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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Tintenstrahldrucksysteme und insbesondere auf Systeme mit
einer verbesserten Zerfließeindämmung.
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Tintenstrahldrucken ist ein anschlagfreier
Druckvorgang, bei dem Tintentröpfchen
auf ein Druckmedium, beispielsweise Papier, Transparentfolie oder
Textilien, aufgebracht werden. Im wesentlichen beinhaltet Tintenstrahldrucken
den Ausstoß feiner
Tintentröpfchen
auf ein Druckmedium ansprechend auf elektrische Signale, die durch
einen Mikroprozessor erzeugt werden.
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Es gibt zwei grundlegende Möglichkeiten,
die derzeit zur Verfügung
stehen, um einen Ausstoß von
Tintentröpfchen
beim Tintenstrahldrucken zu erzielen: thermisch und piezoelektrisch.
Beim Thermotintenstrahldrucken wird die Energie für einen
Tropfenausstoß durch
elektrisch erwärmte
Widerstandselemente erzeugt, die sich ansprechend auf elektrische
Signale von einem Mikroprozessor rasch erwärmen, um eine Dampfblase zu
erzeugen, was zu dem Auswurf von Tinte durch Düsen, die den Widerstandselementen
zugeordnet sind, führt.
Beim piezoelektrischen Tintenstrahldrucken werden die Tintentröpfchen aufgrund
der Schwingungen piezoelektrischer Kristalle ausgestoßen, wiederum
ansprechend auf durch den Mikroprozessor erzeugte elektrische Signale.
Der Ausstoß von
Tintentröpfchen
in einer bestimmten Reihenfolge bildet alphanumerische Schriftzeichen,
Flächenausfüllungen
und andere Muster auf dem Druckmedium.
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Tintenstrahldrucker bieten kostengünstiges,
qualitativ hochwertiges Drucken bei einem relativ geräuschfreien
Betrieb. Als solches wurden Tintenstrahldrucker zu einer beliebten
Alternative zu anderen Druckertypen. Tintenstrahldrucker sind jedoch
derzeit nicht in der Lage, das Durchsatzniveau, das durch Laserdrucker
erreicht wird, zu erzielen, was zum großen Teil auf die relativ langsame
Trocknungszeit von Tintenstrahltinten sowie auf die Verlangsamung
des Druckers, die sich von dem in dem Drucker vorhandenen Zerfließeindämmungsalgorithmus
ableitet, zurückzuführen ist.
Mit besonderem Blick auf die Zerfließeindämmung besteht bei Tintenstrahltinten
eine Tendenz, ineinanderzufließen,
wenn verschiedene Farben auf Papiersubstrate gedruckt werden. Ein
Zerfließen
findet statt, wenn sich Farben sowohl auf der Oberfläche des
Papiersubstrats als auch in dem Substrat selbst miteinander vermischen.
Als Reaktion auf dieses Problem verwenden Tintenstrahldrucker üblicherweise
Zerfließeindämmungsalgorithmen,
um zu versuchen, eine Grenze zwischen den Farben zu liefern, die
sauber und frei von dem Eindringen einer Farbe in eine andere ist;
dies verlangsamt jedoch den Drucker. Um das durch Tintenstrahldrucker
erzeugte Durchsatzniveau zu erhöhen,
sollte die Trocknungszeit von Tintenstrahltinten verbessert werden,
vorzugsweise auf eine Art und Weise, die auch die Zerfließeindämmung beeinflußt.
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Es wurden bereits verschiedene Lösungen des
Problems eines Zerfließens
von Schwarz zu Farbe und von Farbe zu Farbe angeboten. Manche Lösungen beinhalten
ein Verändern
der Tintenumgebung, um ein Zerfließen zu verringern. Beispielsweise
wurden bereits erwärmte
Auflagen und andere Wärmequellen
zusammen mit speziell formuliertem Papier verwendet, um das Zerfließen zu verringern.
Jedoch bedeuten erwärmte
Auflagen zusatzliche Kosten des Druckers, und speziell formuliertes
Papier ist teurer als „einfaches" Papier. Somit ist
ein verwenden von äußerlichen
Extras zum Verringern des Zerfließens beim Tintenstrahlfarbdrucken
im allgemeinen nicht kosteneffektiv. Ein weiteres üblicherweise
verwendetes Verfahren zum Verringern des Zerfließens beinhaltet die Verwendung
von Zerfließeindämmungsalgorithmen
bei Tintenstrahldruckern, um Grenzen zwischen Farben zu liefern,
die sauber und frei von dem Eindringen einer Farbe in eine andere
sind; derartige Algorithmen verlangsamen jedoch den Drucker.
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Weitere vorgeschlagene Lösungen des
Problems des Zerfließens
beinhalten ein Verändern
der Zusammensetzung einer Tintenstrahltinte. Beispielsweise wurden
effektiv bereits Tenside verwendet, um ein Zerfließen bei
farbstoffbasierten Tintenformulierungen zu verringern; siehe z.
B. U.S.-Patentschrift
Nr. 5,106,416 mit dem Titel „Bleed
Alleviation Using Zwitterionic Surfactants and Cationic Dyes", die an John Moffatt
u. a. erteilt wurde, U.S.-Patentschrift Nr. 5,116,409 mit dem Titel „Bleed
Alleviation in Ink-Jet Inks",
die an John Moffatt erteilt wurde, und U.S.-Patentschrift Nr. 5,133,803 mit dem
Titel „High
Molecular Weight Colloids Which Control Bleed", die an John Moffatt erteilt wurde,
wobei diese Patentschriften alle an den Anmelder der vorliegenden
Anmeldung übertragen
wurden. Jedoch erhöhen
Tenside die Eindringrate der Tinte in das Papier, was auch zu der
Verringerung der Kantenschärfe
führen
kann. Ferner könnte
die Hinzufügung
von tensidhaltigen Tinten zu Pfützen
auf den Düsenplatten
des Druckkopfs führen,
was schlechte Tropfenausstoßcharakteristika zur
Folge hat. Andere Lesungen, die für farbstoffbasierte Tintenzusammensetzungen
spezifisch sind und in Patentschriften offenbart sind, die an den
Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen sind, finden sich
in der U.S.-Patentschrift
Nr. 5,198,023 mit dem Titel „Cationic
Dyes with Added Multi-Valent. Cations to Reduce Bleed in Thermal
Ink-Jet Inks", erteilt
an John Stoffel, und in der U.S.-Patentschrift
Nr. 5,181,045 mit dem Titel „Bleed
Alleviation Using pH Sensitive Dyes", erteilt an James Shields u. a., die
beide an denselben Anmelder wie die vorliegende Erfindung übertragen
wurden.
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Die U.S.-Patentschrift 5,565,022
mit dem Titel „Fast
Drying, Bleed-Free Ink-Jet Ink Compositions", die an denselben Anmelder wie die
vorliegende Anmeldung übertragen
ist und durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen
ist, richtet sich auf eine Zerfließeindämmung von farbstoffbasierten
Tintenzusammensetzungen, bei denen der Farbstoff entweder wasserlöslich oder
wasserunlöslich
(d. h. ein lösungsmittellöslicher
Farbstoff) ist. Im einzelnen wird eine Zerfließeindämmung für derartige Tinten dadurch
erzielt, indem der Farbstoff je nach der Beschaffenheit des Farbstoffs
entweder in Wasser oder in dem Lösungsmittel aufgelöst wird.
Die Tinte liegt in Form einer Mikroemulsion vor, die eine isotrope
Lösung
aus Wasser, einer wasserunlöslichen
organischen Verbindung und einem Amphiphil ist, wobei ausreichend
Amphiphil vorliegt, um die wasserunlösliche Verbindung in Wasser
löslich
zu machen.
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Die U.S.-Patentschrift 5,531,816
mit dem Titel „Bleed-Alleviated, Waterfast,
Pigment-Based Ink-Jet Ink Compositions" und die U.S.-Patentschrift 5,713,989
mit dem Titel „Bleed
Alleviated Aqueous Pigment Dispersion-Based Ink-Jet Ink Compositions", die beide an denselben
Anmelder wie die vorliegende Anmeldung übertragen wurden und durch
Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen sind, richten
sich auf eine Zerfließeindämmung von
in Lösungsmittel
dispergierten, pigmentoasierten bzw. wäßrigen pigmentbasierten Tintenstrahltintenzusammensetzungen.
Im einzelnen wird eine Zerfließeindämmung für derartige
Tinten dadurch erreicht, daß das
Pigment dispergiert wird und in Form einer Mikroemulsion in Lösung gehalten
wird. Wiederum sind diese Lösungen
bezüglich
des Zerfließens
nicht auf farbstoffbasierte Tinten gerichtet, sondern sind vielmehr
speziell auf Tinten, die auf dispergiertem Pigment basieren, gerichtet.
