喷墨记录元件和打印方法

专利名称：喷墨记录元件和打印方法
技术领域：
本发明涉及一种喷墨记录元件以及使用该元件的打印方法。更具体而言，本发明涉及一种含有已处理过的无机粒子的喷墨记录元件。
喷墨记录元件通常包含载体，该载体至少在其一个面上有受墨层或者成像层，并包括具有不透明载体的用于反射观看的那些和具有透明载体的用于透射观看的那些。
众所周知，为了在这样的图像记录元件上获得和保持具有相片质量的图像，喷墨记录元件必须·易于湿润，这样就不会有泥浆现象，即导致密度不均的相邻墨点的连接·不存在图像的渗流·具有吸收高浓度油墨的能力，同时能很快干燥以免元件在堆放于随后的印品或其它表面上时成块·没有因载体和/或层与层间的相互作用而造成的断续或缺陷，比如裂纹、相斥、梳状线等·不允许未被吸收的染料团聚在自由表面而引起染料结晶，否则在成像区域内会导致团簇或烫金效应(bloom or bronzing effect)·具有最佳的图像坚牢度，以免由于与水接触或者因日光、钨光或荧光辐射而褪色人们希望喷墨记录元件同时提供几乎瞬间的油墨干燥时间和好的图像质量。然而，鉴于记录元件需要适于油墨组合物和油墨容积的宽范围，这些喷墨记录媒介的要求很难同时得到满足。
我们知道，喷墨记录元件采用多孔的或者无孔的单层或多层涂料，在多孔的或者无孔的载体的一面或双面上这些涂料用作合适的受像层。那些采用无孔涂料的记录元件一般具有好的图像质量，但是油墨干燥时间却很差。而采用多孔涂料的记录元件一般包含胶状颗粒，具有更差些的图像质量但却有非常好的干燥时间。
目前已有很多种不同类型的用在喷墨打印上的多孔图像记录元件已被人们所熟悉，但是在本领域中还存在很多未解决的问题以及在这些已知的产品中还存在着很多缺陷，这些严重地限制了它们的商业应用。在设计多孔图像记录层上的一个主要挑战是要能获得高质量、无裂纹的以及含有尽可能少的非粒状物质的涂料。如果太多的非粒状的物质存在，图像记录元件将不能是多孔性的并且会呈现出差的油墨干燥时间。
U.S.专利5,989,687公开了一个至少有一个面的打印媒质和包含烷氧基铝的水解产物和有机烷氧基硅烷的聚合反应产物的涂料。然而该元件存在的一个问题就是首先必须进行一额外的步骤在与有机烷氧基硅烷反应之前将烷氧基铝水解形成氧化铝溶胶。
U.S.专利5,965,252公开了一种带有受墨层的打印媒质，该层含有用偶联剂处理过的水合氧化铝表面。然而，该元件存在的一个问题就是用偶联剂来使该水合氧化铝表面变为疏水。由于喷墨油墨不能均匀地湿润该元件表面，这样的元件会具有差的图像质量。
本发明包括一个喷墨记录元件，该记录元件包含一载体，在载体表面有一个含有不含硅的无机氧化物粒子的受像层，这些无机氧化物粒子表面由具有亲水性有机部分的硅烷偶联剂处理过，上述的目的以及其它目的由本发明提供。
利用本发明可以获得一喷墨记录元件，该记录元件具有好的涂料质量和打印后具有高图像质量。
本发明的另一实施方案涉及一种喷墨打印方法，该方法包含如下步骤
A)提供一台能对数字数据信号响应的喷墨打印机；B)在打印机上装载上述的喷墨记录元件；C)在打印机上装载喷墨油墨组合物；D)响应于数字数据信号，用喷墨油墨组合物在受像层上进行打印。
任何不含硅的无机氧化物粒子可以被处理和用于本发明中采用的受像层。在一个优选实施方案中，所述无机氧化物粒子是金属氧化物比如赝-水软铝石(pseudo-boehmite)，以14N4-80(SASOL Corp.)市售，氧化铝，以Cabosperse PG-003(Cabot Co.)市售，氧化锆，以Zr 50/20(NYACOL Nano Technologies Inc.)市售，氧化钛，氧化钇，氧化铈等。该发明的另一优选的实施方案中，无机氧化物粒子的粒径范围为5nm到1000nm.
