改良型噴墨油墨的制作方法

專利名稱：改良型噴墨油墨的制作方法
發明的領域本發明涉及油墨，更具體地涉及適用于需在選定頻率下操作的噴墨印刷裝置的油墨。
發明的背景油墨通常是溶解有染料的液體。油墨也可認為是由液體和分散于其中的顆粒所組成。與寫作墨不同的機墨的實際組合物取決于此類油墨的使用方法。
在目前的使用中，有兩種基本類型的油墨噴射應用技術。據知，第一種類型為連續式油墨噴射，第二種類型是脈沖式油墨噴射。
在連續性油墨噴射體系中，施加靜壓力于液墨，使其穿過噴嘴，結果產生墨滴。噴嘴上可施加例如壓電振動，引起有規則地噴射出液滴。在將要噴出液滴時，液滴可以是導電性荷電和/或帶電化學荷電，接著穿過產生恒定靜電場的電極，引起這些液滴偏離。因此，控制所需液滴至基質，并移離不需要的液滴。由于荷電需要，油墨必須是導電的。此種油墨可以是水或者溶劑為基體，著色劑可以是顏料或可溶性染料。
在脈沖式油墨噴射體系中，在鄰近于噴嘴的油墨內，借助所產生的壓力擾動，僅按照需要形成液滴。壓力的施加可用壓電晶體或熱的作用而產生，熱的作用中由電阻加熱器產生微泡。典型油墨是水基型的，采用染料作為著色劑，該方法也并不排除采用溶劑及顏料。由于并不需要液滴帶電，不存在對油墨導電性的特殊要求。
脈沖式體系的更具體實例是熱熔油墨噴射技術。該技術要求類似于壓電液滴，不同之處是，室溫下油墨是固體，而在印刷端部保持高溫，于是在操作條件下油墨是液體。還有一方面，不需要適合于某些設備性能標準的油墨導電性。
采用小型電機閥產生液滴的最終體系稱為閥噴射過程。從本質上講，這是一種微型噴射槍體系，這種體系比真正的油墨噴射技術產生大得多的液滴。液滴依靠機械產生，故不要求油墨的導電性。
由于液滴形成取決于噴嘴直徑，所以從可達到的分辨率方面來說，上述工藝受到限制。所用的最小噴嘴的直徑范圍是7.5到10微米，它產生的液滴是14至20微米的數量級，在選定紙張上液滴轉化成30至40微米大小的圓點。而且，在這些小型噴嘴式噴墨印刷機上所用的油墨是基于水溶性染料，這是由于顏料基的油墨會引起噴嘴堵塞問題。因此，排除了顏料配方的優點，這些優點指較佳的耐水性、耐曬性和可供使用的顏色范圍較寬。
靜電油墨噴射是又一種技術，其特征是在靜電場影響下從噴嘴中排出液滴。在閥電極和噴嘴之間的這種場作用，將油墨內部的自由電荷吸引到它的表面，于是在靜電吸引超過油墨的表面張力時，就形成液滴。由于這種技術憑籍自由電荷的吸引力，因此就要求油墨是導電的。
澳大利亞Pty Ltd研究實驗室于1993年6月24日公開的WOA9311866上描述了一項新型油墨噴印技術。這種方法提供一種顆粒物濃度高和大小可變的油墨液滴的產生方法。這種方法的特點包括，當仍用顏料作為著色材料時，能形成小至幾微米的液滴。其原因在于，液滴大小主要是由噴射點的電壓和顆粒帶電能力所控制，而不是由噴射油墨的噴嘴大小所控制。而且，著色材料明顯地濃集在噴出的液滴之中。因此，以耐光和耐水顏料為基礎，可產生高分辨率和高密度圖象。
本發明涉及可用于上述新型油墨噴印工藝的油墨，其中所形成的噴射液滴主要是固體著色劑，僅包含少量液體。尤其是，在液滴噴射時這種油墨具有濃集色物所必需的特性。
本發明的油墨噴射型油墨還具有易于用來產生高分辨標記的性質。這部分是由于噴墨印刷機產生的固有小液滴，以及由于在液滴內濃集著色劑顆粒而減少毛細作用和滲色的傾向。
當將印刷端部技術和油墨與所需印刷速度相匹配時以及例如當將印刷端部中多種油墨用于彩色印刷時，形成液滴時的頻率可能是一個重要的考慮因素。
