DE69708571T2

DE69708571T2 - Ink tanks for inkjet printers

Info

Publication number: DE69708571T2
Application number: DE1997608571
Authority: DE
Inventors: Bradley Leonard Beach; Decoste, Jr.; Donald Leo Elbert
Original assignee: Lexmark International Inc
Current assignee: Lexmark International Inc
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 2002-07-25
Anticipated expiration: 2017-09-27
Also published as: CA2216598A1; JPH10114086A; EP0832750A3; DE69708571D1; AU3932097A; EP0832750A2; BR9704913A; EP0832750B1; MX9707412A; AU736320B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Tintenpatronen, die in Tintenstrahldruckern verwendet werden. Insbesondere betrifft sie die Speicher, welche die Tinte in diesen Patronen fassen und während des Druckvorgangs abgeben.The present invention relates to ink cartridges used in inkjet printers. In particular, it relates to the reservoirs that hold the ink in these cartridges and release it during the printing process.

BACKGROUND OF THE INVENTION

Tintenstrahlköpfe (oder Tintenstrahlpatronen) sind im Stand der Technik gut bekannt. Sie stellen die Mittel zur Verfügung, mit denen ein Tintenstrahldrucker die Tinte speichert und die passende Menge Tinte nach Bedarf zuteilt, um einen klaren unverschmierten Ausdruck sicherzustellen. Solche Patronen bestehen üblicherweise aus einem energieerzeugenden Teil, der Tröpfchen aus der Tinte bildet, und einem Tintentank, der den energieerzeugenden Teil mit Tinte versorgt. Im allgemeinen wird in solchen Tintenpatronen die Tinte von einem porösen Material, welches komprimiert und in einem Tintentank eingeschlossen ist, absorbiert und gespeichert. Die von dem porösen Material gespeicherte Tinte wird durch die Kapillarkraft einer Düse herausgezogen, wenn sie am Tintenausstoßteil des Tintenstrahlkopfes benötigt wird.Ink jet heads (or ink jet cartridges) are well known in the art. They provide the means by which an ink jet printer stores ink and dispenses the appropriate amount of ink as needed to ensure clear, smear-free printing. Such cartridges typically consist of an energy generating portion that forms droplets of ink and an ink tank that supplies ink to the energy generating portion. Generally, in such ink cartridges, the ink is absorbed and stored in a porous material that is compressed and enclosed in an ink tank. The ink stored in the porous material is drawn out by the capillary action of a nozzle when it is needed at the ink ejection portion of the ink jet head.

Polyurethanschäume sind die am besten bekannten Speichermaterialien für die Verwendung in Tintenstrahlpatronen. Das US-Patent 4 306 245 von Kasugayama et al., erteilt am 15. Dezember 1981, offenbart einen speziellen Anwendungsbereich des tintenabsorbierenden Materials in einer Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung. Ferner lehren das US-Patent 4 790 409 von Deaver, erteilt am 13. Dezember 1988, und das US-Patent 4 824 887 von Aycock et al., erteilt am 25. April 1989, die Herstellung eines kommerziellen Schaums mit einer Größe, die sich für die Verwendung in einer Tintenpatrone eignet, sowie ein Verfahren zum Auswaschen von nichtflüchtiger Materie, die in diesem Material enthalten ist.Polyurethane foams are the best known storage materials for use in ink jet cartridges. U.S. Patent 4,306,245 to Kasugayama et al., issued December 15, 1981, discloses a specific application of the ink absorbing material in an ink jet recording device. Furthermore, U.S. Patent 4,790,409 to Deaver, issued December 13, 1988, and U.S. Patent 4,824,887 to Aycock et al., issued April 25, 1989, teach the preparation of a commercial foam of a size suitable for use in an ink cartridge, and a method for washing out non-volatile matter contained in the material.

Die Anwesenheit von nichtflüchtigen Materialien (auch bekannt als nichtflüchtiger Rückstand oder NVR) in dem Schaumspeicher kann zu ernsten Problemen beim Druckvorgang führen. Typischerweise enthält der Schaum, der in einer Tintenstrahlpatrone zur Zufuhr von Tinte verwendet wird, Konzentrationen an nichtflüchtigem Rückstand im Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis mehr als 3 Gew.-% des Schaums. Dieser Rückstand besteht aus Urethanen mit niedrigem Molekulargewicht, die aus dem Kettenabbruch während der Bildung des Schaums und aus der Zersetzung von Urethan-Bindungen während der Herstellung des Schaums entstehen, sowie aus Rückständen von Tensiden, die als Bestandteil in der Schaumformulierung verwendet werden. Während der Verwendung des Druckers können sich solche Rückstände auf der Platte, die die Düsen enthält, ablagern und dadurch ein Verstopfen oder andere Betriebsstörungen verursachen.The presence of non-volatile materials (also known as non-volatile residue or NVR) in the foam reservoir can cause serious problems in the printing process. Typically, the foam used in an inkjet cartridge to deliver ink contains concentrations of non-volatile residue ranging from about 0.5% to more than 3% by weight of the foam. This residue consists of low molecular weight urethanes resulting from chain termination during foam formation and from the decomposition of urethane bonds during foam manufacture, as well as residues from surfactants used as an ingredient in the foam formulation. During use of the printer, such residues can be deposited on the plate containing the nozzles, causing clogging or other operational problems.

