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Die vorliegende Erfindung betrifft
flüssige
Tinten. Insbesondere betrifft sie flüssige Tinten für Schreibgeräte.
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Schreibgeräte, z. B. Stifte und Marker,
haben eine Spitze, zu der aus einem Reservoir flüssige Tinte zugeführt wird,
die auf ein Substrat, wie etwa ein Blatt Papier, mittels der Spitze
aufgebracht werden soll, die über
die Oberfläche
des Substrates bewegt wird, um eine Flüssigkeitsspur zurückzulassen.
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Herkömmlicherweise haben flüssige Tinten
für Schreibgeräte entweder
eine Viskosität
von etwa 0,005 Pa.s (5 Centipoise [„cps"]) oder weniger (z. B. Faserspitzenstifte
oder Füller)
oder haben eine Viskosität
von etwa 7,5 Pa.s (7.500 cps) oder höher (z. B. für Kugelschreiber).
Die letztere enthält üblicherweise
eine bestimmte Menge eines polymeren Materials (polymerer Materialien).
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Eines der Merkmale der vorliegenden
Erfindung umfaßt
nicht-ausradierbare flüssige
Tinten für Schreibgeräte mit einem
bestimmten Viskositätsbereich.
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So betrifft ein Aspekt der Erfindung
eine nicht-ausradierbare flüssige
Tinte, mit einem Wassergehalt von etwa 0 bis 15 Gew.-%, für ein Schreibgerät. Mit „nicht-ausradierbarer
Tinte" ist eine
Tinte gemeint, die, nachdem sie auf einem porösen Substrat abgeschieden worden
ist, nicht unter Verwendung eines herkömmlichen Radiergummis ausradiert
werden kann. Die nicht-ausradierbare Tinte schließt ein Lösungsmittel
und ein Färbemittel,
z. B. einen Farbstoff oder ein Pigment, gelöst oder dispergiert im Lösungsmittel,
ein und besitzt eine Viskosität
von 0,015 bis 4,5 Pa.s (15 bis 4.500 cps). Bevorzugtere Viskositätsbereiche
schließen
etwa 0,05 bis 2 Pa.s (50 bis 2.000 cps), etwa 0,1 bis 1 Pa.s (100
bis 1.000 cps) oder etwa 0,150 bis 0,6 Pa.s (150 bis 600 cps) ein,
sind aber nicht hierauf beschränkt.
Die Viskosität
einer Tinte dieser Erfindung, die hierin beschrieben ist, ist diejenige,
die bei einer Scherrate von 300 s–1 bei
Raumtemperatur gemessen wird. Die flüssige Tinte enthält auch
ein oder mehrere Polymere mit gemittelten Molekulargewichten im
Bereich von etwa 1 × 104 bis 1 × 106 Daltons (vorzugsweise etwa 1 × 105 bis 6 × 105 Daltons), wobei der Gesamtgehalt des Polymers
(der Polymere) bei etwa 0,05 bis 2,5 Gew.-% der Tinte liegt. Ein
bevorzugter Bereich der Gesamtpolymergehalte liegt bei etwa 0,05%
bis 1,0%. Es ist besonders bevorzugt, daß der Gesamtpolymergehalt etwa 0,3%
beträgt.
Beispiele für
geeignete Polymere schließen
Polyvinylpyrrolidon („PVP") und Keton/Formaldehyd-Harz
ein, sind aber nicht hierauf beschränkt.
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Vorzugsweise können ein oder mehrere Gleitmittel,
wie etwa Ölsäure, in
die flüssige
Tinte einbezogen werden, um die Reibung zu verringern, die entweder
aus dem Kontakt zwischen einem Schreibgerät und dem Substrat (z. B. Papier),
auf dem eine Markierung angebracht wird, oder, im Falle eines Kugelschreibers,
aus dem Kontakt zwischen der Rollkugel und der Kugelpfanne resultiert,
wodurch der glatte Fluß bei
der Verwendung des Schreibgerätes
verbessert wird.
