DE69915631T2

DE69915631T2 - Tintenaufnahmeschichten sowie ein sie enthaltendes aufzeichnungsmedium

Info

Publication number: DE69915631T2
Application number: DE69915631T
Authority: DE
Inventors: Monroe David CHAPMAN
Original assignee: WR Grace and Co Conn; WR Grace and Co
Current assignee: WR Grace and Co Conn; WR Grace and Co
Priority date: 1998-07-09
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: NO20010123D0; JP4913945B2; EP1098776A1; KR20010071790A; ZA200100272B; JP2002520494A; DE69915631D1; IL140754A0; CN1160203C; CA2336835A1; CN1315905A; AU768412B2; IL140754A; PL345416A1; NO20010123L; CA2336835C; ATE261820T1; WO2000002736A1; KR100607529B1; EP1098776B1

Description

VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung stellt eine Teilanmeldung auf der vorläufigen Anmeldung 60/092,139 dar, die am 9. Juli 1998 eingereicht wurde, dessen Inhalt anhängend eingefügt ist.
HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft Zusammensetzungen von Tintenaufnahmeschichten, insbesondere Tintenaufnahmeschichten für Tintenstrahlpapiere, und ein Aufzeichnungsmedium, das aus solchen Beschichtungen hergestellt wird, z. B. Tintenstrahlpapier.
Der Tintenstrahldruck umfasst die Anwendung von Tintenstrahltropfen auf ein Aufzeichnungsmedium, gewöhnlicherweise Papier. Die am häufigsten verwendeten Tintenstrahlverfahren benutzen thermische (Blasen-) und/oder piezo-elektrische Verfahren, die einen Tropfen aus Tinte aus einer Düse erstellen und projizieren.
Die in Tintenstrahldruckverfahren verwendete Tinten sind im Allgemeinen wässrige Lösungen, die eine Reihe von funktionalen Additiven enthalten. Im Allgemeinen enthalten diese Lösungen Azofarbstoffe, die eine Wasserlöslichkeit aufweisen, die insbesondere durch die Angliederung von hydrophilen Seitenketten eingestellt werden kann. Diese Farbstoffe sind im Allgemeinen anionisch.
Diese Verfahren und Tintenformulierungen müssen bei der Herstellung des Aufzeichnungsmediums in Betracht gezogen werden. Tatsächlich bemüht man sich typischerweise beim Entwurf eines Aufzeichnungsmediums für Tintenstrahlverfahren, die folgenden Kriterien anzusprechen.

1. Kontrollierte Tintenabsorption der Tintentropfen, sodass die absorbierte Tinte runde Flecken aus Tinte mit glatten Umfangslinien bildet und dabei hohe Auflösung gewährt.
2. Hohe Absorptionsrate der Tinte, um ein Verschmieren zu verhindern.
3. Geringe Eindringungstiefe der Farbstoffe, um so optisch hoch dichte Abbildungen zu bilden und Durchscheinen oder Durchdringen der Tintenflecke zu verringern.
4. Hohe Affinität zwischen dem Farbstoff und dem Druckmedium, um die Farbbeständigkeit zu verstärken.
5. Farberscheinung und Farbtreue für ein Spektrum von Pigmentfarben.
6. Hohe Weiße, um guten Kontrast zur Tinte zu erzielen.
7. Widerstand gegen Vergilben und Abklingen der Farben.
8. Widerstand gegen wässrige und alkoholische Lösungen.
9. Hohe Tintenabsorptionskapazität, um die Beträge der für die Dichte der Abbildungen nötigen Tinte zu erzielen.
10. Minimale Staubentwicklung aus dem Endprodukt Aufzeichnungsmedium.

