专利名称：新型喷墨油墨和印刷方法
技术领域：
本发明涉及喷墨技术领域，尤其涉及新型喷墨油墨配方及其在印刷场合中的应用。
喷墨印刷是一种非击打式点阵印刷技术，其中墨滴由小孔喷射到基材上以产生图像。喷墨印刷方法特别适用于数字印刷，其中待印刷的图像被电子编码。目前使用两种主要类型的数字印刷方法，以颜色在印刷图像中表现的方式而区别。一种方法是彩色套印，其中使用通常为4-8的固定数的标准颜色来获得全色范围。使用一种抖动工艺将变化量的该颜色组在基材表面上合并以尽量减少不同着色点的可见性。相反，第二种数字印刷方法采用定制颜色或“斑点”颜色。该方法需要预混油墨或着色剂以形成所需的色调，然后用于产生所需的图像。
数字喷墨印刷方法，例如以上提及的方法目前正开发用于纺织品印刷。纺织品工业需要用全光谱颜色快速装饰织物，要求以最低花费得到可能最高的质量，同时具有足够的适应性以满足用户需求。数字印刷预期能够减少现有纺织品印刷方法带来的辛劳，其中采用多步筛网法，增加了膜、筛网、版和印刷机的制备。尽管使用喷墨技术在纺织品上印刷在速度和通用性方面有许多优点，但该方法存在许多问题。喷墨油墨必须同时满足对喷射和对装饰织物的苛刻要求。
在对大多数具有低粘度、所需表面张力、低毒性、所需色调、和所需干燥时间的喷墨油墨的要求中，喷墨油墨还需要对所选基材的粘结性和坚牢度。尤其对于纺织品基材，该油墨必须与织物充分粘附以经受一般使用。油墨必须不褪色、擦掉、转移到其它基材、或溶解在无水清洁溶剂。为了获得喷墨油墨在织物上的粘结性，一般将定色剂在印刷之前施用到织物上。但用定色剂预处理的织物昂贵，这阻碍了喷墨技术在纺织品用途方面的进展。
目前正在开发加入了定色剂或粘结剂的喷墨油墨。这样，预处理织物就不是油墨印刷所必要的。美国专利5936027给出了包含粘结剂的喷墨油墨的一个例子。其中公开的非水喷墨油墨配方提出使用硅氧烷和酚醛树脂，这有助于将颜料粘结到基材，主要是纺织品上。但这样一些溶剂基油墨在许多场合中受到溶解度的局限，而水基油墨更通用，本身毒性较低，且一般更为大规模工业印刷所需要。
实际上，许多已知的喷墨油墨加入了聚合物和树脂以提高性能。本文描述了包含聚合物或树脂添加剂以增强性能的水基喷墨油墨的例子。日本专利62225577公开了一种包含聚合物(聚酯或聚酰胺)和交联剂的含水喷墨油墨。美国专利5106417给出了一种具有高分子量酸性聚丙烯酸系树脂组分作为分散颜料的含水喷墨油墨制剂。类似地，美国专利5624485描述了一种包含少量聚合物以提高在非水接受性基材上的图像质量的含水喷墨油墨配方。此外，美国专利6005023公开了一种包含支链聚合物分散剂和乳液聚合物的含水喷墨油墨。但包含这些物质用于将着色剂固定在基材上的含水喷墨油墨尚待完善。
在通常需用试剂以促进油墨在其上的粘结性和坚牢度的差不多纺织品之类的基材中，需要一种简单且有效地提供所需油墨粘附性的方法，同时避免低效使用预处理基材。即，本文公开的本发明油墨提供了一种达到此目标的方式，这有助于喷墨技术的开发。
本发明涉及包含载体和着色剂两者以使载体与着色剂的重量比为约1∶1-50∶1的喷墨油墨。该载体包含(ⅰ)约25-90％重量的水；(ⅱ)约1-50％重量的助溶剂；(ⅲ)约0-10％重量的pH调节剂；和(ⅳ)约1-30％重量的粘结剂。该粘结剂优选为重均分子量约100-20000的未支化聚合物树脂。合适的树脂包括丙烯酸系树脂、乙烯基树脂、和纤维素树脂。油墨的着色剂组分包括染料、颜料和颜料分散体。
本发明还涉及一种印刷基材的方法，包括将配制如上的油墨喷射到基材上的步骤。优选的基材包括纸、纸板、织物和纺织品。
优选实施方案的描述本发明涉及包含粘结剂组分以促进油墨与基材粘结的喷墨油墨。本发明的油墨特别适用于其中基材需要强油墨粘附性的喷墨印刷场合。在优选实施方案中，该油墨包括两种主要组分，即，1)包含水、助溶剂、粘结剂和可有可无的pH调节剂的含水载体，和2)着色剂，例如染料或颜料。
在本文中，前面加上术语“约”的所用数字范围不应认为局限于所述范围，相反，前面加上术语“约”的所用数字范围应该理解为包括，本领域熟练技术人员对本发明喷墨油墨配方中的任何给定要素可认可的范围。
本发明的载体配方主要是含水的，具有约25-90％重量的水。优选的配方包括约40-90％重量的水，而最优选的载体具有约55-80％重量的水。
