DE60301885T2

DE60301885T2 - Tintenstrahldrucktinten erhöhter optischer dichte

Info

Publication number: DE60301885T2
Application number: DE60301885T
Authority: DE
Inventors: An-Gong Yeh; E. Jose VALENTINI
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: AU2003231949A1; US20040035319A1; WO2003104340A1; DE60301885D1; JP2005529210A; EP1509579B1; EP1509579A1; US6899754B2; ATE306524T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Tintenstrahltinten und speziell zur Verbesserung der optischen Dichte ein selbstdispergierendes Pigment aufweisende Tintenstrahltinten.
Das Tintenstrahlschreiben ist eine Druckmethoden, worin Tintentröpfchen durch feine Düsen zur Erzeugung von Buchstaben oder Zeichnungen auf der Oberfläche der aufzeichnenden Medien ausgestoßen werden. Bei einem derartigen Aufzeichnen verwendete Tinten unterliegen strengen Anforderungen, einschließlich beispielsweise in Bezug auf eine gute Dispersionsstabilität, Stabilität des Ausstoßens und gute Fixierung mit den Medien.
Als Farbmittel für Tintenstrahltinten sind sowohl Farbstoffe als auch Pigmente verwendet worden. Während Farbstoffe typischerweise überlegene Farbeigenschaften im Vergleich zu Pigmenten bieten, haben sie die Neigung, schneller zu verblassen und gegenüber einem Abwischen stärker anfällig zu sein. In wässrigen Medien dispergierte Pigmente aufweisende Tinten sind den Tinten vorteilhaft überlegen, bei denen wasserlösliche Farbstoffe in wasserfesten und lichtechten gedruckten Bildern verwendet werden.
Pigmente, die für wässrige Tintenstrahltinten geeignet sind, sind auf dem Fachgebiet allgemein bekannt. Im typischen Fall werden Pigmente mit Hilfe von Dispergiermitteln stabilisiert, wie beispielsweise polymeren Dispergiermitteln oder Tensiden, um eine stabile Dispersion des Pigments in dem Träger zu erzeugen. In neuerer Zeit sind sogenannte "selbstdispergierbare" oder "selbstdispergierende" Pigmente (nachfolgend bezeichnet als "SDP's") entwickelt worden. Wie der Name sagt, sind SDP's in Wasser ohne Dispergiermittel dispergierbar.
Die SDP's sind oftmals gegenüber herkömmlichen, mit Dispergiermittel stabilisierten Pigmenten vom Standpunkt einer größeren Stabilität und geringeren Viskosität bei der gleichzeitigen Pigmentbeladung von Vorteil. Dieses kann einen größeren Spielraum bei der Formulierung der fertigen Tinte bieten. SDP's und speziell selbstdispergierende Carbon-Black-Pigmente wurden beispielsweise offenbart in den US-P-2439442, 3023118, 3279935 und 3347632. Weitere Offenbarungen der SDP's, der Herstellung von SDP's und/oder wässriger Tintenstrahltinten, die mit SDP's angesetzt sind, befinden sich beispielsweise in:
US5554739 , US5571311 , US5609671 , US5672198 , US5698016 , US5707432 , US5718746 , US5747562 , US5749950 , US5803959 , US5837045 , US5846307 , US5851280 , US5861447 , US5885335 , US5895522 , US5922118 , US5928419 , US5976233 , US6057384 , US6099632 , US6123759 , US6153001 , US6221141 , US6221142 , US6221143 , US6277183 , US6281267 , US6329446 , US6332919 , US6375317 , US2001/0035110, EP-A-1086997, EP-A-1114851, EP-A-1158030, EP-A-1167471, EP-A-1122286, WO01/10963, WO01/25340 und WO01/94476.
Alle vorgenannten Offenbarungen sind hiermit als Fundstellen für alle Aufgaben einbezogen, als wären sie vollständig ausgeführt.
Im Allgemeinen werden die SDP's durch Reaktion von Pigmenten erhalten. Diese Reaktionen führen oftmals zu anionischen oder kationischen Spezies auf der Oberfläche des Pigments. Im Fall einer anionischen Spezies, wie beispielsweise Carboxyl-Gruppen, wird die Ladung der anionischen Gruppe durch ein Kation kompensiert. Normalerweise rührt diese Kationladung von einwertigen Kationen, wie beispielsweise Natrium, Kalium oder Lithium.
Eine der Möglichkeiten, den durch die SDP's vermittelten größeren Spielraum zu nutzen besteht darin, dass man in die Tintenformulierung zur Erhöhung der optischen Dichte (OD) eine höhere Pigmentbeladung einbezieht. Noch vorteilhafter wäre es jedoch, eine hohe optische Dichte ohne Erhöhung der Menge an Farbmittel zu erreichen.
Die bereits einbezogenen US-P-6332919 und EP-A-1086997 offenbaren eine schwarze Tintenstrahltinte, die ein SDP aufweist sowie Salze von einwertigen Kationen. Es wird angenommen, dass das Vorhandensein dieser einwertigen Salze die optische Dichte bei einer vorgegebenen Pigmentbeladung verbessert.
In der zuvor einbezogenen US-P-6277183 wird eine schwarze Tintenstrahltinte offenbart, die eine SDP-Tinte und ein Metalloxid aufweist, wo die optische Dichte dann höher ist, wenn das Metalloxid vorhanden ist, als wenn es abwesend wäre.