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Ferner muß die geeignete Tintenstrahltinte
auch andere Leistungsattribute liefern. Um eine robuste Druckprobe
zu erhalten, sollte die Finte in der Lage sein, lichtechte Bilder
zu erzeugen, nachdem sie auf das Druckmedium gedruckt wurde. In
der Regel wird eine Lichtechtheit für schwarze Tinte bisher dadurch
erzielt, daß pigmentbasierte
Tinten verwendet werden. Die Farbtinten, z. B. Magenta, Gelb und
Cyan, verwenden jedoch in der Regel Farbstoff als die farbgebende
Substanz, was somit zu weniger lichtechten Bildern führt. Ein weiteres
Problem ist bisher die selektive Zerfließeindämmung obwohl zwischen manchen
der Farben eine Zerfließeindämmung erreicht
wurde, wurde sie bisher nicht zwischen allen möglichen Kombinationen zwischen den
vier Hauptfarben Schwarz, Magenta, Gelb und Cyan erreicht.
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Dementsprechend besteht. ein Bedarf
an Tintenstrahldrucksystemen, die eine verbesserte Druckqualität, im einzelnen
ein verringertes Zerfließen;
eine verbesserte Kantenschärfe,
gleichmäßige Flächenausfüllungen
und Farbqualität,
bereitstellen können,
während
sie die Lichtechtheit maximieren, ohne die Druckzuverlässigkeit
zu opfern.
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Die US-A-5713993 beschreibt Tintenpaare,
die zwischen zwei benachbarten Regionen ein verringertes Zerfließen aufweisen.
Die erste Tinte weist zumindest eine Gruppe aus neutralisierter
Carbonsäure,
eine Gruppe aus neutralisiertem Amin oder quaternisiertem Amin auf;
und die zweite Tinte enthält
ein polymeres Dispersionsmittel, das zumindest eine Sulfonat- oder
Phosphonatgruppe sowie einen Carbonsäurezusatz, der ein pKa von
bis zu 3,5 aufweist, aufweist.
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In der EP-A-0633142 sind Drucktintenpaare
beschrieben, die ein verringertes Zerfließen aufweisen. Die erste Tinte
ist eine anionische Tinte, und die zweite Tinte ist eine kationische
Tinte, wobei zumindest eine der Tinten ungefähr 0,1 bis 30 Gewichtsprozent
eines Polymers enthält,
das denselben ionischen Charakter aufweist wie die Tinte.
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In der US-A-5518534 ist ein Tintensatz
zum Abmildern des Zerfließens
bei mehrfarbig bedruckten Elementen beschrieben. Der Satz umfaßt eine
erste Tinte, die eine Pigmentdispersion ist, und eine zweite Tinte, die
ein Salz einer organischen Säure
oder Mineralsäure
in einer Menge aufweist, die effektiv ist, um ein Zerfließen zwischen
der ersten und der zweiten Tinte während des Druckens abzumildern.
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Die vorliegende Erfindung schafft
einen Tintenstrahlkassettensatz gemäß Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäßen Systeme liefern eine verbesserte
Druckqualität,
im einzelnen ein verringertes Zerfließen; eine verbesserte Kantenschärfe, gleichmäßige Flächenausfüllungen
und Farbqualität,
während
sie die Lichtechtheit maximieren, ohne die Druckzuverlässigkeit
zu opfern. Der Satz von Tintenstrahltinten weist zumindest vier
einzelne Tinten auf, wobei jede Tinte in der Lage ist, mit der anderen
zu interagieren, um ein Zerfließen
zwischen denselben zu verringern.
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Die Verwendung von Pigmenten in den
Tinten liefert Drucke mit einer hervorragenden Lichtechtheit. Das
Schema der Reaktion der Tinten des Tintensatzes untereinander ermöglicht die
Herstellung von Drucken mit einer verbesserten Druckqualität, Zerfließeindämmung, einer
schärferen
Linienkantenschärfe,
einer gleichmäßigen Flächenausfüllung und
einer guten Farbqualität.
Ferner sind Tinten, die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt werden, medienunabhängig (z. B. beschichtetes Papier,
unbeschichtetes Papier, Folie) und weisen ein zuverlässiges Druckverhalten
auf.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Tintenstrahldruckers,
der bei der Praxis der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
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2 ist
eine schematische Zeichnung eines Abschnitts eines Thermotintenstrahldruckers,
der eine Heizeinrichtung verwendet, die die Beziehung des Stiftes
mit seinem Druckkopf zu dem Druckmedium und der Heizeinrichtung
veranschaulicht.
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3 ist
eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Druckkopfes in einem
Tintenstrahlstift, die ein Widerstandselement und seine zugeordnete
Düse veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der vorliegende Tintensatz umfaßt zumindest
vier Tinten, wobei jede der Tinten einen gewissen ionischen Charakter
aufweist. Jede der Tinten weist folgende Merkmale auf: ein wäßriges Bindemittel;
zumindest ein Farbmittel, das ein Pigment oder ein Farbstoff oder
eine Kombination derselben sein kann, vorausgesetzt, daß die Ladungscharakteristika
mit dem Rest der Tintenkomponenten kompatibel sind; und ein ionisches
Polymer, das dieselbe ionische Charakteristik aufweist wie die Tinte.
Alle Kombinationen von pigmentierten oder farbstoffbasierten kationischen
und anionischen wäßrigen Tintenstrahltinten
werden als geeignet betrachtet. Das Polymer kann in Form eines Dispersionsmittels
für pigmentierte
Tinten vorliegen oder kann unabhängig von
dem Farbmittel zu der Tinte hinzugegeben werden. Wie bereits angegeben
wurde, weist das Polymer denselben ionischen Charakter auf wie die
Tinte, d. h. kationische Polymere für kationische Tinten und anionische Polymere
für anionische
Tinten. Die Tinten der vorliegenden Erfindung sind ausgelegt, um
miteinander zu interagieren, nachdem sie auf das Druckmedium aufgebracht
wurden.
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Wenn auf den „ionischen Charakter" der Tintenzusammensetzungen
verwiesen wird, ist es in der Technik hinreichend bekannt, daß die Tintenzusammensetzungen
selbst nicht geladen sind; sie sind neutral. Somit bezieht sich
der Begriff „ionischer
Charakter" auf die
Ladung, die durch die wichtigsten funktionalen Komponenten der Tintenzusammensetzung
in ihrer ionischen Form getragen wird. Derartige Komponenten sind
in der Regel mit einem Gegenion neutralisiert, um die Tinte neutral
zu machen. In der Technik ist allgemein bekannt, daß kationische
Tinten kationische Komponenten enthalten und daß anionische Tinten anionische Komponenten
enthalten.
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Gemäß seiner Verwendung in der
vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „Pigment" auf ein Farbmittel, das in dem wäßrigen Bindemittel
unlöslich
ist und dispergierte Farbstoffe umfaßt.
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Alle hierin angegebenen Konzentrationen
lauten auf Gewichtsprozent, wenn nichts anderes angegeben ist. Die
Reinheit aller Komponenten ist diejenige, die bei der normalen handelsüblichen
Praxis für
Tintenstrahltinten verwendet wird. Nun werden die Tinten und ihre
Komponenten im folgenden ausführlich
beschrieben.
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TINTENZUSAMMENSETZUNG
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Der Tintensatz der vorliegenden Erfindung
weist folgende Merkmale auf:
eine erste, anionische Tinte,
die folgende Merkmale aufweist:
ein wäßriges Bindemittel,
zumindest
ein erstes Farbmittel und
ein erstes anionisches Polymer;
eine
zweite, anionische Tinte, die folgende Merkmale aufweist:
ein
wäßriges Bindemittel,
zumindest
ein zweites Farbmittel,
ein zweites anionisches Polymer; und
einen
Säurezusatzstoff,
der ein pKa bis zu dem pKa des zumindest ersten anionischen Polymers
der ersten Tinte aufweist;
eine dritte, kationische Tinte,
die folgende Merkmale aufweist:
ein wäßriges Bindemittel,
zumindest
ein drittes Farbmittel,
ein kationisches Polymer und
einen
pH-Wert im Bereich von 2 bis 5; und
eine vierte, anionische
Tinte, die folgende Merkmale aufweist:
ein wäßriges Bindemittel,
zumindest
einen anionischen Farbstoff, und
ein Fällungsmittel.
