專利名稱：水性油墨組合物、其制備方法、以及使用其的噴墨記錄方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠在噴嘴中穩(wěn)定噴射一段持續(xù)時(shí)間的水性油墨組合物、其制備方法、以及使用其的噴墨記錄方法。更具體地說，本發(fā)明涉及能夠在噴墨記錄過程中穩(wěn)定地由噴墨嘴噴出的水性油墨組合物，以及一種用于制備具有改進(jìn)噴射性能的油墨的方法。
噴墨記錄單元安裝在計(jì)算機(jī)終端、打印計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)、或類似設(shè)備上。噴墨記錄單元的打印性能主要由油墨的性質(zhì)和質(zhì)量所決定。例如，如果油墨組分隨著水分從油墨中揮發(fā)出去而凝聚，或者，如果一種形成經(jīng)過噴墨頭的油墨通道的物質(zhì)發(fā)生溶解并沉淀在油墨中，那么噴墨嘴就將阻塞，進(jìn)而不能噴射出墨滴。
JP-A-9-123437介紹，向油墨組合物中加入尿素可提高保水性能。按照該公開技術(shù)，通過抑制水分揮發(fā)可防止油墨組合物發(fā)生凝聚。另外，對于組成經(jīng)過噴墨頭的油墨通道的物質(zhì)來說，提高其溶解性可防止該物質(zhì)發(fā)生沉淀。盡管向油墨組合物中加入尿素可有效防止噴墨堵塞，但現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，尿素由于分解而有害地改變了油墨組合物或其物理性能。當(dāng)含尿素的油墨組合物經(jīng)過高溫或持續(xù)中溫時(shí)，可導(dǎo)致打印質(zhì)量變差。因此，如JP-A-5-17714中所公開的，已經(jīng)提出不僅向油墨組合物中加入尿素，而且還加入銨離子，這樣可抑制尿素的分解作用。
然而，在將尿素加入包含偶氮染料作為著色劑的油墨組合物中時(shí)，還有另一個(gè)導(dǎo)致打印性能降低的原因。即，油墨組合物容易被油墨通道中的氮?dú)膺^飽和化。這樣，該組合物在經(jīng)受震動(dòng)，如噴射-壓力震動(dòng)時(shí)容易形成氣泡。這時(shí)，噴墨能就被氣泡部分吸收，導(dǎo)致不能穩(wěn)定噴墨。
一方面，本發(fā)明提供了包含偶氮染料和尿素的水性油墨組合物，它可在防止使用時(shí)形成氣泡的情況下，保持較高的打印性能。
另一方面，本發(fā)明提供了一種用于制備這種水性油墨組合物的方法。
另一方面，本發(fā)明提供了一種使用該水性油墨組合物的噴墨記錄方法。
在一些優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種包含尿素、著色劑(包括偶氮染料)、和水的水性油墨組合物。這種優(yōu)選組合物的溶解銨離子濃度不大于200ppm，且溶解氮?dú)夂坎淮笥?ppm。
本文所用的術(shù)語“尿素”不僅包括尿素本身，而且還包括其類似物如硫脲。本文所用的術(shù)語“水性油墨”不僅指包含水作為唯一溶劑的油墨，而且還指包含混合溶劑，如水與水溶性有機(jī)溶劑的那些油墨。語句“包含尿素、著色劑(包括偶氮染料)、和水”意味著，該油墨可包含其它組分，如粘度調(diào)節(jié)劑和防銹劑，如果需要的話。
