ES2203675T3 - Composicion de tinta para impresora de chorro de tinta. - Google Patents

Abstract

UNA TINTA PARA IMPRESORA DE CHORRO DE TINTA, QUE COMPRENDE UNA DISPERSION DE UN PIGMENTO EN UN DILUYENTE NO ACUOSO, DONDE EL DILUYENTE ES UN LIQUIDO DE UNA SOLA FASE, QUE COMPRENDE UNA CANTIDAD MAYOR DE UN HIDROCARBURO ALIFATICO Y UNA CANTIDAD MENOR DE UN COMPONENTE POLAR, EL CUAL INCLUYE OLEIL ALCOHOL, SOLO O EN COMBINACION CON, AL MENOS, OTRO LIQUIDO POLAR, COMO UN ETER O UN ESTER.

Description

Composición de tinta para impresora de chorro de tinta.

La presente invención se refiere a composiciones de tinta para uso en impresoras de chorro de tinta y, en particular, a composiciones tales que comprenden una dispersión de un pigmento en un diluyente no acuoso.

Las impresoras de chorro de tinta de la clase en la que se fuerzan gotas de tinta a presión, a través de boquillas muy pequeñas, en una cabeza de impresión, son de interés creciente tanto para oficina como para uso industrial general. En una clase de impresora, conocida como impresora "continua", se hacen pasar gotitas de tinta que se producen continuamente a través de un área de carga, donde las gotitas individuales reciben una carga eléctrica en respuesta a una señal y se dirigen hacia un substrato que se tiene que imprimir. Las gotitas pasan a través de un campo eléctrico que hace que se desvíen por una cantidad que es dependiente de la intensidad de la carga y del campo. Las gotitas que no se requieren para formar impresión sobre el substrato se dirigen a un colector de derivación. Se requiere que las tintas para uso en tales impresoras sean conductivas. En otra clase de impresora, conocida como impresora de inyección de tinta regulada (DOD, por sus siglas en inglés), "drop-on-demand", se expulsan las gotitas de tinta de la boquilla de una cabeza de impresión sólo cuando se requiere durante el procedimiento de impresión. Las impresoras de inyección de tinta regulada, pueden usar un chorro de tinta electrostáticamente acelerado o secuencias de gotitas expulsadas por operación de impulsos de presión. En la última clase de impresora DOD, cada gota de tinta se expulsa individualmente de una boquilla por medio de impulsos de presión inducidos, por ejemplo, por uso de un actuador piezoeléctrico que actúa sobre la tinta en el canal que abastece a la boquilla o por generación de una burbuja de vapor en respuesta a un impulso térmico. No se requiere que las tintas para uso en esta clase de impresora sean eléctricamente conductivas y preferiblemente son no iónicas y de conductividad muy baja, por ejemplo, con una resistividad de al menos 10^{4} ohm.m.

Paralelamente con el desarrollo de estas impresoras ha estado el desarrollo de las tintas especiales adecuadas para uso en ellas.

Se requiere que estas tintas satisfagan una serie de criterios. Por ejemplo, deben ser capaces de almacenamiento sin deterioro y, en particular, sin sedimentación significativa de las partículas de pigmento o solidificación en condiciones climáticas normales. También deben ser suficientemente fluidas a las temperaturas de funcionamiento de las impresoras normales (normalmente 10-40ºC) para que se puedan expulsar de la boquilla de la cabeza de impresión usando presiones moderadas. No se deben deteriorar en periodos de reposo en la boquilla de la cabeza de impresión durante el funcionamiento normal, por ejemplo, debido a evaporación del diluyente, separación de fases, solidificación o ataque por aire o humedad atmosférica y no deberían humedecer la zona de la cabeza de impresión que rodea al orificio de la boquilla, hasta un punto que pueda conducir a inundación de la cabeza de impresión, que sucesivamente pueda conducir a funcionamiento anormal. Para asegurar que no tiene lugar humectación de la cabeza de impresión, hasta un punto inaceptable, se ha encontrado deseable que la tinta tenga una velocidad de deshumectación de al menos 100 \mum. s^{-1} cuando se mide, sobre una superficie que tiene una energía superficial de 10 \pm 1 mN.m^{-1}. La energía superficial se mide como la tensión superficial crítica a partir de ángulos de contacto estáticos de líquidos puros usando el método de Zisman descrito en la página 351 ff de "Physical Chemistry of Surfaces" por Adamson AW, 3ª Edición, John Wiley & Sons, 1.976. Se describe un ejemplo de tal superficie en la solicitud de patente británica 9.417.445,5 presentada el 30 de agosto de 1.994. Para discusión de velocidad de humectación y su medición, se hace referencia al artículo por Redon et al., en Physical Review Letters, Vol. 66, Nº 6, 11 de febrero de 1.991, páginas 715-718. Preferiblemente, la velocidad de deshumectación de la tinta es al menos 200, más preferiblemente al menos 300, y aún más preferiblemente al menos 1.000 \mum.s^{-1}, cuando se mide como se definió anteriormente.

