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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Tintenstrahldruck und insbesondere
die Aufbringung schwarzer und farbiger Tinten auf einem speziell
beschichteten Substrat zur Verbesserung der Haltbarkeit und Bildqualität.
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Beim
kontinuierlichen Tintenstrahldrucken wird Tinte unter Druck zu einem
Verteilerbereich befördert, der
die Tinte auf eine Vielzahl von Öffnungen
verteilt, die typischerweise linear angeordnet sind. Die Tinte entlädt sich
aus den Öffnungen
in Fäden,
die zu Tropfenströmen
werden. Das Grundprinzip beim Drucken mit diesen Tropfenströmen besteht
darin, bestimmte Tropfen aufzuladen und von ihrer normalen Flugbahn
abzulenken. Die grafische Reproduktion erfolgt durch wahlweises
Laden und Ablenken von Tropfen aus den Tropfenströmen und
durch Ablagern von mindestens einem der Tropfen auf einem Druckempfangsmedium,
während die
anderen Tropfen auf eine Tropfenauffangeinrichtung treffen. Der
kontinuierliche Tintenstrahldruckprozess wird beispielsweise beschrieben
in US-A-4,255,754; 4,698,123 und 4,751,517, deren Beschreibung durch Nennung
in ihrer Gesamtheit als hierin aufgenommen betrachtet wird.
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Die
Erzielung einer Verbesserung der Dauerhaftigkeit und Dichte von
Tintenstrahldrucken bleibt im Druckgeschäft oberste Priorität. Damit
das Tintenstrahlgeschäft
im grafischen Gewerbe, bei Textilien, Lotterien, Geschäftsvordrucken
und im Verlagswesen wachsen kann, muss eine deutliche Verbesserung
der Wasserfestigkeit und der Dichte des Bildes unter Beweis gestellt
werden.
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Substrathersteller
stellen zahlreiche Tintenstrahlsubstrate unter Verwendung beschichteter
Komponenten her. Beschichtete Komponenten, wie amorphe und ausgefällte Silicate,
variieren in ihrer Teilchengröße und deren
Verteilung. Mehrwertige, vernetzende, häufig kationische Komponenten
enthalten speziell behandelte High-Bulk-Oxide von derartigen Metallen,
wie Aluminium, Titanium, Zirconium, Lanthan, Magnesium; modifizierte
Stärken;
wasserlösliche
polymere Bindemittel, wie hydrolysierte PVA, und Harze. Je nach
Zusammensetzung und Beschichtungsverfahren ergeben derartige Substrate
unterschiedliche Werte für
Punktzuwachs, Helligkeit, optische Dichte, Absorptionsvermögen, Trocknungsvermögen und
Wasserbeständigkeit
des im Tintenstrahlverfahren bebilderten Bildes.
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Es
hat sich erwiesen, dass die Verwendung von hydroxyalkyliertem Polyethylenimin
(EPI) in Tintenstrahltinten die Wasserfestigkeit dieser Tinten wesentlich
verbessert, wie in
EP 0 822 237 beschrieben,
worin eine Tintenstrahltinte beschrieben wird, die ein flüssiges Bindemittel,
einen Farbstoff, hydroxyalkylierte Polyethylenimine und ein Ammoniumsalz
enthält.
Polymere Tinten, die zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit eines Bildes
verwendet werden, laufen im Drucker allerdings nicht so gut wie
nicht polymere Tinten und erfordern eine häufigere Systemwartung. Außerdem erzielen
nicht schwarze Tinten nur eine moderate Verbesserung der Wasserbeständigkeit
mit EPI, wahrscheinlich aufgrund der extremen Löslichkeit der nicht schwarzen
Farbstoffe.
