含有大分子發色團的油墨的耐蹭髒性和快速乾燥時間的製作方法

2023-06-14 02:35:26

專利名稱：含有大分子發色團的油墨的耐蹭髒性和快速乾燥時間的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及噴墨油墨，更具體地說，涉及使用表面處理過的顏料作為著色劑的噴墨油墨。
與通常和計算機聯用的其它類型的印表機相比，熱噴墨印表機提供了一種廉價、高質和噪音較小的選擇。這類印表機使用了裝在小盒內的電阻元件，盒內有出口供油墨自加壓室進入。加壓室與貯存油墨的儲槽連接。許多這樣的電阻元件構成列印頭中的一個圖形。此圖形被稱作圖元。每個電阻元件與噴嘴板中的一個噴嘴對齊，油墨穿過噴嘴噴向印刷介質。列印頭和儲槽的完整組合件構成了一隻噴墨筆。
在操作時，每個電阻元件通過導電跡線與微處理機相連，微處理機的載流信號使一個或多個被選定的元件加熱。加熱在盒內產生了油墨泡，它經由噴嘴向印刷介質噴出。通過在給定的圖元內按特定次序觸發多個這樣的電阻器元件使得在介質上形成了文母數字式字符，進行了區域填充並提供了其它的列印能力。
在熱噴墨列印中使用的噴墨油墨通常含有一種著色劑及一種連結料，連結料中常含有水及表面張力較低的其它液體。
噴嘴(通常直徑50mm)的嚴密容差要求油墨不堵塞噴嘴。另外，電阻元件在墨盒使用壽命內必須耐受約1千萬次觸發，反覆觸發會造成電阻元件的沉渣堆積。這種沉渣堆積被稱作結垢(Kogation)。油墨組合物必須能與印刷介質(特別是紙)相互作用，以便透入介質而又不過分擴散。最後，油墨組合物在紙上應該是耐蹭髒的和耐水的。
很多油墨具有一種或多種上述性質。但是，具有所有這些性質的油墨組合物很少，因為一種性質的改進常常使另一種性質變差。因此，商業上使用的油墨代表了試圖使油墨在上述各個性質上均有適當表現的一種折衷方案。
因此，關於研製性能改進的，例如結垢減少和結殼減少(即，結皮(decap)作用的改善)的油墨製劑的研究仍在繼續。應當改進的其它性能還包括高邊緣分辨能力、高光密度、快速的乾燥時間、良好的耐水性和良好的耐蹭髒性，但均不應損害其它必要性能的發揮。
在噴墨油墨的最近進展中已經摻加了顏料來取代先前使用的水混溶性的染料。但是，顏料的定義就是與水不混溶的，它需要有分散劑存在。關於顏料使用的進一步研究已經認定通過將顏料進行表面處理使得在表面上形成陰離子型或陽離子型官能團，能夠產生一種水溶性的大分子發色團(MMC)，從而消除了對分散劑的需要。
關於被處理成與水混溶的、但仍具有大部分(如果不是全部)上述理想性質的顏料的研究仍在繼續。
根據本發明，提供了一種耐蹭髒和快速乾燥的油墨，其中使用MMC和離子型及兩性離子型表面活性劑。耐蹭髒性是通過使用電荷與MMC相反的離子型表面活性劑得到的。該離子型表面活性劑還提供了油墨的耐水性。快速乾燥是通過在油墨中摻加兩性離子型或兩性型表面活性劑如氧化胺而得到的。本發明的油墨中含有(a)一種連結料，其中含有(1)0至約30％重量的至少一種有機溶劑，和(2)約1-10％重量的至少一種具有第一極性的水溶性離子表面活性劑，和(3)約0.01-20％重量的至少一種兩性離子型表面活性劑；(b)約1-20％重量的至少一種化學改性的水溶性大分子發色團，該發色團含有一種帶有與其結合的官能基的顏料，所述官能基具有和第一極性相反的第二極性。
(c)餘量的水。
現在詳細介紹本發明的具體實施方案，它示例說明了發明人目前考慮的實施本發明的最佳模式。其它的實施方案也在適用時進行簡要說明。
除非另外說明，本文中所有的濃度均用重量百分數表示。所有組分的純度均為噴墨油、墨在通常商業實踐中所使用的純度。
根據本發明，使用帶一種電荷的離子型表面活性劑和帶有相反電荷的大分子發色團(MMC)。即，陽離子表面活性劑與陰離子型MMC配合使用，而陰離子表面活性劑則與陽離子型MMC一起使用。
