JP7130453B2 - 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
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本発明のインクジェット記録装置は、インクを吐出する吐出口と、インクを吐出するためのエネルギーを発生する吐出素子と、吐出口と吐出素子の間で連通してその内部にインクが流通する第1流路及び第2流路と、を具備する記録ヘッドを備える。さらに、本発明のインクジェット記録装置は、吐出素子とは別の、第1流路内のインクを第2流路へと流動させる流動手段を備える。また、本発明のインクジェット記録方法は、例えば、上記のインクジェット記録装置を使用し、上記の記録ヘッドからインクを吐出して画像を記録する方法である。すなわち、本発明のインクジェット記録方法は、吐出口からインクを吐出する吐出工程と、吐出工程とは別の、第1流路内のインクを第2流路へと流動させる流動工程と、を有する。
本発明のインクジェット記録方法及びインクジェット記録装置で用いるインクは、10ミリ秒における動的表面張力が35mN/m以上48mN/m以下であるインクジェット用の水性インクである。以下、インクを構成する各成分やインクの物性について詳細に説明する。
インクに含有させる色材としては、顔料や染料を用いることができる。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、0.50質量%以上15.00質量%以下であることが好ましく、1.00質量%以上10.00質量%以下であることがさらに好ましい。
インクには、樹脂を含有させることができる。インク中の樹脂の含有量(質量%)は、インク全質量を基準として、0.10質量%以上20.00質量%以下であることが好ましく、0.50質量%以上15.00質量%以下であることがさらに好ましい。
[測定条件]
SetZero:30秒
測定回数:3回
測定時間:180秒
インクは、樹脂粒子を含有することが好ましい。樹脂粒子を含有するインクを用いることで、メニスカスをより安定化することができる。樹脂粒子は、水溶性樹脂のような分子同士の絡み合いが少ないため、インクの流動とともにメニスカスの近傍に迅速に移動しやすい。すなわち、メニスカスの近傍に配向した樹脂粒子の粒子間相互作用によってメニスカスが安定化し、吐出頻度の高いノズルにおけるインクの吐出量低下をさらに抑制し、微細なムラの発生をより有効に低減することができると考えられる。樹脂粒子としては、例えば、アクリル系樹脂粒子、オレフィン系樹脂粒子、ウレタン系樹脂粒子などを挙げることができる。
インクは、水溶性ウレタン樹脂を含有することが好ましい。水溶性樹脂のなかでも、水溶性ウレタン樹脂は、メニスカスの近傍において速やかに相互作用するとともに、安定な分子膜を形成する。このため、水溶性ウレタン樹脂を含有するインクを用いることで、吐出頻度の高いノズルにおけるインクの吐出量低下をさらに抑制し、微細なムラの発生をより有効に低減することができる。
インクは、ブロック共重合体を含有することが好ましい。ブロック共重合体は、通常、同種又は同様の性質を有する単量体に由来する複数のブロックが配列された構造を有する。インクジェット用の水性インクに一般的に用いられるブロック共重合体は、以下のような構造を有する。例えば、疎水性ブロック(Aブロック)及びイオン性の親水性ブロック(Bブロック)を有するABブロック構造;このABブロック構造に、さらにノニオン性の親水性ブロック(Cブロック)が加わったABCブロック構造;などがある。すなわち、ブロック共重合体は、親水性ブロックと疎水性ブロックがそれぞれ局在化した構造を有するため、界面活性能が高く、メニスカスの近傍に速やかに配向する。このため、ブロック共重合体を含有するインクを用いると、メニスカスが安定化し、吐出頻度の高いノズルにおけるインクの吐出量低下をさらに抑制し、微細なムラの発生をより有効に低減することができる。
インクは、3価以上の多価アルコールにXモルのエチレンオキサイド基及びYモルのプロピレンオキサイド基が付加した多価アルコール誘導体を含有することが好ましい。この多価アルコール誘導体は、{Y/(X+Y)}×100(%)の値が、70%以上90%以下の化合物である。
