-
Die Erfindung umfasst Tintenzusammensetzungen
zur Verwendung in Tintenstrahldruckern und insbesondere solche Zusammensetzungen,
die eine Dispersion eines Pigments in einem nichtwässrigen
Verdünner
umfassen.
-
Tintenstrahldrucker der An, bei der
Tintentröpfchen
unter Druck durch sehr kleine Düsen
in einem Druckkopf gepresst werden, werden sowohl in Büros als
auch für
allgemeine industrielle Anwendungen immer interessanter. Bei einer
Druckerart, die als "kontinuierlicher" Drucker bekannt
ist, werden kontinuierlich erzeugte Tintentröpfchen durch einen Ladebereich
geleitet, in dem einzelne Tröpfchen
als Antwort auf ein Signal elektrisch geladen und dann zu einem
Substrat, das bedruckt werden soll, geleitet werden. Die Tröpfchen passieren
ein elektrisches Feld, das ihre Ablenkung um einen von der Intensität der Ladung
und des Felds abhängigen
Grad bewirkt. Tröpfchen,
die nicht zur Ausbildung von Druck auf dem Substrat benötigt werden,
werden zu einer Umgehungsrinne geleitet. Tinten, die in solchen
Druckern verwendet werden, müssen
leitfähig
sein. Bei einer anderen Druckerart, die als "Drop-on-Demand" (Tropfen auf Anforderung = DOD) Drucker
bekannt sind, werden die Tintentröpfchen nur dann von der Düse eines
Druckkopfs ausgeworfen, wenn dies während des Druckvorgangs erforderlich
ist. DOD-Drucker können
elektrostatisch beschleunigte Tintenstrahl- oder Tintentröpfchensequenzen
verwenden, die durch Druckimpulsauslösung ausgeworfen werden. Bei
den letzteren DOD-Druckern wird jeder Tintentropfen mittels Druckimpulsen
einzeln aus einer Düse
ausgeworfen, die z. B. durch Einsatz eines piezoelektrischen Betätigungselements,
das auf die Tinte in dem die Düse
speisenden Kanal wirkt, oder durch Erzeugung eine Dampfblase als
Antwort auf einen Wärmeimpuls
ausgelöst
werden. Tinten für
diese Art Drucker brauchen nicht elektrisch leitfähig zu sein.
Sie sind vorzugsweise nichtionisch und von sehr geringer Leitfähigkeit;
z. B. haben sie einen spezifischen Widerstand von mindestens 106 Ohm·cm.
-
Parallel zur Entwicklung dieser Drucker
wurden auch spezielle Tinten entwickelt, die sich zur Verwendung
darin eignen.
-
Diese Tinten müssen verschiedene Kriterien
erfüllen.
Beispielsweise müssen
sie gelagert werden können,
ohne dass ihre Qualität
nachlässt.
Vor allem dürfen
sich die Pigmentteilchen unter normalen klimatischen Bedingungen
nicht signifikant absetzen oder fest werden. Außerdem müssen sie bei normalen Druckerbetriebstemperaturen
(üblicherweise
10 bis 40°C)
mit mäßigem Druck
aus der Druckkopfdüse
ausgeworfen werden können.