除非另有定義，本文所用的所有科技術(shù)語具有本發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的相同含意。雖然與本文所描述的類似或等同的方法和物質(zhì)可用于本發(fā)明的實(shí)踐和試驗(yàn)中，但以下還必須描述各種合適的物質(zhì)和方法。本文所提及的所有出版物、專利申請、專利和其它文件都整個(gè)地并入本發(fā)明。在出現(xiàn)矛盾時(shí)，本說明書(包括各種定義)將進(jìn)行調(diào)整。此外，各種物質(zhì)、方法和實(shí)施例僅用于說明，而非用于限定。
從以下的詳細(xì)描述、以及權(quán)利要求中，可顯然得出本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1顯示，銨離子濃度與氮?dú)馊芙庑栽谟湍M合物中的相互關(guān)系。
圖2是噴墨記錄單元的示意圖。
圖3是噴墨頭的部分橫截面。
圖4是用于制備水性油墨組合物的特殊方法的流程圖。
當(dāng)包含著色劑(包括偶氮染料)和尿素的水性油墨組合物經(jīng)受高溫或長期中溫時(shí)，偶氮染料會(huì)發(fā)生分解，生成分子氮(N2)，且尿素會(huì)發(fā)生分解，生成銨離子(NH4+)。當(dāng)油墨組合物的pH為7或更高時(shí)，銨離子可形成游離氨(NH3)。從銨離子濃度與氮?dú)馊芙庑灾g的關(guān)系中可以看出，隨著銨離子濃度的提高，可溶解于油墨中的氮?dú)饬肯陆?。因此，向包含偶氮染料的油墨組合物中加入尿素，雖然可有效防止噴嘴阻塞，但卻產(chǎn)生了氮?dú)獾倪^飽和作用，而且噴射震動(dòng)易導(dǎo)致形成氣泡。結(jié)果，用于噴墨的輸入能量被氣泡部分吸收，因此油墨不能進(jìn)行穩(wěn)定噴射。在本發(fā)明中，這種現(xiàn)象可通過控制起始溶解氮?dú)夂亢推鹗间@離子濃度而消除。因此，本發(fā)明提供了可保持高打印性能的水性油墨，其中溶解氮?dú)獠灰仔纬蛇^飽和，這樣就不易形成氣泡。
如下所述，銨離子濃度可通過向已制備油墨中吹入氮?dú)舛档汀Ａ硗?，銨離子濃度可通過調(diào)節(jié)所加尿素的量來控制，這樣可基本上防止生成氣泡。例如，當(dāng)所加尿素的量限制在約0.2-2.4重量％時(shí)，可將起始銨離子濃度保持在200ppm或更低，而不必進(jìn)行吹氮步驟。由于通過這種方式降低了銨離子濃度，所以氮?dú)馊芙庑钥杀３衷谝粋€(gè)較高的水平上。這樣，僅通過將已制備油墨脫氣以調(diào)節(jié)起始溶解氮?dú)夂恐?ppm或更低，就可在較長時(shí)間內(nèi)，避免在油墨中形成氣泡。雖然所加尿素的量應(yīng)該最小以防止形成氣泡，但最好加入至少約0.2重量％的尿素以防止噴嘴堵塞。
按照本發(fā)明的水性油墨可通過一種包括以下步驟的方法來制備a)向包含尿素、著色劑(包括偶氮染料)、和水的油墨組合物中吹入氮?dú)猓@樣可從該組合物中釋放出游離氨，同時(shí)降低溶解銨離子濃度；b)脫氣處理所得組合物以釋放出氮?dú)?；和c)用所得組合物灌注油墨容器。
總之，在油墨組合物的制備過程中，可通過使用氮?dú)鈦斫档弯@離子濃度，所述氮?dú)饪呻S后通過一個(gè)簡單操作，如用另一氣體(比如氬氣)進(jìn)行脫氣，或通過低壓處理該組合物而去除。這樣，在結(jié)束制備油墨組合物時(shí)，得到了一種具有低濃度溶解銨離子和低含量溶解氮?dú)獾乃杂湍M合物。由于銨離子濃度和溶解氮?dú)夂吭谄鹗茧A段都相當(dāng)?shù)?，所以，氮?dú)饧词乖谀蛩氐拇嬖谙乱膊灰仔纬蛇^飽和，而且在使用油墨時(shí)不易形成氣泡。這樣，按照本發(fā)明的水性油墨組合物可保持其高打印性能。
