DE3786126T2

DE3786126T2 - Tinten für das Ink-Jet-Verfahren.

Info

Publication number: DE3786126T2
Application number: DE19873786126
Authority: DE
Inventors: Ronald A Askeland; William D Kappele; Norman E Pawlowski; John L Stoffel
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1986-08-27
Filing date: 1987-08-25
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2007-08-26
Also published as: EP0259088B1; EP0259088A2; EP0259088A3; DE3786126D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Tintenmischungen für Tintenstrahldrucker und insbesondere Tintenmischungen, bei welchen die Löslichkeit der Farbe durch die Ersetzung von Kationen wie Natrium und Kalium erhöht ist.
Die Verwendung von Tinten auf Wasserbasis für Tintenstrahldrucker ist gut bekannt. Solche Mischungen sind vergleichsweise kostengünstig und leicht herzustellen Typischerweise umfaßt die Tinte Wasser und einen Glykolether, gewöhnlich Diethylenglykol (allgemein als das Bindemittel bezeichnet), und eine Farbe. Typischerweise sind das Wasser und der Glykolether in etwa gleichen Anteilen vorhanden und die Farbe, zum Beispiel Food Black 2, ist, abhängig von der gewünschten Druckdichte, mit einem Anteil von bis zu ungefähr 6% der Gesamtmischung vorhanden.
Die Tinten nach dem Stand der Technik verwenden im allgemeinen kommerzielle Farbsalze (Kation plus Farbanion) wie gebildet, welche einfach in dem Bindemittel aufgelöst und filtriert werden, um die Tinte herzustellen. Solche Farben, welche im allgemeinen eine Vielzahl von Sulfonat- oder Carboxylataniongruppen enthalten, sind dafür vorgesehen, Festkörper in Papier oder Stoff zu bilden, wobei Kationen wie Natriumkationen verwendet werden. Infolgedessen bleiben die Farben nicht ohne weiteres in der Düse eines Tintenstrahldruckers flüssig.
Dementsprechend ist ein hartnäckiges Problem im Zusammenhang mit Tinten auf Wasserbasis ihre Neigung, über eine bestimmte Zeitdauer zu verkrusten, was schließlich zum Verstopfen der Düse in dem Druckmechanismus führt, aus welchem Tintentröpfchen beim Druckvorgang herausgeschleudert werden. Das Verkrusten ist die Kristallisierung der Tinte um die Düse in dem Druckkopf, welche ein teilweises oder vollständiges Blockieren der Düse verursacht, was zu einer Fehlleitung des Tropfens (teilweises Blockieren) oder zum Verhindern des Tropfenausstoßes (vollständiges Blockieren) führt. Das Verkrustungsproblem beruht auf dem Verdunsten von Wasser aus dem Tintenlösungsmittel (Bindemittel) und der nachfolgenden Abscheidung des Farbsalzes, welches als Folge dieses Wasserverlustes im wesentlichen unlöslich geworden ist.
Es sind Versuche unternommen worden, das Verkrustungsproblem zu lösen. Hygroskopische Reagenzien sind zugesetzt worden, um die Wasserverdunstungsrate durch ihre Fähigkeit, Wasserdampf aus der Luft auf zunehmen, zu verringern. Beispiele solcher hygroskopischen Reagenzien sind wasserlösliche Polymere, Alkanolamine, Amide und Polyalkohole.
Während eine gewisse Verbesserung mit diesen hygroskopischen Reagenzien realisiert worden ist, ist eine vollständige Lösung der Verkrustungsprobleme bis jetzt noch nicht erreicht worden. Weiterhin sind offensichtlich keine Verfahren bekannt, um das Verkrusten der anionischen Farben in schwach sauren bis schwach basischen (pH 4 bis 9) Tinten auf Wasserbasis zu verhindern.
Es werden weiter Versuche unternommen, Tinten zu entwickeln, bei denen die Farblöslichkeit erhöht ist.
Andere Zugänge umfassen die Entwicklung von neuen Farben für Tintenstrahl-Tinten. Zum Beispiel offenbart das US-Patent 4 557 761 eine Reihe von sulfonathaltigen Farben mit Kationen wie Natrium, Kalium, Lithium, Ammonium und Aminsalz-Kationen.
Wie oben gezeigt, haben jedoch Farben mit Natriumkationen bestimmte Nachteile. Farben mit Kaliumkationen leiden ebenfalls unter bestimmten Nachteilen, insbesondere das Aufweisen von Verkrustung. Farben mit Ammoniumkationen sind andererseits nicht stabil. Daher können die Kationen, welche in dem US-Patent 4 557 761 aufgeführt sind, nicht als gleichwertig betrachtet werden.
Schließlich sind viele Kationen nicht für Farben geeignet, welche bei Tinten verwendet werden, die beim thermischen Tintenstrahldrucken verwendet werden. In diesem Fall kann ein Problem auftreten, welches als "Kogation" bekannt ist. Kogation ist ein Schlagwort, welches auf thermisches Tintenstrahldrucken beschränkt ist, und beschreibt das Ausmaß der Zersetzung der Tinte an den Widerständen von thermischen Tintenstrahldruckern als Folge des Heizens. Dieses Heizen wird dafür eingesetzt, um Tintentröpfchen zu bilden, welche zu dem Substrat hin getrieben werden.
