JP2018168203A - インクジェット用水性発泡インキ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ある程度の粘度を有してインクジェット方式に適用できるインクジェット用水性発泡インキ及びその製造方法を提供する。【解決手段】インクジェット用水性発泡インキは、純水からなる溶媒と、溶媒中に存して熱可塑性樹脂を外殻として有する発泡性のマイクロカプセルからなる発泡剤と、発泡剤を溶媒中に分散させるための分散剤と、発泡剤が溶媒中で沈降することを防止するための沈降防止剤と、溶媒よりも沸点の高い水溶性有機溶剤からなる乾燥防止剤と、樹脂製のバインダーとを備えている。これにより、インクジェット方式にて発泡性のあるインキを印刷できるようになる。【選択図】 図１

Description

本発明は、インクジェット方式に好適に利用できる発泡性を備えたインクジェット用水性発泡インキ及びその製造方法に関するものである。

一般的に絵、文字等の表面を立体にする目的や、点字等の用途として印刷物のインキを盛り上げて立体形状を形成する発泡性インキが知られている。この発泡性インキの製法としては、化学発泡剤を添加し加熱発泡させる手法や、低沸点溶媒を密閉内包させたマイクロカプセルを添加し加熱発泡させる手法が知られている。このうち、マイクロカプセルをインキ中に添加する手法では、マイクロカプセルの粒径が平均粒径数μｍ（最大粒径約数十μｍ）と粒子径が大きく、また比重も１より重いことから、均一にマイクロカプセルを保持するには、インキの粘度をある程度高く設定する必要がある。そのために発泡性インキはバインダー樹脂が多く配合されることや増粘剤が含まれて形成される。

上記発泡性インキを使用した印刷物の作製には、直接ペンなどで描画し加熱発泡するか、スクリーン印刷後（孔版印刷）加熱発泡する手法が一般的である。しかし、直接ペンで描画する手法は、同様の印刷物を得るには熟練度の問題と生産性に課題があり、スクリーン印刷の手法では、同一印刷物の連続生産や生産性の課題はないものの、製版工程が必要である為、少量多品種の印刷物を得るには効率的ではない課題がある。

一方、インクジェット印刷方式は、電子的に作成した画像データをプリンターに出力し、直接、印刷する方式で、製版工程がなく、近年、写真、各種印刷、マーキング、カラーフィルター、機能性材料のダイレクトパターニング印刷等、特殊印刷にも利用され、様々な印刷分野で応用されている印刷方式である。

このインクジェット印刷方式としては、ピエゾ方式とサーマル方式が知られている。ピエゾ方式は電圧を加えると変形するピエゾ素子（圧電素子）を用いてインキを飛ばす方式であり、サーマル方式は急速な加熱をヘッド内部に発生させて膜沸騰現象を用いてインキを飛ばす方式である。いずれの方式もヘッドからインキが吐出されて印刷される。ヘッドの構造としてはマルチヘッドとシングルヘッドがある。マルチヘッドはヘッドの種類にもよるが、ノズルを約１２８個〜２５００個有していて、多くのインキを一度に吐出でき、高画質、高生産向けに開発されたヘッドである。しかしマルチヘッドは内部の構造が複雑であり、ノズル径は約２０μｍ以下であるため、使用できるインキの成分、物性に制約がある。一方、シングルヘッドはノズルが１個であるため、マルチヘッドと比較すると画質や生産性は劣るが、内部構造がシンプルであり、マルチヘッドで吐出できないようなある程度大きな粒子を含んだインキや水のような表面張力が高いインキを吐出することが可能である。

