制備用于油墨的顏料分散液的方法

專利名稱：制備用于油墨的顏料分散液的方法
技術領域：
本發明涉及制備油墨的改進方法。具體地說，它涉及制備可以用于油墨組合物的著色劑分散液的改進方法。
通常，油墨包括著色劑例如顏料或染料化合物。例如，顏料基油墨通常這樣制備，即把單個顏料顆粒聚集在一起時形成的顏料團塊分散在分散劑中。通過用常規研磨介質例如玻璃、不銹鋼或氧化鋯研磨顏料分散液來減小顏料團塊的尺寸。
例如，當制備用于噴墨油墨的顏料分散液時，已經發現常規的研磨介質是不適合的，因為它們使分散液的PH值變(通常是增加)至不合適的水平，或導致分散液的污染。過高的PH值可以導致與油墨加工和印刷的設備之間不相容的油墨。污染可以導致例如由上述顏料分散液制備的油墨變色。
本發明是基于這樣的發現，即用于研磨著色劑分散液的塑料介質在令人滿意地降低顏料分散液中著色劑團塊的尺寸的同時，并未不適當地改變PH或不適當地污染分散液。并且，使用這里所述的塑料介質意想不到地產生了具有優異色范圍的油墨組合物。
油墨通常是被分散或溶解在載色劑(vehicle)或載體中以形成可以印刷在基質上并可以干燥的液體或漿料的著色劑的混合物。所用的著色劑一般是顏料、色淀、染料或它們的混合物。在印刷過程中，載色劑作為著色劑的載體而起作用，而且在大多數情況下，用于把著色劑粘固著在基質上。油墨可以以薄膜形式施涂在許多基質例如紙、紙板、金屬板、金屬薄片、塑料膜、模制塑料制品、紡織品和玻璃上。
美國專利№5,158,606和4,038,241公開了可以含有聚苯乙烯作為組分例如作為顏料乳化劑的油墨。然而，這些參考文件把聚苯乙烯作為一種組分加入到油墨中，而沒有把聚苯乙烯作為研磨介質。
美國專利№5,158,607指出，可以通過把顏料分散在載色劑中并乳化其中的聚合物膠乳而形成耐擦掉的印刷油墨。
本發明的一個目的是提供一種通過制備包括著色劑團塊的分散液并用基本上不物理退化或與分散液不發生化學作用的研磨介質降低團塊的尺寸而制備用于油墨的分散液的方法，并確實得到了改進的油墨色范圍。
另一個目的是提供一種制備用于油墨的分散液的方法，其中研磨介質可以降低分散液中著色劑團塊的尺寸，而基本上消除了污染、不適當的變色和例如油墨中著色劑的過早沉積。
另一個目的是提供一種制備用于油墨的分散液的方法，其中研磨介質可以降低分散液中著色劑團塊的尺寸，而不會不適當地改變分散液或由此制備的油墨的PH值。
這里應當注意，著色劑指的是，當將其放在液體載色劑中時，需要用分散劑進行分散以生產油墨的任何著色劑。因此，此類著色劑可以包括不溶的染料，并最好是顏料。
為了實現這些以及其它優點，按照這里具體且廣泛描述的本發明的目的，一方面，我們描述制備用于油墨的分散液的方法，該方法是把分散劑與具有最初尺寸的著色劑團塊混合，然后用塑料介質降低著色劑團塊的最初尺寸。優選的是，通過把著色劑團塊分散在分散劑中而形成分散液，也可以在液體載體例如蒸餾水或去離子水的存在下進行分散。著色劑在分散液中可以是任何顏色，包括由黃、青、炭黑或洋紅色顏料或它們的混合物所產生的顏色。塑料介質最好是堆積密度小于約1.45kg/I、優選小于約1.00kg/I和最優選小于約0.75kg/I的研磨介質，包括其中所包括的所有范圍。此類塑料介質包括例如具有苯乙烯、碳酸酯、酰胺、酯或聚氨酯衍生骨架的介質，包括由它們所制備的共聚物和混合物。塑料介質的形狀和尺寸最好可以降低著色劑團塊的尺寸。
本發明也涉及由所公開的方法而得到的分散液以及包括此類分散液的油墨。
前面的概括描述和下面的詳細描述都只是舉例性的和說明性的，它們不構成對所要求的發明的限制。
例如，形成油墨可以分兩步進行形成著色劑(例如顏料)分散液，然后把著色劑分散液加入到液體中形成油墨。另外，例如形成著色劑分散液可以分三步進行潤濕、研磨和分散，不過這些步驟可以相互交錯，且通常不限于任何順序。
