DE69018006T2

DE69018006T2 - Tintenadditive für verbesserte Tintenstrahldruckleistung.

Info

Publication number: DE69018006T2
Application number: DE69018006T
Authority: DE
Inventors: David J Halko
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1989-10-27
Filing date: 1990-10-12
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2010-10-13
Also published as: JPH03160070A; USRE39700E1; JP3148228B2; US5062892A; EP0425150B1; DE69018006D1; EP0425150A3; EP0425150A2; HK117495A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Tinten, die in Tintenstrahldruckern verwendet werden, und insbesondere auf eine Tinte, die in thermischen Tintenstrahldruckern mit verbesserten Kogationseigenschaften verwendet wird.
Thermische Tintenstrahldrucker bieten gegenüber anderen Druckertypen, die im allgemeinen mit Computern verwendet werden, eine billige, hochwertige und vergleichsweise geräuscharme Alternative. Derartige Drucker verwenden ein Widerstandselement in einer Kammer, die mit einem Eingang für eine Tinte, die von einer Sammelkammer eintreten soll, versehen ist. Die Sammelkammer ist mit einem Speicher zum Speichern der Tinte verbunden. Eine Mehrzahl solcher Widerstandselemente sind in einem speziellen Muster, das als ein Primitivmuster bezeichnet wird, in einem Druckkopf angeordnet. Jedes Widerstandselement gehört zu einer Düse in einer Düsenplatte, durch die die Tinte zu einem Druckmedium ausgestoßen wird. Die gesamte Anordnung des Druckkopfs und des Speichers umfaßt einen Tintenstrahlstift.
Im Betrieb ist jedes Widerstandselement über eine leitfähige Spur mit einem Mikroprozessor verbunden, wobei Strom-führende Signale bewirken, daß sich ein oder mehrere ausgewählte Elemente erwärmen. Die Erwärmung erzeugt in der Kammer eine Tintenblase, die durch eine Düse zu dem Druckmedium ausgestoßen wird. Auf diese Weise bildet das Aktivieren einer Mehrzahl solcher Widerstandselemente in einer speziellen Reihenfolge in einem gegebenen Primitiv-Muster alphanumerische Zeichen, führt eine Flächenfüllung durch und liefert weitere Druckfähigkeiten auf dem Medium.
Ein Problem mit Tinten, die in solchen thermischen Tintenstrahldruckern verwendet werden, besteht darin, daß die wiederholte Erwärmung des Widerstandselements über mehrere Hundert oder Tausend oder Millionen Aktivierungen eine Zerlegung der Tinte mit einer folgenden Verschmutzung der Oberfläche des Widerstandselements verursachen kann. Dieser Vorgang wurde mit "Kogation" bezeichnet, die als der Aufbau eines Rückstandes (Koga) auf der Widerstandsoberfläche bekannt ist. Das Aufbauen des Rückstandes verschlechtert das Stiftverhalten.
Verschiedene Tintenzusammensetzungen und Verfahren wurden bei dem Versuch entwickelt, die Kogation zu reduzieren. Z.B. wird in den anionischen Farbstoffen (Sulfonat oder Karboxylat), die gewöhnlich in wässerigen Tinten verwendet werden, die beim thermischen Tintenstrahldrucken verwendet werden, im allgemeinen Natrium als das Gegenion verwendet. Obwohl Farbstoffe, die Natrium-Gegenionen enthalten, im allgemeinen eine gute Druckqualität liefern, wurde jedoch herausgefunden, daß die Natrium-Gegenionen zu dem Kogationsproblem beitragen.
Eine Lösung bestand darin, das Natrium teilweise oder gänzlich zu beseitigen. Erfolgreiche Austausch-Gegenionen sind Lithium und Tetramethyl-Ammonium.
