KR101590001B1 - 잉크 첨가제로서 퍼플루오로폴리에테르 - Google Patents

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Abstract

잉크가 개시된다. 잉크 조성물은 잉크 비히클, 착색제 및 불소계면활성제를 포함하며, 여기에서 불소계면활성제는 화학식 (A)를 나타내는 중합체이다:
Figure 112014014295213-pct00004
(A)
상기 식에서, p는 임의의 정수이고, q는 임의의 정수이며, Z1 및 Z2는 각각 불소 또는 임의의 작용기이고, R1, R2, R3는 각각 불소, 임의의 알킬기, 또는 임의의 작용기이며, 여기에서 R1, R2, R3, Z1 및 Z2가 모두 불소인 것은 아니고 불소계면활성제가 잉크 비히클의 표면 장력을 저하시킨다. 잉크의 특성을 개선하는 방법이 또한 개시된다.

Description

잉크 첨가제로서 퍼플루오로폴리에테르{PERFLUOROPOLYETHERS AS INK ADDITIVES}
본 발명은 잉크를 개시한다. 본 발명의 잉크 조성물은 잉크 비히클, 착색제 및 불소계면활성제를 포함한다.
잉크젯 인쇄 시스템은 통상 인쇄 매체, 예를 들어, 종이 또는 기타 유기 또는 무기 기재 위에 이미지를 생성하는 효과적인 방편으로 사용되고 있다. 한 실시예에서, 한가지 이상의 잉크로부터 형성될 수 있는 잉크 액적은 고속으로 노즐 또는 기타 방울 발생 디바이스(예: 인쇄 헤드)로부터 인쇄 매체 위로 분사되어 이미지를 생성한다. 생성된 이미지는 사진, 그래픽, 문서, 캐릭터, 상징 또는 그의 조합을 비제한적으로 포함할 수 있다.
잉크젯 잉크 또는 수성 잉크는 염료계 또는 안료계일 수 있으며 다른 특성 중에서도 색채, 토출성(jettability), 건조 시간, 장기 보관중의 안정성, 디캡 특성(decap properties)(즉, 인쇄 헤드의 캐핑이 제거되고 가동되지 않는 상태로 방치되었다가 그 후 잉크 액적을 여전히 적절하게 분사 또는 발사할 수 있는 시간의 양), 고품질의 이미지를 생성할 수 있는 능력, 습윤 특성과 같은 특정 특성을 기초로 하여 평가된다.
본 발명은 개선된 특성을 나타내는 새로운 잉크 및 잉크의 특성을 개선하는 새로운 방법을 제공함을 목적으로 한다.
개시된 잉크의 특이적 실시예를 구체적으로 참조한다. 경우에 따라, 대안적인 실시예도 간략히 기재된다.
명세서 및 첨부된 특서청구범위에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 내용상 명백히 달리 지시되지 않는 한 복수의 대상을 포함함에 유의한다.
본 명세서에서 사용된 "약"은 예를 들어 제조 공정에서의 변수에 의해 유발되는 ±10% 변동을 의미한다.
본 명세서에서, 용어 "장쇄"는 하나 이상의 과불소화 탄소쇄를 포함하는 분자를 지칭하며, 여기에서 각각의 탄소쇄는 연달아 4개 초과의 과불소화 탄소를 포함한다.
본 명세서에서, 용어 "단쇄"는 하나 이상의 과불소화 탄소쇄를 포함하는 분자를 지칭하며, 여기에서 각각의 탄소쇄는 연달아 4개 이하의 과불소화 탄소를 포함한다.
불소계면활성제는 매체 기재 위에 인쇄된 이미지의 도말(smearing), 도트 게인(dot gain), 모틀링(mottling), 페더링(feathering), 블리딩(bleeding)의 최소화 등과 같은, 인쇄 헤드 상의 퍼들링(puddling)을 제어하거나 매체 상호작용에서의 잉크 개선을 위해 수성 잉크에서 사용되는 통상의 첨가제이다. 특히, 과거에는, 장쇄의 과불소화 탄소를 포함하는 불소계면활성제가 사용되어 왔다. 그러나, 2009년 12월에, 미 환경보호청(United States Environmental Protection Agency; EPA)은 장쇄 과불소화 시약(PFC)의 현저히 유해한 효과를 자세히 다룬 실행 계획(Action Plan)을 발표하였고, 독성 물질 관리법(Toxic Substances Control Act) 하에서 그의 규칙 제정 능력을 사용하여 이들 장쇄 PFC에 의해 제공되는 위험을 언급하고자 하는 의도를 공표하였다.
퍼플루오로폴리에테르(PFPE)를 포함하는 수성 잉크용 신규 조성물이 개시된다. PFPE는 장쇄 PFC에 비해 현저히 독성이 감소된 것일 수 있는 단쇄 PFC이며, 잉크의 품질을 개선할 수 있다. PFPE는 통상 사용되는 불소계면활성제에서의 탄소쇄보다 더 짧고 장쇄 PFC(즉, 연달아 4개 초과의 불소화 탄소)의 EPA 특성화보다 더 짧은, 길어봐야 2개의 탄소쇄를 포함한다. 또한, 수성 잉크에서 PFPE를 사용하면 개선된 디캡성, 습윤성 및/또는 토출성을 지닌 잉크를 얻을 수 있다.
