DE69213128T2 - Gallensaltze, die die Kogation in termischen ink-jet Tinten kontrollieren - Google Patents
Gallensaltze, die die Kogation in termischen ink-jet Tinten kontrollierenInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das thermische Tintenstrahidrucken und insbesondere auf das Reduzieren der Kogation in Tinten.
- Thermische Tintenstrahldrucker bieten eine preisgünstige, hochqualitative und vergleichsweise geräuschlose Option im Vergleich zu anderen Typen von Druckern, die allgemein mit Computern verwendet werden. Derartige Drucker verwenden ein Widerstandselement in einer Kammer, die mit einem Ausgang für Tinte versehen ist, damit sie aus einem ausgefüllten Raum in dieselbe eintritt. Der ausgefüllte Raum ist mit einem Behälter zum Speichern der Tinte verbunden. Eine Mehrzahl derartiger Widerstandselemente ist in einem bestimmten Muster, das ein Grundelement genannt wird, in einem Druckkopf angeordnet. Jedes Widerstandselement ist einer Düse in einer Düsenplatte zugeordnet, durch welche Tinte zu einem Druckmedium hin ausgeworfen wird. Die gesamte Anordnung aus Druckkopf und Behälter bildet einen Tintenstrahlstift.
- Im Betrieb ist jedes Widerstandselement über eine leitfähige Leiterbahn mit einem Mikroprozessor verbunden, wobei Stromtragende Signale bewirken, daß eines oder mehrere ausgewählte Elemente erwärmt werden. Die Erwärmung erzeugt ein Tintenbläschen in der Kammer, welches durch die Düse zu dem Druckmedium hin ausgeworfen wird. Auf diese Art und Weise bildet das Abfeuern einer Mehrzahl derartiger Widerstandselemente in einer bestimmten Reihenfolge in einem gegebenen Grundelement alphanumerische Zeichen, führt eine Bereichsauffüllung durch und schafft weitere Druckmöglichkeiten auf dem Medium.
- Ein Problem bei Tinten, die in derartigen thermischen Tintenstrahldruckern verwendet werden, besteht darin, daß das wiederholte Erwärmen des Widerstandselements über mehrere Hunderttausende oder Millionen von Abfeuerungen ein Aufbrechen der Tinte, besonders der organischen Komponenten, wie z.B. des Farbstoffs, mit einer folglichen Verschmutzung der Oberfläche des Widerstandselements bewirken kann. Dieses Verfahren wurde als "Kogation" bezeichnet, das als das Aufbauen von Rückständen ("Koga") auf der Widerstandsoberfläche definiert ist. Das Aufbauen von Rückständen verschlechtert das Stiftverhalten, indem das Volumen der zugeführten Tinte über der Stiftlebensdauer reduziert wird.
- Bei den anionischen Farbstoffen (Sulfonat oder Karboxylat), die allgemein in wässrigen Tinten, die beim thermischen Tintenstrahldrucken verwendet werden, angewendet werden, ist Natrium im allgemeinen das verwendete Gegenion. Während Farbstoffe, die Natrium-Gegenionen enthalten, im allgemeinen eine gute Druckqualität schaffen, wurde herausgefunden, daß in manchen Tinten Natrium-Gegenionen zu dem Kogationsproblem beitragen.
- Verschiedene Tintenzusammensetzungen und Verfahren wurden entwickelt, um die Kogation zu reduzieren. Eine Lösung bestand darin, das Gegenion auf dem Farbstoff teilweise oder vollständig durch ein Ersatz-Gegenion, wie z.B. Lithium und Tetramethylammonium zu ersetzen. In manchen Fällen stellte sich heraus, daß Oxo-Anionen, wie z.B. Phosphate, die Kogation zumindest in einigen Tinten reduzieren.
- Andere Tinten erfahren jedoch eine Abnahme des Tropfenvolumens über der Lebensdauer des Stifts. Eine Veränderung des Tropfenvolumens kann das Bilden von Widerstandsablagerungen und daher das Vorhandensein einer Kogation anzeigen.
