DE69214892T2

DE69214892T2 - Auslauf-kontrollierende hoch molekulare Kolloide

Info

Publication number: DE69214892T2
Application number: DE69214892T
Authority: DE
Inventors: John R Moffatt
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1991-07-29
Filing date: 1992-07-07
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2012-07-08
Also published as: EP0526011B1; HK91997A; EP0526011A1; DE69214892D1; US5133803A; JPH05194884A; JP3308992B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Tinten, die beim Tintenstrahidrucken verwendet werden, und zwar besonders beim thermischen Tintenstrahidrucken, und besonders auf Farbtintenzusammensetzungen, bei denen das Farbzerlaufen wesentlich reduziert oder sogar beseitigt wird.
Schwere Farbstoffladungen auf Verbundpapier von verschiedenfarbigen Tinten können zu einem Zerlaufen und zu einer Reduktion der Wasserfestigkeit führen. Zerlaufen, wie es hierin verwendet wird, ist das Eindringen einer Farbe in eine andere Farbe auf Papier, welches ein Oberflächenphänomen ist. Dies ist eine Unterscheidung zur Verwendung des Ausdrucks im Stand der Technik, welcher dahin tendiert, "Zerlaufen" in dem Kontext zu verwenden, daß Tinte mit einer einzigen Farbe den Fasern des Papiers folgt. Dies ist ein Unteroberflächenphänomen.
Oberflächenaktive Stoffe wurden als Antiverstopfungsmittel in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 63- 165465 zur Verwendung bei Tintenstrahlaufzeichnungstinten verwendet. Die in dieser Anmeldung verwendeten oberflächenaktive Stoffe sind auf die begrenzt, die eine Oberflächenspannung zwischen 0,020 und 0,050 N/m (20 und 50 Dyn/cm) aufweisen. Die Menge des oberflächenaktiven Stoffs liegt in dem Bereich von etwa 0,5 bis 25 Gewichtsprozent. Spezifische offenbarte Beispiele umfassen Natrium-Dodecyl-Benzen-Sulfonat, Natriumlaurat und Polyethylen-Glykol-Monooleyl-Ether.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 01-203,483 ist auf Tintenstrahlaufzeichnungszusammensetzungen ausgerichtet. Es ist eine Reduktion des Zerlaufens in Verbindung mit einem Drucken, welches die Tinten verwendet, erwähnt. Die Zusammensetzungen benötigen jedoch Pektin (0,01 bis 2 Gewichtsprozent). Pektin ist jedoch in Tinten, die bei thermischen Tintenstrahldruckern verwendet werden, aufgrund seiner thermischen Instabilität nicht nützlich (es geht bei höheren Temperaturen in einen gelartigen Zustand über).
Das japanische Patent JP 1215-875-A ist auf Tinten ausgerichtet, die zum Tintenstrahldrucken geeignet sind und ein gutes Aufzeichnen bei schnellem Trocknen ohne Zerlaufen zeigen. Die Zusammensetzungen benötigen alle Triglyzeride. Derartige Verbindungen sind jedoch nicht für eine erweiterte Lagerbeständigkeit, die für kommerzielle Tinten notwendig ist, stabil.
Das Japanische Patent JO 1230-685-A ist auf Tinten ausgerichtet, die zum Tintenstrahldrucken geeignet sind und eine schnelle Adsorption auf der Oberfläche von herkömmlichem Büropapier ohne Schmieren oder Fleckenbildung zeigen. Die zusammensetzungen umfassen Färbemittel und Flüssiglösungsmittel und/oder Dispersionsmittel und sind durch die Anwesenheit eines Kopolymers aus Ethylenoxid und Propylenoxid mit der Formel HO(C&sub2;H&sub4;O)a-C&sub3;H&sub6;O(C&sub2;H&sub4;O)bH gekennzeichnet, wobei a+b bis zu 50 beträgt und b optional 0 ist. Diese Kopolymere werden als "PLURONICS" bezeichnet. Es wurde jedoch herausgefunden, daß sie meistens das Zerlaufen nicht anhalten.
Thermische Tintenstrahldrucker bieten eine preisgünstige, hochqualitative und vergleichsweise geräuschlose Option im Vergleich zu anderen Druckertypen, die allgemein mit Computern verwendet werden. Derartige Drucker verwenden ein Widerstandselement in einer Kammer, die mit einem Tinteneingang versehen ist, damit dieselbe aus einem Verteiler eintritt. Der Verteiler ist mit einem Behälter zum Lagern der Tinte verbunden. Eine Mehrzahl derartiger Widerstandselemente sind in einem speziellen Muster, das ein Grundelement genannt wird, in einem Druckkopf angeordnet. Jedes Widerstandselement ist einer Düse in einer Düsenplatte zugeordnet, durch die Tinte zu einem Druckmedium hin ausgeworfen wird. Die gesamte Anordnung aus Druckkopf und Behälter bildet einen Tintenstrahlstift.