Es bleibt der Bedarf nach der Entwicklung von Tinten mit einer reduzierten Kogation und daher einer längeren Lebensdauer unter Verwendung billiger Chemikalien mit einer minimalen zusätzlichen Bearbeitung.
Die DE-A-3132247 beschreibt wässerige Druckertinten für Tintenstrahldrucker, die einen wasserlöslichen Farbstoff, Wasser und ein Oberflächen-aktives Phosphat-Ester aufweisen. Es wird gesagt, daß das Vorliegen des Oberflächen-aktiven Phosphatsester die Verstopfung der Tintenstrahldüsen reduziert.
Die vorliegende Tinte liefert eine Tinte für das thermische Tintenstrahldrucken, die ein Lösungsmittel aufweist, das aus zumindest einer Wasser-mischbaren organischen Verbindung und Wasser besteht, wobei folgende Stoffe in dem Lösungsmittel aufgelöst sind: von 1% bis 12% Masseanteil eines anionischen oder kationischen Farbstoffes, basierend auf dem Gewicht der Tinte; und von 0,0009 bis 14% Masseanteil eines Oxo-Anions, basierend auf dem Gewicht der Tinte, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Phosphat, Diphosphat, Monomethyl-Phosphat, Dimethyl-Phosphat, Arsenat, Molybdat, Sulfid und Oxalat besteht.
Der Zusatz solcher Oxo-Anionen beseitigt über die Lebensdauer von Tintenstiften, wie z.B. denen, die in dem Drucker DeskJet von Hewlett-Packard verwendet sind, im wesentlichen eine Kogation. Ferner werden solche Oxo-Anionen die Kogation für Tinten verhindern, die Farbstoffe mit negativ geladenen wasserlöslichen Gruppen, wie z.B. Sulfonat und Karboxylat, enthalten.
Fig. 1 ist in Koordinaten des Gewichts (in Nanogramm, ng) und der Anzahl von Zyklen (Widerstandsaktivierungen) eine Darstellung des Tropfengewichts über den Zyklen für drei unterschiedliche Energien einer Tinte, die nicht die Zusatzstoffe der Erfindung einschließt, welche die Wirkung der Kogation auf das Tropfengewicht bis 5 Millionen Zyklen zeigt; und
Fig. 2 ist eine Darstellung, die ähnlich der von Fig. 1 ist, jedoch für eine Tinte, die die Zusatzstoffe der Erfindung enthält, wobei im wesentlichen keine Kogation bis 10 Millionen Zyklen gezeigt ist.
Tinten, die durch die Verwendung der Erfindung verbessert sind, enthalten ein Lösungsmittel und einen Farbstoff. Das Lösungsmittel weist eine oder mehrere Wasser-mischbare organische Verbindungen auf, wie z.B. ein Glykol oder Glykoläther und Wasser. Der Farbstoff kann ein beliebiger der anionischen oder kationischen Farbstoffe sein. Der Farbstoff liegt in einem Mengenbereich von 1 bis 12% (Masseanteil) vor, obwohl mehr oder weniger Farbstoff verwendet werden kann, abhängig von dem Lösungsmittel/Farbstoff-System, der gewünschten optischen Dichte, usw.. Typischerweise beträgt die Farbstoffkonzentration 2 bis 6% (Masseanteil). Alle Mengen hierin sind Masseanteile, es sei denn etwas anderes ist angezeigt.
Hierin sind speziell ICI-Farbstoffe 286 und 287 als Tinten verwendet, vorzugsweise in einem Gemisch 50:50. Jedoch kann alternativ ein beliebiger der gut bekannten Farbstoffe verwendet werden.
Die speziellen Wasser-mischbaren organischen Verbindungen und ihre Konzentrationen stellen kein erforderliches Merkmal für diese Erfindung dar. Beispiele solcher Komponenten umfassen jedoch Glykole, wie z.B. Ethylenglykol, Diethylenglykol, Propylenglykol, Polyethylenglykol, usw., und Pyrrolidone, wie z.B. 2-Pyrrolidon. Üblicherweise liegt das Glykol in einer Menge bis zu 50% und typischer bis zu 10% vor, und als Rest Wasser. Das Pyrrolidon liegt üblicherweise in einer Menge von 7 - 10% vor, und als Rest Wasser. Andere Zusatzstoffe können der Tinte hinzugefügt werden, wie z.B. Fungizide, Bakterizide, pH-Wert-Einstellmittel und dergleichen, wie gut bekannt ist. Solche Zusatzstoffe und die Materialien, die das Lösungsmittel und den Farbstoff enthalten, besitzen eine Reinheit, die üblicherweise in der normalen kommerziellen Praxis gefunden wird.
