ЧЕРНИЛЬНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ СТРУЙНОЙ ПЕЧАТИ
INK COMPOSITION FOR INKJET PRINTING

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее раскрытие сущности изобретения в общем относится к чернильным композициям для струйной печати.
Составление чернил для струйной печати, которые способны формировать прочную пленку (например, меньше смазываются маркером для выделения текста (HIGH Lighter) и/или меньше поддаются сухому стиранию), которые также обеспечивают хорошую безотказность в работе и устойчивую службу форсунок, было трудной задачей. Это может быть обусловлено, по меньшей мере отчасти, тем фактом, что высокая молекулярная масса и/или гидрофобный характер связующих средств, используемых для достижения хорошей устойчивости против смазывания маркером, может затруднить выбрасывание связующего средства из печатной головки струйного принтера. Полимеры с высокой молекулярной массой могут обуславливать повышение вязкости чернил в незакрытых форсунках. Гидрофобные связующие могут выпадать в осадок из раствора и осаждаться на резисторах печатных головок. Оба эффекта в некоторых случаях могут нарушить выброс капель. Гидрофильные связующие с низкой молекулярной массой, которые могут быть способными к достижению высоких уровней надежности, в общем обеспечивают минимальное улучшение в плане устойчивости к смазыванию маркером и пачканию.
В связи с этим является желательным создание чернильной композиции для струйной печати, которая по существу одновременно обеспечивала бы улучшенную безотказность печатного элемента в работе и повышенную устойчивость к смазыванию маркером, а также высокую оптическую плотность, приемлемое время высыхания и комбинации таковых.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Представлена чернильная композиция для струйной печати. Композиция включает полиуретановый материал, имеющий среднемассовую молекулярную массу в диапазоне от около 50000 до около 500000. Полиуретановый материал присутствует в эффективном количестве, варьирующем от около 0,2 мас. процента до около 5 мас. процентов. Композиция также включает растворитель, присутствующий в эффективном количестве, варьирующем от около 5 мас. процентов до около 20 мас. процентов, и анионное поверхностно-активное вещество, присутствующее в эффективном количестве в диапазоне от около 0,01 мас. процента до около 3 мас. процентов. Чернильная композиция для струйной печати приспособлена проявлять улучшенную устойчивость к высыханию в печатной головке (готовность к печати в открытом состоянии, decap).
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Варианты исполнения чернильной композиции для струйной печати включают полиуретаны с высокой молекулярной массой для сокращения времени высыхания и для повышения устойчивости к смазыванию маркером и пачканию во влажном состоянии на бумаге по существу без ухудшения безотказности работы печатного элемента или оптической плотности. В одном варианте осуществления чернильная композиция обеспечивает время высыхания по «пробе пальцем» менее чем около 10 секунд и параметры смазывания маркером и пачкания во влажном состоянии менее чем около 50 mOD (milli-Optical Density unit, единица оптической плотности для оценки водостойкости чернил) на гладкой листовой бумаге. В этом варианте осуществления чернильная композиция обеспечивает оптическую плотность черного цвета выше чем около 1,35.
Раскрытые здесь чернильные композиции также способны обеспечивать улучшенные характеристики готовности к печати в открытом состоянии (decap), хорошую устойчивость печати, хорошую работоспособность форсунки и надежность работы печатного элемента. Термин «decap», который употребляется здесь, означает способность чернил для струйной печати к легкому выбросу из печатной головки в условиях длительного воздействия воздуха. Время готовности (decap) чернил к печати в открытом состоянии измеряется как количество времени, в течение которого чернильная печатная головка может оставаться открытой до того, как форсунки принтера перестанут должным образом производить выброс потенциально вследствие засорения или закупоривания. В общем, форсунка(ки) может(гут) засориться/закупориться ввиду образования вязкой пробки, которая формируется в форсунке(ках) в результате потери воды, образования корки из чернил и/или кристаллизации красителя в любой из форсунок или вокруг таковой. Если форсунка забивается, капельки чернил, выбрасываемые через сопло форсунки, могут отклониться от должного направления, что может нанести ущерб качеству печати. Сопло также может оказаться полностью заблокированным, и в результате чернильные капельки не смогут проходить через засоренную форсунку.
