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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Tintenstrahldrucken
mit ein Latexpolymer enthaltenden Tinten. Insbesondere bezieht sich die
vorliegende Erfindung auf eine hohe Tropfenfrequenz aufweisende
Tintenstrahltinten, die ein reaktives Tensid aufweisen, das kovalent
an die Latexpartikeloberfläche
gebunden ist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Mehrzahl der handelsüblichen
Tintenstrahltinten sind wasserbasiert. Somit sind ihre Bestandteile
allgemein wasserlöslich,
wie im Fall vieler Farbstoffe, oder in Wasser dispergierbar, wie
im Fall von Pigmenten. Ferner weisen Tintenstrahltinten eine niedrige
Viskosität
auf (üblicherweise
5 cps oder weniger).
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Zusätzlich den
typischen Farb- und allgemeinen Bildverblassungsproblemen, die bei
vielen Tintenstrahltintensystemen auftreten, sind Tintenstrahldrucke
auch für
ihre schlechte Haltbarkeit bekannt, wenn sie mit Wasser oder hoher
Feuchtigkeit in Berührung
kommen. Dies ist eine Folge der Verwendung von wasserlöslichen
und in Wasser dispergierbaren Farbmitteln in der wasserbasierten
Tinte. Als Antwort auf dieses Problem wurden in die Tinten Latexpolymere
integriert, die mit Tintenstrahltinten kompatibel sind. Der Latex
kann aus kleinen, im Mikrometer- oder Submikrometerbereich liegenden
hydrophoben polymeren Partikeln einer hohen relativen Molekülmasse bestehen,
die in der wässrigen
Tintenstrahltinte dispergiert sind. Wenn sie als Teil einer Tintenstrahltinte
gedruckt wird, kann eine Latexkomponente der Tinte einen Film auf
einer Medienoberfläche
bilden, wo bei sie das Farbmittel in dem hydrophoben Druckfilm einschließt und schützt.
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Jedoch
können
derartige Latexzusammensetzungen in Bezug auf die Stiftzuverlässigkeit
Probleme erzeugen. Tinten, die eine Latexkomponente enthalten, weisen üblicherweise
eine Verringerung der Tropfengeschwindigkeit auf, wenn die Tropfenausstoßfrequenz
des Tintenstrahlstiftes über
einen bestimmten Wert hinaus erhöht
wird. Die Verringerung der Geschwindigkeit wirkt sich innerhalb
eines gemäßigten Frequenzbereichs
negativ auf die Tropfenplatzierungsgenauigkeit auf dem bedruckten
Medium aus. Bei höheren
Frequenzen verhindert der Geschwindigkeitsverringerungsmechanismus
einen Tropfenausstoß sogar
gänzlich,
was zu einer Agglomeration der Tinte auf der Druckerdüse führen kann. Angesichts
des Vorstehenden bleibt in der Technik weiterhin ein Bedarf an Latexpartikeln
bestehen, die bezüglich
eines Wärmescherens
stabil sind, und an Tinten, die bei Hochgeschwindigkeits-Tintenstrahldruckern
verwendet werden können,
die eine hohe Tropfenplatzierungsgenauigkeit auf dem Druckmedium
und einen stabilen Tropfenausstoß bei hohen Tropfenfrequenzen
aufweisen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Latexpartikel der vorliegenden Erfindung sind bezüglich einer
Verwendung mit Tintenstrahltinten äußerst funktionell. Bei einem
Ausführungsbeispiel
ist ein Latexpartikel vorgesehen, das ein reaktives Tensid aufweist,
das kovalent an die Latexpartikeloberfläche gebunden ist. Bei einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Latexpartikel vorgesehen, das ein reaktives
Tensid aufweist, das kovalent an die Oberfläche des Latexpartikels gebunden
ist, wobei das Latexpartikel eine Schüttdichte von 0,90 g/cm3 bis 1,10 g/cm3 und
eine Oberflächen-Dielektrizitätskonstante
von 2,0 bis 3,0 aufweist.
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Diese
Latizes können
bei Tintenstrahltinten oder mit anderen vorwiegend wasserbasierten
Zusammensetzungen verwendet werden. Im Einzelnen ist eine Tintenstrahltinte
vorgesehen, die folgendes umfassen kann: effektive Mengen eines
Tintenträgermittels;
ein Farbmittel, das dem Tintenträgermittel beigemischt
ist; Latexpartikel, die in dem Tintenträgermittel dispergiert sind;
und ein reaktives Tensid, das kovalent an die Oberfläche der
Latexpartikel gebunden ist. Die Latexpartikel können eine Schüttdichte
von etwa 0,90 g/cm3 bis etwa 1,10 g/cm3 und/oder eine Oberflächen-Dielektrizitätskonstante von etwa 2,0 bis
etwa 3,0 aufweisen.
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Bei
einem wieder anderen Ausführungsbeispiel
ist auch eine Tintenstrahltinte vorgesehen, die folgendes umfasst:
effektive Mengen eines Tintenträgermittels,
das eine Flüssigkeitsdichte
aufweist; ein Farbmittel, das dem Tintenträgermittel beigemischt ist;
und Latexpartikel, die in dem Tintenträgermittel dispergiert sind,
wobei die Latexpartikel ein reaktives Tensid aufweisen, das kovalent
an die Oberfläche derselben
gebunden ist, und wobei die Latexpartikel eine Schüttdichte
aufweisen, die im Wesentlichen von demselben Betrag wie die Flüssigkeitsdichte
bis zu einem Betrag reicht, der 0,1 g/cm3 höher oder niedriger
ist als die Flüssigkeitsdichte.
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Zusätzliche
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
ausführlichen Beschreibung,
die beispielhaft Merkmale der Erfindung veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Latexpartikel, die ein kovalent
gebundenes reaktives Tensid auf der Latexpartikeloberfläche aufweisen, und
bezieht sich ferner auf Tintenstrahltinten, die derartige Latexpartikel
in denselben aufweisen.