現已發現，似乎有許多因素影響使用WO-A-9311866中所揭示的印刷技術形成液滴的特征頻率。雖然其中某些因素是不易改變的，但現已發現油墨組合物的改良可明顯影響液滴形成的頻率。
本發明的一個目的是生產適用于所選定的液滴形成頻率的噴墨油墨。
一般而言，本發明將論述有關用油墨的印刷，然而應看到，本發明并不局限于此，而可用于很多需要以特定的速度施加或給予可載于液體中的細顆粒物的應用中。發明的概述因此，一方面，雖然不是唯一或最廣義的形式，但本發明涉及一種適于在選定頻率下操作的液滴型靜電印刷機所用的油墨，這種油墨適于在選定的頻率下聚集并從印刷機的噴射部位噴射出來，所述的油墨包括非導電性液體、不溶性可荷電標記顆粒和顆粒的流動性改性劑(mobility modifier)，所述流動性改性劑是適于與荷電顆粒相互作用或吸附在荷電顆粒上的化合物，所述的化合物能改變顆粒的荷電性以及顆粒的電荷/質量比，改變油墨中流動性改性劑的含量能使油墨液滴在選定的頻率下聚集和噴射。
另一方面，本發明涉及使靜電噴墨設備中油墨的液滴形成特征頻率與噴墨設備中所需液滴形成頻率相匹配的方法，其特征在于這種油墨含有非導電性的液體和不溶性的顏料顆粒，該油墨的液滴形成特征頻率取決于顏料顆粒和該液體的流變性，所述方法包括加入選定量的流動性改性劑的步驟，所述流動性改性劑是適于加入該液體中并改變所述顆粒的荷電性以及電荷/質量比的化合物。
第三方面，本發明涉及匹配多重噴射點靜電印刷機的每個噴射點處的液滴形成速率的方法，所述的印刷機適于從選定的噴射點噴射不同顏色的油墨，而且視油墨的不溶性可荷電標記顆粒的特性和每種油墨液體部分的流變性不同，每種油墨具有不同的液滴形成特征頻率，該方法包括在每一種油墨中加入選定量的用于改變液滴形成特征頻率的流動性改性劑的步驟，以使每一種油墨的液滴形成頻率基本上相同。
油墨中流動性改性劑的用量為0.05-20％重量。所述的流動性改性劑可選自可溶解于或可部分溶解于載體液體并有助荷電過程的任何物質。優選實施方案的描述所述的液體可以是任何具有上述特性的合適液體，而且可包括脂族烴(如己烷、環己烷、異癸烷、Isopar(Exxon公司制造)和Shellsol T(Shell公司制造))、芳族烴(如二甲苯、甲苯和Solvesso 100(Exxon公司制造))、氯化溶劑(如diethylenechloride和氯仿)、硅氧烷液體或油(如二甲基聚硅氧烷(如Dow Corning公司制造的DC 200)和環狀二甲基聚硅氧烷(如Dow Corning公司制造的DC 345))以及植物油(如橄欖油、紅花油、葵花油、大豆油和亞麻子油)。
標記顆粒可以是顏料、不溶性的染料、聚合物或其混合物，或者它可以是一種藥物。它在油墨中的濃度為0.5-30％重量，3-20％更佳。令人驚奇的是可以成功地使用固含量這樣高的噴墨油墨，從而減少了配制和儲存成本。因此，對于給定的固體容量而言可以使用較小的容器、泵和油墨筒。
流動性改性劑可以是羧酸的金屬鹽、金屬皂、脂肪酸、卵磷脂、有機磷化合物、琥珀酰亞胺、硫代琥珀酸鹽(sulphosuccinate)或其混合物。或者，流動性改性劑可以是可溶或部分可溶的樹脂，如改性的松香酯、丙烯酸樹脂、乙烯基樹脂、烴或其混合物。流動性改性劑的濃度范圍可以為0.05-20％重量，優選的范圍為0.1-10％重量。
人們將會認識到，本發明油墨的重要特征之一是油墨的液體部分基本上是非導電性的，因此，流動性改性劑的最大用量必須不能將液體的導電性減少至不能形成可控制液滴的程度。
