CN106103600B - 电泳粒子及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

与第6,822,782号美国专利中描述的那些聚合物壳相似的聚合物壳可以通过以下在颜料粒子上形成：(a)通过使用具有可聚合基团或聚合引发基团的试剂处理粒子，将包含可聚合基团的试剂物理吸附到颜料粒子上，以使当粒子被放置在烃介质中时，试剂将不会从粒子表面解吸附；或(b)使用具有可聚合基团或聚合引发基团和亲电基团的试剂处理带有亲核基团的颜料粒子，从而将可聚合基团或聚合引发基团连接到粒子表面。可以通过与(b)类似的方法，但使用不具有可聚合基团或聚合引发基团的试剂使颜料粒子的ζ电位改变。

Description

电泳粒子及其制备方法
本申请涉及：
(a)第6,822,782号美国专利；
(b)第7,411,720号美国专利；
(c)第8,582,196号美国专利；
(d)第2009/0009852号美国专利申请公开案(目前放弃)；和
(e)第2014/0340430号美国专利申请公开案。
本发明涉及电泳粒子及其制备方法。更具体地，本发明涉及电泳粒子的表面改性，尤其是出于当电泳粒子与通常存在于电泳介质中的其他组分一起存在时控制电泳粒子上的电荷的目的的电泳粒子的表面改性。
术语“双稳态的”和“双稳态性”以其在本领域的常规含义用于本文，其是指包括显示单元的显示器，所述显示单元具有在至少一种光学性质方面不同的第一和第二显示状态，以使在借助有限持续时间的寻址脉冲驱动任何给定的单元后，呈现其第一或第二显示状态，在寻址脉冲终止后，该状态将持续至少数倍于，例如至少四倍于改变显示单元的状态所需的寻址脉冲的最小持续时间。第7,170,670号美国专利显示一些能够具有灰度的基于粒子的电泳显示器不仅在其极端的黑白状态下是稳定的，而且在其中间的灰色状态下也是稳定的，并且一些其他类型的电光显示器也是同样的。该类型的显示器恰当地被称为“多稳态的”而不是双稳态的，但是为方便起见，术语“双稳态的”可以用于本文以涵盖双稳态和多稳态显示器二者。
电泳显示器已经是深入研究并开发了数年的主题。电泳显示器与液晶显示器相比可以具有以下属性：良好的亮度和对比度、宽视角、状态双稳态性和低功耗。然而，与这些显示器的长期图像质量相关的问题阻碍了它们的广泛使用。例如，构成电泳显示器的粒子倾向于沉降，导致这些显示器的使用寿命不足。
电泳介质需要流体的存在。在大多数现有技术的电泳介质中，该流体是液体，但可以使用气态流体制备电泳介质；参考例如Kitamura,T.等人"Elec trical toner movementfor electronic paper-like display",IDW Japan,2001,Paper HCSl-1，和Yamaguchi,Y.等人,"Toner display using insulative part icles charged triboelectrically",IDW Japan,2001,Paper AMD4-4)。还参见第7,321,459号和第7,236,291号美国专利。当介质在允许这样的沉降的方向上，例如在介质设置在竖直平面的指示牌中使用时，这样的基于气体的电泳介质由于如基于液体的电泳介质一样的粒子沉降而似乎容易有相同类型的问题。事实上，由于气态悬浮流体与液态流体相比的更低的粘度允许电泳粒子更快沉降，因此与在基于液体的电泳介质中相比，在基于气体的电泳介质中的粒子沉降似乎是更严重的问题。
许多转让给Massachusetts Institute of Technology(MIT)和E Ink Corporation或以Massachusetts Institute of Technology(MIT)和E Ink Corpor ation名义的专利和申请描述了用于封装的电泳和其他电光介质的各种技术。这样的封装的介质包括：多个小胶囊，其本身各自包含内相，所述内相包含流体介质中的电泳移动粒子；和围绕内相的胶囊壁。通常，胶囊自身保持在聚合物粘合剂内以形成位于两个电极之间的粘结层。描述于这些专利和申请中的技术包括：
