JP6812138B2 - インクジェット記録方法、及びインクジェット記録装置 - Google Patents

インクジェット記録方法、及びインクジェット記録装置 Download PDF

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Description

本発明は、インクジェット記録方法、及びインクジェット記録装置に関する。
インクジェット記録方法では様々な記録媒体への記録が可能である。そして、より良好な画像を得るため、例えば、光沢紙などに写真画質の画像を記録するのに適したインクや、普通紙などに文書を記録するのに適したインクなど、その用途に応じて種々のインクについての提案がなされている。
近年では、記録媒体として普通紙などを用い、文字や図表などを含むビジネス文章などの記録にもインクジェット記録方法が利用されており、このような用途への使用頻度が格段に高まってきている。インクジェット記録方法の発展に伴い、長期間に渡る使用に耐え得るべく耐久性や信頼性を高めるとともに、記録可能枚数を多くすることで高い生産性を実現することが要求されるようになっている。かかる要求に対し、表面張力が低いとともに、溶存酸素量が少ないインクを用いることで、パージ回復性(吐出口からインクを吸引して不吐出を改善すること)を高めようとする提案がある(特許文献1参照)。
特開2004−083621号公報
本発明者らは、生産性を高めるべく、インクジェット記録装置に、主インク収容部であり大気連通部を有するメインタンクと、サブタンクとを設け、メインタンクの容量を拡大する検討を行った。その際、特許文献1に記載された溶存酸素量が少ないインクを用いることで、信頼性は高まる傾向にあることが確認された。しかし、メインタンクを拡大した記録装置を用い、長期間に渡ってインクを吐出させて記録を行うと、画像の乱れが徐々に生じやすくなるという課題が生じた。そして、この課題は、特許文献1に記載されたインクによっても解決できないことがわかった。
したがって、本発明の目的は、大気連通部を有するメインタンクと、サブタンクとのインク収容量の比率が特定の関係にある記録装置を用い、長期間に渡ってインクを吐出させた場合でも良好な吐出性が維持されるインクジェット記録方法を提供することにある。また、本発明の別の目的は、前記インクジェット記録方法に好適に用いられるインクジェット記録装置を提供することにある。
上記の目的は、以下の本発明によって達成される。すなわち、本発明にかかるインクジェット記録方法は、大気連通部を有する第1インク収容部、第2インク収容部、及び記録ヘッドを備えたインクジェット記録装置を使用し、水性インクを前記記録ヘッドから吐出して記録媒体に画像を記録するインクジェット記録方法であって、前記第1インク収容部のインク最大収容量V(mL)が、前記第2インク収容部のインク最大収容量V(mL)に対する比率で、3.0倍以上8.0倍以下であり、前記第2インク収容部に収容されたインクの温度T(℃)が、前記第1インク収容部に収容されたインクの温度T(℃)よりも高く、かつ、前記第2インク収容部に収容されたインクの温度T (℃)、及び前記第1インク収容部に収容されたインクの温度T (℃)の差が5℃以上30℃以下であり、前記水性インクが、色材、及びグリフィン法により求められるHLB値が8.0以上の界面活性剤を含有することを特徴とする。
本発明によれば、大気連通部を有するメインタンクと、サブタンクとのインク収容量の比率が特定の関係にある記録装置を用い、長期間に渡ってインクを吐出させた場合でも良好な吐出性が維持されるインクジェット記録方法を提供することができる。また、本発明によれば、前記インクジェット記録方法に好適に用いられるインクジェット記録装置を提供することができる。
本発明のインクジェット記録装置の一実施形態を模式的に示す斜視図である。 インク供給系の一例を示す模式図である。
以下に、好ましい実施の形態を挙げて、さらに本発明を詳細に説明する。なお、以下、インクジェット用の水性インクのことを「インク」、第1インク収容部のことを「メインタンク」、第2インク収容部のことを「サブタンク」と記載することがある。また、物性値は、特に断りのない限り、常温(25℃)における値とする。
先ず、本発明者らは、大気連通部を有するメインタンク、及びサブタンクのインク最大収容量が大きく異なるという構成を有するインクジェット記録装置を用いて、長期間に渡ってインクを吐出させた場合に生じる、画像の乱れの原因について検討を行った。その結果、記録ヘッドからインクを吐出して多くの画像を記録する過程で、記録ヘッドのインク流路に気泡が侵入しやすくなり、その気泡によってインクの正常な吐出が妨げられ、画像が乱れるようになることがわかった。
次に、本発明者らは、上記のような現象が生じる理由を詳細に調べた。その結果、大気連通部を有するメインタンクの内部においてインク中の溶存ガス量が増加し、このインクがサブタンクを経て記録ヘッドへと供給されていくために、記録ヘッドのインク流路に気泡が付着し、インクの正常な吐出が妨げられることがわかった。以下、これらの現象について説明する。
本発明においては、生産性を高めるべく、メインタンクの容量が大きいインクジェット記録装置を用いるため、サブタンクの容量に対する比率が大きくなっている。さらに、このメインタンクは、大気連通部を有する。このような記録装置を用い、長期間に渡ってインクを記録ヘッドから吐出させ、インクが消費されると、以下のような現象が起こる。すなわち、インクの消費に伴い、メインタンク内のインクの液面が低くなるとともに、大気連通部を通じてメインタンクの内部に空気が導入される。そして、容量が大きいメインタンクは、その分多くの空気を取り込むだけでなく、液面は徐々に低下していくものの、インクがメインタンクに収容されている期間も長くなる。したがって、一般的なインク収容量である従来の記録装置と比して、インクと空気とが接触する期間が顕著に長くなるため、インク中に空気が溶け込みやすくなって、インク中の溶存ガス量は徐々に増加していく。