Die Struktur und Zusammensetzung des Aufzeichnungsmediums tragen wesentlich zum Erreichen dieser Kriterien bei. Typischerweise können Aufzeichnungsmedien wie Papier, das nur oberflächenversiegelt wurde, diese Anforderungen nicht erfüllen. Als Ergebnis müssen besonders entworfene Tintenstrahldruckpapiere entwickelt werden. Diese Papiere bestehen aus einem Papiersubstrat, auf das eine tintenaufnahmefähige Überschicht auf mindestens eine Oberfläche aufgetragen wird. Diese Beschichtungen können während der Papierherstellung, d. h. "online", aufgetragen werden. Die Beschichtungen können auch nach der Papierherstellung aufgetragen werden. Das Verfahren wird manchmal als "offline" bezeichnet.
Eine Anzahl von Bindern ist verwendet worden, um diese Papiere zu beschichten und es ist erkannt worden, dass sie eine Wirkung auf eine oder mehrere der obigen Eigenschaften haben. Die Binder schließen im Allgemeinen wasserlösliche Filmbildner und/oder Latexpolymere ein. Die WO 97/01447 offenbart die Verwendung von wasserlöslichem Polyvinylalkohol und verschiedenen Typen von Latex, wie Vinylacetatlatex, Vinylacetat-Copolymere und -Homopolymere eingeschlossen. Die Binder können kationisch, anionisch und/oder nichtionisch sein. Polyvinylalkohol ist ein typischer Binder für pigmentierte Beschichtungen. Bestimmte Polyvinylalkohole sind nicht nur gute Filmbildner, die die Pigmentpartikel binden, sondern sie sind auch hydrophil und helfen die Diffusion der Tinten innerhalb der Pigmentbeschichtung zu begrenzen (siehe EP-A-825 031).
Die tintenaufnahmefähige Beschichtung kann auch hochabsorptive Pigmente enthalten, um zu fördern, dass die oben erwähnten Kriterien erfüllt werden. Hochporöse Siliciumdioxidpigmente sind besonders erfolgreich beim Erfüllen dieser Anforderungen. Wenn jedoch poröse Siliciumdioxide mit herkömmlichen Bindern, z. B. Polyvinylalkohol, kombiniert werden, gibt es eine maximale Menge von Siliciumdioxid, die hinzugefügt werden kann, bevor die Formulierung für die meisten praktischen Verwendungen zu viskos wird. Tatsächlich sind typische Binder, wie Polyvinylalkohol, nur bei geringem Feststoffgehalt erhältlich, z. B. 10 Gew.-% Feststoff. Im Ergebnis werden die meisten Siliciumdioxid enthaltende Formulierungen bei einem geringen Feststoffgehalt nach der Dispergierung hergestellt. Solche Formulierungen mit geringem Feststoffgehalt sind nicht die wirksamsten oder wirtschaftlich, um in den gegenwärtigen Papierherstellungsverfahren verwendet zu werden.
Zum Beispiel wird Papier durch die Verarbeitung einer kontinuierlich bewegten Bahn eines Substrats hergestellt. Eine wirksame Auftragung einer Beschichtung auf diese Bahn umfasst als Ergebnis die direkte "online"-Auftragung der Beschichtung während des Herstellungsverfahrens oder Auftragung der Beschichtung offline, nachdem das Papier durch die Auftragung der Beschichtung auf das Papier hergestellt worden ist, während es abgespult wird. Mit beiden Verfahren ist bewiesen worden, dass eine bestimmte Feststoffmenge auf die Bahn oder das Papier aufgetragen werden muss, um eine unversehrte Beschichtung zu schaffen und auch die oben erwähnten Druckeigenschaften zu gewähren. Darüber hinaus bestimmt der Feststoffgehalt und die Viskosität der Beschichtung, wie schnell die Beschichtung wirksam auf die sich bewegende Bahn aufgetragen werden kann und dennoch zu einer angemessenen Beschichtung führt. Im Allgemeinen kann die Beschichtung auf die sich bewegende Bahn je schneller aufgetragen werden, desto höher der Feststoffgehalt und desto geringer die Viskosität ist. Angemessene Maschinengeschwindigkeiten für die online-Verfahren sind 200 Fuß/min oder mehr. Je schneller das gesamte Verfahren betrieben werden kann, desto leistungsfähiger wird das gesamte Herstellungsverfahren. Auf der anderen Seite bedeutet eine Formulierung mit geringem Feststoffgehalt gewöhnlich eine geringere Maschinengeschwindigkeit und, wie oben erwähnt, führten Versuche, mehr Feststoffe zu den herkömmlichen Formulie rungen mit geringerem Feststoffgehalt an Siliciumdioxid hinzuzufügen, zu Formulierungen, die zu viskos sind, um online aufgetragen zu werden.
Bestimmte Beschichtungszusammensetzungen mit geringem Feststoffgehalt neigen auch zum Abreiben und führen nach dem Trocknen der Beschichtung zur Staubentwicklung, und können zu einer Beschichtung führen, die nicht auf dem Substrat bindet. Herkömmliche Formulierungen mit geringem Feststoffgehalt benötigen wegen der anionischen Natur der Tintenstrahlfarbstoffe und/oder Binder für einige Formulierungen typischerweise auch zusätzliche Bestandteile, wie beispielsweise Farbbeizen. Diese Beschichtungen ziehen wegen der Trocknung der Materialien mit geringerem Feststoffgehalt auch erhöhte Kosten nach sich.
Es ist auch schwierig, die Nachteile der Beschichtungen mit geringem Feststoffgehalt zu vermindern oder zu minimieren und gleichzeitig die gewünschten Eigenschaften der Tintenaufnahme beizubehalten oder zu maximieren, insbesondere wenn die Beschichtung auch zusätzliche Bestandteile enthält, z. B. kationische polymere Farbbeizen, wie beispielsweise Polydiallyldimethylammoniumchlorid (siehe US-A-5 494 759 und EP-A-799 136). Diese Additive gewähren Wasserbeständigkeit der Farbstoffe, die auf die Beschichtung aufgetragen werden. Tatsächlich ist im Allgemeinen bestätigt worden, dass es schwierig ist, Beschichtungsformulierungen zu erhalten, die mehr als 20 Gew.-% Feststoffe aufweisen (siehe US-A-5 827 363). Dementsprechend hat es Versuche gegeben, mit jenen Formulierungen verbundenen Probleme zu lösen.
Zum Beispiel offenbart die DE-A-195 34 327 die Herstellung von Beschichtungen, die kationische und/oder nichtionisierende Binder in Kombination mit kationischen Oberflächenladung tragenden Pigmentpartikeln, um den Feststoffgehalt zu erhöhen. Dieses Patent legt nahe, dass Formulierungen mit einem Fest stoffgehalt von bis 70 Gew.-% durch Verwendung dieser Rezepturen erhalten werden können. Die in der DE-A-195 34 327 offenbarten Pigmente enthalten jedoch Calciumcarbonat und Siliciumdioxid (hier: fumed silica). Diese Pigmente haben eine begrenzte Porosität und es ist vorausgesehen worden, dass die gesamte Tintenkapazität für die Beschichtung begrenzt ist, wenn diese Pigmente verwendet werden. Es ist auch vorausgesehen worden, dass mehr Pigment als notwendig benötigt wird, um die abgeleiteten Absorptionseigenschaften der Tinte zu erhalten. Zusätzlich könnten aus bestimmten kationischen Bindern hergestellte Medien, wie jene, die in diesem Patent vorgeschlagen werden, von einigen Verbesserungen hinsichtlich der Druckgüte profitieren.
Die US-A-5 720 806 offenbart Beschichtungszusammensetzungen, die 1 bis 30 Gew.-% Feststoff umfassen. Diesem Patent misslingt jedoch, spezifische Beispiele von Binderformulierungen zu offenbaren, viel weniger offenbaren sie ein Rezept, welches ein hohes Niveau an Feststoffen in der Formulierung erreicht und dennoch eine geringe Viskosität aufweist und geeignete tintenaufnahmefähige Beschichtungen erzielt. Die US-A-5 720 806 betrifft die Verbesserung von Beschichtungsformulierungen durch Hinzugabe von geringen Mengen an Aluminiumoxid zum Siliciumdioxidpigment, d. h. weniger als 1 Gew.-% basierend auf Siliciumdioxid.
Daher gibt es dennoch ein Bedarf an einer Beschichtung, die einen relativ höheren Feststoffgehalt aufweist, z. B. größer als 20%, sodass die Beschichtung nicht nur weniger viskos ist, um die Anforderungen der Herstellung des Mediums in einer wirksamereren Weise zu erfüllen, sondern auch Eigenschaften gewährt, die die Anforderungen an die Druckgüte für Aufzeichnungsmedien im Bereich des Tintenstrahldrucks erfüllen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Gegenstand der Erfindung wendet sich an mehrere der zuvor erwähnten Probleme, die mit tintenaufnahmefähigen Beschichtungen verbunden sind, die poröse Pigmente wie beispielsweise Siliciumdioxid-basierende Pigmente umfassen. Diese Probleme schließen Formulierungen mit geringem Feststoffgehalt, ein Mangel der Anhaftung der getrockneten Beschichtung auf dem Substratpapier (Staubentwicklung der Beschichtung) und geringes Vermögen zum Tintenstrahldruck ein. Diese Probleme werden insbesondere bei Beschichtungsformulierungen bemerkt, die online während der Papierherstellung aufgetragen werden.
