专利名称：金属墨水与毛细标识器的制作方法
背景技术：
发明领域本发明一般涉及毛细作用标识工具和其中所用的墨水。更具体地，本发明涉及应用水性金属墨水的毛细作用标识器。
相关工艺简述分选金属墨水的书写工具，一般应用充有自由流动之墨水的中空蓄墨器以及混合该墨水以分散金属颗粒的机械方法。若无法混合墨水中的金属颗粒，则该颗粒会倾向于自液体中沉淀出来并堵塞笔尖或导致不均匀的分送。在混合之后，当笔尖缺墨时会通过打开标识器内笔尖和蓄墨器间的阀门而使该工具的书写笔尖反复地浸透墨。这样的工具价格不菲，安装复杂，其操作冗长并且容易不可靠。
已公开另一类书写工具，其经由毛细作用自纤维蓄墨器分送金属墨水；但是，这类书写工具严格限于特定材料的结构，并受可加以使用的特定墨水的限制。
发明概述要发明的目的是克服一个或多个上述问题。
因此，本发明一方面是一种墨水，其包含金属颜料和成膜树脂之水性悬浮液，同时该墨水任选地包含一种或多种pH调节剂、着色剂、交联剂、防沉淀剂以及防腐剂。
本发明另一方面是一种标识工具，其包括按毛细连接关系连接至多孔笔尖的供贮存墨水的低密度蓄墨器，并任选地含有本发明的金属墨水。
回顾下面结合附加权利要求所作的详细描述，本发明进一步的情况和优点对于本领域中的技术人员可能是显而易见的。尽管本发明可以有不同形式的实施方案，但是此后所述的均为本发明特定的实施方案，只要所公开的内容是说明性的，并且无意将本发明局限于这里所述的特定实施方案。
附图简述
图1为本发明标识器一实例的部分剖面图，包括通过毛细作用连接至笔尖的蓄墨器。
图2为有锥形连接部分锥头笔尖之连接区端的正视图。
图3为拉长锥头笔尖之连接区端的截面图，显示出拉长锥形连接部分连同蓄墨器。
图4为有凿形连接部分凿头笔尖之连接区端的正视图。
图5为有楔形连接部分楔头笔尖之连接区端的正视图。
图6为有金字塔形连接部分金字塔头笔尖之连接区端的正视图。
发明详述本发明针对用于毛细作用标识工具(这里也称为标识器)的金属墨水，以及针对任选地含有金属墨水的毛细作用标识器。
因此，本发明的一个方面是包括有金属颜料和成膜树脂之水性悬浮液的墨水。该金属颜料可为叶浮型(一般为片型)或非叶浮型。当使用叶浮颜料时，墨水便形成平行于基体表面的颜料层，并且为欲得到具有强金属光泽高度不透光标识的优选(例如供用在黑色的纸上)。若使用非叶浮颜料，则该墨水便产生具有另外闪烁效果的较少透光的标识。金属颜料最好为一种金属颜料，选自铝、铜、青铜、其氧化物，其阳极化物(例如提供闪光精整)以及任何上述的组合。合适的金属颜料可从伊利诺州西芝加哥的MD-Both工业公司获得。还规定金属颜料包括其它有光泽的能提供金属或闪光外观的物质，诸如珠光剂(例如氯氧化铋(BioCl))，它可除了金属颜料之外或代替金属颜料加以使用。
所述金属颜料的颗粒粒度(例如平均颗粒粒度)优选地小于约15μm或在约2μm至约15μm的范围，更优选地则在约5μm至约12μm的范围，例如约5μm至约9μm。墨水中所包含的金属颜料最好约为7.5重量％至20重量％，当使用着色剂时最好约为5重量％至15重量％。用于本发明墨水中提供叶浮效果的优选铝颜料由MD-Both工业公司作为“非叶浮”铝粉末NPW 2900(或Aquemet NPW2900)出售，并有标定的10μm平均颗粒直径。
