DE69428859T2 - Erhöhung des Ausschwitzungwiderstands von Farbstoffen durch Austausch der Gegenions - Google Patents
Erhöhung des Ausschwitzungwiderstands von Farbstoffen durch Austausch der GegenionsInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Tinten, die beim Tintenstrahldrucken und hauptsächlich beim thermischen Tintenstrahldrucken verwendet werden, und insbesondere auf Farbtintenzusammensetzungen, bei denen das Zerfließen der Farbe wesentlich reduziert oder sogar eliminiert ist.
- Thermische Tintenstrahldrucker bieten eine kostengünstige, qualitativ hochwertige und vergleichsweise geräuscharme Alternative zu anderen Typen von Druckern, die normalerweise mit Computern verwendet werden. Solche Drucker verwenden ein Widerstandselement in einer Kammer, die mit einem Ausgang versehen ist, durch den Tinte von einem Plenum eindringen kann. Das Plenum ist mit einem Reservoir zum Speichern der Tinte verbunden. Eine Mehrzahl solcher Widerstandselemente ist in einer bestimmten Struktur, die als ein Grundelement oder Primitiv bezeichnet wird, in einem Druckkopf angeordnet. Jedes Widerstandselement ist einer Düse in einer Düsenplatte zugeordnet, durch die Tinte in Richtung eines Druckmediums ausgestoßen wird. Die gesamte Anordnung von Druckkopf und Reservoir umfaßt einen Tintenstrahlstift.
- Beim Betrieb ist jedes Widerstandselement über eine Leiterbahn mit einem Mikroprozessor verbunden, wobei stromführende Signale bewirken, daß sich eines oder mehrere ausgewählte Elemente erhitzen. Das Erhitzen erzeugt eine Tintenblase in der Kammer, die durch die Düse in Richtung des Druckmediums ausgestoßen wird. Auf diese Weise bildet das Feuern einer Mehrzahl solcher Widerstandselemente in einer bestimmten Reihenfolge in einem gegebenen Grundelement alphanumerische Zeichen, führt Flächenfüllung durch und liefert andere Druckfähigkeiten auf dem Medium.
- Jüngste Neuerungen beim thermischen Tintenstrahldrucken sind auf das Liefern der Fähigkeit des Farbdruckens gerichtet. Typischerweise werden Gelb-, Magenta- und Cyan-Tinten verwendet. Wenn diese drei Primärfarben in unterschiedlichen Kombinationen gemischt werden, liefern sie eine volle Farbpalette. Schwarzes Drucken wird entweder mit einer getrennten schwarzen Tinte oder durch zusammengesetztes Drucken von Gelb-, Magenta-, und Cyan-Tinten geliefert.
- Während dem Drucken kann eine Farbe mehr als einen Tintentropfen an einer bestimmten Pixelposition erfordern, entweder von der gleichen Farbe (um den Farbton zu steuern) oder von einer anderen Farbe (um eine spezifische Farbe zu liefern). Solche Mehrtintentropfen an einer Position können eine starke Farbmittelladung auf dem Druckmedium oder dem Papier schaffen.
- Starke Farbmittelladungen von verschieden gefärbten Tinten auf Papier können zu Zerfließen und zur Reduzierung der Wasserechtheit führen. Das Zerfließen, so wie es hier verwendet wird, ist das Eindringen einer Farbe in eine andere Farbe auf dem Papier, was ein Oberflächenphänomen darstellt. Dies ist im Gegensatz zu herkömmlichen Verwendungen des Begriffs, die dazu tendieren, "Zerfließen" in Zusammenhang mit Tinte einer einzelnen Farbe, die den Fasern des Papiers folgt, zu definieren, dies ist ein Unteroberflächenphänomen.
- Die Zerfließsteuerung wurde durch Hinzufügen von einem oder mehreren oberflächenaktiven Mitteln erreicht, siehe z. B. US-Patent 5,116,409, ausgegeben am 26. Mai 1992 an John Moffatt und übertragen an den gleichen Bevollmächtigten wie die vorliegende Anmeldung. Alternativ wurden schnell eindringende Lösungsmittel verwendet, um die Zerfließwiderstandsfähigkeit zu verbessern, siehe z. B. U.S.-Patent 5,196,056, ausgegeben am 23. März 1993 an Keshava Prasad, und übertragen an den gleichen Bevollmächtigten wie die vorliegende Anmeldung.
- Es besteht nach wie vor Bedarf an Tintenzusammensetzungen für die Verwendung beim Tintenstrahldrucken, insbesondere thermischem Tintenstrahldrucken, die kein Zerfließen zeigen, wie es hierin definiert ist, und die trotzdem eine relativ lange Lagerungsdauer und andere gewünschte Eigenschaften solcher Tinten aufweisen.