如上所述，術語「大分子發色團」是指一種表面經過處理從而在表面上形成官能團的顏料。陰離子型MMC含有一種顏料，它至少部分地用磺酸基或羧酸基官能化，而陽離子型MMC含有至少部分地用銨基官能化的顏料。這些水溶性大分子發色團(MMC)可以由例如Cabot Corp.和Orient Chemical等著色劑供應商得到。
陽離子型表面活性劑包括化學式如下的季銨鹽
其中R1、R2、R3和R4是由以下化學式表示的烷基R1=-(CH2)nCH3R2=-(CH2)mCH3R3=-(CH2)lCH3R4=-(CH2)kCH3，其中k,l,m和n各自獨立地是0-25的整數。另外，可以使用鏻表面活性劑作為陽離子表面活性劑。這類鏻表面活性劑用以下化學式表示
其中R1、R2和R3的定義如上。
銨離子(季銨)物種的反離子包括但不限於滷根、硫酸根、硝酸根、磷酸根、磺酸根、四氟硼酸根、甲磺酸根、亞磷酸根、膦酸根、甲基苯磺酸根、六氟膦酸根、六氟磷酸根、磷雜環戊二烯離子、酚鹽離子、鎢酸根、鉬酸根和矽酸根離子。
陰離子表面活性劑包括選自以下化學式的磺酸鹽和羧酸鹽
其中R1和R2是以下化學式代表的烷基R1=-(CH2)nCH3R2=-(CH2)mCH3其中m和n各自獨立地是10-25的整數。
上述陰離子的反離子包括但不限於所有以上衍生的銨離子，例如二甲銨離子、三甲銨離子、二丙銨離子和四甲銨離子。
其它的表面活性劑包括雙極性頭表面活性劑(含兩個陽離子部位的表面活性劑)
其中P是6-25的整數。
油墨中離子表面活性劑的濃度為約0.1-10％重量，優選為約0.2-5％重量。
本發明的油墨組合物還包括兩性離子型表面活性劑，例如化學式如下的氧化胺類R-N+(CH3)2O-，其中R是鏈長為8-25個碳原子的飽和或不飽和的烷基。
兩性離子型表面活性劑的含量為約0.01-20％重量，優選為約0.2-1％重量。
適合用於實施本發明的氧化胺實例包括N,N-二甲基-N-(Z-9-十八碳烯基)-N-氧化胺(OOAO)N,N-二甲基-N-十二烷基氧化胺(NDAO)、異硬酯醯氨基丙基氧化胺；異硬脂醯氨基丙基氧化嗎啉，十二烷基氧化胺、十四烷基氧化胺、十六烷基氧化胺、水貂醯氨基丙基氧化胺、油醯氨基丙基氧化胺、油基二甲基氧化胺、橄欖醯氨基丙基氧化胺、硬脂基氧化胺、芝麻醯氨基丙基氧化胺和麥胚醯胺基丙基氧化胺。
可用於實施本發明的其它兩性離子型表面活性劑的實例包括具有以下通式的甜菜鹼
其中R1、R2和R3各有10-23個碳原子。R1、R2和R3各自獨立地選自烷基，烯基，炔基，芳基和芳烴。
在配製本發明的噴墨油墨時，在連結料中可以使用一種或多種共溶劑。這些共溶劑基本上是水混溶的。在實施本發明中使用的各類共溶劑包括但不限於脂族醇、芳族醇、二元醇、二醇醚、聚二醇醚、己內醯胺類、甲醯胺類、乙醯胺類和長鏈醇。在實施本發明使用的化合物包括但不限於30個或更少碳原子的脂族伯醇，30個或更少碳原子的芳族伯醇，30個或更少碳原子的脂族仲醇，30個或更少碳原子的芳族仲醇，30個或更少碳原子的1,2-醇，30個或更少碳原子的1,3-醇，30個或更少碳原子的1,ω-醇，乙二醇烷基醚，丙二醇烷基醚，聚(乙二醇)烷基醚，聚(乙二醇)烷基醚的高級同系物，聚(丙二醇)烷基醚，聚(丙二醇)烷基醚的高級同系物，N-烷基己內醯胺，未取代的己內醯胺類，取代的甲醯胺類，未取代的甲醯胺類，取代的乙醯胺類和未取代的乙醯胺類。在實施本發明中優選使用的共溶劑的具體實例包括但不限於N-甲基吡咯烷酮，1,5-戊二醇，2-吡咯烷酮、二甘醇，1,3-(2-甲基)丙二醇，1,3,5-(2-甲基)戊三醇、環丁碸，3-甲氧基-3-甲基丁醇，甘油和1,2--烷基二醇。共溶劑的濃度可以是從0到約30％重量，優選約3-15％重量。