Im Betrieb ist jedes Widerstandselement über eine Leiterbahn mit einem Mikroprozessor verbunden, wobei Strom-tragende Signale bewirken, daß einer oder mehrere ausgewählte Elemente hochgeheizt werden. Das Heizen erzeugt eine Tintenblase in der Kammer, wodurch Tinte durch die Öffnung zu dem Druckmedium hin herausgeworfen wird. Auf diese Art und Weise ergibt ein Abfeuern einer Mehrzahl derartiger Widerstandselemente in einer bestimmten Reihenfolge in einem gegebenen Grundelement alphanumerische Zeichen, führt eine Bereichsauffüllung durch und schafft andere 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 herauszuwerfen. Tinten, die bei derartigen nicht-thermischen Anwendungen geeignet verwendet werden, können oft nicht beim thermischen Tintenstrahldrucken aufgrund der Auswirkung des Heizens auf die Tintenzusammensetzung verwendet werden.
Die EP-A-0329026 beschreibt Tintenstrahldruckertinten, die 90 - 99,9 Gewichtsprozent eines wässrigen Sol-Gel-Mediums und 0,1 - 10 Gewichtsprozent eines Färbemittels aufweisen. Das Geliermittel ist vorzugsweise ein Carrgeenan. Die resultierenden Tinten zeigen ein gesteuertes Eindringen und ein Verteilen auf dem Drucksubstrat.
Es bleibt ein Bedarf nach Tintenzusammensetzungen zur Verwendung beim Tintenstrahldrucken, und insbesondere beim thermischen Tintenstrahldrucken, welche kein Zerlaufen, wie es hierin definiert ist, zeigen, und welche doch eine relativ lange Lagerbeständigkeit und weitere wünschenswerte Eigenschaften solcher Tinten aufweisen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Tintenzusammnsetzungen geschaffen, bei denen das Zerlaufen gesteuert ist. Die Tintenzusammensetzungen sind in dem beigefügten Anspruch 1 aufgeführt. Die Tinten umfassen ebenfalls vorzugsweise eines oder mehrere Biozide, Fungizide und/oder Schleimizide, wie es üblicherweise in der Technik der Fall ist.
Die Tinten der Erfindung zeigen ein kleines oder überhaupt kein Farbzerlaufen selbst bei dem härtesten Druckmodus, und zwar Punkt-auf-Punkt, und einen gesteigerten Farbtonumfang.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt Zerlaufreferenzmuster, bei denen höhere Zerlaufindizes ein nicht akzeptierbares Zerlaufen wiedergeben (ein Zerlaufenergebnis von ≤ 2,5 wird als für eine hochqualitative Textausgabe annehmbar angesehen);
Fig. 2 zeigt in Koordinaten der Textdruckqualität (linke Abszisse) oder des Zerlaufens (rechte Abszisse) und der Kontentration des oberflächenaktiven Stoffs die qualitative Auswirkung auf die Druckqualität und das Verlaufen als Funktion der Konzentration eines oberflächenaktiven Stoffs; und
Fig. 3a und 3b sind graphische Darstellungen der Farbstoffadsorption zu Mizellen in Koordinaten der Konzentrationen des Farbstoffs und der Gesamtdetergens (des oberflächenaktiven Stoffs) ([D]T), wobei Fig. 3a die Auswirkung einer schwachen Adsorption des Farbstoffs zu Mizellen zeigt, während Fig. 3b die Auswirkung einer starken Adsorption von Farbstoff zu Mizellen zeigt, wobei [D)m die Konzentration der Detergens (des oberflächenaktiven Stoffs) in Mizellen und [D]W die Konzentration der Detergens (des oberflächenaktiven Stoffs) in Wasser ist. Gemäß der Erfindung werden Tintenzusammensetzungen geschaffen, bei denen das Zerlaufen gesteuert ist. Die Tintenzusammensetzungen sind in dem nachfolgenden Anspruch 1 spezifiziert. Die Tinten umfassen vorzugsweise eines oder mehrere Biozide, Fungizide und/oder Schleimizide, wie es allgemein in der Technik der Fall ist.
Ferner kann die Tinte ein Gallensalz, wie z.B. Natriumcholat, zum Steuern der Kogation in Tintenstrahltinten, die bei thermischen Tintenstrahldruckern verwendet werden, enthalten, um das Aufbauen von Rückständen (Koga) auf den Oberflächen der Widerstände, die zum Abfeuern von Tintentröpfchen zu einem Druckmedium hin verwendet werden, zu verhindern. Die Verwendung von Gallensalzen in solchen Tinten ist in der EP-A-0522724 offenbart und beansprucht.
Alle hierin genannten Konzentrationen verstehen sich in Gewichtsprozent, es sei denn, daß etwas anderes angemerkt ist. Die Reinheit aller Komponenten ist die, die in der normalen kommerziellen Praxis für thermische Tintenstrahltinten verwendet wird.
Der Ausdruck "wasserlöslicher Farbstoff" bezieht sich auf einen Farbstoff, dessen Löslichkeit in Wasser 2 Gewichtsprozent überschreitet.
