专利名称：水性油墨组合物、其制备方法、以及使用其的喷墨记录方法
技术领域：
本发明涉及能够在喷嘴中稳定喷射一段持续时间的水性油墨组合物、其制备方法、以及使用其的喷墨记录方法。更具体地说，本发明涉及能够在喷墨记录过程中稳定地由喷墨嘴喷出的水性油墨组合物，以及一种用于制备具有改进喷射性能的油墨的方法。
喷墨记录单元安装在计算机终端、打印计算机、传真机、或类似设备上。喷墨记录单元的打印性能主要由油墨的性质和质量所决定。例如，如果油墨组分随着水分从油墨中挥发出去而凝聚，或者，如果一种形成经过喷墨头的油墨通道的物质发生溶解并沉淀在油墨中，那么喷墨嘴就将阻塞，进而不能喷射出墨滴。
JP-A-9-123437介绍，向油墨组合物中加入尿素可提高保水性能。按照该公开技术，通过抑制水分挥发可防止油墨组合物发生凝聚。另外，对于组成经过喷墨头的油墨通道的物质来说，提高其溶解性可防止该物质发生沉淀。尽管向油墨组合物中加入尿素可有效防止喷墨堵塞，但现已发现，尿素由于分解而有害地改变了油墨组合物或其物理性能。当含尿素的油墨组合物经过高温或持续中温时，可导致打印质量变差。因此，如JP-A-5-17714中所公开的，已经提出不仅向油墨组合物中加入尿素，而且还加入铵离子，这样可抑制尿素的分解作用。
然而，在将尿素加入包含偶氮染料作为着色剂的油墨组合物中时，还有另一个导致打印性能降低的原因。即，油墨组合物容易被油墨通道中的氮气过饱和化。这样，该组合物在经受震动，如喷射-压力震动时容易形成气泡。这时，喷墨能就被气泡部分吸收，导致不能稳定喷墨。
一方面，本发明提供了包含偶氮染料和尿素的水性油墨组合物，它可在防止使用时形成气泡的情况下，保持较高的打印性能。
另一方面，本发明提供了一种用于制备这种水性油墨组合物的方法。
另一方面，本发明提供了一种使用该水性油墨组合物的喷墨记录方法。
在一些优选实施方案中，本发明提供了一种包含尿素、着色剂(包括偶氮染料)、和水的水性油墨组合物。这种优选组合物的溶解铵离子浓度不大于200ppm，且溶解氮气含量不大于5ppm。
本文所用的术语“尿素”不仅包括尿素本身，而且还包括其类似物如硫脲。本文所用的术语“水性油墨”不仅指包含水作为唯一溶剂的油墨，而且还指包含混合溶剂，如水与水溶性有机溶剂的那些油墨。语句“包含尿素、着色剂(包括偶氮染料)、和水”意味着，该油墨可包含其它组分，如粘度调节剂和防锈剂，如果需要的话。
除非另有定义，本文所用的所有科技术语具有本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同含意。虽然与本文所描述的类似或等同的方法和物质可用于本发明的实践和试验中，但以下还必须描述各种合适的物质和方法。本文所提及的所有出版物、专利申请、专利和其它文件都整个地并入本发明。在出现矛盾时，本说明书(包括各种定义)将进行调整。此外，各种物质、方法和实施例仅用于说明，而非用于限定。
从以下的详细描述、以及权利要求中，可显然得出本发明的其它特征和优点。
图1显示，铵离子浓度与氮气溶解性在油墨组合物中的相互关系。
图2是喷墨记录单元的示意图。
图3是喷墨头的部分横截面。
图4是用于制备水性油墨组合物的特殊方法的流程图。
当包含着色剂(包括偶氮染料)和尿素的水性油墨组合物经受高温或长期中温时，偶氮染料会发生分解，生成分子氮(N2)，且尿素会发生分解，生成铵离子(NH4+)。当油墨组合物的pH为7或更高时，铵离子可形成游离氨(NH3)。从铵离子浓度与氮气溶解性之间的关系中可以看出，随着铵离子浓度的提高，可溶解于油墨中的氮气量下降。因此，向包含偶氮染料的油墨组合物中加入尿素，虽然可有效防止喷嘴阻塞，但却产生了氮气的过饱和作用，而且喷射震动易导致形成气泡。结果，用于喷墨的输入能量被气泡部分吸收，因此油墨不能进行稳定喷射。在本发明中，这种现象可通过控制起始溶解氮气含量和起始铵离子浓度而消除。因此，本发明提供了可保持高打印性能的水性油墨，其中溶解氮气不易形成过饱和，这样就不易形成气泡。