潤濕步驟通常先排出吸附在著色劑團塊表面上的氣體或其他污物，然后使潤濕載色劑附著到著色劑表面上。為了加強潤濕過程，最好通過機械方法把研磨之前組成團塊的團粒(尺寸降低的團塊)和著色劑顆粒分開，使新制備的著色劑表面暴露在濕潤載色劑中。
研磨過程(另一個步驟)降低了著色劑團塊的尺寸。著色劑團粒和顆粒通常聚集成相對松堆積的團塊。研磨降低了著色劑團塊的尺寸，并把該團塊分離成獨立的團粒和顆粒中的至少一種，借此暴露出更多的著色劑表面積。由于可用于潤濕的著色劑表面積增加，因此著色劑團粒和顆粒更好地分散在潤濕載色劑中，可以得到更好的著色劑分散液。
研磨過程一直進行到得到所需要的團塊(團粒或顆粒)尺寸為止，該尺寸取決于多個參數，例如分散液所要求的用途、分散液加入到其中的油墨的類型、所用的研磨設備和介質的類型，以及所要求的在油墨設備中的通過量和停留時間。在本發明中，最好降低團塊的平均尺寸，使研磨后得到的團粒和/或顆粒尺寸小于約500nm，優選小于約300nm和最優選小于約200nm，包括其中所包括的所用范圍。
在分散步驟中，濕潤的團粒和顆粒分散在整個液體載色劑中，有效地分離了單個顆粒或留下的團粒。每一個顆粒或團粒都被足夠的分散劑包圍著，使得顆粒和/或團粒之間的接觸達到最小。如果顆粒或團粒在液體載色劑中再聚集(形成團塊)，該作用稱為絮凝或聚集，它將導致處理或印刷設備出現故障。
在本發明中，著色劑(優選為顏料)可以是本領域熟知的無機或有機顏料。對于可以用于本發明的顏料，除了它們能夠得到油墨以外，沒有任何限制。可以使用通常使用的任何有機或無機顏料。可以用于本發明的顏料的例子包括偶氮顏料例如縮合的和螯合的偶氮顏料；多環顏料例如酞菁、蒽醌、喹丫啶酮、硫靛、異吲哚啉酮、喹酞酮。可以使用的其它顏料包括例如硝基顏料、日光熒光顏料、碳酸鹽、鉻酸鹽、鈦氧化物、鋅氧化物、鐵氧化物和炭黑。此類顏料可以通過常規技術制備，并且它們大多數是市場上可以買到的。優選的是，著色劑是一種顏料，可以是炭黑、黃、青、洋紅、紅、綠或橙色顏料中的任意一種，或它們的任意組合。更優選的是，顏料是顏料黃74、顏料藍15∶4或顏料紅122。
通常分散劑可以同時作為潤濕載色劑和穩定顆粒和/或團粒的載色劑。對于可以用于本發明的分散劑基本上沒有限制。事實上，可以用于制備顏料基油墨組合物的任何非聚合或聚合的分散劑都可以用于本發明。通常優選的分散劑是聚合分散劑。此類聚合分散劑的例子包括無規、嵌段和接枝聚合物，因此聚合物的性質可以是陰離子、陽離子或非離子的。聚合分散劑通常具有用于水溶性的親水鏈段和用于顏料相互作用的疏水鏈段。而且，這里所用的聚合分散劑包括均聚物、共聚物(包括三元共聚物)、不溶混的混合物和溶混的混合物。
由于對本發明的聚合分散劑的限制通常只在于它們能夠把著色劑分散在油墨組合物中，因此對可以用于制備此類聚合分散劑的前體單元沒有限制。這里所用的前體包括單體單元和大分子單元。
可以用于制備此類聚合分散劑的單體單元的一般性例子包括例如丙烯酸單體、苯乙烯單體和具有氨基的單體。可以使用的單體的例子包括丙烯酸和甲基丙烯酸、丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺。
通常使用的聚合分散劑可以是市場上可以買到的以及通過常規技術(包括例如縮合和加成聚合例如單體單元的陰離子、基團轉移或自由基聚合)制備的聚合分散劑。
可以用于本發明的、通常優選的聚合分散劑是由三種前體制備的無規三元共聚物。最優選的前體包括單體和大分子前體，包括選自丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯中的至少一種、選自丙烯酰基和甲基丙烯酰基終端的聚二烷基硅氧烷中的至少一種和選自丙烯酸十八烷基酯、甲基丙烯酸十八烷基酯和甲基丙烯酸月桂基酯中的至少一種。這里特別優選的聚合分散劑稱為LexmarkTM丙烯酸三元共聚物，它是通過聚合甲基丙烯酸、甲基丙烯酸十八烷基酯和二甲基硅氧烷而制備的。