Otra propiedad de la tinta que se ha encontrado que es importante, es su tensión superficial, que debería estar preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 22 a 36 mN.m^{-1} a 25ºC, y más preferiblemente 24 a 32.

Las tintas también deben proporcionar impresión de buena definición y como los papeles estucados son caros, normalmente se acepta que las tintas de impresora de chorro de tinta deben ser capaces de proporcionar impresión bien definida, de buena densidad de color, sobre papel normal, es decir, papel no estucado.

La buena calidad de definición de impresión requiere entre otras cosas: (a) formación rápida de un punto de color sólido a partir de la composición de tinta, (b) concentración de los colorantes de tinta sobre la superficie del papel, (c) control del esparcimiento del punto de color formado sobre la superficie del papel substrato a partir de la gotita de tinta, (d) sangrado limitado de tinta de un color desde un punto a un punto cercano de un color y uniformidad de color y densidad de color diferentes, sobre el área del punto sólido formado a partir de la gotita. Preferiblemente, tampoco se debería deteriorar la impresión como resultado de la acción del agua o la luz.

Muchos de los criterios anteriores dictan propiedades opuestas en la tinta. Por ejemplo, mientras la reducción de la viscosidad aumenta la fluidez, aumenta el riesgo de esparcimiento de la gotita de tinta sobre la superficie del papel antes de que se seque la tinta. Asimismo mientras se reduce el riesgo del secado de la tinta en la boquilla, disminuyendo la volatilidad del diluyente, se puede requerir lo contrario para favorecer el secado rápido de la gotita de tinta sobre el substrato. Por lo tanto, optimizar estas propiedades es una cuestión de compromiso. Por otra parte, se encuentra con frecuencia que variar la composición de la tinta en un intento de conseguir la optimización de estas propiedades, afecta adversamente a otras propiedades deseadas.

Hay, por lo tanto, una búsqueda continuada de tintas mejoradas, especialmente con el paso continuado hacia boquillas más pequeñas y formación de imagen de mayor resolución.

Ahora hemos desarrollado una tinta que satisface o se aproxima mucho a los criterios mencionados anteriormente y que es capaz de producir consecuentemente impresión de excelente calidad durante periodos de tiempo prolongados y con el uso de cabezas de impresión en las que el diámetro de la boquilla es 50 \mum o incluso menor, por ejemplo, 20 \mum o menor.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona una tinta de impresora de chorro de tinta que comprende un pigmento dispersado en un diluyente no acuoso, en la que el diluyente es un líquido en fase única que comprende hidrocarburo alifático y componente polar, constituyendo el hidrocarburo alifático más de 50% en peso del diluyente, en peso, y siendo el componente polar alcohol oleílico solo o mezclado con al menos otro líquido polar, estando la cantidad total de líquido polar en el intervalo de 5 a 45% en peso del peso total del diluyente.