このようなインクジェット印刷方式に用いるインキとして上述した発泡性インキを用いることは困難であった。理由としては、バインダー樹脂が多く配合されている発泡性インキや増粘剤を含む発泡性インキはチキソ性を有するため、インクジェット印刷方式でインクを吐出する際、粘性抵抗を生じてしまいインキが飛ばなくなってしまう。したがってインクジェット用インキとしては、チキソ性を抑えることが必要であり、可能な限りインクジェット用インキとしては粘度を低くすることやニュートン流体であることが求められている（例えば特許文献１参照）。そのため、バインダー樹脂を多量に添加する必要や増粘剤が必要であるマイクロカプセル含有のインキはインクジェット印刷方式に用いるインキとしては適していないと考えられている。

特開２００２−３２２３９４号公報

本発明は、上記従来技術を考慮したものであり、ある程度の粘度を有してインクジェット方式に適用できるインクジェット用水性発泡インキ及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明では、純水からなる溶媒と、該溶媒中に存して熱可塑性樹脂を外殻として有する発泡性のマイクロカプセルからなる発泡剤と、該発泡剤を前記溶媒中に分散させるための分散剤と、前記発泡剤が前記溶媒中で沈降することを防止するための沈降防止剤と、前記溶媒よりも沸点の高い水溶性有機溶剤からなる乾燥防止剤と、樹脂製のバインダーとを備えたことを特徴とするインクジェット用水性発泡インキを提供する。

好ましくは、前記沈降防止剤は、合成ヘクトライトを含む添加剤と、前記溶媒の粘度を上げる増粘剤との両方で形成されている。

好ましくは、前記分散剤は、前記溶媒の表面張力を下げる界面活性剤と、前記発泡剤の凝集を防止する凝集防止剤との両方で形成されている。

また、本発明では、前記溶媒に対して前記分散剤を溶解する分散準備工程と、該分散準備工程の後、前記乾燥防止剤を添加する乾燥防止剤添加工程と、該乾燥防止剤添加工程の後、前記発泡剤を添加する発泡剤添加工程と、該発泡剤添加工程の後、予め作製しておいた前記添加剤の水溶液を滴下する添加剤滴下工程と、該添加剤滴下工程の後、前記バインダーを添加するバインダー添加工程と、該バインダー添加工程の後、予めｐＨ５以上ｐＨ６以下に調整された前記増粘剤を滴下する増粘剤滴下工程とを備えたことを特徴とするインクジェット用水性発泡インキの製造方法を提供する。

本発明によれば、溶媒中に分散剤があるため、発泡剤を溶媒中で均一に分散させることができる。さらに、沈降防止剤が備わるため、分散剤により溶媒中に分散している発泡剤が時間の経過とともに沈降してしまうことを防止できる。そしてこれに乾燥防止剤及びバインダーが含まれているので、インクジェット印刷方式の印刷機に備わるノズルの乾燥を抑制でき、紙などの印刷対象物に対して良好な接着性をもたせて印刷することができる。したがって、インクジェット印刷方式にて発泡性のある水性インキを印刷できるようになる。

特に沈降防止剤として合成ヘクトライトを含む添加剤及び増粘剤の両方を用いることで、インクジェット印刷方式に良好に用いることができるインキが形成されることを確認している。また、発泡剤の分散性向上と凝集防止を図るために分散剤としては界面活性剤及び凝集防止剤の両方を含めた方が良好であることを確認している。

また、添加剤、バインダー、増粘剤を混合する添加剤滴下工程、バインダー添加工程、増粘剤滴下工程の前に乾燥防止剤を添加する乾燥防止剤添加工程を行うことで、乾燥防止剤による添加剤、バインダー、増粘剤へのソルベントショックを防止できる。また、予め分散剤を溶媒に溶解しておく分散準備工程を行うことで、発泡剤添加工程での発泡剤の分散性を高めることができる。また、添加剤を予め水溶液とすることで、溶媒中での添加剤の均一性を高めることができる。また、バインダー添加工程を分散準備工程及び発泡剤添加工程より後に行うことで、溶媒中で分散剤及び発泡剤が良好に混合されることを確認している。またバインダー添加工程を最終工程である増粘剤滴下工程の前に行うことで、バインダーの析出を抑制できる。また、増粘剤滴下工程を最後に行うことで、インクジェット方式に適した粘度に最終的に調整できる。このとき、増粘剤のｐＨを調整しておくことで、インキへの影響を極力抑制できる。