- Gemäß der Erfindung wird Farbzerfließen auf Papiermedien, die durch Tintenstrahl bedruckt werden, durch Ändern der Farbmittel vermindert, so daß sie zerfließwiderstandsfähiger werden. Zu diesem Zweck wird eine organische Zusammensetzung mit oberflächenaktiven Eigenschaften als das Farbmittel-Gegenion eingesetzt. Insbesondere wird ein Farbmittel mit einer oder mehreren Sulfonat- oder Carboxylatgruppen mit einem Gegenion versehen, das ein Amin umfaßt, mit der Formel, wie sie im Anspruch 1 spezifiziert ist.
- Eine Tinte, die das Farbmittel der Erfindung verwendet, umfaßt (a) 0,5 bis 40 Gewichtsprozente von einem oder mehreren Niedrigdampfdrucklösungsmitteln (b) 0,1 bis 8 Gewichtsprozent eines oder mehrerer wasserlöslichen Farbmittel, bei denen eines oder mehrere der Gegenione mit dem obigen Amin ersetzt wurden, und (c) Wasser.
- So wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff "Niedrigdampfdrucklösungsmittel" auf ein Lösungsmittel mit einem Dampfdruck, der niedriger ist als der von Wasser, und der Begriff "wasserlösliches Farbmittel" bezieht sich auf ein Farbmittel, dessen Löslichkeit in Wasser 2 Gewichtsprozent übersteigt.
- Die Zerfließwiderstandsfähigkeit von. Tinten, die die ersetzten Farbmittel der Erfindung verwenden, ist besser und weniger vom Papier abhängig als die von Tinte, die nichtersetzte Farbmittel enthält.
- Bei der Anwendung der Erfindung ist Farbzerfließen, das aus der Verwendung von Tintenstrahltinten bei thermischen Tintenstrahldruckern resultiert, durch Ändern der Farbmittel, so daß sie zerfließwiderstandsfähiger werden, vermindert. Zu diesem Zweck wird eine organische Verbindung mit oberflächenaktiven Eigenschaften als das Farbmittel-Gegenion ersetzt, unter Verwendung einer der herkömmlichen Cationaustauschtechniken, wie z. B. die Verwendung einer Ionenaustauschspalte, wie sie in dem U.S.-Patent 4,786,327, ausgegeben am 22. November 1988, das dem gleichen Bevollmächtigten wie die vorliegende Anmeldung übertragen ist, offenbart ist.
- Die Klasse der organischen Verbindungen mit oberflächenaktiven Eigenschaften ist hierin definiert als ein Amin mit einer kurzen Alkylkette, mit löslich machenden Gruppen an dem anderen Ende. Beispiele von geeigneten löslich machenden Gruppen umfassen -NH&sub2; und -OH. Falls die löslich machende Gruppe nicht vorhanden ist, ist das Farbmittel nicht wasserlöslich und wird daher in einer Tinte auf Wasserbasis ausfällen.
- Die Länge der Alkylkette reicht von drei bis sechs Kohlenstoffatomen. Ein Amin mit weniger als drei Kohlenstoffatomen liefert nicht ausreichend Hydrophobie für das ersetzte Farbmittel, um Zerfließen zu verhindern, während ein Amin mit mehr als sechs Kohlenstoffatomen eine wasserunlösliche Verbindung mit dem Farbmittel bildet, selbst wenn die löslich machende Gruppe vorliegt.
- Jedes der Amine, das innerhalb der oben gegebenen Definition liegt, kann bei der Anwendung der Erfindung verwendet werden, solange das Amin als ein Cation wirken kann. Die Formel der Amingegenione ist gegeben durch:
- &spplus;N-(CH&sub3;)mH&sub3;-m-(CH&sub2;)n-R
- wobei m im Bereich von 1 bis 3 liegt, n im Bereich von 3 bis 6, und R ein fünf- oder sechsgliedriger heterozyklischer aliphatischer oder aromatischer Ring ist, bei dem der hydrophile Substituent an dem Ring befestigt ist oder eine Funktionalität enthält, die protoniert werden kann, um den hydrophilen Substituenten zu bilden. R kann beispielsweise ein Lactam sein, welches eine heterozyklische aliphatische Gruppe mit einem Nitrogenatom in dem Ring ist, und einem Esteroxigen, das an dem Ring befestigt ist. Entweder das Nitrogen oder das Oxigen können protoniert werden, um den -OH oder -NH&sub2; hydrophilen Substituenten zu bilden.