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Es
versteht sich, dass eine bestimmte hierin verwendete Terminologie
lediglich zum Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsbeispiele
verwendet wird und nicht einschränkend
sein soll. Beispielsweise umfassen die Singularformen „ein", „eine", „zumindest
ein(e)" und „der", „die", „das", wie sie in der
vorliegenden Spezifikation und in den angehängten Patentansprüchen verwendet
werden, Plural-Bezugnahmen,
wenn der Kontext nicht deutlich etwas anderes vorgibt.
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Gemäß der Verwendung
hierin bezieht sich „Flüssigkeitsträgermittel" oder „Tintenträgermittel" auf das Fluid, in
dem Farbmittel und Latexpartikel oder Kolloide dispergiert werden,
um Tintenstrahltinten zu bilden. Geeignete Flüssigkeitsträgermittel und Trägermittelkomponenten
umfassen jegliche in der Technik bekannten Mittel. Beispielsweise
können
typische Tintenträgermittel
eine Vielzahl unterschiedlicher Mittel, z.B. Tenside, Hilfslösungsmittel,
Puffer, Biozide, Maskierungsmittel, Mittel zur Veränderung der
Viskosität
sowie Wasser umfassen.
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Gemäß der Verwendung
in dem vorliegenden Dokument kann „Farbmittel" Farbstoffe, Pigmente
und/oder andere Partikel umfassen, die mit einem Tintenträgermittel,
das den Latex der vorliegenden Erfindung aufweist, kompatibel sind
und in demselben suspendiert werden können. Pigmente, die verwendet
werden können,
umfassen selbstdispergierte Pigmente und polymerdispergierte Pigmente.
Selbstdispergierte Pigmente können
diejenigen umfassen, die mit einer Ladung oder einer polymeren Gruppierung
chemisch oberflächenmodifiziert
wurden, was unterstützen
kann, dass das Pigment in einem Flüssigkeitsträgermittel dispergiert wird
und/oder im Wesentlichen dispergiert bleibt. Das Pigment kann auch ein
polymerdispergiertes Pigment sein, das ein Dispersionsmittel (das
ein Polymer oder ein Oligomer oder ein Tensid sein kann) in dem
Flüssigkeitsträgermittel
verwendet und/oder ein Pigment, das eine physische Beschichtung
verwendet, um zu un terstützen, dass
das Pigment in einem Flüssigkeitsträgermittel dispergiert
wird und/oder im Wesentlichen dispergiert bleibt. Bezüglich der
anderen Partikel, die verwendet werden können, umfassen Beispiele magnetische Partikel,
Aluminiumoxide, Siliziumdioxide und/oder andere Keramiken, metallische
Stoffe oder organometallische Stoffe, ob nun derartige Partikel
Farbe verleihen oder nicht.
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Gemäß der Verwendung
in dem vorliegenden Dokument bezieht sich „effektive Menge" auf zumindest die
minimale Menge einer Substanz oder eines Mittels, die ausreichend
ist, um einen gewünschten
Effekt zu erzielen. Mengen, Konzentrationen und andere numerische
Daten können
hierin in Bereichen bzw. Bandbreiten ausgedrückt oder angegeben werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine derartige Angabe in Bereichen
der Zweckmäßigkeit
und Kürze halber
verwendet wird und somit auf flexible Weise dahin gehend interpretiert
werden sollte, dass sie nicht nur die explizit als Grenzen des Bereichs
angegebenen numerischen Werte umfasst, sondern auch alle einzelnen
numerischen Werte oder Teilbandbreiten umfasst, die in dieser Bandbreite
enthalten sind, so als ob jeder numerische Wert und jede Teilbandbreite
ausdrücklich
angegeben würde.
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Gemäß der Verwendung
in dem vorliegenden Dokument bezeichnet der Begriff „Freqcel" eine Verringerung
der Tintentropfenausstoßgeschwindigkeit
mit zunehmender Stiftabfeuerungsfrequenz. Wie zuvor beschrieben
wurde, kann ein Verringern der Tropfengeschwindigkeit zu Veränderungen
der Flugbahn der abgefeuerten Tropfen führen, was eine Verringerung
der Tropfenplatzierungsgenauigkeit auf dem Druckmedium bewirkt.
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Der
Begriff „Decel" bezeichnet eine
Zunahme des Tintenströmungswiderstandes
in Stift-Mikrokanälen,
was wiederum das Volumen ausgestoßener Tropfen verringert. Ein
derartiger Strömungswiderstand
kann durch Veränderungen
der Tintenrheologie oder durch verstopfte Kanäle verursacht werden und ist
oft für
eine Tintenverarmung in einer Stiftabfeuerungs kammer verantwortlich.
Der Begriff „Entkappung" ist ein Maß dessen,
wie lange eine Düse
inaktiv bleiben kann, bevor sie verstopft, und dafür, wie viele
Stiftabfeuerungen erforderlich sind, um einen ordnungsgemäßen Tropfenausstoß wiederherzustellen.
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Allgemein
bedeutet der Begriff „reaktives Tensid" jegliches Tensid
(z.B. Surfmer, nicht-migratorisches Tensid usw.), das die Fähigkeit
aufweist, sich an der Oberfläche
eines Latexpartikels, z.B. durch Bildung einer kovalenten Bindung,
festzusetzen. Üblicherweise
sind die Reaktionen zwischen reaktiven Tensiden und der Latexpartikeloberfläche ausreichend
stark, um eine Trennung und Migration zwischen denselben zu verhindern.
Allgemein bezeichnet der Begriff „reaktionsunfähiges Tensid" ein Tensid, das
an die Oberfläche
des Latexpartikels adsorbiert wird (also nicht an derselben fixiert,
mit derselben zur Reaktion gebracht oder an dieselbe gebunden wird).
