JPH083498A - 水性顔料インキ及びその製造方法 - Google Patents

水性顔料インキ及びその製造方法

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JPH083498A
JPH083498A JP13694394A JP13694394A JPH083498A JP H083498 A JPH083498 A JP H083498A JP 13694394 A JP13694394 A JP 13694394A JP 13694394 A JP13694394 A JP 13694394A JP H083498 A JPH083498 A JP H083498A
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    • C09D11/17Writing inks characterised by colouring agents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 水とカーボンブラックとを含有する水性顔料
インキにおいて、該カーボンブラックが1.5mmol
/g以上の表面活性水素含有量を有する水性顔料イン
キ。 【効果】 インクジェット記録用に用いた場合に吐出安
定性に優れ、そして細いペン先からスムーズに筆記でき
る充分な濃度の水性顔料インキが提供された。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は水性インキに関し、特に
着色剤としてカーボンブラックを含有する水性顔料イン
キ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来筆記具やインクジェットプリンター
用の記録液として、黒色染料を含有する水性染料インキ
が主に用いられてきた。近年に至り、記録画像に耐光性
や耐水性を持たせるためにカーボンブラックのような顔
料を用いた水性顔料インキが注目されている。
【0003】着色剤用として市販されているカーボンブ
ラックは酸化処理されたpH7以下の酸性カーボンブラ
ックであり、水分散性に劣る。
【0004】そこで、水溶性アクリル樹脂、スチレン−
(メタ)アクリル酸樹脂、スチレン−マレイン酸樹脂及び
アミンのような分散剤の存在下で、各種分散機を使用し
て、カーボンブラックを水性媒体中に微細に分散、安定
化させている。
【0005】例えば、特開昭64−6074号及び同6
4−31881号公報には、pH5以下のカーボンブラ
ックと分散剤(アニオン系界面活性剤や高分子分散剤)と
を含む水性顔料インキが記載されている。また、特開平
3−210373号公報には、酸性カーボンブラックと
水溶性樹脂とを含むインクジェット用インキが記載され
ている。
【0006】一般に、インクジェット記録ヘッドの微細
な先端から安定に液滴を発生させたり、水性ボールペン
の細いペン先でスムーズに筆記するためには、インクジ
ェット記録ヘッドのオリフィスやボールペンチップの乾
燥による固化などを防止することが必要である。
【0007】しかしながら、上述の水性顔料インキのよ
うに分散剤を使用する場合には、分散剤を形成する樹脂
がオリフィス等に付着した後再溶解されないで、目詰ま
り及び液滴の不吐出等が生じ得る。また、分散剤を含む
水性顔料インキは粘調なので、長時間にわたる連続吐出
及び高速印字を行う際にノズル先端までの経路で抵抗を
おこし、吐出が不安定になりスムーズな記録が困難とな
る。更に、水性顔料インキでは、吐出安定性を確保する
ために顔料濃度を充分高めることができず、水性染料イ
ンキに比べて印字濃度が不十分であるという欠点を有す
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来の問
題を解決するものであり、その目的とするところは、イ
ンクジェット記録に用いた場合に吐出安定性に優れ、そ