Gemäß der Erfindung reduziert der Zusatz einer Verbindung, die ein Oxo-Anion enthält, eine Kogation wesentlich und kann dieselbe sogar vollständig eliminieren. Beispiele solcher Oxo-Anionen umfassen Phosphate (sowohl PO&sub4;³&supmin; als auch P&sub2;O&sub7;&sup4;&supmin;) und Monomethyl- oder Dimethyl-Phosphat-Ester. Ferner umfassen Beispiele von Oxo-Anionen, die vorteilsmäßig bei der Durchführung der Erfindung verwendet werden, in absteigender Reihenfolge ihrer Bevorzugung Arsenat (AsO&sub4;³&supmin;), Molybdat (Mo&sub7;O&sub2;&sub4;&sup6;&supmin;), Sulfid (SO&sub3;²&supmin;) und Oxalat (C&sub2;O&sub4;²&supmin;). Es kann sein, daß von diesen unterschiedliche Anionen keine vorteilhafte Wirkung besitzen. Z.B. sind Nitrat- und Thiozyanat-Anionen mit den oben genannten ICI-Farbstoffen unwirksam. Ein Oxo-Anion, wie hierin verwendet, ist eine Klasse von Anionen, bei der verschiedene Elemente mit Sauerstoff gebunden sind und die in einer wässerigen Lösung eine negative Gesamtladung tragen.
Die bis heute wirksamsten Zusatzstoffe sind Phosphatsalze; zusätzlich entweder zweibasige (HPO&sub4;²&supmin;), monobasige (H&sub2;PO&sub4;²&supmin;), Poly-Phosphate, wie z.B. Diphosphat (P&sub2;O&sub7;&sup4;&supmin;) oder Monomethyl- oder Dimethyl-Phosphat-Ester.
Die Phosphatspezies in der Lösung wird durch den pH-Wert der Tinte bestimmt. In dem pH-Bereich von 8 bis 9 (typisch für Tinten, die ICI-Farbstoffe enthalten) ist die bevorzugte Spezies sowohl für ein- als auch zwei-basige Phosphate HPO&sub4;²&supmin;.
Fig. 1 zeigt eine Messung der Kogation einer Tinte, die ein Lösungsmittel aus 10% 2-Pyrrolidon und 0,2% Natriumborat, als Rest Wasser und 2,2% eines 50:50-Gemisches von ICI-Farbstoffen 286/287 (NH&sub4;&spplus;-Form) aufweist. Der pH-Wert war mit NH&sub4;OH auf 8,5 eingestellt. Bei dieser Tinte wurde kein Zusatzstoff verwendet und es ist deutlich, daß es bei dieser Tinte eine große Abnahme des Tropfenvolumens gibt (Bestimmung geschieht mittels Gewicht), die beinahe unmittelbar beginnt.
Zum Vergleich sind die Kogationsergebnisse für die gleiche elementare Tintenzusammensetzung mit 0,1% Masseanteil Ammonium-Phosphat in Fig. 2 dargestellt. Der Zusatz des Ammonium-Phosphats ergibt deutlich eine Tinte mit einem konstanten Tropfenvolumen. Diese Tinte zeigt ein im wesentlichen flaches Verhalten, selbst bis 30 Millionen Zyklen.
Die Auswahl des Gegenions stellt kein erforderliches Merkmal der Erfindung dar, wenn es die Reduzierung der Kogation nicht nachteilig stört. Beispiele geeigneter Kationen schließen Alkalimetalle, Ammonium und Alkylammonium ein. Eine besonders wirkungsvolle Verbindung ist Ammonium-Phosphat. Das Phosphat-Ion kann auch als Phosphorsäure (H&sub3;PO&sub4;) zugesetzt werden, zusammen mit der Neutralisation mit einer geeigneten Base.
