DE69211961T2

DE69211961T2 - Nicht-koaleszierende Tintenzusammensetzung und ihre Herstellung

Info

Publication number: DE69211961T2
Application number: DE69211961T
Authority: DE
Inventors: Raymond J Adamic; Theresa A Gibney
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1991-11-26
Filing date: 1992-11-23
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2012-11-24
Also published as: JPH05271588A; DE69211961D1; EP0544487A1; HK13497A; JP3296607B2; US5188664A; EP0544487B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Drucktechnologie und spezieller auf die Herstellung und die Verwendung von Tintenzusammensetzungen, die chemische Additive in denselben aufweisen, die die Druckqualität wesentlich verbessern.
Auf dem Gebiet der elektronischen Drucktechnologie wurden signifikante Entwicklungen durchgeführt. Speziell existiert derzeit eine große Vielzahl von hocheffizienten Drucksystemen, die in der Lage sind, Tinte auf eine schnelle und genaue Art und Weise zu verteilen. Thermische Tintenstrahlsysteme sind zu diesem Zweck besonders nützlich. Kassetten für das thermische Tintenstrahldrucken weisen elementar einen Tintenbehälter in einer Fluid-Verbindung mit einem Substrat auf, das eine Mehrzahl von Widerständen auf demselben aufweist. Die selektive Aktivierung der Widerstände bewirkt eine thermische Anregung der Tinte und einen Ausstoß derselben aus der Tintenkassette. Beispielhafte thermische Tintenstrahlsysteme sind in den U.S.-Patenten Nr. 4,500,895, erteilt an Buck u.a.; Nr. 4,513,298, erteilt an Scheu; Nr. 4,794,409, erteilt an Cowger u.a., dem Hewlett-Packard Journal, Bd. 36, Nr. 5 (Mai 1985); und dem Hewlett-Packard Journal, Bd. 39, Nr. 4 (August 1988), offenbart, die alle hiermit durch Bezugnahme aufgenommen sind.
Der Existenz weiterentwickelter Drucksysteme nicht entgegenstehend wurde auch zusätzliche Forschung durchgeführt, um neue und wirksame Tintenprodukte zur Verwendung in diesen Systemen zu erzeugen. Wenn Tintenzusammensetzungen nicht ordnungsgemäß formuliert sind, können Probleme bezüglich der Tintenzufuhr und der Bildqualität auftreten. Diese Probleme sind speziell in Kassettensystemen akut, die kein Schaumstoff- oder Schwamm-Typ-Behältersystem zum Halten der Tinte in demselben aufweisen. Es ist für Tintenprodukte beispielsweise wichtig, speziell formuliert zu sein, derart, daß die oberflächenspannungspegel derselben nicht übermäßig hoch sind. Tintenzusammensetzungen mit übermäßig hohen Oberflächenspannungspegeln (beispielsweise +60 Dyn/cm) erzeugen häufig Grafiken, die einen geringen Grad an Qualität und Auflösung aufweisen. Außerdem können aufgebrachte Tintenzusammensetzungen mit hohen Oberflächenspannungswerten auf dem Papier oder anderen Druckmedien, die verwendet werden, sprenkeln oder verschmelzen, wodurch fleckige Bilder bewirkt werden. Tintenzusammensetzungen, die hohe Oberflächenspannungswerte aufweisen, unterstützen häufig ein Anhaften/eine Langlebigkeit von Blasen in den Abschußkammern der thermischen Tintenstrahlkassetten und anderer Drucksysteme. Ein Anhaften/eine Langlebigkeit von Blasen schließt das Bilden von Blasen in der Tinte ein, die sich nicht zerstreuen oder die mit einer geringen Rate zerstreuen. Dieses Problem bewirkt wiederum einen beeinträchtigten Kassettenbetrieb.
Bei einem Versuch, die obigen Probleme zu steuern, wurden den Tintenzusammensetzungen grenzflächenaktive Stoffe (Tenside) zugesetzt. Exemplarische Tensidmaterialien, die zu diesem Zweck geeignet sind, schließen Polyethylen-Glycol; N,N-Dimethyldodecyl-Amin-N-Oxid; 3-(N,N-Dimethylpalmityl- Ammonio)-Propansulfonat und ein kommerziell erhältliches Produkt von der Air Products Company aus Philadelphia, PA, ein, das unter dem Warenzeichen Surfynol 465 verkauft wird und die folgende Struktur aufweist:
Die JP-A-56129274 beschreibt Tintenzusammensetzungen für Tintenstrahldrucker, die ein reduziertes Verstopfen der Druckerdüsen ergeben. Die Tintenstrahlzusammensetzungen weisen einen direkten Farbstoff, 7 bis 14% Masseanteil Dimethyl-Sulfoxid, 3 bis 15% Masseanteil eines Polyether-Polyols oder ein Ether desselben, und als Rest Wasser auf. Die Tinten liefern angeblich verbesserte Trocknungseigenschaften, einen verbesserten Fleckbildungswiderstand und Wasserwiderstand der gedruckten Tinte und verhindern die Erzeugung von erstarrter Tinte nach der Vorbereitung der Tinte.
Die EP-A-0539004, die nach dem Anmeldedatum der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde, jedoch eine frühere Priorität beansprucht, beschreibt auf Wasser basierende Zusammensetzungen für das Tintenstrahldrucken, die ein reduziertes Verstopfen zeigen. Die Zusammensetzungen weisen von 5 bis 20% Masseanteil eines Feuchthaltemittels auf, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Trimethylol-Propan, Pentaethylen-Glycol oder einem Polyether-Polyol mit einer spezifizierten Formel besteht.