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Vorzugsweise weist das zumindest
eine erste, anionische Polymer zumindest eine Gruppe aus neutralisierter
Carbonsäure
auf; und das zumindest eine zweite, anionische Polymer weist zumindest
eine Sulfonat- oder Phosphonatgruppe auf.
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Stärker bevorzugt weisen die Tinten
die folgenden Eigenschaften auf:
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Die erste Tinte weist ein wäßriges Bindemittel,
ein Pigment und ein polymeres Dispersionsmittel auf, das zumindest
eine Gruppe aus neutralisierter Carbonsäure aufweist.
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Die zweite Tinte weist ein wäßriges Bindemittel,
ein Pigment, ein polymeres Dispersionsmittel, das zumindest eine
Sulfonat- oder Phosphonatgruppe aufweist, und einen Carbonsäurezusatz,
der ein pKa von bis zu etwa 3,5 aufweist, in einer Menge auf, die
ausreichend ist, um die Ausfällung
des Farbmittels in der ersten Tinte hervorzurufen.
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Die dritte Tinte weist ein wäßriges Bindemittel;
ein Pigment; ein kationisches polymeres Dispersionsmittel; und einen
pH-Wert im Bereich von 2 bis 5 und stärker bevorzugt von 2,5 bis
4 auf.
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Die vierte Tinte weist ein wäßriges Bindemittel,
einen anionischen wasserbasierten Farbstoff, ein Fällungsmittel
und optional einen Carbonsäurezusatz
auf. Der optionale Carbonsäurezusatz
weist ein pKa von bis zu etwa 3,5 in einer Menge auf, die ausreichend
ist, um einen Tinten-pH-Wert im Bereich von 2,7 bis 4 zu liefern.
Vorzugsweise liegt der Carbonsäurezusatz
in einer menge vor, die ausreichend ist, um einen TintenpH-Wert
im Bereich von 2,5 bis 7 und am stärksten bevorzugt von 2,9 bis
3,5 zu liefern.
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Die Tinten können ferner weitere Zusatzstoffe
aufweisen, die auf dem Gebiet des Tintenstrahldruckens bekannt sind.
Derartige weitere Zusatzstoffe umfassen Biozide, Tenside und Hilfslösungsmittel,
sind aber nicht auf dieselben beschränkt.
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Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel,
wenn schwarze, magentafarbene, gelbe und cyanfarbene Tinten gemäß der ersten
bis vierten Tinte hergestellt werden, kann die folgende Beziehung
zwischen den Tinten existieren. Es ist jedoch zu beachten, daß die Erfindung
nicht durch die beschriebene Beziehung eingeschränkt ist und die Erfindung lediglich
durch die Patentansprüche
eingeschränkt
ist:
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Kohlenschwarz-Pigment wird als das
Farbmittel in der ersten Tinte verwendet. Das Kohlenschwarz-Pigment
in der ersten Tinte, Schwarz (K), wird durch ein carboxyliertes
polymeres Dispersionsmittel (anionisch) stabilisiert, und die Tinte
weist einen pH-Wert von etwa 8 auf.
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Das Magenta-Pigment in der zweiten
Tinte, Magenta (M), wird durch ein sulfoniertes oder phosphoniertes
polymeres Dispersionsmittel (anionisch) stabilisiert. Die magentafarbene
Tinte weist einen Carbonsäurezusatz
und einen pH-Wert von etwa 3 auf.
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Das Gelb-Pigment in der dritten Tinte,
Gelb (Y), wird durch ein kationisches polymeres Dispersionsmittel
stabilisiert, und die Tinte weist einen pH-Wert von etwa 3 auf.
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Das Cyan-Farbmittel in der vierten
Tinte, Cyan (C), ist ein anionischer wasserlöslicher Farbstoff. Die cyanfarbene
Tinte enthält
ferner ein Fällungsmittel,
hier ein mehrwertiges Metallsalz, und optional einen Carbonsäurezusatz.
Die Tinte weist einen pH-Wert von etwa 3 auf.
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Die Reaktion zwischen der schwarzen
und der magentafarbenen Tinte wird durch die Differenz des pH-Werts
zwischen den beiden Tinten und die überschüssigen Wasserstoffionen von
der magentafarbenen Tinte bewirkt. Die schwarze Tinte und die gelbe
Tinte reagieren aufgrund der entgegengesetzten Ladung zwischen den
Dispersionsmitteln für
die Schwarz- und die Gelb-Pigmente. Die schwarze Tinte und die cyanfarbene
Tinte reagieren aufgrund der Ausfällung des dispergierten Schwarz-Pigments
durch die mehrwertigen Metallionen (Fällungsmittel). Ferner, wenn
die vierte Tinte (z. B. Cyan) die optionale Säure enthält, verstärkt der Unterschied des pH-Werts
zwischen der cyanfarbenen und der schwarzen Tinte ferner die Ausfällung des Farbmittels
in der schwarzen Tinte.
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Die Reaktion zwischen der magentafarbenen
und der gelben Tinte wird durch die entgegengesetzte Ladung zwischen
den Dispersionsmitteln für
die Magenta- und die Gelb-Pigmente bewirkt. Die magentafarbene und
die cyanfarbene Tinte reagieren aufgrund des mehrwertigen Metalls,
das das dispergierte Magenta-Pigment ausfällt.
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Schließlich reagieren die gelbe Tinte
und die cyanfarbene Tinte aufgrund der entgegengesetzten Ladung
zwischen dem dispergierten Gelb-Pigment und dem cyanfarbenen Farbstoff.
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SUBSTRATE
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Substrate, die beim Praktizieren
dieser Erfindung ausgewählt
werden können,
umfassen alle diejenigen, die üblicherweise
beim Erzeugen von bedruckten Elementen verwendet werden. Für Tintenstrahltintenanwendungen
können
vorteilhafterweise Substrate vom Zellulose- und Nicht-Zellulose-Typ verwendet werden, wobei
die Substrate vom Zellulosetyp, beispielsweise Papier, bevorzugt
sind. Im Falle einer Leimung kann der Umfang des Leimens für das Substrat
von 1 Sekunde bis 1.000 Sekunden betragen, wie durch den Hercules-Leimungstest
(HST) gemessen wird, wie bei TAPPI-Standards T530 PM-83 beschrieben ist.
Das Substrat ist so gewählt,
daß sein
HST-Wert mit dem Volumen und der Zusammensetzung des Tintentropfens
in dem zu verwendenden Drukker kompatibel ist. Der bevorzugte HST
liegt im Bereich von 200 bis 500 Sekunden, am stärksten bevorzugt 350 bis 400
Sekunden. Manche brauchbaren Papiere umfassen 100% gebleichtes Kraftpapier,
das aus einer Mischung aus Hart- und Weichholz besteht, 100% holzfreies
Baumwollvelin und holzhaltiges Papier, das entweder durch Zellstoffmahlen oder
mit Zusatzstoffen lichtdurchlässig
gemacht wurde. Ein bevorzugtes Papier ist Gilbert-Bond-Papier (25%
Baumwolle), bezeichneter Stil 1.057, von Mead Company, Dayton, Ohio,
hergestellt. Andere Substrate umfassen Karton, Transparentfolien
wie beispielsweise Polyethylenterephthalat, Stoffe usw.
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WÄSSRIGES
TRÄGERMEDIUM
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Das wäßrige Trägermedium ist Wasser oder ein
Gemisch aus Wasser und zumindest einem wasserlöslichen organischen Lösungsmittel.
Die Auswahl eines geeigneten Gemischs hängt von Anforderungen der spezifischen
Anwendung, beispielsweise der gewünschten Oberflächenspannung
und Viskosität,
dem ausgewählten
Farbmittel, der Trocknungszeit der Tinte und der Art des Substrats,
auf das die Tinte gedruckt wird, ab. Repräsentative wasserlösliche organische
Lösungsmittel,
die ausgewählt
werden können,
sind in der U.S.-Patentschrift Nr. 5,085,698 offenbart. Ein Gemisch
aus Wasser und einem mehrwertigen Alkohol, beispielsweise Diethylenglycol,
ist als das wäßrige Trägermedium
bevorzugt.
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Im Fall eines Gemischs aus Wasser
und einem wasserlöslichen
Lösungsmittel
enthält
Glas wäßrige Trägermedium
in der Regel von etwa 30% bis etwa 95% Wasser, wobei der Rest (d.
h. 70 bis 5%) das wasserlösliche
Lösungsmittel
ist. Die bevorzugten Zusammensetzungen sind zu etwa 60% bis etwa
95 Wasser, bezogen auf das Gesamtgewicht des wäßrigen Trägermediums.
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Die Menge an wäßrigem Trägermedium in der Tinte liegt
im Bereich von etwa 70 bis 99,8%, vorzugsweise ungefähr 94 bis
99,8%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Tinte, wenn ein organisches
Pigment. ausgewählt
ist; etwa 25 bis 99,8%, vorzugsweise etwa 70 bis 99,8%, wenn ein
anorganisches Pigment ausgewählt ist;
und 80 bis 99,8%, wenn ein Farbstoff ausgewählt ist.
