JP2011195826A - インクジェット記録用インク - Google Patents

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Abstract

【課題】 普通紙に速やかに浸透しながらも得られる画像の光学濃度が高く、さらにノズルでの目詰まりを抑制したインクジェット記録用インクを提供すること。
【解決手段】 表面張力が34mN/m以下であるインクジェット記録用インクであって、アニオン性自己分散顔料、塩、下記式(A)で定義される親疎水度係数が0.26以上の水溶性化合物を含有し、該インク中に該自己分散顔料のアニオン性官能基量よりも多いセシウムイオン量を含有することを特徴とするインクジェット記録用インク。
【選択図】 なし

Description

本発明は、インクジェット記録用インクに関する。
インクジェット記録用インク(以下、単にインクともいう)を用いたインクジェット記録方法の課題として、普通紙に対して記録を行うと、着弾したインク滴が紙の繊維に沿って浸透し、画像の光学濃度や品位が低下することがある。特にインクが浸透しやすいインクであればあるほど、かかる課題が発生しやすい。
これに対して、特許文献1には、普通紙に対して高い光学濃度を有する記録が可能な浸透型インクが記載されている。
WO2009/014241号公報
しかしながら、特許文献1のインクでは、さらに画像の光学濃度を向上させるために塩又は親水性が低い溶剤を使用すると、水分の蒸発に伴い顔料が固着してしまい、ノズルの目詰まりが発生する場合があった。
従って本発明は、普通紙に速やかに浸透しながらも得られる画像の光学濃度が高く、さらにノズルでの目詰まりを抑制したインクジェット記録用インクを提供することを目的とする。
上記の目的は以下の本発明によって達成される。即ち、本発明は表面張力が34mN/m以下であるインクジェット記録用インクであって、水と、アニオン性自己分散顔料と、塩と、下記式(A)で定義される親疎水度係数が0.26以上の水溶性化合物とを含有し、インクジェット記録用インクに含まれる前記自己分散顔料が有するアニオン性官能基の総量をX(mol/g)、インクジェット記録用インクに含まれるセシウムイオン量をY(mol/g)としたときに、X<Yであることを特徴とするインクジェット記録用インクである。
本発明によれば、普通紙に速やかに浸透しながらも得られる画像の光学濃度が高く、さらにノズルでの目詰まりを抑制したインクジェット記録用インクを提供することができる。
記録ドットの形成方法の一例を示す図。 インクジェット記録装置を示す図。 シリアル型記録ヘッドを示す図。 ライン型記録ヘッドを示す図。
以下、好ましい実施の形態を挙げて、本発明を詳細に説明する。
本発明者らは、上記課題を解決するインクジェット記録用インクについて検討した。検討の結果、インクが水と、アニオン性自己分散顔料と、塩と、親疎水度係数が0.26以上の水溶性化合物を含有し、該自己分散顔料のアニオン性官能基量よりも多いセシウムイオン量を含有することでこれらが相乗的に作用することを見出した。そして、普通紙印刷における高光学濃度とノズルにおける目詰まりの抑制、即ち、耐ノズル目詰まり性の向上という通常トレードオフとなる効果を両立できることを見出したのである。
インク中において、アニオン性自己分散顔料のアニオン性官能基及びその対イオンは水和しているため、お互いに結合することなく存在している。このインク滴が普通紙に着弾すると、アニオン性官能基及び対イオンの水和水がセルロース繊維や填料等に奪われ両者が結合する。この結果、顔料が凝集して析出する。上記アニオン性官能基の対イオンが水和力の高いナトリウムイオンやリチウムイオンの場合、自己分散顔料は多くの水和水を保有している。従って、着弾後に顔料が析出するためには多くの水がセルロース繊維に奪われる必要がある。そのため、顔料が析出するまで長い時間が必要となるので、着弾後に顔料は紙の内部深くまで浸透してしまい、その結果光学濃度は低下する。一方、自己分散顔料の対イオンが水和力の低いカリウムイオンやセシウムイオンの場合、インク中で自己分散顔料が保有している水和水は比較的少ない。従って、着弾後に短時間で顔料が析出するため、紙の表層に定着して光学濃度が高い記録画像を得ることができる。また、本発明者等は検討の結果、水と後述の親疎水度係数が高い水溶性化合物を液体成分として含有するインクを用いると、上述したカリウムイオンやセシウムイオンによる光学濃度向上の効果と相まって、極めて高い光学濃度を有する記録画像を得ることができることを見出した。詳細な理由は不明であるが、親疎水度係数が高い水溶性化合物を含むインクを紙に付与すると、親疎水度係数が高い水溶性化合物や水等の液体成分と自己分散顔料とが速やかに分離し、即ち、速やかな固液分離が起こり、自己分散顔料が析出するまでの時間がより短くなるためであると推測している。
上記のようなインク構成とすることにより超浸透型インクであっても光学濃度が高い記録画像を得ることが可能となるが、着弾後に顔料が速やかに析出するようなインクの構成にした結果、ノズルの目詰まりが起こりやすくなることがある。この課題に対して、本発明者らは、自己分散顔料のアニオン性官能基量よりも多いセシウムイオン量を含有するインクを使用すると、記録画像が高光学濃度になると同時にノズルの目詰まりが起こり難くなることを見出した。この理由として、以下のようなメカニズムが考えられる。
即ち、自己分散顔料のアニオン性官能基量よりも多いセシウムイオン量を含有するインク中では、そのアニオン性官能基の大部分の対イオンはセシウムイオンとなる。そのため、着弾後に顔料が速やかに析出して光学濃度が高い記録画像が得られる。一方、ノズルの吐出口から水分の蒸発が起こると、吐出口付近でインク中の溶剤が濃縮される。本発明のインクは、後述の親疎水度係数が高い、即ち疎水傾向にある水溶性化合物を溶剤として含有している。濃縮部において対イオンとしてセシウムイオンを有するアニオン性自己分散顔料は、カリウムイオン、ナトリウムイオン等の他の対イオンを有する自己分散顔料と比較して、それらの水溶性化合物に対して親和性が高いと考えられるため、析出しにくい。即ち、セシウムイオンを多く含有するインクは、ノズルにおける目詰まりの問題が起こり難くなる。