Während natriumhaltige Farben Verkrustungsprobleme zeigen, weisen sie auch hervorragende Kogationseigenschaften auf. Farben, welche andere Kationen enthalten und ein verbessertes Verkrustungsverhalten aufweisen, weisen oft auch eine schlechte Kogation auf.
Demnach ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Tintenmischung zu schaffen, welche eine erhöhte Farblöslichkeit in dem Bindemittel zeigt.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Tinte zu schaffen, bei welcher das Verkrustungsproblem minimal ist.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine Tinte auf Wasserbasis für Tintenstrahldrucker zu schaffen, bei welcher die Kogation der Farbe in dem Tintenlösungsmittel (Bindemittel) nicht negativ durch die teilweise oder vollständige Ersetzung von Natrium oder anderen Kationen beeinflußt wird.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine Tinte auf Wasserbasis für Tintenstrahldrucker zu schaffen, bei welcher die Löslichkeit der anionischen Farben in schwach sauren bis schwach basischen Medien erhöht ist.
Kurz gefaßt umfaßt die Tintenmischung der Erfindung ein Bindemittel und eine Farbe, welche mindestens eine negativ geladene funktionelle Gruppe pro Molekül besitzt, wobei mindestens eine der funktionellen Gruppen mit Kationen assoziiert ist und mindestens ein Viertel dieser Kationen Tetramethylammonium (TMA)- oder Lithiumkationen sind.
Die Farbe, welche TMA- oder Lithiumkationen enthält, zeigt eine erhöhte Löslichkeit und eine verringerte Verkrustung bei Tinten, welche gewöhnlich beim Tintenstrahldrucken verwendet werden, zeigt jedoch keine Tendenz zu Kogation beim thermischen Tintenstrahldrucken.
Die Tintenmischungen der Erfindung umfassen ein Bindemittel auf Wasserbasis und eine Farbe. Der pH der Tinte kann sowohl im schwach sauren als auch im schwach basischen Bereich gehalten werden, wobei er im Bereich von ungefähr 4 bis 9 liegt.
Das Bindemittel der Tinte umfaßt Wasser und mindestens eines der Glykole und Glykolether, welche gewöhnlich bei den beim Tintenstrahldrucken verwendeten Tinten eingesetzt werden. Beispiele solcher Verbindungen umfassen Diethylenglykol, Triethylenglykol und Polyethylenglykole. Das Wasser liegt in einer Menge in einem Bereich von ungefähr 5 bis 95% vor, wobei der Rest mindestens eines der Glykole und/oder Glykolether ist. Vorzugsweise umfaßt das Bindemittel ungefähr 50% Wasser und der Rest einen Glykolether wie Diethylenglykol.
Dem Bindemittel wird bis zu ungefähr 0,1 mol/l (0,1 Molar) einer Farbe, vorzugsweise einer anionischen Farbe, zugesetzt. Die Menge der zugesetzten Farbe ist eine Sache der Wahl, welche wesentlich von der Löslichkeit der Farbe in dem Bindemittel (was den oberen Bereich der Farbkonzentration beschränkt) und der gewünschten Dichte des Drucks, der mit der Tinte erreicht wird, (was den unteren Bereich der Farbkonzentration beschränkt, typischerweise ungefähr 0,005 mol/l (0,005 Molar)) abhängt. Vorzugsweise beträgt die Konzentration der Farbe in der Tintenmischung ungefähr 0,065 mol/l (0,065 Molar). Bei Food Black 2, einer Farbe, die allgemein bei Tintenstrahl-Tinten verwendet wird, liegt die entsprechende Konzentration in Gew.-% im Bereich von ungefähr 0,5 bis 10%, wobei ungefähr 6% bevorzugt sind.
Die Farbe, auf welche die Erfindung geeigneterweise angewendet wird, ist ein organisches Molekül mit mindestens einer negativ geladenen funktionellen Gruppe pro Molekül. Da Sulfonat (SO&supmin;)- und Carboxylat (CO&sub3;&supmin;)-Gruppen insbesondere von der Ausführung der Erfindung profitieren, sind Farben mit solchen Gruppen bevorzugt. Ein Beispiel einer in dieser Hinsicht bevorzugten Farbe ist Food Black 2 (FB2), welches eine Mischung von zwei, drei und vier Sulfonatgruppen pro Molekül besitzt (der effektive Wert ist ungefähr 3,2 Sulfonatgruppen pro Molekül für kommerziell erhältliches FB2).
Bei kommerziell hergestellten Farben wird die negative Ladung der funktionellen Gruppe in aller Regel durch die Gegenwart von positiv geladenem Natrium (Na&spplus;) ausgeglichen. Andere Kationen, wie Kalium, Ammonium, usw., können jedoch ebenfalls vorliegen.
