Жидкие чернила для струйной печати - RU2129579C1

Описание

Настоящее изобретение относится к чернилам, а более конкретно - к чернилам, используемым для струйных принтеров.

Чернила в общем случае представляют собой жидкость, в которой растворен краситель. Известны также чернила, которые содержат жидкость и диспергированные в ней частицы. Фактически состав чернил для принтеров, в отличие от чернил для ручного письма, определяется способом нанесения указанных чернил.

В настоящее время существует два основных способа нанесения чернил для струйной печати. Первый из них известен как непрерывная струйная печать, а второй - как импульсная струйная печать.

В системах непрерывной струйной печати капли чернил образуются в результате гидростатического давления на жидкие чернила, под действием которого указанные чернила проходят через сопло. На сопло может быть оказано какое-либо воздействие, в частности, пьезоэлектрические колебания, для обеспечения регулярного выброса капель. В момент образования капли могут приобретать заряд благодаря электропроводности и/или электрохимически, после чего они проходят через электроды, которые создают постоянное электрическое поле, вызывающее отклонение этих капель. Таким образом, соответствующие требованиям капли направляются на подложку, а не соответствующие - удаляются. В связи с тем, что чернила должны быть заряжены, необходимо, чтобы они были электропроводными. Такие чернила могут иметь в основе воду или растворитель, а в качестве красителя содержат пигмент или растворимую краску.

В системе импульсной струйной печати капли образуются только в соответствии с генерируемыми изменениями давления на чернила в зоне струйного сопла. Давление может быть создано с использованием пьезоэлектрического кристалла или термическим путем, когда под действием электро-резистивного нагревателя образуется микроскопический пузырек. Обычные чернила имеют водную основу и содержат краску в качестве окрашивающего вещества, хотя использование растворителей и пигментов не препятствует выполнению процесса. Поскольку заряда капель не требуется, специфические требования к электропроводности чернил отсутствуют.

Еще одним вариантом реализации импульсной системы является струйный способ печати горячим расплавом. Этот способ аналогичен образованию капель под действием пьезоэлектрического эффекта с тем отличием, что чернила являются твердыми при комнатной температуре, а в рабочих условиях, при повышенной температуре, поддерживаемой в печатающей головке, превращаются в жидкость. В этом случае также нет необходимости подбирать электропроводность чернил в соответствии со стандартными характеристиками оборудования.

И последняя система, в которой используют небольшие электромеханические вентили для образования капель, известна как вентильный струйный способ. Она, по существу, представляет собой микропульвелизаторную систему и обеспечивает получение гораздо более крупных капель, чем истинные способы струйной печати. Поскольку образование капель происходит механически, требования, касающиеся электропроводности чернил, отсутствуют.

Указанные выше способы имеют ограничения в части разрешающей способности, связанные с образованием капель, которое является функцией диаметра сопла. Самые мелкие используемые сопла имеют диаметр от 7,5 до 10 микрон, что обеспечивает получение капель размером примерно от 14 до 20 микрон, а в переводе на размер точек составляет от 30 до 40 микрон на соответствующих сортах бумаги. Кроме того, чернила, используемые в таких струйных принтерах с мелким соплом, содержат водорастворимые краски, поскольку чернила на пигментной основе вызывают проблемы с засорением сопла. Поэтому достоинства пигментных соединений, а именно более высокая стойкость к воздействию воды и света, а также более широкий спектр доступных цветов, не используются.

Электростатическая струйная печать представляет собой еще один способ, отличающийся тем, что капли выходят из сопла под действием электростатического поля. Это поле, действующее между вентильными электродами и соплом, притягивает свободные заряды, содержащиеся в чернилах, к поверхности, таким образом, что образование капли происходит в тот момент, когда электростатическое притяжение превышает поверхностное натяжение чернил. Поскольку этот способ основан на притяжении свободных зарядов, необходимо, чтобы чернила были электропроводными.

В литературе [1-WO-A-9311866] описан новый способ струйной печати. Этот способ позволяет получить капли переменного размера, которые содержат высокую концентрацию материала в форме частиц. Специфические достоинства данного способа включают возможность получения капель с размером в несколько микрон при использовании пигментов в качестве окрашивающего материала. Это достигается благодаря тому, что размер капель регулируют в основном путем изменения напряжения в точке их выхода и способности частиц заряжаться, поэтому размер капель не лимитируется размером струйного сопла. При этом окрашивающий материал в значительной степени концентрируется в выходящих каплях. Таким образом, можно получить высокое разрешение и высокую плотность изображения на основе влаго- и светостойких пигментов.