Ein typischer Tintenspeicher des Stands der Technik könnte einen Polyetherurethanschaum mit einer Porengröße von etwa 25 Poren pro cm (70 Poren pro Inch (ppi)) umfassen, der retikuliert wird, um offene Zellen zu erhalten. Anschließend wird das Material durch Anwendung von Wärme und Druck gefilzt, um dem Schaum durch Verringerung seines Volumens auf zwischen 1/3 und 1/6 des nicht-gefilzten Volumens seine Tintenspeicher- und -zuteilungseigenschaften zu verleihen. Im Anschluß daran wird der gefilzte Schaum zum Einsatz in den Tintenspeicher in einzelne Stücke geschnitten. Das Filzverfahren führt jedoch auch zu hohen Konzentrationen an unerwünschtem nichtflüchtigem Rückstand in dem Schaum. Es ist möglich, nichtflüchtige Rückstände aus dem Schaum auszuwaschen, doch dies fügt dem Herstellungsverfahren zusätzliche Kosten und Schritte hinzu. Ein Beispiel für ein solches Verfahren findet man im US-Patent 4 824 487 von Heffernan, erteilt am 25. April 1989, welches ein spezielles Lösungsmittelverfahren zur Entfernung von Rückstand aus dem Schaum offenbart. Ein anderer Weg zur Minimierung nichtflüchtiger Rückstände ist in dem US-Patent 5 572 876, erteilt am 8. Oktober 1996, offenbart, welches ein Verfahren zum Filzen offenzelliger Schäume unter verringerten Feuchtigkeitsbedingungen offenbart, um minimale Rückstände von geringflüchtigen Materialien zu ergeben. Obwohl diese Verfahren wirksam ihren beabsichtigten Zweck erfüllen, wäre es nützlich, wenn man in der Lage sein würde, die nichtflüchtigen Rückstände zu minimieren, ohne zusätzliche Fertigungsschritte oder Verfahrenssteuerungen beifügen zu müssen.A typical prior art ink reservoir might comprise a polyetherurethane foam having a pore size of about 25 pores per cm (70 pores per inch (ppi)) that is reticulated to obtain open cells. The material is then felted using the application of heat and pressure to impart its ink storage and allocation properties to the foam by reducing its volume to between 1/3 and 1/6 of the non-felted volume. The felted foam is then cut into individual pieces for use in the ink reservoir. However, the felting process also results in high concentrations of undesirable non-volatile residue in the foam. It is possible to wash non-volatile residue from the foam, but this adds additional costs and steps to the manufacturing process. An example of such a process can be found in U.S. Patent 4,824,487 to Heffernan, issued April 25, 1989, which discloses a special solvent process for removing residue from the foam. Another way to minimize non-volatile residue is disclosed in U.S. Patent 5,572,876, issued October 8, 1996, which discloses a process for felting open cell foams under reduced humidity conditions to yield minimal residue of low volatile materials. Although these For processes to effectively achieve their intended purpose, it would be useful to be able to minimize non-volatile residues without adding additional manufacturing steps or process controls.

Natürlich könnte man die Verwendung von nicht-gefilzten Schäumen in dem Tintenspeicher erwägen, da es das Filzverfahren ist, das den Großteil der nichtflüchtigen Rückstände erzeugt. Solche nichtgefilzten Schäume sind jedoch oft zu groß, um in herkömmliche Tintenspeicher zu passen, und haben einen unzureichenden Rückhaltedruck, um die Tinte wirksam zu speichern. Dies trifft insbesondere auf Tinten mit niedriger Viskosität (d. h. diejenigen mit einer Viskosität von weniger als etwa 2 Centipoise) zu. Das Endergebnis ist ein Phänomen, das Auslaufen genannt wird, wobei die Tinte während des Druckvorgangs aus dem Tintenspeicher herauströpfelt, was zum Verschmieren und Verstopfen der Druckvorrichtung führt.Of course, one could consider using non-felted foams in the ink reservoir, since it is the felting process that generates the majority of the non-volatile residues. However, such non-felted foams are often too large to fit into conventional ink reservoirs and have insufficient retention pressure to effectively retain the ink. This is particularly true for low viscosity inks (i.e., those with a viscosity of less than about 2 centipoise). The end result is a phenomenon called bleeding, where the ink drips out of the ink reservoir during the printing process, causing smearing and clogging of the printing device.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist daher, Schaumspeicher zur Verwendung in Tintenstrahldruckerpatronen zur Verfügung zu stellen, die die Gegenwart nichtflüchtiger Rückstände minimieren, während sie für eine zum erfolgreichen Drucken ausreichende Zufuhr von Tinte an den Drucker sorgen, ohne ein Auslaufen der Tinte zuzulassen. Es ist gefunden worden, daß durch Verwendung eines retikulierten nicht-gefilzten Schaums als Tintenspeicher, der eine relativ kleine Porengröße (d. h. eine relativ große Anzahl von Poren pro Inch) besitzt und der auf ein spezielles Kompressionsverhältnis komprimiert wird, dieses Ziel erreicht werden kann. Zusätzlich erreicht die vorliegende Erfindung dieses Ziel in einer sehr kostengünstigen Weise, da es die Filz- und Rückstandsreinigungsschritte eliminiert.The purpose of the present invention is therefore to provide foam reservoirs for use in ink jet printer cartridges which minimize the presence of non-volatile residues while providing a sufficient supply of ink to the printer for successful printing without allowing ink to leak. It has been found that by using a reticulated non-felted foam as the ink reservoir which has a relatively small pore size (i.e., a relatively large number of pores per inch) and which is compressed to a specific compression ratio, this goal can be achieved. In addition, the present invention achieves this goal in a very cost effective manner since it eliminates the felting and residue cleaning steps.

