DE69211412T2

DE69211412T2 - Zerfliessensverminderung in Tintenstrahldrucktinte

Info

Publication number: DE69211412T2
Application number: DE69211412T
Authority: DE
Inventors: John R Moffatt
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1991-04-17
Filing date: 1992-04-03
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2012-04-04
Also published as: EP0509688B1; JPH05132643A; US5116409A; JP3197057B2; CA2060598C; HK18497A; CA2060598A1; EP0509688A1; DE69211412D1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren des thermischen Tintenstrahldruckens und insbesondere auf Verfahren unter Verwendung gefärbter Tintenzusammensetzungen, bei denen ein Farbverlaufen im wesentlichen reduziert oder sogar beseitigt ist.

Hintergrundtechnik

Schwere Farbstofflasten auf Banknotenpapier von verschiedenfarbigen Tinten können zu einem Verlaufen und zu einer Reduzierung der Wasserfestigkeit führen. Verlaufen, wie es hierin verwendet wird, ist das Eindringen einer Farbe in eine weitere Farbe auf einem Papier, welches ein Oberflächenphänomen ist. Dies steht im Gegensatz zu Verwendungen des Ausdrucks im Stand der Technik, die dazu tendieren, "Verlaufen" im Zusammenhang mit Tinte einer einzigen Farbe, die den Fasern des Papiers folgt, zu definieren; dies ist ein Unter- Oberflächen-Phänomen.
In der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. 63- 165465 wurden grenzflächenaktive Stoffe als Anti-Verstopfungsmittel zur Verwendung in Tintenstrahldrucktinten verwendet. Die grenzflächenaktiven Stoffe, die in dieser Anmeldung verwendet sind, sind auf diejenigen begrenzt, die eine Oberflächenspannung zwischen 20 und 50 dyn/cm (20·10&supmin;³ und 50·10&supmin;³ N/m) aufweisen. Die Menge des grenzflächenaktiven Stoffes liegt in einem Bereich von etwa 0,5 bis 25% Masseanteil. Spezifische Beispiele, die offenbart sind, schließen Natrium-Dodecylbenzol-Sulfonat, Natriumlaurat und Polyethylen-Glycol-Monooleyl-Ether ein.
Die offengelegte Japanische Patentanmeldung Nr. 01-203,483 ist auf Zusammensetzungen zum Tintenstrahlschreiben gerichtet. Eine Verlauf-Reduzierung ist in Verbindung mit dem Drucken unter Verwendung der Tinten erwähnt. Jedoch benötigen diese Zusammensetzungen Pektin (0,01 bis 2% Masseanteil), was vermutlich als ein Verdickungsmittel verwendet ist. Jedoch ist Pektin aufgrund seiner thermischen Instabilität (es geliert bei höheren Temperaturen) in Tinten, die in thermischen Tintenstrahldruckern verwendet werden, nicht brauchbar.
Das Japanische Patent JO 1215-875-A ist auf Tinten gerichtet, die zum Tintenstrahldrucken geeignet sind, wobei sie ein gutes Schreiben mit einem schnellen Trocknen ohne Verlaufen zeigen. Alle diese Zusammensetzungen erfordern Triglyceride. Solche Verbindungen sind jedoch für eine ausgedehnte Lagerzeit, die für kommerzielle Tinten notwendig ist, nicht stabil.
Das Japanische Patent JO 1230-685-A ist auf Tinten gerichtet, die für das Tintenstrahldrucken geeignet sind, wobei sie eine schnelle Absorption auf der Oberfläche von herkömmlichem Büropapier ohne Schmieren und Klecksen zeigen. Die Zusammensetzungen weisen Färbemittel und flüssige Lösungsmittel und/oder Dispergiermittel auf und sind durch das Vorliegen eines Copolymers aus Ethylenoxid und Propylenoxid der Formel HO(C&sub2;H&sub4;O)a-C&sub3;H&sub6;O(C&sub2;H&sub4;O)bH, wobei a+b bis zu 50 ist, und b optional 0 ist, charakterisiert. Diese Copolymere werden als "PLURONICS" bezeichnet. Größtenteils wurde herausgefunden, daß dieselben das Verlaufen nicht stoppen.
Thermische Tintenstrahldrucker bieten eine günstige, qualitativ hochwertige und vergleichsweise geräuschfreie Option zu anderen Typen von Druckern, die üblicherweise mit Computern verwendet werden. Derartige Drucker verwenden ein Widerstandselement in einer Kammer, die mit einem Einlaß versehen ist, damit Tinte von einem vollständig gefüllten Raum eindringen kann. Der vollständig gefüllte Raum ist mit einem Behälter zum Lagern der Tinte verbunden. Eine Mehrzahl derartiger Widerstandselemente ist in einem speziellen Muster, das als ein Grundmuster (primitive) genannt wird, in einem Druckkopf angeordnet. Jedes Widerstandselement ist einer Düse in einer Düsenplatte zugeordnet, durch die Tinte zu einem Druckmedium ausgestoßen wird. Die gesamte Anordnung des Druckkopfs und des Behälters weist ein Tintenstrahlstift auf.
Im Betrieb ist jedes Widerstandselement über eine leitfähige Spur mit einem Mikroprozessor verbunden, wobei stromführende Signale bewirken, daß ein oder mehrere ausgewählte Elemente erwärmt werden. Die Erwärmung erzeugt eine Tintenblase in der Kammer, die durch die Düse zu dem Druckmedium ausgestoßen wird. Auf diese Weise bildet das Aktivieren einer Mehrzahl derartiger Widerstandselemente in einer speziellen Reihenfolge in einem gegebenen Grundmuster alphanumerische Zeichen, führt eine Flächenfüllung durcb und liefert weitere Druckfähigkeiten auf dem Medium.
Viele Tinten, die zur Verwendung beim Tintenstrahldrucken beschrieben sind, sind üblicherweise dem nicht-thermischen Tintenstrahldrucken zugeordnet. Ein Beispiel eines derartigen nicht-thermischen Tintenstrahldruckens ist das piezoelektrische Tintenstrahldrucken, welches ein piezoelektrisches Element verwendet, um Tintentröpfchen zu dem Medium auszustoßen. Tinten, die geeignet bei derartigen nicht-thermischen Anwendungen verwendet werden, können beim thermischen Tintenstrahldrucken aufgrund der Wirkung der Erwärmung auf die Tintenzusammensetzung häufig nicht verwendet werden.