Es ist gefunden worden, dass durch Kombination von (a) nichtionischem Latex mit (b) herkömmlichen wasserlöslichen Polymerbindern und (c) kationischen porösen anorganischen Oxiden eine Beschichtungszusammensetzung erhalten werden kann, die ein Feststoffgehalt von mindestens 20 Gew.-% und einer Brookfield-Viskosität von 5.000 cPs oder weniger aufweist. Man kann tatsächlich ein Feststoffgehalt von etwa 25 bis etwa 40 Gew.-% und vorzugsweise 30 bis 40 Gew.-% Feststoff und Brookfield-Viskositäten von weniger als 2.000 cPs unter Benutzung dieser Zusammensetzung erhalten. Es ist auch gezeigt worden, dass die für Tintenstrahldruckpapiere erforderlichen Druckeigenschaften bei Verwendung dieser Formulierungen erreicht werden können. Kationische Farbbeizen können auch verwendet werden, ohne den gewünschten Feststoffgehalt und die gewünschte Viskosität der Beschichtung wesentlich zu beeinflussen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 vergleicht die Viskosität der erfindungsgemäßen Beschichtung in Centipoise (cp) gegen die Viskosität einer nicht zum Bereich der Erfindung gehörenden Beschichtung.
2 verdeutlicht und vergleicht die Farberscheinung, die der Erfindung dem beschichteten Papier im Vergleich zu anderen Beschichtungen verleiht, wobei die Farberscheinung durch Verwendung einer Methodik festgesetzt wird, in der höhere Zahlen eine höhere Farberscheinungsqualität darstellt.
3 verdeutlicht und vergleicht die benötigte Zeit, um ein auf die erfindungsgemäßen Medien gedrucktes Bild zu trocknen, im Vergleich zu der Trocknungszeit für andere beschichtete Medien. Den in dieser Figur wiedergespiegelten Trocknungszeiten wurden Qualitätszahlen gegeben, wobei höhere Zahlen längere Trocknungszeiten wiederspiegeln.
4 veranschaulicht wie das Gewichtsverhältnis von wasserlöslichem Polymer zu nichtionischen Latexbestandteilen, die für die erfindungsgemäße Formulierung verwendet werden, die Farberscheinung der gedruckten Bilder beeinflusst, die auf das erfindungsgemäß beschichtete Papier gedruckt sind.
5 veranschaulicht die Wirkung, die das Gewichtsverhältnis von wasserlöslichem Polymer zu nichtionischem Latex auf die Viskosität der Erfindung hat.
6 veranschaulicht, wie das Gewichtsverhältnis von wasserlöslichem Polymer zu nichtionischen Latexbestandteilen die Neigung der Erfindung zur Staubentwicklung beeinflusst, nachdem sie getrocknet wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nichtionischer Latex
Es ist gefunden worden, dass nichtionisches Latexpolymer hinsichtlich des Erhalts einer Formulierung mit hohem Fest stoffgehalt ein wichtiger Aspekt der Erfindung darstellt, während auch gute Druckeigenschaften und relativ geringe Viskositäten erreicht werden, sodass die Beschichtung für die online-Auftragungen wirksam genutzt werden kann. Die nichtionische Natur dieses Bestandteils macht es mit herkömmlichen Beschichtungsbindern wie beispielsweise Vinylalkohol kompatibel.
Latexpolymere sind dem gewöhnlichen Fachmann gut bekannt. Der Begriff "Latexpolymer" oder "Latex" wird hier im herkömmlichen Sinn verwendet und meint ein wasserunlösliches Polymer, das im Allgemeinen als eine Dispersion von wasserunlöslichen Polymerpartikeln erhältlich ist. Es wird beabsichtigt, daß der Begriff Polymer hier Homopolymere und Copolymere umfasst, statistische, Block-, Pfropf- oder alternierende Polymere von zwei oder mehreren Monomeren eingeschlossen. Das nichtionische Latexpolymer kann auch eine Mischung von zwei oder mehreren Polymeren sein, solange die gesamte Natur des Latex nichtionisch ist.
Der Begriff "nichtionisch" wird hier verwendet, um sich auf Materialien zu beziehen, die im Allgemeinen neutral sind. Nichtionische Polymere können jedoch auch Materialien einschließen, die Zeta-Potentiale aufweisen, die ein wenig in negative oder positive Richtung variieren. In der Praxis sind Materialien selten perfekt neutral. Als nichtionisches Latex erhältliche Latices können tatsächlich Zeta-Potentiale von ±30 mV aufweisen. Das gemessene Zeta-Potential hängt von den Bedingungen ab, unter denen das Zeta-Potential gemessen wird.
Nichtionische Vinylacetatpolymere sind Beispiele für geeignete nichtionische Latexpolymere. Geeignete nichtionische Vinylacetat-Copolymere schließen Ethylen/Vinylacetat-Copolymer-Emulsionen ein. Polyvinylacetathomopolymere werden für diese Erfindung bevorzugt.
Polyvinylacetatpolymere und Verfahren zu deren Herstellung sind dem Fachmann bekannt (siehe US-A-4 912 149, US-A-5 171 777 und US-A-4 818 779). Sie können durch herkömmliche Suspensions-, Lösungs-, Bulk- oder Emulsionspolymerisationstechniken hergestellt werden.
Obwohl Vinylacetathomopolymere oder -polymere, die im Wesentlichen ganz (z. B. 95% oder mehr) aus Vinylacetat sind, in dieser Erfindung bevorzugt sind, können verschiedene Copolymere aus Vinylacetat verwendet werden, wie beispielsweise die oben erwähnten. Im Allgemeinen können Copolymere verwendet werden, vorausgesetzt, dass das Comonomer nicht in Mengen von 50 Gew.-% oder mehr vorhanden ist. Das Comonomer sollte sich auch dadurch auszeichnen, dass der Latex modifiziert ist oder modifiziert werden kann, um nichtionisch zu sein. Zusätzlich zu dem oben erwähnten Ethylen schließen Beispiele von geeigneten Comonomeren Propylen, Buten, Hexen, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Acrylate wie beispielsweise Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, N-Butylacrylat, Methylacrylat, Ethylacrylat, 2-Hexylacrylat, Styrol, Acrylonitril, Cyclohexylmethylacrylat, Maleinsäureanhydrid, Vinylmethylether, Vinylethylether, Acrylsäure und dergleichen ein. Wenn solche Copolymere verwendet werden, ist es bevorzugter, dass das Vinylacetatpolymer mindestens 75 Gew.-% und bevorzugt mindestens 95 Gew.-% Vinylacetateinheiten enthält, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Wie später unten offenbart, bieten Vinylacetat enthaltende Beschichtungen eine hohe Druckgüte.
Ein besonders bevorzugtes Latexpolymer umfasst einen Kern und eine nichtionische Schale. Solche Verbindungen sind im Stand der Technik bekannt (siehe US-A-3 620 899). Die Schale um den Kern kann durch Zugabe eines Schutzkolloids geschaffen sein, das hinzugefügt wird, wenn der Latex hergestellt worden ist. Die Kolloidmengen, die hinzugefügt werden, um Schalen um ein Poymerkern zu schaffen, können variieren, aber im Allge meinen können es zwischen etwa 1 und 20% und vorzugsweise zwischen etwa 2 und 15 Gew.-% liegen, basierend auf die Polymerfeststoffe zum Schutze der Dispersion. Diese Schutzkolloide sind auch käuflich erhältlich und sind oft in der kommerziell vermarkteten Polymerzusammensetzung enthalten. Geeignete Schutzkolloide schließen Carboxymethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Polyvinylalkohol, Agargummi, Gelatine, Gummiarabikum und dergleichen ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Ein bevorzugtes Schutzkolloidmaterial ist Polyvinylalkohol, d. h. im Wesentlichen vollkommen hydrolysiertes Polyvinylacetat und kann in Molekulargewichten verwendet werden, die von niedrig- bis mittel- bis hoch- und hochmolekular klassifiziert werden.
Vinac^TM XX210 von Air Products ist ein Beispiel für solch ein Kern/nichtionische Schale-Latex und hat gezeigt, daß Beschichtungsmischungen mit geringer Viskosität als auch ein gutes Druckeigenschaften aufweisendes beschichtetes Medium bereitgestellt werden kann. Dieses Latexpolymer hat einen Kern aus Poly(vinylacetat) und eine nichtionische Schale aus Poly(vinylalkohol). Ohne an eine besondere Theorie gebunden zu sein wird geglaubt, dass Latexpolymere mit geladenen Schalen und insbesondere jene, die eine negative Oberflächenladung aufweisen, wie beispielsweise bestimmte Styrolbutadien-Latizes, mit kationischen Gruppen auf Polyethylenimin oder Poly(diallyldimethylammoniumchlorid)-Farbbeizen wechselwirken, sodass die Viskosität ungünstigerweise steigt und die Beschichtungsformulierung sogar geliert. Im Gegensatz dazu ist gefunden worden, dass die erfindungsgemäßen nichtionischen Latizes mit anderen Bestandteilen in der Formulierung kompatibel sind. Kompatibilität in dieser Beziehung heißt, dass das System nicht gelieren oder überproportional hohe Viskositäten aufweisen wird. Es wird auch geglaubt, dass ein Poly(vinylacetat) umfassender Kern eine bessere Bildqualität er gibt, als Latizes mit verschiedenen Kernzusammensetzungen (wie beispielsweise Styrolbutadienpolymere).