して細いペン先からもスムーズに筆記できる充分な濃度
の水性顔料インキを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は水とカーボンブ
ラックとを含有する水性顔料インキにおいて、該カーボ
ンブラックが1.5mmol/g以上の表面活性水素含
有量を有する水性顔料インキを提供するものであり、そ
のことによって上記目的が達成される。
【0010】表面活性水素含有量とはカーボンブラック
の粒子の表面に存在する活性水素の量(mmol/g)を
意味する。
【0011】本発明の水性顔料インキに用いるカーボン
ブラックは高い表面活性水素含有量を有することが好ま
しい。このようなカーボンブラックは良好な水分散性を
示すからである。
【0012】高い表面活性水素含有量を有するカーボン
ブラックは活性水素を有する水酸基やカルボキシル基を
表面に多く有するため、カーボンブラック自体の親水性
が向上している。また、それと同時に表面積も大きくな
り、あたかも酸性染料のごとき化学的性質をもつことに
よって水分散性が良好になると考えられる。
【0013】カーボンブラックの表面活性水素含有量は
1.5mmol/g以上であることが好ましく、2.0m
mol/g以上であることがより好ましい。1.5mm
ol/g以下では水分散性が悪くなり、本発明の効果を
達成し難い。5.0mmol/g以上としても良いが適
正量に比べて効果に大きな差はなく、製造コストが高く
なるため好ましくない。
【0014】カーボンブラックの表面活性水素含有量は
ツアイゼル法により以下の如く測定される。即ちカーボ
ンブラックにジアゾメタンのジエチルエーテル溶液を滴
下させることによりカーボンブラック上の活性水素を全
てメチル基に交換する。この処理をしたカーボンブラッ
クに、比重1.7のヨウ化水素酸を加え、加熱してメチ
ル基をヨウ化メチルとして気化させる。このヨウ化メチ
ルの気体を硝酸銀溶液でトラップしてヨウ化メチル銀と
して沈澱させる。このヨウ化銀の重量より元のメチル基
の量、即ち活性水素の量を測定する。
【0015】カーボンブラックは、一般には水性顔料イ
ンキ全量に対して、0.1〜50重量%、好ましくは1
〜20重量%の範囲で含有されることが望ましい。カー
ボンブラックの含有量が1重量%未満では印字又は筆記
濃度が不十分となり、20重量%を越えるとカーボンブ
ラックが凝集し易くなり長期保存中に沈澱が発生した
り、吐出安定性が悪くなるからである。
【0016】本発明の水性顔料インキにおけるカーボン
ブラックの平均粒径は200nm以下、特に150nm
以下、さらに100nm以下であることが好ましい。カ
ーボンブラックの平均粒径が200nmを上回ると顔料
の沈降が起こり易くなるからである。
【0017】本発明の水性顔料インキには、必要に応じ
て、水混和性有機溶媒を含有させ得る。尚、水、水混和
性有機溶媒及びこれらの混合物を本明細書では、水性媒
体と称する。
【0018】水混和性有機溶媒としては、例えばメチル
アルコール、エチルアルコール、n−プロピルアルコー
ル、イソプロピルアルコール、n−ブチルアルコール、
sec−ブチルアルコール及びイソブチルアルコールの
ような炭素数1〜4のアルキルアルコール;アセトン及
びジアセトンアルコールのようなケトンまたはケトンア
ルコール;テトラヒドロフラン(THF)及びジオキサン
のようなエーテル;エチレングリコール、プロピレング
リコール、ジエチレングリコール及びトリエチレングリ
コールのようなアルキレングリコール;ポリエチレング
リコール及びポリプロピレングリコールのようなポリア
ルキレングリコール;エチレングリコールモノエチルエ
ーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジ
エチレングリコールモノメチルエーテル及びトリエチレ
ングリコールモノエチルエーテルのような多価アルコー
ルの低級アルキルエーテル;ポリエチレングリコールモ