El componente hidrocarbonado alifático de la tinta, que constituye más de 50% en peso del diluyente y preferiblemente más de 50% en peso de la composición de tinta, puede comprender un único componente o una mezcla y puede ser, por ejemplo, un destilado a partir del fraccionamiento de mezclas de hidrocarburos naturales o sintéticos, por ejemplo, como el vendido bajo el nombre comercial EXXSOL. En general, tendrá un punto de ebullición de al menos 100ºC y preferiblemente al menos 200ºC. En el caso de que sea una mezcla, se tiene que entender que el punto de ebullición se halla haciendo la media de la temperatura a la que la mezcla empieza a hervir.

Aunque el diluyente debe ser principalmente hidrocarburo por naturaleza, es esencial la presencia de una cantidad minoritaria de un componente polar que incluya alcohol oleílico. El alcohol se puede usar solo o junto con uno u otros líquidos polares más, por ejemplo, ésteres, éteres, amidas u otros alcoholes. Se prefieren éteres y los ejemplos incluyen: monoalquil éteres de etileno y propilenglicoles y poliglicoles, por ejemplo, monobutil éter de etilenglicol, monometil éter de dipropilenglicol y monometil éter de tripropilenglicol. Se entenderá que la naturaleza y calidad de dicho otro líquido polar debe ser tal que el punto de ebullición del diluyente sea al menos 100ºC, preferiblemente al menos 200º. Por otra parte, la tinta debe quedar fluida a todas las temperaturas de funcionamiento probables y por lo tanto es deseable que su punto de congelación o la temperatura a la que se empiezan a formar primero sólidos, no sea mayor que 10ºC y preferiblemente no mayor que 7ºC.

La cantidad de alcohol oleílico, o mezcla de alcohol oleílico y otro líquido polar, presente en el diluyente, debería ser de manera que se proporcione un diluyente que tenga un parámetro de solubilidad polar no menor que 0,1 MPa^{1/2}, puesto que de otra manera pueden surgir problemas relacionados con la humectación de las zonas que rodean al orificio. Por otra parte, este parámetro preferiblemente no debería ser mayor que 5 MPa^{1/2} puesto que, de otra manera, se pueden introducir problemas de compatibilidad con otros materiales en el sistema de impresión. Preferiblemente este parámetro estará en el intervalo 0,2 a 2 MPa^{1/2}. Las referencias en la presente memoria a parámetro de solubilidad polar son los valores obtenidos de acuerdo con el método de Hansen, C.M. y Skaarup, K., Journal of Paint Technology, 39, Nº 51, páginas 511-514 (1.967) como se detalla por Patton, T.C. "Paint Flow & Pigment Dispersion" 2ª Edición, Wiley Interscience, 1.979. También es importante que la cantidad total de líquido polar empleado sea tal que la mezcla resultante con el hidrocarburo sea una fase única.

Por lo tanto, la cantidad de alcohol oleílico incluida en la tinta dependerá de si está el único componente líquido polar o si se usa en mezcla con otros líquidos polares y, si es así, la concentración y la polaridad de esos líquidos. En general, se empleará en una cantidad de 5 a 40%, más preferiblemente 10 a 40%, en peso del peso total del diluyente en el caso de que sea el único componente polar y en cantidades en el intervalo 5 a 30% en peso, en el caso de que se use con otros líquidos polares. La cantidad total de líquido polar estará, en general, en el intervalo 5 a 45%, preferiblemente 10 a 40%, en peso.

Como se estableció anteriormente, el diluyente debe ser no acuoso; es decir, no debe contener más de 5% de agua, en peso. En todo caso, la cantidad de agua presente, si hay, no debe ser tal que cause la formación de una segunda fase líquida.

Se puede usar cualquier pigmento adecuado siempre que se forme una dispersión estable en el diluyente elegido. Los pigmentos preferidos se encuentran entre los caracterizados como pigmentos colorantes en The Colour Index. Preferiblemente el pigmento será de un color substractivo primario. El pigmento debería ser fotorresistente y térmicamente estable incluso con calentamiento repetido. El pigmento debería ser insoluble en agua una vez aplicado al substrato para evitar manchar en el contacto con sustancias que contengan agua. También se pueden usar negros de carbón.