Die zuvor einbezogene US-P-6153001 offenbart ein Beispiel für eine schwarze Tintenstrahltinte, die ein SDP (Microjet^® CW1) und 9 ppm Calcium enthält. Es wird keine Information über die Quelle oder den physikalischen Zustand des Calciums geboten oder über die Beschaffenheit des SDP. Es wird keine Stellungnahme zu irgendeiner Beziehung der optischen Dichte gemacht.
Die zuvor einbezogene US-P-6375317 offenbart eine Tintenstrahltinte, die ein SDP und Calcium in einem wässrigen Medium aufweist. In dem einzigen Beispiel ist in diese Offenbarung das SDP mit Phenyl-COONa-Gruppen funktionalisiert, wobei es jedoch keinen Hinweis auf den Behandlungsgrad (Funktionalität) gibt. Diese SDP-Typen sind jedoch im typischen Fall von höherer Funktionalität. Darüber hinaus werden in diesem Beispiel lediglich etwa 2 ppm Ca(OH)₂ verwendet (etwa 1,2 ppm Ca). Das Calcium soll zur Verbesserung der Ausstoßstabilität der Tinten zugesetzt werden, wobei es keine Angabe über irgendeine Beziehung der optischen Dichte in Verbindung mit der Zugabe von Calcium gibt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung von Tintenstrahltinten und speziell von Tintenstrahltinten, die SDP enthalten, mit erhöhter optischer Dichte sowie die Bereitstellung von Verfahren zur Erhöhung der optischen Dichte und/oder der Stabilität derartiger Tinten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wir haben festgestellt, dass die Zugabe geringfügiger Mengen mehrwertiger Kationen zu einer bestimmte SDP-Farbmittel aufweisenden Tintenfarbstrahltinte die optische Dichte der aus der auf einfachem Papier ausgedruckten Tinte wesentlich erhöhen kann. Es ist außerdem festgestellt worden, dass die Einstellung der Menge an mehrwertigem Kation die optische Dichte der ausgedruckten Tinte erhöhen oder die Stabilität der Tinte vor dem Drucken verbessern kann.
Nach diesen Ergebnissen gewährt die vorliegende Erfindung in einem der Aspekte eine wässrige Tintenstrahltinte, welche aufweist:
einen wässrigen Träger;
ein selbstdispergierendes Pigment, das mindestens einen Typ einer hydrophilen funktionellen Gruppe an einer Oberfläche des selbstdispergierenden Pigmentes gebunden hat, wobei der mindestens eine Typ der hydrophilen funktionellen Gruppe eine Carboxyl-Gruppe aufweist und einen Grad der Funktionalisierung von weniger als etwa 3 μMol/m² hat; sowie
eine wirksame Menge eines mehrwertigen Kations.
Die vorliegende Erfindung gewährt ebenfalls eine wässrige Tintenstrahltinte, welche aufweist:
einen wässrigen Träger und
ein selbstdispergierendes Pigment, das mindestens einen Typ einer hydrophilen funktionellen Gruppe an einer Oberfläche des selbstdispergierenden Pigmentes gebunden hat, wobei der mindestens eine Typ der hydrophilen funktionellen Gruppe eine Carboxyl-Gruppe aufweist und einen Grad der Funktionalisierung von weniger als etwa 3 μMol/m² hat;
wobei die Verbesserung darin besteht, dass die wässrige Tintenstrahltinte ferner eine wirksame Menge eines mehrwertigen Kations aufweist.
In einem anderen Aspekt gewährt die vorliegende Erfindung ein erstes Verfahren zum Erhöhen der optischen Dichte einer wässrigen Tintenstrahltinte, wobei die wässrige Tintenstrahltinte aufweist:
einen wässrigen Träger; und
ein selbstdispergierendes Pigment, das mindestens einen Typ einer hydrophilen funktionellen Gruppe an einer Oberfläche des selbstdispergierenden Pigmentes gebunden hat, wobei der mindestens eine Typ der hydrophilen funktionellen Gruppe eine Carboxyl-Gruppe aufweist und einen Grad der Funktionalisierung von weniger als etwa 3 μMol/m² hat;
welches Verfahren den Schritt umfasst, in der wässrigen Tintenstrahltinte eine wirksame Menge eines mehrwertigen Kations bereitzustellen, so dass die optische Dichte der ausgedruckten Tinte mit der wirksamen Menge von mehrwertigem/mehrwertigen Kation(en) im Vergleich größer ist als ohne das mehrwertige Kation.
In einem anderen Aspekt gewährt die vorliegende Erfindung ein zweites Verfahren zum Erhöhen der optischen Dichte und/oder Stabilität einer wässrigen Tintenstrahltinte, wobei die wässrige Tintenstrahltinte aufweist:
einen wässrigen Träger; und
ein selbstdispergierendes Pigment, das mindestens einen Typ einer hydrophilen funktionellen Gruppe an einer Oberfläche des selbstdispergierenden Pigmentes gebunden hat, wobei der mindestens eine Typ der hydrophilen funktionellen Gruppe eine Carboxyl-Gruppe aufweist und einen Grad der Funktionalisierung von weniger als etwa 3 μMol/m² hat; und
eine Menge eines mehrwertigen Kations;
welches Verfahren den Schritt umfasst, die Gesamtmenge des/der mehrwertigen Kations/Kationen in der wässrigen Tintenstrahltinte so einzustellen, dass die optische Dichte der ausgedruckten Tinte mit der eingestellten Menge an mehrwertigem/mehrwertigen Kation(en) im Vergleich größer ist als ohne diese eingestellte Menge und/oder die Stabilität der wässrigen Tintenstrahltinte erhöht wird.