除了水，本发明的载体包含可促进油墨组分溶解并减少气体在最终油墨配方中的溶解度的助溶剂。本文所用的术语“助溶剂”是指单个助溶剂或助溶剂混合物两者。一般来说，助溶剂可以是存在于载体的水混溶或水溶性物质，其量为约1-50％重量，优选约5-40％重量，更优选约10-30％重量。适用于本发明的助溶剂包括一种或多种以下化合物二醇、二醇醚、聚乙二醇、甘油、或酮。二醇可包括，例如乙二醇、二甘醇、三甘醇、丙二醇、二亚丙基二醇、和三亚丙基二醇。优选的二醇醚包括(但不限于)乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丙醚、乙二醇丁醚、丙二醇甲醚、丙二醇乙醚、丙二醇丙醚、和丙二醇丁醚。各种平均分子量的聚乙二醇(PEG)也是合适的助溶剂。优选的PEG包括(但不限于)PEG100、PEG200、PEG300、PEG400、PEG500、PEG600、和PEG800。此外，适用作助溶剂的酮包括，例如丙酮或甲乙酮。
载体和油墨组合物两者的pH值可以是约3-12；但更优选约7-9。pH调节剂之类的添加剂可因几种原因而包括在载体中，例如为了达到所需的pH值、或中和、稳定化、或水解其它的油墨和载体组分。例如，可溶于中性水溶液的粘结剂之类的组分可水解并通过向载体配方中加入酸或碱而变得可溶。本身可使用任何酸、碱、或缓冲体系，但碱如氢氧化铵、三烷基胺、和氢氧化物碱金属盐是优选的。本文所用的术语“pH调节剂”是指单个pH调节剂或两种或多种pH调节剂的混合物。pH调节剂在载体中的存在是可有可无的，如果存在，其量可以是约0-10％重量，更优选约0-5％重量，或甚至更优选约0-3％重量。
载体还包含至少一种促进油墨与基材粘结的粘结剂。在优选实施方案中，粘结剂是溶解在载体和油墨中的未支化聚合物树脂如丙烯酸系树脂、乙烯基树脂、或纤维素树脂。优选的粘结剂的重均分子量为约1000-20000，但更优选约1000-15000，甚至更优选约1000-10000。粘结剂在载体中的存在量为约1-30％重量，或更优选约1-10％重量，或甚至更优选约1-5％重量。粘结剂可以单个树脂或树脂混合物两种形式存在于载体，且本文所用的术语“粘结剂”意味着包括任一实施方案。
本发明的粘结剂包括丙烯酸系树脂，衍生自丙烯酸或甲基丙烯酸单体，包括(但不限于)丙烯酸、丙烯酸酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯腈、丙烯酰胺、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯腈、及其衍生物。丙烯酸系树脂粘结剂还可包括其它单体如乙烯基单体，包括(但不限于)苯乙烯、苯乙烯衍生物、丁二烯、N-乙烯基吡咯烷酮、乙酸乙烯酯、及其衍生物。优选的丙烯酸系树脂包括苯乙烯丙烯酸系树脂，如购自SC Johnson Polymer的Joncryl树脂。
在本发明的其它实施方案中，粘结剂可以是乙烯基树脂如聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇、或聚乙烯基缩丁醛。本发明的乙烯基树脂由一种或多种乙烯基单体组成，包括(但不限于)苯乙烯和苯乙烯衍生物、乙酸乙烯酯、乙烯醇、丁二醇、和N-乙烯基吡咯烷酮。乙烯基树脂还可包括其它的烯属不饱和单体。
粘结剂还可包括任何纤维素树脂，例如纤维素酯或纤维素醚。优选的纤维素树脂是羟甲基纤维素。
本发明的着色剂包括染料、颜料、和颜料分散体。按照本发明的染料优选为水溶性着色剂。优选的染料属于活性染料类，包括例如，CI活性黄13、30、37、84；CI活性红22、23、120、141、180；CI活性蓝4、19、21；和CI活性黑5和31。其它适用于本发明的染料包括酸、碱、还原、和直接染料。除了染料，颜料和颜料分散体也适用于本发明。颜料是水不溶性着色剂，通常与分散剂结合使用以形成颜料分散体。分散剂有助于将颜料颗粒均匀混入所需介质。分散剂通常包括本领域熟知的熟知的多种物质，包括许多种类的聚合物。例如，包含聚乙氧基化烃和特征在于非离子性或缺少羧酸基团的其它分散物质的市售颜料分散体是已知的。任何颜料分散体都适用于本发明，但优选的颜料分散体是可购得的，包括(但不限于)Hostafine(Clariant)、HiFast(BASF)、和Imperon(Dystar)颜料分散体。
构成本发明油墨的载体与着色剂的合适比率为约1∶1-50∶1，但更优选约2∶1-25∶1的比率，最优选约3∶1-10∶1的比率。
