CN1510090A - 喷墨油墨组合物 - Google Patents

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Abstract

由加入具体的表面活性剂，该表面活性剂包括烷基醚硫酸盐和乙氧基化硫醇，提供具有增加稳定性和增加喷射性的油墨组合物。油墨组合物的剩余部分包括合适的载体，该载体典型地包含水，醇，表面活性剂，湿润剂和非必要的树脂组分。

Description

喷墨油墨组合物
本发明涉及喷墨油墨。特别地，本发明涉及由加入具体的表面活性剂(该表面活性剂包括烷基醚硫酸盐和乙氧基化硫醇)，具有增加稳定性和增加喷射性的油墨组合物。
喷墨打印是涂敷油墨到基材上以形成图象的公知技术，其中在从其涂敷油墨的印刷机功能部件和在其上沉积油墨的基材之间没有物理接触。以微液滴的形式涂敷油墨，该微液滴由公知机构通过打印头中的小喷嘴射出到基材上。
喷墨油墨可包含溶于油墨载体的着色剂(染料)或不溶于油墨载体的着色剂(颜料或分散染料)。与不溶性着色剂相关的通常问题在于随时间可发生粒度的增加，导致降低的喷射特性。当喷射不溶性着色剂时的另外问题是喷射喷嘴随时间的堵塞，导致误导的液滴或总滴排损失。当采用粘结剂或其它聚合物配制油墨时，这是特别有问题的。
US专利5,698,016描述了用于分散体和油墨的组合物，该组合物由两亲离子和含有连接到其上的有机基团的改性碳产品组成，其中有机基团和两亲离子具有相反的电荷。连接有机基团到碳上的中间步骤是必须的以提供水分散性。没有公开稳定的宽范围油墨组合物。
欧洲专利申请0978546A1描述了包括如下物质结合物的油墨组合物：羧酸铵盐和一种或多种表面活性剂，优选非离子乙氧基化表面活性剂、羟基化或烷氧基化炔属聚环氧乙烷表面活性剂，或阴离子磷酸酯。没有公开采用这些表面活性剂而没有羧酸铵存在以达到稳定性的能力。
由本发明解决的问题是提供具有改进稳定性和喷墨印刷机中喷射性能，而不依赖于多重稳定机理以达到所需性能的含水喷墨油墨。由本发明解决的另一个问题是提供对于任何稳定油墨具有改进喷射能力的含水喷墨油墨。
本发明提供一种油墨组合物，该油墨组合物包括液体介质，着色剂和油墨重量的至少0.1wt％的两亲材料，该两亲材料具有通式R-O-QnA-M+，其中R表示烷基、芳基、烷基-芳基或烯基；Q表示环氧乙烷或环氧丙烷的亲水性重复单元，其中n＞4；A-表示硫酸根、磺酸根或磷酸根基团；M+表示阳离子如钾、钠、锂或铵；和其中如果着色剂是含有共价连接到其上的有机基团的改性炭黑，两亲材料的电荷与改性炭黑相同。
本发明进一步提供一种油墨组合物，该油墨组合物包括液体介质，着色剂和油墨重量的至少0.1wt％的两亲材料，两亲材料具有通式XQnR’-Y-R，其中X表示羟基或氨基官能度；Q表示环氧乙烷或环氧丙烷的亲水性重复单元，其中n＞4；R’表示C1-C6烷基官能度；Y表示氧、氮或硫；和R表示烷基、芳基、烷基-芳基或烯基。
令人惊奇地，具体两亲材料的加入改进了油墨的稳定性，其中具体的两亲材料具有通式R-O-QnA-M+，其中R表示烷基、芳基、烷基-芳基或烯基；Q表示环氧乙烷或环氧丙烷的亲水性重复单元，其中n＞4；A-表示硫酸根、磺酸根或磷酸根基团；M+表示阳离子如钾、钠、锂或铵。
第二两亲材料的加入改进了油墨的喷射性，其中第二两亲材料具有通式XQnR’-Y-R，其中X表示羟基或氨基官能度；Q表示环氧乙烷或环氧丙烷的亲水性重复单元，其中n＞4；R’表示C1-C6烷基官能度；Y表示氧、氮或硫；和R表示烷基、芳基、烷基-芳基或烯基。
通式R-O-QnA-M+的有用两亲材料非限制性地包括脂肪醇醚硫酸钠盐和烷基苯基醚硫酸钠盐，如十二烷基硫酸钠和由Cognis提供的DisponilTM FES和DisponilTM AES表面活性剂。通式R-O-QnA-M+的另外两亲材料非限制性地包括烷基、芳基或烯基醚磷酸酯；烷基、芳基或烯基醚硫酸酯；和上述物质的盐，包括钠、钾、铵和锂盐；及其结合物。
通式XQnR’-Y-R的有用两亲材料非限制性地包括烷基、芳基或烯基硫醇乙氧基化物，如法国Rhodia的AlcodetTM HSC、AlocdetTM MC、AlcodetTM SK、AlcodetTM 260和AlcodetTM 218牌表面活性剂，或烷基酚乙氧基化物，如法国Rhodia的RhodafacTM RM-510和RhodafacTM RM-710牌表面活性剂。
