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DNTコーティング技報 No.15
技術報文­2微小インク滴の溶媒の揮発挙動に関する研究

微小インク滴の溶媒の揮発挙動に関する研究
Studies on the Evaporation Behavior of Solvents in Minuscule Ink Droplet

スペシャリティ事業部門
スペシャリティ事業部
Speciality Business Division
Speciality Business Department

濱中 政爾

Seiji HAMANAKA

要 旨
インクジェットプリンターを用いた画像形成技術において、微小インク滴の溶媒の揮発挙動を知ることは重要である。本報では、屋外の看板やポスターに使用される塩ビフィルム上での水系インクの溶媒の揮発挙動を把握するため、有機溶剤と水のみからなるモデルインクを調整し、微小インク滴の揮発挙動を検討した。塩ビフ
ィルムへの浸透性を有する有機溶剤を用いた場合は、水が蒸発した後、有機溶剤の浸透が開始されるため、水の揮発性に影響を与えにくいことが確認できた。一方、塩ビフィルムへの浸透性を有さず、水よりも蒸発速度が速い有機溶剤を用いた場合は、塩ビフィルムに対する水の接触角を下げる効果があっても有機溶剤が水より先に揮発し、その効果が持続しないため、水の揮発性は向上しにくいことが確認できた。
また、塩ビフィルムへの浸透性を有さず、水よりも蒸発速度が遅い有機溶剤を用いた場合は、塩ビフィルムに対する水の接触角を下げる効果が大きいほど液滴の表面積が増加するた
め、水の揮発性は向上することを確認した。

Abstract
It was examined for us which effect of theorganic solvent which gave it to evaporation
behavior of aqua on vinyl chloride film used
for outdoor signboard and poster in minuscule
droplets of ink in the image formation technology
which used an ink-jet printer. It was appreciatedfor us when it used the organic solvent which
had osmosis, so that penetration of organic
solvent was started after water evaporated it
was appreciated that it was hard to give effectto evaporation behavior of aqua. On the other
hand when it did not hold osmosis to vinyl
chloride film, and evaporation rate used fastorganic solvent than aqua, even if it wasassumed that was effective lower angle ofcontact of aqua for vinyl chloride film, because
organic solvent evaporates more in advancesince aqua, and the effect does not continue, it
was appreciated that evaporation property ofaqua was hard to improve. And when it did not
hold osmosis to vinyl chloride film, andevaporation rate used late organic solvent thanaqua It was appreciated that evaporation
property of aqua improved so that surface areaof fluid drop increased if effect to lower angleof contact of aqua for vinyl chloride film wasbig.

DNTコーティング技報 No.15
技術報文­2微小インク滴の溶媒の揮発挙動に関する研究

2.

1. はじめに
2.1

インクジェットプリンターでは、液滴径数十μmのインクをノズルからメディア（印刷用紙やフィルムなどの塗布実験

試料

構造が異なる2種類のグリコールエーテル有機溶剤対象物）に吐出し、溶媒が浸透あるいは揮発することにA（グリコールの両末端のOH基の水素がアルキル基により1ドットが形成される。
インクの粘度を低くしなけれ置換されたグリコールエーテル）
およびB（グリコールのばノズルからインクを吐出することができず（数mPa･s

片末端のOH基の水素がアルキル基に置換されたグリ〜20mPa･s）、インク中の溶媒成分は８０%以上となるコールエーテル）と、アルコール溶剤Cの3種の有機溶ことが通常である。
このように、溶媒の浸透あるいは揮剤を用いた。
これらの有機溶剤の特性値を表1に示す。

発の制御が印刷物の画質に大きく影響を及ぼすことかまた、イオン交換水を用いて各溶剤を希釈した水溶液

ら、溶媒の選択が重要となっている。

（溶剤Aおよび溶剤B：10, 20, 30, 60wt%、溶剤C：10,

従来、屋外の看板やポスターに使用される印刷物は40, 60, 80wt%）を調整した。

有機溶剤系インクを塩ビフィルムに吐出し、溶媒を浸透させて画像を形成していた。近年では、VOC（揮発性有2.2機化合物）の排出量が少なく、印刷後すぐに加工がで測定

気温20〜25℃，湿度30〜35%、塩ビフィルムの温度きるなどの特長を持つ水系インクの需要が高まってい25℃の条件下において、自動極小接触角計（MCA-3：る。
しかし、塩ビフィルムに対して水系インクの浸透性は協和界面科学社製）を用い微小インク滴（以下微小液弱く、溶剤系インクに比べ濡れ広がりにくく、また、乾燥滴と略す。）を滴下し、真横から液滴径、液滴高さおよび過程で生じるにじみなどにより、水系インクの画質は溶液滴の接触角を測定した。
なお、微小液滴の体積は数剤系インクと比べ劣る傾向にある。
そのため、水系インク式（1）より算出した。の画質を向上させるためには、塩ビフィルムに対する濡れ性、浸透性あるいは揮発性を向上させることが重要数式（1）であると考えられる。