このようにしてメインタンクの内部において溶存ガス量が増加したインクが、サブタンクを経て記録ヘッドへと供給されていく過程では、以下のような現象が生じると考えられる。インク供給系は、チューブやサブタンク、また、記録ヘッドのインク流路など、様々な径を持つ部材で構成され、これらを通じてインクが流れていく。この過程では、インクが通過する部材の径の増減によりインクにかかる圧力が急激に変化するポイントがある。溶存ガス量が多いインクの場合、このようなポイントの付近においてインクにかかる圧力が急激に下がると、溶存ガスがインクに溶けた状態が保てず、気泡が形成されやすくなる。このようにして生じた気泡が記録ヘッドのインク流路に侵入して流路壁に付着し、インクの正常な吐出が妨げられると考えられる。
本発明者らは、インク中の溶存ガス量が多くなりやすい状況であっても、良好な吐出性を維持するための手法について検討を行った。その結果、サブタンクに収容されたインクの温度を、メインタンクに収容されたインクの温度よりも高くすることで、記録ヘッドのインク流路への気泡の侵入が抑制されやすくなることがわかった。このメカニズムは以下のように推測される。
インクの温度と粘度との関係は、温度が高くなると、粘度が低くなることが知られている。収容されたインクの温度をサブタンク>メインタンクの関係とすることで、インクの粘度はメインタンク>サブタンクの関係となり、メインタンクからサブタンクに供給されることによってインクの粘度が下がることになる。サブタンクに収容されたインク中において気泡が生じたとしても、移動しやすい状態となる。さらに、サブタンクに収容されたインクの温度が高いため、気泡を形成する空気も温められることになり、気泡の膨張に伴い密度が小さくなるため、重力とは反対の方向への気泡の移動が促進され、記録ヘッドのインク流路には侵入しづらくなる。
その一方で、サブタンクに収容されたインクの温度が高いため、溶存ガスがインクに溶けた状態はより保たれにくくなり、新たな気泡が形成されやすい条件となるとも言える。つまり、収容されたインクの温度をサブタンク>メインタンクの関係とすることのみでは、吐出性の低下を抑制できるほどにまでは気泡の発生が抑制されないということになる。
本発明者らがさらなる検討を行った結果、収容されたインクの温度をサブタンク>メインタンクの関係とするとともに、グリフィン法により求められるHLB値が8.0以上の界面活性剤をインクに含有させるのが有効であることを見出した。かかる構成とすることにより、気泡を消失させる作用が生じ、長期間に渡ってインクを吐出させた場合でも良好な吐出性が維持される。このメカニズムは以下のように推測される。
グリフィン法により求められるHLB値が8.0以上の界面活性剤は、泡と水性インクの気液界面に存在するのに適した親水性−疎水性のバランスを持つ。これに加えて、この界面活性剤はある程度の大きさの親水性基を有するため、インク中の水分子と水素結合を形成する。但し、収容されたインクの温度がサブタンク>メインタンクの関係となっている場合、メインタンクと比して、サブタンクに収容されたインク中の水分子の運動は活発になるため、界面活性剤と水分子との水素結合が切れやすくなる。すると、水性インクへの界面活性剤の溶解度が低くなり、サブタンクに収容されたインク中で新たに気泡が発生しても、泡とインクの気液界面付近に界面活性剤が存在しづらくなり、気泡が消失しやすくなる。
HLB値が8.0以上の界面活性剤を含有するインクであっても、上述の温度の関係を満たさない場合、吐出性を維持することはできない。上記界面活性剤はノニオン性分子であるため、インク中において気泡膜の気液界面付近に存在する界面活性剤の分子間においては電気的な反発が生じない。このため、複数の気泡が互いに接近すると、気泡が合体しやすい。このとき、気泡は大きくなるため、浮力が増し、記録ヘッドのインク流路への侵入が抑制されるとも考えられる。その一方で、合体によっても浮力が増さないような小さい気泡の場合、記録ヘッドのインク流路への気泡の侵入を抑制することはできない。これは、上記界面活性剤は適度な大きさの親水性基を有するため、インク中の水分子と水素結合を形成することによって気泡がインクになじみやすくなるためである。
HLB値が8.0未満の界面活性剤は、水性インクを構成する水への溶解度がかなり低く、泡とインクの気液界面に界面活性剤が安定して存在することができない。したがって、収容されたインクの温度をサブタンク>メインタンクの関係としても、気泡を消失させる作用が生じにくい。
このように、収容されたインクの温度をサブタンク>メインタンクの関係とするとともに、特定の界面活性剤を用いることで、インク流路への気泡の侵入抑制と気泡の消失促進という両方の作用が生じる。これらによって、上述のような気泡が生じやすい状況であっても、気泡の発生が抑制され、良好な吐出性を維持することができると考えられる。
以下、本発明のインクジェット記録方法、並びに本発明のインクジェット記録方法で好適に用いることができるインクジェット記録装置、記録ヘッド、及び水性インクなどについてそれぞれ説明する。
<インクジェット記録装置の概略構成>
本発明のインクジェット記録方法は、大気連通部を有する第1インク収容部、第2インク収容部、及び記録ヘッドを備えたインクジェット記録装置を使用し、水性インクを前記記録ヘッドから吐出して記録媒体に画像を記録するインクジェット記録方法である。そして、第1インク収容部のインク最大収容量V(mL)は、第2インク収容部のインク最大収容量V(mL)に対する比率で、3.0倍以上50.0倍以下である。また、第2インク収容部に収容されたインクの温度T(℃)は、第1インク収容部に収容されたインクの温度T(℃)よりも高い。さらに、水性インクは、色材、及びグリフィン法により求められるHLB値が8.0以上の界面活性剤を含有する。以下、本発明のインクジェット記録方法及びそれに用いるインクジェット記録装置の詳細について、図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明のインクジェット記録装置の一実施形態を模式的に示す斜視図である。図1に示す実施形態のインクジェット記録装置は、X方向(主走査方向)に記録ヘッドを往復走査させて記録動作を行う、いわゆるシリアル方式のインクジェット記録装置である。記録媒体101は、搬送ローラ107によってY方向(副走査方向)へと間欠的に搬送される。記録媒体としては、普通紙などのコート層を有しない記録媒体;光沢紙やマット紙などのコート層を有する記録媒体などを用いることができる。キャリッジ103に搭載された記録ユニット102は、記録媒体101の搬送方向であるY方向と直交するX方向(主走査方向)に往復走査される。そして、記録媒体101のY方向への搬送と、記録ユニット102のX方向への往復走査と、によって記録動作が行われる。