El tamaño de partícula del pigmento es adecuadamente 1,5 \mum o menor y preferiblemente no mayor que 1,0 \mum, más preferiblemente no mayor que 0,5 \mum, aún más preferiblemente no mayor que 0,3 \mum.

También se prefiere que la densidad específica del pigmento esté cerca de la del disolvente elegido puesto que esto reduce la probabilidad de precipitación dejado en pie.

La concentración apropiada del pigmento dependerá de su naturaleza pero, en general, estará en el intervalo de 2 a 20% en peso de la tinta, y más normalmente 4 a 15%.

En general, será necesario incluir un dispersante para dispersar eficazmente las partículas de pigmento en el diluyente y estabilizar la dispersión. Preferiblemente el dispersante estará en solución en el diluyente; es decir, se disolverá en el diluyente o estará tan altamente solvatado que la mezcla de diluyente y dispersante será indistinguible a partir de una solución real.

Los dispersantes deben ser capaces de estabilizar una dispersión del pigmento elegido, en la concentración requerida, en el disolvente elegido y mantener la dispersión mientras esté en almacenamiento y bajo las condiciones de funcionamiento que se encuentran en la cabeza de impresión. Se prefieren, en general, dispersantes poliméricos debido a su eficacia. Ejemplos de dispersantes adecuados son dispersantes de poliéster- amina, por ejemplo los vendidos por Zeneca Colours bajo el nombre comercial SOLSPERSE y especialmente los descritos en la patente de Gran Bretaña A-2.001.083, es decir, que comprenden el producto de reacción de un poli(alquileno inferior)imina con un poliéster que tiene un grupo ácido carboxílico libre, en que hay al menos dos cadenas de poliéster unidas a cada cadena de poli(alquileno inferior)imina. Ejemplos de otros dispersantes que se pueden usar son los comercializados bajo los nombres comerciales EFKA y DISPERBYK. Se pueden usar si se desea mezclas de dispersantes.

Para una combinación dada de diluyente, dispersante y pigmento, se puede determinar fácilmente la cantidad apropiada de dispersante por experimentación. En general se ha encontrado que a medida que aumenta la concentración de dispersante desde cero, disminuye la viscosidad de la mezcla a un mínimo y después comienza a aumentar de nuevo. La cantidad teóricamente óptima de dispersante es la que da la viscosidad mínima para la mezcla puesto que debería proporcionar la dispersión más eficaz del pigmento. En general, se encontrará que las cantidades adecuadas de dispersante están en el intervalo 100 a 200% de esa cantidad óptima, más preferiblemente 110 a 150%. También se pueden proporcionar cantidades mayores; sin embargo, en general, la cantidad de dispersante será aproximadamente 10 a 100% en peso de la cantidad de pigmento empleado.

La energía requerida para expulsar una gotita de tinta es una función, entre otras cosas, de la viscosidad y por esta y otras razones se prefiere que la viscosidad de la tinta no sea mayor que 60 mPa.s. La viscosidad se determina en gran medida por la viscosidad del diluyente y la naturaleza y concentración del dispersante; sin embargo, también es un factor la naturaleza y concentración del pigmento. El intervalo más preferido para la viscosidad es 6-30 mPa.s, medida a 30ºC usando un viscosímetro CS Bohlin. La invención se ilustra ahora por los siguientes Ejemplos, en que todas las partes son en peso.

Ejemplo 1

Se preparó una tinta a partir de 65,05 partes de una mezcla de hidrocarburos alifáticos con un intervalo de ebullición de 280 a 317ºC y comercializada como EXXSOL D140 por EXXON, 20 partes de un alcohol oleílico comercializado por Croda como NOVOL, 3,75 partes de una solución al 40% de un hiperdispersante de poliéster-amina en hidrocarburo alifático (SOLSPERSE 13.940), 0,2 partes de ftalocianinasulfonato de amonio sustituido (SOLSPERSE 5.000) y 11 partes de Negro REGAL. SOLSPERSE 13.940 y SOLSPERSE 5.000 están ambos comercializados por Zeneca Colours. SOLSPERSE es una marca registrada, la propiedad de Zeneca Limited.