(a)电泳粒子、流体和流体添加剂；参见例如第5,961,804号、第6,017,584号、第6,120,588号、第6,120,839号、第6,262,706号、第6,262,833号、第6,300,932号、第6,323,989号、第6,377,387号、第6,515,649号、第6,538,801号、第6,580,545号、第6,652,075号、第6,693,620号、第6,721,083号、第6,727,881号、第6,822,782号、第6,870,661号、第7,002,728号、第7,038,655号、第7,170,670号、第7,180,649号、第7,230,750号、第7,230,751号、第7,236,290号、第7,247,379号、第7,312,916号、第7,375,875号、第7,411,720号、第7,532,388号、第7,679,814号、第7,746,544号、第7,848,006号、第7,903,319号、第8,018,640号、第8,115,729号、第8,199,395号、第8,270,064号和第8,305,341号美国专利，以及第2005/0012980号、第2008/0266245号、第2009/0009852号、第2009/0206499号、第2009/0225398号、第2010/0148385号、第2010/0207073号和第2011/0012825号美国专利申请公开案；
(b)胶囊、粘合剂和封装方法；参见例如第6,922,276号和第7,411,719号美国专利；
(c)包含电光材料的膜和子组件，参见例如第6,982,178号和第7,839,564号美国专利；
(d)用于显示器中的背板、粘胶层和其他辅助层和方法；参见例如第7,116,318号和第7,535,624号美国专利；
(e)颜色形成和颜色调整；参见例如第7,075,502号和第7,839,564号美国专利；
(f)用于驱动显示器的方法；参见例如第7,012,600号和第7,453,445号美国专利；
(g)显示器的应用；参见例如第7,312,784号和第8,009,348号美国专利。
已知的封装的电泳介质和未封装的电泳介质二者可以分为两个主要的类型，为方便起见，在下文中分别称为“单粒子”和“双粒子”。单粒子介质仅具有单一类型的悬浮在着色的流体中的电泳粒子，所述着色的流体的至少一种光学特征不同于所述粒子的光学特征。(在提及单一类型的粒子时，我们并非暗示该类型的所有粒子是绝对相同的。例如，如果该类型的所有粒子具有基本上相同的光学特征和相同极性的电荷，则可以容许诸如粒径和电泳迁移率的参数的相当大的变化而不影响介质的效用。)光学特征通常是人眼可见的颜色，供选择地或另外地，为以下中的任意一种或多种：反射率、逆反射率、发光、荧光、磷光或在更广义上意味着在非可见光波长下的吸收或反射比差异的颜色。当这样的介质被放置在一对电极之间时，其至少一种是透明的，介质可以根据两个电极的相对电位显示粒子的光学特征(当所述粒子邻近距离观察者更近的电极时，下文称为“前”电极)或流体的光学特征(当所述粒子邻近远离观察者的电极时，下文称为“后”电极，以使粒子被着色的悬浮介质隐藏)。
双粒子介质具有：两种不同类型的粒子，其至少一种光学特征不同；和流体，其可以是未着色或着色的，但通常是未着色的。两种类型的粒子的电泳迁移率不同；该迁移率的差异可以在极性(该类型可以在下文中称为“相反电荷双粒子”介质)和/或幅度方面。当这样的双粒子介质被放置在前述的电极对之间时，所述介质可以根据两个电极的相对电位显示任一组粒子的光学特征，但实现其的确切方式取决于迁移率的差异是在极性方面还是仅在幅度方面。为了易于说明，考虑其中一种类型的粒子是黑色的并且另一种类型的粒子是白色的电泳介质。如果两种类型的粒子极性不同(如果，例如，黑色粒子带正电并且白色粒子带负电)，则所述粒子将被吸引到两个不同的电极，以使如果例如前电极相对于后电极是负性的，黑色粒子将被吸引到前电极，并且白色粒子被吸引到后电极，以使所述介质将对观察者呈现黑色。相反地，如果前电极相对于后电极是正性的，则白色粒子将被吸引到前电极，并且黑色粒子被吸引到后电极，以使所述介质将对观察者呈现白色。
然而，如果两种类型的粒子具有相同极性的电荷，但电泳迁移率不同(该类型的介质可以在下文中称为“相同极性双粒子”介质)，两种类型的粒子将被吸引到相同的电极，但一种类型将先于另一种类型到达电极，以使朝向观察者的类型根据吸引粒子的电极而不同。例如，假设改变先前的说明，以使黑色粒子和白色粒子两者均带正电，但黑色粒子具有更高的电泳迁移率。如果现在前电极相对于后电极是负性的，则黑色粒子和白色粒子二者将被吸引到前电极，但黑色粒子由于其更高的迁移率而将首先到达前电极，从而一层黑色粒子将覆盖前电极，并且所述介质将对观察者呈现黑色。相反地，如果前电极相对于后电极是正性的，则黑色粒子和白色粒子二者将被吸引到后电极，但所述黑色粒子由于其更高的迁移率而将首先到达所述后电极，从而一层黑色粒子将覆盖所述后电极，使一层白色粒子远离后电极并朝向观察者，从而所述介质将对观察者呈现白色：注意该类型的双粒子介质需要悬浮流体足够透明以允许该层白色粒子远离后电极以容易被观察者看见。通常，在这样的显示器中的悬浮流体根本没有着色，但是出于校正透过其看到的白色粒子中的任何不希望的色调的目的可以加入一些颜色。
单粒子电泳显示器和双粒子电泳显示器二者可以能够具有中间灰色状态，其具有介于已经描述的两种极端光学状态的光学特征。