図2は、インク供給系の一例を示す模式図である。図2に示すように、記録ユニット102は、供給されるインクを複数の吐出口から吐出するインクジェット方式の記録ヘッド203と、第2インク収容部としてのサブタンク202とで構成されている。この記録ユニット102は、図1に示すようにキャリッジ103に搭載されている。キャリッジ103は、X方向に沿って配置されたガイドレール105に沿って移動可能に支持されており、ガイドレール105と並行に移動する無端ベルト106に固定されている。無端ベルト106はモータの駆動力によって往復運動する。無端ベルト106の往復運動によって、キャリッジ103がX方向に往復走査される。
メインタンク収容部108の内部には、第1インク収容部としてのメインタンク201(図2)が収納される。メインタンク収容部108に収納されたメインタンク201と、記録ユニット102のサブタンク202とは、インク供給チューブ104によって接続される。インクが通過する部材の径の増減を低減して、気泡が形成されるポイントを少なくするため、メインタンク201及びサブタンク202の間はインク供給チューブ104で直接接続されている構成とすることが好ましい。インクは、メインタンク201からインク供給チューブ104を介してサブタンク202に供給された後、記録ヘッド203の吐出口から吐出されるが、これらの部材はいずれもインクの種類に対応した数で設けられる。
メインタンク201内に収容されたインク(ハッチングで示す)は、インク供給チューブ104を介してサブタンク202に供給された後、記録ヘッド203へと供給される。メインタンク201には、大気連通部としての気体導入チューブ204が接続されている。画像の記録によってインクが消費されると、メインタンク201からサブタンク202にインクが供給され、メインタンク201内のインクが減少する。そして、メインタンク201内のインクの減少に伴い、その一端が大気に開放されている気体導入チューブ204からメインタンク201内に空気が導入されることにより、インク供給系においてインクを保持するための内部負圧が略一定に保たれる。
本発明においては、メインタンク201のインク最大収容量V(mL)は、サブタンク202のインク最大収容量V(mL)に対する比率で、3.0倍以上50.0倍以下であることを要する。前記比率は、5.0倍以上40.0倍以下であることが好ましい。
メインタンク201は、タンク交換の頻度を低減したり、記録可能枚数を多くすることで高い生産性を実現したりするためには、インク最大収容量V(mL)を多くすることが好ましい。具体的には、メインタンク201のインク最大収容量V(mL)は、60.0mL以上200.0mL以下であることが好ましく、60.0mL以上150.0mL以下であることがさらに好ましい。また、メインタンク201の初期のインク充填量は、インク最大収容量を基準として、95%程度までとすることが好ましい。
サブタンク202も、メインタンク201からのインク供給の頻度を低減したり、記録ヘッド203へのインク充填を安定に行ったりするためには、インク最大収容量V(mL)を多くすることが好ましい。但し、例えば、図1に示すようなシリアル方式として、キャリッジ103にサブタンク202を搭載する形態を想定すると、サブタンク202のインク最大収容量V(mL)は多くし過ぎないことが好ましい。すなわち、あまりに多くのインクがサブタンク202に収容された場合、記録ユニット102の大型化を招き、キャリッジ103の移動速度が低下したり、キャリッジ103を移動させる無端ベルト106やモータの強度を高めたりする必要が生じる。したがって、サブタンク202のインク最大収容量V(mL)は、1.0mL以上35.0mL以下であることが好ましく、2.0mL以上20.0mL以下であることがさらに好ましく、5.0mL以上15.0mL以下であることが特に好ましい。
第1インク収容部及び第2インク収容部(筺体)は、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリフェニレンエーテルなどの熱可塑性樹脂;熱可塑性樹脂の混合物や改質物などで形成することができる。筺体の内部には、インクを保持するための負圧を発生しうるインク吸収体を配設してもよい。インク吸収体としては、ポリプロピレンやウレタンなどの樹脂製の繊維を圧縮したものが好ましい。また、筺体の内部にインク吸収体を配設せず、筺体の内部にインクを直接収容してもよい。
図2に示す実施形態の記録ユニット102は、記録ヘッド203とサブタンク202とで構成されている。サブタンクが装着され、かつ、記録ヘッドが組み込まれたヘッドカートリッジである記録ユニットがキャリッジに装着されていてもよい。また、サブタンクと記録ヘッドとが一体的に構成された記録ユニットがキャリッジに装着されていてもよい。本発明においては、図1及び2に示すように、第2インク収容部であるサブタンク202と記録ヘッド203とが一体的に構成されたカートリッジ形態の記録ユニットが、キャリッジ103に装着されていることが好ましい。なかでも、第2インク収容部であるサブタンクが熱可塑性樹脂で形成された筺体であるとともに、記録ヘッドを備えた記録素子基板が、放熱板などの他の部材を介在させることなくサブタンクに直接貼り合わされていることが好ましい。
記録ヘッドのインク吐出方式としては、ピエゾ素子などにより力学的エネルギーをインクに付与してインクを吐出する方式や、電気熱変換体などにより熱エネルギーをインクに付与してインクを吐出する方式などが挙げられる。本発明においては、熱エネルギーをインクに付与して吐出する方式を採用することが好ましい。