V＝本報では、塩ビフィルムに対する水系インクの濡れ⎛2 ＋ cosθAPP ⎞πhr 2⎜⎜
3 ⎝ 1 ＋ cosθAPP ⎠性、浸透性あるいは揮発性の制御に不可欠な有機溶剤の影響を把握するため、水と各有機溶剤のみを混合したモデルインクを調整し、微小インク滴（0.5〜1.0nl）
における溶媒の揮発挙動を検討したので報告する。
表1
溶剤種

水および有機溶剤の特性値

粘度
表面張力（20℃、mPa・s） （20℃、mN/m）

蒸気圧（20℃、hPa）

沸点（℃）

水への溶解度
─

─

173

23100

溶剤A

グリコールエーテル

1＜25＜1.0＜200

溶剤B

グリコールエーテル

5＜25＜0.1＞200

溶剤C

アルコール

1.2

225779

イオン交換水112.3無次元化

３． 結果と考察

微小液滴が塩ビフィルムへ着弾した瞬間（t=0）の液から求めた。
さらに、液滴を滴の体積V0を前述の式（1）球と仮定し数式（2）から相当径 d0を算出した。

得られた相当径 d0 から塩ビフィルムに微小液滴が着弾した瞬間における液滴の液量を同じにするために、無次元液滴径=dt/ d0 、無次元液滴高さ=ht/ d0 ，修正時間=t/ d0 を求めた後に、数式（1）より無次元液滴体積V’を求めた。

数式（2）

3.1

微小液滴の溶媒の揮発挙動

溶剤A、B、Cおよび水の微小液滴を真上から観察した揮発挙動を図1に示す。各微小液滴は異なる挙動を示した。水および溶剤Cは液滴径が低下しながら液滴体積が減少しているのに対して、溶剤Aおよび溶剤Bは液滴径を維持しながら液滴体積が減少していた。
また、揮発後、溶剤Aが着弾した塩ビフィルムの表面は粗くなV0 ＝り、膨潤していた。
このことから、溶剤Aは塩ビフィルムに1πd 036対し浸透性があると確認できた。
それに対し、溶剤BとCおよび水が着弾した塩ビフィルムの表面は変化が見られず、溶剤BとCおよび水は塩ビフィルムを膨潤させるほどの浸透性はないと考えられる。

t＝0

水

溶剤A

溶剤B

乾燥時間

12

DNTコーティング技報 No.15技術報文­2
微小インク滴の溶媒の揮発挙動に関する研究

図1

水および各溶剤の揮発挙動

溶剤C

DNTコーティング技報 No.15
技術報文­2微小インク滴の溶媒の揮発挙動に関する研究

3.2
3.2.1

水の揮発性に与える有機溶剤の影響
溶剤Aを含む水溶液

さ、接触角および液滴体積変化を図2〜5に示す。
10wt%水溶液の揮発過程は1段階目（修正時間0〜350s/m）は液滴径が変化しないで、液滴高さ・接触角および液滴体積の値が減少し、2段階目（修正時間350〜580s/m）は液滴径の値がわずかに減少しながら液滴高さ・接触角および液滴体積の値が減少した。
さらに、3段階目（修正時間580s/m〜）は液滴径の値が増大し、液滴高さおよび接触角の値が減少する3段階の過程を経て揮発した。20wt%水溶液の乾燥過程においては10wt%水溶液で確認された2段階目の揮発挙挙動が見られず、微小液滴が着弾すると同時に液滴径の値が増大する3段階目の過程を経て揮発した。
また、図５に示した液適体積の変化（傾き）が10wt%および20wt%水溶液は水のみとほぼ等しく、30wt%水溶液は修正時間280s/mまでは水のみとほぼ等しく、修正時間280s/m以降で若干大きくなった。40wt%水溶液および溶剤Aにおいては液滴体積が修正時間500s/m以降で一定になったが、これは塩ビフィルムが膨潤した影響を受けたためと考えられる。
10wt%水溶液の揮発挙動を真上から観察した結果を図6に示す。
3段階目の液滴径の値が急激に増加した後に、塩ビ

10wt%水溶液
溶剤A

30wt%水溶液

接触角（）

液滴径（­）

動が見られないまま、3段階目の過程を経て揮発した。

40wt%水溶液30〜40wt%水溶液および溶剤Aの揮発過程においては10wt%水溶液で確認された1および2段階目の揮発溶剤Aを含む水溶液の無次元化した液滴径、液滴高

