CH673410A5

CH673410A5 -

Info

Publication number: CH673410A5
Application number: CH1876/87A
Authority: CH
Inventors: David E Hackleman; Loren E Johnson; Kenneth A Norton
Original assignee: Hewlett Packard Co
Priority date: 1986-02-11
Filing date: 1987-05-15
Publication date: 1990-03-15
Also published as: JPH0819358B2; JPS62187774A; CA1310451C; EP0232745B1; US4670059A; NL8701280A; EP0232745A1; DE3769487D1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Löslichkeit von Druckerschwärze in Tinten und nach diesem Verfahren hergestellte Tinten für Tintenstrahldrucker.

Druckerschwärze ist ein Werkstoff mit variabler Partikelgrösse, der im wesentlichen aus Kohlenstoff mit variabel damit verknüpften Funktionsgruppen besteht. Sie ist in allen Fluiden unlöslich, bleibt jedoch für eine ausgedehnte Zeitdauer in einigen Fluiden in Suspension.

Druckerschwärze ist ein dokumentenechter, sehr lichtundurchlässiger Druckwerkstoff. Sie reagiert nicht mit Papieren oder Kopiermaschinen. Sie ist photochemisch nicht zersetzbar und deshalb akzeptabel als archivierbares Druckmittel. Die meisten Fluide für Tintenstrahldrucker erfüllen diese Kriterien nicht.

Der gleichen Partikelgrösse nach ausgewählte Druckerschwärze kann leicht gereinigt werden, um unerwünschte Beimengungen zu entfernen. Somit ist sie Tinten in dieser Hinsicht überlegen, welche auf Farbstoffmolekülen basieren.

Wenngleich Druckerschwärze verschiedene wünschenswerte Eigenschaften hat, die sie zu einem bevorzugten Mittel für den Einsatz in Tinten für Tintenstrahldrucker macht, können Druckerschwärze-Suspensionen leicht aus dem Trä-gerfluid verdampfen und aus der Suspension ausgefällt werden. Diese Neigung zum Ausfallen begrenzt die Nützlichkeit von Druckerschwärze in Tinten für Tintenstrahldrucker.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Vermindern der Neigung von Druckerschwärze zum Ausfallen aus Tinten für Tintenstrahldrucker anzugeben.

Es ist ferner Ziel der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das die Löslichkeit, insbesondere die Dispergierbarkeit, von Druckerschwärze in Tinten für Tintenstrahldrucker erhöht.

Diese Aufgaben sind durch ein Verfahren gemäss Anspruch 1 gelöst und werden aus der folgenden Erläuterung noch deutlicher.

Gemäss der Erfindung wird die Dispergierbarkeit von Druckerschwärze in Tinten für Tintenstrahldrucker erhöht. Das Verfahren umfasst das Bilden einer Suspension aus Druckerschwärze in einem nicht reaktiven Lösungsmittel, das Zugeben eines Silylierungsmittels, das Entfernen des Reaktionsproduktes aus Silylierungsmittel und Druckerschwärze und das Bilden der Suspension des Reaktionsproduktes in einem Lösungsmittel zur Anwendung als eine Tinte für Tintenstrahldrucker.

Die Dispergierbarkeit der Druckerschwärze in Fluiden wird gemäss dem Verfahren nach der Erfindung erhöht. In einem bestimmten Sinne erscheint es, dass die Löslichkeit der Druckerschwärze erhöht ist, und in der Tat erscheint das die Druckerschwärze enthaltende Fluid eher als Lösung denn als Suspension insofern, als die Druckerschwärze-Partikel sich nicht nach einer bestimmten Zeit absetzen. Jedoch lösen sich die Druckerschwärze-«Moleküle» nicht in dem Fluid in dem Sinne auf, dass sich Moleküle wie Salze oder Zucker bilden.

Das Verfahren nach der Erfindung umfasst kurzgesagt

(a) Bilden einer Suspension von Druckerschwärze in einem nicht reaktiven Medium,

(b) Zugeben eines Silylierungsmittels,

(c) Entfernen jeglichen Reaktionsproduktes, welches sich als Folge der Reaktion des Silylierungsmittels und der Druk-kerschwärze bildet, und

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(d) Bilden einer Dispersion des Reaktionsproduktes in einem Lösungsmittel.