- Ursprünglich war das Problem einem Aufbau von organischen Ablagerungen, die bei einer mikroskopischen Untersuchung der Widerstandsflächen sichtbar sind, über der Stiftlebensdauer zugeordnet. Somit waren die bedeckten Widerstände bei der Wärmeübertragung weniger wirksam als die, die nicht bedeckt sind. Es existieren jedoch Fälle, bei denen eine Abnahme des Tropfenvolumens mit der Stiftlebensdauer in der Abwesenheit irgendwelcher sichtbaren Rückstandsansammlungen auf den Widerstandsflächen auftritt. In beiden Fällen tritt offensichtlich eine störung der Tropfenerzeugung auf, wobei jedoch eine allgemeine Erklärung schwer zu definieren blieb. Es wird davon ausgegangen, daß die Oberflächenchemie und/oder die Lösungschemie der Tinte die Ursache des Problems sein könnten.
- Als Beispiel zeigt eine Tinte, die 1,01% N,N-Dimethyl-N-(Z- 9-Octadecenyl)-N-Aminoxid (OOAO), 2,24% SURFYNOL 465 (SURFY- NOL ist ein Warenzeichen von Air Products and Chemicals, Inc.), 0,28% Natriumalginat (niedrige Viskosität von Sigma), 9% 1,5-Pentandiol, 0,3% UCARCIDE (von Union Carbide), einen der folgenden Farbstoffe: 1,5% Säurerot 52-Na, 1,3% Säureblau 9-Na, Direktgelb 86-TMA oder 0,5% Säuregelb 23-TMA, wobei TMA ein Tetramethylammonium-Kation statt eines Na-Kations ist, und den Rest Wasser enthält, eine Abnahme des lieferbaren Tropfenvolumens über der Stiftlebensdauer bei 45% über der Einschaltenergie (TOE; TOE = Turn-On-Energy) des Stifts für sowohl die Cyan- als auch die gelbe Tinte. Die Magenta-Tinte scheint unbeeinträchtigt zu sein. Diese Energie ist an der oberen Betriebsenergie des Stifts und Druckers, und obwohl die Anzahl von Stift- und Drucker-Kombinationen, die dieses Problem erfahren könnten, klein ist, existiert ein potentielles Problem.
- In einem Versuch, das Problem zu lösen, wurde (NH&sub4;)&sub2;HPO&sub4; bei dem Pegel von 0,5% versucht. Eine Verwendung dieser Reagens war in diesem System nicht erfolgreich. Obwohl sich die Kogation der gelben Tinte verbesserte, zeigte die Cyan-Tinte immer noch eine 20 bis 30 prozentige Abweichung im Tropfenvolumen über der Stiftlebensdauer. Ernsthafte Verhaltensprobleme bezüglich der Verschlechterung der Abdeckung und einer Verkrustung treten bei diesem Pegel an (NH&sub4;)&sub2;HPO&sub4; für beide Tinten auf, weswegen diese Reagens, welche erfolgreich mit anderen Tinten verwendet worden ist (siehe die Anmeldung mit der Seriennr. 07/428,282, die am 27. Oktober 1989 eingereicht und dem gleichen Bevollmächtigten wie bei der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde) mit diesen Tinten nicht verwendet werden konnte.
- Der Bedarf nach der Entwicklung von Tinten mit einer reduzierten Kogation und daher einer daraus resultierenden längeren Stiftlebensdauer unter Verwendung von preisgünstigen Chemikalien mit minimaler zusätzlicher Verarbeitung bleibt.
- Die US-A-65002 beschreibt Tintenzusammensetzungen, die lösliches Blau, de Paris-Farbstoff und Ochsengalle in einem Ethanol/Wasser-Träger aufweisen.
- Die EP-A-0509688, die einen Teil des Stands der Technik kraft Artikel 54 (3) EPÜ bildet, beschreibt Tintenstrahldruckertinten, die ein reduziertes Farben-zu-Farben-Verlaufen zeigen. Die Tinten weisen einen Farbstoff und einen oder zwei amphiphile Oberflächenwirkstoffe bei einer Konzentration über ihrer kritischen Mizellenkonzentration auf. Die nützlichen amphiphilen Oberflächenwirkstoffe umfassen Gallensalze, wie z.B. Natriumcholat. Es existiert keine Offenbarung bezüglich einer reduzierten Kogation, die aus dem Hinzufügen von Gallensalzen zu der Tintenzusammensetzung resultieren.