일반적으로, PFPE는 불소화 메틸렌 옥사이드 및 에틸렌 옥사이드 반복 단위를 포함하는 골격을 지닌 중합체 부류이다. 이들 물질의 골격 내로 산소를 통합시키면 산소화되지 않은 과불소화 탄소쇄, 예를 들어, 장쇄 PFC보다 독성이 현저히 적게 만들 수 있다. 또한, PFPE는 잉크의 품질을 개선하기 위하여 잉크의 첨가제로 사용될 수 있도록 작용기화될 수 있다.
일반적으로, PFPE는 이들이 수성 잉크의 첨가제로 사용되기에 특히 적합하도록 하는 다수의 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 하기에서 추가로 논의되는 바와 같이, PFPE는 낮은 탄소 대 불소 비율을 나타내기 때문에 양호한 계면활성제일 수 있다. 따라서, 이들의 장쇄 불소계면활성제 상응물과 같이, 수성 잉크에서, ㅍPFPE는 액체-공기 계면을 이루어 천공 구멍(orifice bore) 내에 액체 캡을 형성할 수 있다. 액체 캡이 형성되면 잉크의 증발을 감소시킬 수 있고, 이는 다시 디캡 시간을 개선할 수 있다. 즉, 액체 캡의 형성은 인쇄 헤드의 성능이 잉크의 건조로 인하여 부정적으로 영향받기 전에 인쇄 헤드의 캐핑이 제거된 채로 방치될 수 있는 시간을 증가시킬 수 있다. 또한, 수성 잉크에 PFPE를 포함시키면, 유기 또는 무기 인쇄 헤드 표면 상의 잉크 퍼들링, 위킹(wicking) 또는 퍼짐성(spread)을 감소시킬 수 있으며, 이는 인쇄 헤드의 디캡 시간에 부정적인 영향을 주는 다른 조건인 액적의 비적절한 이용을 유발할 수 있다. 추가로, 이들의 장쇄 불소계면활성제 상응물과 같이, 그리고 상기에서 추가로 기재한 바와 같이, PFPE는 블리딩, 페더링, 모틀링 등과 같은 매체 상호작용에 있어서 잉크를 개선할 수 있다.
마지막으로, 수성 잉크에서, PFPE는 비반응성이고, 잉크의 점도를 변화시키지 않으며, 액체 상태로 남아 있게 할 수 있다. 또한, PFPE를 포함하는 잉크가 인쇄 공정에 사용되는 경우, PFPE는 잉크가 건조되는 경우 PFPE가 결정립을 형성하지 않도록 비정질로 남아있을 수 있다.
작용기화된 PFPE의 예시적인 화학식은 다음과 같을 수 있다:
Figure 112014014295213-pct00001
상기 식에서, p 및 q는 각각 임의의 정수일 수 있고, 일부 실시예에서 p:q의 비는 1:1 내지 1:2일 수 있으며; Z1 및 Z2는 각각 불소 또는 임의의 작용기일 수 있고; R1, R2, R3는 각각 불소, 임의의 알킬기 또는 임의의 작용기일 수 있으며, 단, R1, R2 및 R3가 모두 불소인 경우, Z1 및 Z2는 둘 다 불소인 것이 아니며, 단, 수용액에서, 작용기화된 PFPE는 이러한 수용액의 표면 장력을 저하시킨다.
일부 실시예에서, 상기 논의된 바와 같이, R1, R2 및 R3는 임의의 알킬기, 예를 들어, 선형, 분지형 또는 과분지형(hyper-branched) 알킬일 수 있다. 이러한 기의 예로는 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소-부틸, n-옥틸, n-데실, n-도데실 또는 n-테트라데실기를 비제한적으로 들 수 있다. 본 명세서에서 사용된"과분지형 중합체"는 중앙 골격으로부터 시작하는 반복 단위를 갖는, 조밀하게 분지화된 수지상 중합체를 의미한다.
일부 실시예에서, R1, R2, R3는 모두 동일하지만, 다른 실시예에서 R1, R2 또는 R3의 적어도 하나는 다른 R 기와 상이하다. 또한, 일부 실시예에서, 알킬 R1, 알킬 R2 또는 알킬 R3는 상기 기재한 바와 같이 Z 기와 동일한 특성을 나타내는 하나 이상의 부가적인 작용기를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, Z1, Z2, R1, R2, R3, 및 알킬 R1, 알킬 R2 또는 알킬 R3 상의 임의의 부가적인 작용기는 모두 동일할 수 있다. 다른 실시예에서, Z1, Z2, R1, R2, R3, 및 알킬 R1, 알킬 R2 또는 알킬 R3 상의 임의의 부가적인 작용기는 모두 동일하지 않을 수 있다. 다른 실시예에서, Z1, Z2, R1, R2, R3, 및 알킬 R1, 알킬 R2 또는 알킬 R3 상의 임의의 부가적인 작용기는 모두 상이할 수 있다.
