DE68910844T2 - Thermisch reversible Sol-Gel-Phasenaustausch-Tinte oder Tinte für den Impulstintenstrahldruck. - Google Patents

Description

• Diese Anmeldung ist mit einer Reihe von Patenten und anhängigen Anmeldungen verwandt, die auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen worden sind. Diese verwandten Patente und Anmeldungen, deren Offenbarungen durch Bezugnahme darauf hier eingeführt werden, sind: US-Anmeldungsnummer 331 604, eingereicht am 17. Dezember 1981, jetzt US-A-4 390 369 mit dem Titel "Natürliches Wachs enthaltende Tintenstrahltinten" und ihre Folgeanmeldung US-Anmeldungsnummer 507 918, eingereicht am 27. Juni 1983, US-A-4 361 843 mit dem Titel "Verbesserte Tintenstrahlzusammensetzungen und -verfahren", US-Anmeldungsnummer 394 154, eingereicht am 1. Juli 1982 mit dem Titel "Stearinsäure enthaltende Tintenstrahltinten", die jetzt aufgegeben worden ist, und ihre Folgeanmeldung US-Anmeldungsnummer 565 124, eingereicht am 23. Dezember 1983, US-A-4 386 961 mit dem Titel "Heterologe Tintenstrahltintenzusammensetzungen" und ihre Folgeanmeldung US-Anmeldungsnummer 501 074, eingereicht am 5. Juni 1983, US-Anmeldungsnummer 668 095, eingereicht am 5. November 1984, die jetzt aufgegeben worden ist, und ihre Folgeanmeldung US-Anmeldungsnummer 006 727, eingereicht am 23. Januar 1987, US- Anmeldungsnummer 672 587, eingereicht am 16. November 1984 mit dem Titel "Wenig korrodierende Impulstintenstrahltinte", die jetzt aufgegeben worden ist, und ihre Folgeanmeldung US-Anmeldungsnummer 037 062, eingereicht am 13. April 1987.
• Diese Erfindung betrifft das Gebiet des Tintenstrahldruckens, wobei die Tropfen mittels Impuls oder Blasenbildung erzeugt werden (Drucken mit Impuls- oder Blasentintenstrahl), und insbesondere das Gebiet der Tinten, die mittels Impuls oder Blasenbildung Tropfen bilden (Impuls- oder Blasentintenstrahltinten), die in Druckern verwendet werden, die bei Bedarf Tropfen bildende Impulstintenstrahlköpfe enthalten. Solche Drucker werden normalerweise zusammen mit einer Reihe von Substraten verwendet, wobei die üblichsten Papiere verschiedener Porositäten sind. Es ist bekannt, um eine akzeptable Druckqualität zu erzielen, die zu bedruckenden Substratmaterialien sorgfältig auszuwählen, damit sie zu den speziellen Eigenschaften der zu strahlenden Tinte passen. Eine solche sorgfältige Auswahl ist unter bestimmten Verhältnissen möglich wie beispielsweise beim Großverpachungsdruckbetrieb, ist aber unter vielen Verhältnissen nicht bevorzugt, wo hinsichtlich der Auswahl des Substrats zur Verwendung zusammen mit der speziellen Tinte eine geringe Kontrolle erfolgt. Dementsprechend besteht ein Bedarf an Impulstintenstrahltinten, die zusammen mit einem breiten Bereich von Substraten brauchbar sind.
