KR19980702038A - 잉크 젯 프린터 잉크 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다량의 지방족 탄화수소 및 올레일 알콜을 단독으로 또는 에테르 또는 에스테르와 같은 하나 이상의 다른 극성 액체와 조합하여 포함하는 소량의 극성 성분을 포함하는 단일상 액체인 비수성 희석제내 안료의 분산물을 포함하는 종류의 잉크젯 프린터 잉크에 관한다.

Description

잉크 젯 프린터 잉크 조성물

[발명의 상세한 설명]

본 발명은 잉크 젯 프린터용 잉크 조성물 및 특히 비수성 희석제내의 안료 분산물을 포함하는 조성물에 관한다.

잉크 방울들이 프린팅 헤드내의 매우 작은 노즐을 통하여 압력하에 강제되는 류의 잉크 젯 프린터는 사무용 및 일반적인 공업용으로서 점점더 관심의 대상이 되고 있다. 연속식 프린터로 공지되어 있는 한 프린터류에서는, 연속적으로 생성되는 잉크 소적들이 충전부를 지나고 여기서 각각의 소적들은 시그널에 대한 응답으로 전기 전하를 받아 프린트되는 기판을 향하게 된다. 소적들은 이들을 전하 및 장의 강도에 따라 달라지는 양으로 편향시키는 전기장을 통과한다. 기판상에 프린트되지 않는 소적들은 우회로로 향한다. 이러한 프린터용 잉크는 전도성일 필요가 없다. 드랍-온-디멘드 (drop-on-demend)(DOD) 프린터로 공지된 또다른 종류의 프린터에서는 프린팅 공정시 요구될 경우에만 프린트 헤드의 노즈로부터 잉크 소적들이 방출된다. 드랍-온-디멘드 프린터는 정전기적으로 가속된 잉크젯 또는 압력 충격 작용으로 소적이 연속적으로 배출되는 방식을 사용할 수 있다. 후자류의 DOD 프린터에서는 각 잉크방울은 예를들어 열적 펄스에 대한 응답으로 증기 버블을 발생시키거나 채널 공급 노즐내에서 잉크상에서 작동하는 압전기 장치를 사용하여 유도된 압력 펄스를 이용하여 노즐로부터 배출된다. 이러한 종류의 프린터용 잉크는 전기전도성일 필요는 없으며 바람직하게는 예를들어 최소한 10⁶ohm cm의 저항성을 갖는 전도도가 매우 낮은 비이온성이다.

이러한 프린터의 개발과 더불어 이에 사용하기 적당한 특별한 잉크의 개발도 있어 왔다.

이러한 잉크는 다수의 조건에 맞을 것이 요구된다. 예를들어 이들은 통상의 기후 조건에서 노화없이, 특히 안료 입자의 현저한 침전이나 고형화없이 저장할 수 있어야 한다. 이들은 또한 통상적인 프리터 작동 온도(통상적으로 10 - 40℃)에서 충분히 유동성이어서 온건한 압력을 사용하여 프린트헤드 노즐로부터 배출시킬 수 있어야 한다. 이들은 통상적인 작동시 정지기에 예를들어 희석제의 증발, 상분리, 고형화 또는 대기 또는 습기에 의한 공격으로 인하여 프린트헤드 노즐상에 노화가 일어나서는 안되며, 프린트 헤드를 범람시키고 다음에는 과도한 작동의 원인이 될 수 있는 정도로 노즐 오리피스를 둘러싸고 있는 프린트 헤드 존을 적시지 않아야 안된다. 프린트헤드가 허용할 수 없는 종도까지 젖지않도록 하기 위하여 잉크가 10 ± 1 mN.m^-1의 표면 에너지를 갖는 표면상에서 측정하였을때 100㎛ sec^-1이상의 탈수 속도를 갖는 것이 바람직하였다. 표면 에너지는 Adamson AW 3rd Edition, John Wiley Sons 1976 의 Physical Chemistry of Surfaces 351ff 쪽에 기술된 Zisman의 방법을 사용하여 순수한 액체의 정적 접촉각으로부터의 임계 표면 장력으로서 측정한다. 이러한 표면의 예는 1994년 8월 30일자 출원된 영국 특허 출원 제 9417445.5에 기술되어 있다. 탈수속도 및 그 측정에 대하여는 Physical Review Letters, Vol. 66, No. 6, 1991년 2월 11일, 페이지 715-718에 있는 Redon등의 글을 참고하면 된다.