Geeignete organische Lösungsmittel können Glykole, wie z.B. Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Tetraethylenglykol, Propylenglykol, Polyethylenglykol, Polypropylenglykol und Derivate derselben, Diole, wie z.B. Butandiol, Pentandiol, Hexandiol und homologe Diole, Glykolester, wie z.B. Propylenglykollaurat, Mono- und Di-Glykolether, wie z.B. Cellusolve, die Ethylenglykol-Monobutylether, Diethylenglykolester, wie z.B. die Carbitole, Diethylenglykol- Monoethyl-, -Butyl-, -Hexyl-Ether, Propylenglykolether, Dipropylenglykolether und Triethylenglykolether, langkettige Alkohole, wie z.B. Butylalkohol, Pentylalkohol und homologe Alkohole, und andere Lösungsmittel, wie z.B. Sulfolan, Ester, Ketone, Lactone, wie z.B. -Butyrolacton, Lactame, wie z.B. N-Pyrrolidon, 2-Pyrrolidon und N-(2-Hydroxyethyl)- Pyrrolidon und Glyzerole und ihre Derivate umfassen, sie sind jedoch nicht auf diese begrenzt.
Vorzugsweise umfaßt das Lösungsmittel Pentandiol und am bevorzugtesten 1,5-Pentandiol. Es wurde herausgefunden, daß andere organische Lösungsmittel, die im allgemeinen beim thermischen Tintenstrahldrucken verwendet werden, wie z.B. Diethylenglykol, nicht so wirksam wie Pentandiol sind.
Die Konzentration des Pentandiol liegt vorzugsweise im Bereich von 4 bis 15 Gewichtsprozent. Weniger als etwa 4 Gewichtsprozent resultiert in einer Langzeitverkrustung der Tinte an den Druckkopfdüsen, während ein größerer Wert als etwa 15% darin resultiert, daß die Tinte zu viskos ist, als daß sie ausgespritzt werden kann. Vorzugsweise liegt die Konzentration von Pentandiol im Bereich von 5 bis 9 Gewichtsprozent und am bevorzugtesten beträgt sie etwa 8 Gewichtsprozent.
Mikrobielle Reagenzen umfassen NUOSEPT (Nudex, Inc., eine Abteilung von Huls Americal), UCARCIDE (Union Carbide), VANCIDE (RT Vanderbilt Co.) und PROXEL (ICI Americas), sie sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt.
Farbstoffe umfassen anionische wasserlösliche Typen, wie z.B. C.I. Acid Blue 9 (Säureblau) (#42090), C.I. Acid Red (Säurerot) 18 (#18), C.I. Acid Red (Säurerot) 27 (#16185), C.I. Acid Red (Säurerot) 52 (#45100), C.I. Acid Yellow (Säuregelb) 23 (#19140), C.I. Direct Blue (Direktblau) 199 (#74190), C.I. Direct Yellow (Direktgelb) 86 (#29325) und ihre monovalenten Alkalierdeionen, wie z.B. Na&spplus;, Li&spplus;, Cs&spplus;, NH&sub4;&spplus; und ersetzte Ammoniumsalze, dieselben sind jedoch nicht auf die genannten begrenzt. Der Farbstoff (die Farbstoffe) ist (sind) mit 0,1 bis 10 Gewichtsprozent der Tinte vorhanden.
Bei dem Ausführen der Erfindung wird das Farbzerlaufen, das aus der Verwendung von Tintenstrahltinten in thermischen Tintenstrahldruckern resultiert, durch Verwenden einer Kombination von Kolbiden mit hohem Molekulargewicht und zumindest einem amphoterischen oberflächenaktiven Stoff gelindert. Bezüglich seiner Verwendung in dieser Anmeldung bezieht sich der Ausdruck "Kolloid mit hohem Molekulargewicht" auf ein Kolloid mit einem Molekulargewicht von mindestens 10.000.
Die großen Polysaccharide (Kolloide), die hierin offenbart sind, zur Verwendung bei thermischen Tintenstrahldruckern sind bei etwa 0,05 bis 0,75 Gewichtsprozent beim Mildern des Zerlaufens wirksam. Bei Pegeln, die viel höher als die genannten sind, ist die Viskosität der Tinte zu hoch, damit dieselbe aus einem Stift ausgespritzt werden kann.
Offensichtlich aggregieren diese Polysaccharide, um große Molekularhäufen zu bilden. Dies ist besonders bei den Alginaten so. Aufgrund dieses Verhaltens werden sie allgemein als oberflächenaktive Stoffe klassifiziert. Bezüglich ihrer Verwendung hierin werden diese oberflächenaktiven Polysaccharidstoffe von den amphoterischen oberflächenaktiven Stoffen getrennt betrachtet, welche ebenfalls in den Tintenzusammensetzungen enthalten sind.
Die Kolbide, die bei dem Ausführen der Erfindung verwendet werden, umfassen Kolbide, die aus natürlichen Quellen derivatisiert sind, wie z.B. Salze aus Alginsäure, Mannomuronsäure, Carrgeenan (wie z.B. das Heißwasserextrakt der Meeralge Chondrus crispus oder Rhodophyceae), Guar- und Xanthan-Gummi, Dextran, Chitin und Chitosan. Zusätzlich können synthetische Kolbide, wie z.B. Carboxyrnethylzellulose, bei der Ausführung der Erfindung verwendet werden.
Alginate sind natürlich auftretende Blockkopolymere der Salze von L-Guluronsäure und D-Mannuronsäure. Dieselben werden von mehreren Varietäten von Seegras, wie z.B. Macrocystis pyrifera, getrennt. Typische Analysen ergeben 5,5% Natrium, 2% Kalzium und 9,5% Kalium als die Hauptgegenionen zusammen mit Spurenmengen anderer mono- und di-valenter Kationen, was als "Natrium"-Alginat bekannt ist.
