DE60015459T2

DE60015459T2 - Verfahren um den Reibungsbeiwert von Tintenstrahl-Empfangsmaterialien zu modifizieren

Info

Publication number: DE60015459T2
Application number: DE60015459T
Authority: DE
Inventors: Minghui Sheng; Eric Burch; Cheryl A. Macleod
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1999-08-26
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2020-08-04
Also published as: US20030203134A1; EP1078774B1; JP2001113823A; EP1078774A2; EP1078774A3; DE60015459D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Tintenstrahlmedien und insbesondere auf Techniken zum Modifizieren des Reibungskoeffizienten derartiger Medien.
Der Bedarf an beschichtetem Papier ist hinreichend nachgewiesen. Papier kann aus verschieden Gründen mit polymeren oder Wachsbeschichtungen beschichtet sein, z. B. um ihm Wasserbeständigkeit zu verleihen, die Festigkeit von Papierzeug zu erhöhen, den Glanz zu verstärken und Barrierequalitäten zu verbessern.
Die Auswahl an Beschichtungen für die Papiermedien, die bei modernen Bildübertragungsvorrichtungen, einschließlich Tintenstrahldruckern, verwendet werden, weist mehrere Probleme auf. Auf Grund der Notwendigkeit, dass derartige Beschichtungen in der Lage sind, auf Wasser basierende Tinten zu absorbieren, neigen die Beschichtungen z. B. dazu, durch Wasser oder Feuchtigkeit aufgeweicht zu werden. Wenn zwei dieser Beschichtungen miteinander in Kontakt stehen, ist die Interaktion zwischen weichen Polymerbeschichtungen somit tendenziell hoch, und ein gewisses Kleben ist die Folge. Dieser Faktor kann beträchtliche Probleme mit sich bringen, wenn es erwünscht ist, ein einzelnes Blatt aus einem Stapel Papier einem Drucker zuzuführen. Ferner kann Feuchtigkeit in manchen Fällen zu einem klebrigen Gefühl beitragen, was für den Benutzer aus ästhetischer Sicht nicht angenehm ist und eine Handhabung des Papiers relativ schwierig machen kann.
Viele der bei herkömmlichen Tintenstrahlbeschichtungen verwendeten Pigmente sind durch einen hohen Reibungskoeffizienten gekennzeichnet. In der Tat werden die Silika- und Aluminiumoxid-Pigmente, die häufig verwendet werden, als "Reibungsverursacher" bezeichnet. Da es außerdem oft wünschenswert ist, dass die Medien eine glatte Textur und glänzend Konsistenz aufweisen, erzeugen die zum Erzielen dieser Charakteristika verwendeten Techniken oft Medien mit hohen Reibungskoeffizienten.
Wie erwähnt wurde, können Medien mit einem hohen Reibungskoeffizienten bei Blattzufuhr-Druckervorgängen auf Grund der Tendenz der Blätter, aneinander zu kleben, problematisch sein. Das Problem des Reibungskoeffizienten wird besonders schwierig, wenn auf beiden Seiten des Mediums eine Tintenstrahl-Glanzbeschichtung gewünscht wird, um ein doppelseitiges Drucken zu unterstützen.
Es wurden bereits einige bekannte Lösungen der oben beschriebenen Probleme versucht. In der US-Patentschrift Nr. 5,700,582 werden beispielsweise Trägermaterialien auf ein Mediensubstrat platziert, um eine elektrostatische Ladung zu verringern und eine Reibung und ein Kleben zwischen einzelnen Blättern zu verringern. Auch wenn dieser Lösungsansatz in manchen Fällen sinnvoll sein mag, eignet er sich nicht für Medien, bei denen man ein doppelseitiges Drucken beabsichtigt.
In der US-Patentschrift Nr. 5,474,843 ist die Verwendung von polymeren Kügelchen offenbart, die durch die Oberfläche der Medienbeschichtung hindurchragen, um Blattzufuhreigenschaften zu verbessern. Diese Lösung ist mit modernen Papierproduktionsprozessen nicht vereinbar. Beispielsweise ist es bei einem Beschichtungsabschabevorgang nicht akzeptabel, dass Partikel an der Abschabevorrichtung hängen bleiben, wodurch auf der Beschichtung Kratzer entstehen. Kalandrierungs- oder andere Glättungsprozesse verringern ebenfalls die Nützlichkeit dieser Technik, da die polymeren Kügelchen tendenziell in die Beschichtung hineingeschoben werden.
