KR101931389B1 - 결정성 술폰 화합물 및 이의 유도체를 포함하는 상 변화 잉크 조성물 - Google Patents
결정성 술폰 화합물 및 이의 유도체를 포함하는 상 변화 잉크 조성물 Download PDFInfo
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Abstract
비결정성 성분, 결정성 성분을 포함하는 상 변화 잉크 조성물은 코팅 용지 기재에 인쇄하는 것을 포함하는 잉크젯 인쇄용으로 적합한 술폰 화합물 또는 이들의 유도체 및 선택적으로 착색제를 포함한다.
Description
본 발명은 실온(예를 들면, 20-27℃)에서 고체이고, 용융된 잉크가 기재에 적용되는 상승 온도에서 용융되는 것을 특징으로 하는 상 변화 잉크 조성물에 관한 것이다. 이러한 상 변화 잉크 조성물은 잉크젯 인쇄에 사용될 수 있다. 본 발명의 구현예는 비결정성 성분, 결정성 물질, 및 선택적으로 착색제(colorant)를 포함하는 신규한 상 변화 잉크 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 결정성 물질은 술폰 화합물 및 이의 유도체를 포함한다.
상 변화 잉크는 배송, 장기간 저장 등 동안 실온에서 고체상을 유지하기 때문에 잉크젯 프린터용으로 바람직하다. 또한, 상기 액체 잉크젯 잉크의 잉크 증발의 결과로서 노즐 막힘(clogging)과 관련된 문제가 대체로 제거되어 잉크젯 인쇄의 신뢰성을 개선시킨다. 또한, 잉크 액적(droplet)이 최종 기록 매체(예를 들면, 용지, 투명성 물질 등) 위로 직접적으로 적용되는 상 변화 잉크젯 프린터에서, 상기 액적이 상기 기록 부재에 접촉하는 즉시 고형화됨으로써, 인쇄 매체를 따라 잉크가 이동하는 것이 방지되고, 점(dot)의 품질이 개선된다.
종래의 상 변화 잉크 기술이 다공성 용지에서 선명한 이미지를 생산하고, 젯 사용 및 기재 관용도(latitude)의 경제성을 제공하는데 성공적이지만, 이러한 기술은 코팅된 기재에 대해 만족스럽지 못하였다. 따라서, 알려진 조성물 및 공정들은 그 의도하는 목적용으로는 적합하지만, 코팅 용지 기재 위에 이미지를 형성하거나, 인쇄를 하기 위한 부가적인 수단에 대한 필요는 여전히 남아있다. 이와 같이, 원하는 잉크 성분으로 이용하기에 적합한 다른 종류의 물질을 선택하고 확인하는 것을 포함하는, 모든 기재 위에 뛰어난 이미지 품질을 소비자에게 제공하기 위하여 상 변화 잉크 조성물용 대안적인 조성물 및 추가적인 인쇄 기술을 찾아낼 필요가 있다.
또한, 제작 인쇄와 같은 빠른 인쇄 환경에 적합한 상 변화 잉크 조성물을 제공할 필요가 있다.
본 발명은 코팅 용지 기재에 인쇄하는 것을 포함하는, 잉크젯 인쇄용으로 적합한 결정성 술폰 화합물을 포함하는 신규한 상 변화 잉크 조성물을 제공한다.
특히, 본 발명의 구현예는 비결정성 성분 및 하기 화학식 I을 갖는 술폰 화합물인 결정성 성분 및 이들의 혼합물을 포함하는 상 변화 잉크를 제공한다:
R6-SO2-R7
화학식 I
상기에서, R6 및 R7은 동일하거나 다를 수 있고, 상기 R6 및 R7은 각각 서로 독립적으로 (i) 이종원자가 약 1 내지 약 40 개 탄소 원자를 갖는 알킬기 내에 선택적으로 존재할 수 있고, 선형(linear) 또는 분지형, 고리형 또는 비고리형, 치환 또는 비치환, 포화 또는 불포화, 알킬기일 수 있는 알킬기; (ii) 이종원자가 약 4 내지 약 40 개 탄소 원자를 갖는 아릴알킬기의 아릴 부분 또는 알킬 부분에 선택적으로 존재할 수 있고, 아릴알킬기의 알킬 부분이 선형 또는 분지형, 고리형 또는 비고리형, 치환 또는 비치환, 포화 또는 불포화일 수 있으며, 치환 또는 비치환 아릴알킬기일 수 있는 아릴알킬기; 및 (iii) 이종원자가 약 3 내지 약 40 개 탄소 원자를 갖는 방향족기에 선택적으로 존재할 수 있고, 치환체가 선형, 분지형, 고리형 또는 비고리형 알킬기일 수 있으며, 치환 또는 비치환 방향족기일 수 있는 방향족기로 구성된 군으로부터 선택되고, 상기 상 변화 잉크는 15초 이내에 결정화된다.
구현예에서, 비결정성 성분 및 하기 화학식 I을 갖는 술폰 화합물인 결정성 성분을 포함하는 상 변화 잉크가 제공된다:
R6-SO2-R7
화학식 I
상기에서, R6 및 R7은 각각 독립적이며, 선택적으로 하나 이상의 할로, 아미노, 히드록시 또는 시아노기 및 이들의 조합으로 치환된 알킬 또는 아릴이고, 또는 R6 및 R7은 이들이 부착된 S 원자와 함께 헤테로사이클릭 고리를 형성하며; 상기 결정성 및 비결정성 성분은 약 60:40 내지 약 95:5의 결정성/비결정성 중량비로 존재한다.
다른 구현예에서, 화학식 II의 타르타르산의 에스테르 또는 화학식 III의 시트르산의 에스테르를 포함하는 비결정성 성분,
화학식 II
화학식 III
상기에서, R1, R2, R3, R4 및 R5는 독립적으로 약 1 내지 약 40 개 탄소 원자를 갖는 직선형(straight), 분지형 또는 고리형, 포화 또는 불포화된 알킬기 또는 치환 또는 비치환 방향족 또는 헤테로방향족기 및 이들의 혼합물일 수 있다; 및
하기 화학식 I을 갖는 술폰 화합물인 결정성 성분을 포함하는 상 변화 잉크가 제공된다:
R6-SO2-R7
화학식 I
상기에서, R6 및 R7은 동일하거나 다를 수 있고, 상기에서 R6 및 R7은 서로 독립적으로 (i) 이종원자가 약 1 내지 약 40 개 탄소 원자를 갖는 알킬기에서 선택적으로 존재할 수 있고, 선형 또는 분지형, 고리형 또는 비고리형, 치환 또는 비치환, 포화 또는 불포화된 알킬기일 수 있는 알킬기; (ii) 이종원자가 약 4 내지 약 40 개 탄소 원자를 갖는 상기 아릴알킬기의 알킬 부분에 선택적으로 존재할 수 있고, 상기 아릴알킬기의 알킬 부분은 선형 또는 분지형, 고리형 또는 비고리형, 치환 또는 비치환, 포화 또는 불포화일 수 있는, 치환 또는 비치환 아릴알킬기일 수 있는 아릴알킬기 ; 및 (iii) 이종원자가 약 3 내지 약 40 개 탄소 원자를 갖는 방향족기에 선택적으로 존재할 수 있고, 치환체가 선형, 분지형, 고리형 또는 비고리형 알킬기일 수 있으며, 치환 또는 비치환 방향족기일 수 있는 방향족기 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명에서 사용된 용어 "알킬"은 지방족 탄화수소기를 나타낸다. 상기 알킬 모이어티(moiety)는 임의의 알켄 또는 알킨 모이어티를 포함하지 않는 것을 의미하는 "포화 알킬"기 일 수 있다. 상기 알킬 모이어티는 또한 적어도 하나의 알켄 또는 알킨 모이어티를 포함하는 것을 의미하는 "불포화 알킬" 모이어티일 수 있다. "알켄" 모이어티는 적어도 두 개의 탄소 원자 및 적어도 하나의 탄소-탄소 이중 결합으로 구성된 기를 나타내고, "알킨" 모이어티는 적어도 두 개의 탄소 원자 및 적어도 하나의 탄소-탄소 삼중 결합으로 구성된 기를 나타낸다. 상기 알킬 모이어티는 포화이든 불포화이든 분지형, 직선형 사슬, 또는 고리형일 수 있다.
