DE69602910T2

DE69602910T2 - Tintenstrahlaufzeichnungsschicht und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE69602910T2
Application number: DE1996602910
Authority: DE
Inventors: Ralph M. Trksak
Original assignee: National Starch and Chemical Investment Holding Corp
Current assignee: National Starch and Chemical Investment Holding Corp
Priority date: 1995-12-01
Filing date: 1996-11-22
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2016-11-23
Also published as: ES2134553T3; DE69602910D1; EP0776767A1; BR9605763A; JPH09175012A; EP0776767B1; CA2191116A1; AU7197496A

Description

Die Erfindung ist auf die Herstellung verbesserter Aufnahmematerialien zur Verwendung im Tintenstrahldruck ausgerichtet. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von Tintenstrahlaufnahme- oder -druckblättern, wie Papier, die mit einer bei hoher (niedriger Scher-) Viskosität aufgetragenen ausgewählten hydrophoben Stärke beschichtet sind.
Tintenstrahldruck auf Papier kann durch zwei allgemeine Verfahren erreicht werden. Der erste Typ ist das kontinuierliche Strahlverfahren, wo ein kontinuierlicher Strahl an Tinte durch eine schmale Düse (typischerweise etwa 50 um (Mikron) im Durchmesser) auf ein Substrat gespritzt wird. Der Strahl wird gestört, was zum Aufspalten in Tropfen in einem festgelegten Abstand von der Öffnung führt. Die Tropfen werden durch Elektroden, die die durchtretenden Tropfen aufladen, zu einer spezifischen Stelle auf dem Aufnahmematerial geführt, oder werden in eine Rinne zur Wiedergewinnung und zum Wiedergebrauch abgelenkt. Dieses Verfahren ist in den US-Patenten Nr. 4 255 754. 4 698 123 und 4 751 517 beschrieben.
Der zweite Typ von Tintenstrahldruck wird als "drop-on-demand" bezeichnet. In diesem Verfahren wird ein Tropfen von einer Öffnung eines Tintenstrahldruckers direkt auf eine Stelle auf dem Aufnahmemedium herausgeschleudert, aber nur, wenn dies nötig ist ("on-demand"). Ein Typ eines drop-on-demand-Druckverfahrens verwendet einen piezoelektrischen Wandler, um Druckimpulse zum Ausstoß der Tintentropfen zu erzeugen. Ein zweiter Typ eines drop-on- demand-Druckverfahrens verwendet durch einen wärmeerzeugenden Widerstand nahe der Düse induzierte thermische Einwirkung, um wenn notwendig Tropfen zu erzeugen. Dieses Verfahren wurde als das "bubble jet" Verfahren bezeichnet und ist in den US-Patenten Nr. 4 500 895, 4 513 298 und 4 794 409 beschrieben.
Die Tintenaufnahmeschichten auf Tintenstrahlaufnahmematerialien müssen schwierige und häufig gegensätzliche Anforderungen erfüllen. Die Tintenaufnahmeschichten müssen die Tinte ohne weiteres absorbieren, dürfen aber nicht zulassen, daß die aufgebrachten Tintenpunkte sich mehr als nötig ausbreiten, um ein Bild mit hoher optischer Dichte zu erhalten. Die Tintenaufnahmeschicht muß ebenfalls die aufgebrachte Tinte rasch absorbieren, so daß sie, wenn sie bald nach der Aufbringung berührt wird, nicht zerfasert oder verschmiert, aber sie darf nicht zulassen, daß die Tinte soweit penetriert, um auf der anderen Seite des Aufnahmeelements durchzuscheinen.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden im Stand der Technik viele Variationen von Tintenaufnahmeschichten offenbart. Während einige dieser Tintenaufnahmeschichten die oben aufgezählten Anforderungen an die Tintenstrahlaufnahme erfüllen, sind sie in der Regel sehr teuer und erfordern unübliche oder intensive Verarbeitung. Die effektivsten Arten von Tintenaufnahmebeschichtungen umfassen Pigmente mit großer Oberfläche, wie Quarzstaub oder hydrierte Aluminiumoxide, die an Polymere, wie Polyvinylalkohol oder Polyvinylpyrrolidon, gebunden sind. Während diese Kombinationen von Polymeren und Pigmenten bei der Verbesserung der Qualität von auf Aufnahmematerialien erzeugten Tintenstrahldrucken wirksam sind, sind sie sehr teuer, schwierig zu dispergieren und ihre Beschichtung ist nach der Aufbringung auf Papier sehr schwierig zu trocknen. Diese Verarbeitungszeit erfordert den Einsatz auf langsamen Druckmaschinenbeschichtern, die die Kosten des sie enthaltenden Aufnahmemediums weiter erhöhen. Mit derartig teuren Pigmenten beschichtete Tintenstrahlpapiere werden für einen zehnfach höheren Preis als qualitativ hochwertiges Kopierpapier verkauft.
