DE69111663T2 - PH-unempfindliches Antikogationsmittel für Tintenstrahlschreiber. - Google Patents
PH-unempfindliches Antikogationsmittel für Tintenstrahlschreiber.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Tinten, die in Tintenstrahldruckern verwendet werden, und insbesondere auf eine Tinte, die in Tintenstrahldruckern verwendet wird, mit verbesserten Kogationseigenschaften.
- Thermische Tintenstrahldrucker bieten eine günstige, hochwertige und vergleichsweise geräuscharme Alternative zu anderen Typen von Druckern, die gewöhnlich mit Computern verwendet werden. Solche Drucker verwenden ein Widerstandselement in einer Kammer, die mit einem Einlaß versehen ist, durch den Tinte aus einem vollständig gefüllten Raum in dieselbe gelangt. Der vollständig gefüllte Raum ist mit einem Behälter zum Speichern der Tinte verbunden. Eine Mehrzahl solcher Widerstandselemente ist in einem speziellen Muster, das als Grundmuster bezeichnet wird, in einem Druckkopf angeordnet. Jedes Widerstandselement gehört zu einer Düse in einer Düsenplatte, durch die Tinte in Richtung eines Druckmediums ausgestoßen wird. Die gesamte Anordnung des Druckkopfs und des Behälters weist einen Tintenstrahlstift auf.
- Im Betrieb ist jedes Widerstandselement über eine leitfähige Spur mit einem Mikroprozessor verbunden, wobei Strom-führende Signale bewirken, daß ein oder mehrere ausgewählte Elemente erhitzt werden. Die Erhitzung erzeugt eine Tintenblase in der Kammer, die durch die Düse in Richtung des Druckmediums ausgestoßen wird. Auf diese Weise bildet das Aktivieren einer Mehrzahl solcher Widerstandselemente in einer bestimmten Reihenfolge in einem gegebenen Grundmuster alphanumerische Zeichen, führt eine Flächenausfüllung durch und liefert weitere Druckfähigkeiten auf dem Medium.
- Ein Problem mit Tinten, die in solchen thermischen Tintenstrahldruckern verwendet werden, besteht darin, daß das wiederholte Erhitzen des Widerstandselements über mehrere Hundert oder Tausend oder über Millionen von Aktivierungen eine Zerlegung der Tinte bewirken kann, mit einer nachfolgenden Verschmutzung der Oberfläche des Widerstandselements. Dieser Prozeß wurde mit "Kogation" bezeichnet, was als das Aufbauen eines Rückstands (Koga) auf der Widerstandsoberfläche definiert ist. Das Aufbauen eines Rückstandes verschlechtert das Stiftverhalten.
- Verschiedene Tintenzusammensetzungen und Prozesse wurden bei einem Versuch, die Kogation zu reduzieren, entwickelt. Z.B. ist in den anionischen Farbstoffen (Sulfonat oder Karboxilat), die gewöhnlich in wässrigen Tinten verwendet sind, die beim thermischen Tintenstrahldrucken verwendet werden, im allgemeinen Natrium das verwendete Gegenion. Obwohl Farbstoffe, die Natrium-Gegenionen enthalten, im allgemeinen eine gute Druckqualität liefern, wurde jedoch herausgefunden, daß Natrium-Gegenionen zu dem Kogationsproblem beitragen.
- Eine Lösung bestand darin, Natrium teilweise oder vollständig zu beseitigen. Erfolgreiche Austauschgegenionen sind Lithium und Tetramethyl-Ammonium.
- Es bleibt der Bedarf nach der Entwicklung von Tinten mit einer reduzierten Kogation und daher einer längeren Haltbarkeit, unter Verwendung günstiger Chemikalien und mit einer minimalen zusätzlichen Verarbeitung.
- Das FR-A-2305479 beschreibt Tintenzusammensetzungen für Tintenstrahldrucker. Die Zusammensetzungen weisen Wasser, einen Wasser-unlöslichen Farbstoff, ein Lösungsmittel für den Farbstoff, das im Wasser unmischbar ist, und einen Komplexbildner auf. Der Komplexbildner weist ein Diethanol- oder Triethanol-Aminsalz einer langkettigen Fettsäure und ein aromatisches, anionisches, aktives Benetzungsmittel auf. Das aktive Benetzungsmittel ist vorzugsweise ein Natrium-Aryl- Sulfonat. Der Zusatz des Komplexbildners hat eine stabile, homogene Tintenmischung zur Folge, die für Tintenstrahldrucker geeignet ist.