앞에서 논의한 바와 같이, Z1, Z2, R1, R2, R3 또는 알킬 R1, 알킬 R2 또는 알킬 R3 상의 임의의 부가적인 작용기는 임의의 작용기일 수 있으나, 단, 수용액에서 작용기화된 PFPE는 이러한 수용액의 표면 장력을 저하시킨다. 표면 장력은 액체가 외부 힘에 저항할 수 있는 정도이다. 일반적으로, 수용액의 표면 장력은 수용액과 다른 액체 또는 기체의 계면에서 발견되는 수소 결합에 의해 공급된다. 계면활성제, 예를 들어, PFPE는 수용액의 표면 장력을 저하시키는데, 왜냐하면 이들이 수용액과 다른 액체 또는 기체 사이의 계면으로 확산되는 것이 에너지적으로 유리하기 때문이다. 이 계면에서, 수소 결합은 비수성의 환경을 찾는 계면활성제의 소수성 부분에 의해 파괴될 수 있으며, 이에 따라 수용액은 더 낮은 표면 장력을 나타내게 된다.
적합한 작용기의 일부 예는 아크릴레이트, 알콜, 아미드, 아민, 카바메이트, 카복실레이트, 에폭시, 에스테르, 에테르, 구아니디늄, 이민, 케톤, 옥심, 포스페이트, 포스포네이트, 양성자화 니트로겐, 실란, 설페이트 또는 설폰아미드를 비제한적으로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 적합한 작용기는 알콜일 수 있다. 한 실시예에서, 적합한 작용기는 하이드록시메틸기일 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 알콜 유도체가 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, PFPE는 R1, R2 및 R3가 모두 불소인 하기 화학식의 선형 중합체일 수 있다:
Figure 112014014295213-pct00002
상기 식에서, p 및 q는 각각 임의의 정수일 수 있고, 일부 실시예에서 p:q의 비는 1:1 내지 1:2일 수 있다. 일부 실시예에서, Z1 또는 Z2 또는 Z1 및 Z2 양자 모두는 카복실레이트일 수 있다. 염기성 수성 잉크에서 사용되는 경우, 5 미만의 pKa를 나타내는 PFPE 상의 카복실레이트기는 수성 잉크에서 탈양성자화될 수 있으며 남아 있는 과불소화 구조를 가용화시키는 것을 보조할 수 있다. 다른 실시예에서, 전술한 바와 같이, 과불소화 구조를 가용화시키는 것을 보조할 수 있는 다른 작용기가 사용될 수 있다.
수성 잉크에서 PFPE가 첨가제로 사용되는 경우, 실시예 잉크 제제는 작용기화된 PFPE, 잉크 비히클 및 착색제를 포함할 수 있다. 부가적으로, 일부 실시예에서, 추가로 후술하는 바와 같이, 잉크 제제는 다른 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 작용기화된 PFPE는 잉크의 0 wt% 내지 2 wt%를 차지할 수 있다.
수성 잉크에서 사용되는 잉크 비히클은 물 및 하나 이상의 유기 용매 또는 그의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 물은 잉크의 60 wt% 내지 99.9 wt%를 차지하며, 하나 이상의 유기 용매는 잉크의 0 wt% 내지 40 wt%를 차지한다.
일부 실시예에서, 적합한 수용성 유기 용매는 글리세롤, 글리콜, 알콜, 디올, 아민, 에테르, 아미드 또는 그의 조합을 비제한적으로 포함할 수 있다. 이러한 적합한 용매의 비제한적인 특정 예는 1,2-헥산디올, 1,5-펜탄디올, l,3,5-(2-메틸)-펜탄트리올, 1,6-헥산디올, 2-메틸-1,3-프로판디올, 1,2-알킬디올, 에틸하이드록시-프로판디올, 1,2-프로판디올, 2-하이드록시에틸-2-피롤리돈, 2-피롤리돈, n-메틸 피롤리돈, 1-(2-하이드록시에틸)-2-피롤리돈, 디에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 리포닉 에틸렌 글리콜-1, 디에틸렌글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, n-부틸 에테르, 트리(프로필렌글리콜) 메틸 에테르, 글리세롤, n,n-디-(2-하이드록시에틸)-4,4-디메틸하이단토인, 3-피리딜 카비놀, 3-메틸-l-부탄올, 펜타에리트리톨, 2-하이드록시에틸-2-이미다졸, 테트라메틸렌 설폰, 설폴란 또는 그의 조합을 포함할 수 있다.