Aus dem Vorstehenden ist offensichtlich, dass ein Bedarf an Tintenstrahl-Glanzmedienbeschichtungen besteht, die mit modernen Tinten vereinbar sind und die einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen, um effiziente Blattzufuhrfunktionen zu ermöglichen.
Als zusätzlichen Vorteil weisen derartige Medienbeschichtungen wünschenswerterweise eine nicht-klebrige Konsistenz zum Zweck einer guten Handhabbarkeit auf.
Die EP-A-0,742,107 beschreibt ein Tintenstrahlaufzeichnungsmedium, das eine Basis aus einfachem Papier aufweist, die auf einer Seite eine poröse Tintenaufnahmeschicht, die glatter ist als die der Basis, und auf der anderen Seite eine Beschichtungsschicht aufweist, die ein wässriges Bindemittel aufweist, das 10–40 Gewichtsprozent eines Salzes einer höheren Fettsäure enthält. Die Tintenaufnahmeschicht kann Pigmente, z. B. amorphes Silika, wasserlösliche Harzbindemittel mit zufrieden stellenden Filmbildungseigenschaften, z. B. PVA und Polymerlatizes, sowie Zusatzstoffe, z. B. kationische Harze, zur Verbesserung der Wasserbeständigkeit, Fotostabilisatoren zur Verbesserung der Lichtbeständigkeit und fluoreszierende Aufheller zur Verbesserung des Weißegrads umfassen. Die bei der Beschichtungsschicht verwendeten wässrigen Bindemittel können Stärkederivate, z. B. oxidierte Stärke und veresterte Stärke, Zellulosederivate, z. B. Carboxymethylzellulose und Hydroxyethylzellulose, PVA und seine Derivate, Polyvinylpyrrolidon, Casein, Gelatine, Styrenbutadienlatizes, Acrylatemulsionen, Styrenacrylatemulsionen und Vinylacetatemulsionen umfassen.
Um zu verhindern, dass die Zufuhrrolle abrutscht, muss der Koeffizient der dynamischen Reibung zwischen zwei Tintenaufnahmeschichten zumindest 0,65 betragen. Um ein Abrutschen der Entladerolle zu verhindern, muss der Koeffizient der dynamischen Reibung zwischen zwei Beschichtungsschichten zumindest 0,15 betragen. Um zu gewährleisten, dass der Koeffizient der statischen Reibung zwischen der Tintenauf nahmeschicht und der Beschichtungsschicht geringer ist als 0,65, was notwendig ist, um Doppelzufuhren zu verhindern, darf der Koeffizient der dynamischen Reibung zwischen zwei Tintenaufnahmeoberflächen nicht über 0,75 liegen, und der Koeffizient der dynamischen Reibung zwischen zwei Beschichtungsschichten darf nicht über 0,25 liegen. Die Tintenaufnahmeschichten und die Beschichtungsschichten weisen unterschiedliche Zusammensetzungen auf.
Die EP-A-0,819,990 beschreibt ein regenerierfähiges Transparent, das ein transparentes Basisblatt aufweist, das zumindest auf einer Seite mit einer transparenten, tonerempfänglichen Beschichtung beschichtet ist. Die Beschichtung umfasst von 60% bis 85% einer polymeren antistatischen Bindemittelzusammensetzung, von 5% bis 20% eines Glycidoxysilans, von 3% bis 12% eines Wachses; und von 3% bis 15% eines partikulären Materials, das eine mittlere Partikelgröße von 4 μm bis 15 μm aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Tintenstrahlmedium bereitgestellt, das folgende Merkmale aufweist: ein undurchsichtiges Substrat, das zwei Seiten aufweist; und eine auf Wasser basierende Glanzbeschichtung auf beiden Seiten des Substrats, um eine Absorption von auf Wasser basierender Tinte zu ermöglichen, wobei die Beschichtung folgende Merkmale umfasst: ein Bindemittel, das zwischen 5 und 30 Gewichtsprozent der Beschichtung ausmacht; ein Pigment, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumoxid und Silika besteht; und eine reibungsarme Substanz in emulgierter Form, die mit dem Bindemittel gemischt ist und aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wachsen, nicht-ionischem Polyethylen, Silikonpolymeren und Fluorpolymeren besteht.
