CN101405356B - 喷墨油墨组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种喷墨油墨组合物，该组合物包含重均分子量约为50,000-500,000的聚氨酯材料，该聚氨酯材料以约0.2重量％至5重量％的有效量存在。该组合物还包含以约5重量％至20重量％的有效量存在的溶剂、以约0.01重量％至3重量％的有效量存在的阴离子表面活性剂。该组合物能够表现出增强的开盖性能。
Description
背景
本发明一般涉及喷墨油墨组合物。
能够形成耐用膜(例如表现出耐荧光笔蹭脏(highlighter smear)和/或干擦(dry rub)减少)并且表现出良好的可靠性和良好的喷嘴状况的喷墨油墨的配制是困难的。这至少部分是因为用于获得良好的耐荧光笔蹭脏性的粘合剂的高分子量和/或疏水性质使得粘合剂难以从喷墨打印头中喷出。高分子量聚合物将促使开盖喷嘴中的油墨粘度增大。疏水性粘合剂可能从溶液中沉淀，沉积在打印头的电阻器上。这两种效应在某些情况下会减弱液滴喷射。能实现优越的可靠性的亲水性低分子量粘合剂往往只能略微地改善耐荧光笔蹭脏性和抗污性。
因此，需要提供一种喷墨油墨组合物，该组合物基本上能同时提供增强的笔可靠性和增强的耐荧光笔蹭脏性，以及高光学密度、可接受的干燥时间和它们的组合。
发明概述
本发明揭示了一种喷墨油墨组合物。该组合物包含重均分子量约为50,000-500,000的聚氨酯材料。该聚氨酯材料以约0.2重量％至5重量％的有效量存在。该组合物还包含以约5重量％至20重量％的有效量存在的溶剂，和以约0.01重量％至3重量％的有效量存在的阴离子表面活性剂。该喷墨油墨组合物能够表现出增强的开盖(decap)性能。
发明详述
喷墨油墨组合物的各实施方式引入了高分子量聚氨酯以缩短干燥时间和增强对纸上荧光笔蹭脏和湿蹭脏的耐受性，并且基本上不会降低笔可靠性或光学密度。在一个实施方式中，所述油墨组合物的指触干燥时间(finger drytime)小于约10秒，在普通纸上的荧光笔蹭脏和湿蹭脏小于约50mOD。在此实施方 式中，油墨组合物的黑光学密度(black optical density)大于约1.35。
本发明揭示的油墨组合物还能够提供增强的开盖性能，良好的打印耐受性，良好的喷嘴状况(nozzle health)和笔可靠性。文中所用的术语“开盖”指喷墨油墨在长时间接触空气后容易从打印头中喷出的能力。油墨开盖时间是打印机喷嘴可能由于堵塞的原因而不能再正确喷射之前油墨打印头保持开盖的时间。通常，由于失水、油墨结垢、和/或染料在喷嘴中和/或喷嘴周围结晶而在喷嘴中形成的粘性栓塞物可能导致喷嘴的堵塞。如果喷嘴被堵塞，则通过喷嘴的口喷出的墨滴可能出错，对打印质量造成不利的影响。喷嘴的口还可能完全堵住，结果导致墨滴无法通过受影响的喷嘴。
通常测量的喷墨油墨开盖时间包括短期开盖时间和长期开盖时间。短期开盖时间通常决定在液滴质量降低到用新鲜未开盖的打印头得到的质量以下之前打印头能够保持开盖的时间长短。各种打印/图像缺陷可能是由于开盖引起的液滴质量下降而造成的。为了抵消开盖影响，打印机工作通常需要空转喷嘴以规律地将溅墨喷入废物容器中，以避免打印缺陷。为了获得良好的打印图像质量，同时保持或提高处理量和节省油墨，希望将短期开盖保持尽可能长的时间，使用尽可能少的溅墨以恢复喷嘴。另一方面，长期开盖时间决定在喷嘴不能通过打印机维护程序而恢复之前打印头可以开盖状态储存的时间长短。具体地，长期开盖时间决定打印头的性质，例如储存稳定性。长期开盖对于油墨是需要的，这样喷嘴能够长时间处于开盖和闲置状态，而打印头仍然能够通过维护而恢复使用。
不受限于任何理论，本发明人相信所述油墨组合物的实施方式具有良好的开盖性能，其原因至少部分地在于水溶性溶剂/溶剂混合物与阴离子表面活性剂的组合。本发明人还相信溶剂或溶剂混合物可以最大程度地降低聚氨酯使溶液粘度增加的趋势，阴离子表面活性剂有助于促使聚氨酯从喷嘴区域排出并作为水蒸发物回到主体油墨中。