Stärke, ein relativ billiges Material, ist wohlbekannt als Beschichtung oder Oberflächenschlichte (Versiegelung) für Papier. Stärke allein ist jedoch nicht in der Lage, die Tintenstrahldruckqualität signifikant zu erhöhen. Teure synthetische Chemikalien werden häufig zur Stärke zugegeben, um die Hydrophobizität der Papieroberfläche zu vergrößern. Zusätzlich wurde die Fähigkeit, Stärke in konventionellen Leimpressen unter verschiedenen Bedingungen, insbesondere hoher Viskosität, aufzubringen, aufgrund des sog. geringen "Durchlaufvermögens" begrenzt. Stärken wurden typischerweise eingesetzt, um Papier beim Durchgang durch den zwischen zwei Walzen gebildeten Spalt zu beschichten oder oberflächenzuschlichten (-versiegeln). Wenn Stärke bei hohen Viskositäten eingesetzt wird, entwickeln sich unerwünschte Durchlaufbedingungen, wie "Spaltabstoßung". Spaltabstoßung ist einfach das Herausstoßen oder Abstoßen des Stärkekochguts von der Druckspalte zwischen den rotierenden Leimpreßwalzen beim Betrieb der Papiermaschine. Stärke, die aus der Spalte herausspritzt, kann auf den nach der Leimpresse gelegenen Zylindertrocknern landen, was zu einem Anhaften des Blatts auf diesen Zylindern und zum Zerreißen führt. Auch kann diese Stärke nach der Leimpresse auf dem Blatt landen und zu uneinheitlicher Aufnahme des Blatts führen, was zu uneinheitlicher und geringer Druckqualität auf der Blattoberfläche führt.
Benötigt wird demnach ein Produkt auf Stärkebasis, das in einer Papierleimpresse aufgebracht werden kann und verbesserte Tintenstrahlqualität bei niedrigen Kosten liefert, ohne der Zugabe teurer synthetischer Chemikalien zu bedürfen.
Es wurde nun gefunden, daß ausgewählte hydrophobe Stärkederivate mit hoher Viskosität aufgebracht werden können, um ein Tintenstrahlaufnahmematerial zu beschichten oder Oberflächen zu schlichten, und beträchtlich verbesserte Druckqualität liefert. Insbesondere umfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahlaufnahmeblatts mit verbesserter Tintenstrahldruckqualität, umfassend:
a) Bereitstellen eines Aufnahmeblattsubstrats,
b) Ausbilden einer Schlichtezusammensetzung, umfassend eine wässerige Dispersion eines hydrophoben Stärkeester- oder -etherderivats, worin der Ester- oder Ethersubstituent eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffkette von 6 bis 22 Kohlenstoffatomen umfaßt, wobei die Stärke enthaltende Schlichtezusammensetzung eine Brookfield-Viskosität von mindestens 50 mPas (cPs) bei 65ºC besitzt,
c) Aufbringen der Schlichtezusammensetzung auf das Aufnahmeblattsubstrat und
d) Trocknen des Substrats, um ein Tintenstrahlaufnahmeblatt zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung umfaßt zwei wesentliche Aspekte. Zuerst, daß die Verwendung der ausgewählten hydrophoben Stärkederivate, wie hier definiert, unter Verwendung herkömmlicher Papier leimpressen mit höheren Viskositäten, als die früher als verarbeitbar oder durchlaufbar angesehenen, durchgeführt werden können. Zweitens und am wichtigsten, wenn die Aufbringung bei diesen hohen Viskositäten erfolgt, werden signifikante und unerwartete Verbesserungen bei der Tintenstrahldruckqualität der beschichteten oder oberflächengeschlichteten Aufnahmeblätter erhalten.
Die in der Erfindung verwendeten hydrophoben Stärkederivate sind Stärkeester oder -etherderivate, worin der Ester- oder Ethersubstituent eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffkette von 6 bis 22 Kohlenstoffatomen, bevorzugt 8 bis 20 Kohlenstoffatomen, umfaßt. Selbstverständlich kann die Kohlenwasserstoffkette einige Verzweigungen enthalten. Auch kann der Ester- oder Ethersubstituent zusätzlich zu der Kohlenwasserstoffkette andere Gruppen enthalten, solange derartige Gruppen die hydrophoben Eigenschaften des Substituenten nicht beeinträchtigen. Die Kohlenwasserstoff oder hydrophobe Substituentengruppe kann Alkyl, Alkenyl, Aryl, Aralkyl oder Aralkenyl sein, wobei Alkyl und Alkenyl bevorzugt sind.
