Tabellen unten gegeben.
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Viskosität von Ink
Set 0.7, centiPoise, vor und nach dem T-Zyklus
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Dichte
von Ink Set 0.7, centiPoise, vor und nach dem T-Zyklus
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pH
von Ink Set 0.7 vor und nach dem T-Zyklus
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Oberflächenspannung
von Ink Set 0.7 vor und nach dem T-Zyklus
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Teilchengrößenzählwert,
Teilchen > 0,5 μm pro ml,
von Ink Set 0.7 vor und nach dem T-Zyklus
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Die
Ergebnisse in den Tabellen zeigen, dass die Frost-Tau-Zyklen die Tinteneigenschaften
nicht wesentlich beeinflussen. Mit der Teilchengröße ist kein
Anstieg des Zählwerts
großer
Teilchen bei Cyan und Gelb und ein kleiner Anstieg bei Magenta zu
sehen.
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Beispiel 6
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Wirkung
von Glyzerin auf Frost-Tau-Beständigkeit
pigmentierter schwarzer Tinten von Hewlett-Packard Eine Druckkassette
für pigmentierte
schwarze Tinte (HP 51645A) wurde geöffnet und die schwarze Tinte wurde
gesammelt. Glyzerin (3g) wurde zu 30g gesammelter Tinte zugegeben
und das System wurde gemischt. Danach wurde der oben beschriebene
Frost-Tau-Test sowohl bei der intakten schwarzen Tinte als auch bei
der Tinte, die den Glyzerin-Zusatzstoff enthält, durchgeführt. Nach
dem Test wurde der Gehalt der großen Teilchen in der Tinte gemessen.
Die Proben wurden unten in der Phiole gesammelt, wo die Konzentration
der Pigmentklumpen erwartungsgemäß höher ist.
Die Ergebnisse sind in den Tabellen unten gezeigt.
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Die
Ergebnisse der obigen Tabellen zeigen, dass die Frost-Tau-Zyklen die Anzahl
sehr großer
Teilchenaggregate (5 bis 20 mm) beträchtlich um ein bis zwei Größenordnungen
erhöhen.
Andererseits ist bei Vorliegen von Glyzerin kein derartiger Anstieg
zu beobachten.