상기 알킬기는 1 내지 40 개의 탄소 원자를 가질 수 있다(본 발명에서 나타낼 때, "1 내지 40"과 같은 수치 범위는 주어진 범위 내의 각 정수를 나타낸다; 예를 들면, "1 내지 40 개의 탄소 원자"는 상기 알킬기가 1, 2, 3, 등 및 40 개 탄소 원자까지 포함하는 것으로 구성될 수 있는 알킬기를 의미하며, 본 발명의 정의는 또한 수치 범위를 지정하지 않고 용어 "알킬"을 나타내는 것을 포함한다). 상기 알킬기는 또한 1 내지 10 개의 탄소 원자를 갖는 중간 크기 알킬일 수 있다. 상기 알킬기는 또한 1 내지 4 개의 탄소 원자를 갖는 저급 알킬일 수 있다. 본 발명의 화합물의 알킬기는 "C1-C4 알킬" 또는 유사한 명칭으로 표기될 수 있다. 한 예로서, "C1-C4 알킬"은 알킬 사슬 내에 1 개 내지 4 개의 탄소 원자가 있는 것, 즉, 상기 알킬 사슬이 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, n-부틸, 이소-부틸, sec-부틸 및 t-부틸로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 나타낸다.
상기 알킬기는 치환 또는 비치환될 수 있다. 치환시, 수소를 제외한 임의의 기(들)은 치환된 기(들)일 수 있다. 치환시, 상기 치환된 기(들)은 하기의 비-제한적인 대표적인 목록으로부터 개별적으로 및 독립적으로 선택된 하나 이상의 기(들)이다: 알킬, 시클로알킬, 히드록시, 알콕시, 시아노, 할로, 및 모노- 및 디-치환 아미노기를 포함하는 아미노. 대표적인 알킬기는 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, 3차 부틸, 펜틸, 헥실, 에테닐, 프로페닐, 부테닐, 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 시클로헥실 등을 포함하지만, 어떤 식으로든 이에 한정되지 않는다. 각 치환된 기는 추가적으로 치환될 수 있다.
본 발명에 사용된 용어 "아릴"은 단독 또는 조합으로 하나, 둘 또는 세 개의 고리를 함유하는 카보사이클릭 방향족 시스템을 의미하며, 고리가 매달리는 방식으로 함께 부착되거나, 융합될 수 있다. 상기 용어 아릴은 벤질, 페닐, 나프틸, 안트라세닐 및 비페닐과 같은 방향족기를 포괄한다.
본 발명에 사용된 용어 "아릴알킬"은 단독 또는 조합으로 알킬기를 통해 모분자 모이어티에 부착된 아릴기를 나타낸다.
용어 "할로" 또는 다른 한편으로는 "할로겐"은 플루오로, 클로로, 브로모 또는 요오드를 의미한다.
상 변화 잉크 기술은 많은 시장에 걸쳐 인쇄 용량 및 고객층을 확장하고, 인쇄 애플리케이션(application)의 다양성은 프린트헤드 기술, 인쇄 공정 및 잉크 물질의 효율적인 통합에 의해 촉진될 것이다. 상기 상 변화 잉크 조성물은 실온에서 고체이고, 용융된 잉크가 기재에 적용되는 상승 온도에서 용융되는 것으로 특징화된다. 전술한 바와 같이, 현재의 잉크 옵션은 다공성 용지 기재용으로는 성공적이지만, 이러한 옵션들은 코팅 용지 기재용으로는 항상 만족스럽지는 않다.
고형 잉크 제형에 결정성 및 비결정성 소분자 화합물의 혼합물을 사용하면 강고한(robust) 잉크, 특히 코팅 용지 위에 강고한 이미지를 보여주는 고형 잉크를 제공하는 것이 기존에 발견되었다(미국 특허 출원 제13/095,636호). 이러한 상 변화 잉크로 제조된 프린트 시료는 스크래치, 접힘 및 접힘 오프셋(offset)에 대하여 현재 구입가능한 상 변화 잉크에 비해 더 나은 강고함을 보여준다.
그러나, 본 발명자들은 많은 경우 선택적인 염료 착색제가 있는 결정성 및 비결정성 물질로 제조된 혼합물이 용융 상태로 기재에 인쇄될 때 천천히 고형화되는 것을 발견하였다. 이러한 천천히 고형화되는 잉크는 분 당 100 피트 보다 더 높은 속도에서 인쇄되는 것을 필요로 하는 예컨대, 제작 인쇄(production printing)와 같은 고속 인쇄 환경용으로는 적합하지 않다. 상기 잉크의 고형화는 냉각시 상기 잉크의 결정성 성분의 결정화로 인한 것이다.
본 발명자들은 결정성 및 비결정성 성분으로 제조된 조성물의 빠른 결정화가 상기 조성물의 고유 특성이 아님을 발견하였다.
본 발명의 구현예는 빠르게 결정화되어 코팅 용지 위에 인쇄하는 것을 포함하는 고속 잉크젯 인쇄용으로 적합한 결정성 술폰 물질 및 비결정성 물질을 포함하는 신규한 상 변화 잉크 조성물을 제공한다.
본 발명의 구현예는 보통 각각 약 60:40 내지 약 95:5 중량비의 (1) 결정성 및 (2) 비결정성 성분의 블렌드를 포함하는 새로운 유형의 잉크젯 상 변화 잉크 조성물을 제공한다. 보다 특정한 구현예에서, 상기 결정성 대 비결정성 성분의 중량비는 약 65:35 내지 약 95:5, 또는 약 70:30 내지 약 90:10이다. 다른 구현예에서, 상기 결정성 및 비결정성 성분은 각각 약 1.5 내지 약 20 또는 약 2.0 내지 약 10의 중량비로 블렌드된다. 각 성분은 상기 상 변화 잉크에 특정한 특성을 부여하며, 상기 성분의 블렌드는 코팅되지 않은 기재 및 코팅된 기재 위에 뛰어난 강고함을 나타내는 잉크를 제공한다. 상기 잉크 제형의 결정성 성분은 냉각시 빠른 결정화를 통해 상 변화를 유도한다. 상기 결정성 성분은 또한 최종 잉크 필름의 구조를 셋업(set up)하고, 상기 비결정성 성분의 끈적거림(tackiness)을 줄임으로써 단단한 잉크를 만든다. 상기 비결정성 성분은 끈적거림을 제공하고, 상기 인쇄된 잉크에 강고함을 부여한다.
본 발명의 구현예는 술폰 화합물들의 군으로부터 선택된 결정성 물질을 포함한다. 상기 결정성 물질은 양호한 상 변환을 보일뿐만 아니라 상 변화 잉크를 이용하기에 적합한 물질을 만드는 특정한 열 특징 및 레올로지 특징을 갖는 것으로 나타났다. 예를 들면, 상기 결정성 물질은 급격한 결정화와 약 140℃의 온도에서 비교적 낮은 점도(≤101 센티푸아즈(centipoise, cps), 또는 약 0.5 내지 약 20 cps, 또는 약 1 내지 약 15 cps)를 보이지만, 실온에서는 매우 높은 점도(> 106 cps)를 보인다. 이러한 물질은 150℃ 이하, 또는 약 65 내지 약 150℃, 또는 약 66 내지 약 145℃의 용융 온도(Tmelt)를 가지고, 60℃ 이상, 또는 약 60 내지 약 140℃, 또는 약 65 내지 약 120℃의 결정화 온도(Tcrys)를 갖는다. 상기 Tmelt 및 Tcrys 사이의 ΔT는 약 55℃ 이하이다.
구현예에서, 상기 술폰 화합물은 화학식 I의 일반식을 갖는다;
R6-SO2-R7
화학식 I
상기에서, R6 및 R7은 동일하거나 다를 수 있고, 상기 R6 및 R7은 각각 서로 독립적으로 (i) 수치가 하기의 범위 밖일 수도 있지만, 구현예에서, 약 1 내지 약 40 개 탄소 원자, 약 1 내지 약 20 개 탄소 원자, 또는 약 1 내지 약 10 개 탄소 원자를 갖는 알킬기에 이종원자가 선택적으로 존재할 수 있는, 선형 또는 분지형, 고리형 또는 비고리형, 치환 또는 비치환, 포화 또는 불포화된 알킬기일 수 있는 알킬기, (ii) 수치가 하기의 범위 밖일 수도 있지만, 구현예에서, 약 4 내지 약 40 개 탄소 원자, 약 7 내지 약 20 개 탄소 원자, 또는 약 7 내지 약 12 개 탄소 원자를 갖는 아릴알킬기의 아릴 부분 또는 알킬 부분에 이종원자가 선택적으로 존재할 수 있는, 아릴알킬기의 알킬 부분이 선형 또는 분지형, 고리형 또는 비고리형, 치환 또는 비치환, 포화 또는 불포화될 수 있는, 치환 또는 비치환 아릴알킬기일 수 있는 아릴알킬기; 및 (iii) 수치가 하기의 범위 밖일 수도 있지만, 약 3 내지 약 40 개 탄소 원자, 약 6 내지 약 20 개 탄소 원자, 또는 약 6 내지 약 10 개 탄소 원자를 갖는 방향족기에 이종원자가 선택적으로 존재할 수 있는, 치환체가 선형, 분지형, 고리형 또는 비고리형 알킬기일 수 있는, 치환 또는 비치환 방향족기일 수 있는 방향족기, 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된다.
