专利名称：喷墨印刷流体的制作方法
技术领域：
本发明一般性涉及喷墨印刷流体(包括颜料墨和澄清墨)领域，并且特别涉及可用于热喷墨印刷和连续喷墨印刷的墨。更特别地，本发明涉及用于闻速喷墨印刷广生耐久图像的颜料墨和澄清墨。
背景技术：
喷墨印刷是通过响应数字信号以逐像素方式在图像记录元件上沉积墨滴来产生印刷图像的非冲击方法。有多种方法可用于控制墨滴在图像记录元件上的沉积以产生期望印刷图像。在已知为按需滴墨的一种方法中，根据需要在图像记录元件上喷射单独液滴形成期望印刷图像。在按需滴墨印刷中控制墨滴的喷射的常用方法包括热泡沫形成(热喷墨(TIJ))和压电式转换器。在已知为连续喷墨(CU)的另一方法中，产生连续液滴流并且以成图像方式喷射在图像记录元件表面，同时使得非成像液滴偏离、被捕获并且回收到墨箱中。已发现喷墨印刷在由桌面文件和摄影质量的成像到商业印刷和工业标签的整个市场的广泛应用。 喷墨印刷机中使用的包含着色剂的墨组合物可分为颜料基(其中着色剂以悬浮于墨组合物中的颜料颗粒存在)或染料基(其中着色剂以包含一个或更多个染料分子的完全溶解的染料物质存在)。颜料是非常有利的，因为它们比染料更抗褪色。但是，颜料基墨有若干缺点。处理大的长度以使颜料颗粒降低至足够小的粒径并且为颗粒提供足够的胶状稳定性。颜料基墨通常需要长度研磨操作以产生大多数现代墨应用所需的亚微米范围的颗粒。如果颜料颗粒太大，光散射可对印刷图像的光密度和光泽产生有害影响。颜料墨的第二个缺点是印刷后，尤其是在对印刷图像施加磨损力的条件下墨的稳定性。颜料基墨通常驻留在印刷图像的图像接收物的表面，这使得印刷图像特别易受磨损力影响。从这个意义来说，颜料墨被与多种聚合物、分散剂和其他附加物一起配制，以提供可经受印刷后的外观损坏(physical abuse)和环境条件的耐久图像。印刷图像的抗磨损程度也是印刷后时间的函数。在印刷后短的时间间隔(通常数分钟至数小时)，墨经受若干复杂的动态变化。随着墨与接收物的接触，一些组分渗透入接收物并且液滴可同时在接收物表面侧向扩展。载体流体例如水和保湿剂被毛细管作用力吸进接收物而聚合物粘合剂开始形成膜。在短的时间间隔，粘合剂膜形成不完全并且所得颜料块特别易受磨损力影响。通常，印刷到接收物的总流体越多(因此水分越多)，墨干燥并且形成耐久图像的时间就越长。图像的抗磨损性还受到湿润剂的存在的影响，所述润湿剂用于使喷发性能最佳化，但是其在颜料块中保留一段时间。因为大多数润湿剂具有比水低很多的蒸汽压，其蒸发相对缓慢并且可在图像接收物中保留若干小时。润湿剂可具有使聚合物粘合剂塑化并且使得图像表面比不存在润湿剂时更加有粘性或柔软的效果。一旦润湿剂蒸发，所得的主要由颜料和粘合剂组成的颜料块就成为稳定状态的组合物并且决定了印刷图像的长期抗磨损性。在图像接收物经过印刷机前进时，由喷墨印刷机印刷的图像也易受磨损力影响。通常，有一些机构用于使印刷物经过印刷头前进并且从印刷机出来。在一些设计中，使用正齿轮使印刷接收物前进。正齿轮通常由硬塑料或金属制成并且具有点或刺位于齿轮外围的圆盘结构。刺与印刷接收物接触并且可物理刺入印刷图像的最上区域留下小孔。在极端情况下，刺可刺进接收物并且扯下小部分的图像区域。在任一情况下，由正齿轮造成的机械磨损发生于大约印刷后若干秒的短时间间隔内并且导致影响视觉效果的缺点。另外，在一些情况下，不完全聚合物粘合剂膜的形成导致可粘附于传送印刷图像的印刷机内的这种表面的粘性表面。已经用丙烯酸聚合物配制了用于喷墨印刷的颜料墨。但是，单独丙烯酸聚合物不足以提供抵抗刮擦和其他形式的外观损坏的耐久图像。被用作颜料基墨中的抗磨损添加物的第二类聚合物是聚氨酯，或有时称作聚氨酯树脂。美国专利N0.6，136，890公开了一种颜料基喷墨用墨，其中颜料颗粒用聚氨酯分散剂稳定。美国公开N0.2004/0242726公开了一种通过具有氨酯键的树脂与第二水溶性聚合物之间的交联步骤分散的颜料。尽管聚氨酯以其极好的抗磨损性著称，但是它们也具有很多缺点。例如，不是所有的聚氨酯聚合物都有益于从热喷墨头喷射。特别地，水分散性聚氨酯颗粒(例如美国专利 号6，533，408和6，268，101、法定发明登记N0.US H2113H和美国公开号2004/0130608和2004/0229976公开的那些)尤其难于以高喷发频率从热喷墨印刷头喷射。