JP2013227567A - 迅速に結晶化する結晶性−非晶質インク組成物およびそれらを製造する方法 - Google Patents

迅速に結晶化する結晶性−非晶質インク組成物およびそれらを製造する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】室温にて固体であり、基材に適用される高温においては溶融状態であることを特徴とするインクジェット印刷に使用できる、相変化インク組成物を提供する。
【解決手段】少なくとも1つの官能基を有し、少なくとも1つの非晶質末端基と結合している非晶質コア部分を含む非晶質化合物であって、ここでこの非晶質末端基は、アルキル基(ここでこのアルキルは、約1〜約16個の炭素原子を有する直鎖、分岐状または環状、飽和または不飽和、置換または非置換である)を含む非晶質化合物及び少なくとも1つの官能基を有し、少なくとも1つの結晶性末端基に結合している結晶性コア部分を含む結晶性化合物であって、この結晶性末端基が芳香族基を含む結晶性化合物であり、更に任意の着色剤を含む非晶質構成成分および結晶性材料を含む相変化インク組成物。
【選択図】なし

Description

本実施形態は、室温(例えば20〜27℃)にて固体であり、溶融インクが基材に適用される高温においては溶融状態であることを特徴とする相変化インク組成物に関する。これらの相変化インク組成物は、インクジェット印刷のために使用できる。本実施形態は、非晶質材料、結晶性材料、および場合により着色剤を含む新規な相変化インク組成物、およびそれらの製造方法を対象とする。
非晶質構成成分、結晶性材料、および着色剤を含む新規な相変化インク組成物であって、コーティングされた紙基材での印刷を含むインクジェット高速印刷に好適である組成物が提供される。特に、非晶質構成成分に存在する官能基は、結晶性構成成分に存在する官能基とは異なる。
特に、本実施形態は、少なくとも1つの官能基を有し、少なくとも1つの非晶質末端基と結合している非晶質コア部分を含む非晶質化合物であって、ここでこの非晶質末端基は、アルキル基(ここでこのアルキルは、約1〜約16個の炭素原子を有する直鎖、分岐状または環状、飽和または不飽和、置換または非置換である)を含む非晶質化合物;少なくとも1つの官能基を有し、少なくとも1つの結晶性末端基に結合している結晶性コア部分を含む結晶性化合物であって、この結晶性末端基が芳香族基を含む結晶性化合物;ならびに任意の着色剤を含む相変化インクを提供し;ここで非晶質コア部分における官能基は、結晶性コア部分における官能基のいずれとも同一ではない。
実施形態において、以下の構造を有し、少なくとも1つの非晶質末端基と結合している非晶質コア部分を含む非晶質化合物:
;および結晶性コア部分を含む結晶性化合物であって、少なくとも1つの官能基を有し、少なくとも1つの結晶性末端基に結合しており、ここで官能基は−OHではない結晶性化合物;および着色剤を含む相変化インクを提供し、ここでこの非晶質末端基は、アルキルを含み、ここでこのアルキルは、約1〜約16個の炭素原子を有する直鎖、分岐状または環状、飽和または不飽和、置換または非置換であり;ここでこの結晶性末端基は、場合により置換された芳香族基を含み;ここでこの相変化インクの合計結晶化時間は、結晶性化合物単独の合計結晶化時間の約5倍以下である。
他の実施形態において、非晶質化合物であって、式Iの酒石酸のエステルまたは式IIのクエン酸エステルを含み
ここでR、R、R、R、およびRのそれぞれは、独立にアルキル基であり、ここでこのアルキルは、約1〜約16個の炭素原子を有する直鎖、分岐状または環状、飽和または不飽和、置換または非置換である非晶質化合物;少なくとも1つの官能基を有し、少なくとも1つの結晶性末端基に結合している結晶性コア部分を含む結晶性化合物であって、ここで官能基は−OHではない結晶性化合物;および染料を含む相変化インクが提供され、この結晶性末端基が場合により置換されたフェニルを含み;ここでこの結晶性/非晶質比が約60:40〜約95:5であり;ここでこの相変化インクの合計結晶化時間は、結晶性化合物単独の合計結晶化時間の約5倍以下である。
図1は、結晶化オンセットから結晶化終了までの結晶形成の画像を示すTROMプロセスを例示する。
本明細書で使用される場合、「アルキル」という用語は、脂肪族炭化水素基を指す。アルキル部分は、アルケンまたはアルキン部分を含有しないことを意味する「飽和アルキル」基であってもよい。アルキル部分はまた、アルケンまたはアルキン部分を少なくとも1つ含有することを意味する「不飽和アルキル」部分であってもよい。アルキル部分は、飽和または不飽和であるかに拘わらず、分岐状、直鎖または環状であってもよい。
アルキル基は、1〜16個の炭素原子を有していてもよい(数値範囲、例えば「1〜16」は、所与の範囲にある各整数を指す、例えば「1〜16個の炭素原子」は、アルキル基が、1個、2個、3個などから、16個を含む炭素原子までからなってもよいことを意味する)。アルキル基は、1〜10個の炭素原子を有していてもよい。アルキル基は、1〜4個の炭素原子を有する低級アルキルであってもよい。本発明の化合物のアルキル基は、「C−Cアルキル」または同様の指定、すなわちメチル、エチル、プロピル、イソ−プロピル、n−ブチル、イソ−ブチル、sec−ブチル、およびt−ブチルとして指定されてもよい。
アルキル基は、置換または非置換であってもよい。置換されている場合、水素の他、いずれかの基は置換基であることができる。置換されている場合、置換基は、1つ以上の基であり、個々におよび独立に、アルキル、シクロアルキル、ヒドロキシ、アルコキシ、シアノ、ハロ、およびモノ−およびジ−置換されたアミノ基を含むアミノから選択されるが、これらの例示リストに限定されない。典型的なアルキル基としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、三級ブチル、ペンチル、ヘキシル、エテニル、プロペニル、ブテニル、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシルなどが挙げられる。各置換基は、さらに置換されてもよい。
