DE69928933T2 - Strahlungshärtbare zusammensetzungen - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft strahlungshärtbare Zusammensetzungen, die sich zur Verwendung auf dem Gebiet des Hot-Melt-Inkjet-Drucks und für andere Anwendungen eignen.
  • Schmelztinten (Hot-Melt-Tinten, Flüssigwachstinten) zur Verwendung beim Tintenstrahldruck sind Zusammensetzungen, bei denen ein Farbstoff oder Pigment mit einem Vehikel vermischt wird, das bei Raumtemperatur im wesentlichen fest ist, bei einer erhöhten Temperatur, bei der Druckköpfe arbeiten, jedoch flüssig ist. Der Hauptvorteil von Schmelztinten gegenüber Tintenstrahltinten, die bei Raumtemperatur Flüssigkeiten sind, ist, dass sie beim Kontakt mit dem Substrat schnell fest werden. Sie sind bei Raumtemperatur fest und ergeben daher eine Druckqualität, die von der Beschaffenheit des Substrats im wesentlichen unabhängig ist. Darüber hinaus ermöglicht eine unabhängig Temperatursteuerung des Substrats die Steuerung der Tröpfchenverteilung, wiederum im wesentlichen unabhängig von den Eigenschaften des Substrats. Dadurch kann eine bessere Druckqualität erzielt werden als mit Flüssigtinten.
  • Die derzeitigen Schmelztinten beruhen auf der Verfestigung beim Abkühlen, um die Integrität des Drucks zu ergeben. Daher ist die Beständigkeit der durch das Schmelzsystem herkömmlicher Art erzeugten Drucke geringer als gegebenenfalls bei manchen Anwendungen erwünscht.
  • Schmelztintenartige Zusammensetzungen werden auch zur Modellierung von Prototypen von Fertigungsartikeln verwendet. Eine dreidimensionale, auf einem System zur computergestützten Konstruktion (CAD) erzeugte Konstruktion wird zur Steuerung eines Schmelzsystems verwendet, welches zum "Drucken" einer Schmelzzusammensetzung in Schichten zum Aufbau des fertigen Prototyps verwendet wird. Die für diese Anwendung verwendeten Zusammensetzungen müssen bei Raumtemperatur sehr hart sein.
  • Strahlungshärtbare Tintenstrahltinten hingegen sind bei Raumtemperatur freifließende Flüssigkeiten. Sie verteilen sich beim Kontakt mit dem Substrat rasch, bis die Strah lungshärtung das "Härten" der Tintentröpfchen bewirkt. Wie oben erwähnt, hängt die Druckqualität bei solchen Tinten vom Substrat ab. Es ist schwierig, den Grad der Tröpfchenausbreitung zu steuern und ein Verschmieren zwischen den Tröpfchen zu verhindern.
  • Die JP 06200204 offenbart eine strahlungshärtbare Tinte für einen Tintenstrahldrucker, die bei Raumtemperatur fest ist. Sie umfasst 10 Gew.-% bis 30 Gew.-% eines strahlungshärtbaren Vorpolymers und Monomers und 70 Gew.-% bis 90 Gew.-% eines Wachs- und Harzverdickers.
  • Jetzt wurden neue Formen von Schmelztintenformulierungen entwickelt, welche Vorteile sowohl gegenüber den schmelztintenartigen Zusammensetzungen als auch gegenüber den strahlungshärtbaren Tintenstrahlzusammensetzungen besitzen.
  • So stellt die vorliegende Erfindung jetzt ein Vehikel für eine Schmelz-Tintenstrahltinte zur Verfügung, wobei das Vehikel 35 bis 98 Gew.-% eines strahlungshärtbaren Materials und einen Verdicker umfasst, wobei das Vehikel bei 20°C, bevorzugt auch bei 25°C, eine thixotrope Paste ist und das Vehikel eine Viskosität von weniger als 25 Centipoise, vorzugsweise 12 Centipoise, bei mindestens einer Temperatur im Bereich von 40°C bis 130°C besitzt.
  • Die Vehikel gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind insofern besser als die der JP 06200204 , als sie bessere Fließeigenschaften innerhalb der Druckvorrichtung und auch bessere Härtungseigenschaften besitzen.
  • Die Vehikel gemäß der vorliegenden Erfindung können durch ihre Viskosität bei 20°C, vorzugsweise 25°C, charakterisiert werden.