Das US-Patent 2 961 710 von Stark, erteilt am 29. November 1960, beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von Schaumstoffen aus geblähtem Urethan, die als Filter verwendet werden. Die erzeugten Materialien sind retikulierte offenzellige Schäume; nichtflüchtige Rückstände scheinen bei diesem Verfahren nicht in Betracht gezogen worden zu sein.U.S. Patent 2,961,710 to Stark, issued November 29, 1960, describes a process for producing expanded urethane foams used as filters. The materials produced are reticulated open-cell foams; non-volatile Residues do not appear to have been taken into account in this procedure.

Das US-Patent 3 978 855 von McRae et al. erteilt am 7. September 1976, beschreibt einen chirurgischen Verband aus offenzelligem Polyurethanschaum, der durch Komprimieren (unter Wärme) von einer Seite des Schaums, um Poren mit kleiner Größe zu bilden, und anschließendes Auftragen eines Benetzungsmittels (Tensids) auf diese Seite hergestellt wird.U.S. Patent 3,978,855 to McRae et al., issued September 7, 1976, describes a surgical dressing made of open-cell polyurethane foam made by compressing (with heat) one side of the foam to form small-sized pores and then applying a wetting agent (surfactant) to that side.

Das US-Patent 4 454 248 von Pollock et al., erteilt am 12. Juni 1984, beschreibt einen festen unelastischen Schaum mit makroskopischen Zellen. Bei der Herstellung dieser Schäume wird ein teilweise gehärtetes geschäumtes Harz weichgemacht und komprimiert, was dazu führt, daß die Zellenwände aufbrechen und sich eine offenzellige Struktur bildet. Der Schaum wird dann erneut gebläht und zu Ende gehärtet. Ein Füller, wie z. B. Ruß, kann vor dem Endhärtungsschritt zu dem Schaum hinzugegeben werden.U.S. Patent 4,454,248 to Pollock et al., issued June 12, 1984, describes a rigid inelastic foam with macroscopic cells. In the manufacture of these foams, a partially cured foamed resin is plasticized and compressed, causing the cell walls to break and an open cell structure to form. The foam is then re-expanded and fully cured. A filler, such as carbon black, may be added to the foam prior to the final curing step.

Das US-Patent Re 32 032 von Pettingell, erteilt am 19. November 1985, beschreibt ein Verfahren zur Verdichtung von offenzelligen Polyurethanschäumen (d. h. Filzen). Bei diesem Verfahren läßt man Heißluft durch den Schaum zirkulieren, welcher dann durch Walzen komprimiert und sofort abgekühlt wird.Pettingell's US patent Re 32,032, issued November 19, 1985, describes a process for densifying open-cell polyurethane foams (i.e., felting). This process involves circulating hot air through the foam, which is then compressed by rollers and immediately cooled.

Das US-Patent 5 025 271 von Baker et al., erteilt am 18. Juni 1991, beschreibt herkömmliche Thermotintenstrahldruckpatronen, die als Tintenspeicher einen Schaumstoff enthalten.U.S. Patent 5,025,271 to Baker et al., issued June 18, 1991, describes conventional thermal inkjet print cartridges that contain a foam ink reservoir.

Das US-Patent 5 104 908 von Allred et al., erteilt am 14. April 1992, beschreibt einen teilweise gehärteten Polychloropren-Schaum, der zu komplizierten Formen ausgebildet werden kann, welche beim Drucken verwendet werden. Um diese Schäume zu Ende zu härten, wird ein Filzverfahren angewandt.U.S. Patent 5,104,908 to Allred et al., issued April 14, 1992, describes a partially cured polychloroprene foam that can be formed into intricate shapes used in printing. A felting process is used to fully cure these foams.

Das US-Patent 5 182 579 von Haruta et al., erteilt am 26. Januar 1993, beschreibt ein Tintentankgehäuse, das ein Absorptionselement enthält, zur Verwendung in einem Tintenstrahldrucker. Das Patent definiert spezifisch die erforderliche Beziehung zwischen dem Kompressionsverhältnis und der Porengröße des Schaums. Das Patent lehrt, daß die Kompression durch Filzen, aber auch durch Drücken des Schaums in die Patrone erreicht werden kann. Das Patent gibt an, daß der Schaum eine Porengröße von nicht mehr als etwa 25 Poren pro cm (60 ppi) haben sollte und rät in der Tat ab von Schäumen mit kleineren Porengrößen (d. h. höheren Porendichten).U.S. Patent 5,182,579 to Haruta et al., issued on June 26, 1999. January 1993, describes an ink tank housing containing an absorbent element for use in an ink jet printer. The patent specifically defines the required relationship between the compression ratio and the pore size of the foam. The patent teaches that compression can be achieved by felting, but also by forcing the foam into the cartridge. The patent states that the foam should have a pore size of no more than about 25 pores per cm (60 ppi) and in fact discourages foams with smaller pore sizes (i.e. higher pore densities).

Die EP-A-0 803 363, die den Stand der Technik unter Artikel 54(3)(4) EPC bildet, beschreibt Tintenpatronen, die nicht-gefilzte Schäume verwenden und die speziell dafür ausgelegt sind, als Speicher für hochviskose (pigmentierte) Tinten zu dienen. Die Verwendung von komprimierten Schäumen in der Patrone wird nicht offenbart.EP-A-0 803 363, which forms the state of the art under Article 54(3)(4) EPC, describes ink cartridges using non-felted foams and which are specifically designed to serve as a reservoir for high viscosity (pigmented) inks. The use of compressed foams in the cartridge is not disclosed.