Ein Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Herstellen eines Tintenstrahlmediums aus einem undurchsichtigen Sub strat, das zwei Seiten aufweist, umfasst folgende Schritte: Miteinandervermischen eines Bindemittels, eines Pigments, das aus der aus Aluminiumoxid und Silika bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und einer emulgierten Form einer reibungsarmen Substanz, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wachsen, nicht-ionischem Polyethylen, Silikonpolymeren und Fluorpolymeren besteht; und Aufbringen des Gemischs auf beide Seiten eines undurchsichtigen Substrats, um eine auf Wasser basierende Glanzbeschichtung zu bilden, um eine Absorption von auf Wasser basierender Tinte zu ermöglichen, wobei das Bindemittel zwischen 5 und 30 Gewichtsprozent der Beschichtung ausmacht.
Die vorliegende Erfindung bietet mehrere Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Medienbeschichtungstechniken. Beispielsweise verwendet sie reibungsarme Materialien in einer emulgierten Form, um den Reibungskoeffizienten einer zweiseitigen Tintenstrahlbeschichtung zu verringern. Allgemein kann man reibungsarme Materialien als Wachse, einfache organische Polymere, Silikonpolymere oder fluorierte Polymere beschreiben. Die Verwendung dieser Materialien in emulgierter Form ermöglicht eine leichte Einbringung in eine auf Wasser basierende Beschichtung. Diese Technik ist neuartig und originell, da allgemein angenommen wird, dass diese Materialien auf Grund ihrer Hydrophobie bei hohen Konzentrationen in einer Tintenstrahlbeschichtung nicht funktionieren, wobei die Hydrophobie eine schlechte Benetzung und ein geringes Adsorptionsvermögen von auf Wasser basierenden Tinten nahe legt. Diesbezüglich entdeckte man, dass die Verwendung von reibungsarmen Materialien eine Verringerung des Reibungskoeffizienten eines Blattes ermöglicht, ohne die Bildqualität zu beeinträchtigen.
Ferner stützen die hierin dargelegten Beispiele die Hypothese, dass die Herstellung der Beschichtungsmaterialien in Emulsionsform den Medien wünschenswerte Eigenschaften verleiht, wenn sie mit Tintenstrahltinte in Berührung kommen.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung veranschaulicht.
BESTER MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verkörpert sein, ohne von ihren wesentlichen Charakteristika abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen in jeder Hinsicht lediglich als veranschaulichend und nicht einschränkend angesehen werden. Somit wird der Schutzumfang der Erfindung durch die beigefügten Patentansprüche und nicht durch die vorstehende Beschreibung angegeben.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung liefert glänzende Tintenstrahlmedienbeschichtungen, die mit modernen Tinten vereinbar sind und einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen, um effiziente Blattzufuhrfunktionen zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße Technik ermöglicht ein effektives und effizientes doppelseitiges Kopieren, bei dem beide Papierseiten Glanzbeschichtungen, die einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen, verwenden. Auf diese Weise wird eine verbesserte Tintenretention erzielt, während Blattzufuhrprobleme beträchtlich verringert werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst eine Tintenstrahlmedienbeschichtung ein reibungsarmes Substrat in emulgierter Form, das ein Bindemittel umfasst und aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wachsen, einfachen organischen Polymeren, Silikonpolymeren und Fluorpolymeren besteht. Vorzugsweise wird Polyterfluorethylenlatex als Gleithilfe verwendet. Das Bindemittel ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polyvinylversatat, Polyethylen, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon und Polyvinylacetat be steht, und es macht zwischen etwa 5 und etwa 30 Gewichtsprozent der Beschichtung aus.
Ein Verfahren zum Herstellen von Tintenstrahlmedien der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Substrats und eines Bindemittels, wie sie oben beschrieben wurden. Das Bindemittel wird mit einer reibungsarmen Substanz in emulgierter Form gemischt, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wachsen, einfachen organischen Polymeren, Silikonpolymeren und Fluorpolymeren besteht. Das Gemisch wird auf das Substrat aufgebracht, und das Substrat wird getrocknet.