インクは、界面活性剤を含有することが好ましい。界面活性剤は、疎水性基が大気側に向くとともに、親水性基がインク側に向くようにして、気液界面に配向するため、メニスカスをさらに安定化することができる。界面活性剤としては、アニオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、両性界面活性剤などを挙げることができる。なかでも、インクの信頼性の観点から、ノニオン性界面活性剤を用いることが好ましい。
本発明のインクジェット記録方法で用いるインクは、水性媒体として少なくとも水を含有する水性のインクである。インクには、水、又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。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、50.00質量%以上95.00質量%以下であることが好ましい。また、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、3.00質量%以上50.00質量%以下であることが好ましい。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をいずれも用いることができる。
インクには、上記成分以外にも必要に応じて、消泡剤、その他の界面活性剤、pH調整剤、粘度調整剤、防錆剤、防腐剤、防黴剤、酸化防止剤、還元防止剤など種々の添加剤を含有させてもよい。
本発明のインクジェット記録方法で用いるインクは、10ミリ秒における動的表面張力が35mN/m以上48mN/m以下の水性インクである。インクの動的表面張力は、最大泡圧法により測定される。最大泡圧法は、測定対象の液体中に浸したプローブ(細管)の先端に発生させた気泡を放出するために必要な最大圧力を測定し、測定した最大圧力から液体の表面張力を求める方法である。具体的には、プローブの先端に連続的に気泡を発生させながら最大圧力を測定する。プローブの先端に新たな気泡の表面が発生した時点から、最大泡圧(気泡の曲率半径とプローブ先端部分の半径が等しくなる時点)に達するまでの時間を「寿命時間」と呼ぶ。すなわち、最大泡圧法は、動きがある状態の液体の表面張力を測定する方法である。インクの10ミリ秒における動的表面張力は、水溶性有機溶剤や界面活性剤の種類及び含有量などにより容易に調整することができる。
インクの粘度は、3.0mPa・s以上であることが好ましく、5.0mPa・s以下であることがさらに好ましい。インクの粘度を3.0mPa・s以上とすることで、安定なメニスカスを形成することができ、吐出頻度の高いノズルにおけるインクの吐出量低下をさらに抑制することができる。インクの粘度は、回転式粘度計などにより測定することができる。
酸価150mgKOH/g、重量平均分子量8,000のスチレン-アクリル酸エチル-アクリル酸共重合体(樹脂1)を用意した。樹脂1 20.0部を、その酸価と等モルの水酸化カリウムで中和するとともに、適量の純水を加え、樹脂(固形分)の含有量が20.0%である樹脂1の水溶液を調製した。顔料(カーボンブラック)10.0部、樹脂1の水溶液15.0部、及び純水75.0部を混合して混合物を得た。得られた混合物と0.3mm径のジルコニアビーズ200部をバッチ式の縦型サンドミル(アイメックス製)に入れ、水冷しながら5時間分散させた後、遠心分離して粗大粒子を除去した。ポアサイズ3.0μmのセルロースアセテートフィルター(アドバンテック製)にて加圧ろ過して、顔料の含有量が10.0%、樹脂分散剤(樹脂1)の含有量が3.0%の顔料分散液1を調製した。
樹脂の酸価は、電位差自動滴定装置を使用し、水酸化カリウム/エタノール滴定液で電位差滴定することにより測定及び算出した。樹脂の重量平均分子量(ポリスチレン換算)は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーにより測定した。また、樹脂が水溶性であるか否かについては、以下に示す方法にしたがって確認した。まず、樹脂(樹脂粒子、ウレタン樹脂、ブロック共重合体)を含む液体を純水で希釈して、樹脂(固形分)の含有量が1.0%である試料を調製した。次いで、調製した試料中の樹脂の粒子径を動的光散乱法により測定した場合に、粒子径を有する粒子が測定されない場合に、その樹脂は水溶性であると判断した。この際の測定条件を以下に示す。粒度分布測定装置としては、動的光散乱法による粒度分析計(商品名「UPA-EX150」、日機装製)を使用した。