- Die vorliegende Erfindung liefert eine Tinte zum Tintenstrahldrucken mit folgenden Merkmalen: (a) einem Trägermittel, das zumindest ein wasserlösliches, organisches Lösungsmittel und Wasser aufweist, und (b) einen anionischen oder kationischen Farbstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Tinte ferner zumindest ein organisches Säuresulfonat aufweist.
- Die organischen Sulfosäure-Salze, die der Tinte zugesetzt werden, reduzieren die Kogation verglichen mit Tinten, die keine solchen Säuresalze enthalten, oder beseitigen sie sogar vollständig. Die organischen Sulfosäure-Salze, wie z.B. Natrium-Methan-Sulfonat, sind in wässrigen Lösungen nicht pH-empfindlich und sind mit anionischen und kationischen Farbstoffen bei Konzentrationen von weniger als etwa 6% Masseanteil löslich.
- Fig. 1 ist auf Koordinaten des Gewichts (in Nanogramm, ng) und Anzahl von Zyklen (Widerstandsaktivierungen) eine Darstellung des Tropfengewichts über den Zyklen für drei unterschiedliche Energien einer Tinte, die die Zusatzstoffe der Erfindung nicht einschließt, und zeigt die Wirkung der Kogation auf das Tropfengewicht bis 0,4 Millionen Zyklen (Fig. 1a) und bis 5 Millionen Zyklen (Fig. 1b); und
- Fig. 2 bis 8 sind Darstellungen, die ähnlich der von Fig. 1 sind, jedoch für eine Tinte, die einen Zusatzstoff der Erfindung mit verschiedenen Konzentrationen enthält, und zeigen eine geringere Abnahme des Tropfenvolumens mit zunehmendem Zusatzstoff der Erfindung, wobei die Fig. "a" die Ergebnisse bis 0,4 Millionen Zyklen zeigen, während die Fig. "b" die Ergebnisse bis 5 Millionen Zyklen Zeigen.
- Tinten, die durch die Verwendung der Erfindung verbessert sind, weisen ein Lösungsmittel und einen Farbstoff auf. Das Lösungsmittel weist typischerweise eine oder mehrere, wasserlösliche, organische Verbindungen auf, wie z.B. ein Glykol oder Glykoläther und Wasser. Der Farbstoff kann ein beliebiger anionischer oder kationischer Farbstoff sein. Der Farbstoffliegt typischerweise in einer Menge im Bereich von etwa 1 bis 12% (Masseanteil) vor, obwohl mehr oder weniger Farbstoff verwendet werden kann, abhängig von dem Lösungsmittel/Farbstoff-System, der gewünschten optischen Dichte, usw.. Typischerweise beträgt die Farbstoffkonzentration etwa 2 bis 6% (Masseanteil). Alle Mengen hierin sind Masseanteile, es sei denn, etwas anderes ist angezeigt.
- Insbesondere sind hierin Basic Violet 7 (8V7) (Elementarviolett 7) und Basic Blue 3 (883) (Elementarblau) als Farbstoffe verwendet.
- Die speziellen, wasserlöslichen, organischen Verbindungen und ihre Konzentrationen bilden keinen Teil dieser Erfindung. Beispiele solcher Verbindungen schließen jedoch Glykole, wie z.B. Ethylenglykol, Diethylenglykol, Propylenglykol, Polyethylenglykol, usw., und Pyrrolidone, wie z.B. 2-Pyrrolidon, ein. Üblicherweise liegt das Glykol in einer Menge von 50% vor, und noch typischer von etwa 1 bis 10%, und als Rest Wasser. Das Pyrrolidon liegt üblicherweise in einer Menge von etwa 7 bis 10% vor und als Rest Wasser.
- Andere Zusatzstoffe können der Tinte zugesetzt sein, wie z.B. Fungizide, Bakterizide, pH-Einstellmittel und dergleichen, wie gut bekannt ist. Derartige Zusatzstoffe und die Materialien, die in dem Lösungsmittel und dem Farbstoff enthalten sind, besitzen eine Reinheit, die gewöhnlich in der normalen kommerziellen Praxis gefunden wird.
- Gemäß der Erfindung reduziert der Zusatz eines organischen Sulfo-Säuresalzes die Kogation signifikant und kann dieselbe sogar vollständig eliminieren. Bevorzugte Beispiele derartiger organischer Sulfosäuresalze schließen Natriummethansulfonat, Natrium-4-Toluensulfonat und Natrium-Propen-1- Sulfonat ein.