Wie vorstehend und an anderer Stelle hierin verwendet, bezieht sich "Grad der Funktionalisierung" auf die Menge der auf der Oberfläche des SDP pro Oberflächeneinheit vorhandenen hydrophilen Gruppen und wird entsprechend den Methoden gemessen, die hierin detaillierter beschrieben werden.
Wie ebenfalls vorstehend und an anderer Stelle hierin verwendet bedeutet eine "wirksame Menge" eines mehrwertigen Kations eine Menge, die erforderlich ist, um eine Verbesserung der optischen Dichte der ausgedruckten Tinte zu erzielen. In Verbindung mit der wässrigen Tintenstrahltinte, der verbesserten wässrigen Tintenstrahltinte und dem ersten, vorstehend beschriebenen Verfahren wird die Verbesserung mit einer wässrigen Tintenstrahltinte ohne Vorhandensein des mehrwertigen Kations verglichen. In Verbindung mit dem zweiten, vorstehend beschriebenen Verfahren wird die Verbesserung mit der nicht eingestellten Menge des mehrwertigen Kations verglichen.
Die Wahl des mehrwertigen Kations und der wirksamen Menge, die zur Verbesserung der optischen Dichte und/oder Stabilität erforderlich sind, wird für die jeweilige Tinte, die hierin vorgesehen ist, leicht ermittelt.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden der Fachwelt beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung leichter verständlich. Ebenso gilt als selbstverständlich, dass bestimmte Merkmale der Erfindung, die der Einfachheit halber vorstehend und nachfolgend in Verbindung mit separaten Ausführungsformen beschrieben werden, auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform gewährt werden können. Umgekehrt können auch zahlreiche Merkmale der Erfindung, die der Kürze wegen in Verbindung mit einer einzigen Ausführungsform beschrieben werden, auch separat oder in einer beliebigen untergeordneten Kombination bereitgestellt werden. Darüber hinaus können, sofern der Kontext nicht ausdrücklich etwas anderes besagt, Angaben in Singular auch solche in Plural einbeziehen (beispielsweise können sich "ein", "einer" und "eines" auch auf nur eines oder mehr beziehen).
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN SELBSTDISPERGIERBARE PIGMENTE (SDP's)
Wie vorstehend ausgeführt sind SDP der Fachwelt in der allgemeinen Bedeutung gut bekannt, wie die vorstehend aufgeführten, zahlreichen eingebauten Fundstellen beispielhaft zeigen.
SDP sind typischerweise Pigmente, deren Oberfläche behandelt oder modifiziert worden ist, um sie in Wasser selbstdispergierbar zu machen, so dass kein separates Dispergiermittel benötigt wird. Die Pigmente können schwarz sein, wie beispielsweise Carbon-Black, oder können farbige Pigmente sein, wie beispielsweise PB 15:3 und 15:4 Cyan, PR 122 und 123 Magenta und PY 128 und 74 Gelb.
Geeignete SDP in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung sind solche, die derart behandelt sind, dass sie mindestens einen Typ einer hydrophilen Funktionalität an der Pigmentoberfläche binden. Die hydrophile Funktionalität weist eine hydrophile Carboxyl-Gruppe (-COOM) oder eine Kombination von -COOM und -OM-Gruppen auf, worin M ein einwertiges Kation ist, wie beispielsweise Wasserstoff, Alkalimetall, Ammonium oder organisches Ammonium. Die hydrophile Gruppe kann über eine direkte Bindung an der Oberfläche angebracht sein oder über eine/mehrere andere Atomgruppe(n) angebracht sein. Beispiele für die Anbringung hydrophiler Gruppen über eine/mehrere andere Atomgruppe(n) schließen -R-COOM ein, worin die Gruppe R Aryl oder Alkyl darstellt. Beispiele für das Alkalimetall schließen Lithium ein, Natrium und Kalium, Rubidium und Cäsium. Beispiele für das organische Ammonium schließen Mono-, Di- oder Trimethylammonium ein, Mono-, Di- oder Triethylammonium und Mono-, Di- oder Trimethanolammonium.
Spezieller lässt sich dieses oberflächenbehandelte Pigment herstellen, indem eine funktionelle Gruppe oder ein Molekül, das eine funktionelle Gruppe enthält, auf der Oberfläche des Pigments aufgepfropft wird oder mit Hilfe einer physikalischen Behandlung (wie beispielsweise mit Hilfe eines Vakuumplasmas) oder mit Hilfe einer chemischen Behandlung (beispielsweise durch Oxidation mit Ozon, Hypochlorigsäure oder dergleichen). An nur einem Pigmentpartikel kann ein einziger Typ oder eine Mehrzahl von Typen hydrophiler funktioneller Gruppen gebunden sein. Der Typ und der Grad der Funktionalisierung lassen sich geeigneterweise unter Berücksichtigung beispielsweise der Dispersionsstabilität in der Tinte, der Farbdichte und der Trocknungseigenschaften an der Vorderseite eines Tintenstrahlkopfes ermitteln.
Vorzugsweise ist das SDP der vorliegenden Erfindung funktionalisiert mit hydrophilen Gruppen in einer Menge von weniger als etwa 3 μMol/m² und mehr bevorzugt weniger als etwa 1,8 μMol/m² und noch mehr bevorzugt weniger als etwa 1,5 μMol/m².
Bevorzugt ist bzw. sind die hydrophilen funktionellen Gruppen an dem SDP primär Carboxyl-Gruppen oder eine Kombination von Carboxyl- und Hydroxyl-Gruppen und noch mehr bevorzugt sind die hydrophilen funktionellen Gruppen an dem SDP direkt angebracht und sind primäre Carboxyl-Gruppen oder eine Kombination von Carboxyl und Hydroxyl.