[測定条件]
SetZero:30秒
測定回数:3回
測定時間:180秒
(樹脂粒子1)
撹拌機、還流冷却装置、及び窒素ガス導入管を備えた四つ口フラスコに、メタクリル酸n-ブチル18.0部、メタクリル酸0.35部、重合開始剤(2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル))2.0部、及びn-ヘキサデカン2.0部を入れた。反応系に窒素ガスを導入し、0.5時間撹拌した。乳化剤(商品名「NIKKOL BC15」、日光ケミカルズ製)の6.0%水溶液78.0部を反応系に滴下し、0.5時間撹拌して混合物を得た。超音波照射機で超音波を3時間照射して混合物を乳化させた後、窒素雰囲気下、80℃で4時間重合反応を行った。反応系を25℃まで冷却した後、ろ過し、適量の純水を添加して、樹脂粒子(固形分)の含有量が25.0%である樹脂粒子1の水分散液を調製した。
メタクリル酸n-ブチルをメタクリル酸エチルに変更したこと以外は、前述の樹脂粒子1と同様の手順で、樹脂粒子(固形分)の含有量が25.0%である樹脂粒子2の水分散液を調製した。
フラスコにネオペンチルグリコール22.0部、1,4-ブタンジオール15.0部、1,2-ブタンジオール9.0部、アジピン酸54.0部、及びエステル化触媒としてテトライソプロピルチタネート0.003部を添加し、120℃で溶融させた。撹拌しながら3~4時間かけて220℃に昇温し、この温度で10時間保持した後、100℃に冷却して、数平均分子量1,000のポリエステルポリオールを調製した。調製したポリエステルポリオールを25℃に冷却した。
特開平11-100406号公報の「実施例1」に記載の流動床反応器を使用し、重合時の圧力(全圧)を30kg/cm2Gとして、エチレン:プロピレン(質量比)=50.0:50.0のα-オレフィン重合体を気相重合により合成した。分子ふるいカラムクロマトグラフィー(GPC)により測定したα-オレフィン重合体の重量平均分子量は、6,500であった。
(ウレタン樹脂1)
温度計、撹拌機、窒素導入管、及び冷却管を備えた四つ口フラスコに、数平均分子量2,000のポリテトラメチレングリコール39.3g、イソホロンジイソシアネート44.5g、及びジブチル錫ジラウレート0.007gを入れた。窒素ガス雰囲気下、温度100℃で5時間反応させた後、温度65℃以下に冷却した。ジメチロールプロピオン酸13.2g、ネオペンチルグリコール3.0g、及びメチルエチルケトン150.0gを添加し、温度80℃で反応させた。その後、温度40℃に冷却し、メタノール20.0gを加えて反応を停止させた。次いで、適量のイオン交換水を添加し、ホモミキサーで撹拌しながら、樹脂を中和するために必要な水酸化カリウム水溶液を添加した。その後、加熱減圧下でメチルエチルケトン及び未反応のメタノールを留去して、酸価55mgKOH/g、重量平均分子量15,000のウレタン樹脂1を含み、樹脂(固形分)の含有量が20.0%であるウレタン樹脂1の水溶液を調製した。
数平均分子量2,000のポリテトラメチレングリコールを、数平均分子量2,000のポリプロピレングリコールに変更した。このこと以外は、前述のウレタン樹脂1と同様の手順で、酸価55mgKOH/g、重量平均分子量15,000のウレタン樹脂2を含み、樹脂(固形分)の含有量が20.0%であるウレタン樹脂2の水溶液を調製した。
撹拌機、温度計、窒素ガス導入管、及び還流管を備えた四つ口フラスコを窒素置換した後、ジメチルホルムアミド100.0部、及びペンタメチルジエチレントリアミン0.5部を入れた。表1に示す種類及び量の単量体A、及び重合開始剤(クロロエチルベンゼン)0.07部を入れ、撹拌しながら温度80℃まで加熱した。次いで、塩化銅(I)を加えて、単量体Aに由来するユニットで構成されるブロックAを重合した。分子ふるいカラムクロマトグラフィー(GPC)で分子量をモニタリングし、単量体Aの重合が完了した後、表1に示す種類及び量の単量体Bを添加して重合を続行した。
BMA:メタクリル酸n-ブチル
TMS-MAA:メタクリル酸トリメチルシリル
MAA:メタクリル酸
MMA:メタクリル酸メチル
