專利名稱：改性水溶彩色發(fā)色劑制備用于熱噴墨打印的微乳化和膠束彩色墨水的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于打印機(jī)，如Hewlett-Packard’s Desk Jet打印機(jī)，用的熱噴墨打印墨水組合物。
背景技術(shù)：
相對(duì)于其他常用的計(jì)算機(jī)打印機(jī)，熱噴墨打印機(jī)提供客戶一種低價(jià)格、高質(zhì)量并且相對(duì)無(wú)噪聲的選擇。這種打印機(jī)使用一種電阻元件，它被置于一個(gè)帶外溢口的容器內(nèi)，使從增壓室進(jìn)來(lái)的墨水外溢。增壓室與一個(gè)墨水貯存室相連通。這樣一簇電阻元件以特殊的方式，稱之原型，被排列在打印頭。每一件電阻元件與噴咀盤上一個(gè)噴咀相聯(lián)，通過(guò)它，墨水被噴射到打印介質(zhì)。打印頭和貯存室聯(lián)合構(gòu)成一個(gè)噴墨筆。
在運(yùn)行時(shí)，每個(gè)電阻元件通過(guò)一個(gè)導(dǎo)電的軌道與微處理器聯(lián)接，微處理器的電流信號(hào)引起一個(gè)或多個(gè)選定的元件加熱。加熱使容器內(nèi)的墨水形成泡并從容器內(nèi)通過(guò)噴咀到打印介質(zhì)。按此方式，“點(diǎn)著”給定的原型中的處于特定次序的幾個(gè)電阻元件，就會(huì)在打印介質(zhì)上形成某個(gè)字母，顯現(xiàn)出色塊，并提供其他打印能力。
用于熱噴墨打印的噴墨墨水一般包括色料和一種載體，并且載體中通常包含水和相對(duì)低表面張力的液體。
噴咀的容限細(xì)小，一般直徑50μm，要求墨水不堵塞噴咀，其二，在整個(gè)墨水筒使用壽命內(nèi)，電阻元件要經(jīng)受大約千萬(wàn)次“點(diǎn)火”，電阻元件重復(fù)“點(diǎn)火”可能產(chǎn)生電阻元件故障。最后，墨水組合物必須能與打印介質(zhì)，特別是紙相互作用，滲入紙而不洇，并且墨水組合物在紙上應(yīng)是耐擦拭和耐水的。
眾所周知，許多墨水具有上述的一種或幾種性質(zhì)。很少有墨水組合物具有上述所有性質(zhì)，因?yàn)槟骋环N性質(zhì)的改善往往帶來(lái)另一種性質(zhì)的下降。因此，許多商業(yè)已應(yīng)用的墨水體現(xiàn)兼顧方案，即企圖得到一種墨水，它顯示出就上述的各種性質(zhì)來(lái)說(shuō)至少被證明都是恰當(dāng)?shù)摹?br> 因此，開(kāi)發(fā)墨水配方的研究在繼續(xù)進(jìn)行，希望墨水的性質(zhì)得到改進(jìn)，如高邊緣敏銳度、高光密度、快干燥時(shí)間、好耐水性和好耐擦拭性并且不犧牲其他必要的性能。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了噴墨打印墨水，其中通過(guò)使用微乳化噴墨墨水，墨水的邊緣敏銳度、光密度、干燥時(shí)間、耐水性和耐擦拭性被改進(jìn)，提高了打印質(zhì)量，減少暈圈效應(yīng)和控制擴(kuò)滲。當(dāng)高表面張力的黑色墨水打印在緊相鄰的低表面張力的彩色墨水旁時(shí)，暈圈效應(yīng)就發(fā)生。兩種墨水的界面之間存在一個(gè)黑色光密度空白區(qū)，因而出現(xiàn)暈圈影子。本發(fā)明降低了暈圈效應(yīng)。