また、セシウムイオンをセシウム塩として添加する場合、セシウム塩の対アニオンも水和しているが、ノズルの吐出口付近で水分蒸発に伴う溶剤の濃縮が起きても、塩は溶剤に対して親和性が低いため、溶剤と共に濃縮され難い傾向にある。その結果、セシウム塩はノズルの吐出口よりも奥の方へと移動するので、ノズルの吐出口付近におけるセシウム塩の析出は起こり難い。
以上のように、本発明のインクに必須な構成成分であるセシウムイオン、塩及び親疎水度係数が高い(親疎水度係数が0.26以上の)水溶性化合物が相乗的な効果を奏することにより、本来トレードオフの関係にある高光学濃度と耐ノズル目詰まり性の両方を満足することが可能となった。
<インクジェット記録用インク>
(色材)
本発明のインクジェット記録用インクは、色材としてアニオン性自己分散顔料を用いる。本発明において、アニオン性自己分散顔料とは顔料表面に直接あるいは他の原子団を介したアニオン性官能基を導入することにより分散安定化させた顔料である。アニオン性顔料は、基本的には、顔料を水性媒体に分散する際に分散剤を必須としない。分散安定化する前の顔料としては、例えばWO2009/014242号公報に列挙されているような、従来公知の様々な顔料を用いることができる。ここでアニオン性官能基とはpH7.0において半数以上の水素イオンが電離する官能基である。本発明においては、水素イオンが電離してアニオンの状態となっているアニオン性官能基、例えば、−COOもアニオン性基とよぶ。具体的にはカルボキシル基、スルホ基、又はホスホン酸基等が挙げられる。中でも光学濃度を高める点から、カルボキシル基又はホスホン酸基が好ましい。
顔料の表面にアニオン性官能基を導入する製造方法としては、例えばカーボンブラックを酸化処理する方法が挙げられる。ここで酸化処理の方法の例としては次亜塩素酸塩、オゾン水、過酸化水素、亜塩素酸塩、硝酸等による方法を挙げることができる。中でも光学濃度を高める点から、次亜塩素酸ナトリウムを使用した表面処理方法で得られる自己分散カーボンブラックが好ましい。他の酸化処理の方法として、例えば特許第3808504号、特表2009−515007、又は特表2009−506196に記載されているようなジアゾニウム塩を使用した表面処理方法が挙げられる。表面に親水性の官能基が導入された市販の顔料としては、例えばCW−1、CW−2、CW−3(オリヱント製)、CAB−O−JET200、CAB−O−JET300、CAB−O−JET400(キャボット製)等が挙げられる。尚、上記したCW−2、CAB−O−JET300はアニオン性官能基として電離したカルボキシル基を有し、対イオンとしてナトリウムイオンを有する自己分散カーボンブラックである。即ち、−COONaを有するカーボンブラックである。対イオンとしては、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオン等のアルカリ金属イオン、アンモニウムイオン、或いはメチルアミン、エチルアミン、ジメチルアミン、2−ヒドロキシエチルアミン、ジ(2−ヒドロキシエチル)アミン又はトリ(2−ヒドロキシエチル)アミン等のアミン類に由来するイオンを挙げることができる。
本発明に用いる自己分散顔料の平均粒子径は、好ましくは60nm以上であり、より好ましくは70nm以上である。また、好ましくは145nm以下であり、より好ましくは140nm以下、さらに好ましくは130nm以下である。これらの平均粒子径は、液中での動的光散乱法により求められたものである。具体的な平均粒子径の測定方法としては、レーザ光の散乱を利用した、FPAR−1000(大塚電子製、キュムラント法解析)、ナノトラックUPA 150EX(日機装製、50%の積算値の値とする)等を使用する方法が挙げられる。
自己分散顔料は、必要に応じて2種類以上を組み合わせて同一インク中に用いることができる。インクの自己分散顔料の含有量は、インク全量に対して好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは1.0質量%以上、さらに好ましくは2.0質量%以上である。また、好ましくは15.0質量%以下、より好ましくは10.0質量%以下、さらに好ましくは8.0質量%以下である。
自己分散顔料のアニオン性官能基量の測定方法としては、例えば「最新カーボンブラック技術大全集(技術情報協会)」に記載されている方法を使用することができる。また、例えば特許第4189258号に記載されている熱分解クロマトグラフィーによる測定法、特許第3405817号に記載されているツァイゼル法、特開平11−222573に記載されているようなイオン交換後イオン濃度測定を行うことにより官能基量を測定する方法、特開2002−201390に記載されているイオンメーターを利用する方法が挙げられる。
(セシウムイオン)
本発明のインクジェット記録用インクは、インク中の自己分散顔料のアニオン性官能基の総量X(μmol/g)よりも多いセシウムイオン量Y(μmol/g)を含有することを特徴としている。即ち、X<Yである。本発明においては、X+5≦Yであることが好ましく、X+10≦Yであることがより好ましい。XとYとの関係を上記好ましい関係とすることで、耐ノズル目詰まり性を低下させることなく光学濃度をより効果的に高めることができる。
セシウムイオンを導入する手段としては、対イオンがセシウムイオンであるアニオン性自己分散顔料を調製した後、さらにセシウム塩を添加してもよい。或いは、セシウムイオン以外の対イオンを有するアニオン性自己分散顔料に対して、自己分散顔料のアニオン性官能基量を超える量のセシウム塩を添加してもよい。ここで対イオンがセシウムイオンであるアニオン性自己分散顔料を調製する手段としては、以下のような手段がある。例えば、顔料に対して次亜塩素酸セシウムのような酸化剤で酸化処理を行う方法がある。或いは特許第4001922号又は特開平11−222573に記載の、自己分散顔料に対して水酸化セシウムや塩化セシウム等のセシウム塩水溶液の添加と脱塩を繰り返すことにより、対カチオンを交換して得る方法(イオン交換法)がある。