本発明に係るインクジェット用水性発泡インキの製造方法を示すフローチャートである。

本発明に係るインクジェト用水性発泡インキは、以下の構成要件にて形成されている。まずは溶媒となる純水を備えている。この溶媒中に、発泡剤が混合されている。この発泡剤は熱膨張性のマイクロカプセルであり、カプセル外殻は疎水性及び熱可塑性の樹脂、例えば塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）とアクリロニトリル（ＡＮ）のコポリマーを主としたものが用いられる。カプセル内部には液体状態の炭化水素が加圧封入されている。この発泡剤は加熱されると内部の液体炭化水素が気化するとともに外殻の樹脂も軟化するため膨張する。いわば、発泡剤たるマイクロカプセルは中空のマイクロバルーン状態となる。インキ中にこの発泡剤があることで、立体的（紙面に対して盛り上がる）な印刷が可能となる。この発泡剤は、平均粒径が６μｍ〜９μｍであり、最大粒径は２０μｍ（好ましくは１５μｍ）である。また、比重は１．２である。また、膨張が開始される膨張開始温度は１００℃〜１０６℃であり、膨張が終了する膨張最大温度は１３７℃〜１４５℃である。

さらに本発明のインキは、分散剤が溶媒中に混合されている。この分散剤は発泡剤を溶媒中に分散させるためのものであり、界面活性剤と凝集防止剤とで形成されている。界面活性剤は例えばポリエーテル系非イオン界面活性剤であり、その役割は溶媒たる純水の表面張力を下げることである。界面活性剤のＨＬＢは４〜５が好ましい。この界面活性剤があることで、疎水性の発泡剤が溶媒表面に浮いてしまうことが防止され、溶媒中に入り込ませることができる。

凝集防止剤は例えば縮合ナフタレンスルホン酸系アンモニウム塩タイプであり、その役割は発泡剤の凝集を防止することである。この凝集防止剤があることで、溶媒中に入り込んできた発泡剤は凝集せず、溶媒中で均一に分散される。これら界面活性剤と凝集防止剤とで分散剤を形成することで、発泡剤は溶媒中に均一に分散される。したがって、分散剤としてはこの界面活性剤と凝集防止剤とは両方が備わっている必要がある。

さらに本発明のインキは、沈降防止剤が溶媒中に混合されている。この沈降防止剤は、発泡剤が溶媒中で沈降することを防止するためのものである。沈降防止剤は、合成ヘクトライトを含む添加剤と、溶媒の粘度を上げる増粘剤との両方で形成されている。添加剤は合成ヘクトライト（ケイ酸塩）を含み、例えば低せん断力で高粘度、又は高せん断力で低粘度になる層状ケイ酸塩や、これに無機ポリリン酸塩を含めたものを使用できる。増粘剤は例えば低せん断力で高粘度、又は高せん断力で低粘度になるような粘性調整剤（アルカリ膨潤型エマルジョン、ポリビニルピロリドン、セルロース誘導体）を使用できる。特にアルカリ膨潤型エマルジョンはアルカリ条件下の溶媒中で膨潤し、沈んでくる発泡剤を捉えるので発泡剤の沈降防止剤としては好適である。上述した分散剤のみでは発泡剤は溶媒中に均一に分散はされるが、比重が１．２であるため時間の経過とともに沈降してしまう。このとき沈降防止剤があることで、発泡剤は時間が経過しても溶媒中に均一に分散された状態を安定して維持し続けることができるようになる。