Времена готовности чернил для струйной печати к выполнению печати типично измеряются короткими и длительными периодами времени. Кратковременная готовность к печати в открытом состоянии в общем определяет, насколько долго печатная головка может быть в незакрытом состоянии до того, как качество капельки ухудшится до уровня ниже качества, достигаемого при свежевскрытой печатной головке. Результатом такого падения качества, обусловленного высыханием чернил в печатной головке, могут быть разнообразные дефекты печати/изображения. Чтобы противодействовать эффектам высыхания чернил в печатной головке, повседневное обслуживание принтера требует на регулярной основе производить прокачку чернил в чернилоприемник («памперс») во избежание дефектов печати. Чтобы обеспечить хорошее качество напечатанного изображения, в то же время поддерживая или улучшая производительность и экономию чернил, желательно поддерживать кратковременную готовность к печати в открытом состоянии (decap) настолько долгой, насколько возможно, и использовать прокачку настолько редко, насколько возможно, для очистки форсунок. С другой стороны, долговременная готовность к печати в открытом состоянии определяет, насколько долго печатная головка может храниться в раскрытом состоянии до того, как форсунки станут уже непригодными для легкого восстановления с помощью обычного технического обслуживания принтера. В частности, она определяет такие характеристики печатной головки, например, как устойчивость при хранении. Долговременная готовность к печати в открытом состоянии желательна для чернил, чтобы форсунки были способны оставаться раскрытыми без употребления в течение длительных периодов времени, после которого печатные головки все же могут быть приведены в действие в результате технического обслуживания.
Не вдаваясь в какую-либо теорию, представляется, что варианты воплощения чернильной композиции имеют хорошие характеристики готовности к печати в открытом состоянии, по меньшей мере отчасти, благодаря комбинации водорастворимого растворителя/смесей растворителей и анионного(ных) поверхностно-активного(ных) вещества(веществ). Далее представляется, что растворитель(ли) сводит(дят) к минимуму нарастание вязкости полиуретана в растворе и что анионное(ные) поверхностно-активное(ные) вещество(ва) способствует(ют) вытеснению полиуретана из зоны форсунки и возращению в чернильную массу по мере испарения воды.
Варианты воплощения чернильной композиции для струйной печати в общем включают полиуретановый материал, растворитель и анионное поверхностно-активное вещество. Должно быть понятно, что все материалы чернильной композиции присутствуют в эффективных количествах, чтобы комбинация обеспечивала по меньшей мере одну из следующих характеристик при печати: повышенную оптическую плотность, сокращенное время высыхания, повышенную устойчивость к смазыванию маркером, повышенную устойчивость к пачканию во влажном состоянии и/или комбинации таковых. Далее, должно быть понятно, что материалы чернильной композиции присутствуют в эффективных количествах для повышения характеристик готовности к печати в открытом состоянии (decap).
В варианте исполнения полиуретановый материал имеет среднемассовую молекулярную массу от около 50000 до около 500000. В варианте исполнения полиуретан имеет кислотное число в диапазоне от около 10 мг КОН/г полимера до около 150 мг КОН/г полимера. В еще одном варианте осуществления полиуретан имеет кислотное число, варьирующее от около 50 мг КОН/г полимера до около 70 мг КОН/г полимера. Полиуретановый материал присутствует в эффективном количестве, варьирующем от около 0,2 мас. процента до около 5 мас. процентов. Представляется, что описываемые здесь характеристики полиуретанов в пределах широкого диапазона молекулярных масс (например, от около 10000 до около 500000) обеспечивают сокращение времени высыхания чернильной композиции. Более того, представляется, что высокомолекулярная природа описываемых здесь полиуретанов вносит вклад в отличную устойчивость чернильной композиции.