本発明においては、サブタンク202に収容されたインクの温度T(℃)は、メインタンク201に収容されたインクの温度T(℃)よりも高い、すなわち、T>Tの関係を満たすことを要する。サブタンク202に収容されたインクの温度T(℃)、及びメインタンク201に収容されたインクの温度T(℃)の差は、5℃以上であることが好ましい。メインタンク201に収容されたインクの温度T(℃)は、5℃以上40℃以下であることが好ましく、10℃以上35℃以下がさらに好ましく、15℃以上30℃以下が特に好ましい。また、サブタンク202に収容されたインクの温度T(℃)は、10℃以上50℃以下であることが好ましく、15℃以上45℃以下がさらに好ましく、20℃以上40℃以下が特に好ましい。
メインタンク201及びサブタンク202のそれぞれに収容されたインクの温度を調整する手段は特に限定されない。例えば、タンクの外部又は内部にインク温度調整ユニットを設けることができる。インク温度調整ユニットとしては、インクを冷却するユニット、加熱するユニット、また、一定の温度に調整しておくユニットなどが挙げられる。本発明においては、メインタンク201にはインク温度調整ユニットを設けず、サブタンク202に収容されたインクの温度を調整することによって、T>Tの関係を満たすようにすることが好ましい。この場合、サブタンク202が、熱可塑性樹脂で形成された筺体に、電気熱変換体を具備する記録ヘッド203を備えた記録素子基板を、他の部材を介さずに直接貼り合わせた形態とする。さらに、電気熱変換体により、サブタンク202に収容されたインクに熱エネルギーを与えることによって、サブタンク202に収容されたインクの温度を調整(加熱)して、T>Tの関係を満たすようにすることが特に好ましい。この場合、吐出が生じない程度の熱エネルギーをインクに与えることでインクを加熱するものであってもよい。また、吐出が生じる程度の熱エネルギーをインクに与えるとともに、この熱エネルギーを利用してサブタンク202に収容されたインクを加熱するものであってもよい。
<水性インク>
本発明のインクジェット記録方法では、水性インクを記録ヘッドの吐出口から吐出して記録媒体に画像を記録する。水性インクは、色材、及びグリフィン法により求められるHLB値が8.0以上である界面活性剤を含有する。以下、水性インクに含有させる成分について説明する。
(色材)
色材としては、顔料や染料を用いることができる。水性インク中の色材の含有量(質量%)は、インク全質量を基準として、0.1質量%以上15.0質量%以下であることが好ましく、1.0質量%以上10.0質量%以下であることがさらに好ましい。
色材として顔料を用いる場合、顔料の分散方式は特に限定されない。例えば、樹脂分散剤により分散させた樹脂分散顔料、界面活性剤により分散させた顔料、及び顔料の粒子表面の少なくとも一部を樹脂などで被覆したマイクロカプセル顔料などを用いることができる。また、顔料の粒子表面にアニオン性基などの親水性基を含む官能基を結合させた自己分散顔料や、顔料の粒子表面に高分子を含む有機基を化学的に結合させた顔料(樹脂結合型の自己分散顔料)などを用いることもできる。勿論、分散方式の異なる顔料を組み合わせて使用することも可能である。
色材として用いることができる顔料の種類は特に限定されない。顔料の具体例としては、カーボンブラックなどの無機顔料;アゾ、フタロシアニン、キナクリドン、イソインドリノン、イミダゾロン、ジケトピロロピロール、ジオキサジンなどの有機顔料が挙げられる。これらの顔料は、必要に応じて1種又は2種以上を用いることができる。
色材として用いることができる染料の種類は特に限定されない。染料の具体例としては、直接染料、酸性染料、塩基性染料、分散染料、食用染料などを挙げることができる。なかでも、アニオン性基を有する染料を用いることが好ましい。染料骨格の具体例としては、アゾ、トリフェニルメタン、フタロシアニン、アザフタロシアニン、キサンテン、アントラピリドンなどが挙げられる。
本発明においては、色材が顔料であることが好ましく、なかでも、自己分散顔料を用いることが特に好ましい。染料と比して顔料、なかでも自己分散顔料は、疎水性が高く、気泡となじみにくいために、長期間に渡ってインクを吐出させた場合の吐出性の低下を効率よく抑制することができる。さらに、表面酸化処理により製造された自己分散顔料は、酸化処理によって顔料の粒子表面が荒れて疎水性が高まっているので、気泡とよりなじみにくいために、長期間に渡ってインクを吐出させた場合の吐出性の低下を特に効率よく抑制することができる。
(界面活性剤)
水性インクには、グリフィン法により求められるHLB値が8.0以上の界面活性剤を含有させる。HLB値が8.0未満であると、長期間に渡ってインクを吐出させた場合に生じる吐出性の低下を抑制することができない。HLB値は19.5以下であることが好ましく、18.0以下であることがさらに好ましい。グリフィン法によるHLB値は、下記式(1)より算出することができる。グリフィン法により求められるHLB値は、ノニオン性界面活性剤の親水性や親油性の程度を表す物性値であり、0.0乃至20.0の値をとる。HLB値が小さいほど親油性が高く、HLB値が大きいほど親水性が高い。
HLB値=20×界面活性剤の親水性基の式量/界面活性剤の分子量・・・(1)。
なお、HLB値とは、イオン性を有しないノニオン性の界面活性剤に適用される概念である。したがって、アニオン性基(カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基など)や、カチオン性基(アミン構造など)を有する界面活性剤は「HLB値が8.0以上の界面活性剤」には含まれない。
HLB値が8.0以上であることを満たせば、界面活性剤の種類は特に限定されない。例えば、炭化水素系、フッ素系、シリコーン系などの骨格を持つものが挙げられる。インク中の界面活性剤の含有量(質量%)は、インク全質量を基準として、0.1質量%以上5.0質量%以下であることが好ましく、0.5質量%以上1.5質量%以下であることがさらに好ましい。