Sie dürfen
bei Ruhezeiten in der Druckkopfdüse
während
des normalen Betriebs nicht schlechter werden, z. B. durch Verdampfen
des Verdünners,
Phasentrennung, Verfestigung oder die Einwirkung von atmosphärischer
Luft oder Feuchtigkeit, und die die Düsenöffnung umgebende Zone des Druckkopfs
nicht zu einem solchen Grad befeuchten, dass der Druckkopf überflutet
und der Betrieb beeinträchtigt
wird. Um sicherzustellen, dass der Druckkopf nicht in einem unannehmbaren
Ausmaß befeuchtet
wird, hat es sich erwiesen, dass die Tinte eine Entnetzungsgeschwindigkeit
von mindestens 100 μm
sec–1 (gemessen
auf einer Oberfläche
mit einer Oberflächenenergie
von 10 ± 1
mN·m–1)
haben sollte. Die Oberflächenenergie
wird als kritische Oberflächenspannung
aus statischen Kontaktwinkeln reiner Flüssigkeiten gemessen. Dazu verwendet
man das Verfahren von Zisman, das auf S. 351 ff von "Physical Chemistry
of Surfaces" von
A. W. Adamson, 3. Auflage, John Wiley & Sons, 1976, beschrieben ist. Ein
Beispiel einer solchen Oberfläche
ist in der am 30. August 1994 eingereichten britischen Patentanmeldung
9 417 445.5 beschrieben. Zur Erörterung
der Entnetzungsgeschwindigkeit und ihrer Messung wird auf den Artikel
von Redon et al., in "Physical
Review Letters",
Band 66, No. 6, 11. Februar 1991, S. 715–718, verweisen. Vorzugsweise
beträgt
die Entnetzungsgeschwindigkeit der Tinte mindestens 200, stärker bevorzugt
mindestens 300 und am meisten bevorzugt mindestens 1.000 μm·sec–1,
wenn sie wie vorstehend definiert gemessen wird.
-
Eine weitere Eigenschaft der Tinte,
die sich als wichtig erwiesen hat, ist ihre Oberflächenspannung, die
bei 25°C
vorzugsweise im Bereich von etwa 22 bis 36 mN·m–1,
stärker
bevorzugt 24 bis 34 liegen sollte.
-
Die Tinten müssen auch ein klar definiertes
Druckbild ergeben, und da beschichtetes Papier teuer ist, gilt es
als allgemein akzeptiert, dass Tintenstrahldrucker auch auf einfachem,
d. h. unbeschichtetem Papier ein klar definiertes Druckbild von
guter Farbdichte ergeben müssen.
-
Ein klar definiertes Druckbild erfordert
unter anderem (a) die rasche Bildung eines festen gefärbten Punktes
aus der Tintenzusammensetzung, (b) die Konzentration der Färbemittel
aus der Tinte auf der Oberfläche
des Papiers, (c) die Steue rung der Ausbreitung des Farbpunkts, der
sich aus dem Tintentröpfchen
auf der Oberfläche
des Papiersubstrats bildet, (d) die Beschränkung des Verlaufens der Tinte
einer Farbe von einem Punkt zu einem benachbarten Punkt von anderer
Farbe sowie die Gleichmäßigkeit
von Farbe und Farbdichte über
die Fläche
des aus dem Tröpfchen
gebildeten festen Punktes. Vorzugsweise sollte die Qualität der Tinte
außerdem
nicht durch die Einwirkung von Wasser oder Licht beeinträchtigt werden.
-
Viele der vorstehend aufgeführten Kriterien
verlangen gegensätzliche
Eigenschaften der Tinte. Beispielsweise nimmt zwar durch Verringern
der Viskosität
die Fließfähigkeit
zu, doch dadurch steigt auch das Risiko, dass das Tintentröpfchen auf
der Papieroberfläche
verläuft,
ehe die Tinte trocknet. Gleichermaßen gilt, dass zwar das Risiko
des Austrocknens der Tinte in der Düse durch Verringerung der Flüchtigkeit
des Verdünners
gesenkt wird, das Gegenteil jedoch erforderlich sein kann, damit
das rasche Trocknen des Tintentröpfchens
auf dem Substrat unterstützt
wird. Daher erfordert die Optimierung dieser Eigenschaften Kompromisse. Außerdem hat
sich gezeigt, dass das Variieren der Tintenzusammensetzung mit dem
Ziel, eine Optimierung dieser Eigenschaften zu erreichen, oft andere
erwünschte
Eigenschaften beeinträchtigt.
-
Daher wird nach wie vor nach verbesserten
Tinten gesucht, vor allem angesichts des anhaltenden Trends zu kleineren
Düsen und
Druckbildern mit höherer
Auflösung.
