DE69302854T2

DE69302854T2 - Tinte für Tintenstrahldruck auf Basis von Mikroemulsion enthaltend einen wasserunlöslichen Farbstoff

Info

Publication number: DE69302854T2
Application number: DE69302854T
Authority: DE
Inventors: John R Moffatt; Palitha Wickramanayake
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1992-03-17
Filing date: 1993-03-09
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2013-03-10
Also published as: US5226957A; EP0562732B1; JPH069911A; JP3443432B2; EP0562732A1; DE69302854D1; HK29497A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Tintenzusammensetzungen und Verfahren zum Herstellen derselben zur Verwendung bei Tintenstrahldruckern und insbesondere auf die Verwendung von wasserunlöslichen Farbstoffen in wässrigen formelmäßigen Tintenmischungen für thermische Tintenstrahldrucker.

Stand der Technik

Thermische Tintenstrahldrucker bieten eine preisgünstige, hochqualitative und vergleichsweise geräuscharme Option im Vergleich zu anderen Druckertypen, die üblicherweise mit Computern verwendet werden. Derartige Drucker verwenden ein Widerstandselement in einer Kammer, die mit einem Ausgang für Tinte versehen ist, damit dieselbe aus einem ausgefüllten Raum austreten kann. Der ausgefüllte Raum ist mit einem Behälter zum Lagern der Tinte verbunden. Eine Mehrzahl derartiger Widerstandselemente ist in einem speziellen Muster, das 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 des Druckkopfs und des Behälters bildet einen Tintenstrahlstift.
Im Betrieb ist jedes Widerstandselement über eine leitfähige Leiterbahn mit einem Mikroprozessor verbunden, wobei Stromtragende Signale bewirken, daß sich eines oder mehrere ausgewählte Elemente aufheizen. Das Aufheizen erzeugt eine Blase in der Kammer, welche Tinte durch die Düse zum Druckmedium hin auswirft. 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 liefert weitere Druckmöglichkeiten auf dem Medium.
Viele Tinten, die zur Verwendung beim Tintenstrahldrucken beschrieben werden, sind üblicherweise dem Tintenstrahldrucken vom nicht-thermischen Typ zugeordnet. Ein Beispiel eines derartigen nicht-thermischen Tintenstrahldruckens ist das piezoelektrische Tintenstrahldrucken, wobei ein piezoelektrisches Element verwendet wird, um Tröpfchen von Tinte auf das Druckmedium auszuwerfen. Tinten, die bei derartigen nicht-thermischen Anwendungen geeignet verwendet werden, können oft beim thermischen Tintenstrahldrucken aufgrund der Auswirkungen der Hitze auf die Tintenzusammensetzung nicht verwendet werden.
Farbtinten, die unter Verwendung schwerer Farbstoffladungen hergestellt sind, tendieren, wenn auf Verbundpapier gedruckt wird, dahin, zu zerlaufen und eine reduzierte Wasserfestigkeit zu ergeben. Verlaufen, wie es hier verwendet wird, ist Eindringen einer Farbe in eine andere Farbe auf dem Papier, was ein Oberflächenphänomen darstellt. Dies stellt eine Unterscheidung zur Verwendung des Ausdrucks im Stand der Technik dar, wobei dort die Tendenz besteht, "zerlaufen" in dem Kontext einer Tinte einer einzelnen Farbe, die den Fasern des Papiers folgt, zu definieren. Dies ist ein Unteroberflächenphänomen und wird in dieser Anmeldung als "Ineinanderlaufen" oder als "Fädeln" bezeichnet. Wasserfestigkeit, wie sie hier verwendet wird, bezieht sich auf einen Widerstand gegenüber des Auswaschens mit Wasser nach dem Drucken auf das Papier.