Растворитель может представлять собой индивидуальный растворитель или комбинацию из двух или более растворителей. В общем, растворитель(ли) присутствует(ют) в эффективном количестве, варьирующем от около 5 мас. процентов до около 20 мас. процентов. В неограничивающем примере эффективное количество варьирует от около 5 мас. процентов до около 15 мас. процентов. Неограничивающие примеры растворителей, пригодных для чернильной композиции для струйной печати, включают 1,3-бис(2-гидроксиэтил)-5,5-диметилгидантоин; пропоксилат глицерина с низкой молекулярной массой (например, Mn=266); 2-гидроксиэтил-2-имидизолидинон (то есть 2-гидроксиэтил-2-имидизолидон); 2-гидроксиэтил-2-пирролидон (то есть 2-гидроксиэтил-2-пирролидинон); 1,2,6-гексантриол; D-сорбит; 1,4-бис(2-гидроксиэтил)пиперазин; 3-(N-морфолино)-1,2-пропандиол; полиоксиэтиловый простой эфир глицерина с низкой молекулярной массой; полиэтиленгликоль с низкой молекулярной массой (например, Mn=300); тетраэтиленгликоль и/или комбинации таковых.
Анионное поверхностно-активное вещество присутствует в чернильной композиции в эффективном количестве, варьирующем от около 0,01 мас. процента до около 3 мас. процентов. Первый класс (называемый здесь как «класс 1») пригодных анионных поверхностно-активных веществ включает, но не ограничивается таковыми, алкилсульфаты, имеющие углеродную цепь с числом атомов углерода от восьми до шестнадцати (неограничивающие примеры каковых включают лауретсульфат натрия и лаурилсульфат натрия), додецилбензолсульфонат, N-лауроилсаркозинат, поли(окси-1,2-этандиил) и комбинации таковых. Второй класс (называемый здесь как «класс 2») пригодных анионных поверхностно-активных веществ включает, но не ограничивается таковыми, фосфатные сложноэфирные поверхностно-активные вещества, каждое из которых имеет одну из следующих общих структур:
где R=гидрофобный фрагмент (например, олеил, нонилфенил и т.д.), и индекс n=целые числа от 1 до 20. Как обозначено в структурах, фосфатные сложноэфирные поверхностно-активные вещества имеют либо одиночный гидрофобный хвостовой фрагмент (неограничивающие примеры которых включают олеиловые моно/ди-сложноэфирные фосфаты полиэтиленгликоля (один из которых представляет собой имеющийся в продаже продукт под торговым наименованием Crodafos N10A от фирмы Croda, Inc., находящейся в Эдисоне, Нью-Джерси) и моно(октилфенил)фосфат полиэтиленгликоля, или тому подобные); либо несколько гидрофобных хвостовых фрагментов (например, нонилфенольные этоксилированные разветвленные фосфаты (неограничивающий пример которых представляет собой нонилфенольный этоксилированный фосфатный сложный эфир, который представляет собой имеющийся в продаже продукт под торговым наименованием Phospholan 9NP от фирмы Akzo Nobel Chemical, находящейся в Арнем, Нидерланды)). Еще один неограничивающий пример пригодного фосфатного сложноэфирного поверхностно-активного вещества (класс 2) представляет собой PPG-5-Ceteth-10 phosphate (неограничивающий пример которого представляет собой имеющийся в продаже продукт под торговым наименованием Crodafos SG от фирмы Croda, Inc.). Должно быть понятно, что соли вышеперечисленных анионных поверхностно-активных веществ также могут быть пригодными для применения в чернильной композиции.
Варианты воплощения чернильной композиции могут также включать красящие компоненты, воду, анионные связующие (неограничивающие примеры которых включают акриловые связующие, стирольные связующие и/или тому подобные, и/или комбинации таковых), и/или любые другие пригодные добавки. В варианте исполнения красящий компонент представляет собой пигмент(ты) и/или краситель(ли) в эффективном количестве, варьирующем от около 0,1 мас. процента до около 6 мас. процентов. В общем, вода составляет остальную часть чернильной композиции.