不溶于該液體的標記顆粒可以根據具體的用途進行選擇，而且可由各種著色劑、聚合物和化學藥品或其混合物制成。適用于油墨的著色劑的例子是有機顏料，如顏料黃1、顏料黃14、顏料紅48∶2、顏料紅122、顏料藍15∶3和顏料藍56；無機顏料，如顏料白6、顏料黃35、顏料藍27、顏料黑7和顏料黑11；溶劑染料，如溶劑紅7、溶劑黃88、溶劑藍49、基本紅1和基本藍26；及金屬顏料，如顏料金屬1和顏料金屬2。
適用于油墨中作為顆粒的聚合物是環氧樹脂，如雙酚A環氧化物、酚醛環氧樹脂和脂環族環氧樹脂；丙烯酸樹脂，如丙烯酸和丙烯酸酯的聚合物和共聚物、甲基丙烯酸和甲基丙烯酸酯的聚合物和共聚物；乙烯基樹脂，如乙酸乙烯酯、氯乙烯、乙烯醇和乙烯丁醛的聚合物和共聚物；醇酸樹脂，如油、酚醛樹脂和松香改性醇酸樹脂；及改性松香酯，如二聚季戊四醇松香酯。這些聚合物可以是染料，或者包括以此分散的顏料。
適用于油墨中作為顆粒的化學品的實例是藥物，如乙酰水楊酸、蔗糖和抗壞血酸；農業化學品，如氧氯化銅和元素硫以及工業化學品。組合物中標記顆粒的濃度為0.5-30％重要。
此外，可將液體中溶解或部分溶解的樹脂和聚合物用來將標記顆粒分散于液體中，并且起著上述標記顆粒對基質的粘合劑功能。適宜的樹脂實例包括某些與上面所列的樹脂相類似的改性松香酯，丙烯酸樹脂和乙烯基樹脂，但不包括那些具有能增加液體中溶解度的較長烷基的樹脂。此外，諸如α-甲基苯乙烯和聚異丁烯等烴類樹脂也適用。
流動性改性劑可以是可溶解于或部分溶解于液體中并有助于荷電過程的任何物質。這種流動性改性劑包括金屬鹽，如庚酸的鋰、鎘、鈣、鎂和錳鹽；辛酸的鋯、鋁、鈷和錳鹽以及2-乙基己酸的鋯、鋁、鈷和鎂鹽；脂肪酸；卵磷酯；有機磷化合物；琥珀酰亞胺；硫代琥珀酸鹽，如二己基硫代琥珀酸鈉和二辛基硫代琥珀酸鈉；及極性溶劑，如醇、酮和酯。已發現，起著顆粒分散和粘合劑作用的上述可溶性聚合物和樹脂也起到改進流動性的作用。重要的是添加到配方中的流動性改性劑的量并不使油墨電阻率值降低到109歐姆·厘米的極限之外。此種流動性改性劑在油墨中的作用尚未被充分理解，但是可以相信，當噴射部位或噴射部位附近存在明顯梯度的非均勻靜電場時，流動性改性劑有助于顆粒帶電，從而促進荷電顆粒在非導電性液體中形成團粒。油墨組合物中流動性改性劑的濃度可以為0.05-20％重量。
將所述標記顆粒和其它上述組份分散于液體中，可制備出本發明的噴墨油墨。制備這種油墨可利用眾多方法，如球磨機，磨碎機，膠磨機，三輥磨機，珠磨機和高速分散機。或者可通過液體中顆粒的聚合形成顆粒。
對于噴墨型印刷機所用的已有油墨配方而言，載體液體中顆粒的流動性已不再是一個重要的因素，因為對液滴內的顆粒流動性已不存在任何要求，而只存在對整個液滴流動性的要求。這是因為對過液滴形成過程中的顆粒濃度不曾提出過任何要求和揭示。
如果用PCT專利申請WO-A-9311866中所述的新技術將油墨中的顆粒團粒用于產生密集的標記顆粒，則液體中顆粒的流動性是重要的。如果選定量的顆粒形成團粒需花較長的時間，則液滴形成的頻率將不會象另一種顆粒已有較高流動性的油墨配方一樣高。現已發現，對于特定的油墨噴射油墨液滴的特征頻率取決于油墨配方和組合物。這不僅包括不溶性標記顆粒的類型，而且包括顆粒的大小和形成方法(如研磨這些顆粒)。具體地說，現已發現改變配方中流動性改性劑的用量，可以改變液滴形成的特征頻率。
雖然與這種關系有關的確切機理還不清楚，但可以認為增加流動性改性劑的用量可以增加不溶性顆粒的電荷/質量比。因此，當施加電場時，油墨載體液體中不溶性顆粒獲得更高的流動性，這就使其以更快的速率聚集至可以噴射的尺寸，因此產生更高的噴射頻率。