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Die
Wasserfestigkeit gedruckter Bilder lässt sich durch Tintenformulierung
erreichen. Die Verwendung von beispielsweise Pigmenten anstelle
löslicher
Farbstoffe vermag aufgrund ihrer Unlöslichkeit in Wasser dauerhafte
Bilder zu erzeugen. Pigmente haben allerdings eine sehr schlechte
Redispergierbarkeit, nachdem die Tinte auf der Öffnungsplatte oder auf den
Ladungsleitungen getrocknet ist. Dies ist einer guten Laufeigenschaft in einem
kontinuierlichen Tintenstrahldrucker abträglich. Ein weiterer Ansatz
besteht in der Verwendung wasserlöslicher Farbstoffe in Anwesenheit
von Polymeren. Allerdings erlauben es Viskositätsbeschränkungen für Tintenstrahltinten (1,0 bis
1,5 cP) nicht, genügend
Polymer zuzufügen,
um eine nahezu 100%ige Dauerhaftigkeit zu erzielen, ohne die Viskositätsgrenze
zu überschreiten.
Dies wird im Falle sehr wasserlöslicher
Farbstoffe sehr kritisch, die mehr Polymer zur Fixierung benötigen.
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Es
besteht Bedarf nach einem verbesserten Verfahren zur Optimierung
der Wasserfestigkeit in einer wässrigen,
schwarzen oder nicht schwarzen, farbstoffbasierten Tinte.
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Diese
Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsmaterial gelöst, worin
eine Verbesserung der Dauerhaftigkeit schwarzer und spezieller nicht
schwarzer, farbiger Tintenstrahldrucke erzielt wird. Anstatt die
Polymerlösung
auf die Tinte aufzubringen, wird die Polymerlösung auf das Substrat als eine
Vor- oder Nachbeschichtung aufgebracht. Dies hat den Vorteil, dass
genügend
Polymer verwendet werden kann, ohne die Laufeigenschaften der Tinte
nachteilig zu beeinflussen. Außerdem
bleiben die Tintenrezepturen einfach, was die Wahrscheinlichkeit
verbessert, dass sie in Tintenstrahlsystemen einwandfrei laufen.
Das erfindungsgemäß beschichtete
Material lässt
sich auf das poröse
Substrat als eine Vordruckbeschichtung oder als eine Nachdruckbeschichtung
auftragen.
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein beschichtetes
Material ein poröses
Substrat zur Verwendung in einem Tintenstrahldrucksystem, wobei
das Material zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit der Tintenstrahlbebilderung
auf dem Material durch Aufbringen einer Beschichtungskomposition
auf das poröse
Substrat vor oder nach dem Drucken von Bildern auf das Substrat
erhalten werden kann, und wobei die Beschichtungskomposition ein
flüssiges
Bindemittel, ein ethoxyliertes Poly ethylenimin-Polymer, ein Tensid und
einen Elektrolyten umfasst. Wenn das Beschichtungsmaterial auf das
poröse
Substrat aufgebracht wird, werden wasserfeste Drucke erzeugt, die
beständig
gegen Verschmieren oder Auslaufen sind, wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt
werden. Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden im Zuge
der nachfolgenden Beschreibung und der anhängenden Ansprüche deutlich.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein beschichtetes Material mit einem
porösen
Substrat bereit. Das Auftragen einer Beschichtungskomposition auf
das poröse
Substrat kann vor oder nach dem Drucken erfolgen, und zwar mithilfe
geeigneter Aufbringungstechniken, wie beispielsweise Aufsprühen. Das
Beschichtungsmaterial ist insbesondere zur Verwendung auf einem
porösen
Substrat vorteilhaft, einschließlich
einem Textil-, Papier- oder zellstoffbasierten Substrat. Die Substratbeschichtung
verbessert die Dauerhaftigkeit des Tintenstrahlbildes auf dem Substrat,
um wasserfeste Drucke zu erzeugen, die gegenüber Verschmieren oder Auslaufen
beständig
sind, wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt werden.
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Erfindungsgemäß umfasst
die Beschichtungskomposition eine wässrige Lösung aus einem Polymer, einem
Tensid und einem Elektrolyten. Das Polymer vernetzt mit dem Farbstoff
in der Tintenstrahltinte. Das Tensid verbessert die Benetzung der
Beschichtung auf dem Substrat. Der Elektrolyt senkt die Löslichkeit
der Tinte in der Beschichtung.