Es bleibt ein Bedarf nach Verfahren unter Verwendung von Tintenzusammensetzungen für die Verwendung beim thermischen Tintenstrahldrucken, die kein Verlaufen, wie es hierin definiert ist, zeigen, und die trotzdem eine relativ lange Lagerhaltbarkeit und andere erwünschte Eigenschaften derartiger Tinten aufweisen.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren des thermischen Tintenstrahldruckens einer Tinte einer ersten Farbe benachbart zu einer Tinte einer unterschiedlichen zweiten Farbe auf einem Medium mit einem reduzierten Farbverlaufen zwischen den Tinten der ersten und der zweiten Farbe, wobei das Verfahren das thermische Tintenstrahl-Bedrucken benachbarter Regionen auf dem Medium mit den Tinten der ersten bzw. der zweiten Farbe aufweist, wobei zumindest eine der Tinten die folgende Zusammensetzung aufweist: (a) einen Trägerstoff; und (b) 0,1 bis 10% Masseanteil zumindest eines wasserlöslichen Farbstoffes, der in demselben aufgelöst ist, wobei der Trägerstoff (1) zumindest einen Bestandteil, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus zwitterionischen grenzflächenaktiven Stoffen und nicht-ionischen Amphiphilen besteht, die Micellen bilden, welche den Farbstoff adsorbieren, die in einer Menge vorliegen, die zumindest gleich ihrer kritischen Micellenkonzentration ist; (2) 0 bis 20% Masseanteil zumindest eines organischen Lösungsmittels, das die Micellenbildung des zumindest einen Bestandteils unterstützt; und (3) als Rest Wasser aufweist.
Vorzugsweise weist die Tinte ferner ein Biozid, ein Fungizid und/oder ein Slimizid auf.
Der Ausdruck "Niederdampfdruck-Lösungsmittel", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf ein Lösungsmittel mit einem Dampfdruck, der geringer als der von Wasser ist, und der Ausdruck "wasserlöslicher Farbstoff" bezieht sich auf einen Farbstoff, dessen Löslichkeit in Wasser 2% Masseanteil überschreitet.
Niederdampfdruck-Lösungsmittel können die folgenden Bestandteile aufweisen, sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt: Glycole, wie z. B. Ethylenglycol, Diethylenglycol, Triethylenglycol, Tetraethylenglycol, Propylenglycol, Polyethylenglycol und Derivate derselben; Diole, wie z. B. Butandiol, Pentandiol, Hexandiol und homologe Diole; Glycol-Ester, wie z. B. Propylenglycol-Laurat; Mono- und Diglycol-Ether, wie z. B. Cellusolve, einschließlich Ethylenglycol-Monobutylether, Diethylenglycol-Ether, wie z. B. die Carbitole, Diethylenglycol-Monoethyl, Butyl, Hexylether, Propylenglycol- Ether, Dipropylenglycol-Ether, und Triethylenglycol-Ether; langkettige Alkohole, wie z. B. Butylalkohol, Pentylalkohol, und homologe Alkohole; und weitere Lösungsmittel, wie z. B. Sulfolan, Ester, Ketone, Lactone, wie z. B. γ-Butyrolacton, Lactame, wie z. B. N-Pyrrolidon und N-(2-Hydroxyethyl)Pyrrolidon, und Glycerole und deren Derivate.
Mikrobielle Reagenzien schließen folgende ein, sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt: NUOSEPT (Nudex, Inc., einer Abteilung der Huls Americal), UCARCIDE (Union Carbide), VAN- CIDE (RT Vanderbilt Co.) und PROXEL (ICI Americas).
Farbstoffe schließen folgende ein, sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt: anionische wasserlösliche Typen, wie z. B. C.I. Acid Blue 9 (#42090) (Säureblau), C.I. Acid Red 18 (#18) (Säurerot), C.I. Acid Red 27 (#16185), C.I. Acid Red 52 (#45100), C.I. Acid Yellow 23 (#19140) (Säuregelb), C.I. Direct Blue 199 (#74190) (Direktblau), C.I. Direct Yellow (#29325) (Direktgelb) und deren einwertige Alkali-Erdionen, beispielsweise Na&spplus;, Li&spplus;, Cs&spplus;, NH&sub4;&spplus;, und substituierte Ammoniumsalze. Der Farbstoff (die Farbstoffe) liegt von etwa 0,1 bis 10% Masseanteil der Tinte vor.
Es ist wichtig zu bemerken, daß bestimmte Ingredienzien duale Funktionen aufweisen. Beispielsweise kann n-Butyl-Carbitol als ein Niederdampfdruck-Lösungsmittel und als eine Selbst-Aggregations-Komponente wirken. Eine weitere Erläuterung bezüglich der kritischen Rolle der Aggregation und der Konzentration von grenzflächenaktiven Stoffen beim Vermindern des Verlaufens wird nachfolgend geliefert. Es ist ausreichend, hier zu bemerken, daß kritische Konzentrationen eines grenzflächenaktiven Stoffes notwendig sind, um in einem Doppelpunktmodus-Drucken, das verwendet wird, um hierin die Druckproben zu erzeugen, ein Verlaufen wirksam und vollständig zu verhindern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt Verlauf-Referenzmuster, wobei höhere Verlaufindizes ein nicht annehmbares Verlaufen widerspiegeln (ein Verlaufwert von ≤ 2,5 wird für eine Textausgabe hoher Qualität als annehmbar betrachtet);
Fig. 2 zeigt über Koordinaten der Textdruckqualität (linke Abszisse) oder des Verlaufens (rechte Abszisse) und der Konzentration des grenzflächenaktiven Stoffes (Tensidkonzentration), die qualitative Wirkung auf die Druckqualität und das Verlaufen als eine Funktion der Konzentration eines grenzflächenaktiven Stoffes; und
Fig. 3a-b sind, über Koordinaten der Farbstoffkonzentration und der Gesamt-Detergens-Tensid-Konzentration ([D]T), Aufzeichnungen der Farbstoffadsorption an Micellen, wobei Fig. 3a die Wirkung einer schwachen Adsorption von Farbstoff an einer Micelle zeigt, und wobei Fig. 3b die Wirkung einer starken Adsorption von Farbstoff an einer Micelle zeigt, wobei [D]m die Detergens-Tensid-Konzentration in Micellen ist, und [D]w die Detergens-Tensid-Konzentration in Wasser ist.