一些前述的专利和公开的申请公开了在每个胶囊内具有三种或更多种不同类型的粒子的封装的电泳介质。出于本申请的目的，这样的多粒子介质被视为双粒子介质的亚种类。
许多前述专利和申请认识到围绕封装的电泳介质中的离散的微胶囊的壁可以被连续相替代，从而产生所谓的聚合物分散的电泳显示器，其中所述电泳介质包括多个离散的电泳流体液滴和聚合物材料的连续相，以及认识到在这样的聚合物分散的电泳显示器内的离散的电泳流体液滴可以被视为胶囊或微胶囊，即使没有离散的胶囊膜与每个单个的液滴相关；参见例如第6,866,760号美国专利。因此，出于本申请的目的，这样的聚合物分散的电泳介质被视为封装的电泳介质的亚种类。
相关类型的电泳显示器是所谓的“微单元电泳显示器”。在微单元电泳显示器中，未将带电的粒子和流体封装在微胶囊内，而是保留在形成于载体介质，通常是聚合物膜，内的多个腔内。参见例如第6,672,921号和第6,788,449号美国专利，二者均转让给SipixImaging,Inc.。
虽然电泳介质通常是不透明的(因为，例如，在许多电泳介质中，粒子基本上阻挡可见光通过显示器的透射)并且以反射模式运行，许多电泳显示器可以制备成以所谓的“快门模式”运行，其中一个显示状态是基本不透明的，并且一个是透光的。参见例如，第5,872,552号、第6,130,774号、第6,144,361号、第6,172,798号、第6,271,823号、第6,225,971号和第6,184,856号美国专利。介电泳显示器，其类似于电泳显示器但依赖电场强度的变化，可以在类似的模式下运行；参见第4,418,346号美国专利。在快门模式下运行的电泳介质可以用于全色显示器的多层结构；在这样的结构中，邻近显示器的观看表面的至少一层在快门模式下运行以暴露或隐藏距离观看表面更远的第二层。
封装的电泳显示器通常没有传统电泳装置的聚类和解决故障模式的缺点，并且提供另外的优点，如在多种柔性和刚性基底上印刷或涂布显示器的能力。(词语“印刷”的使用旨在包括所有形式的印刷和涂布，包括但不限于：预先计量式涂布，如斑块模具涂布(patchdie coating)、狭缝或挤出涂布、滑动或瀑布式涂布、幕式涂布；辊式涂布，如刮刀辊式涂布、正向和反向辊式涂布；凹版涂布；浸涂；喷涂；弯液面涂布(meniscus coating)；旋涂；刷涂；气刀涂布；丝网印刷工艺；静电印刷工艺；热印刷工艺；喷墨印刷工艺；电泳沉积(参见第7,339,715号美国专利)；和其他类似技术。)因此，得到的显示器可以是柔性的。另外，由于显示介质可以(使用各种方法)印刷，因此显示器本身可以廉价地制备。然而，单粒子类型和双粒子类型两种类型的封装的电泳显示器的使用寿命仍然不能完全令人满意。该使用寿命似乎受到以下因素的限制(但本发明绝不受关于这些事项的任何理论的限制)：如电泳粒子粘附到胶囊壁，以及粒子倾向于聚集成簇，这阻止粒子完成使显示器在其光学状态之间转换所必需的移动。在这方面，相反电荷双粒子电泳显示器提出了特别难的问题，由于彼此紧邻的内在带相反电荷的粒子将彼此静电吸引，并且将表现出形成稳定聚集体的强烈倾向。在实验上，已经发现如果尝试使用未处理的市售二氧化钛和碳黑颜料制备该类型的黑色/白色封装的显示器，则显示器根本不能转换，或具有如此短的使用寿命以致于不合乎商业用途的需要。
如在上述第6,822,782号美国专利中详细讨论的，早就已知可以通过将各种材料吸附到粒子表面或将各种材料化学结合到这些表面来改变电泳粒子的物理性质和表面特征。
上述第6,822,782号美国专利教导了可以通过将以下颜料粒子用作电泳粒子来改善电泳介质的稳定性，所述颜料粒子具有按颜料的重量计约1至约15重量％的化学结合到这些颜料粒子或在这些颜料粒子周围交联的聚合物。这些聚合物涂覆的颜料粒子通过包括以下的方法制备：(a)使粒子与试剂反应，所述试剂具有能够与粒子反应和结合到粒子的官能团，并且还具有可聚合基团或聚合引发基团，从而使所述官能团与粒子表面反应并将可聚合基团连接到粒子表面；和(b)在有效引起粒子上的可聚合基团或聚合引发基团与至少一种单体或低聚物之间的反应的条件下，使步骤(a)的产物与至少一种单体或低聚物反应，从而导致结合到粒子的聚合物的形成。用于该方法的步骤(a)(所谓的“表面官能化”步骤)的优选的试剂为硅烷，尤其是具有连接的可聚合基团的三烷氧基硅烷(例如，甲基丙烯酸-3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯；和N-[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-N'-(4-乙烯基苄基)乙二胺盐酸盐)。在实践中使用三烷氧基硅烷的方法需要真空干燥阶段以浓缩形成于粒子表面上的硅醇并将聚合物壳完全锚定到裸颜料表面。该方法作用非常好，但是可以产生在表面官能化后并且在聚合步骤之前难以分散成一致的粒度的颜料。此外，所述方法不可与某些有机颜料一起使用(所述方法依赖粒子表面上的羟基或存在于几乎所有无机颜料上的类似基团的存在)，并且在全色电泳显示器中可能需要这样的有机颜料。此外，已经发现难以调节通过该方法制备的涂覆的颜料粒子的ζ电位；涂覆的颜料粒子的ζ电位倾向独立于用在电泳介质中的荷电剂(charging agent)类型，并且控制ζ电位的能力在固定来自电泳介质的最佳光学状态中是重要的。