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FARBMITTEL
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Pigment
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Gemäß seiner Verwendung hierin
bezieht sich der Begriff „Pigment" auf ein Farbmittel,
das in dem wäßrigen Bindemittel
unlöslich
ist, und umfaßt
dispergierte Farbstoffe. Eine breite Vielfalt an organischen und anorganischen
Pigmenten kann allein oder in Kombination ausgewählt werden, um die Tinte herzustellen,
wobei Beispiele derselben in der U.S.-Patentschrift Nr. 5,085,698 offenbart
sind. Der Begriff „Pigment" bedeutet gemäß seiner
Verwendung in dem vorliegenden Dokument ein unlösliches Farbmittel. Die Pigmentpartikel
sind ausreichend klein, um einen freien Fluß der Tinte durch die Tintenstrahldruckvorrichtung
zu ermöglichen,
vor allem an den Ausstoßdüsen, die
in der Regel einen Durchmesser zwischen 10 Mikrometer und 50 Mikrometer aufweisen.
Die Partikelgröße hat ferner
einen Einfluß auf
die Pigmentdispersionsstabilität,
die während
der gesamten Lebensdauer der Tinte kritisch ist. Eine Brownsche
Bewegung von winzigen Partikeln trägt dazu bei, eine Ausflockung
der Partikel zu verhindern. Es ist ferner wünschenswert, zum Zweck einer
maximalen Farbstärke
und eines maximalen Glanzes kleine Partikel zu verwenden. Die Palette
brauchbarer Partikelgrößen beträgt etwa
0,005 Mikrometer bis 15 Mikrometer. Vorzugsweise sollte die Pigmentpartikelgröße zwischen
0,005 und 5 Mikrometer, stärker
bevorzugt zwischen 0,005 und 1 Mikrometer und am stärksten bevorzugt
zwischen 0,005 und 0,3 Mikrometer betragen.
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Dispergierter Farbstoff:
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Die Farbe und Menge an dispergiertem
Farbstoff, der in der Tinte verwendet wird, ist zum großen Teil eine
Angelegenheit der Wahl und hängt
vorwiegend von der gewünschten
Farbe des Druckes, der Reinheit des Farbstoffes und seiner Stärke ab.
Der dispergierte Farbstoff kann in einer Menge von etwa 0,1 bis
etwa 20 Gewichtsprozent, vorzugsweise von etwa 0,05 bis etwa 8 Gewichtsprozent,
stärker
bevorzugt von etwa 1 bis etwa 5 Gewichtsprozent, bezogen auf das
Gesamtgewicht der Tinte, vorliegen. Repräsentative dispergierte Farbstoffe,
die bei dieser Erfindung nützlich
sein können,
sind in den U.S.-Patentschriften 5,053,494; 5,203,912 und 5,102,448
offenbart.
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Wasserlösliche Farbstoffe
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In Abhängigkeit von der ionischen
Ladung der Tinte können
kationische oder anionische Farbstoffe zur Verwendung bei der vorliegenden
Erfindung ausgewählt
werden. Die kationischen Farbstoffe liefern gefärbte Kationen in wäßriger Lösung. Arten
von kationischen Farbstoffen, die ausgewählt werden können, umfassen die
basischen Farbstoffe und manche der Beizenfarbstoffe, die ausgelegt
sind, um Säurezentren
auf Substraten, beispieslsweise Fasern, zu binden. Kationische Farbstoffe,
die vorteilhafterweise verwendet werden können, umfassen Azoverbindungen,
Diphenylmethanverbindungen, Triarylmethanverbindungen, Xanthenverbindungen,
Akridinverbindungen, Chinolinverbindungen, Methinverbindungen, Polymethinverbindungen,
Thiazole, Indamine, Indophenole, Azinverbindungen, Oxazinverbindungen
und Thiazinverbindungen. Der ausgewählte kationische Farbstoff
muß in
dem wäßrigen Trägermedium
eine ausreichende Löslichkeit
aufweisen, um die gewünschte
Farbintensität
zu erzeugen und eine Leistungsfähigkeit
des Druckkopfes zu vermeiden. Beispiele von kationischen wasserlöslichen
Farbstoffen umfassen: CI: Basic Violet 10, Basic Violet 11,
Basic Violet 14, Basic Blue 3, Basic Blue 7,
Basic Blue 9, Basic Yellow 11, Basic Yellow 28,
Basic Yellow 37 und Basic Black 1, sind aber nicht
auf dieselben beschränkt.
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Anionische Farbstoffe ergeben gefärbte Anionen
in wäßriger Lösung. Typen
von anionischen Farbstoffen, die üblicherweise bei wäßrigen Tintenstrahltinten
verwendet werden, sind die Säure-,
Direkt-, Lebensmittel-, Beizen- und Reaktivfarbstoffe. Repräsentative
anionische Farbstoffe, die vorteilhafterweise verwendet werden können, umfassen
Nitrosoverbindungen, Nitroverbindungen, Azoverbindungen, Stilbenverbindungen, Triarylmethanverbindungen,
Xanthenverbindungen, Chinolinverbindungen, Thiazolverbindungen,
Azinverbindungen, Oxazinverbindungen, Thiazinverbindungen, Aminoketonverbindungen,
Anthrachinonverbindungen, Indigoverbindungen und Phthalocyaninverbindungen.
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Beispiele von anionischen wasserlöslichen
Farbstoffen umfassen C.I. Food Black 2, C.I. Direct Black 168 und
C.I. Direct Black 22, C.I. Acid Red 18, C.I. Acid Red 27, C.I. Acid
Red 52, C.I. Acic. Red 289, C.I. Acid Yellow 23 und C.I. Direct
Blue 199, C.I. Acid Blue 9, Direct Blue 169 und ihre einwertigen
Alkaliionen, beispielsweise Na+, Li+, Cs+; und ihr NH + / 4,
TMA (Tetramethylammonium) und substituierte Ammoniumsalze, sind
jedoch nicht auf diese beschränkt.
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Wenn der wasserlösliche Farbstoff alleine oder
in Kombination mit dem Pigment in der Tinte vorliegt, kann er in
einer Menge von etwa 0,05 bis etwa 20 Gewichtsprozent, vorzugsweise
von etwa 0,1 bis etwa 8 Gewichtsprozent und stärker bevorzugt von etwa 0,5
bis etwa 5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Tinte,
vorliegen.
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POLYMER
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Das Polymer kann für pigmentierte
Tinten in Form eines Dispersionsmittels vorliegen oder kann unabhängig von
dem Farbmittel zu der Tinte hinzugefügt werden, oder beides. Wie
bereits angemerkt wurde, weist das Polymer denselben ionischen Charakter
auf wie die Tinte, d. h. kationische Polymere für kationische Tinten und anionische
Polymere für
anionische Tinten.
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Polymere, die sich zur Verwendung
bei dieser Erfindung eignen, können
Homopolymere, Copolymere, Blockpolymere (beispielsweise AB-, BAB-
oder ABC-Blockpolymere) oder verzweigte oder Pfropfpolymere sein,
beispielsweise diejenigen, die in der U.S.-Patentschrift 5,555,008
und in der U.S.-Patentschrift Nr. 5,085,698, die beide durch Bezugnahme
in das vorliegende Dokument aufgenommen sind, beschrieben sind. Polymere,
die als polymere Dispersionsmittel besonders nützlich sind, umfassen AB-,
BAB- oder ABC-Blockcopolymere
oder Ax(BA)yBz-Pfropfcopolymere, wobei x von 0 bis etwa
10.000, y von etwa 2 bis etwa 10.000 und z von 0 bis etwa 10.000
betragen. Bei AB- oder BAB-Blockcopolymeren ist das A-Segment ein
hydrophobes Homopolymer oder Copolymer, das dazu dient, sich mit
dem Pigment zu verbinden, und der B-Block ist ein hydrophiles Homopolymer
oder Copolymer oder ein Salz derselben, das dazu dient, das Pigment
in dem wäßrigen Bindemittel
zu dispergieren. ABC-Dreiblöcke
sind ebenfalls als Pigmentdispersionsmittel brauchbar. Bei dem ABC-Dreiblock
ist der A-Block ein mit Wasser kompatibles Polymer, ist der B-Block
ein Polymer, das in der Lage ist, sich an das Pigment zu binden,
und ist der C-Block mit dem organischen Lösungsmittel kompatibel. Der
A- und der C-Block
sind Endblöcke.