Las propiedades de la tinta fueron como sigue:

Punto de ebullición:	>250ºC
Punto de congelación:	6ºC
Parámetro de solubilidad polar:	0,25 MPa^{0,5}
Viscosidad^{(1)}:	9,5 mPa.s
Velocidad de deshumectación^{(2)}:	1 mm.s^{-1}
Tensión superficial^{(3)}:	28,5 mN.m^{-1}

(1) medida usando un reómetro CS Bohlin con sistema de medición 4/40 CP a 30ºC.

(2) medida como se describió sobre una superficie de fluorosilano con una energía superficial de 10 \pm 1 mN.m^{-1}.

(3) medida usando un Sistema Tensiómetro Procesador K12 Krüss a 20ºC.

La tinta fue estable en almacenamiento, se podía usar para imprimir continuamente durante periodos sustanciales sin bloqueo o mal funcionamiento y dio impresión de excelente definición.

Ejemplos 2 a 5

En una serie de experimentos, se examinó el efecto sobre la estabilidad de variar la concentración de NOVOL en la tinta del Ejemplo 1 (la cantidad total de NOVOL y EXXSOL D140 que quedaba sin cargar).

Se evaluó la estabilidad determinando la dependencia con la longitud de onda de la turbidez de la tinta. Por regiones amplias del espectro de turbidez, la turbidez, \tau, se relaciona con la longitud de onda, \lambda, por \tau=k/\lambda^{exp}, donde exp depende del tamaño de partícula. El valor de exp se obtiene por el método siguiente: se diluye tinta 1:5.000 en una mezcla líquida equivalente al diluyente de tinta, y se miden las densidades ópticas (DOs) en cubetas de camino óptico de 1 cm en un espectrofotómetro UV-visible Cary I entre 400 y 900 nm. exp se obtiene como la pendiente de la regresión lineal de log_{10}(DO) frente a log_{10}(\lambda). Para evaluar la estabilidad, se almacenaron muestras de tinta a 65ºC a temperatura ambiente y se hicieron mediciones turbidimétricas periódicamente durante 12 semanas. Se puede considerar la tinta como estable si la reducción en el valor de exp es 15% o menos durante un periodo de 12 semanas. Los resultados son como sigue.

Ejemplo	2'	3'	4	5
NOVOL (%)	0	2,5	10	15
exponente semana 0	1,03	1,03	1,06	1,03
exponente semana 1	0,69	1,04	0,99	1,03
exponente semana 2	0,55	0,83	0,99	1,02
exponente semana 4	0,47	0,66	0,98	1,00
exponente semana 6	-	0,62	0,95	0,99
exponente semana 8	-	0,61	0,94	0,93
exponente semana 12	-	0,62	0,91	0,97
'- Ejemplos Comparativos

Ejemplo 6

Se modificó la tinta del Ejemplo 1 reduciendo las cantidades de EXXSOL D140 y NOVOL a 57,30 y 17,75 partes, respectivamente, e incluyendo 10 partes de monometil éter de tripropilenglicol. La composición resultante tenía un punto de ebullición y un punto de congelación similar al del Ejemplo 1, un parámetro de solubilidad polar de 1,07 Mpa^{0,5}, una viscosidad de 9 mPa.s, una tensión superficial de 24,9 mN.m^{-1} y una velocidad de deshumectación de 1,6 mm.s^{-1}. Su realización fue similar a la de la tinta del Ejemplo 1.

Ejemplo 7

Se preparó una tinta con la siguiente composición:

Negro REGAL 250R	11%
SOLSPERSE 13.940	3,75%
SOLSPERSE 5.000	0,2%
COASOL	20%
NOVOL	17,5%
EXXSOL D140	47,55%

COASOL es una mezcla de ésteres dibutílicos de ácidos succínico, glutárico y adípico. La tinta tenía una viscosidad de 10 mPa.s, un parámetro de solubilidad polar de 1,1 MPa^{1/2} y propiedades muy similares a la tinta del Ejemplo 6.

Lo siguiente son Ejemplos de tintas de acuerdo con la invención, empleando pigmentos distintos de negro.