喷墨油墨组合物的实施方式通常包含聚氨酯材料、溶剂和阴离子表面活性剂。应理解油墨组合物中的所有物质都以有效量存在，使得这种组合在打印时能够实现以下性质中的至少一种：增强的光学密度，缩短的干燥时间，增强的耐荧光笔蹭脏性，增强的耐湿蹭脏性，和/或它们的组合。还应理解，油墨组合物中的物质都以能增强开盖性能的有效量存在。
在一个实施方式，聚氨酯材料的重均分子量约为50,000-500,000。在一个实施方式中，聚氨酯的酸值约为10毫克KOH/克聚合物至150毫克KOH/克聚合物。在另一个实施方式中，聚氨酯的酸值约为50毫克KOH/克聚合物至70毫克KOH/克聚合物。聚氨酯材料以约0.2重量％至5重量％的有效量存在。本发明人还相信本发明所述的在很宽的分子量范围(例如约10,000-500,000)内的聚氨酯的性质有利于缩短油墨组合物的干燥时间。此外，本发明人还相信文中所描述的聚氨酯的高分子量特征有利于油墨组合物的优越的耐受性。
溶剂可以是单独一种溶剂或者两种或更多种溶剂的组合。通常，溶剂以约5重量％至20重量％的有效量存在。在一个非限制性实施例中，该有效量约为5重量％至15重量％。适用于喷墨油墨组合物的溶剂的非限制性例子包括1，3-二(2-羟乙基)-5，5-二甲基乙内酰脲；低分子量(例如，Mn＝266)丙三醇丙氧基化物；2-羟乙基-2-咪唑烷酮(imidizolidinone)(即2-羟乙基-2-咪唑烷酮(imidizolidone))；2-羟乙基-2-吡咯烷酮(即2-羟乙基-2-吡咯烷酮)；1，2，6-己三醇；D-山梨糖醇；1，4-二(2-羟乙基)-哌嗪；3-(N-吗啉代)-1，2-丙二醇；甘油基聚氧乙基醚；低分子量(例如Mn＝300)聚乙二醇；四甘醇；和/或它们的组合。
油墨组合物中阴离子表面活性剂以约0.01重量％至3重量％的有效量存在。第一类(文中称为“1类”)合适的阴离子表面活性剂包括但不限于具有8-16个碳原子的碳链的烷基硫酸盐(非限制性例子包括十二烷基硫酸钠(sodium laureth sulfate)和月桂基硫酸钠)、十二烷基苯磺酸盐、N-月桂酰基肌氨酸盐、聚(氧基-1，2-乙烷二基)和它们的组合。第二类(文中称为“2类”)合适的阴离子表面活性剂包括但不限于磷酸酯表面活性剂，其中每一种都具有以下结构中的一种：
式中R＝疏水性部分(例如，油基，壬基苯基等)，n＝1-20的整数。如结 构式所示，磷酸酯表面活性剂具有一个疏水性尾部/部分(非限制性例子包括聚乙二醇油基单/二酯磷酸酯(其中之一可以商品名Crodafos N10A从位于新泽西州爱迪生的克劳德有限公司(Croda，Inc.located in Edison，NJ)购得)和聚乙二醇单(辛基苯基)磷酸酯等)；或多个疏水性尾部/部分(例如壬基苯酚乙氧基化的支链磷酸酯(非限制性例子是壬基苯酚乙氧基化物磷酸酯，可以商品名Phospholan9NP从位于荷兰阿纳姆的阿泽诺贝化学公司(Akzo Nobel Chemical，located inAmhem，Netherlands)购得))。合适的磷酸酯表面活性剂(2类)的其它非限制性例子是PPG-5-Ceteth-10磷酸酯(非限制性例子可以商品名Crodafos SG从克劳德有限公司(Croda，Inc.)购得)。应理解，上述阴离子表面活性剂的盐也适用于油墨组合物。
油墨组合物的实施方式还包括着色剂、水、阴离子粘合剂(非限制性例子包括丙烯酸类粘合剂、苯乙烯丙烯酸类粘合剂等，和/或它们的组合)、和/或任何其它合适的添加剂。在一个实施方式中，着色剂是颜料和/或染料，其以约0.1重量％至6重量％的有效量存在。通常，油墨组合物中剩余的组分是水。
应理解，油墨组合物的pH可根据需要调节。在一个实施方式中，油墨的pH约为7-10。