ABC-Dreiblöcke
und ihre Synthese sind in der europäischen Patentanmeldung 0 556
649 Al, die am 28. August 1993 veröffentlicht wurde, offenbart.
Bei Ax(BA)yBz-Pfropfcopolymeren sind die A-Segmente hydrophobe
Homopolymere oder Copolymere, die dazu dienen, das Pigment in dem
wäßrigen Bindemittel
zu binden. Eine Synthese von propfenstrukturierten Copolymeren ist
in der U.S.-Patentschrift
5,006,582 offenbart. Obwohl beliebige Copolymere als Dispersionsmittel
verwendet werden können,
sind sie bezüglich
eines Stabilisierens von Pigmentdispersionen nicht so effektiv wie
die Blockpolymere.
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Die Menge an Polymer und die Auswahl
des Gegenions hängt
von der gewünschten
Struktur, dem Molekulargewicht und anderen Eigenschaften des Polymers
sowie von den anderen Komponenten der Tintenzusammensetzung ab.
Brauchbare Poly mere weisen einen Zahlenmittelwert des Molekulargewichts
von unter 20.000, vorzugsweise unter 10.000 und üblicherweise im Bereich von
1.000 bis 6.000 auf. Bevorzugte Blockpolymere weisen einen Zahlenmittelwert
des Molekulargewichts im Bereich von 500 bis 3.000 für jeden
Block auf.
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Im allgemeinen liegt das Polymer
in farbstoffbasierten Tinten in einer Menge im Bereich von etwa
0,05 bis 25 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der gesamten
Tintenzusammensetzung, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,1 bis
10 Gewichtsprozent vor. Falls das (entweder anionische oder kationische)
Polymer als Dispersionsmittel für
das Pigment verwendet wird, kann es in einer Menge im Bereich von
0,1 bis etwa 30, vorzugsweise 0,1 bis etwa 12 Gewichtsprozent, bezogen
auf das Gesamtgewicht der Tintenzusammensetzung, vorliegen. Falls
die Menge an Polymer zu hoch wird, wird die Tintenfarbdichte inakzeptabel,
und es wird schwierig, eine gewünschte
Tintenviskosität
aufrechtzuerhalten. Falls zu wenig Polymer vorhanden ist, wird die Dispersionsstabilität vier Pigmentpartikel
nachteilig beeinflußt.
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Vorzugsweise, wenn das Farbmittel
der Wahl ein Pigment ist, beträgt
das Verhältnis
von Pigment zu Dispersionsmittel (auf das Gewicht bezogen) für das carbonsäuregruppenhaltige
polymere Dispersionsmittel, das sulfonsäure- oder phosphonsäuregruppenhaltige
Dispersionsmittel und das kationische polymere Dispersionsmittel:
vorzugsweise von etwa 0,7 bis etwa 3,2, von etwa 0,7 bis etwa 2,0,
von etwa 0,7 bis etwa 2,0; stärker
bevorzugt von etwa 1,5 bis etwa 2,8, von etwa 1,0 bis etwa 1,8,
von etwa 1,0 bis etwa 1,8; und am stärksten bevorzugt von etwa 1,8
bis etwa 2,4, von etwa 1,2 bis etwa 1,5 bzw. von etwa 1,2 bis etwa
1,5.
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Anionisches
Polymer
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Manche Beispiele von hydrophoben
Monomeren, die bei polymeren Dispersionsmitteln verwendet werden,
sind Methylmetha crylat, n-Butylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat,
Benzylmethacrylat, 2-Phenylethylmethacrylat und die entsprechenden
Acrylate. Manche Beispiele von hydrophilen Monomeren, die neutralisierte:
Carbonsäure
enthalten, die und beim Herstellen von Dispersionsmitteln für die erste
Tinte nützlich
ist, sind Methacrylsäure
und Acrylsäure.
Manche Beispiele von hydrophilen Monomeren, die Sulfonat- oder Phosphonatgruppen
enthielten, die beim Herstellen der Dispersionsmittel für die zweite
Tinte nützlich
sind, sind 2-Aminomethylpropansulfonsäure (AMPS),
Styrensulfonsäure,
Styrensulfonat, Sulfopropylacrylat, Sulfopropyl[meth]acrylat und
Vinylphosphonsäure.
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Die carbonsäuregruppenhaltigen polymeren
Dispersionsmittel in der ersten Tinte können neutralisiert sein, wie
dies in der U.S.-Patentschrift 5,085,698 offenbart ist. Vorzugsweise
wird das polymere Dispersionsmittel in der ersten Tinte mit Dimethylethanolamin,
Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid neutralisiert.
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Die Sulfonsäure- oder Phosphonsäuregruppen
in dem Dispersionsmittel in der zweiten Tinte können mit organischen Basen
wie beispielsweise Mono-, Di- und Trimethylamin, Morpholin; n-Methylmorpholin,
Aminomethylpropanol; Alkoholaminen wie beispielsweise Dimethylethanolamin
(DMEA), Methyldiethanolamin, Mono-, Di- und Trimethanolamin; Pyridin;
Ammoniumhydroxid; Tetraalkylammoniumsalzen wie beispielsweise Tetramethylammoniumhydroxid,
Tetraethylammoniumhydroxid; und den Oxiden von Alkalimetallen, beispielsweise
Lithium, Natrium, Kalium, Cäsium,
Rubidium und dergleichen, neutralisiert werden. Bevorzugte Neutralisierungsmittel
umfassen Dimethylethanolamin, Diethylethanolamin, Aminomethylpropanol,
Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid.
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Kationisches
Polymer
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Kationische Polymere, die für eine Verwendung
bei dieser Erfindung besonders geeignet sind, weisen eine Hauptkette
auf, die aus ethylenisch ungesättigten
Einheiten herge stellt ist und die zumindest einen, und vorzugsweise
mehr als drei, angehängte
ionische Anteile aufweist, die von einer kationischen Einheit an
dem Monomer abgeleitet sind und die allgemeine Formel
aufweisen,
wobei A gleich
N, P und S ist; R
1, R
2 und
R
3 unabhängig
voneinander H, Alkyl oder Alkylether von 1–20 Kohlenstoffatomen oder
Aryl oder Alkylaryl mit 1–9
Kohlenstoffatomen sind, unter der Voraussetzung, daß R
3 nicht vorliegt, wenn A gleich S ist; und
wobei X ein Anion ist, aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Halogeniden, korrespondierenden
Basen organischer Säuren
und korrespondierenden Basen anorganischer Säuren besteht. Die Anzahl von
angehängten
ionischen Anteilen sollte ausreichend sein, um die Salzform des
kationischen Polymers in dem wäßrigen Trägermedium
löslich
zu machen. Sie variiert in Abhängigkeit
von dem Molekulargewicht des Polymers. Das kationische Polymer kann
ferner nichtionische ethylenisch ungesättigte Monomere enthalten.
Die kationischen Polymere sind in der U.S.-Patentschrift 5,555,008 näher beschrieben.
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Bevorzugte kationische Polymere sind
die Phosphat- und Tetraalkylammoniumsalze von Homopolymeren oder
Copolymeren von Dialkylaminoethylmethacrylat, wobei Alkyl Methyl
bis Butyl ist. Ein besonders nützliches
kationisches Polymer ist ein AB-Blockpolymer, wobei ein A-Block
aus Homopolymeren oder Copolymeren von Methylmethacrylat (MMA) und
Butylmethacrylat (BMA) hergestellt ist und ein B-Block aus Homopolymeren
oder Copolymeren von Dimethylaminoethylmethacrylat (DMAEMA) oder
Diethylaminoethylmethacrylat hergestellt ist. Blockpolymere von
MMA//MMA/DMAEMA (10//5/7,5) und BMA//DMAEMA (10//10) sind besonders
bevorzugt, wobei ein doppelter Schrägstrich eine Trennung zwischen
Blöcken
angibt, ein einzelner Schrägstrich
ein statistisches Copolymer angibt und die numerischen Werte den
Polymerisationsgrad jedes Monomers angeben.
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SÄUREZUSATZ
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Wenn die Verwendung eines pH-Wert-sensiblen
Zerfließeindämmungsmechanismus
erwünscht
ist, kann in den Tinten eine Säure
in einer ausreichenden Konzentration verwendet werden, um zu ermöglichen, daß der pH-sensible
Zerfließeindämmungsmechanismus
effektiv ist.