本明細書で使用される場合、「アリール」という用語は、1つ、2つまたは3つの環を含有する炭素環式芳香族システムを意味し、ここでこうした環は、ペンダント様式で一緒に結合されてもよく、または縮合されてもよい。「アリール」という用語は、芳香族ラジカル、例えばベンジル、フェニル、ナフチル、アントラセニル、およびビフェニルを包含する。
本明細書で使用される場合、「アリールアルキル」という用語は、アルキル基を通して親分子部分と結合するアリール基を指す。
「アルカンジイル」という用語は、アルカン基の二価ラジカルを指す。こうしたアルカンジイルは、一般式−C(R−を有し、式中、RおよびRのそれぞれは、独立に、低級アルキル基または水素である。
「ハロ」という用語は、フルオロ、クロロ、ブロモまたはヨードを意味する。
相変化インク技術は、多くの市場に対して印刷能および顧客基盤を拡大し、印刷用途の多様性は、プリントヘッド技術、プリントプロセスおよびインク材料の有効な集積によって促進される。相変化インク組成物は、室温で固体であり、溶融インクが基材に適用される高温において溶融状態であることを特徴とする。現在のインク選択肢は多孔質紙基材について成功しているが、これらの選択肢はコーティングされた紙基材については必ずしも満足するものではない。
以前には、固体インク配合物における結晶性および非晶質小分子化合物の混合物を用いることにより、堅牢性インクを提供し、特にコーティングされた紙上に堅牢性の画像を示す固体インクを提供することが見出された。(米国特許出願整理番号13/095,636)。こうした相変化インクを用いて製造されたプリントサンプルは、現在利用可能な相変化インクに比べてスクラッチ、曲げおよび曲げオフセットに対して良好な堅牢性を示す。
しかし、本発明者らは、多くの場合、結晶性および非晶質材料で構成され、任意の染料着色剤を有する混合物が、溶融状態から基材上に印刷される場合に徐々に固化することを見出した。このように徐々に固化するインクは、高速印刷環境、例えば毎分100フィートよりも速い速度での印刷が必要とされるプロダクション印刷には不向きである。インクの固化は、冷却時にインク中の結晶性構成成分の結晶化によるものである。
本発明者らは、結晶性および非晶質構成成分で構成された組成物の迅速な結晶化は、組成物の固有の特性ではないことを見出した。結晶性/非晶質混合物の結晶化速度は、独立に、結晶性および非晶質構成成分によって影響されるだけでなく、結晶性および非晶質材料の対の選択によっても大いに影響を受ける。例えば、所与の結晶性構成成分は、1つの非晶質構成成分と混合される場合に迅速に結晶化する組成物を提供し得るが、同じ結晶性構成成分は、異なる非晶質構成成分と混合される場合に徐々に結晶化する組成物をもたらし得る。結晶性および非晶質構成成分の対の化学構造間の関係は、所与の混合物の結晶化速度を制御する。しかし、結晶性および非晶質構成成分の対を、例えば迅速に結晶化するインクを提供するように選択する方法を記載した先行技術はない。
本実施形態は、迅速に結晶化する能力を可能にするために、結晶性および非晶質構成成分の選択された対の化学構造それぞれに存在する官能基間の関係に関して、1組の設計規則を満たす相変化インク組成物を提供する。設計規則を以下に示す。
(1)相変化インク組成物は、非晶質化合物および結晶性化合物を含む。
(2)非晶質化合物は、少なくとも1つの官能基を有し、少なくとも1つの非晶質末端基に結合している非晶質コア部分を含み、ここでこの非晶質末端基は、アルキル基を含み、ここでこのアルキルは、約1〜約16個の炭素原子を有する直鎖、分岐状または環状、飽和または不飽和、置換または非置換であり;非晶質化合物の構造を示すダイアグラムを以下に示す:
(3)結晶性化合物は、少なくとも1つの官能基を有し、少なくとも1つの結晶性末端基に結合している結晶性コア部分を含み、ここでこの結晶性末端基は、芳香族基を含み;結晶性化合物の構造を示すダイアグラムを以下に示す:
;および
(4)非晶質コア部分における官能基は、結晶性コア部分の官能基のいずれとも同一でない。
実施形態において、それらが設計要件を満たす限り、1つ以上の結晶性化合物ならびに1つ以上の非晶質化合物を使用できる。
本開示に開示される設計規則に従って配合された無色および染料系インクの両方は、迅速な結晶化を示す。こうした発見は、着色剤、例えば染料を多くの結晶性−非晶質インク組成物に添加することにより、インクの結晶化速度が遅くなるので、インク設計のための重要な進歩である。
本明細書に示されるように、(1)結晶性材料自体、および(2)相変化インクを形成する際の非晶質材料および結晶性材料対の選択の両方が、相変化インクの結晶化速度に寄与する。こうして、結晶性構成成分単独(すなわち、非晶質構成成分を含まない)は、徐々にまたは迅速に結晶化し得る。結晶性および非晶質構成成分の混合物も、徐々にまたは迅速に結晶化し得る。
迅速な印刷のための試験インクの好適性を評価するために、結晶性構成成分を含有する相変化インクの結晶化速度を測定するための定量方法を開発した。TROM(時間分解光学顕微鏡法)は、種々の試験サンプルを比較でき、結果として、迅速な結晶化インクの設計に関して行われた進行をモニターするための有用なツールである。TROMは、同時係属中の米国特許出願番号13/456,847に記載されている。
時間分解光学顕微鏡法(TROM)は、偏光顕微鏡法(POM)を用いることによって結晶の外観および成長をモニターする。サンプルは、顕微鏡の直交偏光子間に置かれる。結晶性材料は、それらが複屈折であるために視覚可能である。光を通さない、それらの溶融状態のインクと同様の非晶質材料または液体は、POMの下では黒色に見える。故に、POMは、結晶性構成成分を見る場合に画像コントラストを可能にし、溶融状態から設定温度に冷却された場合に結晶性−非晶質インクの結晶化動力学を追跡できる。