因此，本发明寻求提供用于颜料的表面改性的供选择的方法，所述方法能够克服在上述第6,822,782号美国专利中描述的基于硅烷的方法的上述缺点。
因此，在一个方面中，本发明提供了用于处理颜料粒子(尤其是无机颜料粒子)的(第一)方法，其通过使用具有可聚合基团或聚合引发基团的试剂的溶液处理粒子，将包含可聚合基团的试剂物理吸附到颜料粒子的表面上，从而导致试剂变得物理吸附到粒子表面上，以使当粒子被放置在烃介质中时，试剂将不会从粒子表面解吸附。该方法还可以包括在有效引起粒子上的可聚合基团或聚合引发基团与至少一种单体或低聚物之间的反应的条件下，使具有物理吸附在其上的试剂的颜料粒子与至少一种单体或低聚物反应，从而导致在粒子上形成聚合物。该方法可以在下文中被称为本发明的“吸收”方法。
在该第一方法的一种形式中，所述试剂可以溶于离子型溶剂或溶剂混合物中，如水/乙醇混合物。所述方法可以包括调节试剂的溶剂的pH以控制颜料粒子上的电荷，并且根据粒子上的电荷选择试剂以物理吸附。如颜料化学领域的技术人员所熟知的，在离子液体中的许多颜料粒子上的电荷取决于液体的pH，通常存在一个pH(等电点)，在该pH粒子是不带电的。高于颜料的等电点，颜料带负电，并且试剂可以包含季铵盐基团(很大程度上以制备有机粘土的方式)，而低于等电点，带正电的颜料表面可以通过吸附包含阴离子官能团的试剂来改性。具有季铵盐基团的试剂包括：[3-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵(MAETAC)、[3-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基铵硫酸甲酯和[3-(甲基丙烯酰基氨基)丙基]三甲基氯化铵。具有阴离子官能团的试剂包括3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾盐(SPMK)和4-乙烯基苯磺酸钠。所述方法不限于具有无机氧化物表面的颜料，并且原则上可扩展到可以充分带电以促进官能试剂的吸附的任何颜料。应希望地选择物理吸附到颜料粒子的表面上的试剂，以使其变得在用于聚合步骤和最终的电泳显示器的内相中的低介电常数溶剂(通常为脂族烃)中基本上不可逆地结合于粒子。
在另一个方面中，本发明提供了用于处理其表面上带有亲核基团(例如，胺基团)的颜料粒子(其可以是有机或无机颜料粒子)的(第二)方法，其通过使用具有可聚合基团或聚合引发基团并且还包含至少一种亲电基团的试剂处理颜料粒子。试剂上的亲电基团与粒子表面上的亲核基团反应，从而将可聚合基团或聚合引发基团连接到粒子表面。该方法还可以包括在有效引起粒子上的可聚合基团或聚合引发基团与至少一种单体或低聚物之间的反应的条件下，使其上具有可聚合基团或聚合引发基团的颜料粒子与至少一种单体或低聚物反应，从而导致在粒子上形成聚合物。该方法可以在下文中称为本发明的“亲核”方法。
本发明的第二方法不需要颜料粒子上的强亲核基团，并且可以与包含含氮环的有机颜料一起使用，即使当所述氮不是强碱性时。例如，第二方法与喹吖啶酮染料，如二甲基喹吖啶酮(IUPAC：5,12-二氢-3,10-二甲基-喹啉并[2,3-b]吖啶-7,14-二酮)一起使用。
用于该方法的试剂包括酰基卤，如4-乙烯基苄基氯和甲基丙烯酰基氯和甲基丙烯酸-2-异氰酸基乙酯。苄基卤化物和酰基氯对于亲核取代反应是非常有反应性的。例如，与4-乙烯基苄基氯的偶联反应产生连接到表面的苯乙烯基团。
本发明还提供了第三方法，其基本上是第二方法的变型。再次，使用具有亲电基团但不带有可聚合基团或聚合引发基团的试剂处理其表面上带有亲核基团的颜料粒子(尤其是无机颜料粒子)，以使试剂的残留物化学结合到所述颜料粒子。选择所述试剂以使使用其处理颜料粒子影响所述颜料粒子的ζ电位。用于该方法的优选的试剂为烷基卤化物，尤其是苄基氯或苄基溴；这些烷基卤化物对于处理二氧化钛粒子是尤其有用的。使用苄基氯或苄基溴中的任一种处理使颜料粒子的ζ电位迁移到更正值。
本发明的第三方法可以通过在前述第6,822,782号美国专利中描述的任意方法，或通过本发明的第一或第二方法，在已经过硅烷处理或具有在其上形成的聚合物的颜料粒子上实施。因为本发明的第三方法不需要颜料上的官能化或聚合物形成反应的变化，因此，本发明的第三方法是容易采用并且有益的。认为(但本发明绝不受该理念的限制)本发明的第三方法作用是通过使用烷基链的共价表面官能化来钝化颜料表面(尤其是用于电泳显示器中的许多颜料的无机高能量的金属氧化物表面)。因此，本发明的第三方法可以在下文中称为本发明的“钝化”方法。