어떤 구현예에서, R6 및 R7은 서로 독립적이며, 선택적으로 하나 이상의 할로, 아미노, 히드록시 또는 시아노기 및 이들의 조합으로 치환된 알킬 또는 아릴이고, 또는 R6 및 R7은 이들이 부착된 S 원자와 함께 헤테로사이클릭 고리(예를 들면, 술포란, 3-술포렌 등)를 형성한다. 이러한 어떤 구현예에서, R6 및 R7은 서로 독립적이며, 선택적으로 메틸, 에틸, 이소프로필, n-부틸, t-부틸 또는 비닐과 같은 알킬로 치환되고, 선택적으로 하나 이상의 히드록실, 시아노 또는 이의 조합으로 치환된다. 이러한 어떤 구현예에서, R6 및 R7은 서로 독립적이며, 선택적으로 페닐 또는 벤질과 같은 아릴로 치환된다. 어떤 구현예에서, R6 및 R7은 서로 독립적으로 하나 이상의 아미노, 클로로, 플루오로, 히드록시, 시아노 또는 이의 조합으로 치환된다. 상기 아릴기 상의 치환은 상기 페닐기의 오르토(ortho), 메타 또는 파라 위치 및 이의 조합에서 수행될 수 있다. 어떤 구현예에서, R6 및 R7은 서로 독립적으로 2-히드록시에틸 또는 시아노메틸이다.
어떤 구현예에서, 상기 결정성 성분은 디페닐 술폰, 디메틸 술폰, 비스(4-히드록시페닐) 술폰, 비스(4-아미노페닐) 술폰, 비스(3-아미노페닐) 술폰, 비스(4-클로로페닐) 술폰, 비스(4-플루오로페닐) 술폰, 2-히드록시페닐-4-히드록시페닐 술폰, 페닐-4-클로로페닐 술폰, 페닐-2-아미노페닐 술폰, 비스(3-아미노-4-히드록시페닐) 술폰, 디벤질 술폰, 메틸에틸 술폰, 디에틸 술폰, 메틸이소프로필 술폰, 에틸이소프로필 술폰, 디-n-부틸 술폰, 디비닐 술폰, 메틸-2-히드록시에틸 술폰, 메틸클로로메틸 술폰, 술포란, 3-술포렌 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
비결정성 물질이 또한 본 발명의 구현예의 결정성 물질과 조합되어 사용된다. 상 변화 잉크에서 이용하기에 적합한 임의의 비결정성 성분이 사용될 수 있다.
비결정성 화합물
상기 비결정성 화합물은 화학식 II의 타르타르산의 에스테르 또는 화학식 III의 시트르산의 에스테르 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다:
화학식 II
화학식 III
상기에서, R1, R2, R3, R4 및 R5는 서로 독립적으로 약 1 내지 약 40 개 탄소 원자를 갖는 직선형, 분지형 또는 고리형, 포화 또는 불포화, 치환 또는 비치환일 수 있는 알킬기 또는 치환 또는 비치환 방향족 또는 헤테로방향족기이다. 구현예에서, R1, R2, R3, R4 및 R5는 서로 독립적이며, 선택적으로 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸 및 t-부틸로부터 선택된 하나 이상의 알킬기로 선택적으로 치환된 시클로헥실기이다. 구현예에서, R1, R2, R3, R4 및 R5는 각각 2-이소프로필-5-메틸시클로헥실 또는 4-t-부틸시클로헥실 및 시클로헥실의 혼합물이다.
화학식 II와 관련하여, 구현예에서, R1 및 R2 중 하나는 2-이소프로필-5-메틸시클로헥실이고, R1 및 R2 중 다른 하나는 2-이소프로필-5-메틸시클로헥실, 4-t-부틸시클로헥실 또는 시클로헥실이며, 또는 R1 및 R2 중 하나는 4-t-부틸시클로헥실이고, R1 및 R2 중 다른 하나는 시클로헥실이다. 구현예에서, R1 및 R2는 각각 2-이소프로필-5-메틸시클로헥실이다. 구현예에서, R1은 2-이소프로필-5-메틸시클로헥실이고, R2는 4-t-부틸시클로헥실이다. 구현예에서, R1은 2-이소프로필-5-메틸시클로헥실이고, R2는 시클로헥실이다. 구현예에서, R1은 4-t-부틸시클로헥실이고, R2는 시클로헥실이다.
화학식 III와 관련하여, 구현예에서, R3, R4 및 R5 중 하나는 2-이소프로필-5-메틸시클로헥실이고, R3, R4 및 R5 중 다른 하나는 2-이소프로필-5-메틸시클로헥실, 4-t-부틸시클로헥실 또는 시클로헥실이며, 또는 R3, R4 및 R5 중 하나는 4-t-부틸시클로헥실이고, R3, R4 및 R5 중 다른 하나는 시클로헥실이다. 구현예에서, R3, R4 및 R5는 각각 2-이소프로필-5-메틸시클로헥실이다. 구현예에서, R3는 2-이소프로필-5-메틸시클로헥실이고, R4 및 R5는 각각 4-t-부틸시클로헥실이다. 어떤 구현예에서, R3은 2-이소프로필-5-메틸시클로헥실이고, R4 및 R5는 각각 시클로헥실이다. 구현예에서, R3은 4-t-부틸시클로헥실이고, R4 및 R5는 각각 시클로헥실이다.
일부 적합한 비결정성 물질은 미국 특허 출원 제13/095,784호에 개시되어 있다. 상기 비결정성 물질은 하기 화학식을 가지는 타르타르산의 에스테르 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다:
상기에서, R1 및 R2는 각각 서로 독립적으로 또는 이들이 동일하거나 다를 수 있다는 의미로, 약 1 내지 약 40 개 탄소 원자를 갖는 알킬 부분이 직선형, 분지형 또는 고리형, 포화 또는 불포화, 치환 또는 비치환될 수 있는 알킬기, 또는 치환 또는 비치환 방향족 또는 헤테로방향족기로 구성된 군으로부터 선택된다. 구현예에서, R1 및 R2는 서로 독립적이며, 선택적으로 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸 및 t-부틸로부터 선택된 하나 이상의 알킬기(들)로 치환된다. 구현예에서, R1 및 R2는 각각 2-이소프로필-5-메틸시클로헥실이다.
상기 타르타르산 백본(backbone)은 L-(+)-타르타르산, D-(-)-타르타르산, DL-타르타르산 또는 메소타르타르산 및 이들의 혼합물로부터 선택된다. 상기 타르타르산의 R기 및 입체 화학에 따라서, 상기 에스테르는 결정 또는 안정한 비결정성 화합물을 형성할 수 있다. 특정 구현예에서, 상기 비결정성 화합물은 디-L-멘틸 L-타르트레이트, 디-DL-멘틸 L-타르트레이트(DMT), 디-L-멘틸 DL-타르트레이트, 디-DL-멘틸 DL-타르트레이트 및 임의의 입체이성질체 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된다.
상기 비결정성 화합물은 미국 특허 출원 제13/095,795호에 개시된 시트르산의 에스테르를 포함할 수 있다. 이러한 비결정성 물질은 시트르산의 에스테르화 반응에 의해 합성된다. 특히, 시트르산은 미국 특허 출원 제13/095,795호에 나타낸 합성 스킴(scheme)에 따라 다양한 알코올로 반응시켜 트리-에스테르를 만든다. 상기 비결정성 화합물은 타르타르산의 에스테르화 반응에 의해 합성된다. 이러한 물질은 분사 온도 근처(≤ 140℃, 또는 약 100 내지 약 140℃, 또는 약 105 내지 약 140℃)에서 비교적 낮은 점도(< 102 센티푸아즈(cps), 또는 약 1 내지 약 100 cps, 또는 약 5 내지 약 95 cps)를 보이지만, 실온에서 매우 높은 점도(> 105 cps)를 나타낸다.
특히, 디-DL-멘틸 L-타르트레이트(DMT)는 본 발명의 잉크 구현예에서 비결정성 화합물로 사용하기 특히 적합한 것으로 밝혀졌다.
상기 비결정성 성분을 합성하기 위하여, 타르타르산을 미국 특허 출원 제13/095,784호에 나타낸 합성 스킴과 같이 다양한 알코올과 반응시켜 디-에스테르를 만든다. 다양한 알코올, 예를 들면, 멘톨, 이소멘톨, 네오멘톨, 이소네오멘톨, 및 이들의 임의의 입체이성질체 및 혼합물이 에스테르화에 사용될 수 있다. 지방족 알코올류의 혼합물이 에스테르화에 사용될 수 있다. 예를 들면, 두 개의 지방족 알코올류의 혼합물이 에스테르화에 사용될 수 있다. 상기 지방족 알코올류의 몰비는 25:75 내지 75:25, 40:60 내지 60:40, 또는 약 50:50일 수 있다. 타르타르산과 반응시 그 혼합물이 비결정성 화합물을 형성하는 적합한 지방족 알코올의 예는 시클로헥산올 및 치환 시클로헥산올(예를 들면, 2-, 3- 또는 4-tert-부틸-시클로헥산올)을 포함한다. 구현예에서, 2 몰 이상 당량의 알코올이 상기 타르타르산의 디-에스테르를 생산하는 반응에 사용될 수 있다. 만약, 1 몰 당량의 알코올이 사용되면, 결과는 주로 모노-에스테르이다.