  • Vehikel gemäß der vorliegenden Erfindung, die Pasten sind, haben vorzugsweise eine Viskosität von wenigstens 500 Centipoise (bei einer Schergeschwindigkeit von 20 s–1) bei 20°C, vorzugsweise auch bei 25°C. Letztere Limitation unterscheidet die Zusammensetzungen von strahlungshärtbaren Tintenstrahlzusammensetzungen, die bei Raumtemperatur niedrigviskose Flüssigkeiten sind. Vorzugsweise haben die Vehikel gemäß der vorliegenden Erfindung bei 20°C (vorzugsweise auch bei 25°C) eine Viskosität von wenigstens 800 Centipoise, besonders bevorzugt von wenigstens 1000 Centipoise.
  • Die Vehikel gemäß der vorliegenden Erfindung sind thixotrope Pasten.
  • So wie hier verwendet, bedeutet jeglicher Bezug auf eine thixotrope (d.h. nicht-Newtonsche) Paste, dass bei einer Temperatur von 20°C (vorzugsweise auch bei 25°C) und einer Schergeschwindigkeit von 20 s–1 ihre Viskosität wenigstens 500 Centipoise (vorzugsweise wenigstens 800 Centipoise, besonders bevorzugt wenigstens 1000 Centipoise) beträgt und bei der gleichen Temperatur bei einer Schergeschwindigkeit von 1000 s–1 ihre Viskosität nicht mehr als 300 Centipoise (vorzugsweise nicht mehr als 200 Centipoise, besonders bevorzugt nicht mehr als 150 Centipoise) beträgt. Ferner beträgt nach Anlegen einer Scherkraft mit einer Schergeschwindigkeit von 1000 s–1 Centipoise für 60 Sekunden die Erholzeit, um bei 20 s–1 wieder zum gleichen oder zu einem höheren Wert wie ursprünglich bei dieser Schergeschwindigkeit gemessen zu gelangen, nicht mehr als 60 Sekunden, vorzugsweise nicht mehr als 5 Sekunden.
  • Die Zusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung müssen bei der Druckkopftemperatur, d.h. innerhalb des Bereichs von 40°C bis 130°C, flüssig und verspritzbar sein (d.h. eine Viskosität von weniger als 25 Centipoise, vorzugsweise 12 Centipoise, haben).
  • Jedes Vehikel gemäß der vorliegenden Erfindung kann aus einem einzigen strahlungshärtbaren Material oder aus einer Kombination von Materialien, von denen beliebige oder alle strahlungshärtbar sind, bestehen.
  • Die Vehikel gemäß der Erfindung müssen einen Verdicker enthalten. Vorzugsweise ist der gemäß der Erfindung verwendete Verdicker nicht strahlungshärtbar.
  • Bei den Vehikeln gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Menge des strahlungshärtbaren Materials 35 Gew.-% bis 98 Gew.-%, vorzugsweise 60 Gew.-% bis 95 Gew.-%, besonders bevorzugt 60 Gew.-% bis 92 Gew.-%, des Vehikels. Der Verdicker macht vorzugsweise 0,5 Gew.-% bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 3 Gew.-% bis 10 Gew.-%, des Vehikels aus.
  • Die zur Verwendung als strahlungshärtbare Materialien bei der Erfindung geeigneten Materialien lassen sich in zwei Kategorien einteilen.
  • Die erste Kategorie umfaßt diejenigen Materialien, die in Gegenwart eines Radikalinitiators härtbar sind (d.h. wenigstens zur Beteilung bei einer Härtungsreaktion in der Lage sind). Die zweite Kategorie umfaßt diejenigen Materialien, die in Gegenwart eines kationischen Initiators härtbar sind.
  • Die Photoinitiatormenge wird normalerweise 1 Gew.-% bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, der Gesamtzusammensetzung ausmachen. Ein breites Spektrum an Photoinitiatoren ist im Handel erhältlich, und eine Auswahl an geeigneten Arten sind u.a. Xanthon- oder Thioxanthon-Arten, Benzophenon-Arten, Chinon-Arten und Phosphinoxid-Arten, ohne einen Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben. Manchmal ist es auch wünschenswert, einen Co-Initiator sowie einen primären Photoinitiator, besonders bevorzugt vom Amin- oder Aminobenzoat-Typ, einzubauen. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Photoinitiator-Gesamtmenge (primärer Initiator plus Co-Initiator) innerhalb des oben genannten Bereichs liegt. Zum Beispiel sind typische Co-Initiatoren Aminobenzoat und Co-Initiatoren aus acryliertem Amin, wobei diese im allgemeinen mit den Xanthon/Thioxanthon-Arten als primärer Photoinitiator verwendet werden. Geeignete Photoinitiatorstabilisatoren sind u.a. diejenigen, die in der EP-A-0 465 039 offenbart sind.