インクジェット記録用インク中のセシウムイオン量は、好ましくは20.0μmol/g以上100.0μmol/g以下であり、より好ましくは25.0μmol/g以上75.0μmol/g以下であり、特に好ましくは40.0μmol/g以上60.0μmol/g以下である。また、インクジェット記録用インクに含まれる自己分散顔料のアニオン性官能基の総量は1.0μmol/g以上20.0μmol/g以下であることが好ましく、5.0μmol/g以上15.0μmol/g以下であることがより好ましい。
(塩)
本発明のインクジェット記録用インクは、アニオン性官能基量X(mol/g)よりも多いセシウムイオン量Y(mol/g)を含有するために、塩としてセシウム塩を含有することが好ましい。セシウム塩としては、アルキルカルボン酸、アリールカルボン酸、アルキルスルホン酸、硫酸、リン酸、炭酸から選ばれる酸とセシウムイオンとから構成されるセシウム塩であることが好ましい。具体的には、硫酸セシウム、メタンスルホン酸セシウム、酒石酸セシウム、塩化セシウム等が挙げられる。詳細な理由は不明であるが、セシウム塩としてメタンスルホン酸セシウムを用いたインクは、光学濃度の向上という観点から特に好ましい。尚、塩は、1種類だけを含有させても、複数種類を含有させてもよい。
本発明においては、インクジェット記録用インクがアニオン性官能基量X(mol/g)よりも多いセシウムイオン量Y(mol/g)を含有していれば、塩としてセシウム塩以外の塩を用いてもよい。
有機酸とは、炭素原子から構成される分子構造を有し、その分子内にカルボキシル基、ホスホン酸基、又はスルホ基等の、中性付近のpHにおいて水素イオンが電離する官能基を1個又は複数個有する酸である。具体例としては、クエン酸、コハク酸、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、酒石酸、グルコン酸、タルトロン酸、マレイン酸、マロン酸、又はアジピン酸等のアルキルカルボン酸、安息香酸、フタル酸、又はトリメット酸等のアリールカルボン酸、メタンスルホン酸、又はエタンスルホン酸等のアルキルスルホン酸、或いはベンゼンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸等のアリールスルホン酸が挙げられる。高光学濃度及び耐ノズル目詰まり性の点から、蟻酸、酢酸、又はプロピオン酸等の水溶性のアルキルカルボン酸、コハク酸又は酒石酸等の複数のカルボキシル基を有するアルキルカルボン酸、フタル酸又はトリメット酸等の複数のカルボキシル基を有するアリールカルボン酸、或いはメタンスルホン酸、エタンスルホン酸等のアルキルスルホン酸が好ましい。
無機酸とは、塩酸、硝酸、硫酸、炭酸、又はリン酸等の鉱酸である。中でも高光学濃度及び耐ノズル目詰まり性の点から、硫酸が好ましい。
塩としては、具体的には、クエン酸リチウム、クエン酸ナトリウム、クエン酸カリウム、コハク酸リチウム、コハク酸ナトリウム、コハク酸カリウム、蟻酸リチウム、蟻酸ナトリウム、蟻酸カリウム、蟻酸アンモニウム、酢酸リチウム、酢酸ナトリウム、酢酸リチウム、酢酸アンモニウム、プロピオン酸リチウム、プロピオン酸ナトリウム、プロピオン酸カリウム、シュウ酸リチウム、シュウ酸ナトリウム、シュウ酸カリウム、酒石酸リチウム、酒石酸ナトリウム、酒石酸カリウム、安息香酸リチウム、安息香酸ナトリウム、安息香酸カリウム、安息香酸アンモニウム、フタル酸リチウム、フタル酸ナトリウム、フタル酸カリウム、フタル酸アンモニウム、メタンスルホン酸リチウム、メタンスルホン酸ナトリウム、メタンスルホン酸カリウム、メタンスルホン酸アンモニウム、エタンスルホン酸リチウム、エタンスルホン酸ナトリウム、エタンスルホン酸カリウム、エタンスルホン酸アンモニウム、ベンゼンスルホン酸リチウム、ベンゼンスルホン酸ナトリウム、ベンゼンスルホン酸カリウム、ベンゼンスルホン酸アンモニウム等の有機酸塩、塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化ルビジウム、臭化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化ルビジウム、ヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化ルビジウム、塩化アンモニウム、硝酸リチウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸アンモニウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸アンモニウム、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等の無機酸塩等を好適に用いることができる。
尚、本発明における塩とは、有機酸又は無機酸等の酸に由来するアニオンと、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アンモニウムカチオン、或いは、メチルアミン、エチルアミン、ジメチルアミン、2−ヒドロキシエチルアミン、ジ(2−ヒドロキシエチル)アミン又はトリ(2−ヒドロキシエチル)アミン等のアミン類に由来するカチオンとから構成される水溶性の塩である。尚、インク中で塩は解離して、イオンとして存在しているが、便宜上、「塩を含有する」と表現する。
(水性媒体)
本発明のインクジェット記録用インクは、水を必須成分とするが、インク中の水の含有量は、インク全質量に対して、30.0質量%以上であることが好ましい。また、95.0質量%以下であることが好ましい。更に、水に加えて、水溶性化合物を併用して、水性媒体とするのが好ましい。この水溶性化合物とは、20.0質量%濃度の水との混合液で水と相分離せずに混ざり合う、親水性の高いものである。更に固液分離や目詰まり抑制への点から蒸発しやすいものは好ましくなく、20℃での蒸気圧が5.3Pa以下の物質が好ましい。