Carrgeenans sind wasserlösliche Zellenwand-Polysaccharide, die von Rhodophyceae isoliert werden. Es existieren drei übliche Formen: die Kappa-, die Iota- und die Lambdaform. Die Kappa- und die Iotaform existieren als rechtsgewundene Doppelhelixstrukturen, während die Lambdaform eine viel weniger starre Struktur aufweist. Alle drei Polymere interagieren, um das Carrgeenan zu bilden. Typische Molekulargewichtsbereiche von Carrgeenan reichen von 300.000 bis 500.000.
Guar-Gummis, die von mehreren Quellen isoliert werden, ergeben hochvariable Strukturen. Sie bestehen hauptsächlich aus Galactomannosanresten mit kleinen Mengen an Protein und Öl. Schätzwerte bezüglich des durchschnittlichen Molekulargewichts reichen von 500.000 bis 2.000.000. Viele Guar-Gummis sind polydispers.
Xanthan-Gummis weisen eine Struktur auf, die aus fünf sich wiederholenden Zuckerresten besteht: zwei Glukose, eine Mannose und eine Guluronsäure. Das Polymer besteht im wesentlichen aus einem Zelluloserückgrat. Eine Dreisacchariden-Seitenkette aus abwechselnden Zuckerresten des Rückgrats unterscheidet Xanthan-Gummi von Zellulose. Mehrere Röntgenstrahlenstrukturen zeigen, daß Xanthan-Gummis aus mehreren verschlungenen Polymerketten bestehen.
Carboxymethylzellulose (niedriges Molekulargewicht in der Größenordnung von etwa 100.000) ist im wesentlichen Zellulose, welche carboxyliert worden ist.
Die vorliegende Erfindung verwendet vorzugsweise "Natrium"- Alginat mit einem Molekulargewicht von 12.000 bis 80.000 und einem typischen Grad an Polymerisationsbereich von 60 bis 400. Dieser Bereich schafft die gewünschte Steuerung des Zerlaufens der Tinten.
Die Alginate, die bevorzugterweise bei der Ausführung der Erfindung verwendet werden, sind durch eine relativ niedrige Viskosität gekennzeichnet: eine 1 prozentige Lösung in Wasser ergibt eine Viskosität von 0,06 Ns/m² (60 Centipoise (cp)), während eine 2 prozentige Lösung in Wasser eine Viskosität von 0,50 Ns/m² (500 cp) ergibt. Ein derartiges Material ist bei Aldrich Chemical Company (Milwaukee, WI) kommerziell erhältlich.
Die Konzentration des Alginats in der Tinte reicht von 0,05 bis 0,75 Gewichtsprozent und ist von dem speziellen Typ des verwendeten amphotherischen oder nicht-ionischen oberflächenaktiven Co-Stoffs (der oberflächenaktiven Co-Stoffe) abhängig. Eine derartige Abhängigkeit wird ohne weiteres mittels der Druckqualität und der Tintenrheologie bestimmt.
Der oberflächenaktive Co-Stoff wird zur Verringerung des Zerlaufens verwendet, wie es in der EP-A-0522724 beschrieben und beansprucht ist. Die Verwendung der oben beschriebenen Kolloide in Verbindung mit den oberflächenaktiven Stoffen dieser Anmeldung verbessert die Textdruckqualität zwischen dem Drucken von aneinander angrenzenden Farben weiter und macht die Liniendefinition schärfer.
Der oberflächenaktive Co-Stoff (typischerweise können einer oder zwei verwendet werden) ist ein zwitterionischer oberflächenaktiver Stoff oder ein nicht-ionischer amphiphiler Stoff, wie z.B. Aminoxid. Ein Beispiel von amphoterischen Molekülen für einen oberflächenaktiven Stoff zum Verringern des Zerlaufens ist ein Aminoxid, wie z.B. N,N-Dimethyl-N- Dodecyl-Aminoxid (NDAO), welches ein pka in Wasser von etwa 2,3 aufweist:
Diese Verbindung weist ein Molekulargewicht von 229 und eine kristische Mizellenkonzentration (cmc; cmc = critical micelle concentration, wird nachfolgend detaillierter erörtert) von 13 mM auf.
Ferner kann statt des C&sub1;&sub2;H&sub2;&sub5;-Anteils irgendein R-Anteil verwendet werden. Die folgenden Anteile, ihre Namen, ihre Abkürzungen, Molekulargewichte (mw) und ihre cmc-Werte sind bei der Ausführung der Erfindung nützlich:
N,N-Dimethyl-N-Tetradecyl-Aminoxid (NTAO);
mw = 257; cmc = 6 - 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-Octadecenyl)-N-Aminoxid (OOAO);
mw = 311; cmc = klein.
Ein weiteres Beispiel ist N-Dodedyl-N,N-Dimethyl-Glycin:
Die SURFYNOLS, welche oberflächenaktive Acetylen-Polyethylen-Oxid-Stoffe sind, die von Air Products & Chemicals, Inc., erhältlich sind, sind bei der Ausführung der Erfindung ebenfalls nützlich und folgendermaßen dargestellt:
dabei liegt n + m im Bereich von 0 bis 50.
Die bevorzugten Tinten der Erfindung bestehen im wesentlichen aus 4 bis 15 Gewichtsprozent 1,5-Pentandiol, aus 0,05 bis 0,75 Gewichtsprozent Natriumalginat, aus 0,1 bis 5 Gewichtsprozent zumindest eines oberflächenaktiven Co-Stoffes, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Acetylen- Polyethylen-Oxid, N,N-Dimethyl-N-(Z-9-Octadecenyl)-N-Aminoxid, N,N-Dimethyl-N-Octadecyl-Aminoxid, Cocobetain und Natriumcholat besteht, aus zumindest einem der früher erwähnten Farbstoffe und dem Rest Wasser.