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Das in der flüssigen Tinte verwendete Färbemittel
kann entweder ein Farbstoff (d. h. der in einem Lösungsmittel
gelöst
werden kann) oder ein Pigment (d. h. das in einem Lösungsmittel
nur dispergiert statt gelöst werden
kann) sein. Wenn ein Pigment verwendet wird, ist es bevorzugt, daß ein Geliermittel
ebenfalls in die Tinte einbezogen wird, um Pigmentsedimentation
oder Tintenleckage zu verhindern.
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Es ist anzumerken, daß ein in
eine Tinte dieser Erfindung einbezogenes Färbemittel kein gefärbtes Polymer
einschließt,
z. B. polymeren Farbstoff. In ähnlicher
Weise ist ein in dieser Erfindung verwendetes Polymer definitionsgemäß nicht
gefärbt.
Mit „Polymer" ist ein Makromolekül gemeint,
das im wesentlichen aus Wiederholungseinheiten mit einem Molekulargewicht
in Zahlenmittel von wenigstens 1 × 104 Daltons
besteht. Ein bevorzugter M.G.-Bereich liegt bei etwa 1 × 104 bis 1 × 106 Daltons. Ein besonders bevorzugter M.G.-Bereich liegt bei
etwa 1 × 105 bis 6 × 105 Daltons.
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Ebenfalls im Schutzumfang dieser
Erfindung ist ein Schreibgerät,
welches einschließt:
ein Gehäuse, eine
Reservoirkammer in besagtem Gehäuse
und eine flüssige
Tinte gemäß der Erfindung
in der Kammer. Die flüssige
Tinte kann eine Tinte für
Kugelschreiber oder eine Tinte mit einer niedrigeren Viskosität sein,
die am geeignetsten zur Verwendung in Faserspitzenstiften oder Faserspitzenmarkern
ist.
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Das Schreibgerät schließt weiter bevorzugt eine Tintenzuführungseinrichtung
ein mit einem Kanal zum Leiten besagter Tinte aus der Kammer zu
einer Schreibspitze, ein elastomeres Teil, das teilweise die Kammer begrenzt
und die Zuführungseinrichtung
bezüglich
des Gehäuses
hält, und
ein Ventil, das von der Zuführungseinrichtung
und dem elastomeren Teil definiert ist, zur Steuerung der Verbindung
zwischen der Kammer und dem Kanal, wobei die Zuführungseinrichtung relativ zum
Gehäuse
unter einer gegen die Spitze ausgeübten Kraft zurückziehbar
ist und, in Reaktion auf ein solches Zurückziehen, die Kammer durch
Durchbiegen des elastomeren Teils unter Druck gesetzt wird und das
Ventil geöffnet
wird, um zu ermöglichen,
daß die
Tinte aus der Kammer in den Kanal eintritt. Es ist anzumerken, daß das Schreibgerät, das in
einer Art und Weise, die oben beschrieben ist, konstruiert ist,
ausgestattet sein kann mit einer Vielzahl von unterschiedlichen
Schreibspitzen (z. B. einer Rollkugel) und nicht auf irgendeine
bestimmte Art von Spitze beschränkt
ist.
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Ein Merkmal der Erfindung ist die
Verwendung der mit Ventil versehenen Tintenzuführungseinrichtung, die ermöglicht,
daß Tinte
mit niedriger Viskosität
nur dann zur Schreibspitze fließt,
wenn die Spitze gegen eine Schreiboberfläche gedrückt wird. Ohne dieses Ventil,
das den Fluß zur
Spitze begrenzt, würde
die Tinte mit niedriger Viskosität
dazu neigen, aus der Schreibspitze herauszulecken. Durch Verwendung
dieser mit Ventil versehenen Tintenzuführungseinrichtung kann nun
Tinte mit niedriger Viskosität
verwendet werden, wobei die Tinte geringere Schreibreibung besitzt,
wenn sie aufgebracht wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus den folgenden Zeichnungen und
der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen deutlich werden
und ebenfalls aus den beigefügten
Ansprüchen.
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Die Zeichnungen werden zunächst kurz
beschrieben.
