Чернила для струйной печати на пористом материале-носителе с повышенной стойкостью к образованию подтеков при воздействии влаги - RU2373240C2

Описание

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка заявляет преимущество предварительной заявки на патент США № 60/615129, поданной 1 октября 2004 г.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к чернилам для струйной печати, которые позволяют получить печатные изображения повышенной стойкости. Более конкретно, настоящее изобретение относится к чернилам для струйной печати, обеспечивающим повышенную стойкость изображения, напечатанного на пористом материале-носителе.

Уровень техники

В состав чернил для струйной печати в качестве красящего вещества обычно входит краситель или пигмент и растворитель, например водный. Выбор между использованием в чернилах для струйной печати красителя или пигмента зависит от их конкретного применения, поскольку каждое из красящих веществ имеет свои достоинства и недостатки. Красители обычно растворимы в воде, что делает составление содержащих краситель чернил для струйной печати согласно рецептуре относительно простым. Однако изображения, нанесенные содержащими краситель чернилами для струйной печати, как правило, при контакте с водой или влагой размазываются или стираются. Кроме того, изображения, нанесенные содержащими краситель чернилами для струйной печати, неустойчивы к воздействию света видимой и ультрафиолетовой частей спектра, солнечному свету. Изображения, нанесенные содержащими пигмент чернилами для струйной печати, напротив, более водо- и светостойкие, чем нанесенные содержащими краситель чернилами. Однако пигмент не проникает внутрь материала-носителя, а остается на его поверхности. Следовательно, такое печатное изображение легко образует подтеки при воздействии влаги и пользовании маркерами. Кроме того, трудно получить и сохранить однородную дисперсию пигмента, поскольку он трудно растворим в применяемых растворителях. Для получения стабильной дисперсии пигмента к растворителю добавляют диспергирующие вещества, такие как полимерные диспергаторы или поверхностно-активные вещества (ПАВ). Кроме того, для повышения диспергируемости пигмента ПАВ адсорбируют или наносят на его поверхность в виде покрытия. Однако введение полимерных диспергаторов или ПАВ повышает вязкость чернил для струйной печати, что влияет на их пригодность для печатания. Более того, содержащие пигмент чернила для струйной печати не дают стойких изображений при нанесении на пористый материал-носитель.

Для повышения диспергируемости пигментов в растворителе также было предложено химически модифицировать пигменты. Осуществлялось химическое модифицирование пигментов путем присоединения к его поверхности органической функциональной группы, такой как небольшая молекула или полимер. Одним из осложнений, возникающих при использовании в чернилах для струйной печати модифицированных пигментов, в частности, с присоединенной к поверхности небольшой молекулой, является то, что изображения, получаемые при печати на пористом материале-носителе, нестойкие. Поэтому для повышения стойкости изображений на таких материалах-носителях в чернила для струйной печати вводили полимерные добавки. Однако использование полимерных добавок приводит к повышению вязкости чернил для струйной печати, что снижает их пригодность для печатания, оптическую плотность и устойчивость к образованию подтеков при воздействии влаги.

Желательно иметь такие содержащие пигмент чернила для струйной печати, которые бы при печати на пористом материале-носителе обладали повышенной стойкостью к образованию подтеков при воздействии влаги без уменьшения при этом оптической плотности.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к совокупности средств для струйной печати. Данная совокупность средств включает чернила для струйной печати, в состав которых входят свободное связующее вещество и модифицированный пигмент, фиксатор и пористый материал-носитель.

Модифицированный пигмент чернил для струйной печати включает присоединенный к его поверхности полимер с молекулярным весом, равным приблизительно 4000 или более.

Настоящее изобретение также относится к способу получения печатных изображений, обладающих повышенной стойкостью к образованию подтеков при воздействии влаги. Данный способ включает обеспечение пористого материала-носителя и нанесение чернил для струйной печати на этот пористый материал-носитель. В состав чернил для струйной печати входят свободное связующее вещество и модифицированный пигмент с присоединенным к его поверхности полимером, молекулярный вес которого равен приблизительно 4000 или более.