应理解，各种类型的添加剂可用于油墨组合物以针对具体应用优化油墨组合物的性质。例如，在油墨组合物的一个实施方式中可以使用杀生物剂以抑制微生物的生长。杀生物剂的一个合适的非限制性例子是1，2-苯并异噻唑啉-3-酮(BIT)。油墨组合物中还可包含EDTA之类的螯合剂以基本消除重金属杂质(如果存在)可能造成的有害影响。根据特定最终应用所希望和/或所需要的，可以使用缓冲溶液来控制油墨组合物的pH。
在喷墨体系的一个实施方式中，在合适基材的至少一部分上施加喷墨油墨组合物的实施方式。应理解，可以选择任何适合在其上印刷标记(例如字母数字标记和/或图形标记)的基材。在一个实施方式中，基材是纸(非限制性例子包括普通复写纸或其中具有回收纤维的纸)或相纸(非限制性例子包括在纸的一面或两面上都具有挤出形成的聚乙烯或聚丙烯的纸)，和/或它们的组合。在一个实施方式中，基材沿着整个长度方向的厚度约为0.025毫米至0.5毫米。
可以通过任何合适的喷墨打印技术在基材上施加喷墨油墨组合物。这类喷 墨打印技术的非限制性例子包括热、声(acoustic)和压电喷墨打印。
在一个实施方式中，在施加喷墨油墨组合物之前，先在基材上施加固定剂流体。不受限于任何理论，本发明人相信固定剂流体可以通过将着色剂和粘合剂保持在基材表面上而有利地促进获得良好的打印质量。合适的固定剂流体组分包括但不限于酸(非限制性例子包括有机酸)、盐(非限制性例子包括二价或三价金属盐)、阳离子聚合物(非限制性例子包括具有季铵盐的聚合物)和/或它们的组合。
为了进一步说明本发明的实施方式，给出以下各实施例。应理解，这些实施例是为了说明的目的给出，不应理解为将本发明的范围限制在所述具体实施方式中。
实施例
使用各种不同溶剂(示于表1)配制一组油墨。各油墨包含约8重量％的所选溶剂、约0.7重量％的SEF(非离子型表面活性剂，可购自位于宾夕法尼亚州的阿伦敦的空气产品化学有限公司(Air Products and Chemicals，Inc.located in Allentown，PA))、约0.5重量％的
N3(阴离子表面活性剂，可购自位于新泽西州爱迪生的克劳德有限公司)、约0.1重量％的
FSO(非离子型含氟表面活性剂，可购自位于德国威尔明顿的杜邦公司(Dupontlocated in Wilmington，DE))、约0.1重量％的
GXL(杀生物剂，可购自位于康奈提格州诺沃克的爱驰化学有限公司(Arch Chemicals Inc.located inNorwalk，CT))、约2重量％的分子量约为180,000的聚氨酯和0.1重量％的颜料。
表1：包含不同溶剂的油墨的开盖结果
| 油墨# | 溶剂 | 开盖分数 |
| 1 | 1，4-二(2-羟乙基)-哌嗪 | 11 |
| 2 | 1，2，6-己三醇 | 15 |
| 3 | D-山梨糖醇 | 20 |
| 4 | 1，3-二(2-羟乙基)-5，5-二甲基乙内酰脲 | 23 |
| 5 | 2-羟乙基-2-咪唑烷酮 | 35 |
| 6 | 3-(N-吗啉代)-1，2-丙二醇 | 43 |
| 7 | 丙三醇丙氧基化物(MW＝266) | 50 |
| 8 | 甘油基聚氧乙基醚 | 70 |
| 9 | 聚乙二醇(MW＝300) | 87 |
| 10 | 2-羟乙基-2-吡咯烷酮 | 136 |
| 11 | 丙三醇丙氧基化物(MW＝1000) | 153 |
| 12 | 丙三醇丙氧基化物(MW＝720) | 169 |
| 13 | 三甘醇 | 186 |
应理解，表1中的“开盖分数”指能使开盖喷嘴恢复使得它们的喷射性质(firing characteristics)基本与它们初始的出盖性能(out-of-cap performance)相匹配的溅墨的数目。在出盖后的不同时间进行测试，包括2秒，6秒，14秒和1分钟。记录在表1中的分数是不同测试中溅墨的总和。应理解，较低开盖分数的油墨比较高分数的油墨具有更佳的开盖性能。
使用各种不同的表面活性剂(表2中所示)形成另一组油墨。各油墨包含约8重量％的溶剂(