異なるおよび種々のサンプルを比較できるデータを得るために、実際の印刷プロセスに関連する多くのパラメータを含むことを目的として標準TROM実験条件を設定した。インクまたはインクベースは、0.2mm〜0.5mmの厚さの16〜25mmの円形の薄いガラススライド間に狭持される。インク層の厚さは、実際に印刷されたインク層に近い5〜25μmに維持される(ファイバーガラススペーサを用いて制御される)。結晶化速度の測定に関して、サンプルは、オフラインホットプレートを介して予測される噴出温度(粘度約10〜12cps)に加熱され、次いで光学顕微鏡と連結された冷却段階に移される。冷却段階は、熱および液体窒素の制御された供給によって維持される予備設定温度にサーモスタッドで調節する。この実験の準備作業は、インク液滴が実際の印刷プロセスにて噴出される予測ドラム/紙温度(この開示で報告される実験に関しては40℃)をモデルとする。結晶形成および成長は、カメラで記録される。
実施形態において、TROMプロセスにおける重要な工程を図1に例示するが、非晶質および結晶性構成成分を含有する(染料または顔料を含まない)メインラインインクベースを用いる測定プロセスにおいて重要な工程を強調している。POMの下で見る場合に、溶融状態および時間ゼロにおいて、結晶性−非晶質インクは、光を通さない場合に黒色に見える。サンプルが結晶化したときに、結晶性領域はより明るく見える。TROMによって報告される数は、最初の結晶(結晶化オンセット)から最後の結晶(結晶化終了)までの時間を含む。
TROMプロセスの重要な測定されたパラメータの定義を以下に記載する:
時間ゼロ(T=0s)=溶融サンプルは、顕微鏡の下で冷却段階に置かれる。
Tオンセット=第1の結晶が現れる時間
T成長=第1の結晶(Tオンセット)から結晶化終了までの結晶成長期間(T合計)
T合計=Tオンセット+T成長
選択されたインクのためのTROM方法を用いて得られた結晶化時間は、実際の印刷デバイスにおけるインク液滴の結晶化時間であることとは同一ではないことが理解されるべきである。実際の印刷デバイス、例えば印刷機において、インクは相当速く固化する。TROM方法によって測定される合計結晶化時間と印刷機内のインクの固化時間との間には良好な相関が存在することを決定する。上記で記載される標準化条件において、インクは、TROM方法によって測定される20秒以内、15秒以内、または10秒以内(すなわち合計結晶化時間<20s、<15s、または<10s)に固化し、通常100フィート/分以上の速度での迅速な印刷に好適であることを決定する。そのため、本開示の趣旨上、15秒未満の結晶化速度は、迅速な結晶化であると考えられる。
一義的な方法にて結晶性含有配合物および結晶性−非晶質混合物配合物の結晶化速度を比較するために、結晶性−非晶質配合物に関する結晶化比(CR)という用語は次のように定義される:
合計(結晶性および非晶質混合物)
CR=−−−−−−−−−−−−−−−−−
合計(結晶性)
ここで、T合計(結晶性および非晶質混合物)は、結晶性化合物および非晶質化合物の対の混合物を含有するサンプルについての合計結晶化時間を表し;T合計(結晶性)は、結晶性化合物単独を含有するサンプルについての合計結晶化時間を表す。
いずれかの所与の純粋な結晶性材料の結晶化時間(T合計)は、同じ結晶性材料と非晶質材料との混合物と比較した場合に、短いことが予測される。理論に束縛されないが、結晶性−非晶質混合物中の結晶性構成成分は、非晶質分子との相互作用から分離される場合にのみ結晶化すると考えられる。結果として、CRの値は、本発明に開示されるすべての結晶性−非晶質インクすべてについて1より大きいことが予測される。
結晶性構成成分単独の結晶化時間と比較した場合に、CRについての大きな値は、徐々に結晶化する混合物を示すが、小さい値は、迅速に結晶化する混合物を示す。例えば、同じ実験TROM測定条件にて、結晶性材料単独が3秒以内、すなわちT合計(結晶性)=3sであり、結晶性および非晶質の混合物が、30秒で結晶化する、すなわちT合計(結晶性および非晶質)=30sである場合、これは、CR=30/3=10の混合物の結晶化比をもたらす。T合計(結晶性)=20sであり、T合計(結晶性および非晶質)=60sである場合、これはCR=60/20=3をもたらす。
定義されるように、CRは、所与の非晶質と混合される場合に、結晶性構成成分の結晶化速度に対する効果を計算する。
実際、CR<5は、迅速に結晶化する結晶性−非晶質配合物を示し、これは、結晶性構成成分単独に対して迅速に結晶化し;CR>5は、徐々に結晶化する結晶性−非晶質配合物を示し、これは結晶性構成成分単独に対して徐々に結晶化する。
実際、TROM試験において15秒以下のT合計(結晶性および非晶質)を有するインクは、約100フィート/分以上の速度での迅速な印刷に好適である。換言すれば、この要件を満たすインクは、印刷速度またはスピードよりも速い速度で固化する。
実施形態において、相変化インクの合計結晶化時間は、結晶性化合物単独の合計結晶化時間の5倍、4倍、または3倍以下である。
非晶質化合物
実施形態において、非晶質化合物は、式Iの酒石酸エステルまたは式IIのクエン酸エステルを含んでいてもよい
式中、R、R、R、R、およびRのそれぞれは、独立に、アルキル基(ここでこのアルキルは、約1〜約16個の炭素原子を有する、直鎖、分岐状または環状、飽和または不飽和、置換または非置換であることができる)である。実施形態において、R、R、R、RおよびRのそれぞれは、独立に、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチルおよびt−ブチルから選択される1つ以上のアルキル基で場合により置換されたシクロヘキシル基である。実施形態において、R、R、R、RおよびRのそれぞれは、独立に、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチルおよびt−ブチルから選択される1つ以上のアルキル基で場合により置換されたシクロヘキシル基である。