本发明扩展到电泳材料，其包括多个带电的粒子，所述带电的粒子设置在流体中并且能够在电场的影响下移动通过流体，其中至少一种所述粒子是通过本发明的方法制备的。带电的粒子和流体可以被限制在多个胶囊或微单元内。供选择地，带电的粒子和流体可以作为被包含聚合物材料的连续相围绕的多个离散液滴存在。流体可以是液态或气态的。本发明还扩展到电泳显示器，其包括一层本发明的电泳材料和安置成向电泳材料层施加电场的至少一个电极。
本发明的显示器可以用于其中已经使用现有技术的电光显示器的任何应用中。因此，例如，本发明的显示器可以用于电子书阅读器、便携式计算机、平板计算机、移动电话、智能卡、指示牌、手表、货架标签、可变透射窗和闪存驱动器中。
附图的图1是显示ζ电位的变化的图表，其中实验中的电荷调节剂(char gecontrol agent)的量描述在以下实施例6中。
图2是本发明的钝化方法的反应流程图。
图3是一般地类似于图1的图表，显示ζ电位的变化，其中实验中的电荷调节剂的量描述在以下实施例8中。
如上所述，本发明提供了用于处理颜料粒子的三种不同的方法。虽然这些方法将主要在以下分别描述，如已经指出的，但是多于一种本发明的方法可以用于单颜料粒子的合成；例如，可以在聚合物形成于官能化的颜料上之前或之后，使用本发明的第三方法处理已经使用本发明的第一或第二方法官能化的颜料粒子。
部分A：本发明的吸收方法
如已经提到的，本发明的吸收方法提供了一种用于处理颜料粒子的方法，其通过使用具有可聚合基团或聚合引发基团的试剂的溶液处理粒子，将包含可聚合基团的试剂物理吸附到颜料粒子的表面上，从而导致试剂变得物理吸附到粒子表面上，以使当粒子被放置在烃介质中时，试剂将不会从粒子表面解吸附。吸收方法避免了真空干燥步骤，如前所提及，通常当使用硅烷官能化颜料粒子时需要所述真空干燥步骤，并且提供不同的表面化学，其可以导致获得在上述第6,822,782号美国专利中描述的方法不能实现的ζ电位范围内的颜料的能力。预期真空干燥步骤的省略改善了颜料在聚合阶段的分散，并且从而减少在得到的聚合物涂覆的产物中的大聚集体。在实验上，已经发现当本发明的吸附方法应用于市售的二氧化硅/氧化铝涂覆的二氧化钛时，聚合物在最终的聚合物涂覆的颜料中的比例(如通过热重分析测量)与在硅烷官能化之后达到的聚合物的比例类似，但是最终的聚合物涂覆的颜料在电泳介质中带正电。这对于吸收方法的阳离子形式可能是所预期的，但有些令人惊讶地发现对于阴离子形式也是如此。
现在给出但是仅以说明的方式给出以下实施例，以显示用于本发明的吸收方法中的特别优选的试剂、条件和技术的细节。
实施例1：使用阴离子改性剂的表面改性
将正被处理的颜料以约25％(重量)分散在乙醇中，并添加稀盐酸以确保溶液远低于颜料的等电点。将3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾盐(SPMK)(每克颜料约50-100mg)溶于水中并添加到颜料分散体。使溶液混合数小时，然后离心并使用乙醇洗涤固体残留物两次。可以允许产生的颜料干燥(这不是必需的)并且随后分散到甲苯中用于基本上如上述第6,822,782号美国专利的实施例28中所描述的聚合。
实施例2：使用阳离子改性剂的表面改性
将正被处理的颜料以约25％(重量)分散在乙醇中，并添加氨水以确保溶液远高于颜料的等电点。将[3-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵(MA ETAC)(每克颜料约50-100mg)溶于水中并添加到颜料分散体。使溶液混合物数小时，然后离心并使用乙醇洗涤固体残留物两次。可以允许产生的颜料干燥(这不是必需的)并且随后分散到甲苯中用于基本上如上述第6,822,782号美国专利的实施例28中所描述的聚合。如果颜料未被干燥，则可以进行溶剂转换程序以产生在甲苯中的颜料分散体。
实施例3：通过吸收方法制备的各种颜料的分析
如以上实施例1和2中所描述，使用SPMK或MAETAC中任一种，通过本发明的吸收过程处理各种颜料，然后洗涤，基本上如上述第6,822,782号美国专利的实施例28中所描述分散在甲苯和聚(甲基丙烯酸月桂酯)的涂层中。通过热重量分析测试得到的聚合物涂覆的颜料，并将得到的聚合物涂敷的颜料悬浮在Isopar E(市售烃溶剂)中，每克颜料添加25mg的Solsp erse 17K(电荷调节剂)，并测量其ζ电位。原始颜料、官能化的颜料和聚合物涂覆的颜料的TGA值显示在下表1中。
表1
从前述内容，将看出通过本发明的吸收方法的颜料的官能化产生的最终颜料具有令人满意的聚合物的量和良好的正ζ电位。