Die Konzentration des die Kogation reduzierenden Zusatzstoffes (der Anionen) der Erfindung liegt in einem Bereich von 0,0009 bis 14% Masseanteil, basierend auf dem Oxo-Anion. Weniger als 0,0009% Masseanteil ist, obwohl wirksam, nicht genug, um stabile Tropfenvolumen bis zu mehreren Millionen Aktivierungen zu ergeben. Vorzugsweise liegt die Konzentration der Oxo-Anionen in einem Bereich von 0,01 bis 1% Masseanteil.
Wie vorher gezeigt wurde, verschlechtert die Kogation das Stiftverhalten. Eine Verschlechterung des Stiftverhaltens kann durch das Messen (das Wiegen) der Tropfen, die von einem Stift abgeschossen werden, überwacht werden. Eine Änderung des Tropfenvolumens zeigt die Bildung von Widerstandsrückständen an.
Ohne eine beliebige spezielle Theorie zu unterzeichnen, scheint es, daß der Kogationseffekt in der Adsorption des Farbstoffes und/oder Zerlegungsprodukten der Tinte auf der Widerstandsoberfläche begründet ist. Das Auftreten und das Zunehmen des adsorbierten Farbstoffes oder der Zerlegungsprodukte reduzieren offensichtlich das abgeschossene Tintenvolumen. Es wird angenommen, daß der Zusatzstoff der Erfindung den Adsorptionsprozeß beseitigt oder reduziert.
Der Zusatz von Ammonium-Phosphat zu Tinten mit relativ niedrigen Konzentrationen (0,02 bis 0,5%) ergibt Tinten, die bis zu vielen Millionen Tropfen konstante Tropfenvolumen aufweisen. Z.B. zeigten Tinten, die solche Ammonium-Phosphat-Mengen enthalten, daß die Tintenvolumen bis mindestens 30 Millionen Tropfen konstant bleiben. Die gleichen Tinten ohne Ammonium-Phosphat besitzen keine konstanten Tropfenvolumen, wie vorher bezugnehmend auf die Figuren 1 und 2 gezeigt wurde.
Die Untersuchung der Widerstände von Tinten mit und ohne dem Zusatz von Ammonium-Phosphat zeigt, daß es eine große Rückstandsmenge (Koga) auf den Widerstanden für Tinten ohne Phosphat gibt, die nur bis 5 Millionen Zyklen abgeschossen wurden, und im wesentlichen saubere Widerstandsoberflächen für Tinten, die Phosphat enthalten, wenn dieselben die doppelte Anzahl von Zyklen (10 Millionen) abgeschossen wurden.
Eine Auger-Elektronenspektroskopie bestimmte, daß der Widerstandsrückstand primär Kohlenstoff enthält. Andere Elemente, wie z.B. Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel liegen mit relativ geringeren Konzentrationen vor. Die Widerstandsoberflächen, die nicht-Phosphat-haltigen Tinten ausgesetzt waren, besitzen eine dicke Kohlenstoffschicht (entsprechend dem adsorbierten Farbstoff) und/oder Tintenzerlegungsprodukte, wohingegen die Widerstandsoberflächen, die den Phosphat-haltigen Tinten ausgesetzt waren, nur eine sehr dünne Kohlenstoffschicht, zusammen mit etwas Phosphor, aufweisen. Offensichtlich wird das Phosphat auf der Widerstandsoberfläche adsorbiert und verhindert die Adsorption des Farbstoffes und/oder der Tintenzerlegungsprodukte auf derselben.
Interessanterweise unterstellt das Vorhergehende, daß der Vorgang der Kogation umkehrbar ist. Tatsächlich unterlagen Stifte durch das Aktivieren mit einer Tinte, die nicht Phosphat enthielt, bis zu mehreren Millionen Zyklen einer Kogation, bis die Tropfenvolumen merklich abnahmen. Das Wiederauffüllen dieser Stifte mit einer Phosphat-haltigen Tinte ergab eine vollständige Erholung des Stifts. D.h., daß die Tropfenvolumen auf einen "normalen Pegel" von etwa 140 pl ansteigen.
Der pH-Wert der Tinten wird unter Verwendung gewöhnlich verwendeter pH-Wert-Einstellmittel eingestellt, um in dem Bereich von etwa 3 bis 10, und vorzugsweise etwa 8 bis 9 für die hierin erörterten ICI-Farbstoff-Beispiele, zu legen.