本发明中所用到的处理过的粒子可以通过使合适的有机官能团化的烷氧基或氯代硅烷和无机氧化物粒子反应而制备出来，这样就能改变这粒子的表面性质。在一个优选实施方案中，这样的表面处理是通过如下实施的在有利于硅烷的水解和随后与无机氧化物粒子的反应的pH值条件下，将烷氧基有机硅烷和无机氧化物粒子的含水分散体混合。
用于处理无机氧化物粒子的硅烷偶联剂包括3-氨基丙基三乙氧基硅，3-氨基丙基三甲氧基硅，3-氨基丙基二乙氧基甲基硅，3-氨基丙基二甲氧基甲基硅，3-氨基丙基乙氧基二甲基硅，3-氨基丙基甲氧基二甲基硅，N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅，N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三乙氧基硅，N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基甲基二甲氧基硅，N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基甲基二乙氧基硅，4-氨基丁基三乙氧基硅，4-氨基丁基三甲氧基硅，N-(2-氨基乙基)-3-氨基异丁基甲基二甲氧基硅，N-(三甲氧基甲硅烷基乙基)苯甲基-N，N，N-三甲基氯化铵，N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N，N，N-三丁基氯化铵，十八烷基二甲基(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)氯化铵，N-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)-4，5-二氢咪唑，和其他一些硅烷偶联剂，列于Gelest公司目录105-259页(1998)。本发明中最优选的用于处理这些无机氧化物粒子的硅烷偶联剂包括N-(三甲氧基甲硅烷基乙基)苯甲基-N，N，N-三甲基氯化铵，N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N，N，N-三丁基氯化铵，十八烷基二甲基(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)氯化铵，或N-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)-4，5-二氢咪唑。
偶联剂与无机氧化物粒子的使用比例范围很宽。在一个优选实施方案中，其量为每克粒子0.01到0.5mmol的硅烷偶联剂，优选为0.05到0.15mmol/g。
以下是本发明中用有机官能团化的硅烷偶联剂处理过的无机氧化物粒子的例子。
表1

在本发明的一个优选实施方案中，被处理过的无机氧化物粒子在受像层中的量可以从40到95重量％，优选70到90重量％。
本发明中所用到的受像层也可以含有一定量的不足以改变其孔度的聚合粘结剂。在一个优选方案中，该聚合粘结剂是亲水性的聚合物，比如聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮，凝胶，纤维素醚，聚噁唑啉，聚乙烯乙酰胺，部分水解的聚(醋酸乙烯酯合乙烯醇)，聚丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚环氧烷，磺化或者磷化的聚酯和聚苯乙烯类，酪蛋白，玉米醇溶蛋白，白蛋白，壳多糖，聚氨基葡糖，右旋糖苷，果胶，胶原质衍生物，火棉胶，琼脂，竹芋粉，瓜耳胶，角菜胶，黄芪胶，黄原胶，鼠李糖胶等；或一低玻璃转变温度(Tg)的乳胶比如聚(苯乙烯合丁二烯)，聚氨酯胶乳，聚酯胶乳，聚(丙烯酸正丁酯)，聚(甲基丙烯酸正丁酯)，聚(丙烯酸2-乙基己酯)，丙烯酸正丁酯和丙烯酸乙酯的共聚物，醋酸乙烯酯和丙烯酸正丁酯的共聚物，等等。聚合粘结剂的选择必须与前述的粒子相容。在该发明的一个优选实施方案中，受像层的厚度可以为1到60微米，优选5到40微米。