从前述内容，将看出本发明的吸收方法可以提供对现有技术的硅烷官能化方法的简化，省略了干燥步骤。所述方法还可以在聚合阶段的官能化的颜料的分散体的平均粒径方面产生更好的可重现性。两种效果都将潜在地节省成本，前者通过方法简化，后者通过潜在的产率提高。
部分B：本发明的亲核方法
如已经提到的，本发明的亲核方法提供了一种用于处理其表面上带有亲核基团的颜料粒子(其可以是有机或无机颜料粒子)的方法，其通过使用具有可聚合基团或聚合引发基团并且还包含至少一种亲电基团的试剂处理颜料粒子。试剂上的亲电基团与粒子表面上的亲核基团反应，从而将可聚合基团或聚合引发基团连接到粒子表面。
本发明的亲核方法可以制备容易地分散在通常用于电泳介质的烃流体中的有机颜料粒子。所述方法还可以制备具有ζ电位的有机和无机颜料，其基本上不依赖所使用的电荷调节剂，并且该恒定ζ电位可以有助于改善电泳显示器中的光学状态。
现在给出但是仅以说明的方式给出以下实施例，以显示用于本发明的亲核方法中的特别优选的试剂、条件和技术的细节。
实施例4：使用二甲基喹吖啶酮的亲核方法
将二甲基喹吖啶酮(Ink Jet Magenta E 02,15g)和甲苯(135g)混合并经受高效分散器1分钟。将得到的分散体转移到配备有磁性搅拌棒的圆底烧瓶，并且将该烧瓶置于预热的42℃硅油浴中并置于氮气气氛下。添加三乙胺(12mL，86mmol)；1小时后通过注射器单次添加4-乙烯基苄基氯(VBC,5.0mL,36mmol)。然后允许在氮气气氛下在42℃下搅拌反应混合物过夜。
将反应混合物倾倒至塑料离心瓶中，使用甲苯稀释并离心。倾倒上清液，使用甲苯洗涤颜料，并再次离心混合物。重复洗涤程序，然后倾倒上清液并在70℃真空烘箱中干燥处理过的颜料过夜。
实施例5：通过亲核方法制备的颜料的聚合物涂层
使用研钵和研杵研磨来自以上实施例4的干燥的颜料。移出样品用于测量TGA并在超声和旋转下将剩余的颜料分散在甲苯(10wt％颜料分散体)中。将得到的颜料分散体转移到配备有磁性搅拌棒的圆底烧瓶，并且将该烧瓶置于预热的65℃硅油浴中。将甲基丙烯酸月桂酯(20g)添加到反应混合物中，连接Vigreux蒸馏柱作为空气冷凝器，并使用氮气吹扫烧瓶至少1小时。将2,2'-偶氮双(2-甲基丙腈)(AIBN)的甲苯溶液(0.20g AIBN在5mL甲苯中)用注射器一次性添加到反应烧瓶，并且将反应混合物在65℃下剧烈搅拌过夜。
将反应混合物倾倒到离心瓶中，使用甲苯稀释并离心30分钟；倾倒上清液并进行GPC分析。使用甲苯洗涤颜料一次并离心30分钟，然后倾倒上清液并在70℃的真空烘箱中干燥颜料过夜。
实施例6：聚合物涂覆的颜料的测试
使用研钵和研杵研磨在以上实施例5中制备的聚合物涂覆的颜料，并将其分散以形成20wt％在Isopar E中的分散体。超声并旋转该分散体至少24小时，然后通过织物网过滤以去除任何大粒子。移出分散体的样品并测量其固体百分比，并提交来自该测量的干燥颜料用于测量TGA和通过比重瓶测量密度。处理的颜料的TGA值为3.5％，而原始颜料具有2.1％的TGA值。剩余的分散体用于制备25g的具有0.5g Solsperse 17000/g涂覆的颜料的5％颜料分散体，用于ζ电位测量。
这样制备的分散体的样品与不同量的三[3,5-二叔丁基-丁基水杨酸]铝混合，并测量颜料的ζ电位，所述三[3,5-二叔丁基-丁基水杨酸]铝作为Bontron E88市售，为非常酸性的电荷调节剂。为了提供对照，未经使用VBC的处理和随后的聚合的原始颜料的样品是相似的。结果显示在附图的图1中。从图1的数据将看出原始颜料表现出ζ电位随酸性电荷调节剂的浓度急剧上升，而由本发明的亲核方法制备的颜料的零电位基本上对电荷调节剂的浓度不敏感。有趣的是，当两种电荷调节剂均以0.5g/g颜料的量存在时，本发明的颜料在OLOA371(非常碱性的电荷调节剂)中的ζ电位基本上与Solsperse的相同；也就是说，本发明的颜料的ζ电位在碱性(OLOA)或酸性(Solsperse 17k/Bontron)电荷调节剂中任一种的存在下基本上相同。为了比较，用OLOA分散的白色二氧化钛颜料(基本上如前述第6,822,782号美国专利的实施例28中所描述)比在相似的条件下在Solsperse 17k的存在下更负性得多，而添加少量的Bontron E88对该白色颜料的ζ电位有显著的影响，使其朝着更正向方向移动。
实施例7：由本发明的亲核方法制备的另外的颜料
对Ink Jet Magenta E 02和其他颜料的另外样品进行官能化、聚合物涂覆并以与以上实施例4-6相同的方式测试。结果显示在下表2中，其还包括原始颜料的数据。
表2