長期間に渡ってインクを吐出させた場合の吐出性の低下を効率よく抑制することができるため、炭化水素系の界面活性剤がさらに好ましい。このような界面活性剤としては、例えば、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のエチレンオキサイド付加物、グリセリンのエチレンオキサイド付加物、ポリエチレングリコールポリプロピレングリコールブロックコポリマーなどが挙げられる。なかでも、分子構造の対称性が高く消泡性に優れるため、アセチレングリコールのエチレンオキサイド付加物、グリセリンのエチレンオキサイド付加物を用いることが好ましい。
(樹脂)
水性インクには樹脂を含有させることができる。水性インク中における樹脂の状態は、水性媒体に溶解した状態であってもよく、水性媒体中に樹脂粒子として分散した状態であってもよい。本発明において樹脂が水溶性であることとは、当該樹脂を酸価と当量のアルカリで中和した場合に、動的光散乱法などの測定方法により、粒径を測定しうる粒子を形成しないものであることとする。なかでも、酸価が40mgKOH/g以上の樹脂を用いることが好ましい。また、水溶性樹脂中のアニオン性基は、塩を形成していてもよい。塩を形成するカチオンとしては、リチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属のカチオン;アンモニウムイオン(NH );ジメチルアミン、トリエタノールアミンなどの有機アンモニウムのカチオンなどが挙げられる。なお、樹脂の酸価は300mgKOH/g以下であることがこのましい。アクリル樹脂を用いる場合は、酸価が250mgKOH/g以下であることが好ましく、240mgKOH/g以下であることがさらに好ましい。また、ウレタン樹脂を用いる場合は、酸価が200mgKOH/g以下であることが好ましく、160mgKOH/g以下であることがさらに好ましい。
使用できる樹脂の具体例としては、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、ウレア樹脂、多糖類、ポリペプチド類などが挙げられる。なかでも、記録ヘッドからの吐出特性の観点から、アクリル樹脂及びウレタン樹脂が好ましい。但し、樹脂粒子などの樹脂成分は気泡を保持しやすい傾向にあるため、水性インクにはあまり多く含有させないことが好ましい。
(一般式(I)で表される化合物)
本発明者らは、インク中の溶存ガス量が多くなりやすい状況であっても、気泡を発生させにくくすることによって、吐出性をより安定に維持するための手法について検討を行った。その結果、気泡の発生を抑制するためには、インクの界面付近に界面活性剤をできるだけ存在させないようにする必要があり、この状態は、界面活性剤の分子を、水性インクの主たる液媒体である水分子に近づきやすくすることによって達成されることがわかった。そして、これを達成するための材料について本発明者らが検討を行った結果、後述する一般式(I)で表される化合物が有効であることを見出した。
一般式(I)で表される化合物は、その構造中に、「−C(=O)−N(−R)−C(=O)−N(−R)−」、及び、「−C(−R−」を有する。前者の構造は水素結合性を有し、後者の構造は相対的に疎水性が高いため、一般式(I)で表される化合物は、インク中において以下に述べる複数の相互作用を生じさせていると考えられる。すなわち、一般式(I)で表される化合物の「−C(−R−」の部分と、界面活性剤の疎水部とが疎水性相互作用を生じる。これとともに、一般式(I)で表される化合物の「−C(=O)−N(−R)−C(=O)−N(−R)−」の部分が水分子と水素結合による相互作用を生じる。これらの相互作用により、インク中においては、一般式(I)で表される化合物を介して、水分子と界面活性剤とが接近して存在するため、インクの界面付近に存在する界面活性剤が少なくなる。このため、上述のような気泡が生じやすい状況であっても、気泡の発生がより有効に抑制され、吐出性をより安定に維持することができると考えられる。
水性インクには、下記一般式(I)で表される化合物を含有させることが好ましい。インク中の一般式(I)で表される化合物の含有量(質量%)は、インク全質量を基準として、0.1質量%以上15.0質量%以下であることが好ましく、0.5質量%以上10.0質量%以下であることがさらに好ましい。
(一般式(I)中、R及びRはそれぞれ独立に、水素原子、又はヒドロキシアルキル基を表す。Rはそれぞれ独立に、水素原子、又はアルキル基を表す。)
及びRのヒドロキシアルキル基の炭素数は、1乃至5が好ましく、1乃至3がさらに好ましい。R及びRのヒドロキシアルキル基としては、ヒドロキシメチル基、ヒドロキシエチル基、ヒドロキシn−プロピル基、ヒドロキシイソプロピル基、ヒドロキシn−ブチル基、ヒドロキシイソブチル基、ヒドロキシペンチル基などが挙げられる。なかでも、ヒドロキシメチル基、ヒドロキシエチル基が好ましい。Rのアルキル基の炭素数は、1乃至3が好ましい。Rのアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基などが挙げられる。なかでも、メチル基が好ましい。
一般式(I)で表される化合物の好適例としては、1−ヒドロキシメチル−5,5−ジメチルヒダントイン、3−(ヒドロキシメチル)−5,5−ジメチルヒダントイン、3−(2−ヒドロキシエチル)−5,5−ジメチルヒダントイン、1,3−ビス(2−ヒドロキシエチル)−5,5−ジメチルヒダントインなどが挙げられる。勿論、本発明においては、一般式(I)の構造及びその定義に包含されるものであれば、これらの化合物に限定されない。本発明においては、一般式(I)で表される化合物のなかでも、1,3−ビス(2−ヒドロキシエチル)−5,5−ジメチルヒダントインが好ましい。この化合物は、分子構造の点で界面活性剤と水分子との相互作用が効率よく発揮されるため、長期間に渡ってインクを吐出させた場合の吐出性の低下を特に効率よく抑制することができる。
(水性媒体)