Bevorzugte Latexpolymere sind auch typischerweise in Emulsionen mit hohem Feststoffgehalt erhältlich. Im Allgemeinen sind sie mit einem Feststoffgehalt von 40 Gew.-% oder mehr erhältlich und tragen daher zum Anstieg des Gesamtfeststoffgehalts des Rezepts bei. Bevorzugte Ausführungsformen haben Feststoffgehalte von 50 Gew.-% oder mehr.
Wasserlösliches Polymer
Das wasserlösliche Polymer sollte eines sein, das mit dem nichtionischen Latexpolymer kompatibel ist, weil es als Co-Binder mit dem nichtionischen Polymerlatex verwendet wird. Das wasserlösliche Polymer wird hinzugefügt, um die mechanische Festigkeit der Endbeschichtung zu erhöhen, als auch die Verarbeitbarkeit der Beschichtung, wie sie auf einem Aufzeichnungsmediumssubstrat wie beispielsweise Papier aufgetragen wird, zu gewährleisten. Das wasserlösliche Polymer sollte im Allgemeinen ein guter Filmbildner sein.
Ein "wasserlösliches Polymer" kann wie in der EP-A-818 321 definiert werden. Zum Beispiel kann es sich auf ein Polymer beziehen, das sich vollständig in Wasser löst, wie mit Hilfe des durch Lichtstreuung gemessenen hydrodynamischen Partikeldurchmesser in Wasser charakterisiert. Für die erfindungsgemäßen Zwecke zeigt ein Polymer mit einem hydrodynamischen Partikeldurchmesser nach Lichtstreuung in Wasser von nicht mehr als 0,05 μm die Auflösung auf molekularer Ebene an. Ein Polymer mit einem hydrodynamischen Partikeldurchmesser nach Lichtstreuung in Wasser von nicht mehr als 0, 5 μm bezieht sich hier auf ein wasserlösliches Polymer.
Auf der anderen Seite betrifft ein wasserunlösliches Polymer besonders die Polymere, die in Wasser eine Dispersion bilden, die durch den hydrodynamischen Partikeldurchmesser in Wasser von größer als 0,05 μm charakterisiert sind, wie durch Lichtstreuung bestimmt. Dies schließt eine Dispersion von Aggregaten ein, die mehr als ein Molekül enthalten, wodurch Solubilisation durch Tenside erforderlich wird (siehe EP-A-818 321).
Im Allgemeinen sind die erfindungsgemäßen wasserlöslichen Polymere auch hydrophil. Der Begriff "hydrophil" wird, wie hier verwendet, verwendet, um ein Material zu beschreiben, das im Allgemeinen gegenüber Wasser aufnahmefähig ist, entweder in dem Sinn, dass seine Oberfläche mit Wasser benetzbar ist oder in dem Sinn, dass die Materialmasse wesentliche Mengen von Wasser zu absorbieren im Stande ist. Spezieller wird gesagt, dass Materialien, die eine mit Wasser benetzbare Oberfläche zeigen, hydrophile Oberflächen aufweisen, während Materialien, dessen Oberflächen mit Wasser nicht benetzbar sind, hydrophobe Oberflächen aufweisen (siehe EP-A-650 850).
Geeignete wasserlösliche und hydrophile Polymere schließen jene in der GB-A-2 213 078 offenbarte ein und können ausgewählt sein, aus einer Gruppe bestehend aus z. B. Polyvinylalkohol, Hydroxyethylcellulose, Methylcellulose, Dextrin, Pluran, Gelatine, Stärke, Gummiarabikum, Dextran, Polyethylenglykol, Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylamid, Polypropylenglykol und deren Mischungen.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das wasserlösliche Polymer Polyvinylalkohol. Vollkommen hydrolysierte oder teilweise hydrolysierte Polyvinylalkohole sind geeignet.
Das wasserlösliche Polymer und die Latexbestandteile des Systems sollten ausgewählt sein, um den Feststoffgehalt der Formulierung zu maximieren. Zum Beispiel können wasserlösliche Polymere, wie beispielsweise Polyvinylalkohol (PVOH)-Binder, nur bei relativ geringem Feststoffgehalt, z. B. 15 Gew.-%, aufgelöst werden. Latexemulsionen werden im Gegensatz typischerweise bei viel höheren Konzentrationen zugefügt, z. B. 50 bis 55%. Um somit aus dem hohen Feststoffgehalt in der Beschichtungslösung Nutzen zu ziehen, ist es wünschenswert, soviel Binderlösung wie möglich mit hohem Feststoffgehalt (Latex) zu nutzen, während der Gehalt von Binderlösung mit niedrigem Feststoffgehalt (PVOH) minimiert wird. Daher sind im Allgemeinen Mischungen, die reich an Latex sind, am wünschenswertesten vom Standpunkt der Bereitstellung einer Formulierung mit hohem Feststoffgehalt, andere Faktoren gleichbleibend. Um diesen Aspekt zu veranschaulichen, ergibt das oben angegebene Beispiel (200 g PVOH mit 15% Feststoffgehalt, gemischt mit 127,3 g Latex mit 55% Feststoffgehalt) ein Latex/PVOH-Verhältnis von 70/30 auf Basis der Feststoffe, und ein Gesamtfeststoffgehalt der Formulierung von 37%, wenn mit Siliciumdioxid und Wasser gemischt. Wenn das Verhältnis dieser Bestandteile im Gegensatz dazu auf 30/70 geändert wird, wird die Gesamtfeststoffgehalt der Formulierung 27%, alle anderen Faktoren konstant bleibend.
Die einzelnen wasserlöslichen Polymere und der Latex sollten auch ausgewählt sein, um die Viskosität zu minimieren. Es ist erstens hinsichtlich der PVOH-Polymere bekannt, dass die Viskosität von PVOH-Lösungen in Bezug auf das Molekulargewicht des PVOH steigt. Eine 4-gew.-$ige Lösung von Airvol 107 (vollkommen hydrolysiert, PVOH geringen Molekulargewichts von Air Products) ergibt somit z. B. eine Lösungsviskosität von 5,5 bis 6,6 cPs, während eine 4%ige Lösung aus Airvol 325 (vollkommen hydrolysiert, PVOH hohen Molekulargewichts von Air Products) eine Lösungsviskosität von 28,0 bis 32,0 ergibt. Vom Stand punkt der Minimierung der Viskosität der Formulierung ist es somit bevorzugt, in der Formulierung PVOH mit einem relativ geringen Molekulargewicht zu verwenden und es ist bevorzugt, ein Polyvinylalkohol zu verwenden, der in einer 4%igen Lösung eine Viskosität von weniger als 32 cP aufweist.
Kationisches poröses anorganisches Oxid
Die für die erfindungsgemäße Formulierung verwendeten porösen anorganischen Oxide sind jene anorganischen Oxide, die für ihre hochporöse Natur bekannt sind und sind wie jene definiert, die Porenvolumen von 0,6 cm³/g oder mehr aufweisen. Im Allgemeinen sind poräse anorganische Oxide geeignet, die ein Volumen im Bereich von 0,6 bis 3,0 cm³/g aufweisen. Besonders bevorzugt sind jene anorganischen Oxide, die Porenvolumen im Bereich von 0,9 bis etwa 2,5 cm³/g aufweisen und am meisten bevorzugt sind jene, die Porenvolumen im Bereich von 0,9 bis 2,0 cm³/g aufweisen. Geeignete anorganische Oxide weisen Oberflächen im Bereich von 100 bis 600 m²/g und vorzugsweise von 200 bis 500 m²/g auf.
Damit das poröse anorganische Oxid als ein Pigment für eine tintenaufnahmefähige Beschichtung verwendet werden kann, sollte das anorganische Oxid im Allgemeinen eine durchschnittliche Partikelgröße von 20 μm oder weniger aufweisen. Im Allgemeinen sollte die durchschnittliche Partikelgröße im Bereich von 1 bis 20 μm, vorzugsweise von etwa 3 bis etwa 12 μm, liegen, mit am meisten bevorzugten Größen im Bereich von 5 bis 8 μm.
Siliciumdioxidgele sind besonders bevorzugte poröse anorganische Oxide und Siliciumdioxid-Hydrogele sind insbesondere bevorzugt. Der Begriff "Hydrogel" bezieht sich hier auf ein Material, das gegelt wurde und das wesentliche Mengen von flüchtigen Bestandteilen aufweist, die in dem porösen Netzwerk des Gels enthalten sind. Hydrogele werden typischerweise 40 Gew.-% oder mehr flüchtige Bestandteile enthalten. Hydrogele und Verfahren zu deren Herstellung sind bekannt. Ein Beispiel eines geeigneten Hydrogels ist in der US-A-5 110 769 offenbart, dessen Inhalte hier durch Anhang eingefügt sind. Gefälltes Siliciumdioxid (insbesondere hochstrukturiertes, verstärktes gefälltes Siliciumdioxid), Aerogele, Xerogele, Co-Gele und andere anorganische Oxide wie Aluminiumoxid, Siliciumdioxid/Aluminiumoxid und Titandioxid können auch verwendet werden.
Das Porenvolumen der porösen anorganischen Oxide wird im Allgemeinen unter Verwendung der Stickstoffporosimetrie gemessen. Es ist jedoch bekannt, dass das Porenvolumen von anorganischen Oxiden, die Porendurchmesser über 60 nm aufweisen, gewöhnlich unter Verwendung von Quecksilberporosimetrie gemessen wird. Bei Hydrogelen verwendet der Fachmann typischerweise die Gesamtmenge flüchtiger Bestandteile, um das Porenvolumen zu messen. Zum Beispiel kann die Pore eines Hydrogels durch Messung der flüchtigen Bestandteile (TV) des Hydrogels nach Erwärmung auf hohe Temperatur (wie beispielsweise 1750°F) bestimmt werden. Das Porenvolumen (PV) kann mit der folgenden Gleichung für eine 100 g-Probe berechnet werden:
Das poröse anorganische Oxid besitzt im Gesamten auch einen kationischen Charakter. Das anorganische Oxid kann selbst kationisch sein oder das anorganische Oxid kann modifiziert werden oder behandelt werden, um kationisch zu werden. Der Begriff "behandelt" enthält Verfahren, in denen während der Herstellung des anorganischen Oxids ein Mittel hinzugefügt wird, sodass das anorganische Oxid-Endprodukt kationisch ist. Geeignete Behandlungsverfahren schließen auch jene ein, in denen ein zuvor behandeltes anorganisches Oxid beschichtet wird oder mit einem Mittel reagiert, um die Oberfläche des anorganischen Oxids kationisch werden zu lassen. Zusätzlich schließen geeignete Behandlung das Hinzufügen eines Mittels zur Formulierung ein, das ein anorganisches Oxid enthält oder enthalten wird, und von dessen Formulierung das anorganische Oxid Siliciumdioxid kationisch wird. Bevorzugte eine kationische Ladung aufweisende poröse anorganische Oxide sind Siliciumdioxidbasierende Pigmente, die mit einem Mittel behandelt wurden, um sie kationisch werden zu lassen. Siliciumdioxid ist im Allgemeinen anionisch.
Ein besonders bevorzugtes kationisches poröses Oxid wird durch Behandlung von Siliciumdioxid, insbesondere einem Siliciumdioxid-Hydrogel, mit Aluminiumoxid hergestellt. Eine bevorzugte Art der Behandlung umfasst Mischen von Siliciumdioxid mit einer löslichen Aluminiumoxidquelle, wie beispielsweise Aluminiumchlorhydrol, d. h. [Al₂(OH)₅]Cl, in einer wässrigen Suspension. Das Aluminiumoxidreagenz adsorbiert stark auf der Siliciumdioxidoberfläche. Diese Techniken sind bekannt. Die US-A-3 007 878, dessen Inhalte durch Anhang eingefügt werden, offenbaren geeignete in dieser Erfindung angewendete Techniken zur Herstellung kationischer Materialien der Natur.
Es ist besonders bevorzugt, kationische anorganische Oxide zu nutzen, um so die Adhäsion zwischen dem anorganischen Oxid und dem Binder zu erhöhen. Erhöhte Adhäsion zwischen dem anorganischen Oxid und dem Binder dient der Minimierung oder der vollkommenen Eliminierung von Problemen der Staubentwicklung. Hinsichtlich der Modifizierung des Siliciumdioxids mit Aluminiumoxid, um das Siliciumdioxid kationisch werden zu lassen, ist das Aluminiumoxid im Vergleich zum Siliciumdioxid ein basischeres Oxid und es wird geglaubt, dass die Aluminiumoxidmo difikation der Siliciumdioxidoberfläche die Wechselwirkung des Siliciumdioxids mit den mildsauren Alkoholgruppen des Polyvinylalkohols durch Erhöhung der Stärke der Säure-Base-Wechselwirkungen zwischen dem anorganischen Oxid und dem Binder verstärkt.
Andere Mittel, die verwendet werden können, um das anorganische Oxid kationisch werden zu lassen, schließen kationische organische Farbbeizen ein, wie unten beschrieben. Falls organische Mittel hinzugefügt werden, um das anorganische Oxid kationisch werden zu lassen, wird das gesamte behandelte Material hier immer noch als anorganisch bezeichnet.
Formulierung
Die Formulierung der obigen Bestandteilen wird vorzugsweise als wässrige Dispersion hergestellt. Der nichtionische Polymerlatex und das wasserlösliche Polymer werden im Allgemeinen in einem Gewichtsverhältnis von 0,2 bis 5,0 hinzugefügt, bevorzugt werden an Latex reiche Verhältnisse von etwa 1,0 bis etwa 5,0. Diese beiden Bestandteile sind Co-Binder und bilden die Gesamtmenge oder mindestens eine Teilmenge des Binders der Zusammensetzung. Geringe Mengen von zusätzlichen Bindern können hinzuaddiert werden, wodurch die bereitgestellte Stabilität der gesamten Beschichtung nicht wesentlich verringert wird und das oben genannte Verhältnis beibehalten wird.
Das poröse anorganische Oxid wird im Allgemeinen in Mengen hinzugefügt, die für die Gewährleistung der für das Tintenstrahlaufzeichnungsmedium gewünschten Druckeigenschaften geeignet sind. Im Allgemeinen kann das poröse anorganische Oxid von 20 bis 80 Gew.-% (Basis sind die Feststoffe) der Zusammensetzung ausmachen, aber sie sollte vorzugsweise mindestens 40 oder 50% oder mehr der Zusammensetzung auf Basis der Feststoffe umfassen. Es ist insbesondere bevorzugt, dass das Ge wichtsverhältnis der Feststoffe von porösem anorganischen Oxid zur Gesamtmasse der Feststoffe der Binder etwa 1 und in bestimmten Rezepten so hoch wie 3,0 ist.
In Ausführungsformen, in denen das poröse anorganische Oxid ein kationisch modifiziertes Siliciumdioxid ist, kann das Modifizierungsmittel zum Siliciumdioxid hinzugefügt werden, bevor es mit den polymeren Bindern formuliert wird. Im Allgemeinen und insbesondere wenn Aluminiumoxid für die Modifizierung der Siliciumdioxidoberfläche verwendet wird, wird das Mittel in Mengen hinzugefügt, um die Oberfläche der Siliciumdioxidpartikel ausreichend zu bedecken. Im Allgemeinen beträgt die Menge des kationischen Mittels relativ zur Menge des anorganischen Oxids, z. B. Siliciumdioxid, mindestens 2 Gew.-% auf Basis der Feststoffe und in bevorzugten Ausführungsformen etwa 6 bis 20 Gew.-%.
In anderen Ausführungsformen kann das Mittel gleichzeitig mit der Zugabe des anorganischen Oxids zu einem oder mehreren anderen Bestandteilen in die Zusammensetzung hinzugefügt werden. In diesem Fall werden sie hinzugefügt, um zu den oben angegebenen Mengen zu führen.
Die Zusammensetzungen können auch zusätzliche Bestandteile umfassen, insbesondere jene gezeigten, um die Druckeigenschaften von Tintenstrahlaufzeichnungsmedien zu verstärken. Diese schließen Farbbeizen ein, die die Wasserbeständigkeit der Farben gewähren sobald sie auf die tintenaufnahmefähigen Beschichtungen der Medien aufgetragen sind. Diese Beizen schließen kationische Polymere wie beispielsweise kationisches Polyacrylamid, kationische Polystyrol-Copolymere, Polydimethyldiallylammoniumchlorid, Polyaminpolyamidepichlorhydrin (Polyamidpolyaminepichlorhydrin), Polyethylenimin, Polyaminsulfon und dergleichen ein. Diese Polymere können alleine oder als Teil von einer Mischung aus zwei oder mehreren Polymeren verwendet werden.
Andere fakultative Bestandteile schließen optische Aufheller wie beispielsweise Stilben-2,2'-disulfonische Materialien, die von Ciba Specialty Chemical als Tinopal^TM SEP erhältlich sind, und wie beispielsweise wässrige Dispersionen von Stilbentriazin, die als Tinopal^TM HST (22 bis 26% Feststoff) und als Tinopal^TM SCP (13 bis 14% Feststoff) auch von Ciba erhältlich sind. Die zusätzlichen Bestandteile können den Bereich von 1 bis etwa 10 Gew.-% der gesamten Formulierung umfassen, mit spezifischen Mengen, die von den gewünschten Druckeigenschaften und dem für die Auftragung der Beschichtung benötigten Feststoffgehalt abhängen. Andere Zusätze schließen Bindervernetzer, Füllstoffe, Dispergiermittel, Schmierstoffe, Schutzmittel und dergleichen ein.
Alle verschiedenen Bestandteile können unter Verwendung bekannter Formulierungstechniken zur Formulierung hinzugefügt werden. Wenn ein anionisches anorganisches Oxid verwendet wird, wie z. B. Siliciumdioxid, das behandelt werden mußte, um kationisch zu werden, ist es bevorzugt, eine spezifische Reihenfolge der Zugabe zu verwenden, um den Gehalt an zu erhöhen, ohne umgekehrt die Viskosität zu beeinflussen. Diese Technik beinhaltet die Modifizierung des anorganischen Oxids, um zuerst kationisch zu sein. Dies verhindert ein Anstieg der Viskosität, der auftreten kann, wenn ein anionisches anorganisches Oxid direkt mit den kationischen Bestandteilen des Rezepts gemischt wird. Wenn kationische anorganische Oxide verwendet werden, die von sich aus kationisch sind, sind mehrere Möglichkeiten für die Reihenfolge der Zugabe vorhanden.
Ist die Zusammensetzung formuliert, kann sie auf herkömmliche für Tintenstrahlaufzeichnungsmedien geeignete Substrate aufgetragen werden. Diese Substrate haben im Allgemeinen eine Dicke von 10 bis 200 μm und ein Gewicht von 20 bis 200 g/m². Das Substrat kann lichtundurchlässig, lichtdurchlässig oder durchsichtig sein. Insbesondere schließen diese Substrate Papierbögen aus natürlichem Zellstoff und Plastikbögen ein. Letztere schließen Polypropylen, Polyethylen oder Polyester umfassende Bögen ein. Die Substrate können auch oberflächenmodifiziert sein, bevor sie erfindungsgemäß aufgetragen werden. Eine aus zwei oder mehreren der oben erwähnten Bögen bestehende Zusammensetzung ist auch geeignet.