喷墨油墨组合物包括液体介质，着色剂和另外的稳定组分。液体介质典型地主要是水，优选去离子水。喷墨油墨组合物包括可以是颜料或染料的着色剂。颜料可以是有机颜料或无机颜料。有机颜料”表示主要是有机化合物或有机化合物混合物的颜料，包括炭黑。
合适的有机颜料包括，例如，表面改性和未改性的，蒽醌、酞菁蓝、酞菁绿、重氮颜料、单偶氮颜料、杂环黄、皮蒽酮、喹吖啶酮颜料、二噁嗪颜料、靛类颜料、硫靛颜料、苝酮(perynone)颜料、苝颜料、异吲哚啉、含有至少一个空隙的聚合物粒子等。炭黑是在气相中由烃热分解形成的小粒度碳粒子的属类名称和包括，例如，本领域已知为如下物质的材料：炉黑、灯黑、槽法炭黑、乙炔黑。炭黑另外包括处理的、改性的、和氧化的炭黑。
合适的无机颜料包括二氧化钛、氧化铁、和其它金属粉末。一般情况下，使用的颜料数量小于20wt％，优选3-8wt％，更优选2-6wt％，基于油墨的总重量。本发明的油墨组合物优选包括水平为0.1-25wt％，更优选1-20wt％的乳液聚合物，基于油墨组合物的总重量。油墨组合物也可包括水互溶或水溶性材料如聚合物、湿润剂、分散剂、渗透剂、螯合剂、共溶剂、防沫剂、缓冲剂、杀虫剂、杀真菌剂、粘度改性剂、杀菌剂、表面活性剂、防卷剂、防渗剂和表面张力改性剂，所有这些物质都是本领域已知的。有用的湿润剂包括乙二醇、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、1，4-环己烷二甲醇、1，5-戊二醇、1，6-己二醇、1，8-辛二醇、1，2-丙二醇、1，2-丁二醇、1，3-丁二醇、2，3-丁二醇、二甘醇、三甘醇、四甘醇、平均分子量为200、300、400、600、900、1000、1500和2000的聚乙二醇、二丙二醇、平均分子量为425、725、1000和2000的聚丙二醇、2-吡咯烷酮、1-甲基-2-吡咯烷酮、1-甲基-2-哌啶酮、N-乙基乙酰胺、N-甲基丙酰胺、N-乙酰基乙醇胺、N-甲基乙酰胺、甲酰胺、3-氨基-1，2-丙二醇、2，2-二硫代二乙醇、3，3-硫代二丙醇、四亚甲基砜、丁二烯砜、碳酸亚乙酯、丁内酯、四氢糠醇、甘油、1，2，4-丁烯三醇、三甲基丙烷、羟泛酸、Liponic EG-1。优选的湿润剂是平均分子量为400-1000的聚乙二醇、2-吡咯烷酮、2，2-二硫代二乙醇、和1，5-戊二醇。优选的渗透剂包括正丙醇、异丙醇、1，3-丙二醇、1，2-己二醇、和己基卡必醇。
使用的湿润剂数量由油墨的性能确定和可为1-30wt％，优选5-15wt％，基于油墨的总重量。用于形成油墨的通常使用湿润剂的例子是：二醇、聚乙二醇、甘油、乙醇胺、二乙醇胺、醇、和吡咯烷酮。也可以使用本领域已知的其它湿润剂。
合适渗透剂的使用依赖于油墨的具体应用。有用的例子包括吡咯烷酮、和N-甲基-2-吡咯烷酮。在优选的实施方案中，在包含当量基础上多于20％的羟基、氨基、或硫醇官能度的喷墨油墨组合物中，相对于乳液聚合物的羟基官能度，羟基、氨基、或硫醇官能度存在于例如，渗透剂、湿润剂、表面活性剂等中，使得这种成分的沸点小于220℃，优选小于200℃。
油墨中防沫剂的数量典型地为0-0.5wt％，基于油墨的总重量。用于形成颜料含水分散体的防沫剂是本领域公知的和市售例子包括Surfynol 104H和Surfynol DF-37(Air Products，Allentown，PA)。
在其中羟甲基丙烯酰胺或羟甲基甲基丙烯酰胺包括在共聚物中的实施方案中，是酸性潜在来源的催化剂，即，在以下公开的干燥和固化条件下有效降低涂料组合物pH的化合物，包括在涂料组合物中，优选该化合物的数量有效提供pH为约1-约4的涂料组合物。
基于油墨组合物的重量，可以在0-10wt％，优选0.1wt％-10wt％，更优选0.5wt％-6wt％，最优选3wt％-6wt％水平下使用的催化剂包括，例如，氯化铵、硝酸铵、柠檬酸铵、磷酸二铵、氯化镁、对甲苯磺酸的胺盐及其混合物。
可以由本领域制备这样组合物的任何方法，例如使用任何本领域认可的技术，通过将成分混合，搅拌或搅动在一起以形成含水油墨，而制备本发明的油墨组合物。本发明油墨组合物的制备程序不是关键的，除了达到油墨组合物是均相的程度。
由本领域已知的一种喷墨技术，使用例如，热或气泡喷墨印刷机、压电印刷机、连续流印刷机、空气刷或阀喷墨印刷机，将本发明的油墨组合物涂敷到基材上。优选的基材是织造或非织造织物，它们可以从合适的纤维，例如，棉、聚酯、聚芳酰胺、丝、丙烯酸类物、羊毛、人造丝、尼龙、聚酰胺、和玻璃形成。可以采用任何合适的基材，该基材包括纸、乙烯基物、皮革和聚酯。也可以在选择的时间和温度下，将油墨组合物在涂敷之后固化，即干燥和交联，1秒-10分钟的时间和60℃-300℃的温度是典型的。理解更短的固化时间正常要求更高的温度以进行固化。可以由热和辐射能量，如微波或红外辐射的结合进行固化。