Bei dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Gleithilfe eine Dispersion in Wasser und ist vorzugsweise polymer. Die Partikelgröße der Dispersion ist geringer als 5 μm oder, vorzugsweise, geringer als 1 μm. Obwohl eine Vielzahl von funktionellen Gruppen denkbar ist, umfasst die bevorzugte Gleithilfe vorwiegend die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Fluor, Silizium oder die "oxo"-Form von Sauerstoff zum Beibehalten gewünschter Reibungseigenschaften. Diese Elemente finden sich in Wachsen, einfachen organischen Polymeren, Silikonpolymeren und fluoridierten Polymeren. Allgemein lässt sich eine Anzahl von Latexdispersionen als Gleithilfen klassifizieren. Polyterfluorethylenlatex, der von E.I. duPont de Nemours and Co. unter dem Markenzeichen Zonyl^® TE-3667N erhältlich ist, und ein Polyethylenwachs mit hoher relativer Molekülmasse, das von Shamrock Technologies, Inc., Newark, NJ, unter der Bezeichnung Hydrocer-355 erhältlich ist, haben sich als effektiv erwiesen. Andere geeignete Gleithilfen sind eine nicht-ionische Polyethylenemulsion, die von Air Products and Chemicals, Inc., Allentown, PA, als Vancryl^® Wax 35 vertrieben wird, und ein Karnaubawachs, das von Michelman, Inc., Cincinnati, Ohio unter der Markenbezeichnung MICHEM^®LUBE 160 hergestellt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Tintenstrahlbeschichtung anhand herkömmlicher Verfahren auf ein Substrat aufgebracht. Üblicherweise umfasst die Beschichtung Pigment, Bindemittel und Leistungszusatzstoffe. Ein bevorzugtes Pigment ist Pseudoboehmit-Aluminiumoxid, das von Condea-Vista als Dispal 11N7-80 hergestellt wird. Seine Partikelgröße in Wasser beträgt etwa 0,25 μm, während die Größe der getrockneten Partikel etwa 50 μm beträgt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Bindemittel Polyvinylversatat-Polyethylen, das als nicht wasserlösliches Emulsionspolymer vorliegt, Polyvinylalkohol und Polyvinylpyrrolidon-Polyvinylazetat-Copolymer. Die letzteren zwei sind wasserlöslich. Diese Bindemittel liegen in Trockenfeststoffgewichtsprozenten von 2, 0,6 bzw. 11 vor. Das Polyvinylversatat-Polyethylencopolymer wird von Mapei, Inc., Kanada, als Vinavil^® 3525 hergestellt. Der Polyvinylalkohol wird von Air Products and Chemicals, Inc., als Airvol^® 165 hergestellt, und Polyvinylpyrrolidon-Polyvinylacetat-Copolymer ist von der Badischen Anilin & Soda-Fabrik Aktiengesellschaft unter dem Handelsnamen Luviskol^® erhältlich.
Leistungszusatzstoffe werden aus mehreren Gründen verwendet. Beispielsweise werden zum Eindämmen des Zerfließens und zum Steuern der Gleichmäßigkeit Diaminethylen/Propylenoxidtensid, von BASF Corp. als Tetronic^TM 701 hergestellt, und Glykol, von Aldrich Chemical hergestellt, verwendet. Eine organische Säure, z. B. von Aldrich hergestellte Milchsäure, fungiert als Leistungszusatzstoff, um die Viskosität zu steuern und das Zerfließen einzudämmen. Ein Siliziumethertensid, das von Air Products als Surfonyl^TM D-58 hergestellt wird, dient als Leistungszusatzstoff zur Schaumverringerung. Schließlich fungiert der Leistungszusatzstoff Polyterfluorethylenlatex, der von E.I. DuPont de Nemours and Co. als Zonyl^® TE-3667N hergestellt wird, als Gleithilfe.
TABELLE I legt die Zusammensetzung einer kostengünstigen Tintenstrahlglanzbeschichtung dar, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird und einen relativ niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist.
TABELLE I
Um die Nützlichkeit der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurden Tintenstrahlbeschichtungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung formuliert worden waren, getestet. Die folgenden Beispiele veranschaulichen bestimmte spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung und beschreiben Vergleichstests mit im Handel erhältlichen Tintenstrahlmedienbeschichtungen.