非常有利的是以高喷发频率从喷墨印刷机喷发墨，因为这是一个控制图像印刷速度的变量。提供印刷图像的抗磨损性的另一方法是使用澄清墨作为图像的外涂层。已知为外涂层溶液或无色墨组合物的澄清墨通常由聚合物、水和在水基喷墨用墨制剂中通常使用的其他组分如湿润剂、有机溶剂、表面活性剂和生物杀灭剂配制成。美国公开号2006/0100306和2006/0100308公开了澄清墨组合物中聚氨酯以及聚氨酯与具有特定酸值的丙烯酸聚合物的混合物的使用。但是，由聚氨酯配制的澄清墨也具有与颜料墨一样的短期耐久性问题，因为它们的很多组分与其有色副本一样。另外，澄清墨的使用增加了施加于接收物的水总量，因此减慢了印刷物的图像区域的干燥。尽管使用澄清墨可提高长期耐久性，但是由于增加了接收物负载的水，其使用可不利地影响短期耐久性。颜料墨和澄清墨两者都难于从具有小的喷嘴直径的喷墨印刷头喷射，特别是通过热喷墨印刷方法。近年来，热喷墨印刷机已经向更高喷射频率和更小喷嘴直径转移，以提供更快的印刷速度和更高的图像质量。现在，热喷墨印刷机能够以超过IOkHz的喷射频率印刷(液滴体积为3微微升或更少)，并且对于更高速度喷发的需求是非常有利的特征。但是，该频率喷发的代价通常是喷发速度的变化，其导致最终印刷图像差的图像质量。另外，当前热喷墨印刷的要求需要喷嘴在印刷机的使用寿命期间喷发很多次。例如，通常可能需要喷墨嘴喷发超过5 X IO7次、并且多至I X IO9次的单次喷发事件并且至喷发完全之前无故障或停止。因此，尽管已经发现了聚氨酯在喷墨用墨中的用途，依然需要提供能够提供耐久的图像并且满足高频热喷墨印刷的需求的喷墨印刷流体(包含颜料基喷墨用墨和澄清喷墨用墨两者)。连续喷墨(CU)印刷机通常由两个主组件构成:流体系统和一个或更多个印刷头。墨通过补给线由储料器递送至歧管，歧管将墨分配给通常以线性对齐排布的多个孔口，在足够的压力下产生由印刷头的孔口流出的墨流。对印刷头施加刺激，造成这些墨流形成间隔液滴流，所述间隔液滴流偏离进印刷或非印刷路线。非印刷液滴通过液滴捕获器和返回线路返回储料器。美国专利N0.4，734，711和5，394，177以及EPl, 013，450详细描述了用于CIJ设备的流体系统的设计。可以在美国专利N0.6，588，888和6，943，037中发现CIJ印刷设备和印刷头构造的最近发展。墨滴的均匀需要在印刷头空穴中保持均匀压力。美国专利N0.4，614，948描述优选使用正排量泵如齿轮泵作为供墨泵。在美国专利N0.4，971，527中确认了需要限制泵产生的脉动。另外，在流体系统的适当位置使用过滤器，以在墨进入印刷头孔口前除去过大颗粒，避免堵塞印刷头。CIJ墨传统上大多是水性染料基墨，其最小化了稳定系统的运转性相关问题，例如易于启动/关闭、延长的印刷时间而不弯曲喷射和减少更换过滤器的频率。在这种传统的染料基墨中没有显微镜可观测的颗粒。尽管在染料基喷墨用墨领域最近有很多发展，但是这种墨依然有很多缺点，例如镀膜光面纸的低光密度和差的耐光性。当使用水作为载体时，这些墨一般还具有差的耐水牢度和差的抗涂污性。因此，与颜料墨相关的优点对于在连续喷墨印刷系统中的应用也将会是有利的。但是，已经发现当颜料墨在CIJ流体系统中运行时，可能遇到严重的过滤器堵塞问题，所以需要频繁(例如若干小时，相比之下染料基墨为若干个月)更换过滤器。过滤器堵塞的结果是流体压力和流体喷射的损失，导致系统停机。进一步的研究发现，通常在流体系统中使用的以最小脉动保持流体压力的齿轮泵可造成颜料颗粒的凝聚，导致过滤器堵塞和系统停机。另外，聚氨酯的添加也可大幅增加印刷流体的粘性，造成印刷流体在再循环时变得不稳定，这对于连续喷墨印刷的应用可能尤其不利。因此，还需要在CIJ流体系统中稳定的喷墨印刷流体，特别是包含聚氨酯的颜料喷墨用墨制剂。
发明内容
本发明一个目的是提供喷墨印刷流体组合物(包括颜料基墨和澄清墨)，其包含为图像提供印刷后短期和长期时间`间隔两者的抗磨损性的水性聚氨酯粘合剂。另一目的是提供可以以高喷发频率由喷墨印刷头喷射的这样的印刷流体。本发明的另一目的是提供用于ClJ印刷系统的能够使墨在ClJ流体系统中长时间循环而不显著增加压力或堵塞过滤器的这样的印刷流体。根据一个实施方案，本发明提供了包含水和通式(I)的水分散性聚氨酯添加物的喷墨印刷流体组合物:
'-P-X1-Y1-X1——1.......................'