可以通過本領域認可的技術(包括自由基聚合)使單體和大分子前體聚合，從而由這些特別優選的前體制備聚合分散劑。關于可以用于本發明的最優選聚合分散劑的更詳細描述可以在序號為08/578,138和08/667,269的美國專利申請中看到，這里將它們引入作為參考。
為了有助于進行我們的分散過程，可以向著色劑和分散劑中加入非必要的液體載體。該液體載體稀釋并改善了顏料分散液的粘度。液體載體與所選的著色劑和所選的分散劑必須是可以溶混的。合適的液體載體包括在這些參數范圍內可以操作的那些物質，例如水、甲苯、異丙醇、豆油、菜子油、桐油、礦物油、和它們的混合物。優選的是，液體載體為蒸餾或去離子水。
為了減小著色劑團塊的尺寸，可以使用常規的研磨設備，包括涂抹器式或剪切式磨機、粉碎機式或沖擊式磨機、或同時具有剪切和沖擊作用的混合式磨機。具體的磨機包括球磨機、高速輪盤攪拌器式磨機、高速沖擊式磨機、三輥磨機、高速石、玻璃球介質磨機、和高速盤式分散器。優選的是，本方法可以使用細介質磨機。
在研磨過程中，團塊尺寸的減小是通過使著色劑團塊在磨機中相鄰的研磨介質之間流動所造成的。我們推論，在此過程中，常規的研磨介質例如不銹鋼和氧化鋯將發生物理退化(例如，通過切削、磨損、腐蝕等)，從而導致污染和變色。我們還推論，在此過程中，常規的研磨介質例如玻璃將與著色劑分散液發生化學反應，從而導致分散液或由此制備的油墨的PH值發生不適當的變化。不適當的PH值變化一般是，與預混合物(研磨之前的分散劑和著色劑混合物)的PH值相比，分散液PH值的增加超過約8.0％，更常見的是PH值的增加超過約13.0％。
我們意想不到地發現，其它物質作為研磨介質可以避免該化學作用或物理退化，或可以使該化學作用或物理退化減至最小。
因此，只要該物質例如可以減小或消除分散液的污染、減小或消除油墨的變色、產生更大的油墨色范圍、不使分散液或由此制備的油墨的PH值產生不適當的變化，或對分散液的穩定性沒有不利影響，該物質就可以用作我們方法的研磨介質。然而，該研磨介質必須能夠把團塊的尺寸減小至要求值。
具體地說，我們已經發現，塑料作為研磨介質可以避免或減少通常的化學作用或物理退化。塑料介質例如市售的聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酯、聚酰胺、聚胺酯、聚丙烯酸和由此所制備的混合物和共聚物都可以作為研磨介質。優選的是用聚苯乙烯作為研磨介質。
研磨介質可以具有足以減小著色劑團塊尺寸的形狀或尺寸。研磨介質的尺寸取決于多種因素，例如所選研磨機的類型和研磨介質的形狀。研磨介質可以具有任何形狀例如基本上為球形的、圓柱形的或立方形的。本發明的研磨介質最好是聚苯乙烯球，例如Norstone，Inc的市售品。另外，當使用球體時，它們的直徑通常是約0.3至約1.5mm，優選約0.6至約0.9mm，包括其中包括的所用范圍。
這里所用的研磨介質具有令人滿意的物理和化學特性，該介質在研磨過程中不會發生物理退化或化學作用。例如，研磨介質具有足夠的物理強度(例如，抗拉強度和抗撞擊強度)和足夠的柔韌性(例如，斷裂延伸率％和堆積密度)，可以基本上承受住研磨過程中的應力和應變。作為其它例子，研磨介質是由基本上不以任何可測量的方式與著色劑分散液發生化學反應的化合物或物質組成的。
因為它在研磨過程中基本上不發生化學作用，因此，意想不到的是，研磨介質使最初預混物(研磨之前的分散劑和顏料)PH值的改變不大于約±7.0％，優選不大于約±5.0％。因此研磨介質使分散液PH值的升高或降低不會超過這樣的程度，以致由此制備的油墨與例如噴墨印刷設備不相容。