SUMMARY OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft Drucker-Tintenpatronen, die einen nicht-gefilzten retikulierten Schaum mit etwa 25 bis 45 Poren pro cm (etwa 65 bis etwa 110 Poren pro Inch), vorzugsweise etwa 35 bis 38 Poren pro cm (etwa 88 bis etwa 98 Poren pro Inch), und einem Kompressionsverhältnis von etwa 1,5 bis etwa 6,5, vorzugsweise etwa 2 bis etwa 4, enthalten. Bevorzugte Schäume zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung sind Urethanschäume, insbesondere Polyetherpolyurethanschäume. Die Schäume enthalten sehr niedrige Konzentrationen (z. B. weniger als etwa 1,5%) an nichtflüchtigem Rückstand. Da der Schaum nicht gefilzt ist und außerdem nur etwa 50% (nach Gewicht) soviel Schaum in dem Tintenspeicher verwendet wird (verglichen mit herkömmlichen Tintenpatronen), wird der Gehalt an nichtflüchtigem Rückstand um 50% oder mehr, bezogen auf das Gewicht, oder auf ein Äquivalent von 0,75% (bezogen auf das korrigierte Gewicht) verringert, verglichen mit gefilztem Schaum.The present invention relates to printer ink cartridges containing a non-felted reticulated foam having about 25 to 45 pores per cm (about 65 to about 110 pores per inch), preferably about 35 to 38 pores per cm (about 88 to about 98 pores per inch), and a compression ratio of about 1.5 to about 6.5, preferably about 2 to about 4. Preferred foams for use in the present invention are urethane foams, particularly polyether polyurethane foams. The foams contain very low levels (e.g., less than about 1.5%) of non-volatile residue. Because the foam is not felted and because only about 50% (by weight) as much foam is used in the ink reservoir (compared to conventional ink cartridges), the non-volatile residue content is reduced by 50% or more by weight, or to an equivalent of 0.75% (by corrected weight), compared to felted foam.

Alle hier beschriebenen Prozentangaben und Verhältnisse sind, sofern nichts anderes angegeben ist, "auf das Gewicht bezogen".All percentages and ratios described here are, unless otherwise stated, "by weight".

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Tintenstrahlpatronen sind in der Druckertechnik gut bekannt. Zum Beispiel sind sie detailliert in dem US-Patent 5 182 579 von Haruta et al., erteilt am 26. Januar 1993, und in dem US-Patent 5 025 271 von Baker et al., erteilt am 18. Juni 1991, beschrieben. Der Teil der Patrone, den die vorliegende Erfindung betrifft, ist der Tintentank und insbesondere der Tintenspeicher in dem Tintentank. Dieser Teil der Patrone speichert die Tinte, bevor daraus Tröpfchen gebildet und diese während des Druckvorgangs in dem passenden Muster auf die Seite geschleudert werden. Der Speicher speichert tatsächlich die Tinte, doch damit er dies tut, ist ein sehr genaues Gleichgewicht nötig. Wenn die Kraft, die die Tinte in dem Speicher hält, zu groß ist, wird die Tinte nicht zugeführt werden und der Druck wird entweder nicht stattfinden oder wird zu hell sein. Wenn die Kraft, die die Tinte in dem Speicher hält, nicht groß genug ist, wird die Tinte aus dem Speicher auslaufen, den Drucker verstopfen und eine kurze Druckerpatronen-Lebensdauer ergeben.Inkjet cartridges are well known in the printing art. For example, they are described in detail in U.S. Patent 5,182,579 to Haruta et al., issued January 26, 1993, and in U.S. Patent 5,025,271 to Baker et al., issued June 18, 1991. The part of the cartridge to which the present invention relates is the ink tank, and in particular the ink reservoir in the ink tank. This part of the cartridge stores the ink before it is formed into droplets and projected onto the page in the appropriate pattern during the printing process. The reservoir actually stores the ink, but in order for it to do so, a very precise balance is required. If the force holding the ink in the reservoir is too great, the ink will not be fed and the print will either not occur or will be too light. If the force holding the ink in the reservoir is not large enough, the ink will leak from the reservoir, clogging the printer and resulting in a short cartridge life.

Im allgemeinen ist im Stand der Technik das Material, das zur Bildung des Tintenspeichers (Tintenabsorptionselemente) verwendet wird, ein retikulierter gefilzter Schaum. Jedoch führt, wie es oben erörtert ist, das Filzverfahren zu einer zu hohen Konzentration an nichtflüchtigem Rückstand, um den Drucker effektiv nutzen zu können. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem, indem sie einen Tintenspeicher zur Verfügung stellt, der die Tinte wirksam speichert und sie mit der passenden Geschwindigkeit zuteilt, der jedoch, da er nicht gefilzt ist, keine hohen Konzentrationen an nichtflüchtigem Rückstand enthält.Generally, in the prior art, the material used to form the ink reservoir (ink absorbing elements) is a reticulated felted foam. However, as discussed above, the felting process results in too high a concentration of non-volatile residue to effectively use the printer. The present invention solves this problem by providing an ink reservoir that effectively stores the ink and dispenses it at the appropriate rate, but which, because it is not felted, does not contain high concentrations of non-volatile residue.