Weitere anionische Farben außer FB2 können ebenfalls geeigneterweise bei der Ausführung der Erfindung verwendet werden, weil, wie später genauer erläutert werden wird, die Löslichkeit der anionischen Farben in sauren Medien durch die Anwendung der Lehre der Erfindung erhöht wird. Beispiele anderer anionischer Farben, welche bei der hier offenbarten Tintenmischung verwendet werden können, umfassen Direct Red 9, Direct Red 227, Acid Yellow 23, Direct Yellow 86, Acid Blue 9, Direct Blue 86, Direct Blue 199 und Acid Blue 185.
Gemäß der Erfindung wird eine Tintenmischung für einen thermischen Tintenstrahldrucker geschaffen, welche umfaßt:
a) ein Bindemittel, welches ungefähr 5 bis 95% Wasser und als Rest mindestens ein Glykol und/oder einen Glykolether enthält, und
b) eine Farbe mit mindestens einer negativ geladenen funktionellen Gruppe pro Molekül, wobei mindestens eine der funktionellen Gruppen mit Kationen assoziiert ist und mindestens ein Viertel dieser Kationen Tetramethylammonium oder Lithium ist.
Die Farbe wird durch teilweises Ersetzen von unerwünschten Kationen in der Farbe, wie sie von dem Hersteller empfangen wird, durch Lithium- oder Tetramethylammonium-Kationen hergestellt.
Während Natrium und Kalium als Beispiele von solchen unerwünschten Kationen angesehen werden, kann es auch andere Kationen geben, welche mit der Farbe, wie man sie von einem Farbhersteller erhält, assoziiert sind und vorteilhafterweise gemäß der Lehre dieser Erfindung ersetzt werden können. Alle solche ersetzbaren Kationen werden hier als unerwünschte Kationen betrachtet.
Die Gegenwart von Tetramethylammonium (TMA)- oder Lithiumkationen erhöht die Löslichkeit der Farbe in dem Bindemittel, ohne in negativer Weise die Kogation bei thermischen Tintenstrahldruckern zu beeinflussen. Die Gegenwart von TMA- oder Lithiumkationen verringert auch das Verkrusten der Tinte um die Düsen des Tintenstrahldruckers. Ein derartiges Verkrusten wird durch das Verdunsten des Wassers in dem Bindemittel der Tinte beim Aussetzen an Luft verursacht.
Die teilweise oder vollständige Ersetzung von unerwünschten Kationen durch TMA- oder Lithiumkationen kann durch eine Vielzahl von Verfahren erreicht werden, für welche Ionenaustausch und umgekehrte Osmose Beispiele sind.
Bei der Ionenaustauschreaktion wird die Farbe mit unerwünschten Kationen wie Natriumkationen durch ein mit Säure beladenes Ionenaustauschharz geleitet. Die unerwünschten Kationen werden durch Wasserstoffkationen ersetzt. Die ionenausgetauschte Farbe wird dann mit Tetramethylammoniumhydroxid (TMA&spplus;OH&supmin;) oder Lithiumhydroxid (LiOH) zur Reaktion gebracht. Die TMA- oder Lithiumkationen ersetzen die Wasserstoffkationen, welche mit den Hydroxidanionen reagieren, um Wasser zu bilden.
Vorzugsweise wird mindestens ein Viertel der unerwünschten Kationen durch TMA- oder Lithiumkationen ersetzt, um die hier offenbarten Vorteile zu erreichen. Es ist jedoch im Fall von TMA-Kationen äußerst bevorzugt, mindestens ungefähr die Hälfte der unerwünschten Kationen zu ersetzen, um die beste Kombination von Eigenschaften zu erreichen. Im Fall von Lithiumkationen werden für die beste Kombination von Eigenschaften vorzugsweise im wesentlichen alle Natriumkationen ersetzt.
Es wurde festgestellt, daß die erreichbare Farbdichte um so besser wurde, je größer die Ersetzung von Natrium durch TMA oder Lithium war. Weiterhin wird bei der TMA-Kationen-Ersetzung der Tieftemperatur-Start (ein Anzeichen der Fähigkeit, den ersten Tintentropfen abzufeuern, wenn der Printer über eine bestimmte Zeit untätig war) verbessert.
Die Gegenwart von TMA oder Lithium gestattet eine Farbkonzentration bis zu ungefähr 0,1 mol/l (0,1 Molar). Oberhalb dieses Niveaus ist die Viskosität der Tinte unerwünscht hoch. Für praktische Zwecke und für die Wirtschaftlichkeit ist die maximale Menge an TMA-Farbe oder Li-Farbe ungefähr 0,065 mol/l (0,065 Molar). Oberhalb dieses Niveaus wächst die Farbdichte nur sehr langsam.
Ein geringfügiger Überschuß von TMA oder Lithium (ungefähr 5 bis 10%) kann in der Tinte vorhanden sein, um dem Hersteller einen Spielraum zu geben, wenn er die TMA- oder Lithium-Form der Farbe herstellt.
Die TMA- oder Lithium-substituierten Farben, die gemäß der Erfindung geschaffen werden, finden Verwendung bei Tinten, die beim Tintenstrahldrucken, insbesondere beim thermischen Tintenstrahldrucken eingesetzt werden.