Das hier eingesetzte Basisstärkematerial kann jedes mehrerer granulärer Stärken, nativ oder umgewandelt, sein. Derartige Stärken umfassen diejenigen, die von irgendeiner Pflanzenquelle herrühren, einschließlich Mais, Kartoffel, Weizen, Reis, Sago, Tapioka, Wachsmais, Sorghum und Stärke mit hohem Amylosegehalt, wie amylosreichem Mais, d. h. Stärke mit mindestens 40 Gew.-%. und insbesondere mindestens 65 Gew.-% Amylosegehalt etc. Stärkemehle können ebenfalls verwendet werden. Auch umfaßt sind von jedem der vorherigen Basismaterialien abgeleitete Umwandlungsprodukte, wie zum Beispiel durch hydrolytische Einwirkung von Säure und/oder Hitze hergestellte Dextrine, durch Enzymumwandlungen oder milde saure Hydrolyse hergestellte fließfähige oder dünnflüssigkochende Stärken und durch Behandlung mit Oxidantien, wie Natriumhypochlorid, hergestellte oxidierte Stärken.
Die in der Erfindung eingesetzten hydrophoben Stärkederivate werden durch Umsetzen von Stärke mit ausgewählten Reagenzien hergestellt.
Eine geeignete Klasse von Reagenzien zur Herstellung von verwendbaren Estern umfassen substituierte zyklische Dicarbonsäureanhydride, wie die im US-Patent Nr. 2 661 349 (erteilt am 1. Dezember 1953, Caldwell et al.) beschriebenen, mit der Struktur:
worin R ein Dimethylen- oder Trimethylenrest und R¹ eine Kohlenwasserstoffkette, die mindestens 6, insbesondere 6 bis 22, bevorzugt 8 bis 20 Kohlenstoffatome umfaßt. Die R¹- Substituentgruppe kann Alkyl, Alkenyl, Aryl, Aralkyl oder Aralkenyl sein, wobei Alkyl und Alkenyl bevorzugt sind. Die unter die obige Strukturformel fallenden substituierten zyklischen Dicarbonsäureanhydride sind die substituierten Succin- und Glutarsäureanhydride. Zusätzlich zu dem Kohlenwasserstoffkettensubstituent können andere Substituentengruppen, wie Sulfonsäure- oder Niederalkylgruppen, die die Schlichtungswirkung nicht beeinflussen, vorhanden sein.
Eine andere geeignete Klasse von Reagenzien zur Herstellung hier verwendbarer Derivate umfaßt die Imidazolide oder N,N'-disubstituierten Imidazolinsalze von Carbon- oder Sulfonsäuren, wie die im US-Patent Nr. Re 28 809 (erteilt am 11. Mai 1976, M. Tessler), das eine erneute Erteilung des US-Patents Nr. 3 720 663 (erteilt am 13. März 1973, M. Tessler), und des US-Patents Nr. 4 020 272 (erteilt am 26. April 1977. M. Tessler) ist, beschriebenen mit der allgemeinen Formel:
worin Z
ist, oder -SO&sub2;-. A umfaßt eine Kohlenwasserstoffkette von mindestens 6, insbesondere 6 bis 22, bevorzugt 8 bis 20 Kohlenstoffatomen. R² ist H oder C&sub1;-C&sub4;-Alkyl. R³ ist C&sub1;-C&sub4;-Alkyl, und X&supmin; ist ein Anion.
Eine dritte Klasse hier verwendbarer Reagenzien umfaßt die im US-Patent Nr. 2 876 217 (erteilt am 3. März 1959, E. Paschall) beschriebenen Veretherungsreagenzien, die das Umsetzungsprodukt eines Epihalohydrins mit einem tertiären Amin umfassen, und die Struktur aufweisen:
worin R&sup4; und R&sup5; unabhängig H oder C&sub1;-C&sub4;-Alkyl sind und A¹ eine Kohlenwasserstoffkette von mindestens 6, insbesondere 6 bis 22, bevorzugt 8 bis 20 Kohlenstoffatomen umfaßt.
Die Stärkeveresterungs- oder -veretherungsreaktionen können mit einer Anzahl von im Stand der Technik bekannten und in der Literatur diskutierten Techniken durchgeführt werden, wobei beispielsweise ein wässeriges Reaktionsmedium, ein organisches Lösemittelmedium oder eine Reaktionstechnik unter trockener Erhitzung verwendet wird. Siehe zum Beispiel R.L. Whistler, Methods in Carbohydrate Chemistry, Bd. IV, 1964. S. 279-311, R.L. Whistler et al.. Starch. Chemistry and Technology, 2. Ausgabe, 1984. S. 311-366 und R. Davidson und N. Sittig, Water-Soluble Resins, 2. Ausgabe, 1968, Kapitel 2. Bei den hier bevorzugt hergestellten Stärkederivaten wird ein wässeriges Reaktionsmedium bei Temperaturen zwischen 20º und 45ºC eingesetzt.
Die Stärkederivate können hier für die Verwendung entweder in gelatinierter oder ungelatinierter Form hergestellt werden. Der Vorteil eines Derivats in ungelatinierter Form ist, daß gefiltert. gewaschen, getrocknet und zu einer Mühle in Form eines trockenen Pulvers überführt werden kann.
Wenn zyklische Dicarbonsäureanhydridreagenzien eingesetzt werden, wird die Stärke bevorzugt in granulärer Form mit den Reagenzien in einem wässerigen alkalischen Medium bei einem pH-Wert von nicht weniger als 7 und nicht höher als 11 behandelt. Die Reaktion kann vervoll ständigt werden durch Suspendieren der Stärke in Wasser, zu dem (entweder vor oder nach der Zugabe der Stärke) ausreichend Base, wie Alkalimetallhydroxid, Erdalkalimetallhydroxid, quaternäres Ammoniumhydroxid oder dergleichen, zugegeben wurde, um die Mischung während der Reaktion im Alkalischen zu halten. Die notwendige Menge an Reagens wird dann zugegeben und es wird gerührt, bis die gewünschte Umsetzung vollständig ist. Wenn gewünscht kann erwärmt werden, um die Reaktion zu beschleunigen. Wenn jedoch erwärmt wird, sollten Temperaturen von weniger als etwa 40ºC beibehalten werden. In einem bevorzugten Verfahren werden das Alkali- und das Anhydridreagenz gleichzeitig zu der Stärkeaufschlämmung zugegeben und die Zuflußgeschwindigkeit jedes dieser Materialien so gesteuert, daß der pH-Wert der Aufschlämmung bevorzugt zwischen 8 und 11 bleibt.