ノメチルエーテルアセテートのような低級アルキルエー
テルアセテート;グリセリン;及び2−メチルピロリド
ン及びN−メチル−2−ピロリドンのようなピロリドン
等が挙げられる。これらの有機溶媒の使用量は特に限定
されないが、一般には3〜50重量%の範囲である。
【0019】本発明の水性顔料インキは、水とカーボン
ブラックとを含有する水性顔料インキの製造方法におい
て、(a)酸性カーボンブラックを得る工程と、(b)前記
酸性カーボンブラックを水中で次亜ハロゲン酸塩で更に
酸化する工程とを、包含する方法により製造されるのが
好ましい。
【0020】本明細書において、「酸性カーボンブラッ
ク」とは、その粒子の表面上にカルボキシル基を有する
ために酸性を示すカーボンブラックをいう。本発明の水
性顔料インキには6以下、特に4以下のpHを有する酸
性カーボンブラックを用いることが好ましい。
【0021】酸性カーボンブラックは、一般に、常套の
酸化剤(例えば、硝酸、オゾン、過酸化水素及び窒素酸
化物等)を使用する酸化法、又はプラズマ処理等の表面
改質法によって、例えばファーネスブラックやチャンネ
ルブラックのようなカラー用のカーボンブラックを適度
に酸化することによって得られる。このような酸性カー
ボンブラックは、三菱化成社から、「MA100」、
「2400B」及び「MA8」の商品名で、及びテグサ
社から「カラー・ブラック(ColorBlack)FW
200」の商品名で市販されている。
【0022】得られた酸性カーボンブラックを更に酸化
するために、本発明では次亜ハロゲン酸塩を用いる。具
体的には次亜塩素酸ナトリウムや次亜塩素酸カリウムが
挙げられ、次亜塩素酸ナトリウムが反応性の点から特に
好ましい。酸性カーボンブラックの酸化は、一般に、前
述の酸性カーボンブラックと、カーボンブラックの重量
に対して有効ハロゲン濃度で10〜30%の次亜ハロゲ
ン酸塩(例えば次亜塩素酸ナトリウム)とを適量の水中に
仕込み、5時間以上、好ましくは約10〜15時間、5
0℃以上、好ましくは95〜105℃で撹拌することに
より行う。得られるカーボンブラックは1.5mmol
/g以上の表面活性水素含有量を有する。
【0023】次いで生成物を濾過し、副生塩をイオン交
換水で洗浄することにより除去する。更に逆浸透膜や限
外瀘過膜のような0.01μm以下の孔径を有する分離
膜を用いて精製及び濃縮する。濃縮は、一般にカーボン
ブラックの含有率が水に対して10〜30重量%程度の
濃厚な顔料分散液になるように行う。得られた顔料分散
液をそのまま水性顔料インキとして用いうるが、その際
には、カーボンブラックの濃度を1〜20重量%とする
のが好ましい。濃縮された顔料分散液を更に乾燥して粉
末状顔料としてよく、または、更に濃縮して顔料濃度5
0重量%程度の顔料ペーストとしてもよい。その後これ
らを水性媒体に分散して適当な濃度に調節することによ
って本発明の水性顔料インキが得られる。
【0024】本発明の水性顔料インキは十分に脱塩精製
されているため筆記具及びインクジェットプリンター等
の腐食は生じない。さらに、カーボンブラックの表面の
カルボキシル基の大半もしくは一部が、酸化剤として用
いる次亜ハロゲン酸塩由来のアルカリ金属塩となってい
るので、特にpHを調節する必要はない。しかしなが
ら、本発明の水性顔料インキに長期間にわたる良好な分
散安定性を付与するためには通常の水性染料インキと同
様に、微酸性〜アルカリ性(pH8〜10)にpHを調節
するのが好ましい。
【0025】使用し得るpH調節剤としては、モノ−、
ジ−及びトリエタノールアミンのようなアルカノールア
ミン;水酸化ナトリウム、水酸化カリウム及び水酸化リ
チウムのようなアルカリ金属の水酸化物等が挙げられ
る。
【0026】さらに、本発明の水性顔料インキにはこの
種のインキに通常使用される粘度調整剤、防黴剤及び防
錆剤のような添加剤を適宜選択して適量使用することも
できる。
【0027】印字物または筆記文字に光沢などを与える