本发明墨水中所用的成膜树脂起协助金属颗粒在水溶剂中分散的作用，并随着在作标识(例如书写)而墨水经由毛细作用抽至笔尖和分送时协助水溶剂牵引金属颗粒。合适的成膜树脂包括水溶性的树脂诸如乙内酰脲-甲醛共聚物，例如，二甲基乙内酰脲甲醛(DMHF)和5，5-二甲基乙内酰脲甲醛聚合物(也称5，5-二甲基-2，4-咪唑烷二酮)。优选的二甲基乙内酰脲-甲醛成膜树脂由伊利诺州Lyons的Ele-Pelron公司作为75％水溶液出售，在商品名Dantoin739(CAS#26811-08-5；5，5-二甲基乙内酰脲甲醛聚合物(也称5，5-二甲基-2，4-咪唑烷二酮))名下；DMHF还可从新泽西州Fairlawn的Lonza公司获得。其它用于本发明之墨水的树脂包括聚乙烯醇和水性尿烷聚合物，诸如NEOREZ牌聚合物(例如NEOREZ R-940、R-960、R-962、R-966和R-967)，由麻萨诸塞州Wilmington的Zeneca Resins公司出售。成膜树脂在墨水中的含量最好约为10重量％至40重量％，并且当使用着色剂时最好约为7重量％至20重量％。颜料(金属与着色颜料，如果使用的话)对树脂的比例的优选范围约为0.2至0.6，更优选地约为0.6。
任选地并且最好是，将一种pH调节(例如缓冲)剂加至墨水中以维持墨水的pH中性至微碱性，例如约在6至9的范围，最好约为7至8。用于本发明墨水的优选pH调节剂包括三乙醇胺和氨甲基丙醇(例如由密执安州Midland的DOW化学公司以5％水溶液在商品名AMP-95名下出售)。不受任何特定理论的限制，三乙醇胺和氨甲基丙醇若使用，则还都可以促进颜料的分散。在使用时，墨水中的pH调节剂含量最好约为0.25重量％至2重量％。
如果希望墨水提供并非金属颜料所提供之底色的颜色，那么可以加入着色剂。合适的着色剂包括有机颜料和染料，诸如酸性染料、直接染料、分散染料和溶剂染料。合适的有机颜料包括比如酞菁蓝(例如铜酞菁)、酞菁绿(例如氯化酞菁铜)、二芳基黄(例如二芳基酰苯胺黄；C32H26Cl2N6O4)、萘酚红(例如偶氮红)以及二噁嗪紫(例如咔唑紫；C34H22Cl2N4O2)。这样的有机颜料容易以同作为载体之水的预分散混合物获得。
如果将着色剂加入墨水给金属颜料着色、那么最好使用有机颜料，并把交联剂加入该悬浮液以使着色剂同金属颜料结合。优选的有机颜料可在商品名HOStafine下由罗得岛Coventry的Clariant国际公司获得，并以预分散在水溶剂中的30重量％至40重量％固体颗粒来供货，水溶剂据称包括非离子分散和润湿剂以及甘醇。例如，HOS-tafine Yellow HR颜料可连同铝金属颜料使用，并且最好连同合适的交联剂，以形成呈现金色的金属颜料。墨水中若使用着色剂，则其含量最好约为2重量％至30重量％，更优选地约为7重量％至25重量％。
合适的交联剂将使着色剂同金属颜料颗粒结合，以克服待标识基体(例如纸)对该颜料的优先吸附。例如，具有极性端和非极性端的一种交联剂能将非极性颜料连结至极性金属表面(如该金属颜料)。优选的交联剂选自两亲的共聚物、多功能碳二亚胺、磷酸盐及其组合。合适的两亲共聚物(既有疏水性又有亲水性单元)为聚(乙烯吡咯烷酮/丙烯酸酯/甲基丙烯酸月桂酯)，由新泽西Wayne的国际特种产品公司在商品名Styleze 2000(CAS#831)下出售。优选的多功能碳二亚胺由康涅狄格Danbury的联合碳化物公司在商品名U-CARLNK XL-29SE下出售。磷酸单乙醇胺盐是一种优选的磷酸盐。对促进有机颜料粘附至金属基体有帮助的其它试剂(例如供印刷金属化膜之墨水中所用的试剂)也可用于本发明的墨水。
以很少量使用的防沉淀剂，可有助于该墨水的稳定而不影响标识器的性能以及该墨水的标识质量。存在于墨水中的防沉淀剂最好约为0.001重量％至0.01重量％，优选地约为0.003重量％至0.006重量％。如这里所述，优选的防沉淀剂为黄原酸胶，按约为0.03重量％至0.006重量％的优选范围加以使用。
最好将防腐剂(例如杀真菌剂及/或杀细菌剂)加入墨水配方。供用于本发明之墨水的优选防腐剂是活性成分1，2-benzisothiazolin-3-one(BIT；CAS#2634-33-5)的9.3％的氢氧化钠和双丙甘醇溶液，由特拉华Wilmington的美洲ICI公司在商量名P-ROXEL GXL下出售。当使用时，防腐剂在墨水中的含量约为0.05重量％至0.15重量％。