Bevorzugte Pigmente, die in der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, können beispielsweise mit Hilfe von Verfahren hergestellt werden, die bereits in der hierin einbezogenen WO 01/94476 beschrieben wurden. Carbon-Black, das mit der in dieser Patentveröffentlichung beschriebenen Methode behandelt wurde, verfügt über einen hohen Gehalt an oberflächenaktivem Wasserstoff, der mit Base neutralisiert ist, um sehr stabile Dispersionen in Wasser zu schaffen. Die Anwendung dieser Methode auf farbige Pigmente ist ebenfalls möglich.
Es gibt eine große Vielzahl organischer und anorganischer Pigmente allein oder in Kombination die auf dem Fachgebiet dafür bekannt ist, dass sie für einen Tintenstrahl geeignet sind. Wie bei jeder Pigment enthaltenden Tintenstrahltinte ist darauf zu achten, dass gewährleistet ist, dass die Pigmentpartikel ausreichend klein sind, um ein Zusammenballen oder Verstopfen der Öffnung der Düsen zu verhindern, die dazu benutzt werden, die Tinte auszustoßen. Kleine Pigmentpartikel haben außerdem einen Einfluss auf die Stabilität der Pigmentdispersion, die für die gesamte Nutzungsdauer der Tinte entscheidend ist.
Verwendbare Partikelgrößen liegen im typischen Fall im Bereich von etwa 0,005 μm bis etwa 15 μm. Bevorzugt sollte die Partikelgröße des Pigments im Bereich von etwa 0,005 bis etwa 5 μm und mehr bevorzugt von etwa 0,005 bis etwa 1 μm und am meisten bevorzugt etwa 0,005 bis etwa 0,3 μm liegen.
Die in den erfindungsgemäßen Tinten zum Einsatz gelangenden SDP-Mengen sollten so groß sein, wie sie im typischen Fall benötigt werden, um dem ausgedruckten Bild die gewünschte OD zu vermitteln. Im typischen Fall liegen die SDP-Mengen im Bereich von etwa 0,01Gew.% bis etwa 10 Gew.% der Tinte.
MEHRWERTIGES KATION
Die Tinten der vorliegenden Erfindung weisen ein oder mehrere mehrwertige Kationen auf. Die in einer speziellen Situation erforderlichen wirksamen Mengen können schwanken, so dass in der Regel eine gewisse Einstellung erforderlich sein wird, wie sie hierin vermittelt wird.
"Mehrwertig" besagt eine Oxidationsstufe von zwei oder mehr und wird für ein Element "Z" typischerweise beschrieben als Z²⁺, Z³⁺, Z⁴⁺ usw. Der Kürze wegen werden mehrwertige Kationen hierin bezeichnet als Z^x. Die mehrwertigen Kationen sind vorzugsweise im Träger der wässrigen Tinte löslich und liegen bevorzugt in einem überwiegend dissoziierten Zustand vor. Die mehrwertigen Kationen sollten in einer Form vorliegen, in der sie frei und verfügbar sind, um mit Komponenten der Tinte und speziell mit dem SDP in Wechselwirkung zu treten. Für die Aufgaben der vorliegenden Erfindung wird ein mehrwertiges Kation in nicht verfügbarer Form, z.B. an einem feuerfesten Oxid festgebundenes Z^x, nicht als mehrwertiges Kation angesehen.
Z^x schließt ein, ohne auf die mehrwertigen Kationen der folgenden Elemente beschränkt zu sein: Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Ru, Co, Rh, Ni, Pd, Pt, Cu, Au, Zn, Al, Ga, In, Sb, Bi, Ge, Sn, Pb. In einer der Ausführungsformen ist das mehrwertige Kation nicht Ca. In einer anderen Ausführungsform weist das mehrwertige Kation mindestens eines der Folgenden auf Ca, Ba, Ru, Co, Zn und Ga. In noch einer anderen Ausführungsform weist das mehrwertige Kation mindestens eines der Folgenden auf Ba, Ru, Co, Zn und Ga. In einer bevorzugten Ausführungsform weist Z^x ein dreiwertiges Kation auf.
Z^x kann in die Tinte durch Zugabe in einer Salzform oder durch Zugabe in einer alkalischen Form einbezogen werden und kann als eine Base bei der Einstellung des pH-Wertes der Tinte verwendet werden. Wie bei jeder Dispersion und speziell bei einer solchen, die ionisch stabilisiert ist, kann das Vorhandensein großer Mengen von Z^x destabilisierend sein. Die wirksamen Mengen an Z^x, die für die erfindungsgemäßen Tinten benötigt werden, liegen unterhalb derjenigen, die Instabilität oder andere Probleme hervorrufen.
Es gibt keine spezielle untere Grenze für Z^x, obgleich ein Minimum an Mengen für die vorliegende Erfindung in Betracht kommen und um Größenordnungen größer sind als Spurenmengen oder zufällige Beimengungen. In der Regel gibt es mindestens etwa 2 ppm und üblicherweise mindestens etwa 4 ppm und sogar 10 ppm oder mehr mehrwertige Vertreter in der Tinte. In ähnlicher Weise gibt es keine spezielle obere Grenze mit der Ausnahme, die Stabilität oder andere Eigenschaften der Tinte vorgegeben wird. Bei einer bestimmten Menge gibt es außerdem keinen zusätzlichen OD-Gewinn mit zunehmendem Z^x. In einigen Fällen kann ein zuviel an Z^x bewirken, dass die OD wieder abnimmt. In der Regel werden günstige Wirkungen mit weniger als etwa 200 ppm Z^x erzielt und im typischen Fall sogar weniger als etwa 100 ppm.