Jeder offenzellige Schaumstoff, der herkömmlicherweise in Tintenspeichern verwendet wird, kann bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Urethanschäume und Formaldehydschäume sind bevorzugte Materialien, wobei Polyetherpolyurethanschäume besonders bevorzugt sind. Ein Beispiel für einen Schaum, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist von Foamex, Eddystone, Pennsylvania, im Handel erhältlich und ist ein retikulierter nichtgefilzter Polyetherpolyurethanschaum mit einer Porengröße von etwa 36 Poren pro cm (etwa 93 ppi).Any open cell foam conventionally used in ink reservoirs can be used in the present invention. Urethane foams and formaldehyde foams are preferred materials, with polyether polyurethane foams being particularly preferred. An example of a foam that can be used in the present invention invention is commercially available from Foamex, Eddystone, Pennsylvania, and is a reticulated non-felted polyether polyurethane foam having a pore size of about 36 pores per cm (about 93 ppi).

Das Tintenabsorptionselement wird vorzugsweise aus einem polyetherartigen Polyurethanschaum in Form eines polymeren elastischen porösen Materials mit kontinuierlichen Schaumzellen hergestellt. Das Tintenabsorptionselement kann hergestellt werden, indem die Reaktion zum Beispiel von Polyetherpolyolen und Toluoldiisocyanat als Ausgangsmaterialien zusammen mit einem Additiv wie einem Tensid auf Siliciumbasis und Katalysatoren gemäß herkömmlichen Verfahren durchgeführt und dabei das geschäumte Reaktionsprodukt mit der erwünschten Porosität und Dichte gebildet wird. Der resultierende Schaum wird dann retikuliert (d. h. eine Gasexplosion wird verwendet, um die Zellhäute zum Platzen zu bringen), um einen offenzelligen Schaum zu erzeugen. Der Schaum kann dann in die erwünschte Form und Größe geschnitten werden, um bei der vorliegenden Erfindung verwendet zu werden. In dem erzeugten Schaum können Verunreinigungen, wie z. B. nichtumgesetzte Ausgangsmaterialien, vorliegen; diese können zum Teil durch Waschen des Schaums mit organischen polaren Lösungsmitteln, die nicht in der Lage sind, mit dem Absorptionsmaterial zu reagieren, entfernt werden. Da der Schaum jedoch nicht einem Filzschritt unterworfen wird, ist die Konzentration an nichtflüchtigem Rückstand in dem Schaumstoff relativ niedrig, und es ist in der Regel nicht nötig, einen separaten Entfernungsschritt durchzuführen, damit der Schaum bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Tintenabsorptionsmaterialien verfügen im allgemeinen über niedrige Konzentrationen an nichtflüchtigem Rückstand, typischerweise nicht mehr als etwa 1,5% nichtflüchtiger Rückstand und vorzugsweise nicht mehr als etwa 1,0% nichtflüchtiger Rückstand. Die Menge und Beschaffenheit des bei der Synthesereaktion verwendeten Tensids sowie der verwendete Wassergehalt und die Art und Intensität des angewandten mechanischen Mischens beeinflußt die Porengröße und -dichte des fertigen Schaumprodukts. Somit können die Reaktionsbedingungen manipuliert werden, wie es der Durchschnittsfachmann erkennen würde, um einen Schaum mit optimalen Bedingungen zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung zu erzeugen.The ink absorbing member is preferably made from a polyether-type polyurethane foam in the form of a polymeric elastic porous material having continuous foam cells. The ink absorbing member can be made by reacting, for example, polyether polyols and toluene diisocyanate as starting materials together with an additive such as a silicon-based surfactant and catalysts according to conventional methods to form the foamed reaction product having the desired porosity and density. The resulting foam is then reticulated (i.e., a gas explosion is used to burst the cell membranes) to produce an open-cell foam. The foam can then be cut into the desired shape and size for use in the present invention. Impurities such as unreacted starting materials may be present in the foam produced; these can be partially removed by washing the foam with organic polar solvents which are incapable of reacting with the absorbing material. However, since the foam is not subjected to a felting step, the concentration of non-volatile residue in the foam is relatively low and it is generally not necessary to perform a separate removal step for the foam to be used in the present invention. The ink absorbing materials used in the present invention generally have low concentrations of non-volatile residue, typically no more than about 1.5% non-volatile residue and preferably no more than about 1.0% non-volatile residue. The amount and nature of the surfactant used in the synthesis reaction, as well as the water content used and the type and intensity of mechanical mixing used, affect the pore size and density of the final foam product. Thus, the reaction conditions manipulated as would be appreciated by one of ordinary skill in the art to produce a foam having optimal conditions for use in the present invention.