Oberflächenwirkstoffe wurden als Anti-Verstopfungsmittel in der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. 63-165465 zur Verwendung bei Tintenstrahlaufzeichnungstinten verwendet. Die Oberflächenwirkstoffe, die in dieser Anwendung verwendet werden, sind auf die begrenzt, die eine Oberflächenspannung zwischen 20 und 50 Dyn/cm aufweisen. Die Menge an Oberflächenwirkstoffen liegt in dem Bereich von etwa 0,5 bis 25 Gewichtsprozent. Spezielle offenbarte Beispiele umfassen Natrium-Dodecylbenzol-Sulfonat, Natrium-Laurat und Polyethylenglycol-Monooleyl-Ether.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 01-203,483 ist auf Tintenstrahlaufzeichnungszusammensetzungen ausgerichtet. Es wird eine Reduzierung des Zerlaufens in Verbindung mit einem Drucken unter Verwendung der Tinten erwähnt. Die Zusammensetzungen benötigen ferner Pektin (0,01 bis 2 Gewichtsprozent), welches vielleicht als Verdickungsmittel verwendet wird. Pektin ist jedoch bei Tinten, die in thermischen Tintenstrahldruckern verwendet werden, aufgrund seiner thermischen Instabilität (es wird bei höheren Temperaturen zu Gel) nicht verwendbar.
Das Japanische Patent JP 1215-875-A ist auf Tinten ausgerichtet, die zum Tintenstrahldrucken geeignet sind und ein gutes Aufzeichnen bei schneller Trocknung ohne Verlaufen zeigen. Die Zusammensetzungen benötigen alle Triglyceride. Derartige Verbindung sind jedoch nicht stabil für eine ausgedehnte Lagerbeständigkeit, die bei dem kommerziellen Tintenstrahldrucken notwendig ist.
Das Japanische Patent JP 1230-685-A ist auf Tinten ausgerichtet, die zum Tintenstrahldrucken geeignet sind und eine schnelle Absorption auf der Oberfläche herkömmlichen Büropapiers ohne Verschmieren oder Durchschlagen zeigen. Die Zusammensetzungen weisen Färbemittel und Flüssiglösungsmittel und/oder Dispersionsmittel auf und sind durch die Anwesenheit eines Kopolymers aus Ethylenoxid und Propylenoxid der Formel HO(C&sub2;H&sub4;O)a-C&sub3;H&sub6;O(C&sub2;H&sub4;O)bH gekennzeichnet, wobei a+b bis zu 50 beträgt und b optional 0 ist. Diese Kopolymere werden als "PLURONICS" bezeichnet. Es wurde jedoch herausgefunden, daß sie meistens weder das Zerlaufen anhalten noch eine gute Druckqualität ergeben.
Kolloide mit hohem Molekulargewicht (> 10.000), wie z.B. Natriumalginat, wurden verwendet, um das Zerlaufen zu steuern, wie es in der ebenfalls anhängigen Anmeldung mit der Seriennummer 07/737,101, die am 29. Juli 1991 eingereicht wurde und demselben Bevollmächtigten wie bei der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, offenbart und beansprucht ist. Die Kolloide mit hohem Molekulargewicht, die in Verbindung mit wasserlöslichen Farbstoffen verwendet werden, benötigen die Anwesenheit mindestens eines zwitterionischen Oberflächenwirkstoffs und/oder eines nicht-ionischen Amphiphils.
Eine gute Zeilendefinition bietet sich beim Verwenden der folgenden Formel für thermische Tintenstrahltinten (Cyan, Magenta, Gelb):
8 Gewichtsprozent 1,5-Pentandiol;
2 Gewichtsprozent SURFYNOL 465 (ein Warenzeichen von Air Products & Chemicals, Inc.);
0,25 Gewichtsprozent Natriumalginat (hohes Molekulargewicht);
1,0 Gewichtsprozent N,N-Dimethyl-N-(Z-9-Octadecenyl)-N- Aminoxid (OOAO);
Farbstoff, wie z.B. 0,75 Gewichtsprozent Natriumsäure- Blau 9, 1,2 Gewichtsprozent Natriumsäure-Rot 52 oder eine Mischung von 0,25 Gewichtsprozent Direkt-Gelb 86 plus 0,25 Gewichtsprozent Säure-Gelb 23, und
der Rest Wasser.
Diese Tinten zeigen eine Linderung sowohl des Fädelns als auch des Verlaufens zwischen Farben, die aneinander angrenzend gedruckt sind. Sie sind jedoch nicht wasserfest.
Um eine Wasserfestigkeit zu erreichen, wurden beispielsweise wasserunlösliche Farbstoffe zusammen mit Cyclodextrin verwendet. Die Anmeldung mit der Seriennummer 07/702,437, die am 16. Mai 1991 eingereicht und demselben Bevollmächtigten wie bei der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, offenbart Tinte, die wasserunlösliche Farbstoffe und Cyclodextrin enthält. Es wird gegenwärtig davon ausgegangen, daß der höchste Grad an Wasserfestigkeit durch die Verwendung von wasserunlöslichen Farbstoffen zustande kommt.