Beispiele für amphiphile Stoffe zur Verringerung des Zerlaufens

Mehrere Beispiele für Tinten sind in der nachfolgenden Tabelle I enthalten. Die Farben wurden gleichzeitig Seite-an- Seite unter Verwendung eines Punkt-auf-Punkt- (Doppeldurchlauf-) Algorithmus gedruckt. Die verwendeten Farbstoffe waren 1,33% C.I. Acid Red 52 (#45100), 1,65% C.I. Acid Blue 9 (#42090) und 1,33% C.I. Direct Yellow 86 (#29325). SURFYNOL 465 und OOAO verändern radikal den Zerlaufgrad, dasselbe wird jedoch nicht beseitigt. Tabelle I zeigt ebenfalls die Auswirkung von erhöhten Natriumalginatkonzentrationen, welche das Zerlaufen im wesentlichen beseitigen. Die Trägerstoffe enthielten 0 bis 15% 1,5-Pentandiol, wobei der Rest der Tinte Wasser war.
Die Farbzerlaufindexwerte, die in Tabelle I aufgelistet sind, sind von der in Fig. 1 gezeigten Skala abgeleitet, welche einen Ausdruck von Linien mit roter (Magenta-) Tinte auf einem Hintergrund aus gelber Tinte darstellt. Für eine Textausgabe mit hoher Qualität wird ein Wert von ≤ 2,5 als annehmbar angesehen. Für etwas geringere Qualitätsanforderung, wie z.B. ein Drucken auf Kästen, ein Plotten und dergleichen, kann ein Wert von etwa 3 bis 4 als annehmbar angesehen werden. Derzeit kommerziell verwendete Tinten weisen üblicherweise Werte von typischerweise 6 oder mehr auf, welche unannehmbar sind. Tabelle I. Zerlaufindizes für verschiedene Tinten

Anmerkungen:

(a) = 1,01% OOAO, 2% SURFYNOL 465, 8% 1,5-Pentandiol
(b) = 1,01% OOAO, 0,5% Natriumcholat, 8% 1,5-Pentandiol
(c) = 1% NOAO, 0,5% Natriumcholat, 8% 1,5-Pentandiol
(d) = 1,5% Cocobetain (N-Dodecyl-N,N-Dimethyl-N-(Ammonioethylcarboxylat), (0,5% Natriumcholat), 8% 1,5-Pentandiol
Diese Ergebnisse zeigen, daß Alginate (und die aufgelisteten Polysaccharide) eine Konzentrationsabhängigkeit bei einer wirksamen Zerlaufverringerung zeigen. Konzentrationsauswirkungen wurden in dem Fall von nicht-ionischen oberflächenaktiven Stoffen, wie z.B. n-Butylcarbitol, n-Butylpropasol, n-Hexylcarbitol, Aminoxiden und der SURFYNOL-Klasse von oberflächenaktiven Stoffen ohne Alginate (in Tabelle I nicht gezeigt), beobachtet.
Bezüglich der Anwesenheit von Sorbitol stellt dieses einen Zusatzstoff zum Erhöhen der Spanne bezüglich der Verkrustungszeit dar. Seine Anwesenheit in Tabelle I zeigt, daß Polyole und andere nicht-ionische Zusatzstoffe keine nachteilige Auswirkung auf das Farbzerlaufen besitzen.
Natriumcholat verringert eine Kogation in diesen Tinten, wobei seine Anwesenheit oder Abwesenheit in der Tinte keine Auswirkung auf das Farbzerlaufen besitzt.
Es ist interessant, gemeinsame strukturelle Merkmale unter diesen oberflächenaktiven Stoffen zum Verringern des Zerlaufens festzustellen. Alle weisen Merkmale auf, die unter oberflächenaktiven Stoffen verbreitet sind: lange Kohlenwasserstoff- (wasserabweisende) Schwänze mit polaren (wasseranziehenden) Kopfgruppen. Weitere derartige Detergensen mit ähnlichen Strukturen können in Tinten formuliert werden, um das Zerlaufen zu lösen, vorausgesetzt, daß sie strukturelle Merkmale besitzen, die bei denselben verbreitet sind. Dies impliziert nicht, daß das Verhalten des Verringerns des Zerlaufens allen Detergensen angeboren ist.
Alginate und andere aufgelistete Polysaccharide weisen die charakteristische Eigenschaft des Anhäufens von Polymersträngen aus Polysacchariden auf. Somit ist es plausibel, daß große (mindestens etwa 1.000.000 im Molekulargewicht) Ansammlungen mit wasserabweisenden Taschen gebildet werden, welche in der Lage sind, Farbstoff zu adsorbieren. Die Beobachtung ist der Anmerkung wert, daß eine wirksame Steuerung des Zerlaufens von der Alginatkonzentration abhängig ist, wie es in Tabelle I gezeigt ist.
Die Erfassung des cmc oder der Beginn der Mizellenbildung in einer Tinte können durch eine Anzahl von Verfahren bestimmt werden. Typischerweise sind scharfe Veränderungen in graphischen Darstellungen der Oberflächenspannung als Funktion der Konzentration des oberflächenaktiven Stoffs (in der Tinte) oder in graphischen Darstellungen des osmotischen Drucks als Funktion der Konzentration des oberflächenaktiven Stoffs (in der Tinte) zu beobachten. Diese scharfen Veränderungen sind dem cmc zugeordnet. Weitere Verfahren, wie z.B. Leitfähigkeit, Trübung, Bestimmung einer äquivalenten Konduktanz, sind in wasserlöslichen Tinten vorweg genommen.