Der erfindungsgemäße Tintenstrahlaufzeichnungsbogen wird durch Beschichtung mindestens einer Oberfläche des Substratbogens mit einer erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung und durch Trocknung der sich ergebenden Lage erhalten, um eine Beschichtungslage auf der Oberfläche des Substratbogens zu bilden. Im Allgemeinen wird eine Beschichtungszusammensetzung mit Raten von etwa 2 bis 20 g/m² und vorzugsweise etwa 5 bis etwa 10 g/m² aufgetragen. Die Erfindung zeigt annehmbare schwarze optische Dichte, Gratbildung, Farbskala, Wasserbeständigkeit und Trocknungszeit in einem Bereich der Beschichtungsgewichte. Die Erfindung kann diese Eigenschaften jedoch auch bei Beschichtungsgewichten im Bereich von 3 bis 7 g/m² bereitstellen. Dies ist ein Vorteil, wenn solch geringe Beschichtungsgewichte erforderlich sind, z. B. als Folge von höheren Papiermaschinengeschwindigkeiten.
Die Beschichtung kann online oder offline aufgetragen werden und kann unter Verwendung herkömmlicher Beschichtungsverfahren aufgetragen werden, wie beispielsweise Luftpinselbeschichtung, Walzenstreichen, Rakelstreichen, Rollrakelstreichen (engl.: mayer bar coating), Florstreichen, Schmelzbeschichtung (engl.: die coating) und Leimpressen (engl.: metered size presses) nutzende Verfahren.
Das Trocknungsverfahren kann bei Raumtemperatur oder durch ein Heißlufttrocknungsverfahren, Oberflächenkontakttrocknung oder Hitzestrahlungstrocknung durchgeführt werden.
Bevorzugte Volumenanteile
Ohne an eine besondere Theorie gebunden zu sein wird geglaubt, dass die erfindungsgemäße Zusammensetzung ferner unter Verwendung von Bezugnahmen, die für Dispersionen von porösen Feststoffen zu bestehen geglaubt wird, definiert werden kann. Zum Beispiel ist bekannt, dass die Viskosität von Feststoffen, die in flüssigen Medien dispergiert sind, in erster Linie durch den eingenommenen Volumenanteil des Feststoffs in der Flüssigkeit bestimmt ist. Zum Beispiel ist die Wirkung der Beladung von porösen Partikeln auf die Viskosität einer Dispersion solcher Partikel in einer newtonschen Flüssigkeit durch I. M. Krieger in Rdv. Coll. Interface Sci., 1972, 3, 111 durch die Formel (1) beschrieben.
worin
die Viskosität der Dispersion ist,
η₀ die Viskosität der Flüssigkeit ist, in der die Partikel dispergiert sind,
der Volumenanteil der Suspension ist, der durch die Partikel eingenommen wird,
a die "intrinsische Viskosität" ist (ist für sphärische Partikel oder ungeladene Partikel mit sehr geringem Längenbreitenverhältnis gleich 2,5),
b ist der Volumenanteil bei dem die Viskosität unendlich wird, und der Wert von b liegt in Abhängigkeit der Scherrate für nicht-wechselwirkende Partikel zwischen 0,57 und 0,68.
Wenn Gleichung (1) auf die Bestandteile der Beschichtungsformulierung angewendet wird, erstellt sie die Obergrenze für den Feststoffgehalt der Beschichtungsflüssigkeit, wenn interpartikuläre Wechselwirkungen minimal sind und vernachlässigt werden können. Wo mehrere Bestandteile vorliegen, kann man Φ_total, den durch die Bestandteile eingenommenen Volumenanteil, berechnen.
In dieser Erfindung wird das oben beschriebene Φ_total als Summe von Φ_i für die individuellen Formulierungsbestandteile abgeschätzt, wobei die Dichten der reinen Feststoffverbindungen bei Raumtemperatur für die Berechnung für jedes Φ_i verwendet wird. Für die erfindungsgemäßen Formulierungen wurde gefunden, dass für Viskositäten kleiner als etwa 2000 cP Φ_total für die Formulierung zwischen etwa 0, 25 und 0, 50 liegen sollte. Es wurde experimentell gefunden, dass Formulierungen mit Φ_total größer 0,50 eine zu hohe Viskosität aufweisen, während jene mit Φ_total kleiner 0,25 einen gesamten Feststoffgehalt aufweisen, die praktisch zu gering sind. Es wurde 2000 cP ausgewählt, weil die meisten Beschichtungsverfahren Viskositäten benötigen, die gering sind, damit sie wirksam als online-Beschichtung aufgetragen zu werden. Auf der anderen Seite können bestimmte Beschichtungsmaschine, wie beispielsweise die Rakelstreichmaschine, Beschichtungszusammensetzungen anwenden, die Viskositäten größer als 5000 cP aufweisen.
Man kann dementsprechend Kombinationen von anorganischem Oxid und Binderzusammensetzungen auswählen, sodass Φ_total in den oben genannten Bereich fällt. Zum Beispiel hat eine Formulierung, die durch Mischung von 108,8 g Siliciumdioxid (92% SiO₂, 1,1 cm³/g Porenvolumen), 200 g Polyvinylalkohol (15% Feststoff), 127,3 g Latex (55% Feststoff) und 110 g Wasser hergestellt wurde, ein Φ_total = 0,50 und ein Gesamtfeststoffgehalt von 37%. Wenn im Gegensatz dasselbe Gewicht eines Siliciumdi oxids mit höherer Porosität (z. B. 2,1 cm³/g Porenvolumen) in derselben Formulierung gegen Siliciumdioxid mit 1,1 cm³/g ausgetauscht wird, ist Φ_total = 0,71. Während der Gesamtfeststoffgehalt der Formulierung dennoch 37% beträgt. Der hohe Wert für Φ_total Zeigt an, dass diese Formulierung eine höhere Viskosität aufweist und daher für online-Auftragungen unannehmbar ist.
Die Prinzipien, bevorzugten Ausführungsformen und Betriebsarten der vorliegenden Erfindung sind in der vorangegangenen Beschreibung dargelegt worden. Die Erfindung, die hierin zu schützen beabsichtigt ist, darf jedoch nicht als auf die einzelnen offenbarten Ausführungsformen beschränkt interpretiert werden, da diese eher erläuternd und nicht einschränkend betrachtet werden müssen.
In jeden Bereich von Zahlen, der in der Beschreibung oder den Ansprüchen vorgetragen ist, wie beispielsweise der, der eine besondere Menge von Eigenschaften, Bedingungen, physikalischen Zuständen oder Prozentsätzen darstellt, wird ferner beabsichtigt, jede Zahl, die in einen solchen Bereich fällt, wirklich ausdrücklich aufzunehmen, jede Teilmenge von Zahlen jedes so vorgetragenen Bereichs eingeschlossen.
Erläuternde Beispiele
Beispiel 1
Eine Siliciumdioxid (aus Syloid^TM W300), Al₂O₃, Polyvinylalkohol (PVOH) und nichtionischen Latex umfassende Beschichtung wurde hergestellt, um die Erfindung zu veranschaulichen.
Die folgenden Materialanteile wurden gemischt, um eine Beschichtungsformulierung zu bilden: 222 g Syloid W300 Silicium dioxid; 35 g Aluminiumoxidsol (23% Al₂O₃); 200 g PVOH (15% Feststoff) (Airvol 107 von Air Products); 127 g Latex (55% Feststoff) (Vinac^TM XX210 von Air Products); 12,5 g CP261LV (40% Feststoff) Farbbeize von Calgon und 200 g Wasser. Der Gesamtfeststoffanteil dieser Formulierung betrug 27% und der eingenommene Volumenanteil betrug 0,34.
Die Beschichtungszusammensetzung wies Viskosität von 64 cP auf, wenn sie auf einem Brookfield Modell 5xLVDVII+ mit einer Spindel Nr. 3 und in einem 150 ml Becher gemessen wurde. Die Beschichtung wurde unter Verwendung einer K Control Beschichtungsmaschine und einer Nr. 6 Stange auf einem herkömmlichen Papiersubstrat aufgetragen. Die beschichteten Bögen wurden mit einer Heizpistole getrocknet bis der Glanz des flüssigen Beschichtungsfilmes verschwand und wurde dann für weitere 5 Minuten bei 90°C im Ofen getrocknet. Die Bögen wurden unter Verwendung eines Hewlett-Packard 870 Cxi-Druckers mit einem Testmuster bedruckt. Die optische Dichte eines tiefschwarz gefüllten Bereiches wurde mit einem Spektrodensitometer gemessen und CIE L*a*b-Messungen der Farben türkis, magenta, gelb, blau, grün und rot auf den dicht gefüllten Bereichen wurden erhalten. Delta E-Werte wurden mit Bezug auf einen kommerziell beschichteten Tintenstrahlbogen (Hewlett-Packard Premium), der in derselben Weise abgebildet und gemessen wurde, für jede Farbe berechnet, und die Gesamt-Delta E-Werte wurden durch Summierung der einzelnen Delta E-Werte berechnet.
Die Neigung der Beschichtung zur Staubentwicklung wurde unter Verwendung eines Fingerreibtestes qualitativ gemessen, und die Bögen wurden von 1 bis 4 (1 = extreme Staubentwicklung; 4 = keine wahrnehmbare Staubentwicklung) eingestuft. Die Trocknungszeit der Bögen wurde auch durch Beobachtung der Menge an schwarzer Tinte, die auf eine unbedruckte Fläche übertragen wurde, qualitativ gemessen. Den beobachteten Trocknungszeiten wurden auch Nummern von 1 bis 4 (1 = umfang reiche Tintenübertragung; 4 = keine Tintenübertragung) gegeben. Ergebnisse