さらに本発明のインクジェット記録用インクは、下記式(A)で定義される親疎水度係数が0.26以上の水溶性化合物を含有する。下記式(A)中の20%水溶液とは、いずれも親疎水度係数の測定対象である水溶性化合物の20質量%水溶液を指す。紙種によっては、式(A)で定義される親疎水度係数が0.26以上0.37未満の水溶性化合物と0.37以上の水溶性化合物を併有するインクが好ましい。親疎水度係数が0.26未満の水溶性化合物を用いた場合、十分な光学濃度が得られない。普通紙に対する光学濃度を高める点から、インク中の全水溶性化合物中に占める親疎水度係数が0.26以上の水溶性化合物の含有率は、50.0質量%以上であることが好ましく、60.0質量%以上であることがより好ましく、70.0質量%以上であることがさらに好ましい。式(A)で定義される親疎水度係数が0.26以上0.37未満の水溶性化合物として、トリメチロールプロパンが特に好ましい。また0.37以上の水溶性化合物としては炭素数4〜7の炭化水素のグリコール構造を有するものが好ましい。さらに、1,2−ペンタンジオール、1,2−ヘキサンジオール、1,5−ペンタンジオール、又は1,6−ヘキサンジオールがより好ましく、1,2−ヘキサンジオールが特に好ましい。1,2−ヘキサンジオールは、水分活性値が0.37以上であり、且つ、20℃での蒸気圧が5.3Pa以下の水溶性化合物であるため、特に好ましい。
式(A)で定義される親疎水度係数が0.26以上0.37未満の水溶性化合物と0.37以上の水溶性化合物の含有割合は、質量基準で9:1〜1:2が好ましく、6:1〜1:1がさらに好ましい。
式中の水分活性値とは、
水分活性値=(水溶液の水蒸気圧)/(純水の水蒸気圧)
で示されるものである。水分活性値の測定方法は、様々な方法があり、いずれの方法にも特定されないが、中でもチルドミラー露点測定法は、本発明で使用する材料測定に好適である。本発明における親疎水度係数は、この測定法を採用した水分活性値測定装置であるアクアラブCX−3TE(DECAGON製)を用いて、各水溶性化合物の20質量%水溶液を25℃で測定した水分活性値を利用して計算した値である。
ラウールの法則に従えば、希薄溶液の蒸気圧の降下率は溶質のモル分率に等しく、溶媒及び溶質の種類に無関係であるので、水溶液中の水のモル分率と水分活性値は等しくなる。しかし、各種水溶性化合物の水溶液の水分活性値を測定すると、水分活性値は、水のモル分率と一致しないものも多い。
水溶液の水分活性値が水のモル分率より低い場合は、水溶液の水蒸気圧が理論計算値より小さいこととなり、水の蒸発が溶質の存在によって抑制されている。このことから、溶質は水和力の大きい物質であることがわかる。逆に、水溶液の水分活性値が水のモル分率より高い場合は、溶質が水和力の小さい物質と考えられる。
本発明者らは、インクに含有される水溶性化合物の親水性、あるいは疎水性の程度が、自己分散顔料と水性媒体との固液分離の推進、さらに、各種インク性能に及ぼす影響が大きいものと着眼した。このことから、式(A)に示す親疎水度係数という係数を定義した。
水分活性値は、20質量%の一律の濃度で、各種水溶性化合物の水溶液を測定しているが、式(A)に換算することによって、溶質の分子量が異なって水のモル分率が違っても、各種溶質の親水性、あるいは疎水性の程度の相対比較が可能である。また水溶液の水分活性値が1を越えることはないので、親疎水度係数の最大値は1である。
インクジェット記録用インクに用いられる水溶性化合物の、式(A)によって得られた親疎水度係数を表1に示す。ただし、本発明の水溶性化合物は、これらにのみ限定されるものではない。
水溶性化合物は、インクジェット記録用インクとしての適性を有する各種の水溶性化合物の中から、目的とする親疎水度係数を有する水溶性化合物を選択して用いることができる。前記水溶性化合物のインク中での含有量は、合計で好ましくは5.0質量%以上、より好ましくは6.0質量%以上、さらに好ましくは7.0質量%以上である。また、好ましくは50.0質量%以下、より好ましくは40.0質量%以下、さらに好ましくは30.0質量%以下である。
(界面活性剤)
本発明のインクジェット記録用インクは、よりバランスのよい吐出安定性を得るために、インク中に界面活性剤を含有することが好ましい。中でもノニオン界面活性剤を含有することが好ましい。ノニオン界面活性剤の中でもポリオキシエチレンアルキルエーテル、アセチレングリコール等のエチレンオキサイド付加物が特に好ましい。これらのノニオン系界面活性剤のHLB値(Hydrophile−Lipophile Balance)は、10以上である。こうして併用される界面活性剤の含有量は、好ましくはインク中に0.1質量%以上、より好ましくは0.2質量%以上、さらに好ましくは0.3質量%以上である。また、好ましくは5.0質量%以下、より好ましくは4.0質量%以下、さらに好ましくは3.0質量%以下である。
(その他の添加剤)
また、本発明のインクジェット記録用インクは、所望の物性値を有するインクとするために、上記した成分の他に必要に応じて、添加剤として、粘度調整剤、消泡剤、防腐剤、防カビ剤、酸化防止剤、浸透剤等を添加することができる。
(表面張力)
本発明のインクジェット記録用インクの表面張力は、34mN/m以下である。このインクの表面張力は、33mN/m以下であることがより好ましく、32mN/m以下であることがさらに好ましい。また、20mN/m以上であることが好ましく、23mN/m以上であることがより好ましく、26mN/m以上であることがさらに好ましい。インクの表面張力をこの範囲に制御することで、本発明のインクの効果が最大限に発揮される。インクの表面張力が34mN/mより高い場合は、普通紙の臨界表面張力より高いためインクが紙に着弾しても濡れが遅い。そのためインクの浸透速度は遅くなる。インクの表面張力が34mN/m以下の場合はセルロース繊維間に形成される細孔(ポア)に吸収されて浸透するポア吸収が主体となり、34mN/mより高い場合は普通紙のセルロース繊維自身にインクが直接吸収されて浸透するファイバー吸収が主体となる。これら2タイプの吸収によるインクの紙への吸収速度はポア吸収の方が圧倒的に速い。そこで本発明では、主にポア吸収により紙の内部へ浸透するインクとすることによって高速定着性を実現している。尚、上記表面張力は、垂直平板法によって測定された値であり、具体的な測定装置としては、CBVP−Z(協和界面科学製)等が挙げられる。
(粘度)
本発明のインクジェット記録用インクの粘度は15.0mPa・s以下であることが好ましい。熱エネルギーの利用によりインクジェット記録する装置を使用する場合、これより粘度が高いとノズルへのインク供給が間に合わず、不明瞭な画像が記録される場合がある。インクの粘度はより好ましくは10.0mPa・s以下であり、さらに好ましくは5.0mPa・s以下である。