DHE或1，2，6-己三醇)、约0.7重量％的
SEF、约0.5重量％的所选的阴离子表面活性剂、约0.1重量％的
FSO、约0.1重量％的
GXL、约2重量％的分子量约为180,000的聚氨酯和0.1重量％的颜料。
表2：含有不同表面活性剂的油墨的开盖结果
| 油墨# | 表面活性剂 | 类别# | 使用 Dantocol的 净开盖分数 | 使用1，2，6-己三醇的净 开盖分数 | 净开盖分数 |
| A | 聚乙二醇油基醚磷酸酯 | 2 | 11 | 7 | 18 |
| B | 壬基苯酚，乙氧基化的， 支链磷酸酯 | 2 | 10 | 8 | 18 |
| C | 聚乙二醇单(辛基苯基) 醚磷酸酯 | 2 | 10 | 9 | 19 |
| D | 月桂基硫酸钠 | 1 | 14 | 8 | 22 |
| E | 十二烷基硫酸钠 | 1 | 14 | 9 | 23 |
| F | 月桂基硫酸钠 | 1 | 13 | 11 | 24 |
| G | 磷酸酯化的烷基乙氧基 化物 | 2 | 20 | 15 | 35 |
| H | N-辛基甜菜碱 | X | 55 | 54 | 109 |
| I | 有机磷酸酯，两性的 | X | 48 | 64 | 112 |
| J | 壬基苯酚，乙氧基化的， 支链磷酸酯 | 2 | 10 | 无数据 | 10 |
| K | 芳基烷氧基磷酸酯 | X | 79 | 无数据 | 79 |
应理解，表2中的“净开盖分数”指用于使开盖喷嘴恢复使得它们的喷射性质基本与它们初始的出盖性能相匹配的溅墨的数目。在出盖后的不同时间进行测试，包括2秒，6秒，14秒和1分钟。记录在表2中的分数是不同测试中溅墨的总和。应理解，较低开盖分数的油墨比较高分数的油墨具有更佳的开盖性能。通常1类和2类的表面活性剂(都如上文所定义)似乎提供更佳的开盖性能。不属于1类和2类的表面活性剂在表2中用′X′表示。
使用不同的阴离子粘合剂(表3中所示)配制另一组油墨。各油墨包含约9％的1，2，6-己三醇、约0.7％的
SEF、约0.5％的
N3、约0.1％的
FSO和约3％的自分散的黑色颜料。
表3：含有不同阴离子粘合剂的油墨的光学密度、(耐)荧光笔蹭脏性和开盖性能
| 油墨中的粘合剂 | 黑光学密度 (KOD) | 1次蹭脏 (mOD) | 2次蹭脏(mOD) | 净开盖分数 |
| 1.5％PU-A (Mw＝180,000) | 1.39 | 23 | 120 | 5 |
| 1.5％PU-B (Mw＝25,000) | 1.39 | 80 | 195 | 5 |
| 无 | 1.31 | 115 | 215 | 17 |
| 1.5Joncryl586 | 1.38 | 120 | 238 | 5 |
与用低分子量聚氨酯(PU-B)配制的第二油墨、无外加粘合剂的第三油墨和用586(低分子量苯乙烯丙烯酸类树脂)配制的第四油墨相比，用高分子量聚氨酯(PU-A)配制的第一油墨提供更佳的(耐)荧光笔蹭脏性能。
表3中的黑光学密度和蹭脏数据是对四类普通办公用纸的测试的平均值。“1次蹭脏”数据表示普通办公荧光笔在纸上打印的区域涂抹一次造成的油墨向未打印的区域的转移。“2次蹭脏”类似地表示普通荧光笔在纸上打印的区域涂抹两次造成的油墨向未打印的区域的转移，这两次涂抹相当迅速地连续进行。应理解，蹭脏值越大表示越差的耐受性。
应理解，表3中的“净开盖分数”指用于使开盖喷嘴恢复使得它们的喷射性质基本与它们初始的出盖性能相匹配的溅墨的数目。在出盖后的不同时间进行测试，包括2秒，6秒，14秒和1分钟。记录在表3中的分数是不同测试中溅墨的总和。应理解，较低开盖分数的油墨比较高分数的油墨具有更佳的开盖性能。
油墨组合物和体系的实施方式有利地引入了高分子量聚氨酯以获得增强的耐受性，同时还引入了特定的溶剂和表面活性剂组合以获得增强的可操作性。