Mikroemulsionen, welche als thermodynamisch stabile isotropische "Lösungen" von Wasser, Öl, Oberflächenwirkstoffen und Kooberflächenwirkstoffen definiert werden können, wurden in der Vergangenheit verwendet, um wasserunlösliche Farbstoffe löslich zu machen. Die Funktion von Wasser besteht darin, eine durchgehende Phase für die Mikroemulsionströpfchen zu schaffen und sie erleichtert die Bildung von Mikroemulsionströpfchen durch eine Entropieeinrichtung. Das Öl ist eine wasserunlösliche Substanz, welche hauptsächlich in den Mikroemulsionströpfchen sitzt, d.h. die disperse Phase. Der Oberfächenwirkstoff ist eine amphipatische, oberflächenaktive, sich selbst anhäufende Spezies, welche hauptsächlich für die Bildung von Mikroemulsionströpfchen verantwortlich ist. Der Kooberflächenwirkstoff ist eine amphipatische Spezies, welche sich im wesentlichen in den Mikroemulsionströpfchen konzentriert, wobei dieselbe den Tröpfchen eine Stabilität bietet.
Der Erfolg von Mikroemulsions-basierten Tinten ist aufgrund des Ausmaßes des Fädelns oder Ineinanderlaufens bei der resultierenden Druckprobe begrenzt gewesen. Anscheinend bewirkt die Kombination hoher Konzentrationen von organischen Lösungsmitteln und Oberflächenwirkstoffen, die bei diesen Tinten verwendet werden, ein übermäßiges Befeuchten der Papierfasern und Füllstoffe, was in einem Fädeln resultiert, wobei eine schlechte Kantenschärfe das Endergebnis ist.
Es wurden Versuche unternommen, um derartige Druckqualitätsmängel durch die Verwendung von Mikroemulsions-basierten Tinten zu überwinden, die bei Umgebungstemperaturen Feststoffe sind und bei erhöhten Temperaturen (z.B. 70ºC) Flüssigkeiten sind, siehe beispielsweise in dem U.S.-Patent 5,047,084. Diese Tinten stellen jedoch für den Druckkopf und den Drucker zusätzliche Anforderungen dar, wie z.B. Vorheizer, um die Tinte vor dem Abfeuern in flüssiger Form zu halten, und Walzen, um die festen Tintentröpfchen (linsenartige Körperchen) zu glätten, die auf dem Druckmedium gebildet sind, wodurch das Produkt komplexer und teurer wird.
Daher stellt die Verwendung von vollständig wasserunlöslichen Farbstoffen in Flüssigtinten, welche vollständig wasserfest sind, wenn sie auf ein Druckmedium gedruckt werden, einen attraktiven Lösungsansatz dar. Somit bleibt ein Bedarf nach Farbtinten, bei denen das Fädeln und Zerlaufen verringert wird, die jedoch ebenfalls wasserfest sind und ein Drucken mit hoher Druckqualität bieten.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß der Erfindung können wasserunlösliche Farbstoffe in Mikroemulsions-basierten Tinten formelmäßig gemischt werden, welche vollständig wasserfest und nicht-fädelnd sind und ein verringertes Zerlaufen aufweisen. Die Tintenstrahltinten weisen eine Formel mit folgenden Merkmalen auf:
(a) etwa 0,05 bis 0,75 Gewichtsprozent eines Kolloids mit hohem Molekulargewicht;
(b) 0,1 bis 40 Gewichtsprozent von mindestens zwei Oberflächenwirkstoffen, welche mindestens einen Oberflächenwirkstoff und mindestens einen Kooberflächenwirkstoff aufweisen;
(c) etwa 0,5 bis 20 Gewichtsprozent mindestens eines Kolösungsmittels;
(d) etwa 0,1 bis 5 Gewichtsprozent mindestens eines wasserunlöslichen Farbstoffs;
(e) etwa 0,1 bis 20 Gewichtsprozent eines Öls; wobei
(f) der Rest Wasser ist.
Die Tinten der Erfindung, welche bei Raumtemperatur flüssig sind, bilden eine stabile Mikroemulsion, was in einer Linderung des Zerlaufens, in einer herausragenden Liniendefinition ohne Fädeln und in einer herausragenden Druckqualität aufgrund der Kombination von Kolloiden mit hohem Molekulargewicht und der Mikroemulsion resultiert.