Настоящее изобретение относится к чернилам, которые можно использовать в новом, указанном выше, способе струйной печати, при котором выходящие капли представляют собой практически твердое окрашивающее вещество и содержат лишь небольшое количество жидкости. Чернила имеют специфические характеристики, существенные для концентрации окрашивающего вещества в точке выхода капель. Различные виды чернил, рассмотренные ранее, не могут обеспечить получение капель, состоящих практически только из красителя, поскольку, необходимо наличие жидкости или растворителя, которые переносят краситель. Таким образом, указанные устройства имеют определенное ограничение в получении окрашенных капель высокой интенсивности.

Чернила для струйной печати согласно настоящему изобретению обладают свойствами, которые позволяют легко использовать их для получения маркировки с высоким разрешением. Это частично обеспечивается за счет исключительно мелких капель, вырабатываемых струйным принтером, а также за счет уменьшения тенденции к вытеканию и растеканию, благодаря высокой концентрации частиц красителя в каплях.

Задачей настоящего изобретения является получение чернил для струйной печати, обеспечивающих высокую интенсивность маркировки, или, по меньшей мере, получение альтернативного состава чернил для струйной печати.

Еще одна задача настоящего изобретения - получение чернил для струйной печати, которые могут быть использованы с целью получения маркировки с высоким расширением.

И еще одна задача изобретения - получение чернил для струйной печати, которые имеют минимальную тенденцию к вытеканию и растеканию.

Настоящее изобретение в общем случае будет описано применительно к печати чернилами, однако следует понимать, что изобретение не ограничивается этим и может иметь множество других применений в тех случаях, когда требуется наносить или вводить материал в виде мелких частиц, которые могут находиться в жидком носителе.

Таким образом, изобретение относится к чернилам для струйной печати, которые содержат жидкость с удельным электрическим сопротивлением по меньшей мере 10⁹ Ом•см и нерастворимые маркирующие частицы, диспергированные в жидкости, при этом указанные частицы способны заряжаться, способны к образованию агломератов и могут быть эжектированы из чернил в присутствии электростатического поля со значительным градиентом в струйном принтере.

В альтернативной форме изобретение может относиться к чернилам для струйной печати, которые включают:
а) жидкость с удельным электрическим сопротивлением по меньшей мере 10⁹Ом•см,
б) нерастворимые маркирующие частицы, способные заряжаться,
в) агент, заряжающий частицы.

В качестве жидкости может быть использован алифатический углеводород, ароматический углеводород, хлорсодержащий растворитель, полисилоксан или их смеси, а также растительные масла или их смеси.

Маркирующие частицы могут представлять собой пигмент, нерастворимый краситель, полимер или фармацевтический препарат, либо смесь и составлять от 0,5 до 30 мас.%, предпочтительно от 3 до 20 мас.% от массы состава. Как ни странно, чернила для струйной печати с таким высоким содержанием твердого вещества можно успешно применять, что позволяет снизить затраты на их приготовление и хранение, а также использовать резервуары, насосы и картриджи с меньшими размерами для данного содержания твердого вещества.

Агент, заряжающий частицы, может представлять собой соль металла и жирной кислоты, жирную кислоту, лецитин, органическое соединение фосфора, сукцинимид, сульфосукцинат или их смесь. Альтернативно агент, заряжающий частицы, может представлять собой растворимую или частично растворимую смолу, в частности, модифицированный эфир канифоли, акриловую, виниловую, углеводородную смолу или их смесь. Агент, заряжающий частицы, может составлять от 0,05 до 5 мас.% или, предпочтительно, от 0,1 до 1 мас.% от массы состава.

Реализация настоящего изобретения позволяет получить чернила, которые содержат маркирующие частицы, диспергированные в жидкости с удельным электрическим сопротивлением по меньшей мере 10⁹ Ом•см. Кроме того, чернила содержат агенты, заряжающие частицы.

В качестве жидкости можно использовать любые подходящие жидкости с указанными выше характеристиками, включая алифатические углеводороды, в частности, гексан, циклогексан, изодекан, Isopar (производства Exxon) и Shellsol T (производства Shell); ароматические углеводороды, в частности, ксилол, толуол, и Solvecco 100 (производства Exxon); содержащие хлор растворители, в частности диэтиленхлорид и хлороформ; силиконовые жидкости или масла, в частности, диметилполисилоксан, например, DC 200 (производства Dow Corning), а также циклический диметилполисилоксан, например, DC 345 (производства Dow Corning), или их смеси, и растительные масла, в частности, оливковое, сафлоровое, подсолнечное, соевое и льняное масло, или их смеси.

