快干、不渗色喷墨打印油墨组合物 相关申请的参考文献
本申请与序列号为_______的申请有关，后者与PD-191644-1是共同提交的。那篇申请是关于保持耐水性的颜料基热喷墨组合物的渗色控制的。
【技术领域】
本发明涉及用于喷墨打印的油墨组合物，更具体说涉及干燥时间大大缩短而且印出的墨迹不渗色的喷墨打印油墨组合物。
背景技术
喷墨打印是一种非冲击式打印方法，其中油墨微滴按照电信号的控制沉积在诸如纸张、透明薄膜或纺织品等打印介质表面上。在热喷墨打印过程中，通过一个与储墨容器连通的注墨空间向位于小腔内的电阻元件供墨。在喷墨打印盒的印字头里按特定的图案排列着许多这样的电阻元件。每个电阻元件与喷嘴板里的一只喷孔相关联。操作时，每个电阻元件都同微处理器相连接，后者发出的信号指挥一个或多个电阻元件，从而使之迅速加热。产生热量在腔内产生汽泡，汽泡把油墨压过与元件对应的喷孔从而落在打印介质上面。许多这种电阻元件按特定顺序喷墨便在打印介质上生成字母一数字、涂满的区域以及其它图案。在压电式喷墨打印过程中，墨滴是由于压电晶体的振动而喷出地，同样是对微处理器产生的信号的响应。
喷墨打印机具有成本低、打印质量高和无噪音的特点。正因为如此，喷墨打印机已成为诸如比较昂贵的激光打印机等其它类型打印机的常用替代设备。与计算机配合工作而受到欢迎。但是，目前喷墨打印机在打印速度方面尚无法与激光打印机相匹敌，主要原因是，喷墨的油墨干得比较慢，而且也由于在打印机里安装的渗色控制算法使打印机放慢速度。具体说到渗色控制，喷墨式油墨当在纸层上印各种不同颜色时往往具有互渗的倾向。发生渗色时，不同的颜色不但在纸层表面而且深入其内部发生混合。针对这个问题，喷墨打印机通常采用渗色控制算法，旨在在不同颜色之间提供一条间隙并防止一种颜色侵入另一种颜色；可是，这样一来就减缓了打印速度。为了提高喷墨打印机的打印速度档次，应该改进喷墨油墨的干燥速度，最好同时也能影响渗色控制。
曾经试验过各种旨在改进喷墨的干燥速度的解决方案。一些方案涉及到改变油墨环境以加速油墨干燥。例如，曾采用加热的压字板及其他的热源来达到加速干燥的目的。但是，加热压字板提高了打印机的成本，通常不是成本效益好的办法。
其他解决方案涉及在喷出的油墨组合物里添加各种成分来达到快干的目的。例如，曾在染料基喷墨油墨组合物中加入表面活性剂，通过增加油墨渗入纸层的能力来达到缩短干燥时间；例如，可参见U.S.专利号5,106,416，题为“采用两性离子表面活性剂及阳离子染料减少渗色”，发明人John Moffatt等；U.S.专利号5,116,409，题为“减少喷墨油墨的渗色”，John Moffatt；以及U.S.专利号5,133,803，题为“控制渗色的高分子量胶体”，John Moffatt，全部转让给了本申请的同一受让人。值得指出的是，渗色控制也可以借助加入表面活性剂来达到。不过，在提高油墨渗透速率缩短干燥时间的时候，也可能由于表面活性剂的加入而出现不希望的边缘清晰度的降低。而且，据知，在喷墨油墨中加入表面活性剂对墨滴的射出特性有不利的影响。更具体地说，含表面活性剂的油墨因表面张力低，可能在打印头喷墨板表面形成糊状物，从而恶化了墨滴射出特性。为加速干燥还在油墨组合物中加入过短链醇类，但是依具体打印介质之不同，此种短链醇的加入使字边变得粗糙，在不同程度上恶化了打印质量。因此，通过加入表面活性剂和短链醇来缩短干燥时间，常常是以牺牲打印质量为代价的。
由此可见，人们需要一种用于喷墨打印的油墨组合物，它能一旦碰到打印介质便迅速变干并显著减轻渗色。但是为获得快干的同时，绝对不降低此油墨组合物的打印质量。
发明的公开