Должно быть понятно, что величина рН чернильной композиции может варьировать, как желательно. В одном варианте осуществления величина рН чернил варьирует от около 7 до около 10.
Должно быть понятно, что разнообразные типы добавок могут быть употреблены в чернильной композиции с целью оптимизации свойств чернильной композиции для конкретных вариантов применения. Например, биоциды могут быть использованы в одном из вариантов воплощения чернильной композиции для подавления роста микроорганизмов. Один пригодный неограничивающий пример биоцида представляет собой 1,2-бензизотиазолин-3-он (BIT). Комплексообразующие соединения, такие как EDTA (этилендиаминтетрауксусная кислота), могут быть включены для существенного устранения потенциальных вредных воздействий примесей тяжелых металлов (если таковые присутствуют). Буферные растворы могут быть использованы для контроля величины рН чернильной композиции, как желательно и/или требуется для конкретного конечного применения.
В одном варианте воплощения системы струйной печати вариант осуществления чернильной композиции для струйной печати наносится по меньшей мере на часть пригодного субстрата. Должно быть понятно, что может быть выбран любой субстрат, который пригоден для печатания на нем символов (например, буквенно-цифровых символов и/или графических изображений). В одном варианте воплощения субстрат представляет собой бумагу (неограничивающие примеры которой включают обычную бумагу для копиров или бумагу, содержащую волокна из переработанной для повторного использования макулатуры) или фотобумагу (неограничивающие примеры которой включают бумагу, на одну или обе стороны которой способом экструзии нанесен полиэтилен или полипропилен), и/или комбинации таковых. В варианте исполнения субстрат имеет толщину практически вдоль всей длины в диапазоне между около 0,025 мм и около 0,5 мм.
Чернильная композиция для струйной печати может быть нанесена на субстрат с использованием любой пригодной технологии струйной печати. Неограничивающие примеры таких технологий струйной печати включают термическую, пьезоакустическую и пьезоэлектрическую струйную печать.
В варианте исполнения перед нанесением чернильной композиции для струйной печати на субстрат может быть нанесен жидкий фиксатор. Не вдаваясь в какую-либо теорию, представляется, что жидкий фиксатор преимущественно способствует достижению хорошего качества печати путем удержания красящих веществ и связующих средств на поверхности субстрата. Ингредиенты пригодного жидкого фиксатора включают, но не ограничиваются таковыми кислоты (неограничивающие примеры которых включают органические кислоты), соли (неограничивающие примеры которых включают соли двух- и трехвалентных металлов), катионные полимеры (неограничивающие примеры которых включают полимеры с четвертичными солями аммония) и/или комбинации таковых.
Для дальнейшего иллюстрирования варианта(-тов) исполнения настоящего описания здесь приведены разнообразные примеры. Должно быть понятно, что эти примеры приведены для целей иллюстрирования и не должны толковаться как ограничивающие рамки раскрытого(-тых) варианта(-тов) исполнения.
ПРИМЕРЫ

Один состав чернил был получен с использованием многих различных растворителей (показанных в Таблице 1). Каждый сорт чернил включал около 8 мас. процентов выбранного растворителя, около 0,7 мас. процента Surfynol SEF (неионное поверхностно-активное вещество, имеющееся в продаже от фирмы Air Products and Chemicals, Inc., расположенной в Аллентауне, Пенсильвания), около 0,5 мас. процента Crodafos N3 (анионное поверхностно-активное вещество, имеющееся в продаже от фирмы Croda, Inc., находящейся в Эдисоне, Нью-Джерси), около 0,1 мас. процента Zonyl FSO (неионное фторсодержащее поверхностно-активное вещество, имеющееся в продаже от фирмы Dupont, расположенной в Вилмингтоне, Делавэр), около 0,1 мас. процента Proxel GXL (биоцид, имеющийся в продаже от фирмы Arch Chemicals Inc., расположенной в Норуолке, Коннектикут), около 2 мас. процентов полиуретана, имеющего молекулярную массу около 180000, и 0,1 мас. процента пигмента.