Aufgrund des größeren hydrophoben Charakters von bestimmten der substituierten zyklischen Dicarbonsäureanhydridreagenzien, die hier verwendet werden (d. h. jenen mit C10 oder höheren Substituenten), reagieren die Reagenzien mit Stärke in nur geringen Mengen in wässerigen Standardreaktionen. Um die Stärkereaktionseffizienz zu erhöhen, wird die Stärke mit dem hydrophoben Reagens unter wässerigen Standardbedingungen in Gegenwart von mindestens 5%, bevorzugt 7 bis 15% (basierend auf dem Reagensgewicht) eines wasserlöslichen organischen quaternären Salzes umgesetzt, das als Phasentransferagens eingesetzt wird. Die organischen Salze, von denen Trioctylmethylammoniumchlorid oder Tricaprylylmethylammoniumchlorid bevorzugt verwendet werden, sind im US-Patent Nr. 3 992 432 (erteilt am 16. November 1976, D. Napier et al.) beschrieben.
Die Menge an eingesetztem Veretherungs- oder Veresterungsreagens variiert mit dem ausgewählten speziellen Reagens (da sie natürlich hinsichtlich der Reaktivität und Reaktionseffizienz variieren) und dem gewünschten Substitutionsgrad. Somit wurden wesentliche Verbesserungen bei der Schlichtungseffizienz und Tintenstrahldruckqualität durch Verwendung eines mit mindestens 2% des Reagens, basierend auf dem Gewicht der Stärke, hergestellten Derivats erreicht. Abhängig von dem gebildeten speziellen Derivat variiert die obere Grenze der Behandlung und wird nur durch die Löslichkeit oder Dispergierbarkeit des Endprodukts begrenzt. Im allgemeinen beträgt das maximale Niveau weniger als 25%. Insbesondere werden etwa 2 bis 20 Gew.-%, bevorzugt etwa 3 bis 15 Gew.-% und besonders bevorzugt etwa 3 bis 10 Gew. -% des Reagens, basierend auf dem Gewicht der Stärke, eingesetzt, um das Stärkederivat herzustellen. Die in der Erfindung eingesetzten Stärkederivate können besser als solche Stärken definiert werden, die einen Substitutionsgrad (DS) von etwa 0,02 bis 0,1, insbesondere 0,03 bis 0,1 und bevorzugt etwa 0,03 bis 0,07 aufweisen. Der Ausdruck "Substitutionsgrad" (DS), wie er hier verwendet wird, gibt die durchschnittliche Anzahl von Stellen pro Anhydroglucoseeinheit des Stärkemoleküls an, an denen sich Substitutionsgruppen befinden.
Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der erfolgreichen Anwendung der hier beschriebenen ausgewählten hydrophoben Stärkederivate bei der Herstellung hochqualitativen Tintenstrahldruckaufnahematerials ist die Viskosität des Stärkederivats. Insbesondere verwendbare Viskositäten, bei denen die hydrophoben Stärkederivate betriebsbereite oder einsetzbare Leimpreßbedingungen, ebenso wie verbesserte Tintenstrahlqualität in den beschichteten Aufnahmeblättern bereitstellen sind Brookfield-Viskositäten von mindestens 50 mPas (cPs) und insbesondere 50 bis 500 mPas (cPs) bei 65ºC. Bevorzugt beträgt die Viskosität 100 bis 300 mPas (cPs) Brookfield bei 65ºC. Diese Viskosität wurde unter Verwendung eines Brookfield- Viskosimeters (Modell LVDV-III), ausgestattet mit einer SC4-21-Spindel bei 100 U/min und 65ºC (150ºF) bestimmt.
Die ausgewählte Viskosität hängt von der Geschwindigkeit der Papiermaschine ab. Höhere Viskositäten sind für langsamere Papiermaschinen einsetzbar, während der niedrigere Viskositätsbereich für schnellere Papiermaschinen geeigneter ist. Papiermaschinengeschwindigkeiten liegen typischerweise im Bereich von etwa 2,54 bis 15,24 m/s (500 bis 3000 ft/min) und insbesondere von etwa 4,064 bis 7,62 m/s (800 bis 1500 ft/min).