Beste Arten und Weisen zum Ausführen der Erfindung

Gemäß der Erfindung werden Tintenzusammensetzungen geschaffen, welche wasserfest, nicht-zerlaufend und nicht-fädelnd sind, und welche eine hohe Druckqualität zeigen. Die Tintenzusammensetzungen weisen folgende Bestandteile auf: (a) etwa 0,05 bis 0,75 Gewichtsprozent eines Kolloids mit hohem Molekulargewicht, (b) 0,1 bis 40 Gewichtsprozent von mindestens zwei Oberflächenwirkstoffen, die mindestens einen Oberflächenwirkstoff und mindestens einen Kooberflächenwirkstoff aufweisen, (c) etwa 0,5 bis 20 Gewichtsprozent mindestens eines Kolösungsmittels, (d) etwa 0,1 bis 5 Gewichtsprozent eines oder mehrerer wasserunlöslichen Farbstoffe, (e) etwa 0,1 bis 20 Gewichtsprozent eines Öls; wobei (f) der Rest Wasser ist.
Die Tinten können ferner eines oder mehrere Biozide, Fungizide und/oder Slimizide (mikrobielle Mittel) aufweisen, wie es in der Technik üblich ist. Mikrobielle Reagenzien umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf, NUOSEPT (Nudex, Inc., eine Abteilung von Huls America), UCARCIDE (Union Carbide), VANCIDE (RT Vanderbilt Co.), und PROXEL (ICI Americas).
Alle hierin vorkommenden Konzentrationen sind in Gewichtsprozent, es sei denn, daß etwas anderes gezeigt ist. Die Reinheit aller Komponenten ist die, die in der normalen kommerziellen Praxis für Tintenstrahltinten verwendet wird.
Der Ausdruck "Kolloid mit hohem Molekulargewicht" bezieht sich gemäß seiner Verwendung in der vorliegenden Anmeldung auf ein Kolloid mit einem Molekulargewicht von mindestens etwa 10.000.
Die großen Polysaccharide (Kolloide), die in dieser Anmeldung zur Verwendung beim thermischen Tintenstrahldrucken offenbart sind, sind bei etwa 0,05 bis 0,75 Gewichtsprozent beim Verringern des Zerlaufens und beim Schaffen einer herausragenden Kantenschärfe wirksam. Bei Pegeln, die viel höher als diese sind, ist die Viskosität der Tinte zu hoch, um aus einem Stift strahlenmäßig auszuströmen.
Offensichtlich häufen sich diese Polysaccharide an, um große Molekularhaufen zu bilden, weswegen sie ebenfalls üblicherweise als Oberflächenwirkstoffe klassifiziert werden. In dieser Anmeldung werden diese Polysaccharide jedoch neben anderen erwähnten Oberflächenwirkstoffen betrachtet, welche ebenfalls in den Tintenzusammensetzungen enthalten sind.
Die beim Ausführen der Erfindung verwendeten Kolloide umfassen Kolloide, die aus natürlichen Quellen abgeleitet sind, wie z.B. aus Salzen aus Alginsäure, aus mannomuronischer Säure, aus Carrageen (wie z.B. dem Heißwasserextrakt aus Meeralgen Chondrus crispus oder Rhodophyceae), aus Guar- und Xanthan-Gummiarten, aus Dextran, aus Chitin und aus Chitosan. Zusätzlich können synthetische Kolloide, wie z.B. Carboximethylcellulose, bei der Ausführung der Erfindung verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung verwendet vorzugsweise "Natrium"- Alginat mit einem Molekulargewicht von etwa 12.000 bis 80.000 und einem typischen Grad eines Polymerisationsbereichs von etwa 60 bis 400. Dieser Bereich schafft die gewünschte Zerlaufsteuerung der Tinten. "Natrium"-Alginate weisen typischerweise 5,5% Natrium, 2% Kalzium und 9,5% Kalium als die Hauptgegenionen und auch Spuren anderer mono- und divalenter Kationen auf.
Die Alginate, die am bevorzugtesten bei der Ausführung der Erfindung verwendet werden, sind durch eine relativ niedrige Viskosität gekennzeichnet: eine Lösung von 1% in Wasser ergibt eine Viskosität von 60 Zentipoise (cP), während eine Lösung von 2% in Wasser eine Viskosität von 500 cP ergibt. Ein derartiges Material ist bei Aldrich Chemical Company (Milwaukee, WI) kommerziell erhältlich.