잉크의 탈수속도는 바람직하게는 상기 정의한 바와 같이 측정할때 200㎛.sec^-1이상, 더 바람직하게는 300 ㎛.sec^-1이상, 휠씬 더 바람직하게는 1,000㎛.sec^-1이상이다.

중요하다고 사료되어온 잉크의 또다른 특성은 바람직하게는 25℃에서 약 22 - 36 mNm^-1이고 더 바람직하게는 24 - 32인 표면장력이다.

잉크는 또한 양질의 선명한 프린트를 제공하여야 하고, 피복된 종이가 고가가 될지라도 일반적으로 잉크젯 프린터 잉크는 평면, 즉 피복되지 않은 종이 상에 양호한 색밀도를 갖는 명확한 프린트를 제공할 수 있어야 한다고 받아들여지고 있다.

양질의 프린트 선명도는 특히 (a) 잉크 조성물로부터 착색된 고체 점들의 빠른 형성 (b) 종이 표면 상에 잉크 착색제의 농도 (c) 잉크 소적들로부터 종이 기판 표면 상에 형성된 착색 점의 번짐 조절 (d) 한 색상의 점에서 다른색의 이웃하는 점으로의 제한된 잉크 블리드성 및 잉크 소적들로부터 형성된 고체 점 전체 영역에 걸쳐 색 및 색밀도의 균일성이 요구된다. 또한 바람직하게는 프린터가 물 또는 빛의 작용으로 노화되어서는 안된다.

상기 조건들 중 다수는 잉크내에서 상반되는 특성을 요한다. 예를들어 점도를 감소시켜 유동성을 증가시키는 경우 잉크가 마르기 전에 종이 표면 상의 잉크 소적이 번질 위험도 증가한다. 마찬가지로 희석제의 휘발성을 감소시킴으로써 노즐내에서 잉크가 건조되는 위험을 감소시킬 경우 표면 상에서는 잉크 소적의 빠른 건조를 돕기 위하여 반대의 조치가 요구될 수 있을 것이다. 따라서, 이런 특성들을 최적화하는 것은 절충의 문제이다. 게다가 이런 특성들의 최적화를 얻기 위한 시도에서 잉크 조성물을 다양하게 하는 것은 종종 다른 필요한 특성들에 역효과를 미치는 것으로 밝혀졌다.

따라서, 개선된 잉크에 대한 연구가, 특히 노즐을 더 소형화하고 해상도가 더 높은 이미지 형성을 향한 계속적인 경향과 더불어 계속되고 있다.

이제 우리는 노즐 직경이 50㎛ 이하, 예를들어 20㎛ 이하인 프린트헤드를 사용하여 장시간에 걸쳐 양질의 프린트를 계속적으로 생산할 수 있는, 상기 언급한 조건에 맞거나 이를 근접한 잉크를 개발하였다.

본 발명은 희석제의 대부분을 형성하는 지방족 탄화수소 및 올레일 알콜만이거나 이것과 하나 이상의 다른 극성 액체가 조합된 극성 성분을 포함하는 단일상 액체인 비수성 희석제내에 분산된 안료를 포함하는 잉크젯 프린터 잉크를 제공한다.