Während
Hochgeschwindigkeits-Druckvorgängen werden
reaktionsunfähige
Tenside üblicherweise
desorbiert oder von der Latexpartikeloberfläche abgelöst, es sei denn, die Latexpartikeloberfläche weist
günstige
Bedingungen auf, z.B. eine niedrige Dielektrizitätskonstante. Die Definition
von reaktivem Tensid und reaktionsunfähigem Tensid wird unter Bezugnahme
auf die hiernach enthaltenen Beschreibungen und Beispiele besser
verständlich.
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Volumen-
oder Oberflächen-Dielektrizitätskonstanten,
Schüttdichten
und Glasübergangstemperaturen
von copolymeren Latexpartikeln können unter
Verwendung allgemein bekannter Eigenschaften und Werte für Homopolymere
vorausgesagt werden. Solche Voraussagen können gemäß akzeptierten Bicerano-Korrelationen erfolgen,
wie sie in Predictions of Polymer Properties, Bicerano, Jozef, Marcel
Dekker, Inc., New York, NY, 1996, deren Inhalt durch Bezugnahme
in das vorliegende Dokument aufgenommen ist, beschrieben sind.
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Genauer
gesagt können
ausgehend von diesen Werten die Volumen- oder Oberflächen-Dielektrizitätskonstante,
die Schüttdichte
und die Glasübergangstemperatur
von Latexcopolymeren, die durch eine Copolymerisation einer beliebigen
Kombination von Monomeren gebildet werden, vorausgesagt werden.
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Wenn
auf Dielektrizitätskonstanten-Werte Bezug
genommen wird, werden Oberflächen-Dielektrizitätskonstanten-Werte
verwendet, da die Oberflächen-Dielektrizitätskonstanten-Werte sowohl Latexcopolymerpartikel
aus einem einzigen Material als auch Kern/Mantel-, umgekehrte Kern/Mantel-
und Verbund-Latexcopolymerpartikel umfassen.
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Es
versteht sich, dass die Oberflächen-Dielektrizitätskonstante
eines Latexpartikels in Situationen, in denen zum Liefern einer
Dispersionsstabilität ein
reaktionsunfähiges
Tensid verwendet wird, von vorrangiger Bedeutung ist. Somit können bei
alternativen Ausführungsbeispielen
der Erfindung reaktionsunfähige
Tenside verwendet werden, die eine Dielektrizitätskonstante aufweisen, die
eng auf die Dielektrizitätskonstante
des Latexpartikels abgestimmt ist.
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Die
Latexpartikel der vorliegenden Erfindung verbessern die Hohe-Tropfenfrequenz-Druckbarkeit von
Latexdispersionen durch die Verwendung eines oder mehrerer reaktiver
Tenside, die kovalent an die Latexpartikeloberfläche gebunden sind. Der Latex kann
in Tintenstrahltinten integriert werden und umfasst ein Emulsionspolymerisationsprodukt
einer Mischung von Monomeren, die kollektiv eine Dispersion und
Wärme-Scher-Stabilität in einem
Tintenstrahlstift liefern und gleichzeitig gute Filmbildungseigenschaften
bei Raumtemperatur, wenn sie gedruckt werden, beibehalten. Im Gegensatz
zu traditionellen Latexpartikeln, bei denen reaktionsunfähige Tenside
an die Latexoberfläche
adsorbiert sind, umfassen die Latexpartikel der vorliegenden Erfindung
reaktive Tenside, die sich kovalent an die Latexoberfläche binden und die
während
eines und im Anschluss an einen Tropfenausstoß auf der Partikeloberfläche verbleiben.
Die resultierenden Latizes, die mit dem reaktiven Tensid synthetisiert
werden, zeigen eine drastische Verbesserung der Freqcel-Leistungsfähigkeit
im Vergleich zu Latizes, die mit absorptiven (reaktionsunfähigen) Tensiden
stabilisiert werden.
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Wie
schon reaktionsunfähige
Tenside sind auch reaktive Tenside Moleküle, die üblicherweise ein langes hydrophobes
Segment und eine kurze ionisierbare und/oder polare Gruppe aufweisen.
Das hydrophobe Segment wird vorzugsweise während der und im Anschluss
an die Partikelpolymerisation an die Oberfläche des Latexpartikels absorbiert.
Die hydrophile Gruppe erstreckt sich in die normalerweise wässrige Lösungsphase
und liefert dadurch eine sterische Barriere gegenüber einer
Partikelkoagulation. Im Gegensatz zu ihren reaktionsunfähigen Gegenspielern
enthalten reaktive Tenside zusätzlich eine
reaktive Gruppe an dem hydrophoben Segment, die in der Lage ist,
sich kovalent an die Latexoberfläche
zu binden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist die reaktive Gruppe dieselbe reaktive Spezies, wie
sie bei dem bzw. den Latexmonomer(en) zu finden ist, so dass das
Tensid während
der Latexpolymerisationsreaktion bereitwilliger in die Latexoberfläche reagiert.
Es versteht sich, dass sich das reaktive Tensid auch durch andere
und spätere
Reaktionsmittel an die Latexoberfläche binden kann.
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Geeignete
reaktive Tenside zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung umfassen
jegliche Tenside, die eine reaktive Gruppe an dem hydrophoben Segment
aufweisen und die in der Lage sind, sich kovalent an die Oberfläche eines
Latexpartikels zu binden. Vorzugsweise ist die Länge und Zusammensetzung des
hydrophoben Segments des reaktiven Tensids dahin gehend ausgewählt, im
Wesentlichen der Oberflächenchemie
und den rheologischen Erfordernissen des Latexpartikels zu entsprechen. Ein
derartiges repräsentatives
hydrophobes Segment ist eine C10-20-Alkylkette.