Obwohl grenzflächenaktive Stoffe die Oberflächenspannung von Tintenzusammensetzungen verringern, steuern sie nicht notwendigerweise andere Probleme, die während der Anwendung der Zusammensetzungen auftreten können. Beispielsweise hat das Senken der Oberflächenspannung der Tinte im allgemeinen keine vorhersagbare Wirkung auf eine stationäre Tintentropfenmasse pro Abschuß. Der Ausdruck "Tintentropfenmasse pro Abschuß", wie er hierin verwendet wird, umfaßt elementar die Tintenmenge, die von einer Düse in einer Tintenkassette während eines Abschießens derselben ausgestoßen wird, und ist eine Funktion von vielen Variablen. Diese Variablen schließen die Geometrie der Abschußkammer in der Kassette, den Widerstandsentwurf, der in der Kassette verwendet ist, die Kassetteneingabeenergie, die entworfene Abschußfrequenz und die physio-chemischen Eigenschaften der Tintenmaterialien (beispielsweise die Tintenbenetzbarkeit) ein, sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt.
Eine Verringerung der Oberflächenspannung von Tintenzusammensetzungen verursacht nicht notwendigerweise die Tropfenmasse pro Abschuß, da die anderen Faktoren, die oben genannt sind, eine signifikantere Rolle spielen können. Tintenzusammensetzungen mit einer geringen Tropfenmasse pro Abschuß werden in einer unzureichenden Menge zu dem Druckmedium geliefert, was Bilder mit geringem Kontrast zur Folge hat. Dies ist der Fall, da die Mengen der chemischen Farbstoffe und anderer wichtiger Materialien in diesen Zusammensetzungen nicht ausreichen, um die gewünschten Flächen des Druckmediums zu bedecken, um klare, dunkle Bilder zu erzeugen.
Demgemäß verbleibt ein Bedarf nach einer Tintenzusammensetzung, die spezifisch formuliert ist, um einen geringen Oberflächenspannungspegel aufzuweisen, während sie einen hohen Pegel der Tintentropfenmasse pro Abschuß beibehält. Die Tintenzusammensetzung sollte ferner zur Verwendung in einer großen Vielzahl von Drucksystemen, einschließlich thermischen Tintenstrahleinheiten, geeignet sein. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf auf eine einzigartige und wirksame Art und Weise, wie nachfolgend hierin beschrieben wird.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren des Herstellens einer Tinte für einen thermischen Tintenstrahldrucker, das folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen zumindest eines chemischen Farbstoffes; und
Kombinieren des chemischen Farbstoffes mit zumindest einem Polyether-Polyol und einem flüssigen Tintenträger, um die Tintenzusammensetzung, die 0,5 bis 20% Masseanteil des chemischen Farbstoffs enthält, zu erzeugen,
dadurch gekennzeichnet, daß das Polyether-Polyol in der Tintenzusammensetzung in einer Menge von 0,001 bis 1,0% Masseanteil vorliegt.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner eine Tintenzusammensetzung für einen thermischen Tintenstrahldrucker mit folgenden Merkmalen:
0,5 bis 20% Masseanteil zumindest eines chemischen Farbstoffes;
0,001 bis 1,0% Masseanteil zumindest eines Polyether-Polyols; und
als Rest der Zusammensetzung einen flüssigen Tintenträger.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner ein Verfahren des Druckens eines stabilen Bilds in ein Substrat, das folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Tintenzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Bereitstellen einer thermischen Tintenstrahl-Druckvorrichtung;
Beschicken der Druckvorrichtung mit der Tintenzusammensetzung;
Aktivieren der Druckvorrichtung, um zu bewirken, daß die Vorrichtung die Tintenzusammensetzung auf das Substrat aufbringt; und
Ermöglichen, daß die Tintenzusammensetzung auf dem Substrat trocknet, um das Bild auf demselben zu erzeugen.
Der flüssige Tintenträger kann weitere Bestandteile enthalten, die Lösungsmittel, Puffer, Biozide, Kogations-reduzierende Mittel, Metallchelat-bildende Mittel und dergleichen einschließen, jedoch nicht auf dieselben begrenzt sind.
Wie oben erwähnt wurde, bewirken Tintenzusammensetzungen mit übermäßig hohen Oberflächenspannungspegeln und einer geringen Tropfenmasse pro Abschuß häufig zahlreiche Probleme. Um die Oberflächenspannung der Tintenzusammensetzungen zu reduzieren und die Tropfenmasse pro Abschuß zu erhöhen, wird den Tintenzusammensetzungen ein Oberflächenspannungs-reduzierendes Mittel mit einer Struktur, die in der Lage ist, diese Ziele zu erreichen, zugesetzt. Diese Mittel besteht aus einer Polyether-Polyol-Zusammensetzung, die detaillierter nachfolgend beschrieben wird.
Das ausgewählte Polyether-Polyol wird jeder Tintenzusammensetzung zugesetzt, so daß die Zusammensetzung etwa 0,001 bis 1,0% Masseanteil Polyether-Polyol (etwa 0,0075% Masseanteil = optimal) enthält. Diese relativ kleine Menge von Polyether-Polyol verrichtet gleichzeitig eine Vielzahl wichtiger Funktionen in der fertigen Tintenzusammensetzung. Erstens reduziert dieselbe die Oberflächenspannung der Tintenzusammensetzung. Zweitens erhöht sie die Tropfenmasse pro Abschuß der Tintenzusammensetzung. Drittens ist durch das Verringern der Oberflächenspannung der Tintenzusammensetzung das Tintenblasen-Anhaften/die Langlebigkeit in Druckkassetten (beispielsweise thermischen Tintenstrahleinheiten) wesentlich reduziert oder beseitigt. All diese Punkte haben eine verbesserte Druckqualität ohne eine physikalische Modifikation der Tintenkassetten oder der Druckeinheiten zur Folge. Folglich stellt die vorliegende Erfindung einen wesentlichen Fortschritt auf dem Gebiet der Drucktechnologie/der formelmäßigen Tintenmischung dar und erfüllt einen seit langem bestehenden Bedarf nach wirksamen und vielseitigen Tintenzusammensetzungen.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend bei der detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben.