按足够的量将成膜树脂、金属颜料、水和任选的添加剂在一起，以形成具有所希望颜色和稳定性、并具有适合毛细作用标识器工作粘度的墨水。优选地，此墨水将具有至少约2.5厘泊(CP)和不大于约80CP的粘度，更优选地约为3CP至30CP，最优选地约为3CP至14CP，以阻止组分的沉淀。
可以通过充分混合成膜树脂、金属颜料、水和任选的添加剂直至形成均匀的混合物来制备本发明的墨水。
本发明的标识器一般包括供贮存墨水的蓄墨器，按毛细连接关系接至一有孔笔尖。图1为本发明标识器一实例10的部分剖面图，包括配置在套管14内并被毛细作用接至笔尖16的蓄墨器12。套管14由管塞20密封，它能帮助把该蓄墨器固定。毛细连接意指用这样一种方式来配置蓄墨器和笔尖，以使墨水能经由毛细作用在蓄墨器和笔尖之间转移，例如在连接区22，这样压力的改变(或在笔尖上或者在蓄墨器中)便可拉动墨水流过该两个部件之间的界面。本发明标识器最好包括本发明墨水以及多孔丙烯酸纤维笔尖。
蓄墨器可由大孔率度或低密度材料构成，最好是低密度纤维材料，例如低密度聚酯纤维。蓄墨器应用足够的孔率度以防止当墨水自该蓄墨器中抽出时颗粒颜料有显著的过滤。蓄墨器中的孔隙最好有基本上为直线的通道，因为曲折的通道能促使颗粒颜料的滞留和过滤。蓄墨器比如纤维蓄墨器的密度可作为该蓄墨器孔率度的近似值。优选地蓄墨器的密度小于约每立方厘米1克(g/cm3)，更优选地小于约0.5g/cm3，例如约0.10g/cm3。如果使用约有7μm至12μm优选颗粒粒度的金属颜料，那么蓄墨器的密度优选地约为小于0.3g/cm3，更优选地约为0.25g/cm3至0.07g/cm3，例如约0.10g/cm3。若使用纤维，则该纤维优选地将有小于5的每纤维但尼尔值(dpf)，更优选地约为1dpf至3dpf，例如约2.3dpf。此蓄墨器材料可作改性(如等离子体或电晕处理)以提供所需的表面能量。合适的聚酯纤维蓄墨器可由弗吉尼亚Richmond的Filtrone Richmond公司在商品名TRANSORB XPE获得。
蓄墨器的大小和形状部分受到标识工具物理尺寸的限制。在一适合用于手用之常规大小圆筒标识器内的优选实施方案中，蓄墨器最好直径约为5mm至15mm以及长度约为70至120mm。本发明蓄墨器可装有外封套以帮助确定该蓄墨器的形状并提供维持保养特性方面的方便。因此，例如低密度聚酯纤维蓄墨器可用塑料(如聚丙烯)膜进行封装以确定圆筒形状，其中该蓄墨器至少要露出一端(即不被覆盖物覆盖)。本发明不限于使用任何特定大小或形状的蓄墨器，而且其它合适蓄墨器的大小和形状可由本领域中的普通技术人员加以选择。
蓄墨器最好包括金属颜料和成膜树脂的水性悬浮液，任选地连同一种或多种pH调节剂、着色剂、交联剂、防沉淀剂以及防腐剂。在优选的标识器实施方案中，蓄墨器包括如这里所公开的金属墨水。
笔尖最好由多孔的基本上线型的丙烯酸纤维构成。丙烯酸笔尖有优越的溶剂抗耐性、硬的书写触感，好的耐磨性以及尤其适合和本发明的墨水一起使用。该笔尖是充分地多孔的，以形成基本上将不过滤墨水中之颗粒的墨水通道。最好该笔尖的孔率度按孔隙的体积计约为55％至80％。当使用具有标定平均颗粒粒度约为7μm至12μm的金属颜料时，该笔尖按孔隙体积计的孔率度优选地约为57％至73％，更优选地约为65％至70％，最优选地约为68％至70％。供用作笔尖的有合适高孔率度、基本上线型的丙烯酸纤维材料可从日本东京的Teibow Hanbai有限公司在牌号CE348S下以及从日本东京Aubex公司在牌号WA49R下获得。