Подробное описание изобретения

Чернила для струйной печати, в состав которых входят модифицированный пигмент и свободное связующее вещество, используют для получения стойких печатных изображений на пористом материале-носителе. Далее под термином «модифицированный пигмент» подразумевается пигмент с присоединенным к его поверхности полимером, а под термином «полимер» - макромолекула, состоящая из повторяющихся групп одного мономера, повторяющихся звеньев, состоящих из групп нескольких мономеров, или их сочетания. Термин «свободное связующее вещество» означает полимер, который входит в состав чернил для струйной печати, но не присоединен к пигменту. Для обеспечения стойкости печатных изображений совместно с чернилами для струйной печати может быть использован фиксатор, который не снижает их оптическую плотность, способствует повышению устойчивости к образованию подтеков при воздействии влаги и уменьшает время высыхания.

Пигмент, используемый в качестве модифицированного пигмента, может представлять собой любой из традиционно используемых в чернилах для струйной печати пигментов, черный или цветной. Для использования в данном изобретении пигмент как таковой может быть подобран специалистами из известных в данной области. Хотя в приведенных ниже примерах описано использование черных пигментов, понятно, что настоящее изобретение также предусматривает использование цветных пигментов. Примеры черных пигментов включают углеродные продукты, такие как сажа, графит, стекловидный углерод, углеродные волокна, активированный уголь и активированный древесный уголь. Сажа может включать, кроме прочего, канальную газовую сажу, печную сажу и ламповую сажу. Цветные пигменты могут представлять собой полимерные или органические пигменты и включать синие, черные, белые, коричневые, голубые, зеленые, фиолетовые, пурпурные, красные, желтые пигменты или их смеси. Примеры классов соединений, представляющих собой цветные пигменты, которые могут быть использованы в настоящем изобретении, включают, кроме прочего, антрахиноны, синий фталоцианиновый пигмент, зеленый фталоцианиновый пигмент, диазосоединения, азосоединения, пирантроны, перилены, желтые гетероциклические пигменты, хинакридоны и (тио)индигоиды.

Полимер, присоединенный к поверхности пигмента, может быть термопластичным или термореактивным. Этот полимер может относиться к любому типу полимеров, такому как неупорядоченные полимеры, сополимеры с регулярным чередованием мономерных единиц, привитые полимеры, блоксополимер, звездообразные полимеры и/или гребнеобразные полимеры. Этот полимер может быть гомополимером, сополимером, тройным сополимером и/или полимером, состоящим из ряда различных повторяющихся мономерных звеньев. Этот полимер также может включать ионные или ионизируемые группы, такие как анионная (или кислотная) группа или катионная (или основная) группа. Например, ионная или ионизируемая группа может представлять собой карбоксильную группу или аминогруппу. Хотя в приведенных ниже примерах описаны модифицированные пигменты с одним типом присоединенного к их поверхности полимера, следует понимать, что к поверхности пигмента может быть присоединен более чем один тип полимера.

Полимер, присоединенный к поверхности пигмента, может быть растворим в воде и может иметь молекулярный вес, равный приблизительно 4000 или более. В данном документе под термином «молекулярный вес» подразумевается средний молекулярный вес, который может быть измерен при помощи гельпроникающей хроматографии с использованием в качестве растворителя тетрагидрофурана. Молекулярный вес данного полимера может колебаться в пределах от приблизительно 4000 до приблизительно 17500. Распределение молекулярного веса данного присоединенного к поверхности пигмента полимера может быть случайным.

