JP6194620B2 - 活性エネルギー線硬化型のインクジェット記録用インク - Google Patents
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Description
また、低分子量のモノマー化合物はインク中において溶剤の機能を担っていることから、インク組成に含まれる各種材料(併用するモノマー化合物、重合開始剤、各種活性剤等と添加剤)との相溶性が重要であるが、例えば、強い極性構造の導入や、極性構造を多く導入することによって、モノマー化合物の親水性を高くしすぎてしまうと、他のインク構成材料との溶解性の低下や、自身の分子間相互作用の増大による結晶化(固体化)や粘度の上昇を招いてしまい、インク用途への適性が悪くなってしまう。
そこで、本発明は、活性エネルギー線による光重合反応性及び硬化性に優れ、かつ臭気が改善された常温で液体の重合性化合物(モノマー化合物)として、新規の(メタ)アクリル酸エステル化合物の提供を目的とする。
本発明の重合性化合物は活性エネルギー線の照射によって硬化(乾燥)させることができるものである。そして、これを用いて活性エネルギー線硬化型組成物を作製し、印刷用インク、各種の接着剤、コーティング剤等に適用できる。
印刷用インクについては、オフセット印刷、スクリーン印刷を始めとする各種印刷用途に適用可能であるが、中でも低粘度特性を必要とするインクジェット記録用インク(以下「インク」ということもある)、及びこれを用いたインクジェット記録方法に適している。
本発明の(メタ)アクリル酸エステル化合物は、分子構造中に下記式(1)で表されるウレア構造を有することを特徴とする。
前記シクロアルキル構造としては、シクロヘキシル基、シクロペンチル基等が好ましい。
前記芳香環を含む炭化水素構造としては、フェニル基、ベンジル基などの単環構造の基が好ましい。
アルキル構造、シクロアルキル構造、芳香環を含む炭化水素構造の置換基としては、塩素原子、臭素原子等のハロゲン原子、ヒドロキシル基、アミノ基、エーテル構造、エステル構造等が挙げられる。
R 1 とR 2 が連結して環構造を形成する場合、およびR 3 とR 1 又はR 2 との間で環構造を形成する場合は、炭素以外のヘテロ原子を介して環構造を形成してもよく、形成された環にヘテロ原子を含む置換基を有していてもよい。例えば、R 1 とR 2 が連結して環構造を形成する場合の環構造としては、ピペリジン環、ピロリジン環、モルホリン環などの単環構造の基が好ましい。
好ましい態様として、前記式(1)におけるR 1 、R 2 が両方とも水素原子ではないものを挙げることができ、更に好ましい態様として、R 3 がアルキル構造及び、水素原子で表されるものを挙げることができる。特に好ましい態様として、前記式(2)及び式(3)で表されるものを挙げることができる。
例えば、硬くて強度に優れた硬化膜を必要とする用途には、各種変性を施した多官能のオリゴマータイプの(メタ)アクリル酸エステル化合物を用いたり、水溶性を必要とする用途には、リン酸エステルやスルホン酸エステルのような強い親水性の官能基を導入した(メタ)アクリル酸エステル化合物が提供されている。
通常、極性の構造を有さない低分子量の(メタ)アクリル酸エステル化合物は粘度が低くインクジェット用インク組成物などの希釈剤モノマーとしては好都合であるが、その反面、揮発性が高く特有の臭気も有していることから、インクを使用する際の課題を有している。一方、オリゴマータイプの多官能(メタ)アクリル酸エステル化合物は粘度が非常に高く、硬化性組成物、中でもインクジェット用インク組成物として用いるには不向きであり、低分子の希釈剤モノマーを溶剤として使用して粘度をコントロールする必要があった。この場合、低粘度の希釈剤モノマー化合物としては前述の揮発性の高い低分子モノマー化合物を用いることが多く、臭気及び低分子モノマー成分の揮発という問題を発生するおそれがあった。
また、リン酸エステルやスルホン酸エステル、更には、水酸基(OH)などの強い極性構造を導入したモノマー化合物は、揮発性や臭気の問題は少ないものの、粘度が高くなり、場合によっては固体であったり、硬化性組成物に用いる他の配合成分との相溶性が悪いなどの問題点があった。
このウレア構造は極性を有する官能基であり、低分子量の(メタ)アクリル酸エステル化合物の揮発性と臭気の発生を抑制する機能を有している。また、ウレア構造の2つの窒素原子の内、少なくとも1つが水素原子との結合を有さないことによって、NH結合によって生じる強い分子間相互作用を低減することができ、極端な高粘度化、場合によっては固体化してしまうことを防ぎ、流動性のある液体状態を実現していると考えられる。