다른 적합한 비결정성 성분은 미국 특허 출원 제13/095,795호에 개시된 것들을 포함한다. 상기 비결정성 물질은 하기 구조를 갖는 화합물을 포함할 수 있다:
상기에서, R3, R4 및 R5는 독립적으로 약 1 내지 약 40 개 탄소 원자를 갖는 직선형, 분지형 또는 고리형, 포화 또는 불포화, 치환 또는 비치환될 수 있는 알킬기 또는 치환 또는 비치환 방향족 또는 헤테로방향족기 및 이들의 혼합물이다.
이러한 비결정성 물질은 시트르산의 에스테르화 반응에 의해 합성된다. 특히, 시트르산은 본 발명에 개시된 상기 합성 스킴에 따라 다양한 알코올과 반응시켜 트리-에스테르를 만든다. 구현예에서, 상기 상 변화 잉크 조성물은 시트르산 및 적어도 하나의 알코올의 에스테르화 반응으로부터 합성된 비결정성 화합물을 이용함으로써 수득된다.
본 발명의 구현예의 상기 결정성 및 비결정성 물질은 액체 상태에서 서로 혼합성인 것이 밝혀졌다. 상기 결정성 및 비결정성 물질로 제형화된 결과물인 잉크 조성물은 양호한 유동학적 프로파일(profile)을 보인다. K-proof로 코팅 용지에 상기 상 변화 잉크 조성물로 만든 이미지 시료는 뛰어난 강고함을 보인다. K-proofer는 인쇄소에서 흔한 시험 고정부(test fixture)이다. 이 경우에 있어서 상기 K-proofer는 상기 상 변화 잉크를 용융하기 위해 상기 인쇄용 판을 가열하도록 변형된다. 사용된 K-proofer는 각각 대략 9.4 × 4.7 cm의 세 개의 직사각형 그라비어(gravure) 패턴을 갖는다. 첫 번째 직사각형의 셀 농도는 명목상으로 100%이고, 두 번째는 80%이며, 세 번째는 60%이다. 실제로 이 K-proof 판은 두께(또는 높이) 약 5 미크론(micron)의 필름(또는 픽셀)을 생성한다. 시험 잉크를 상기 가열된 그라비어판에 산포하고, 상기 판 표면에 걸쳐 도포 블레이드(blade)를 통과시킨 후 즉시 그 상부에 시험 용지가 고정되는 고무 롤을 통과시킴으로써 시험 인쇄를 만든다. 상기 용지롤이 통과할 때, 잉크가 그라비어 셀로부터 용지로 옮겨진다.
본 발명의 구현예는 원하는 수준의 점도를 유지하면서, 액체로부터 고체로 급격한 상 변환을 실현하고, 단단하고 강고한 인쇄 이미지를 촉진하기 위하여, 비결정성 및 결정성 물질의 균형을 포함한다. 이 잉크로 만들어진 인쇄물은 상업적으로 구입가능한 잉크에 대해 예를 들면, 스크래치에 대한 더 나은 강고함과 같은 이점을 보인다. 따라서, 상기 상 변화 잉크에 대해 결정성 성분을 제공하는 본 발명의 술폰 화합물은 바람직한 유동학적 프로파일을 가지고, 잉크젯 인쇄에 대해 많은 요건을 충족하는 강고한 잉크를 제공하는 것이 밝혀졌다.
구현예에서, 상기 결정성 물질은 상기 잉크 조성물의 총 중량의 약 60 중량% 내지 약 95 중량%, 또는 약 65 중량% 내지 약 95 중량%, 또는 약 70 중량% 내지 약 90 중량%의 양으로 존재한다. 구현예에서, 상기 비결정성 물질은 상기 잉크 조성물의 총 중량의 약 5 중량% 내지 약 40 중량%, 또는 약 5 중량% 내지 약 35 중량%, 또는 약 10 중량% 내지 약 30 중량%의 양으로 존재한다.
구현예에서, 용융 상태에서, 결과물인 고형 잉크는 분사 온도에서 약 1 내지 약 22 cps, 또는 약 4 내지 약 15 cps, 또는 약 6 내지 약 12 cps의 점도를 갖는다. 상기 분사 온도는 일반적으로 약 100℃ 내지 약 140℃ 범위 내에 포함된다. 구현예에서, 상기 고형 잉크는 실온에서 약 > 106 cps의 점도를 갖는다. 구현예에서, 상기 고형 잉크는 10℃/분의 속도로 DSC에 의해 결정된 바와 같이, 약 65 내지 약 140℃, 약 70 내지 약 140℃, 또는 약 80 내지 약 135℃의 Tmelt 및 약 40 내지 약 140℃, 약 45 내지 약 130℃, 또는 약 50 내지 약 120℃의 Tcrys를 갖는다.
술폰 화합물이 문헌 및 상업적 공급원으로 알려져 있긴 하지만, 이러한 종류의 화합물의 특성은 화학 구조에 따라 다르다. 본 발명자들은 특정 결정성 술폰 화합물 및 이의 유도체가 상 변화 잉크 조성물에서 상기 결정성 물질로서 이용하기 위한 필요를 충족하는 것을 밝혔다. 상 변화 잉크를 위한 1차 요건은 분사 온도(일반적으로 약 100 내지 약 140℃)에서 액체 상태이고, 실온에서 고체 상태인 것이다. 본 발명의 구현예에서 이용하기 위해 확인된 적합한 후보들을 표 1에 열거하였다. 모든 확인된 화합물은 TCI America(Portland, Oregon) 또는 Sigma-Aldrich로부터 상업적으로 구입가능하다.
| 화합물 번호 |
구조 | Tmelt (℃)* |
Tcrys (℃)* |
Tmelt - Tcrys (℃) |
비결정성과의 혼합성** |
|
1 |
 |
127 |
77 |
50 |
혼합성 |
|
2 |
 |
113 |
79 |
34 |
비혼합성 |
*10℃/분의 속도로 DSC에 의해 결정됨
**용융 상태에서 트리-DL-멘틸 시트레이트(TMC) 및 디-DL-멘틸 L-타르트레이트(DMT)와의 혼합성.
Tmelt 데이터가 있는 다른 술폰 유도체가 또한 상업적으로 구입가능하다. 표 2는 R6-SO2-R7의 일반식을 갖는 술폰 유도체의 목록을 제공한다. 표 2에 나타낸 바와 같이 Tmelt는 다른 치환체를 도입하고, 알킬 사슬의 길이를 변화시키고, 비대칭 구조를 가지거나, 고리형 구조를 형성함으로써 변한다.
| 화합물 번호 |
R6 | R7 | Tmelt (℃)* |
| 3 | 4-히드록시페닐 | 4-히드록시페닐 | 247 |
| 4 | 4-아미노페닐 | 4-아미노페닐 | 177 |
| 5 | 3-아미노페닐 | 3-아미노페닐 | 172 |
| 6 | 4-클로로페닐 | 4-클로로페닐 | 148 |
| 7 | 4-플루오로페닐 | 4-플루오로페닐 | 99 |
| 8 | 2-히드록시페닐 | 4-히드록시페닐 | 184 |
| 9 | 4-클로로페닐 | 페닐 | 92 |
| 10 | 2-아미노페닐 | 페닐 | 119 |
| 11 | 3-아미노-4-히드록시페닐 | 3-아미노-4-히드록시페닐 | 231 |
| 12 | 벤질 | 벤질 | ** |
| 13 | 에틸 | 메틸 | 34 |
| 14 | 에틸 | 에틸 | 73 |
| 15 | 이소프로필 | 메틸 | *** |
| 16 | 이소프로필 | 에틸 | *** |
| 17 | n-부틸 | n-부틸 | 43 |
| 18 | 비닐(예를 들면, -CH=CH2) | 비닐(예를 들면, -CH=CH2) | -26 |
| 19 | 2-히드록시에틸 | 메틸 | 21 |
| 20 | 시아노메틸 | 메틸 | 84 |
| 21 | -CH2-CH2-CH2-CH2- | 20-26 | |
| 22 | -CH2-CH=CH-CH2- | 65 | |
*상업적 공급원에서 제공된 용융점 데이터
**이용가능하지 않은 데이터. 실온에서 고체
***이용가능하지 않은 데이터. 실온에서 액체
화합물 7, 9, 10, 14 및 20은 가장 유망한 용융 온도를 보여주었다. 상기 목록은 실례가 되기는 하지만, 상기 상 변화 잉크의 결정성 성분으로 양호한 후보일 수 있는 술폰 화합물의 모든 가능한 화학 구조를 포함하지는 않는다.