-
Wir haben jetzt eine Tinte entwickelt,
die die vorstehenden Kriterien erfüllt oder ihnen nahe kommt und außerdem über längere Zeiträume bei
Verwendung von Druckköpfen,
bei denen der Düsendurchmesser
50 μm oder
weniger, z. B. 20 μm
oder weniger beträgt,
beständig
Druckbilder von ausgezeichneter Qualität erzeugen kann.
-
Erfindungsgemäß wird eine Tintenstrahldruckertinte
zur Verfügung
gestellt, umfassend ein Pigment, das in einem nichtwässrigen
Verdünner
dispergiert ist, wobei es sich bei dem Verdünner um eine einphasige Flüssigkeit
handelt, die aliphatischen Kohlenwasserstoff und eine polare Komponente
umfasst, wobei der aliphatische Kohlenwasserstoff mehr als 50 Gew.-%
des Verdünners
ausmacht und die polare Komponente Oleylalkohol entweder allein
oder in Kombination mit mindestens einer anderen polaren Flüssigkeit
darstellt, wobei die Gesamtmenge an polarer Flüssigkeit im Bereich von 5 bis
45 Gew.-% des Gesamtgewichts des Verdünners liegt.
-
Die aliphatische Kohlenwasserstoffkomponente
der Tinte, die mehr als 50 Gew.-%
des Verdünners und
vorzugsweise mehr als 50 Gew.-% der Tintenzusammensetzung ausmacht,
kann eine einzige Komponente oder ein Gemisch umfassen und kann
beispielsweise ein Destillat aus der Fraktionierung natürlicher
oder synthetischer Kohlenwasserstoffgemische sein, z. B. von der
Art, die unter dem Handelsnamen EXXSOL vertrieben wird. Im allgemeinen
hat sie einen Siedepunkt von mindestens 100°C und vorzugsweise mindestens 200°C. Wenn es
sich um ein Gemisch handelt, ist der Begriff Siedepunkt als die
Temperatur zu verstehen, bei der das Gemisch zu sieden beginnt.
-
Der Verdünner sollte zwar überwiegend
aus Kohlenwasserstoff bestehen, aber die Gegenwart einer kleineren
Menge einer Oleylalkohol umfassenden polaren Komponente ist von
wesentlicher Bedeutung. Der Alkohol kann allein oder zusammen mit
einer oder mehreren anderen polaren Flüssigkeiten, z. B. Estern, Ethern,
Amiden oder anderen Alkoholen verwendet werden. Ether werden bevorzugt.
Beispiele umfassen Monoalkylether von Ethylen- und Propylenglycolen
und -polyglycolen, z. B. Ethylenglycolmonobutylether, Dipropylenglycolmonomethylether
und Tripropylenglycolmonomethylether. Selbstverständlich müssen Art
und Qualität
der anderen polaren Flüssigkeit
so beschaffen sein, dass der Siedepunkt des Verdünners mindestens 100°C, vorzugsweise
mindestens 200°C
beträgt.
Andererseits muss die Tinte bei allen denkbaren Betriebstemperaturen
flüssig
bleiben; daher sollte ihr Gefrierpunkt bzw. die Temperatur, bei
der sich erstmals Feststoffe bilden, nicht mehr als 10°C, vorzugsweise
nicht mehr als 7°C
betragen.
-
Die Menge des Oleylalkohols bzw.
des Gemischs aus Oleylalkohol und der anderen polaren Flüssigkeit
im Verdünner
sollte so groß sein,
dass ein Verdünner
mit einem polaren Löslichkeitsparameter
von nicht weniger als 0,1 MPa1/2 zur Verfügung gestellt
wird, da andernfalls Probleme mit der Benetzung der die Öffnung umgebenden
Zonen auftreten können.