Примеры катионных полимеров, которые могут быть присоединены к поверхности пигмента, включают, кроме прочего, полиэтиленимины; полигуаниды; имиды стирола и малеинового ангидрида, серийно выпускаемые фирмой Sartomer Co. Inc. (Экстон, Пенсильвания) под торговой маркой SMA®; четвертичные соединения аммония, такие как поличетвертичные соединения, серийно выпускаемые фирмой Sigma-Aldrich Co. (Сент-Луис, Миссури); их сочетания. Поличетвертичные соединения включают, кроме прочего, поликватерний 2, поликватерний 10, поликватерний 11 и поликватерний 46. Модифицированные пигменты с присоединенным к поверхности катионным полимером известны в данной области и выпускаются серийно многими производителями, такими как фирма Cabot Corp. (Биллерика, Массачусетс). В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения катионный полимер, присоединенный к поверхности пигмента, представляет собой полиэтиленимин или полимер, состоящий из шести линейных повторяющихся полиэтилениминных звеньев, именуемый РЕНА.

Анионные полимеры, которые могут быть присоединены к поверхности пигмента, включают, кроме прочего, стирол-полиакрилаты, сополимеры стирола и малеинового ангидрида, полиуретаны и их сочетания. Модифицированные пигменты с присоединенным к поверхности анионным полимером известны в данной области и выпускаются серийно многими производителями, такими как фирма Cabot Corp. (Биллерика, Массачусетс). В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения анионный полимер, присоединенный к поверхности пигмента, представляет собой стирол-полиакрилат. Стирол-полиакрилат может содержать акриловую кислоту в количестве приблизительно от 13 до 35%. Доля акриловой кислоты по отношению к стиролу колеблется от приблизительно 0,20 до приблизительно 0,80. Кислотное число данного полимера может быть выше, чем приблизительно 80, например, в пределах от приблизительно 80 до приблизительно 220. Далее под термином «кислотное число» понимается вес гидроксида калия (КОН) в миллиграммах, необходимый для нейтрализации боковых карбоксильных групп в 1 грамме полимера. Полимеры с такими свойствами известны в данной области и могут быть получены традиционными способами.

Полимеры для получения модифицированного пигмента могут быть получены и присоединены к поверхности пигмента известными в данной области способами. Один из способов присоединения полимера включает осуществление реакции между пигментом и солью диазония присоединяемого полимера. Реакция соли диазония с пигментом может быть проведена в соответствующей реакционной среде с тем, чтобы обеспечить достаточное для присоединения к пигменту, по меньшей мере, одной группы полимера время. Количество полимеров, присоединяемых к поверхности пигмента, может зависеть от условий реакции и реакционной способности соли диазония.

Модифицированный пигмент может присутствовать в чернилах для струйной печати в количестве от приблизительно 1 вес.% до приблизительно 25 вес.% относительно веса чернил для струйной печати. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения модифицированный пигмент присутствует в количестве от приблизительно 3 вес.% до приблизительно 10 вес.%.

В состав чернил для струйной печати также может входить свободное связующее вещество. Это свободное связующее вещество может представлять собой полимер, который присутствует в чернилах для струйной печати, но не присоединен к поверхности пигмента. Этот полимер может иметь тот же заряд, что и модифицированный пигмент. Например, если в составе чернил используется катионный модифицированный пигмент, свободное связующее вещество может представлять собой катионный полимер. Напротив, если в составе чернил используется анионный модифицированный пигмент, свободное связующее вещество может представлять собой анионный полимер. Свободное связующее вещество может быть подобрано из описанных выше в качестве присоединяемых к поверхности пигмента классов полимеров. Например, свободное связующее вещество может представлять собой, кроме прочего, полиэтиленимин, полигуанид, имид стирола и малеинового ангидрида, поличетвертичное соединение, стирол-полиакрилат, сополимер стирола и малеинового ангидрида, полиуретан и их сочетания. Примеры стирол-полиакрилатов, которые могут быть использованы в качестве свободного связующего вещества, включают, кроме прочего, Joncryl®678, Joncryl®586 и Joncryl®671, выпускаемые серийно фирмой Johnson Polymer, Inc. (Стуртевант, Висконсин). Примеры полиэтилениминов, которые могут быть использованы в качестве свободного связующего вещества, включают, кроме прочего, NBZ2458-9, выпускаемый фирмой Avecia Ltd. (Вилмингтон, Делавэр), и NiccaJet 100, выпускаемый фирмой Nicca USA, Inc. (Фаунтин Инн, Южная Каролина). Это свободное связующее вещество может иметь тот же заряд, что и заряд модифицированного пигмента.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения в состав свободного связующего вещества входит смесь полимеров, имеющих один и тот же заряд. Свободное связующее вещество может включать, по меньшей мере, два полимера, отношение молекулярных весов которых лежит в пределах от приблизительно 0,001 до приблизительно 10. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения отношение молекулярных весов свободных связующих веществ лежит в пределах от приблизительно 1 до приблизительно 10. Молекулярный вес этих полимеров может совпадать или отличаться. Например, один из полимеров может иметь более низкий молекулярный вес, чем второй. Только в качестве примера укажем, что молекулярный вес одного полимера может составлять приблизительно 4600, а второго - приблизительно 17250. Количество первого полимера, присутствующего в чернилах для струйной печати, может быть выше, чем количество второго. Например, количество первого полимера, присутствующего в чернилах для струйной печати, может составлять приблизительно 10 частей, а второго - 1, что дает соотношение молекулярного веса, равное 10.

