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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der
Schreibgeräte mit Flüssigtinte, d. h. bei denen die Tinte sich im
freien Zustand befindet, da sie nicht in einem Behälter aus
Fasermaterial eingeschlossen ist. Ein solches Schreibgerät
besitzt einen Behälter für die Tinte und eine Spitze, die durch
Kapillarwirkung die Übertragung der Tinte von diesem Behälter
bis zum eigentlichen Schreibkopf gewährleistet, der aus dem
Ende der Spitze, bestehen kann. Wenn der die Tinte enthaltende
Behälter nicht gegen Luft isoliert ist, äußert sich eine
Veränderung der Benutzungsbedingungen, und insbesondere die
Erhöhung des Drucks der im Behälter enthaltenen Luft aufgrund
einer Lufterwärmung, in einem anormalen Zufluß von Tinte in
die Übertragungsspitze und kann Flecken oder Tropfnasen
erzeugen, wenn das Gerät aufgeschraubt wird. Um dieses Phänomen
zu verhindern, wurde vorgesehen, derartige Geräte mit einem
Pufferbehälter zu versehen, dessen Aufgabe es ist, den vom
Behälter kommenden Überschuß an Tinte zu absorbieren, ehe er
den Schreibkopf, d. h. das vordere Ende der zum Schreiben
dienenden Spitze, erreicht, und dann, sobald die normalen
Bedingungen wiederhergestellt sind, die in ihm enthaltene Tinte
wieder an die Spitze abzugeben.
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Die Anmelderin hat bereits in der Druckschrift EP 0 516 538
ein derartiges Schreibgerät vorgeschlagen, dessen
Pufferbehälter aus einem hydrophoben Material mit offenen Poren in
Form mindestens eines kompakten Blocks ausgebildet ist, der
ohne Klemmwirkung um die Übertragungsspitze herum und koaxial
zu dieser angepaßt ist. Vorzugsweise wird das poröse,
hydrophobe Material auf der Basis von Mikrokugeln oder
Mikrosphären, zum Beispiel aus Polypropylen, hergestellt.
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Der in der Druckschrift EP 0 516 538 vorgesehene
Pufferbehälter ist auf der funktionellen Ebene zufriedenstellend, d. h.
daß er technisch die Funktion der Absorption und der
Wiedergabe des Tintenüberschusses erfüllt, der bei einer
Verände
rung des im Tintenbehälters herrschenden Drucks in die Spitze
gelangt. Die Anmelderin hat aber festgestellt, daß die
Wirksamkeit des Pufferbehälters sich radial verringert, je weiter
man sich vom Kontaktbereich mit der Übertragungsspitze
entfernt. In anderen Worten diffundiert die Tinte ohne
Schwierigkeiten von der Übertragungsspitze in den Pufferbehälter in
einem relativ nahe an der Übertragungsspitze liegenden
Bereich, der je nach Art zwischen 2 und 4 mm liegen kann. Je
weiter man sich von der Übertragungsspitze entfernt, desto
schwieriger wird die Diffusion der Tinte, um in einem Abstand
zu Null zu werden, der etwa 6 bis 7 mm betragen kann.
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Da es die Aufgabe des Pufferbehälters ist, einen durch eine
Veränderung des im Tintenbehälter herrschenden Drucks
verursachten Tintenüberschuß absorbieren zu können, ist es klar,
daß das Nutzvolumen des Pufferbehälters vom maximalen Volumen
des Tintenüberschusses abhängt, der durch eine solche
Veränderung erzeugt werden kann. Dieser Tintenüberschuß hängt
insbesondere vom im Flüssigtintebehälter enthaltenen Luftvolumen
ab, da im allgemeinen eine Erhöhung der Temperatur der in
diesem Behälter enthaltenen Luft die Druckveränderung
bewirkt, die diesen Tintenüberschuß in der Spitze nach sich
zieht. Je weniger Tinte im Behälter verbleibt, desto mehr
Luft enthält dieser und desto größer ist der Tintenüberschuß
bei gleicher Temperaturerhöhung.