喷墨油墨可通过本领域熟知的方法来制造；但以下通用工艺步骤已成功地用于生产本发明的油墨。水和可有可无的pH调节剂一起加入第一混合腔。搅拌下，加入粘结剂并混合直到完全溶解。随后在不断搅拌下加入助溶剂。向第二混合腔中装入着色剂，在混合下慢慢加入第一混合腔的内容物。成品油墨根据特定组分通过随后连续混合各组分一段时间而制成。
在本发明的其它实施方案中，油墨组合物还包括其它添加剂如消泡剂、杀虫剂、润湿剂、抗氧化剂、电解质、表面活性剂、等以提高性能。
本发明的油墨配方优选具有可进行油墨喷射的性能。例如，在标准温度和压力(STP)下的表面张力合适地为约30-50达因/厘米，但更优选约32-46达因/厘米的范围，甚至更优选约35-42达因/厘米的范围。用于描述在喷射温度和大气压下的油墨粘度的喷射粘度可以是约4-20厘泊；但更优选约4-12厘泊的较低粘度。在热喷方法中的喷射温度一般高于室温且可以是约20-70℃。本发明油墨的热喷温度通常为约35℃。
本发明还包括使用本文公开的油墨在基材上印刷的方法。优选的印刷方法包括将油墨喷射到基材上的步骤。油墨可用连续或按需着墨(DOD)喷墨打印机进行喷射，任一打印机都可采用任何用于形成墨滴的方法，包括热、压电、静电、和声学方法，这都是本领域熟知的。喷墨技术的最新进展Ⅱ(E.Hanson编辑，成像科学和技术协会，Springfield,VA,1999)充分讨论了喷墨技术，包括适用于本发明的喷墨印刷方法，在此将其作为参考并入本发明。
其上喷射有油墨的基材包括任何需要印刷的介质。特别优选那些吸收性的多孔基材。多孔基材可包括天然或合成纤维。合成纤维包括聚酯、尼龙、和莱克拉。天然纤维基材的非限定性例子包括纸、纸板、纤维素纤维、棉、亚麻、和丝。适用于本发明的包含纤维素纤维，如纸和纸板的基材可以涂覆或未涂覆。此外，合适种类的纸和纸板包括，例如牛皮纸、证券纸、和纤维共混物。还适用于本发明的是由天然或合成纤维之一或两者制成的纺织品和织物。织物和纺织品可特征在于是编制、机织或无纺的。印刷之前，织物和纺织品可用定色剂或其它试剂进行预处理，但在印刷之前未暴露于定色剂或粘结剂的未处理织物和纺织品是优选的，因为加入油墨配方中的粘结剂可促进油墨粘结到织物或纺织品上。
本发明方法的优选用途包括产生印刷的织物和纺织品、彩色海报、和彩色广告牌，或印刷外卡通包装和原部件包装。尤其是，本发明方法尤其适用于彩色印刷，包括套色彩印(其中彩色油墨在基材上合并)以及“颜色厨房”(其中彩色油墨在印刷之前定制)的使用。后一彩色印刷方法通过本发明的油墨配方变得实用，因为使用一般载体体系更容易在印刷之前定制混合各颜色，其中本发明的彩色油墨由于可用类似载体体系配制而都是相容的。
本领域熟练技术人员可以理解，可以对本发明的优选实施方案进行多种变化或改进，而且这种变化和改进可在不背离本发明主旨的情况下作出。因此，所附权利要求书意味着覆盖落入本发明主旨和范围内的所有相当变化。
实施例实施例1油墨的制备方法向第一混合腔中加入70克水和1.5克氢氧化铵。混合下，向该腔加入5克的Joncryl693树脂。如果Joncryl树脂完全溶解，加入23.5克丙二醇甲醚并混合约30分钟。然后，加入5.0克丙二醇正丙醚并另外混合30分钟。向第二混合腔中加入18.5克Hostafine Blue B2G颜料分散体。混合的同时，将第一混合腔的内容物慢慢加入第二混合腔的内容物。最终混合物连续搅拌1小时，然后得到最终油墨产品。
实施例2表示组分重量百分数的载体配方。
表1载体№1 2 3 4 5 6水 65.0 67.8 70.0 75.3 65.5 70.0氢氧化铵 3.0 2.3 1.5 0.8 3.0 1.5丙二醇甲醚 20.0 22.5 23.5 24.0 20.0 23.5丙二醇正丙醚 ------------Joncryl693 10.07.5 5.0 2.5 -- --Joncryl HPD671-- ------ 10.05.0实施例3表示组分重量百分数的载体配方。
表2载体№7 8 9 10 11 12水70.0 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0氢氧化铵 --1.5 1.51.51.51.5丙二醇甲醚24.0 23.5 23.5 23.5 23.5 12.0丙二醇正丙醚 -- 10.0 5.0 10.05.02.5Joncryl693 --5.0 5.0-- -- 5.0Joncryl HPD671 -- -- -- 5.05.0--聚乙烯基吡咯烷酮K-15 5.0 -- -- -- -- --实施例4包含载体1-17的油墨配方。