水性インクには、水及び水溶性有機溶剤の混合溶媒である水性媒体を含有させることができる。使用可能な水溶性有機溶剤としては、アルコール類、(ポリ)アルキレングリコール類、グリコールエーテル類、含窒素化合物類、含硫黄化合物類などのインクジェット用のインクに使用可能なものが挙げられる。これらの水溶性有機溶剤は、1種又は2種以上を用いることができる。水性インク中の水溶性有機溶剤の含有量(質量%)は、インク全質量を基準として、3.0質量%以上50.0質量%以下であることが好ましい。この含有量は、一般式(I)で表される化合物を用いる場合は、その含有量を含む値である。また、水としては、脱イオン水やイオン交換水を用いることが好ましい。水性インク中の水の含有量(質量%)は、インク全質量を基準として、50.0質量%以上95.0質量%以下であることが好ましい。
(その他の成分)
水性インクには、上記成分の他に、尿素、トリメチロールプロパン、トリメチロールエタンなどの常温で固体の水溶性有機化合物を含有させてもよい。水性インク中の水溶性有機化合物の含有量(質量%)は、インク全質量を基準として、0.1質量%以上10.0質量%以下であることが好ましい。また、必要に応じて所望の物性値を有する水性インクとするために、その他の界面活性剤、消泡剤、pH調整剤、防腐剤、防黴剤、酸化防止剤、還元防止剤などの種々の添加剤を含有させてもよい。
(インクの物性)
水性インクは、インクジェット方式に適用されるため、その物性値を適切に制御することが好ましい。具体的には、25℃におけるインクの表面張力は、25mN/m以上45mN/m以下であることが好ましい。また、25℃におけるインクの粘度は、1.0mPa・s以上5.0mPa・s以下であることが好ましく、1.0mPa・s以上4.0mPa・s以下であることがさらに好ましい。25℃におけるインクのpHは、5.0以上10.0以下であることが好ましく、7.0以上9.0以下であることが好ましい。
以下、実施例、参考例及び比較例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、下記の実施例によって何ら限定されるものではない。なお、成分量に関して「部」及び「%」と記載しているものは特に断らない限り質量基準である。
<色材を含む液体の調製>
(顔料分散液1)
イオン交換水500g、及び顔料(カーボンブラック、商品名「ブラックパールズ880」、キャボット製)15.0gを混合し、回転数15,000rpmで30分間撹拌して、顔料を予備湿潤した。さらにイオン交換水4,485gを加えて、高圧ホモジナイザーで分散して分散液を得た。得られた分散液を高圧容器に移して、圧力3.0MPaで加圧しながら、オゾン濃度100ppmのオゾン水を高圧容器内に導入して、顔料を酸化処理した。高圧容器から混合物を取り出し、水酸化ナトリウム水溶液を添加して、液体のpHを10.0に調整した後、適量のイオン交換水を添加して、顔料の含有量を調整して、顔料分散液1を得た。顔料分散液1には、カウンターイオンがナトリウムであるカルボン酸基が粒子表面に直接結合した自己分散顔料が含まれており、顔料の含有量は10.0%であった。
(顔料分散液2)
水5.5gに濃塩酸70.6mmolを溶かした溶液を温度5℃に冷却し、4−アミノフタル酸9.8mmolを加えた。この溶液の入った容器をアイスバスに入れて液を撹拌し、溶液を常に10℃以下に保った状態とした。これに、5℃の水9.0gに亜硝酸ナトリウム24.9mmolを溶かした溶液を加えた。さらに15分間撹拌後、顔料6.0gを撹拌下で加えた。顔料としては、カーボンブラック(商品名「ブラックパールズ880」、キャボット製)を用いた。その後、さらに15分間撹拌してスラリーを得た。得られたスラリーをろ紙(商品名「標準用濾紙No.2」、アドバンテック製)でろ過した後、十分に水洗し、温度110℃のオーブンで乾燥させて自己分散顔料を得た。イオン交換水を用いて顔料の含有量を調整して、顔料分散液2を得た。顔料分散液2には、カウンターイオンがナトリウムであるフタル酸基が粒子表面に結合した自己分散顔料が含まれており、顔料の含有量は10.0%であった。
(顔料分散液3)
顔料7.0g、((4−アミノベンゾイルアミノ)−メタン−1,1−ジイル)ビスホスホン酸の一ナトリウム塩14.0mmol、硝酸40.0mmol、及び純水200.0mLを混合した。顔料としては、C.I.ピグメントブルー15:3を用いた。そして、シルヴァーソン混合機を用いて、室温にて6,000rpmで混合した。30分後、この混合物に少量の水に溶解させた40.0mmolの亜硝酸ナトリウムをゆっくり添加した。亜硝酸ナトリウムを添加することによって混合物の温度は60℃に達した。この状態で1時間反応させた。その後、水酸化ナトリウム水溶液を用いて混合物のpHを10に調整した。30分後、純水20.0mLを加え、スペクトラムメンブランを用いてダイアフィルトレーションした。イオン交換水を用いて顔料の含有量を調整して、顔料分散液3を得た。顔料分散液3には、カウンターイオンがナトリウムである((ベンゾイルアミノ)−メタン−1,1−ジイル)ビスホスホン酸基が粒子表面に結合した自己分散顔料が含まれており、顔料の含有量は10.0%であった。
(顔料分散液4)
顔料の種類をC.I.ピグメントレッド122に変更した以外は顔料分散液3と同様の手順で、顔料分散液4を得た。顔料分散液4には、カウンターイオンがナトリウムである((ベンゾイルアミノ)−メタン−1,1−ジイル)ビスホスホン酸基が粒子表面に結合した自己分散顔料が含まれており、顔料の含有量は10.0%であった。
(顔料分散液5)
顔料の種類をC.I.ピグメントイエロー74に変更した以外は顔料分散液3と同様の手順で、顔料分散液5を得た。顔料分散液5には、カウンターイオンがナトリウムである((ベンゾイルアミノ)−メタン−1,1−ジイル)ビスホスホン酸基が粒子表面に結合した自己分散顔料が含まれており、顔料の含有量は10.0%であった。
(顔料分散液6)