Trotz der vorangegangenen Diskussion von Z^x im Bezug auf Gewichtsprozent, die der Einfachheit halber konkrete Anleitung aufweisen, gilt aus den nachfolgenden Beispielen hierin als selbstverständlich, dass die geeigneten Mengen an mehrwertigen Kationen in einer komplizierteren Weise mit Faktoren zusammenhängen, wie beispielsweise Moläquivalente, Atomgewicht, Wertigkeitsstufe und aber auch die Menge von SDP in der Tinte und das Maß ihrer Behandlung.
Ein bevorzugtes Vorgehen für die Berücksichtigung des Gehaltes an mehrwertigem Kation erfolgt somit mit Hilfe der eingestellten Äquivalente von Z^x pro 100 Äquivalente der Oberflächenfunktion. Die Menge des vorhandenen Z wird mit der Wertigkeitsstufe (x) angepasst (multipliziert). Als eine Gleichung lässt sich dieses wie folgt schreiben: eingestelltes Z pro 100 Oberflächenfunktion = 100 (Äquivalente Z)(x)/Äquiv. Oberflächenfunktion
Wenn Z^x mehr als einen Vertreter mehrwertiger Kationen umfasst, ist das eingestellte Z pro 100 Oberflächenfunktion die Summe des eingestellten Z für alle Z^x-Vertreter, die vorhanden sind. Bevorzugte Werte für eingestelltes Z pro 100 Oberflächenfunktion liegen im Bereich zwischen etwa 0,5 und 20 und mehr bevorzugt zwischen etwa 0,8 und 12.
In der bevorzugten Ausführungsform wird die Carboxyl-funktionelle Gruppe im Allgemeinen überwiegend mit einwertigen Gegenionen (M) verbunden sein und nur mit einem geringen Anteil an kationischen Vertretern, die in der Tinte als Z^x vorliegen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist M überwiegend Kalium, Rubidium oder Cäsium oder eine beliebige Kombination davon.
WÄSSRIGES MEDIUM
Der wässrige Träger ist Wasser oder eine Mischung von Wasser mit mindestens einem wasserlöslichen organischen Lösemittel. Die Auswahl einer geeigneten Mischung hängt von Anforderungen an die spezielle Anwendung ab, wie beispielsweise die gewünschte Oberflächenspannung und Viskosität, das ausgewählte Farbmittel, die Trocknungsdauer der Tinte und der Substrattyp, auf den die Tinte ausgedruckt werden wird. Repräsentative Beispiele für wasserlösliche organische Lösemittel, die zur Auswahl gelangen können, wurden in der US-P-5085698 offenbart (die hiermit für alle Aufgaben als Fundstelle die in einer vorstehenden Ausführung einbezogen ist).
Wenn eine Mischung von Wasser und einem wasserlöslichen Lösemittel verwendet wird, wird der wässrige Träger im typischen Fall etwa 30% bis etwa 95% Wasser enthalten, wobei der Rest (d.h. etwa 70% bis etwa 5%) wasserlösliches Lösemittel ist. Bevorzugte Zusammensetzungen enthalten etwa 60% bis etwa 95% Wasser bezogen auf das Gesamtgewicht des wässrigen Trägers.
Die Menge an wässrigem Träger in der Tinte liegt im Bereich von etwa 70% bis etwa 99,8% und bevorzugt etwa 80% bis etwa 99,8% bezogen auf das Gesamtgewicht der Tinte.
WEITERE BESTANDTEILE
Die Tintenstrahltinte kann weitere Bestandteile enthalten, wie sie auf dem Fachgebiet gut bekannt sind. Beispielsweise können Aniontenside, nichtionische Tenside, Kationtenside oder Amphotenside zur Anwendung gelangen. In wässrigen Tinten sind die Tenside im typischen Fall in einer Menge von etwa 0,01 % bis etwa 5% und bevorzugt etwa 0,2% bis etwa 2% bezogen auf das Gesamtgewicht der Tinte vorhanden.
Zur Verbesserung der Verstopfung hemmenden Eigenschaften der Tintenzusammensetzung können Co-Lösemittel einbezogen werden, wie sie beispielsweise in der US-P-5272201 exemplifiziert wurden (die hiermit für alle Aufgaben als Fundstelle einbezogen ist, als wäre sie vollständig ausgeführt worden).
Zur Hemmung des Wachstums von Mikroorganismen können Biozide verwendet werden.
Zur Verbesserung der verschiedenen Eigenschaften der Tintenzusammensetzungen können nach Erfordernis auch andere bekannte Additive zugesetzt werden. Beispielsweise können der Rezeptur Penetriermittel zugegeben werden, wie beispielsweise Glykolether und 1,2-Alkandiole.
Glykolether schließen ein: Ethylenglykolmonbutylether, Diethylenglykolmono-n-propylether, Ethylenglykolmonoisopropylether, Diethylenglykolmonoisopropylether, Ethylenglykolmono-n-butylether, Ethylenglykolmono-tert-butylether, Diethylenglykolmono-n-butylether, Triethylenglykolmono-n-butylether, Diethylenglykolmono-tert-butylether, 1-Methyl-1-methoxybutanol, Propylenglykolmono-tert-butylether, Propylenglykolmono-n-propylether, Propylenglykolmonoisopropylether, Propylenglykolmono-n-butylether, Dipropylenglykolmono-n-butylether, Dipropylenglykolmono-n-propylether und Dipropylenglykolmonoisopropylether.