In der Praxis wurde gefunden, daß die hydrophoben Stärkederivate auf die Oberfläche eines zuvor hergestellten Papier- oder Pappevlieses mittels einer üblichen Oberflächenschlichtungstechnik effektiv aufgebracht werden können. Von diesen Techniken sind Leimpreßdruck, Bütten-, Gatterrollapplikator- und Kalanderstapelschlichtungsverfahren mitumfaßt. Somit wird beispielsweise in einer Leimpreßtechnik die Oberflächenschlichtung durch Durchtritt des Pa piervlieses in vertikaler Richtung nach unten zwischen einem Paar Peßwalzen erreicht. In der Spalte zwischen diesen Walzen wird ein Fluß der Oberflächenschlichtungslösung derart geführt, daß auf beiden Seiten des Papiers Lachen gebildet werden. Wenn sich das Papier zwischen den Walzen hindurchbewegt, wird überschüssige Oberflächenschlichtungslösung abgegeben. Das geschlichtet Vlies wird dann mittels jeder durch den Praktiker ausgewählten herkömmlichen Trockenweise getrocknet.
Die Menge an in einer wässerigen Dispersion einzusetzendem hydrophoben Stärkederivat beträgt etwa 3 bis 20 Gew.-% und insbesondere etwa 5 bis 12 Gew.-%. Welche Stärkezusammensetzung oder welches Aufbringungsverfahren auch verwendet wird, es ist ausreichend, das Stärkederivat mit etwa 2 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 3 bis 7 Gew.-%, basierend auf dem Trockenpapiergewicht, aufzunehmen. Im erwähnten Bereich hängt die genaue Menge des Schlichtungs- oder Stärkederivats insbesondere vom Typ der Pulpe, die behandelt wird, von der speziellen Qualität des herzustellenden Tintenstrahldruckpapiers, den speziellen Betriebsbedingungen und ebenso von der speziellen Endanwendung, für die das Papierprodukt bestimmt ist, ab.
Die ausgewählten hydrophoben Stärkederivate können erfolgreich für die Oberflächenschlichtung oder Beschichtung verschiedener Substratmaterialien, die verwendet werden, um Tintenstrahlaufnahmeblätter oder Papier bereitzustellen, eingesetzt werden. Geeignete Substrate umfassen Papier und thermoplastische Harzfilme und anderes, für transparente Anwendungen verwendbares Material. Papier, das das üblichste Substrat darstellt, wird sowohl von Cellulose als auch Kombinationen von Cellulose- und Nicht-Cellulose-Fasern hergestellt. Die Hartholz- oder Weichholzcellulosefasern, die eingesetzt werden können, umfassen gebleichtes und ungebleichtes Sulfat (Kraft), gebleichtes und ungebleichtes Sulfit, gebleichtes und ungebleichtes Soda, neutrales halbchemisches Sulfit, Semigrundholz und jede Kombination dieser Fasern. Diese Bezeichnungen beziehen sich auf Holzstofffasern, die mittels einer Vielzahl von Verfahren, die in der Pulpen- und Papierindustrie eingesetzt werden, hergestellt werden. Zusätzlich können auch synthetische Cellulosefasern vom Viskose-Rayon- oder regenerierten Cellulose- Typ eingesetzt werden, genauso wie recyclte Abfallpapiere aus verschiedenen Quellen.
Alle Typen von Papierfarbstoffen und Tinten, Pigmenten und Füllstoffen, können zum Papier, daß durch die erfindungsgemäße Stärkedispersion geschlichtet oder beschichtet werden soll, zugegeben werden (in üblicher Weise). Derartige Materialien umfassen Ton, Talk, Titandioxid. Calciumcarbonat, Calciumsulfat, Siliciumdioxide und Diatomeenerden. Das Papier kann andere Additive enthalten, einschließlich Kolophonium, Alaun und interne Schlichtungszusammensetzungen, wie Alkenylsuccinanhydrid und Alkylketendimer. Andere Oberflächenschlichtungsmittel, genauso wie Pigmente, Farbstoffe und Schmiermittel, können in Verbindung mit der hier beschriebenen Schlichtung eingesetzt werden. Die wie oben beschriebenen zugegebenen Materialien können eingesetzt werden, solange sie die Schlichtung und die hydrophoben Eigenschaften des hergestellten Tintenstrahlaufnahmeblatts oder die Tintenstrahldruckqualität des Blatts, genauso wie die Funktionsfähigkeit des Papierherstellungsbetriebs, nicht nachteilig beeinflussen.
Während das eingesetzte Basispapier von saurer oder alkalischer Qualität sein kann, sind die größten Verbesserungen bei der Tintenstrahldruckqualität auf alkalischen Papierqualitäten zu sehen. Alkalisches Papier wird im allgemeinen in Naßpartiesystemen mit einem pH-Wert von 7,5 bis 10,5 und insbesondere 7,5 bis 9,0 hergestellt. Alkalisches Papier enthält häufig beträchtliche Mengen an Calciumcarbonat, zum Beispiel 1 bis 30 Gew.-%. Es ist auch festzustellen, daß die in der Erfindung verwendbaren alkalischen Papiersubstrate keine mehrwertigen Metallionen enthalten.
Die nachfolgenden Beispiele veranschaulichen weiter die Ausführungsformen der Erfindung. In diesen Beispielen sind alle Teile als Gewichtsteile und alle Temperaturen in ºC angegeben, außer dies ist anders angegeben.