잉크에서 사용되는 착색제는 유기 또는 무기일 수 있으며, RGB 또는 CYMK와 같이 임의의 가능한 색으로, 표면 개질되어 안정한 수분산액을 형성한 착색된 안료, 착색된 염료 또는 그의 조합일 수 있다. 일부 실시예에서, 착색제는 잉크의 0 wt% 내지 20 wt%일 수 있다.
일부 실시예에서, 착색제는 흑색 염료, 황색 염료, 마젠타 염료, 적색 염료, 보라색 염료, 시안 염료, 청색 염료, 녹색 염료, 주황색 염료, 갈색 염료, 백색 염료 또는 그의 조합 중에서 선택될 수 있다. 염료는 단일 염료 또는 염료의 조합일 수 있다. 한 실시예에서, 녹색 염료는 황색 염료와 청색 염료를 혼합하여 형성할 수 있다. 잉크 비히클 중의 용매 조성물은 또한 특정 염료 또는 염료의 조합에 대한 목적 용해도를 생성하기 위해 선택될 수 있다.
하기 염료의 리스트는 이들의 색지수 일반명(Color Index(C.I.) Generic Names)을 사용하여 기재된다. 이들 리스트는 예시적으로만 제공되며 포괄적인 것을 의도하지 않는다. 다수의 다른 염료 또는 염료의 조합도 사용될 수 있다. 흑색 염료는 C.I. 용제 흑색 5, 7, 27, 28, 29, 34, 35, 45, 46 또는 48을 포함할 수 있다. 청색 염료는 C.I. 용제 청색 4, 5, 6, 35, 38, 48, 59, 67, 70, 104 또는 136을 포함할 수 있다. 보라색 염료는 C.I. 용제 보라색 8, 9, 11, 14 또는 38을 포함할 수 있다. 갈색 염료는 C.I. 용제 갈색 1, 3, 5, 20, 42, 43, 44, 48 또는 52를 포함할 수 있다. 주황색 염료는 C.I. 용제 주황색 3, 11, 20, 25, 54, 60, 62, 63, 86, 99 또는 105를 포함할 수 있다. 적색 염료는 C.I. 용제 적색 1, 23, 29, 49, 119, 122, 125, 127, 130, 132, 135, 149, 160, 164, 168, 169, 172 또는 233을 포함할 수 있다. 황색 염료는 C.I. 용제 황색 10, 13, 14, 19, 25, 28, 33, 88, 89, 114, 146 또는 163을 포함할 수 있다. 상기 논의한 바와 같이, 염료는 광범위한 조합으로 사용될 수 있다. 한 실시예에서, C.I. 용제 청색 70 및 C.I. 적색 233 또는 용제 보라색 9 및 용제 갈색 52가 조합되어 사용될 수 있다.
앞에서 논의한 바와 같이, 표면 개질되어 안정한 수분산액을 형성한 착색된 안료도 착색제로서 수성 잉크에서 사용될 수 있다. 이러한 착색된 안료의 비제한적인 예는 PR122 또는 PR269와 같은 마젠타 안료, PY74, PY17 또는 PY174와 같은 황색 안료, 또는 PB15:1, PB15:2 또는 PB15:3과 같은 시안 안료를 포함할 수 있으나, 이로 제한되지는 않는다.
마지막으로, 일부 실시예에서, 잉크 비히클은 기타 첨가제, 예를 들어, 휨 방지제, 완충제, 결합제, 살생물제, 부식 억제제, 분산제, 보습제, 광안정화제, 나노입자 안정화제, 형광 발광제, pH 조정제, 중합체, 유동성 개질제, 금속이온 봉쇄제, 안정화제, 계면활성제, 증점제, 점도 개질제, 표면-활성제 또는 그의 조합을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 첨가제는 인쇄 성능을 증진시키거나, 인쇄 헤드의 신뢰도를 개선하거나, 매체 기재 상에 인쇄되는 이미지의 품질을 개선하거나 그렇지 않으면 잉크 품질 또는 잉크의 용도를 개선하는 작용을 할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 기타 첨가제는 잉크의 0 wt% 내지 10 wt%일 수 있다.
상기에서 간략히 논의한 바와 같이, 이들의 장쇄 불소계면활성제 상응물보다 독성이 현저히 적은 것에 추가하여, PFPE 첨가제를 포함하는 잉크는 임의의 PFPE 첨가제를 사용하지 않거나 임의의 기타 불소계면활성제 첨가제를 사용하지 않는 잉크에 비해 더 양호하게 작용할 수 있다. 특히, PFPE 첨가제는 하나 이상의 잉크 특성, 예를 들어, 디캡 특성, 퍼들링 특성, 습윤 특성 또는 토출성을 개선할 수 있다. 부가적으로, 앞에서도 논의한 바와 같이, 매체 상의 잉크 상호작용은 잉크가 PFPE를 포함하는 경우 개선될 수 있다. 특히, 매체 상의 액적 투과 및 잉크 번짐이 감소될 수 있다.
