CN101466802A - 基于颜料颗粒的聚合包封的打印油墨 - Google Patents

基于颜料颗粒的聚合包封的打印油墨 Download PDF

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Abstract

一种制备油墨的方法，包括使分散体(201、204)均一化以便在具有单体(207)的分散体(201、204)中涂敷颜料颗粒。一种用于打印设备的油墨，其包括包封在聚合的单体(207)中的颜料颗粒(206)，其中，所述单体(207)的极性大于所述颜料颗粒(206)表面的极性。

Description

基于颜料颗粒的聚合包封的打印油墨
背景
喷墨打印是一种通过使墨滴选择性地沉积在打印介质上来产生图像的方法，所述打印介质诸如纸、膜、织物和其它基材。向打印机输入数字数据以便驱使墨滴以形成所需图像的图案选择性地沉积。喷墨打印可以是彩色的，也可以是单色的。由于喷墨打印机有许多优点，它们已经广泛地被应用于多种领域，诸如工业标记、短版打印、桌上出版系统和图片打印(pictorial printing)。
用于各种喷墨打印机的油墨可以分为染料基油墨或颜料基油墨。染料是一种以分子形式分散或溶解在载体介质中而使其离散的着色剂颗粒不会被观察到的着色剂。所述载体介质在室温下可以是液体或固体。在颜料基油墨中，着色剂作为悬浮在载体介质中的离散颗粒存在。这些颜料颗粒通常用分散剂或稳定剂处理，以防止颜料颗粒团聚和/或从悬浮液中沉降析出。
理想地，用于喷墨打印体系的油墨能满足各种性能参数。这些参数可以包括该油墨的某些物理性质，诸如与喷墨打印头的释放条件非常匹配的粘度、表面张力、导电性，诸如打印头中油墨释放装置的驱动电压和驱动频率、打印头释放孔口的形状和材料、孔口的直径等。油墨也应该能够长期保留，使用后不会在打印头中产生堵塞或其它复杂的问题。油墨应该不会起化学反应、以化学方式腐蚀、侵蚀周围的材料，诸如油墨储存器、打印头组件等。油墨应该是无毒的、耐火的、无任何难闻气味。油墨也应该显示出低起泡性和高pH稳定性。
油墨应该可以迅速固着于打印介质上，以便形成的图像看起来光滑，不会显露出用于形成图像的个体墨滴。一旦在打印介质上形成所需的图像，油墨就应该具有很强的防水性和耐光性，这意味着图像将不会因接触湿气或强光而退化。打印图像的油墨也应该对打印介质具有强粘着性并具有抗机械损坏(诸如刮划)性。
为了促进喷墨油墨，特别是颜料基油墨的这些所需的性质，有人建议将着色剂颗粒包封在颜料基油墨中。然而，在过去，将着色剂颗粒包封在颜料基喷墨油墨中以促进所需的油墨性质而不在其它方面使油墨性能退化的尝试获得极为有限的成功。
发明内容
一种制备油墨的方法，包括使分散体均一化，以便在包含单体的分散体中涂敷颜料颗粒。一种用于打印设备的油墨，其包括包封在聚合的单体中的颜料颗粒，其中，所述单体的极性大于所述颜料颗粒表面的极性。
附图简要说明
附图举例说明本发明的各种实施方式，是本说明的一部分。举例说明的实施方式仅仅是本发明的实施例，并不限制权利要求的范围。
图1是根据本文描述的构思的一种包封颜料颗粒的方法的流程图。
图2是根据本文所述构思，在图1方法的各个阶段使用的分散体的例子。
所有图中，相同的引用号指代类似的但不一定是相同的单元。
发明详述
因为含有成功包封的着色剂颗粒的油墨的性能很可能会有所提高，所以，颜料基油墨中颜料颗粒或着色剂颗粒的微包封长期以来备受关注。颜料或着色剂颗粒的包封也已经被广泛认为是简化油墨配制的可能手段。人们已经发现，困难在于提供一种胶体稳定性良好、单体转化率高、包封效率高、包封后游离聚合物残留最少和能灵活改变聚合物的类型和比例的实用而较通用的方法。
本说明描述了一种通过聚合将着色剂颗粒包封在颜料基喷墨油墨中的实用方法，该方法符合所需的标准。一旦油墨被用于在打印介质上形成打印图像，所述聚合方法将显著改善油墨的性能性质，特别是油墨的抗污渍性和防水性。
现在，参考附图说明一种成功地包封所有颜料颗粒，比如黄色、青色和品红色颜料颗粒的实用的微乳化法(mini-emulsion)。参考图1，一种示例性的聚合方法包括以下步骤：
首先，制备颜料或着色剂分散体(步骤101)。单独制备至少一种单体和表面活性剂在水中的第二分散体(步骤102)。所述单体可以是，比如任何丙烯酸类化合物、乙酸乙烯酯、苯乙烯或其它含有可聚合双键的单体。所述表面活性剂可以是一种或多种表面活性剂，包括，比如十二烷基硫酸钠(SDS)、琥珀酸二(异)辛酯磺酸钠(Aerosol OT)、(阴离子表面活性剂)、其它阴离子表面活性剂和任何可聚合的表面活性剂。
制备后，立即使颜料分散体均一化(步骤103)。均一化作用可以通过任何向分散体中施加能量以使分散体均一化的方法来进行。在一个具体的实施例中，通过声处理实现均一化。如本文和所附权利要求中使用的，术语“声处理”理解为一种使悬浮液暴露于高频声波能的断裂效应(disruptive effect)的方法。除了声处理，任何其它高能均一化方法，诸如微流化器和类似设备，也可以用于搅拌和/或均化分散体。在水中的单体和表面活性剂的第二分散体也独立于颜料分散体进行均一化(步骤104)。这两种独立的分散体的均一化操作都持续一段时间，比如两分钟。均一化作用将使颜料分散体和单体预乳液中都形成细小的液滴。
初级单独均化后，将两种分散体混合(步骤105)。分散体混合后，混合物再进行均一化处理，比如声处理(步骤106)。第二轮的均一化也可以持续比如2分钟。第二轮均一化作用(比如声处理)产生被单体围绕的颜料的微胶囊。
混合物被均一化后，使混合物聚合以便在混合的分散体中包封颜料或着色剂颗粒。使混合物聚合可以使用比如过硫酸钾溶液(KPS)和/或其它过硫酸盐或通常使用的引发剂(包括水不溶性例子)。
该方法在产生将产生具有包封的颜料或着色剂颗粒的油墨，该油墨能抵抗污渍形成和水的破坏，同时形成高质量的打印图像。
图2进一步说明了该方法。如图2所示，单体预乳液(200)的特征是悬浮液中存在较大的单体液滴。比如，单体液滴尺寸大于10微米。表面活性剂体系(209)也可以用于分散体(200)。图2显示，该方法的每一个步骤都有表面活性剂(209)存在。