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine speziell formulierte Tintenzusammensetzung, die Druckqualitätsprobleme vermeidet, die einer hohen Oberflächenspannung (beispielsweise ein Tintensprenkeln/eine Koaleszenz), einer geringen Tropfenmasse pro Abschuß und einem übermäßigen Blasen-Anhaften/einer Langlebigkeit in den Abschußkammern der thermischen Tintenstrahlkassetten und dergleichen zugeordnet sind. Die Zusammensetzung ist einzigartig und kann in einer großen Vielzahl von Drucksystemen verwendet werden, einschließlich denjenigen, die keine auf Schaumstoff basierende Tintenbehälter aufweisen.
Um eine Tintenzusammensetzung gemäß der Erfindung zu erzeugen, werden zuerst ein oder mehrere Farbstoffe ausgewählt. Beispielhafte Farbstoffmaterialien (ebenso wie andere Tintenkomponenten) sind in dem U.S.-Patent Nr. 4,963,189, erteilt an Hindagolla, der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, beschrieben. Es sollte bemerkt werden, daß die Farbstoffmaterialien und andere chemische Mittel, die hierin und in dem vorher genannten, erteilten U.S.-Patent aufgelistet sind, nur exemplarischen Zwecken dienen. Folglich soll die vorliegende Erfindung nicht auf die Tintenzusammensetzungen, die nachfolgend beschrieben werden, begrenzt sein, und ist voraussichtlich auf eine große Vielzahl anderer Tintenzusammensetzungen, die in der Technik bekannt sind, anwendbar.
Farbstoffmaterialien, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, wie sie in dem U.S.-Patent Nr. 4,963,189 beschrieben sind, weisen folgende elementare Struktur auf:
[X = H oder COOH
Y = H, COOH oder SO&sub3;H
Z = H, COOH oder SO&sub3;H
R = H, CH&sub2;COOH oder CH&sub2;CH&sub2;COOH
W = COOH]
Bei dieser Struktur sollten zumindest zwei COOH-Gruppen (2 bis 4 = bevorzugt) existieren, wobei die Anzahl der COOH- Gruppen gleich oder größer als die Anzahl der SO&sub3;H-Gruppen ist. Es ist ferner bevorzugt, daß zumindest zwei der COOH- Gruppen direkt an ein aromatisches Kohlenstoffatom gebunden sind.
Bei einem Farbstoffmolekül, bei dem X = H, kann W an der Ortho-, Meta- oder Para-Position bezüglich der Azo-(-N=N-)- Gruppe sein, wobei W vorzugsweise an der Para-Position ist. Es ist jedoch bevorzugt, daß X = COOH, und daß ein Farbstoffmolekül, das zwei COOH-Gruppen aufweist, derartige Gruppen an der 3,5-, 3,4- oder 2,5-Position relativ zu der Azo-Gruppe aufweist.
Es ist ferner bevorzugt, daß Farbstoffmoleküle, die die obige elementare Struktur aufweisen, nicht mehr als zwei SO&sub3;H- Gruppen aufweisen, und daß die endgültige Anzahl von COOH- Gruppen in dem Farbstoffmolekül die Anzahl von SO&sub3;H-Gruppen übersteigt. Spezifische und exemplarische Farbstoffstrukturen sind in der nachfolgenden Tabelle I dargestellt: Tabelle I Farbstoff #
Die Tintenzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung weisen 0,5 bis 20% (optimaler Bereich = etwa 1 bis 10%) Masseanteil Farbstoff auf (ob ein Farbstoff oder eine Kombination von Farbstoffen verwendet ist). Es ist ferner erwünscht, zumindest zwei unterschiedliche Farbstoffe zu verwenden, um die Tintenzusammensetzungen, die hierin beschrieben sind, zu bilden. Die Verwendung mehrerer Farbstoffe bietet zahlreiche Vorteile, einschließlich (1) der Reduzierung einer Kassettendüsenverstopfung; (2) der Reduzierung einer Kassetten- "Bartbildung" (d.h. einer Tintenkristallisierung); (3) einer größeren pH-Flexibilität; (4) einer besseren Steuerung des Tintenfarbtons; und (5) der Reduzierung einer Tinten-"Bronzierung" (d.h. einer Rotbraun-Verfärbung). Wenn mehrere Farbstoffe verwendet sind, kann das Verhältnis der Farbstoffe zueinander eine beliebige Proportion aufweisen. Wenn mehrere Farbstoffgemische verwendet sind, sollte jedoch jeder Farbstoff, der in denselben enthalten ist, nicht weniger als 10% Masseanteil des Gesamtfarbstoffgemisches aufweisen.
Die Farbstoffe, die oben beschrieben sind, werden vorzugsweise in einer Salz-Form verwendet. Exemplarische Farbstoffsalze können aus Alkalimetall-Salzen (beispielsweise Na&spplus;-, K&spplus;- oder Li&spplus;-Salzen), Ammoniumsalzen oder substituierten Ammoniumsalzen bestehen. Diese Salze werden durch das Mischen eines Farbstoffs in einer gesäuerten Form mit einer stöchiometrischen Menge einer ausgewählten Base in Wasser gebildet.