- Organische Sulfosäuresalze wurden für eine bestimmte Zeit als inaktive Salze in galvanischen Bädern verwendet. Verbindungen, wie z.B. R-SO&sub3;&supmin;M&spplus;, wobei M&spplus; gleich Na&spplus;, Li&spplus;, K&spplus;, NH&sub4;&spplus;, R&sub3;N&spplus; usw., ist, und wobei R gleich -CH&sub3;,-C&sub2;H&sub5; oder von einer beliebigen azyklischen Länge, verzweigt oder andersartig, oder eine beliebige Arylgruppe, wie z.B. -C&sub6;H&sub5;-X, ist, wobei x gleich Cl, Br, NO&sub2;, CH&sub3;, usw., ist, sind aufgrund ihrer elektrochemischen und thermischen Stabilität über eine große Vielfalt von Bedingungen attraktiv. Sie sind ferner ph-unempfindlich, da alle Sulfosäuren in wässrigen Lösungen vollständig ionisiert sind. Das attraktive Merkmal des organischen Radikals ermöglicht ein "Abrunden" den Hydrophobie- Betrags, den das Salz aufweisen kann.
- Die Auswahl des Gegenions (M&spplus;) stellt kein erforderliches Merkmal dar, solange sie die Reduzierung der Kogation nicht nachteilig stört. Beispiele geeigneter Kationen schließen Alkalimetalle, Ammonium und Alkyl-Ammonium ein. Ein besonders wirkungsvolles Salz ist Natrium-Methan-Sulfonat.
- Bei thermischen Tintenstrahl-Tinten ist die thermische und elektrochemische Stabilität der Alkyl- oder Aryl-Sulfonate attraktiv. Im Gegensatz zu Phosphor-haltigen Salzen, die toxisch, pH-empfindlich und labil sein können, sind diese Sulfonatverbindungen relativ nicht-toxische, stabile, starke Elektrolyte.
- Die Menge des zugesetzten organischen Säuresulfonats liegt in einem Bereich von etwa 0,3 bis 6% Masseanteil und hängt etwas von dem verwendeten Farbstoff ab. Der Grund für diese Abhängigkeit ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht klar, jedoch könnte der Zusatzstoff die Lösungschemie der Farbstoffe beeinflussen, d.h. den Zustand der Aggregation des Farbstoffes. Es ist möglich, daß eine zu geringe Konzentration nicht wirksam ist, obwohl eine zu hohe Konzentration ein Verkrusten der Tinte in dem Druckkopf und/oder eine Ablagerung des Farbstoffs zur Folge hat. Vorzugsweise beträgt die Menge des organischen Säuresulfonats mindestens etwa 1% Masseanteil.
- Tinten wurden unter Verwendung eines Farbstoffes, der 5,5% Diethylenglykol, 0,3% Nuosept C (ein Biozid) und als Rest Wasser enthielt. Eine Menge des Farbstoffs 8V7, um Abs548nm = 0,16 zu liefern, wurde hinzugefügt, um die Tinte herzustellen. Jeder Tinte wurde einer der folgenden Zusatzstoffe zugesetzt: 0,1%, 0,5%, 1%, 3% oder 5% Natrium-Methansulfonat (NaOSO&sub2;Me) oder 0,1% Natrium-4-Toluensulfonat (NaOTs).
- Wie vorher angezeigt wurde, verschlechtert die Kogation, die die verringerten Tropfenvolumen begleitet, das Stiftverhalten. Eine Verschlechterung des Stiftverhaltens kann durch das Messen (das Wiegen) der Tropfen, die von einem Stift abgefeuert werden, überwacht werden. Eine Änderung des Tropfenvolumens zeigt die Bildung von Widerstandsrückständen an.
- In dem Test wurden Tröpfchen, die von einem Stift ausgestoßen wurden, gesammelt und in einem Tiegel auf einer analytischen Waage gewogen. Ein Durchschnittsgewicht wird erhalten und gewöhnlich als Tropfenvolumen in Pikolitern (pL) bezeichnet. Der gegenwärtige Test arbeitet bei drei unterschiedlichen Energien (15%, 30%, 45%) über der Energie, die erforderlich ist, um ein Tröpfchen aus einer Düse abzuschießen, um einen Verhaltensbereich (OE) zu erhalten. Bei einem gegebenen Drucker und einem gegebenen Stift unter normalen Betriebsbedingungen, wird ein Stift bei einer einzigen Energie betrieben.
- In den Figuren stellt die gestrichelte Linie 15% OE dar, die schwere durchgehende Linie stellt 30% OE dar, und die leichte durchgehende Linie stellt 45% OE dar. Die leichte durchgehende Linie, die in den Figuren als -C-C- gezeigt ist, stellt eine getrennte Steuergruppe der Düsen des Stiftes dar, die mit 30% OE abgeschossen wurde.