由于本發明的研磨介質在研磨過程中不發生物理退化，該研磨介質可以減少或消除分散液的污染，該污染可通過對本發明制備的油墨和用常規介質制備的油墨進行肉眼觀察和比較而確定。由常規研磨介質引起的污染使得油墨變色并且在短期內導致肉眼可觀察到的沉淀。因此，本發明的研磨介質減少或消除該變色和過早的沉淀。另外，意想不到地是，本發明在使最初預混物PH值的變化為最小的同時，又減少了分散液和由此制備的油墨中的沉淀。
把著色劑(不溶的染料或顏料)分散液與附加的配料混合形成油墨。當附加的配料與顏料分散液混合時，將得到具有最佳應用和操作性的油墨組合物。因此，可以加入任何油墨配料或配料的混合物，這取決于所需要的最佳應用和操作性。例如下列配料可以加入到著色劑分散液中形成油墨1，3-丙二醇，PEG400，LexmarkTM丙烯酸三元共聚物(由單體甲基丙烯酸、甲基丙烯酸十八烷基酯、聚二甲基硅氧烷制備)和去離子水。
也可以向油墨中加入其它添加劑。這些添加劑包括例如干燥劑、蠟、抗氧化劑和各類添加劑例如潤滑劑、表面能改性劑、增稠劑、膠凝劑、消泡劑、濕潤劑、生物殺傷劑、螯合劑、熟制劑和抗卷曲劑。
油墨的一個重要性質是顏色。顏色可以用例如稱為L*、a*和b*值的特征描述。油墨可以得到的色區域或色范圍取決于由這些值得到曲線圖的面積。該面積越大，油墨可以得到的色區域/范圍越大。再次讓人意想不到的是，與通過常規研磨介質制備的油墨相比，我們的油墨制造中所用的研磨介質使油墨的色區域改善了至少約10％，優選至少約15％，最優選至少約20％。
下面通過實施例描述我們的方法，這些實施例不以任何方式作為本發明范圍的限制。
實施例在下面的實施例中，通過把著色劑、分散劑和蒸餾水在混合器中混合(一般混合30分鐘)，借助分散劑使著色劑充分濕潤，從而形成分散液。把該混合物轉移到已經加入了所選介質的細介質研磨機中(例如由EigerMachinery，Inc制造的細介質磨機)。研磨一直進行到平均粒度小于約200nm(用Leeds+Northrup Microtrac UPA150測定)為止。把所得到的分散液從研磨機中排出。每個實施例的操作參數如下。
把分散液與附加的配料混合制備具有如下組成的油墨3％顏料、10％1，3-丙二醇、10％PEG400、以及余量的Lexmark丙烯酸三元共聚物和去離子水。用Minolta分光光度計CM-2002在涂覆油墨的噴墨印刷紙上(Lexmark高清晰度優質噴墨印刷紙)測定這些油墨的L*、a*、b*值。表1中的數據描述了關于色范圍改進的令人意想不到的結果。實施例1顏料 顏料黃74介質 硼硅酸鹽玻璃顏料分散劑 3.25∶1.0固體30％研磨速度 5000rpm研磨時間 4小時最初的PH 7.53最終的PH 9.66外觀 泥黃色實施例2顏料 顏料黃74介質 YTZ(釔處理的氧化鋯)顏料分散劑 2.0∶1.0-4.0∶1.0固體 20-30％研磨速度 2000-5000rpm研磨時間 4小時最終的PH 7.2-7.6外觀 黃綠色且帶有沉淀物實施例3顏料顏料黃74介質聚苯乙烯顏料分散劑 1.0∶1.0-4.0∶1.0固體 20-30％研磨時間 4小時研磨速度 3500rpm外觀 亮黃色；無沉淀物實施例4顏料顏料藍15∶4介質硼硅酸鹽玻璃顏料分散劑 2.5∶1.0固體％ 25％研磨速度5000rpm研磨時間 4小時最初的PH 7.62最終的PH 9.84實施例5
顏料顏料藍15∶4介質 YTZ顏料分散劑 4.0∶1.0-1.0∶1.0研磨速度 2000-5000 rpm固體 20-30％研磨時間 4小時實施例6顏料顏料藍15∶4介質 聚苯乙烯顏料分散劑 2.5∶1.0固體25％研磨時間 4小時研磨速度 5000rpm平均最初的PH7.85平均最終的PH8.37實施例7顏料 顏料紅122介質 YTZ顏料分散劑 4.0∶1.0固體 30％研磨時間4小時研磨速度 5000rpm最初的PH 8.03最終的PH 8.28實施例8顏料顏料紅122介質聚苯乙烯顏料分散劑 4.0∶1.0固體 30％研磨時間4小時研磨速度5000rpm最初的PH7.25最終的PH7.22表1