ために、必要に応じて水溶性樹脂(例えば、ビニルピロ
リドンの低縮合物、水溶性アルキッド樹脂または水溶性
アクリル樹脂)、アルコール可溶性樹脂(例えば、フェノ
ール樹脂、アクリル樹脂、スチレン−マレイン酸樹脂ま
たはケトン樹脂)を添加することもできる。水溶性又は
アルコール可溶性樹脂は、水性顔料インキの吐出安定性
等の観点より重量比で、カーボンブラックの1/10以
下とするのがよい。
【0028】本発明によれば、着色剤として一般に市販
されている酸性カーボンブラックに比べて酸化の程度が
非常に高く、水分散性にすぐれたカーボンブラックが提
供される。このカーボンブラックでは表面の極性基(例
えば、フェノール性水酸基やカルボキシル基)の量が著
しく増加しており、同時に表面積が大きくなっている。
【0029】従って、本発明の記録液は、特に顔料分散
樹脂や界面活性剤等を加えないで、或いは機械的な分散
処理をしなくても長期間の分散安定性に優れ、カーボン
ブラックがインキ貯蔵部で沈降することはない。
【0030】また、本発明の水性顔料インキは、インク
ジェット方式による記録用や水性ボールペンなどの筆記
用インキとして使用した場合も、記録・筆記特性が良好
で高速度印字ができ、また、速記した場合も文字がかす
れることはない。
【0031】さらに、紙面に記録された文字や図形の堅
牢性(耐光性や耐水性)に優れ、再度水に浸漬してもカー
ボンブラックは流れ出すことはなく耐水性があり、日光
に暴露しても染料インキのように変退色するこがなく耐
光性にすぐれる。
【0032】更にまた、カーボンブラックを高濃度で含
有させうるので印字物の濃度にすぐれ、水溶性黒色染料
と同等もしくはそれ以上の光学濃度を提供する。
【0033】
【実施例】実施例1 市販の酸性カーボンブラック「MA−100」(pH3.
5)[三菱化成社製]300gを水1000mlに良く
混合した後、これに次亜塩素酸ソーダ(有効塩素濃度1
2%)450gを滴下して、100〜105℃で10時
間撹拌した。得られたスラリーを東洋濾紙No.2(アド
バンティス社製)で濾過し、顔料粒子が洩れるまで水洗
した。この顔料ウエットケーキを水3000mlに再分
散し、電導度0.2μsまで逆浸透膜で脱塩した。さら
に、この顔料分散液(pH=8〜10)を、顔料濃度10
重量%に濃縮した。
【0034】得られた顔料分散液を酸処理(塩酸水で酸
性とし再度膜精製)、濃縮、乾燥および微粉砕して、酸
化カーボンブラックの粉末を得た。得られた酸化カーボ
ンブラックの表面活性水素含有量を前記方法で測定し
た。結果は約2.8mmol/gであった。
【0035】実施例2 実施例1で得られた顔料分散液50gに、エタノール5
部と2−メチルピロリドン5部を加え、さらに水を加え
て全量を100gとすることにより水性顔料インキを得
た。このインキの粘度は2CPS/25℃以下であり、
カーボンブラックの平均粒径は150nmであった。な
お、酸化カーボンブラックの平均粒径は、レーザー光拡
散方式粒度分布測定機(大塚電子社製、商品名:LPA
3000/3100)を用いて測定した。
【0036】次に、このインキをインキジェット記録装
置[商品名HG5130(エプソン社製)]にセットし印
字したところ、インキの吐出は安定しており、速やかに
印字され、印字物は、乾燥後水に浸漬しても顔料が流れ
ることはなく、耐水性は良好であった。また、用いたノ
ズルは一般的な水性染料インキ用であるがインキが固化
することなく、数時間後の印字テストにおいても吐出不
良はなかった。また、このインキを50℃で1ヵ月保存
しても沈降物は発生せず、平均粒径、粘度も変らず、再
度印字テストをしてもインキの吐出は安定しており、ス
ムーズに印字できた。マクベス濃度計TR−927(コ
ルモーゲン社製)でベタ印字部の光学濃度を測定したと
ころ1.34であり、十分に満足できるものであった。
【0037】実施例3 市販の酸性カーボンブラック「MA8」(pH3.5)