Andererseits sollte dieser Parameter vorzugsweise nicht größer als
5 MPa1/2 sein, da es sonst zu Kompatibilitätsproblemen
mit anderen Materialien im Drucksystem kommen kann. Vorzugsweise
liegt dieser Parameter im Bereich von 0,2 bis 2 MPa1/2.
Wenn hier von polaren Löslichkeitsparametern
die Rede ist, geht es um die Werte, die durch das Verfahren von
C. M. Hansen und K. Skaarup, "Journal
of Paint Technology" 39,
Nr. 51, S. 511–514
(1967) erhalten werden, im einzelnen dargestellt von T. C. Patton
in "Paint Flow & Pigment Dispersion", 2. Auflage, Wiley
Interscience, 1979. Es ist auch wichtig, dass die Gesamtmenge der
verwendeten polaren Flüssigkeit
so beschaffen ist, dass das resultierende Gemisch mit dem Kohlenwasserstoff
eine einzige Phase ist.
-
Folglich hängt die Menge des in der Tinte
enthaltenen Oleylalkohols davon ab, ob er die einzige polare flüssige Komponente
ist oder ob er in einer Mischung mit anderen polaren Flüssigkeiten
verwendet wird, und wenn ja, welche Konzentration und Polarität diese
Flüssigkeiten
haben. Im Allgemeinen wird er in einer Menge von 5 bis 40 Gew.-%,
stärker
bevorzugt 10 bis 40 Gew.-% des Gesamtgewichts des Verdünners verwendet, wenn
er die einzige polare Komponente ist. Wird er zusammen mit anderen
polaren Flüssigkeiten
verwendet, liegt seine Menge im Bereich von 5 bis 30 Gew.-%. Die
Gesamtmenge der polaren Flüssigkeit
liegt im Allgemeinen im Bereich von 5 bis 45, vorzugsweise 10 bis
40 Gew.-%.
-
Wie bereits erwähnt, darf der Verdünner nicht
wässrig
sein, d. h. er darf nicht mehr als 5 Gew.-% Wasser enthalten. Keinesfalls
darf eine eventuell vorhandene Wassermenge die Bildung einer zweiten
flüssigen Phase
verursachen.
-
Es kann jedes geeignete Pigment verwendet
werden, vorausgesetzt, es bildet mit dein gewählten Verdünner eine stabile Dispersion.
Bevorzugte Pigmente sind unter denjenigen zu finden, die in "The Colour Index" als Pigmentfarben
gekennzeichnet sind. Vorzugsweise hat das Pigment einen primären Subtraktionsfarbton.
Das Pigment sollte lichtecht und selbst bei wiederholter Erwärmung wärmestabil
sein. Ferner sollte das Pigment nach dem Aufbringen auf das Substrat
wasserunlöslich
sein, damit es beim Kontakt mit wasserhaltigen Substanzen nicht
verschmiert. Auch Rußarten
können
verwendet werden.
-
Die Teilchengröße des Pigments liegt geeigneterweise
bei 1,5 μm
oder weniger und vorzugsweise nicht über 1,0 μm, stärker bevorzugt nicht über 0,5 μm und am
meisten bevorzugt nicht über
0,3 μm.
-
Ferner sollte die relative Dichte
des Pigments möglichst
nahe an der des gewählten
Lösungsmittels liegen,
da dies die Wahrscheinlichkeit des Ausfällens beim Stehen senkt.
-
Die geeignete Konzentration des Pigments
hängt von
seiner Beschaffenheit ab, liegt jedoch allgemein im Bereich von
2 bis 20, üblicher
4 bis 15 Gew.-% der Tinte.
-
Im Allgemeinen muss ein Dispergiermittel
verwendet werden, um die Pigmentteilchen effektiv im Verdünnungsmittel
zu dispergieren und die Dispersion zu stabilisieren. Vorzugsweise
liegt das Dispergiermittel in Lösung
im Verdünner
vor, d. h. es wird im Verdünner
gelöst
oder so stark solvatisiert, dass das Gemisch von Verdünner und
Dispergiermittel nicht mehr von einer echten Lösungs zu unterscheiden ist.