Beste Arten zum Durchführen der Erfindung

Bei der Realisierung der Erfindung ist ein Farbverlaufen, das die Folge der Verwendung von Tintenstrahltinten in thermischen Tintenstrahldruckern ist, durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 vermindert, welches entweder zwitterionische grenzflächenaktive Stoffe oder nicht-ionische Amphiphile verwendet. Die zwitterionischen grenzflächenaktiven Stoffe, die bei der Realisierung der Erfindung verwendet werden, können pH-empfindlich oder pH-unempfindlich sein.
Alle hierin angegebenen Konzentrationen sind in Masseanteil, es sei denn, etwas anderes ist angezeigt. Die Reinheit aller Komponenten ist die, die bei der normalen kommerziellen Realisierung für thermische Tintenstrahltinten verwendet ist.
Der Bequemlichkeit halber sind Beispiele von verlaufvermindernden, grenzflächenaktiven Stoffen (Tensiden) in zwei Kategorien geteilt: (1) nicht-ionische Amphiphile und (2) zwitterionische. Die obigen sind ferner in drei Klassen unterteilt: (a) wasserlösliche Amphiphil-Nachahmungen (mimetics), beispielsweise STARBURST-Dendrimere, die verzweigte Polyethylen-Amine sind, die von Polysciences, Inc., erhältlich sind, und dergleichen, (b) Polyether, beispielsweise Ethylenglycol-n-Butyl-Ether, Diethylenglycol-n-Butyl-Ether, Diethylenglycol-n-Hexyl-Ether, Triethylenglycol-n-Butyl- Ether, Propylenglycol-Isobutyl-Ether, die TRITONS, die Nonyl-Phenyl-Polyethylen-Oxid-Tenside sind, die von der Rohm & Haas Co. erhältlich sind, die PLURONICS und die PLURAFACS, die Polyethylen-Oxid- und Polypropylen-Oxid-Block-Copolymere sind, die von BASF erhältlich sind, und die SURFYNOLS, die Acetylen-Polyethylen-Oxid-Tenside sind, die von Air Products & Chemicals, Inc., erhältlich sind, und (c) amphotere Moleküle, beispielsweise NDAO, NTAO, NHAO, OOAO, NOAO und SB3- 16; weitere Informationen bezüglich dieser Komponenten werden nachfolgend geboten.
Ein Beispiel eines pH-empfindlichen, zwitterionischen, grenzflächenaktiven Stoffes (Tensides) ist N,N-Dimethyl-N- Dodecyl-Aminoxid (NDAO), welches einen pka in Wasser von etwa 2,3 aufweist:
Diese Verbindung besitzt ein Molekulargewicht von 229 und eine kritische Micellenkonzentration (cmc (cmc = critical micelle concentration); diese soll später detaillierter erläutert werden) von 13 mM.
Ferner kann anstelle des C&sub1;&sub2;H&sub2;&sub5;-Anteils ein beliebiger R-Anteil verwendet werden. Die folgenden Anteile, ihre Namen, ihre Abkürzung, ihr Molekulargewicht (mw) und ihre cmc sind bei der Durchführung der Erfindung nützlich:
N,N-Dimethyl-N-Tetradecyl-Aminoxid (NTAO);
mw = 257; cmc = 6 bis 8 mM;
N,N-Dimethyl-N-Hexadecyl-Aminoxid (NHAO);
mw = 285; cmc = 0,8 mM;
N,N-Dimethyl-N-Octadecyl-Aminoxid (NOAO);
mw = 313; cmc = klein;
N,N-Dimethyl-N-(Z-9-Octadecyl)-N-Aminoxid (OOAO);
mw = 311; cmc = klein.
Ein weiteres Beispiel ist N-Dodecyl-N,N-Dimethyl-Glycin, welches ein pka von etwa 5 in Wasser aufweist:
Noch weitere Beispiele schließen Phosphate, Phosphite, Phosphonate, Lecithine oder dergleichen, und Phosphatester, beispielsweise Phosgomyelin, welches ein pka von etwa 2 bis 3 in Wasser aufweist, ein:
Weitere ähnliche Verbindungen schließen Phosphoglyceride, beispielsweise Phosphatidylethanolamine, Phosphatidylcholine, Phosphatidyl-Serine, Phosphatidylinositole und B' -O-Lysylphosphatidylglycerole, ein.
Zusätzliche Beispiele von Verbindungen, die bei der Durchführung der Erfindung brauchbar sind, schließen die Sulfobetaine ein, welche zwitterionisch, aber pH-unempfindlich sind:
Wenn n = 11, wird die Verbindung mit SB3-12 bezeichnet; wenn n = 15, wird die Verbindung mit SB3-16 bezeichnet.
Beispiele nicht-ionischer, nicht amphoterer, grenzflächenaktiver Stoffe, die bei der Durchführung der Erfindung brauchbar sind, schließen Verbindungen ein, die unter den Handelsnamen TERGITOL, welche Alkyl-Polyethylen-Oxide sind, die von der Union Carbide erhältlich sind, und BRIJ erhältlich sind, welche ebenfalls Alkyl-Polyethylen-Oxide sind, die von der ICI Americas erhältlich sind und folgende Formel aufweisen:
CH&sub3;-(CH&sub2;)n(-O-CH&sub2;-CH&sub2;-)m-OH
(wenn n = 3 und m = 2, ist dies n-Butyl-Carbitol, ein Cellusolve).
In dieser Kategorie sind ferner die PLURONICS und die PLURA- FACS (BASF) mit der folgenden allgemeinen Formel eingeschlossen:
HO-(-CH&sub2;-CH&sub2;-O-)n(-CH&sub2;-CH(CH&sub3;)-O-)m-CH&sub2;-CH&sub2;-OH
Die TRITONS (Rohm & Haas Co.) sind allgemein wie folgt dargestellt:
R-Ph-O(CH&sub2;-CH&sub2;-O)yR'
wobei R, R' eine beliebige Alkan-, Alken-, Aryl- oder Alkynyl-Gruppe oder H, Ph Phenyl ist, y = 1 bis 50 und R ähnlich zu der Etherverbindung auf dem Benzen-Ring ist.
Die SURFYNOLS (Air Products & Chemicals, Inc.) sind wie folgt dargestellt:
wobei n+m = 0 bis 50.