i=相應實施例的油墨的5050的混合物，它是通過減色法混合即在一種著色物之上印刷另一種著色物而制備的。r*=紅，i**=綠，i***=藍在單腔噴墨印刷機的墨盒中加入實施例2、5、7、(對比)3、6和8(用聚苯乙烯介質制備的油墨)中制備的油墨。用市售的寬行噴墨印刷機印刷彩色方塊(面積9cm2)。用Minolta分光光度計(CM-2002)測定每一個方塊的L*、a*、b*值。以a*和b*為坐標畫圖。比較所得圖形的面積(把對比的與聚苯乙烯的比較)。用聚苯乙烯作為研磨介質制備的油墨的圖形的面積比用YTZ作為研磨介質制備的油墨的圖形的面積大大約30.0％。這令人意想不到地表明，色范圍增大了約30.O％。
權利要求
1.一種制備用于油墨的分散液的方法，該方法包括步驟；a)混合分散劑和具有最初尺寸的著色劑，形成預混合物；和b)用塑料介質減小著色劑的最初尺寸，得到著色劑團粒和著色劑顆粒中的至少一種。
2.根據權利要求1的方法，其中分散液是通過把著色劑分散在分散劑中而制備的。
3.根據權利要求2的方法，還包括把液體載體加入到分散液中的步驟。
4.根據權利要求3的方法，其中該液體載體是蒸餾水或去離子水、甲苯、異丙醇、豆油、菜子油、桐油、礦物油、或它們的混合物。
5.根據權利要求1的方法，其中著色劑是顏料，該顏料是炭黑或黃、青、洋紅、紅、綠或橙色顏料。
6.根據權利要求1的方法，其中塑料介質是一種研磨介質。
7.根據權利要求6的方法，其中該研磨介質的堆積密度小于約1.45kg/l。
8.根據權利要求6的方法，其中研磨介質是聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚氨酯、聚丙烯酸、或由此制備的共聚物或混合物。
9.根據權利要求8的方法，其中研磨介質是聚苯乙烯。
10.根據權利要求1的方法，其中塑料是球形的、圓柱形的或立方形的。
11.根據權利要求1的方法，其中著色劑是顏料團塊。
12.根據權利要求1的方法，其中著色劑的最初尺寸是在細介質磨機中減小的。
13.根據權利要求1的方法，其中分散劑是由甲基丙烯酸、甲基丙烯酸十八烷基酯和聚二甲基硅氧烷制備的丙烯酸三元共聚物。
14.根據權利要求1的方法，其中，與預混合物的PH值相比，分散液PH值的改變不大于約±7.0％。
15.一種分散液，該分散液是通過包括下列步驟的方法制備的a)混合分散劑和具有最初尺寸的著色劑，形成預混合物；和b)用塑料介質減小著色劑的最初尺寸，得到著色劑團粒和著色劑顆粒中的至少一種。
16.一種噴墨油墨組合物，該組合物包括通過包括下列步驟的方法制備的分散液a)混合分散劑和具有最初尺寸的著色劑，形成預混合物；和b)用塑料介質減小著色劑的最初尺寸，得到著色劑團粒和著色劑顆粒中的至少一種。
全文摘要
本發明涉及制備用于油墨的分散液的方法,以及由此得到的油墨。該方法包括制備包括著色劑團塊的分散液和用塑料介質減小團塊的尺寸。該分散液是通過把著色劑團塊分散在分散劑中而形成的,也可以非必要地在液體載體例如蒸餾水或去離子水的存在下進行分散。分散液中的著色劑可以是炭黑、黃、青或洋紅色顏料、或它們的混合物。研磨介質優選為塑料介質,例如聚苯乙烯。
文檔編號C09B67/04GK1199071SQ9810983
公開日1998年11月18日 申請日期1998年5月13日 優先權日1997年5月13日
發明者R·G·格納里克, A·M·皮爾森, A·V·甘蓋爾 申請人:萊克斯馬克國際公司