如下所述，铵离子浓度可通过向已制备油墨中吹入氮气而降低。另外，铵离子浓度可通过调节所加尿素的量来控制，这样可基本上防止生成气泡。例如，当所加尿素的量限制在约0.2-2.4重量％时，可将起始铵离子浓度保持在200ppm或更低，而不必进行吹氮步骤。由于通过这种方式降低了铵离子浓度，所以氮气溶解性可保持在一个较高的水平上。这样，仅通过将已制备油墨脱气以调节起始溶解氮气含量至5ppm或更低，就可在较长时间内，避免在油墨中形成气泡。虽然所加尿素的量应该最小以防止形成气泡，但最好加入至少约0.2重量％的尿素以防止喷嘴堵塞。
按照本发明的水性油墨可通过一种包括以下步骤的方法来制备a)向包含尿素、着色剂(包括偶氮染料)、和水的油墨组合物中吹入氮气，这样可从该组合物中释放出游离氨，同时降低溶解铵离子浓度；b)脱气处理所得组合物以释放出氮气；和c)用所得组合物灌注油墨容器。
总之，在油墨组合物的制备过程中，可通过使用氮气来降低铵离子浓度，所述氮气可随后通过一个简单操作，如用另一气体(比如氩气)进行脱气，或通过低压处理该组合物而去除。这样，在结束制备油墨组合物时，得到了一种具有低浓度溶解铵离子和低含量溶解氮气的水性油墨组合物。由于铵离子浓度和溶解氮气含量在起始阶段都相当低，所以，氮气即使在尿素的存在下也不易形成过饱和，而且在使用油墨时不易形成气泡。这样，按照本发明的水性油墨组合物可保持其高打印性能。
优选地进行吹氮步骤，直到已制备油墨组合物中的溶解铵离子浓度降至200ppm或更低。优选地进行脱气步骤，直到已制备油墨中的溶解氮气含量降至5ppm或更低。通过如此控制铵离子浓度和溶解氮气含量，结果在油墨组合物的典型使用期中，没有看到因形成气泡而产生的任何打印性能降低现象。
将已制备油墨的pH值优选调节到约7-10，这样，构成喷墨头中墨流通道一部分的硼硅玻璃就不会溶解。在该pH值范围内，铵离子可转化成游离氨，而且可溶解于油墨的氮气量下降，易造成氮气的过饱和。然而，按照本发明的油墨在使用时没有氮气过饱和现象，因为，如上所述，起始铵离子和氮气浓度已降低到了低水平。
虽然由于喷射操作而经受了压力震动，但本发明的水性油墨组合物不会因此形成气泡，所以它们也适用于喷墨记录方法，其中油墨组合物由喷墨嘴喷射到记录介质上。即使喷墨嘴中油墨通道的一部分由硼硅酸盐玻璃组成，该创造性油墨组合物中的尿素也可防止玻璃组分被沉淀物所包覆，进而引起喷嘴堵塞。
图2是喷墨记录单元的示意图。喷墨记录单元1具有安装在支架5上的喷墨头2。支架5往复运动，将字符和图像打印到固定在卷筒6上的记录纸7上。包含打印油墨组合物的墨槽(或油墨容器)9通过加料管8连接到喷墨头2上。喷墨记录单元1具有能够包覆喷嘴头2的盖3，泵4通过排放管10连接到盖3上。通过用包覆有盖3的喷嘴头2来操作泵4，气泡和油墨从喷嘴头2被吸引到盖3上，然后将这种吸入油墨保存在盖3的油墨吸收器(未给出)中，然后排放到用尽油墨储槽11中。
虽然根据本发明油墨组合物的离架(off-carriage)型应用，已经描述了图2所示的喷墨记录单元，其中喷墨头2和墨槽9是通过管连接的不同部件，但本发明油墨组合物同样适用于联架(on-carriage)型喷墨记录单元，其中喷墨头和墨槽整体模塑和安装在支架上。由于本发明油墨通过抑制作用不会增加粘度和形成气泡，所以根据记录单元的应用方式或条件，可以省略如图2中用于喷墨记录单元的包覆喷墨头的盖。
图3是边缘喷墨型喷墨头2的部分横截面。在边缘喷墨头中，墨滴通过静电驱动，由位于底边的墨嘴喷射出来。喷墨头2包括由玻璃制成的盖板202，由p-型硅板制成的腔板203，和玻璃基材204。这些板按照图示顺序粘结在一起。在腔板203的边缘形成多个流道，这样可形成相同数目的喷嘴221。腔板203具有成型凹口。每个凹口都具有其底部用作震动板205的压力腔206。每个凹口后面有精密流道208，由凹口形成的油墨储槽210可用于将油墨加料到单个的压力腔206中。油墨储槽210具有连接到油墨加料管8上的油墨加料孔224(图2)，这样油墨可由墨槽9加入其中(图2)。所加油墨组合物开始储存在墨槽210中。腔板203的较低面具有镜面磨光，并连接到玻璃基材204上。玻璃基材204具有凹口，其中每个都在对应于单个震动板205的位置上用作震动腔212。玻璃基材204的每个凹口都有一个朝向其相应震动板205的电极214。记录信号由驱动马达传输到电极214，震动板205在静电力的作用下震动，且震动能可改变压力腔206的内压力，由此将墨滴由喷嘴221喷出。