Um die fertigen Tintenzusammensetzungen vorzubereiten, muß in Verbindung mit den ausgewählten Farbstoffmaterialien ein geeignetes Lösungsmittel verwendet werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sollten die fertigen Tintenzusammensetzungen etwa 2 bis 30% Masseanteil eines wasserlöslichen organischen Lösungsmittels enthalten. Beispielhafte wasserlösliche organische Lösungsmittel, die zu diesem Zweck geeignet sind, schließen folgende ein, sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt: aliphatische C&sub1;-C&sub4;-Alkohole (z.B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Butanol, Sec-Butanol, Tert-Butanol oder Isobutanol), Amide (z.B. Formamid oder Dimethylacetamid), Ketone/Keton-Alkohole (z.B. Aceton- oder Diaceton-Alkohol), Ethere (z.B. Tetrahydrofuran oder Dioxan), stickstoffhaltige heterozyklische Ketone (2-Pyrrolidon, N-Methyl-Pyrrolid-2-eins oder 1,3-Dimethylimidazolid-2-eins), Polyalkylen-Glycole (z.B. Polyethylen-Glycol oder Polypropylen-Glycol), Alkylen-Glycole und Thioglycole enthaltend C&sub2;-C&sub6;-Alkylen-Gruppen (z.B. Ethylen-Glycol, Propylen-Glycol, Butylen-Glycol, Triethylen-Glycol, Thiodiglycol, Hexylen-Glycol und Diethylen-Glycol), Glycerol, 1,2,6- Hexanetriol und niedrigere Alkyl-Ethere von polyhydrischen Alkoholen, beispielsweise 2-Methoxyethanol, 2-(2-Methoxyethoxy)-Ethanol, 2-(2-Ethoxyethoxy)-Ethanol, 2-Methoxy-2- Ethoxy-2-Ethoxyethanol, 2-[2-(2-Methoxyethoxy)-Ethoxy]-Ethanol und 2-[2-(2-Ethoxyethoxy)-Ethoxy]-Ethanol.
Bei den vorher genannten Gruppen von Lösungsmitteln umfassen die bevorzugten Materialien Glycole und Glycol-Ethere (z.B. Ethylen-Glycol, Diethylen-Glycol, Triethylen-Glycol oder 2- Methoxy-2-Ethoxy-2-Ethoxyethanol), Polyethylen-Glycole mit Molekulargewichten von bis zu 500 und heterozyklische Ketone (z.B. 2-Pyrrolidon, N-Methylpyrrolid-2-eins oder 1,3-Dimethylimidazolid-2-eins). Bevorzugte Lösungsmittelgemische weisen ein binäres Gemisch von Wasser und Diethylen-Glycol oder ein binäres Gemisch von Wasser und 2-Pyrrolidon auf.
Es kann ferner erwünscht sein, den Tintenzusammensetzungen einen oder mehrere Puffer zuzusetzen, so daß ein pH-Betriebsbereich von etwa 7 bis 9,5 beibehalten wird. Höhere pH-Pegel reduzieren normalerweise ein Tintenverstopfen in den Kassetten und eine Tintenbronzierung. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Tintenzusammensetzung etwa 0,1 bis 5,0% Masseanteil einer Pufferlösung auf. Exemplarische Puffer sollten einen pK-Wert von etwa 6,5 bis 10 aufweisen und können folgende umfassen, sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt: TES (N-Tris[Hydroxymethyl]-Methyl-2-Aminoethan-Sulfonsäure), BICINE (N,N-Bis[2-Hydroxyethyl)- Glycin), TEA (Triethanolamin), TRIS (Tris[Hydroxymethyl]- Aminomethan), BORAX (Natrium-Borat-Decahydrat), und Kombinationen derselben.
In den Tintenzusammensetzungen, die hierin beschrieben sind, können ferner optional Biozide verwendet werden, um ein mikrobielles Wachstum zu steuern. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die fertigen Tintenzusammensetzungen etwa 0,1 bis 0,5% Masseanteil eines Biozids auf. Beispielhafte Biozide, die zu diesem Zweck geeignet sind, umfassen Produkte, die unter den Namen PROXEL GXL und PROXEL CRL von der Imperial Chemical Industries of Manchester, England, verkauft werden. Diese Materialien enthalten 1,2-Benzisothiazolin-3-eins als den aktiven Schlüsselbestandteil in Kombination mit Dipropylen-Glycol.
Außerdem kann der Tinte ein ausgewähltes optionales Phosphat zugesetzt werden, um Probleme zu steuern, die der "Kogation" zugeordnet sind. Die Kogation umfaßt das Aufbauen eines Rückstandes, der als "Koga" bekannt ist, auf den Widerständen thermischer Tintenstrahldrucksysteme nach dem wiederholten Betrieb derselben. Dieser Rückstand beeinträchtigt den Druckerbetrieb. Sowohl einbasige (H&sub2;PO&sub4;&supmin;) als auch zweibasige (HPO&sub4;&supmin;²) Phosphatmaterialien können verwendet werden. Eine Vielzahl unterschiedlicher Kationen können dem Phosphat zugeordnet sein, einschießlich, jedoch nicht begrenzt auf, Ammonium. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die Phosphatkonzentration der fertigen Tintenzusammensetzung von etwa 0,005 bis 0,5% Masseanteil (etwa 0,07% = optimal).
Schließlich kann der fertigen Tintenzusammensetzung ein optionales Metallchelat-bildendes Mittel zugesetzt werden. Das chelatbildungsmittel ist entworfen, um die Bildung ungewollter Niederschlage in Tintenkassetten zu steuern oder zu beseitigen. Tests haben gezeigt, daß Tinten, die unter Verwendung von Carboxyl-Farbstoffen vorbereitet werden, wie hierin beschrieben ist, verschiedene Metallionen enthalten, einschließlich Kalzium, Eisen und Magnesium. Metallniederschläge bilden sich häufig in der Kassette, was ein Verstopfen der Kassette, ein falsches Abschießen und/oder eine falsche Tropfengröße zur Folge hat. Um dieses Problem zu steuern, werden Chelatbildungsmittel in der Tintenzusammensetzung verwendet, die die äußeren Metallionen binden und Metallkomplexe bilden. Folglich sind die Metallionen nicht in der Lage, Niederschläge in der Kassette zu bilden. Exemplarische Chelatbildungsmittel umfassen Ethylendiamintetraacetat-Säure (EDTA), Malonsäure und Salicylsäure, sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem ein Chelatbildungsmittel verwendet ist, enthält die fertige Tintenzusammensetzung etwa 0,01 bis 0,5% Masseanteil eines Chelatbildungsmittels (etwa 0,1% = optimal).
Ein Beispiel einer Vergleichstintenzusammensetzung, die für einen Vergleich mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist wie folgt: Beispiel 1 Komponente % Masseanteil Farbstoffstruktur #1 (Tabelle 1) Lösungsmittel (2-Pyrrolidon) Puffer- BORAX TRIS Phosphatanion (Ammoniumphosphat) Chelatbildungsmittel (EDTA) Biozid (PROXEL GXL) Wasser