5.04.54.03.53.02.52.01.51.00.5
0.020wt%水溶液

水0100 200 300 400 500 600 700 800

120110100908070605040302010010wt%水溶液

水
溶剤A
0

図4

揮発時間と溶剤Aの各濃度における液滴径の関係

10wt%水溶液
30wt%水溶液
40wt%水溶液

20wt%水溶液

水
溶剤A
0100 200 300 400 500 600 700 800

1.00.90.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.10.0100 200 300 400 500 600 700 800

揮発時間と溶剤Aの各濃度における液滴高さの関係

揮発時間と溶剤Aの各濃度における接触角の関係

40wt%水溶液
10wt%水溶液

溶剤A

20wt%水溶液

30wt%水溶液
0（10-5）修正時間（s/m）

図330wt%水溶液（10-5）修正時間（s/m）

液滴体積（­）

液滴高さ（­）

1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.040wt%水溶液

20wt%水溶液（10-5）修正時間（s/m）

図213100 200 300 400 500 600 700 800（10-5）修正時間（s/m）

図5

水揮発時間と溶剤Aの各濃度における液滴体積の関係

図6

溶剤Aを用いた10wt%水溶液滴の揮発挙動

フィルムへ浸透している様子が確認された（図6 右から3.2.22つ目）。

溶剤Bを含む水溶液の無次元化した液滴径・液滴10wt%水溶液の1段階目と2段階目の揮発挙動は水のみの揮発挙動とほぼ同様で、また、溶剤Aの濃度が高くなるほど、液滴径が増大する３段階目までの時間が短くなり、塩ビフィルムに着弾した直後の液滴径ならびに最大到達径も増加していた。
このことから、2段階目までは水が主に揮発したと考えられ、溶剤Aは濃度が高まり
3段階目へ移行し、その後、塩ビフィルムへ浸透が始まったと推測される。以上のことから、溶剤Aは塩ビフィルムへ浸透性を有するが、水と混合した場合、水の揮発40wt%水溶液

間0〜220s/m）は液滴径が変化しないで、液滴高さ・接触角および液滴体積の値が減少し、2段階目（修正時間220s/m〜）は液滴径の値が増大し、液滴高さおよび接触角の値が減少する2段階の過程を経て揮発した。
また、図１０に示した液適体積の変化をみると、10wt%水溶液の方が水のみより傾きが大きくなっており、溶剤Bを混合したことによる水の揮発性の向上が確認された。

溶剤Ｂ

20wt%水溶液
30wt%水溶液
10wt%水溶液
水0

図71.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0

10wt%水溶液の揮発過程において、1段階目
（修正時

接触角
（）

5.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0

100 200 300 400 500 600 700 800（10-5）修正時間（s/m）

揮発時間と溶剤Bの各濃度における液滴径の関係

20wt%水溶液
40wt%水溶液
30wt%水溶液

0

図8

溶剤Ｂ

100 200 300 400 500 600 700 800（10-5）修正時間（s/m）

揮発時間と溶剤Bの各濃度における液滴高さの関係120
水110
1009080
溶剤Ｂ
70 10wt%水溶液
605020wt%水溶液 40wt%水溶液
4030wt%水溶液
30201000
100 200 300 400 500 600 700 800（10-5）修正時間（s/m）

図910wt%水溶液
水

溶剤Bを含む水溶液

高さ・接触角および液滴体積変化を図7〜10に示す。

液滴体積（­）

液滴径（­）

性に影響を与えにくいと考えられる。

液滴高さ
（­）

14DNTコーティング技報 No.15技術報文­2
微小インク滴の溶媒の揮発挙動に関する研究

1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0

揮発時間と溶剤Bの各濃度における接触角の関係
20wt%水溶液

40wt%水溶液

10wt%水溶液

水

0図10

溶剤Ｂ30wt%水溶液

100 200 300 400 500 600 700 800（10-5）修正時間（s/m）

揮発時間と溶剤Bの各濃度における液滴体積の関係

DNTコーティング技報 No.15
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同一濃度における溶剤Aと溶剤Bを比較すると、塩ビ増加し、再び減少した。接触角の値は80wt%および溶フィルムに着弾した直後の液滴径は溶剤Bの方が大き剤Cにおける液滴高さと同様に減少した後増加し、再びく、液滴径が急激に増加するまでの時間も速く、また接減少した。
また、液適体積の値が修正時間150s/mまで触角が低くなっていることから、塩ビフィルムへの濡れ性に40wt%以上の全ての濃度において急激に減少し、そを向上させやすいことがわかる。無次元化した液滴径・の後は水よりも緩やかに減少していたことから、溶剤C液滴高さを用い算出した各濃度の表面積変化を図11を混合したことによる水の揮発性の向上は確認できな〜12に示す。
塩ビフィルムへの濡れ性を向上させやすいかった。