<インクジェット記録方法>
本発明のインクジェット記録方法においては、1回に付与するインク滴の体積を、0.5pl以上、6.0pl以下の定量とすることが好ましい。より好ましくは1.0pl以上であり、特に好ましくは1.5pl以上である。また、より好ましくは5.0pl以下であり、特に好ましくは4.5pl以下である。0.5pl未満の場合は、画像の定着性、耐水性に劣る場合があるので好ましくない。6.0plを越えると、2ポイント(1ポイント≒0.35mm)から5ポイント程度の小さな文字を印刷した場合に、文字太りによって文字がつぶれる場合がある。
本発明において定量のインクとは、記録ヘッドを構成するノズルの構造を各ノズル間で異ならせず、付与する駆動エネルギーを変化させる設定をしていない状態で吐出された同じ体積のインクを意味する。即ち、このような状態であれば、装置の製造誤差等による僅かな吐出のばらつきがあっても、付与されるインクの体積は定量である。付与されるインクの体積を定量とすることにより、インクの浸透深さが安定し、記録画像の画像濃度が高く、画像の均一性が良好となる。逆に、付与されるインク滴の体積を変化させることを前提としたシステム等によると、インクは定量ではなく、異なった体積のインク滴が混在するため、インクの普通紙への浸透深さのばらつきが大きくなる。特に記録画像の高デューティー部では、浸透深さのばらつきのため、記録画像の画像濃度が低い箇所が存在するなどし、画像の均一性が良好でなくなる場合がある。
インクの定量化に適した付与方式としては、インクの付与を熱エネルギーの作用により行うサーマルインクジェット方式が、吐出のメカニズムの点で好ましい。即ち、サーマルインクジェット方式は、インクの浸透深さのばらつきを抑え、記録画像は高濃度で、均一性が良好となる。さらに、サーマルインクジェット方式は、圧電素子を用いてインクを付与する方式に比べて多ノズル化と高密度化に適しており、高速記録にも好適である。
本発明者等の検討によれば、本発明のインクを用いることで、画像を形成するための基本マトリクス中に、少なくとも1色のインクのデューティーが80%デューティー以上となる画像を形成する際に、即ち、1つの基本マトリクスに対して1色のインクが多く付与される場合に生じやすい、光学濃度の低下を効果的に抑制することができる。。尚、デューティーを算出する部分は、最小で50μm×50μmである。80%デューティー以上となる画像とは、デューティーを算出する部分のマトリクス中の格子のうち、80%以上の格子にインクが付与されて形成される画像である。格子の大きさは、基本マトリクスの解像度によって決定される。例えば、基本マトリクスの解像度が1200dpi×1200dpiの場合、1つの格子の大きさは、1/1200inch×1/1200inchである。また、本発明における1色とは、全く同一の1色、1色調であるのが好ましいが、多少の濃度等の相違があっても、1色とする。即ち、ブラック、シアン、マゼンタ、イエローの4色のインクを用いる場合では、これらの少なくとも1色により、基本マトリクス中に80%デューティー以上となる部分を有する画像のことである。一方、基本マトリクス中に1色のインクのデューティーが80%デューティー以上とならない画像は、着弾したインク間の重なりが比較的少なく、印字プロセスの工夫をしなくとも、文字のつぶれ等の問題が生じない場合も多い。
本発明の基本マトリクスは、記録装置等により自由に設定できる。基本マトリクスの解像度としては、600dpi以上が好ましく、1200dpi以上がより好ましい。また、4800dpiを超えるとインクの打ち込み量が増加することにより画像及び文字品位が低下する場合があるため、4800dpi以下が好ましい。解像度は、この範囲内にあれば、基本マトリクスの縦と横で同一であっても異なっていてもよい。
また、本発明においては、基本マトリクス中へのインクの総付与量が5.0μl/cm以下であることが好ましい。即ち、ブラック、シアン、マゼンタ、イエローの4色のインクを用いる場合では、これら全ての色のインクの総付与量である。また、単一のインク、例えばブラック1色のインクを用いる場合では、ブラックインクの総付与量である。総付与量を算出する部分は、前記のデューティーを算出する部分と同じである。全ての色のインクの総付与量が5.0μl/cmを越える部分を有する画像を形成する場合は、鮮明な画像が得られない場合や、裏抜けが発生して両面印刷に適さない場合がある。
本発明では、光学濃度の点から上記のような画像を形成する際に、基本マトリクス中への前記1色のインクの付与を分割して複数回のタイミングで行うことが好ましい。本発明では、基本マトリクスへ、1つのノズル列からインクが数滴同時に付与された場合において、かかる付与は1回のタイミングとする。尚、1つのノズル列とは、同一種類のインクを吐出する吐出口群のことである。また分割回数は少なくとも2回以上であるが、3回以上であると、記録画像の光学濃度がより高くなる。また、好ましくは8回以下、より好ましくは4回以下である。分割回数が8回を越えると、ブリーディングの抑制や、小文字の良好な印字には効果的だが、普通紙表面でのインクの隠蔽率が低下し、光学濃度が低下する傾向となる。
インクの付与を2以上の回数に分割する手法としては、シリアル型とライン型に大別される。シリアル型プリンタを例にすると、例えばベタ印字を通常2分割で印字する場合、記録媒体に対して記録ヘッドが2回通過(2パス)することとなる。分割付与に際して、1回当りのインク付与量は等量である場合が多いが、本発明はこれに限るものではない。2パスで印字する際に、1パス目に記録媒体に対し50%相当のインク(第1のインク)を、2パス目に記録媒体に残りの50%相当のインク(第2のインク)を付与し、100%のベタ印字をする場合のドット着弾位置の配列例を図1に示す。