優(yōu)選地進(jìn)行吹氮步驟，直到已制備油墨組合物中的溶解銨離子濃度降至200ppm或更低。優(yōu)選地進(jìn)行脫氣步驟，直到已制備油墨中的溶解氮?dú)夂拷抵?ppm或更低。通過如此控制銨離子濃度和溶解氮?dú)夂?，結(jié)果在油墨組合物的典型使用期中，沒有看到因形成氣泡而產(chǎn)生的任何打印性能降低現(xiàn)象。
將已制備油墨的pH值優(yōu)選調(diào)節(jié)到約7-10，這樣，構(gòu)成噴墨頭中墨流通道一部分的硼硅玻璃就不會(huì)溶解。在該pH值范圍內(nèi)，銨離子可轉(zhuǎn)化成游離氨，而且可溶解于油墨的氮?dú)饬肯陆?，易造成氮?dú)獾倪^飽和。然而，按照本發(fā)明的油墨在使用時(shí)沒有氮?dú)膺^飽和現(xiàn)象，因?yàn)?，如上所述，起始銨離子和氮?dú)鉂舛纫呀档偷搅说退健?br> 雖然由于噴射操作而經(jīng)受了壓力震動(dòng)，但本發(fā)明的水性油墨組合物不會(huì)因此形成氣泡，所以它們也適用于噴墨記錄方法，其中油墨組合物由噴墨嘴噴射到記錄介質(zhì)上。即使噴墨嘴中油墨通道的一部分由硼硅酸鹽玻璃組成，該創(chuàng)造性油墨組合物中的尿素也可防止玻璃組分被沉淀物所包覆，進(jìn)而引起噴嘴堵塞。
圖2是噴墨記錄單元的示意圖。噴墨記錄單元1具有安裝在支架5上的噴墨頭2。支架5往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將字符和圖像打印到固定在卷筒6上的記錄紙7上。包含打印油墨組合物的墨槽(或油墨容器)9通過加料管8連接到噴墨頭2上。噴墨記錄單元1具有能夠包覆噴嘴頭2的蓋3，泵4通過排放管10連接到蓋3上。通過用包覆有蓋3的噴嘴頭2來操作泵4，氣泡和油墨從噴嘴頭2被吸引到蓋3上，然后將這種吸入油墨保存在蓋3的油墨吸收器(未給出)中，然后排放到用盡油墨儲(chǔ)槽11中。
雖然根據(jù)本發(fā)明油墨組合物的離架(off-carriage)型應(yīng)用，已經(jīng)描述了圖2所示的噴墨記錄單元，其中噴墨頭2和墨槽9是通過管連接的不同部件，但本發(fā)明油墨組合物同樣適用于聯(lián)架(on-carriage)型噴墨記錄單元，其中噴墨頭和墨槽整體模塑和安裝在支架上。由于本發(fā)明油墨通過抑制作用不會(huì)增加粘度和形成氣泡，所以根據(jù)記錄單元的應(yīng)用方式或條件，可以省略如圖2中用于噴墨記錄單元的包覆噴墨頭的蓋。
圖3是邊緣噴墨型噴墨頭2的部分橫截面。在邊緣噴墨頭中，墨滴通過靜電驅(qū)動(dòng)，由位于底邊的墨嘴噴射出來。噴墨頭2包括由玻璃制成的蓋板202，由p-型硅板制成的腔板203，和玻璃基材204。這些板按照圖示順序粘結(jié)在一起。在腔板203的邊緣形成多個(gè)流道，這樣可形成相同數(shù)目的噴嘴221。腔板203具有成型凹口。每個(gè)凹口都具有其底部用作震動(dòng)板205的壓力腔206。每個(gè)凹口后面有精密流道208，由凹口形成的油墨儲(chǔ)槽210可用于將油墨加料到單個(gè)的壓力腔206中。油墨儲(chǔ)槽210具有連接到油墨加料管8上的油墨加料孔224(圖2)，這樣油墨可由墨槽9加入其中(圖2)。所加油墨組合物開始儲(chǔ)存在墨槽210中。腔板203的較低面具有鏡面磨光，并連接到玻璃基材204上。玻璃基材204具有凹口，其中每個(gè)都在對應(yīng)于單個(gè)震動(dòng)板205的位置上用作震動(dòng)腔212。玻璃基材204的每個(gè)凹口都有一個(gè)朝向其相應(yīng)震動(dòng)板205的電極214。記錄信號(hào)由驅(qū)動(dòng)馬達(dá)傳輸?shù)诫姌O214，震動(dòng)板205在靜電力的作用下震動(dòng)，且震動(dòng)能可改變壓力腔206的內(nèi)壓力，由此將墨滴由噴嘴221噴出。