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Die von der Anmelderin festgestellte Schwierigkeit führt
derzeit dazu, entweder einen sehr hohen Pufferbehälter zu
bilden, d. h. mit einer großen Kontaktfläche mit der
Übertragungsspitze, oder die Kapazität des Flüssigtintebehälters zu
begrenzen.
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Die Anmelderin hat sich die Aufgabe gestellt, einen
Pufferbehälter vorzuschlagen, der den oben erwähnten Nachteil
beseitigt.
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Diese Aufgabe wird vom erfindungsgemäßen Pufferbehälter
bestens gelöst, der in aus der Druckschrift EP 0 516 538
bekannter Weise ein Pufferbehälter für ein eine Flüssigtinte
enthaltendes Schreibgerät ist, wobei dieses Schreibgerät
einen Behälter und eine in den Behälter mündende
Übertragungsspitze aufweist, wobei der Pufferbehälter bei einer
Veränderung des im Behälter herrschenden Drucks den Tintenüberschuß
absorbieren und wieder abgeben kann und in Form eines
kompakten Blocks aus einem Material mit offenen Poren auf der Basis
von Mikrokugeln hergestellt ist.
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In charakteristischer Weise besteht der Pufferbehälter
erfindungsgemäß aus Mikrokugeln mit gegenüber der Tinte
hydrophoben Eigenschaften und, in einem geringeren Anteil, aus
Mikrokugeln mit gegenüber der Tinte hydrophilen Eigenschaften.
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Im vorliegenden Text sind die Begriffe der Hydrophilie und
der Hydrophobie relative Begriffe, die mit der Art der Tinte
in Verbindung stehen, insbesondere mit ihrer Viskosität und
ihrer Oberflächenspannung. Ein poröses Material, in das eine
bestimmte Tinte unter normalen Nutzungsbedingungen natürlich
diffundiert, wird als hydrophil in Bezug auf diese Tinte
angesehen - selbst wenn diese Tinte nicht Wasser als
Lösungsmittel enthält -; in Bezug auf die gleiche Tinte wird ein
poröses Material als hydrophob angesehen, in das die Tinte
unter normalen Nutzungsbedingungen nicht diffundiert. Ein
gegebenes Material kann für eine gegebene Tinte hydrophob und für
eine andere Tinte hydrophil sein. Zum Beispiel ist das
Polypropylen hydrophob für eine wässrige Tinte ohne einen Zusatz,
der ihre Oberflächenspannung verändern könnte, und hydrophil
für eine Tinte der sich in Alkohol lösenden Art. Jedoch, und
dies ist das Prinzip des Pufferbehälters, kann ein
Tintenüberschuß in das hydrophobe Material diffundieren, wenn die
Benutzungsbedingungen sich ändern, insbesondere durch
anormale Druckerhöhung.
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Das Vorhandensein der hydrophilen Mikrokugeln in geringerem
Anteil unter den hydrophoben Mikrokugeln begünstigt in
unerwarteter Weise die Diffusion der Tinte in das gesamte Volumen
des Pufferbehälters, weit über den peripheren Bereich hinaus,
der mit der Tinte in direktem Kontakt steht, insbesondere an
der Oberfläche der Übertragungsspitze.
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Die Anmelderin nimmt an, daß die Schwierigkeit der Tinte,
durch das von den hydrophoben Mikrokugeln des Pufferbehälters
gebildete Gitter hindurch zu diffundieren, von den
Druckverlusten verursacht wird, die größer werden, je weiter man sich
radial von der Peripherie der Übertragungsspitze entfernt.
Die Tatsache, daß örtlich hydrophile Mikrokugeln auf der
Strecke der Tinte im Gitter von hydrophoben Mikrokugeln
angeordnet sind, ermöglicht es der Tinte, hydrophobe Stellen zu
erreichen, die bei einem Pufferbehälter, der ausschließlich
aus hydrophoben Mikrokugeln bestand, unerreichbar waren.
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Das Vorhandensein von hydrophoben und hydrophilen Mikrokugeln
kann aus einer homogenen Mischung im ganzen Volumen des
Pufferbehälters entstehen.