BEISPIEL 1
Es wurde eine Beschichtung hergestellt, die die in TABELLE I dargelegten Substanzen enthielt. Die Materialien wurden zusammengemischt und anschließend unter Verwendung eines Mayer-Stabs auf ein mit Ton beschichtetes Basisblatt aufgebracht. Das Blatt wurde 5 Minuten lang bei 100°C getrocknet und anschließend kalandriert, bis es einen Glanz aufwies. Die Bestandteile der Beschichtung des Beispiels I sind in TABELLE II dargelegt.
TABELLE II
BEISPIEL 2
Eine zweite Beschichtung wurde hergestellt, und anhand des in Beispiel 1 dargelegten Verfahrens wurde ein glänzendes Blatt erzeugt. Die zweite Beschichtung war identisch mit der Beschichtung des Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass statt Polyterfluorethylenlatex (Zonyl^® TE-3667) als Gleit hilfe Shamrock Hydrocer-355 (wachsartiges Polymer) verwendet wurde.
BEISPIEL 3
Es wurde eine dritte Beschichtung hergestellt, und anhand des in Beispiel 1 dargelegten Verfahrens wurde ein glänzendes Blatt erzeugt. Die bei diesem Beispiel verwendete Beschichtung ist eine herkömmliche. Sie ähnelt den Beschichtungen der Beispiele 1 und 2, unterschied sich jedoch dadurch von denselben, dass sie weder den Polyterfluorethylenlatex (Zonyl^® TE-3667) des Beispiels 1 noch das Polyfluorethylenpolymer Shamrock Hydrocer-355 des Beispiels 2 aufwies.
An den in den Beispielen hergestellten Beschichtungen wurden Vergleichstests durchgeführt. Die Ergebnisse sind in TABELLE III dargelegt.
TABELLE III
Wie aus den in TABELLE III dargelegten Ergebnissen ersichtlich ist, ermöglicht die Verwendung der Gleithilfe in den Beispielen 1 und 2 die Herstellung eines glänzenden Blattes, das eine hervorragende Druckqualität aufweist. Ferner ist der Reibungseffizient bei den Beschichtungen der Beispiele 1 und 2 im Vergleich zu der herkömmlichen Beschichtung des Beispiels 3 beträchtlich verringert. Folglich werden Tintenstrahlmedien erzeugt, die zuverlässige Blattzufuhreigenschaften aufweisen. Außerdem fühlen sich die Medien bei der Handhabung nicht klebrig an.

Claims

Tintenstrahlmedium, das folgende Merkmale aufweist: ein undurchsichtiges Substrat, das zwei Seiten aufweist; und eine auf Wasser basierende Glanzbeschichtung auf beiden Seiten des Substrats, um eine Absorption von auf Wasser basierender Tinte zu ermöglichen, wobei die Beschichtung folgende Merkmale umfasst: ein Bindemittel, das zwischen 5 und 30 Gewichtsprozent der Beschichtung ausmacht; ein Pigment, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumoxid und Silika besteht; und eine reibungsarme Substanz in emulgierter Form, die mit dem Bindemittel gemischt ist und aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wachsen, nichtionischem Polyethylen, Silikonpolymeren und Fluorpolymeren besteht.
Das Tintenstrahlmedium gemäß Anspruch 1, bei dem das Bindemittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyvinylversatat, Polyethylen, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon und Polyvinylacetat besteht.
Das Tintenstrahlmedium gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die reibungsarme Substanz aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyterfluorethylenlatex, Polyethylenwachs mit hoher relativer Molekülmasse, nichtionischen Polyethylenemulsionen und Karnaubawachs besteht.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahlmediums aus einem undurchsichtigen Substrat, das zwei Seiten aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Miteinandervermischen eines Bindemittels, eines Pigments, das aus der aus Aluminiumoxid und Silika bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und einer emulgierten Form einer reibungsarmen Substanz, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wachsen, nicht-ionischem Polyethylen, Silikonpolymeren und Fluorpolymeren besteht; und Aufbringen des Gemischs auf beide Seiten eines undurchsichtigen Substrats, um eine auf Wasser basierende Glanzbeschichtung zu bilden, um eine Absorption von auf Wasser basierender Tinte zu ermöglichen, wobei das Bindemittel zwischen 5 und 30 Gewichtsprozent der Beschichtung ausmacht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem das Bindemittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyvinylversatat, Polyethylen, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon und Polyvinylacetat besteht.