Beispiele von verlaufvermindernden Amphiphilen

Zwitterionische, grenzflächenaktive Stoffe, beispielsweise NDAO, NTAO, OOAO und NOAO wurden zuerst versucht. Diese grenzflächenaktiven Stoffe (mit Ausnahme von NOAO) sind in wässrigen Lösungen (etwa 0,1 bis 20% Masseanteil) von Diethylenglycol, Glycerol und Ethylen- und Propylen-Glycol vollständig mischbar. NOAO ist ebenfalls mischbar, wenn bis zu 10% Masseanteil eines geradkettigen primären Alkohols, beispielsweise n-Propanol, n-Butanol, n-Pentanol, zugesetzt ist.
Vier Beispiele sind in Tabelle I enthalten. NDAO-Konzentrationen bei 0, 0,5%, 1,0% und 5% grenzflächenaktivem Stoff in Wasser war der Trägerstoff. Die Farben wurden gleichzeitig unter Verwendung eines Punkt-auf-Punkt-Algorithmusses (Doppeldurchlauf) Seite an Seite gedruckt. Die verwendeten Farbstoffe waren 1,33% C.I. Acid Red 27 (#16185); 1,65% C.I. Acid Blue 9 (#42090); 1,33% C.I. Direct Yellow 86 (#29325). Tabelle I zeigt, daß ohne NDAO eine massive, starke Ausbreitung der Farben auftrat (Verlaufen). NDAO bei 0,5% änderte das Ausmaß des Verlaufens radikal, wobei dasselbe jedoch nicht beseitigt ist. Tabelle I zeigt ferner die Wirkung von erhöhten NDAO-Konzentrationen von 1% bzw. 5%, Konzentrationen, die ein Verlaufen im wesentlichen beseitigen. Lösungsmittel, die 0 bis 20% Diethylen-Glycol, Propylen-Glycol oder Glycerol oder 0 bis 15% 1,5-Pentandiol enthielten, ergaben mit NDAO bei näherungsweise den gleichen Konzentrationen ähnliche Ergebnisse (siehe Tabelle 111 unten, Tinte #1). NOAO und OOAO erforderten 0 bis etwa 10% eines Co-Lösungsmittels, beispielsweise 1-Propanol, 1-Butanol oder 1-Pentanol, für Lösbarkeitszwecke (siehe Tabelle 111 unten, Tinten #6-11, 13-16, 25-27, 29, 30, 31, 33).
Die Farbverlauf-Indexwerte, die in Tabelle I aufgelistet sind, sind aus der Skala abgeleitet, die in Fig. 1 vorgesehen ist, welche ein Druck von Linien roter (magenta) Tinte auf einem Hintergrund gelber Tinte ist. Für eine Textausgabe hoher Qualität wird ein Wert von ≤ 2,5 als annehmbar betrachtet. Für etwas geringere Qualitätsanforderungen, beispielsweise das Drucken auf Verpackungen, ein Plotten und dergleichen, wird ein Wert von etwa 3 bis 4 als annehmbar betrachtet. Tinten, die üblicherweise gegenwärtig kommerziell verwendet werden, haben typischerweise Werte von etwa 6 oder mehr. Tabelle I: Verlauf-Indizes für verschiedene Systeme System¹ Wt%² Index³ n-Pentanol; 1,5-Pentandiol; NDEC&sup4; n-Butanol; 1,4-Butandiol; SB3-16 1,5-Pentandiol; SURFYNOL S465 TRITON n-Butanol Anmerkungen: 1 Farbstoffe schließen AR27, 1,33%; DY86-Na, 1,33%; AB9-Na, 1,65% ein. 2% Masseanteil, Rest ist Wasser. 3 Farbverlauf-Index; ein Wert von ≤ 2,5 wird für Textausgaben hoher Qualität als annehmbar betrachtet. 4 N,N-Dimethyl-N-Dodecyl-N-(Ethyl-Carboxylat). * vergleichendes Beispiel.
Ferner ist in Tabelle I ein Beispiel gezeigt, bei dem der Trägerstoff aus 2% n-Pentanol und 6% 1,5-Pentandiol oder aus 7% n-Butanol bestand. Die Verwendung solcher Papier-benetzender und -durchdringender Trägerstoffe in den Tinten allein vermindert das Verlaufen nicht.
Tabelle I zeigt die Wirkung des Verwendens eines (Betain) zwitterionischen, grenzflächenaktiven Stoffes (NDEC) in Verbindung mit einem Trägerstoff von 2% n-Pentanol und 6% 1,5- Pentandiol beim Stoppen des Verlaufens. Der Zusatz des NDEC-Tensides reduzierte das Ausmaß des Verlaufens bemerkenswert, verglichen mit dem Trägerstoff ohne den grenzflächenaktiven Stoff.