在颜料分散体(201)中，颜料颗粒的尺寸是比如40-200纳米。而且，如图中所示，颜料颗粒易于在分散体中团聚。再一次，表面活性剂体系(208)可用于分散体(201)，图2所示方法的每一个步骤都描绘了表面活性剂体系(208)。
单体分散体(200)的初级均一化用于将较大的单体液滴分裂为小得多的液滴(203)。较小液滴的尺寸可以是比如50-200纳米。颜料分散体(201)的初级均一化作用用于分离颜料颗粒的任何团聚物以便使分散体(204)均一化。
如上所述，两种分散体然后被混合并进行第二轮均一化。第二轮均一化用于使单体(207)包覆在颜料颗粒(206)上，如图2的悬浮液(205)所示。在较早的一轮均一化作用中，单体液滴被分裂和分散，任何颜料颗粒的团聚物被分解，这促进了随后的单体(207)包覆颜料颗粒(207)的过程。然后，如所述地，该混合物(205)就可用于发生聚合作用，其中，单体(207)发生交联以便将颜料颗粒(206)包封在聚合物中。
如果颜料和单体发生原位乳液聚合，那么将有许多不同的形态可能出现。在图2显示的包封形态中，聚合物包围着中心的颜料颗粒，这仅仅是一种可能性。为了产生所需的包封形态，应该符合最基本的界面能原理。这样将产生热动力学稳定的配方。因此，单体和表面活性剂以及颜料表面的选择具有一定标准。
使用的单体组合物的极性大于颜料或着色剂颗粒表面的极性。这能减小聚合物和水之间的界面能。我们发现非极性的单体(诸如苯乙烯)不适合一些颜料的包封。
界面能量原理可以表述为如下数学式：
Y颜料/水>Y单体(m)/水+Y颜料/单体(M)
而且，如果颜料分散体中使用表面活性剂，那么该表面活性剂应该与单体分散体中使用的表面活性剂体系相匹配。结果是，得到具有最小界面能的包封形态，因此，该包封形态是热力学稳定性最高的形态。
现在描述一些实验以证明上述原理。用极性较大的单体，诸如甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸正丁酯和它们的混合物进行的包封操作始终取得极大的成功。用另一种极性很小的颜料，比如黄色分散体，所有的单体、苯乙烯和丙烯酸类化合物都能包覆在颜料的表面上。
实施例1：
在150毫升的烧杯中，将50克品红色E-SDS分散体和50.0克水混合。混合物进行2分钟全功率声处理。在单独的150毫升烧杯中，混合6.0克甲基丙烯酸甲酯(MMA)、2.0克丙烯酸丁酯(BA)、0.1克甲基丙烯酸(MAA)、0.5克十六烷、8.0克10％ SDS水溶液和83.5克水。对第二混合物也进行2分钟的全功率声处理以产生单体微乳液。
然后，将进行过声处理的颜料分散体和单体微乳液混合在一起，对全部混合物再声处理2分钟。所得混合物装入一个500毫升的装配了搅拌器和冷凝器的反应器中。然后，将0.2克引发剂过硫酸钾和0.95克琥珀酸二(异)辛酯磺酸钠(Aerosol OT)也加入该反应器中。然后将反应器加热至82℃，保持6小时。该过程结束后，使分散体冷却并用1微米的过滤器过滤。
在制得的包封颜料基油墨中，发现单体的转化率约为93.7％(基于固体含量)。扫描电子显微镜(SEM)显示正的包封指示。
密度梯度柱研究未发现游离聚合物的存在，表明所有的聚合物都用于包覆颜料颗粒。
实施例2：
在第二个实施例中，黄色颜料(H5G)被成功地包封。再次，使用5％的黄色颜料(H5G)分散体和4％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体悬浮液进行文中所述的原位微乳化法。结果是，转化率为94％，用SEM未检测到显著的游离聚合物。使用隧道电子显微镜(TEM)和毛细管电泳技术，也确认发生了包封。
实施例3：
第三个实施例涉及黄色颜料(H5G)，其中使用一种包括三种不同单体的5％的单体分散体，这些单体是甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)和甲基丙烯酸(MAA)。结果是，转化率为95％，用SEM未检测到显著的游离聚合物。使用隧道电子显微镜(TEM)和毛细管电泳技术，也确认发生了包封。
实施例4：
在第四个实施例中，一种青色的颜料被成功包封。再次，使用10％青色颜料分散体和10％丙烯酸羟乙酯(HEA)胶乳单体分散体进行本文所述的原位微乳化方法。结果得到颜料颗粒被完全包封的稳定的分散体。使用SEM、TEM和毛细管电泳技术，确认发生了包封。
归纳这些实施例，以下单体已经被成功地用于包封黄色E-SDS颜料颗粒：苯乙烯、4-甲基苯乙烯、MMA、BA、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)和HEA。以下单体已经被成功地用于包封品红色E-SDS颜料颗粒：MMA、BA、HEMA和HEA。以下单体已经被成功地用于包封青色E-ST颜料颗粒：HEMA和HEA。这些结果都缘于单体和被包封的颜料颗粒表面之间的相对极性。
转化率一般大于90％。由SEM检测到的游离聚合物通常少于5％。产品显示出优良的胶体稳定性，可打印得到令人满意的图像质量。
本文所述的方法也可以作为种子(seeded)半连续或半间歇法来实施。在这种实施过程中，分散体中的颜料颗粒被放置在一个反应器中，充当种子。然后，起动器(initiator)将单体预乳液分散体被加入反应器中。如本文所述地实施均一化操作，比如声处理，以便在聚合前用单体适当包覆颜料颗粒。
如本文所述，颜料基油墨传统上以良好的光学密度和耐光性而闻名，但是具有抗污渍性和防水性差的缺点。通过根据本文描述的方法用聚合物包覆颜料颗粒，制得的油墨在保留其传统优点的同时，在抗污渍性和防水性方面有很大的改善。
而且，颜料分散体还有许多其它问题，诸如可分散性、沉淀、与油墨配方中其它组分的可兼容性。用聚合物层包封颜料颗粒可以完全控制颗粒的表面化学，从而控制成膜性质。
本文描述的方法普遍适合多种油墨配方。微乳化法十分干净，允许改变使用的单体类型和单体量。该法可以包封任何色彩的颜料。所得的油墨可打印高质量产品，也显示出很好的耐久性。
以上陈述仅仅为了举例说明和描述本发明的实施方式。无意于穷竭一切或将本发明限制为任何已公开的精确形式。根据以上教导，还可能存在许多修改体和变化体。