Beispiel 1

Die Fähigkeit einer mit hydrophoben Reagensgruppen umgesetzten Stärke, die Papierporosität, verglichen mit einer herkömmlichen oberflächengeschlichteten Stärke, zu verringern, wird im folgenden gezeigt.
Eine OSA-(Octenylsuccinsäureanhydrid)-Wachsstärke wurde in folgender Art und Weise hergestellt. Etwa 100 Teile Wachsstärke wurden in 150 Teilen Wasser aufgeschlämmt, und der pH-Wert durch die Zugabe verdünnten Natriumhydroxids (3%) auf 7,5 eingestellt. Insgesamt 3 Teile Octenylsuccinsäureanhydrid-(OSA)-Reagens wurden langsam zu der gerührten Stärkeaufschlämmung zugegeben, wobei der pH-Wert durch dosierte Zugabe des verdünnten Natriumhydroxids bei 7,5 gehalten wurde. Nachdem die Umsetzung vollständig war, wurde der pH- Wert mit verdünnter Salzsäure (3 : 1) auf etwa 5,5 eingestellt. Die Stärke wurde danach durch Filtration, dreimaliges Waschen mit Wasser und Lufttrocknen zurückgewonnen. Das Endprodukt hatte einen OSA-Gehalt von etwa 2,5%.
Eine Probe der hergestellten Stärke, d. h. 10% Feststoff 40 WF OSA-Wachsstärke wurde auf die Oberfläche eines nicht oberflächengeschlichteten alkalischen Feinpapiers aufgebracht. "WF" bezieht sich auf die Wasserfließfähigkeit und wurde unter Verwendung eines Thomas Rotationsviskosimeters vom Scherungs-Typ (hergestellt von Arthur H. Thomas Co., Philadelphia. PA) nach Standardverfahren, wie sie im US-Patent Nr. 4 499 116, erteilt am 12. Februar 1985, Zwiercan et al., beschrieben sind, gemessen. Eine andere Probe einer herkömmlichen 80 WF hydroxyethylierten Maisstärke wurde ebenfalls auf ein nicht oberflächengeschlichtetes alkalisches Feinpapier aufgebracht.
Die Oberflächenschlichtungsanwendung wurde unter Verwendung eines Leimpreßsimulators, aufgebaut aus zwei erwärmten, gummibeschichteten Walzen aus rostfreiem Stahl, die in Form einer horizontalen Leimpresse angeordnet waren, wobei das Papier vertikal durch den Spalt zwischen den Walzen zugeführt wird, durchgeführt. Eine Lache der oberflächengeschlichteten Stärke (vorerwärmt auf 65,6ºC) wurde zwischen den Walzen mit einer Geschwindigkeit von 33.33 cm³/sek (2 l/min) rezirkuliert, um eine Lache im Spalt zwischen Walzen zu haben. Eine alkalische Basisvorratslösung, enthaltend 5,4% gefällten Calciumcarbonat-(PCC)- Füllstoffs und mit einem internen Schlichtungsniveau von 49 sek (nach dem TAPPI- Testverfahren T530 um - 89, "Size Test For Paper by Ink Resistance" (Hercules Verfahren:)), wurde auf ein 1 m langes ungebleichtes Kraftleitblatt aufgebracht. Das Leitblatt wurde zwischen 1 m lange ungebleichte Kraftleitblätter gegeben. Das Leitblatt wurde zwischen die Walzen plaziert, die Rezirkulationspumpe für die Leimpreßlösung gestartet, dann der die Leimpreßwalzen antreibende Motor angeschaltet und in der Zeit bis die alkalische Basisvorratslösung den Leimpreßspalt erreichte, auf eine Geschwindigkeit von 100 m/min beschleunigt. Das dann oberflächengeschlichtete Blatt wurde vom Leitblatt entfernt und auf einem Trommeltrockner vom photographischen Typ getrocknet. Das Endblatt wurde auf 0,2159 · 0,2794 m (8 1/2 · 11 Zoll) geschnitten.
Die Porosität jedes Blattes wurde unter Verwendung des TAPPI-Verfahrens T460 bewertet. Dieser Test gibt wieder, was als sogenannte "Gurley-Dichte" bezeichnet wird und wird wie folgt durchgeführt:
Gurley-Dichte - dieser Test ist eine Messung der Luftwiderstandsfähigkeit (oder Porosität) eines geschlichteten Papierblatts, der nach dem TAPPI-Standardverfahren T460-OM-86, mit dem Titel "Luftwiderstandsfähigkeit von Papier" durchgeführt wird. Kurz gesagt wird eine Probe geschlichteten Papiers mit einer Fläche von 1 Zoll² (6,45 cm²) auf das äußere Ende einer Vorrichtung, die einen mit Luft bei Umgebungsdruck (1 Atm) gefüllten offenen Zylinder enthält, gelegt. Die Luft wird dann unter dem Gewicht des Zylinders kräftig durch das Papier hindurchgeblasen. Die Zeit, damit 100 cm³ Luft durch die Probe hindurchtreten, wird aufgezeichnet.
Die Zeit, damit 100 cm³ Luft durch die Probe hindurchtreten, ist ein relatives Maß für die Papierporosität und porösere Papiere haben niedrigere Gurley-Dichte-Zeiten. Im allgemeinen besitzt das extern besser geschlichtete Papier niedrigere Porosität (oder höhere Gurley- Dichtetestzeiten).
Das geschlichtete Papier wurde dann den obigen Bestimmungen unterzogen. Die Ergebnisse dieser Analyse sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben (Durchschnitt von zwei Blättern für jeden Typ oberflächengeschlichteter Stärke).
Die mit dem 40 WF OSA-Wachs oberflächengeschlichtete alkalische Basisvorratslösung reduzierte die Porosität zweimal so effektiv wie der 80 WF hydroxyethylierte Mais. Es ist festzuhalten, daß oberflächengeschlichtete Stärke, die zur Verringerung der Papierporosität beiträgt, dazu neigt, kontinuierlichere, defektfreie Filme auszubilden. Dieser kontinuierliche Film, der gewöhnlich aus einem Tinte aufnehmenden Polymer aufgebaut ist, wäre besser dazu in der Lage, die Tintentropfen, wenn sie auf das Papier aufgebracht werden, einzufangen, ihre Migration in der Z-Richtung (oder Dicke) des Papiers, ebenso wie die Migration entlang der Papierfläche (auch als Auffasern bezeichnet) zu verhindern.