将载体1、2、3、4、5、6或7之一与颜料分散体合并，使得载体与颜料分散体的重量比为85∶15，这样制备出可喷射的油墨配方。
实施例5包含载体9、10和12的油墨配方。
表3给出了最佳彩色喷墨油墨组，其中表示特定组分的载体与着色剂的重量比。
表3载体9载体10载体12Hostafine Blue B2G 85∶15 ----HiFast N CO Fuschia---- 85∶15Hostafine Yellow GR 85∶15 ----Hostafine Black T -- 85∶15 --实施例6特别适合在纺织品上印刷的油墨配方。
表4-9包含载体配方，通过以85∶15的载体分散体比率与任何颜料分散体合并，得到本发明的油墨。
表4载体№131415161718水 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0氢氧化铵3.0 3.0 3.0 3.0 ----甘油 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0Joncryl HPD671 10.0 ----------Joncryl682 -- 10.0 --------Joncryl690 ---- 10.0 ------Joncryl693 ------ 10.0 ----聚乙烯醇-------- 10.0 --聚乙烯基缩丁醛 ---------- 10.0
表5载体№192021222324水 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0氢氧化铵 --3.0 3.0 3.0 3.0 3.0甘油15.0 ----------PEG100 -- 15.0 --------PEG200 ---- 15.0 ------PEG400 ------ 15.0 ----PEG600 -------- 15.0 --PEG800 ---------- 15.0Joncryl693 -- 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0羟甲基纤维素10.0 ----------表6载体№2526272829303132水70.0 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0氢氧化铵 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0乙二醇甲醚15.0 --------------乙二醇乙醚 -- 15.0 ------------乙二醇正丁醚 ---- 15.0 ----------乙二醇正丙醚 ------ 15.0 --------丙二醇甲醚 -- -- -- --15.0 -- -- --丙二醇乙醚 -- -- -- -- -- 15.0 -- --丙二醇正丁醚 -- -- -- -- ---- 15.0 --丙二醇正丙醚 -- -- -- -- ---- -- 15.0Joncryl693 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0表7载体№33 34 35 36 37 38 39 40水70.0 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0氢氧化铵 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5乙二醇甲醚23.5 -- -- -- -- -- -- --乙二醇乙醚 -- 23.5 -- -- -- -- -- --乙二醇正丁醚 -- -- 23.5 -- -- -- -- --乙二醇正丙醚 -- -- -- 23.5 -- -- -- --丙二醇甲醚 -- -- -- -- 23.5 -- -- --丙二醇乙醚 -- -- -- -- -- 23.5 -- --丙二醇正丁醚 -- -- -- -- -- -- 23.5 --丙二醇正丙醚 -- -- -- -- -- -- -- 23.5Joncryl693 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0