以下的顏料可用於本發明的實施中，但這一名單不是對本發明的限制。下列顏料可以自BASF得到PaliogenOrange,HeliogenBlueL 6901F,HeliogenBlue NBD 7010,HeliogenBlue K 7090,HeliogenBlue L 7101F,PaliogenBlue L 6470,HeliogenGreen K 8683，和HeliogenGreen L 9140。下列顏料可以自Cabot得到；Monarch1400,Monarch1300,Monarch1100,Monarch1000,Monarch900,Monarch880,Monarch800，和Monarch700。以下顏料可以自Ciba-Geigy得到ChromophtalYellow 3G,ChromophtalYellow GR,ChromophtalYellow 8G,IgrazinYellow 5GT,IgraliteRubine 4BL,MonastralMagenta,MonastralScarlet,MonastralViolet R,MonastralRed B,和MonastralViolet Maroon B。以下顏料可以自Columbian得到Raven 7000,Raven 5750,Raven 5250,Raven 5000和Raven 3500。以下顏料可以得自Degussa:Color Black FW 200,ColorBlack FW 2,Color Black FW 2V,Color Black FW 1,Color Black FW 18,Color Black S 160,Color Black S 170,Special Black 6,Special Black 5,Special Black 4A,Special Black 4,Printex U,Printex V,Printex 140U，和Printex 140V。以下顏料可以得自Dupont:TipureR-101。以下顏料可以得自Heubach:DalamarYellow YT-858-D和HeucophthalBlue G XBT-583D。以下顏料可以自Hoechst得到Permanent Yellow GR,Permanent Yellow G,Permanent Yellow DHG,Permanent Yellow NCG-71,Permanent Yellow GG,Hansa Yellow RA,Hansa Brilliant Yellow 5GX-02,Hansa Yellow-X,NovopermYellow HR,NovopermYellow FGL,Hansa Brilliant Yellow 10GX,Permanent Yellow G3R-01,HostapermYellow H4G,HostapermYellow H3 G,HostapermOrange GR,HostapermScarlet GO,和Permanent Rubine F6B.。以下顏料可以自Mobay得到QuindoMagenta,IndofastBrilliant Scarlet,QuindoRed R6700,QuindoRedR6713，和IndofastViolet.。以下顏料可得自Sun Chem:L74-1357Yellow,L75-1331 Yellow和L75-2577 Yellow。
對於陰離子型發色團，反離子包括所有的鹼金屬離子和鹼土金屬離子，以及取代的和未取代的銨離子。對於陽離子型發色團，合適的反離子包括所有的滷根、硫酸根、硝酸根、磷酸根、磺酸根、羧酸根、碳酸根、碳酸氫根、硼酸根、四硼酸根、四氟硼酸根、甲磺酸根、甲基苯磺酸根、亞磷酸根、膦酸根、六氟膦酸根、磷雜環戊二烯離子、酚鹽離子、過氯酸根、鎢酸根、鉬酸根和矽酸根離子。
一般認為，在離子型表面活性劑的反離子和MMC的反離子之間可能發生有害的相互作用，例如沉澱。但是，本領域技術人員有必要的知識，能夠通過適當選擇反離子來配製油墨而不產生這種不良的有害相互作用。
MMC的濃度為約0.1-20％重量，優選為約0.5-10％重量。