Ejemplo 8

Amarillo de PALIOTOL D1.115	5%
SOLSPERSE 13.940	3,75%
NOVOL	24%
EXXSOL D140	67,25%

\newpage

Ejemplo 9

Azul de MONASTRAL FGX	5%
SOLSPERSE 13.940	5%
SOLSPERSE 5.000	0,5%
NOVOL	15%
EXXSOL D140	74,5%

Ejemplo 10

Rojo de HOSTAPERM E5B02	9%
SOLSPERSE 13.940	8%
NOVOL	9%
EXXSOL D140	74%

Las tintas de los Ejemplos 8 a 10 tenían una viscosidad de 10 \pm 0,5 mPa.s y velocidades de deshumectación en el intervalo 1,2 a 2,7 mm.s^{-1}. Todas eran estables en almacenamiento, se podían usar para imprimir continuamente durante periodos sustanciales sin bloqueo o mal funcionamiento y dar impresión de excelente definición.

Claims (15)

1. Una tinta de impresora de chorro de tinta que comprende un pigmento dispersado en un diluyente no acuoso, caracterizada porque el diluyente es un líquido en fase única que comprende hidrocarburo alifático y un componente polar, constituyendo el hidrocarburo alifático más de 50%, en peso, y siendo el componente polar alcohol oleílico solo o mezclado con al menos otro líquido polar, estando la cantidad total de líquido polar en el intervalo de 5 a 45% en peso del peso total del diluyente.

2. Una tinta de impresora de chorro de tinta según se reivindicó en la reivindicación 1, que incluye un dispersante.

3. Una tinta de impresora de chorro de tinta según se reivindicó en la reivindicación 2, en la que el dispersante es una poliéster-amina.

4. Una tinta de impresora de chorro de tinta según se reivindicó en la reivindicación 2, en la que el dispersante es el producto de reacción de un poli(alquileno inferior)imina con un poliéster que tiene un grupo ácido carboxílico libre, en que hay al menos dos cadenas de poliéster unidas a cada cadena de poli(alquileno inferior)imina.

5. Una tinta de impresora de chorro de tinta según se reivindicó en cualquier reivindicación precedente, en que el componente polar del diluyente comprende alcohol oleílico y al menos uno de: un éster y un éter.

6. Una tinta de impresora de chorro de tinta según se reivindicó en cualquier reivindicación precedente, en que el componente polar constituye de 5 a 40% en peso del diluyente.

7. Una tinta de impresora de chorro de tinta según se reivindicó en cualquier reivindicación precedente, en que el componente polar constituye de 10 a 40% en peso del diluyente.

8. Una tinta de impresora de chorro de tinta según se reivindicó en cualquier reivindicación precedente, en que el pigmento está presente en una cantidad de 4 a 15% en peso de la tinta.

9. Una tinta de impresora de chorro de tinta según se reivindicó en cualquier reivindicación precedente, en que el dispersante está presente en una cantidad que es de 110 a 150% de la cantidad que da la viscosidad mínima para la tinta.

10. Una tinta de impresora de chorro de tinta según se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que tiene un punto de ebullición de al menos 200ºC.

11. Una tinta de impresora de chorro de tinta según se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que tiene un punto de congelación no mayor que 7ºC.

12. Una tinta de impresora de chorro de tinta según se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que tiene un parámetro de solubilidad polar en el intervalo 0,2 a 2 MPa^{1/2}.

13. Una tinta de impresora de chorro de tinta según se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que tiene una velocidad de deshumectación de al menos 200 \mum.s^{-1} cuando se mide sobre una superficie que tiene una energía superficial de 10 \pm 1 mN.m^{-1}.

14. Una tinta de impresora de chorro de tinta según se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que tiene una viscosidad en el intervalo 6 a 30 mPa.s, medida a 30ºC usando un reómetro CS Bohlin con sistema de medición 4/40 CP.

15. Una tinta de impresora de chorro de tinta según se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que tiene una tensión superficial en el intervalo de 24 a 32 mN.m^{-1} a 25ºC.