Diese Tintenzusammensetzung weist einen pH-Wert von etwa 8,5, eine Viskosität von etwa 1,3 x 10&supmin;³ Ns/m² (1,3 cps), eine Oberflächenspannung von etwa 6,5 x 10&supmin;² N/m (65 Dyn/cm), eine Leitfähigkeit von etwa 8 mS/cm und ein Maximum der Absorptionsfähigkeit bei etwa 575 nm auf.
Die Tintenzusammensetzungen, die hierin beschrieben sind, weisen im allgemeinen eine relativ hohe Oberflächenspannung (beispielsweise zwischen etwa 6 bis 7 x 10&supmin;² N/m (60 bis 70 Dyn/cm)) auf. Eine hohe Oberflächenspannung in dem oben beschriebenen Bereich bietet bestimmte Vorteile, einschließlich der Unterstützung einer Kapillarwechselwirkung zwischen den Fluid-Tintenmaterialien und den Abschußkammeroberflächen der ausgewählten Tintenkassette. Ein hohes Maß einer Kapillarwirkung führt zu einer schnellen und wirksamen Tintenwiederauffüllung zwischen aufeinanderfolgenden Abschüssen in der Kassettenkammer.
Jedoch kann eine hohe Oberflächenspannung in vielen Fällen auch Probleme liefern, die die vorher genannten Vorteile stark aufwiegen. Beispielsweise kann die Verwendung von Tintenzusammensetzungen, die hohe Oberflächenspannungswerte aufweisen, schlecht definierte grafische Bilder erzeugen, in denen die Tinte nicht gleichmäßig über das Druckmedium (z.B. das Papier) verteilt ist. Dieser Situationstyp ist üblicherweise als Tinten-"Sprenkelung" oder -"Koaleszenz" bekannt. Hohe Oberflächenspannungspegel bewirken, daß eine Sprenkelung oder eine Koaleszenz aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den Tintenzusammensetzungen und der Medienoberfläche auftritt, welche verhindern, daß die zusammensetzungen gleichmäßig auf derselben verteilt werden. Dies gilt insbesondere bezüglich Grafikbildern, die große Regionen von geschlossen bedruckten Bildern aufweisen.
Ein weiteres Problem, das durch erhöhte Oberflächenspannungspegel bewirkt wird, ist die Bildung von kleinen Tintenblasen in der Abschußkammer der ausgewählten Tintenkassetten. Derartige Blasen weisen einen hohen Grad eines Anhaftens/einer Langlebigkeit auf, wie oben definiert ist. Dieses Phänomen beeinträchtigt den Kassettenbetrieb und verschlechtert die Druckqualität Geringere Oberflächenspannungspegel minimieren ein Blasen-Anhaften/eine -Langlebigkeit.
Wie oben bemerkt wurde, wurde die Reduzierung der Tintenoberflächenspannungspegel unter Verwendung verschiedener grenzflächenaktiver Stoffe erreicht, die die oben aufgelisteten einschließen, jedoch nicht auf dieselben begrenzt sind. Jedoch haben Tests gezeigt, daß grenzflächenaktive Stoffe nicht erfolgreich ein weiteres Problem steuern können, das für Tintenzusammensetzungen charakteristisch ist und als "geringe Tropfenmasse pro Abschuß" bekannt ist. Wie oben gezeigt wurde, ist die Tropfenmasse pro Abschuß (die üblicherweise in Nanogramm ausgedrückt wird) elementar als die Tintenmenge definiert, die von einer gegebenen Abschußkammer einer spezifischen Tintenkassette für einen gegebenen, eingegebenen Energiebetrag mit einer speziellen Frequenz ausgestoßen wird. Viele Variablen steuern die Tropfenmasse pro Abschuß, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf, die spezifische enthaltene Tintenzusammensetzung, den Typ des Drucksystems, das verwendet ist, um die Tinte zu liefern, und die anderen Faktoren, die oben aufgelistet sind. Speziell die Oberflächenspannung und die Tintenbenetzbarkeit (d.h. die Fähigkeit der Tinte, sich auf der Oberfläche eines Substrats auszubreiten), haben einen wesentlichen Einfluß auf die Tropfenmasse pro Abschuß. Bezüglich der hierin beschriebenen Tintenzusammensetzungen, ebenso wie der meisten kommerziell erhältlichen Tintenzusammensetzungen, liegt die Tropfenmasse pro Abschuß typischerweise in einem Bereich von etwa 100 bis 200 ng (Nanogramm) bezüglich der meisten kommerziell erhältlichen Kassettensysteme (beispielsweise denjenigen, auf die hierin Bezug genommen wird).
Die vorliegende Erfindung umfaßt ein spezielles Additiv, das beim Steuern aller vorher genannten Probleme enorm wirksam ist. Dieses Additiv besteht aus einer Verbindung, die aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt ist, die üblicherweise als "Polyether-Polyole" bekannt sind. Wie in den Abschnitten 3.1 und 3.2 des The Flexible Polyurethane Foam Handbook von der Dow Chemical company of Midland, MT (das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist), beschrieben ist, besteht ein Polyether-Polyol chemisch aus einem polyfunktionellen Alkohol, der eine polymerische Kette mit einer Mehrzahl von Ether-(C-O-C)-Verbindungen enthält. Spezieller ist gemäß dem The Flexible Polyurethane Foam Handbook, siehe oben, ein Polyether-Polyol ein "polymerisches Reaktionsprodukt eines organischen Oxids und einer Verbindung, die zwei oder mehr aktive Wasserstoffatome enthält". Die Wasserstoffatom-enthaltenden Verbindungen sind üblicherweise als "Initiatoren" bekannt.