また、本発明のインキは、例えば水溶性ウレタン樹脂からなるバインダーが溶媒中に混合されている。このバインダーは印刷物を紙面等に定着させるいわば接着の役割を果たす。さらに溶媒中には乾燥防止剤も混合されている。乾燥防止剤は水溶性有機溶剤であり、例えばメチルトリグリコール（トリエチレングリコールモノメチルエーテル）が使用可能である。この乾燥防止剤は溶媒よりも沸点が高く（例えば２４９℃）、したがって溶媒が蒸発しても乾燥防止剤は蒸発しない状態を形成できる。インクジェットノズルは外気にさらされているため、ノズルに付着している残存インキの溶媒たる純水は容易に蒸発していく。するとインキが増粘されてバインダーのウレタンが析出してしまい、ノズル詰まりの原因となる。しかしこの乾燥防止剤を含めることでノズルでのインキの増粘によるノズル詰まりを防止できるようになる。

以上より、本発明によれば、溶媒中に分散剤があるため、発泡剤を溶媒中で均一に分散させることができる。さらに、沈降防止剤が備わるため、分散剤により溶媒中に分散している発泡剤が時間の経過とともに沈降してしまうことを防止できる。そしてこれに乾燥防止剤及びバインダーが含まれているので、インクジェット印刷方式の印刷機に備わるノズルの乾燥を抑制でき、紙などの印刷対象物に対して良好な接着性をもたせて印刷することができる。したがって、インクジェット印刷方式にて発泡性のあるインキを印刷できるようになる。特に沈降防止剤として合成ヘクトライトを含む添加剤及び増粘剤の両方を用いることで、インクジェット印刷方式に良好に用いることができるインキが形成されることを確認している。また、発泡剤の分散性向上と凝集防止を図るために分散剤としては界面活性剤及び凝集防止剤の両方を含めた方が良好であることを確認している。

本発明のインキがインクジェット印刷方式に適している理由を詳述すると、上述したように疎水性の発泡剤は分散剤にて溶媒中で均一に分散される。この状態はある程度バインダーにて保持される。そして、時間の経過とともに発泡剤が沈降してしまうことを沈降防止剤にて防止している。溶媒の粘度を単純に上げれば発泡剤は均一に分散保持されるが、このような高粘度インキはインクジェットにそのまま適用できない。したがって発泡剤の沈降防止として単に増粘剤のみを用いるのではなく、合成ヘクトライトを含む添加剤も用いることで低粘度の状態で発泡剤を均一に長時間インキ中に分散保持できるようにしている。

ここで、本発明に係るインクジェット用水性発泡インキの発泡剤は最大粒径２０μｍ（好ましくは１５μｍ）のものが使用されている。このため、適用するインクジェット印刷機としては、ノズル径が比較的大径のシングルヘッドを採用しているものについて好適に利用できる。インキ内で発泡剤は均一に分散されて保持されているので、シングルヘッドのノズルから吐出されたインキにも発泡剤が均一に分散されている。吐出後加熱することで、発泡剤が発泡して体積が増加し、盛り上がった印刷が可能となる。また、溶媒中に着色剤を入れれば、着色印刷も可能となり、インクジェット印刷方式による多色印刷も可能となる。

本発明に係るインクジェット用水性発泡インキは、以下の工程を経て製造することができる。まずは分散準備工程を行う（ステップＳ１）。この分散準備工程は、溶媒に対して分散剤を溶解する工程である。具体的には、溶媒となる純水を用意し、ここに分散剤（界面活性剤及び凝集防止剤）を入れて撹拌する。これにより、表面張力が下がった溶媒が形成される。

次に、乾燥防止剤添加工程を行う（ステップＳ２）。この乾燥防止剤添加工程は、分散準備工程の後に行われ、乾燥防止剤を添加する工程である。具体的には、水溶性有機溶剤を溶媒に添加し、撹拌する。この工程は、後に添加される添加剤やバインダー、あるいは増粘剤よりも先に添加される。これにより、乾燥防止剤による添加剤、バインダー、増粘剤へのソルベントショックを防止できる。