[三菱化成社製]300gを水1000mlに良く混合
た後に次亜塩素酸ソーダ(有効塩素濃度12%)450g
を滴下して、100〜105℃で8時間撹拌した。得ら
れたスラリーを東洋濾紙No.2で濾過し、顔料粒子が
洩れるまで水洗した。この顔料ウエットケーキを水30
00mlに再分散し電導度0.2μsまで逆浸透膜で脱
塩した。さらに、この顔料分散液を顔料濃度10重量%
に濃縮した。
【0038】得られた顔料分散液を酸処理(塩酸水で酸
性とし再度膜精製)、濃縮、乾燥および微粉砕して、酸
化カーボンブラックの粉末を得た。得られた酸化カーボ
ンブラックの表面活性水素含有量を前記方法で測定し
た。結果は約2.5mmol/gであった。
【0039】実施例4 実施例3で得られた顔料分散液50gに、エタノール5
gと2−メチルピロリドン5gを加え、さらに水を加え
て全量を100gにすることによって水性顔料インキを
得た。このインキの粘度は1.8CPS/25℃以下で
あり、平均粒径は100nmであった。次に、このイン
キを実施例2と同様にインキジェット記録装置にセット
し印字したところ、インキの吐出は安定で速やかに印字
され、印字物は、乾燥後水に浸漬しても顔料が流れるこ
とはなく、耐水性は良好であった。また、用いたノズル
は、一般的な水性染料インキ用であるが、インキが固化
することなく、数時間後の印字テストにおいても吐出不
良はなかった。また、このインキを50℃で1ヵ月保存
しても沈降物は発生せず、平均粒径、粘度も変らず、再
度印字テストをしてもインキの吐出は安定しており、ス
ムーズに印字できた。
【0040】比較例1 酸性カーボンブラック「MA−100」(pH3.5)
[三菱化成社製]5gに水85gとエタノール5gと2
−メチルピロリドン5gを加えて全量を100gとし、
充分攪拌することによって水性顔料インキを得た。しか
しこの酸性カーボンブラックは全く水に分散されず数分
の静置により上澄みが出来て印字不可能であった。ま
た、この酸性カーボンブラックの活性水素含有量を測定
したところ0.13mmol/gであった。
【0041】比較例2 酸性カーボンブラック「MA−100」(pH3.5)
[三菱化成社製]100gに「ジョンクリルJ−62」
(ジョンソンポリマー社製のアクリル樹脂水溶液)100
g、水300gを加えこれを横型ビーズミルで5時間分
散し、平均粒径150nmまで分散した。
【0042】この分散液25gにエタノール5gと2−
メチルピロリドン5gを加え、水で全量100gとして
水性顔料インキを得た。粘度4cps/25℃で分散安
定性は良好であった。このインキをインクジェット記録
装置にセットし印字したところ、インキの吐出安定性が
徐々に悪くなり、印字濃度も薄くなった。また、一般的
な水性染料インキ用ノズルでは、インキが乾燥して数時
間後の印字テストにおいて更に濃度が下がった。そし
て、これを繰り返すと不吐出が発生して、全く印字でき
なくなった。
【0043】比較例3 エタノール5g、2メチルピロリドン5g及び水65g
の代りに、ジエチレングリコール10g、2メチルピロ
リドン10g及び水55gを加えること以外は比較例2
と同様にして水性顔料インキを得た。このインキは印字
濃度は薄いが繰り返し印字でき、ノズルで吐出不良は生
じなかった。しかし、このインキを50℃で1ヵ月保存
して後、平均粒径を測定したところ、200nmまで凝
集しており、粘度も7cps/25℃に変化していた。
再度攪拌分散して印字テストを試みたが、凝集して大き
くなった顔料分散物がノズル部で詰まり印字できなかっ
た。
【0044】比較例4 酸化処理されていない中性カーボンブラック「45L」
(三菱化成社製)10gを水30mlに分散し、有効塩素
濃度12%の次亜塩素酸ナトリウム5gを添加し、常温
(20〜25℃)に24時間放置した。その後、上澄みを
取り除き、沈降したカーボンブラックケーキをメタノー
ルに分散し、濾過した。この操作を繰り返すことによっ