Verringerung des Verlaufens - mögliche Mechanismen

Der Bezug auf Fig. 2 gibt eine hypothetische Konzentration einer oberflächenaktiven Reagenz als Funktion des Verlaufens und Textdruckqualitätsskalaprofile. Grundsätzlich profiliert diese Figur das Zerlaufen und das Textqualitätansprechen, das für alle untersuchten oberflächenaktiven Stoffe beobachtet wurde. Fig. 2 nimmt an, daß andere Komponenten der Tintenträgerstoff- und Farbstoff- (Farbstoffe-) Konzentrationen fest sind, und daß die Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes die abhängige Variable ist. In Fig. 2 ist bei einem Hinzufügen einer kleinen Menge von einem oberflächenaktiven Stoff eine kleine Veränderung in der Steuerung des Verlaufens und der Schärfe der Textdruckqualität vorhanden. Aus einer weiteren Hinzufügung eines oberflächenaktiven Stoffes resultiert eine Verschlechterung der Textdruckqualität mit einer geringen oder keiner Verbesserung des Zerlaufens (in manchen Fällen tritt sogar eher eine kleine Verschlechterung des Verringerns des Verlaufens auf). Es werden schließlich Konzentrationen des oberflächenaktiven Stoffes erreicht, bei denen die Qualtität des Textes verbessert wird und das Zerlaufen reduziert wird. Weitere Verringerungen des Verlaufens und eine weitere Verbesserung der Textqualität können bei einer Erhöhung der Konzentration der oberflächenaktiven Stoffe in der Tinte auftreten.
Die niedrigste Konzentration von oberflächenaktiven Stoffen, bei denen eine Verringerung des Zerlaufens und eine Verbesserung der Textdruckqualität merkbar werden, liegt offensichtlich neben der kritischen Mizellenkonzentration (cmc) oder der kritischen Monomerkonzentration der meisten Kolloid-formenden Spezies einschließlich von Alginaten und weiteren Polysacchariden. (Die cmc ist die Konzentration kolloidaler Spezies, bei denen die einfache Elektrolyt- oder Nicht-Elektrolyt-Chemie gegenüber der Kolloidchemie an Wichtigkeit verliert. Bei den amphoterischen und nicht-ionischen oberflächenaktiven Stoffen, die vorher beschrieben wurden, ist dies die Konzentration von oberflächenaktiven Stoffen, bei denen Mizellen oder angehäufte Moleküle aus oberflächenaktiven Stoffen damit beginnen, die Medienchemie zu beeinflussen.)
Die Mizellenbildung wird durch entropische Begrenzungen getrieben. Die Kohlenwasserstoffanteile werden in Regionen ohne Wasser getrieben, während die wasseranziehenden, wasserlöslichen Gruppen in mit Wasser angereicherten Regionen interagieren. Das resultierende Bereichsfluid schafft Regionen mit wasserarmen und wasserangereicherten Taschen, welche organische gelöste Stoffe, wie z.B. Farbstoffe, oberflächenaktive Co-Stoffe und Co-Lösungsmittelmoleküle abhängig von ihrer wasserabweisenden Eigenschaft einteilen können. Zusätzlich interagieren Mizellen und Kolloide im allgemeinen und finden Regionen in der Lösung, in denen ihre Positionsenergie (potentielle Energie) minimiert ist. Es ist vorstellbar, daß sich Kolloide, die geladene Farbstoffmoleküle enthalten, auf eine ähnliche Art und Weise verhalten.
Ein Aufnehmen von Farbstoffen in kolloidale Partikel ist das wahrscheinliche Verfahren, wodurch Tinten, die einen oberflächenaktiven Stoff enthalten, das Zerlaufen steuern. Kolloidale Partikel mit einem Farbstoff einer Farbe, die aus einem Tintenstrahlstift herausgeschossen worden sind, werden nicht den Farbstoff einer anderen Farbe in einem benachbarten kolloidalen Partikel auf dem Papiermedium austauschen, da die Rate, bei der das mobile Medium verdampft oder in das Papier adsorbiert, viel schneller als die Desorptionsrate der Farbstoffmoleküle von dem Kolloid auf dem Druckmedium ist oder als die Rate, bei der die Farbstoffmoleküle durch das kolloidale Medium diffundieren. Daraus resultiert eine Verringerung des Zerlaufens.
Die Wirksamkeit dieser Verringerung des Zerlaufens hängt von dem Adsorptionspegel der Farbstoffe in die kolloidalen Partikel, der Konzentrationsanzahl von kolloidalen Partikeln in der Tinte und der Diffusion des Farbstoffs und der Kolloide auf der Papieroberfläche ab. Die Fig. 3a und 3b zeigen hypothetisch die Adsorption von Farbstoff in Kolloidpartikel als Funktion der Konzentration eines oberflächenaktiven Stoffes für Farbstoffmoleküle, die stark an die Kolloidpartikel adsorbieren (Fig. 3b) und für Farbstoffmoleküle, die schwach adsorbieren (Fig. 3a). Es wird angemerkt, daß bei dem schwach adsorbierenden Farbstoff eine viel höhere Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes notwendig ist, um die gleiche Menge an Farbstoff zu binden als bei dem Fall des stark adsorbierenden Farbstoffs. Offensichtlich ist die Neigung des Farbstoffs, an Kolloide zu adsorbieren, eine Funktion der Struktur (der wasserabweisenden Eigenschaft) und der Interaktionen des Farbstoffmoleküls, der oberflächenaktiven Stoffe, des Co-Lösungsmittels und der oberflächenaktiven Co-Stoffe (falls irgendwelche vorhanden sind).
Alginate (und auch die anderen aufgelisteten Polysaccharide) sind beim Steuern des Zerlaufens stark wirksam. Obwohl die Verwendung von oberflächenaktiven Stoffen, wie z.B. OOAO und SURFYNOL 465, das Zerlaufen gegenüber organischen Lösungsmitteln allein (wie z.B. 1,5-Pentandiol und Diethylenglykol) verringern, tritt beim Hinzufügen von Natriumalginat eine weitere Verbesserung auf. Polysaccharide mit großem Molekulargewicht sollten Farbstoffmoleküle in ihren wasserabweisenden Taschen adsorbieren. Diese größeren molekularen Komplexe weisen kleine Diffusionskoeffizienten auf und sollten sehr langsam in (oder auf) Druckmedien wandern. Somit sollten aggregierenden Polysaccharide die Zerlaufen-Steuerung steigern, die durch kleinere Mizellar-bildende oberflächenaktive Stoffe, wie z.B. OOAO und NOAO, erreicht wird, wie es in Tabelle I gezeigt ist.
Es ist der Anmerkung wert, daß Carboxy-Methylzellulose mit niedrigem Molekulargewicht mit OOAO, Natriumcholat und 8% Pentandiol beim Steuern des Zerlaufens nicht wirksam ist (Index des Zerlaufens > 5), wobei jedoch der beschriebene Stoff durch eine kleine Hinzufügung eines Kalziumions sehr stark in der Lage ist, das Zerlaufen zu steuern. Divalente Kationen sind außerordentlich wirksam beim Fördern einer Mizellenbildung, wobei das Kalziumion wahrscheinlich die Mizellenbildung von Carboxymethylzellulose fördert. Das Medium und die hohen Viskositätsgrade von Carboxymethylzellulose sind für eine Tintenstrahlverwendung aufgrund der Düsenverstopfung ausgenommen.
Tabelle I zeigt, daß kleine Konzentrationen von EDTA oder Citrationen (in einem Trägerstoff, der entweder NOAO oder OOAO enthält) das Zerlaufen in Alginat-enthaltenden Zusammensetzungen verschärft. Vermutlich entfernt EDTA (und Citrat) ein Kalziumion aus seiner wichtigen Rolle beim Teilnehmen bei der Bildung von großen Alginatkomplexen durch Chelatbilden desselben. Die Bildungskonstanten für den EDTA-Kalziumion- und den Citrat-Kalziumion-Komplex sind sehr groß. Es werden zumindest etwa 4 ppm an freiem, nicht in einem Komplex vorhandenem Ca&spplus;² für eine wirksame Steuerung des Zerlaufens in Alginat-enthaltenden Zusammensetzungen benötigt.
Ebenfalls der Anmerkung wert ist die Tatsache, daß ein hinzugefügtes Salz (NaCl) und Natriumtetraboratdecahydrat die Steuereigenschaften von Alginat bezüglich des Verlaufens ungünstig stören. Andererseits scheint das Vorhandensein von Natriumcholat zum Steuern der Kogation keine negative Auswirkung auf das Farbzerlaufen zu haben.
Es wird erwartet, daß die Tintenzusammensetzungen der Erfindung ihre Verwendung in thermischen Tintenstrahltinten und besonders in Farbtinten finden werden, bei denen das Zerlaufen einer Farbe in eine andere eine Sorge darstellt. Die Tintenzusammensetzungen der Erfindung reduzieren ein derartiges Farbzerlaufen oder beseitigen es sogar.