虽然具体描述了若干实施方式，但是本领域技术人员显然知道可以修改所揭示的实施方式。因此，上述说明仅仅是示例性而非限制性的。
Claims (7)
1.一种喷墨油墨组合物，其包含：
重均分子量为50,000-500,000的聚氨酯材料，该聚氨酯材料以0.2重量％至5重量％的有效量存在；
溶剂，其以5重量％至20重量％的有效量存在，所述溶剂选自1，3-二(2-羟乙基)-5，5-二甲基乙内酰脲；低分子量丙三醇丙氧基化物；2-羟乙基-2-咪唑烷酮；2-羟乙基-2-吡咯烷酮；1，2，6-己三醇；D-山梨糖醇；1，4-二(2-羟乙基)-哌嗪；3-(N-吗啉代)-1，2-丙二醇；甘油基聚氧乙基醚；低分子量聚乙二醇；四甘醇；和它们的组合；
阴离子表面活性剂，其以0.01重量％至3重量％的有效量存在，所述阴离子表面活性剂选自具有8-16个碳原子的碳链的烷基硫酸盐、十二烷基苯磺酸盐、N-月桂酰基肌氨酸盐、聚(氧基-1，2-乙烷二基)、具有单个疏水性尾部的磷酸酯表面活性剂、具有多个疏水性尾部的磷酸酯表面活性剂、和它们的组合；
所述组合物能够表现出增强的开盖性能。
2.如权利要求1所述的喷墨油墨组合物，其特征在于，所述喷墨油墨组合物可以打印在基材上，所述打印的喷墨油墨组合物表现出选自以下的性质：增强的光学密度、缩短的干燥时间、增强的耐荧光笔蹭脏性、增强的耐湿蹭脏性和它们的组合。
3.如权利要求1或2所述的喷墨油墨组合物，其特征在于，所述聚氨酯材料的酸值为10毫克KOH/克聚合物至150毫克KOH/克聚合物。
4.一种形成喷墨油墨组合物的方法，其包括：
将0.2重量％至5重量％的重均分子量为50,000至500,000的聚氨酯与5重量％至20重量％的溶剂混合，所述溶剂选自1，3-二(2-羟乙基)-5，5-二甲基乙内酰脲；低分子量丙三醇丙氧基化物；2-羟乙基-2-咪唑烷酮；2-羟乙基-2-吡咯烷酮；1，2，6-己三醇；D-山梨糖醇；1，4-二(2-羟乙基)-哌嗪；3-(N-吗啉代)-1，2-丙二醇；甘油基聚氧乙基醚；低分子量聚乙二醇；四甘醇；和它们的组合；
将0.01重量％至3重量％的阴离子表面活性剂与聚氨酯和溶剂的混合物混合，所述阴离子表面活性剂选自具有8-16个碳原子的碳链的烷基硫酸盐、十二烷基苯磺酸盐、N-月桂酰基肌氨酸盐、聚(氧基-1，2-乙烷二基)、具有单个疏水性尾部的磷酸酯表面活性剂、具有多个疏水性尾部的磷酸酯表面活性剂、和它们的组合；
所述组合物增强了开盖性能。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法还包括向所述混合物中加入0.1重量％至6重量％的着色剂和余量的水。
6.一种喷墨油墨体系，该体系包括：
基材；
在基材的至少一部分上施加的喷墨油墨组合物，该喷墨油墨组合物包括：
重均分子量为50,000-500,000的聚氨酯材料，该聚氨酯材料以0.2重量％至5重量％的有效量存在；
溶剂，其以5重量％至20重量％的有效量存在，所述溶剂选自1，3-二(2-羟乙基)-5，5-二甲基乙内酰脲；低分子量丙三醇丙氧基化物；2-羟乙基-2-咪唑烷酮；2-羟乙基-2-吡咯烷酮；1，2，6-己三醇；D-山梨糖醇；1，4-二(2-羟乙基)-哌嗪；3-(N-吗啉代)-1，2-丙二醇；甘油基聚氧乙基醚；低分子量聚乙二醇；四甘醇；和它们的组合；
阴离子表面活性剂，其以0.01重量％至3重量％的有效量存在，所述阴离子表面活性剂选自具有8-16个碳原子的碳链的烷基硫酸盐、十二烷基苯磺酸盐、N-月桂酰基肌氨酸盐、聚(氧基-1，2-乙烷二基)、具有单个疏水性尾部的磷酸酯表面活性剂、具有多个疏水性尾部的磷酸酯表面活性剂、和它们的组合；
所述组合物能够表现出增强的开盖性能。
7.如权利要求6所述的喷墨油墨体系，其特征在于，在基材和油墨组合物之间施加固定剂流体，所述固定剂流体选自盐、酸、阳离子聚合物和它们的组合。
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