Beispiele

Eine Reihe von Farben wurden unter Verwendung von Food Black 2 hergestellt, bei welchem ursprünglich alle anionischen Stellen mit Natriumkationen komplex gebunden waren. Das Bindemittel umfaßte Diethylenglykol (DEG) und Wasser in den unten angegebenen Konzentrationen. Bei den in der nachstehenden Tabelle I aufgelisteten Tinten ist die Farbkonzentration in Einheiten von Millimolarität angegeben. Vergleiche von Ersetzungen von Natriumkationen, welche von keiner Ersetzung über teilweise Ersetzung bis zu vollständiger Ersetzung durch Tetramethylammonium (TMA)- oder Lithiumkationen reichten, wurden angestellt. Zum Vergleich ist die vollständige Ersetzung durch Ammoniumkationen (NH&sub4;) und Kalium (K) ebenfalls angegeben. TABELLE I Beispiel Kation % Na-Ersetzung Konzentration mmol/l (mM)
Die Eigenschaften hinsichtlich Löslichkeit, Verkrustung, Raumtemperatur (RT)- und Tieftemperatur (LT)-Start, Kogation, Lagerung und Änderung der Farbdichte (ΔE) sind in der nachfolgenden Tabelle II aufgeführt. Die Löslichkeit ist für zwei Bindemittelkonzentrationen gezeigt, 50/50 DEG/H&sub2;O und 90/0 DEG/H&sub2;O.
Der Start wird für Schreiber gemessen, welche über eine bestimmte Zeit einer Temperatur [Raum (RT) oder 10ºC (LT)] bei geringer relativer Feuchtigkeit (RH) ausgesetzt waren, um festzustellen, ob der Wasserverlust ausreichend war, um eine deutliche Verschlechterung in der Qualität des Tropfenausstoßens hervorzurufen.
Lagerung bezieht sich auf die Stabilität der chemischen und physikalischen Eigenschaften während des Lagerns.
ΔE ist ein Maß für die Farbdichte. Wenn die Farbe in CIELAB- Koordinaten gemessen wird, ist ΔE durch
ΔE = [(L&sub2;-&sub1;)² + (a&sub2;-a&sub1;)² + (b&sub2;-b&sub1;)²]½
gegeben, wobei L, a und b Referenzkoordinaten im CIELAB-Raum sind, und 1 sich auf das Hintergrundmedium und 2 auf die Probe bezieht. TABELLE II Beispiel Löslichkeit Verkrustung Start Kogation Lagerung
Die vorangehenden relativen Beobachtungen basieren auf der folgenden Skala, wobei die Definition jeder Beobachtung für jede Eigenschaft wie folgt ist:
E = Hervorragend
G = Gut
F = Akzeptabel
P = Schlecht.
Eine Durchsicht der vorangehenden Tabelle II zeigt, daß die Löslichkeit sowohl bei 50/50 DEG/H&sub2;O als auch bei 90/10 DEG/H&sub2;O bei der Ersetzung von Natriumkationen durch Tetramethylammonium- oder Lithiumkationen erhöht wird. Weiterhin wird die Kogation nicht negativ durch eine solche Ersetzung beeinflußt. Man sieht, daß andere Eigenschaften der Tinten, welche TMA- oder Lithium-ersetzte Farben enthalten, wie Verkrustung, Start, Lagerung und Druckqualität, mindestens gleichwertig zu denen der Tinten sind, welche Natriumkationen enthalten. Weiterhin macht ein Vergleich mit der Ersetzung durch andere Kationen (K und NH&sub4;) die Verbesserung deutlich, die durch die Ersetzung der unerwünschten Kationen durch Tetramethylammonium oder Lithium erreicht wird.
Dementsprechend wurde eine Tintenmischung für Tintenstrahldrucker geschaffen. Die Tinte umfaßt eine anionische Farbe, bei welcher mindestens ein Teil der assoziierten Kationen durch Tetramethylammonium- oder Lithiumkationen ersetzt ist. Verschiedene Änderungen und Abwandlungen werden dem durchschnittlichen Fachmann deutlich sein und alle solchen Änderungen und Abwandlungen werden als im Bereich dieser Erfindung liegend angesehen.