本發(fā)明的噴墨墨水包括(a)溶劑包括(1)至少一種基本水不溶的有機(jī)油，占大約0.1-50wt％，(2)至少一種有機(jī)共溶劑，占0-大約50wt％，(3)至少一種兩親物，占0-大約40wt％，和(4)至少一種高分子量膠體，占0-大約3wt％；(b)至少一種化學(xué)改性的水溶色料，占大約0.5-20wt％；和(c)配差額的水。上述所有的成分作為微乳化劑存在于墨水配方中，它給墨水配方以更好的性能。
此外，根據(jù)本發(fā)明，進(jìn)一步提供一種噴墨打印的方法，該方法使用所公開(kāi)的墨水并發(fā)揮該墨水的性質(zhì)。
最后，還提供了制備本發(fā)明的噴墨墨水的方法，包括混合各種成分使其成為混合物和機(jī)械攪拌或聲波處理該混合物使其形成微乳化墨水。
本發(fā)明的最優(yōu)實(shí)施方案按定義，傳統(tǒng)的微乳化液由膨脹的膠束溶液組成。在本發(fā)明中，微乳化溶液被定義為一種穩(wěn)定的、各向同性的溶液，它由油(基本不溶于水的有機(jī)化合物)、兩親物或表面活性劑、有機(jī)共溶劑和水組成。不管膠束是否相同，它們的濃度必須是足夠高的，使期望的微乳化物理結(jié)構(gòu)能形成。習(xí)慣上，這種最小膠束濃度被稱之為臨界膠束濃度(cmc)。如果溶液中的膠束濃度低于cmc，微乳化液將不能形成。不用參閱任何專業(yè)理論資料，水溶發(fā)色劑或色料在微乳化液中是溶于水相的事實(shí)是可推測(cè)到的。
微乳化液的應(yīng)用改進(jìn)了耐水性和耐擦拭性。此外，當(dāng)色料以微乳化液形式提供時(shí)，一種墨水向另一種墨水?dāng)U滲更可控制并且暈圈效應(yīng)也可降低。當(dāng)微乳化液與打印介質(zhì)接觸時(shí)，微乳化液即破裂，墨水載體持續(xù)溶解色料的能力消失。因此，色料基本上是沉積在打印介質(zhì)上的固體。
除非特別說(shuō)明，所有濃度都以重量百分?jǐn)?shù)表示。所有成分的純度與一般商業(yè)噴墨墨水的實(shí)例一樣。
在本發(fā)明的實(shí)施中所用的墨水的一般配方包括一種油(大約0.1-50wt％)、一種共溶劑(0-大約50wt％)、色料(大約0.5-20wt％)、兩親物(0-大約40wt％)、高分子量膠體(0-大約3wt％)和水。因此，墨水必須至少包括油、色料、共溶劑和水。
在實(shí)施本發(fā)明中，任何可與其他墨水組分相容的，基本水不溶的有機(jī)溶劑可被用作油。有用的油的類型包括，但不僅限于，乙二醇醚、苯醚、聚(乙二醇)醚、烷基醚、芳香醚、烷基芳基醚、烷基酯、芳香基酯、聚(乙二醇)酯、烷基苯基聚氧乙烯、脂肪基聚氧乙烯(POEs，它分別是從Union Carbide可得到的TERGITOLs和從ICI可得到的BRIJs)、水不溶乙炔型聚氧乙烯(從Air Products & Chemicals，Inc.可得到的不溶性SURFYNOLs)、嵌段共聚氧乙烯(從BASF可得到的PLURONICS)、POE酯、POE二酯、POE胺、POE酰胺和Dimethiconecopolyols。BRIJs、TRITONs、TERGITOLs、PLURONICs和SURFYNOLs的應(yīng)用更充分地公開(kāi)于美國(guó)專利5,106,416，“用兩性離子表面活性劑和陽(yáng)離子染料降低擴(kuò)滲”。
正如以下將要討論的那樣，這些油的許多種包括在本發(fā)明實(shí)施時(shí)作為表面活性劑用的分子等等。用作油與用作表面活性劑的分子之間的主要區(qū)別一般是表面活性劑的分子比油的分子具有更長(zhǎng)的鏈長(zhǎng)和更易溶于水。在實(shí)施本發(fā)明中，優(yōu)選的基本不溶于水的有機(jī)油的具體實(shí)例包括，但不限于，乙二醇苯基醚(EPH)和丙二醇苯基醚(PPH)。最優(yōu)選的油是EPH。