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1 ist
ein axialer Querschnitt durch einen vorderen Endabschnitt eines
Faserspitzenstiftes gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, wobei das Ventil in einem geschlossenen Zustand dargestellt
ist;
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2 ist
eine Ansicht entsprechend 1,
wobei aber das Ventil offen dargestellt ist;
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3 ist
ein Längsquerschnitt
durch ein vorderes Endteil eines Faserspitzenmarkers gemäß einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung, wobei das Ventil geschlossen dargestellt ist;
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4 ist
der Faserspitzenmarker von 3 mit
dem geöffneten
Ventil; und
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5 ist
eine Schreibspitze dieser Erfindung mit einer Rollkugel.
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Färbemittel,
die verwendet werden, um eine flüssige
Tinte dieser Erfindung herzustellen, können entweder Farbstoffe oder
Pigmente sein. Beispiele für
Farbstoffe schließen
Solvent Blue 38, Solvent Violet 8, Basic Blue 7,
Solvent Red 125 und Solvent Black 46 ein, ohne
hierauf beschränkt
zu sein. Andererseits sind Pigment Blue 6, Phthalblau,
Pigment Blue 15.2 und Ruß Beispiele für Pigmente.
Mehr als ein Farbstoff oder Pigment können in einer flüssigen Tinte
verwendet werden, um die gewünschte
Färbung,
Schattierung und dergleichen zu erhalten. Die Viskosität einer
flüssigen
Tinte kann auch durch Variation ihres Farbstoffgehaltes „feineingestellt" werden.
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Die Auswahl von Lösungsmitteln hängt, unter
anderem, von den zu verwendenden Farbstoffen oder Pigmenten ab.
Lösungsmittel,
die zur Herstellung von flüssigen
Tinten geeignet sind, schließen
Diethylenglykolmonoethylether, Phenylcellosolve, Ethylenglykolphenylether,
Dipropylenglykol und Octylenglykol ein, sind aber nicht hierauf
beschränkt.
Als ein Beispiel kann Diethylenglykolmonoethylether verwendet werden,
um Solvent Blue 38 zu lösen.
Pigmente können
andererseits in Lösungsmitteln
mit Techniken dispergiert werden, die in der Technik gut bekannt
sind, wie etwa unter Verwendung von Mischausrüstung mit hoher Scherung. Es
ist anzumerken, daß Lösungsmittel
mit niedriger Flüchtigkeit
(z. B. Siedepunkt höher
als 180°C)
und hoher Hygroskopizität
bevorzugt sind. Es ist auch anzumerken, daß mehr als ein Lösungsmittel
in eine flüssige
Tinte einbezogen werden kann, entweder um die Löslichkeit eines Farbstoffes
oder die Dispersion eines Pigmentes zu verbessern oder um die Viskosität der Tinte „fein einzustellen".
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Eine drastischere Einstellung der
Viskosität
wird jedoch durch Einbeziehung von einem oder mehreren Polymeren
in eine flüssige
Tinte erreicht, die gemittelte Molekulargewichte im Bereich von
etwa 1 × 104 bis 1 × 106 Daltons besitzen. Beispiele für solche
Polymere schließen
PVP und Keton/Formaldehyd-Harz ein, sind aber nicht hierauf beschränkt. Es
ist anzumerken, daß PVP
einer flüssigen
Tinte nicht nur Viskosität
verleiht, sondern auch als Mittel zum Elastisch-machen dient. Mit „Mittel
zum Elastischmachen" ist
ein Inhaltsstoff in einer flüssigen
Tinte gemeint, der es weniger wahrscheinlich macht, daß die Tinte
sich unerwünschterweise während des
Gebrauchs an der Schreibspitze eines Schreibgerätes aufbaut. Wann immer notwendig,
kann, unabhängig
von seinem Molekulargewicht, ein geeignetes Mittel zum Elastischmachen
in eine flüssige
Tinte einbezogen werden, um den Aufbau zu verringern oder zu eliminieren.