PFPE 첨가제를 포함하는 수성 잉크는 더 양호한 디캡 특성을 나타낼 수 있다. 디캡 특성은 잉크를 함유하는 잉크 카트리지의 캐핑이 제거되고 일정 시간 가동되지 않는 상태로 방치된 후 잉크가 회복되는 속도를 나타낸다. 양호한 디캡 특성을 지닌 잉크는 인쇄 공정에서 사용되는 경우 더 적은 퍼들링을 보일 수 있다.
도 1a는 회복까지의 스핏(spits to recovery)(적절한 액적 분사가 발생하고 인쇄 헤드의 성능이 복구되기 전의 저항기 발사의 수) 및 디캡 시간(초)의 좌표로, 폴리플루오로폴리에테르(PFPE)를 포함하거나 포함하지 않으며 공지의 비효과적인 디캐핑 용매를 사용하는 잉크의 회복을 비교하는 그래프이다.
도 1b는 회복까지의 스핏 및 디캡 시간(초)의 좌표로, PFPE를 포함하거나 포함하지 않으며 공지의 효과적인 디캐핑 용매를 사용하는 잉크의 회복을 비교하는 그래프이다.
도 2는 정규화된 퍼센트 질량 및 시간(초)의 좌표로, PFPE를 포함하거나 포함하지 않으며 공지의 비효과적인 디캐핑 용매를 사용하는 잉크 방울의 증발 속도를 비교하는 그래프이다.
도 3은 유기 및 무기 매체 기재 위에서 PFPE를 포함하거나 포함하지 않는 잉크의 습윤 거동을 나타낸다.
회복까지의 스핏(적절한 액적 분사가 발생하고 인쇄 헤드의 성능이 복구되기 전의 저항기 발사의 수) 및 디캡 시간(초)의 좌표로 나타낸 도 1a는 PFPE를 포함하거나 포함하지 않으며 공지의 비효과적인 디캐핑 용매를 사용하는 잉크의 회복을 비교하는 그래프(100a)이다. 이 비교에서, 먼저, 2개의 인쇄 카트리지에 1,2-헥산디올계 용매를 포함하는 잉크를 로딩하였으며, 여기에서 1,2-헥산디올은 열등한 디캐핑 용매로 공지되어 있다. 한 카트리지에서, 잉크는 추가로 0.5 wt%의 디카복실레이트 말단을 지닌 PFPE를 포함하였다. 다음에, 카트리지의 캐핑이 제거되고 정해진 양의 시간 동안 가동되지 않는 상태로 방치하였다. 인쇄 헤드의 캐핑 제거(uncapping)는 잉크의 상분리를 유발할 수 있으며, 이는 노즐에 점성의 플러그(plug) 형성을 초래할 수 있다. 마지막으로, 특정 시간 동안 인쇄 헤드의 캐핑이 제거된 채로 방치한 다음, 인쇄 헤드가 적절하게 잉크 방울을 발사하는데 필요한 스핏(spit)의 수를 측정하였다. 본 명세서에서 "스핏"은 인쇄 매체 또는 폐기물 용기(waste container) 상으로 인쇄 헤드에 의한 잉크 방울의 발사를 의미한다.
도 1a에서, 그래프선(120)은 0.5 wt%의 디카복실레이트 말단을 지닌 PFPE를 포함하는 잉크로 로딩된 인쇄 헤드에 의한 회복 전 스핏의 수를 나타낸다. 한편, 그래프선(110)은 PFPE를 포함하지 않는 인쇄 헤드에 의한 회복 전 스핏의 수를 나타낸다. 그래프선(110)에서 볼 수 있는 바와 같이, PFPE를 포함하지 않는 잉크로 로딩된 인쇄 헤드는 15초의 디캡 시간 후 회복되기까지 100 스핏을 나타내었고 15초를 초과하는 디캡 시간에는 회복되지 않았다. 한편, 그래프선(120)에서 볼 수 있듯이, PFPE를 포함하는 잉크로 로딩된 인쇄 헤드는 60초를 초과하는 디캡 시간 후에도 최소의 스핏 수 후에 회복되었다. 따라서, 열등한 디캐핑 용매를 포함하는 잉크에 PFPE를 포함시키면 양호한 디캡 특성을 지니는 현저히 개선된 잉크를 얻을 수 있다.
한편, 회복까지의 스핏 및 디캡 시간(초)의 좌표로 나타낸 도 1b는 PFPE를 포함하거나 포함하지 않으며 공지의 효과적인 디캐핑 용매를 사용하는 잉크의 회복을 비교하는 그래프(100b)이다. 비교를 실행하기 위해 사용된 방법은 PFPE를 포함하거나 포함하지 않는 공지의 비효과적인 디캐핑 용매를 비교함에 있어서 상기 기재된 바와 실질적으로 동일하였다. 카트리지 내로 로딩된 잉크는 공지의 효과적인 디캐핑 용매, 2-피롤리돈(2P)를 함유하였으며, 한 카트리지 내의 잉크는 0.5% 디카복실레이트 말단의 PFPE를 추가로 포함하였다.