• Viele in der Technik bekannte Impulstintenstrahltinten sind flüssige Tinten, die entweder auf Wasser basierende oder nichtwäßrige Tinten sein können. Diese Tinten haben viele Vorteile. Sie sind leicht zu lagern und zu versenden (vorausgesetzt, daß das Färbemittel in dem Trägersystem leicht löslich ist) und zeigen normalerweise bei Raumtemperatur niedrige Viskositäten, wodurch sie recht leicht zu verstrahlen sind. Andererseits neigen flüssige Tinten dazu, wenn sie auf ein poröses Substrat wie ein Verbundpapier mit hohem Lumpengehalt gestrahlt wird, einzudringen und sich auszubreiten. Demzufolge ist es schwierig, mit flüssigen Impulstintenstrahltinten Briefdruckqualität zu erzielen, ohne spezielle Substrate zu verwenden. Häufig hat der Druck ein verwaschenes und diffuses Aussehen. Zur Zeit haben flüssige Impulstintenstrahldrucksysteme (die Tintentropfen werden mittels Impuls erzeugt) nur geringe Akzeptanz auf dem allgemeinen Bürowelt gefunden.
• Es ist ferner bekannt, Tinten mit Fest-Flüssig-Phasenwechsel zu verwenden, d.h. Tinten, die bei Raumtemperatur fest sind, aber zum Strahlen leicht geschmolzen werden. Auf diese Tinten wird beispielsweise in der US-A-4 490 731, US-A-3 653 932, US-A-3 715 219 und der US-A-4 390 369 hingewiesen. Diese "Heißschmelz"tinten umfassen normalerweise Träger wie natürliche Wachse, Harze und/oder langkettige Fettsäuren, Ester oder Alkohole, die schmelzen, wenn die Tinte auf Strahltemperaturen erhitzt wird. Beim Strahlen treffen erhitzte Tropfen das Substrat und erstarren sofort auf der Substratoberfläche. Dieses Phänomen ist in mehrerer Hinsicht deswegen vorteilhaft, weil ein dunkler, scharf definierter Druck hergestellt werden kann. Dieser Druck kann leicht erhaben sein, was dazu anregt, anzunehmen, daß der Druck eingraviert ist. Da die Tinte bei Raumtemperatur fest ist, haben die Färbemittelsysteme beim Lagern und Versenden eine geringere Tendenz, sich aus der Tinte abzuscheiden. Dies hat die Verwendung verschiedener Färbemittelsysteme wie beispielsweise bestimmter auf Pigmenten basierenden Systeme, die normalerweise in flüssigen Tinten nicht verwendet würden, vereinfacht.
• Es gibt jedoch bei vielen heißschmelzenden Phasenwechseltinten auch Nachteile. Es gibt bestimmte Anwendungsbedingungen und/oder Lagerbedingungen, bei denen die Umgebungstemperaturen, denen die gedruckten Materialien ausgesetzt sind, die Raumtemperaturen weit übersteigen. Papiere, die an einem sonnigen Tag im Kofferraum eines Autos gelagert werden, können beispielsweise einer Temperatur weit oberhalb von 38ºC (100ºF) ausgesetzt sein. Unter solchen Bedingungen können Phasenwechseltinten erneut schmelzen, was zum unerwünschten Haften von benachbarten Seiten in Bereichen führt, wo der ursprüngliche Druck über der Oberfläche des Substrats erhaben war. Weil sie bei Raumtemperatur fest sind und dazu neigen, an der Oberfläche des Substrats angeordnet zu sein, sind Heißschmelztinten auch anfällig gegenüber Glanzpolierung oder Glattdrücken, Rißbildung oder Abschuppung. Eine geeignete Anwendung von Heißschmelztinten erfordert daher geeignete Auswahl der Tinte für die beabsichtigten Anwendungsbedingungen. Es ist vorteilhaft, das Substrat und die Strahlbedingungen so zu wählen, daß sich ein gewisses Maß an Tinteneindringung ergibt, während wünschenswerte Druckeigenschaften erreicht werden.