- Ein Beispiel eines Amins, das bei der Ausführung der Erfindung verwendet wird, um das Gegenion zu bilden, ist Dimethylaminopropyl-2-Pyrrolidon (DMAPP). Die Amine sind Basen und bilden mit Säuren Salze.
- Bei DMAPP ist m = 2, n = 3 und R ist 2-Pyrrolidon, ein fünfgliedriger heterozyklischer Ring (C&sub4;H&sub6;O-N-), bei dem Befestigung durch das Nitrogen stattfindet. Die Formel des Gegenions, das es liefert, ist gegeben durch
- Sofern nicht anders angezeigt, sind alle Konzentrationen hierin in Gewichtsprozent. Die Reinheit aller Komponenten ist diejenige, die bei normaler kommerzieller Anwendung für thermische Tintenstrahltinten verwendet wird.
- Die Präparation von Farbmitteln, die wie oben beschrieben auf denselben ein Amin substituiert haben, wird, unter Verwendung von solchen Ionenaustauschprozessen, wie sie oben beschrieben sind, leicht erreicht. Das typische Farbmittel, das bei thermischen Tintenstrahldruckern verwendet wird, weist eine bis sechs Sulfonatgruppen auf. Wenn sie gekauft werden, haben diese Farbmittel Natriumgegenione, die den Sulfonatgruppen zugeordnet sind, oder Carboxylatgruppen, wie es der Fall sein kann.
- Der Ionenaustauschprozeß ersetzt eines oder mehrere dieser Natriumgegenione. Vorzugsweise werden alle der Natrium (oder anderen) -Gegenione, die dem Farbmittelmolekül zugeordnet sind, mit dem hierin beschriebenen Amincation ersetzt. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Anzahl von Durchläufen durch eine Ionenaustauschspalte benötigt werden kann, um alle (oder im wesentlichen alle) der Gegenione mit dem Amincationen der Erfindung auszutauschen. Folglich kann ein "vollständig" substituiertes Farbmittelmolekül in der Tat nicht vollständig substituiert sein, aber für den Zweck dieser Erfindung wird es als solches angesehen. Das "vollständig" substituierte Farbmittel kann mit nicht substituiertem Farbmittel gemischt werden, das Natriumgegenione enthält, um Kogations- und Zerfließeigenschaften der thermischen Tintenstrahltinte zu steuern. Obwohl Natriumgegenione dazu tendieren, Krustenbildungsprobleme zu erzeugen, sind dieselben oft die besten Gegenione zum Reduzieren von Kogation (Rückstand auf thermischen Widerständen), abhängig von dem Tintenbindemittel. Die Gesamtmenge des Natrium- enthaltenden Farbmittels wird selbstverständlich von dem Ausgleichen der Tendenz zum Zerfließen und Krustenbilden (was einen niedrigeren Betrag des Natrium-enthaltenden Farbmittels vorschreibt) und zur Kogation (was einen höheren Betrag des Natrium-enthaltenden Farbmittels vorschreibt) abhängen.
- Es wird darauf hingewiesen, daß Substituieren eines Natriumgegenions mit einem Amingegenions durch Ionaustausch zu einer Tinte führt, die wesentlich anders reagiert als durch einfaches Addieren des Amincations zu der Tinte.
- Farbmittel, die gemäß der Erfindung substituiert sind, umfassen, aber sind nicht beschränkt auf, anionische wasserlösliche Typen, wie z. B. C.I. Acid Blue 9 (Nr. 42090), C. I. Acid Red 18 (Nr. 18), C.I. Acid Red 27 (Nr. 16185), C. I. Acid Red 52 (Nr. 45100), C.I. Acid Red 289 (Nr. 45110), C.I. Acid Yellow 23 (Nr. 19140), C.I. Direct Blue 199 (Nr. 74190), C.I. Direct Yellow 86 (Nr. 29325) und Reactive Red 180. Außerdem können carboxylierte Farbmittel, wie sie z. B. in dem U.S.-Patent 4,963,189, ausgegeben am 16. Oktober 1990 an Suraj Hindagolla und übertragen an den gleichen Bevollmächtigten wie die vorliegende Anmeldung, offenbart sind, ebenfalls bei der Anwendung der Erfindung verwendet werden.
- Die Tinte umfaßt eines oder mehrere Farbmittel, die mit dem Amin substituiert wurden, und optional mit einem oder mehreren Farbmitteln gemischt wurden, die Natriumcatione aufweisen, die der funktionalen Gruppe zugeordnet sind. Das Farbmittel/die Farbmittel liegen von 0,1 bis 8 Gewichtsprozent der Tinte vor.