按照本发明，通过采用含有高沸点、不溶于水的、以两亲物使之在水溶液中加溶的有机化合物的油墨，缩短了以喷墨打印机将喷墨油墨组合物印到诸如纸、透明薄膜或纺织品等打印介质表面后的干燥时间。具体地说，本发明的油墨包括(a)至少一种染料；(b)至少一种高沸点不溶于水的有机化合物；(c)至少一种两亲物；以及(d)水。这里所用的“高沸点有机化合物”一词指的是一种有机化合物，其蒸汽压与水相比低到使正常喷墨打印时只有水从油墨中蒸发出来。值得指出的是，这种化合物既起溶剂的作用又起助溶剂的作用。
按本发明配制的喷墨油墨表现出干得快和渗色小的特点，同时字边清晰度可以通过选择两亲物得到控制。具体地说，借助独特采用的水溶助长剂，除干得快和渗色小之外还获得了字边清晰的优异打印质量。水溶助长剂是两亲物大类中的一个子类，其特点是能使水不溶性有机化合物变得能溶解，以致生成的各向同性溶液在相图中占有较大的面积并具有比采用表面活性剂配成的溶液来得大的表面张力。典型地说，如果希望打印在纸介质上的打印质量优异，则可以优选地采用一种水溶助长剂使不溶于水的有机溶剂加溶。另一方面，在某些场合，例如在纺织介质上打印时，激光打印质量可能是可接受的，这时可以使用表面活性剂来使不溶于水的有机化合物加溶。
值得注意的是，由于目前的油墨载色体既含有不溶于水的有机化合物又含有水，不论是溶于水的还是不溶于水的染料均可以用于实施本发明，不过由于其内在的耐水性，不溶于水的染料是优选的。
本发明的油墨可以用于各种喷墨打印机，例如连续、压电式控制滴墨打印机和热或汽泡喷射控制出墨打印机。实施本发明达到的快干和不需打印机帮助自身减轻渗色的特点使得喷墨打印机在减少渗色和保持良好字边清晰度从而提供高打印质量的同时，提高了其打印速度。
附图简述
仅有的一张附图是三元相图，表示用于含有溶剂、两亲物和水特定组合的喷墨油墨载色体的组成区间。
实施本发明的最佳方案
在实施本发明时，以喷墨打印机打印到诸如纸、透明膜或纺织材料等打印介质上之后，喷墨油墨组合物表现出的干燥时间，通过加入借助于两亲物而加溶于水溶液中的高沸点、不溶于水的有机化合物而缩短了。更具体地说，本发明的喷墨油墨组合物包括(a)至少一种染料；(b)至少一种高沸点、不溶于水的有机化合物；(c)至少一种两亲物；以及(d)水。两亲物存在的数量应使有机化合物完全溶解从而形成一种清澈、稳定的油墨溶液。
除非另有指明，本文所用浓度全部指重量百分数。所有成分的纯度与通常的喷墨油墨工业生产中使用的相同。
能用于实施本发明的染料既包括溶于水的染料，也包括不溶于水的染料。任何与喷墨打印相容的溶于水或不溶于水的染料均适用于本发明的实施。适用于实施本发明的水溶性染料的例子包括，但不限于，C.I.Acid Blue(酸性兰)9、C.I.Acid Red(酸性红)18、C.I.Acid Red27、C.I.Acid Red 52、C.I.Acid Yellow(酸性黄)23以及C.I.DirectBlue(直接兰)199，及其一价碱土离子，例如Na+、Li+、Cs+、NH4+的盐，以及取代铵盐。适合用于实施本发明的不溶于水的染料的例子包括，但不限于，Isol Yellow、Isol Red、Isol Orange、Isol Black以及Solvent Blue B，所有上述染料均可由Crompton & Knowles(Charlotte，North Carolina)获得商业供应。染料在油墨组合物中存在的量为约0.1-10％(重量)。
在本发明的实施过程中，不溶于水的有机化合物起着几个作用。首先，它作为喷墨笔要求的助溶剂。更具体地说，当喷墨打印机的笔不工作并暴露于大气中时，油墨载色体中的水份便会蒸发。油墨载色体中的这种高沸点化合物的存在防止了结壳与堵孔。所以，此有机化合物的蒸汽压应该比水蒸汽压低得多，以便在正常的喷墨打印操作中它不蒸发。其次，当实施本发明时选用不溶于水的染料的情况下，这种有机化合物组分还作为主要溶剂。