このことは、R 1 、R 2 が同時に水素原子である場合を除くことにおいても同様で、少なくともどちらか一方が水素原子でないことにより、流動性に優れ、揮発性の抑制による低臭気化を実現でき、特にR 1 、R 2 が両方とも水素原子でない場合は、流動性、揮発性の抑制による低臭気化の効果が更に優れる。
更に、2つの窒素原子が水素原子との結合を1つも有さない場合には、より粘度の低い状態を実現することができ、流動性により優れ、揮発性の抑制による低臭気化を実現できる。
低分子量の(メタ)アクリル酸エステル化合物のような重合性化合物の特性は分子内に導入した極性構造の強さ(程度)の影響を受けやすく、前述の流動性、揮発性、臭気だけでなく、硬化性組成物を構成する際の他の構成材料との相溶性にとって重要である。例えば、(メタ)アクリル酸エステル化合物の有する極性構造が非常に強いものであった場合、硬化性組成物を構成する際に他の化合物との相溶性が劣ってしまったり、粘度の上昇による流動性の低下を引き起こすことになる。
このように化合物との相溶性や流動性については、極性構造の種類、数、分子の大きさ(分子量)などが複雑に関係してくることから、その程度を定量的に示すことは難しいが、本発明の(メタ)アクリル酸エステル化合物はそのバランスにおいても優れた領域にあるものであると考えられる。このことから本発明の(メタ)アクリル酸エステル化合物が各種インクに適したものであると言える。
本発明の(メタ)アクリル酸エステル化合物は重合開始剤を加えて活性エネルギー線硬化型組成物とすることができ、この活性エネルギー線硬化型組成物はインクジェット記録用インクなどに用いることができる。
重合開始剤としては、ラジカル重合開始剤、カチオン重合開始剤、アニオン重合開始剤などが挙げられるが、ラジカル重合開始剤とアニオン重合開始剤が好ましく、特にラジカル重合開始剤が好ましい。
インクの場合の重合開始剤は、外部エネルギーを吸収して重合開始種を生成する化合物である。重合を開始するために使用される外部エネルギーは、熱又は活性エネルギー線に大別され、それぞれ熱重合開始剤又は光重合開始剤が使用される。活性エネルギー線にはγ線、β線、電子線、紫外線、可視光線、赤外線が挙げられる。また、熱重合開始剤及び光重合開始剤としては公知の化合物が使用できる。
本発明のインクは着色剤を含有してもよく、これにより着色画像を形成することができる。着色剤については特に制限はなく、顔料、油溶性染料、水溶性染料、分散染料等の任意の公知の着色剤から適宜選択して用いることができる。
着色剤としては、耐候性に優れ、色再現性に富む顔料や油溶性染料が好ましく、顔料がより好ましい。また、本発明のインク組成物に好適に使用し得る着色剤は、活性エネルギー線による硬化反応の感度を低下させないという観点から、硬化反応である重合反応に対して重合禁止剤として機能しない化合物を選択することが好ましい。
顔料としては特に限定されないが、例えばカラーインデックスに記載される下記の番号の有機又は無機顔料が挙げられ、目的に応じて適宜選択して使用できる。
緑顔料としては、例えば、Pigment Green 7,26,36,50、等が挙げられる。
黄顔料としては、例えば、Pigment Yellow 1,3,12,13,14,17,34,35,37,55,74,81,83,93,94,95,97,108,109,110,137,138,139,153,154,155,157,166,167,168,180,185,193、等が挙げられる。
黒顔料としては、例えば、Pigment Black 7,28,26、等が挙げられ、白色顔料としては、例えば、Pigment White 6,18,21、等が挙げられる。
また、着色剤を分散させる際に分散剤を添加することも可能である。分散剤の種類には特に制限はないが、高分子分散剤が好ましい。これらの分散剤は、着色剤100質量部に対し、1〜50質量部添加することが好ましい。
着色剤は、インクの使用目的に応じて1種又は2種以上を適宜選択して用いればよい。
本発明のインクは、前記(メタ)アクリル酸エステル化合物以外の重合性化合物を含むことも可能である。この場合、本発明の(メタ)アクリル酸エステル化合物1に対して、0.01〜100(質量比)の範囲で用いることができ、好ましくは、0.1〜50(質量比)である。併用可能な重合性化合物としてはラジカル重合性化合物、カチオン重合性化合物、アニオン重合性化合物が挙げられる。
ラジカル重合性化合物は、分子中にラジカル重合可能なエチレン性不飽和結合を少なくとも1つ有する化合物であれば特に限定されず、モノマー、オリゴマー、ポリマー等の化学形態を持つものが含まれる。併用するラジカル重合性化合物は1種を単独で用いてもよく、また目的とする特性を向上させるために任意の比率で2種以上を併用してもよい。