如果油墨組合物在噴墨頭2中被氮?dú)膺^飽和，那么就可因震動(dòng)，如噴射壓力震動(dòng)而產(chǎn)生氣泡。所形成的氣泡可吸收噴墨能，結(jié)果使得該油墨組合物不能穩(wěn)定噴射。特別根據(jù)圖2和3所示的靜電驅(qū)動(dòng)噴墨記錄體系，已經(jīng)描述了按照本發(fā)明的油墨組合物的應(yīng)用，其中包含油墨的壓力腔的能力隨著靜電力變化，噴出墨滴。以上討論的如形成氣泡之類的問題也存在于其它電-機(jī)械驅(qū)動(dòng)噴墨記錄體系，例如，其中油墨被加熱器煮沸，然后墨滴在所形成氣泡的壓力下噴出；以及例如其中，將電壓作用于連接到包含油墨的壓力腔的壓電元件上，使壓力腔膨脹和收縮，由此噴出墨滴。本發(fā)明油墨適用于任何這些體系，在氣泡形成等方面產(chǎn)生類似效果。圖4是按照本發(fā)明的工藝步驟的流程圖，其中包括步驟1-5。步驟1是稱量步驟，其中稱量出油墨組分。步驟2是混合步驟，其中在冷卻的同時(shí)，即，在室溫或低于室溫下，混合攪拌各稱量物質(zhì)。冷卻可在某種程度上抑制尿素分解以及銨離子生成，但不能完全避免因尿素部分分解而生成銨離子。例如，當(dāng)在室溫下制備具有以上組成的油墨組合物時(shí)，溶解銨離子濃度約為180ppm。
在步驟3中，將氮?dú)獯等牖旌衔镏幸葬尫懦鲇坞x氨(吹氮步驟)。部分銨離子在pH為7或更高時(shí)轉(zhuǎn)化成游離氨。在介質(zhì)中，通過吹氮，即用氮?dú)膺M(jìn)行過飽和處理可釋放出游離氨，這樣可降低溶解銨離子濃度約20-30％。
在步驟4中，減壓處理來自步驟3的混合物以去除氮?dú)?脫氣步驟)。在室溫下，在減壓環(huán)境(例如，10mmHg，約20秒)中，放置混合物，這樣可將溶解氮?dú)夂繙p少到5ppm或更低。
在步驟5中，將來自步驟4的混合物倒入油墨容器中，所述容器可以是罐、袋或筒。
在以下實(shí)施例中，將進(jìn)一步描述本發(fā)明，但這并不限制權(quán)利要求所描述的本發(fā)明的范圍。
在以下實(shí)施例中，通過提供一種不易被氮?dú)膺^飽和化的水性油墨組合物，可以闡明該油墨組合物和/或制備方法。
實(shí)施例1．水性油墨組合物的制備通過本發(fā)明方法制備的水性油墨組合物并不特別局限于配方組分和配方比率，只要它們包含尿素、著色劑(包括偶氮染料)、和水，且沒有作為抗衡離子的銨離子。以下給出了有用的油墨組合物的典型實(shí)施例。所有份數(shù)是以重量計(jì)的。
C.I.直接黑151(偶氮染料) 3.5份甘油11份2-吡咯烷酮 5份乙炔-二醇型表面活性劑 3.2份尿素 1.8份水 75.5份如此制備的水性油墨由于尿素而得以防止水份的揮發(fā)，因此不易造成，例如由油墨組分的凝聚而產(chǎn)生的噴嘴堵塞。此外，油墨組合物中的尿素可提高玻璃組分的溶解性，其中所述玻璃組分溶解于常用作油墨通道物質(zhì)的硼硅酸鹽玻璃。因此，溶解玻璃組分不易在噴嘴中沉淀，這樣可避免噴嘴堵塞。