Die verwendete Druckerschwärze ist im Handel erhältlich. Jedoch ist erwünscht, dass die Verteilung der Partikelgrösse so gleichförmig wie möglich ist. Ferner kann die Partikelgrösse der Druckerschwärze im Bereich zwischen etwa 0,5 und 10 (im variieren. Partikel, die kleiner als etwa 0,5 um sind, reflektieren Licht und zeigen somit eine Färbung, was für eine schwarze Tinte unerwünscht ist. Partikel grösser als etwa 10 (im können die Öffnungen eines Tintenstrahl-Schreibstiftes verstopfen.

Das Fluid oder Medium, in welchem die Druckerschwärze zuerst suspendiert ist, ist nicht reaktiv. Beispiele umfassen Xylol (Ortho-, Meta-, und Para-Formen und Mischungen derselben), Benzol und andere aromatische Kohlenwasserstoffe.

Die Menge an verwendetem Fluid wird durch zwei Überlegungen bestimmt. Erstens muss ausreichend Fluid vorhanden sein, damit die Druckerschwärze gänzlich in dem nicht reaktiven Fluid dispergieren kann. Eine Aggregation der Druckerschwärze-Partikel sollte vermieden werden, weil eine Aggregation die Silylierungs-Reaktion nachteilig beeinflussen würde. Zweitens sollte das Volumen an nicht reaktivem Fluid so klein wie möglich gehalten werden, weil nach der Sicherung das Fluid zur Wiederaufbereitung entfernt wird. In Übereinstimmung mit diesen Überlegungen umfasst die Dispersion einen Bereich von 1 bis 7 Gewichts-% Druckerschwärze.

Die Dispersion wird mit einem geeigneten Mittel gerührt, z.B. mit einem Magnetrührer oder unter Verwendung von Ultraschall, um eine im wesentlichen gleichförmige Dispersion zu erhalten. Typisch wird eine im wesentlichen gleichförmige Dispersion in 1 bis 3 Stunden erhalten, gewöhnlich in etwa 2 Stunden.

Nach Bildung der im wesentlichen gleichförmigen Dispersion wird ein Silylierungsmittel der Dispersion zugegeben. Das Silylierungsmittel umfasst ein Organosilan mit einem oder mehreren polaren Addukten. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist Hexamethyldisilizan der Formel (CH3)3SiNH-Si(CH3)3.

Das Organosilan-Molekül sollte nicht zu gross sein, um sterische Hinderung zu minimieren. Demgemäss sollte das Molekulargewicht des Organosilanes nicht grösser als etwa 200 sein.

Es wird ein Organosilan mit polaren Gruppen als Silylierungsmittel verwendet, um eine grössere Löslichkeit im Lösungsmittel nach Wahl (solcher Lösungsmittel, die in einer Tinte für Tintenstrahldrucker üblich sind) begünstigen. Lösungsmittel nach Wahl umfassen Wasser, Glykole und Alkohole, wie im folgenden noch näher erläutert ist. Beispiele für günstige polare Gruppen umfassen — Cl, — Br, — SO3-, — OH, und — NH3. Beispiele für bevorzugte Organosilane umfassen Dimethylchlorsilan, Tetramethyldisilizan, Bromdi-methylchlorsilan und N-Methyl-N-Trimethylsilan-Aceta-mid.

Wie wohlbekannt ist, hat das Druckerschwärze-«Mole-kül» eine beträchtliche Anzahl von reaktionsfähigen Stellen, und zwar typisch freie Bindungen (die Bezeichnung «Molekül» ist in Anführungsstriche gesetzt, um deutlich zu machen, dass das Druckerschwärze-Molekül nicht exakt definiert oder gekennzeichnet ist). Demgemäss ist erwünscht, einen Überschuss an Silylierungsmittel-Molekülen über die Anzahl von reaktionsfähigen Stellen hinaus zur Verfügung zu haben (jede reaktionsfähige Stelle an einem Drucker-schwärze-«Molekül» erfordert ein Silylierungsmittel-Mole-kül). Als Faustregel wird etwa ein Mol eines Silylierungsmittels für einen Liter Suspension verwendet, wenngleich weniger als ein Mol/Liter verwendet werden kann; einfache Versuche können zur Bestimmung eines geeigneten Verhältnisses dienen.