式Iを参照して、実施形態においては、RおよびRの1つが、2−イソプロピル−5−メチルシクロヘキシルであり、RおよびRの他の1つは、2−イソプロピル−5−メチルシクロヘキシル、4−t−ブチルシクロヘキシル、またはシクロヘキシルであり、あるいはRおよびRの1つは、4−t−ブチルシクロヘキシルであり、RおよびRの他の1つはシクロヘキシルである。実施形態において、RおよびRはそれぞれ、2−イソプロピル−5−メチルシクロヘキシルである。実施形態において、Rは、2−イソプロピル−5−メチルシクロヘキシルであり、Rは、4−t−ブチルシクロヘキシルである。実施形態において、Rは、2−イソプロピル−5−メチルシクロヘキシルであり、Rは、シクロヘキシルである。実施形態において、Rは、4−t−ブチルシクロヘキシルであり、Rは、シクロヘキシルである。
式IIを参照すれば、特定実施形態において、R、RおよびRの1つは、2−イソプロピル−5−メチルシクロヘキシルであり、R、RおよびRの他の1つは、2−イソプロピル−5−メチルシクロヘキシル、4−t−ブチルシクロヘキシル、またはシクロヘキシルであり、あるいはR、RおよびRの1つは、4−t−ブチルシクロヘキシルであり、R、RおよびRの他の1つはシクロヘキシルである。特定実施形態において、R、RおよびRのそれぞれは、2−イソプロピル−5−メチルシクロヘキシルである。特定実施形態において、Rは、2−イソプロピル−5−メチルシクロヘキシルであり、RおよびRのそれぞれは4−t−ブチルシクロヘキシルである。特定実施形態において、Rは2−イソプロピル−5−メチルシクロヘキシルであり、RおよびRのそれぞれがシクロヘキシルである。特定実施形態において、Rは4−t−ブチルシクロヘキシルであり、RおよびRはそれぞれシクロヘキシルである。
一部の好適な非晶質材料は、米国特許出願整理番号13/095,784に開示される。非晶質材料は、式
を有する酒石酸のエステルを含んでいてもよく、式中、RおよびRはそれぞれ、互いに独立に、またはそれらは同一または異なることができることを意味して、アルキル基(ここでこのアルキル部分は、約1〜約16個の炭素原子を有する直鎖、分岐状または環状、飽和または不飽和、置換または非置換基であることができる)からなる群から選択される。実施形態において、RおよびRのそれぞれは、独立に、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチルおよびt−ブチルから選択される1つ以上のアルキル基で場合により置換されたシクロヘキシル基である。
酒石酸骨格はL−(+)−酒石酸、D−(−)−酒石酸、DL−酒石酸、またはメソ酒石酸、およびこれらの混合物から選択される。R基および酒石酸の立体化学に依存して、エステルは結晶または安定な非晶質化合物を形成できる。特定実施形態において、非晶質化合物は、ジ−L−メンチルL−タートラート、ジ−DL−メンチルL−タートラート、ジ−L−メンチルDL−タートラート、ジ−DL−メンチルDL−タートラート、ならびにこれらのいずれかの立体異性体および混合物からなる群から選択される。脂肪族アルコールの混合物は、エステル化に使用されてもよい。例えば、2つの脂肪族アルコールの混合物は、エステル化に使用されてもよい。これらの混合反応において使用できる脂肪族アルコールの好適な例は、シクロヘキサノールおよび置換されたシクロヘキサノール(例えば、2−、3−または4−t−ブチルシクロヘキサノール)である。脂肪族アルコールのモル比は、25:75〜75:25、40:60〜60:40、または約50:50であってもよい。
非晶質化合物は、米国特許出願整理番号13/095,795に開示されるクエン酸のエステルを含んでいてもよい。これらの非晶質材料は、クエン酸のエステル化反応によって合成される。特にクエン酸は、種々のアルコールと反応させ、トリエステルを製造した。非晶質化合物は、酒石酸のエステル化反応によって合成される。
これらの材料は、噴出温度付近において(≦140℃、または約100〜約140℃、または約105〜約140℃)、相対的に低い粘度(<10センチポイズ(cps)、または約1〜約100cps、または約5〜約95cps)を示し、室温において非常に高い粘度(>10cps)を示す。室温での高い粘度は、堅牢性を付与する。これらの特徴が、材料を、非晶質構成成分のための良好な選択肢にする。
特に、ジ−DL−メンチルL−タートラート(DMT)は、特に本実施形態における非晶質化合物として使用するために好適であることがわかった。
非晶質構成成分を合成するために、酒石酸は、米国特許出願整理番号13/095,784に示される合成スキームにおいて示されるように、種々のアルコールと反応させ、ジ−エステルを製造した。種々のアルコール、例えばメントール、イソメントール、ネオメントール、イソネオメントールならびにこれらのいずれかの立体異性体および混合物がエステル化に使用されてもよい。脂肪族アルコールの混合物は、エステル化に使用されてもよい。例えば、2つの脂肪族アルコールの混合物は、エステル化に使用されてもよい。脂肪族アルコールのモル比は、25:75〜75:25、40:60〜60:40、または約50:50であってもよい。酒石酸と反応する場合、混合物が非晶質化合物を形成する好適な脂肪族アルコールの例としては、シクロヘキサノールおよび置換シクロヘキサノール(例えば、2−、3−または4−tert−ブチル−シクロヘキサノール)が挙げられる。
実施形態において、2モル当量以上のアルコールは、酒石酸のジエステルを製造するための反応中に使用されてもよい。1モル当量のアルコールが使用される場合、結果は大部分がモノエステルである。
他の好適な非晶質構成成分としては、米国特許出願整理番号13/095,795に開示されるものが挙げられる。非晶質材料は、以下の構造を有する化合物を含んでいてもよく;