油的濃度可能范圍大約0.1-50wt％，其優(yōu)選濃度是2.5wt％?！盎舅蝗堋钡挠褪侵赣驮谒械娜芙舛缺仨毜陀诖蠹s3.7％(EPH在水中的最大濃度)。
共溶劑可被用作為獨(dú)立組分或替代兩親物質(zhì)/表面活性劑。這是指在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，膠束可以包含助溶劑分子。在本發(fā)明的實(shí)施中應(yīng)用的助溶劑類型包括，但不限于，脂肪醇、芳香醇、二元醇、乙二醇醚、聚(乙二醇)醚、己內(nèi)酰胺、甲酰胺、乙酰胺和長(zhǎng)鏈醇。在本發(fā)明實(shí)施中應(yīng)用的化合物例子包括，但不限于，30個(gè)碳或少于30個(gè)碳的脂肪族伯醇、30個(gè)碳或少于30個(gè)碳的芳香族伯醇、30個(gè)碳或少于30個(gè)碳的脂肪族仲醇、30個(gè)碳或少于30個(gè)碳的芳香族仲醇、30個(gè)碳或少于30個(gè)碳的1，2-二醇、30個(gè)碳或少于30個(gè)碳的1，3-二醇和30個(gè)碳或少于30個(gè)碳的1，ω-二醇，以及乙二醇烷基醚、丙二醇烷基醚、聚(乙二醇)烷基醚、聚(乙二醇)烷基醚的高同系物、聚(丙二醇)烷基醚、聚(丙二醇)烷基醚的高同系物、N-烷基己內(nèi)酰胺、非取代己內(nèi)酰胺、取代甲酰胺、非取代甲酰胺、取代乙酰胺和非取代乙酰胺。在本發(fā)明實(shí)施中，優(yōu)先選用的共溶劑具體例子包括，但不限于，1，5-戊二醇、2-吡咯烷酮、2-乙基-2-羥甲基-1，3-丙二醇、二乙二醇、3-甲氧基丁醇和1，3-二甲基-2-咪唑啉酮。共溶劑的濃度可能范圍為0-大約50wt％，優(yōu)選濃度為大約0.1-15wt％。
為了方便起見(jiàn)，表面活性劑的例子被分為兩類(1)非離子和兩親型和(2)離子型。前一類包括TERGITOLs；TRITONs，烷基苯基聚氧乙烯，可從Rohm & Haas Co得到；PLURONICs；SURFYNOLs；POE酯、POE二酯、POE胺、質(zhì)子化POE胺；POE酰胺和dimethicone copolyols。離子型表面活性劑如取代氧化胺在本發(fā)明實(shí)施中應(yīng)用。美國(guó)專利5,106,416，“用兩性離子型表面活性劑和陽(yáng)離子型染料降低擴(kuò)滲”公開(kāi)了幾乎上述表面活性劑的絕大部分。非離子型兩親物或表面活性劑比離子型表面活性劑更優(yōu)先選用。在本發(fā)明實(shí)施中，優(yōu)選的兩親物或表面活性劑的具體例子包括，但不限于，異-十六烷基氧乙烯-20、SURFYNOL CT-111、TERGITOL15-S-7和氧化胺，如N，N-二甲基-N-十二烷基氧化胺、N，N-二甲基-N-十四烷基氧化胺、N，N-二甲基-N-十六烷基氧化胺、N，N-二甲基-N-十八烷基氧化胺和N，N-二甲基-N-(Z-9-十八烯基)-N-氧化胺。兩親物或表面活性劑可能的濃度范圍為0-大約40wt％，其中2.5wt％為優(yōu)選濃度。
適用于本發(fā)明的色料包括所有化學(xué)改性的水溶顏料(黑色和彩色)?；瘜W(xué)改性作用使所有的有機(jī)顏料前體具有水溶性。一般經(jīng)過(guò)化學(xué)處理，陰離子發(fā)色劑表面具有羧酸基或磺酸基功能團(tuán)，陽(yáng)離子發(fā)色劑表面具有銨基或鏻基功能團(tuán)。因所選擇的方法不同，發(fā)色劑既可能是陰離子性質(zhì)也可能是陽(yáng)離子性質(zhì)。酸性功能團(tuán)如磺酸功能團(tuán)化作用產(chǎn)生于發(fā)煙硫酸的徹底磺化作用，羧酸功能團(tuán)產(chǎn)生于化學(xué)或催化氧化反應(yīng)。相反，含銨子的堿性發(fā)色劑產(chǎn)生于還原性酰胺化反應(yīng)。