如果油墨组合物在喷墨头2中被氮气过饱和，那么就可因震动，如喷射压力震动而产生气泡。所形成的气泡可吸收喷墨能，结果使得该油墨组合物不能稳定喷射。特别根据图2和3所示的静电驱动喷墨记录体系，已经描述了按照本发明的油墨组合物的应用，其中包含油墨的压力腔的能力随着静电力变化，喷出墨滴。以上讨论的如形成气泡之类的问题也存在于其它电-机械驱动喷墨记录体系，例如，其中油墨被加热器煮沸，然后墨滴在所形成气泡的压力下喷出；以及例如其中，将电压作用于连接到包含油墨的压力腔的压电元件上，使压力腔膨胀和收缩，由此喷出墨滴。本发明油墨适用于任何这些体系，在气泡形成等方面产生类似效果。图4是按照本发明的工艺步骤的流程图，其中包括步骤1-5。步骤1是称量步骤，其中称量出油墨组分。步骤2是混合步骤，其中在冷却的同时，即，在室温或低于室温下，混合搅拌各称量物质。冷却可在某种程度上抑制尿素分解以及铵离子生成，但不能完全避免因尿素部分分解而生成铵离子。例如，当在室温下制备具有以上组成的油墨组合物时，溶解铵离子浓度约为180ppm。
在步骤3中，将氮气吹入混合物中以释放出游离氨(吹氮步骤)。部分铵离子在pH为7或更高时转化成游离氨。在介质中，通过吹氮，即用氮气进行过饱和处理可释放出游离氨，这样可降低溶解铵离子浓度约20-30％。
在步骤4中，减压处理来自步骤3的混合物以去除氮气(脱气步骤)。在室温下，在减压环境(例如，10mmHg，约20秒)中，放置混合物，这样可将溶解氮气含量减少到5ppm或更低。
在步骤5中，将来自步骤4的混合物倒入油墨容器中，所述容器可以是罐、袋或筒。
在以下实施例中，将进一步描述本发明，但这并不限制权利要求所描述的本发明的范围。
在以下实施例中，通过提供一种不易被氮气过饱和化的水性油墨组合物，可以阐明该油墨组合物和/或制备方法。
实施例1．水性油墨组合物的制备通过本发明方法制备的水性油墨组合物并不特别局限于配方组分和配方比率，只要它们包含尿素、着色剂(包括偶氮染料)、和水，且没有作为抗衡离子的铵离子。以下给出了有用的油墨组合物的典型实施例。所有份数是以重量计的。
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-二醇型表面活性剂 3.2份尿素 1.8份水 75.5份如此制备的水性油墨由于尿素而得以防止水份的挥发，因此不易造成，例如由油墨组分的凝聚而产生的喷嘴堵塞。此外，油墨组合物中的尿素可提高玻璃组分的溶解性，其中所述玻璃组分溶解于常用作油墨通道物质的硼硅酸盐玻璃。因此，溶解玻璃组分不易在喷嘴中沉淀，这样可避免喷嘴堵塞。
在实施例1中，通过吹氮，将已制备油墨组合物的溶解铵离子浓度降低到200ppm或更低，而与尿素的配方比率无关。按照实施例1的油墨组合物在其使用期的开始阶段，分别具有比5ppm和200ppm低得多的溶解氮含量和铵离子浓度水平。即使油墨中的尿素分解产生铵离子，由此降低了氮气溶解性，但在这种情况下，由偶氮染料产生的氮气量不会过饱和化该油墨。即，由于起始溶解氮气含量和起始铵离子浓度已降低到相当低的水平上，铵离子，如果在使用油墨时因尿素分解而产生，其浓度也不会超过约800ppm。尽管水分从油墨中部分挥发出来，该油墨的氮气含量也可调节到约7ppm或更低。由于氮气含量如此低，所以不会发生因气泡而产生的打印缺陷。按照实施例1，氮气即使在尿素的存在下也不会达到过饱和，这样就不易形成气泡。因此，在实施例1中得到的水性油墨组合物，在用于喷墨记录单元时，可保持其高打印性能，而不必频繁地进行维修操作，如冲水、抽吸、冲洗等。
即使遵循了上述的油墨制备方法，各种实验已经表明，为了控制铵离子浓度以充分保证高保水性，尿素的优选配方比率不超过2.4重量％。
实施例2．调节所加尿素的量尽管在实施例1中，水性油墨组合物的起始铵离子浓度已通过吹氮步骤降低到相当低的水平上，但在实施例2中，通过控制所加尿素的量来调节铵离子浓度。即，在包含尿素、着色剂(包括偶氮染料)、和水且没有作为抗衡离子的铵离子的水性油墨组合物中，尿素含量被限定在约0.2-2.4重量％的范围内。制备出按照实施例1的典型油墨组合物。