- Die Tinte umfaßt außerdem zumindest ein Niedrigdampfdrucklösungsmittel und Wasser. Die Gesamtkonzentration der Niedrigdampfdrucklösungsmittel reicht von 0,5 bis 40 Gewichtsprozent der Tinte, und vorzugsweise von 5 bis 25 Gewichtsprozent. Andere Komponenten, die allgemein thermische Tintenstrahltinten zugeordnet sind, einschließlich Biocide, antikogatierende Agenten und oberflächenaktive Mittel, können ebenfalls vorliegen.
- Niedrigdampfdrucklösungsmittel können umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Glykole, wie z. B. Ethylenglykol, Diehtylenglykol, Triethylenglykol, Tetraethylenglykol, Propylenglykol, Polyethylenglykol, Polypropylenglykol, Thiodeglykol und Derivate derselben; Diole, wie z. B. Butandiol, Pentandiol, Hexandiol, Methylpropandiol, Cyclohexandiol und homologe Diole; Glykolester, wie z. B. Propylenglykollaurat; Mono- und Diglykolether, wie z. B. Cellu- Lösungsmittel, einschließlich Ethylenglykolmonobutylether, Diethylenglykolether, wie z. B. die Carbitole, Diethylenglykolmono-Ethyl, -Butyl, -Hexylether, Propylenglykolether, Dipropylenglykolether und Triethylenglykolether; Alkohole mit langen Ketten, wie z. B. Butylalkohol, Pentylalkohol und homologe Alkohole; und andere Lösungsmittel, wie z. B. Sulfolan, Ester, Ketone, Lactone, wie z. B. γ-Butyrolacton, Lactame, wie z. B. 2-Pyrrolidon, N-Pyrrolidone und N-(2-Hydroxyethyl) Pyrrolidon, und Polyhydroxylalkohole, wie z. B. Sorbitol, Mannitol, Glyzerol, und Myoinositol und Derivate derselben.
- Vorzugsweise umfaßt das Niedrigdampfdrucklösungsmittel zumindest ein Lösungsmittel, das ausgewählt ist aus 1,5- Pentandiol, Methylpropanediol, 2-Pyrrolidon, Thiodiglykol und Sorbitol.
- Tinten werden durch Mischen des aminsubstituierten Farbmittels und des Natrium-enthaltenden Farbmittels (falls verwendet) mit einem oder mehreren Niedrigdampfdrucklösungsmitteln und Wasser formuliert.
- Ein Beispiel einer bevorzugten Tinte der vorliegenden Erfindung besteht im wesentlichen aus (a) 15 bis 25 Gewichtsprozent von einer Lösungsmittelmischung, die zumindest zwei Niedrigdampfdrucklösungsmittel enthält, die ausgewählt sind aus 1,5-Pentandiol, 2-Pyrrolidon, Thiodiglykol, Methylpropanediol, Cyclohexanediol und Sorbitol, (b) 2 bis 6 Gewichtsprozent eines substituierten carboxylierten Farbmittels, (c) ein oberflächenaktives Mittel, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus NDAO, N,N-Dimethyl-N-(Z-9- Octadecenyl)-N-Aminoxid (OOAO) und den Tritonen besteht, die oberflächenaktive Nonyl-Phenyl-Polyethylenoxid-Mittel sind, die von Rohm & Haas Co. erhältlich sind, allgemein dargestellt als:
- R-Ph-O(CH&sub2;-CH&sub2;-O)yR'
- wobei R, R' jedes Alkan-, Alken-, Aryl- oder Alkynylgruppe oder H ist, Ph Phenyl ist, y = 1 bis 50 ist und R paraständig ist zu der Etherverbindung auf dem Benzenring, und (d) dem Rest Wasser.
- Ein weiteres Beispiel einer bevorzugten Tinte der vorliegenden Erfindung besteht im wesentlichen aus (a) 5 bis 20 Gewichtsprozent Methylpropanediol, (b) 0 bis 1,5 Gewichtsprozent NDAO, (c) einem Farbmittel, das von Acid Yellow 23, Acid Blue 9, und Acid Red 52 ausgewählt ist, denen Cationen zugeordnet sind, die von Dimethylaminoproyl-2-Pyrrolidon abgeleitet sind, und (d) dem Rest Wasser.
- Es wird davon ausgegangen, daß die Tinten der Erfindung bei thermischen Tintenstrahldruckern, die Farbtinten verwenden, Verwendung finden.