Organische Oxide, die verwendet werden, um Polyether-Polyole herzustellen, bestehen typischerweise aus Epoxiden (zyklische Ringe mit drei Gliedern), von denen Beispiele folgende umfassen, jedoch nicht auf dieselben begrenzt sind: Ethylenoxid, Propylenoxid, 1,2-Butylenoxid und Epichlorohydrin. Beispielhafte Initiatoren umfassen folgende, sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt: Wasser, Ethylenglycol, 1,2- Propylen-Glycol, Glycerin, Trimethylolpropan, Ethylendiamin, Pentaerythritol, Diethylentriamin, Sorbitol und Saccharose.
Ein beispielhaftes Polyether-Polyol kann beispielsweise gemäß folgender Reaktion vorbereitet werden: (Initiator) (organisches Oxid) (Polyether-Polyol)
Jedoch kann eine große Vielzahl von Polyether-Polyolen abhängig von dem Typ des organischen Oxids und des Initiators, die verwendet werden, hergestellt werden. Folglich ist die oben genannte Reaktionssequenz nur ein einzelnes, darstellendes Beispiel dafür, welcher Produkttyp unter Verwendung ausgewählter Initiatoren und organischer Oxide hergestellt werden kann.
Die meisten kommerziell erhältlichen Polyether-Polyole sind patentiert und ihre exakten Strukturen sind der Öffentlichkeit nicht zugänglich. Außerdem weisen hinsichtlich der sehr komplexen strukturellen Charakteristika der Polyether-Polyole viele, wenn nicht die meisten, kommerziellen Produkte Strukturen auf, die hinsichtlich der exakten strukturellen Konfiguration wörtlich unbekannt sind. Folglich sind Polyether-Polyole häufig am besten hinsichtlich ihrer physikalischen Charakteristika, beispielsweise des durchschnittlichen Molekulargewichts, der Viskosität, der Anzahl von -OH-Gruppen, usw., definiert.
Ein Polyether-Polyol mit physikalischen Charakteristika, die in der Lage sind, die Aufgaben der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin definiert ist, wirksam zu lösen, ist von der Dow Chemical Company of Midland, Michigan, unter dem Warenzeichen VORANOL 3010, kommerziell erhältlich. Die strukturelle Konfiguration dieses Materials ist gegenwärtig nicht bekannt und/oder aus den oben beschriebenen Gründen nicht zugänglich. Jedoch ist dieses Polyether-Polyol (ebenso wie andere Polyether-Polyole) am besten durch die physikalischen Charakteristika desselben dargestellt. Bezüglich VORANOL 3010 (einem Triol) lauten diese Charakteristika wie folgt: 1) Anzahl von -OH-Gruppen = etwa 56; 2) mittleres Molekulargewicht = etwa 3000; 3) Viskosität = etwa 2,25 x 10&supmin;&sup4; m²/s (225 cks) bei 38ºC (100ºF); 4) spezifisches Gewicht = etwa 1,016; 5) maximaler Prozentanteil Wasser = etwa 0,06; und 6) Flammpunkt = 221ºC.
Die fertige Tintenzusammensetzung enthält 0,001 bis 1,0% Masseanteil Polyether-Polyol (etwa 0,0075% = optimal). Das Polyether-Polyol wird der Tintenzusammensetzung vorzugsweise in der Form einer Vorratslösung mit einem Konzentrationspegel von etwa 10 bis 20% Masseanteil Polyether-Polyol in einem Lösungsmittel, das vorzugsweise aus einem der wasserlöslichen organischen Lösungsmittel, die oben aufgelistet sind, welche verwendet werden, um die hierin beschriebenen Tintenzusammensetzungen zu erzeugen, besteht, zugesetzt. Diese Lösungsmittel umfassen folgende, sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt: Glycole und Glycolethere (beispielsweise Ethylenglycol, Diethylenglycol, Triethylenglycol oder 2-Methoxy-2-Ethoxy-2-Ethoxyethanol), Polyethylen-Glycole mit Molekulargewichten von bis zu 500 und heterozyklische Ketone (beispielsweise 2-Pyrrolidon, N-Methylpyrrolid-2-eins oder 1,3-Dimethylimidazolid-2-eins). Jedoch soll die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung irgendeines speziellen Vorratslösungs-Konzentrationspegels oder eines -Typs begrenzt sein.
Die Verwendung von Polyether-Polyol ist verbreitet auf zahlreiche Tintenformulierungen/Farbstoffe anwendbar, die diejenigen einschließen, die oben aufgelistet sind, und weitere Zusammensetzungen, die in der Technik bekannt sind. Tests haben gezeigt, daß der Zusatz von Polyether-Polyol zu Tintenzusammensetzungen des Typs, der hierin beschrieben ist, die Oberflächenspannung derselben typischerweise um etwa 25 bis 30% reduziert. Folglich wird eine Tintenzusammensetzung mit einer Oberflächenspannung von etwa 0,065 N/m (65 Dyn/cm) folgerichtig nach dem Zusetzen von Polyether-Polyol eine Oberflächenspannung von etwa 0,045 N/m (45 Dyn/cm) aufweisen.
Wie oben bemerkt wurde, wurden in der Vergangenheit verschiedene grenzflächenaktive Stoffe verwendet, um die Oberflächenspannungspegel in Tintenzusammensetzungen zu steuern. Jedoch hatte die Verwendung dieser Materialien keine entsprechende Zunahme der Tropfenmasse pro Abschuß zur Folge. Im Gegensatz dazu tritt das gewünschte Ergebnis auf, wenn Polyether-Polyol zugesetzt wird. Speziell wird die Oberflächenspannung gesenkt und die Tropfenmasse pro Abschuß wird erhöht, typischerweise um etwa 10 bis 20%. Wenn eine spezifische Tintenzusammensetzung beispielsweise eine Tropfenmasse pro Abschuß von etwa 125 ng aufweist, wird dieser Wert nach dem Zusatz von Polyether-Polyol in dem oben angegebenen Bereich auf etwa 140 ng erhöht.