Optische Schwarzdichte: 1,53

Gesamt-Delta E: 27,2

Staubentwicklung: 4

Trocknungszeit: 4

Brookfield Viskosität: 64 cP
Beispiel 2
Zum Vergleich des obigen Beispiels 1 wurde die Formulierung mit den folgenden Abwandlungen wiederholt. Syloid 221 wurde als Siliciumdioxidmaterial verwendet und Basoplast 265D, ein Latex aus einer kationischen Schale-Styrol/Acrylat-Zusammensetzung von BASF, wurde als Latex verwendet. Der Gesamtfeststoffanteil dieser Formulierung betrug 22%, während der eingenommene Volumenanteil 0,36 betrug. Ergebnisse

Optische Schwarzdichte: 1,62

Gesamt-Delta E: 90,0

Staubentwicklung: 4

Trocknungszeit: 3

Brookfield Viskosität: 90 cP
Obwohl die optische Schwarzdichte, die Viskosität und die Trockenzeit annehmbar sind, sind die Farberscheinung (großes Gesamt-Delta E in Bezug zum kommerziellen Bogen) und die geringe Trocknungszeit unannehmbar. Das Basoplast 265D ist gemäß der vorliegenden Erfindung kein Poly(vinylacetat)latex.
Beispiel 3
Als ein weiterer Vergleich zu Beispiel 1 wurde die Formulierung von Beispiel 1 mit den folgenden Änderungen wiederholt. Der verwendete Latex war ein Dow 654 Latex aus einem anionische Schale-Styrol/Butadien-Copolymer von Dow Chemical und das Siliciumdioxid war ein 5 μ, 1,8 cm³/g Siliciumdioxid. Der Gesamtfeststoffanteil der Formulierung betrug 21% und der eingenommene Volumenanteil betrug 0,37. Die Beschichtungsformulierung gelierte beim Mischen aller Bestandteile, sodass es nicht möglich war, das Substrat zu beschichten.
Beispiel 4
Dieses Beispiel zeigt die Vorteile einer Abwandlung der anorganischen oxidischen Oberfläche, um ein kationisches Partikel zu schaffen.
Herstellungsvorschrift des mit Aluminiumoxid modifizierten Siliciumdioxids: Eine Siliciumdioxid/Aluminiumoxid/Wasser-Dispersion wurde durch Mischen von 111,1 g Syloid^TM W300 Siliciumdioxid (Grace Davison), 112,5 g deionisiertem Wasser und 17,4 g Aluminiumchlorhydrol (23% Al₂O₃) hergestellt. 100 g einer Polyvinylalkohollösung mit 15% Feststoff wurde separat unter Verwendung von Airvol 107 (Air Products) hergestellt. Zu dieser Lösung wurden 63,6 g einer Latexsuspension mit 55% Feststoff, VinacXX-210 Vinylacetat (Air Products) und 6,2 g einer 40-%igen Lösung von CP261LV Polydiallyldimethylammoniumchlorid [Poly(dadmac)] (Calgon) hinzugefügt. Die Endformulierung wies einen 27-gew.-%igen Gesamtfeststoffgehalt auf (wie unten beschrieben berechnet), mit einem Verhältnis der Bestandteile SiO₂ : Al₂O₃ : PVOH : Latex : Poly(dadmac) von 100 : 8 : 30 : 70 : 5.
Der Feststoffgehalt in der Formulierung wird durch die Summe der wasserfreien Massen eines jeden Bestandteiles dividiert durch die Gesamtmasse der Flüssigkeit berechnet. Die wasserfreie Masse eines jeden Bestandteiles wird abgeleitet aus den folgenden Werten für die Prozente Feststoffanteil: 15% für das PVOH, 48% für das W300 Siliciumdioxid, 55% für das Vinac XX-210; und 40% für das Poly(dadmac). Der gemessene Feststoffgehalt kann in Abhängigkeit der Temperatur, die zur Trocknung der Mischung verwendet wird, etwas höher sein, als der berechnete Feststoffgehalt.
Herstellungsvorschrift ohne ein mit Aluminiumoxid modifiziertes Siliciumdioxid: Ein Rezept wurde wie in (i) angegeben hergestellt, außer dass keine Aluminiumoxidlösung hinzugefügt wird. Die Endformulierung wies 27% Feststoffanteil auf.
Beurteilungen: Die niedrige Scherviskosität dieser Formulierungen wurde unter Verwendung eines Brookfield Modells LVDVII+ bei 60 UpM und einer Nr. 3 Spindel gemessen. Die hohe Scherviskosität wurde unter Verwendung eines Hercules^®DV-10 Rheometers bei 1100 UpM unter Verwendung eines "E"-Viskosimeterdruckelements gemessen. Drei Bögen, jeweils aus einem Papiersubstrat, wurde unter Verwendung eines Nr. 6 Stabes beschichtet, um eine Beschichtungsmasse von etwa 16 bis 18 g/m² zu ergeben. Die Bögen wurden mit einem Hewlett-Packard 870Cxi-Drucker bedruckt und CIE L*a*b-Farbmessungen und die optische Schwarzdichte wurden mit einem X-rite 938 Spektrophotometer gemessen. Der Durchschnitt der Werte für drei Bögen wird berichtet.
Ergebnisse für die Auswertung sind in Tabelle 1 unten gegeben.
Tabelle 1 Wirkung der Aluminiumoxid-Modifikation
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass das Hinzufügen von Aluminiumoxid eine höhere optische Dichte für die schwarzpigmentierten Tinten erzeugt. Die Ergebnisse zeigen auch, dass eine geringere Lösungsviskosität bei gleichem Feststoffgehalt erhalten wird.
Beispiel 5
Dieses Beispiel zeigt die Vorteile eines nichtionischen Latex (Vinac XX-210) im Vergleich zu einem Latex mit einer anionischen Schale (Dow 654NA). Die Latexeigenschaften sind in der unten angegebenen Tabelle 2 für die Latizes gegeben. Tg ist die Glasübergangstemperatur des Latex.
Tabelle 2 Eigenschaften der Latizes
Die in Beispiel 4(i) beschriebene Formulierung wurde wiederholt, außer dass der Dow 654NA Latex gegen das Vinac XX-210 ausgetauscht wurde. Beim Mischen der Bestandteile bildete die Formulierung mit dem anionischen Latex eine Paste, die zu viskos war, um online auf Papier aufgetragen zu werden (Viskosität >> 1000 cP).
Tabelle 2 enthält auch Eigenschaften von Basoplast 265D der BASF Gesellschaft, das in den unten beschriebenen Experimenten getestet wurde.
Beispiel 6
Dieses Beispiel veranschaulicht, dass der Gehalt der Formulierung von etwa 20 Gew.-% auf über 30 Gew.-% auf Feststoffbasis gesteigert werden kann und die Beschichtung dennoch annehmbare Viskositäten besitzt.
Eine Formulierung wurde gemäß Beispiel 4(i) mit den folgenden Modifikationen hergestellt. Erstens wurde die Aluminiumoxidlösung erst zu dem Wasser hinzugefügt, gefolgt von der Zugabe des Siliciumdioxids. Diese Mischungsreihenfolge beschleunigt die Herstellung der Siliciumdioxiddispersion. Zweitens wird die Menge des hinzugefügten Wassers eingestellt, um einen gemessenen Gesamtfeststoffendgehalt von 34,3% zu ergeben.
Die Viskosität dieser Mischung wurde unter Verwendung eines Brookfield Viskosimeters wie in Beispiel 4(iii) gemessen. Die Viskosität betrug unter Verwendung einer Nr. 5 Spindel bei 100 UpM 650 cP.
Beispiel 7
Diese Experimente veranschaulichen ferner die Flüssigkeitseigenschaften und Druckgüte, die unter Verwendung der besonderen erfindungsgemäßen Bestandteile erhalten werden. Diese Experimente basieren auf experimentelle lateinische Quadratpläne, die zur Minimierung der Auswirkung von ungesteuerten Variablen entwickelt wurde. Dieser experimentelle Plan wurde unternommen, um die Wirkungen der experimentellen Variablen auf die Beschichtungsviskosität und auf die Eigenschaften des beschichteten Papiers zu erläutern.
Die veranschaulichte Grundformulierung umfasste (a) poröses anorganisches Oxid, (b) wasserlösliches Polymer, (c) Latex, (d) Farbbeize und (e) Vernetzer, z. B. Ammoniumzirkoniumcarbonat, AZC 5800M von Hopton Technologies, Inc.), einem Vernetzer für Polyvinylalkohol. Die Verhältnisse der Bestandteile und des Gesamtfeststoffgehalt wurden, wie unten in Tabelle 5 beschrieben, verändert.
Die untersuchten Formulierungsvariablen waren das Porenvolumen des anorganischen Oxids (1,1 cm³/g bis 2,0 cm³/g), das Verhältnis von anorganischem Oxid zu Binder (0,5 bis 2,0), die Partikelgröße (5 μm bis 12 μm), der Latextyp (Dow 654NA, Air Products Vinac XX-210 und BASF 265D; siehe Tabelle 2 für Latexeigenschaften), das Verhältnis von PVOH zu Latex und das Beschichtungsgewicht (15 bis 30 g/m²). Diese Faktoren wurden im folgenden experimentellen Plan untersucht.
Zuerst wurden fünf Kombinationen der Variablen Porenvolumen und Verhältnis anorganisches Oxid zu Binder ausgewählt, die sich mit gering-gering (1,2 cm³/g; 0,5); hoch-gering (2,0 cm³/g; 0,5); gering-hoch (1,2 cm³/g; 2,0); hoch-hoch (2,0 cm³/g; 2,0) und mittel-mittel (1,6 bis 1,8 cm³/g; 1,0) decken. Für jede dieser Kombinationen, ein Four-Faktor, wurden drei Stufen eines Griechisch-Lateinischen Quadratplans höherer Ordnung (engl.: Hyper-Greco Latin Square, HGLS Design), wie in Tabelle 4 gezeigt, geschaffen. Somit wurden für jeden dieser fünf Bereiche, die für Porenvolumen und Verhältnis aus anorganischem Oxid und Binder beschrieben wurden, unter Verwendung des HGLS Plans neun zusätzliche Experimente gefahren, wodurch sich insgesamt 45 Experimente ergaben. Beschichtete Bögen wurden dann unter Verwendung eines Hewlett-Packard 870Cxi Tintenstrahldruckers bedruckt. Die optische Farb- und Schwarzdichte wurden mit einem X-rite 938 Spektrophotometer gemessen.
Tabelle 4 Beschreibung des Experimentalplans Faktorenkombinationen
Gemessen wurden die Eigenschaften (1) Viskosität der Formulierung; (2) Neigung der Beschichtung zur Staubentwicklung; (3) Neigung des Papiers zum Rollen; (4) Grad der Drucksprenkelung; (5) Trocknungszeit des Drucks; (6) Farberscheinung des Drucks und (7) pigmentierte optische Schwarzdichte. Die Viskosität wurde unter Verwendung eines Brookfield-Viskosimeters gemessen, wie in den vorderen Beispielen beschrieben. Die Nei gung zur Staubentwicklung wurde unter Verwendung eines Fingerreibtestes qualitativ gemessen und Werten von 1 (extreme Neigung zur Staubentwicklung) bis 4 (keine Neigung zur Staubentwicklung) zugeordnet. Werte für das Rollen des Papiers wurden zugeordnet von 1 (extreme Neigung zu rollen) bis 4 (keine Neigung zu rollen). Der Druckbesprenkelung (Uneinheitlichkeit des Bildes) für die tiefgefüllten Druckflächen wurden Werte von 1 (extremes Besprenkeln) bis 4 (kein Besprenkeln) zugeordnet. Die Trocknungszeit des Drucks wurde gemessen, indem die Menge der schwarzpigmentierten Tinte bestimmte wurde, die unmittelbar nach dem Drucken gegen die bedruckte Fläche gepresst wurde. Werte für die Trocknungszeit wurden Zahlen von 1 (extrem lange Trocknungszeit) bis 4 (sehr kurze Trocknungszeit) zugeordnet. Die Farberscheinung des Drucks (T) wurde gemessen, wie von D. M. Chapman, "Coating Structure Effects on Inkjet Print Quality" in Proceedings of the TAPPI Coating Conference 1997, Seiten 73–93 beschrieben; je höher die Zahl der Farberscheinung, desto besser die Farberscheinung. Optische Schwarzdichte (Black O.D.) wurde unter Verwendung eines X-rite 938 Spektrophotometer, wie vorher beschrieben gemessen.
Die Ergebnisse dieser Experimente sind in Tabelle 5 angegeben. Die durchschnittliche Wirkung bestimmter Variablen auf gemessene Eigenschaften wurde aus den Daten berechnet, und die statistische Signifikanz dieser durchschnittlichen Wirkungen wurde unter Verwendung des F-Tests bestimmt.
Reihen, die in Tabelle 5 Striche (-) enthalten, kennzeichnen Daten, die nicht generiert werden konnten, weil die Probe zu viskos war oder das beschichtete Papier keinen Abdruck annehmen konnte, um die Messung zu machen.