所用的粘结剂的量必须足以赋予喷墨记录元件粘合强度，但同时必须最少化以使得由团聚体形成的相互连接的孔结构不会被粘结剂所填满。在该发明的一个优选实施方案中，聚合粘结剂的量在5到30重量％以内。
除了受像层之外，所述记录元件还可以包含一相邻于载体的基底层，用于吸收油墨中的溶剂。可用于该层的材料包括无机粒子和聚合粘结剂。在一个优选实施方案中，基底层的无机粒子可以是碳酸钙，煅烧过的粘土，硅酸铝，沸石或者硫酸钡。在另一个优选实施方案中，基底层所用的聚合粘结剂是苯乙烯-丙烯酸胶乳，苯乙烯-丁二烯胶乳，或者聚乙烯醇。
除了受像层之外，在该受像层上面该记录元件还可包含能产生光泽的一层。用于该层的材料包括亚微米级的无机粒子和/或聚合粘结剂。
本发明所用的喷墨记录元件载体可以是经常用于喷墨受体的那些载体的任一种，比如树脂涂布的纸，纸，聚酯，或者微孔材料如含聚乙烯聚合物的材料(由宾西法尼亚州匹兹堡PPG工业公司出售的商标名为Teslin)，Tyvek合成纸(DuPont公司)，浸渍纸比如Duranform，和OPPalyte薄膜(Mobil化工公司)以及其他一些列于U.S.专利5,244,861的复合膜。非透明的载体包括素纸，涂层纸，合成纸，照相纸载体，熔融挤压涂层纸，和层压纸比如双轴式导向载体层压纸。双轴式导向载体层压纸在U.S.专利5,853,965；5,866,282；5,874,205；5,888,643；5,888,681；5,888,683；和5,888,714中已描述过。这些双轴式导向载体包括纸基底和双轴式导向聚烯烃薄片，一般为聚丙烯，这些薄片被层压在纸基底的一面或双面。透明载体包括玻璃，纤维素衍生物比如纤维素酯，三醋酸纤维素，二醋酸纤维素，醋酸丙酸纤维素，醋酸丁酸纤维素；聚酯，比如聚(对苯二甲酸乙二酯)，聚(萘二甲酸乙二酯)，聚(1，4-环己烷二亚甲基对苯二甲酸酯)，聚(丁烯对苯二甲酸酯)和它们的共聚合物；聚酰亚胺；聚酰胺；聚碳酸酯；聚苯乙烯；聚烯烃，比如聚乙烯或聚丙烯；聚砜；聚丙烯酸酯，聚醚酰亚胺；和它们的混合物。以上所列纸包括从高端纸比如照相纸到低端纸比如新闻纸的宽范围纸类。在一个优选实施方案中，采用的纸张是由Eastman Kodak公司制造的Ektacolor纸。
用于本发明中的载体厚度范围可以是50到500微米，优选75到300微米。假如需要的话，抗氧化剂，抗静电剂，增塑剂和其他一些已知的添加剂可以加入到载体中。
为了提高受像层对载体的粘性，在载体用在受像层之前其表面可以经过电晕放电处理。受像层对载体的粘性可以通过在载体表面涂上一底层而改进。用于该底层的材料包括卤化苯酚和部分水解的氯乙烯合醋酸乙烯基酯聚合物。
涂料组合物可以用水或有机溶剂涂上去，优选用水。总固体量的选择应使得以最经济的方式产生有用的涂层厚度，对于颗粒涂料配方，典型的固体含量为10到40％重量。
本发明所采用的涂料组合物可以用很多已知的技术涂布，这些技术包括浸涂，线束棒涂，刮刀涂层，凹涂和翻转辊涂，滑涂，球珠涂层，挤压涂层，幕帘式淋涂等。已知的涂层和干燥方法在发表于1989年12月第308119期的研究通报(Research Disclosure)1007页到1008页中有更详细的描述。优选滑涂，其中基底层和外层可以同时进行涂层。涂层后，这些层一般通过简单蒸发干燥，也可以通过对流加热等已知技术加速干燥。