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Ebenfalls in eine flüssige Tinte
dieser Erfindung kann ein Gleitmittel einbezogen werden, wie etwa Ölsäure oder Ölsäurediethanolamin,
um die Reibung zu verringern, die aus dem Kontakt zwischen einem Schreibgerät und dem
Substrat, auf das eine Markierung aufgebracht wird, oder zwischen
der Kugel und der Kugelpfanne eines Kugelschreibers erzeugt wird,
sowie um einen harten Anfang zu verhindern.
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Wenn ein Pigment verwendet wird,
um eine flüssige
Tinte herzustellen, kann auch ein Geliermittel in die Tinte einbezogen
werden, um Pigmentsedimentation oder Tintenleckage zu verhindern.
Ein Geliermittel wird zu einer flüssigen Tinte zugegeben, um
die Tinte mit einem Fließpunkt
zu versehen und um eine Tintenscherungsverdünnung bereitzustellen, wodurch
die Sedimentation von Pigment verzögert wird.
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Die flüssige Tinte dieser Erfindung
ist am geeignetsten zur Verwendung in einem Schreibgerät mit einer
Zuführungseinrichtung,
die Schreibflüssigkeit
aus der Reservoirkammer zur Schreibspitze leitet, gehalten von einem
elastomeren Diaphragma, das teilweise die Reservoirkammer begrenzt
und ein Ventil mit der Zuführungseinrichtung
derart bildet, daß,
wenn die Spitze gegen eine Oberfläche gedrückt wird, die Zuführungseinrichtung
sich zurückzieht,
wodurch bewirkt wird, daß das
Diaphragma die Flüssigkeit
im Reservoir unter Druck setzt und das Ventil öffnet, wodurch Flüssigkeit
zur Spitze gepumpt wird.
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Für
Beispiele für
eine solche „Diaphragmaventil"-Anordnung nehmen
wir Bezug auf die internationale Veröffentlichung Nr. WO 93/05966
(Veröffentlichungsdatum:
1. April 1993). Die 5, 6, 7, 8 und 14 der
genannten PCT-Anmeldung sind hierin als 1, 2, 3, 4 bzw. 5 in den Zeichnungen einbezogen
worden.
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In den 1 und 2 hierin ist ein Faserspitzenstift
dargestellt. Ein Dichtungsring 6 wird in einem Schaft 1 von
einem Nasenkonus 25 gehalten, der im vorderen Ende eingepaßt ist und
eine axiale Bohrung besitzt, in der ein zylindrischer Kolben 26 untergebracht
ist. Ein Faserstab 27 erstreckt sich durch einen Kolben
hindurch, wobei ein freies Ende durch das Vorderende des Nasenkonus
vorsteht, um eine Schreibspitze zu definieren. Die Öffnungen 16 der
Ventilhülse 15 dienen
dazu, Tinte aus der Reservoirkammer zum hinteren Ende des Faserstabes
zuzuführen,
wenn das Ventil mit einer Kraft geöffnet wird, die auf die Schreibspitze
ausgeübt
wird, die bewirkt, daß die
Zuführungsanordnung,
die aus dem Faserstab, dem Kolben und der Ventilhülse besteht, sich
zurückzieht
und der Dichtungsring 6 sich verbiegt, wie dargestellt
in 2.
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In den 3 und 4 hierin ist ein Faserspitzenmarker
dargestellt. Der Dichtungsring 6 ist eingepaßt im vorderen
Ende des Schaftes 1 durch ein röhrenförmiges Nasenstück 30,
das in den Schaft eingepaßt
ist. Ein Faserkern 33 ist im Nasenstück angeordnet und schließt einen
Kopfabschnitt ein, der relativ zum Nasenstück durch ein Lager 34 gleitend
geführt
wird, wobei das freie Ende des Kopfes so angeordnet ist, daß es aus
dem Nasenstück
hervorsteht und so ausgeformt ist, daß es eine breite Kante zum
Aufbringen einer breiten Linie aus Markerflüssigkeit definiert. Das hintere
Ende des Kernes liegt am zentralen Bereich des Dichtungsringes 6 an
und ist mit einer Vertiefung versehen, um ein zentrales Rohr aufzunehmen,
daß einen
Zuführkanal 14 und eine
Ventilhülse 15,
die das Rohr umgibt, zu definieren. Wenn die Markerspitze gegen
eine Oberfläche
gedrückt
wird, zieht sich der Kern 33 zurück und bewirkt, daß sich der
elastomere Dichtungsring 6 nach hinten verbiegt, so daß das Ventil
geöffnet
wird und die Reservoirkammer unter Druck gesetzt wird, wodurch Flüssigkeit über die Öffnungen 16 und
Zuführkanal 14 zum
Kern zugeführt
wird und entlang der Leitungen in den Kern zur Spitze fließt, um dadurch
abgeschieden zu werden.