可以使用的有机化合物或油的例子包括，但不限于，不溶于水的单或聚二元醇醚；不溶于水的N-取代2-吡咯烷酮；单或聚二元醇酯；以及不溶于水的烃。通常，任何不溶于水的有机化合物或其混合物，只要能溶解所选的染料并且能被两亲物加溶的，都可用于实施本发明。不溶于水的有机化合物在室温下可以是液体，也可以是固体。可优选地用于实施本发明的不溶于水的有机化合物的具体例子包括，但不限于，单乙二醇及聚乙二醇苯基醚；单丙二醇和聚丙二醇苯基醚；以及乙二醇、丙二醇、聚乙二醇以及聚丙二醇的酯类，例如丙烯酸酯。不溶于水的有机成分的浓度可以是喷墨油墨组合物的约1-70％(重量)。
用于实施本发明的两亲物可以是任何两亲物或其混合物，只要它与此喷墨油墨组合物中其余的成分相容，并且能使高沸点不溶于水的有机化合物“溶解”在水里就可以。两亲物使不溶于水的有机化合物溶解于水中是通过将有机化合物分散成非常小的液滴并将这些液滴保持在稳定的分散系-微乳液中来实现的。普通非水溶助长剂类两亲物的表面活性剂的例子包括，烷基磺酸盐、苯磺酸盐、烷基苯磺酸盐、萘磺酸盐、氧化烷基胺、取代铵盐和非离子化合物。
较好的是，用于实施本发明的两亲物属于一类叫做“水溶助长剂”的两亲物。象两亲物类及一般地其它表面活性剂一样，水溶助长剂两亲物用来使不溶于水的有机化合物加溶在油墨组合物中。但是，此水溶助长剂两亲物不象使用其它表面活性剂时那样引起沉淀性表面张力下降，即在实施本发明的过程中使用水溶助长剂两亲物时油墨的表面张力下降的作用相对而言受到遏制。我们已经知道，由于油墨中含表面活性剂而带采表面张力的相对下降(如前面所描述)据知有时对喷射特性及打印质量具有负面的影响，然而使用水溶助长剂类两亲物则是有利的。水溶助长剂两亲物赋予油墨以快干和渗色轻的特点，不会有时常困扰含表面活性剂的油墨时会发生喷孔板面结壳或字边不清晰的问题。但是，在认为字边清晰不重要的场合，例如纺织材料上打印，则非水溶助长剂两亲化合物也可以使用。对于重视字边清晰度的场合，例如在纸上打印，则通常优选水溶助长剂两亲物。
水溶助长剂两亲物可以是阴离子、阳离子或非离子性的。适用于实施本发明的阴离子水溶助长剂两亲物的例子包括，但不限于，苯甲酸钠、水杨酸钠、苯磺酸钠、苯二磺酸钠、甲基苯磺酸钠、二甲苯磺酸钠、枯烯磺酸钠甲基、异丙基苯磺酸钠和肉桂酸钠。适用于实施本发明的阳离子水溶助长剂两亲物的例子包括，但不限于，对氨基苯甲酸盐酸盐、盐酸普鲁卡因和咖啡因。适用于实施本发明的非离子水溶助长剂两亲物的例子包括，但不限于，间苯二酚、焦棓酚。
任选地，还可以在本发明喷墨油墨组合物中加入辅助表面活性剂。最好这种辅助表面活性剂包含有3-8个碳原子的中长度链的醇类，例如异丙醇和戊醇。辅助表面活性剂占油墨组合物的至多10％(重量)，或当作单独的成分或当作两亲物的部分替代物加入。
与本发明的要求相一致，油墨中可以加入各种类型的添加剂，以便优化用于特定目的的油墨组合物的性能。例如专业人员熟悉的，在油墨组合物中可使用生物杀伤剂以抑制微生物的生长；可以加入螯合剂，例如EDTA，以消除因重金属杂质而发生变质的影响；以及可以使用缓冲溶液来控油墨的pH值。可以加入其他已知的添加剂，例如粘度调节剂和其他丙烯酸类或非丙烯酸类聚合物，以根据要求改进油墨组合物的各种性能。
本发明的油墨组合物可以采用两种不同的方法制备，即简化的方法和更系统的方法。要制备按照简化法的本发明油墨，首先需要把不溶于水的有机成分与水按照与要求的最终油墨组合物相一致的比例混合。然后向生成的两相液体中滴加选好的两亲物，直至获得澄清的溶液，此时表示有机化合物已加溶，以致生成单相溶液。可以任选地加入约1％过量的两亲物以保证溶液的稳定。向此单相溶液内加入选好的染料以及任何要求的添加剂，就完成了基本油墨组合物的配制。值得指出的是，一旦通过上述的滴定手续确定了有机成分、水及两亲物的合适的相对加入量后，便可以将随后的油墨组合物按任意顺序混合。