PVOH: Polyvinylalkohol
O.D.: Optische Dichte
S/B: Verhältins Siliciumdioxid zu Binder auf Gewichtsbasis
Cp: Centipoise, mit einem Brookfield-Viskosimeter bestimmt
T: Farberscheinung
A: Syloid^TM 74 × 6500 Siliciumdioxid von Grace Davison
B: Syloid^TM 74 Siliciumdioxid von Grace Davison
C: Sylojet^TM P612 Siliciumdioxid von Grace Davison
D: Sylojet^TM P405 Siliciumdioxid von Grace Davison
E: Sylojet^TM P409 Siliciumdioxid von Grace Davison
F: Sylojet^TM P412 Siliciumdioxid von Grace Davison
G: Siliciumdioxid aus der Entwicklung (12 μm durchschnittliche Partikelgröße, 1,8 cm³/g Porenvolumen)

Die 1 bis 3 spiegeln Daten aus Tabelle 5 wieder und zeigen Vorteile der Erfindung hinsichtlich der hohen Trockenmasse, der geringen Viskosität, der Farberscheinung und der Trocknungszeit. Zum Beispiel zeigt 1 die Wirkung der Ladung des Latex auf die Formulierung. 1 zeigt, dass der nichtionische Vinac XX-210 Latex im Durchschnitt eine geringere Viskosität der Formulierung bei gleicher Trockenmasse auf einer durchschnittlichen Basis ergibt, d. h. 21 Gew.-%, im Vergleich zum anionischen Latex Dow 654NA, wie in Beispiel 5 beschrieben. 2 zeigt, dass ein nichtionischer Latex im Durchschnitt eine bessere Farberscheinung sowohl im Vergleich zum anionischen Latex als auch zum 256D Latex ergibt. 3 zeigt im Vergleich zum 265D-Latex eine bessere Trocknungszeit für den nichtionischen Latex. Da geglaubt wird, dass diese Eigenschaften durch die Latex-Kernzusammensetzung eine stärkere Auswirkung erfahren als durch die Schalenzusammensetzung, wird geglaubt, dass eine Vinylacetat-Kernzusammensetzung bevorzugt wird. Die in 1 bis 3 angeführten Wirkungen sind durchschnittliche Wirkungen und spiegeln nicht die Wirkung auf irgendeine Probe aus Tabelle 5 wieder.
4 bis 6 veranschaulichen bevorzugte Mengen des Binders. 4 veranschaulicht den Bereich der Eigenschaften, der durch Variieren des Verhältnisses von wasserlöslichem Polymer zu Latex erreicht werden kann. 4 zeigt, dass die Formulierungen reich an PVOH eine gute Farberscheinung zeigen, während 5 und 6 veranschaulichen, dass Formulierungen reich an PVOH auch eine relativ höhere Viskosität aufweisen und eine hohe Neigung zur Staubentwicklung aufweisen. Im Gegensatz haben Formulierungen reich an Latex eine geringe Neigung zur Staubentwicklung und eine bevorzugtere Viskosität. Wie auch 1 bis 3 zeigen die 4 bis 6 durchschnittliche Wirkungen, die aus den in Tabelle 5 aufgeführten Daten berechnet sind.

Claims

Beschichtungszusammensetzung, die (a) nichtionisches Latexpolymer; (b) poröses anorganisches Oxid mit einem Porenvolumen im Bereich von 0,6 bis 3,0 cm³/g, wobei das anorganische Oxid ferner eine kationische Ladung trägt; und (c) wasserlösliches Polymer umfasst, wobei die Beschichtungszusammensetzung einen Feststoffgehalt von wenigstens 20 Gew.-% und eine Brookfield-Viskosität von 5000 cP oder weniger hat.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, bei der (a) Polyvinylacetat ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 2, bei der (a) Polyvinylacetathomopolymer ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 2, bei der das Polyvinylacetat einen Kern und eine Schale hat, wobei die Schale ferner Polyvinylalkohol umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, bei der das poröse anorganische Oxid Siliciumdioxid ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 5, bei der das Siliciumdioxid ein Porenvolumen im Bereich von 0,9 bis 2,5 cm³/g aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 5, bei der das Siliciumdioxid eine Beschichtung aufweist, die Aluminiumoxid umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, bei der das wasserlösliche Polymer ein Mitglied der Gruppe bestehend aus Polyvinylalkohol, Hydroxyethylcellulose, Methylcellulose, Dextrin, Pluran, Gelatine, Stärke, Gummi arabicum, Dextran, Polyethylenglykol, Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylamid, Polypropylenglykol und Mischungen derselben ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 4, bei der das wasserlösliche Polymer Polyvinylalkohol ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, die ferner (d), ein wasserlösliches kationisches Polymer umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 10, bei der (d) quartäres Ammonium umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 11, bei der (d) Polydiallyldimethylammoniumchlorid umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, bei der der Feststoffgehalt der Zusammensetzung im Bereich von etwa 25 bis etwa 40 Gew.-% liegt.
Aufzeichnungsmedium, das ein Substrat und eine Beschichtung darauf umfasst, wobei die Beschichtung (a) nichtionisches Latexpolymer; (b) anorganisches Oxid mit einem Porenvolumen im Bereich von 0,6 bis 3,0 cm³/g und einer kationischen Ladung; und (c) wasserlösliches Polymer umfasst.
Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 14, bei dem (a) Polyvinylacetat ist.
Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 15, bei dem (a) Polyvinylacetathomopolymer ist.
Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 14, bei dem das poröse anorganische Oxid Siliciumdioxid ist.
Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 14, bei dem das Siliciumdioxid ein Porenvolumen im Bereich von 0,9 bis 2,5 cm³/g aufweist.
Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 17, bei dem das Siliciumdioxid eine Beschichtung aus Aluminiumoxid aufweist.
Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 14, bei dem das wasserlösliche Polymer ein Mitglied der Gruppe bestehend aus Polyvinylalkohol, Hydroxyethylcellulose, Methylcellulose, Dextrin, Pluran, Gelatine, Stärke, Gummi arabicum, Dextran, Polyethylenglykol, Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylamid, Polypropylenglykol und Mischungen derselben ist.
Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 14, das ferner (d) ein wasserlösliches kationisches Polymer umfasst.
Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 14, bei dem die Beschichtung auf dem Substrat im Bereich von 5 bis 10 g/m³ vorliegt.
Beschichtungszusammensetzung mit hohem Feststoffgehalt, die (a) Polyvinylalkohol; (b) nichtionischen Latex; und (c) oberflächenmodifiziertes anorganisches Oxid umfasst, wobei die Beschichtung einen Gesamtvolumenanteil im Bereich von 0,25 bis 0,50 hat.
Beschichtung nach Anspruch 23, bei der der Feststoffgehalt größer als 23 Gew.-% ist.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 23, die ferner Farbbeize umfasst.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 25, bei der die Farbbeize kationisches Polymer ist.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 23, bei der das Gewichtsverhältnis von (b) zu (a) im Bereich von 0,2 bis 5,0 liegt.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 23, bei der die Beschichtungszusammensetzung eine Brookfield-Viskosität von weniger als 2000 cP hat.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 23, bei der (b) Polyvinylacetat umfasst.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 23, bei der das anorganische Oxid Siliciumdioxid ist, das mit Aluminiumoxid modifiziert worden ist.