Im Gegensatz zu den im Stand der Technik verwendeten Tintenspeichermaterialien besitzen die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Schäume eine relativ hohe Porendichte (d. h. eine relativ kleine Porengröße). Die herkömmliche Denkweise war, daß Schäume mit solch hoher Porendichte und kleinem Porendurchmesser eine Kapillarwirkung erzeugen, die so hoch ist, daß die Tinte festgehalten und nicht wirksam dem Druckkopf zugeführt wird. Siehe zum Beispiel das US-Patent 5 182 579 von Haruta et al. erteilt am 26. Januar 1993, das angibt, daß die Porendichte in den Schäumen eines Tintenspeichers nicht größer als etwa 25 Poren pro cm (60 ppi) sein darf und vorzugsweise deutlich kleiner als diese ist (d. h. etwa 15 Poren pro cm (35-40 ppi)). Es ist jetzt überraschend gefunden worden, daß hohe Porendichten, wenn sie in einem Schaum mit einem genau definierten Kompressionsverhältnis verwendet werden, eine ausreichende Kapillarwirkung liefern, um zu verhindern, daß Tinte ausläuft, während sie keine so hohe Kapillarwirkung erzeugt, daß die Tinte nicht wirksam dem Druckkopf zugeführt wird. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Schäume haben eine Porendichte von etwa 25 bis 45 Poren pro cm (etwa 65 bis etwa 110 Poren pro Inch), vorzugsweise etwa 30 bis 40 Poren pro cm (etwa 75 bis etwa 102 ppi), besonders bevorzugt etwa 33 bis 40 Poren pro cm (etwa 84 bis etwa 102 ppi), ganz besonders bevorzugt etwa 35 bis 38 Poren pro cm (etwa 88 bis etwa 98 ppi) und am bevorzugtesten etwa 36 Poren pro cm (etwa 93 ppi). Bevorzugte Schäume haben eine Porendichte von mehr als etwa 35 Poren pro cm (etwa 90 ppi) und bis zu etwa 38 Poren pro cm (etwa 98 ppi). Wenn die Porendichte des Schaums zu gering ist, liefert er einen unzureichenden Rückhaltedruck und Tinte läuft aus. Wenn die Porendichte zu hoch ist, liefert der Schaum zu viel Rückhaltedruck und es wird nicht genug Tinte zugeführt. Natürlich sollten die Schäume so gestaltet sein, daß die Größe der Zellen innerhalb des Schaumstoffes im wesentlichen einheitlich ist, so daß die Tintenzufuhr an allen Punkten im Speicher gleich ist. Die Dichten der Schäume reichen ihrerseits im allgemeinen von etwa 0,015 bis etwa 0,040 g/cm³, vorzugsweise von etwa 0,026 bis etwa 0,038 g/cm³.In contrast to the ink reservoir materials used in the prior art, the foams used in the present invention have a relatively high pore density (i.e., a relatively small pore size). The conventional thinking has been that foams with such high pore density and small pore diameter create a capillary action so high that the ink is held and not effectively delivered to the printhead. See, for example, U.S. Patent 5,182,579 to Haruta et al., issued January 26, 1993, which states that the pore density in the foams of an ink reservoir must be no greater than about 25 pores per cm (60 ppi), and preferably significantly less than that (i.e., about 15 pores per cm (35-40 ppi)). It has now surprisingly been discovered that high pore densities, when used in a foam with a well-defined compression ratio, provide sufficient capillary action to prevent ink from bleeding, while not producing such high capillary action that the ink is not effectively delivered to the printhead. The foams used in the present invention have a pore density of about 25 to 45 pores per cm (about 65 to about 110 pores per inch), preferably about 30 to 40 pores per cm (about 75 to about 102 ppi), more preferably about 33 to 40 pores per cm (about 84 to about 102 ppi), most preferably about 35 to 38 pores per cm (about 88 to about 98 ppi), and most preferably about 36 pores per cm (about 93 ppi). Preferred foams have a pore density of greater than about 35 pores per cm (about 90 ppi) and up to about 38 pores per cm (about 98 ppi). If the pore density of the foam is too low, it will provide insufficient retention pressure and ink will leak. If the pore density is too high, the foam will provide too much retention pressure and not enough ink will be delivered. Of course, the foams should be designed so that the size of the cells within the foam is substantially uniform so that the ink delivery is equal at all points in the reservoir. The densities of the foams range in turn generally from about 0.015 to about 0.040 g/cm³, preferably from about 0.026 to about 0.038 g/cm³.

Das für den Speicher verwendete Stück Schaum wird größer als die Größe des Tintentanks im Patronenkörper, in den es paßt, geschnitten. Folglich wird beim Einsetzen des Schaums in den Patronenkörper der Schaum komprimiert. Wenn er eingesetzt ist, muß der Schaumspeicher den Tintentank und den Patronenkörper vollkommen ausfüllen, ohne Falten oder Kanäle zu bilden, ansonsten wird der Tintenfluß aus dem Speicher hinaus nicht gleichmäßig sein. Eine Methode zur Definition der Kompression des Tintenspeichers ist das Kompressionsverhältnis (R), was das Verhältnis des scheinbaren Volumens des Schaums vor der Kompression (V&sub1;) zum scheinbaren Volumen des Schaums nach der Kompression (V&sub2;) ist. Das Kompressionsverhältnis (R) ist deshalb gleich V&sub1;/V&sub2;. Wenn sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sollten die Schaumspeichermaterialien ein Kompressionsverhältnis in dem Patronenkörper von etwa 1,5 bis etwa 6,5, vorzugsweise von etwa 2,0 bis etwa 4,0, besonders bevorzugt von etwa 2,4 bis etwa 3,6, haben.The piece of foam used for the reservoir is cut larger than the size of the ink tank in the cartridge body into which it fits. Consequently, when the foam is inserted into the cartridge body, the foam is compressed. When inserted, the foam reservoir must completely fill the ink tank and cartridge body without forming wrinkles or channels, otherwise the flow of ink out of the reservoir will not be uniform. One method of defining the compression of the ink reservoir is the compression ratio (R), which is the ratio of the apparent volume of the foam before compression (V₁) to the apparent volume of the foam after compression (V₂). The compression ratio (R) is therefore equal to V₁/V₂. When used in the present invention, the foam storage materials should have a compression ratio in the cartridge body of from about 1.5 to about 6.5, preferably from about 2.0 to about 4.0, more preferably from about 2.4 to about 3.6.