对于本发明的目的，油墨稳定性定义为使用购自Microtrac，Inc.，Montgomeryville，宾夕法尼亚，U.S.A的Microtrac UPA150粒度分析仪，在60℃下五天之后粒度增加不大于70nm。
油墨的喷射能力或喷射性由喷射时间的增加而没有误导或油墨喷射喷嘴的堵塞来表示。喷射性测试由如下方式进行：采用由MimakiEngineering Company，Ltd.，日本制造的JF-0604型印刷机连续印刷棉织物，直到观察到堵塞的喷射流或误导的液滴。
如下实施例说明本发明。
实施例1：具有改进稳定性的配制剂
除粘结剂和颜料分散体以外，通过将所有的成分共混在一起而制备表1和3所示的油墨组合物。使用14％氢氧化铵，将混合物的pH值调节到8-8.5。然后将粘结剂乳液逐渐加入到混合物中，同时搅拌。最后将颜料分散体逐渐加入到以上混合物中，同时搅拌。使用14％氢氧化铵，将油墨的最终pH值调节到8.5。使用1微米玻璃纤维过滤器(由Pall Corporation，Ann Arbor，MI 48103，USA制造)过滤最终的油墨。使用布氏粘度计(由Brookfield ENG LABS INC.，Stoughton，MA02072，USA制造)，在30rpm下采用超低(UL)接合器和转轴测量粘度。使用Fisher Scientific表面张力计20(由Fisher Scientific，USA制造)测量表面张力。
通过在60℃热老化和进行粒度测量，评定稳定性和保存期限时间。在过滤油墨之后，在任何热老化和在60℃下的具体热老化下之前，测量初始粒度。使用Microtrac UPA 150粒度分析仪(由Microtrac，Inc.，Montgomeryville，PA 18936制造)进行粒度测量。
表1.具有改进稳定性的油墨配制剂
材料ID   1   2   3   4   5   6
(％)  (％)  (％)  (％)  (％)  (％)
着色剂(AcryJetTM Magenta 127) 20.00  20.00  20.00  20.00  20.00  20.00
胶乳粘结剂(42％) 14.29  14.29  14.29  14.29  14.29  14.29
SLS(28％) 3.57
DS4(23％)  3.57
FES-61(30％)  3.57
FES-77(30％)  3.57
FES-993(30％)  3.57
FES-32(30％)  3.57
硝酸铵(在水中25％) 1.00  1.00  1.00  1.00  1.00  1.00
2-吡咯烷酮 5.00  5.00  5.00  5.00  5.00  5.00
乙二醇 10.00  10.00  10.00  10.00  10.00  10.00
1，3-丙二醇 5.00  5.00  5.00  5.00  5.00  5.00
SurfynolTM 465 1.20  1.20  1.20  1.20  1.20  1.20
DI水 39.94  39.95  39.95  39.95  39.95  39.95
总计 100.00  100.00  100.00  100.00  100.00  100.00
样品1和2是对比样品。
AcryJetTM是Rohm and Haas Company，费城，PA.U.S.A的商标。DS-4是从Rhodia，法国以商标RhodocalTM DS-4销售的烷基芳基磺酸盐表面活性剂。SLS是从Stepan Company，Northfield，IL，USA在以商标PolystepTM S-1销售的十二烷基硫酸钠。FES牌产品由Coghis提供。
表2.表1中油墨配制剂的油墨性能
油墨性能  1  2  3  4  5  6
PH  8.80  8.82  8.79  8.81  8.79  8.80
粘度(cp)  4.92  4.60
表面张力(达因/cm)  35.10  34.80
粒度(nm)
初始  202  199  165  164  172
5天@60℃  595  564  168  196  217  309
12天@60℃  167  225
25天@60℃  197  280
153天@60℃  223  368