DSC를 이용하여 상기 물질의 열적 특성을 측정하였다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 화합물 1(디페닐 술폰)은 바람직한 온도 범위 내에서 매우 급격한 변환을 나타내어 상기 잉크가 상 변화 물질용으로 특성이 양호함을 나타낸다. 상기 Tmelt과 Tcryst 간의 비교적 적은 차이가 상 변화를 빠르게 하므로, 이 물질이 특히 잉크의 결정성 성분에 적합한 후보물질이 되게 한다. 화합물 2는 또한 매우 유망한 열적 특성을 나타냈지만, 상기 화합물은 화합물 1과 달리 상기 비결정성 물질(예를 들면, 트리-DL-멘틸 시트레이트 및 디-DL-멘틸 L-타르트레이트)과 잘 블렌드되지 않았다.
본 발명의 구현예의 잉크는 종래의 첨가제와 관련된 알려진 기능성의 장점을 취하기 위해 이러한 종래의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 첨가제는, 예를 들면, 적어도 하나의 항산화제, 소포제, 슬립 및 균염제(leveling agent), 청징제(clarifier), 점도 개질제, 접착제, 가소제 등을 포함할 수 있다.
상기 잉크는 선택적으로 산화로부터 이미지를 보호하기 위하여 항산화제를 함유할 수 있고, 또한 잉크 저장소 내의 가열된 멜트(melt)로서 존재하는 동안 산화로부터 잉크 성분을 보호할 수 있다. 적합한 항산화제의 예는 N,N'-헥사메틸렌 비스(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시 히드로신나마마이드)(BASF사로부터 구입가능한 IRGANOX 1098), 2,2-비스(4-(2-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시히드로신나모일옥시))에톡시페닐)프로판(Vertellus사로부터 구입가능한 TOPANOL-205), 트리스(4-tert-부틸-3-히드록시-2,6-디메틸 벤질)이소시아누레이트(Aldrich), 2,2'-에틸리덴 비스(4,6-디-tert-부틸페닐)플루오로 포스포나이트(Albermarle Corporation로부터 구입가능한 ETHANOX-398), 테트라키스(2,4-디-tert-부틸페닐)-4,4'-비페닐 디포스포나이트(ALDRICH 46), 펜타에리트리톨 테트라스테아레이트(TCI America), 트리부틸암모늄 하이포포스파이트(Aldrich), 2,6-디-tert-부틸-4-메톡시페놀(Aldrich), 2,4-디-tert-부틸-6-(4-메톡시벤질)페놀(Aldrich), 4-브로모-2,6-디메틸페놀(Aldrich), 4-브로모-3,5-디디메틸페놀(Aldrich), 4-브로모-2-니트로페놀(Aldrich), 4-(디에틸 아미노메틸)-2,5-디메틸페놀(Aldrich), 3-디메틸아미노페놀(Aldrich), 2-아미노-4-tert-아밀페놀(Aldrich), 2,6-비스(히드록시메틸)-p-크레졸(Aldrich), 2,2'-메틸렌디페놀(Aldrich), 5-(디에틸아미노)-2-니트로소페놀(Aldrich), 2,6-디클로로-4-플루오로페놀(Aldrich), 2,6-디브로모 플루오로페놀(Aldrich), α-트리플루오로-o-크레조-1(Aldrich), 2-브로모-4-플루오로페놀(Aldrich), 4-플루오로페놀(Aldrich), 4-클로로페닐-2-클로로-1,1,2-트리-플루오로에틸 술폰(Aldrich), 3,4-디플루오로 페닐아세트산(Adrich), 3-플루오로페닐아세트산(Aldrich), 3,5-디플루오로 페닐아세트산(Aldrich), 2-플루오로페닐아세트산(Aldrich), 2,5-비스(트리플루오로메틸) 벤조산(Aldrich), 에틸-2-(4-(4-(트리플루오로메틸)페녹시)페녹시)프로피오네이트(Aldrich), 테트라키스(2,4-디-tert-부틸 페닐)-4,4'-비페닐 디포스포나이트(Aldrich), 4-tert-아밀 페놀(Aldrich), 3-(2H-벤조트리아졸-2-일)-4-히드록시 펜에틸알코올(Aldrich), NAUGARD 76, NAUGARD 445, NAUGARD 512, 및 NAUGARD 524(Chemtura Corporation에서 제조됨) 등 및 이들의 혼합물을 포함한다. 존재시, 상기 항산화제는 잉크 내에 잉크의 약 0.25 중량% 내지 약 10 중량% 또는 잉크의 약 1 중량% 내지 약 5 중량%와 같은 임의의 원하는 또는 효과적인 양으로 존재할 수 있다.
구현예에서, 본 발명에 기재된 상기 상 변화 잉크 조성물은 또한 착색제를 포함할 수 있다. 착색제가 잉크 운반체(carrier) 내에 용해되거나 분산될 수 있는 것이 제공될 수 있다면, 염료, 안료, 이들의 혼합물 등을 포함하는 임의의 원하는 착색제가 상 변화 잉크 조성물에 이용될 수 있다. 다른 잉크 성분과 호환성이 있다면, 잉크 운반체 내에 분산되거나 용해될 수 있다. 임의의 염료 혹은 안료가 선택될 수 있다. 상기 상 변화 운반체 조성물은 컬러 인덱스(Color Index, C.I.) 용제 염료(Solvent Dye), 분산 염료(Disperse Dye), 변형된 산 및 직접 염료(Direct Dye), 염기성 염료(Basic Dye), 황화 염료(Sulphur Dye), 건염 염료(Vat Dye) 등과 같은 종래의 상 변화 잉크 착색제 물질과의 조합으로 사용될 수 있다. 안료는 또한 상기 상 변화 잉크용으로 적합한 착색제이다.
상기 잉크 베이스 내의 안료 분산물은 상승제 및 분산제에 의해 안정화될 수 있다. 보통, 적합한 안료는 유기 물질이거나 무기 물질일 수 있다. 또한, 자성(magnetic) 물질계 안료는, 예를 들면, 강고한 자성 잉크 문자 인식(magnetic ink character recognition, MICR)의 제조용으로 적합하다. 자성 안료는, 예를 들면, 강자성의 나노입자와 같은 자성 나노입자를 포함한다.
구현예에서, 용제 염료가 이용된다. 본 발명에 사용하기에 적합한 용제 염료의 예는 주정 가용성(spirit soluble) 염료를 포함할 수 있는데, 왜냐하면, 본 발명에 개시된 상기 잉크 운반체와의 호환성 때문이다. 상기 착색제는 상 변화 잉크 내에 원하는 색 또는 색조(hue)를 얻기 위하여, 적어도 잉크의 약 0.1 중량% 내지 약 50 중량%, 적어도 약 0.2 중량% 내지 약 20 중량%, 및 적어도 약 0.5 중량% 내지 약 10 중량%와 같은 임의의 원하는 또는 효과적인 양으로 존재할 수 있다.
구현예에서, 용융 상태에서, 상기 상 변화 잉크용 잉크 운반체는 분사 온도에서, 약 1 내지 약 22 cps, 또는 약 4 내지 약 15 cps, 또는 약 6 내지 약 12 cps의 점도를 가질 수 있다. 상기 분사 온도는 일반적으로 약 100℃ 내지 약 140℃ 범위 내에 포함된다. 구현예에서, 상기 고형 잉크는 실온에서 약 > 106 cps의 점도를 갖는다. 구현예에서, 상기 고형 잉크는 10℃/분의 속도로 DSC에 의해 결정될 때 약 65 내지 약 140℃, 약 70 내지 약 140℃, 또는 약 80 내지 약 135℃의 Tmelt 및 약 40 내지 약 140℃, 약 45 내지 약 130℃, 또는 약 50 내지 약 120℃의 Tcrys를 갖는다.