Чернила для струйной печати могут быть составлены в соответствии с рецептурой любым известным в данной области способом. Например, модифицированный пигмент может быть растворен, диспергирован или суспендирован в растворителе. Растворитель, кроме воды, может включать водорастворимые или смешивающиеся с водой органические растворители, известные в данной области. В состав чернил для струйной печати также могут входить добавки, такие как ПАВ, ингибиторы коррозии, буфер, антиоксиданты и/или биоциды. Эти добавки известны специалистам в данной области и могут быть подобраны в зависимости от свойств, которыми должны обладать чернила. Модифицированный пигмент, добавки и любые другие компоненты могут быть перемешаны, взболтаны или смешаны другим образом с образованием чернил. рН чернил для струйной печати может лежать в пределах от приблизительно 8 до приблизительно 10.

Материал-носитель, на который наносятся чернила для струйной печати, может представлять собой пористый материал-носитель. Пористые материалы-носители известны в данной области и обычно состоят из пористого покрытия, нанесенного на подложку. Примеры пористых материалов-носителей включают, кроме прочего, высокосортную бумагу Hammermill®, производимую фирмой International Paper Co. (Стамфорд, Коннектикут); высокосортную и яркую белую бумагу НР, производимую фирмой Hewlett-Packard Inc. (Пало Альто, Калифорния); высокосортную бумагу Gilbert, производимую фирмой Gilbert Paper (Аплтон, Висконсин); бумагу Great White®, производимую фирмой Union Camp; немелованную бумагу и копировальную бумагу Sabah Forest Industries, производимые фирмой Sabah Forest Industries Sdn Bhd (Малайзия). Кроме того, в данном изобретении могут быть использованы пористые материалы-носители, поставляемые фирмами International Paper Co. (СтораЭнсо, Финляндия) и Yamayuri.

Чернила для струйной печати могут быть нанесены на материал-носитель любым традиционным способом струйной печати. Например, чернила могут быть нанесены при помощи струйного принтера, такого как НР DeskJet, поставляемого фирмой Hewlett-Packard Inc. (Пало Альто, Калифорния). Чернила для струйной печати могут быть нанесены на материал-носитель совместно с фиксатором с целью получения печатных изображений, обладающих повышенной устойчивостью к образованию подтеков при воздействии влаги. Кроме того, такие чернила имеют меньшую вязкость, повышенную пригодность для печатания и меньшее время высыхания, например менее пяти секунд. Нагревание для получения печатных оттисков может не потребоваться.

С целью фиксации модифицированного пигмента и повышения устойчивости к образованию подтеков при воздействии влаги на материал-носитель может быть нанесен фиксатор. Такой фиксатор может включать растворитель и полимер, который вступает в реакцию с чернилами для струйной печати. Реакционноспособный полимер может иметь заряд, противоположный заряду модифицированного пигмента. Например, если модифицированный пигмент анионный, фиксатор может включать катионный реакционноспособный полимер. Катионный реакционноспособный полимер может включать, кроме прочего, полиэтиленимин, водно-дисперсную алкоксилированную форму полиэтиленимина, хлорид полидиаллилдиметиламмония. Кроме того, фиксатор может быть в значительной степени свободен от красящего вещества либо может включать красящее вещество, не поглощающее видимый свет.