油墨顆粒在施加電場的作用下通過油墨載體液體的流動性可用如下公式表示。
μ＝q/6πηr式中μ表示流動性，q表示顆粒電荷，η表示介質的粘度，r表示顆粒的半徑。
顆粒荷電的機理同樣也不完全清楚，它取決于所用化學品的性質。例如據認為，當溶解于非水液體中時，金屬羧酸鹽流動性改性劑形成反膠束(inversemicell)。然后在油墨顆粒和反膠束之間發生離子交換，當油墨顆粒帶正電荷時，反膠束帶負電荷并用作抗衡離子。
總的結果是在顆粒上產生了增電荷(increase charge)，因此在一組給定的條件下提高了顆粒的流動性。
本發明實際應用是將不同顏色油墨用于彩色印刷過程的多重噴射部位印刷端部中。視所用的顏料不同，各種油墨的液滴形成特征頻率的差別高達六倍。通過提高“較慢”油墨的液滴形成特征頻率和降低“較快”油墨的液滴形成特征頻率，可以使每一種油墨以基本上相同的速度聚集成團粒并噴射，從而避免了印刷圖像上不同顏色的重合問題。
本發明油墨的應用實例是形形色色的，包括辦公室印刷機，組分標記，磁墨字母識別，標記集成電路、標記玻璃和陶瓷、標記金屬和合金，食品標記，紡織印染、用作膠印模板的印刷板的制作。應該認識到所推存的最終用途將決定各種組分的選擇。
本發明油墨組合物也可用于藥物直接給予動物或人體，或當希望施用正確劑量藥物時加到基質如惰性藥片。選擇液滴形成特征頻率或速率就可以精確地配藥。
實施例以上，一般性地敘述本發明，為了有助于理解本發明，下面將論述油墨配方實施例以及通過改變流動性改性劑的用量改變液滴形成特征頻率。實施例1-6油墨濃縮物1Hostaperm Pink E 40gPOA-24gIsopar L 356g將以上的組分加入到球罐中，研磨2天，制備品紅色油墨濃縮物。
然后制備如下的油墨分散體。實施例 油墨濃縮物1(g) 6％ Nuxtra鋯(g) Isopar G(g)1 10.0 0.1 89.92 10.0 0.2 89.83 10.0 0.3 89.74 10.0 0.5 89.55 10.0 2.0 88.06 10.0 5.0 85.0在PCT/AU92/00665中所述的油墨噴印裝置中試驗這些實施例，在高級復印紙上印刷圖象，并觀察如下的性能。實施例 流動性改性劑(％) 點頻率(kHz) 點尺寸(μm)1 0.1 1.5 602 0.2 4.5 503 0.3 7.0 404 0.5 8.0 305 2.0 10.0206 5.0 15.015實施例1-6說明如何通過改變流動性改性劑(辛酸鋯)的用量來控制油墨的頻率。在一種可能的組合中，實施例1的油墨可適用于單色圖表記錄器(操作頻率為1kHz，記錄紙速為60毫米/秒)。另一種組合中，實施例3的油墨可適用于單色系列印刷機裝置(操作頻率為7kHz，分辨力為600dpi)。
Isopar G和Isopar L是由Exxon化學公司制造的異鏈烷烴溶劑，HostapermPink E(CI顏料紅122)是由Hoechst AG制造的。
FOA-2是由杜邦公司制造的石油添加劑。
6％Nuxtra鋯是石油溶劑中的辛酸鋯溶液(由Huels America Inc.制造)。實施例7Monolite黃GNA 40gFOA-2 4g6％ Nuxtra鋯8gIsopar L348g將以上的組分加入到球罐中，研磨2天，制備黃色油墨濃縮物。然后用IsoparG按1∶10的比例將該濃縮物稀釋成流動性改性劑含量為0.2％重量的油墨分散體。實施例8Microlith黑CT 40gReflex蘭3G 10gFOA-2 4g6％Nuxtra鋯 40gIsopar L306g將以上的組分加入到球罐中，研磨2天，制備黑色油墨濃縮物。