在實(shí)施例1中，通過吹氮，將已制備油墨組合物的溶解銨離子濃度降低到200ppm或更低，而與尿素的配方比率無關(guān)。按照實(shí)施例1的油墨組合物在其使用期的開始階段，分別具有比5ppm和200ppm低得多的溶解氮含量和銨離子濃度水平。即使油墨中的尿素分解產(chǎn)生銨離子，由此降低了氮?dú)馊芙庑?，但在這種情況下，由偶氮染料產(chǎn)生的氮?dú)饬坎粫?huì)過飽和化該油墨。即，由于起始溶解氮?dú)夂亢推鹗间@離子濃度已降低到相當(dāng)?shù)偷乃缴?，銨離子，如果在使用油墨時(shí)因尿素分解而產(chǎn)生，其濃度也不會(huì)超過約800ppm。盡管水分從油墨中部分揮發(fā)出來，該油墨的氮?dú)夂恳部烧{(diào)節(jié)到約7ppm或更低。由于氮?dú)夂咳绱说?，所以不?huì)發(fā)生因氣泡而產(chǎn)生的打印缺陷。按照實(shí)施例1，氮?dú)饧词乖谀蛩氐拇嬖谙乱膊粫?huì)達(dá)到過飽和，這樣就不易形成氣泡。因此，在實(shí)施例1中得到的水性油墨組合物，在用于噴墨記錄單元時(shí)，可保持其高打印性能，而不必頻繁地進(jìn)行維修操作，如沖水、抽吸、沖洗等。
即使遵循了上述的油墨制備方法，各種實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，為了控制銨離子濃度以充分保證高保水性，尿素的優(yōu)選配方比率不超過2.4重量％。
實(shí)施例2．調(diào)節(jié)所加尿素的量盡管在實(shí)施例1中，水性油墨組合物的起始銨離子濃度已通過吹氮步驟降低到相當(dāng)?shù)偷乃缴?，但在?shí)施例2中，通過控制所加尿素的量來調(diào)節(jié)銨離子濃度。即，在包含尿素、著色劑(包括偶氮染料)、和水且沒有作為抗衡離子的銨離子的水性油墨組合物中，尿素含量被限定在約0.2-2.4重量％的范圍內(nèi)。制備出按照實(shí)施例1的典型油墨組合物。
由于尿素含量低至約0.2-2.4重量％，銨離子濃度不超過200ppm，所以可保持較高的氮?dú)馊芙庑?，而沒有如在實(shí)施例1中所進(jìn)行的吹氮步驟。
實(shí)施例3．尿素對油墨組合物穩(wěn)定性的影響在室溫下，制備出具有以下基本配方(所有份數(shù)是重量計(jì)的)的油墨A。
C.I.直接黑151(偶氮染料) 3.5份甘油 11份
2-吡咯烷酮 5份乙炔-二醇型表面活性劑 3.2份水 75.5份在室溫下，混合按照實(shí)施例1的油墨組合物的各組分，然后脫氣處理該混合物，得到已制備油墨組合物B，其起始銨離子濃度為200ppm或更低，且其起始溶解氮?dú)夂繛?ppm或更低。
在98℃下，通過向以上基本配方中加入4.8重量份的尿素制備出油墨C。分別用油墨A和油墨C灌注噴墨頭，然后在60℃下放置5天，其中噴墨頭的噴嘴未加蓋(通空氣)。隨后進(jìn)行打印。對于含有尿素的油墨C，沒有觀察到歸因于噴嘴堵塞的缺墨點(diǎn)現(xiàn)象，而對于沒有包含尿素的油墨A，則出現(xiàn)了缺墨點(diǎn)現(xiàn)象。用油墨C灌注噴墨頭，在60℃下放置9天，其中噴墨頭的噴嘴加蓋；然后在25℃和30％RH(相對濕度)下放置14天，其中噴墨頭的噴嘴未加蓋。當(dāng)隨后進(jìn)行打印時(shí)，在油墨中觀察到了氣泡的形成。
按照對油墨組合物A和油墨組合物C的相同方式，將油墨組合物B裝入噴墨頭中。在將噴墨頭于60℃下放置5天之后，進(jìn)行打印。結(jié)果，沒有觀察到歸因于噴嘴堵塞的墨點(diǎn)從打印基質(zhì)上的消失現(xiàn)象。即使在噴嘴加蓋的情況下，將裝入噴墨頭的油墨組合物B于60℃下放置9天；然后在噴嘴未加蓋的情況下，于25℃和30％相對濕度下放置14天，也能正常地進(jìn)行打印，而沒有在油墨中形成氣泡的任何跡象。