- Die Fig. 1a und 1b zeigen eine Kogationsmessung einer Tinte mit der oben gegebenen Zusammensetzung, ohne irgendein organisches Säuresulfonat. Es ist deutlich, daß es eine große Abnahme des Tropfenvolumens (die Bestimmung findet gewichtsmäßig statt) bei dieser Tinte gibt, die beinahe unverzüglich beginnt.
- Zum Vergleich sind die Kogationsergebnisse für die gleiche Basistintenzusammensetzung mit unterschiedlichen Mengen von Natrium-Methansulfonat und mit Natrium-4-Toluen-Sulfonat, wie oben beschrieben ist, in den Fig. 2 bis 8 gezeigt. Der Zusatz von Natrium-Methansulfonat ergibt deutlich eine geringere Abnahme des Tropfenvolumens mit zunehmender Stiftlebensdauer. Die Tinten der Erfindung weisen eine wesentlich geringere Abnahme bis 5 Millionen Zyklen nach.
- Mit einer zunehmenden Menge an Natrium-Methansulfonat existiert eine geringere Abnahme des Tropfenvolumens mit zunehmender Stiftlebensdauer; jedoch verursachen größere Konzentrationen als etwa 6% eine Ablagerung des Farbstoffs. Obwohl die Änderung des Tropfenvolumens etwa p 25 pH bei allen überschüssigen Energien beträgt, existiert eine deutliche Verbesserung gegenüber der Tinte ohne den Zusatz.
- Es wird erwartet, daß der organische Säuresulfonat-Zusatzstoff der Erfindung Verwendung bei Tinten, die in thermischen Tintenstrahldruckern verwendet werden, findet.
Claims (13)
1. Eine Tinte zum thermischen Tintenstrahldrucken mit
folgenden Merkmalen: (a) einem Trägermittel, das zumindest
ein wasserlösliches, organisches Lösungsmittel und
Wasser aufweist, und (b) einem anionischen oder
kationischen Farbstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Tinte
ferner zumindest ein organisches Säuresulfonat aufweist.
2. Eine Tinte gemäß Anspruch 1, bei der das Trägermittel
mindestens ein Glykol und als Rest Wasser aufweist.
3. Eine Tinte gemäß Anspruch 2, bei der das Trägermittel
Diethylenglykol mit einem Masseanteil von bis zu 10%
aufweist.
4. Eine Tinte gemäß Anspruch 3, bei der das Trägermittel
Diethylenglykol mit einem Masseanteil zwischen etwa 1
und 10% aufweist.
5. Eine Tinte gemäß Anspruch 1, bei der das Trägermittel
mindestens ein Pyrrolidon und als Rest Wasser aufweist.
6. Eine Tinte gemäß Anspruch 5, bei der das Trägermittel
2-Pyrrolidon mit einem Masseanteil bis zu etwa 10%
aufweist.
7. Eine Tinte gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6,
die einen kationischen oder anionischen Farbstoff mit
einem Masseanteil von 1 bis 12% aufweist.
8. Eine Tinte gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7,
bei der das zumindest eine organische Säuresulfonat die
Formel R-SO&sub3;&supmin; M&spplus; besitzt, wobei M&spplus; ein Kation ist, das
aus Na&spplus;, Li&spplus;, K&spplus;, NH&sub4;&spplus;, und R&sub3;N&spplus; ausgewählt ist, und
wobei R ein organischer Anteil ist, der aus
aliphatischen und Aryl-Gruppen ausgewählt ist.
9. Eine Tinte gemäß Anspruch 8, bei der R ein organischer
Anteil ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus
-CH&sub3;, -C&sub2;H&sub5; und -C&sub6;H&sub5;-X besteht, wobei X gleich Cl, Br,
NO&sub2; oder CH&sub3; ist.
10. Eine Tinte gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7,
bei der das zumindest eine organische Säuresulfonat im
wesentlichen aus Natrium-Methansulfonat, Natrium-4-
Toluen-Sulfonat oder Natrium-Propen-1-Sulfonat besteht.
11. Eine Tinte gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis
10, bei der das zumindest eine organische Säuresulfonat
in einem Mengenbereich von etwa 0,3 bis 6% Masseanteil
in der Tinte vorliegt.
12. Eine Tinte gemäß Anspruch 11, bei der die Menge
mindestens etwa 1% Masseanteil ist.
13. Ein Verfahren zum Reduzieren der Kogation in einem
thermischen Tintenstrahldrucker, das den Schritt des
Druckens mit dem thermischen Tintenstrahldrucker unter
Verwendung einer Tinte gemäß einem beliebigen der
Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
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