• Ungeachtet der substantionellen Vorteile, die bei der Entwicklung von Tintenstrahltinten zur Verwendung zusammen mit bei Bedarf Tropfen bildenden Druckern erzielt wurden, besteht immer noch ein Bedarf an Tinten, die einen dunklen, klar definierten Druck auf einem weiten Bereich von Substraten ergeben und nicht reißen, schmieren, abschuppen oder glattgedrückt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Tintenstrahl- oder Blasenstrahltinte, die bei Umgebungs(raum)temperaturen ein Gel ist. Die hier betrachtete Tinte vereinigt in sich die vorteilhaften Eigenschaften von Tinten mit thermischem Phasenwechsel und flüssigen Tinten. Die erfindungsgemäßen Tinten umfassen 90 bis 99,9 Gew.% wäßriges Sol-Gel-Medium, das aus Iota-Carrageenan und Wasser besteht und im wesentlichen frei von Synärese ist, bei Raumtemperatur geliert und bei höheren Strahltemperaturen aufbricht, um ein Sol zu bilden, und 0,1 bis 10 Gew.% Färbemittel. Aufgrund der Sol-Gel-Natur dieser Tinten umfassen sie typischerweise mehr als 90% Wasser, wobei sie sich bei Strahlen, insbesondere in Verbindung mit den Aspekten des Eindringens und des Ausbreitens dieser Tinten, trotzdem wie andere wäßrige Tinten verhalten.
• Die erfindungsgemäßen Tinten werden bei einer erhöhten Temperatur im Bereich von etwa 40 bis 110ºC, vorzugsweise 70ºC (beispielsweise gemessen mit einem Brookfield-Thermosel-Viskosimeter) mittels Impuls gestrahlt, wobei die Tinte bei dieser Temperatur eine Viskosität von 3 bis 15, vorzugsweise 4 bis 7 mPas (Centipoise) aufweist. Die Tinten zeigen kontrolliertes Eindringen und Ausbreiten, aber sie bleiben bei den meisten Substraten nicht auf der Oberfläche, wo sie für Verschmierung oder Abschuppung anfällig wären.
Genaue Beschreibung der Erfindung
• Diese Erfindung liefert eine neue Tinte zur Verwendung in bei Bedarf Tropfen bildenden (Impuls) Tintenstrahldruckern oder mittels Blasen Tropfen bildenden Tintenstrahldruckern. Solche Drukker sind in der Technik bekannt. Sie verstrahlen bei Bedarf Tinte durch Ausstoßen von Tropfen, einzeln oder schauerartig.
• Dies wird üblicherweise erreicht, indem ein piezoelektrischer Druckkopf verwendet wird, der aus einem Vorrat Tinte aufnimmt. Dieses Verfahren ist von anderen Strahldruckverfahren zu unterscheiden, bei denen im wesentlichen kontinuierlich Tropfen abstrahlen werden, wovon einige oder alle elektrostatisch abgelenkt werden. Die erfindungsgemäßen Tinten können sowohl in herkömmlichen umwandlergetriebenen Tintenstrahldruckern als auch in thermischen Druckern vom Blasen bildenden Typ verwendet werden.
• Ein umwandlergetriebener Tintenstrahldrucker umf aßt typischerweise eine Tintenstrahlkammer, die eine Öffnung aufweist, aus der Tropfen ausgestoßen werden, und eine Tintenzufuhröffnung, die mit einer Tintenquelle oder einem Tintenreservoir verbunden ist. Bei einem solchen Strahldrucker ist ein Treiber so mit der Kammer verbunden, daß der Wechsel im Zustand der Energetisierung des Treibers zum Ausstoßen eines Tintentropfens aus der Öffnung führt. Durch Veränderung des Energetisierungszustandes des Treibers im geeigneten Augenblick kann bei Bedarf ein Tintentropf en in eine Flugbahn ausgestoßen werden, die auf ein geeignetes Substrat oder Ziel wie Papier gerichtet ist. In der US-A-4 459 601 und der US-A-4 646 106 ist ein Tintenstrahlgerät beschrieben, das einen Satz von bei Bedarf Tropfen bildenden oder Impulstintendüsen umfaßt, wobei jede Düse aus einer Öffnung in Reaktion auf die Ausdehnung und Kontraktion von Treibern in Form von länglichen Umwandlern, die in Reaktion auf ein selektiv quer zur Ausdehnungsachse angelegtes Feld energitisiert werden, einen Tintentropfen ausstößt. Ein Beispiel ist der SI480-Drucker von DataProducts Corporation.