Claims

1. Eine thermische Tintenstrahltinte mit der folgenden Zusammensetzung:

(a) einem Trägerstoff mit (1) 0,05 bis 0,75 Gewichtsprozent eines Kolloids mit hohem Molekulargewicht, das ein Molekulargewicht von mindestens 10.000 aufweist, (2) zumindest einem Mitglied, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus zwitterionischen oberflächenaktiven Stoffen und nicht-ionischen amphiphilen Stoffen besteht, welches in einer Menge vorhanden ist, die zumindest gleich seiner kritischen Mizellenkonzentration ist, und (3) bis 20 Gewichtsprozent zumindest eines organischen Lösungsmittels, welches die Mizellenbildung des zumindest einen Mitglieds unterstützt;

(b) 0,1 bis 10 Gewichtsprozent zumindest eines wasserlöslichen Farbstoffes, der in demselben aufgelöst ist; und

(c) dem Rest Wasser.

2. Die Tinte gemäß Anspruch 1, bei der das Kolloid mit hohem Molekulargewicht aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Alginsäure, Mannomuronsäure, Carrgeenan, Guar- und Xanthan-Gummis, Dextran, Chitin, Chitosan und Carboxymethylzellulose besteht.

3. Die Tinte gemäß Anspruch 2, bei der die Alginsäure als Salz derselben vorhanden ist, und ein Molekulargewicht von 12.000 bis 80.000 aufweist, bei der das Carrgeenan ein Molekulargewicht aufweist, das von 300.000 bis 500.000 reicht, und bei der die Carboxymethylzellulose eine Form von carboxylierter Zellulose mit niederem Molekulargewicht aufweist, die ein Molekulargewicht von etwa 100.000 besitzt.

4. Die Tinte gemäß Anspruch 1, bei der die amphoterischen oberflächenaktiven Stoffe pH-empfindliche oberflächenaktive Stoffe sind, 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, Decyl-N,N-Dimethylglycin besteht.

5. Die Tinte gemäß Anspruch 1, bei der das organische Lösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Glykolen, Diolen, Glykolestern, Glykolethern, Mono- und Diglykol-Ethern, Zellusolven, Carbitolen, langkettigen Alkoholen, Estern, Ketonen, Lactonen und Glycerolen und Derivaten derselben und Mischungen derselben besteht.

6. Die Tinte gemäß Anspruch 5, bei der das Lösungmittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Tetraethylenglykol, Propylenglykol, Polyethylenglykol, Polypropylenglykol und Derivaten derselben, Butandiol, Pentandiol, Hexandiol und homologen Diolen, Propylenglykollaurat, Ethylenglykol-Monobutylether, Diethylenglykol-Monoethylether, Diethylenglykol-Monobutylether, Diethylenglykol-Monohexylether, Propylenglykolether, Dipropylenglykolether und Triethylenglykolether, Butylalkohol, Pentylalkohol und homologen Alkoholen, Sulfolan, γ-Butyrolacton, N-Pyrrolidon und N-(2-Hydroxyethyl)-Pyrrolidon und Glyzerolen und ihren Derivaten besteht.

7. Die Tinte gemäß Anspruch 1, bei der die Tinte im wesentlichen aus:

(a) 4 bis 15 Gewichtsprozent 1,5-Pentandiol;

(b) 0,05 bis 0,75 Gewichtsprozent Natriumalginat;

(c) 0,1 bis 5 Gewichtsprozent zumindest eines oberflächenaktiven Co-Stoffs, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Acetylen-Polyethylenoxid, N,N- Dimethyl-N-(Z-9-Octadecenyl)-N-Aminoxid, N,N-Dimethyl-N-Octadecyl-Aminoxid, Cocobetain und Natriumcholat besteht;

(d) dem zumindest einen wasserlöslichen Farbstoff; und

(e) dem Rest Wasser besteht.

8. Die Tinte gemäß Anspruch 1, die ferner zumindest etwa 4 ppm Ca&spplus;²-Ionen aufweist.

9. Ein Verfahren zum Steuern des Farbzerlaufens in Tinten, die beim thermischen Tintenstrahldrucken verwendet werden, das den Schritt des Druckens auf ein Medium mit der Tinte gemäß Anspruch 1 aufweist.