-
Das Dispergiermittel muss die Dispersion
des gewählten
Pigments in der erforderlichen Konzentration im gewählten Lösungsmittel
stabilisieren und die Dispersion während der Lagerung und unter
den im Druckkopf herrschenden Betriebsbedingungen aufrechterhalten
können.
Polymere Dispergiermittel werden wegen ihrer Effizienz im Allgemeinen
bevorzugt. Beispiele für
geeignete Dispergiermittel sind Polyesteramindispergiermittel, z.
B. solche, die von Zeneca Colours unter dein Handelsnamen SOLSPERSE
vertrieben werden, und insbesondere solche, die in GB-A-2 001 083
beschrieben sind. Diese umfassen das Reaktionsprodukt eines Poly(niedrigalkylen)imins
mit einem Polyester mit einer freien Carbonsäuregruppe, in dem mindestens zwei
Polyesterketten an jeder Poly(niedrigalkylen)iminkette befestigt
sind. Beispiele für
andere Dispergiermittel, die verwendet werden können, umfassen solche, die
unter den Handelsnamen EFKA und DISPERBYK vertrieben werden. Auf
Wunsch können
auch Mischungen von Dispergiermitteln verwendet werden.
-
Für
eine bestimmte Kombination aus Verdünner, Dispergiermittel und
Pigment kann die geeignete Menge des Dispergiermittels auf einfache
Weise experimentell bestimmt werden. Im Allgemeinen hat sich erwiesen,
dass die Viskosität
des Gemischs auf ein Minimum sinkt, wenn die Konzentration des Dispergiermittels von
null erhöht
wird, und dann wieder ansteigt. Die theoretisch optimale Menge des
Dispergiermittels ist die, die die Mindestviskosität für das Gemisch
ergibt, weil dadurch das Pigment am effektivsten dispergiert werden sollte.
Im Allgemeinen wird sich herausstellen, dass geeignete Mengen für das Dispergiermittel
im Bereich von 100 bis 200%, stärker
bevorzugt 110 bis 150% dieser optimalen Menge liegen. Auch größere Mengen
können zur
Verfügung
gestellt werden, doch meistens beträgt die Menge des Dispergiermittels
etwa 10 bis 100 Gew.-% der Menge des verwendeten Pigments.
-
Die erforderliche Energie, um ein
Tintentröpfchen
auszustoßen,
ist unter anderem eine Funktion der Viskosität. Aus diesem und anderen Gründen sollte
die Viskosität
der Tinten nicht über
60 mPa·s
betragen. Die Viskosität
wird größtenteils
durch die Viskosität
des Verdünners
sowie Beschaffenheit und Konzentration des Dispergiermittels bestimmt,
doch auch Art und Konzentration des Pigments sind ein Faktor. Der
am meisten bevorzugte Viskositätsbereich
liegt zwischen 6 und 30 mPa·s,
gemessen bei 30°C
mit einem Bohlin CS Viskosimeter. Die Erfindung wird nun durch folgende
Beispiele veranschaulicht, in der alle Teile nach Gewicht angegeben
sind.
-
Beispiel 1
-
Eine Tinte wurde aus 65,05 Teilen
eines Gemischs aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen mit einem Siedebereich
von 280 bis 317°C,
das von EXXON als EXXSOL D140 vermarktet wird, 20 Teilen eines von
Croda als NOVOL vertriebenen Oleylalkohols, 3,75 Teilen einer 40%igen
Lösung
eines Polyesteramin-Hyperdispergiermittels in aliphatischem Kohlenwasserstoff
(SOLSPERSE 13940), 0,2 Teilen substituiertem Ammoniumphthalocyaninsulfonat
(SOLSPERSE 5000) und 11 Teilen REGAL Black hergestellt. SOLSPERSE
13940 und SOLSPERSE 5000 werden beide von Zeneca Colours vertrieben.