然后用IsoparG按1∶10的比例將該濃縮物稀釋成流動性改性劑含量為為1.0％重量的油墨分散體。實施例9Hostaperm Pink E40gFOA-2 4g6％ Nuxtra鋯12gIsopar L344g將以上的組分加入到球罐中，研磨2天，制備品紅色油墨濃縮物。然后用IsoparG按1∶10的比例將該濃縮物稀釋成流動性改性劑含量為0.3％重量的油墨分散體。實施例10Irgalite蘭LGLD40gFOA-2 4g6％Nuxtra鋯 40gIsopar L 316g將以上的組分加入到球罐中，研磨2天，制備深蘭色油墨濃縮物。然后用IsoparG按1∶10的比例將該濃縮物稀釋成流動性改性劑含量為1.0％重量的油墨分散體。
在PCT/AU92/00665中所述的油墨噴印裝置中試驗實施例7-10中所述的油墨，在高級復印紙上印刷圖象，并觀察如下的性能。實施例 點頻率(kHz)點尺寸(μm)78 4088 4097 4010 7 40這組四種油墨適用于四色臺式印刷機(操作頻率為7kHz，分辨力為800dpi)。
Monolith黃GNA(CI顏料黃1)由ICI Australia制造，Irgalite蘭LGLD(CI顏料蘭15∶3)由Ciba-Geigy公司制造，Microlith黑CT(CI顏料黑7)由Ciba-Geigy公司制造，Reflex蘭3G(CI顏料蘭18)由Hoechst AG制造。
由此可知，按照本發明可以配制適于在選定頻率下噴射的噴墨印刷機液體油墨或多色印刷液體油墨，加入流動性改性劑可以使每一種顏色的噴射頻率與所選的值相匹配。
除了另作要求的內容，在本說明書和所附的權利要求書中的“包括”一詞被理解為包括所述的組份或組份組，但不排除任何其它的組份或組份組。
權利要求
1.一種適于在選定頻率下操作的液滴型靜電印刷機所用的油墨，所述油墨適于在選定的頻率下聚集并從印刷機的噴射部位噴射出來，所述的油墨包括非導電性液體、不溶性可荷電標記顆粒和顆粒的流動性改性劑，所述流動性改性劑是適于與荷電顆粒相互作用或吸附在荷電顆粒上的化合物，所述的化合物能改變顆粒的荷電性以及顆粒的電荷/質量比，改變油墨中流動性改性劑的含量能使油墨液滴在選定的頻率下聚集和噴射。
2.如權利要求1所述的靜電印刷機所用的油墨，其特征在于所述的流動性改性劑選自羧酸的金屬鹽、金屬皂、脂肪酸、卵磷脂、有機磷化合物、琥珀酰亞胺、硫代琥珀酸鹽、可溶或部分可溶的樹脂，如改性的松香酯、丙烯酸樹脂、乙烯基樹脂、烴或其混合物。
3.如權利要求1所述的靜電印刷機所用的油墨，其特征在于所述的流動性改性劑選自庚酸的鋰、鎘、鈣、和錳鎂鹽；辛酸的鋯、鋁、鈷和錳鹽以及2-乙基己酸的鋯、鋁、鈷和錳鹽。
4.如權利要求1所述的靜電印刷機所用的油墨，其特征在于流動性改性劑的用量為0.05-20％重量。
5.如權利要求1所述的靜電印刷機所用的油墨，其特征在于流動性改性劑的用量為0.1-10％重量。
6.如權利要求1所述的靜電印刷機所用的油墨，其特征在于非導電性液體選自脂族烴、芳族烴、氯化溶劑、硅氧烷液體或油以及植物油。
7.如權利要求1所述的靜電印刷機所用的油墨，其特征在于不溶性標記顆粒選自顏料、不溶性染料、聚合物或其混合物。
8.如權利要求5所述的靜電印刷機所用的油墨，其特征在于油墨中不溶性標記顆粒的濃度為0.5-30％重量。
9.如權利要求7所述的靜電印刷機所用的油墨，其特征在于油墨中不溶性標記顆粒的濃度為3-20％重量。