Der Ausdruck "Kolösungsmittel", welcher üblicherweise bei der Tintenstrahltechnologie verwendet wird, bezieht sich hinsichtlich seiner Verwendung in der vorliegenden Anmeldung auf ein wassermischbares Lösungsmittel mit einem Gasdruck, der niedriger als der von Wasser ist. Kolösungsmittel werden üblicherweise als Hilfe bei der Düsenverstopfungsverhinderung und bei der Langzeitlagerung der Tinte verwendet. Bestimmte Kolösungsmittel können ferner Mikroemulsionströpfchen stabilisieren.
Kolösungsmittel können aus der folgenden Gruppe sein, sind jedoch nicht auf dieselbe begrenzt: Glycole, wie z.B. Ethylenglycol, Diethylenglycol, Triethylenglycol, Tetraethylenglycol, Propylenglycol, Polyethylenglycol, Polypropylenglycol und Derivate derselben; Diole, wie z.B. Butandiol, Pentandiol, Hexandiol und homologe Diole; und weitere Lösungsmittel, wie z.B. Sulfolan, Ester, Ketone, Lactone, wie z.B. γ-Butyrolacton, Lactame, wie z.B. N-Pyrrolidon, 2-Pyrrolidon und N-(2-Hydroxyethyl-)Pyrrolidon, und Glycerole und ihre Derivate.
Vorzugsweise weist das Kolösungsmittel Pentandiol, am bevorzugtesten 1,5-Pentandiol auf. Weitere organische Kolösungsmittel, die beim thermischen Tintenstrahldrucken verwendet werden, wie z.B. Diethylenglycol, sind erwiesenermaßen nicht so wirksam wie Pentandiol.
Die Konzentration des Pentandiols liegt im Bereich von etwa 4 bis 15 Gewichtsprozent. Weniger als 4% resultiert in einer Langzeitverkrustung der Tinte an den Druckkopfdüsen, während ein größerer Wert als 15% in einer Tinte resultiert, die zu viskos ist, um ausgespritzt zu werden. Vorzugsweise liegt die Konzentration von Pentandiol im Bereich von etwa 5 bis 9 Gewichtsprozent und am bevorzugtesten beträgt sie etwa 8 Gewichtsprozent.
Das Oberflächenwirkstoffsystem umfaßt mindestens zwei Oberflächenwirkstoffe, einen Oberflächenwirkstoff und einen Kooberflächenwirkstoff. Der Oberflächenwirkstoff und der Kooberflächenwirkstoff wurden oben definiert.
Ein bevorzugter Oberflächenwirkstoff ist Aminoxid, wie z.B. N,N-Dimethyl-N-Dodecyl-Aminoxid (NDAO):
Statt des C&sub1;&sub2;H&sub2;&sub5;-Anteils kann ein beliebiger R-Anteil verwendet werden. Die folgenden Anteile, ihre Namen und Abkürzungen sind 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);
Die Aufnahme von Farbstoffen in Mikroemulsionströpfchen ist das wahrscheinliche Verfahren, durch welches Tinten, die Oberflächenwirkstoffe enthalten, das Zerlaufen steuern. Mikroemulsionströpfchen mit einem Farbstoff von einer Farbe, die von einem Tintenstrahlstift abgefeuert worden sind, werden keinen Farbstoff einer anderen Farbe in einem benachbarten Mikroemulsionströpfchen auf einem Druckmedium austauschen, da die Rate, bei der das bewegliche Trägermittel verdampft oder in das Papier adsorbiert, viel schneller als die Desorptionsrate der Farbstoffmoleküle von den Mikroemulsionströpfchen oder die Rate ist, bei der Farbstoffmoleküle entlang der Mikroemulsionströpfchen diffundieren. Eine Verringerung des Zerlaufens ist das Ergebnis.
Kooberflächenwirkstoffe können aus folgender Gruppe sein, sie sind jedoch nicht auf dieselbe begrenzt: Glycolester, wie z.B. Propylenglycollaurat; Mono- und Diglycolether, einschließlich Ethylenglycolmonobutylether, Diethylenglycolether, Diethylenglycolmonoethyl-Butyl-, -Hexyl-Ether, Propylenglycolether, Dipropylenglycolether und Triethylenglycolether und Langkettenalkohole, wie z.B. Butylalkohol, Pentylalkohol und homologe Alkohole.
Zusätzliche Beispiele von Kooberflächenwirkstoffen, die bei dem Ausführen der Erfindung geeigneterweise verwendet werden, umfassen die SURFYNOLS, welche Acetylen-Polyethylen- Oxid-Oberflächenwirkstoffe sind, die bei Air Products & Chemicals, Inc. erhältlich sind. Die SURFYNOLS werden folgendermaßen dargestellt
Dabei liegt n+m zwischen 0 und 50.