表2の上段に記載の単量体(単位:部)を常法により共重合させて、ランダム共重合体1及び2を合成した。ランダム共重合体の酸価と等モル量の水酸化カリウムを加えた。さらに、適量の純水を添加して、樹脂(固形分)の含有量が20.0%であるランダム共重合体1及び2の水溶液を調製した。ランダム共重合体の各種特性を表2に示す。また、表2中の各成分の詳細を以下に示す。
BA:アクリル酸n-ブチル
BzMA:メタクリル酸ベンジル
AA:アクリル酸
MAA:メタクリル酸
表3に示す多価アルコール誘導体(化合物1~3)を用意した。表3中、「m」及び「n」は、下記式(A)中の「m」及び「n」の値である。
表4-1~4-4の上段に示す各成分(単位:%)を混合し、十分撹拌した後、ポアサイズ3.0μmのセルロースアセテートフィルター(アドバンテック製)にて加圧ろ過して、各インクを調製した。「ゾニールFS-3100」は、デュポン製のフッ素系のノニオン性界面活性剤の商品名である。「アセチレノールE13」、「アセチレノールE60」、及び「アセチレノールE100」は、いずれも一般式(1)で表される、川研ファインケミカル製の界面活性剤の商品名である。「アセチレノールE13」、「アセチレノールE60」、及び「アセチレノールE100」の一般式(1)中の「x+y」の値は、それぞれ、「1.3」、「6.0」、及び「10.0」である。
図5に示す主要部を有するインクジェット記録装置のインク収容部(不図示)に各インクを充填し、温度25℃、相対湿度50%の環境で、以下に示す各評価を行った。記録ヘッドとしては、図6に示す構成を有するライン型の記録ヘッドを使用した。この記録ヘッドは、1つのノズルにつき、吐出口と吐出素子の間で連通する第1流路及び第2流路を具備し、ポンプを利用して第1流路内のインクを第2流路へと流動させるものである。ノズル列1列当たりのノズル数は1024個、ノズル密度は600dpi、1ノズル当たりのインク吐出量は5ngである。以下の評価では、ノズル列を2列分使用し、1/600インチ×1/600インチの単位領域にインク滴を3滴付与する条件で、15インチ/秒の速度で記録媒体を搬送して画像を記録した。また、記録ヘッド内のインクの温度が40℃となるように加温した。
まず、ラインヘッドを構成するノズル列2列分の吐出口のうちの、記録媒体の幅方向における半分に当たる吐出口を使用して、図9に示す「パターン1」のベタ画像を3枚分の記録媒体に記録した。記録媒体としては、商品名「高品位専用紙HR-101S」(キヤノン製)を使用した。次いで、ラインヘッドを構成するノズル列2列分の吐出口のうちの、記録媒体の幅方向における全体に当たる吐出口を使用して、図9に示す「パターン2」のベタ画像を1枚分に記録媒体に記録した。インクの循環流速を1.0mm/sとした場合と、10.0mm/sとした場合で上記2つのパターンのベタ画像を記録した。また、循環ポンプを停止し、インクを流動させない条件で記録したものを参考例1~3とした。記録した「パターン2」のベタ画像を目視で確認して、以下に示す評価基準にしたがって画像ムラを評価した。本発明においては、以下に示す評価基準で、「AA」、「A」、及び「B」を許容できるレベル、「C」、及び「D」を許容できないレベルとした。結果を表5に示す。
AA:ベタ画像のどの部分にもムラが生じていなかった。
A:吐出しはじめ(記録媒体の端部)の10ドット以下の領域でムラが生じていた。
B:吐出しはじめ(記録媒体の端部)の10ドットを超えて50ドット以下の領域でムラが生じていた。
C:吐出しはじめ(記録媒体の端部)の50ドットを超えて100ドット以下の領域でムラが生じていた。
D:吐出しはじめ(記録媒体の端部)の100ドットを超えた領域でムラが生じていた。
Claims (19)
- インクを吐出する吐出口と、前記インクを吐出するためのエネルギーを発生する吐出素子と、前記吐出口と前記吐出素子の間で連通してその内部に前記インクが流通する第1流路及び第2流路と、を具備する記録ヘッドから前記インクを吐出して画像を記録するインクジェット記録方法であって、
前記記録ヘッドが、複数の前記吐出口が配列した吐出口列が配置された吐出素子基板が直線状に配列されているラインヘッドであり、
前記吐出口から前記インクを吐出する吐出工程と、
前記吐出工程とは別の、前記第1流路内の前記インクを前記第2流路へと流動させる流動工程と、を有し、