Таблица 1Результаты испытания готовности к печати в открытом состоянии (decap) для чернил с различными растворителями
Чернила №
Растворитель
Диапазон готовности к печати в открытом состоянии
1
1,4-Бис(2-гидроксиэтил)пиперазин
11
2
1,2,6-Гексантриол
15
3
D-Сорбит
20
4
1,3-Бис(2-гидроксиэтил)-5,5-диметилгидантоин
23
5
2-Гидроксиэтил-2-имидизолидинон
35
6
3-(N-морфолино)-1,2-пропандиол
43
7
Пропоксилат глицерина (молекулярная масса MW=266)
50
8
Полиоксиэтиловый простой эфир глицерина
70
9
Полиэтиленгликоль (MW=300)
87
10
2-Гидроксиэтил-2-пирролидон
136
11
Пропоксилат глицерина (MW=1000)
153
12
Пропоксилат глицерина (MW=720)
169
13
Триэтиленгликоль
186
Должно быть понятно, что термин «диапазон готовности к печати в открытом состоянии» в Таблице 1 означает количество прокачек, которыми будут очищаться незакрытые форсунки для того, чтобы их характеристики выброса по существу соответствовали их первоначальной производительности при вскрытии. Испытание было выполнено при различных продолжительностях выдержки без крышки, включающих 2 секунды, 6 секунд, 14 секунд и 1 минуту. Диапазоны, представленные в Таблице 1, представляют собой суммирование прокачек в различных тестах. Должно быть понятно, что чернила, имеющие меньшие диапазоны готовности к печати в открытом состоянии, имели лучшие характеристики готовности к печати в открытом состоянии (decap), чем таковые чернила, которые демонстрировали расширенные диапазоны.

Еще один состав чернил был получен с использованием разнообразных поверхностно-активных веществ (показанных в Таблице 2). Каждый сорт чернил включал около 8 мас. процентов растворителя (либо Dantocol DHE, либо 1,2,6-гексантриол), около 0,7 мас. процента Surfynol SEF, около 0,5 мас. процента выбранного анионного поверхностно-активного вещества, около 0,1 весового процента Zonyl FSO, около 0,1 мас. процента Proxel GXL, около 2 мас. процентов полиуретана, имеющего молекулярную массу около 180000, и 0,1 мас. процента пигмента.
Таблица 2Результаты испытания готовности к печати в открытом состоянии (decap) для чернил с различными поверхностно-активными веществами
Чернила №
Поверхностно-активное вещество
Класс №
Результирующий диапазон готовности к печати в открытом состоянии с Dantocol
Результирующий диапазон готовности к печати в открытом состоянии с 1,2,6-гексантриолом
Резуль-тирующий диапазон готовности к печати в открытом состоянии
A
Фосфат олеилового простого эфира полиэтиленгликоля
2
11
7
18
B
Нонилфенольный этоксилированный разветвленный фосфат
2
10
8
18
C
Фосфат монооктилфенилового простого эфира полиэтиленгликоля
2
10
9
19
D
Лаурилсульфат натрия
1
14
8
22
E
Лауретсульфат натрия
1
14
9
23
F
Лаурилсульфат натрия
1
13
11
24
G
Фосфатированный алкилэтоксилат
2
20
15
35
H
N-Октилбетаин
Х
55
54
109
I
Амфотерный органический фосфат
Х
48
64
112
J
Нонилфенольный этоксилированный разветвленный фосфат
2
10
Нет данных
10
K
Арилалкоксифосфат
Х
79
Нет данных
79
Должно быть понятно, что термин «результирующий диапазон готовности к печати в открытом состоянии» в Таблице 2 означает количество прокачек, использованных для очистки незакрытых форсунок для того, чтобы их характеристики выброса по существу соответствовали их первоначальной производительности при вскрытии. Испытание было выполнено при различных продолжительностях выдержки без крышки, включающих 2 секунды, 6 секунд, 14 секунд и 1 минуту. Диапазоны, представленные в Таблице 2, представляют собой суммирование прокачек в различных тестах. Должно быть понятно, что чернила, характеризующиеся меньшими диапазонами готовности к печати в открытом состоянии, имели лучшие характеристики готовности к печати в открытом состоянии (decap), чем таковые чернила, которые проявляли увеличенные диапазоны. В общем, поверхностно-активные вещества классов 1 и 2 (каковые оба определены выше) показали себя как обеспечивающие отличные характеристики готовности в печати в открытом состоянии. Поверхностно-активные вещества, не относящиеся ни к одному из классов 1 и 2, отмечены в Таблице 2 знаком «X».