희석제의 50 중량% 이상, 바람직하게는 잉크 조성물의 50 중량% 이상을 구성하는 잉크의 지방족 탄화수소 성분은 단일성분 또는 혼합물을 포함할 수 있고 예를들어 EXXSOL 이란 상표명으로 시판되는 천연 또는 합성 탄화수소 혼합물를 분별증류시킨 것일 수 있을 것이다. 일반적으로 이것은 100℃이상, 바람직하게는 200℃ 이상의 비점을 가질 것이다. 이것이 혼합물일 경우, 비점은 혼합물이 끊기 시작하는 온도를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

희석제가 주로 천연 탄화수소여야 할 경우, 올레일 알콜을 포함하는 소량의 극성 성분의 존재가 필수적이다. 알콜은 단독으로 사용될 수도 있고 예를들어 에스테르, 에테르, 아미드 또는 기타 알콜과 같은 하나 이상의 다른 극성 액체와 함께 사용할 수도 있을 것이다. 에테르가 바람직하고 예로는 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 및 트리프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르와 같은 에틸렌 및 프로필렌 글리콜 및 폴리클리콜의 모노알킬 에테르가 포함된다. 희석제의 비점이 100℃ 이상, 바람직하게는 200℃인 것이 상기 기타 극성 액체의 성질 및 특성이 되어야 하는 것으로 이해될 것이다. 다른 한편, 잉크는 모든 가능한 작동 온도에서 유동성을 지녀야 하므로 그 어는점 또는 고체가 최초로 형성되기 시작하는 온도가 10℃ 이하, 바람직하게는 7℃ 이하인 것이 바람직하다.

희석제내 존재하는 올레일 알콜 또는 올레일 알콜과 기타 극성 액체의 혼합물의 양은 0.1 MPa^½이상의 극성 용해도 파라미터를 갖는 희석제를 제공할 수 있어야 하는데 그렇지 않으면 오리피스를 둘러싼 존이 젖는 것과 관련된 문제가 일어날 수 있을 것이다. 한편 이 파라미터는 바람직하게는 5 MPa^½이하여야 하는데 그렇지 않으면 프린팅 시스템내 다른 물질과의 상용성 문제가 일어날 수 있을 것이다. 이 파라미터는 바람직하게는 0.2 - 2 MPa^½이다. 본원의 극성 용해도 파라미터에 대한 참고자료는 Hansen, C.M.Skaarup, K. 의 방법, Journal of Paint Technology, 39 No.51, pp. 511-514 (1967) (Patten, T.C.의 Paint Flow Pigment Dispersion 2nd Ed., Wiley Interscience에서 상술함)에 따라 얻어진 값이다. 또한 하이드로카본을 포함하는 혼합물이 단일상이 되도록 사용하는 극성 액체의 총량을 맞추는 것이 중요하다.

따라서, 잉크내 포함된 올레일 알콜의 양은 그것이 유일한 극성 액체 성분인지 또는 기타 극성 액체와 혼합되어서 사용되는지(그렇다면 그 액체들의 농도 및 극성)에 따라 달라질 것이다. 일반적으로 이것은 이것이 유일한 극성 성분일 경우에는 희석제 총 중량의 5 - 40 중량%, 더 바람직하게는 10 - 40 중량%의 양으로, 다른 극성 액체와 함께 사용될 경우는 5 - 30 중량%의 양으로 사용될 것이다. 극성 액체의 총량은 일반적으로 5 - 45 중량%, 바람직하게는 10 - 40 중량%일 것이다. 극성 액체의 총량은 일반적으로 5 - 45 중량%, 바람직하게는 10 - 40 중량%일 것이다.

앞서 언급한 바와 같이 희석제는 비수성이어야 한다. ; 즉 5 중량% 이하의 물을 함유하여야 한다. 혹종의 경우, 있다면 존재하는 물의 양은 제 2 의 액체상을 형성시킬 수 있는 그런 정도여서는 안된다.