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Der Säurezusatz liegt in der Tinte
vor, die das Dispersionsmittel enthält, das die Sulfonat- oder
Phosphonatgruppen aufweist (d. h. zweite Tinte). Der Säurezusatz
ist optional ferner in der vierten Tinte, die das anionische Farbmittel
enthält,
vorhanden.
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Der Carbonsäurezusatz ist in der zweiten
Tinte in einer Menge vorhanden, die ausreichend ist, um die Ausfällung des
Farbmittels in der ersten Tinte zu liefern. Der Säurezusatz
liegt in der Menge von etwa 0,2 bis etwa 30%, vorzugsweise etwa
0,5 bis etwa 5%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Tintenkomponenten,
vor.
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Der Säurezusatz liegt in der vierten
Tinte optional in einer Menge von 0 bis etwa 20%, vorzugsweise von
etwa 0,2 bis etwa 8% und am stärksten
bevorzugt von etwa 0,5 bis etwa 5%, bezogen auf das Gesamtgewicht
der Tintenkomponenten, vor. Wenn der Carbonsäurezusatz in der vierten Tinte
vorliegt, liegt er in einer Menge vor, die ausreichend ist, um eine
Tinte zu liefern, die einen pH-Wert im Bereich von etwa 2,7 bis
etwa 7, stärker
bevorzugt von etwa 2,7 bis etwa 4 und am stärksten bevorzugt von etwa 2,9
bis etwa 3,5 aufweist.
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Die organischen Säuren, die geeigneterweise bei
den vorliegenden Tintenstrahltintenzusammensetzungen eingesetzt
werden, umfassen beliebige von oder ein Gemisch aus zwei oder mehreren
organischen Säuren,
von derartigen Verbindungen, beispielsweise, aber nicht ausschließlich, mono-,
diund polyfunktionalen organischen Säuren. Im allgemeinen wird damit
gerechnet, daß eine
beliebige lösliche
organische Säure, die
ein pKa aufweist, der gleich demjenigen des in Frage stehenden pH-sensiblen
Farbmittels ist oder geringer ist als derselbe, geeignetermaßen verwendet
werden kann. Vorzugsweise weist die Säure ein pKa von bis zu etwa
3,5 und stärker
bevorzugt bis zu etwa 2,5 auf. Vorzugsweise wird eine der folgenden
Klassen von organischen Säuren
verwendet: Polyacryl-, Essig-, Glykol-, Malon-, Apfel-, Malein-,
Ascorbin-, Bernstein-, Glutar-, Fumar-, Zitronen-, Wein-, Milch-,
Bromessig-, Chloressig-, Chlorpropion-, Phthal-, Sulfon- und Orthophosphorsäure und
Derivaten derselben. Die Komponente der organischen Säure kann
ferner Gemische aus entsprechenden organischen Säuren umfassen. Die jeweilige
verwendete Säure
hängt von
den jeweiligen Tintenformulierungen ab. Glykol-, Bernstein- und
Zitronensäure
sind allgemein bevorzugt, obwohl bei der Praxis der Erfindung beliebige
der anderen organischen Säuren
ebenfalls auf geeignete Weise verwendet werden können.
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FÄLLUNGSMITTEL
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Fällungsmittel
liegen in der vierten Tinte vor. Die Bildung eines Niederschlags
wird durch die Interaktion zwischen dem Fällungsmittel und der Carboxylgruppe
des Dispersionsmittels in der ersten Tinte und der Sulfonyl- und/oder
Phosphonylgruppe des Dispersionsmittels in der zweiten Tinte erleichtert.
Die Bildung eines Niederschlags verhindert die Migration des Färbemittels
von der ersten und/oder der zweiten Tinte in den durch die vierte
Tinte erzeugten benachbarten Druckbereich. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
besteht das Fällungsmittel
aus einem mehrwertigen Metallsalz. Beispielhafte mehrwertige Metallkationen,
die sich für
eine Verwendung in dem mehrwertigen Metallsalz eignen, umfassen
die nachstehend in Tabelle 1 aufgeführten folgenden Kationen:
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Bevorzugte Metallkationen, die sich
zur Verwendung bei dem mehrwertigen Metallsalz: eignen, umfassen
Zn+2, Mg+2, Ca+2, Cu+2 Co+2 Ni+2 Fe+2, Nd+3 Y+3 und Al+3, sind
aber nicht auf diese beschränkt.
Beispielhafte Anionen, die mit diesen Kationen gekoppelt werden
können,
umfassen NO / 3, F–, CI–,
Br–,
I–,
CH3COO– und SO 2 / 4 , sind aber
nicht auf diese beschränkt.
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Vorzugsweise umfaßt die vierte Tintenzusammensetzung
von etwa 1 bis etwa 15 Gewichtsprozent mehrwertiges Metallsalz,
und am stärksten
bevorzugt von etwa 0,5 bis etwa 5 Gewichtsprozent.
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WEITERE ZUSATZSTOFFE
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In Übereinstimmung mit den Anforderungen
für diese
Erfindung können
verschiedene Arten von Zusatzstoffen in der Tinte verwendet werden,
um die Eigenschaften der Tintenzu sammensetzung für spezifische Anwendungen zu
optimieren. Beispielsweise können,
wie Fachleuten hinreichend bekannt ist, ein oder mehrere Biozide,
Fungizide und/oder Schleimverhütungsmittel
(mikrobielle Substanzen) in der Tintenzusammensetzung verwendet
werden, wie in der Technik übliche
Praxis ist. Beispiele von geeignetermaßen eingesetzten mikrobiellen
Substanzen umfassen NUOSEPT (Nudex, Inc.), UCARCIDE (Union Carbide),
VANCIDE (RT Vanderbilt Co.) und PROXEL (ICI America), sind aber
nicht auf diese beschränkt.
Es können
auch anionische, nicht-ionische oder amphotere Tenside verwendet
werden. Eine ausführliche
Liste nichtpolymerer Tenside sowie mancher polymerer Tenside findet
sich auf Seiten 110–129
bei 1990 McCutcheon's
Functional Materials, North American Edition, Manufacturing Confection
Publishing Co., Glen Rock, N. J. Die Auswahl eines spezifischen
Tensides hängt
stark von der jeweiligen Tintenzusammensetzung und dem Typ von Mediensubstrat, auf
das gedruckt werden soll, ab. Hilfslösungsmittel können enthalten
sein, um ein Eindringen von Tinte in das Drucksubstrat und/oder
die Leistungsfähigkeit
der Tintenstrahldruckkassette (des Tintenstrahldruckkassettenstifts)
zu verbessern. Derartige Hilfslösungsmittel
sind in der Technikhinreichend bekannt. Repräsentative Hilfslösungsmittel,
die verwendet werden können,
sind in der U.S.-Patentschrift 5,272,201 beispielhaft veranschaulicht.
Andere bekannte Zusatzstoffe, wie beispielsweise Mittel zur Veränderung
der Viskosität
und andere acrylische oder nicht-acrylische Polymere können hinzugefügt werden,
um verschiedene Eigenschaften der Tintenzusammensetzung nach Wunsch
zu verbessern.
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DRUCKSYSTEM
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Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 ist
in 1 ein Drucker 10 gezeigt,
der ein Papierzufuhrfach 12 zum Speichern eines Vorrats
an Papier oder eines anderen Druckmediums 14, auf das gedruckt
werden soll, ein Papiersammelfach 16 zum Sammeln des Druckerpapiers
sowie eine Mehrzahl von Druck kassetten 18 aufweist. Bei
dem in 1 gezeigten Drucker
sind vier derartige Kassetten bereitgestellt: Schwarz, Magenta, Gelb
und Cyan, die allgemein als KMYC bezeichnet werden, obwohl aus dem
gewählten
Sichtwinkel lediglich drei sichtbar sind. Zusammen liefern diese
vier Farben eine breite Palette an Farben, Farbnuancen und Farbtönen. Fachleute
werden jedoch ohne weiteres erkennen, daß in bestimmten Situationen
Schwarz plus zumindest eine der Farben Magenta, Gelb und Cyan eingesetzt
werden können.
Ferner können
bei bestimmten Druckanwendungen zusätzliche Farbstifte, beispielsweise
Weiß,
eingesetzt werden.
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In der Darstellung ist die Abdeckung 20 des
Druckers 10 angehoben, um die Wartungsstation 22 und die
in derselben gespeicherten vier Kassetten 18 freizulegen.
Andere Merkmale des Druckers 10, beispielsweise der Papierzufuhrmechanismus,
die Druckerelectronik usw., sind nicht gezeigt, da sie auf dem Gebiet
des Tintenstrahldruckens hinreichend bekannt sind; siehe z. B. U.S.-Patentschrift
4,872,026.