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Dargestellt in 5 ist eine Kugelschreiberspitzenanordnung,
die in die Hülse
der Stifte eingepaßt werden
kann, die ähnlich
sind zu denjenigen, die in den 1 und 3 dargestellt sind. Ein Kugelgehäuse 65 ist teleskopartig
mit einer Zuführstange 66 in
einem röhrenförmigen Gehäuse 67 angebracht.
Die Zuführstange hat
eine axiale Bohrung 68, die Schreibflüssigkeit zur Kugel 69 leitet.
Wie dargestellt, ist ein kleines sekundäres Reservoir 70 von
dem Kugelgehäuse
unmittelbar hinter der Kugel definiert, aber dies muß nicht
notwendigerweise erforderlich sein oder könnte ein größeres Volumen haben, falls
erforderlich.
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Die zwei Arbeitsbeispiele, die unten
angegeben sind, sind als ausschließlich veranschaulichend gedacht
und in keinerlei Weise für
den Rest der Offenbarung beschränkend.
Unterschiedliche flüssige
Tinten dieser Erfindung, d. h. Formulierungen 9-1, 9-2, 9-3, 9-4, 9-5,
9-6, 10-1 und 13-1, wie dargestellt in den Tabellen 1, 3 und 4,
wurden in den zwei Arbeitsbeispielen hergestellt. Formulierungen
9-0 und 10-0, wie dargestellt in den Tabellen 1 und 3, sind andererseits
beides flüssige
Tinten nach dem Stand der Technik.
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Codenamen und Abkürzungen, die in den Tabellen
verwendet werden, bezeichnen die folgenden Lösungsmittel, Farbstoffe, Polymere
und Gleitmittel:
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PM 71: |
Diethylenglykolmonoethylether von Ashland
Chemical, Dublin, OH |
PM 78: |
Phenylcellosolve von Ashland Chemical, Dublin,
OH |
PM 74: |
Ölsäure von
Henbel Emery Group, Hoboken, NJ |
PM 83: |
Dipropylenglykol von Ashland Chemical, Dublin,
OH |
PM 81: |
Polyvinylpyrrolidon PVP K-90 (gemitteltes
M.G. 3,6 × 105) von BASF, Parsippany, NJ |
PM 21: |
Solvent Blue 38 von der Gillette Co., Boston,
MA |
PM 24: |
Solvent Violet 8, Neptun Violet Base, von
BASF, Parsippany, NJ |
PM 25: |
Basic Blue 7, Basonyl Blue 636, von BASF,
Parsippany, NJ |
PM 259: |
Solvent Black 46, Sepisol Fast Black CN,
von BIMA, Frankreich |
Resin SK: |
ein Keton/Formaldehyd-Harz von Huls America,
Rockleigh, NJ |
ODEA: |
„Ölsäurediethanolamin", Alkamide DO2805,
von Rhone-Poulenc, Monmolith Junction, NJ |
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BEISPIEL 1: Blaue Tinten
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Sieben blaue Tinten, 9-0 bis 9-6,
wurden hergestellt, wobei ihre Formulierungen in Tabelle 1 unten
angegeben sind. Die Viskosität,
der Reibungskoeffizient, die Abscheidung und der Aufbau jeder Tinte
wurden gemessen. Mit „Abscheidung" ist die auf einem
Substrat aus einem Schreibgerät
abgeschiedene Tintenmenge gemeint.