Nicht alle zwitterionischen, grenzflächenaktiven Stoffe sind beim Beseitigen eines Verlaufens wirksam. Beispielsweise ist ein System, das 2% n-Butanol, 5% 1,4-Butandiol und 8% SB3-16 aufweist, nicht wie die anderen Beispiele beim Vermindern des Verlaufens wirksam. Andererseits ist, obwohl das Verlaufen noch vorliegt, dasselbe verglichen mit dem, bei dem das Trägerstoff 5,5% DEG ist und kein grenzflächenaktiver Stoff vorlag, reduziert.
Kleine Mengen kationischer grenzflächenaktiver Stoffe in der Tinte beseitigen in vergleichenden Experimenten das Verlaufen ebenfalls. Ein Grad einer Verlaufens-Steuerung (3,5) wird unter Verwendung von 2% Cetyl-Trimethylammonium-Bromid (CTABr) in Wasser erhalten. Der Zusatz eines Co-Lösungsmittels zu dem Trägerstoff, speziell 6% Diethylen-Glycol zu CTABr, das mit 2% vorliegt, liefert sogar eine bessere Verlaufens-Steuerung (2,5) als die, die mit CTABr allein erreicht wird.
Anionische grenzflächenaktive Stoffe in Tinten können in vergleichenden Experimenten das Verlaufen ebenfalls steuern. Beispielsweise 2% Natrium-Dodecylsulfat (SDS) in Wasser als Trägerstoff steuert das Verlaufen. Obwohl der Tintenverlauf-Index 3,5 ist, wäre eine solche Tinte beispielsweise für Plotter annehmbar.
Nur von einem nicht-ionischen grenzflächenaktiven Stoff der PLURONIC-Klasse, L-63, wurde herausgefunden, daß er ein Verlaufen verhindert, wenn er in der Tinte vorliegt (siehe Tabelle I).
Tabelle I zeigt die Wirkung einer zunehmenden Konzentration von SURFYNOL 465 beim Beseitigen eines Verlaufens: 2% SUR- FYNOL 465 ist nicht wirksam, wobei jedoch 4% SURFYNOL 465 das Verlaufen in Tintenträgerstoffen, die 10% 1,5-Pentandiol-Lösungsmittel enthalten, gut steuert.
Zunehmende Konzentrationen eines TRITON CF-21-Detergens zeigen ähnliche Wirkungen (vergleiche Tabelle I).
Diese Ergebnisse zeigen, daß unterschiedliche Klassen von grenzflächenaktiven Stoffen eine Konzentrationsabhängigkeit der wirksamen Verlauf-Verminderung zeigen. Konzentrationswirkungen wurden in dem Fall von nicht-ionischen, grenzflächenaktiven Stoffen, beispielsweise n-Butyl-Carbitol, n-Butyl-Propasol und n-Hexyl-Carbitol (nicht gezeigt), beobachtet.
Es ist interessant, die gemeinsamen strukturellen Merkmale unter diesen Verlauf-Verminderungs-Tensiden (grenzflächenaktiven Stoffen) zu bemerken. Alle weisen Merkmale auf, die grenzflächenaktiven Stoffen gemeinsam sind: lange Kohlenwasserstoff- (hydrophobische) Schwänze mit polaren (hydrophilen) Kopfgruppen. Weitere derartige Detergenzien ähnlicher Strukturen können in Tinten formelmäßig gebildet werden, um ein Verlaufen zu lösen, vorausgesetzt, dieselben weisen strukturelle Merkmale, die diesen gemeinsam sind, auf. Dies impliziert nicht, daß das Verlauf-Verminderungsverhalten allen Detergenzien angeboren ist.
Die Erfassung der cmc oder des Einsetzens einer Micellenbildung (micellization) in einer Tinte kann mittels einer Anzahl von Verfahren bestimmt werden. Typischerweise sind scharfe Änderungen in Ausdrücken der Oberflächenspannung über der Tensidkonzentration (in der Tinte) oder des osmotischen Drucks über der Tensidkonzentration (in der Tinte) zu sehen. Diese scharfen Änderungen werden der cmc zugeschrieben. Weitere Verfahren, beispielsweise die Leitfähigkeit, die Trübheit, die Bestimmung der äquivalenten Konduktanz sind in wasserlöslichen Tinten ausgeschlossen.