涂料组合物可以通过常规的预计量或后计量涂层方法比如刀片、空气刀、棒、辊涂等涂到基底的一面或者双面。涂层工艺的选择由操作过程的经济费用所决定，这进而决定了配方规格比如涂料固体、涂料粘性和涂层速度。
受像层的厚度可以在1到60微米的范围，优选5到40微米。
涂层后，喷墨记录元件可以经过压光或者超压光来增强其表面光滑度。在本发明的一个优选实施方案中，喷墨记录元件经过在65℃的温度和14000kg/m的压力下以0.15m/s到0.3m/s的速度的热软夹压光。
为了给予喷墨记录元件机械耐久性，可以加入少量的作用于上述的粘结剂的交联剂。这种添加剂加强了所述层的粘合力。交联剂比如碳二亚胺，多官能的氮丙啶，醛类，异氰酸酯，环氧化物，多价的金属阳离子等都可以用。
为了改善着色剂的褪色性，一些在本领域中所知的紫外吸收剂，自由基猝灭剂或抗氧化剂也可以加入到受像层。其他的一些添加剂包括pH调节剂，粘性增强剂，流变调节剂，表面活性剂，杀菌剂，润滑剂，染料，光学增亮剂，粗糙剂，抗静电剂等。为了获得合适的可涂性，可以使用一些为熟知本领域的人所知晓的添加剂比如表面活性剂、去泡剂、酒精等。基于总溶液重量计，涂层助剂的一般含量为0.01到0.30重量百分比的活性涂层助剂。这些涂层助剂可以是非离子的、阴离子的、阳离子的或两性的。具体的例子描述在如下中MCCUTCHEON卷1，Emulsifiers and Detergents(乳化剂和清洁剂)，1995，北美版。
本发明的图像记录元件所用的喷墨油墨在本领域中众所周知。用于喷墨打印的油墨组合物一般是液体组合物，其包含溶剂或载液，染料或颜料，湿润剂，有机溶剂，清洁剂，增稠剂，防腐剂等。所述溶剂或载液可以单独是水，也可以是水与其他一些与水混溶的溶剂比如多羟基醇的混合物。那些其中有机材料比如多羟基醇为主流载液或者溶剂液体的油墨也可以使用。水和多元醇的混和溶剂尤其有用。这些组合物中所用的染料通常为水溶性直接或酸型染料。这些液态组合物在先有技术中有大量描述，例如U.S专利4,381,946、4,239,543和4,781,758。
以下提供的实施例用来说明本发明。
受像层涂料溶液的制备混合148千克的已处理粒子1(固体含量19.7wt％)和44千克已处理粒子5(固体含量19.2wt％)，6千克的聚(乙烯醇)GohsenolGH-17(Nippon Gohsei Co.Ltd.)(10wt％溶液)，1.5千克的Silwet L-7602(Witco Co.)，1.5千克ZonylFS-30(DuPont Co.)和0.2千克的1，4-二氧杂环己烷-2，3-二醇(Aldrich Chemical Co.)。涂料溶液随后被稀释到固体含量为15wt％。
受像层涂料溶液在25℃下于上述基底层上球珠涂层。该记录元件随后在104℃下通空气干燥5分钟。受像层厚度为8微米或8.6g/m2。本发明元件2除了在受像层中用148千克的已处理粒子2(固体含量20wt％)代替已处理粒子1，并用44千克的已处理粒子6(固体含量20.2wt％)代替已处理粒子5之外，此元件与元件1制备过程相同。本发明元件3除了在受像层中用148千克的已处理粒子3(固体含量20wt％)代替已处理粒子1，并用44千克的已处理粒子7(固体含量20.2wt％)代替已处理粒子5之外，此元件与元件1制备过程相同。本发明元件4除了在受像层中用148千克已处理粒子4(固体含量18.7％)代替已处理粒子1，并用44千克的已处理粒子8(固体含量20.8wt％)代替已处理粒子5之外，此元件与元件1制备过程相同。对比元件C-1(不包含已处理粒子)本元件中受像层涂料溶液的制备混合148千克氧化铝Dispal14N4-80(Condea Vista)的20wt％溶液，44千克的煅制氧化铝Cab-O-SpersePG003(Cabot Crop.)的40wt％溶液，6千克聚乙烯醇GohsenolGH-17(Nippon Gohsei Co.Ltd.)的10％wt％溶液，1.5克SilwetL-7602(Witco Co.)，1.5克ZonylFS-30(Dupont Co.)和0.2克二-羟基二氧杂环己烷(Aldrich Co.)。然后将涂料溶液稀释至固体含量为15％。