선택된 희석제내에서 안정한 분산물을 형성한다면 혹종의 적당한 안료를 사용할 수도 있을 것이다. 바람직한 안료는 The Colour Index에서 안료 염료로 특징인 것들 중에서 찾는다. 안료는 바람직하게는 1차적인 색조를 띠게 될 것이다. 안료는 내광성이어야 하고 반복해서 가열하여도 열적으로 안정하여야 한다. 안료는 일단 기판상에 도포되면 수불용성이어서 물을 함유하는 물질과 접촉시 오염을 방지할 수 있어야 한다. 카본 블랙을 또한 사용할 수 있을 것이다.

안료의 입도는 적당하게는 1.5㎛ 이하, 바람직하게는 1.0㎛ 이하, 더 바람직하게는 0.5㎛ 이하, 훨씬 더 바람직하게는 0.3㎛ 이하이다.

또한 안료의 비중이 선택된 용매의 비중에 가까운 것이 바람직한데 이 경우 정치시 침전의 가능성이 감소되기 때문이다.

안료의 적절한 농도는 그 성질에 따라 달라질 것이나 일반적으로 잉크의 2 - 20 중량%, 더 통상적으로는 4 - 15%일 것이다.

일반적으로 희석제내에 안료입자를 효과적으로 분산시키고 분산물을 안정화시키기 위하여 분산제를 포함시키는 것이 필요할 것이다. 바람직하게는 분산제는 희석제내 용액을 것인데 즉 희석제내에 용해되거나 매우 용매화되어 희석제 분산제 혼합물이 진정한 용액과 구별할 수 없게 될 것이다.

분산제는 선택한 안료 분산물을 선택한 용매내에서 의도하는 농도로 안정화시키고 저장시 및 프린트헤드에서 마주치게 되는 작동조건하에서 분산상태를 유지할 수 있어야 한다. 중합체 분산제가 그 효과면에서 바람직하다. 적당한 분산제의 예로는 SOLSPERSE의 상표명으로 Zeneca Colours가 시판하는 것과 같은 폴리에스테르 아민 분산제 및 특히 제 GB-A-2001083호에 기술된 것, 즉 유리 카복실산 그룹을 갖는 폴리에스테르와 폴리(저급 알킬렌)이민의 반응 생성물(각 폴리(저급 알킬렌)이민 사슬에는 둘 이상의 폴리에스테르 사슬이 결합되어 있음)을 포함하는 것이다. 사용할 수 있는 다른 분산제의 예에는 EFKA 및 DISPERBYK의 상표명으로 시판되는 것들이다. 바란다면 분산제의 혼합물을 사용할 수 있을 것이다.

주어진 희석제, 분산제 및 안료의 조합물에 때하여 분산제의 적절한 양은 실험으로 용이하게 측정할 수 있을 것이다. 일반적으로 분산제의 농도가 0부터 증가함에 따라 혼합물의 점도는 최소치까지 감소한 다음 다시 증가하기 시작한다고 밝혀졌다. 이론적으로 최적량의 분산제는 혼합물의 최소 점도를 부여하는 것인데 이것이 안료의 가장 효과적인 분산을 제공하기 때문이다. 일반적으로 적당한 양의 분산제는 최적량의 100 - 200%, 더 바람직하게는 110 - 150%의 범위에 있을 것이다. 더 많은 양을 제공할 수 잇을 것이나 일반적으로 분산제의 양은 사용한 안료량의 약 10 - 100 중량%일 것이다.

잉크 소적을 배출하는데 요구되는 에너지는 특히 점도의 함수인데 이것과 다른 이유에서 잉크의 점도는 60mPa.s 이하인 것이 바람직하다.

점도는 주로 희석제의 점도 및 희석제의 성질 및 농도에 의하여 측정하나 안료의 성질 및 농도 또한 한 요인이다. 가장 바람직한 점도 범위는 Bohlin CS 점도계를 사용하여 30℃에서 측정하였을때 6 - 30mPa.s 이다.