、RおよびRは、独立に、アルキル基(ここでこのアルキルは、約1〜約16個の炭素原子を有する、直鎖、分岐状または環状、飽和または不飽和、置換または非置換であることができる)およびこれらの混合物である。特に、トリ−DL−メンチルシトレート(TMC)は、所望の非晶質選択肢であり、好適な熱特性およびレオロジー特性を与えるだけでなく、プリント画像に対して堅牢性を付与する。
これらの非晶質材料は、クエン酸のエステル化反応によって合成される。特に、クエン酸は、そこで開示される合成スキームに従って、トリエステルを製造するために種々のアルコールと反応させた。実施形態において、相変化インク組成物は、クエン酸および少なくとも1つのアルコールからエステル化反応において合成される非晶質化合物を用いることによって得られる。
これらの材料は、噴出温度付近において(≦140℃、または約100〜約140℃、または約105〜約140℃)、相対的に低い粘度(<10センチポイズ(cps)、または約1〜約100cps、または約5〜約95cps)を示し、室温において非常に高い粘度(>10cps)を示す。
実施形態において、非晶質化合物は、固体インク組成物を形成するために結晶性化合物と配合される。インク組成物は、良好なレオロジープロファイルを示す。K−プルーフによってコーティングされた紙に固体インク組成物によって創製されたプリントサンプルは、優れた堅牢性を示す。さらに、エステルベースとして酒石酸を用いることは、低コストであり、潜在的な生物由来供給源から得られるというさらなる利点を有する。
実施形態において、固体インク組成物は、エステル化反応において酒石酸および少なくとも1つのアルコールから合成される新規な非晶質化合物を用いることによって得られる。固体インク組成物は、結晶性化合物および着色剤と組み合わせて非晶質化合物を含む。本実施形態は、液体から固体へのシャープな相転移を実現するためにバランスのとれた非晶質および結晶性化合物を含み、所望のレベルの粘度を維持しながら、硬質および堅牢性の印刷画像を促進する。このインクで製造されたプリントは、市販のインクにも優る利点、例えばスクラッチに対する良好な堅牢性を示した。故に、固体インクのために非晶質化合物を提供する酒石酸の本エステルは、所望のレオロジープロファイルを有する堅牢性インクを製造することを見出し、インクジェット印刷に関する多くの要件を満たす。
実施形態において、非晶質材料は、インク組成物の総重量の約5重量%〜約40重量%、約5重量%〜約35重量%、または約10重量%〜約30重量%の量で存在する。
結晶性材料は、シャープな結晶化を示し、約140℃の温度において、相対的に低い粘度(≦12センチポイズ(cps)、または約0.5〜約20cps、または約1〜約15cps)を示すが、室温にて非常に高い粘度(>10cps)を示す。これらの材料は、150℃未満、約65〜約150℃、または約66〜約145℃の溶融温度(T溶融)を有し、60℃を超える、約60℃〜約140℃、または約65〜約120℃の結晶化温度(T結晶)を有する。T溶融とT結晶との間のΔTは約55℃未満である。
結晶性構成成分は、アミド、芳香族エステル、脂肪族線状二酸のエステル、ウレタン、スルホン、またはこれらの混合物を含んでいてもよい。
好適な結晶性構成成分は、以下の構造を含む
式中、RおよびRは、同一または異なることができ、RおよびRのそれぞれは、独立に、(i)線状または分岐状、環状または非環状、置換または非置換、飽和または不飽和アルキル基であることができるアルキル基であって、ここでこのアルキル基には場合によりヘテロ原子が存在してもよく、実施形態では約1〜約40個の炭素原子、約1〜約20個の炭素原子、または約1〜約10個の炭素原子を有するアルキル基;(ii)置換または非置換アリールアルキル基であることができるアリールアルキル基であって、ここでこのアリールアルキル基のアルキル部分が、線状または分岐状、環状または非環状、置換または非置換、飽和または不飽和であることができ、このアリールアルキル基のアリール部分またはアルキル部分のいずれかには場合によりヘテロ原子が存在してもよく、実施形態では約4〜約40個の炭素原子、約7〜約20個の炭素原子、または約7〜約12個の炭素原子を有するアリールアルキル基;および(iii)置換または非置換芳香族基であることができる芳香族基であって、ここでこの置換基は、線状または分岐状、環状または非環状アルキル基であることができ、芳香族基には場合によりヘテロ原子が存在してもよく、約3〜約40個の炭素原子、約6〜約20個の炭素原子、または約6〜約10個の炭素原子を有する芳香族基からなる群から選択される。
好適な結晶性構成成分は、以下の構造を含む
式中、R10およびR11は、同一または異なることができ、R10およびR11のそれぞれは、独立に、(i)線状または分岐状、環状または非環状、置換または非置換、飽和または不飽和アルキル基であることができるアルキル基であって、ここでこのアルキル基には場合によりヘテロ原子が存在してもよく、実施形態では約1〜約40個の炭素原子、約1〜約20個の炭素原子、または約1〜約10個の炭素原子を有するアルキル基;(ii)置換または非置換アリールアルキル基であることができるアリールアルキル基であって、ここでこのアリールアルキル基のアルキル部分が、線状または分岐状、環状または非環状、置換または非置換、飽和または不飽和であることができ、このアリールアルキル基のアリール部分またはアルキル部分のいずれかには場合によりヘテロ原子が存在してもよく、実施形態では約4〜約40個の炭素原子、約7〜約20個の炭素原子、または約7〜約12個の炭素原子を有するアリールアルキル基;および(iii)置換または非置換芳香族基であることができる芳香族基であって、ここでこの置換基は、線状または分岐状、環状または非環状アルキル基であることができ、芳香族基には場合によりヘテロ原子が存在してもよく、約3〜約40個の炭素原子、約6〜約20個の炭素原子、または約6〜約10個の炭素原子を有するが、これらの数はこれらの範囲外であることができる芳香族基;およびこれらの混合物からなる群から選択されるが、ただし、R10およびR11の少なくとも1つは、芳香族基であり;pは0または1である。