Die erforderliche Menge an Silylierungsmittel für einen speziellen Fall wird genau bestimmt. Eine kleine Menge der 5 Suspension wird mit dem gewünschten Silylierungsmittel si-lyliert. Das Silylierungsmittel wird solange zugesetzt, bis eine Messung einen Überschuss an Silylierungsmittel erweist. Z.B. wird durch ein gaschromatografisches Verfahren jeglicher mit dem verbleibenden Silylierungsmittel reagierende 10 Alkohol nach seiner Menge ermittelt, was die Menge an überschüssigem Silylierungsmittel anzeigt.

Die Silylierungsreaktion setzt Wärme frei, und die Reaktion wird als abgeschlossen betrachtet, wenn keine Wärme mehr entwickelt wird. Typisch dauert die Reaktion 2 bis 3 15 Tage, wenngleich einige Silylierungsreaktionen als abgeschlossen in nur 5 Minuten gelten und andere 1 Woche bei 100 °C erfordern können.

Es kann auch Wärme zugeführt werden, um die Reaktionszeit zu verkürzen. Die maximale Temperatur wird durch 20 den Siedepunkt des Lösungsmittels bestimmt und vorzugsweise mindestens 10 ~C unterhalb des Siedepunktes gehalten. Demgemäss kann die Reaktion bei Temperaturen im Bereich von 25° bis 180 ;C je nach dem verwendeten Silylierungsmittel, vorzugsweise bei 60° bis 80 CC, erfolgen.

25 Im Laufe der Reaktion ergibt sich, dass der Siliziumanteil des Organosilans sich an die reaktionsfähige Stelle des Druckerschwärze-«Moleküls» festsetzt, wobei die organischen Funktionsgruppen zur Lösung freigesetzt werden. Da das Lösungsmittel nach Wahl Wasser, eines oder mehrerer 30 Glykole oder ein oder mehrere Alkohole sind, ist klar, dass polare funktionale Gruppen, die mit solchen Lösungsmitteln kompatibel sind, bevorzugt werden.

Lösungsmittelextraktion unter Verwendung des gewählten Lösungsmittels und bekannter Verfahren wird dazu ein-35 gesetzt, die silylierte Druckerschwärze von dem nicht reaktiven Fluid abzustreifen. Das nicht reaktive Fluid verbleibt in der organischen Phase für das Recycling und die Wiederverwendung, während die silylierte Druckerschwärze in dem gewünschten Lösungsmittel dispergiert ist.

40 Das gewählte Lösungsmittel umfasst Wasser, eine oder mehrere Glykole oder einen oder mehrere Alkohole oder Mischungen von diesen. Beispiele für zweckmässige Glykole umfassen Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol und Polyethylenglykole. Beispiele für zweckmässige Alkoho-45 le umfassen Alkohole mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und reichen von Methanol zu Dekanol. Das Lösungsmittel kann somit sämtliche Glykole und Mischungen davon, sämtliche Alkohole und Mischungen davon und mit oder ohne Wasser umfassen.

50 Zur Anwendung dispergierter Druckerschwärze in einem thermischen Tintenstrahldrucker, was Erhitzen der Tinte auf eine zum Verdampfen der Tinte ausreichend hohe Temperatur erfordert, liegt der Siedepunkt des Lösungsmittels vorzugsweise bei einer Temperatur nicht höher als etwa 400 C. 55 Ferner sollte das Lösungsmittel stabil gegenüber Kunststoff, Glas, Papier und anderen Substraten sein, die bei dem Druckverfahren eingesetzt werden.