- Es wurde nun herausgefunden, daß Gallensalze die Kogation in bestimmten Tinten steuern. Natriumcholat, ein Gallensalz, bildet Mizellen in einer wässrigen Lösung. Das Kogationsproblem für die gelbe und die Cyan-Tinte, welches oben beschrieben wurde, verbesserte sich bei dem Hinzufügen einer kleinen Menge an Natriumcholat deutlich. Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung die Verwendung eines Gallensalzes für die Herstellung einer Tinte für einen thermischen Tintenstrahldrucker vor, die eine reduzierte Kogation zeigt, wie es in Anspruch 1 dargelegt ist. Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Tinte für einen thermischen Tintenstrahldrucker, die ein Gallensalz enthält, wie es in Anspruch 9 dargelegt ist.
- Die Erfindung wird nachfolgend mittels eines Beispiels bezugnehmend auf die beigefügten zeichnungen detaillierter erörtert. Es zeigen:
- Fig. 1 in Koordinaten des Gewichts (in Nanogramm, ng) und der Anzahl von Zyklen (Widerstandsabfeuerungen), eine graphische Darstellung des Tropfengewichts als Funktion der Zyklen für drei verschiedene Tinten (von denen jede eine identische Zusammensetzung mit Ausnahme des Farbstoffes aufweist);
- Fig. 2 eine graphische Darstellung, die der von Fig. 1 Ähnlich ist, wobei der Unterschied jedoch darin besteht, daß die Tintenzusammensetzungen (NH&sub4;)&sub2;HPO&sub4; aufweisen;
- Fig. 3 eine graphische Darstellung, die der von Fig. 1 ähnlich ist, wobei der Unterschied jedoch darin besteht, daß die Tintenzusammensetzungen ein Gallensalz gemäß der Erfindung aufweisen; und
- Fig. 4 eine Darstellung der allgemeinen Gallensalzformel, die bei der Praxis der Erfindung verwendet wird.
- Bezugnehmend auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 die Tinte, die oben diskutiert worden ist, ohne irgendeinen Versuch, um das Kogationsproblem zu lösen. Die Magenta-Tinte (Kurve 10) ist offensichtlich relativ unbeeinträchtigt, während jedoch sowohl die Cyan- (Kurve 12) als auch die gelbe (Kurve 14) Tinte eine deutliche Abnahme des Tropfenvolumens zeigen.
- Das Hinzufügen von 0,5% (NH&sub4;)&sub2;HPO&sub4; verbessert offensichtlich die gelbe Tinte in Fig. 2. Die Cyan-Tinte zeigt jedoch noch eine Abnahme des Tropfenvolumens.
- Fig. 3 zeigt das Ergebnis der Verwendung von 0,5% Natriumcholat in der Tinte. Das Kogationsproblem für die gelbe und die Cyan-Tinte verbessert sich beim Hinzufügen der kleinen Menge an Natriumcholat deutlich.
- Es können ferner weitere Gallensalze verwendet werden, um die Kogation zu steuern. Beispiele anderer derartiger Salze zusätzlich zu Cholat sind in der nachfolgenden Tabelle I aufgelistet. Die allgemeine Formel für die Gallensalze ist in Fig. 4 gezeigt. Tabelle 1. Beispiele für Gallensalze
- Die Kationen, die den Gallensalzen zugeordnet sind, werden aus der Gruppe ausgewählt, die aus Lithium, Kalium, Cäsium, Natrium, Magnesium, Mangan, Ammonium, quaternären Ammoniumsalzen, wie z.B. Tetramethylammonium- und Tetrabutylammonium-Salzen, usw. besteht. Die Natrium- und Lithium-Ionen werden aufgrund ihres stark hydrophilen Wesens besonders bevorzugt.