Claims

1. Tintenmischung für einen thermischen Tintenstrahldrucker, welche umfaßt:

a) ein Bindemittel, das ungefähr 5 bis 95% Wasser und als Rest mindestens ein Glykol oder einen Glykolether enthält, und

b) eine Farbe mit mindestens einer negativ geladenen funktionellen Gruppe pro Molekül, wobei mindestens eine der funktionellen Gruppen mit Kationen assoziiert ist und mindestens ein Viertel dieser Kationen Tetramethylammonium oder Lithium ist.

2. Tintenmischung für einen thermischen Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1, bei der die Kationen weiterhin Natrium- oder Kaliumkationen umfassen.

3. Tintenmischung für einen thermischen Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Glykol oder der Glykolether aus Diethylenglykol, Triethyllenglykol und Polyethylenglykolen gewählt ist.

4. Tintenmischung für einen thermischen Tintenstrahldrucker nach Anspruch 3, bei der das Bindemittel im wesentlichen aus Diethylenglykol, das in einer Menge von ungefähr 50% vorhanden ist, und Wasser als Rest besteht.

5. Tintenmischung für einen thermischen Tintenstrahldrucker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Farbe mindestens eine funktionelle Gruppe pro Molekül enthält, die aus Sulfonat- und Carboxylatgruppen gewählt ist.

6. Tintenmischung für einen thermischen Tintenstrahldrucker nach Anspruch 5, bei der die Farbe aus "Food Black 2", "Direct Red 9", "Direct Red 227", "Acid Yellow 23", "Direct Yellow 86", "Acid Blue 9", "Direct Blue 86", "Direct Blue 199" und "Acid Blue 185" gewählt ist.

7. Tintenmischung für einen thermischen Tintenstrahldrucker nach Anspruch 6, bei der die Farbe "Food Black 2" enthält.

8. Tintenmischung für einen thermischen Tintenstrahldrucker nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der mindestens die Hälfte der Kationen aus Tetramethylammonium besteht.

9. Tintenmischung für einen thermischen Tintenstrahldrucker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der im wesentlichen alle Kationen Lithium sind.

10. Verfahren zur Erhöhung der Löslichkeit einer Farbe, ohne die "Kogation" bei einer Tintenmischung für einen thermischen Tintenstrahldrucker nachteilig zu beeinflussen, welche ein Bindemittel und die Farbe enthält, wobei das Bindemittel ungefähr 5 bis 95% Wasser und als Rest mindestens ein Glykol oder einen Glykolether enthält und die Farbe Moleküle mit mindestens einer negativ geladenen funktionellen Gruppe pro Molekül enthält, wobei die funktionellen Gruppen mit Natrium- oder Kaliumkationen assoziiert sind, wobei das Verfahren den Schritt enthält, mindestens ein Viertel der Natrium- oder Kaliumkationen durch Lithium- oder Tetramethylammoniumkationen zu ersetzen.

11. Verwendung einer Farbe mit mindestens einer negativ geladenen funktionellen Gruppe pro Molekül, wobei mindestens eine der funktionellen Gruppen mit Kationen assoziiert ist und mindestens ein Viertel der Kationen aus Tetramethylammonium oder Lithium besteht, für die Herstellung einer Tinte für einen thermischen Tintenstrahldrucker, wobei diese Tinte weiterhin ein Bindemittel enthält, das ungefähr 5 bis 95% Wasser und als Rest mindestens ein Glykol oder einen Glykolether enthält.