  • Die erste Kategorie (radikalpolymerisierbar) Materialien umfasst im allgemeinen Monomere und Oligomere mit einem Grad an ethylenischer Ungesättigtheit, d.h. die (Meth)acrylate, vorzugsweise umfasst sie jedoch Materialien mit bifunktionellen ungesättigten Resten (z.B. Vinylgruppen), oder andernfalls haben die Materialien eine monofunktionelle Ungesättigtheit und müssen in Verbindung mit separaten Vernetzungsmitteln verwendet werden, um beim Härten eine Polymerisation zu ermöglichen.
  • Eine Klasse von geeigneten bifunktionellen Materialien sind bifunktionelle Acrylate (z.B. bifunktionelle Diacrylate), wie z.B. bifunktionelle cycloaliphatische Acrylate, zum Beispiel ein bifunktionelles Cyclohexanacrylat. Ein spezielles Material der letzteren Art ist Cyclohexandimethanoldiacrylat, das von Sartomer als CD406X verkauft wird.
  • Eine Klasse von monofunktionellen Materialien, die strahlungshärtbar sind und in Gegenwart eines Vernetzungsmittels verwendet werden können, umfasst ein monofunktionelles Acrylat, wie z.B. einen Acrylatester eines Fettsäurealkohols oder eines ethoxylierten Fettsäurealkohols. Geeignete Beispiele für solche Materialien sind die Acrylatester von UnilinTM-Alkoholen und die von UnithoxTM-Ethoxylaten von Petrolite Corp.
  • Alternativ könnten kationisch härtende Materialien aus der zweiten Klasse anstelle der oben genannten Materialien aus der ersten Klasse oder zusammen mit diesen (sogenannte "Hybrid-Systeme") verwendet werden. Bei diesen Systemen findet eine Vernetzung durch einen ionischen anstatt einen radikalischen Mechanismus statt. Eine üblicherweise angewandte Chemie ist die der cycloaliphatischen Epoxide, die in Gegenwart von starken kationischen Initiatoren härten. Oniumsalz-Photoinitiatoren werden üblicherweise verwendet, die in Gegenwart von UV-Licht Photolyse eingehen, um hochwirksame kationische Spezies zu ergeben. Ein allgemeines Schema könnte sein:
    Figure 00050001
  • Wenn ein strahlungshärtbares Material (entweder als primäres härtbares Material oder als der gesamte Verdicker oder Teil des Verdickers) die Gegenwart eines Vernetzungsmittels benötigt, damit es ausreichend härtbar ist, können solche Vernetzungsmittel zum Beispiel ausgewählt werden aus multifunktionellen Acrylaten (für radikalisch härtende Systeme) und multifunktionellen Epoxiden und/oder Polyolen (für kationisch härtende Systeme).
  • Strahlungshärtung bedeutet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Polymerisationsreaktion, die durch Einwirkung einer beliebigen geeigneten Strahlung, wie z.B. Elektronenstrahl-Strahlung, oder einer beliebigen geeigneten elektromagnetischen Strahlung, wie z.B. im Ultraviolett(UV)-Spektrum, bewirkt wird. Viele strahlungshärtbare Komponenten benötigten jedoch die Gegenwart eines Photoinitiators.
  • Viele geeignete Materialien, die nicht strahlungshärtbar sind und als (nichthärtbare) Verdicker bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind polymere Substanzen, die bei Raumtemperatur hart sind, die jedoch bei erhöhten Temperaturen flüssig werden. Solche Materialien sind bevorzugt auch filmbildende Polymere bei Raumtemperatur, z.B. Styrolpolymere oder -copolymere, Kohlenwasserstoffharze, Phenolharze und Fettsäureamide.
  • Andere als nichthärtbare Verdicker verwendbare Materialien sind die Urethanoligomere, die in der PCT-Patentschrift Nr. WO 94/14902 beschrieben sind. Diese Oligomere sind die Reaktionsprodukte von Diisocyanaten mit einer einwertigen Alkoholkomponente, gegebenenfalls gefolgt von einer weiteren einwertigen Komponente, oder einer zweiwertigen Alkoholkomponente, gefolgt von einer einwertigen Alkoholkomponente. Eine weitere Klasse von geeigneten Materialien umfasst die Urethan- und Harnstoffamide, die in unserer unveröffentlichten UK-Patentanmeldung Nr. 9519646.5 offenbart sind. Diese Materialien sind die Reaktionsprodukte eines Mono- oder Diisocyanats mit einem oder mehreren funktionellen Amiden. Sie haben typischerweise Molekulargewichte im Bereich von 800–1400.