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Wenn sie sich nicht in Gebrauch befinden,
oder zum Warten, befinden sich die Druckkassetten 18 in der Wartungsstation,
wobei das Warten ein Auffüllen
des Stiftes, ein Abwischen der Düsenplatte
und/oder ein gleichzeitiges Auswerfen aller Düsen in ein Auswurfbecken zum
Reinigen derselben umfassen kann.
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Die Druckkassetten kennen auf einer
Thermostrahlwirkung beruhen, wobei eine Mehrzahl von Tintenabfeuerungskammern
verwendet wird, die jeweils ein Widerstandselement enthalten, das
auf eine Versorgung mit Energie hin bewirkt, daß sich eine Tintenblase bildet,
die durch eine Düse
auf das Druckmedium ausgeworfen wird. Alternativ dazu kann die Druckkassette
auf einer piezoelektrischen Strahlwirkung beruhen, wobei eine Mehrzahl
von Tintenabfeuerungskammern verwendet wird, die jeweils ein piezoelektrisches
Element enthalten, das auf eine Versorgung mit Energie hin eine
Tintenmenge durch eine Düse
auf das Druckmedium auswirft.
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In der Technik des Tintenstrahldruckens
sind sowohl Thermoals auch piezoelektrische Druckkassetten hinreichend
bekannt. Bei der Praxis der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise
ein Thermotintenstrahldrucker verwendet.
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Bei der Verwendung eines Tintenstrahldruckers
kann die Auflage die Umgebungstemperatur aufweisen, oder die Auflage
kann erwärmt
sein. Eine erwärmte
Auflage in Verbindung mit einem Thermotintenstrahldrucker wurde
in der am 1. Mai 1992 eingereichten Anmeldung Seriennr. 07/876,942
und in der U.S.-Patentschrift 5,479,199 mit dem Titel „Print
Area Radiant Heater For Ink-Jet Printer", die beide an denselben Anmelder der
vorliegenden Erfindung übertragen
wurden, offenbart und beansprucht. Erwärmte Auflagen werden verwendet,
um die auf dem Druckmedium, das Papier, ein Transparent oder ein
anderes geeignetes Material sein kann, schneller trocknen zu lassen.
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2 zeigt
einen Abschnitt des in 1 gezeigten
Tintenstrahldruckers 10, der mit einer erwärmten Auflageeinrichtung
versehen ist. Im einzelnen wird das Druckmedium an der Druckkassette 18,
die ein Tintenreservoir 19 und einen Druckkopf 24 aufweist,
die in wirksamer Verbindung mit dem Druckmedium 14 stehen, vorbeibewegt.
Der Druckkopf 24 richtet eine Druckzone 26 ein.
Wie üblich
ist, wird das Druckmedium 14 in der durch Pfeil A bezeichneten
Richtung entlang einem Papierweg in dem Drucker 10 bewegt,
und der Stift 18 wird orthogoral dazu bewegt. Das Druckmedium 14 wird
durch eine Antriebsrolle 28 auf eine Abschirmung 30 bewegt.
Eine Antriebsplatte 32, die nach der Antriebsrolle 28 und
vor dem Stift 18 positioniert ist, trägt dazu bei, das Druckmedium 14 flach
auf der Abschirmung 30 zu halten. Die Abschirmung 30,
die wie eine Auflage fungiert, ist perforiert, um das Trocknen des
Druckmediums zu ermöglichen,
wie nachstehend ausführlicher
beschrieben wird. Das Druckmedium 14 tritt mittels einer
Austrittsrolle 34 und einer Mehrzahl von Sternrädern 36 aus
der Druckzone 26 aus, um in der Papiersammeleinrichtung,
beispielsweise in dem Fach 16, gesammelt zu werden.
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Die Konfiguration der Kassetten ist
bei der Praxis der vorliegenden Erfindung nicht wichtig und kann zwei,
drei, vier oder mehr separate Kassetten umfassen (wie in 1 gezeigt ist, wo jede Tintenfarbe
in einer unabhängig
austauschbaren Kassette vorliegt), oder sie kann eine Druckkassette
mit zwei, drei, vier oder mehr Tintenreservoiren, wobei jedes Reservoir
eine unterschiedliche Tinte enthält,
umfassen. Gemäß der Verwendung
in diesem Dokument soll der Begriff „Kassette" Situationen abdecken, die folgendes
beinhalten: eine Kassette, die ein oder mehrere Tintenreservoire
aufweist, wobei die mehreren Reservoire separat austauschbar, oder
einstückig
und somit als eine Einheit austauschbar sein können; eine Kassette, die einen
Druckkopf und ein Reservoir (oder mehrere Reservoire) aufweist,
wobei der Druckkopf in das Reservoir (oder die mehreren Reservoire)
integriert ist, und eine Kassette, die einen Druckkopf und ein separat
austauschbares Reservoir (oder mehrere Reservoire) aufweist. In
dem Fall, in dem das eine oder die mehreren Tintenreservoire separat
von dem Druckkopf (nicht mit dem Druckkopf integriert) austauschbar
sind, kann bzw. können
das eine oder die mehreren Reservoire individuell austauschbar sein
oder von einem außeraxialen
Tintenvorrat durch eine Rohrleitung mit Tinte versorgt werden.
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Der Satz von Tintenstrahlkassetten
der vorliegenden Erfindung umfaßt
Tinten gemäß der vorliegenden Erfindung,
wie oben beschrieben wurde. Somit liegt für jede der ersten bis vierten
Tinte eine entsprechende Tintenstrahlkassette vor, die eine der
ersten bis vierten Tinte enthält.
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Eine kürzliche Modifikation bei Thermotintenstrahldruckern
beinhaltet die Verwendung einer Heizeinrichtung, die allgemein bei 38 gezeigt
ist und die in der Nähe
der Druckzone 18 positioniert ist. In 2 ist die Heizeinrichtung 38 so
gezeigt, daß sie
eine Druckerheizvorrichtung 40 und einen Reflektor 42 aufweist,
der dazu dient, die Wärme
auf der Unterseite des Druckmediums 14 durch den Schirm 30 zu
konzentrieren. Fachleute werden jedoch ohne weiteres erkennen, daß die Heizeinrichtung 38 jegliche
der üblichen
Heizquellen, wie beispielsweise Heizelemente, Gebläse und dergleichen,
umfassen dann, und daß die
Praxis der vorliegenden Erfindung nicht in bezug auf die Heizquelle
eingeschränkt
ist. Die vorliegende Erfindung ist auch nicht auf die Plazierung
der Heizquelle 38 beschränkt, die vor der Druckzone 26,
hinter der Druckzone oder in der Druckzone liegen kann oder die
unter dem Druckmedium 14, wie gezeigt ist, oder über demselben
angeordnet sein kann.
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3 zeigt
im Querschnitt einen Abschnitt des Druckkopfs 24, der ein
Substrat 44, eine Barrierenschicht 46 und eine Öffnungs-
bzw. Düsenplatte 48 mit
einer Öffnung
bzw. Düse 50 in
derselben aufweist. Die Düse 50 ist über einem
Thermoelement 52, üblicherweise
einem Widerstandselement bzw. einem Heizwiderstand, positioniert.
In der Praxis weist die Öffnungsplatte 48 eine
Mehrzahl von Düsen 50 in
derselben auf, von denen jede wirksam einem Widerstand 52 zugeordnet
ist, wie hinreichend bekannt ist. Die vorliegende Erfindung ist
nicht auf die bestimmte verwendete Öffnungsplatte 48 beschränkt, die
separat oder in die Barrierenschicht 46 integriert sein
kann. In der Tat kann bei der Praxis der vorliegenden Erfindung
eine beliebige Öffnungsplatte
verwendet werden, die über
dem Thermoelement 52 liegt.
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Im Betrieb füllt Tinte einen Tintenzufuhrkanal 54,
wie durch Pfeil B gezeigt ist; jeder Widerstand wird durch einen
derartigen Kanal versorgt, der durch das Substrat 44, die
Barrierenschicht 46 und die Öffnungsplatte 48 definiert
ist. Jeder Widerstand 52 ist durch eine elektrisch leitfä hige Spur
(nicht gezeigt) mit einer (nicht gezeigten) Stromquelle verbunden,
die unter der Steuerung eines (nicht gezeigten) Mikroprozessors Strompulse
an ausgewählte
Widerstände 52 sendet,
was bewirkt, daß ein
Tintentröpfchen durch
die Düse 50 und,
in einem gewünschten
Muster aus alphanumerischen Schriftzeichen, Graphiken, Flächenausfüllungen und
anderen Druckmustern, auf das Druckmedium 14 ausgeworfen
wird. Die Einzelheiten derartiger Thermotintenstrahldrucker sind
beispielsweise in dem Hewlett-Packard Journal, Bd. 45, Nr. 1 (Feb.