結晶性芳香族エーテルの非限定例としては、
およびこれらの混合物が挙げられる。
好適な結晶性構成成分は、以下の構造を有する脂肪族線状二酸のエステルを含む:
式中、R12は、置換または非置換アルキル鎖であってもよく、−(CH−から−(CH12−からなる群から選択され、式中、R13およびR14のそれぞれは、互いに独立に、置換または非置換芳香族またはヘテロ芳香族基からなる群から選択され、置換基は、アルキル基を含み、ここでこのアルキル部分は、直鎖、分岐状または環状であることができる。
好適な結晶性構成成分は、以下の構造:
を有するジウレタンを含み、式中、Qは、アルカンジイルであり;R15およびR16のそれぞれは、独立に、1つ以上のアルキルで場合により置換されたフェニルまたはシクロヘキシルであり;iは0または1であり;jは0または1であり;pは1〜4であり;qは1〜4である。こうした特定実施形態において、R15およびR16のそれぞれは、独立に、1つ以上のメチルまたはエチルで場合により置換されたフェニルまたはシクロヘキシルである。こうした特定実施形態において、R15およびR16はフェニルである。特定実施形態において、Qは、−(CH−であり、nは4〜8である。こうした特定実施形態において、nは6である。特定実施形態において、R15およびR16のそれぞれは、独立に、ベンジル、2−フェニルエチル、2−フェノキシエチル、ヒドロシンナミル、シンナミル、C(CH−、シクロヘキシル、2−メチルシクロヘキシル、3−フェニルプロパニル、3−メチルシクロヘキシル、4−メチルシクロヘキシル、シクロヘキシルメチル、2−メチルシクロヘキシルメチル、3−メチルシクロヘキシルメチル、4−メチルシクロヘキシルメチル、および4−エチルシクロヘキサニルから選択される。
好適な結晶性構成成分は、以下の構造を有するスルホン化合物を含む:
式中、R17およびR18は、同一または異なることができ、R17およびR18のそれぞれは、独立に、(i)線状または分岐状、環状または非環状、置換または非置換、飽和または不飽和アルキル基であることができるアルキル基であって、ここでこのアルキル基にはヘテロ原子が存在してもよく、実施形態では約1〜約40個の炭素原子、約1〜約20個の炭素原子、または約1〜約10個の炭素原子を有するが、これらの数はこれらの範囲外であることができるアルキル基;(ii)置換または非置換アリールアルキル基であることができるアリールアルキル基であって、ここでこのアリールアルキル基のアルキル部分が、線状または分岐状、環状または非環状、置換または非置換、飽和または不飽和であることができ、このアリールアルキル基のアリール部分またはアルキル部分のいずれかには場合によりヘテロ原子が存在してもよく、実施形態では約4〜約40個の炭素原子、約7〜約20個の炭素原子、または約7〜約12個の炭素原子を有するが、これらの数はこれらの範囲外であることができるアリールアルキル基;および(iii)置換または非置換芳香族基であることができる芳香族基であって、ここで芳香族基には場合によりヘテロ原子が存在してもよく、約3〜約40個の炭素原子、約6〜約20個の炭素原子、または約6〜約10個の炭素原子を有するが、これらの数はこれらの範囲外であることができる芳香族基;およびこれらの混合物からなる群から選択される。
実施形態において、R17およびR18のそれぞれは、独立に、1つ以上のハロ、アミノ、ヒドロキシ、またはシアノ基およびこれらの組み合わせで場合により置換されたアルキル、またはアリールであり、あるいはR17およびR18は、それらが結合するS原子と一緒になって、複素環式環を形成する。実施形態において、R17およびR18のそれぞれは、独立に、場合により置換されたアルキル、例えばメチル、エチル、イソプロピル、n−ブチル、またはt−ブチルである。実施形態において、R17およびR18のそれぞれは、独立に、場合により置換されたアリール、例えばフェニル、またはベンジルである。実施形態において、R17およびR18のそれぞれは、独立に、1つ以上のアミノ、クロロ、フルオロ、ヒドロキシ、シアノまたはこれらの組み合わせで場合により置換される。アリール基の置換は、フェニル基のオルト、メタまたはパラ位およびこれらの組み合わせにおいて行われてもよい。特定実施形態において、R17およびR18のそれぞれは、独立に、2−ヒドロキシエチル、またはシアノメチルである。
実施形態において、結晶性構成成分としては、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、ビス(4−アミノフェニル)スルホン、ビス(3−アミノフェニル)スルホン、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、ビス(4−フルオロフェニル)スルホン、2−ヒドロキシ(hycroxy)フェニル−4−ヒドロキシフェニルスルホン、フェニル−4−クロロフェニルスルホン、フェニル−2−アミノフェニルスルホン、ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)スルホン、ジベンジルスルホン、メチルエチルスルホン、ジエチルスルホン、メチルイソプロピルスルホン、エチルイソプロピルスルホン、ジ−n−ブチルスルホン、ジビニルスルホン、メチル−2−ヒドロキシメチルスルホン、メチルクロロメチルスルホン、スルホラン、3−スルホレン、およびこれらの混合物を挙げることができる。
実施形態のインクは、従来の添加剤をさらに含み、こうした従来の添加剤と関連した既知の機能を活用してもよい。こうした添加剤としては、例えば少なくとも1つの酸化防止剤、消泡剤、スリップおよび平滑剤、浄化剤、粘度調整剤、接着剤、可塑剤などを挙げることができる。
インクは、場合により、酸化から画像を保護するための酸化防止剤を含有してもよく、インク貯蔵器にて加熱された溶融物として存在する間、酸化からインク構成成分を保護してもよい。存在する場合、酸化防止剤は、いずれかの所望の量、例えばインクの0.25重量%〜10重量%または1重量%〜5重量%でインク中に存在してもよい。