Die hydrophile Gruppe kann anionisch, kationisch oder nicht-ionisch
sein. Geeignete anionische funktionelle Gruppen umfassen beispielsweise
Sulfonat-, Phosphonat- und Carboxylat-Ionen. Geeignete kationische
funktionelle Gruppen umfassen beispielsweise Ammoniumionen. Geeignete
nicht-ionische Tenside umfassen üblicherweise
Tenside, die eine Ethoxidgruppen-Hydrophilie aufweisen.
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Die
reaktive Gruppe kann auf der Basis der reaktiven Spezies des Latexmonomers
ausgewählt werden.
Beispielsweise könnten
Acrylat-reaktive Gruppen als reaktive Gruppen zur Verwendung mit Gittern
ausgewählt
werden, die mittels Vinyl-, acrylischen und styrenischen Monomeren
polymerisiert werden. Ein repräsentatives
reaktives Tensid für
eine derartige Reaktion ist MAXEMULWz 6106
(von Uniquema erhältlich),
das sowohl eine Phosphonatester- als auch eine Ethoxidhydrophilie
aufweist, eine nominelle C18-Alkylkette
mit einer Acrylat-reaktiven Gruppe. Andere repräsentative reaktive Tenside
mit Phosphatester-Funktionalitäten,
die für
derartige Reaktionen geeignet sind, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf,
MAXEMULWz 6112, MAXEMULWz 5011, MAXEMULWz 5010 (alle von Uniquema erhältlich).
Alternative reaktive Tenside, die zur Verwendung bei verschiedenen
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen Polyoxyethylenalkylphenyletherammoniumsulfat
(von Montello, Inc. als HITENOL BC-10Wz,
HITENOL BC-1025Wz, HITENOL BC-20Wz, HITENOL BC-2020Wz,
HITENOL BC-30Wz erhältlich), Polyoxyethylenalkylphenylether (von
Montello, Inc. als NOIGEN RN-10Wz, NOIGEN RN-20Wz, NOIGEN RN-30Wz,
NOIGEN RN-40Wz und NOIGEN RN-5065Wz erhältlich),
Natriumallyloxyhydroxypropylsulfonat (von Rhodia als SIPOMER COPS-1Wz erhältlich),
Alkenyl-funktionelle nicht-ionische Surfmere, Allylmethoxytriethylenglykolether, Natriummethallylsulfonate,
Sulfopropylacrylat, Vinylsulfonat, Vinylphosphat, Mononatriumethylsulfonatmonododecylmaleat,
Sorbitolacrylat, Sorbitolmethacrylat, Perfluorheptoxypoly(propyloxy)methacrylat,
Phenoxylpoly(ethylenoxy)acrylat, Phenoxylpoly(ethylenoxy)methacrylat,
Nonylphenoxypoly(ethylenoxy) crotanat, Nonylphenoxypoly(ethylenoxy)fumarat,
Nonylphenoxypoly(ethylenoxy)acrylat, Nonylphenoxypoly(ethylenoxy)methacrylat,
Monododecylmaleat und Allylsulfosuccinat-Derivate (z.B. TREM LT-40Wz (von
Henkel erhältlich)).
Bei bestimmten Ausführungsbeispielen
der Erfindung umfasst das reaktive Tensid dort, wo es angebracht
ist, 1 bis 40 Ethylenoxy- oder Propyloxy-Einheiten.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung wiesen die Latexpartikel der vorliegenden Erfindung
eine Schüttdichte
von 0,90 g/cm3 bis 1,10 g/cm3 und/oder
eine Oberflächen-Dielektrizitätskonstante von
2,0 bis 3,0 auf. Diese Latizes umfassen ein oder mehrere reaktive
Tenside, die kovalent an die Oberfläche der Latexpartikel gebunden
sind. Die Latizes können
bei Tintenstrahltinten oder mit anderen vorwiegend wasserbasierten
Zusammensetzungen verwendet werden.
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Ferner
ist eine Tintenstrahltinte vorgesehen, die effektive Mengen eines
Tintenträgermittels;
ein dem Tintenträgermittel
beigemischtes Farbmittel; in dem Tintenträgermittel dispergierte Latexpartikel; und
ein oder mehrere reaktive Tenside, die kovalent an die Oberfläche der
Latexpartikel gebunden sind, umfassen kann. Bei einem bestimmten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung können
die Latexpartikel eine Schüttdichte
von 0,90 g/cm3 bis 1,10 g/cm3 aufweisen.
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Eine
andere Tintenstrahltinte, die gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung formuliert werden kann, kann effektive Mengen eines Tintenträgermittels,
ein dem Tintenträgermittel
beigemischtes Farbmittel und in dem Tintenträgermittel dispergierte Latexpartikel
umfassen. Die Latexpartikel weisen eine Oberflächen-Dielektrizitätskonstante von 2,0 bis 3,0
auf und umfassen ein oder mehrere reaktive Tenside, die kovalent
an die Oberfläche
des Latexpartikels gebunden sind. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel
der Erfindung können
die Latexpartikel eine Schüttdichte
von 0,90 g/cm3 bis 1,10 g/cm3 und
eine Oberflächen-Dielektrizitätskonstante von
2,0 bis 3,0 aufweisen.
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Bei
einem wieder anderen Ausführungsbeispiel
kann eine andere Tintenstrahltinte effektive Mengen eines Tintenträgermittels,
das eine Flüssigkeitsdichte
aufweist, ein dem Tintenträgermittel
beigemischtes Farbmittel, in dem Tintenträgermittel dispergierte Latexpartikel
und ein oder mehrere reaktive Tenside, die kovalent an die Latexpartikeloberfläche gebunden
sind, umfassen. Die Latexpartikel weisen eine Schüttdichte
auf, die im Wesentlichen von demselben Betrag wie die Flüssigkeitsdichte
bis zu einem Betrag reicht, der 0,1 g/cm3 höher ist
als die Flüssigkeitsdichte.