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Es kann auch aus einer differenzierten Mischung bestehen,
wobei der Anteil an hydrophilen Mikrokugeln in dem direkt mit
dem Tintenüberschluß in Kontakt stehenden Bereich geringer
und im am weitesten entfernten Bereich größer ist.
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Im Mittel liegt der Anteil von hydrophilen Mikrokugeln
zwischen 2 und 10% in Bezug auf das Gesamtgewicht des
Pufferbehälters.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelte es sich um
eine homogene Mischung, die aus 95% hydrophoben Mikrokugeln
und 5% hydrophilen Mikrokugeln bestand.
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Es ist ein zweites Ziel der Erfindung, ein Schreibgerät
vorzuschlagen, das einen solchen Pufferbehälter aufweist, wobei
der Pufferbehälter ohne Klemmwirkung um die
Übertragungsspit
ze herum und koaxial zu dieser angepaßt ist.
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Die vorliegende Erfindung wird besser verstanden werden
anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines
Flüssigtinte-Schreibgeräts, das einen aus hydrophoben und in
einem geringeren Anteil aus hydrophilen Mikrokugeln bestehenden
Pufferbehälter aufweist und in der beiliegenden Zeichnung
dargestellt ist, in der
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Fig. 1 schematisch im Längsschnitt das Schreibgerät und
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Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht gemäß der Linie
II-II der Fig. 1 zeigt.
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Das in Fig. 1 dargestellte Schreibgerät 1 entspricht der
Lehre der Druckschrift EP 0 516 538 der Anmelderin. Es
besteht aus einem Körper 2, einer Übertragungsspitze 3 und
einem Pufferbehälter 4. Der rückwärtige Teil des Körpers 2
bildet einen Behälter 5 für die Flüssigtinte, Behälter, der von
einer Innentrennwand 6 verschlossen wird. Das rückwärtige
Ende 3a der Übertragungsspitze 3 mündet in den Behälter 5 durch
die Innentrennwand 6; ihr vorderes Ende 3b bildet die
Schreibspitze und mündet durch eine zentrale Öffnung 7
außerhalb des Körpers 2. Der Pufferbehälter 4, der den von der
Spitze 3 bei einer Veränderung des im Tintenbehälter 5
herrschenden Drucks kommenden Tintenüberschuß durch
Kapillarwirkung absorbieren und wieder abgeben kann, besteht aus einem
Material mit offenen Poren auf der Basis von Mikrokugeln und
hat die Form eines kompakten Blocks, der ohne Klemmwirkung um
die Spitze 3 herum und koaxial zu dieser angepaßt ist.
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Bei einem solchen Schreibgerät 1 wird die vom Behälter 5
kommende Tinte 8 während ihrer Verwendung nach und nach von der
Schreibspitze 3b verbraucht und durch Luft ersetzt, die
aufgrund der natürlichen Porosität der Übertragungsspitze 3,
aber auch aufgrund einer in der zentralen Öffnung 7, durch
die die Übertragungsspitze 3b dringt, ausgearbeiteten
Verbin
dungsöffnung 9, und eines den Pufferbehälter 4 umgebenden
Freiraums 10 frei zwischen dem umgebenden Raum und dem
Behälter 5 zirkulieren kann. Der Pufferbehälter 4 ist ein
kompakter, poröser Block auf der Basis von Mikrokugeln, deren
Qualität, Körnchengröße sowie die Verteilung, das
Molekulargewicht und die Morphologie bekannt sind. Gemäß der Lehre der
Druckschrift EP 0 516 538 kann dieser kompakte Block durch
Wärmeschmelzen einer Mischung von Mikrokugeln aus mindestens
zwei thermoplastischen Werkstoffen unterschiedlicher Qualität
hergestellt werden, d. h. zwei Werkstoffen mit
unterschiedlichen Schmelztemperaturen. Nach einer homogenen Mischung der
Mikrokugeln in einer geeigneten Form werden diese auf eine
gegebene Temperatur gebracht, die höher ist als die
Schmelztemperatur des Materials der ersten Art und niedriger als die
Schmelztemperatur des Materials der zweiten Art. Auf diese
Weise schmilzt das die Mikrokugeln der ersten Art bildende
Material, wodurch einerseits die den offenen Poren
entsprechenden Mikroaushöhlungen entstehen und andererseits die
Kohäsion der Gesamtheit der Mikrokugeln der Materialien der
zweiten Art gewährleistet wird.