从前述内容将看出本发明的亲核方法提供了一种能够官能化多种颜料以使得能在其上形成聚合物涂层的方法；所述方法对于将聚合物壳连接到缺乏许多无机颜料常有的二氧化硅或金属氧化物表面的有机颜料尤其有用，并且能够与硅烷反应。所述方法非常简单并且依赖明确建立的化学，其中所述平衡强烈有利于偶联状态，以使亲核反应的产率基本上是定量的。使用的试剂可以选择为非常易反应的种类，其容易地与颜料粒子上的甚至弱亲核基团反应。颜料粒子上的亲核基团可以是颜料的实际晶体结构的部分或可以由添加剂产生。
本发明的亲核方法使聚合物涂覆的颜料的ζ电位基本上不依赖荷电剂的选择(如以上实施例中所示)的能力为新电泳内相的发展提供了大的广度，并且已显示在使用典型的驱动电压和脉冲长度可达到的光学状态方面具有潜在的优点。
部分C：本发明的钝化方法
如已经提到的，本发明的钝化方法提供了一种这样的方法，其中使用具有亲电基团但不带有可聚合基团或聚合引发基团的试剂处理在其表面上带有亲核基团的颜料粒子，以使试剂的残留物化学结合到所述颜料粒子。选择试剂使得使用其处理所述颜料粒子影响所述颜料粒子的ζ电位。优选的试剂通常是烷基卤化物(该术语在本文中使用以包括芳烷基卤化物)，尤其是苄基氯。
在已经受上述硅烷/聚合处理的现有技术的聚合物涂覆的电泳颜料粒子中，在最终的颜料粒子中，发现颜料粒子表面上的硅烷基团是用于产生颜料的表面电荷和ζ电位的主要部分。因此，带电的颜料粒子的改性可以通过加入官能硅烷和/或通过在聚合物壳中加入官能单体来实现，其改变颜料的内部电荷产生特性。然而，通过这两种方法改变颜料粒子的荷电还影响其他重要的颜料特性，如在非极性溶剂中的可分散性、聚合物接枝密度和颜料分散体粘度。这些高度相互依赖的特性使得难以在不影响其他重要特性的情况下改变颜料的ζ电位。因此，为了允许各种颜料特性彼此独立地优化，希望的是使用适宜的硅烷和聚合物壳合成颜料，并根据本发明的钝化方法使用颜料表面的聚合后改性，以控制ζ电位并从而控制电泳迁移率。
如已经注意到的，用于本发明的钝化方法中的优选的试剂为烷基卤化物，尤其是苄基氯，优选地在三乙胺的存在下，如附图的图2所示。通常，应以每平方纳米的颜料表面约30个分子的量使用苄基氯，估计相对于通常的金属氧化物颜料表面上可得的亲核羟基基团约五倍过量；苄基化的程度可以通过颜料的最大ζ电位的迁移来推断。颜料ζ电位通常在具有电荷调节剂Solsperse 17000的Isopar E中测定；ζ电位迁移随着烷基化反应的升高的反应性而升高，并且这样的升高的反应性可以通过升高反应温度或时间、溶剂极性和非亲核碱的强度或位阻来实现。通常的正ζ迁移幅度为净+10至+60mV。建议的与苄基氯的反应的烷基化条件为在约66℃下在非亲核有机碱(三乙胺或二异丙基乙胺)的存在下的微极性的有机溶剂(甲苯或四氢呋喃)。反应可以在使用硅烷处理原始颜料之后立即进行或在聚合物涂覆之后进行。
例如，在一系列实验中，发现原始的二氧化硅/氧化铝涂覆的二氧化钛颜料(由duPont销售的R794)在TGA期间具有1.08％的重量损失。在三乙胺的存在下用乙烯基苄基氯(VBC，类似于苄基氯的亲电试剂)处理后，重量损失升高至1.23％，相当于每平方纳米的颜料表面增加了1.03个烷基基团。随后的VBC处理的颜料与甲基丙烯酸月桂酯的聚合使重量损失升高至3.90％。该随后的聚合物接枝到VBC处理的二氧化钛证实了金属氧化物的共价的表面官能化。
本发明的钝化方法通过烷基(或其他)基团共价连接到颜料表面，通过颜料ζ电位的改变起作用。苄基基团连接到在改变前具有内在负ζ电位值的白色二氧化钛颜料的表面起到使ζ电位迁移到更正值的作用。连接到亲电烷基基团的官能团将用来确定ζ电位改变的迹象和幅度。使用4-氟苄基氯或4-硝基苄基氯将倾向于通过氟化和酸性表面官能化诱导更负的ζ电位。相反地，使用碱性烷基基团如4-(氯甲基)吡啶或4-(二甲基氨基)苯甲酰氯的烷基化将使ζ电位改变到更强的正值。最后，加入叔丁基苄基氯或长链烷基卤化物如1-溴辛烷可以用于提供另外的立体位阻以阻止分子扩散到颜料表面。
现在给出但仅通过说明的方式给出以下实施例，以显示用于本发明的钝化方法中的特别优选的试剂、条件和技术的细节。
实施例8：应用于基于尖晶石的黑色颜料的本发明的钝化方法
该实施例报导了初步实验的结果，其中使用苄基氯和苄基溴处理基于尖晶石的聚合物涂覆的黑色颜料以检验以下假设：存在于颜料中的胺基团可以被季铵化并从而永久带正电，从而产生对荷电剂的选择不敏感的颜料。
除了反应在Isopar E中进行以外，使用苄基氯以与上文实施例4中基本上相同的方法处理基于Shepherd BK444并基本上如第8,270,064号美国专利的实施例1中所描述的制备的聚合物涂覆的黑色颜料。将聚合物涂覆的黑色颜料(24g)、苄基氯(4g)、三乙胺(4.7g)和Isopar E在室温下混合24小时。将得到的改性的颜料反复离心并使用Isopar E洗涤。使用Bontron E88和可变量的OLOA 371制备颜料的分散体，并测量其ζ电位。为了提供对照，制备未处理的聚合物涂覆的黑色颜料的类似分散体并测量其ζ电位。结果显示在图3中。