次に、発泡剤添加工程を行う（ステップＳ３）。この発泡剤添加工程は、乾燥防止剤添加工程の後に行われ、発泡剤を添加する工程である。具体的には、熱膨張性のマイクロカプセルを溶媒に添加する。溶媒である純水の表面張力が上記分散準備工程により下げられているため、ここで発泡剤を添加すると発泡剤は均一に分散される。分散剤は発泡剤を溶媒に添加した後に入れるよりも、発泡剤の前に入れた方が効果が高いため、分散準備工程は発泡剤添加工程よりも前に行うことが好ましい。

次に、添加剤滴下工程を行う（ステップＳ４）。この添加剤滴下工程は、発泡剤添加工程の後に行われ、予め作製しておいた添加剤の水溶液を滴下する工程である。具体的には、１．０％の添加剤（合成ヘクトライト）水溶液を予め作製し、この溶液を滴下していく。このように添加剤を水溶液とすることで、均一に混ざるように添加することができる。濃度は１．０％未満であると沈降防止効果がなく、１．０％より高いと流動性がなくなりゲル化してしまう。

次に、バインダー添加工程を行う（ステップＳ５）。このバインダー添加工程は、添加剤滴下工程の後に行われ、バインダーを添加する工程である。具体的には、バインダーである水溶性ウレタン樹脂を添加していく。このバインダー添加工程を分散準備工程及び発泡剤添加工程より後に行うことで、溶媒中で分散剤及び発泡剤が良好に混合される。またバインダー添加工程を最終工程である増粘剤滴下工程の前に行うことで、バインダーの析出を抑制できる。

次に、増粘剤滴下工程を行う（ステップＳ６）。この増粘剤滴下工程は、バインダー添加工程の後に行われ、予めｐＨ５以上ｐＨ６以下に調整された増粘剤を滴下する工程である。具体的には、増粘剤の原液に対してアンモニア水等を加えることでインキ作製に適したｐＨである５以上６以下に調整する。そしてこれを滴下することで徐々に粘度を上げていき、インクジェット印刷機に適用できる粘度まで調整する。このように、増粘剤滴下工程を最後に行うことで、インクジェット印刷方式に適した粘度に最終的に調整することができる。

Claims (4)

1. 純水からなる溶媒と、
   該溶媒中に存して熱可塑性樹脂を外殻として有する発泡性のマイクロカプセルからなる発泡剤と、
   該発泡剤を前記溶媒中に分散させるための分散剤と、
   前記発泡剤が前記溶媒中で沈降することを防止するための沈降防止剤と、
   前記溶媒よりも沸点の高い水溶性有機溶剤からなる乾燥防止剤と、
   樹脂製のバインダーとを備えたことを特徴とするインクジェット用水性発泡インキ。
2. 前記沈降防止剤は、合成ヘクトライトを含む添加剤と、前記溶媒の粘度を上げる増粘剤との両方で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット用水性発泡インキ。
3. 前記分散剤は、前記溶媒の表面張力を下げる界面活性剤と、前記発泡剤の凝集を防止する凝集防止剤との両方で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェット用水性発泡インキ。
4. 前記溶媒に対して前記分散剤を溶解する分散準備工程と、
   該分散準備工程の後、前記乾燥防止剤を添加する乾燥防止剤添加工程と、
   該乾燥防止剤添加工程の後、前記発泡剤を添加する発泡剤添加工程と、
   該発泡剤添加工程の後、予め作製しておいた前記添加剤の水溶液を滴下する添加剤滴下工程と、
   該添加剤滴下工程の後、前記バインダーを添加するバインダー添加工程と、
   該バインダー添加工程の後、予めｐＨ５以上ｐＨ６以下に調整された前記増粘剤を滴下する増粘剤滴下工程とを備えたことを特徴とする請求項２に記載のインクジェット用水性発泡インキの製造方法。

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