Маркирующие частицы, нерастворимые в жидкости, могут быть выбраны в соответствии с конкретным вариантом из предлагаемого конечного использования из широкого спектра орошающих веществ, полимеров и других химикатов или их смесей. Примерами окрашивающих веществ, пригодных для использования в чернилах, являются органические пигменты, в частности, пигмент желтый 1, пигмент желтый 14, пигмент красный 48:2, пигмент красный 122, пигмент голубой 15: 3 и пигмент голубой 56; неорганические пигменты, в частности, пигмент белый 6, пигмент желтый 35, пигмент голубой 27, пигмент черный 7 и пигмент черный 11; красители, растворимые в органических средах, в частности, растворимые в органических средах красный 7, желтый 88, голубой 49, базовый красный 1 и базовый голубой 26, а также металлические пигменты, в частности пигмент металлический 1 и пигмент металлический 2.

Примерами полимеров, пригодных для использования в чернилах в качестве частиц, являются эпоксидные смолы, в частности, эпоксидная смола bisphenol A, новолачная эпоксидная смола и циклоалифатическая эпоксидная смола; акриловые смолы, в частности, полимеры и сополимеры акриловой кислоты и их эфиры, полимеры и сополимеры метакриловой кислоты и их эфиры; виниловые смолы, в частности, полимеры и сополимеры, включающие винилацетат, винилхлорид, виниловый спирт и винилбутираль; алкидные смолы, в частности, масляный, фенольный и канифольный модифицированный алкиды, и, наконец, модифицированные канифольные эфиры, в частности, димеризованный сложный эфир пентаэритрита и канифоли. Эти полимеры могут быть окрашены или включать диспергированные пигменты.

Примерами химических веществ, пригодных для использования в чернилах в качестве частиц, являются фармацевтические препараты, в частности, ацетилсалициловая кислота, сахароза и аскорбиновая кислота, химикаты, применяемые в сельском хозяйстве, в частности, хлорокись меди и элементарная сера, а также химикаты, применяемые в промышленности. Маркирующие частицы могут присутствовать в составе в количестве от 0,5 до 30% от массы состава.

Кроме того, растворимые или частично растворимые смолы и полимеры могут быть использованы для диспергирования маркирующих частиц в жидкости, а также в качестве связующего вещества для закрепления указанных маркирующих частиц на подложке. Примеры пригодных смол включают некоторые модифицированные эфиры канифоли, акриловые смолы и виниловые смолы, аналогичные перечисленным выше, за исключением того, что они имеют сравнительно большие алкильные группы, придающие им растворимость в жидкости. Кроме того, пригодны также углеводородные смолы, в частности, альфа-метилстирольная и полиизобутиленовая.

В качестве агента, заряжающего частицы, можно использовать любое вещество, которое растворяется или частично растворяется в жидкости и способствует образованию заряженных частиц. Примеры таких агентов включают соли металлов и жирных кислот, в частности соли лития, кадмия, кальция, марганца, магния и гептановой кислоты, а также соли циркония, алюминия, кобальта, марганца и 2-этилгексановой кислоты, жирные кислоты, лецитин, органические соединения фосфора, сукцинимиды, сульфосукцинаты, в частности дигексилсульфосукцинат натрия и диоктилсульфосукцинат натрия, а также полярные растворители, в частности спирты, кетоны и эфиры. Установлено также, что вышеуказанные растворимые полимеры и смолы, обеспечивающие диспергирование частиц и выполняющие связующую функцию, вносят вклад в модификацию заряда. При этом важно, чтобы количество указанных агентов, добавляемое к соединению, не приводило к уменьшению удельного электрического сопротивления чернил ниже предела, составляющего 10⁹Ом•см. Действие таких агентов, заряжающих частицы, в чернилах не совсем понятно, однако предполагается, что они способствуют образованию заряженных частиц и облегчают формирование агломератов заряженных частиц в электропроводной жидкости в присутствии неоднородного электростатического поля со значительным градиентом в месте выхода чернил из сопла или вокруг него. Агент, заряжающий частицы, может присутствовать в концентрации от 0,05 до 5% от массы состава.

Чернила для струйной печати согласно настоящему изобретению можно получить путем диспергирования в жидкости указанных маркирующих частиц и других вышеуказанных компонентов. Для получения чернил можно использовать ряд способов с применением шаровых, фрикционных, коллоидных и трехвалковых мельниц, крупнокалибровочных машин и высокоскоростных диспергаторов. Альтернативно частицы могут быть образованы путем полимеризации в жидкости.