  • Noch weitere Materialien, die typischerweise als nichthärtbare Verdicker verwendet werden können, sind Wachse, wobei typische Beispiele Stearon, Carnaubawachs, Stearylstearamid, hydriertes Rizinusöl, Erucamid, Säurewachse (z.B. Wax S von Hoechst), Esterwachse (z.B. Wax E von Hoechst, Syncrowax ERLC C18-C36-Esterglycolester, Syncrowax HGLC C18-C36 Säuretriglycerid von Croda) sind.
  • Wenn sie in einer Tintenstrahltinte verwendet werden, werden die Vehikel insgesamt 50–98 Gew.-%, insbesondere 75–95 Gew.-%, der Zusammensetzung ausmachen, gegebenenfalls mit einem oder mehreren optionalen Additiven, zum Beispiel Antioxidationsmittel, Tenside, Egalisierungsadditive, Photoinitiatorstabilisatoren, Benetzungsmittel und Pigmentstabilisatoren.
  • Geeignete Tenside sind vorzugsweise vom nichtionischen Typ, zum Beispiel Fluorad FC430 (von 3M Corp.). Solche Tenside (wenn vorhanden) sind vorzugsweise in einer Menge von 0,1 Gew.-% bis 10 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung enthalten.
  • Schmelztinten können grundsätzlich als aus dem Vehikel plus einem Farbmittel, gegebenenfalls mit irgendwelchen Bestandteilen in geringeren Mengen, wie sie hierin oben beschrieben wurden, bestehend angesehen werden. Die vorliegende Erfindung erweitert dies auf Zusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung, die als Schmelztintenvehikel fungieren, und auf diejenigen Stoffe, die eine solche Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Farbmittel enthalten, oder die irgendwie anders gefärbt sind, wie es nachstehend beschrieben ist.
  • Allgemein ausgedrückt können Farbmittel als in zwei Klassen fallend angesehen werden, nämlich in Farbstoffe, die im wesentlichen in der Tintenzusammensetzung löslich sind, und Pigmente, die in der Tintenzusammensetzung in Form von feinen Teilchen, falls notwendig mit Hilfe eines geeigneten Dispersionsmittels, dispergiert sind.
  • Die Bezeichnung "Farbmittel" umfasst Materialien, die der Tinte eine unsichtbare optische Eigenschaft (z.B. Fluoreszenz) verleihen.
  • Wenn Farbstoffe eingesetzt werden, können diese aus einem großen Bereich an Klassen ausgewählt werden, solange sie in dem Tintenvehikel löslich sind. Eine Liste von Farbstoffen ohne Anspruch auf Vollständigkeit umfasst diejenigen der Orasol-Palette von CIBA und der Savinyl-Palette von Hoechst. Typische Beispiele sind Orasol blue GN, Yellow 4GN bzw. Savinyl Black RLS und Red GLS.
  • Die Pigmente können aus einem großen Bereich an Klassen ausgewählt werden, zum Beispiel Pigment Red 57:1, Pigment Red 52:2, Pigment Red 48:2, Pigment Blue 15:3, Pigment Green 7, Pigment Yellow 83, Pigment Yellow 13, Pigment White 6, Pigment Black 7. Eine Liste von Beispielen für solche Pigmente umfasst die folgenden aus der Irgalite-Palette von CIBA: Rubine L4, Bordeaux CM, Red 2BP, Blue LG, Green GLN, Yellow B3R und Yellow LBG sowie Tioxide RHD6 (von Tioxide) und Special Black 250 (von Degussa), ohne Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben.