前記インクが、10ミリ秒における動的表面張力が35mN/m以上48mN/m以下の水性インクであることを特徴とするインクジェット記録方法。 - 前記インクの粘度が、3.0mPa・s以上である請求項1に記載のインクジェット記録方法。
- 前記インクが、樹脂粒子を含有する請求項1又は2に記載のインクジェット記録方法。
- 前記インクが、水溶性ウレタン樹脂を含有する請求項1乃至3のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
- 前記インクが、ブロック共重合体を含有する請求項1乃至4のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
- 前記インクが、3価以上の多価アルコールにXモルのエチレンオキサイド基及びYモルのプロピレンオキサイド基が付加した、{Y/(X+Y)}×100(%)の値が70%以上90%以下の多価アルコール誘導体を含有する請求項1乃至5のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
- 前記インクが、界面活性剤を含有する請求項1乃至6のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
- 前記記録ヘッドが、複数の前記吐出口のそれぞれに対応する、複数の前記第1流路が1つの流入路に連通しているとともに、複数の前記第2流路が1つの流出路に連通している請求項1乃至8のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
- 前記流動工程において、前記吐出口から前記インクを排出することなく、前記インクを流動させる請求項1乃至9のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
- さらに、前記流動工程における前記インクの流動を停止して前記記録ヘッドの回復動作を行う回復工程を有する請求項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。
- 前記流動工程において、前記インクの吐出方向と交差する方向に前記インクを流動させる請求項1乃至11のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
- 前記流動工程において、前記吐出素子とは別の流動手段によって前記インクを流動させる請求項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。
- 前記流動工程において、前記第1流路に連通する流入口と前記第2流路に連通する流出口との間の圧力差で前記インクを流動させる請求項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。
- 前記圧力差で流動させる前記インクの流速が、0.1mm/s以上10.0mm/s以下である請求項14に記載のインクジェット記録方法。
- 前記流動工程において、前記インクを間欠的に流動させる請求項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。
- 間欠的に流動させる前記インクの流速が、1.0m/s以上10.0m/s以下である請求項16に記載のインクジェット記録方法。
- 前記記録ヘッドが、熱エネルギーを発生する吐出素子を利用してインクを吐出するサーマル方式の記録ヘッドである請求項1乃至17のいずれか1項に記載のインクジェット記録方法。
- インクを吐出する吐出口と、前記インクを吐出するためのエネルギーを発生する吐出素子と、前記吐出口と前記吐出素子の間で連通してその内部に前記インクが流通する第1流路及び第2流路と、を具備する記録ヘッドを備えるインクジェット記録装置であって、
前記記録ヘッドが、複数の前記吐出口が配列した吐出口列が配置された吐出素子基板が直線状に配列されているラインヘッドであり、
さらに、前記吐出素子とは別の、前記第1流路内の前記インクを前記第2流路へと流動させる流動手段を備え、
前記インクが、10ミリ秒における動的表面張力が35mN/m以上48mN/m以下である水性インクであることを特徴とするインクジェット記録装置。
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