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Gemäß bestimmten
Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung können
Polymere mit geringer Dichte vorwiegend Kohlenwasserstoffketten und
-ringe umfassen, die tendenziell hydrophober sind und eine niedrigere
Dielektrizitätskonstante
aufweisen. Somit umfassen drei Merkmale der Erfindung physikalische
Eigenschaften, die auf Dichte, Hydrophobie und Dielektrizitätskonstante
bezogen sind. Eine Verwendung eines oder mehrerer reaktiver Tenside
als Ersatz für
oder zusätzlich
zu der Verwendung von reaktionsunfähigen Tensiden kann herangezogen
werden, um zu gewährleisten,
dass das Tensid (d.h. das kovalent gebundene reaktive Tensid) auf
der Latexpartikeloberfläche
bleibt, wenn mehr polare Monomere bei der Bildung der Latexpartikel
verwendet werden.
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Unter
spezifischer Bezugnahme auf die Oberflächen-Dielektrizitätskonstante kann die Oberfläche der
gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung hergestellten Latexpartikel eine Oberflächen-Dielektrizitätskonstante
von 2,0 bis 3,0 bei Raumtemperatur aufweisen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
kann die Oberflächen-Dielektrizitätskonstante
von 2,3 bis 2,8 betragen. Eine Oberflächen-Dielektrizitätskonstante zwischen 2,0 und
3,0 liefert allgemein einen ausreichenden Grad an Oberflächen-Hydrophobie, um
einen zusätzlichen
Schutz vor einer Ablösung
von reaktionsunfähigem
Tensid unter den hohen Scherbedingungen zu liefern, die während eines
Tropfenausstoßes
auftreten, besonders wenn reaktionsunfähige Tenside in Kombination mit
reaktiven Tensiden während
einer Latexpartikelbildung verwendet werden. Eine Latexoberflächen-Dielektrizitätskonstante
von nur 2,0 kann dadurch erzielt werden, dass Monomere, die eine
sehr niedrige Dielektrizitätskonstante
aufweisen, integriert werden. Beispiele derartiger Monomere umfassen Arten
von Fluorsilicium oder Fluorkohlenstoffe.
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Eine
angemessene Bindung von reaktiven Tensiden kann erhalten werden,
um Probleme bezüglich
einer Latexdruckbarkeit und -dispersion, die oft in Verbindung mit
latexhaltigen Tintenstrahltinten auftreten, zu minimieren oder zu
eliminieren. Ferner können
derartige Formulierungen sowohl eine Flotation als auch Absetzung
von Latex in einem wasserbasierten Tintenträgermittel verhindern.
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Bezüglich der
Schüttdichte
kann ein tintenstrahlkompatibles Latexpolymer gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung eine Schüttdichte
(ρ) von
0,90 g/cm3 bis 1,10 g/cm3 aufweisen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
kann die Schüttdichte von
1,02 g/cm3 bis 1,05 g/cm3 betragen.
Diese Eigenschaft kann vor einem Absetzen von Latexpartikeln unabhängig von
der Latexoberfläche
oder Dispersionschemie schützen.
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Die
Gesamt-Scherstabilität
der Latexpartikel wird durch ein Integrieren von Vernetzern in die
Polymere weiter verbessert. Vernetzer können beliebige Monomere mit
polymerisierbaren di- oder polyfunktionellen Gruppen sein. Bevorzugte
Vernetzer umfassen Ethylenglykoldimethacrylat, Pentaerythritoltetraacrylat,
Ethylenglykoldimethacrylamid, Divinylbenzen oder andere Monomere
mit polymerisierbaren di- oder
polyfunktionellen Gruppen. Vernetzer werden in einer Bandbreite
von 0,1–5
Gew.-% der Gesamtzusammensetzung eingesetzt. Diese relativ schmale Bandbreite
einer Vernetzung kann ein Aufrechterhalten der Integrität von Latex
un ter den hohen Wärmescherbedingungen,
die während
eines Thermotintenstrahldruckens auftreten, unterstützen, während dessen
Filmbildungseigenschaften bei Raumtemperatur nicht negativ beeinflusst
werden.
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Die
hierin beschriebenen Latexpartikel und Tintenstrahltintenformulierungen
resultieren teilweise aus der Entdeckung, dass Latexpartikel, z.B.
einer Größe von 200
nm bis 300 nm, die Schüttdichten
von mehr als 1,10 g/cm3 aufweisen, sich
tendenziell innerhalb von drei Monaten aus verdünnten (0,25 Gew.-% Feststoffe)
wässrigen
Reagenzglaslösungen absetzen
oder in denselben eine beträchtliche Schichtbildung
zeigen. Latexpartikel einer niedrigeren Dichte zeigen bei denselben
Tests einige Jahre lang keinen sichtbaren Niederschlag und keine
sichtbare Schichtbildung. Wenn dagegen die Schüttdichte eines gegebenen Latexpartikels
in Wasser zu niedrig ist, kann das Latexpartikel zu der Oberfläche einer wässrigen
Lösung
aufsteigen.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann die Schüttdichten-Bandbreite
so moduliert werden, dass die Schüttdichte in einer Bandbreite
vorliegt, die etwas oberhalb oder unterhalb der Flüssigkeitskomponentendichte
des vorwiegend wasserbasierten Tintenträgermittels liegt. Innerhalb einer
relativ schmalen Dichtenbandbreite oberhalb oder unterhalb dieses
Pegels kann Brownsche Energie eine Latexflotation oder -absetzung
verhindern. Da Tintenträgermittel-Fluiddichten
von vorwiegend wasserbasierten Tintenstrahltinten üblicherweise etwa
1,02 g/cm3 betragen, können Schüttdichten von Latexpartikeln,
die etwa gleich oder etwas höher
oder niedriger sind, enthalten sein, wobei über einen Zeitraum von Jahren
hinweg eine geringe oder gar keine Absetzung oder Flotation erfolgt.