以上のシリアル型の分割付与方法に加えて、本発明では1パスで図1と同様の位置へのドット付与を2分割で印字するライン型にも対応している。例えば1パスでブラックインクを2分割付与する構成の一態様として、図3に例示した記録ヘッドを用いる例が挙げられる。カラーのヘッド構成例を述べると、211、212、213、214及び215は、夫々、ブラック(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)及びブラック(K)のインクを吐出する態様となる。この例は、ブラックインクを2ノズル列に分割して、実質的に1パスで付与する場合のヘッドの構成例である。同様にしてヘッドのノズル列数やインクの搭載数の構成を変えることで、様々なインクを実質上の1パスで2以上の分割回数に分割印字する事が可能である。
各タイミングで付与する前記1色のインクの付与量は、0.7μl/cm以下とする。好ましくは0.6μl/cm以下、より好ましくは0.5μl/cm以下である。各タイミングの、1色のインクの付与量が0.7μl/cmを越えると、裏抜けや文字のつぶれ、ブリーディングが発生する場合がある。
また、本発明において、基本マトリクスへの1色のインクの付与開始から終了までの時間を1msec以上、200msec以下の範囲内とすることが好ましい。即ち、この範囲内で複数回のタイミングでインクを付与し、画像を完成させることが好ましい。この条件で印字することにより、光学濃度及び小文字の文字品位の向上がみられる。1msec以上とすることにより、基本マトリクスへ最初にインクが付与されてから、最後にインクが付与されるまでに一定の時間が空くため、好ましい。この理由は以下のように考えられる。即ち、最初のインク滴が普通紙に十分に定着する前に最後のインク滴が着弾すると、各インク滴同士が結合し、大きな液滴を形成する(ビーディング)。その大きな液滴が普通紙上の大きめな細孔から深く浸透してしまうので光学濃度が低下する場合がある。また、その大きなインク滴は普通紙の中で繊維の方向に沿って横方向にも広がるため、文字のシャープさが失われてしまう場合もある。
また、基本マトリクスへの1色のインクの付与を3回以上のタイミングで行う場合、それぞれのタイミング間の時間を1msec以上とすることが好ましい。この条件で記録することで、各インク滴同士が結合して生じる画像濃度の低下及び文字品位の劣化が軽減される。基本マトリクスへの1色のインクの付与を200msecより長い時間で行ったとしても、200msecに設定した際の効果とはさほど変化がない。そのため、本発明では高速印刷を達成するために、200msec以下とすることが好ましい。基本マトリクスへの1色のインクの付与に要する時間は、好ましくは1msec以上、より好ましくは4msec以上、さらに好ましくは8msec以上である。これよりも好ましくは12msec以上である。基本マトリクスへの1色のインクの付与時間をこのように設定することにより、本発明で使用するインクの効果を最大に引き出すことができる。即ち、高い画像濃度且つ高品質な画像を得ることが可能で、高速でのインクジェット記録が実現する。尚、かかる付与のタイミングを達成するためには、基本マトリクスへの1色のインクの付与を、全てのタイミングにおいて同一の記録ヘッド内の複数のノズル列から行うことが好ましい。
<インクジェット記録装置>
次に、本発明に関するインクジェット記録装置について説明する。本発明においては、0.5pl以上6pl以下の定量のインク滴を付与する記録ヘッドを搭載したインクジェット記録装置を好適に用いることができる。本願発明のインクジェット記録装置の記録ヘッドは、インクに熱エネルギーを作用させて付与させる記録ヘッドであることが好ましい。このような記録ヘッドは、圧電素子を用いてインクを吐出させる記録ヘッドに比べてノズルの高密度化に適している。さらに、インクを定量とすることに優れているので、インクの浸透深さのばらつきを抑え、記録画像の均一性を良好とする点で優れている。
インクに熱エネルギーを作用させて付与させる記録ヘッドの代表的な構成や原理については、例えば、米国特許第4723129号公報、米国特許第4740796号公報に開示されている基本的な原理を用いて行うものが好ましい。この方式はいわゆるオンデマンド型、コンティニュアス型のいずれにも適用可能である。これらの中ではオンデマンド型のものが有利である。即ち、オンデマンド型の場合には、インクが保持されているシートや液路に対応して配置されている電気熱変換体に、記録情報に対応していて核沸騰を越える急速な温度上昇を与える少なくとも1つの駆動信号が印加される。この印加によって、電気熱変換体に熱エネルギーが発生させ、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰を生じさせて、結果的にこの駆動信号に1対1で対応したインク内の気泡を形成することができる。この気泡の成長、収縮により吐出用開口を介してインクを吐出させて、少なくとも1つの滴を形成する。この駆動信号をパルス形状とすると、即時適切に気泡の成長収縮が行われるのでインクが定量であり、応答性にも優れたインクの吐出が達成でき、より好ましい。
図2は、本発明に適用可能なインクジェット記録装置の概略図である。キャリッジ20には、インクジェット記録方式で吐出を行う記録ヘッドが搭載されており、記録ヘッドは複数のノズル列としてノズル列211〜215を有する。1パスでブラックインクを2分割で付与する構成の一態様としては、211、212、213、214及び215は、夫々、ブラック(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)及びブラック(K)のインクを吐出する態様が挙げられる。インクカートリッジ221〜225は、記録ヘッドと、ノズル列211〜215、及びこれらにインクと供給するためのインクタンクとから構成されている。40は、濃度センサである。濃度センサ40は反射型の濃度センサであり、キャリッジ20の側面に設置された状態で、記録媒体に記録されたテストパターンの濃度を検出できる構成となっている。記録ヘッドへの制御信号等は、フレキシブルケーブル23を介して転送される。
普通紙等の、セルロース繊維の露呈した記録媒体24は、不図示の搬送ローラを経て排紙ローラ25に挟持され、搬送モータ26の駆動に伴い矢印方向(副走査方向)に搬送される。
ガイドシャフト27、及びリニアエンコーダ28により、キャリッジ20は案内支持されている。キャリッジ20は、キャリッジモータ30の駆動により、駆動ベルト29を介して、ガイドシャフト27に沿って主走査方向に往復運動される。記録ヘッドの内部(液路)には、インク吐出用の熱エネルギーを発生する発熱素子(電気・熱エネルギ変換体)が設けられている。リニアエンコーダ28の読みとりタイミングに伴い、上記発熱素子を記録信号に基づいて駆動し、記録媒体上にインク滴を吐出し、付着させることで画像を形成する。