Beispiel 2

Unter Verwendung der gleichen Oberflächenschlichtungsverfahren wie in Beispiel 1 wurde eine alkalische Basisvorratslösung mit einem internen Schlichtungsniveau von 200 sek. (nach dem TAPPI-Testverfahren T530 um/89, "Size Test For Paper by Ink Resistance" ("Hercules- Verfahren")) mit 10%igen Dispersionen sowohl von hydroxyethyliertem Mais als auch einer mit 5% DDSA (Dodecenylsuccinanhydrid) umgesetzten 55 WF Wachsstärke oberflächengeschlichtet. Die Ergebnisse dieser Studie sind nachfolgend tabellarisch dargestellt:
Vergleicht man die mit dem 80 WF hydroxyethylierten Mais oberflächengeschlichtete alkalische Basisvorratslösung mit der mit dem 55 WF DDSA-Wachs oberflächengeschlichteten alkalischen Basisvorratslösung ergibt dies einen über zehnmal höheren Dichtewert in Sekunden (nach TAPPI T460).

Beispiel 3

Unter Verwendung der gleichen Oberflächenschlichtungsverfahren wie in Beispiel 1 wurde eine alkalische Basisvorratslösung mit einem internen Schlichtungsniveau von 200 sek. (nach dem TAPPI-Testverfahren T530 um-89, wie oben angegeben) und einem CC-Füllstoffgehalt von 11,8% mit 10%igen Dispersionen entweder einer 80 WF oxidierten Maisstärke oder einer mit 3% OSA umgesetzten 40 WF Wachsstärke oberflächengeschlichtet. Die Ergebnisse dieser Studie sind nachfolgend tabellarisch dargestellt:
Vergleicht man die mit dem 80 WF oxidierten Maisstärke oberflächengeschlichtete alkalische Basisvorratslösung mit der mit dem 40 WF OSA-Wachs oberflächengeschlichteten alkalischen Basisvorratslösung ergibt dies einen etwa doppelt so großen Dichtewert in Sekunden (nach TAPPI T460).
Dieses Beispiel zeigt, daß Papier, oberflächengeschlichtet mit einer Schicht, die mit einer mit ausgewählten hydrophoben Gruppen substituierten Stärke aufgebaut ist, welche mit einer niedrigen Scherviskosität von mindestens 50 mPas (cPs bei 65ºC) aufgebracht wird, die Papierporosität reduziert, verglichen mit einem Papier, das mit Stärken, die nicht mit derartigen Gruppen substituiert sind, oberflächengeschlichtet ist.