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Diese Ausführungsform ist nicht einschränkend zu verstehen.
Insbesondere kann der kompakte Block ausgehend von
Mikrokugeln eines einzigen thermoplastischen Materials durch
einfaches Sintern erhalten werden, wobei das kapillare Gitter aus
den Lücken zwischen den Mikrokugeln nach deren örtlichem
Schmelzen und Verkleben besteht.
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Bei normalem Betrieb wird die Tinte 8, die im Behälter 5
enthalten ist und mit dem rückwärtigen Ende 3a der
Übertragungsspitze 3 in Verbindung steht, absorbiert, und wandert durch
Kapillarwirkung in die Spitze 3 bis zu ihrem vorderen Ende
3b. Die von diesem vorderen Ende 3b, das als Schreibkopf
wirkt, verbrauchte Tinte wird nach und nach durch die vom
Behälter 5 kommende Tinte 8 ersetzt. In diesem Behälter 5 wird
die Tinte, die in die Übertragungsspitze 3 diffundiert,
selbst von aus dem Inneren des Körpers 2 kommender Luft
er
setzt. So entsteht ein Druckgleichgewicht zwischen der im
Behälter 5 enthaltenen Luft und der Luft, die im Rest des
Körpers 2 herrscht.
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Bei einem anormalen Betrieb, insbesondere aufgrund einer
Druckerhöhung im Behälter 5, zum Beispiel bei einer Erwärmung
des Geräts 1, fließt ein Überschuß an Tinte 8 vom Behälter 5
in die Spitze 3. Aufgrund des Vorhandenseins des
Pufferbehälters 4 kommt dieser Tintenüberschuß nicht bis zur
Schreibspitze 3b; durch Kapillarwirkung diffundiert der
Tintenüberschuß in den mit den Kapillaren der Spitze 3 in Kontakt
stehenden Pufferbehälter 4, bis das Druckgleichgewicht wieder
hergestellt ist. Bei der erneuten Benutzung des Geräts 1
kommt dann die vom Schreibkopf 3b verbrauchte Tinte
vorzugsweise vom Pufferbehälter 4.
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Es ist wichtig, daß der Pufferbehälter 4 den ganzen
Tintenüberschuß aufnehmen kann, der im Fall einer anormalen
Erhöhung des Drucks innerhalb des Behälters 5 von der
Übertragungsspitze 3 aus fließen kann. Dieses Fassungsvermögen hängt
von der Kapazität des Behälters 5 für Flüssigtinte 8 ab,
wobei dieser Überschuß maximal ist, wenn der Tintenbehälter
einen großen Anteil an Luft enthält, die die Tendenz hat, sich
bei einer Erhöhung der Temperatur des Geräts 1 stark
auszudehnen.
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Bei Kenntnis des Luftanteils im porösen, kompakten Block, der
den Pufferbehälter 4 bildet, ist es möglich, theoretische
Rechnungen durchzuführen, die es ermöglichen, das Volumen zu
bestimmen, das für den Pufferbehälter eines gegebenen
Schreibgeräts notwendig ist.
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Die Anmelderin hat jedoch festgestellt, daß je nach der
Ausbildung des Pufferbehälters 4 dieses theoretische Volumen
nicht immer ausreichte, um die Gesamtheit des
Tintenüberschusses zu absorbieren, da es aufgrund der Tatsache, daß die
Tinte nicht fähig war, ausgehend von der Seite, die mit der
Übertragungsspitze 3 in Verbindung steht, über eine bestimmte
Entfernung hinaus radial zu diffundieren, keine vollständige
Sättigung des Pufferbehälters gab. Diese Entfernung hängt von
der Art, insbesondere der Oberflächenspannung und der
Viskosität der Tinte 8, und auch von der Ausbildung des
Pufferbehälters 4 ab. In manchen Fällen kann die tatsächlich wirksame
Entfernung, d. h. in der der Pufferbehälter gesättigt wird,
auf 2 bis 3 mm begrenzt sein.