記録領域外に配置されたキャリッジ20のホームポジションには、キャップ部311〜315を持つ回復ユニット32が設置されている。記録を行なわないときには、キャリッジ20をホームポジションに移動させて、ノズル列211〜215をそれぞれが対応するキャップ311〜315によって密閉する。これにより、インク溶剤の蒸発に起因するインクの固着あるいは塵埃等の異物の付着等による目詰まりを抑制することができる。また、キャップ部のキャッピング機能は、記録頻度の低いインク吐出口の吐出不良や目詰まりを解消するために利用される。具体的には、キャップ部は、インク吐出口から離れた状態にあるキャップ部へインクを吐出させる吐出不良防止のための空吐出に利用される。更に、キャップ部は、キャップした状態で不図示のポンプによりインク吐出口からインクを吸引して吐出不良を起こした吐出口の吐出回復に利用される。
インク受け部33は、記録ヘッドが記録動作直前に上部を通過する時に、予備的に吐出されたインク滴を受容する役割を果たす。また、キャップ部に隣接した位置に不図示のブレード、拭き部材を配置することにより、ノズル列211〜215中のインク吐出口の形成面をクリーニングすることが可能となっている。
以上説明したように、記録装置の構成に、記録ヘッドに対する回復手段、予備的な手段等を付加することは、記録動作を一層安定にできるので好ましいものである。これらを具体的に挙げれば、記録ヘッドに対してのキャッピング手段、クリーニング手段、加圧あるいは吸引手段、電気熱変換体あるいはこれとは別の加熱素子あるいはこれらの組み合わせによる予備加熱手段等がある。また、記録とは別の吐出を行なう予備吐出モードを備えることも安定した記録を行なうために有効である。
加えて、上記の実施形態で説明した記録ヘッド自体に一体的にインクタンクが設けられたカートリッジタイプの記録ヘッドを用いてもよい。さらに、装置本体に装着されることで、装置本体との電気的な接続や装置本体からのインクの供給が可能になる交換自在のチップタイプの記録ヘッドを用いてもよい。
図3は、ノズル列211〜215を有する記録ヘッドの構成図である。図において、記録ヘッドの記録走査方向は、図の矢印で示した方向とする。記録ヘッドには、記録走査方向と略直行する方向に配列した複数のノズル列211〜215が配備されている。記録ヘッドは、図の記録走査方向へ移動走査しながら、各吐出口より所定のタイミングでインク滴を吐出する。これにより、記録媒体には、ノズルの配列密度に応じた記録解像度で画像が形成される。この際、記録ヘッドは、記録走査方向のどちらの方向で記録動作を行ってもよい。また、往復のどちらで記録動作を行ってもよい。
また、以上の実施形態は記録ヘッドを走査して記録を行なうシリアルタイプの記録装置であるが、記録媒体の幅に対応した長さを有する記録ヘッドを用いたフルラインタイプの記録装置であっても良い。フルラインタイプの記録ヘッドとしては、図3に開示されているようなシリアルタイプの記録ヘッドを千鳥状や並列に配列させて、長尺化し、目的の長さとする構成がある。あるいは、当初より長尺化したノズル列を有するように、一体的に形成された1個の記録ヘッドとした構成でもよい(図4)。
上記のシリアルタイプやラインタイプの記録装置は、独立化あるいは一体的に形成された4色インク(Y,M,C,K)を用いる例である。また、ブラックインクのみを2分割付与するためにブラックインクを211ノズルと215ノズルそれぞれに設けた5ノズル列構成のヘッドを搭載した例である。また、4ノズル列を用いて分割回数を2〜12程度にする際の好適な態様として、4色インク(Y,M,C,K)の少なくとも1種については、同色のインクを複数のノズル列に重複して搭載する形式も好ましい。例えば、4ノズル列のヘッドを2個ないし3個重ねてつなげた8ノズル列構成や12ノズル列構成等も挙げられる。
同一色のインクの付与を複数回のタイミングで付与する具体例として、シリアルタイプの記録装置を使用してインクを2回に分割して1回の走査で印字する形態が挙げられる。1回の走査でブラックインクを2分割付与する構成の一態様として、図3に例示した記録ヘッドを用いてカラーのヘッド構成を例に述べる。211、212、213、214及び215は、夫々、ブラック(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)及びブラック(K)のインクを吐出することが特に好ましい態様となる。この記録ヘッドを搭載したキャリッジの速度及び/又は2つのブラックインクのノズル列間の幅を変化させることで、基本マトリクスへの1色のインクの付与を1msec以上、200msec以下に制御することができる。
本発明のインクジェット記録装置は、画像を形成するための基本マトリクス中に、基本マトリクスに付与するインクの総付与量が5.0μl/cm以下で、1色のインクのデューティーが80%デューティー以上となる画像を形成をする際に、前記1色のインクの付与を複数回のタイミングで行う。また、各タイミングのインクの付与量を0.7μl/cm以下に制御している。さらに、基本マトリクスへのインクの付与開始から終了までの時間を1msec以上200msec以下の範囲とすることが好ましい。本発明のインクジェット記録装置は、かかる分割付与を行うための制御機構を有する。この制御機構により、インクジェット記録ヘッドの動作と、普通紙の紙送り動作のタイミングを制御し、かかる分割付与を行う。
1色のインクを付与する際の分割回数は、所望とする記録条件に応じて設定できる。図1に、2回に分割する例を示す。本例は、基本マトリクスの解像度は1200dpi(横)×1200dpi(縦)で、画像の100%デューティーの部分を形成する場合の例である。図1では、1回目のインクの着弾位置を第1のインク、2回目のインクの着弾位置を第2のインクとして示している。第1のインク、第2のインクは、それぞれ定量である。
次に実施例、比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。なお、以下の記載で「部」及び「%」とあるものは、特に断りのない限り質量基準である。