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Die Viskosität einer Tinte wurde bei einer
Scherrate von 300 s–1 bei Raumtemperatur
unter Verwendung eines Haake CV-100 Viscometer, hergestellt von
Haake Buchler Instruments, Inc., Saddle Brook, NJ, unter Verwendung
eines ME-15-Sensorsystems gemessen.
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Die Schreibreibung eines Kugelschreibers
wurde gemessen mit einem Reibungstestgerät, das einen Schaevitz-Kraftumwandler
Model No. STD-G-100, hergestellt von Schaevitz Engineering Corporation,
Pennsanken, NJ, verwendete, um die Reibungskraft für eine Schreibkugel
zu messen, die auf der Oberfläche
eines Blattes Papier gleitet. Der Kugelschreiber schrieb auf weißem Papier
mit 27,2 kg (60 pound) mit einer Schreibgeschwindigkeit von 6,7
m/min (22 ft/min), 60 Grad vom horizontalen Schreibwinkel und mit
200 Gramm Schreibbelastung. „Reibungskoeffizient" ist definiert als
Schreibreibung dividiert durch Schreibbelastung.
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Die Abscheidung eines Kugelschreibers
wird gemessen mit einer Hartley Write Test Machine, Model W-10,
hergestellt von The Hartley Company, Costa Mesa, CA, bei einer Schreibgeschwindigkeit
von 6,7 m/min (22 ft-min) und 125 Gramm Schreibbelastung. „Abscheidung" ist definiert als
Milligramm Tinte pro 185 Fuß geschriebene
Linie. „Aufbau" ist andererseits
definiert als das Gewicht der Tinte (mg), das am Ende einer Abscheidungsmessung
an der Spitze eines Schreibgerätes
anhaftet.
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Zwei unterschiedliche Typen von Kugelspitzen,
Spitze 451 SS und Spitze Flex 474, wurden verwendet, um die Schreibreibung,
die Abscheidung und den Aufbau zu messen. Spitze 451 SS war hergestellt
aus rostfreiem Stahl und verwendete eine 1 mm große Wolframcarbid-Kugel. Spitze Flex
474 war andererseits hergestellt aus Nickelsilber und verwendete
eine 1 mm große
Wolframcarbid-Kugel.
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Wie dargestellt in Tabelle 1, wurde
die Viskosität
der Tinten eingestellt durch Veränderung
der Mengen von zwei Polymeren, PM 81 (d. h. PVP) und Resin SK. Die
Schreibreibung (die proportional zum Reibungskoeffizienten ist)
war in großem
Maße verringert,
wenn Tinten mit niedrigerer Viskosität verwendet wurden.
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Eine zusätzliche flüssige Tinte, 13-1, wurde hergestellt
und verschiedene Eigenschaften derselben wurden gemessen und mit
denjenigen von 9-0 verglichen (siehe Tabelle 3 unten). Mit Ausnahme
der Abscheidung wurden die anderen Eigenschaften unter Befolgung
derselben Vorgehensweisen bestimmt, die oben beschrieben sind. Die
Abscheidung wurde gemessen unter Verwendung einer ANJA Write Test
Machine, W-10 Model B, hergestellt von Anja Engineering Corporation,
Monrovia, CA, bei einer Schreibgeschwindigkeit von 22 ft/min und
200 Gramm Schreibbelastung.
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Wie dargestellt in Tabelle 3, ergab
13-1 eine viel niedrigere Schreibreibung als 9-0, eine Tinte nach dem
Stand der Technik.
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BEISPIEL 2: Schwarze Tinten
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Zwei schwarze Tinten, 10-0 und 10-1,
wurden hergestellt (siehe Tabelle 4 unten). 10-0, eine Tinte nach dem
Stand der Technik mit hoher Viskosität, hatte einen Polymergehalt
von 27.2%, d. h. 27% Resin SK und 0,2% PM 81 (PVP). Im Gegensatz
dazu enthielt 10-1 keinerlei Polymere. Als ein Ergebnis hatte sie
eine sehr niedrige Viskosität
von 0,060 Pa.s (60 cps) und ergab viel niedrigere Schreibreibung
als 10-0 bei Verwendung des Kugelschreibers Flex-474.
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