Verlauf-Verminderung - mögliche Mechanismen

Ein Verweis auf Fig. 2 ergibt eine hypothetische Konzentration eines oberflächenaktiven Reagenz über dem Verlaufen und Textdruck-Qualitätsskalenprofilen. Elementar zeichnet diese Figur die Verlauf- und Textqualitäts-Antworten nach, die für alle untersuchten grenzflächenaktiven Stoffe beobachtet werden. In Fig. 2 ist angenommen, daß andere Komponenten des Tintenträgerstoffes und der Farbstoffkonzentrationen fest sind, und daß die Tensidkonzentration die abhängige Variable ist. Aus Fig. 2 ist zu sehen, daß beim Zusatz einer kleinen Menge eines grenzflächenaktiven Stoffes eine geringe Änderung der Verlaufsteuerung und der Schärfe der Textdruckqualität existiert. Bei einem weiteren Hinzufügen eines grenzflächenaktiven Stoffes ist eine Verschlechterung der Textdruckqualität bei einer geringen oder keiner Verbesserung des Verlaufens (vielleicht tritt in einigen Fällen sogar eine leichte Verschlechterung der Verlauf-Verminderung auf) die Folge. Eine Tensidkonzentration wird schließlich erreicht, bei der eine Verbesserung der Qualität des Textes beginnt und das Verlaufen reduziert ist. Weitere Verringerungen des Verlaufens und eine Verbesserung der Textqualität können bei einer Erhöhung der Tensidkonzentration in der Tinte auftreten.
Es wurde herausgefunden, daß die geringste Tensidkonzentration, bei der eine Verlauf-Verminderung und eine Verbesserung der Textdruckqualität merklich wirksam werden, in der Nähe der kritischen Micellenkonzentration (cmc) oder der kritischen Monomerkonzentration der meisten grenzflächenaktiven Stoffe liegt. (Die cmc ist die Konzentration des grenzflächenaktiven Stoffes, bei der die einfache Elektrolyt- oder Nicht-Elektrolyt-Chemie gegenüber der Colloid-Chemie an Bedeutung verliert. Für die einfachen grenzflächenaktiven Stoffe, die vorher beschrieben wurden, ist dies die Konzentration des grenzflächenaktiven Stoffes, bei der Micellen, oder gesammelte Tensidmoleküle beginnen, zu erscheinen).
Die Micellenbildung (micellization) wird durch Entropie-Beschränkungen getrieben; die Kohlenwasserstoffketten werden in das Innere der Micelle getrieben, wobei die hydrophilen wasserlöslichen Gruppen nach außen getrieben werden. Das resultierende Bereichsfluid liefert Regionen von Olefin-reichen und Wasser-reichen Taschen, welche organische Lösungsprodukte, beispielsweise Farbstoffe, Co-Tenside, und Co-Lösungsmittelmoleküle abhängig von deren Hydrophobie aufteilen. Ferner wirken Micellen aufeinander ein und finden Regionen in der Lösung, an denen ihre Positionsenergie (potentielle Energie) minimiert ist. Es ist denkbar, daß Micellen, die geladene Farbstoffmoleküle enthalten, sich auf die gleiche Art verhalten.
Eine Betrachtung der Tabelle II zeigt, daß die cmcs, die in derselben aufgelistet sind, genau mit dem Einsetzen der Verlauf-Verminderung in Tabelle I zusammenfallen. Die gezeigten cmcs gelten für reines Wasser. Die tabellarischen cmcs unterscheiden sich von denen in der Tinte aufgrund zugesetzter Salze und Hydrophoben, die die Micellenstruktur stören. Tabelle II: CMC-Daten für Tensid-Druckproben Klasse Mol-Gewicht Masseanteil Tensid Zwitterionisch: Ionisch: Nicht-ionisch: SURFYNOL TRITON Butyl-Carbitol Bemerkungen: 1 cmc in reinem Wasser bei 25ºC. 2 vergleichende Experimente