OO
(I{I
^Z—Κ —C~- —*---*
,___χ2.γ2-χ2___ I其中Z是二异氰酸酯的聚合产物的单体单元的中心部分A1-Y1-X1代表一个或更多个软链段，其中Y1代表分子量大于300道尔顿的二胺或二醇预聚物的聚合产物的单元的中心部分；胃是包含酸基的一个或更多个单元的中心部分；Χ2-Υ2-Χ2代表一个或更多个硬链段，其中Y2代表分子量小于250道尔顿的C2-C8 二醇或二胺的聚合产物的单元的中心部分；X\V和X2可以相同或不同并且可以是-O-或-N-原子；并且进一步其中聚氨酯添加物的重均分子量为至少6，000道尔顿并且具有够数量的酸基以提供大于35的酸值，并且所述一个或更多个X2-Y2-X2硬链段的存在量占聚氨酯添加物的I重量％至低于13重量％。本发明还提供了印刷喷墨图像的方法，其包括:1)提供根据本发明的喷墨印刷流体；和II)将喷墨印刷流体以墨滴形式喷射在记录元件上以形成印刷图像。
在以下对本发明的例子实施方案的详细描述中，参照了附图，其中:图1是根据本发明的实施方案使用的按需喷墨印刷系统的示意图；和图2示出了根据本发明的实施方案使用的连续喷墨印刷系统的示意图。发明详述本发明的喷墨印刷流体是水基印刷流体。本文定义的“水基”是指主要包含水作为印刷流体其余组分的载体介质的印刷流体。在一个优选实施方案中，本发明的印刷流体包含至少50重量百分比的水。在一个具体实施方案中，印刷流体是颜料基墨。颜料基墨定义为至少包含水溶性颜料颗粒的分散系的墨。在另一实施方案中，印刷流体可以是澄清墨。本发明的澄清墨定义为不包含着色剂(包括有色颜料或有色染料)的墨组合物。澄清墨通常是水基的并且可包含在喷墨印刷领域使用的湿润剂和聚合物。由于存在湿润剂、聚合物或杂质，澄清墨可以稍微具有颜色，但是不是通过添加着色剂故意着色。墨组定义为包含两种或更多种墨的组。墨组可包含不同颜色的颜料基墨，例如青色、品红色、黄色、红色、绿色、蓝色、橙色、紫色或黑色。在一个实施方案中，在包含分别具有青色、品红色和黄色着色剂的至少三种墨的墨组中使用碳黑颜料墨。除了青色、品红色和黄色外，可用的墨组还 包含互补的着色剂，例如红色、蓝色、紫色、橙色或绿色墨。另外，墨组可包含浅色和深色墨，例如，宽格式印刷机的墨组中通常使用的浅青色和浅品红色墨。墨组可能包含一种或更多种包含不同颜色的颜料的混合物的墨。一个例子是混合有一种或更多种有色颜料或不同有色颜料的组合的碳黑颜料。墨组还可包含与一种或更多种澄清墨组合的一种或更多种颜料基墨。墨组还可包含与为染料基墨的额外墨组合的至少一种或更多种颜料基墨。墨组还可包含一种或更多种以下墨，其包含主要用于印刷文本的自分散碳黑颜料墨和主要用于摄影质量印刷的多种青色、品红色、黄色和黑色墨。本发明的印刷流体组合物包含至少一种水分散性聚氨酯化合物。本文的“水分散性(的)”的定义是指在印刷流体中不需要分散剂就能稳定分散的单独聚合物分子或聚合物分子的胶状聚集体。本发明使用的水分散性聚氨酯具有通式(I):.