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Die
folgenden Beispiele zeigen verschiedene Rezepturen für die vor
und nach dem Drucken aufzutragende Beschichtungslösung zur
Verwendung in der vorliegenden Erfindung sowie die resultierende
Wirksamkeit jedes Ausführungsbeispiels. Beispiel
1
| Ethoxyliertes
Polyethylenimin (20%ige Lösung) | 5,0% |
| Surfynol
465 | 0,3% |
| Entsalztes
Wasser | 94,7% |
Beispiel
2
| Ethoxyliertes
Polyethylenimin (20%ige Lösung) | 5,0% |
| Surfynol
104E | 0,05% |
| Natriumsulfat | 1,0% |
| Entsalztes
Wasser | 93,95% |
Beispiel
3
| Ethoxyliertes
Polyethylenimin (20%ige Lösung) | 5,0% |
| Surfynol
TGE | 0,1% |
| Ammoniumsulfat | 1,0% |
| Entsalztes
Wasser | 93,9% |
Beispiel
4
| Ethoxyliertes
Polyethylenimin (20%ige Lösung) | 5,0% |
| Surfynol
440 | 0,1% |
| Ammoniumsulfat | 1,0% |
| Isopropylalkohol | 2,0% |
| Entsalztes
Wasser | 91,9% |
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Um
die Wirksamkeit der Lösungen
in jedem vorstehenden Beispiel zu ermitteln, wurden drei verschiedene
Substratkartons (Kraft, White Top und chemikalisch behandelter Zellstoff)
mit Lösungen
der Beispiele 1, 2, 3 und 4 besprüht und dann mit einer Wärmepistole
getrocknet. Die besprühten
Kartons wurden dann bebildert, und die Drucke wurden auf Wasserfestigkeit,
Verlaufen und Druckdichte bewertet. Lösungen der vorstehenden Beispiele
wurden zudem auf einem vorab bebilderten Substrat bewertet, indem
die gedruckten Substrate nach dem Trocknen besprüht wurden.
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Die
folgende Tabelle zeigt die mit den verschiedenen Beschichtungslösungen erzielten
Ergebnisse: I.
Vorbeschichtung
II.
Nachbeschichtung
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Anhand
dieser Ergebnisse wird deutlich, dass Ammoniumsulfat den weiteren
Vorteil hat, dass es den pH-Wert senkt, wodurch sich die kationischen
Eigenschaften von EPI verbessern. Dies verbessert wiederum die Interaktion
mit anionischen Farbstoffen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst die wässrige
Beschichtungslösung somit
0,5 bis 10% (bezogen auf 100%) EPI, 0,05 bis 0,5% eines Tensids,
0,5 bis 5% eines Elektrolyten und Wasser.
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Das
Tensid kann ein beliebiges nicht ionisches, anionisches oder kationisches
Tensid sein, beispielsweise Surfynol 465, Surfynol TGE und Surfynol
104E. Das Tensid in der Beschichtungsflüssigkeit verbessert die Benetzung
stark hydrophober Substrate. Außerdem
kann der Elektrolyt ein beliebiges, wasserlösliches, anorganisches Salz
sein, beispielsweise Natriumsulfat oder Ammoniumsulfat. Die Zugabe
von Salz zu der Beschichtungslösung
vermindert die Löslichkeit
des Farbstoffs in der wässrigen
Lösung,
um eine effektive Interaktion zwischen Polymer und Farbstoff zu
ermöglichen.
Ammoniumsulfat hat den zusätzlichen
Vorteil, dass es den pH-Wert senkt, wodurch sich die Interaktion
zwischen Polymer und Farbstoff verbessert. Weitere Additive, die
wahlweise in das erfindungsgemäße Bindemittel
eingebracht werden können,
sind ein niederer aliphatischer Alkohol von 0-10%, etwa Ethanol
oder IPA, und ein Biocid, wie 1,2-Benzoisothiazolin-2-on von 0-0,3%.
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Die
Beschichtungslösung
kann mit jedem geeigneten Mittel aufgebracht werden, beispielsweise
durch Sprühen,
durch Walzenauftrag oder durch Auftrag mittels eines Druckkopfes,
der in Linie mit den Tintenauftragsdruckköpfen angeordnet ist. Bei Verwendung
eines Druckkopfes zum Auftragen der Beschichtungslösung besteht
die Möglichkeit,
nur den gedruckten Bildbereich mit dem Beschichtungsmaterial zu
bedecken anstatt die gesamte Fläche
des Substrats. Nach einem Nachbeschichtungsauftrag kann der Druck
getrocknet werden, beispielsweise mit einer Wärmepistole, um das Bild zu
stabilisieren.