顔料10.0部、樹脂分散剤の水溶液(樹脂(固形分)の含有量20.0%)20.0部、及びイオン交換水70.0部を混合して混合物を得た。顔料としては、カーボンブラック(商品名「ブラックパールズ880」、キャボット製)を用いた。また、樹脂分散剤の水溶液としては、水溶性樹脂であるスチレン−アクリル酸共重合体(重量平均分子量10,000、酸価200mgKOH/g)を、酸価に対して中和当量1となる水酸化ナトリウムを用いてイオン交換水に溶解させたものを用いた。得られた混合物を、バッチ式縦型サンドミルを用いて3時間分散した後、ポアサイズが1.2μmであるミクロフィルター(富士フイルム製)で加圧ろ過した。次いで、イオン交換水を加えて顔料の含有量を調整し、顔料分散液6を得た。顔料分散液6には、水溶性樹脂(樹脂分散剤)により分散された顔料が含まれており、顔料の含有量は10.0%、水溶性樹脂の含有量は4.0%であった。
(顔料分散液7)
顔料の種類をC.I.ピグメントブルー15:3に変更した以外は顔料分散液6と同様の手順で、顔料分散液7を得た。顔料分散液7には、水溶性樹脂(樹脂分散剤)により分散された顔料が含まれており、顔料の含有量は10.0%、水溶性樹脂の含有量は4.0%であった。
(顔料分散液8)
顔料の種類をC.I.ピグメントレッド122に変更した以外は顔料分散液6と同様の手順で、顔料分散液8を得た。顔料分散液8には、水溶性樹脂(樹脂分散剤)により分散された顔料が含まれており、顔料の含有量は10.0%、水溶性樹脂の含有量は4.0%であった。
(顔料分散液9)
顔料の種類をC.I.ピグメントイエロー74に変更した以外は顔料分散液6と同様の手順で、顔料分散液9を得た。顔料分散液9には、水溶性樹脂(樹脂分散剤)により分散された顔料が含まれており、顔料の含有量は10.0%、水溶性樹脂の含有量は4.0%であった。
(染料水溶液1)
染料を含む市販の染料水溶液(商品名「Projet Fast Black 2」、富士フイルム製)を準備し、染料の含有量を調整して、染料水溶液1を得た。染料水溶液1中の染料の含有量は10.0%であった。
(染料水溶液2)
染料を含む市販の染料水溶液(商品名「Projet Fast Magenta」、富士フイルム製)を準備し、染料の含有量を調整して、染料水溶液2を得た。染料水溶液2中の染料の含有量は10.0%であった。
<インクの調製>
表1〜3に示す各成分(単位:%)を混合して十分に撹拌した後、ポアサイズ3.0μmのミクロフィルター(富士フイルム製)にて加圧ろ過を行い、各インクを調製した。一般式(I)で表される化合物としては、1,3−ビス(2−ヒドロキシエチル)−5,5−ジメチルヒダントインを用いた。界面活性剤に付した括弧内の数値はグリフィン法により求められるHLB値である。サーフィノール420、及び440(以上、商品名)は、日信化学工業製のアセチレングリコールのエチレンオキサイド付加物である。アセチレノールE40、E100、E300(以上、商品名)は、川研ファインケミカル製のアセチレングリコールのエチレンオキサイド付加物である。ユニオックスG−450、及びG−1200(以上、商品名)は、日油製のグリセリンのエチレンオキサイド付加物である。NIKKOL BO−50(商品名)は、日光ケミカルズ製のポリオキシエチレンオレイルエーテルである。インク調製時の溶存ガスによる影響を除外して評価を行うために、汎用の脱気モジュールを用いて、インク中の溶存酸素量が2mg/L以下となるまで脱気した。溶存酸素量は、溶存酸素計(商品名「ポータブル型溶存酸素計OM−71−L1」、HORIBA製)を用いて測定した。
<評価>
評価には、図1に示す主要部の構成を有するインクジェット記録装置に、図2に示す構成のメインタンク、サブタンク、及び記録ヘッドを組み込んだものを用いた。サブタンクは、熱可塑性樹脂で形成された筺体に、熱エネルギーを付与してインクを吐出する記録ヘッドを備えた記録素子基板を貼り合わせた形態とした。メインタンクのインク最大収容量(「メインタンクの収容量V」と表記)、及びサブタンクのインク最大収容量(「サブタンクの収容量V」と表記)は、それぞれ表4〜6に示す値とした。そして、調製した各インクを、インク最大収容量を基準として95%までメインタンクに充填した。
メインタンクに収容されたインクの温度(「メインタンクのインク温度T」と表記)、及びサブタンクに収容されたインクの温度(「サブタンクのインク温度T」と表記)は、それぞれ表4〜6に示す値とした。具体的には、以下のようにしてインクの温度を調整した。先ず、メインタンクに収容されたインクの温度は、評価を行う環境の温度設定により調整した。次に、サブタンクに収容されたインクの温度は以下のようにして調整した。T>Tのときは、サブタンクの筺体に貼り合わせた記録ヘッドにより発生させた熱エネルギーを利用して調整した。T=Tのときはメインタンクと同様に評価を行う環境の温度設定により調整した。T<Tのときは、メインタンクの外側に設けた冷却ユニットにより調整した。
本実施例においては、1/600インチ×1/600インチの単位領域に、1滴当たりの質量が5ngであるインク滴を2滴付与する条件で記録したベタ画像の記録デューティを100%と定義した。A4サイズのPPC用紙(商品名「GF−500」、キヤノン製)の全面に、記録デューティが5%であるベタ画像を10枚分記録した後、1時間記録を休止し、その後ノズルチェックパターンを1枚記録する、というサイクルを繰り返した。
所定枚数のベタ画像を記録した後のノズルチェックパターンを目視で確認して、以下に示す評価基準にしたがって吐出性を評価した。本発明においては、下記の評価基準で、「AAA」、「AA」、「A」及び「B」を許容できるレベルとし、「C」を許容できないレベルとした。評価結果を表4〜6に示す。
本評価では、記録枚数を多くすることで評価開始からの経過時間を長く取っている。これは、メインタンク内においてインクと空気が接触する時間を長く取ることで、メインタンクに収容されたインク中の溶存ガス量が増えやすい条件とするためである。なお、所定枚数の記録を行った後のインク中の溶存酸素量を上記と同様にして測定したところ、いずれも5〜7mg/Lの範囲内であり、初期の溶存酸素量(2mg/L以下)と比して溶存ガス量が増加していることが確認された。そして、累積記録枚数が多くなってもノズルチェックパターンに乱れがなければ、本発明の構成によって、気泡に起因する吐出性の低下が抑制されることが示される。一方、ノズルチェックパターンに乱れがあった場合、インク中の溶存ガス量が増えた場合に、記録ヘッドのインク流路にまで気泡が侵入し、気泡によってインクの正常な吐出が妨げられていることを意味する。