1,2-Alkandiole sind vorzugsweise 1,2-C_1-6-Alkandiole und am meisten bevorzugt 1,2-Hexandiol.
Die Menge an Glykolether(n) und 1,2-Alkandiol(en), die zugegeben wird, muss in geeigneter Weise bestimmt werden, liegt im typischen Fall jedoch im Bereich von etwa 1% bis etwa 15 Gew.% und typischer etwa 2% bis etwa 10 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht der Tinte.
Vorteilhaft kann die Einbeziehung von Sequestriermitteln sein (oder Komplexbildnern), wie beispielsweise: Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), Iminodiessigsäure (IDA), Ethylendiamin-di(o-hydroxyphenylessigsäure) (EDDHA), Nitrilotriessigsäure (NTA), Dihydroxyethylglycin (DHEG), trans-1,2-Cyclohexandiamintetraessigsäure (DyDTA), Diethylentriamin-N,N,N',N'',N'''-pentaessigsäure (DTPA) und Glykoletherdiamin-N,N,N',N''-tetraessigsäure (GEDTA) sowie Salze davon.
Darüber hinaus können auch Bindemittel zugegeben werden, wie beispielsweise Polyurethane.
TINTENEIGENSCHAFTEN
Die Strahlgeschwindigkeit, die Trennungslänge der Tröpfchen, die Tropfengröße und die Strömungsstabilität werden stark beeinflusst von der Oberflächenspannung und der Viskosität der Tinte. Pigment enthaltende Tintenstrahltinten, die zur Verwendung von Tintenstrahl-Drucksystemen geeignet sind, sollten eine Oberflächenspannung im Bereich von etwa 20 dyn/cm bis etwa 70 dyn/cm und mehr bevorzugt etwa 25 bis etwa 40 dyn/cm bei 25°C haben. Die Viskosität liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 1 cP bis etwa 30 cP und mehr bevorzugt etwa 2 bis etwa 20 cP bei 25°C. Die Tinte verfügt über physikalische Eigenschaften, die mit einem großen Bereich von Ausstoßbedingungen kompatibel sind, d.h. Steuerfrequenz der Feder und Form und Größe der Düse. Die Tinten sollten für längere Zeitdauer über eine hervorragende Lagerungsbeständigkeit verfügen. Darüber hinaus sollten die Tinten Teile der Tintenstrahl-Druckeinrichtung nicht korrodieren, mit denen sie in Kontakt gelangt und sollten weitgehend geruchlos und ungiftig sein. Vorzugsweise sind in die Tintenstrahl-Druckköpfe solche mit Piezo-Tropfenerzeuger und Thermotropfenerzeuger einbezogen.
BEISPIELE
BEWERTUNG
Die OD-Messungen wurden an Bildern vorgenommen, die mit einem Tintenstrahldrucker erzeugt wurden, wie beispielsweise einem Epson Stylus Color 980-Drucker (Qualitätsmodus, 720 dpi). Die Bilder bestanden aus einer Folge von 1cm-Quadraten, die auf einfachem Papier ausgedruckt waren, wie beispielsweise "Hammermil Copy Plus". Die prozentuale Tintenbedeckung wurde so gewählt, dass die OD ein Maximum hatte und die Bedeckung jedoch nicht mehr als 100% betrug. Mit jeder Tinte wurden neun Quadrate ausgedruckt. Es wurden innerhalb jedes Quadrates fünf verschiedene Stellen auf OD gemessen (beispielsweise mit einem Spektrodensitometer nach Greytag); der OD-Wert, der für das jeweilige Quadrat aufgezeichnet wurde, war der höchste OD-Wert dieser fünf Messungen. Die aufgezeichnete Gesamt-OD war der Mittelwert dieser neun einzelnen OD-Werte.
Die Tinten der vorliegenden Erfindung sind bevorzugt über längere Zeitdauer lagerungsbeständig ohne wesentliche Erhöhung der Viskosität oder der Partikelgröße. Die Langzeit-Lagerbeständigkeit wird gelegentlich anhand einer kurzfristigen Exponierung bei erhöhter Temperatur in einem geschlossenen Behälter für eine Dauer von Tagen oder Wochen (z.B. bei 60°C für 7 Tage) vorhergesagt.
BESTIMMUNG DES FUNKTIONALISIERUNGSGRAD (SÄUREZAHL)
Die Säurezahl des SDP in diesen Beispielen wurde anhand der Val Base (in diesem Fall KOH) bestimmt, die zum Neutralisieren des behandelten Pigments auf einen pH-Wert von 7 benötigt wurde. Da die oberflächenhydrophilen Gruppen im Wesentlichen sauer sind, ist die Säurezahl gleich dem Funktionalisierungsgrad.
Die neutralisierte Mischung wurde mit Hilfe der Ultrafiltration gereinigt, um freie Säure, Salze und Verunreinigungsstoffe zu entfernen. Der Reinigungsprozess wurde wiederholt durch Waschen des Pigmentes mit deionisiertem Wasser so lange ausgeführt, bis die Leitfähigkeit der Mischung eingepegelt war und relativ konstant blieb. Normalerweise wird eine große Menge an deionisiertem Wasser im Bereich des 3- bis 10-fachen des Mischungsvolumens benötigt, um die Reinigung des Pigmentes zu erreichen.