Die silylierten Druckerschwärze-«Moleküle» bleiben grösser als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes und er-60 scheinen somit schwarz. Als Ergebnis des Verfahrens nach der Erfindung wird eine nicht sich absetzende Dispersion von Druckerschwärze gebildet.

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Zu 250 ml eines Xylol-Gemisches wurden 13,2 g Druk-kerschwärze unter der Handelsbezeichnung Cabot Monarch der Firma Cabot Corp., Boston, MA, USA zugegeben. Die

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Suspension wurde über Nacht bei Raumtemperatur mit einem magnetischen Rührer gerührt. Der Suspension wurden 50 ml Hexamethyldisilizan hinzugefügt. Die Erwärmung der Lösung wurde gemessen. Die Lösung wurde über Nacht durchgehend gerührt.

Die silylierte Druckerschwärze wurde mit einer Lösung enthaltend Diethylenglykol und Wasser in einem molaren Verhältnis von 1:1 extrahiert. Die silylierte Druckerschwärze erwies sich als stabiler gegen ein Absetzen als nicht auf diese Weise behandelte Druckerschwärze.

Die silylierte Druckerschwärze kann isoliert werden, z.B. durch Waschen in Wasser der gefilterten Druckerschwärze,

um jegliches verbliebenes Silylierungsmittel zu binden, und durch Trocknen des Pulvers. Das trockene Pulver konnte dann gelagert und trocken verschifft werden und dem gewählten Lösungsmittel zu einem späteren Zeitpunkt zur Herstellung der Tinte beigegeben werden.

Somit ist ein Verfahren zum Erhöhen der Dispergierbarkeit von Druckerschwärze («Carbon Black») in einem Lösungsmittel zur Verwendung als Tinte in einem Tintenstrahldrucker beschrieben. Verschiedene Modifizierungen und Abwandlungen stehen dem Fachmann offen, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke, wie er in den Ansprüchen ausgedrückt ist, verlassen wird.

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Claims

673 410 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Erhöhen der Dispergierbarkeit von Druckerschwärze in einem Lösungsmittel, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

(b) Zugeben eines Silylierungsmittels,

(d) Bilden einer Dispersion des Reaktionsproduktes in einem Lösungsmittel.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgrösse der Druckerschwärze im Bereich von 0,5 bis 10 |im liegt und im wesentlichen gleichförmig ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht reaktive Medium einen oder mehrere aromatische Kohlenwasserstoffe aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht reaktive Medium mindestens eine Komponente aus der Gruppe der Xylole und Benzol umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht reaktive Medium mindestens ein Xylol umfasst.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffmenge, die dem nicht reaktiven Medium zugegeben wird, im Bereich zwischen 1 und 7 Gewichts-% liegt.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Silylierungsmittel ein Or-ganosilan mit mindestens einem polaren Addukt aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, das? das polare Addukt aus den Substituenten der Gruppe — Cl, — Br, — SO3", —OH oder stickstoffhaltigen Gruppen besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Silylierungsmittel eine Verbindung aus der Gruppe Hexamethyldisilizan, Dimethylchlorsilan, Tetramethyldisi-lizan, Bromdimethylchlorsilan und N-Methyl-N-Trimethyl-silan-Acetamid umfasst.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überschuss an Silylierungsmittel der Druckerschwärze-Suspension bezüglich der reaktionsfähigen Stellen am Druckerschwärze-«Molekül» zugesetzt ist.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus Silylierungsmittel und Druckerschwärze im nicht reaktiven Medium bei einer Temperatur zwischen 25 und 180 °C gehalten wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Bereich zwischen 60 und 80 °C liegt.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Silylierungsreaktion in einem Zeitraum zwischen einer Stunde und drei Tagen stattfindet.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel mindestens einen Stoff aus der Gruppe Wasser, Glykole und Alkohole enthält.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Glykole aus der Gruppe Ethylenglykol, Diethy-lenglykol, Triethylenglykol und Polyethylenglykole ausgewählt sind.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkohole aus der Gruppe der Alkohole mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen ausgewählt sind.

17. Mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellte Tinte, insbesondere für Tintenstrahldrucker.