Фиксатор может также включать осадитель, например, соль или кислоту. Соль может включать катионы, такие как кальций, магний, алюминий или их сочетания. Примеры солей могут включать, кроме прочего, нитрат кальция, нитрат магния или нитрат аммония. Кислота может представлять собой любую неорганическую или органическую кислоту, например янтарную или глутаровую. Осадитель может использоваться с целью изменения электропроводности или рН чернил для струйной печати, вызывая, тем самым, осаждение модифицированного пигмента на поверхности материала-носителя. Фиксатор может быть нанесен на материал-носитель как до чернил для струйной печати, так и после их нанесения. Фиксатор как таковой может находиться в дополнительном картридже струйного принтера, например в пятом.

Фиксатор также может включать краситель, обладающий зарядом, противоположным заряду пигмента. Имеющий заряд краситель может использоваться для осаждения модифицированного пигмента на материал-носитель. Например, если модифицированный пигмент является катионным, фиксатор может включать анионный краситель. Напротив, если модифицированный пигмент является анионным, фиксатор может включать катионный краситель. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения краситель представляет собой анионный голубой краситель.

Без связи с какой-либо теоретической основой полагают, что когда чернила для струйной печати наносят на материал-носитель, полимеры, представляющие собой свободные связующие вещества, образуют матрицу, перекрывающую зазоры между пигментом и пустотами на поверхности материала-носителя. Нанесение на материал-носитель фиксатора обеспечивает взаимодействие между поверхностью материала-носителя, модифицированным пигментом и свободным связующим веществом, что приводит к фиксации модифицированного пигмента на материале-носителе. Фиксатор образует на материале-носителе покрытие, которое представляет собой химически модифицированную поверхность, создающую кинетически и термодинамически благоприятные условия для взаимодействия между материалом-носителем, модифицированным пигментом и свободным связующим веществом. Поскольку заряд реакционноспособного полимера фиксатора противоположен заряду модифицированного пигмента, модифицированный пигмент и матрица фиксируются на материале-носителе. Далее настоящее изобретение будет разъяснено на следующих ниже примерах, которые приведены с целью объяснения различных вариантов осуществления настоящего изобретения. Эти примеры являются иллюстративными и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Как таковые, эти примеры не должны быть истолкованы по отношению к объему настоящего изобретения как исчерпывающие или исключительные.

ПРИМЕРЫ

Пример 1

Чернила для струйной печати с модифицированными пигментами и свободными связующими веществами

Были изготовлены составы чернил для струйной печати A-D, включающие компоненты, приведенные в таблице 1. Также был изготовлен фиксатор, включающий компоненты, соответствующие составу Е. Кроме того, в состав фиксатора входил синий кислотный краситель 9.

где Zonyl FSO - водорастворимое, этоксилированное неионогенное фторсодержащее ПАВ от DuPont; Liponics EG-1 - эфир полиэтиленгликоля и глицерина от фирмы Lipo Chemical Со;

Cabot IJX 489 получен от фирмы Cabot Corp.(Биллерика, Массачусетс). В состав Cabot IJX 489 входит стирол-полиакрилат с молекулярным весом 8000 и кислотным числом 165, присоединенный к Black Pearls® в качестве базового пигмента.

Чернила для струйной печати и фиксатор были составлены в соответствии с рецептурой при помощи традиционных способов. Физические свойства составов A-D, измеренные известными в данной области способами, представлены в таблице 2.

Пример 2

Стойкость составов A-D

Изображения были отпечатаны на белой яркой бумаге HP чернилами для струйной печати составов, описанных в Примере 1. Фиксатор состава Е был нанесен под печатное изображение. Затем была определена оптическая плотность печатных изображений. Оптическую плотность измеряли денситометром MacBeth, поставленным фирмой Amazys Holding AG (ранее GretagMacbeth Holding AG).