Alternativ dazu können
Latexpolymere mit geringer Dichte, die zumindest ein ringhaltiges
Monomer aufweisen, dazu verwendet werden, die Druckfilmhaltbarkeit
des Latex weiter zu verbessern. Gemäß diesem bestimmten Aspekt
der Erfindung kann der Latex eine Mischung aus Alkan (z.B. Hexylmethacrylat)
und ringbasier ten (z.B. Styren) Monomeren enthalten, um die Wärmeglasübergangstemperatur
zur Druckfilmbildung bei einer gegebenen Temperatur anzupassen.
Die Verwendung dieser oder anderer, ähnlicher Polymere kann die
oben erwähnten
Vorteile ohne eine Verringerung der Druckfilmhaltbarkeit liefern.
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Die
Glasübergangstemperatur
des Polymers kann im Bereich von etwa 0°C<Tg<50°C liegen.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel
kann die Glasübergangstemperatur
von 10°C<Tg<40°C betragen.
Diese Temperaturbandbreiten können
eine bei Raumtemperatur erfolgende Filmbildung einer Tinte ohne
eine prozess- oder stiftbedingte Partikelagglomeration ermöglichen.
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Allgemein
können
die Latexpartikel der vorliegenden Erfindung hergestellt werden,
indem Monomere zusammengemischt werden, um ein Monomergemisch zu
bilden. Ein Tensid oder Tenside wird (werden) anschließend zu
dem Monomergemisch hinzugefügt
und geschert, um eine Emulsion zu bilden. Das Tensid bzw. die Tenside
kann bzw. können ein
reaktives Tensid, ein reaktionsunfähiges Tensid oder eine Kombination
von reaktiven und reaktionsunfähigen
Tensiden umfassen. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
können
reaktionsunfähige
Tenside dazu verwendet werden, das Latexpartikel zu bilden, und
reaktive Tenside können
entweder in Zusammenwirkung mit denselben verwendet oder in einem
zweiten Schritt hinzugefügt
werden. Alternativ dazu kann eine Polymerisation als seifenfreie Polymerisation
durchgeführt
werden, wobei ein nahe dem Ende der Polymerisation reaktives Tensid
hinzugefügt
wird.
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Genauer
gesagt können
die Latexpartikel der vorliegenden Erfindung durch eine herkömmliche Freie-Radikale-Hinzufügung eines
Monomergemisches durch eine Emulsionspolymerisation hergestellt
werden. Geeignete Monomere sind in der US-Patentschrift 6,057,384
enthalten, deren Inhalt durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen
ist. Der Latex kann durch Integration eines Monomers oder von Monomeren,
die eine Latexoberflächenladung
fördern,
dispersionsstabilisiert werden. Derartige Monomere werden durch
Acrylsäure,
Methacrylsäure,
Vinylbenzoesäure
und Methacryloyloxyethylsuccinat dargestellt. Diese ladungsbildenden
Monomere umfassen üblicherweise von
0,5 Gew.-% bis 20 Gew.-% des Latexpartikels (oder der Oberfläche des
Latexpartikels, falls es sich um einen Kern/Mantel-Latex handelt).
Bei einem ausführlicheren
Ausführungsbeispiel
können
die ladungsbildenden Monomere zu zwischen 3 Gew.-% und 10 Gew.-%
des Monomergemisches vorliegen. Diese ladungsbildenden Monomere
können
nach der Latexpolymerisation neutralisiert werden, um Salze zu bilden.
Derartige Salze können
durch die Reaktion einer Latexcarbonsäuregruppe bzw. von Latexcarbonsäuregruppen
mit Kaliumhydroxid gebildet werden. Andere bekannte Neutralisierungszusammensetzungen
können
ebenfalls verwendet werden, wie in der Technik bekannt ist.
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Die
gemäß den hierin
offenbarten Prinzipien hergestellten Latizes können durch eine Integration einer
Hinzufügung
von zwischen 0,01 Gew.-% und 20 Gew.-% eines reaktiven Tensids,
das in der Lage ist, sich kovalent an die Oberfläche des Latexpartikels zu bilden,
scherstabilisiert werden. Die Reaktion zwischen dem reaktiven Tensid
und der Latexpartikeloberfläche
erhält
die Dispersionsstabilität
des Latex unter den hohen Wärmescherbedingungen
des Thermotintenstrahlens aufrecht. Eine Verwendung der hierin beschriebenen
Latexpartikel verringert oder eliminiert Probleme, die mit Freqcel,
Entkappung und Decel zusammenhängen.
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Eine
typische Tintenträgermittelformulierung,
die bei den hierin beschriebenen Latizes verwendet werden kann,
kann Wasser und optional ein oder mehrere Hilfslösungsmittel umfassen, die insgesamt
zu zwischen 0 Gew.-% und 30 Gew.-% vorliegen, je nach dem Stiftaufbau.
Ferner können
ein oder mehrere nicht-ionische, kationische und/oder anionische
Tenside vorliegen, die in einer Bandbreite zwischen 0 Gew.-% und 5,0 Gew.-%
vorliegen. Der Rest der Formulierung kann bzw. können gereinigtes Wasser oder
andere in der Technik bekannte Trägermittelkomponenten sein,
z.B. Biozide, Mittel zur Veränderung
der Viskosität,
Materialien zur Einstellung des pH-Werts, Maskierungsmittel, Konservierungsmittel und
dergleichen. Üblicherweise
ist das Tintenträgermittel
vorwiegend Wasser.