Das Polyether-Polyol-Additiv, das hierin beschrieben ist, besitzt einen wesentlichen Wert dahingehend, daß es in der Lage ist, gleichzeitig drei Probleme zu lösen, nämlich: (1) übermäßig hohe Oberflächenspannungspegel; (2) eine geringe Tropfenmasse pro Abschuß; und (3) ein übermäßiges Tintenblasen-Anhaften/eine Langlebigkeit in den Abschußkammern der Tintenkassetten, die verwendet sind. Folglich werden Grafikbilder höherer Qualität erzeugt, während Probleme vermieden sind, die einer Tintenkoaleszenz und einer Kassettenverstopfung zugeordnet sind. Ferner werden alle diese Vorteile unter Verwendung sehr kleiner Mengen von Polyether-Polyol erreicht.
Tintenzusammensetzungen unter Verwendung von Polyether-Polyol können unter Verwendung einer großen Vielzahl von Drucksystemen abgegeben werden, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf dieselben, den thermischen Tintenstrahleinheiten, wie sie in dem U.S.-Patent Nr. 4,500,895, erteilt an Buck u.a.; Nr. 4,513,298, erteilt an Scheu; Nr. 4,794,409, erteilt an Cowger u.a.; dem Hewlett-Packard Journal, Bd. 36, Nr. 5 (Mai 1985); und dem Hewlett-Packard Journal, Bd. 39, Nr. 4 (August 1988), beschrieben sind. Die Tintenzusammensetzungen werden herkömmlicherweise einem ausgewählten Drucksystem zugeführt, welches dann aktiviert wird, um die Zusammensetzungen auf ein Substrat abzugeben. Nachdem ein Trocknen ermöglicht wurde (was im Falle nahezu aller kommerziell erhältlicher Tintenzusammensetzungen schnell stattfindet), ist ein dauerhaftes Druckbild mit einem hohen Maß an Klarheit und Kontrast hergestellt.
Durch das Verwenden von Polyether-Polyol, wie es hierin beschrieben ist, wird ein Gleichgewicht zwischen geeigneten Oberflächenspannungswerten, einer geeigneten Tropfenmasse pro Abschuß und dem gewünschten Kassettenverhalten erreicht. Speziell sind sowohl die Tropfenmasse pro Abschuß als auch das allgemeine Kassettenverhalten gleichzeitig verbessert, was noch erreicht werden muß, wenn andere Additive verwendet sind. Folglich stellen die hierin beschriebenen Entwicklungen einen enormen und wesentlichen Fortschritt in der Technik der Tintenherstellung dar. Außerdem ist, wie vorher angemerkt wurde, das Polyether-Polyol-Additiv der vorliegenden Erfindung voraussichtlich in einer großen Vielzahl von Tintenzusammensetzungen, die in der Technik bekannt sind, verwendbar. Zu Darstellungszwecken ist bei dem nachfolgend angegebenen Beispiel 2 eine beispielhafte formelmäßige Tintenmischung aufgelistet, die mit der formelmäßigen Mischung des Beispiels 1 vergleichbar ist, die ein Polyether-Polyol-Additiv enthält: Beispiel 2 Komponente % Masseanteil Farbstoffstruktur #1 (Tabelle 1) Lösungsmittel (2-Pyrrolidon) Puffer- BORAX TRIS Phosphatanion (Ammoniumphosphat) Chelatbildungsmittel (EDTA) Biozid (PROXEL GXL) Polyether-Polyol (VORANOL 3010) Wasser
Diese Tintenzusammensetzung weist eine Oberflächenspannung von etwa 0,045 N/m (45 Dyn/cm) verglichen mit etwa 0,065 N/m (65 Dyn/cm) in der formelmäßigen Mischung des Beispiels 1, die kein Polyether-Polyol-Additiv enthielt, auf. Außerdem weist die Zusammensetzung des Beispiels 2 eine mittlere Tropfenmasse pro Abschuß von etwa 130 bis 145 ng auf (wenn dieselbe unter Verwendung eines herkömmlichen Tintenstrahldrucksystems abgegeben wird), verglichen mit einer Tropfenmasse pro Abschuß von etwa 120 bis 125 ng bei der formelmäßigen Mischung des Beispiels 1.
Schließlich wurden Tests unter Verwendung einer Tintenzusammensetzung mit einer Vielzahl von grenzflächenaktiven Stoffen durchgeführt und das Polyether-Polyol der vorliegenden Erfindung denselben zugesetzt. Die spezifische Tintenzusammensetzung, die verwendet wurde, bestand aus den Komponenten, die im Beispiel 2 aufgelistet sind, mit Ausnahme der Substitution verschiedener einzelner grenzflächenaktiver Stoffe. In jedem Test enthielt die Tintenzusammensetzung etwa 0,0075% Masseanteil eines grenzflächenaktiven Stoffes oder Polyether-Polyol. Identische thermische Tintenstrahl- Abgabesysteme wurden verwendet, um die Tinte abzugeben (beispielsweise von dem Typ, der in dem U.S.-Patent Nr. 4,794,409, erteilt an Cowger u.a., genannt ist, ohne einen Schaumstofftyp-Speicher). Die Testergebnisse lauten wie folgt: Tabelle II Tintenadditiv Oberflächenspannung (Dyn/cm) näherungsweise Tropfenmasse (ng) kein Polyethylen-Glycol Surfynol 465 N,N-Dimethyldodecylamin-N-Oxid 3-(N,N-Dimethylpalmitylammonio)-Propansulfonat Polyether-Polyol (VORANOL 3010)
Wie in Tabelle II gezeigt ist, reduzierten sowohl das Polyether-Polyol als auch die grenzflächenaktiven Stoffe alle die Oberflächenspannung der Tintenzusammensetzung. Jedoch lieferte das Polyether-Polyol ferner eine beträchtliche Zunahme der Tropfenmasse pro Abschuß, was bezüglich der grenzflächenaktiven Stoffe nicht offensichtlich war. Folglich zeigen die Daten in Tabelle II deutlich die Mehrzahl von Vorteilen, die durch den Zusatz von Polyether-Polyol, wie er oben beschrieben wurde, erreicht werden.
Obwohl hierin bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist es offensichtlich, daß durch Fachleute geeignete Modifikationen derselben durchgeführt werden können, die innerhalb des Bereichs der Erfindung bleiben, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Ein Verfahren des Herstellens von Tinte für einen thermischen Tintenstrahldrucker mit folgenden Schritten:

Bereitstellen zumindest eines chemischen Farbstoffes; und

Kombinieren des chemischen Farbstoffes mit zumindest einem Polyether-Polyol und einem flüssigen Tintenträger, um die Tintenzusammensetzung zu erzeugen, die 0,5 bis 20% Masseanteil des chemischen Farbstoffs enthält,

dadurch gekennzeichnet, daß das Polyether-Polyol in der Tintenzusammensetzung in einer Menge von 0,001 bis 1,0% Masseanteil vorliegt.

2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Polyether- Polyol ein mittleres Molekulargewicht von etwa 3000, etwa 56 -OH-Gruppen und eine Viskosität von etwa 2,25 x 10&supmin;&sup4; m²/s (225 cks) bei 38ºC (100ºF) aufweist.

3. Eine Tintenzusammensetzung für einen thermischen Tintenstrahldrucker mit folgenden Merkmalen:

0,5 bis 20% Masseanteil zumindest eines chemischen Farbstoffes;

0,001 bis 1,0% Masseanteil zumindest eines Polyether- Polyols;

wobei der Rest der Zusammensetzung aus einem flüssigen Tintenträger besteht.

4. Tintenzusammensetzung gemäß Anspruch 3, bei der das Polyether-Polyol ein mittleres Molekulargewicht von etwa 3000, etwa 56 -OH-Gruppen und eine Viskosität von etwa 2,25 x 10&supmin;&sup4; m²/s (225 cks) bei 38ºC (100ºF) aufweist.

5. Verfahren des Druckens eines dauerhaften Bilds auf ein Substrat mit folgenden Schritten:

Bereitstellen einer Tintenzusammensetzung gemäß den Ansprüchen 3 oder 4;

Bereitstellen einer thermischen Tintenstrahl-Druckvorrichtung;

Beschicken der Druckvorrichtung mit der Tintenzusammensetzung;

Aktivieren der Druckvorrichtung, um zu bewirken, daß die Vorrichtung die Tintenzusammensetzung auf das Substrat aufbringt; und

Ermöglichen, daß die Tintenzusammensetzung auf dem Substrat trocknet, um das Bild auf demselben zu erzeugen.