도 1b에서, 그래프선(140)은 0.5 wt% 디카복실레이트 말단의 PFPE를 포함하는 잉크로 로딩된 인쇄 헤드에 의한 회복되기 전 스핏의 수를 나타낸다. 반면에, 그래프선(130)은 PFPE를 포함하지 않는 인쇄 헤드에 의한 회복되기 전 스핏의 수를 나타낸다. 그래프선(130 및 140)에서 보는 바와 같이, 공지의 효과적인 디캐핑 용매를 사용하는 경우에 PFPE를 포함하거나 포함하지 않는 잉크의 회복 속도에는 주목할만한 차이가 없었다. 즉, 그래프선(130 및 140)에서의 차이는 실험 노이즈에 기인할 것일 수 있다. 양쪽 잉크는 양호한 디캡 특성을 나타내어 60 초를 초과하는 디캡 시간 후에도 회복 전에 최소의 스핏 수만을 필요로 하였다. 따라서, PFPE 첨가제의 첨가는 효과적인 디캐핑 용매를 포함하는 잉크의 양호한 디캡 특성에 부정적인 영향을 주지 않을 수 있다.
잉크의 증발 속도도 그의 디캡 특성에 영향을 줄 수 있다. 잉크의 증발이 발생하면 노즐에서 잉크 점도의 국소적 증가, 구동 거품 강도의 감소(즉, 저항기에서 물의 고갈) 또는 일부 기타 증발에 의한 현상, 예를 들어, 상 분리로 인해 잉크가 분해될 수 있다. 따라서, 잉크의 증발 속도가 억제될 수 있다면, 잉크의 디캡 특성이 개선될 수 있다. 따라서, 더 높은 증발 속도를 나타내는 잉크와 비교하여 더 낮은 증발 속도를 나타내는 잉크는 더욱 일관될 수 있고 더 장기간의 디캡 후에 잉크 방울을 더욱 확실하게 발사할 수 있다.
도 2는 정규화된 퍼센트 질량 및 시간(초)의 좌표로, PFPE 첨가제를 포함하거나 포함하지 않으며 공지의 비효과적인 디캐핑 용매 1,2-헥산디올을 기본으로 하는 잉크 비히클을 사용하는 잉크 방울의 증발 속도를 비교하는 그래프(200)이다. PFPE가 포함된 시험에서, 잉크는 0.5 wt% 디카복실레이트 말단 PFPE를 추가로 포함하였다.
도 2에서, 그룹(220)의 그래프선들은 각각 PFPE를 포함하는 잉크 방울의 증발 속도를 나타내는 한편, 그룹(210)의 그래프선들은 각각 PFPE를 포함하지 않는 잉크 방울의 증발 속도를 나타낸다. 증발 속도는 주변 환경에서 일정한 경과 시간 후 남아 있는 방울의 퍼센트 질량으로 표현하였다. 그룹(220)의 그래프선들로부터 볼 수 있는 바와 같이, PFPE를 첨가한 결과 더 느리고 더 일관된 증발 속도를 나타내는 잉크 방울이 얻어졌으며, 이는 앞에서 논의한 바와 같이 더 양호한 디캡 특성을 나타낼 수 있는 더욱 일관된 잉크가 얻어졌음을 나타낸다.
따라서, 전반적으로, PFPE 첨가제의 첨가로 인하여 비효과적인 디캐핑 용매를 포함하는 잉크의 디캡 특성을 개선할 수 있으며 효과적인 디캐핑 용매를 포함하는 잉크의 양호한 디캡 특성에 부정적인 영향을 주지 않을 수 있다.
다음에, 앞에서 논의한 바와 같이, 잉크의 PFPE 첨가제는 또한 인쇄 중에 잉크 퍼들링을 감소시킬 수 있으며 잉크의 토출성을 개선할 수 있다. 공지의 비효과적인 디캐핑 용매를 포함하는 잉크에 PFPE 첨가제를 첨가하면, 생성된 잉크는 더 높은 낙하 속도(drop velocity) 및 더 높은 안정성 수준으로 발사될 수 있다. 하기 표 1은 0.5 wt%의 디카복실레이트 말단 PFPE를 포함하는 발사된 잉크 방울과 PFPE 또는 임의의 기타 불소계면활성제를 포함하지 않는 발사된 잉크 방울의 평균 속도 사이의 차이를 보여준다. 양쪽 잉크는 비효과적인 디캐핑 용매 1,2-헥산디올을 추가로 포함한다.