化學(xué)改性方法不同于兩親聚合物等一些表面活性劑的應(yīng)用，后者現(xiàn)已通常被用于溶解水不溶性色料。在水溶液中，化學(xué)改性發(fā)色劑具有極好的水溶性，它無(wú)須使用助溶添加劑，如兩親聚合物和表面活性劑。由這些水溶發(fā)色劑制備的黑色墨水，提供給打印介質(zhì)黑色光密度，該光密度通?？蓮挠糜贖ewlett-Packard’s Laser-Jet打印機(jī)的調(diào)色劑中看到。
化學(xué)改性作用是一種相當(dāng)?shù)蛷?qiáng)度的處理過(guò)程，并且取消了更通用的球磨方法，該方法將碳墨或顏料與兩親聚合物或表面活性劑一起研磨。
這些黑色水溶發(fā)色劑可以從染料供應(yīng)商如Cabot Corp，和OrientChemical，那里買到。許多顏料在實(shí)施本發(fā)明中很有用處。在實(shí)施本發(fā)明中，如下的顏料是很有用的，然而，這里所列出的顏料并不限制本發(fā)明。如下顏料可以從BASF買到Paliogen橙色、Hetiogen藍(lán)色、L6901F、Heliogen藍(lán)色NBD7010、Heliogen藍(lán)色K7090、Heliogen藍(lán)色L7010F、Paliogen藍(lán)色L6470、Heliogen綠色K 8683和Heliogen綠色9140。如下顏料可從Cabot買到Monarch1400、Monarch1300、Monarch1100、Monarch900、Monarch880、Monarch800和Monarch700。如下顏料從Ciba-Geigy可買到Chromophtal黃色3G、Chromophtal黃色GR、Chromophtal黃色8G、Igrazin黃色5GT、Igralite玉紅色4BL、Monastral品紅色、Monastral猩紅色、Monastral紫色R、Monastral紅色B和Monastral紫褐色B。如下顏料可從Columbian買到Raven 7000、Raven 5750、Raven 5250、Raven 5000、和Raven 3500。如下顏料可從Degussa買到黑色FW 200、黑色FW2、黑色FW2V、黑色FW1、黑色FW18、黑色S160、黑色S170、專用黑色6、專用黑色5、專用黑色4A、專用黑色4、Prmtex U、Printex V、Printex 140U和Prmtex 140V。如下顏料可從DuPont買到Tipure-101。如下顏料可從Heubach買到Dalamar黃色YT-858-D和Heucophthal藍(lán)色GXBT-583D。如下顏料可從Hoechst買到永久黃GR、永久黃G、永久黃DHG、永久黃NCG-71、永久黃GG、漢撒黃RA、漢撒黃亮黃5GX-02、漢撒黃-X、Novoperm黃色HR、Novoperm黃色FGL、漢撒亮黃10GX、永久黃G3R-01、Hostaperm黃色H4G、Hostaperm黃色H3G、Hostaperm橙色GR、Hostaperm猩紅色GO和永久玉紅F6B。如下顏料可從Mobay買到Quindo品紅色、Indofast亮猩紅色、Quindo紅色R 6700、Quindo紅色R 6713和Indofast紫色。如下顏料可從SumChem買到L 74-1357黃色、L 75-1331黃色和L 75-2577黃色。