Claims (10)

1.一种制备油墨的方法，所述方法包括使分散体(201、204)均一化以便在含有至少一种单体(207)的分散体(201、204)中涂敷颜料颗粒(206)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括分别使含有所述颜料颗粒(206)的第一分散体(201)和含有所述至少一种单体(207)的第二分散体(200)均一化。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括使所述单体(207)聚合以便包封所述颜料颗粒(206)。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一种单体(207)包括丙烯酸类化合物、乙酸乙烯酯、苯乙烯或其它含有可聚合双键的单体(207)。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括分别对含有所述颜料颗粒(206)的第一分散体(201)和含有所述单体(207)的第二分散体(200)进行声处理。
6.一种包封用于油墨的颜料颗粒(206)的方法，所述方法包括：
分别使含有所述颜料颗粒(206)的第一分散体(201)和含有至少一种单体(207)的第二分散体(200)均一化；
混合所述第一分散体(201)和第二分散体(200)；
进一步使所述第一分散体(201)和第二分散体(200)的混合物均一化以便用所述至少一种单体(207)包覆所述颜料颗粒(206)；和
使所述第一分散体(201)和第二分散体(200)的混合物聚合以便包封所述颜料颗粒(206)。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述聚合步骤使用过硫酸钾溶液进行。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过半连续、半间歇法处理所述颜料颗粒(206)和至少一种单体(207)的分散体，产生用于所述油墨的包封颜料颗粒(206)。
9.一种用于打印设备的油墨，所述油墨包含：
被包封在聚合的单体(207)中的颜料颗粒(206)；
其中，所述单体(207)的极性大于所述颜料颗粒(206)表面的极性。
10.如权利要求9所述的油墨，其特征在于，当所述被包封的颜料颗粒(206)形成打印图像时，其能抵抗污渍形成和水的破坏。
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