Alginate (und die anderen aufgelisteten Polysaccharide) sind beim Steuern des Zerlaufens hoch wirksam. Obwohl die Verwendung von Oberflächenwirkstoffen, wie z.B. OOAO und SURFYNOL 465 das Zerlaufen im Vergleich zu dem organischen Kolösungsmitteln alleine (wie z.B. 1,5-Pentandiol und Diethylenglycol) verringern, tritt beim Hinzufügen eines Natriumalginats eine weitere Verbesserung auf. Polysaccharide mit großem Molekulargewicht sollten Farbstoffmoleküle in ihren wasserabweisenden Taschen enthalten. Diese großen Molekularkomplexe weisen kleine Diffusionskoeffizienten auf und sollten wandern, wobei sie in (oder auf) dem Druckmedium verlangsamt werden. Somit sollten sich anhäufende Polysaccharide die Steuerung des Zerlaufens, die durch kleinere anhäufungsbildende Oberflächenwirkstoffe, wie z.B. OOAO und NOAO geboten wird, steigern.
Wasserunlösliche Farbstoffe sind diese Farbstoffe, welche bei Raumtemperatur keine nennenswerte Farbstofflösung in Wasser zeigen. Ein wasserunlöslicher Farbstoff, wie er hier verwendet wird, ist einer, bei dem seine Löslichkeit in einer wässrigen Lösung (unter der Annahme einer organischen Kolösungsmittelkonzentration < 20 %) so klein ist, daß seine optische Dichte auf verschiedenen Papieren kleiner als 0,80 ist. (Diese Definition wird unter Papiermarken und -Typen etwas variieren, sie sollte jedoch nicht mehr als ±0,2 abweichen.)
Wasserunlösliche Farbstoffe sind bei Tinten sehr nützlich, bei denen die Eigenschaft der Wasserfestigkeit wichtig ist, da, sobald derartige Tinten auf Papier gedruckt sind, sie bei der Anwesenheit von Wasser nicht schmieren werden. Beispiele derartiger wasserunlöslicher Farbstoffe umfassen Lösungsmittelfarbstoffe, Küpenfarbstoffe und bestimmte Beizenfarbstoffe. Diese Farbstoffe sind in einer Vielzahl von Schwarz und von Farben verfügbar.
Beispiele von Lösungsmittelfarbstoffen umfassen Lösungsmittel-Schwarz (SB; SB = Solvent Black) 3, SB 5, SB 46, Lösungsmittel-Blau 36, Lösungsmittel-Blau 59, Lösungsmittel- Rot (SR; SR = Solvent Red) 1, SR 24, SR 68, Lösungsmittel- Gelb (SY; SY Solvent Yellow) 13, SY 14, SY 33 und SY 93. Beispiele von Küpenfarbstoffe umfassen Küpen-Schwarz 9, Küpen-Schwarz 25, Küpen-Blau 1, Küpen-Blau 6, Küpen-Rot 10 und Küpen-Gelb 4. Weitere Beispiele von Küpenfarbstoffen umfassen eine Familie von Farbstoffen, die unter dem Warenzeichen, das als WAXOLINE-Farbstoffe bekannt ist, verfügbar sind. Diese Farbstoffe umfassen WAXOLINE-Orange-EPFW-35117, WAXOLINE-Rot-0-31833, WAXOLINE-Schwarz-5BP-35115 und WAXOLINE-Schwarz-0BP-35109. (WAXOLINE ist ein Warenzeichen von ICI Americas.) Beispiele von wasserunlöslichen Beizenfarbstoffen umfassen Beizen-Schwarz 1, Beizen-Schwarz 9, Neazopon-Schwarz X52 von BASF Corp., Chemical Division (Holland, MI), Beizen-Blau 1, Beizen-Rot 7, Beizen-Rot 9 und Beizen-Gelb 26.
Das Aufnehmen derartiger wasserunlöslicher Farbstoffe in eine Tinte liefert viele Herausforderungen. Wenn diese Tinten in einem organischen Lösungsmittel lösbar sind, ist dieses Lösungsmittel wahrscheinlich giftig oder kann mit dem Druckkopf oder dem Drucker reagieren, was eine Produktekorrosion und dergleichen bewirkt. Andererseits können derartige wasserunlösliche Farbstoffe natürlich per Definition nicht direkt in Wasser-basierte Tinten aufgenommen werden.
Gemäß der Erfindung werden wasserunlösliche Farbstoffe, insbesondere die Klasse von wasserunlöslichen Küpenfarbstoffen, die als WAXOLINE-Farbstoffe bekannt sind, in wässrig-basierten Tinten unter Verwendung von Mikroemulsionen zusammen mit einem Kolloid mit hohem Molekulargewicht formelmäßig gemischt.
Die Mikroemulsion wird durch die Kombination des Oberflächenwirkstoffs und des Kooberflächenwirkstoffs, welche oben beschrieben wurden, eines Öls und von Wasser gebildet. Die Mikroemulsion hält den wasserunlöslichen Farbstoff in "Lösung". Sobald die Tinte auf das Druckmedium gedruckt ist, macht der Farbstoff, der wasserunlöslich ist, die Abbildung wasserfest. Die Tinte zeigt kein Zerlaufen zwischen Farben und kein Fädeln entlang der Fasern des Druckmediums.