Beim Bau der Tintenpatronen der vorliegenden Erfindung sollten auch die Viskosität und die Oberflächenspannung der zu verwendenden Tinte in Betracht gezogen werden. Die Viskosität von in Tintenstrahldruckern verwendeter Tinte reicht typischerweise von etwa 1 cps bis etwa 5 cps. Tinten auf Farbstoffbasis sind tendenziell weniger viskos als Pigmenttinten. Farbtinten sind tendenziell weniger viskos als schwarze Tinte. Die Viskosität von Farbtinte liegt typischerweise im Bereich von etwa 1, 1 cps bis etwa 2,5 cps, und die Viskosität von schwarzer Tinte beträgt typischerweise etwa 1,3 cps bis etwa 4, 5 cps. Tinten haben typischerweise eine Oberflächenspannung zwischen etwa 30 und etwa 65 Dyn/cm, wobei Farbtinten im Bereich von etwa 30 bis etwa 45 Dyn/cm liegen und schwarze Tinten bei etwa 45 bis etwa 65 Dyn/cm. Die Oberflächenspannung und die Viskosität der zu verwendenden Tinte können einen Einfluß auf die optimale Porengröße und das zu verwendende Kompressionsverhältnis im Schaumspeicher mit dieser Tinte haben. Zum Beispiel muß eine Tinte mit einer höheren Viskosität vom Speicher nicht so fest gehalten werden, was bedeutet, daß der optimale Schaumstoff für den Speicher eine größere Porengröße oder eine geringere Kompression haben kann. Umgekehrt kann eine weniger viskose Tinte ein stärkeres Festhalten durch den Tintenspeicher erfordern, um ein Auslaufen zu verhindern, und der optimale Schaumstoff wäre so gebaut, daß er diesen Halt geben kann. Die optimalen Eigenschaften des Schaumspeichermaterials für die Verwendung mit Tinte mit einer speziellen Viskosität können leicht vom Durchschnittsfachmann ermittelt werden. Eine allgemeine Richtlinie ist, daß Tintentanks in Tintenstrahldruckerpatronenkörpern typischerweise ein Volumen im Bereich von etwa 15 cm³ für Farbtinten bis etwa 60 cm³ für monochromatische Tinten besitzen. Diese Größen können jedoch in Abhängigkeit von der betreffenden speziellen Anwendung stark variieren und werden nur von der Form des Druckers eingeschränkt. Die Abmessungen des Schaumspeichermaterials, das bei schwarzen Tinten verwendet wird, liegen typischerweise im Bereich von etwa 160 cm³, vorzugsweise etwa 64 · 42 · 59 mm. Die Größe des bei Farbtinten verwendeten Schaumspeichermaterials beträgt typischerweise etwa 55 cm³, vorzugsweise etwa 22 · 42 · 59 mm. Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für Tinten auf Farbstoffbasis (obwohl sie mit jeder Art von Tinte verwendet werden kann), insbesondere für diejenigen mit Viskositäten von unter 1,5 Centipoise. Es ist besonders überraschend, daß nicht-gefilzte Schäume solche niedrigviskosen Tinten wirksam speichern können.In constructing the ink cartridges of the present invention, the viscosity and surface tension of the ink to be used should also be considered. The viscosity of ink used in ink jet printers typically ranges from about 1 cps to about 5 cps. Dye-based inks tend to be less viscous than pigment inks. Color inks tend to be less viscous than black ink. The viscosity of color ink typically ranges from about 1.1 cps to about 2.5 cps, and the viscosity of black ink typically ranges from about 1.3 cps to about 4.5 cps. Inks typically have a surface tension between about 30 and about 65 dynes/cm, with color inks ranging from about 30 to about 45 dynes/cm and black inks from about 45 to about 65 dynes/cm. The surface tension and viscosity of the ink to be used can have an influence on the optimum pore size and compression ratio to be used in the foam reservoir with that ink. For example, a Ink with a higher viscosity will not be held as tightly by the reservoir, meaning that the optimal foam for the reservoir may have a larger pore size or lower compression. Conversely, a less viscous ink may require greater retention by the ink reservoir to prevent leakage, and the optimal foam would be constructed to provide this retention. The optimal properties of the foam reservoir material for use with ink with a particular viscosity can be readily determined by one of ordinary skill in the art. A general guideline is that ink tanks in inkjet printer cartridge bodies typically have a volume in the range of about 15 cc for color inks to about 60 cc for monochromatic inks. However, these sizes can vary widely depending on the specific application involved and are only limited by the shape of the printer. The dimensions of the foam reservoir material used with black inks are typically in the range of about 160 cc, preferably about 64 x 42 x 59 mm. The size of the foam storage material used with color inks is typically about 55 cm3, preferably about 22 x 42 x 59 mm. The present invention is particularly suitable for dye-based inks (although it can be used with any type of ink), especially those with viscosities below 1.5 centipoise. It is particularly surprising that non-felted foams can effectively store such low viscosity inks.

Die folgenden Beispiele sollen die Tintenspeicher der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, einschließlich wie man sie herstellt und wie man sie verwendet. Diese Beispiele sollen nur der Veranschaulichung dienen und sollen den Umfang der Erfindung in keinster Weise einschränken.The following examples are intended to illustrate the ink reservoirs of the present invention, including how to make them and how to use them. These examples are intended to be illustrative only and are not intended to limit the scope of the invention in any way.