从图3中将看出烷基化的颜料比非烷基化的颜料对OLOA的存在更不敏感得多，并且产生几乎恒定的表面电荷。
实施例9：施加到基于二氧化钛的白色颜料的本发明的钝化方法
在硅烷官能化之后或在颜料上形成聚合物之后，使用苄基氯处理几种基于二氧化钛的白色颜料。通过TGA测试原始的和处理过的颜料二者，并且在Isopar-E中测量其最大ζ电位。结果显示在下表3中。
在白色颜料上形成聚合物层之后用于使用苄基氯处理的程序如下。将颜料(300g)添加到1L塑料瓶，还向其中添加四氢呋喃(THF-500mL)。在辊磨机中辊压塑料瓶，然后超声。将得到的分散体放置在配备有四颈反应器的夹套反应器中，所述四颈反应器顶部配备有顶置式机械搅拌器、带有氮气入口的冷凝器、温度计或热电偶和隔膜。使用少量的THF将分散体冲洗到反应器中，加热回流并剧烈搅拌。使用氮气吹扫反应器的顶部空间并在反应的剩余阶段保持在正的氮气压下。通过注射器将三乙胺添加到反应器中并搅拌产生的混合物30分钟，随后通过注射器将苄基氯添加到反应器，然后在回流下搅拌得到的反应混合物过夜。为了分离产物，将反应器排进两个1L离心瓶中，并将分散体稀释到1000g总溶剂，然后离心。倾倒上清液并通过使用总共1000g THF在辊磨机上辊压90分钟使颜料再分散，之后再次离心颜料分散体并倾倒上清液。然后在70℃下在真空烘箱中干燥湿颜料包过夜。
表3
在各种表面改性后，如第8,582,196号美国专利的实施例2所述，使用其中描述的相同的基于尖晶石的黑色颜料将颜料6和7转化成实验单像素显示器，并且如该专利的实施例3所述，对得到的实验显示器进行电光测试。结果显示在下表4中。在电光测试之前，反复将单像素显示器转换到其极端黑色和白色状态，然后最终转换到黑色或白色，并且在最终的驱动脉冲结束3秒后测量L*值，以使瞬态效应消散。图像稳定性图形通过以下测量：允许显示器保持黑色或白色极端状态10秒的停留时间，驱动其到其相反的光学状态，在驱动脉冲结束后立即(20毫秒)以及在30秒后测量该状态的L*值，以及取差。通过以下类似地测量DSD(停留状态依赖性)值：允许显示器保持黑色或白色极端状态20秒的停留时间，驱动其到其相反的光学状态，在驱动脉冲结束后立即以及在30秒后测量该状态的L*值，以及取差。
表4
从表4的数据将看出苄基氯表面处理未显著影响显示器的白色状态(在苄基氯处理之后的变化不多于1-2L*)，但确实导致了暗态的L*值的实质性的降低(约5L*)；因此，苄基氯处理在显示器的动态范围内产生了有用的升高(约3-4L*)。统计学分析表明在未处理的和苄基处理的颜料之间的图像稳定性和DSD数据方面无显著变化。
从前述内容将看出本发明的钝化方法通过将烷基基团共价连接到颜料表面允许颜料粒子的表面官能化，从而允许颜料ζ电位改变。具体地，将苄基连接到在改性前具有内在负ζ电位值的白色颜料的表面起到使其ζ电位迁移到更正值的作用。虽然这在以上已针对基于二氧化钛的白色颜料显示，但可以合理地假定适用于具有亲核金属氧化物表面的任何无机颜料。ζ电位改变的迹象和幅度可以通过与亲电烷基基团连接的官能团来控制。例如，由于记载了氟化和酸性表面官能化实现在非极性液体中的胶体的ζ电位改变，因此4-氟苄基氯和4-硝基苄基氯应诱导更负性的ζ电位。相反地，使用碱性烷基基团如4-(氯甲基)吡啶或4-(二甲基氨基)苯甲酰氯的烷基化将起到使ζ电位改变至更正值的作用。最后，使用叔丁基苄基氯或长链烷基卤化物如1-溴辛烷的处理可以用于提供另外的立体位阻以阻止分子扩散到颜料表面。

Claims (4)

1.一种用于处理其表面上带有亲核基团的颜料粒子的方法，所述方法包括：在引起试剂上的亲电基团与粒子表面上的所述亲核基团反应的条件下，使用具有可聚合基团或聚合引发基团并且还包含至少一种所述亲电基团的所述试剂处理所述颜料粒子，从而使所述可聚合基团或聚合引发基团连接到所述粒子表面，其中所述颜料是喹吖啶酮染料。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在有效引起所述粒子上的所述可聚合基团或聚合引发基团与至少一种单体或低聚物之间的反应的条件下，使其上具有所述可聚合基团或聚合引发基团的所述颜料粒子与所述至少一种单体或低聚物反应，从而导致在所述粒子上形成聚合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述颜料是二甲基喹吖啶酮。
4.一种电泳材料，包括多种带电的粒子，所述带电的粒子设置在流体中并且能够在电场的影响下移动通过所述流体，其中至少一种所述带电的粒子是通过权利要求1的方法制备的。
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