丙烯酸笔尖在本发明标识器中的使用，通过促进化学兼容性以及压抑笔尖表面上毛细通道由于过滤大的颜料颗粒而堵塞，来确保成品的适当功能和有效使用寿命。该笔尖的大小和形状将部分受到蓄墨器的大小和形状以及实际考虑的限制。因此，例如该笔尖书写端可有凿横刃部形状，适用于作宽或窄的标识。按与蓄墨器有毛细连接配置的笔尖相反的一端(即在图1的连接区22)，最好比该蓄器的截面尺寸(例如直径)要小。
连接区(例如图1的局部22)最好很大，以使笔尖和蓄墨器之间的毛细连接最大化。因此，在本发明的一个实施方案中，笔尖和蓄墨器在连接区的形状要这样选择，使得该笔尖连接区端的大表面积暴露于该蓄墨器(最好与之接触)。例如，该暴露于蓄墨器的笔尖端可装有扩口管(例如锥形)，以使笔尖暴露于蓄墨器供毛细连接的表面积更大。例如，当使用包括基本上线型的纤维之笔尖材料时，暴露于蓄墨器之笔尖形成扩口管端便增加暴露于蓄墨器之纤维端供毛细连接的表面积。于是，这里所公开的工具最好包括连接区，其中纤维暴露端的表面积大于笔尖的横截面积。
图2至6描绘了连接区端笔尖构形的其它实例。图2为锥头笔尖24连接区端的正视图，具有暴露于蓄墨器的锥形(即铅笔尖形)连接部分26。在这一构形中，连接部分26比如可约为1cm至2.5cm长。
锥头笔尖的变种30示于图3。图3为拉长锥头笔尖30连接区端的截面图，连同蓄墨器34显示出具有拉长的锥形连接部分32，其中连接区端的连接部分32相对较长，并且可使构形相对地进一步伸展进入蓄墨器34。例如，此连接部分32可延长至蓄墨器整个长度。
图4为凿头笔尖36连接区端的正视图，具有凿形连接部分40。图5为楔头笔尖42连接区端的正视图，具有楔形连接部分44。图6为金字塔头笔尖46连接区端的正视图，具有金字塔形连接部分50。在图4至6的构形中，比如每一连接部分的长度可约为1cm至2.5cm。笔尖的连接部分可在一个或多个表面上加以磨光，以暴露笔尖中的毛细通道。本发明不局限于使用任何特定大小或形状的笔尖连接部分，并且，其它合适笔尖的形状和大小可由本领域中的普通的技术人员加以选择。
实施例提供下列实施例是对本发明的说明而并非对本发明范围的限制。
实施例1-银墨水1通过所示量将下面确定的成分混合来制备银墨水，差额为水。
成分 用途量NPW2900铝粉末(10μm) 金属颜料15重量％DANTOIN739成膜树脂19重量％PROXEL GXL防腐剂 0.1重量％三乙醇胺 pH调节剂0.5重量％该墨水的测量粘度为2.61CP。将此墨水装入包括连接至丙烯酸笔尖之聚酯纤维蓄墨器的标识器。该标识器经由毛细作用而通过笔尖将金属墨水自蓄墨器分送到一种基体上。
实施例2-银墨水2通过所示量将下面确定的成分混合来制备银墨水，差额为水。
成分 用途 量NPW2900铝粉末(10μm) 金属颜料 15重量％DANTOIN739成膜树脂 19重量％PROXEL GXL防腐剂0.1重量％三乙醇胺 pH调节剂 0.5重量％黄原酸胶 防沉淀剂 0.5重量％的该试剂在水中的1重量％溶液该墨水的测量粘度为11.3CP。将该墨水装入包括连接至丙烯酸笔尖之聚酯纤维蓄墨器的标识器。该标识器经由毛细作用而通过笔尖将金属墨水自蓄墨器分送到一基体上。
实施例3-金墨水1
金墨水通过按所示量将下面确定的成分混合来制备，差额为水。
成分用途 量NPW290铝粉末(10μm) 金属颜料 10重量％DANTOIN739 成膜树脂 13.4重量％HOSTAFINE Yellow HR 着色剂20.1重量％磷酸单乙醇胺盐 交联剂0.34重量％PROXEL GXL 防腐剂0.07重量％三乙醇胺pH调节剂 0.34重量％黄原酸胶防沉淀剂 0.34重量％的该试剂在水中的1重量％溶液该墨水的测量粘度为4CP。将该墨水装入到包括连接至丙烯酸笔尖之聚酯纤维蓄墨器的标识器中。该标识器经由毛细作用而通过笔尖将金属墨水自蓄墨器分送至一基体上。
实施例4-金墨水2金墨水通过将下面确定的成分，按所示量混合来制备，差额为水。