由于尿素含量低至约0.2-2.4重量％，铵离子浓度不超过200ppm，所以可保持较高的氮气溶解性，而没有如在实施例1中所进行的吹氮步骤。
实施例3．尿素对油墨组合物稳定性的影响在室温下，制备出具有以下基本配方(所有份数是重量计的)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-二醇型表面活性剂 3.2份水 75.5份在室温下，混合按照实施例1的油墨组合物的各组分，然后脱气处理该混合物，得到已制备油墨组合物B，其起始铵离子浓度为200ppm或更低，且其起始溶解氮气含量为5ppm或更低。
在98℃下，通过向以上基本配方中加入4.8重量份的尿素制备出油墨C。分别用油墨A和油墨C灌注喷墨头，然后在60℃下放置5天，其中喷墨头的喷嘴未加盖(通空气)。随后进行打印。对于含有尿素的油墨C，没有观察到归因于喷嘴堵塞的缺墨点现象，而对于没有包含尿素的油墨A，则出现了缺墨点现象。用油墨C灌注喷墨头，在60℃下放置9天，其中喷墨头的喷嘴加盖；然后在25℃和30％RH(相对湿度)下放置14天，其中喷墨头的喷嘴未加盖。当随后进行打印时，在油墨中观察到了气泡的形成。
按照对油墨组合物A和油墨组合物C的相同方式，将油墨组合物B装入喷墨头中。在将喷墨头于60℃下放置5天之后，进行打印。结果，没有观察到归因于喷嘴堵塞的墨点从打印基质上的消失现象。即使在喷嘴加盖的情况下，将装入喷墨头的油墨组合物B于60℃下放置9天；然后在喷嘴未加盖的情况下，于25℃和30％相对湿度下放置14天，也能正常地进行打印，而没有在油墨中形成气泡的任何迹象。
其它实施方案应该理解，虽然已通过详细说明对本发明进行了描述，但以上说明是用于说明而非限定所附权利要求的范围。在本发明的范围内，可以存在其它方面、优点、和改进。
权利要求
1．一种水性油墨组合物，其中包含尿素；包括偶氮染料的着色剂；和水，其中该组合物的溶解铵离子浓度为200ppm或更低，且其溶解氮气含量为5 ppm或更低。
2．根据权利要求1的水性油墨组合物，其中所述尿素的浓度为约0.2-2.4重量％。
3．根据权利要求1的水性油墨组合物，其中所述水性油墨的pH值为约7-10。
4．一种用于制备水性油墨组合物的方法，其中包括以下步骤向包含尿素、包括偶氮染料的着色剂、和水的油墨组合物中吹入氮气，这样可从该组合物中释放出游离氨；脱气处理所得组合物以释放出氮气；和用所得组合物灌注油墨容器。
5．根据权利要求4的方法，其中进行吹氮步骤，直到该组合物的溶解铵离子浓度降低到200ppm或更低。
6．根据权利要求4的方法，其中进行脱气步骤，直到该组合物的溶解氮气含量降低到5ppm或更低。
7．一种通过权利要求4的方法制备的水性油墨组合物。
8．一种用于制备水性油墨组合物的方法，其中包括以下步骤制备出包含0.2-2.4重量％尿素、包括偶氮染料的着色剂、和水的混合物；脱气处理该混合物，直到溶解氮气在该组合物中的量小于5ppm；和用所得水性油墨组合物灌注油墨容器。
9．一种喷墨记录装置，它包括具有油墨通道的喷墨头，所述油墨通道可将水性油墨组合物喷射到记录介质上；所述水性油墨组合物包含尿素；包括偶氮染料的着色剂；和水，其中该组合物的溶解铵离子浓度为200ppm或更低，且其溶解氮气含量为5 ppm或更低。
10．根据权利要求9的喷墨记录装置，其中所述喷墨头的油墨通道的一部分是由硼硅酸盐玻璃制成的。
全文摘要
本发明公开了一种包含尿素、偶氮染料着色剂、和水的水性油墨组合物,其中溶解铵离子和氮气的含量分别低于200ppm和5ppm。该组合物在高温下非常稳定,因此延长了储存时间,而且可产生优异的打印质量。本发明还公开了用于制备该创造性油墨组合物的方法、以及在喷墨记录中使用该组合物的方法。
文档编号B41M5/00GK1231314SQ9910288
公开日1999年10月13日 申请日期1999年2月2日 优先权日1998年2月2日
发明者向山惠一, 向井启 申请人:精工爱普生株式会社