一種優選的顏料是平均直徑約為0.005-12μm的、官能化的類石墨(碳黑)粒子。這種類型的著色劑通過衍生出親溶劑官能團以形成使著色劑在水中可溶的增溶基團的化學反應而得到。所形成的這種大分子發色團(MMC)是水溶性的，其溶解度與眾所周知且常用的水溶性酸性或鹼性染料相似。這類MMC可以由例如上述的Cobat Corp.和Orient Chemical得到。
適用於實施本發明的一種油墨的典型配方中含有至少一種兩性離子型表面活性劑，例如氧化胺(約0.2-1％重量)，至少一種水溶性離子型表面活性劑(約0.2-5％重量)，至少一種溶劑和/或至少一種共溶劑(約3-15％重量)，一種大分子發色團(約0.5-10％重量)和水。
在製造油墨時，將上述各成分混合併機械攪拌或用低功率的超聲混合。
按照本發明的要求，油墨中可以使用各種類型的添加劑以便使油墨組合物對於特定用途的性質最佳。例如，正如本領域技術人員所熟知的，油墨組合物中可以使用生物殺傷劑以抑制微生物的生長，可以加入螯合劑(如EDTA)以消除重金屬雜質的有害影響，還可以使用緩衝溶液來控制油墨的pH。可以加入其它已知的添加劑，例如粘度調節劑和其它的丙烯酸類或非丙烯酸類聚合物，以便按需要改進油墨組合物的各種性質。
本發明油墨組合物的耐蹭髒性顯然來自對於疏水物(離子型表面活性劑的碳氫雙尾)的庫侖作用與特殊相互作用的結合。最初，MMC通過長程庫侖力吸引疏水的陰離子(陰離子型的MMC也通過長程庫侖力吸引陽離子型表面活性劑)。這種吸引是快速的，剛一混合就發生。在很短的誘導期之後，雙尾型表面活性劑的疏水部分有序排列，以致於可以產生短程的(範得華力或特殊力)相互作用。帶電的MMC的有效電荷由於MMC表面上的某些選擇性離子而減小，在那些區域變成兩性離子型，淨電荷為0。隨著庫侖排斥作用減小，其它MMC更為頻繁地接近，在水溶液不存在情況下的總穩定性降低。當列印到介質表面上時，偶極子間和離子-偶極子間的吸引作用增強，MMC斑點在電荷減少部位之間不可避免地發生一些交聯。這可能是造成耐蹭髒性的原因。
兩性離子型表面活性劑顯然造成了耐水性。雙尾的陽離子表面活性劑則導致了耐蹭髒性和快速乾燥。
實施例在尋找耐蹭髒和快幹的黑色油墨時，本發明人發現以下組合物具有出人意料的良好耐蹭髒性和比先有產品好得多的乾燥時間
注NDAO是C12H26N(CH3)2O(N,N-二甲基-N-十二烷基氧化胺)*Fluka化學公司產品印刷時的光密度合格(至少1.1OD)，本發明的這一製劑為得到合格產品提供了必要的耐水性和耐蹭髒性。
最初，使用全羧基化的MMC，本申請人發現在混合時形成沉澱，但在攪拌5-10分鐘後變成溶液。此油墨看來極其耐水(0mOD著色劑轉移)和耐蹭髒(＜100mOD著色劑轉移)。它的乾燥也非常快(列印後＜10秒)。
進行了耐蹭髒性試驗。該試驗測定用一隻記號筆從印好的區域轉移出的著色劑數量。使用了Sanford牌螢光型和非螢光型黃色記號筆。進行試驗時使記號筆在特定的時間，例如印刷後5分鐘，橫穿通過許多個印好的條塊。兩次通過是指記號筆穿過同一部位兩次。
測定條塊之間的光密度並與緻密印刷的條塊比較。著色劑轉移的數量用毫光密度單位(mOD)表示。範圍在300-800mOD之間的轉移不被看作是耐蹭髒的。
下面的表Ⅰ列出了用實施例1的油墨進行的耐蹭髒試驗的結果，而表Ⅱ則是用實施例2的油墨進行的耐蹭髒試驗的結果。
表
表Ⅱ<
注: GBND=Gilbert Bond；CDCY=Champion Datacopy；HFDP=Hammermill Fore DP；WFCH=Weyerhauser FirstChoice；PMCY=Papyrus Multicopy
由表Ⅰ和表Ⅱ可見，兩種油墨(實施例1和實施例2)均顯示出高度的耐蹭髒性。這些油墨還顯示出優良的染料擴散控制作用。
本發明油墨組合物預期在噴墨油墨中會有用途，尤其是希望油墨的特性改進的場合，例如高邊緣銳度、高光密度、快速乾燥時間、耐水性和耐蹭髒性。