• In Blasenstrahldruckern erfolgt ein kontrollierter und lokalisierter Hitzetransfer auf ein definiertes Tintenvolumen, das angrenzend an eine Tintendüsenöffnung angeordnet ist. Dieser Hitzetransfer reicht aus, um die Tinte in einem solchen Volumen zu verdampfen und sie dazu zu bringen, sich auszudehen, wodurch die Tinte während des Druckens von Buchstaben aus der Öffnung auf ein Druckmedium gespritzt wird. Ein Beispiel für einen kommerziell erhältlichen Blasenstrahldrucker ist der Think-Jet Drucker von Hewlett-Packard Company.
• Der Träger für das Färbemittel in den erfindungsgemäßen Tinten ist das wie in Anspruch 1 definierte wäßrige Sol-Gel-Medium. Ein Gel ist als zweiphasiges kolloidales System definiert worden, das aus einem Feststoff und einer Flüssigkeit besteht. Gele verhalten sich wie elastische Feststoffe und behalten ihre charakteristische Form, während Sole (kolloidale Dispersionen) die Form des Behälters besitzen. Bei Kombination mit Färbemitteln zur Bildung der erfindungsgemäßen Tinten bildet das geeignete wie in Anspruch 1 definierte Sol-Gel-Medium eine Tinte, die bei Umgebungstemperatur (Raumtemperatur) ein Gel ist und bei der zur Impulsstrahlung verwendeten Temperatur, 40 bis 100ºC, ein Sol ist. Die Tinte muß auch thermisch reversibel sein, d.h. sie muß in der Lage sein, wiederholt beim Erhitzen zu "schmelzen" und beim Kühlen zu gelieren.
• In der Technik sind zahlreiche Hydrokolloide bekannt, die bei Erhitzung und Kühlung Gele bilden, die thermisch reversibel sind. Es ist gefunden worden, daß Iota-Carrageenan zur Herstellung des in den erfindungsgemäßen Tinten verwendeten Sol-Gel- Mediums brauchbar ist. Carrageenan ist das Hydrokolloid, das mit alkalischem Wasser aus bestimmten roten Meeresalgen oder rotem Seetang der Klasse Rhodophyceae extrahiert wird und aus der Lösung durch Ausfällung mit Alkohol, durch Trommelwalzentrocknung oder Gefrierung abgetrennt wird. Ioata-Carrageenan wird erfindungsgemäß verwendet, weil es neben dem Besitz der notwendigen thermischen Reversibilität auch Gele erzeugt, die frei von Synärese sind, d.h. bei denen sich die Feststoffe und die Flüssigkeit nicht trennen.
• In der bevorzugten Ausführungsform umfaßt das wäßrige Sol-Gel- Medium zwischen 0,25 und 0,50 Gew.% Iota-Carrageenan. Die Gel- Sol-Übergangstemperatur des Mediums steigt, wenn die Konzentration an Iota-Carageenan zunimmt. Bei Konzentrationen von 0,5 Gew.% nähert sich die Gel-Sol-Übergangstemperatur zu dicht an den Siedepunkt des Wassers an. Bei Konzentrationen unterhalb von 0,25 Gew.% liegt die Gel-Sol-Übergangstemperatur nicht signifikant genug über der Raumtemperatur.
• Ein Vorteil der Verwendung von Iota-Carageenan in den erfindungsgemäßen Tinten beruht auf der physiologischen Akzeptanz dieses Materials. Da Iota-Carrageenan eßbar ist, können die Tinten mit Wasser, Iota-Carrageenan und eßbarem Farbstoff formuliert werden, um eine physiologisch akzeptable Tinte zu erhalten, die auf pharmazeutischen Tabletten und Lebensmitteln brauchbar ist. Die verbesserte Punktqualität, die von der Verwendung der erfindungsgemäßen Tinten herrührt, kann auf jedem porösen Medium erreicht werden.