상기 잉크 조성물은 임의의 원하는 또는 적합한 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 잉크 운반체의 각 성분은 함께 혼합된 후, 상기 혼합물은 적어도 그 용융점, 예를 들면, 약 60℃ 내지 약 150℃, 80℃ 내지 약 145℃ 또는 85℃ 내지 약 140℃에서 가열될 수 있다. 상기 착색제는 상기 잉크 성분이 가열되기 전 또는 상기 잉크 성분이 가열된 후에 첨가될 수 있다. 선택된 착색제가 안료일 때, 상기 용융된 혼합물은 잉크 운반체 내에서 안료를 효과적으로 분산시키기 위하여 어트리터(attritor) 또는 보울 밀(ball mill) 기구 또는 고 에너지 혼합 장치 내에서 분쇄될 수 있다. 이후 상기 가열된 혼합물을 약 5초 내지 약 30분 이상 교반하여 실질적으로 동종의 균일한 멜트를 얻은 후, 주위 온도(ambient temperature)(20℃ 내지 25℃)로 상기 잉크를 냉각시킨다. 상기 잉크는 주위 온도에서 고체이다. 특정 구현예에서, 상기 형성 공정 동안, 상기 잉크는 용융 상태에서 주형(mold)으로 부은 후, 냉각 및 고체화시켜 잉크 스틱을 형성한다. 적합한 잉크 제조 기술은 개시된 내용 전체가 인용에 의해 본 발명에 포함되는 미국 특허 제7,186,762호에 개시된다.
이러한 강고한 잉크는 고속에서 인쇄장치에 이용될 수 있다. 일반적으로, 생산 디지털 프레스(production digital press)는 약 100 내지 500 이상의 피트(feet)/분을 포함하는 속도에서 인쇄한다. 이것은 빠른 인쇄 공정 동안 인쇄된 용지가 쌓이거나(stacked)(낱장 용지 프린터) 또는 말리는(rolled)(연속 공급 프린터) 인쇄된 이미지의 오프셋(offset)을 방지하기 위하여, 일단 용지 위로 놓여지면 매우 빨리 고형화될 수 있는 잉크를 필요로 한다. 빠른 결정화는 결정성-비결정성 강고한 잉크의 일반적인 또는 고유 특성이 아니다. 그러므로, 모든 결정성-비결정성 잉크가 빠른 인쇄용으로 적합한 것은 아니다. 본 발명자들은 특정 결정성 술폰 화합물이 특정 비결정성 화합물과 함께 쓰일 때 빠른 결정화를 제공함으로써, 빠른 인쇄가 가능함을 발견하였다.
빠른 인쇄를 위한 시험 잉크의 적합성을 평가하기 위하여, 결정성 성분을 함유하는 상 변화 잉크의 결정화 속도를 측정하기 위한 정량법이 개발되었다. TROM(Time-Resolved Optical Microscopy)은 다양한 시험 시료를 비교할 수 있으며, 그 결과 빠르게 결정화하는 잉크의 설계와 관련하여 이루어지는 과정을 모니터링 하기 위한 유용한 도구이다.
TROM은 함께 계류중인 미국 특허 출원 제13/456,847호에 개시되어 있다.
시각 분석형 광학 현미경(TROM)
TROM은 편광 광학현미경(polarized optical microscopy, POM)을 이용하여 결정의 외관 및 성장을 모니터한다. 상기 시료는 현미경의 교차된 편광판 사이에 놓여진다. 결정성 물질은 이들이 복굴절하기 때문에 가시적이다. 비결정성 물질 또는 이와 유사한 액체, 예를 들면 잉크는 빛을 전달하지 않는 그 용융 상태에서, POM 하에서 검게 나타난다. 따라서, POM은 결정성 성분을 볼 때 이미지 대조(contrast)가 가능하고, 용융 상태로부터 설정 온도(set-temperature)까지 냉각시킬 때 결정성-비결정성 잉크의 결정화 동역학(kinetic)을 추적하게 한다. 편광 광학현미경은 결정성 성분을 볼 때 이례적인 이미지 대조가 가능하다.
다른 및 다양한 시료 사이의 비교를 허용하는 데이터를 얻기 위하여, 표준화된 TROM 실험 조건이 실제 인쇄 공정에 관련된 많은 파라미터(parameter)를 포함하는 목표와 함께 설정되었다. 상기 잉크 또는 잉크 베이스는 0.2 mm 내지 0.5 mm 두께의 16-25 mm의 원형의 얇은 유리 슬라이드 사이에 삽입된다. 상기 잉크 층의 두께는 실제 인쇄된 잉크 층에 근접한 5-25㎛(섬유유리 스페이서로 조절됨)로 유지된다. 결정화 속도 측정을 위해, 상기 시료를 오프라인 핫플레이트를 통해 상기 예상되는 분사 온도 (약 10-12 cps의 점도)로 가열한 후, 광학 현미경과 결부된 냉각 장소로 이동시켰다. 상기 냉각 장소는 열 및 액체 질소의 공급 조절에 의해 유지되는 미리 조정된 온도로 일정하게 유지된다. 상기의 실험적 셋업(set-up)은 실제 인쇄 과정에서 잉크 방울이 분사될 것으로 예상되는 드럼/용지 온도(본 발명에 기록된 실험의 경우 40℃)를 모방한다. 결정의 형성 및 성장은 카메라로 기록된다.
TROM 공정의 주요 단계가 도 2에 나타나 있으며, 비결정 및 결정성 성분만을 포함(염료 또는 안료 없음)하고 있는 메인라인(mainline)의 잉크 베이스를 이용한 측정 공정에서 주요 단계들을 강조하고 있다. 상기 멜트를 시간 0에서 POM 하에 관찰했을 때, 상기 결정성-비결정성 잉크는 그 사이로 빛이 통과하지 않기 때문에 검은 색으로 보인다. 상기 시료가 결정화될 때, 상기 결정성 영역은 더 밝게 나타난다. TROM에 의해 보고된 수치는 처음 결정(결정화 시작)부터 상기 마지막(결정화 완료)까지의 시간을 포함한다.
상기 TROM 공정의 주요 측정된 파라미터의 정의는 아래와 같이 제시된다:
시간 0(T=0 s) - 용융된 시료가 현미경하에서 냉각 장소에 놓여진다.
T시작 = 처음 결정이 나타나는 시간
T성장 = 상기 처음 결정(T시작)으로부터 결정화의 완료(T합계)까지의 결정 성장 기간
T합계 = T시작 + T성장
선택된 잉크에 대해 TROM 방법으로 얻어지는 상기 결정화 시간이 실제 인쇄 장치에서의 잉크 액적의 결정화 시간과 동일하지 않다는 것이 이해되어야 한다. 프린터와 같은 실제 인쇄 장치에서, 상기 잉크는 훨씬 더 빠르게 고형화된다. 본 발명자들은 TROM 방법에 의해 측정된 상기 결정화 시간 합계와 프린터에서 잉크의 고형화 시간 사이에 양호한 연관성이 있음을 알아냈다. 전술한 표준화된 조건에서, 본 발명자들은 TROM 방법에 의해 측정시 10-15초 또는 그 이하에서 잉크가 고형화하며, 일반적으로 100 피트/분 또는 더 빠른 속도에서 빠른 인쇄용으로 적합하다는 것을 알아냈다. 그러므로, 본 발명의 목적을 위해, 15초 이하의 결정화 속도는 "빠른 결정화"로 간주된다.
어떤 구현예에서, 상기 상 변화 잉크는 15초 이내에 결정화된다.
상기 잉크는 직접 인쇄 잉크젯 공정 및 간접(오프셋) 인쇄 잉크젯 적용을 위한 기구에 이용될 수 있다. 본 발명에 개시된 다른 구현예는 본 발명에 개시된 잉크를 잉크젯 인쇄 기구로 포함시키는 단계, 상기 잉크를 용융시키는 단계, 및 상기 용융된 잉크의 액적을 기록 기재 위에 이미지화 패턴으로 토출시키는 단계를 포함하는 공정에 관한 것이다. 본 발명에 개시된 다른 구현예는 본 발명에 개시된 잉크를 잉크젯 인쇄 기구로 포함시키는 단계, 상기 잉크를 용융시키는 단계, 상기 용융된 잉크의 액적을 중간 전달 부재(intermediate transfer member) 위에 이미지화 패턴으로 토출시키는 단계, 및 상기 중간 전달 부재로부터의 이미지화 패턴 내의 잉크를 최종 기록 기재로 전달하는 단계를 포함하는 공정에 관한 것이다. 코팅된 또는 보통 용지를 포함하는 임의의 적합한 기재 또는 기록 시트가 쓰일 수 있다. 투명성 물질, 직물, 섬유 제품, 플라스틱, 고분자 필름, 금속 및 목재와 같은 무기 기록 매체 등이 또한 쓰일 수 있다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 상 변화 특성을 확인한 디페닐 술폰의 시차 주사 열량측정법(DSC) 데이터이다(DSC 데이터는 -50 내지 200 내지 -50℃에서 10℃/분의 속도로 Q1000 시차 주사 열량측정계(TA Instruments)에 의해 얻어짐).
도 2는 결정화 시작부터 결정화 완료까지 결정 형성의 이미지를 나타내는 시각-분석형 광학 현미경(Time-Resolved Optical Microscopy, TROM) 공정을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 구현예에 따라 만들어진 상 변화 잉크 시료의 DSC 데이터이다(DSC 데이터는 -50 내지 200 내지 -50℃에서 10℃/분의 속도로 Q1000 시차 주사 열량측정계(TA Instruments)에 의해 얻어짐).