表8载体№41 42 43 44 45 46水 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0氢氧化铵 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0乙二醇 15.0 -- -- -- -- --二甘醇-- 15.0 -- -- -- --三甘醇-- -- 15.0 -- -- --丙二醇-- -- -- 15.0 -- --二亚丙基二醇 -- -- -- -- 15.0 --三亚丙基二醇 -- -- -- -- -- 15.0Joncryl693 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0表9载体№474849505152水 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0氢氧化铵1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5乙二醇 23.5 ----------二甘醇 -- 23.5 --------三甘醇 -- -- 23.5 ------丙二醇 -- ---- 23.5 ----二亚丙基二醇 -- ------ 23.5 --三亚丙基二醇-- -- -- -- -- 23.5Joncryl693 10.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0实施例7将油墨传送到基材上的方法将如任何实施例1-6所述的油墨装填到压电DOD喷墨打印头中。该头使用一种用于产生墨滴的膨胀或活塞模式。每个墨滴的产生通过利用压电元件的带电和放电而进行数字控制。在设备和基材运动过程中产生墨滴的系统控制能够产生可识别的图案或图像。
权利要求
1．一种喷墨油墨，包含(a)载体，包含(ⅰ)约25-90％重量的水；(ⅱ)约1-50％重量的助溶剂；(ⅲ)约0-10％重量的pH调节剂；(ⅳ)约1-30％重量的粘结剂，所述粘结剂的重均分子量为约1000-20000，且其中所述粘结剂是丙烯酸系树脂、乙烯基树脂、或纤维素树脂；和(b)着色剂。
2．根据权利要求1的油墨，其中所述载体包含(a)约40-90％重量的水；(b)约5-40％重量的助溶剂；(c)约0-10％重量的pH调节剂；和(d)约1-10％重量的粘结剂。
3．根据权利要求1的油墨，其中所述载体包含(a)约55-80％重量的水；(b)约10-30％重量的助溶剂；(c)约0-10％重量的pH调节剂；和(d)约1-10％重量的粘结剂。
4．根据权利要求1的油墨，其中所述助溶剂是一种或多种选自二醇、二醇醚、聚乙二醇、甘油、和酮的化合物。
5．根据权利要求1的油墨，其中所述pH调节剂是氢氧化铵。
6．根据权利要求1的油墨，其中所述丙烯酸系树脂是苯乙烯丙烯酸系树脂或Joncryl树脂。
7．根据权利要求1的油墨，其中所述乙烯基树脂是至少一种选自聚乙酸乙烯酯树脂、聚乙烯醇树脂和聚乙烯基吡咯烷酮树脂的树脂。
8．根据权利要求1的油墨，其中所述树脂是羟甲基纤维素。
9．根据权利要求1的油墨，其中所述粘结剂的重均分子量为约1000-10000。
10．根据权利要求1的油墨，其中所述载体与着色剂的重量比为约1∶1-50∶1。
11．根据权利要求1的油墨，其中所述载体与着色剂的重量比为约2∶1-25∶1。
12．根据权利要求1的油墨，其中所述载体与着色剂的重量比为约3∶1-10∶1。
13．根据权利要求1的油墨，其中所述着色剂是染料、颜料、或颜料分散体。
全文摘要
本发明涉及新型喷墨油墨配方和使用该新型油墨印刷的方法。该油墨包含特定重量比的载体和着色剂两者。该载体是包含水、助溶剂、粘结剂、和可有可无的pH调节剂的水溶液。所公开的基材印刷方法包括将本文所述油墨喷射到基材上的步骤。优选用于印刷的基材包括纸、纸板、织物和纺织品。
文档编号C09D11/00GK1324901SQ0111601
公开日2001年12月5日 申请日期2001年5月9日 优先权日2000年5月22日
发明者詹姆斯A.艾尔里 申请人:伊利诺斯器械工程公司