EXAMPLE 1

Für eine schwarze Tinte mit einer Viskosität von etwa 1,3 Centipoise bei 25ºC und einer Oberflächenspannung von etwa 50 Dyn/cm ergeben die folgenden Porengrößen und Kompressionsverhältnisse, wenn der Schaum (Polyetherpolyurethanschaum) in den Speicher gegeben wird, eine Patrone, die zufriedenstellend druckt, nicht ausläuft oder überläuft und eine annehmbare Druckerlebensdauer liefert.For a black ink with a viscosity of about 1.3 centipoise at 25ºC and a surface tension of about 50 dynes/cm, the following pore sizes and compression ratios result when the foam (polyether polyurethane foam) is added to the reservoir a cartridge that prints satisfactorily, does not leak or overflow, and provides an acceptable printer life.

Porengröße = 35-38 Poren pro cm (88-98 ppi), ungefilztPore size = 35-38 pores per cm (88-98 ppi), unfelted

Schaumdichte = 0,026 - 0,038 g/cm³Foam density = 0.026 - 0.038 g/cm³

Schaumgröße/volumen = 64 · 42 · 59 mm = 159 cm³Foam size/volume = 64 · 42 · 59 mm = 159 cm³

Speichergröße/volumen = 51 · 38 · 33 mm = 64 cm³Storage size/volume = 51 · 38 · 33 mm = 64 cm³

Kompressionsverhältnis = 2,48 (159/64)Compression ratio = 2.48 (159/64)

EXAMPLE 2

Für eine Farbtinte mit einer Viskosität von etwa 1, 1 Centipoise bei 25ºC und einer Oberflächenspannung von etwa 35 Dyn/cm ergeben die folgenden Porengrößen und Kompressionsverhältnisse, wenn der Schaum (Polyetherpolyurethanschaum) in den Speicher gegeben wird, eine Patrone, die zufriedenstellend druckt, nicht ausläuft oder überläuft und eine annehmbare Druckerlebensdauer liefert.For a color ink having a viscosity of about 1.1 centipoise at 25ºC and a surface tension of about 35 dynes/cm, the following pore sizes and compression ratios, when the foam (polyether polyurethane foam) is placed in the reservoir, will produce a cartridge that prints satisfactorily, does not leak or overflow, and provides acceptable printer life.

Schaumdichte = 0,026 - 0,038 g/cm³Foam density = 0.026 - 0.038 g/cm³

Schaumgröße/volumen = 22 · 42 · 59 mm = 55 cm³Foam size/volume = 22 · 42 · 59 mm = 55 cm³

Speichergröße/volumen = 10 · 38 · 48 mm = 18 cm³Storage size/volume = 10 · 38 · 48 mm = 18 cm³

Kompressionsverhältnis = 3,1 (55/18)Compression ratio = 3.1 (55/18)

EXAMPLE 3

Für eine schwarze Tinte mit einer Viskosität von etwa 4, 5 Centipoise bei 25 W und einer Oberflächenspannung von etwa 55 Dyn/cm ergeben die folgenden Porengrößen und Kompressionsverhältnisse, wenn der Schaum (Polyetherpolyurethanschaum) in den Speicher gegeben wird, eine Patrone, die zufriedenstellend druckt, nicht ausläuft oder überläuft und eine annehmbare Druckerlebensdauer liefert.For a black ink with a viscosity of about 4.5 centipoise at 25 W and a surface tension of about 55 dynes/cm, the following pore sizes and compression ratios, when the foam (polyether polyurethane foam) is placed in the reservoir, will produce a cartridge that prints satisfactorily, does not leak or overflow, and provides acceptable printer life.

Porengröße = 25-32 Poren pro cm (65-80 ppi), ungefilztPore size = 25-32 pores per cm (65-80 ppi), unfelted

Schaumdichte = 0,026 - 0,038 g/cm³Foam density = 0.026 - 0.038 g/cm³

Kompressionsverhältnis = 2,48 (159/64)Compression ratio = 2.48 (159/64)

Claims

1. A printer ink cartridge containing a non-felted reticulated foam having 25 to 45 pores per cm (65 to 110 pores per inch) and a compression ratio of about 1.5 to about 6.5.

2. The ink cartridge of claim 1, wherein the foam is selected from urethane foams and formaldehyde foams.

3. An ink cartridge according to claim 1 or claim 2, wherein the foam contains no more than 1.5% non-volatile residue.

4. An ink cartridge according to any preceding claim, which is designed for use with an ink having a viscosity of 1 cps to 5 cps.

5. An ink cartridge according to any preceding claim, wherein the foam has 33 to 40 pores per cm (84 to 102 pores per inch).

6. An ink cartridge according to any preceding claim, wherein the foam completely fills the cartridge ink tank body without wrinkling and without channeling.

7. An ink cartridge according to any preceding claim, wherein the foam has a compression ratio of 2.0 to 4.0.

8. An ink cartridge according to any preceding claim, wherein the foam contains no more than 1.0% non-volatile residue.

9. An ink cartridge according to any preceding claim, wherein the foam has 35 to 38 pores per cm (88 to 98 pores per inch).

10. An ink cartridge according to any preceding claim, wherein the foam is a polyether polyurethane foam.

11. The ink cartridge of claim 10, wherein the foam has a density of 0.015 to 0.040 g/cm³.

12. An ink cartridge according to any preceding claim, additionally comprising a dye-based ink releasably stored in said unfelted foam.

13. The ink cartridge of claim 12, wherein said ink has a viscosity of less than about 1.5 centipoise.