Примеры применения чернил согласно изобретению весьма разнообразны и включают использование чернил в офисных принтерах, для маркировки деталей, для магнитного распознавания символов, маркировки интегральных схем, маркировки стекла, пластмасс, керамики, металлов и сплавов, пищевых продуктов, при печати на ткани, а также при изготовлении фотошаблонов в качестве офсетных оригиналов. При этом следует понимать, что предлагаемое назначение чернил определяет выбор различных компонентов их состава.

Чернила согласно настоящему изобретению могут также использоваться для фармацевтических препаратов, непосредственно принимаемых животными или человеком, или наносимых на подложку, в частности, на инертную таблетку, когда требуется получить точное количество препарата, путем эжектирования агломерата частиц из чернил согласно данному изобретению.

Приведенное описание в целом дает представление о данном изобретении, но для лучшего понимания изобретение иллюстрируется несколькими примерами состава чернил.

Пример 1.

Isopar L, г - 80
Оксид цинка, г - 1
Piccotex LC, г - 20
Nuodex Zirconium - 0,1
Piccotex LC - метилстирол производства Hercules Ins.

Nuodex Zirconium 6% - октоат циркония производства Huls America Inc.

Isopal G и Isopar L - изопарафиновые растворители производства Exxon Chemical.

Вышеуказанные ингредиенты загрузили в шаровую мельницу и подвергали помолу в течение 4 дней с целью получения чернил, предназначенных для специальной маркировки. Чернила имели содержание маркирующих частиц - 1%, содержание агента, заряжающего частицы, - 0,1% и удельное электрическое сопротивление - 10¹¹Ом•см. Эти чернила использовали для нанесения маркировки на интегральную схему с достижением хорошей оптической плотности. Чернила обладали также адекватным сцеплением без дополнительного нагрева, что является важным фактором, поскольку такой нагрев мог бы привести к искажению информации, содержащейся в интегральной схеме.

Пример 2.

Isoрar G, г - 500
2-Этилгексилакрилат, г - 50
Винилацетат, г - 150
Перекись бензоила, г - 1
Вышеуказанные ингредиенты нагревали с обратным холодильником, чтобы вызвать сополимеризацию винилацетата и 2-этилгексилакрилата. К этому каучукоподобному раствору белого цвета добавили:
Orasol Black RL, г - 2
Manganese 56%, г - 5
Orasol Black RL (Cl Черный 29, растворимый в органических растворителях) производства Ciba-Geigy.

Manganese 56% - нафтенат марганца производства A.C.Hattrick Chemicals.

Получили черные чернила с содержанием маркирующих частиц - 28%, содержанием агента, заряжающего частицы, - 0,7% и удельным электрическим сопротивлением - 10¹⁰ Ом•см. Эти чернила использовали в устройстве для струйной печати, описанном в литературе, для получения копий облигаций. Изображение имело малую плотность и очень хорошо фиксировалось на бумаге.

Пример 3.

Подсолнечное масло, г - 210
Microlith Blue 4GT, г - 3
Полиэтиленовый воск, г - 1
Elvax 210, г - 1
Nuodex Zirconium 6%, г - 1
Elvax 210 - этиленвинилацетат производства E.I. DuPont & Co.

Ингредиенты подвергали помолу в нагреваемой фрикционной мельнице в течение 3 ч и получили синие чернила с содержанием маркирующих частиц - 2%, содержанием агента, заражающего частицы - 0,5%, удельным электрическим сопротивлением - 10¹¹ Ом•см. Такие чернила можно использовать для непосредственной маркировки продовольственных продуктов (только после получения разрешения соответствующей организации санитарного надзора). Данные чернила использовали в устройстве струйной печати, описанном в литературе, для маркировки кондитерских изделий, где получили хорошее качество изображения и оптическую плотность.

Пример 4.

Magnox B350, г - 200
Mogul L, г - 20
Synthetic Resin SK, г - 400
Указанные материалы смешали в нагреваемом плавильном смесителе для получения твердых пигментов. Затем 100 г этой композиции, содержащей пигменты и смолу, подвергали помолу в течение 5 суток вместе со следующими материалами:
Plexol 917, г - 10
Nuodex Zirconium 6%, г - 10
Isopar G, г - 400
Magnox B350 - магнитный оксид железа производства Magnox Inc.

Synthetic Resin SK - модифицированная кетонная смола производства Chemishe Werke Huls.

Mogul L - Cl пигмент черный 7 производства Cabot Corporation.

Plexol 917 - добавка для смазки приводов производства Rohm & Haas.