[실시예]

[실시예 1]

EXXON 사의 EXXSOL D140으로 시판되는, 280 - 317℃의 비점을 갖는 65.05부의 지방족 탄화수소 혼합물, Croda사의 NOVOL로 시판되는 20부의 올레일 알콜, 지방족 탄화수소내 폴리에스테르-아민 과분산제의 40% 용액 3.75 부(SOLSPERSE 13940), 0.2 부의 치환된 암모늄 프탈로시아닌 설포네이트(SOLSPERSE 5000) 및 11 부의 REGAL Black으로부터 잉크를 제조하였다. SOLSPERSE 13940 및 SOLSP ERSE 5000은 모두 Zeneca Colours 사에서 시판된다. SOLSPERSE은 ZenecaA Limited사 소유의 상표명이다.

잉크의 특성은 다음과 같았다 :

비점 : 250℃

어는점 :6℃

극성 용해도 파라미터 : 0.25 MPa^0.5

점도⁽¹⁾:9.5 mPa.s

탈수속도⁽²⁾: 1 mm sec^-1

표면장력⁽³⁾:28.5 mN.m^-1

(1) 30℃에서 CP 4/40 측정 시스템을 갖는 Bohlin CS 전류계를 사용하여 측정함.

(2) 10 ± 1 mN.m^-1의 표면 에너지를 갖는 폴리오로실란 표면 상에 나타난 것으로 측정함.

(3) 20℃에서 Kruss K12 Processor Tensiometer System 을 사용하여 측정함.

이 잉크는 저장시 안정하였고 막힘이나 기능부전 없이 실질적인 시간동안 연속적인 프린트에 사용할 수 있었으며 우수한 선명도를 보였다.

[실시예 2 -5]

일련의 실험에서, 실시예 1 의 잉크내 NOVOL의 농도(변하지 않고 남아있는 NOVOL 및 EXXSOL D140의 총량)를 달리하는 것이 안정도에 미치는 영향을 조사하였다.

잉크의 혼탁도에 따른 파장을 측정함으로써 안정도를 평가하였다. 광범위한 혼탁도 스펙트럼에 걸쳐 혼탁도 (τ)는 파장 (λ)과 τ = k/λ^exp(exp는 입도에 따라 달라짐)의 관계에 있다. exp 값은 다음 방법을 따라 얻는다 : 잉크 희석제에 상당하는 액체 블렌드내에서 잉크를 1 : 5,000으로 희석하고 광학밀도는 400 - 900nm 사이의 Cary 1 UV - Visible 분광광도계에서 1cm 경로 길이 큐벳내에서 측정하였다. exp는 log₁₀(OD) 대 log₁₀(λ)의 선형 회귀로부터 기울기로서 얻는다. 안정도를 측정하기 위하여 65℃ 및 실온에서 잉크 샘플들을 저장하고 12 주에 걸쳐 주기적으로 혼탁도를 측정하였다. 12 주에 걸쳐 exp의 감소치가 15% 이하이면 잉크는 안정하다고 생각할 수 있을 것이다. 결과는 다음과 같다.

^*- 비교 실시예

[실시예 6]

EXXSOL D140 및 NOVOL의 양을 각각 57.30 및 17.75부로 감소시키고 10부의 트리프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르를 포함시켜 실시예 1의 잉크를 개질하였다. 얻어진 조성물은 실시예 1의 조성물과 비슷한 비점 및 어는점, 1.07 MPa^0.5의 극성 용해도 파라미터, 9 mPa.s의 점도, 24.9 mN.m^-1의 표면장력 및 1.6 mm.sec의 탈수속도를 가졌다. 이것의 성능은 실시예 1의 잉크의 성능과 비슷하였다.

[실시예 7]

다음 조성을 가진 잉크를 제조하였다.