実施形態において、本明細書で記載される相変化インク組成物はまた、着色剤を含んでいてもよい。いずれかの所望の着色剤は、染料、顔料、これらの混合物などを含んで、相変化インク組成物に利用されることができる。インクキャリア中に分散または溶解でき、他のインク構成成分と相溶性である限り、いかなる染料または顔料が選択されてもよい。相変化キャリア組成物は、従来の相変化インク着色剤材料、例えばカラーインデックス(C.I.)溶媒染料、分散染料、改質酸および直接染料、塩基性染料、硫黄染料、バット染料と組み合わせて使用できる。ポリマー染料も使用できる。顔料はまた、相変化インクのための好適な着色剤である。インクベース中の顔料分散液は、共力剤および分散剤によって安定化されてもよい。好適な顔料は、有機材料または無機材料であってもよい。
実施形態において、溶媒染料が利用される。溶媒染料の例としては、本明細書に開示されるインクキャリアとの相溶性のためにスピリットソルブル染料を挙げることができる。着色剤は、いずれかの所望の色または色相を得るためにいずれかの所望の量、例えば少なくともインクの0.1重量%〜50重量%、少なくともインクの0.2重量%〜20重量%、および少なくともインクの0.5重量%〜10重量%で相変化インク中に存在してもよい。
実施形態において、溶融状態では、相変化インクのためのインクキャリアは、噴出温度で約1〜約22cps、または約4〜約15cps、または約6〜約12cpsの粘度を有してもよい。噴出温度は、通常、約100℃〜約140℃の範囲に含まれる。実施形態において、固体インクは、室温にて約>10cpsの粘度を有する。実施形態において、固体インクは、10℃/分の速度にてDSCによって測定される場合に、約65〜約140℃、または約70〜約140℃、または約80〜約135℃のT溶融、および約40〜約140℃、または約45〜約130℃、約50〜約120℃のT結晶を有する。
インク組成物は、いずれかの好適な方法によって調製できる。インクキャリアの各構成成分は、共に混合されることができ、その後この混合物を少なくともその融点、60℃〜150℃、80℃〜145℃、または85℃〜140℃)に加熱する。インクは周囲温度にて固体である。1つの実施形態において、形成プロセス中、それらの溶融状態におけるインクは、モールドに注がれ、次いで冷却され、固化されてインクスティックを形成する。
特定の状況では、高速で印刷できるインクを提供することが有利な場合がある。これは、迅速な印刷プロセス中に印刷された画像のオフセットを防止するために、紙上に配置されたら非常に迅速に固化できるインクを必要とする。
いずれかの好適な基材または記録シートは、コーティングされたまたは普通紙を含むものが利用できる。透明材料、布地、繊維製品、プラスチック、ポリマーフィルム、無機記録媒体、例えば金属および木材も使用されてもよい。
実施例1
結晶性構成成分
結晶性TROMサンプルを上述の手順に従って調製した。結晶性材料の結晶化速度を測定したが、結果を表1に示す。
表1からわかるように、コントロールサンプルa〜eは、構造に拘わらず、結晶化オンセット(Tオンセット)および合計結晶化時間(T合計)に関して時間の長さが同様であることを示す。コントロールサンプルa〜eは5秒以内に結晶化したが、コントロールサンプルfは、相当遅く結晶化し、完全に結晶化するまではおおよそ19秒必要であった。コントロールサンプルfは、開示された設計規則が有効であることを示すためのコントロールとして使用した。すべての事項は等しく、N,N,N−トリブチル−2−ヒドロキシプロパン−1,2,3−トリカルボキサミドを用いて調製されたインクは、他の結晶性材料を用いて製造されたインクよりも徐々に結晶化することが予測される。
実施例2
結晶性−非晶質配合物
表2および3に示される結晶性および非晶質材料で構成された10gの混合物は、80%結晶性構成成分を有する組成物に関しては結晶性:非晶質=8g:2g、または70%結晶性構成成分を有する組成物については7g:3gのいずれかを混合して、140℃で30分間〜1時間撹拌することによって調製した。CRは、結晶性−非晶質対それぞれについて規格化し、計算されたCR値を表2および3に示した。
迅速に結晶化する配合物
表2に記載されるサンプル(#1−4)のすべては、TROM試験条件の下で、CR<2.5で迅速な固化時間(<15s)を示した。CR<5は、結晶性構成成分単独に対して、「迅速に」結晶化すると考えられるべき、非晶質−結晶性組み合わせに関して望ましい。結晶性構成成分は、アリールまたはアリールアルキル基を含有し、非晶質構成成分は脂肪族基だけを含有する。こういうものとして、これらのサンプルは、材料設計要件を満たす。
徐々に結晶化する配合物(カウンタ実施例)
表3に示されるすべてのサンプルは、TROM試験条件の下で、CR>5にて遅いまたは非常に遅い結晶化速度(>20s)を有する。本開示に従う定義によれば、これらのサンプルは、「徐々」に結晶化する配合物であると考えられる。サンプル5〜7のいずれも、迅速な結晶化配合物に関しての設計規則要件を満たさない。
サンプル5および6は、結晶性および非晶質構成成分の両方が、同じ官能基(OH基)をそれらのコア部分に含有するので、設計規則の要件(c)を満たさない。理論に束縛されないが、同じ官能基を有する構成成分は、混和性の程度が非常に高いと考えられ、これは、結晶化を可能にするための結晶性構成成分の非晶質樹脂からの迅速な分離にとって望ましくない。
同様に、サンプル7は、結晶性構成成分が、アリールまたはアリールアルキル基を含有せず、非晶質および結晶性構成成分の両方が同じ官能基(OH基)をそれらのコア部分に含有するので、設計規則の要件(a)および(c)を満たさず、結果として、CR=16の大きな値を示す。T合計(結晶性および非晶質)=310sを考慮すれば、これは、非常に遅く結晶化する組成物であり、迅速な印刷のためには推奨されない。
実施例3