受像层涂料溶液于25℃在上述基底层上进行球珠涂层。该记录元件在60℃下通风干燥80秒，接着在38℃干燥8分钟，受像层厚度为8微米或8.6g/m2。涂料质量对上述干燥涂料作可视化裂纹缺陷的鉴定，结果列于下表2。图像质量和干燥时间用Epson Stylus彩色740打印机，颜料基油墨为彩色油墨Cartridge SO20191/IC3CL01在上述记录元件上打印。图像由相连的青色、品红色、黄色、黑色、绿色、红色和蓝色几块组成，每块为宽0.4cm长1cm的长方形。对相邻色块间扩散进行定性评估。打印出另一张图像，在图像从打印机排出后，立即用一块软布将其擦拭。如果没有油墨玷污图像则干燥时间等级列为1。如果有一些油墨玷污则干燥时间等级列为2，如果有大量油墨玷污则干燥时间等级列为3。结果列于下表2.
表2

上表表明相比于对比性的记录元件，本发明的记录元件有更好的涂料质量和图像质量以及好的干燥时间。
权利要求
1.一种喷墨记录元件，包括载体，在该载体上有包含不含硅的无机氧化物粒子的受像层，所述粒子用具有亲水性有机部分的硅烷偶联剂进行了表面处理。
2.权利要求1中的记录元件，其中所述的受像层包含的所述粒子量重量百分含量为40到95％。
3.权利要求1中的记录元件，其中所述的无机氧化物粒子为赝-水软铝石、氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化钇或氧化铈。
4.权利要求1中的记录元件，其中所述的无机氧化物粒子用所述硅烷偶联剂进行处理，偶联剂用量为0.01到0.5mmol/g。
5.权利要求1中的记录元件，其中所述的硅烷偶联剂为N-(三甲氧基甲硅烷基乙基)苯甲基-N，N，N-三甲基氯化铵；N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N，N，N-三丁基氯化铵；十八烷基二甲基(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)氯化铵；或N-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)-4，5-二氢化咪唑。
6.权利要求1中的记录元件，其中所述的受像层包含一种聚合粘接剂。
7.权利要求6中的记录元件，其中所述的聚合粘接剂为聚乙烯醇。
8.权利要求6中的记录元件，其中所述的聚合粘接剂的量为5到30重量％。
9.权利要求1中的记录元件，其中所述的受像层的厚度为1微米到60微米。
10.一种喷墨打印方法，其包括下列步骤A)提供一台能对数字数据信号响应的喷墨打印机；B)在该打印机上装载权利要求1中所述的喷墨记录元件；C)在打印机上装载喷墨油墨组合物；和D)响应于所述数字数据信号，用所述喷墨油墨组合物在所述的受像层上进行打印。
全文摘要
一种喷墨记录元件，包括载体，在该载体上有包含不含硅的无机氧化物粒子的受像层，上述粒子用具有亲水性有机部分的硅烷偶联剂进行了表面处理。
文档编号B41M5/50GK1424203SQ021558
公开日2003年6月18日 申请日期2002年12月12日 优先权日2001年12月12日
发明者D·M·特加尔登, S·萨达斯文 申请人:伊斯曼柯达公司