Этот концентрат чернил разбавили в 20 раз составом Isopar G для получения чернильной дисперсии, предназначенной для печати символов с магнитным распознаванием. Чернила имели содержание маркирующих частиц - 1,9%, содержание агента, заряжающего частицы, - 1,1%, и удельное электрическое сопротивление - 10¹⁰ Ом•см. Эти чернила использовали для нанесения символов на облигации, которые анализировали с применением тестера магнитного распознавания символов, а именно тестера Atlantic/Forse Codatest-SST. Полученные магнитные сигналы полностью соответствовали стандарту США E-13B.

Пример 5.

DC 200 Fluid l CS, г - 500
Araldite 6084, г - 200
Irgalite Blue LGLD, г - 20
Nuodex Zirconium 6%, г - 2
Araldite 6084 - эпоксидная смола производства Ciba-Geigy.

DC 200 Fluid - силиконовое масло производства Dow Corning.

Вышеуказанные ингредиенты загрузили в шаровую мельницу и подвергали помолу в течение 4 суток с целью получения синих чернил на основе эпоксидной смолы. Полученный концентрат чернил разбавили в 10 раз силиконовым маслом (1 мПа•с) с получением термопластичной дисперсии чернил с содержанием маркирующих частиц - 3%, содержанием агента, заряжающего частицы, - 0,3% и удельным электрическим сопротивлением - 10¹¹ Ом•см.

Указанное устройство для струйной печати использовали для получения изображения на фотопластинке Agfa CRAA с окисью алюминия, которую затем подвергли термической обработке при 110^oC в течение 2 минут. Полученный фотошаблон использовали для печати на копировальном аппарате AM 1250 и получили 50 000 хороших копий.

Пример 6.

Tintacard 300, г - 8,5
Reflex Blue 3G, г - 1,5
FOA-2, г - 13,5
Nuodex Zirconium 6%, г - 4,0
Isopal L, г - 372,5
Tintacarb 300 - Cl пигмент черный 7 производства Cabot Corporation.

Reflex Blue 3G - Cl пигмент синий 56 производства Hoechst Ltd.

FOA-2 тройной полимер стиролметакрилата производства DuPont.

Вышеуказанные ингредиенты загрузили в шаровую мельницу и подвергали помолу в течение 2 суток с получением черных чернил, имеющих содержание маркирующих частиц 2,5%, содержание агента, заряжающего частицы - 4,4% и удельное электрическое сопротивление - 10⁹Ом•см. Полимер FOA-2, используемый в данном составе чернил, действует как агент, заряжающий частицы, в сочетании с металлическим мылом октоата циркония. Эти чернила использовали в устройстве для струйной печати, описанном в литературе, для изготовления копий облигаций, где они обеспечили получение точек размером 20 микрон при очень высокой частоте 34,5 кГц.

Пример 6.

Kayanol Milling Blue 2 RW, г - 20
Acryloid 958, г - 10
Isopar G, г - 170
Kayanol Milling Blue 2RW - состав "кислотный синий 140" производства Nippon Kayaku Co.

Acryloid 958 - полимерная смазочная добавка производства Rohm & Haas.

Вышеуказанные ингредиенты загрузили в шаровую мельницу и подвергали помолу в течение 3 суток с получением концентрата чернил. Этот концентрат чернил разбавили в 20 раз составом Isopar G для получения синей чернильной дисперсии, имеющей содержание маркирующих частиц, - 0,5%, содержание агента, заряжающего частицы, - 0,25% и удельное электрическое сопротивление - 10¹¹ Ом•см. Эти чернила использовали в устройстве для струйной печати, описанном в литературе [1], с целью нанесения изображения обработали паром для закрепления кислотного красителя на шелке и получили водостойкое изображение с высокой плотностью и хорошим разрешением.

Очевидно, что данное изобретение обеспечивает получение чернил для струйной печати, которые существенно отличается от других типов чернил и особенно полезны для новых областей применения струйной печати.

Литература
Международная публикация WO-A-9311866, Research Laboratories of Australia, 24.06.93.

Реферат

Состав чернил для струйной печати, содержащий жидкость с удельным электрическим сопротивлением по меньшей мере 10⁹ Ом•см, 0,5-30,0 мас.% нерастворимых маркирующих частиц и 0,05-5,0 мас.% агента, заряжающего частицы, при этом маркирующие частицы способны приобретать заряд и образовывать агломераты частиц и могут быть эжектированы из чернил в присутствии неоднородного электростатического поля со значительным градиентом в устройстве для струйной печати. Технический эффект заключается в том, что чернила обладают свойствами, которые позволяют легко использовать их для получения изображения с высоким разрешением. 3 с. и 17 з.п. ф-лы.

Формула