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Klassen
von Hilfslösungsmitteln,
die verwendet werden können,
können
aliphatische Alkohole, aromatische Alkohole, Diole, Glykolether,
Polyglykolether, Caprolactame, Formamide, Acetamide und langkettige
Alkohole umfassen. Beispiele derartiger Verbindungen umfassen primäre aliphatische
Alkohole, sekundäre
aliphatische Alkohole, 1,2-Alkohole, 1,3-Alkohole, 1,5-Alkohole, Ethylenglykolalkylether, Propylenglykolalkylether,
höhere
Homologe von Polyethylenglykolalkylethern, N-Alkylcaprolactame, nicht-substituierte
Caprolactame, sowohl substituierte als auch nichtsubstituierte Formamide,
sowohl substituierte als auch nicht-substituierte Acetamide und
dergleichen. Spezifische Beispiele von Lösungsmitteln, die verwendet
werden können,
umfassen Trimethylolpropan, 2-Pyrrolidinon und 1,5-Pentandiol.
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Zusätzlich zu
den oben beschriebenen reaktiven Tensiden können auch ein oder mehrere
reaktionsunfähige
Tenside verwendet werden, wie sie Fachleuten auf dem Gebiet der
Tintenformulierung bekannt sind, und können Alkylpolyethylenoxide,
Alkylphenylpolyethylenoxide, Polyethylenoxid-Blockcopolymere, acetylenische Polyethylenoxide,
Polyethylenoxid-(di)ester, Polyethylenoxidamine, protonierte Polyethylenoxidamine,
protonierte Polyethylenoxidamide, Dimethiconcopolyole, substituierte Aminoxide
und dergleichen sein. Die zu der Formulierung dieser Erfindung hinzugefügte Tensidmenge kann
zwischen 0 Gew.-% und 5,0 Gew.-% betragen. Es ist zu beachten, dass
das reaktionsunfähige
Tensid, das als bei dem Tintenträgermittel
verwendbar beschrieben ist, nicht dasselbe ist wie das reaktive Tensid,
das als an die Oberfläche
des Latexpartikels kovalent gebunden beschrieben ist.
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In Übereinstimmung
mit der Formulierung dieser Erfindung können verschiedene andere Zusatzstoffe
verwendet werden, um die Eigenschaften der Tintenzusammensetzung
für spezifische
Anwendungen zu optimieren. Beispiele dieser Zusatzstoffe sind diejenigen,
die hinzugefügt
werden, um das Wachstum schädlicher
Mikroorganismen zu unterbinden. Diese Zusatzstoffe können Biozide,
Fungizide und andere mikrobielle Mittel sein, die routinemäßig bei
Tintenformulierungen eingesetzt werden. Beispiele geeigneter mikrobieller
Mittel umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Nuosept (Nudex, Inc.), Ucarcide
(Union Carbide Corp.), Vancide (R.T. Vanderbilt Co.), Proxel (ICI
America) und Kombinationen derselben.
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Maskierungsmittel
wie z.B. EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure) können enthalten sein, um die nachteiligen
Effekte von Schwermetallverunreinigungen zu eliminieren, und Pufferlösungen können verwendet
werden, um den pH-Wert der Tinte zu steuern. Es können beispielsweise
zwischen 0 Gew.-% und
2,0 Gew.-% verwendet werden. Mittel zur Veränderung der Viskosität und Puffer
können
ebenfalls vorliegen, ebenso wie andere, Fachleuten bekannte Zusatzstoffe,
um Eigenschaften der Tinte nach Wunsch zu modifizieren. Derartige
Zusatzstoffe können
zu zwischen 0 Gew.-% und 20,0 Gew.-% vorliegen.
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In
Bezug auf das Farbmittel kann eine effektive Menge entweder eines
Pigments und/oder eines Farbstoffs verwendet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel
kann das Farbmittel zu von 0,5 Gew.-% bis 10,0 Gew.-% vorliegen.
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BEISPIELE
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Die
folgenden Beispiele sind ausführliche Beschreibungen
von Verfahren zum Herstellen und Verwenden der Latexpartikel der
vorliegenden Erfindung. Die ausführlichen
Beschrei bungen fallen in den Schutzumfang und dienen zur Veranschaulichung
der oben dargelegten allgemeineren Beschreibungen. Die Beispiele
werden lediglich zu Veranschaulichungszwecken präsentiert und sollen keine Einschränkungen
des Schutzumfangs der Erfindung darstellen.
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Beispiel 1
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Herstellung von Latexpartikeln
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Methylmethacrylat
(102,5 g), Hexylacrylat (120 g), Monomethacryloylsuccinat (25 g),
Ethylenglykoldimethacrylat (2,5 g) und Isooctylthioglykolat (1,0
g) wurden in einem Zugabetrichter miteinander vermischt, um ein
Monomergemisch zu bilden. Wasser (85 ml) und 30 % des (reaktionsunfähigen) Tensids
Rhodafac (20,8 g) wurden zu dem Monomergemisch hinzugegeben und
sanft geschert, um eine Emulsion zu bilden. Gleichzeitig wurden
725 ml Wasser in einem Reaktor auf 90°C erhitzt. Es wurde separat
eine Initiatorlösung
hergestellt, indem Kaliumpersulfat (0,87 g) in 100 ml Wasser aufgelöst wurde. Die
Initiatorlösung
wurde mit einer Geschwindigkeit von 3 ml/Min. unter Rühren tropfenweise
zu dem Reaktor hinzugefügt.