具体的には、2−エチルヘキシルジグリコールアクリレート、2−ヒドロキシ−3−フェノキシプロピルアクリレート、2−ヒドロキシブチルアクリレート、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジアクリレート、2−アクリロイロキシエチルフタル酸、メトキシポリエチレングリコールアクリレート、テトラメチロールメタントリアクリレート、2−アクリロイロキシエチル−2−ヒドロキシエチルフタル酸、ジメチロールトリシクロデカンジアクリレート、エトキシ化フェニルアクリレート、2−アクリロイロキシエチルコハク酸、ノニルフェノールエチレンオキシド付加物アクリレート、変性グリセリントリアクリレート、ビスフェノールAジグリシジルエーテルアクリル酸付加物、変性ビスフェノールAジアクリレート、フェノキシポリエチレングリコールアクリレート、2−アクリロイロキシエチルヘキサヒドロフタル酸、ビスフェノールAのプロピレンオキシド付加物ジアクリレート、ビスフェノールAのエチレンオキシド付加物ジアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリレンジイソシアナートウレタンプレポリマー、ラクトン変性可撓性アクリレート、ブトキシエチルアクリレート、プロピレングリコールジグリシジルエーテルアクリル酸付加物、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ヘキサメチレンジイソシアナートウレタンプレポリマー、2−ヒドロキシエチルアクリレート、メトキシジプロピレングリコールアクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ヘキサメチレンジイソシアナートウレタンプレポリマー、ステアリルアクリレート、イソアミルアクリレート、イソミリスチルアクリレート、イソステアリルアクリレート、ラクトン変性アクリレート等が挙げられる。
本発明のインクには、前記重合開始剤の活性光線照射による分解を促進させるために増感剤を添加することができる。増感剤は、特定の活性エネルギー線を吸収して電子励起状態となるものである。電子励起状態となった増感剤は、重合開始剤と接触して、電子移動、エネルギー移動、発熱などの作用を生じることにより、重合開始剤の化学変化(分解、ラジカル、酸又は塩基の生成)を促進させる。増感剤としては、重合開始剤に開始種を発生させる活性エネルギー線の波長に応じた化合物を使用すればよい。増感剤としては増感色素が好ましく、例えば以下のような、350〜450nm域に吸収波長を有するものが挙げられる。
本発明のインクには共増感剤を含有させることもできる。共増感剤は、増感色素の活性エネルギー線に対する感度を一層向上させたり、酸素による重合性化合物の重合阻害を抑制する等の作用を有する。共増感剤の例としては、トリエタノールアミン、p−ジメチルアミノ安息香酸エチルエステル、p−ホルミルジメチルアニリン、p−メチルチオジメチルアニリン等のアミン系化合物、2−メルカプトベンゾチアゾール、2−メルカプトベンゾオキサゾール、2−メルカプトベンゾイミダゾール、2−メルカプト−4(3H)−キナゾリン、β−メルカプトナフタレン等のチオール及びスルフィド類を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
本発明のインクには、必要に応じて、重合禁止剤、溶剤等のその他の成分を添加することができる。重合禁止剤は、インクの保存性(保管安定性)を高める観点から添加する。また、本発明のインクは、必要に応じて加熱し低粘度化して吐出することができ、その場合の熱重合によるヘッド詰まりを防ぐためにも重合禁止剤を添加することが好ましい。
その例としては、ハイドロキノン、ベンゾキノン、p−メトキシフェノール、TEMPO、TEMPOL、クペロンAl等が挙げられる。重合禁止剤の添加量は、インク全量に対し、200〜20,000ppmが好ましい。
本発明のインクの粘度は、インクジェット装置における吐出性を考慮した場合、吐出時の環境において、7〜30mPa・sが好ましく、さらに、7〜25mPa・sが好ましい。
更に、必要に応じて、公知の添加剤である界面活性剤、レベリング添加剤、マット剤、膜物性を調整するためのポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、ゴム系樹脂、ワックス類等を、適宜選択して添加することができる。また、ポリオレフィンやPET等に対する接着性を改善するために、重合阻害のない粘着付与剤(タッキファイヤー)を含有させることも可能である。
評価に用いた試料は、本発明の重合性化合物の効果をより明確にするため、インクとするに必要な着色剤を始めとする各種添加成分を含まない組成とした。