- Die Konzentration der Gallensalze liegt im Bereich von 0,1 bis 3 Gewichtsprozent und vorzugsweise um 0,5 Gewichtsprozent. Unter 0,1 Gewichtsprozent ist das Gallensalz nicht wirksam beim Steuern der Kogation. Eine Erhöhung der Gallensalzkonzentration über etwa 3% weist weder eine merkbare Verbesserung der Kogation noch eine merkbare Verkleinerung der Tropfenvolumenabnahme über der Stiftlebensdauer auf.
- Die Tinten, die günstig durch das Hinzufügen von Gallensalzen verbessert werden können, sind die Tinten, die mit wasserlöslichen anionischen Farbstoffen bereitet werden, wie z.B. den anionischen Farbstoffen mit einer oder mehreren Sulfonat- oder Karboxylat-Gruppen auf denselben. Die Tinten weisen von 1 bis 15 Gewichtsprozent Glycol und/oder Lactam, von 0,5 bis 5% anionischen Farbstoff und den Rest Wasser auf.
- Jedes der bekannten wasserlöslichen Glycole kann bei der Ausführung der Erfindung verwendet werden. Beispiele für geeignete Glycole umfassen Ethylenglycol, Diethylenglycol, Triethylenglycol, Tetraethylenglycol, Propylenglycol, Polyethylenglycol, Polypropylenglycol, 1,5-Pentandiol und Mischungen derselben. Allgemein können beliebige Di- oder Tri-Glycole mit zehn Kohlenstoffatomen oder weniger verwendet werden. Vorzugsweise wird Diethylenglycol oder 1,5-Pentandiol verwendet.
- Irgendeines der einfachen (5-, 6- oder 7-Mitglieder-Ringe) Lactame kann ebenfalls beim Ausführen der Erfindung verwendet werden. Beispiele geeigneter Lactame umfassen 2-Pyrrolidon, N-Pyrrolidon, N-Methyl-Pyrrolidon, N-Hexyl-Pyrrolidon, N-(2-Hydroxyethyl)-Pyrrolidon, Caprolactam und Mischungen derselben. Vorzugsweise wird 2-Pyrrolidon verwendet.
- Zusätzliche Komponenten können der Tinte hinzugefügt werden. Es ist beispielsweise verbreitet, ein Bakterizid, wie z.B. UCARCIDE, das von Union Carbide (Danbury, CT) erhältlich ist, oder NUOSEPT 95, das von Hüls America (Piscataway, NJ) erhältlich ist, hinzuzufügen. Die hinzugefügte Menge beträgt typischerweise 0,3 bis 0,5 Gewichtsprozent der Gesamttintenzusammensetzung.
- Ferner wurde herausgefunden, daß bestimmte andere Komponenten die Druckqualität verbessern, wenn sie der Tinte hinzugefügt werden. Diese umfassen 0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent Alginat (besonders die Natrium-, Kalzium- oder Kalium-Formen), 0,5 bis 5% eines zwitterionischen Oberflächenwirkstoffs, wie es nachfolgend detaillierter beschrieben ist, und 0 bis 5% eines Acetylen-Polyethylen-Oxid-Oberflächenwirkstoffs, wie z.B. dem, der unter der Warenbezeichnung SURFYNOL 465 von Air Products & Chemicals, Inc. verfügbar ist.
- Ein Beispiel für einen geeigneten zwitterionischen Oberflächenwirkstoff ist ein Aminoxid, wie z.B. N,N-Dimethyl-N- Dodecyl-Aminoxid (NDAO):
- Ebenfalls kann statt des C&sub1;&sub2;H&sub2;&sub5;-Anteils irgendein aliphatischer (gerade Kette oder verzweigt) R-Anteil verwendet werden. Die folgenden Aminoxide und Abkürzungen derselben sind ebenfalls beim Ausführen der Erfindung nützlich:
- N,N-Dimethyl-N-Tetradecyl-Aminoxid (NTAO);
- N,N-Dimethyl-N-Hexadecyl-Aminoxid (NHAO);
- N,N-Dimethyl-N-Octadecyl-Aminoxid (NOAO);
- N,N-Dimethyl-N-(Z-9-Octadecenyl)-N-Aminoxid (OOAO);
- Vorzugsweise wird OOAO als das Aminoxid verwendet.