Der Einschluß von Farbstoffen in Micellen ist die vermutliche Art und Weise, durch die Tinten, die grenzflächenaktive Stoffe enthalten, das Verlaufen steuern. Micellen mit einem Farbstoff einer Farbe, die aus einem Tintenstrahlstift ausgestoßen wurde, wird keinen Farbstoff einer anderen Farbe in einer benachbarten Micelle auf einem Papiermedium austauschen, da die Rate, mit der das mobile Medium verdampft oder in das Papier adsorbiert viel schneller ist als die Desorptionsrate der Farbstoffmoleküle aus den Micellen oder die Rate, mit der Farbstoffmoleküle durch das micellare Medium diffundieren. Eine Verlauf-Verminderung ist die Folge.
Die Effizienz dieser Verlauf-Verminderung hängt von dem Adsorptionspegel der Farbstoffe in die Micellen, der Anzahlkonzentration von Micellen in der Tinte und der Diffusion des Farbstoffs und der Micellen auf der Papieroberfläche ab. Die Fig. 3a und 3b zeigen hypothetisch das Adsorptionsausmaß des Farbstoffes in die Micellen als eine Funktion der Tensidkonzentration für Farbstoffmoleküle, die stark an Micellen adsorbieren (Fig. 3b) und für Farbstoffmoleküle, die schwach adsorbieren (Fig. 3a). Es ist zu bemerken, daß bei dem schwach adsorbierenden Farbstoff eine viel höhere Tensidkonzentration notwendig ist, um die gleiche Farbstoffmenge zu binden, als in dem Fall des stark adsorbierenden Farbstoffs. Offensichtlich ist die Neigung für den Farbstoff, an Micellen zu adsorbieren, eine Funktion der Struktur (der Hydrophobie) und der Wechselwirkungen des Farbstoffmoleküls, des grenzflächenaktiven Stoffs, des Co-Lösungsmittels und des (eventuell) vorliegenden Co-Tensides.
Folglich beeinflußt die Tensidkonzentration die Steuerung des Verlaufens. Höhere Konzentrationen von Micellen absorbieren mehr Farbstoffmoleküle und verlangsamen die Diffusionsrate derselben.
Zusätzlich nehmen pH-empfindliche, zwitterionische, grenzflächenaktive Stoffe H&spplus; von dem Papier auf und wechseln von einem zwitterionischen grenzflächenaktiven Stoff in einen kationischen.
Dieses findet auf der Papieroberfläche statt. Anionische Farbstoffe, beispielsweise die oben genannten, verwachsen mit diesen kationischen grenzflächenaktiven Stoffen auf der Papieroberfläche, um einen wasserlöslichen Komplex aus Farbstoff und grenzflächenaktivem Stoff zu erzeugen, beispielsweise Farbstoff unlöslicher Komplex
Da diese unlöslichen Komplexe nicht diffundieren, wird eine Steuerung des Verlaufens erreicht.

Industrielle Anwendbarkeit

Es wird angenommen, daß die Verfahren der Erfindung Verwendung beim thermischen Tintenstrahldrucken finden, bei dem das Verlaufen einer Farbe in eine weitere von Belang ist. Die Verfahren der Erfindung reduzieren oder beseitigen sogar ein solches Farbverlaufen.

Beispiele

Die folgenden Tinten wurden vorbereitet, wie nachfolgend in Tabelle III aufgelistet ist (die Farbstoffe und Farbstoffkonzentrationen waren wie oben aufgelistet und der Rest war Wasser): Tabelle III: Tintenzusammensetzungen Tinte Lösungsm. Tinte Lösungsm. Tinte Lösungsm. Bemerkungen: ¹ Natrium-Cholat ² SURFYNOL 465 ³ n-Butanol &sup4; n-Butyl-Carbitol &sup5; DOWANOL DPM (Cellusolve von Dow Chemical Co.) &sup6; 1,4-Butandiol &sup7; Lithium-Cholat &sup8; PLURONIC L-63 &sup9; n-Butylpropasol ¹&sup0; 1,5-Pentandiol ¹¹ n-Hexyl-Carbitol ¹² n-Pentanol * Diese Tinten weisen einen Farbverlaufindex von ≤ 2,5 auf; die übrigen Tinten haben einen Farbverlaufindex in einem Bereich von etwa 3 bis 4.