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Alternativ
hierzu kann die Beschichtungszusammensetzung vor der Bebilderung
auf das Substrat aufgebracht werden, und zwar als Vorbeschichtungsmaterial.
Der Vorbeschichtungsauftrag hat ggf. den Vorteil, dass ein Verlaufen
der Farben während
der Bebilderung entfällt,
da die Farbstoffe sofort fixiert werden, sobald die Tinte das vorbeschichtete
Substrat berührt.
Beim Vorbeschichten erscheint das Bild zudem dunkler und mit schärferen Kanten,
da die Beschichtung das Eindringen von Tinte minimiert und einen
größeren Anteil
fixierter Farbstoffe auf der Oberfläche ermöglicht. Außerdem kann ein vollständiges Trocknen
des vorbeschichteten Substrats möglicherweise
entfallen. Der Trocknungsvorgang kann somit nach der Bebilderung
erfolgen, was erhebliche Energieeinsparungen mit sich bringt.
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Die
Bebilderung kann auf einer Endlospapierbahn erfolgen, wobei das
Papier mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsmaterial
beschichtet wird. Die verschiedenen Farbköpfe sind hintereinander derart
angeordnet, dass sie das Bild in Folge auf dem Papier bebildern,
während
dieses unter dem Kopf hindurchtritt. Um Farbbilder mit hoher Qualität zu erhalten,
werden mehrere Tropfen jeder farbigen Tinte an jeder Pixelstelle gedruckt.
Der Strahlabstand beträgt
240-300 dpi bei einem Öffnungsdurchmesser
von 17,8 μm
bis 22,86 μm (0,7
bis 0,9 mil). Die Anregungsfrequenz beträgt 100 kHz, und sämtliche
Köpfe sind
synchronisiert. Die Bahngeschwindigkeit ist typischerweise auf 60,96
bis 152,4 m/min (200-500 feet/min) genau gesteuert.
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Wenn
die Bilder vor dem Aufbringen des Beschichtungsmaterials gedruckt
werden, bewirkt die Aufbringung von Feuchtigkeit auf den Druck ein
extremes Verlaufen bis hin zu dem Punkt, dass die Farbe vollständig entfernt
wird. Wenn das erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial
auf die Tintenstrahldrucke aufgetragen und dann getrocknet wird,
sind die Bilder nahezu zu 100% dauerhaft, sogar wenn sie mit Wasser
besprüht
werden. Alternativ hierzu kann das Beschichtungsmaterial als Vordruckbeschichtung
auf das Substrat aufgetragen werden, d.h. vor der Bebilderung, und
zwar mit im Wesentlichen gleichen Ergebnissen.
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Wie
einschlägigen
Fachleuten klar sein wird, sind die Komponenten, die die Beschichtung
umfasst, kommerziell erhältlich.
In der Technik ist bekannt, dass Wasserfestigkeit farbstoffspezifisch
ist, was zu Abweichungen bezüglich
des Grades der erziel ten Wasserfestigkeit führt, insbesondere wenn unterschiedliche
Tinten auf das Substrat aufgebracht werden. Nahezu alle Tintenstrahltinten,
die auf eine Vielzahl üblicher
Substrate aufgetragen werden, erzeugen eine stark unterschiedliche
Bildqualität.
Die Unterschiede betreffen optische Dichte, Helligkeit, Dauerhaftigkeit,
Trocknung und Punktauflösung.
Die erfindungsgemäße Substratbeschichtungskomposition
ist insbesondere für
das Drucken dauerhafter Bilder auf Karton abstimmbar, die zur Anfertigung
von Schachteln dienen. Eine weitere Anwendung ist die Behandlung
von Textilmaterialien, die mit Direktfarbstoffen bedruckt werden.
Direktfarbstoffe haben eine sehr geringe Wasserfestigkeit auf Cellulosefasern.
Die Behandlung des Gewebes mit der erfindungsgemäßen Beschichtungslösung vermag
Fasern mit exzellenter Wasserfestigkeit zu erzeugen.