<実施例1〜7、比較例1〜8>
(色材)
アニオン性自己分散顔料の水分散体であるBONJET BLACK CW−2(オリヱント化学工業製、pH=6.4)及びCAB−O−JET300(キャボット製、pH=7.3)を用い、これらの水分散体中の自己分散顔料をインクの色材とした。
(インクの調製)
次に、実施例1〜7のインク(インク1〜7)及び比較例1〜8のインク(インク8〜15)の調製について説明する。インク1〜15の調製は、下記表2に従ってインクを構成する全成分(合計で100部)を混合した後、塩酸又は水酸化セシウム水溶液で表2に記載のpHになるように調整し、1時間攪拌し、孔径2.5μmのフィルターを用いて、ろ過することで行った。尚、表2において、顔料に関してはインク中の固形分の量(自己分散顔料の量)を表示している。水は、イオン交換水である。アセチレノールEHは、ノニオン界面活性剤(川研ファインケミカル製)である。インクの表面張力は、CBVP−Z(協和界面科学製)で測定した値である。また、アニオン性官能基量は、ナトリウムイオンメータ C−122(堀場製作所製)を用いたイオン濃度測定の結果から算出した。インク中のセシウムイオンの量は、セシウム塩の総添加量から算出した。

<実施例8〜23、比較例9〜16>
調整したインク1〜15を用い、下記の方法で画像形成を行い、画像の光学濃度及び耐ノズル目詰まり性の評価を行った。
(画像形成)
記録画像の評価には、普通紙であるオフィスプランナー紙、SW−101紙、GF500紙(以上キヤノンマーケティングジャパン製)、Xerox4200(ゼロックス製)、及びHP Bright White Inkjet Paper(ヒューレットパッカード製)を用いた。使用したインクジェット記録装置は、以下の機種である。
・F900(キヤノン製。記録ヘッド;6吐出口列、各512ノズル。インク量4.0pl(定量)、解像度最高1200dpi(横)×1200dpi(縦)。)
<記録方法A>
評価するインクを二つのインクタンクに充填し、それぞれプリンタのブラックインクヘッド部とシアンインクヘッド部に搭載してベタ画像を印刷した。このときのブラックインクヘッド部とシアンインクヘッド部から吐出されるインクの時間差は12msecであった。今回実施した2分割してインクを付与する印刷方式ではベタ部分の形成に際し、一吐出口列あたり0.5μl/cmの等量のインクを付与することで合計付与量を1.0μl/cmとした。
<記録方法B>
評価するインクをインクタンクに充填し、プリンタのブラックインクヘッド部に搭載してベタ画像を印刷した。このときにインクヘッドが2回走査してベタ画像となるように分割付与した(2パス印刷)。1回の走査で0.5μl/cmの等量のインクを2回付与することで合計付与量を1.0μl/cmとした。
<記録方法C>
評価するインクをインクタンクに充填し、プリンタのブラックインクヘッド部に搭載してベタ画像を印刷した。このときにインクヘッドが1回の走査でベタ画像となるように印刷した(1パス印刷)。1回の走査で合計付与量を1.0μl/cmとした。
(画像の光学濃度)
画像のベタ部分の光学濃度を濃度計(マクベスRD915:マクベス製)にて測定し、上記5種の紙に印刷した画像の光学濃度の平均値を下記の基準で評価した。
AA:1.38以上であった。
A:1.35以上、1.38未満であった。
B:1.30以上、1.35未満であった。
C:1.30未満であった。
(耐ノズル目詰まり性)
上記印字試験後密閉キャップをせずに2週間室温で放置し、回復操作を行った際のノズルチェックパターン印字の状況を下記の基準で目視にて評価した。
A:クリーニング操作(記録ヘッドの吐出口でインクを吸引する操作)1回で正常の印字ができる。
B:クリーニング操作1回では正常の印字ができないが、3回で正常の印字ができる。
C:クリーニング操作3回では正常の印字ができないが、強力クリーニング(クリーニング操作よりも、記録ヘッドの吐出口でインクを強く吸引する操作)3回で正常の印字ができる。
D:強力クリーニングを3回繰り返しても、安定した吐出ができず、正常の印字ができない。
以上の評価結果を表3に示す。
表3に示す通り、セシウムイオン量がアニオン性官能基量よりも多いインク1〜7(実施例1〜7)を用いた実施例8〜23では、得られる画像の光学濃度が高く、且つノズルの目詰まりも良好に抑制できていることが分かる。
一方、セシウムイオン量がアニオン性官能基量よりも少ないインク8〜15(比較例1〜8)を用いた比較例9〜16では、得られる画像の光学濃度が低いか、或いは目詰まりが発生していることが分かる。

Claims (4)

  1. 表面張力が34mN/m以下であるインクジェット記録用インクであって、水と、アニオン性自己分散顔料と、塩と、下記式(A)で定義される親疎水度係数が0.26以上の水溶性化合物とを含有し、
    インクジェット記録用インクに含まれる前記自己分散顔料が有するアニオン性官能基の総量をX(mol/g)、インクジェット記録用インクに含まれるセシウムイオン量をY(mol/g)としたときに、X<Yである
    ことを特徴とするインクジェット記録用インク。
  2. 前記塩がセシウム塩である請求項1記載のインクジェット記録用インク。
  3. 前記セシウム塩がアルキルカルボン酸、アリールカルボン酸、アルキルスルホン酸、硫酸、リン酸、炭酸から選ばれる酸のセシウム塩である請求項2記載のインクジェット記録用インク。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のインクジェット記録用インクを、0.5pl以上、6.0pl以下の定量で普通紙へ付与することで画像を形成するインクジェット記録方法であって、前記画像を形成するための基本マトリクス中に、80%デューティー以上で且つインクの総付与量が5.0μl/cm以下となる部分を有する画像を形成する際に、インクの付与を複数回の分割回数に分割し、且つ分割されたそれぞれの回のインク付与量が0.7μl/cm以下であることを特徴とするインクジェット記録方法。
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