Claims

1. Ein Verfahren des thermischen Tintenstrahldruckens einer Tinte einer ersten Farbe benachbart zu einer Tinte einer unterschiedlichen zweiten Farbe auf einem Medium mit einem reduzierten Farbverlaufen zwischen den Tinten der ersten und der zweiten Farbe, wobei das Verfahren das thermische Tintenstrahldrucken benachbarter Regionen auf dem Medium mit den Tinten der ersten bzw. zweiten Farbe aufweist, wobei zumindest eine der Tinten die folgende Zusammensetzung aufweist:

(a) einen Trägerstoff; und

(b) 0,1 bis 10% Masseanteil zumindest eines wasserlöslichen Farbstoffes, der in demselben aufgelöst ist, wobei der Trägerstoff folgende Merkmale aufweist: (1) zumindest einen Bestandteil, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus zwitterionischen, grenzflächenaktiven Stoffen und nicht-ionischen Amphiphi1en besteht, welche Micellen bilden, die den Farbstoff adsorbieren, welche in einer Menge vorliegen, die zumindest gleich der kritischen Micellenkonzentration derselben ist; (2) 0 bis 20% Masseanteil zumindest eines organischen Lösungsmittels, das die Micellenbildung des zumindest einen Bestandteils unterstützt; und (3) als Rest Wasser.

2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die zwitterionischen grenzflächenaktiven Stoffe aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus pH-empfindlichen Verbindungen und pH-unempfindlichen Verbindungen besteht.

3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die nicht-ionischen Verbindungen aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus (a) wasserlöslichen Amphiphil-Nachahmungen und (b) Polyether, Polyethylen-Oxiden, Nonyl- und Octyl-Polyethylen-Oxiden und Acetylen-verstärkten Polyethylen- Oxiden besteht.

4. Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Nachahmungen verzweigte Polyethylen-Amine sind; wobei die Polyethere aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Ethylenglycol-n-Butyl-Ether, Diethylenglycol-n-Butyl-Ether, Diethylenglycol-n-Hexyl-Ether, Triethylenglycol-n-Butyl-Ether und Propylenglycol-Isobutyl-Ether besteht.

5. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die zwitterionischen Verbindungen entweder (1) pH-empfindliche grenzflächenaktive Stoffe, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus N,N-Dimethyl-N-Dodecyl-Aminoxid, N,N-Dimethyl-N-Tetradecyl-Aminoxid, N,N-Dimethyl-N-Hexadecyl-Aminoxid, N,N-Dimethyl-N-Octadecyl- Aminoxid, N,N-Dimethyl-N-(Z-9-Octadecenyl)-N-Aminoxid besteht, oder (2) pH-unempfindliche, zwitterionische, grenzflächenaktive Stoffe, die Sulfobetaine aufweisen, sind.

6. Das Verfahren gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem das organische Lösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Glycolen, Diolen, Glycolestern, Glycolethern, Mono- und Diglycolethern, Cellusolven, Carbitolen, langkettigen Alkoholen, Estern, Ketonen, Lactonen und Glycerolen und Derivaten derselben sowie Gemischen derselben besteht.

7. Das Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem das Lösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ethylenglycol, Diethylenglycol, Triethylenglycol, Tetraethylenglycol, Propylenglycol, Polyethylenglycol, Polypropylenglycol und Derivaten derselben; Butandiol, Pentandiol, Hexandiol und homologen Diolen; Propylenglycol- Laurat; Ethylenglycol-Monobutylether, Diethylenglycol- Monoethylether, Diethylenglycol-Monobutylether, Diethylenglycol-Monohexylether, Propylenglycol-Ether, Dipropylenglycol-Ether und Triethylenglycol-Ether; Butyl-Alkohol, Pentyl-Alkohol und homologen Alkoholen; Sulfolan, γ-Butyrolacton, N-Pyrrolidon und N-(2-Hydroxyethyl)Pyrrolidon, und Glycerolen und deren Derivaten besteht.

8. Das Verfahren gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem der Farbstoff ein wasserlöslicher anionischer Farbstoff ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus C.I. Acid Blue 9, C.I. Acid Red 18, C.I. Acid Red 27, C.I. Acid Red 52, C.I. Acid Yellow 23, C.I. Direct Blue 199 und C.I. Direct Yellow besteht.

9. Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem der anionische Farbstoff einem Kation zugeordnet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einwertigen Alkali-Erdionen, NH&sub4;&spplus;, und substituierten Ammoniumsalzen besteht.

10. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Tinte im wesentlichen aus einer Tinte besteht, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus:

(a) 3% N,N-Dimethyl-N-(Z-9-Octadecenyl)-N-Aminoxid, 0,5% eines Acetylen-Polyethylen-Oxid-Tensids, 6% Pentandiol, 3% n-Butanol, einem Farbstoff, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus 1,33% Acid Red 27, 1,33% Direct Yellow 86 und 1,65% Acid Blue 9-Na besteht, und als Rest Wasser;

(b) 4% N,N-Dimethyl-N-Octadecyl-Aminoxid, und 6% N,n- Dimethyl-N-Hexadecyl-Aminoxid, 6% Pentandiol, 2% n-Pentanol, einem Farbstoff, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus 1,33% Acid Red 27, 1,33% Direct Yellow 86 und 1,65% Acid Blue 9-Na besteht, und als Rest Wasser; und

(c) 6% N,N-Dimethyl-N-Octadecyl-Aminoxid, 2% N,n-Dimethyl-N-(Z-9-Octadecenyl)-N-Aminoxid, 7% Pentandiol, 2% n-Pentanol, einem Farbstoff, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus 1,33% Acid Red 27, 1,33% Direct Yellow 86 und 1,65% Acid Blue 9-Na besteht, und als Rest Wasser;