10.如權利要求1所述的靜電印刷機所用的油墨，其特征在于它還包括粘合劑，所述的粘合劑選自改性的松香酯、丙烯酸樹脂、乙烯基樹脂、烴類樹脂，如α-甲基苯乙烯和聚異丁烯。
11.如權利要求1所述的靜電印刷機所用的油墨，其特征在于油墨的電阻率至少為109歐姆·厘米。
12.一種使靜電噴墨設備中油墨的液滴形成特征頻率與噴墨設備中所需液滴形成頻率相匹配的方法，其特征在于所述油墨含有非導電性的液體和不溶性的顏料顆粒，該油墨的液滴形成特征頻率取決于顏料顆粒和該液體的流變性，所述方法包括在所述油墨中加入選擇數量的流動性改性劑的步驟，所述流動性改性劑是適于加入所述液體中并改變所述顆粒的荷電性以及電荷/質量比的化合物。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于所述的流動性改性劑選自羧酸的金屬鹽、金屬皂、脂肪酸、卵磷脂、有機磷化合物、琥珀酰亞胺、硫代琥珀酸鹽、可溶或部分可溶的樹脂，如改性的松香酯、丙烯酸樹脂、乙烯基樹脂、烴或其混合物。
14.如權利要求12所述的方法，其特征在于所述的流動性改性劑選自辛酸鋯、庚酸的鋰、鎘、鈣、鎂和錳鹽；辛酸的鋯、鋁、鈷和錳鹽以及2-乙基己酸的鋯、鋁、鈷和錳鹽。
15.如權利要求12所述的方法，其特征在于所述流動性改性劑的用量為0.05-20％重量。
16.如權利要求12所述的方法，其特征在于所述流動性改性劑的用量為0.1-10％重量。
17.一種匹配多重噴射點靜電印刷機的每個噴射點處的液滴形成速率的方法，所述的印刷機適于從選定的噴射點噴射不同顏色的油墨，而且視油墨的不溶性可荷電標記顆粒的特性和每種油墨液體部分的流變性不同，每種油墨具有不同的液滴形成特征頻率，該方法包括在每一種油墨中加入選定量的用于改變液滴形成特征頻率的流動性改性劑的步驟，以使每一種油墨的液滴形成頻率基本上相同。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述的流動性改性劑選自羧酸的金屬鹽、金屬皂、脂肪酸、卵磷脂、有機磷化合物、琥珀酰亞胺、硫代琥珀酸鹽、可溶或部分可溶的樹脂，如改性的松香酯、丙烯酸樹脂、乙烯基樹脂、烴或其混合物。
19.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述的流動性改性劑選自辛酸鋯、庚酸的鋰、鎘、鈣、鎂和錳鹽；辛酸的鋯、鋁、鈷和錳鹽以及2-乙基己酸的鋯、鋁、鈷和錳鹽。
20.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述流動性改性劑的用量為0.05-20％重量。
21.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述流動性改性劑的用量為0.1-10％重量。
全文摘要
本發明公開一種適于在選定的液滴形成頻率下操作的液滴型靜電印刷機所用的油墨，該油墨包括非導電性液體、不溶性可荷電標記顆粒和顆粒的流動性改性劑，所述改性劑是適于與荷電顆粒相互作用或吸附在荷電顆粒上的化合物，并能改變顆粒的荷電性以及顆粒的電荷/質量比。本發明也包括一種使靜電噴墨設備中油墨的液滴形成特征頻率與噴墨設備中所需液滴形成頻率相匹配的方法以及一種匹配多重噴射點靜電印刷機的每個噴射點處的液滴形成速率的方法。
文檔編號C09D11/10GK1158630SQ95195313
公開日1997年9月3日 申請日期1995年9月28日 優先權日1994年9月29日
發明者S·L·尼科爾斯, J·T·奧爾斯頓 申請人:特恩杰特有限公司