Кроме того, были проведены тесты на образование подтеков при воздействии влаги. Стойкость к образованию подтеков при воздействии влаги - это способность печатного изображения не расплываться после того, как отпечатанное изображение высушено, а затем подвергнуто растиранию в присутствии воды. Для определения показателей в отношении образования подтеков на печатное изображение разбрызгивали воду, а затем терли пальцем в резиновом напальчнике. Устойчивость к образованию подтеков количественно измерили денситометром MacBeth в единицах оптической плотности.

Результаты измерения оптической плотности и тестов на образование подтеков при воздействии влаги представлены в таблице 3.

Как видно из таблицы 3, составы A-D устойчивы к образованию подтеков при воздействии влаги. Сравнение данных для состава А, который включал в качестве свободного связующего вещества один полимер, и состава В, который включал в качестве свободного связующего вещества два полимера, показывает, что второй имеет более высокую стойкость к образованию подтеков при воздействии влаги и сопоставимую оптическую плотность. Когда концентрацию пигмента увеличили до 4,00%, как в составе С, оптическая плотность и стойкость к образованию подтеков при воздействии влаги снизились. Однако увеличение количества свободного связующего вещества, как в составе D, позволило добиться повышения стойкости к образованию подтеков при воздействии влаги и сопоставимой оптической плотности.

Пример 3

Чернила для струйной печати с модифицированными пигментами, в состав которых входят полимеры с более низким молекулярным весом

Были изготовлены составы чернил для струйной печати F, G, Н, включающие компоненты, приведенные в таблице 4.

В данных составах был использован модифицированный пигмент Cabot IJX 306B, поставленный фирмой Cabot Corp.(Биллерика, Массачусетс). В состав данного продукта входят полимеры с молекулярным весом менее чем приблизительно 4000, которые присоединены к Black Pearls® в качестве базового пигмента. В продукте Cabot IJX 306B к базовому пигменту присоединен полимер РЕНА с молекулярным весом 600. Составы G и Н также включают NB22458-9 или NiccaJet 100 в качестве свободных связующих веществ.

Чернила для струйной печати были составлены традиционными способами в соответствии с рецептурой.

Пример 4

Стойкость составов F-H

Изображения были отпечатаны на белой яркой бумаге НР чернилами для струйной печати составов, описанных в Примере 3. Каждый из составов чернил был использован для печати сам по себе, а также совместно с фиксатором, наносимым под печатное изображение. Затем для каждого состава была определена оптическая плотность печатных изображений и проведены тесты на образование подтеков при воздействии влаги, как было описано выше. Результаты измерений и тестов представлены в таблицах 5 и 6.

Устойчивость изображений на яркой белой бумаге НР к воздействию влаги при использовании фиксатора выше, чем при использовании только чернил для струйной печати. Кроме того, оптическая плотность печатного изображения при использовании фиксатора имеет, по меньшей мере, сопоставимое значение.

Реферат

Изобретение относится к чернилам для струйной печати. Описывается система средств для струйной печати, включающая чернила для струйной печати, содержащие смесь свободных связующих веществ и модифицированный пигмент, фиксатор и пористый материал-носитель. Свободное связующее вещество представляет собой полимер из группы, состоящей из полиэтиленимина, полигуанида, имида стирола и малеинового ангидрида, четвертичного соединения аммония, стирол-полиакрилата, сополимера стирола и малеинового ангидрида, полиуретана и их смесей при соотношении молекулярных весов двух полимеров от 0,001 до 10. Описывается также способ получения печатных изображений, включающий обеспечение пористого материала-носителя, нанесение на него указанных чернил для струйной печати и далее - фиксатора. Предложенные чернила обеспечивают повышенную устойчивость изображения к образованию подтеков при воздействии влаги без снижения оптической плотности изображения. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 6 табл.

Формула