Nachdem das Pigment gereinigt war, wurde die Val an Kaliumionen, die auf dem Pigment zurückblieben, mit Hilfe der Atomabsorptionsanalyse (AA) bestimmt, indem ein Atomabsorptionsspektrometer nach Perkin Elmer, Model AA Analyst 300, verwendet wurde, das mit dem AS-90-Autosampler, AS-90/AS-91-Regler und Lumina-Lampen für Kalium konfiguriert war. Der Gehalt wird typischerweise als "Milligramm Metall-Gegenion pro Kilogramm SDP" oder ppm bezogen auf das Gewicht angegeben. Die Analyse mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) wurde angewendet, um unabhängig den Gehalt an Gegenion zu verifizieren; die Werte für ICP und AA waren vergleichbar. Die folgenden Gleichungen rechnen "ppm" in "mMol/g Pigment" und "μMol/m² Pigmentoberfläche" um: mMol/g = (ppm/AW)/(1.000 g/kg × Pigment %/100)worin AW das Atomgewicht des Metalls ist und μMol/m² = mMol/g × (1 g/SA) × 1.000 (μMol/mMol) bedeuten, worin SA die Pigmentoberfläche in m² pro Gramm ist.
PIGMENTDISPERSION 1
Es wurde nach der in der WO 0194476 beschriebenen Prozedur Carbon-Black (Nipex 1801Q, Degussa, Oberfläche = 260 m²/g) mit Ozon behandelt, bis der gewünschte Wert der Oberflächenfunktionalisierung erhalten wurde. Während dieser Prozedur wurde die Dispersion mit KOH neutralisiert. Die Endkonzentration an Pigment betrug 16,2%. Das gemessene Kalium-Gegenion in der Dispersion nach der Ultrafiltration betrug 2.614 ppm, was einen Grad der Oberflächenfunktionalisierung von 0,41 mMol/g Pigment oder 1,6 μMol/m² Pigmentoberfläche angibt.
PIGMENTDISPERSION 2
Die Prozedur für Pigmentdispersion 1 wurde mit der Ausnahme eines geringeren Behandlungsgrades wiederholt. Die Endkonzentration an Pigment betrug 14,7%. Das gemessene Kalium in der Dispersion nach Ultrafiltration betrug 1.306 ppm, was einen Grad der Oberflächenfunktionalisierung von 0,23 mMol/g oder 0,90 μMol/m² angibt.
PIGMENTDISPERSION 3
Die Prozedur für Pigmentdispersion 1 wurde wiederholt. Die Endkonzentration an Pigment betrug 13,2 Gew.% nach Ultrafiltration. Das gemessene Kalium in der Dispersion bei einer Pigmentkonzentration von 9,4 Gew.% betrug 1.090 ppm, was einen Grad der Oberflächenfunktionalisierung von 0,29 mMol/g oder 1,1 μMol/m² angibt.
TINTENREZEPTUR
Es wurden nach der nachfolgenden allgemeinen Rezeptur mit der entsprechenden Zugabe von mehrwertigem Kation entsprechend der Angabe in dem jeweiligen hergestellt. In jedem Fall betrug der prozentuale Gewichtsanteil an Pigment 6,5. Zuerst wurde das mehrwertige Kation in Wasser aufgelöst und der Rezeptur als Lösung zugesetzt. Die Inhaltsstoffe wurden gemeinsam unter Rühren in der angegebenen Reihenfolge zugegeben. Nach Zugabe aller Inhaltsstoffe wurde die Tinte für mindestens weitere 40 min gerührt und anschließend durch ein 2,5μm-Filter filtriert. Der abschließende pH-Wert der Tinte wurde nach Erfordernis mit Triethanolamin auf 8,0 eingestellt. Die Endkonzentrationen an Gegenion in der Tinte schwankten von 0,035 bis 0,02 eingestellte Äquivalente pro Kilogramm Pigment (1 Mol zweiwertige Ionen werden als zwei eingestellte Äquivalente gezählt).
TABELLE 1 Tintenrezeptur-1
TABELLE 2 Tintenrezeptur-2
ERGEBNISSE
Beispiele 1 bis 9 und Kontrolle 1 (C1) in der folgenden Tabelle wurden mit Pigmentdispersion 1 hergestellt.
TABELLE 3 Tintentests aus der Polymerdispersion 1
Die Spalte "eingestelltes Z" wurde als der Wert aus der Spalte "eingestelltes Äquivalent" dividiert durch den Grad der Oberflächenfunktionalisierung (in mMol/g Pigment) für die Dispersion 1 multipliziert mit 100 berechnet. Speziell für die Beispiele 1 bis 9 ist damit die Spalte "eingestelltes Z" gleich der ("eingestelltes Äquivalent"-Spalte × 100)/0,41.
Beispiele 10 bis 24 und Kontrolle 2 (C2) in der folgenden Tabelle wurden mit Hilfe der Pigmentdispersion 2 hergestellt.
TABELLE 4 Tintentests aus der Polymerdispersion 2
Die Spalte "eingestelltes Z" wurde als der Wert aus der Spalte "eingestelltes Äquivalent" dividiert durch den Grad der Oberflächenfunktionalisierung (in mMol/g Pigment) für die Dispersion 2 multipliziert mit 100 berechnet. Speziell für die Beispiele 10 bis 24 ist damit die Spalte "eingestelltes Z" gleich der ("eingestelltes Äquivalent"-Spalte × 100)/0,23.
Beispiele 25 bis 30 und Kontrolle 3 (C3) in der folgenden Tabelle wurden mit Hilfe der Pigmentdispersion 3 hergestellt.