Еще один состав чернил был составлен с разнообразными анионными связующими средствами (показанными в Таблице 3). Каждый сорт чернил включал около 9% 1,2,6-гексантриола, около 0,7% Surfynol SEF, около 0,5% Crodafos N3, около 0,1% Zonyl FSO и около 3% самодиспергирующегося черного пигмента.
Таблица 3Оптическая плотность, смазывание маркером и готовность к печати в открытом состоянии для чернил с различными анионными связующими средствами
Связующее в чернилах
Оптическая плотность черного цвета (KOD)
Смазывание при одном проходе (mOD)
Смазывание при двух проходах (mOD)
Результирующий диапазон готовности к печати в открытом состоянии
1,5% полиуретана-А (молекулярная масса MW=180000)
1,39
23
120
5
1,5% полиуретана-В (молекулярная масса MW=25000)
1,39
80
195
5
Нет
1,31
115
215
17
1,5 Joncryl 586
1,38
120
238
5

Первый сорт чернил, составленный с полиуретаном с высокой молекулярной массой (PU-A), обеспечивал превосходные характеристики устойчивости к смазыванию маркером, в то же время проявляя эквивалентные или улучшенные параметры готовности к печати в открытом состоянии при сравнении со вторым сортом чернил (составленным с полиуретаном с низкой молекулярной массой (PU-B)), третьим сортом чернил (без дополнительного связующего) и четвертым сортом чернил (с Joncryl 586, стирол-акриловым полимером с низкой молекулярной массой).
Оптическая плотность черного цвета и характеристики смазывания в Таблице 3 являются усредненными для четырех типов обычных офисных листовых бумаг. Показатели «смазывания в одном проходе» представляют собой перенос чернил на незапечатанную область бумаги в результате действия обычного офисного флуоресцентного фломастера-маркера для выделения текста, которым однократно проводилась полоса поперек запечатанной области. «Смазывание за два прохода» представляет собой аналогичный перенос чернил на незапечатанную область бумаги, вызванный двумя прочерчиваниями обычным маркером поперек напечатанных образцов, быстро следующими друг за другом. Должно быть понятно, что увеличенные значения смазывания говорят о худшей устойчивости.
Должно быть понятно, что термин «результирующий диапазон готовности к печати в открытом состоянии» в Таблице 3 означает количество прокачек, использованных для очистки незакрытых форсунок для того, чтобы их характеристики выброса по существу соответствовали их первоначальной производительности при вскрытии. Испытание было выполнено при различных продолжительностях выдержки без крышки, включающих 2 секунды, 6 секунд, 14 секунд и 1 минуту. Диапазоны, представленные в Таблице 3, представляют собой суммирование прокачек в различных тестах. Должно быть понятно, что чернила, имеющие меньшие диапазоны готовности к печати в открытом состоянии, имели лучшие характеристики готовности к печати в открытом состоянии (decap), чем таковые чернила, которые проявляли увеличенные диапазоны.
Варианты воплощения чернильной композиции и системы преимущественно включают полиуретаны с высокой молекулярной массой для увеличения устойчивости, в то же время также включая конкретные комбинации растворителя и поверхностно-активного вещества для улучшения работоспособности.
В то время как были подробно описаны некоторые варианты исполнения, квалифицированным специалистам в этой области техники будет понятно, что раскрытые варианты исполнения могут быть модифицированы. Поэтому вышеприведенное описание должно рассматриваться скорее как примерное, нежели как ограничивающее.