- Weitere zwitterionische Oberflächenwirkstoffe, die beim Ausführen der Erfindung geeignet verwendet werden können, umfassen N-Dodecyl-N,N-Dimethyl-N-Glysinat,
- (wobei R = C&sub1;&sub2;H&sub2;&sub5; und n = 1 gilt) und N-Dodecyl-N,N-Dimethyl-N-(2-Ammoniopropancarboxylat) (dabei gilt R = C&sub1;&sub2;H&sub2;&sub5; und n = 2). Im allgemeinen kann R irgendeine gerade oder verzweigte Alkylkette sein, welche eine Aryl-Gruppe, wie z.B. Phenyl oder Naphthyl, enthalten kann.
- Somit wurde die Verwendung von Gallensalzen bei thermischen Tintenstrahltinten offenbart, um die Kogation in denselben zu reduzieren. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß verschiedene Modifikationen innerhalb des Bereichs der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, durchgeführt werden können.
Claims (9)
1. Verwendung eines Gallensalzes für die Zubereitung einer
thermischen Tintenstrahltinte, die einen Träger und
mindestens einen Farbstoff aufweist und 0,1 bis 0,3
Gewichtsprozent des Gallensalzes zur Reduktion einer
Kogation während des thermischen Tintenstrahldruckens
enthält.
2. Verwendung gemäß Anspruch 1, bei der das Gallensalz die
in Fig. 4 gegebene Formel aufweist, und bei der R&sub1; aus
der Gruppe ausgewählt wird, die aus O-, NH-CH&sub2;-COO und
NH-(CH&sub2;)&sub2;-SO&sub3; besteht, R&sub2; und R&sub3; unabhängig aus der
Gruppe ausgewählt werden, die aus OH und H besteht, und
R&sub4; OH ist.
3. Verwendung gemäß Anspruch 2, bei der jedes Molekül des
Gallensalzes ein demselben zugeordnetes Kation
aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus
Lithium, Kalium, Cäsium, Natrium, Magnesium, Mangan,
Ammonium, quaternären Ammoniumsalzen, wie z.B.
Tetramethylammonium- und Tetrabutylammonium-Salzen, besteht.
4. Verwendung gemäß Anspruch 3, bei der das Gallensalz im
wesentlichen aus Natriumcholat besteht.
5. Verwendung gemäß Anspruch 1, bei der die Tinte 0,5 bis
5 Gewichtsprozent eines wasserlöslichen, anionischen
Farbstoffes und 1 bis 15 Gewichtsprozent eines
Mitglieds aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt wird,
die aus Glycolen und Lactamen besteht, wobei der Rest
Wasser ist.
6. Verwendung gemäß Anspruch 5, bei der das Glycol aus der
Gruppe ausgewählt wird, die aus Ethylenglycol,
Diethylenglycol,
Triethylenglycol, Tetraethylenglycol,
Propylenglycol, Polyethylenglycol, Polypropylenglycol, 1,5-
Pentandiol und Mischungen derselben besteht.
7. Verwendung gemäß Anspruch 5, bei der das Lactam aus der
Gruppe ausgewählt wird, die aus 2-Pyrrolidon,
N-Pyrrolidon, N-Methyl-Pyrrolidon, N-Hexyl-Pyrrolidon, N-(2-
Hydroxyethyl)-Pyrrolidon, Caprolactam und Mischungen
derselben besteht.
8. Verwendung gemäß Anspruch 1, bei der die Tinte ferner
0,1 bis 3 Gewichtsprozent eines Alginats, 0,5 bis 5
Gewichtsprozent eines zwitterionischen
Oberflächenwirkstoffs und 0 bis 5 Gewichtsprozent eines
Acetylen-Polyethylen-Oxid-Oberflächenwirkstoffs aufweist.
9. Eine thermische Tintenstrahltinte, die einen Träger und
mindestens einen Farbstoff aufweist und 0,1 bis 3
Gewichtsprozent eines Gallensalzes, 0,1 bis 0,3
Gewichtsprozent eines Alginats, 0,5 bis 5 Gewichtsprozent eines
zwitterionischen Oberflächenwirkstoffs und 0 bis 5%
eines Acetylen-Polyethylen-Oxid-Oberflächenwirkstoffs
enthält.
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