1994), beschrieben.
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Wie weiter in 3 gezeigt ist, strömt die Tinte durch einen Tintenauffüllschlitz 56 nach
oben in den Tintenzufuhrkanal 54 und von dort in die Abfeuerungskammer 58.
Eine Passivierungsschicht 6C liegt über dem Substrat 44 und
dem Widerstand 52. Diese Passivierungsschicht 60 weist üblicherweise
ein Siliziumnitrid/Siliziumkarbid-Material auf, wie hinreichend
bekannt ist. Ferner liegen mehrere andere Schichten in der Dünnfilmkonstruktion
eines Thermotintenstrahldruckkopfs vor; diese sind der Deutlichkeit
halber in der Zeichnung weggelassen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel und gemäß der vorliegenden
Erfindung sind die erste, die zweite und die dritte Tinte pigmentbasiert
und stellen die Farben Schwarz, Magenta und Gelb dar. Die vierte
Tinte ist farbstoffbasiert und liefert die cyanfarbene Tinte.
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BEISPIELE
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TINTEN
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Um die Effektivität der vorliegenden Erfindung
zu demonstrieren, wurden zwei Tintensätze ausgewertet, wobei jeder
Satz eine schwarze, eine magentafarbene, eine gelbe und eine cyanfarbene
Tinte aufwies. Der erste Satz, die Kontrolle, wies handelsübliche Tinten
auf, die Druckkassetten von Hewlett-Packard, Teilenummern 51645A
(Schwarz) und 51641A (Dreikammer-Farbe) zugeordnet sind. Der zweite
Satz wies einen Tintensatz auf, der gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt worden war, wobei jede Tinte ein wäßriges Bindemittel und die
nachfolgend aufgeführten
Zusatzstoffe aufwies:
schwarze Tinte:
Kohlenschwarz-Pigment,
das mit einem neutralisierten carboxylierten Dispersionsmittel mit
einem pH-Wert von etwa 8 dispergiert wurde;
magentafarbene
Tinte:
Pigment Red 122 (PR122), das von Sun Chemical erhältlich ist;
das Pigment wurde mit einem neutralisierten sulfonierten Dispersionsmittel
AMPS/MA//g-BzMA/ET 25/45//g-18/12 (// trennt die Hauptkette von
der angehängten
Gruppe) dispergiert; Glycolsäure,
und ein Tinten-pH-Wert von etwa 3; und Farbstoff Acid Red 52; gelbe
Tinte: Yellow Pigment 17 (PY17), das von Sun Chemical erhältlich ist;
das Pigment wurde mit einem kationischen Dispersionsmittel BzMA//DMAEMA/ETEGMA
10//20/3 dispergiert und mit HP3O4 neutralisiert, mit einem Tinten-pH-Wert
von etwa 3; cyanfarbene Tinte: Farbstoffe Direct Blue 199 (anionischer
Farbstoff) und Acid Blue 9, die TMA (Tetramethylammonium), Mg(NO3)2 zugeordnet sind,
und Glycolsäure,
mit einem pH-Wert von etwa 3.
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Das wäßrige Bindemittel wies Wasser
und wasserlösliche
organische Lösungsmittel
sowie andere Zusatzstoffe auf, die üblicherweise beim Formulieren
von Tintenstrahltinten verwendet werden.
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AUSWERTUNG
DES ZERFLIESSENS
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Ein Zerfließen von Farbe zu Farbe und
Schwarz zu Farbe wurde durch ein Drucken von Blöcken unterschiedlicher Farben,
die auf fünf
unterschiedlichen Marken von einfachem Papier zueinander benachbart waren,
ausgewertet, indem ein DeskJet-Drucker von Hewlett-Packard und Druckkassetten,
die ähnliche
Tropfenvolumen aufwiesen, verwendet wurden. Die gedruckten Proben
wurden danach in bezug auf ein Zerfließen von einem Block, der mit
einer Tinte bedruckt war, in den benachbarten Block, der mit einer
anderen Tintenfarbe bedruckt war, visuell ausgewertet. Für jede gegebene
Tintenfarbe (z. B. Schwarz (K), Cyan (C), Magenta (M), Gelb (Y),
Rot (R), Grün
(G) und Blau (B)) wurde eine Gesamtpunktzahl erhalten, indem die
einzelnen Punktzahlen für
diese Tinte zusammengezählt
wurden, und die Daten sind in Tabelle 2 gezeigt. Niedrigere Punktzahlen
stehen für
ein geringeres Zerfließen
und sind somit wünschenswerter.
Ferner wurde eine weitere Gesamtpunktzahl für das Verhalten jeder Tinte
auf allen Papiertypen erhalten, indem die Gesamtpunktzahl für jede Tinte
auf allen fünf
Papiersorten zusammengezählt
wurde, und die Daten sind in Tabelle 3 gezeigt. Beispielsweise beschreibt
die nachstehende Tabelle 2 das Zerfließverhalten für die Tintensätze 1 und 2 auf OJIS-Papier.
Die Daten in jeder Spalte stellen das Zerfließen von dem mit einer gegebenen
Tinte bedruckten Block in benachbarte, mit den anderen Tinten bedruckte
Blöcke
dar. Beispielsweise stellt die erste Zahlenspalte das Zerfließen von
einem Block von Cyan in benachbarte Blöcke, die mit Schwarz, Magenta,
Cyan (nicht zutreffend), Gelb, Rot, Grün bzw. Blau bedruckt waren,
dar.
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Desgleichen sind die Ergebnisse eines
Zerfließens
von Schwarz zu Farbe für
die Tintensätze 1 und 2 in
den nachstehenden Tabellen 4 und 5 dargestellt.
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Wie aus den Daten in den Tabellen 2 bis 5 ersichtlich
ist, wies der Tintensatz 2, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt
worden war, eine beträchtlich
bessere Verringerung des Zerfließens auf als der Tintensatz 1.
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AUSWERTUNG DES LICHTVERBLASSENS
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Das Lichtverblassen wurde gemessen,
indem eine Farbpalette für
Tintensätze 1 und 2 in
dreifacher Version auf zwei Papiere gedruckt wurde. Die Farbpalette
wies zu 100 flächenausgefüllte cyanfarbene,
magentafarbene, gelbe, rote, grüne
und blaue Quadrate von ungefähr
1 cm2 unter Verwendung von Tintenstrahlstiften,
die ähnliche
Tropfenvolumen aufwiesen, auf. Die Farbkoordinaten L*, a* und b*
der gedruckten Bilder wurden unter Verwendung eines kommerziellen
Kolorimeters und standardmäßiger Farbmeßprozeduren
gemessen. Ein Satz von Drucken wurde mit dem Äquivalent von 1 Jahr im Innenraum
belichtet, während
ein weiterer Satz mit dem Äquivalent
von mehreren Wochen Freilichtbelichtung belichtet wurde, wobei im
Handel erhältliche
Verblassungsmeßgeräte und Bewitterungsapparate,
wie sie durch die Anweisungen des Herstellers bestimmt wurden, verwendet
wurden. Die Lichtverblassung, durch ΔE dargestellt, für jeden
Tintensatz wurde unter Verwendung der nachstehenden Gleichung 1
berechnet, und die Daten sind in der nachstehenden Tabelle 6 gezeigt:
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Gleichung 1
-
ΔE
= [(L*nachher – L*vorher )
+ (a*nachher – a*vorher )2 + (b*nachher – b*vorher
-
Die Tiefstellungen „nachher" und „vorher" beziehen sich auf
Messungen, die durchgeführt
wurden, nachdem und bevor die Druckproben Lichtverblassungsumgebungen
ausgesetzt wurden. Es ist wünschenswert,
daß der
Lichtverblassungswert minimiert ist.
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Wie durch die Daten in Tabelle 6
bewiesen ist, wies der gemäß der vorliegenden
Erfindung formulierte Tintensatz eine hervorragende Lichtechtheit
auf.
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Es wird erwartet, daß das vorliegende
Drucksystem und der vorliegende Satz von Druckkassetten beim Tintenstrahldrukken
kommerzielle Verwendung finden werden.
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Somit wurde ein Tintenstrahldrucksystem
und ein Satz von Druckkassetten offenbart. Fachleuten wird ohne
weiteres einleuchten, daß innerhalb
des Schutzbereichs der Erfindung, wie er durch die beigefügten Patentansprüche definiert
ist, verschiedene Änderungen
und Modifikationen einer offensichtlichen Art und Weise durchgeführt werden
können.