  • Wenn das Farbmittel ein Pigment ist, dann ist es notwendig, dafür ein Dispersionsmittel einzubauen, sofern das Pigment nicht selbstdispergierend ist. Geeignete Dispersions mittel sind typischerweise u.a. Polyester-, Polyurethan- oder Polyacrylat-Arten, insbesondere in Form von Block-Copolymeren mit hohem Molekulargewicht, und würden typischerweise in einer Menge von 2,5 Gew.-% bis 150 Gew.-% des Pigments eingebaut werden. Geeignete Beispiele sind Disperbyk 161 oder 162 (von BYK Chemie) oder Solsperse von Zeneca.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Einführung von Farbe (oder einer anderen optischen Eigenschaft) ist, einen Bestandteil einzubauen, der die Eigenschaft selbst verleiht, z.B. ein Oligomer mit einem daran gebundenen oder darin eingebauten Farbstoffrest. Geeignete Materialien sind in der GB-A-2 038 849, US-A-5 264 507, US-1-5 098 475, EP-A-540 248 und in unserer unveröffentlichten UK-Patentanmeldung Nr. 9520470.7 offenbart.
  • Vorzugsweise umfassen die Vehikel gemäß der Erfindung ein oder mehrere strahlungshärtbare Materialien, die farbig sind.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun durch die folgende Beschreibung von nichtlimitierenden Beispielen detaillierter erläutert.
    Figure 00080001
    Figure 00090001
    Insgesamt 100%
    • (1) = von Petrolite Corporation
    • (2) = von Sartomer
    • (3) = von 3M
    • (4) = von Croda
  • Figure 00100001
    • (1) von Union Carbide
    • (2) von Hoechst
    • (3) von Petrolite
    • (4) von 3M
  • Angesichts dieser Offenbarung werden nun Modifizierungen der beschriebenen Beispiele sowie andere Beispiele, die alle vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie von den anhängenden Ansprüchen definiert ist, umfaßt sind, den Fachleuten offensichtlich sein.

Claims (17)

  1. Ein Vehikel für eine Schmelz-Tintenstrahltinte, wobei das Vehikel 35 bis 98 Gew.-% eines strahlungshärtbaren Materials und einen Verdicker umfasst, wobei das Vehikel bei 20°C, bevorzugt auch bei 25°C, eine thixotrope Paste ist und das Vehikel eine Viskosität von weniger als 25 Centipoise bei mindestens einer Temperatur im Bereich von 40°C bis 130°C besitzt.
  2. Vehikel nach Anspruch 1, worin der Verdicker nicht strahlungshärtbar ist.
  3. Vehikel nach Anspruch 1 oder 2, worin der Verdicker von 0,5 Gew.-% bis 30 Gew.-%, bevorzugt von 2 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Vehikel, vorhanden ist.
  4. Vehikel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das 50 Gew.-% bis 95 Gew.-%, bevorzugt 60 Gew.-% bis 92 Gew.-%, des strahlungshärtbaren Materials umfasst.
  5. Vehikel nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das strahlungshärtbare Material mittels eines Radikalinitiators härtbar ist.
  6. Vehikel nach Anspruch 5, worin das strahlungshärtbare Material mindestens ein ethylenisch ungesättigtes Monomer oder Oligomer, bevorzugt ein (Meth)acrylat-Monomer oder -Oligomer, umfasst.
  7. Vehikel nach Anspruch 5 oder 6, worin das strahlungshärtbare Material ein monofunktionelles Acrylat umfasst.
  8. Vehikel nach Anspruch 7, das ferner einen Quervernetzer umfasst.
  9. Vehikel nach Anspruch 5 oder 6, worin das strahlungshärtbare Material ein difunktionelles Acrylat umfasst.
  10. Vehikel nach Anspruch 9, worin das difunktionelle Acrylat ein difunktionelles cycloaliphatisches Acrylat ist.
  11. Vehikel nach einem der Ansprüche 6 bis 10, das ferner einen Photoinitiator umfasst.
  12. Vehikel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das strahlungshärtbare Material in Anwesenheit eines kationischen Initiators härtbar ist.
  13. Vehikel nach Anspruch 12, das ferner einen kationischen Initiator umfasst.
  14. Vehikel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vehikel eine Viskosität von weniger als 12 Centipoise bei mindestens einer Temperatur im Bereich von 40°C bis 130°C besitzt.
  15. Vehikel nach Anspruch 8, worin das monofunktionelle Acrylat ein Acrylatester eines Fettalkohols oder eines ethoxylierten Fettalkohols ist.
  16. Eine Schmelztinte, die ein Vehikel nach einem der vorangehenden Ansprüche und ein Farbmittel umfasst.
  17. Eine Schmelztinte, die ein Vehikel nach einem der Ansprüche 1 bis 15 umfasst, wobei das Vehikel ein oder mehrere farbige strahlungshärtbare Materialien umfasst.
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