這樣就公開了用於熱噴墨列印的熱噴墨油墨，該油墨中含有至少一種離子型表面活性劑和至少一種兩性離子型表面活性劑以及一種大分子發色團。本領域技術人員顯然可以作出各種特性明顯的改動和變化；所有這些改動和變化均被認為屬於本發明的範圍。
權利要求
1．一種用於熱噴墨列印的熱噴墨油墨，其中含有(a)連結料，其中含有(1)0至約30％重量的至少一種有機溶劑，和(2)約0.1-10％重量的至少一種具有第一極性的水溶性離子型表面活性劑，和(3)約0.01-20％重量的至少一種兩性離子型表面活性劑；(b)約1-20％重量的至少一種化學改性的水溶性大分子發色團，該發色團含有一種帶有與其結合的官能基的顏料，所述官能基具有與第一極性相反的第二極性；(c)餘量的水。
2．權利要求1的油墨組合物，其中所述的至少一種有機溶劑選自脂族醇、芳族醇、二醇、二醇醚、聚二醇醚、己內醯胺類、甲醯胺類、乙醯胺類和長鏈醇。
3．權利要求2的噴墨油墨，其中所述的至少一種有機溶劑選自30個或更少碳原子的脂族伯醇，30個或更少碳原子的芳族伯醇，30個或更少碳原子的脂族仲醇，30個或更少碳原子的芳族仲醇，30個或更少碳原子的1,2-醇，30個或更少碳原子的1,3-醇，30個或更少碳原子的1,ω-醇，乙二醇烷基醚，丙二醇烷基醚，聚(乙二醇)烷基醚，聚(乙二醇)烷基醚高級同系物，聚(丙二醇)烷基醚，聚(丙二醇)烷基醚高級同系物，N-烷基己內醯胺，未取代的己內醯胺類，取代的甲醯胺類，未取代的甲醯胺類，取代的乙醯胺類，未取代的乙醯胺類。
4．權利要求1的噴墨油墨，其中所述的大分子發色團是陰離子型，所述的至少一種離子型水溶性表面活性劑是陽離子型，選自
其中R1、R2、R3和R4是以下化學式代表的烷基R1=-(CH2)nCH3R2=-(CH2)mCH3R3=-(CH2)lCH3R4=-(CH2)kCH3，其中k,l,m和n各自獨立地是0-25的整數，p為6-25。
5．權利要求4的噴墨油墨，其中的陽離子表面活性劑有與之結合的反離子，該反離子選自滷根、硫酸根、硝酸根、磷酸根、磺酸根、四氟硼酸根、甲磺酸根、亞磷酸根、膦酸根、甲基苯磺酸根、六氟膦酸根、六氟磷酸根、磷雜環戊二烯離子、酚鹽離子、鎢酸根、鉬酸根和矽酸根離子。
6．權利要求1的噴墨油墨，其中的大分子發色團是陽離子型，所述的至少一種離子型水溶性表面活性劑是陰離子型，選自
其中R1和R2是以下化學式代表的烷基R1=-(CH2)nCH3R2=-(CH2)mCH3其中m和n各自獨立地是10-25的整數。
7．權利要求6的噴墨油墨，其中所述的陰離子表面活性劑有與之結合的反離子，該反離子選自銨離子。
8．權利要求1的噴墨油墨，其中所述的兩性離子型表面活性劑選自至少一種下述成份(a)下式的氧化胺R-N+(CH3)2O-其中R是鏈長為8-25個碳原子的飽和或不飽和的烷基，以及(b)下式的甜菜鹼
其中R1、R2和R3各有10-23個碳原子，選自烷基，烯基，炔基，芳基和芳烴。
9．權利要求1的噴墨油墨，其中的顏料選自黑、青、黃和品紅顏料。
10．一種噴墨印刷的方法，其中包括用權利要求1的噴墨油墨在介質上列印。
11．一種提高噴墨油墨耐水性的方法，包括(a)形成至少一種含有權利要求1的顏料的大分子發色團，該顏料帶有與其結合的、具有第一極性的官能基；和(b)將約1-20％重量的顏料與連結料和水混合。
全文摘要
利用大分子發色團(MMC)和離子型表面活性劑及兩性離子型或兩性型表面活性劑,其中離子型表面活性劑的極性與MMC相反,提供了一種耐蹭髒、耐水和快速乾燥的油墨。大分子發色團是表面經過處理後帶有陰離子或陽離子官能基的顏料。兩性離子型表面活性劑造成了耐水性,而離子型表面活性劑則導致耐蹭髒性和快速乾燥。
文檔編號C09D11/00GK1215743SQ98116948
公開日1999年5月5日 申請日期1998年8月28日 優先權日1997年10月28日
發明者J·R·莫法特, J·W·特桑 申請人:惠普公司