TABELLE 5 Tintentests aus der Polymerdispersion 3
Die Spalte "eingestelltes Z" wurde als der Wert aus der Spalte "eingestelltes Äquivalent" dividiert durch den Grad der Oberflächenfunktionalisierung (in mMol/g Pigment) für die Dispersion 3 multipliziert mit 100 berechnet. Speziell für die Beispiele 25 bis 30 ist damit die Spalte "eingestelltes Z" gleich der ("eingestelltes Äquivalent"-Spalte × 100)/0,29.
Mit der Zugabe entsprechender Mengen mehrwertiger Kationen gab es eine bedeutende Erhöhung des OD-Wertes, was anhand der Beispiele im Bezug auf die Kontrollen demonstriert wird. Ausgeprägter war die Wirkung in SDP mit geringerem Behandlungsgrad. Ebenfalls war die Wirkung etwas stärker ausgeprägt bei dreiwertigen Kationen als sie das mit zweiwertigen Kationen war. Die Wirkung pegelt sich ein, sobald eine bestimmte Menge an Z^x erreicht war; zusätzliches Z^x schien nicht mehr förderlich zu sein und der OD-Wert war in einigen Fällen sogar verringert.

Claims

Wässrige Tintenstrahltinte, aufweisend einen wässrigen Träger und ein selbstdispergierendes Pigment, das mindestens einen Typ einer hydrophilen funktionellen Gruppe an einer Oberfläche des selbstdispergierenden Pigmentes gebunden hat, wobei der mindestens eine Typ der hydrophilen funktionellen Gruppe eine Carboxyl-Gruppe aufweist und einen Grad der Funktionalisierung von weniger als etwa 3 μMol/m² hat, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Tintenstrahltinte ferner eine wirksame Menge eines mehrwertigen Kations aufweist.
Wässrige Tintenstrahltinte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Funktionalisierung des selbstdispergierbaren Pigments kleiner ist als etwa 1,8 μMol/m².
Wässrige Tintenstrahltinte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Funktionalisierung des selbstdispergierenden Pigments kleiner ist als etwa 1,5 μMol/m².
Wässrige Tintenstrahltinte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrwertige Kation in einer Menge von mindestens 2 ppm vorliegt.
Wässrige Tintenstrahltinte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrwertige Kation ausgewählt ist aus einer oder mehreren der Gruppen mehrwertiger Kationen der Elemente Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Ru, Co, Rh, Ni, Pd, Pt, Cu, Au, Zn, Al, Ga, In, Sb, Bi, Ge, Sn und Pb.
Wässrige Tintenstrahltinte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrwertige Kation ein dreiwertiges Kation aufweist.
Wässrige Tintenstrahltinte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrwertige Kation in einer solchen Menge vorliegt, dass ein auf eine Oberflächenfunktion von 100 eingestelltes Z im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 20 liegt.
Wässrige Tintenstrahltinte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrwertige Kation in einer solchen Menge vorliegt, dass ein auf eine Oberflächenfunktion von 100 eingestelltes Z im Bereich von etwa 0,8 bis etwa 12 liegt.
Wässrige Tintenstrahltinte nach einem oder allen Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophilen funktionellen Gruppen auf dem selbstdispergierbaren Pigment direkt angelagert sind und hauptsächlich Carboxyl-Gruppen sind oder eine Kombination von Carboxyl- und Hydroxyl-Gruppen.
Verfahren zur Erhöhung der optischen Dichte einer wässrigen Tintenstrahltinte, wobei die wässrige Tintenstrahltinte aufweist: einen wässrigen Träger; und ein selbstdispergierendes Pigment, das mindestens einen Typ einer hydrophilen funktionellen Gruppe auf einer Oberfläche des selbstdispergierenden Pigments gebunden hat, wobei der mindestens eine Typ der hydrophilen funktionellen Gruppe eine Carboxyl-Gruppe aufweist und einen Grad der Funktionalisierung von weniger als etwa 3 μMol/m² hat; welches Verfahren den Schritt umfasst, in der wässrigen Tintenstrahltinte eine wirksame Menge eines mehrwertigen Kations bereitzustellen, so dass die optische Dichte der ausgedruckten Tinte mit der wirksamen Menge von mehrwertigen/mehrwertigen Kation(en) im Vergleich größer ist als ohne das mehrwertige Kation.
Verfahren zur Erhöhung der optischen Dichte einer wässrigen Tintenstrahltinte, wobei die wässrige Tintenstrahltinte aufweist: einen wässrigen Träger; ein selbstdispergierendes Pigment, das mindestens einen Typ einer hydrophilen funktionellen Gruppe auf einer Oberfläche des selbstdispergierenden Pigments gebunden hat, wobei der mindestens eine Typ der hydrophilen funktionellen Gruppe eine Carboxyl-Gruppe aufweist und einen Grad der Funktionalisierung von weniger als etwa 3 μMol/m² hat; und eine Menge eines mehrwertigen Kations; welches Verfahren den Schritt umfasst, die Gesamtmenge des/der mehrwertigen Kations/Kationen in der wässrigen Tintenstrahltinte so einzustellen, dass die optische Dichte der ausgedruckten Tinte mit der eingestellten Menge an mehrwertigem/mehrwertigen Kation(en) im Vergleich größer ist als ohne diese eingestellte Menge.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrwertige Kation so eingestellt ist, dass ein auf eine Oberflächenfunktion von 100 eingestelltes Z im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 20 liegt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrwertige Kation so eingestellt ist, dass ein auf eine Oberflächenfunktion von 100 eingestelltes Z im Bereich von etwa 0,8 bis etwa 12 liegt.