• Eine Vielfalt von verträglichen in der Technik bekannten Färbemittelsystemen kann in den erfindungsgemäßen Tinten verwendet werden. Solche Systeme sind vorzugsweise kationische oder leicht anionische Spezies. Iota-Carrageenan ist im pH-Wertbereich von 7 bis 11 stabil; bei niedrigeren PH-Werten als 3,5 kann Iota- Carrageenan hydrolysieren und hinsichtlich der Gelierung unwirksam werden. Daher sind die am meisten bevorzugten Farbstoffe basische Farbstoffe wie beispielsweise gemäß Color Index CI Solvent Schwarz 5, CI Basisch Gelb 37, CI Basisch Rot 1, CI Basisch Violett 10 und CI Basisch Blau 81. Farbstoffe, die leicht sauer sind wie CI Farbstoffe der Säureklasse, einschließlich Saures Rot 1, Saures Gelb 36 und Saures Blau 9, können verwendet werden, vorausgesetzt, daß der pH-Wert des Systems oberhalb von 3,5 bleibt.
• Die erfindungsgemäßen Tinten können ferner ein oder mehrere Additive wie Tenside (z.B. nichtionische Polyethertenside) oder Anfeuchtemittel umfassen, wobei die Additive dazu neigen, die Verdampfung von Wasser zu inhibieren und dadurch die Befeuchtung zu steigern.
• Die hier definierten Sol-Gel-Medien besitzen, wenn sie in die gewünschten Tinten formuliert sind, wünschenswerte Eigenschaften von sowohl flüssigen als auch festen Tinten, wenn diese gestrahlt werden. Wenn diese Tinten auf ein Substrat prallen, erstarren sie nicht zu einem Feststoff, der auf der Oberfläche verbleibt. Wenn das Substrat wie beispielsweise ein Papier porös ist, migrieren diese Tinten in die Fasern, wo sie absorbiert werden. Andererseits unterscheidet sich die Tintenmigration der hier beschriebenen Tinten charakteristisch von derjenigen konventioneller flüssiger Tinten, da die erfindungsgemäßen Tinten vor der Absorption einem seitlichen Ausbreiten widerstehen.
• Die erfindungsgemäßen Tinten werden als Gel geliefert und müssen zum Solzustand geschmolzen werden, damit die Tinte in die Düsenkammern des Druckers fließen kann. Gegebenenfalls kann die Tinte in der Fabrik in Einwegköpfe gefüllt werden, was kein zusätzliches Schmelzen erfordern würde, ausgenommen, um der Tinte zu erlauben, in die Strahlkammer zu fließen. Daher muß die Tintendüse einen Heizer aufweisen, um die Tinte im flüssigen Zustand und bereit zum Abstrahlen zu halten. Wenn der Drucker abgeschaltet ist, kühlt die Tinte ab und geliert. Dies vermindert das Risiko des Einschlusses von Luft aus Hohlräumen, die in typischen Phasenwechselvorrichtungen vorhanden sind. Weiterhin verringert es die Menge an verdampfbarem Wasser und die übliche Verdampfung eines typischen auf Wasser basierenden Tintenstrahls.
• Die vorliegende Erfindung wird anhand der Tinten klarer, die in den Beispielen in Tabelle I aufgeführt sind. Tabelle I Gewichtsprozent Komponente Beispiel Wasser Iota-Carrageenan Triton X-1000 (nichtionisches Polyethertensid) Pontamin schwarz SP-flüssig (speziell gereinigt) Viskosität*, mPas (cps) Schmelztemperatur, ºC * gemessen mit einem Brookfield-Thermosel-Viskometer bei einer Spindel-Geschwindigkeit von 30 Upm
• Die Tinte von Beispiel 2 wurde hergestellt, mit einem Impulstintenstrahlgerät auf ein Hammermühlenverbundpapier gestrahlt und war zur Strahlung geeignet.