陰離子發(fā)色劑相應(yīng)的陽(yáng)離子包括所有堿金屬和堿土金屬離子以及取代和非取代銨離子。陽(yáng)離子發(fā)色劑相應(yīng)的陰離子包括所有的鹵素離子、硫酸根、硝酸根、磷酸根、磺酸根、羧酸根、碳酸根、碳酸氫根、硼酸根、四硼酸根、四氟硼酸根、甲基磺酸根、甲基苯基磺酸根、亞磷酸根、膦酸根、六氟膦酸根、磷雜環(huán)戊二烯、石碳酸根、高氯酸根、鎢酸根、鉬酸根和硅酸根離子等。
一種優(yōu)選的顏料是官能化的似石墨(碳黑)微粒，微粒的平均直徑大約0.005至12μm。這種類型色料由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，其中溶劑可及的官能團(tuán)被衍生為可增溶基團(tuán)，使得色料可溶于水。這種大分子發(fā)色劑(MMC)是水溶的，其水溶性與熟知的商業(yè)應(yīng)用的水溶性酸和堿性染料相似。
為了改進(jìn)光密度，墨水組成中可有選擇地加入至少一種天然或合成的高分子量膠體，其含量大約0-3wt％。一種高分子量膠體的添加改進(jìn)了打印質(zhì)量。在本發(fā)明實(shí)施中應(yīng)用的高分子量膠體的實(shí)例包括，但不限于，藻酸鹽、甘露糖醛酸、鹿角膠(carageenen)、瓜耳膠、黃原膠、葡聚糖、聚乙酰氨基葡糖、聚氨基葡糖、羧甲基纖維素、硝基甲基纖維素和所有這些膠的衍生物。這些膠被公開(kāi)于美國(guó)專利5,133,803，“控制擴(kuò)滲的高分子量膠體”。在本發(fā)明實(shí)施中，優(yōu)先選用的高分子量膠體包括，但不限于，低粘度藻酸鈉。在本發(fā)明的墨水中，優(yōu)選的高分子量膠體濃度是大約0.25wt％。
優(yōu)選的墨水組合物包括油、表面活性劑、共溶劑和改性顏料。優(yōu)選的油是EPH或PPH，其含量少于5wt％。表面活性劑是BRIJ、PLURONIC或TERGITOL表面活性劑，其含量大約0.1-3wt％。共溶劑是2-吡咯烷酮，其含量大約10-15wt％。改性顏料是MMC，含量大約3-10wt％。配差額成分是水。這些配料混合在一起并機(jī)械攪拌或用低功率聲波混合。眾所周知，任何一種混合方法都能形成穩(wěn)定的微乳化液。
最優(yōu)選的組合物包括大約5wt％的TERGITOL，約3wt％的EPH、約12wt％的2-吡咯烷酮、約5wt％的MMC和配差額的水。
和本發(fā)明要求相一致，各種添加劑可以用于墨水中，以便優(yōu)化特殊用途的墨水組成的性質(zhì)。例如，象熟悉此技術(shù)的人們所知的那樣，生物殺傷劑可能被加入墨水成分中；以便阻止微生物的生長(zhǎng)；可以包括隔離試劑如EDTA，以便消除重金屬雜質(zhì)的有害影響；緩沖溶液可被用于控制墨水的pH值。其他已知的添加劑如粘度改進(jìn)劑和丙烯酸高聚物或非丙烯酸高聚物可以加入，按要求使墨水的各種性質(zhì)得到改進(jìn)。
工業(yè)適用性本發(fā)明的墨水組合物預(yù)期可應(yīng)用于作為熱噴墨墨水，特別是改進(jìn)的墨水特性，如高邊緣敏銳度、高光密度、快干燥時(shí)間、耐水性和耐擦拭性，都是需要的。
因此，公開(kāi)了一種熱噴墨打印用的熱噴墨墨水，其中含有載體、水溶色料和水的微乳化液。對(duì)于熟悉這種技術(shù)的人們來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，各種明顯的原始情況的變化和改進(jìn)可以做到；然而，所有的這些變化或改進(jìn)都被認(rèn)為落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種熱噴墨打印用的熱噴墨墨水，包括(a)一種載體，包括(1)至少一種基本水不溶的有機(jī)油，占大約0.1-50wt％，(2)至少一種有機(jī)共溶劑，占0-大約50wt％，(3)至少一種兩親物質(zhì)，占0-大約40wt％，和(4)至少一種高分子量膠體，占0-大約3wt％；(b)至少一種化學(xué)改性的水溶性色料；和(c)配差額的水，其中所述墨水是以上述組分的微乳化液存在。