選択された配合物および染料を用いて製造されたインク
徐々に結晶化する配合物(カウンタ実施例)
DPT/DMT(80/20)を含有する結晶性/非晶質インクベース組成物は、堅牢性インクを提供するために、以前から報告されていた(代理人ファイル番号20101139−390680)。配合物は、サンプル6(表3)である。前に記述されたように、本発明者らの経験から、インクベース配合物#6に染料を添加することによって、インクの結晶化を顕著に減速した(より高いT合計)。減速因子は、染料に対して非常に感受性である。表4からわかるように、インクの合計結晶化時間(T合計)は、24s(ベース単独、配合物#6)から、DR60染料(#10)に関しては65sに、SB67染料(#9)に関しては281sまで上昇し、これは4.3倍を表す。特に重要なことに、すべてのインク(8−10)は、結晶化が遅い(>20s)。
設計規則に従う迅速に結晶化するインク
表5に示されるいくつかのインクは、迅速に結晶化するインクベース(表2から選択される)から青色染料を添加することによって調製された。インクサンプル12−14のすべては、迅速な合計結晶化時間(T合計<15s)を示す。染料(Orasol Blue GNまたはSB101)のインクベースへの添加は、染料を添加していないインクベースであるサンプル4、1および2に関して同様の合計結晶化時間を示したので、インクの結晶化速度に影響を与えなかったことが示される。
これらの結果は、迅速な結晶化インクが本明細書に開示される設計規則の利用を通して得ることができることを示す。適切な結晶性および非晶質材料を選択するために合理的な設計を用いることにより、結晶化時間に関しての染料選択に対して感受性の少ない堅牢性インクベースが可能になる。
実施例4:迅速に結晶化するインクの堅牢性の実証
表5に記載されるインク12および13は、続いてK−印刷プルーファー(RK Print Coat Instrument Ltd.,Litlington,Royston,Heris,SG80OZ,U.K.が製造)を用いて、Xerox Digital Color Elite Gloss,120gsm(DCEG)にコーティングし、基材から容易に取り除くことができない堅牢性画像を形成した。
垂直から約15°の角度にて湾曲した先端を有するスクラッチ/ゴージフィンガーを、528gの重りと共に、約13mm/sの速度で画像にわたって引き寄せた場合に、インクは画像から明確には取り除かれなかった。スクラッチ/ゴージ先端は、約12mmの曲率半径を有する旋盤円形ノーズ切削ビットに類似する。
本明細書において言及されるすべての特許および出願は、それら全体を具体的に本明細書に参考として完全に組み込まれる。

Claims (10)

  1. 少なくとも1つの官能基を有し、少なくとも1つの非晶質末端基と結合している非晶質コア部分を含む非晶質化合物であり、ここでこの非晶質末端基は、アルキル基(ここでこのアルキルは、約1〜約16個の炭素原子を有する直鎖、分岐状または環状、飽和または不飽和、置換または非置換である)を含む非晶質化合物;
    少なくとも1つの官能基を有し、少なくとも1つの結晶性末端基と結合している結晶性コア部分を含む結晶性化合物であって、この結晶性末端基が芳香族基を含む結晶性化合物;ならびに
    任意の着色剤を含む相変化インクであって;
    ここで非晶質コア部分における官能基は、結晶性コア部分における官能基のいずれとも同一ではない、インク。
  2. 前記相変化インクの合計結晶化時間が、前記結晶性化合物単独の合計結晶化時間の5倍以下である、請求項1に記載の相変化インク。
  3. 前記インクが、1つを超える結晶性化合物を含む、請求項1に記載の相変化インク。
  4. 前記インクが、1つを超える非晶質化合物を含む、請求項1に記載の相変化インク。
  5. 前記非晶質化合物が、式Iの酒石酸エステルまたは式IIのクエン酸エステルを含む、請求項1に記載の相変化インク
    式中、R、R、R、R、およびRのそれぞれは、独立に、アルキル基(ここでこのアルキルは、約1〜約16個の炭素原子を有する、直鎖、分岐状または環状、飽和または不飽和、置換または非置換であることができる)である。
  6. 前記非晶質末端基が、1つ以上のアルキルで場合により置換されたシクロアルキルを含む、請求項1に記載の相変化インク。
  7. 前記非晶質化合物が、式Iの酒石酸エステルを含む、請求項5に記載の相変化インクであって、RおよびRの1つが、2−イソプロピル−5−メチルシクロヘキシルであり、RおよびRの他の1つは、2−イソプロピル−5−メチルシクロヘキシル、4−t−ブチルシクロヘキシル、またはシクロヘキシルであり、あるいはRおよびRの1つは、4−t−ブチルシクロヘキシルであり、RおよびRの他の1つはシクロヘキシルである、インク。
  8. 前記結晶性/非晶質比が、約60:40〜約95:5である、請求項1に記載の相変化インク。
  9. 前記インクが、約140℃の温度にて、22cps未満の粘度、および室温にて1×10cpsを超える粘度を有する、請求項1に記載の相変化インク。
  10. 以下の構造を有し、少なくとも1つの非晶質末端基と結合している非晶質コア部分を含む非晶質化合物:
    ;および
    結晶性コア部分を含む結晶性化合物であって、少なくとも1つの官能基を有し、少なくとも1つの結晶性末端基に結合しており、ここで官能基は−OHではない結晶性化合物;および
    着色剤を含む相変化インクであって;
    ここでこの非晶質末端基は、アルキルを含み、ここでこのアルキルは、約1〜約16個の炭素原子を有する直鎖、分岐状または環状、飽和または不飽和、置換または非置換であり、
    ここでこの結晶性末端基は、場合により置換された芳香族基を含み、
    ここでこの相変化インクの合計結晶化時間は、結晶性化合物単独の合計結晶化時間の約5倍以下である、インク。
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