其它實(shí)施方案應(yīng)該理解，雖然已通過詳細(xì)說明對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但以上說明是用于說明而非限定所附權(quán)利要求的范圍。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以存在其它方面、優(yōu)點(diǎn)、和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1．一種水性油墨組合物，其中包含尿素；包括偶氮染料的著色劑；和水，其中該組合物的溶解銨離子濃度為200ppm或更低，且其溶解氮?dú)夂繛? ppm或更低。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的水性油墨組合物，其中所述尿素的濃度為約0.2-2.4重量％。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的水性油墨組合物，其中所述水性油墨的pH值為約7-10。
4．一種用于制備水性油墨組合物的方法，其中包括以下步驟向包含尿素、包括偶氮染料的著色劑、和水的油墨組合物中吹入氮?dú)?，這樣可從該組合物中釋放出游離氨；脫氣處理所得組合物以釋放出氮?dú)?；和用所得組合物灌注油墨容器。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中進(jìn)行吹氮步驟，直到該組合物的溶解銨離子濃度降低到200ppm或更低。
6．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中進(jìn)行脫氣步驟，直到該組合物的溶解氮?dú)夂拷档偷?ppm或更低。
7．一種通過權(quán)利要求4的方法制備的水性油墨組合物。
8．一種用于制備水性油墨組合物的方法，其中包括以下步驟制備出包含0.2-2.4重量％尿素、包括偶氮染料的著色劑、和水的混合物；脫氣處理該混合物，直到溶解氮?dú)庠谠摻M合物中的量小于5ppm；和用所得水性油墨組合物灌注油墨容器。
9．一種噴墨記錄裝置，它包括具有油墨通道的噴墨頭，所述油墨通道可將水性油墨組合物噴射到記錄介質(zhì)上；所述水性油墨組合物包含尿素；包括偶氮染料的著色劑；和水，其中該組合物的溶解銨離子濃度為200ppm或更低，且其溶解氮?dú)夂繛? ppm或更低。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的噴墨記錄裝置，其中所述噴墨頭的油墨通道的一部分是由硼硅酸鹽玻璃制成的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種包含尿素、偶氮染料著色劑、和水的水性油墨組合物,其中溶解銨離子和氮?dú)獾暮糠謩e低于200ppm和5ppm。該組合物在高溫下非常穩(wěn)定,因此延長了儲(chǔ)存時(shí)間,而且可產(chǎn)生優(yōu)異的打印質(zhì)量。本發(fā)明還公開了用于制備該創(chuàng)造性油墨組合物的方法、以及在噴墨記錄中使用該組合物的方法。
文檔編號(hào)B41M5/00GK1231314SQ9910288
公開日1999年10月13日 申請日期1999年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月2日
發(fā)明者向山惠一, 向井啟 申請人:精工愛普生株式會(huì)社