权利要求
1.一种喷墨印刷流体组合物，其包含水和通式(I)的水分散性聚氨酯添加物:
2.根据权利要求1所述的喷墨印刷流体，其还包含湿润剂。
3.根据权利要求1所述的喷墨印刷流体，其还包含着色剂。
4.根据权利要求3所述的喷墨印刷流体，其中所述着色剂包括分散的颜料颗粒。
5.根据权利要求4所述的喷墨印刷流体，其中所述颜料颗粒利用聚合物分散剂分散。
6.根据权利要求4所述的喷墨印刷流体，其中所述颜料颗粒利用表面活性剂分散。
7.根据权利要求4所述的喷墨印刷流体，其中所述颜料颗粒是自分散的而不需要单独的分散剂。
8.根据权利要求4所述的喷墨印刷流体，其中所述颜料颗粒以I至10重量％的重量浓度存在，所述聚氨酯添加物的酸值为40至100，并且所述聚氨酯添加物以比所述颜料的重量浓度大的重量浓度存在。
9.根据权利要求8所述的喷墨印刷流体，其还包含至多10重量％的湿润剂，并且其中所述聚氨酯添加物的酸值为50至95。
10.根据权利要求4所述的喷墨印刷流体，其中所述颜料颗粒以I至10重量％的重量浓度存在，所述聚氨酯添加物的酸值为65至130，且所述聚氨酯添加物以比所述颜料的重量浓度小的重量浓度存在。
11.根据权利要求10所述的喷墨印刷流体，其还包含至少5重量％的湿润剂，并且其中所述聚氨酯添加物的酸值为80至120。
12.根据权利要求1所述的喷墨印刷流体，其中所述软链段包括聚碳酸酯、聚酯或聚醚预聚物。
13.根据权利要求1所述的喷墨印刷流体，其中所述软链段的重均分子量为400至20, 000道尔顿。
14.根据权利要求1所 述的喷墨印刷流体，其中所述硬链段的存在量为总聚氨酯聚合物的5重量％至11重量％。
15.根据权利要求1所述的喷墨印刷流体，其中所述X2-Y2-X2硬链段包括C2-C8二醇的聚合产物。
16.根据权利要求1所述的喷墨印刷流体，其中所述X2-Y2-X2硬链段包括1，4_丁二醇的聚合产物。
17.根据权利要求1所述的喷墨印刷流体，其中所述聚氨酯上的所述酸基被使用单价无机碱至少部分中和。
18.根据权利要求17所述的喷墨印刷流体，其中所述聚氨酯的至少70%的可反应酸基被使用单价无机碱中和。
19.一种印刷喷墨图像的方法，其包括: I)提供根据权利要求1的喷墨印刷流体；和 II)将所述喷墨印刷流 体以墨滴形式喷射到记录元件上形成印刷图像。
全文摘要
一种包含水和通式(I)的可分散聚氨酯添加物的喷墨印刷流体组合物其中Z是二异氰酸酯的聚合产物的单体单元的中心部分；X1-Y1-X1代表一个或更多个软链段，其中Y1代表分子量大于300道尔顿的二胺或二醇预聚物的聚合产物的单元的中心部分；W是包含酸基的一个或更多个单元的中心部分；X2-Y2-X2代表一个或更多个硬链段，其中Y2代表分子量小于250道尔顿的C2-C8二醇或二胺的聚合产物的单元的中心部分；X1、V和X2可以相同或不同并且可以是-O-或-N-原子；并且进一步其中所述聚氨酯添加物的重均分子量为至少6,000道尔顿并且具有够数量的酸基以提供大于35的酸值，并且所述一个或更多个X2-Y2-X2硬链段的存在量占所述聚氨酯添加物的1重量％至低于13重量％。还公开了一种印刷喷墨图像的方法，其包括I)提供根据本发明的喷墨印刷流体；和II)将所述喷墨印刷流体以墨滴形式喷射到记录元件上形成印刷图像。
文档编号C09D11/00GK103080244SQ201180041443
公开日2013年5月1日 申请日期2011年8月18日 优先权日2010年8月31日
发明者凯瑟琳·安·福克纳, 托马斯·B·布鲁斯特, 王勇才, 邱慧灵, 道格拉斯·罗伯特·罗贝洛 申请人:伊斯曼柯达公司