与样品F1-F2相比，样品F3-F6显示改进的稳定性。
表3.具有改进稳定性的油墨配制剂
材料ID     7     8     9     10     11     12     13
    (％)     (％)     (％)     (％)     (％)     (％)     (％)
着色剂(AcryJet Magenta 127)     20.00     20.00     20.00     22.00     20.00     20.00     20.00
胶乳粘结剂(42％)     14.29     14.29     14.29     9.00     14.29     14.29     14.29
SLS(28％)     3.57
DS4(23％)     3.57
FES-61(30％)     3.57     4.33
FES-77(30％)     3.57
FES-993(30％)     3.57
FES-32(30％)     3.57
硝酸铵(在水中25％)     1.00     1.00     1.00     2.00     1.00     1.00     1.00
2-吡咯烷酮     5.00     5.00     5.00     8.00     5.00     5.00     5.00
乙二醇或二甘醇     10.00     10.00     10.00     10.00     10.00     10.00     10.00
1，3-丙二醇     5.00     5.00     5.00     0.00     5.00     5.00     5.00
Alcodet-sk     1.20     1.20     1.20     1.30     1.20     1.20     1.20
DI水     39.94     39.95     39.95     43.37     39.95     39.95     39.95
总计 100.00  100.00  100.00  100.00  100.00  100.00  100.00
样品7和8是对比样品。
AlcodetTMSK是法国Rhodia的烷基硫醇乙氧基化物(8EO)。
表4.表3中油墨配制剂的油墨性能
油墨性能  7  8  9  10  11  12  13
PH  8.89  8.88  8.89  8.40  8.88  8.89  8.89
粘度(cp)  4.90  3.75  3.62  3.98
表面张力(达因/cm)  35.30  34.50  34.80  35.30
粒度(nm)
初始  213  261  165  157  164  185  186
5天@60℃  671  361  144  169  168  178  240
12天@60℃  177  178  207  195
25天@60℃  182  165  206  230
153天@60℃  187  241  268
油墨样品3-6显示优异的稳定性及相当的喷射性。油墨样品9-13显示优异的稳定性和优异的喷射性。
实施例2：具有改进喷射性的配制剂
除粘结剂和颜料分散体以外，通过将所有的成分共混在一起而制备表5所示的油墨组合物。使用14％氢氧化铵，将混合物的pH值调节到8-8.5。然后将粘结剂乳液逐渐加入到混合物中，同时搅拌。最后将颜料分散体逐渐加入到以上混合物中，同时搅拌。使用14％氢氧化铵，将油墨的最终pH值调节到8.5。使用1微米玻璃纤维过滤器(由Pall Corporation，Ann Arbor，MI 48103，USA制造)过滤最终的油墨。使用布氏粘度计(由Brookfield ENG LABS INC.，Stoughton，MA 02072，USA制造)，在30rpm下采用超低(UL)接合器和转轴测量粘度。使用Fisher Scientific表面张力计20(由Fisher Scientific，USA制造)测量表面张力。
表5.具有改进喷射性的油墨配制剂
材料ID     14     15     16     17     18     19
    (％)     (％)     (％)     (％)     (％)     (％)
着色剂(Cab-O-JetTM 300)     25.00     25.00     25.00     -     -     -