도 4는 상 변화 잉크 시료의 레올로지(rheology) 데이터를 나타낸 그래프이다.
모든 레올로지 측정은 RFS3 유동계(TA instruments)로 25 mm 평행판(parallel plate)을 이용하여 1 Hz 주파수에서 실시하였다; 상기 방법은 고온에서 저온 순서로 5℃ 온도 차의 온도변화(temperature sweep)가 사용되었으며, 소크(평형(equilibrium)) 타임(soak time)은 각 온도 사이에 120초였고, 1 Hz의 일정 주파수였다.
도 2는 결정화 시작부터 결정화 완료까지 결정 형성의 이미지를 나타내는 시각-분석형 광학 현미경(Time-Resolved Optical Microscopy, TROM) 공정을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 구현예에 따라 만들어진 상 변화 잉크 시료의 DSC 데이터이다(DSC 데이터는 -50 내지 200 내지 -50℃에서 10℃/분의 속도로 Q1000 시차 주사 열량측정계(TA Instruments)에 의해 얻어짐).
도 4는 상 변화 잉크 시료의 레올로지(rheology) 데이터를 나타낸 그래프이다.
모든 레올로지 측정은 RFS3 유동계(TA instruments)로 25 mm 평행판(parallel plate)을 이용하여 1 Hz 주파수에서 실시하였다; 상기 방법은 고온에서 저온 순서로 5℃ 온도 차의 온도변화(temperature sweep)가 사용되었으며, 소크(평형(equilibrium)) 타임(soak time)은 각 온도 사이에 120초였고, 1 Hz의 일정 주파수였다.
실시예
1. 잉크의 제조
미국 특허 출원 제13/095,795호에 나타낸 트리-DL-멘틸 시트레이트(TMC) 및 미국 특허 출원 제13/095,784호에 나타낸 디-DL-멘틸 L-타르트레이트(DMT)를 잉크 제형의 비결정성 성분으로서 사용했다. 화합물 1 및 상기 비결정성 물질을 염료 없이(잉크 베이스용) 또는 2 wt%의 Solvent Blue 101 염료(Keystone(Chicago, Illinois)으로부터 구입가능함)와 함께 130℃에서 용융 상태로 교반한 후 냉각시켜 잉크 시료를 얻었다. 상기 잉크 시료의 결정성/비결정성 비는 중량%로 약 80/20 또는 약 70/30이었다. 상기 잉크 베이스 2 g은 화합물 1 1.4 g 및 TMC 0.6 g으로부터 제형화하였다. 각 잉크 시료 4 g은 화합물 1 3.14 g, 상기 비결정성 물질 0.78 g, 및 Solvent Blue 101 0.08 g, 또는 화합물 1 2.74 g, 상기 비결정성 물질 1.18 g, 및 Solvent Blue 101 0.08 g으로부터 제형화하였다. 상기 결정성 및 비결정성 물질은 이러한 혼합비에서 잘 혼합되었다. 상기 잉크 제형을 표 3에 나타낸다.
| 잉크 ID | 잉크 제형(wt%) | T시험 | T시작 | T성장 | T합계 | |||
| 디페닐 술폰 (화합물 1) |
TMC* | DMT* | Solvent Blue 101 | |||||
| 순수한 결정성 물질 | 100 | - | - | - | 132 | 2 | 1 | 3 |
| 잉크 베이스 A | 80 | 20 | - | - | 130 | 2.5 | 2 | 4.5 |
| 잉크 시료 A | 78.4 | 19.6 | - | 2 | 130 | 3 | 2 | 5 |
| 잉크 시료 B | 78.4 | - | 19.6 | 2 | 120 | 4 | 2 | 6 |
| 잉크 시료 C | 68.6 | 29.4 | - | 2 | 120 | 5 | 4 | 9 |
| 잉크 시료 D | 68.6 | - | 29.4 | 2 | 120 | 4 | 7 | 11 |
*비결정성 물질.
잉크 특성(결정화 속도 및
레올로지
)
도 3은 디페닐 술폰(화합물 1)/TMC/Solvent Blue 101(68.6/29.4/2 (wt%))를 포함하는 대표적인 잉크 시료의 DSC 데이터를 나타낸다. Tmelt 및 Tcrys 모두 더 낮은 온도로 이동되었지만, 상기 시료는 상기 비결정성 성분 및 염료로 혼합될 때 조차도 여전히 현저하게 급격한 상 변환을 나타내었다. 상기 빠른 결정화는 시각 분석형 광학 현미경(TROM) 측정으로 확인하였다.
표 3은 상기 잉크 제형 및 TROM으로 얻은 잉크의 결정화 속도 데이터를 나타낸다. 상기 결정화 속도는 상기 비결정성 및 염료 성분의 존재에 의해 크게 영향을 받지 않았다.
표 3에서 볼 수 있듯이, 술폰 결정성 성분을 함유하는 모든 결정성-비결정성 제형은 15초 이하의 결정화 합계 시간 내에 빠르게 결정화되었다. 그러므로, 이들은 100 피트/분 또는 그 이상의 고속 인쇄용으로 적합하다.
도 4는 상기 잉크 시료의 레올로지 데이터를 나타낸다. 상기 잉크는 약 115℃ 및 120℃ 사이의 온도에서 1×106 cps 이상으로 상 변환을 나타내었다. 상기 상 변환 온도는 물질의 선택 및 상기 원하는 온도 범위(65℃ < T < 130℃) 내에서 결정성/비결정성 비를 변화시킴으로써 조절가능할 것이다. 또한, 상기 상 변환 온도 이상에서 점도는 10 cps 이하였고, 점도 개질제과 같은 첨가제의 비를 변화시키거나 블렌딩함으로써 다시 조절가능하다.
인쇄 성능
상기 잉크를 K Printing Proofer에 의한 코팅 용지 Xerox Digital Color Elite Gloss, 120 gsm (DCEG) 위에 K-proof 인쇄 시험 조사하기 위해 사용하였다(RK Print Coat Instrument Ltd.(Litlington, Royston, Heris, SG8 0OZ, U.K.)에 의해 제조됨). 528g의 중량 적용과 함께 커브 팁(curved tip)을 수직으로부터 약 15°의 각도로 하여 스크래치/가우지 핑거(scratch/gouge finger)를 대략 13 mm/s의 속도로 이미지에 걸쳐서 그었다. 상기 스크래치/가우지 팁은 대략 12 mm의 곡률 반경을 갖는 선반(lathe) 둥근날(round nose) 절단 비트와 유사하다.
요약
본 발명의 구현예는 적어도 하나의 결정성 물질 및 적어도 하나의 비결정성 물질을 함유하는, 잉크젯 인쇄용으로 개발된 강고한 상 변화 잉크 제형을 제공한다. 상기 잉크는 또한 안료 또는 염료와 같은 착색제를 포함할 수 있다. 상기 결정성 물질은 상 변화 잉크 조성물에서 결정성 성분으로서 이용되기에 적합한 특성을 가지는 것이 확인되고, 비결정성 물질과 혼합될 수 있는 술폰 화합물 또는 이의 유도체로부터 선택된다. 결과물인 결정성 물질은 강고하고, 빠른 인쇄 잉크를 제공하는 원하는 물리적 특성을 갖는다.
본 발명에 언급된 모든 특허와 출원은 그 전체가 구체적으로 및 전체적으로 인용에 의해 본 발명에 포함된다.