成分用途 量NPW290铝粉末(10μm) 金属颜料 10重量％DANTOIN739 成膜树脂 13.4重量％HOSTAFINE Yellow HR 着色剂20.1重量％STYLEZE2000 交联剂0.34重量％的该试剂在水中的10重量％溶液PROXEL GXL 防腐剂0.1重量％三乙醇胺pH调节剂 0.5重量％黄原胶 防沉淀剂 0.34重量％的该试剂在水中的1重量％溶液该墨水的测量粘度为10.6CP。将该墨水装入包括连接至丙烯酸笔尖之聚酯纤维蓄墨器的标识器中。该标识器经由毛细作用而通过笔尖将金属墨水自蓄墨器分送到一基体上。
给出前面的描述仅为理解的清晰，而不应推断为不必要的限制，因为对于本领域中普通的技术人员，显然可在本发明的范围内进行改动。
权利要求
1.一种水性金属墨水，包括金属颜料和成膜树脂的水性分散液，所述成膜树脂包括乙内酰脲-甲醛共聚物，其中该墨水的pH约为6至9。
2.权利要求1的墨水，其中金属颜料的平均颗粒粒度小于15μm。
3.权利要求2的墨水，其中金属颜料的平均颗粒粒度约为5μm至12μm。
4.权利要求1的墨水，其中金属颜料按该墨水总重量计约占该墨水的7.5重量％至20重量％。
5.权利要求1的墨水，其中该树脂包括二甲基乙内酰脲-甲醛。
6.权利要求1的墨水，其中包括足量的一种pH调节剂，以维持该墨水的pH在6至9的范围。
7.权利要求6的墨水，其中该pH调节剂包括选自三乙醇胺、氨甲基丙醇的化合物以及其组合。
8.权利要求1的墨水，其中进一步包括着色剂，选自有机颜料、染料以及其组合。
9.权利要求8的墨水，其中该着色剂按墨水总重量计，约占有该墨水的2重量％至30重量％。
10.权利要求8的墨水，其中该着色剂包括有机颜料以及该墨水进一步包括交联剂。
11.权利要求10的墨水，其中该交联剂选自两亲的共聚物、多功能碳二亚胺、磷酸盐以及其组合。
12.权利要求11的墨水，其中该交联剂包括两亲的共聚物。
13.权利要求1的墨水进一步包括防沉淀剂，其量约为0.01重量％至0.01重量％。
14.权利要求1的墨水进一步包括防腐剂。
15.权利要求1的墨水的粘度范围在2.5CP至80CP。
16.一种标识工具，包括按毛细连接关系接至多孔笔尖的供贮存墨水的蓄墨器。
17.权利要求16的标识工具，进一步包括配置在蓄墨器中的权利要求1的墨水。
18.权利要求16的标识工具，其中该蓄墨器包括密度小于约1g/cm3的聚酯纤维蓄墨器。
19.权利要求16的标识工具，其中该笔尖包括多孔的、基本上线型的丙烯酸纤维。
20.权利要求19的标识工具，其中笔尖的孔率度按孔隙体积计约在55％至80％的范围。
21.权利要求16的标识工具，其中该笔尖包括多孔的、基本上线型的纤维，该工具进一步有一个连接区，其中暴露纤维端的表面积大于该笔尖的横截面积。
22.标识工具包括密度小于约1g/cm3的聚酯纤维蓄墨器，按毛细连接至多孔的、基本上线型的丙烯酸纤维笔尖来配置，并且包括配置在该蓄墨器中的水性金属墨水，该墨水有基于墨水总重量约为7.5重量％至20重量％的颗粒粒度约在5μm至12μm范围内的金属颜料，包括二甲基乙内酰脲-甲醛的成膜树脂以及选自三乙醇胺、氨甲基丙醇和其组合的pH调节剂。
全文摘要
公开了一种墨水，包含有金属颜料和成膜树脂的水性悬浮液，同时任选地包含有一种或多种pH调节剂、着色剂、交联剂、防沉淀剂以及防腐剂。还公开了一种标识工具，尤其是适合使用本发明之墨水的标识工具，并且包括贮存墨水的按毛细连接关系与多孔笔尖连接的低密度蓄墨器。
文档编号C09D11/00GK1589298SQ02823009
公开日2005年3月2日 申请日期2002年11月18日 优先权日2001年11月19日
发明者M·N·赛克斯顿 申请人:桑福德有限合伙人公司