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Zur Beseitigung dieser Schwierigkeit wäre es möglich, die in
direktem Hontakt mit der Tinte stehende Oberfläche des
Pufferbehälters 4 zu vergrößern. Dies würde jedoch die
Veränderung der Struktur dieses Behälters 4 erfordern, zum Beispiel
durch Vergrößerung seiner Höhe für ein bestimmtes
theoretisches Volumen. Diese Strukturveränderung würde die
entsprechende Veränderung der Ausbildung des Geräts erfordern.
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Erfindungsgemäß wurde die erwähnte Schwierigkeit beseitigt,
indem bei der Herstellung des Pufferbehälters 4 aus
Mikrokugeln Mikrokugeln mit hydrophoben Eigenschaften und, in
geringerem Anteil, Mikrokugeln mit hydrophilen Eigenschaften gemäß
der besonderen Definition verwendet wurden, die weiter oben
den Begriffen Hydrophilie und Hydrophobie verliehen wurde.
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Das Vorhandensein dieses geringen Anteils an hydrophilen
Mikrokugeln hat zur Wirkung, die Diffusion der Tinte im ganzen
Volumen des Pufferbehälters zu erleichtern.
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Bei Mikrokugeln aus Polyethylen mit einem mittleren
Durchmesser zwischen 25 und 250 um lag der geeignete Anteil, um die
oben erwähnte technische Wirkung zu erzielen, zwischen 2 und
10% an hydrophilem Polyethylen im Verhältnis zur Gesamtheit
der den Pufferbehälter bildenden Mikrokugeln.
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Bei der Herstellung des Pufferbehälters 4 werden Mikrokugeln
verwendet, die zum größten Teil hydrophobe Eigenschaften und
in einem geringeren Anteil hydrophile Eigenschaften
aufwei
sen. Die hydrophobe oder hydrophile Eigenschaft der
Mikrokugeln wird in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Tinte
entweder durch die Wahl des die Mikrokugeln bildenden
Werkstoffs oder durch eine vorherige geeignete Behandlung
erhalten, zum Beispiel durch fluoriertes Plasma, um die hydrophobe
Eigenschaft zu verleihen, oder auch durch eine
Oxidationsbehandlung, um die hydrophile Eigenschaft zu verleihen, oder
auch durch Aufbringen eines Tensids, um in Abhängigkeit von
der gewünschten Eigenschaft die Oberflächenenergie des
Werkstoffs auf einen bestimmten Wert zu bringen.
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Gemäß einer Ausführungsform wurde eine homogene Mischung aus
hydrophoben und hydrophilen Mikrokugeln im gesamten Volumen
des Pufferbehälters hergestellt. In einem genauen
Ausführungsbeispiel, bei dem es sich um eine wässrige Tinte und um
Mikrokugeln aus Polyethylen handelt, die einen mittleren
Durchmesser von etwa 140 um aufweisen, enthielt die Mischung
95% Mikrokugeln mit hydrophoben Eigenschaften und 5%
Mikrokugeln mit hydrophilen Eigenschaften. Der Pufferbehälter hatte
eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von etwa 12,5
mm, die axial im Pufferbehälter angeordnete
Übertragungsspitze hatte einen Durchmesser von etwa 5 mm. Indem die
Temperatur des Geräts in zyklischer Weise während der Benutzung auf
Temperaturen von bis zu 50 bis 55ºC gebracht wurde, erhielt
man eine vollständige Sättigung des Gesamtvolumens des
Pufferbehälters am Ende des Zyklus, wenn der Tintenbehälter 5
fast leer war.
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Es ist zu unterstreichen, daß, wenn der Anteil an hydrophilen
Mikrokugeln erhöht wird, der Pufferbehälter sich verhält, als
ob es sich um ein vollständig hydrophiles Material handelte.