SOLSPERSE ist eine Marke im Eigentum von Zeneca Limited.
-
Die Tinte hatte folgende Eigenschaften:
-
Die Tinte war bei Lagerung stabil
und konnte dazu verwendet werden, über längere Zeiträume kontinuierlich zu drucken,
ohne dass es zu einer Blockierung oder Fehlfunktion kann. Sie ergab
ein Druckbild mit ausgezeichneter Definition.
-
Beispiele 2 bis 5
-
In einer Reihe von Experimenten wurde
die Auswirkung der Abwandlung der NOVOL-Konzentration in der Tinte
von Beispiel 1 auf die Konzentration untersucht (wobei die Gesamtmenge
an NOVOL und EXXSOL D140 unverändert
blieb).
-
Die Stabilität wurde dadurch bewertet, dass
man die Abhängigkeit
der Trübung
der Tinte von der Wellenlänge
bestimmte. Über
weite Bereiche des Trübungsspektrums
wird die Trübung, τ, durch τ = K/λ
exp in
Bezug zur Wellenlänge, λ, gesetzt
wobei exp von der Teilchengröße abhängt. Den
Wert von exp erhält
man durch folgendes Verfahren: Tinte wird in einer flüssigen Mischung,
die dem Tintenverdünner
entspricht, auf 1 : 5.000 verdünnt.
Dann misst man die optischen Dichten (ODs) in Küvetten von 1 cm Pfadlänge in einem
Cary 1 UV-Visible Spectrophotometer zwischen 400 und 900 nm. exp
erhält
man als das Gefälle
von der linearen Regression von log
10 (OD)
gegenüber
log
10 (λ).
Um die Stabilität
zu bestimmen, wurden Tintenproben bei 65°C und bei Raumtemperatur gelagert. Über den
Zeitraum von 12 Wochen nahm man in regelmäßigen Abständen Messungen der Trübung vor.
Die Tinte gilt als stabil, wenn der Wert von exp über den
Zeitraum von 12 Wochen um 15% oder weniger zurückgeht. Die Ergebnisse sind
wie folgt:
-
Beispiel 6
-
Die Tinte von Beispiel 1 wurde dadurch
modifiziert, dass man die Mengen an EXXSOL D140 und NOVOL auf 57,30
bzw. 17,75 Teile verringerte und 10 Teile Tripropylenglycolmonomethylether
zugab. Die resultierende Zusammensetzung hatte ähnliche Siede- und Gefrierpunkte
wie in Beispiel 1, einen polaren Löslichkeitsparameter von 1,07
MPa0,5, eine Viskosität von 9 m Pa·s, eine
Oberflächenspannung
von 24,9 mN·m–1 und
eine Entnetzungsgeschwindigkeit von 1,6 mm·sec–1.
Ihre Leistung war der der Tinte von Beispiel 1 ähnlich.
-
Beispiel 7
-
Mann stellte eine Tinte mit folgender
Zusammensetzung her:
-
COASOL ist ein Gemisch aus Dibutylestern
von Bernstein-, Glutar- und Adipinsäure. Die Tinte hatte eine Viskosität von 10
mPa·s,
einen polaren Löslichkeitsparameter
von 1,1 MPa1/2 und Eigenschaften, die denen
der Tinte von Beispiel 6 sehr ähnlich
waren.
-
Im folgenden sind Beispiele von erfindungsgemäßen Tinten
mit anderen Pigmenten als Ruß aufgeführt.
-
-
-
-
Die Tinten von Beispiel 8 bis 10
hatten eine Viskosität
von 10 ± 0,5
mPa·s
und Entnetzungsgeschwindigkeiten im Bereich von 1,2 bis 2,7 mm·sec–1.
Alle waren lagerstabil, konnten dazu verwendet werden, über längere Zeiträume ohne
Blockaden oder Fehlfunktionen kontinuierlich zu drucken und ergaben
Druckbilder von ausgezeichneter Definition.