て反応母液とメタノールを置換し、完全に反応液及び副
生塩を除き、乾燥することによって酸化カーボンブラッ
クの粉末を得た。
【0045】得られた酸化カーボンブラック(pH8)5
gに水85gとエタノール5gと2−メチルピロリドン
5gを加え、全量を100gとし、充分撹拌することに
よって水性顔料インキを得た。このインキは静置によっ
て上澄みができ、印字不可能であった。
【0046】以下表1に別途総括して示すように、本発
明の実施例1および3で得られた酸化カーボンブラッ
ク、市販のカーボンブラック「MA100」、「240
0B」及び「45L」(三菱化成社製の酸性カーボンブ
ラック)、及び商品名「カラー・ブラック FW200」
(デグサ社性の酸性カーボンブラック)について、表面活
性水素含有量と水分散性とを比較した。本発明で得られ
た酸化カーボンブラックの活性水素含有量は、約2.0
mmol/g以上であった。これに対して「MA10
0」、「2400B」及び「45L」では、それぞれ約
0.13mmol/g、約 0.58mmol/g、約
0.16mmol/g、「カラー・ブラックFW20
0」は約1.3mmol/gであった。また、水分散性
として水親和性及び経時安定性を比較したところ、本発
明で得られるカーボンブラックが速やかに微分散され、
60日間静置しても安定であったのに対し、前記市販の
カーボンブラックは、分散初期でも水面に浮遊していた
り、また、時間の経過と共に分散状態が不安定化し沈降
する程度のものであった。 このように本発明の記録液
におけるカーボンブラックの活性水素含有量は従来品に
比べて著しく多く、これに比例するように水分散性が驚
くほど優れていることが理解できる。
【0047】また本発明の水性顔料インキに含まれるカ
ーボンブラックの平均粒径は、アクリル樹脂、スチレン
−アクリル酸樹脂、スチレン−マレイン酸樹脂等の水溶
性の分散樹脂や分散剤のない単純な水系の状態で測定す
ると、分散樹脂や分散剤の存在下に各種分散機で強いシ
ェアーを掛けて長時間分散しなくても約150nmとい
う水性顔料インキに好ましい粒径にすることができた。
また、2次凝集しているカーボンブラック(いわゆる液
中凝集体)が表面の極性基と水と良くなじみ、均一に微
分散されていることが認めたれた。
【0048】
【表1】
【0049】
【発明の効果】インクジェット記録用に用いた場合に吐
出安定性に優れ、そして細いペン先からもスムーズに筆
記できる充分な濃度の水性顔料インキが提供された。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水とカーボンブラックとを含有する水性
    顔料インキにおいて、該カーボンブラックが1.5mm
    ol/g以上の表面活性水素含有量を有する水性顔料イ
    ンキ。
  2. 【請求項2】 前記カーボンブラックの含有量が水性顔
    料インキ全量に対して、0.1〜50重量%である請求
    項1記載の水性顔料インキ。
  3. 【請求項3】 前記カーボンブラック表面に存在する酸
    性基の少なくとも一部がアルカリ金属塩となっている請
    求項1記載の水性顔料インキ。
  4. 【請求項4】 前記カーボンブラックの平均粒径が20
    0nm以下である請求項1記載の水性顔料インキ。
  5. 【請求項5】 水とカーボンブラックとを含有する水性
    顔料インキの製造方法において、(a)酸性カーボンブラ
    ックを得る工程と、(b)前記酸性カーボンブラックを水
    中で次亜ハロゲン酸塩で更に酸化する工程とを、包含す
    る水性顔料インキの製造方法。
  6. 【請求項6】 前記工程(a)及び(b)の後、更に水洗
    し、0.01μm以下の孔径を有する分離膜を用いて精
    製及び濃縮する工程を包含する請求項5記載の水性顔料
    インキの製造方法。
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