In anderen Worten diffundiert die Tinte in das betreffende
Material, selbst wenn die Benutzungsbedingungen normale
Bedingungen sind. Dies ist selbstverständlich nicht die für
einen Pufferbehälter erwünschte technische Funktion. Der
Pufferbehälter soll den von einer anormalen Benutzung stammenden
Tintenüberschuß absorbieren und wieder abgeben und nicht aus
einem Lagermittel bestehen, in dem die Tinte zusätzlich zum
Behälter für Flüssigtinte gelagert wird.
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Bei den von der Anmelderin untersuchten Fällen betrug der
maximale Prozentsatz der Mikrokugeln, der die gesuchte Wirkung
der besseren Wanderung der Tinte ermöglichte, etwa 10%.
Dieser Anteil kann in Abhängigkeit von der Art der Tinte und der
Art und der Größe der Mikrokugeln variieren. Es obliegt
folglich dem Fachmann, in Abhängigkeit von diesen Parametern
genau zu bestimmen, welches der optimale Anteil an hydrophilen
Mikrokugeln in Bezug auf die Gesamtheit der zur Bildung des
Pufferbehälters verwendeten Mikrokugeln ist.
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Wie weiter oben bereits betont wurde, wird die Tinte 8 in
ihrer Diffusion ausgehend von der mit der Übertragungsspitze 3
in Kontakt stehenden Seite aufgrund des Vorhandenseins der
Druckverluste im Kapillargitter des Pufferbehälters 4
gebremst. Diese Diffusion ist jedoch in dem direkt mit der
Tinte in Kontakt stehenden Bereich sehr gut. Daher wäre es in
diesem Bereich möglich, Mikrokugeln mit rein hydrophoben
Eigenschaften zu verwenden, oder ggf. einen noch geringeren
Anteil an Mikrokugeln mit hydrophilen Eigenschaften. In anderen
Worten wäre es möglich, den Anteil an hydrophilen Mikrokugeln
von dem direkt mit der Tinte in Kontakt stehenden Bereich bis
zum am weitesten entfernten Bereich des Pufferbehälters
kontinuierlich oder diskontinuierlich zu verändern. Bei einer
diskontinuierlichen Variante kann der Pufferbehälter dann in
Form ringförmiger Elemente vorliegen, die sich ineinander
schieben, wobei das äußerste ringförmige Element den höchsten
Anteil an Mikrokugeln mit hydrophilen Eigenschaften aufweisen
würde.
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In Fig. 2 ist ein Pufferbehälter 4 dargestellt, der aus drei
aufeinanderfolgenden Elementen 4', 4", 4''' besteht, die
ineinander geschoben sind, bei denen der Anteil an Mikrokugeln
mit hydrophilen Eigenschaften 2% für das innerste Element 4',
6% für das Zwischenelement 4" und 10% für das äußerste
Ele
ment 4''' beträgt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die soeben
beschriebene Ausführungsform beschränkt, die als nicht erschöpfend zu
verstehendes Beispiel beschrieben wurde. Insbesondere wird
die Wahl der zur Zusammensetzung des Pufferbehälters
verwendeten Mikrokugeln in Abhängigkeit von den gesuchten
Eigenschaften bestimmt. Es kann sich um Polyethylen wie im
erwähnten Beispiel, oder um andere Stoffe handeln, wie insbesondere
Polypropylen. Die Mikrokugeln mit hydrophilen Eigenschaften
können aus einem anderen Stoff bestehen als die Mikrokugeln
mit hydrophoben Eigenschaften.
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Außerdem kann es vorteilhaft sein, für die Herstellung der
Mikrokugeln mit hydrophoben Eigenschaften und/oder der
Mikrokugeln mit hydrophilen Eigenschaften Mikrokugeln zu wählen,
die unterschiedliche Abmessungen und sogar unterschiedliche
Qualitäten aufweisen.
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Diese Abmessungsunterschiede und auch die unterschiedlichen
Schmelztemperaturen bei unterschiedlicher Qualität
beeinflussen die Kapillareigenschaften des so erhaltenen
Pufferbehälters. Diese Vielzahl von Parametern, die bei der Herstellung
des Pufferbehälters eine Rolle spielen können, erweitert die
dem Fachmann zur Verfügung stehenden Möglichkeiten.