Beispiele

Beispiel 1:

In diesem Beispiel ist die Vorbereitung einer Tinte, die Phosphat enthält, beschrieben. Die Tinte umfaßte ein Lösungsmittel von 10% 2-Pyrrolidon, 0,2% Natrimborat als einen pH-Puffer und als Rest deionisiertes Wasser und 2,2% eines 50-50-ICI-Farbstoffes 287/287. Ein monobasiges Ammonium- Phosphat (NH&sub4;H&sub2;PO&sub4;) wurde der vorher genannten Tinte zugesetzt, um eine Konzentration von 0,1% Masseanteil in demselben zu liefern. Der anfängliche pH-Wert wurde mit konzentriertem NH&sub4;OH auf 8,5 eingestellt.

Beispiel 2:

Die Tinte von Beispiel 1 wurde während 10 Millionen Zyklen auf eine Kogation überprüft. Die Parameter, die verwendet wurden, um die Wirksamkeit eines Zusatzstoffes auszuwerten, ist das Tropfenvolumen. Bei diesem Test werden die Tröpfchen, die von einem Stift ausgestoßen werden, gesammelt und in einem Tiegel oder auf einer analytischen Waage gewogen. Ein Durchschnittsgewicht wird erhalten und im allgemeinen als Tropfenvolumen in Pikolitern (pl) bezeichnet. Der laufende Test arbeitet bei drei unterschiedlichen Energien (15%, 30% und 45%) über der Energie, die erforderlich ist, um ein Tröpfchen von einer Düse abzuschießen, um einen Funktionsbereich (OE) zu erhalten. Bei einem gegebenen Drucker und einem gegebenen Stift wird ein Stift unter normalen Betriebsbedingungen bei einer einzigen Energie betrieben werden. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt, wie oben erörtert wurde. In Fig. 2 (und in Fig. 1) stellt die gestrichelte Linie 15% OE dar, die starke durchgezogene Linie stellt 30% OE dar und die leicht durchgezogene Linie stellt 45% OE dar.

Beispiel 3:

Zum Vergleich wurde die gleiche Tinte wie in Beispiel 1 unter Weglassen des Ammonium-Phosphats vorbereitet. Die Tinte wurde wie in Beispiel 2 getestet. Die Ergebnisse sind in Fig. 1 dargestellt, wie oben erörtert wurde.
Es ist zu sehen, daß die Tinte ohne Ammonium-Phosphat deutlich eine Kogation innerhalb einer sehr kleinen Zahl von Zyklen zeigt, obwohl die Tinte, die Ammonium-Phosphat enthält, gegenüber einer Kogation bis mindestens 10 Millionen Zyklen stabil ist.

Beispiel 4:

Ein Gemisch von Dimethyl-Phosphat (55%) und Monomethyl-Phosphat (45%) wurde einer Tinte zugesetzt, die die gleiche wie in Beispiel 3 war, mit der Ausnahme, daß die Menge des Pyrrolidon in dem Lösungsmittel 7,5% betrug. Die gesamte Phosphat-Ester-Konzentration betrug 0,5% Masseanteil und der pH-Wert der Tinte wurde auf 8,5 eingestellt. Die Tinte besaß stabile Tropfenvolumen, wenn sie bis 4,8 Millionen Zyklen getestet wurde.