Claims (19)
- 화학식 II의 타르타르산의 에스테르 또는 화학식 III의 시트르산의 에스테르 및 그의 혼합물을 포함하는 비결정성 성분:
화학식 II
화학식 III
상기에서, R1, R2, R3, R4 및 R5는 독립적으로, 1 내지 40 개 탄소 원자를 갖는 직선형(straight), 분지형 또는 고리형, 포화 또는 불포화, 치환 또는 비치환될 수 있는 알킬기 또는 치환 또는 비치환 방향족 또는 헤테로방향족기이며, 상기 알킬기 내의 치환체는 알킬, 시클로알킬, 히드록시, 알콕시, 시아노, 할로 및 아미노기로 구성된 군으로부터 선택되고, 상기 방향족 또는 헤테로방향족기 내의 치환체는 선형, 분지형, 고리형 및 비고리형 알킬기로 구성된 군으로부터 선택된다; 및
하기 화학식 I을 갖는 술폰 화합물 및 그의 혼합물인 결정성 성분을 포함하는 상 변화 잉크:
R6-SO2-R7
화학식 I
상기에서, R6 및 R7은 동일하거나 다를 수 있고, 상기 R6 및 R7은 각각 서로 독립적으로 (i) 이종원자가 1 내지 40 개 탄소 원자를 갖는 알킬기 내에 선택적으로 존재할 수 있고, 치환체가 알킬, 시클로알킬, 히드록시, 알콕시, 시아노, 할로 및 아미노기로 구성된 군으로부터 선택되는, 선형 또는 분지형, 고리형 또는 비고리형, 치환 또는 비치환, 포화 또는 불포화된 알킬기일 수 있는 알킬기; (ii) 이종원자가 4 내지 40 개 탄소 원자를 갖는 아릴알킬기의 아릴 부분 또는 알킬 부분에 선택적으로 존재할 수 있고, 치환체가 알킬, 시클로알킬, 히드록시, 알콕시, 시아노, 할로 및 아미노기로 구성된 군으로부터 선택되며, 아릴알킬기의 알킬 부분이 선형 또는 분지형, 고리형 또는 비고리형, 치환 또는 비치환, 포화 또는 불포화될 수 있는 치환 또는 비치환 아릴알킬기일 수 있는 아릴알킬기; 및 (iii) 이종원자가 3 내지 40 개 탄소 원자를 갖는 방향족기에 선택적으로 존재할 수 있고, 치환체가 선형, 분지형, 고리형 또는 비고리형 알킬기일 수 있는, 치환 또는 비치환 방향족기일 수 있는 방향족기로 구성된 군으로부터 선택되며,
상기에서, 상기 상 변화 잉크가 15초 이내에 결정화된다. - 청구항 1에 있어서,
상기 타르타르산 백본(backbone)은 L-(+)-타르타르산, D-(-)-타르타르산, DL-타르타르산 또는 메소타르타르산 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 상 변화 잉크. - 화학식 II의 타르타르산의 에스테르 또는 화학식 III의 시트르산의 에스테르 및 그의 혼합물을 포함하는 비결정성 성분:
화학식 II
화학식 III
상기에서, R1, R2, R3, R4 및 R5는 독립적으로, 1 내지 40 개 탄소 원자를 갖는 직선형(straight), 분지형 또는 고리형, 포화 또는 불포화, 치환 또는 비치환될 수 있는 알킬기 또는 치환 또는 비치환 방향족 또는 헤테로방향족기이며, 상기 알킬기 내의 치환체는 알킬, 시클로알킬, 히드록시, 알콕시, 시아노, 할로 및 아미노기로 구성된 군으로부터 선택되고, 상기 방향족 또는 헤테로방향족기 내의 치환체는 선형, 분지형, 고리형 및 비고리형 알킬기로 구성된 군으로부터 선택된다; 및
하기 화학식 I을 갖는 술폰 화합물인 결정성 성분을 포함하는 상 변화 잉크:
R6-SO2-R7
화학식 I
상기에서, R6 및 R7은 각각 독립적이며, 선택적으로 하나 이상의 할로, 아미노, 히드록시 또는 시아노기 및 이들의 조합으로 치환된 알킬 또는 아릴이거나, 또는 R6 및 R7은 이들이 부착된 S 원자와 함께 헤테로사이클릭 고리를 형성하며; 상기 결정성 및 비결정성 성분은 60:40 내지 95:5의 결정성/비결정성 중량비로 존재한다. - 청구항 3에 있어서,
상기 결정성 성분은 디페닐 술폰, 디메틸 술폰, 비스(4-히드록시페닐) 술폰, 비스(4-아미노페닐) 술폰, 비스(3-아미노페닐) 술폰, 비스(4-클로로페닐) 술폰, 비스(4-플루오로페닐) 술폰, 2-히드록시페닐-4-히드록시페닐 술폰, 페닐-4-클로로페닐 술폰, 페닐-2-아미노페닐 술폰, 비스(3-아미노-4-히드록시페닐) 술폰, 디벤질 술폰, 메틸에틸 술폰, 디에틸 술폰, 메틸이소프로필 술폰, 에틸이소프로필 술폰, 디-n-부틸 술폰, 디비닐 술폰, 메틸-2-히드록시에틸 술폰, 메틸클로로메틸 술폰, 술포란, 3-술포렌 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 상 변화 잉크. - 청구항 3에 있어서,
실온에서 고체 상태인 상 변화 잉크. - 청구항 3에 있어서,
100 내지 140℃의 분사 온도를 갖는 상 변화 잉크. - 청구항 3에 있어서,
상기 비결정성 및 결정성 성분은 액체 상태에서 혼합성인 상 변화 잉크. - 화학식 II의 타르타르산의 에스테르 또는 화학식 III의 시트르산의 에스테르 및 그의 혼합물을 포함하는 비결정성 성분:
화학식 II
화학식 III
상기에서, R1, R2, R3, R4 및 R5는 독립적으로, 1 내지 40 개 탄소 원자를 갖는 직선형, 분지형 또는 고리형, 포화 또는 불포화, 치환 또는 비치환될 수 있는 알킬기 또는 치환 또는 비치환 방향족 또는 헤테로방향족기이며, 상기 알킬기 내의 치환체는 알킬, 시클로알킬, 히드록시, 알콕시, 시아노, 할로 및 아미노기로 구성된 군으로부터 선택되고, 상기 방향족 또는 헤테로방향족기 내의 치환체는 선형, 분지형, 고리형 및 비고리형 알킬기로 구성된 군으로부터 선택된다; 및
하기 화학식 I을 갖는 술폰 화합물 및 그의 혼합물인 결정성 성분을 포함하는 상 변화 잉크:
R6-SO2-R7
화학식 I
상기에서, R6 및 R7은 동일하거나 다를 수 있고, 상기 R6 및 R7은 각각 서로 독립적으로 (i) 이종원자가 1 내지 40 개 탄소 원자를 갖는 알킬기 내에 선택적으로 존재할 수 있고, 치환체가 알킬, 시클로알킬, 히드록시, 알콕시, 시아노, 할로 및 아미노기로 구성된 군으로부터 선택되는, 선형 또는 분지형, 고리형 또는 비고리형, 치환 또는 비치환, 포화 또는 불포화된 알킬기일 수 있는 알킬기; (ii) 이종원자가 4 내지 40 개 탄소 원자를 갖는 아릴알킬기의 아릴 부분 또는 알킬 부분에 선택적으로 존재할 수 있고, 치환체가 알킬, 시클로알킬, 히드록시, 알콕시, 시아노, 할로 및 아미노기로 구성된 군으로부터 선택되며, 아릴알킬기의 알킬 부분이 선형 또는 분지형, 고리형 또는 비고리형, 치환 또는 비치환, 포화 또는 불포화될 수 있는 치환 또는 비치환 아릴알킬기일 수 있는 아릴알킬기; 및 (iii) 이종원자가 3 내지 40 개 탄소 원자를 갖는 방향족기에 선택적으로 존재할 수 있고, 치환체가 선형, 분지형, 고리형 또는 비고리형 알킬기일 수 있는, 치환 또는 비치환 방향족기일 수 있는 방향족기로 구성된 군으로부터 선택된다. - 청구항 8에 있어서,
상기 R6 및 R7은 서로 독립적이며, 선택적으로 하나 이상의 할로, 아미노, 히드록시, 시아노 또는 이들의 조합으로 치환된 페닐 또는 벤질인 상 변화 잉크. - 청구항 8에 있어서,
상기 R6 및 R7은 서로 독립적이며, 선택적으로 하나 이상의 히드록실, 시아노 또는 이들의 조합으로 치환된 메틸, 에틸, 이소프로필, n-부틸 또는 비닐인 상 변화 잉크. - 청구항 8에 있어서,
상기 결정성 성분은 상기 상 변화 잉크의 총 중량의 60 중량% 내지 95 중량%의 양으로 존재하는 상 변화 잉크. - 청구항 8에 있어서,
상기 비결정성 성분은 상기 상 변화 잉크의 총 중량의 5 중량% 내지 40 중량%의 양으로 존재하는 상 변화 잉크. - 청구항 8에 있어서,
안료, 염료 또는 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 착색제를 추가로 포함하는 상 변화 잉크. - 청구항 8에 있어서,
상기 결정성/비결정성 비는 60:40 내지 95:5의 중량비인 상 변화 잉크. - 청구항 8에 있어서,
상기 결정성 성분은 140℃의 온도에서 10 cps 이하의 점도를 갖는 상 변화 잉크. - 청구항 8에 있어서,
상기 결정성 성분은 150℃ 이하의 Tmelt를 갖는 상 변화 잉크. - 청구항 8에 있어서,
상기 결정성 성분은 60℃ 이상의 Tcrys를 갖는 상 변화 잉크. - 청구항 8에 있어서,
100 내지 140℃의 분사 온도에서 1 내지 22 cps의 점도를 갖는 상 변화 잉크. - 청구항 8에 있어서,
실온에서 1×106 cps 이상의 점도를 갖는 상 변화 잉크.
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