REGAL Black 250R 11 %

SOLSPERSE 139403.75 %

SOLSPERSE 5000 0.2 %

COASOL 20 %

NOVOL17.5 %

EXXSOL D14047.55 %

COASOL은 숙신산, 글루타르산 및 아디프산의 디부틸 에스테르의 혼합물이다. 잉크는 10 mPa.s의 점도, 1.1 MPa^½의 극성 용해도 파라미터 및 실시예 6의 잉크와 매우 유사한 특성을 가졌다.

다음은 블랙을 제외한 다른 안료를 사용한 본 발명에 따른 잉크의 실시예이다.

[실시예 8]

PALIOTOL Yellow D1115 5 %

SOLSPERSE 13940 3.75 %

NOVOL 24 %

EXXSOL D14067.25 %

[실시예 9]

MONASTRAL Blue FGX 5 %

SOLSPERSE 13940 5 %

SOLSPERSE 5000 0.5 %

NOVOL 15 %

EXXSOL D14074.5 %

[실시예 10]

HOSTAPERM Red E5B02 9 %

SOLSPERSE 13940 8 %

NOVOL 9 %

EXXSOL D14074 %

실시예 8 - 10의 잉크는 10 ± 0.5 mPa.s의 점도 및 1.2 - 2.7 mm.sec^-1의 탈수속도를 가졌다. 이들 모두는 저장시 안정하였고 막힘이나 기능부전없이 실질적인 기간동안 연속적으로 프린트하는데 사용할 수 있었으며 우수한 선명도를 보였다.

Claims (15)

1. 희석제가 중량 기준으로 희석제의 대부분을 구성하는 지방족 탄화수소 및 올레일 알콜을 단독으로 또는 하나 이상의 다른 극성 액체와 조합하여 포함하는 극성 성분을 포함하는 단일 상 액체인 것을 특징으로 하는 비수성 희석제내 분산된 안료를 포함하는 잉크젯 프린터 잉크.
2. 제 1 항에 있어서, 희석제를 포함하는 잉크젯 프린터 잉크.
3. 제 2 항에 있어서, 분산제가 폴리에스테르 아민인 잉크젯 프린터 잉크.
4. 제 2 항에 있어서, 분산제가 유리 카복실산 그룹을 갖는 폴리에스테르와 폴리(저급 알킬렌)이민의 반응 생성물이고 둘 이상의 폴리에스테르 사술이 각 폴리(저급 알킬렌)-이민 사슬에 결합되어 있는 잉크젯 프린터 잉크.
5. 전기항 항들 중 어느 한 항에 있어서, 희석제의 극성 성분이 올레일 알콜 및 에스테르 및 에테르 중 하나 이상을 포함하는 잉크젯 프린터 잉크.
6. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 극성 성분이 잉크의 5 - 40 중량%를 구성하는 잉크젯 프린터 잉크.
7. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 극성 성분의 잉크의 10 - 40 중량%를 구성하는 잉크젯 프린터 잉크.
8. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 안료가 잉크의 5 - 15 중량%의 양으로 존재하는 잉크젯 프린터 잉크.
9. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 분산제가 잉크의 최소 점도를 부여하는 양의 110 - 150%의 양으로 존재하는 잉크젯 프린터 잉크.
10. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 200℃ 이상의 비점을 갖는 잉크젯 프린터 잉크.
11. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 7℃ 이하의 어는점을 갖는 잉크젯 프린터 잉크.
12. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 0.2 - 2 MPa^½의 극성 용해도 파라미터를 갖는 잉크젯 프린터 잉크.
13. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 10 ± 1 mN.m^-1의 표면 에너지를 갖는 표면 상에서 측정할 경우 200㎛.sec^-1의 탈수 속도를 갖는 잉크젯 프린터 잉크.
14. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, CP 4/40 측정 시스템을 갖는 Bohlin CS 전류계를 사용하여 30℃에서 측정하였을때 6 - 30 mPa.s의 속도를 갖는 잉크젯 프린터 잉크.
15. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 25℃에서 24 - 32 mN.m^-1의 표면 장력을 갖는 잉크젯 프린터 잉크.