如果选择系统法来制备本发明的油墨，第一步包括作出代表不溶于水的有机成分和水混合的相图。具体地说，该相图是通过把水与高沸点不溶于水的有机组分按各种比例混合，以两亲物滴定每种混合物，直至找出对应于相图上的澄清、单相区。通过超越澄清点的进一步滴定，可以确定其他多相或半固相组合物区。当画在传统的三角座标上时，这些结果就代表了一个三元相图。例如所附的唯一的一张图便描述了这样一种喷墨油墨组合物的三元相图，它包括丙二醇苯基醚、二甲苯磺酸钠以及水，关于这张图，下面还要在实例中更详细地加以说明，其中面积A代表存在两相的乳浊液区，面积B代表单相各向同性区，以及面积C代表半固态区。单相各向同性区(区域B)对应于比较适合于喷墨油墨组合物的有机组分、水及两亲物的各种组成。于是，在实施本发明时，就可以从这张图的单相区挑选任何符合具体喷墨油墨组合物所有其他要求的组成。
应当指出，区域A内的组成也可以用于那些不要求长期存放的用途，例如纺织品印花。同样地，若使用加热打印盒，可采用区域C内的组成。
按照本发明制备的油墨将表现出象含有表面活性剂成分的油墨那样的快干、渗色轻微，然而却并不象后者通常那样表现出打印质量方面的下降，尤其是若采用了水溶助长剂型两亲物。下面的实例说明了用喷墨打印机将按照本发明制备的喷墨油墨组合物印出后的干燥速度。
实例
按照本发明制备了两种油墨，如下所示：
实例1：
制备了组成为3％(重量)Isol Yellow染料、25％(重量)丙二醇苯基醚、15％(重量)二甲苯磺酸钠以及其余是水的喷墨油墨组合物，其中载色剂成分的浓度是通过在三角坐标上绘制一张相图来确定的。具体地说，该相图是这样制成的：把丙二醇苯基醚与水按各种比例混合，然后以二甲苯磺酸钠滴定每一份混合物，直至确定出澄清、单相区。于是，该图的区域A代表丙二醇苯基醚、二甲苯磺酸钠和水产生两相区的各种浓度组合，这一点可以通过混浊的外观加以判定。该图的区域B代表丙二醇苯基醚、二甲苯磺酸钠和水生成澄清、单相区的各种浓度组合。该图的区域C是在达到澄清点以后，进一步用二甲苯磺酸钠滴定丙二醇苯基醚和水以及二甲苯磺酸钠的混合物，直至找出半固相区来确定的。图中的单相各向同性区的面积B指出了适合用于实施本发明的丙二醇苯基醚、二甲苯磺酸钠和水的组成。由面积A和C标出的组成代表本发明范围以外的油墨载色剂。
该实例的喷墨油墨的组成位于图中面积B的单相各向同性区域。具体地说，该油墨组合物的载色剂含有26％(重量)丙二醇苯基醚、15％(重量)二甲苯磺酸钠以及59％(重量)水，其中的浓度稍有变动，反映的是油墨载色剂而不是整个油墨组合物的百分数。图中的点D表明，本实例油墨组合物的载色剂的确是位于此三元相图的澄清、单相区的面积B之内。
使用45微微升液滴体积的笔将本实例的喷墨油墨组合物印在素色纸上。此油墨一碰到素色纸便瞬间变干。对比之下，已知含有可溶于水的助溶剂的喷墨油墨组合物(参见，例如U.S.专利号4,963,189，题为“带含2个或更多羧基的新颖系列阴离子染料的耐水油墨配方”，发明人SurajHindagolla等，转让给本申请同一受让人)当印于素色纸上时却表现出一定的、易于测出的干燥时间。
实例2：
制备了组成为3％(重量)Isol Yellow染料、25％(重量)乙二醇苯基醚、11％(重量)二甲苯磺酸钠以及其余数量为水的喷墨油墨组合物，其确定的方法类似于实例1，以便载色剂呈单相液体。随后使用45微微升液滴体积的笔将这种喷墨油墨印在素色纸上。该油墨一碰到素色纸便瞬即变干。
故而清楚的表明，按本发明制成的喷墨油墨具有经喷墨打印机印出后快干的特点。
实用性
如同本文所公开的， 本发明喷墨油墨组合物及其制造方法，预期在黑色和彩色喷墨打印方面会获得商业应用。
综上所述，披露了一种油墨组合物，它能被用来在不牺牲打印质量的前提下达到快干和控制渗色。专业人员会很容易地理解，可以在不背离本发明的精神的条件下做出各种带有明显特征的变更和改进，所有这些变更和改进都被视为如同所附权利要求定义的本发明范围之内的内容。