Die Verwendung der Kolloide, die oben in Verbindung mit den Oberflächenwirkstoffen beschrieben wurden, steigert die Textdruckqualität und macht die Liniendefinition zwischen Farben, die aneinander angrenzend gedruckt werden, schärfer.
Das Öl weist entweder ein wasserunlösliches organisches Lösungsmittel oder wasserunlösliches Mono- oder Diglycolether auf. Beispiele von wasserunlöslichen organischen Lösungsmitteln (Ölen) umfassen nicht-giftige Aromaten und Kohlenwasserstoffe. Beispiele von nicht-giftigen Aromaten-Verbindungen umfassen Toluen, Xylen, Naphthalen, Naphthalen-Sulfonate, ersetzte Naphthalen-Sulfonate, Phenanthren und Anthracen.
Beispiele von Kohlenwasserstoffen umfassen die geraden und verzweigten Kohlenwasserstoffe, die insgesamt von 8 bis zu 22 Kohlenstoffatome enthalten (Oktan bis Isocan). Kohlenwasserstoffe, die weniger als etwa 8 Kohlenstoffatome enthalten, sind zu flüchtig und werden aus der Tinte verdampfen. Kohlenwasserstoffe, die mehr als etwa 22 Kohlenstoffatome enthalten, sind allgemein in den Mikroemulsionströpfchen nicht löslich.
Vorzugsweise werden beim Ausführen der Erfindung gerade Kettenmoleküle und Moleküle mit einer einfachen Verzweigung, wie z.B. Primäralkane, verwendet.
Alkene können ebenfalls verwendet werden, wobei sie bis zu drei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen aufweisen.
Die bevorzugten Tinten der Erfindung bestehen im wesentlichen aus etwa 4 bis 15 Gewichtsprozent 1,5-Pentandiol, etwa 0,05 bis 0,75 Gewichtsprozent Natriumalginat, 0,1 bis 10 Gewichtsprozent N,N-Dimethyl-N-(Z-9-Octandecenyl)-N-Aminoxid und einem Acethylenpolyethylenoxid, 0,1 bis 5 Gewichtsprozent mindestens eines der vorher erwähnten wasserunlöslichen Farbstoffe, etwa 0,5 bis 10 Gewichtsprozent Toluen, wobei der Rest Wasser ist.
Eine besonders bevorzugte Zusammensetzung lautet im wesentlichen folgendermaßen:
8% 1,5-Pentandiol;
0,25% Natriumalginat;
1% N,N-Dimethyl-N-(Z-9-Octadecenyl)-N-Aminoxid;
2% Acetylen-Polyethylen-Oxid;
1% Toluen;
0,2% wasserunlöslicher Küpenfarbstoff; wobei
der Rest Wasser ist.
Eine Tinte, die gemäß der vorangegangenen Zusammensetzung gemischt wird, zeigt eine vollständige Wasserfestigkeit und eine hohe Druckqualität, wenn sie aus einem thermischen Tintenstrahldrucker auf Papier gedruckt wird.
Die Tinten der Erfindung werden gemischt, indem zuerst die wassermischbaren Komponenten (Wasser, Kolösungsmittel, Oberflächenwirkstoffe und Kolloid mit hohem Molekulargewicht) gemischt werden, um eine stabile Lösung zu bilden. Anschließend wird der wasserunlösliche Farbstoff (die wasserunlöslichen Farbstoffe) und das Öl hinzugefügt, um eine Mischung zu bilden. Die Mischung wird dann beispielsweise durch Umrühren, Schütteln oder eine andere Hin- und Her-Bewegungseinrichtung homogenisiert, um die Mikroemulsions-basierte Tinte zu bilden. Versuche, um die Tinte durch ledigliches Hinzufügen aller Zutaten zusammenzumischen, würden zu lange dauern, um die Mikroemulsion zu bilden, da die Anwesenheit des Öls die Lösung des Kolloids mit hohem Molekulargewicht verzögern würde. Es soll angemerkt werden, daß das Weglassen des Kolloids mit hohem Molekulargewicht bewirken würde, daß die Tinte fädelt, was in einer schlechteren Druckqualität resultiert.
Bei einem bestimmten bekannten Konzentrationsverhältnis von Oberflächenwirkstoff zu Kooberflächenwirkstoff kann der mikroemulsionierbare Ölgehalt zweckmäßigerweise durch Titration bestimmt werden. Solange der Betrag an zugefügtem Öl mikroemulsionierbar ist, würde sich spontan eine homogene Phase bilden. Sobald die Grenze erreicht ist, würde sich die Ölphase heraustrennen. Durch Variieren des Oberflächenwirkstoff-zu-Kooberflächenwirkstoff-Konzentrationsverhältnisses kann man ohne weiteres das Verhältnis bestimmen, das einen Maximalbetrag an emulsioniertem Öl zuläßt. Das Halten des Ölgehalts unter der maximalen Menge ergibt eine stabile Mikroemulsion.