AAA:ベタ画像を5,000枚分記録した後のノズルチェックパターンに殆ど乱れがなかった
AA:ベタ画像を4,000枚分記録した後のノズルチェックパターンに若干の乱れがあった
A:ベタ画像を2,000枚分記録した後のノズルチェックパターンに若干の乱れがあった
B:ベタ画像を1,000枚分記録した後のノズルチェックパターンに若干の乱れがあった
C:ベタ画像を500枚分記録した後のノズルチェックパターンに顕著な乱れがあった。
実施例20及び21を比較すると、実施例20のほうが相対的に優れていた。実施例23及び1を比較すると、実施例23のほうが相対的に優れていた。参考例51及び26を比較すると、参考例51のほうが相対的に優れていた。比較例7はサブタンクに収容されたインクが多く、記録ヘッドを移動させるキャリッジに負荷がかかり、所定枚数の画像記録を完結することができなかった。また、比較例8ではサブタンクに収容されたインクが少なく、メインタンクからサブタンクへのインク供給の頻度が増加したため、実用的ではない程度にまで記録速度が低下した。

Claims (14)

  1. 大気連通部を有する第1インク収容部、第2インク収容部、及び記録ヘッドを備えたインクジェット記録装置を使用し、水性インクを前記記録ヘッドから吐出して記録媒体に画像を記録するインクジェット記録方法であって、
    前記第1インク収容部のインク最大収容量V(mL)が、前記第2インク収容部のインク最大収容量V(mL)に対する比率で、3.0倍以上8.0倍以下であり、
    前記第2インク収容部に収容されたインクの温度T(℃)が、前記第1インク収容部に収容されたインクの温度T(℃)よりも高く、かつ、前記第2インク収容部に収容されたインクの温度T (℃)、及び前記第1インク収容部に収容されたインクの温度T (℃)の差が5℃以上30℃以下であり、
    前記水性インクが、色材、及びグリフィン法により求められるHLB値が8.0以上の界面活性剤を含有することを特徴とするインクジェット記録方法。
  2. 前記第1インク収容部に収容されたインクの温度T(℃)が5℃以上40℃以下であり、かつ、前記第2インク収容部に収容されたインクの温度T(℃)が10℃以上50℃以下である請求項1に記載のインクジェット記録方法。
  3. 前記第2インク収容部に収容されたインクの温度T (℃)が40℃以上である請求項2に記載のインクジェット記録方法。
  4. さらに、前記第1インク収容部のインク最大収容量V(mL)が60.0mL以上200.0mL以下であり、かつ、前記第2インク収容部のインク最大収容量V(mL)が1.0mL以上35.0mL以下である請求項1乃至のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
  5. 前記第1インク収容部及び前記第2インク収容部が、インク供給チューブで接続されている請求項1乃至のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
  6. 前記第2インク収容部が熱可塑性樹脂で形成された筺体であるとともに、前記記録ヘッドを備えた記録素子基板が前記筺体に直接貼り合わされている請求項1乃至のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
  7. 前記界面活性剤のHLB値が、19.5以下である請求項1乃至のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
  8. 前記界面活性剤のHLB値が、18.0以下である請求項1乃至のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
  9. 前記水性インク中の前記界面活性剤の含有量(質量%)が、インク全質量を基準として、0.1質量%以上5.0質量%以下である請求項1乃至のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
  10. 前記界面活性剤が、アセチレングリコールのエチレンオキサイド付加物、及びグリセリンのエチレンオキサイド付加物の少なくとも一方である請求項1乃至のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
  11. 前記色材が、顔料を含む請求項1乃至10のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
  12. 前記顔料が、自己分散顔料である請求項11に記載のインクジェット記録方法。
  13. 前記水性インクがさらに、下記一般式(I)で表される化合物を含有する請求項1乃至12のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。

    (一般式(I)中、R及びRはそれぞれ独立に、水素原子、又はヒドロキシアルキル基を表す。Rはそれぞれ独立に、水素原子、又はアルキル基を表す。)
  14. 請求項1乃至13のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法に用いられるインクジェット記録装置であって、
    大気連通部を有する第1インク収容部、第2インク収容部、及び記録ヘッドを備え、
    前記第1インク収容部のインク最大収容量V(mL)が、前記第2インク収容部のインク最大収容量V(mL)に対する比率で、3.0倍以上8.0倍以下であり、前記第2インク収容部に収容されたインクの温度T(℃)が、前記第1インク収容部に収容されたインクの温度T(℃)よりも高く、かつ、前記第2インク収容部に収容されたインクの温度T (℃)、及び前記第1インク収容部に収容されたインクの温度T (℃)の差が5℃以上30℃以下であり、
    前記水性インクが、色材、及びグリフィン法により求められるHLB値が8.0以上の界面活性剤を含有することを特徴とするインクジェット記録装置。
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