PFPE 불포함 PFPE 포함
평균 낙하 속도(m/s) 9.43 15.92
표준 편차 (m/s) 6.39 0.24
표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, PFPE 첨가제를 포함하는 잉크 방울은 PFPE 또는 기타 불소계면활성제 첨가제를 포함하지 않는 잉크 방울에 비해 더 빠른 낙하 속도로 발사될 수 있다. 부가적으로, 또한 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, PFPE를 포함하지 않는 앙크의 평균 낙하 속도의 표준 편차는 PFPE를 포함하는 잉크보다 훨씬 더 크다. 이렇게 더 높은 표준 편차는 PFPE를 포함하지 않는 잉크 방울의 발사가 더욱 불규칙하고 일관되지 않을 수 있음을 나타내며, 이는 인쇄된 이미지의 품질이 열등하거나 일관되지 않음을 초래할 수 있거나 인쇄 헤드 표면 위의 퍼들링을 초래할 수 있다. 따라서, PFPE 첨가제를 포함하는 잉크를 사용하면 인쇄 헤드 상의 퍼들링을 줄이고 인쇄된 이미지의 더욱 일관되고 양호한 품질을 얻을 수 있다.
마지막으로, 또한 앞에서 논의된 바와 같이, PFPE 첨가제는 잉크의 습윤 특성을 개선할 수 있다. 잉크 화학에서, 습윤 특성은 잉크가 어떻게 기재와 접촉하는지를 기술하며, 여기에서 잉크 방울과 기재 사이의 각도는 "접촉각(contact angle)"으로 알려져 있다. 높은 습윤성을 나타내는 잉크는 90°미만의 접촉각으로 기재 위에 낙하할 수 있으며 기재의 넓은 면적에 걸쳐 퍼질 수 있다. 낮은 습윤성을 나타내는 잉크는 90°를 초과하는 접촉각으로 기재 위에 낙하할 수 있으며 기재 상에 최소의 퍼짐성으로 조밀하게 유지될 수 있다. 따라서, 높은 습윤성을 나타내는 잉크는 인쇄 헤드 표면 상의 퍼들링을 보여줄 수 있는 한편, 낮은 습윤성을 나타내는 잉크는 인쇄 헤드 표면 상의 퍼들링을 덜 보여줄 수 있다.
부가적으로, 낮은 습윤성을 나타내는 잉크는 비전통적인 매체, 예를 들어, 비흡수성으로 되는 경향이 있는 다공성이 적은 매체(예: 플라스틱) 위에 인쇄됨에 있어서 효과적으로 사용될 수 있다. 이와 같이 다공성이 적은 매체 위에서, 낮은 습윤성을 나타내는 잉크는 퍼짐성 감소 또는 도트 게인의 저하를 통해 더 높은 엣지 해상도(edge definition)를 창출할 수 있다.
도 3은 유기 및 무기 매체 기재 위에서 PFPE를 포함하거나 포함하지 않는 잉크의 습윤 거동을 도시한다. 도 3에서, 이미지(330 및 340)은 각각 무기 유리 기재 및 유기 점착성 에폭시 기재 위에 낙하된 PFPE를 포함하는 잉크를 설명한다. 반면에, 이미지(310 및 320)는 각각 무기 유리 기재 및 유기 점착성 에폭시 기재 위에 낙하된 PFPE를 포함하지 않는 잉크를 설명한다. 사용된 잉크는 공지의 비효과적인 디캐핑 용매 1,2-헥산디올을 기본으로 하였다. PFPE를 포함하는 시험에서, 잉크는 0.5 wt% 디카복실레이트 말단 PFPE를 추가로 포함하였다. 사용된 무기 기재는 피에조(piezo) 인쇄 헤드 천공에서 발견되는 것과 유사한 물질로부터 형성되는 한편, 사용된 유기 기재는 열 잉크젯 인쇄 헤드 천공 및 기타 유사한 중합체 인쇄 헤드 천공에서 발견되는 것과 유사한 물질로부터 형성되었다.
이미지(310 및 320)에서 보듯이, PFPE를 포함하지 않는 잉크가 무기 및 유기 기재 위에 낙하되는 경우 잉크와 기재 사이의 접촉각은 0°에 근접하며, 이는 높은 습윤성을 나타내는 잉크가 인쇄 중에 퍼들링될 수 있음을 나타낸다. 부가적으로, 기재 위에 낙하되는 경우 PFPE를 포함하지 않는 잉크는 불규칙한 모서리와 높은 퍼짐성의 이미지를 생성한다. 반면에, 이미지(330 및 340)에서 보듯이, PFPE를 포함하는 잉크가 무기 및 유기 기재 위로 낙하되는 경우 잉크 및 기재 사이의 접촉각은 75°에 근접하며, 이는 낮은 습윤성을 나타내는 잉크가 인쇄 중에 퍼들링되지 않음을 나타낸다. 또한, 기재 위로 낙하되는 경우 PFPE를 포함하는 잉크는 매끄러운 모서리의 조밀한 이미지를 생성한다. 따라서, PFPE를 포함하는 잉크는 낮은 습윤성을 나타내어 인쇄 헤드 천공 위의 퍼들링을 거의 초래하지 않을 수 있으며, 더 높은 품질의 이미지를 얻을 수 있다.
전술한 PFPE 성분 포함 잉크는 수성 잉크를 제형화하는 임의의 가능한 공정을 사용하여 만들 수 있다. 잉크 성분을 첨가하고 임의의 순서로 혼합할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 성분이 동시에 첨가되어 함께 혼합될 수 있다.