着色剂(Cab-O-JetTM 250)     -     -     -     25.00     25.00     25.00
胶乳粘结剂(42％)     14.29     14.29     14.29     9.00     14.29     14.29
硝酸铵(在水中25％)     1.00     1.00     1.00     2.00     1.00     1.00
2-吡咯烷酮     5.00     5.00     5.00     8.00     5.00     5.00
乙二醇或二甘醇     10.00     10.00     10.00     10.00     10.00     10.00
1，3-丙二醇     5.00     5.00     5.00     0.00     5.00     5.00
SurfynolTM 465     1.20     -     -     1.20     -     -
Alcodet-sk     -     1.20     1.20     -     1.20     1.20
DI水     38.51     38.51     38.51     38.51     38.51     38.51
总计     100.00     100.00     100.00     100.00     100.00     100.00
Cab-O-JetTM是Cabot Corporation，Billerica，MA U.S.A的商标。
样品14和17是对比样品。
相对于油墨样品14和17，油墨样品15，16，18和19显示改进的喷射性。

Claims (10)

1.一种油墨组合物，包括液体介质，着色剂和油墨重量的至少0.1wt％的两亲材料，该两亲材料具有如下通式
R-O-QnA-M+，其中
R表示烷基、芳基、烷基-芳基或烯基；
Q表示环氧乙烷或环氧丙烷的亲水性重复单元，其中n＞4；
A-表示硫酸根、磺酸根或磷酸根基团；
M+表示阳离子如钾、钠、锂或铵；
和其中如果着色剂是含有共价连接到其上的有机基团的改性炭黑，两亲材料的电荷与改性炭黑相同。
2.权利要求1的油墨组合物，其中两亲材料是一种或多种选自如下的组合物：(a)烷基、芳基、烷基-芳基或烯基醚磷酸酯及其盐，包括钠、钾、铵和锂盐；和(b)烷基、芳基、烷基-芳基或烯基醚硫酸酯及其盐，包括钠、钾、铵和锂盐。
3.权利要求2的油墨组合物，其中以重量计油墨包括不大于10％的两亲材料。
4.权利要求1的油墨组合物，进一步包括油墨重量的至少0.1wt％的第二两亲材料，其中第二两亲材料具有如下通式：
XQnR’-Y-R，其中
X表示羟基或氨基官能度；
Q表示环氧乙烷或环氧丙烷的亲水性重复单元，其中n＞4；
R’表示C1-C6烷基官能度；
Y表示氧、氮或硫；和
R表示烷基、芳基、烷基-芳基或烯基。
5.权利要求4的油墨组合物，其中第二两亲材料是一种或多种选自如下的组合物：(a)烷基、芳基、烷基-芳基或烯基硫醇乙氧基化物和(b)烷基酚乙氧基化物。
6.权利要求4的油墨组合物，其中以重量计油墨包括不大于10％的第二两亲材料。
7.一种油墨组合物，包括液体介质，着色剂和油墨重量的至少0.1wt％的两亲材料，该两亲材料具有如下通式
XQnR’-Y-R，其中
X表示羟基或氨基官能度；
Q表示环氧乙烷或环氧丙烷的亲水性重复单元，其中n＞4；
R’表示C1-C6烷基官能度；
Y表示氧、氮或硫；和
R表示烷基、芳基、烷基-芳基或烯基。
8.权利要求7的油墨组合物，其中两亲材料是一种或多种选自如下的组合物：(a)烷基、芳基、烷基-芳基或烯基硫醇乙氧基化物和(b)烷基酚乙氧基化物。
9.权利要求7的油墨组合物，进一步包括油墨重量的至少0.1wt％的第二两亲材料，其中第二两亲材料具有如下通式：
R-O-QnA-M+，其中
R表示烷基、芳基、烷基-芳基或烯基；
Q表示环氧乙烷或环氧丙烷的亲水性重复单元，其中n＞4；
A-表示硫酸根、磺酸根或磷酸根基团；和
M+表示阳离子如钾、钠、锂或铵。
10.权利要求9的油墨组合物，其中第二两亲材料是一种或多种选自如下的组合物：(a)烷基、芳基、烷基-芳基或烯基醚磷酸酯及其盐，包括钠、钾、铵和锂盐；和(b)烷基、芳基、烷基-芳基或烯基醚硫酸酯及其盐，包括钠、钾、铵和锂盐。
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