- Folglich wurden Farbmittel offenbart, die Amine substituiert haben, die mit einem löslich machenden Abschnitt zum Verbessern der Zerfließwiderstandsfähigkeit bei Farbmitteln versehen sind.
Claims (7)
1. Eine thermische Tintenstrahltinte mit:
(a) 0,5 bis 40 Gewichtsprozent eines Lösungsmittels
mit einem Dampfdruck, der niedriger ist als der
von Wasser;
(b) 0,1 bis 8 Gewichtsprozent eines Sulfonat- oder
Carboxylatfarbmittels, das mit einem
Aminenthaltenden Gegenion versehen ist, das eine Formel
aufweist, die gegeben ist durch
&spplus;N(CH&sub3;)mH&sub3;-m-(CH&sub2;)n-R
wobei m von 1 bis 3 reicht, n von 3 bis 6 reicht und R
ein fünf- oder sechsgliedriger heterozyklischer
aliphatischer oder aromatischer Ring mit einer -OH oder
-NH&sub2; Gruppe ist, die an dem Ring befestigt ist oder
eine Funktionalität enthält, die protoniert werden
kann, um die -OH oder -NR&sub2; Gruppe zu bilden, wobei das
amenenthaltende Gegenion jedes Cation ersetzt, das
vorher dem Farbmittel zugeordnet war; und
(c) Wasser.
2. Eine thermische Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 1,
bei der das Aminenthaltende Gegenion
ist.
3. Eine thermische Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 1,
bei der das Niedrigdampfdrucklösungsmittel ausgewählt
ist aus Glykolen und Derivaten derselben; Diolen;
Glykolestern; Mono- und Diglykolethern; Alkoholen mit
langen Ketten, Sulfolanen, Estern, Ketonen; Lactonen;
Lactamen; und Polyhydroxylalkoholen und deren
Derivate.
4. Eine thermische Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 3,
bei der das Niedrigdampfdrucklösungsmittel ausgewählt
ist aus Ethylenglykol, Diethylenglykol,
Triethylenglykol, Tetraethylenglykol, Propylenglykol,
Polyethylenglykol, Polypropylenglykol, Thiodiglykol und Derivaten
derselben; Butandiol, Pentandiol, Hexandiol,
Methylpropandiol, Cyclohexandiol und homologen Diolen;
Propylenglykollaurat; Ethylenglykolmonomethylether,
Ethylenglykolmonobutylether, Diethylenglykolether,
Diethylenglykolmonoethylether,
Diethylenglykolmonobutylether, Diethylenglykolmonohexylether,
Propylenglykolether, Dipropylenglykolether und
Triethylenglykolether; Butylalkohol, Pentylalkohol, und homologen
Alkoholen; y-Butyrolacton; 2-Pyrrolidon, N-Pyrrolidon
und N-(2-Hydroxyethyl)Pyrrolidon; und Sorbitol,
Mannitol, Glyzerol und Myoinositol.
5. Eine thermische Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 1,
bei der die Tinte im wesentlichen besteht aus (a) 15
bis 25 Gewichtsprozent einer Lösungsmittelmischung,
die zumindest zwei Niedrigdampfdrucklösungsmittel
enthält, die ausgewählt sind aus 1,5-Pentanediol, 2-
Pyrrolidon, Thiodiglykol, Methylpropanediol,
Cyclohexandiol und Sorbitol, (b) 2 bis 6 Gewichtsprozent von
einem Carboxylatfarbmittel, dem Catione mit der Formel
zugeordnet sind,
(d) einem oberflächenaktiven Mittel, das ausgewählt
ist aus N,N-Dimethyl-N-Dodecylaminoxid, N,N-
Dimethyl-N-(Z-9-Octadecenyl)-N-Aminoxid und
Nonylphenylpolyethylenoxiden, und (d) dem Rest
Wasser.
6. Eine thermische Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 1,
bei der die Tinte im wesentlichen besteht aus (a) 5
bis 20 Gewichtsprozent Methylpropanediol, (b) 0 bis
1,5 Gewichtsprozent N,N-Dimethyl-N-Dodecylaminoxid,
(c) einem Farbmittel, das ausgewählt ist aus Acid
Yellow 23, Acid Blue 9 und Acid Red 52, denen Cationen
mit der Formel
zugeordnet sind und (d) dem Rest Wasser.
7. Ein Verfahren zum Reduzieren von Zerfließen zwischen
Farbtinten bei einem thermischen Tintenstrahldrucker
mit folgenden Schritten: Formulieren der thermischen
Tintenstrahltinte gemäß Anspruch 1 und Verwenden der
Tinte in dem Drucker.
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