1H−NMRは、JEOL製1H−NMR(500MHz)を用いて測定し、IRは、PERKIN ELMER製FT−IR SpectrumGXを用いて測定した。
ジエチルカルバモイルクロリド(24.4g,180mmol)をピリジン(250ml)に溶解させた。この溶液に水浴中で冷却しながら、2−アミノエタノール(14.3g,234mmol)をゆっくりと添加した後、室温下で24時間攪拌した。反応混合物を減圧下で濃縮して得られた溶液を酢酸エチル(350ml)で抽出した。この抽出液を濃縮することで、茶色の液体を得た。得られた液体をカラムクロマトグラフィー(Wakogel C300 200g)により精製して、淡黄色針状晶(10.5g)を得た。この淡黄色針状晶は、1H−NMR及びIRから、下記の構造式で表される化合物(中間体−1)であることが確認された。精製後の収率は約36%であった。
IR(NaCl):3353,2974,2933,2875,1712,1626,1538,1460,1409,1379,1362,1283,1222,1198,1074,1029,934,873,840,769,583cm-1
IR(NaCl):3352,2974,2933,2875,1726,1630,1533,1455,1407,1379,1362,1269,1190,1099,1067,985,811,766,552cm-1
得られた中間体−1(5.6g,35mmol)を脱水ジクロロメタン(100mL)中に加え、フラスコ内をアルゴンガスで置換した後、トリエチルアミン(5.1g,50mmol)を加えた。混合物を約−10℃に冷却した後、メタクリル酸クロライド(4.4g,42mmol)を、系内温度が−10〜−5℃になるようにゆっくりと滴下し、その後、2時間室温下で攪拌した。析出物を濾過によって取り除き、濾液を水、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、飽和塩化ナトリウム水溶液で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させた後、減圧下で濃縮して茶色油状物を得た。得られた油状物をカラムクロマトグラフィー(Wakogel C300 300g)により精製して、淡黄色油状物(5.2g)を得た。この淡黄色油状物は、下記1H−NMR及びIRから、下記の構造式で表される化合物であることが確認された。精製後の収率は約65%であった。
IR(NaCl):3354,2975,2932,1720,1630,1534,1454,1407,1379,1363,1321,1282,1223,1168,1099,1081,1032,941,816,766,654,592cm-1
ジエチルカルバモイルクロリド(24.4g,180mmol)をピリジン(400ml)に溶解させた。この溶液に水浴中で冷却しながら、N−メチルエタノールアミン(13.5g,180mmol)をゆっくりと添加した後、室温下で24時間攪拌した。酢酸エチル(200ml)を加えた後、析出物を濾別して得られた溶液を減圧下で濃縮して茶色の液体を得た。この液体をカラムクロマトグラフィー(Wakogel C300 200g)により精製して、淡黄色油状物(12.4g)を得た。この淡黄色油状物は、1H−NMR及びIRから、下記の構造式で表される化合物(中間体−2)であることが確認された。精製後の収率は約40%であった。
IR(NaCl):3403,2971,2933,2874,1615,1494,1461,1403,1382,1355,1285,1248,1208,1179,1133,1079,1048,994,937,862,797,775,592cm-1
IR(NaCl):2971,2935,2875,1727,1645,1487,1461,1405,1354,1294,1270,1188,1134,1064,986,810,667,563cm-1
得られた中間体−2(7.0g,40mmol)を脱水ジクロロメタン(100mL)中に加え、フラスコ内をアルゴンガスで置換した後、トリエチルアミン(5.9g,58mmol)を加えた。混合物を約−10℃に冷却した後、メタクリル酸クロライド(5.1g,48mmol)を、系内温度が−10〜−5℃になるようにゆっくりと滴下し、その後、2時間室温下で攪拌した。析出物を濾過によって取り除き、濾液を水、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、飽和塩化ナトリウム水溶液で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させた後、減圧下で濃縮して茶色油状物を得た。得られた油状物をカラムクロマトグラフィー(Wakogel C300 300g)により精製して、淡黄色油状物(7.8g)を得た。この淡黄色油状物は、下記1H−NMR及びIRから、下記の構造式で表される化合物であることが確認された。精製後の収率は約80%であった。