Die Monomeremulsion wurde gleichzeitig tropfenweise zu dem Reaktor
gegeben, wobei diese Zugabe 3 Minuten nach dem Beginn der Initiatorzugabe
begonnen und über
einen Zeitraum von 30 Minuten fortgeführt wurde. Im Anschluss an die
Zugabe der Zusatzstoffe wurde das Reaktionsgemisch 2 Stunden unter
Rühren
auf 90°C
gehalten. Man ließ das
Reaktionsgemisch auf 50°C
abkühlen und
gab sodann 23 g einer 17,5%igen Kaliumhydroxidlösung zu, um den pH-Wert des
Reaktionsgemisches auf 8,5 zu bringen. Das Reaktionsgemisch wurde
mit einem 200er-Maschenfilter gefiltert, um stabile Polymerpartikel
mit einer durchschnittlichen Größe von 230
nm zu erhalten.
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Beispiel 2
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Herstellung von Latexpartikeln,
die ein kovalent gebundenes reaktives Tensid aufweisen
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Die
Synthese des Beispiels 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass
die Rhodafac-Lösung durch
0,62 g des reaktiven Tensids MAXEMULWz 6106
ersetzt wurde und dass statt 85 ml 105 ml Wasser verwendet wurde.
Die Emulsion wurde über
einen Zeitraum von 32 Minuten hinzugegeben. Der resultierende Latex
wies eine Partikelgröße von 320
nm auf.
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Beispiel 3
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Herstellung
von Tintenstrahltintenformulierungen
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Die
Latexpartikel der Beispiele 1 und 2 wurden jeweils separat zu identischen
wässrigen
Tintenstrahltintenformulierungen formuliert. Die Tintenformulierungen
wiesen allgemein 4 Gew.-% Latex, 3 Gew.-% selbstdispergiertes Pigment,
6 Gew.-% 2-Pyrrolidinon, 4 Gew.-% 1,2-Hexandiol, 3 Gew.-% LEG-1,
5 Gew.-% Glycerol und 2 Gew.-% diverser Dispersionsmittel und Feuchthaltemittel
in Wasser auf.
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Beispiel 4
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Vergleich des Druckverhaltens
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Die
Tintenstrahltintenformulierungen des Beispiels 3 (die die Latexpartikel
der Beispiele 1 und 2 umfassen) wurden über einen breiten Tropfenfrequenzbereich
unter Verwendung eines Thermotintenstrahlstiftes von Hewlett-Packard
auf Standardpapier gedruckt. Das Fregcel-Verhalten wurde bei Frequenzbereichen
von 200 Hz bis 20 kHz bewertet. Die Tintenstrahlformulierungen,
die die Latexpartikel des Beispiels 1 (reaktionsunfähiges Tensid)
enthielten, wiesen ei ne schlechte Druckqualität und mit zunehmender Stiftabfeuerungsfrequenz
eine Verringerung der Tintentropfenausstoßgeschwindigkeit auf. Die Tintenstrahlformulierungen,
die die Latexpartikel des Beispiels 2 (reaktives Tensid) enthielten,
wiesen eine hohe Druckqualität
und keine wahrnehmbare Verringerung der Tintentropfenausstoßgeschwindigkeit
bei zunehmender Stiftabfeuerungsfrequenz auf.
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Beispiel 5
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Herstellung von Latexpartikeln,
die reaktive und reaktionsunfähige
Tenside aufweisen
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Das
Synthesebeispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass MAXEMULWz 6106 (0,625 g) und 30 % Rhodafac (18,72
g) als reaktives bzw. reaktionsunfähiges Tensid verwendet wurden,
um das Monomergemisch zu emulgieren. Die Zugabe der Emulsion dauerte
42 Minuten, und die Initiatorlösung wurde
mit der Rate von 2 ml/Min. hinzugegeben. Der resultierende Latex
wies eine Partikelgröße von 240 nm
auf.
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Beispiel 6
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Herstellung eines Latex
unter Verwendung eines reaktiven Tensids zur Emulgierung und Oberflächenzugabe
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MAXEMUL
6106 (0,8 g) wurde in Styren (38 g), Hexylmethacrylat (138,7 g),
Methacrylsäure
(11,4 g), Ethylenglykoldimethacrylat (1,9 g) und Isooctylthioglykolat
(0,8 g) aufgelöst,
um ein Monomergemisch zu bilden. Das Monomergemisch wurde mit Wasser (68
ml) emulgiert. Unterdessen wurde Wasser (650 ml) in einem Reaktor
auf 90°C
erhitzt. Es wurde eine Initiatorlösung aus Kaliumpersulfat (1
g) in Wasser (55 ml) hergestellt. Die Initiatorlösung wurde mit der Rate von
2 ml/Min. zu dem Reaktor gegeben. 3 Minuten nach Beginn der Zugabe
der Initiatorlösung
wurde die Emulsion über
ei nen Zeitraum von 24 Minuten zugegeben. Sofort wurde eine Lösung aus
MAXEMUL 6106 (7,2 g) in Styren (2 g), Hexylmethacrylat (7,3 g),
Methacrylsäure
(0,6 g) und Ethylenglykoldimethacrylat (0,1 g) zu dem Reaktor gegeben.
Der Reaktor wurde 1,75 Stunden lang auf 90°C gehalten und anschließend mit
0,5 g 30%igen Wasserstoffperoxids behandelt. Der Reaktor wurde weitere
0,25 Stunden lang auf 90°C
gehalten und auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Der Latex wurde mit einer
Kaliumhydroxidlösung
auf einen pH-Wert von 8,5 neutralisiert und mit einem 185er-Maschenfilter
gefiltert, um einen Latex einer Partikelgröße von 194 nm zu erhalten.
Ein Großteil
des reaktiven Tensids ist auf der Oberfläche des Partikels vorhanden.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass verschiedene
Modifikationen, Änderungen,
Weglassungen und Ersetzungen vorgenommen werden können, ohne
von der Wesensart der Erfindung abzuweichen. Somit ist beabsichtigt,
dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der folgenden
Patentansprüche
begrenzt wird.