溶剤Bの方が、溶剤Aよりも同一時間で比較すると表面積が大きくなっており、この表面積増大の効果により溶

12.040wt%水溶液

20wt%水溶液

8.06.030wt%水溶液

2.0

100 200 300 400 500 6000（10-5）修正時間（s/m）

図1112.0
8.040wt%水溶液

20wt%水溶液

6.030wt%水溶液

4.02.00.010wt%水溶液
100 200 300 400 500 6000（10-5）修正時間（s/m）

図123.2.3

水揮発時間と溶剤Bの各濃度における表面積の関係

溶剤Cを含む水溶液滴の無次元化した液滴径・液滴高さ・接触角および液滴体積変化を図13〜16に示す。
液滴径の値は40wt%以上において修正時間150s/mの間で急激に減少し、その後は緩やかに減少した。液
滴高さの値は10〜60wt%においては時間とともに減少したが、80wt%および溶剤Cにおいては減少した後

溶剤Ｃ

1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.10.0120110100908070605040302010010wt%水溶液

60wt%水溶液

40wt%水溶液
水0300

900

600

1200

1500

（10-5）修正時間（s/m）

揮発時間と溶剤Cの各濃度における液適径の関係

溶剤Ｃ

60wt%水溶液

80wt%水溶液

40wt%水溶液
10wt%水溶液
水0300

図14700 800

溶剤Cを含む水溶液

80wt%水溶液

図13700 800

揮発時間と溶剤Aの各濃度における表面積の関係

溶剤Ｂ

10.0

水

液滴高さ
（­）

4.00.0表面積（­）

10wt%水溶液

溶剤A

接触角（）

表面積（­）

10.0

液滴径（­）

剤Bは水の揮発性を大きく向上させたと考えられる。

5.04.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0

600

900

1200

（10-5）修正時間（s/m）

1500

揮発時間と溶剤Cの各濃度における
液適高さの関係
水10wt%水溶液

40wt%水溶液

溶剤Ｃ

80wt%水溶液

0

図15

300

60060wt%水溶液
900

1200

（10-5）修正時間（s/m）

1500

揮発時間と溶剤Cの各濃度における接触角の関係15液滴体積（­）

1.00.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0

４． まとめ
溶剤C60wt%水溶液
80wt%水溶液
10wt%水溶液
40wt%水溶液

水0300

図16600900

1200（10-5）修正時間（s/m）

1500度の表面積変化を図17に示す。溶剤Cの濃度が低い場合は、濃度に依存せず表面積変化は水の場合とほぼ同等であった。
また、溶剤Cの濃度が高い場合は、着弾した直後の液滴の表面積は大きいものの、その後、表面積は急激に低下し、最後には水の場合とほぼ同等になった。
このことから、溶剤Cを混合した場合、揮発過程の初期で液滴中の溶剤Cが先に揮発していると推測される。以上のことから、溶剤Cは混合したことによる水の揮発性に影響を与えにくいと考えられる。

調整し、微小インク滴の揮発に伴う液滴径・液滴高さ・接触角・液滴体積および表面積を測定し、水の揮発性に及ぼす有機溶剤の影響について考察した。今回実験した水溶液の揮発挙動の違いを3つにまめると次のようになる。
合しても、水が揮発した後に溶剤の浸透が開始されるため、水の揮発への寄与が少ない。
（2）塩ビフィルムへの浸透性を有さず、水よりも蒸発速度が速い有機溶剤Ｃは、水の接触角を下げる効果があっても、有機溶剤Ｃが水より先に揮発しその効果が持続しないため、水の揮発性は向上しにくい。
（3）塩ビフィルムへの浸透性を有さず、水よりも蒸発速度が遅い有機溶剤Ｂは、水の接触角を下げる効果が大きく、液滴の表面積が増加することにより、水の揮発性は向上する。
以上のことから、有機溶剤を用いて水の揮発性を向上させるためには、水よりも蒸発速度が遅くてメディアに対する水の接触角を下げる効果のある有機溶剤を選12.0定することが有効であると考えられる。

10.080wt%水溶液

溶剤C

8.060wt%水溶液

6.040wt%水溶液

4.0

参考文献

10wt%水溶液

2.00.0構造が異なる3種類の有機溶剤を用いた水溶液を（1）塩ビフィルムへの浸透性を有する有機溶剤Aを混揮発時間と溶剤Cの各濃度における液適体積の関係

無次元化した液滴径・液滴高さを用い算出した各濃表面積（­）

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技術報文­2微小インク滴の溶媒の揮発挙動に関する研究

水0300

6009001200

1500（10-5）修正時間（s/m）

図17揮発時間と溶剤Cの各濃度における表面積の関係

1）技術情報協会 ： インクジェット技術における微小液滴の吐出・衝突・乾燥, p.350,
2）E.B.Dussan V. ： Ann.Rer.Fluid Mech.1997,11