IR(NaCl):2970,2933,2875,1720,1643,1487,1457,1400,1353,1319,1296,1234,1164,1134,1073,1030,941,814,798,775,656,596cm-1
表1の各実施例及び比較例の欄に示すモノマー化合物950mgと、重合開始剤である2−メチル−1−〔4−(メチルチオ)フェニル〕−2−モルフォリノプロパン−1−オン(BASFジャパン社製IRGACURE 907)50mgをマグネティックスターラーで混合して評価用の各試料を調製した。
これらの各試料について、以下のようにして、光重合反応性、光硬化性及び試料の臭気を評価した。結果を表1に示す。
SII社製DSC−7020とHAYASHI WATCH−WORKS社製スポット光源(LA−410UV)を組み合わせた測定装置(以下、Photo−DSCという)を用いて、各試料の光重合反応性評価を実施した。尚、照射光には波長365nmの光を用い、光量は200mW/cm2とした。
光照射後に進行する重合反応に伴う発熱量をPhoto−DSCで測定したが、モノマー化合物の重合反応が終了するのに十分な時間光照射した場合の発熱量の測定を、一つの試料に対して二度繰り返して実施した。一回目の測定で得られる発熱量は、モノマー化合物の重合反応に伴う発熱量に加えて、光照射に伴う発熱量も含んでいる。そこで、一回目の測定で重合反応が終了している試料に対して、同じ条件で再度光照射を行ってモノマーの重合反応熱以外の発熱量を測定した。そして、一回目と二回目の発熱量の差から、モノマー化合物の重合反応に伴う発熱量を得た。
この発熱特性において、光照射開始から最大発熱量に到達するまでの時間をT1(sec.)として、光重合反応の速さを比較する指標とした。
REOLOGICA社製の粘弾性測定装置VAR200ADと、浜松ホトニクス社製LED光源(LIGHTNINGCURE LC−L1)を組み合わせた測定装置(以下、Photoレオメーター)を用いて各試料の光重合による硬化性の評価を実施した。
測定は、φ20mmコーンプレートを用いて10μmのギャップに試料を挟み、LEDを光源とする光(365nm、50mW/cm2)を照射して、硬化に伴う粘弾性の変化を測定し、弾性率(Pa)が飽和した点で硬化終了とした。測定結果から弾性率の到達点を求め硬化レベルの指標とした。また、弾性率が飽和するまでに照射された光エネルギー(硬化エネルギー)は、照射光強度(ここでは、50mW/cm2)と光を照射した時間(sec.)の積によって算出される。
臭気の評価試験を下記の手順で行い、各試料の臭いを嗅いだときの不快感を下記の判定基準に基づいて評価した。
〔手順〕
(1)対象物質を50ccのサンプル瓶(ガラス瓶)に、約100mg(0.1g)秤り量とり、フタをする。
(2)室温条件下で約30分放置する。
(3)サンプル瓶(ガラス瓶)に鼻を近づけて、フタを開けた時の臭気を嗅ぎ、その程度を評価基準に基づいて評価する。
〔評価基準〕
○:臭いを感じないか、においを感じても不快いではないレベル
△:特有の臭気により不快感が生じる。
×:特有の臭気により強い不快感が生じる。
一方、比較例の中では、モノマー化合物の構造中の極性基がエーテル構造の場合(比較例1、比較例2)では、モノマー化合物の有する臭気が強い不快感を与える結果となっている。また、極性基としてモルホリン環を有する場合(比較例3、比較例4)とウレタン構造を有する場合(比較例7)においても、臭気が不快感を与えるレベルになっている。
更に、極性基として強い水酸基(OH)を有する場合(比較例5、比較例6)において臭気が良好な結果が得られているが、実施例と比べて、比較例5では硬化時の弾性率が低いレベルに留まっており、比較例6では重合反応性が低く硬化に必要なエネルギーも大きな値となっている。
また、比較例全体を見てみると、反応性官能基がメタクリレートの場合(比較例2、比較例4、比較例6)は何れも、重合反応性が低く、硬化するのに大きなエネルギーを必要としていて硬化特性に劣る結果となっている。一方、反応性官能基がアクリレートの場合(比較例1、比較例3、比較例5、比較例7)は、重合反応性に優れるものの、硬化時の弾性率が低いレベルで飽和していることから、実施例に比べて硬化物としての強度に劣ると考えられる。
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