PFPE 성분을 포함하는 전술한 잉크는 잉크젯 잉크에 대한 특이적 적용과 관련하여 기재되었음을 이해하여야 한다. 그러나, 첨가제로서 PFPE 성분의 사용은 물을 기본으로 하는 UV 잉크와 같은 기타 수성 잉크 기술에서도 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 잉크 비히클;
    착색제; 및
    불소계면활성제를 포함하며, 여기에서 불소계면활성제는 하기 화학식을 나타내는 중합체인, 잉크:
    Figure 112015081121294-pct00003

    상기 식에서, p는 정수이고, q는 정수이며, Z1 및 Z2는 카복실레이트이고, R1, R2, R3는 각각 아크릴레이트, 알콜, 아미드, 아민, 카바메이트, 카복실레이트, 에폭시, 에스테르, 에테르, 구아니디늄, 이민, 케톤, 옥심, 포스페이트, 포스포네이트, 양성자화 니트로겐, 실란, 설페이트 및 설폰아미드로 구성된 그룹 중에서 선택되는 작용기, 불소, 또는 C1-C14 알킬기이며, 불소계면활성제가 잉크 비히클의 표면 장력을 저하시킴.
  2. 제1항에 있어서,
    p:q의 비가 1:1 내지 1:2인 잉크.
  3. 제1항에 있어서,
    잉크 비히클이 물 및 용매를 포함하고, 상기 용매는 글리세롤, 글리콜, 알콜, 디올, 아민, 에테르, 아미드 및 그의 조합으로 구성된 그룹 중에서 선택되는 잉크.
  4. 제3항에 있어서,
    잉크 비히클이 물 및 용매를 포함하고, 상기 용매는 1,2-헥산디올, 1,5-펜탄디올, l,3,5-(2-메틸)-펜탄트리올, 1,6-헥산디올, 2-메틸-1,3-프로판디올, 1,2-알킬디올, 에틸하이드록시-프로판디올, 1,2-프로판디올, 2-하이드록시에틸-2-피롤리돈, 2-피롤리돈, n-메틸 피롤리돈, 1-(2-하이드록시에틸)-2-피롤리돈, 디에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 리포닉 에틸렌 글리콜-1, 디에틸렌글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, n-부틸 에테르, 트리(프로필렌글리콜) 메틸 에테르, 글리세롤, n,n-디-(2-하이드록시에틸)-4,4-디메틸하이단토인, 3-피리딜 카비놀, 3-메틸-l-부탄올, 펜타에리트리톨, 2-하이드록시에틸-2-이미다졸, 테트라메틸렌 설폰, 설폴란 및 그의 조합으로 구성된 그룹 중에서 선택되는 잉크.
  5. 제1항에 있어서,
    착색제가 흑색 염료, 황색 염료, 마젠타 염료, 적색 염료, 보라색 염료, 시안 염료, 청색 염료, 녹색 염료, 주황색 염료, 갈색 염료, 백색 염료 및 그의 조합 중에서 선택되는 잉크.
  6. 제1항에 있어서,
    착색제가 표면 개질되어 안정한 수분산액을 형성할 수 있는 착색된 중합체성 입자인 잉크.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    R1, R2 및 R3가 모두 불소인 잉크.
  9. 제1항에 있어서,
    R1, R2 또는 R3가 아크릴레이트, 알콜, 아미드, 아민, 카바메이트, 카복실레이트, 에폭시, 에스테르, 에테르, 구아니디늄, 이민, 케톤, 옥심, 포스페이트, 포스포네이트, 양성자화 니트로겐, 실란, 설페이트 및 설폰아미드로 구성된 그룹 중에서 선택되는 부가적인 작용기를 추가로 포함하는 알킬기인 잉크.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    불소계면활성제가 잉크의 0 wt% 내지 2 wt%인 잉크.
  13. 제1항에 있어서,
    휨 방지제, 완충제, 결합제, 살생물제, 부식 억제제, 분산제, 보습제, 광안정화제, 나노입자 안정화제, 형광 발광제, pH 조정제, 중합체, 유동성 개질제, 금속이온 봉쇄제, 안정화제, 계면활성제, 증점제, 점도 개질제 및 표면-활성제로 구성된 그룹 중에서 선택된 성분을 추가로 포함하는 잉크.
  14. 잉크에 제1항의 잉크 비히클, 착색제 및 불소계면활성제를 첨가하는 단계를 포함하는, 잉크 비히클 및 착색제를 포함하는 잉크의 특성을 개선하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    휨 방지제, 완충제, 결합제, 살생물제, 부식 억제제, 분산제, 보습제, 광안정화제, 나노입자 안정화제, 형광 발광제, pH 조정제, 중합체, 유동성 개질제, 금속이온 봉쇄제, 안정화제, 계면활성제, 증점제, 점도 개질제 및 표면-활성제로 구성된 그룹 중에서 선택된 성분을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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