2.按照權(quán)利要求1的噴墨墨水，其中所述有機(jī)油包括至少一種選自乙二醇醚、苯醚、聚(乙二醇)醚、烷基醚、芳香族醚、烷基芳基醚、烷基酯、芳香基酯、聚(乙二醇)酯、脂肪基苯基聚氧乙烯、脂肪基聚氧乙烯、水不溶性乙炔屬聚乙烯、嵌段共聚氧乙烯、聚氧乙烯酯、聚氧乙烯二酯、聚氧乙烯胺、聚氧乙烯酰胺，和dimethicone copolyols的化合物。
3.按照權(quán)利要求1的噴墨墨水，其中有機(jī)共溶劑包括至少一種選自脂肪族醇、芳香族醇、二醇、乙二醇醚、聚(乙二醇)醚、己內(nèi)酰胺、甲酰胺、乙酰胺、和長(zhǎng)鏈醇類的化合物。
4.按照權(quán)利要求1的噴墨墨水，其中所述化學(xué)改性的水溶色料包括一種顏料，選自包括黑、藍(lán)綠、黃和品紅這類顏料。
5.按照權(quán)利要求4的噴墨墨水，其中所述色料或是(a)陰離子型，結(jié)合的相反離子選自堿金屬離子、堿土金屬離子、取代銨離子和未取代銨離子，或是(b)陽(yáng)離子型，其結(jié)合的離子選自鹵素離子、硫酸根、硝酸根、磷酸根、磺酸根、羧酸根、碳酸根、碳酸氫根、硼酸根、四硼酸根、四氟硼酸根、甲基磺酸根、甲基苯基磺酸根、亞磷酸根、膦酸根、六氟膦酸根、高氯酸根、鎢酸根、鉬酸根，和硅酸根離子。
6.按照權(quán)利要求1的噴墨墨水，其中兩親物是選自離子型表面活性劑、非離子型表面活性劑、離子兩親物和非離子兩親物。
7.按照權(quán)利要求1的噴墨墨水，其中高分子量膠體是選自藻酸鹽和其衍生物，甘露糖醛酸和其衍生物，鹿角膠和其衍生物，瓜耳樹(shù)膠和其衍生物，黃原膠和其衍生物，葡聚糖和其衍生物，聚乙酰氨基葡糖和其衍生物，聚氨基葡糖和其衍生物，羧甲基纖維素和其衍生物，硝基甲基纖維素和其衍生物。
8.一種噴墨打印方法，包括用權(quán)利要求1的噴墨墨水打印在介質(zhì)上。
9.用于噴墨打印的權(quán)利要求1的微乳化水溶墨水的配制方法包括(a)混合水，至少一種所述兩親物、所述的油、所述色料，和任選至少一種所述共溶劑和至少一種所述高分子量膠體，使其形成穩(wěn)定溶液；和(b)機(jī)械攪拌或聲波混合所述混合物，使其形成所述微乳化墨水。
10.按照權(quán)利要求9的方法，其中乳化墨水被配制成含有下列成分(a)含油大約0.1-50wt％；(b)0-大約40wt％的兩親物；(c)0-大約50wt％的共溶劑；(d)0.05-3wt％的高分子量膠體；(e)大約0.5-20wt％的色料；和(f)配差額的水。
全文摘要
本發(fā)明的墨水包括載體、色料,其中載體包括微乳劑,該乳劑含有至少一種水不溶有機(jī)油,至少一種有機(jī)共溶劑和水,并任選至少一種兩親物和一種高分子量膠體。色料是一種水不溶發(fā)色劑,它被化學(xué)改性接上水溶性功能團(tuán)而成為水溶色料。這些功能團(tuán)是被加到發(fā)色劑微粒的表面,形成水溶色料微粒。墨水展示出高邊緣敏銳度、高光密度、快干燥時(shí)間、低擴(kuò)滲、改善暈圈特性、高耐水性和高耐擦拭性。
文檔編號(hào)C09D11/00GK1181400SQ97113339
公開(kāi)日1998年5月13日 申請(qǐng)日期1997年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月31日
發(fā)明者J·W·曾, J·R·莫法特 申請(qǐng)人:惠普公司