Beispiel 5:

Ein Zusatz von 0,2% Ammonium-Phosphat zu einer Tinte, die mit der Natrium-Form von Direct Black 168 (Direktschwarz 168) (1,9% Masseanteil) in einem Lösungsmittel von 5,5% Diethylenglykol und als Rest Wasser vorbereitet wurde, ergab exzellente Ergebnisse. Die Tropfenvolumen waren konstant, wenn bis 9 Millionen Zyklen getestet wurde.

Beispiel 6:

Der Zusatz von 0,5% eines Gemisches von Dimethyl-Phosphat (55%) und Monomethyl-Phosphat (45%) zu einer Tinte, die mit der Lithium-Form von Acid Red 27 (Säurerot 27) (3% Masseanteil), einem Magenta-Farbstoff, in einem Lösungsmittel von 5,5% Masseanteil Diethylenglykol und als Rest Wasser vorbereitet wurde, ergab stabile Tropfenvolumen für alle Energien, wenn bis 4,8 Millionen Zyklen getestet wurden.

Beispiel 7:

Der Zusatz von 0,2% Ammonium-Phosphat zu einer Tinte, die mit Acid Red 27 (3% Masseanteil) in einem Lösungsmittel von 5,5% Masseanteil Diethylenglykol und als Restwasser vorbereitet wurde, ergab stabile Tropfenvolumen für alle Energien (15%, 30% , 45% OE) nach einem anfänglichen Anstieg, der bei näherungsweise 160 pl konvergierte. Jede OE-Kurve stieg mit einer unterschiedlichen Rate und war für 45% OE nach 0,4 Millionen, für 30% OE nach 1,4 Millionen und für 15% OE nach näherungsweise 3 Millionen stabil. Dies zeigt, daß nach einer bestimmten anfänglichen "Einlaufzeit" das Phosphat die Tropfenvolumen bei einem hohen Pegel stabilisierte, was exzellente Ergebnisse ergibt.
Somit wurde ein Zusatzstoff zum Reduzieren oder Eliminieren einer Kogation in Tinten, die in thermischen Tintenstrahldruckern verwendet werden, offenbart. Es ist für Fachleute ohne weiteres offensichtlich, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen in dem Bereich der Erfindung, der durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

1. Eine Tinte zum thermischen Tintenstrahldrucken, die ein Lösungsmittel aufweist, das aus zumindest einer wassermischbaren organischen Verbindung und Wasser besteht, wobei folgende Stoffe in dem Lösungsmittel aufgelöst sind:

von 1% bis 12% Masseanteil eines anionischen oder kationischen Farbstoffes, basierend auf dem Gewicht der Tinte; und

von 0,0009 bis 14% Masseanteil eines Oxo-Anions, basierend auf dem Gewicht der Tinte, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Phosphat, Diphosphat, Monomethyl- Phosphat, Dimethyl-Phosphat, Arsenat, Molybdat, Sulfid und Oxalat besteht.

2. Eine Tinte gemäß Anspruch 1, bei der das Lösungsmittel zumindest ein Glykol und als Rest Wasser aufweist.

3. Eine Tinte gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der Lösungsmittel bis zu 10% Masseanteil an Diethylen-Glykol und als Rest Wasser aufweist.

4. Eine Tinte gemäß Anspruch 1, bei der das Lösungsmittel zumindest ein Pyrrolidon und Wasser aufweist.

5. Eine Tinte gemäß Anspruch 4, bei der das Lösungsmittel bis zu etwa 10% Masseanteil von 2-Pyrrolidon und als Rest Wasser aufweist.

6. Eine Tinte gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei der das Oxo-Anion aus der Gruppe, die aus Phosphat und Diphosphat besteht, ausgewählt ist.

7. Eine Tinte gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei der das Oxo-Anion in einer Menge von 0,01 bis 1% Masseanteil, basierend auf dem Gewicht der Tinte, vorliegt.

8. Ein Verfahren zum Reduzieren der Kogation in einem thermischen Tintenstrahldrucker, das den Schritt des Druckens mit dem Drucker unter Verwendung einer Tinte gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.