Beispiel 4

Unter Verwendung desselben Oberflächenschlichtungsverfahrens und derselben alkalischen Basisvorratslösung wie in Beispiel 1 wurde die Oberflächenschlichtung mit Mischungen kationischer Stärke (umgesetzt mit einer tertiären Aminogruppe)(Cat.) und einer mit OSA umgesetzten Stärke durchgeführt. Das Stickstoffniveau (der kationischen Stärken), das OSA- Niveau, der Prozentsatz an kationischer Stärke in der Mischung (der Rest der Mischung ist der Prozentsatz von OSA-behandelter Stärke), die Fließfähigkeit (WF) der kationischen Stärke, der WF der OSA (oder hydrophoben) Stärke und der Feststoffprozentsatz der auf das Papier aufgebrachten Dispersion wurden durch zwei Faktoren des experimentellen Aufbaus variiert. Die probegeschlichteten Papierblätter wurden dann wie folgt beurteilt. Die Gurley-Dichte wurde für jedes Probenblatt wie in Beispiel 1 bestimmt. Probenblätter wurden auf einem Hewlett- Packard Deskjet 500C Tintenstrahldrucker unter Verwendung eines Testmusters, geliefert von Hewlett-Packard, bedruckt. Auf diesem Muster befand sich eine Reihe von drei 1 Zoll- Quadraten, von denen zwei eine maximale Tintenausfüllung (100%) zeigten. Die optische Dichte jedes Probenblatts wurde auf einem MacBeth-Densitometer gemessen, wobei die Ergebnisse nachfolgend gezeigt sind.
Die Testergebnisse zeigen, daß eine erfindungsgemäß hydrophobisch modifizierte Stärke die Papierporosität (Gurley-Dichte) reduziert, wenn höhere Brookfield-Viskositäten eingesetzt werden. Zusätzlich zeigen diese Daten, daß die optische Dichte eines ausgefüllten, schwarzen, gedruckten Kästchens am höchsten war, wenn nur die hydrophobisch substituierte Stärke bei einer hohen Viskosität, anstelle einer Mischung kationischer Stärke und hydrophobisch substituierter Stärke, eingesetzt wurde. Mischungen kationischer und hydrophobischer Stärke, selbst wenn sie bei einer Viskosität oberhalb 50 cPs eingesetzt werden, verbessern die optische Dichte des schwarzen Gebiets, verglichen mit dem nicht oberflächengeschlichteten Basisblatt, nicht.
Um somit die Tintenstrahldruckqualität zu verbessern, ist es notwendig, die ausgewählten hydrophoben Stärken der Erfindung mit hohen Brookfield-Applikationsviskositäten einzusetzen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahlaufnahmeblatts mit verbesserter Tintenstrahldruckqualität, umfassend:

a) Bereitstellen eines Aufnahmeblattsubstrats,

b) Ausbilden einer Schlichtezusammensetzung, umfassend eine wässerige Dispersion eines hydrophoben Stärkeester- oder Stärkeetherderivats, worin der Ester- oder Ethersubstituent eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffkette von 6 bis 22 Kohlenstoffatomen umfaßt, mit einem Substitutionsgrad (DS) von 0,03 bis 0,1, wobei die Stärke enthaltende Schlichtezusammensetzung eine Brookfield- Viskosität von mindestens 50 mPas (cPs) bei 65ºC und einen alkalischen pH-Wert von 7,5 bis 10,5 besitzt.

c) Aufbringen der Schlichtezusammensetzung auf das Aufnahmeblattsubstrat und

d) Trocknen des Substrats, um ein Tintenstrahlaufnahmeblatt zur Verfügung zu stellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Stärke enthaltende Schlichtezusammensetzung eine Brookfield-Viskosität von 50 bis 500 mPas (cPs) bei 65ºC besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin die wässerige Dispersion etwa 1 bis 20 Gew.-% des Derivats in Wasser umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Stärkederivat ein Ester ist, der aus einem substituierten zyklischen Dicarbonsäureanhydrid mit der Struktur:

hergestellt wird, worin R eine Dimethylen- oder Trimethylengruppe und R¹ eine Kohlenwasserstoffgruppe mit 6 bis 22 Kohlenstoffatomen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufnahmeblattsubstrat Papier ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, worin R¹ eine Alkyl-, Alkenyl-, Aryl-, Aralkyl- oder Aralkenylgruppe ist, worin das Stärkederivat eine Brookfield-Viskosität von 50 bis 500 mPas (cPs) bei 65ºC und einen Substitutionsgrad von 0,03 bis 0,07 besitzt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin R¹ eine Alkyl- oder Alkenylgruppe von 8 bis 20 Kohlenstoffatomen ist und die wässerige Dispersion etwa 1 bis 20 Gew.-% des Stärkederivats in Wasser umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin das Stärkederivat eine Brookfield-Viskosität von 100 bis 300 mPas (cPs) bei 65ºC besitzt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, worin das Aufnahmeblattsubstrat ein alkalisches Qualitätspapier ist, und die wässerige Dispersion etwa 5 bis 12 Gew.-% des Stärkederivats in Wasser umfaßt.

10. Tintenstrahlaufnahmeblatt, hergestellt durch das Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.