Industrielle Anwendbarkeit

Es wird davon ausgegangen, daß die vorliegenden Tinten bei thermischen Tintenstrahldruckern als die nächste Generation wasserfester Tinten Gebrauch finden werden, welche nicht zerlaufen, nicht fädeln und eine hohe Druckqualität zeigen.
Somit wurden wasserfeste Tinten zum thermischen Tintenstrahldrucken und ein Verfahren zum Mischen derselben offenbart. Verschiedene Änderungen und Modifikationen von offensichtlichem Wesen können durchgeführt werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen, wobei alle derartigen Veränderungen und Modifikationen in den Bereich der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, fallen werden.

Claims

1. Eine Mikroemulsions-basierte thermische Tintenstrahltinte, die einen wasserunlöslichen Farbstoff enthält, mit folgenden Bestandteilen:

(a) etwa 0,05 bis 0,75 Gewichtsprozent eines Kolloids mit hohem Molekulargewicht;

(b) etwa 0,1 bis 40 Gewichtsprozent von mindestens zwei Oberflächenwirkstoffen, welche mindestens einen Oberflächenwirkstoff und mindestens einen Kooberflächenwirkstoff aufweisen;

(c) etwa 0,5 bis 20 Gewichtsprozent mindestens eines Kolösungsmittels;

(d) etwa 0,1 bis 5 Gewichtsprozent mindestens eines wasserunlöslichen Farbstoffs;

(e) etwa 0,1 bis 20 Gewichtsprozent eines Öls; und

(f) wobei der Rest Wasser ist.

2. Die thermische Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 1, bei der das Kolloid mit hohem Molekulargewicht aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Salzen aus einer Alginsäure, aus einer mannomuronischen Säure, aus Carrageenan, aus Guar- und Xanthan-Gummiverbindungen, aus Dextran, aus Chitin, aus Chitosan und aus Carboxymethylcellulose besteht.

3. Die thermische Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 1, bei der der mindestens eine Oberflächenwirkstoff ein Aminoxid ist.

4. Die thermische Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 1, bei der der mindestens eine Kooberflächenwirkstoff aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Glycolester, Mono- und Di-Glycolether, Diethylenglycolether, Langkettenalkoholen und Acetylen-Polyethylenoxiden besteht.

5. Die thermische Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 1, bei der das mindestens eine Kolösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Glycolen, Diolen und Sulfolan, aus Estern, Ketonen, Lactonen, Lactamen und Glycerolen und ihren Derivaten besteht.

6. Die thermische Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 1, bei der der wasserunlösliche Farbstoff aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus wasserunlöslichen Lösungsmittelfarbstoffen, Küpenfarbstoffen und Beizenfarbstoffen besteht.

7. Die thermische Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 1, bei der das Öl aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus nicht-giftigen Aromaten, geraden und einfach verzweigten Kohlenwasserstoffen, die von etwa 8 bis zu etwa 22 Kohlenstoffatome aufweisen, aus Alkenen mit bis zu 3 Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen und aus Mono- und Di-Glycolethern besteht.

8. Die thermische Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 1, die im wesentlichen aus etwa 4 bis 15 Gewichtsprozent 1,5- Pentandiol, aus etwa 0,05 bis 0,75 Gewichtsprozent Natriumalginat, aus 0,1 bis 10 Gewichtsprozent von N,N- Dimethyl-N-(Z-9-Octandecenyl)-N-Aminoxid und aus einem Acetylen-Polyethylenoxid, aus dem wasserunlöslichen Farbstoff, aus etwa 0,5 bis 10 Gewichtsprozent Toluen besteht, wobei der Rest Wasser ist.

9. Die thermische Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 8, die im wesentlichen aus:

etwa 8 Gewichtsprozent 1,5-Pentandiol;

etwa 0,25 Gewichtsprozent Natriumalginat);

etwa 1 Gewichtsprozent N,N-Dimethyl-N-(Z-9-Octadecenyl)-N-Aminoxid;

etwa 2 Gewichtsprozent eines Acetylen-Polyethylen-Oxid;

etwa 1 Gewichtsprozent Toluen;

etwa 0,2 Gewichtsprozent eines wasserunlöslichen Küpenfarbstoffs besteht; und

wobei der Rest Wasser ist.

10. Ein Verfahren zum Herstellen der wasserfesten, Mikroemulsions-basierten thermischen Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 1 mit folgenden Schritten:

(a) Bereiten einer stabilen, wässrigen Phase durch Kombinieren des Kolloids mit hohem Molekulargewicht, der mindestens zwei Oberflächenwirkstoffe, des mindestens einen Kolösungsmittels und des Wassers;

(b) Hinzufügen des mindestens einen wasserunlöslichen Farbstoffs und des Öls zu der stabilen, wässrigen Phase, um dadurch eine Mischung zu bilden; und

(c) Homogenisieren der Mischung, um eine Mikroemulsion zu bilden.