Claims (18)

1. Tintenstrahltinte zur Verwendung in Impulstintenstrahldrukkern, wobei die Tinte

(a) 90 - 99,9 Gew.-% wäßriges Sol-Gel-Medium, das aus Iota-Carrageenan und Wasser besteht und im wesentlichen frei von Synärese ist, und

(b) 0,1 - 10 Gew.-% Färbemittel umfaßt

und eine thermisch reversible Sol-Gel-Tinte ist, die bei Umgebungstemperatur ein Gel ist und bei Temperaturen zwischen 40 und 100ºC ein Sol ist.

2. Tinte nach Anspruch 1, bei der das Färbemittel in dem wäßrigen Sol-Gel-Medium löslich ist, wenn es in seinem Solzustand vorliegt.

3. Tinte nach Anspruch 1, bei der das wäßrige Sol-Gel-Medium 0,25 - 0,5 Gew.-% Iota-Carrageenan umfaßt.

4. Tinte nach Anspruch 1, die außerdem ein oder mehrere Additive ausgewählt aus Tensiden und Anfeuchtemitteln umfaßt.

5. Tinte nach Anspruch 1, die bei 70ºC eine Viskosität im Bereich von 3 - 15 mPas (cps) aufweist.

6. Tinte nach Anspruch 5, die bei 70ºC eine Viskosität im Bereich von 4 - 7 mPas (cps) aufweist.

7. Tinte nach Anspruch 3, die bei 70ºC eine Viskosität im Bereich von 4 - 7 mPas (cps) aufweist.

8. Tinte nach Anspruch 1, die einen pH-Wert im Bereich von 7 bis 11 aufweist.

9. Tinte nach Anspruch 1, in der das Färbemittel ausgewählt ist aus CI Solvent Schwarz 5, CI Basisch Gelb 37, CI Basisch Rot 1, CI Basisch Violett 10, CI Basisch Blau 81, CI Saures Rot 1, CI Saures Gelb 36 und CI Saures Blau 9.

10. Verfahren zum Tintenstrahldrucken, bei dem

(a) eine thermisch reversible wäßrige Sol-Gel-Tinte benutzt wird, die bei Raumtemperaturen ein Gel ist und bei Temperaturen zwischen 40 und 100ºC ein Sol ist, wobei die Tinte

i. 90 - 99,9 Gew.-% Sol-Gel-Medium, das aus Iota-Carrageenan und Wasser besteht, und

ii. 0,1 - 10 Gew.-% Färbemittel umfaßt,

(b) die Temperatur der Tinte auf 40 bis 100ºC erhöht wird, damit die Tinte ein Sol bildet, und

(c) die Tinte auf ein Substrat gestrahlt wird, wobei die Tinte beim Abkühlen auf dem Substrat ein Gel bildet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das wäßrige Sol-Gel- Medium 0,25 - 0,5 Gew.-% Iota-Carrageenan umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Tinte bei 70ºC eine Viskosität im Bereich von 3 - 15 mPas (cps) aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Tinte bei 70ºC eine Viskosität im Bereich von 4 - 7 mPas (cps) aufweist.

14. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Tinte bei 70ºC eine Viskosität im Bereich von 4 - 7 mPas (cps) aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Tinte unter Verwendung eines umwandlergetriebenen Impulstintenstrahldruckers gestrahlt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Tinte unter Verwendung eines Druckers vom Blasen bildenden Typ gestrahlt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Sol-Gel-Medium im wesentlichen frei von Synärese ist.

18. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Tinte einen pH-Wert im Bereich von 7 - 11 aufweist.