JPH11148026A - Easily water-dispersible carbon black - Google Patents

Easily water-dispersible carbon black

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JPH11148026A
JPH11148026A JP33240497A JP33240497A JPH11148026A JP H11148026 A JPH11148026 A JP H11148026A JP 33240497 A JP33240497 A JP 33240497A JP 33240497 A JP33240497 A JP 33240497A JP H11148026 A JPH11148026 A JP H11148026A
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carbon black
water
dst
upa
dispersion
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啓哲 新井
Masataka Kono
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Tokai Carbon Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a carbon black which easily disperses into water. SOLUTION: This carbon black is obtained by the oxidation of carbon black having a nitrogen-adsorbing specific area (N2 SA) of 80 m<2> /g or larger and a DBP oil-absorbing value of 70 ml/100 g or smaller. The resulting carbon black has a DUPA/Dst ratio of 1.5-2.0, wherein DUPA and Dst are an average particle size (nm) of the agglomerate and a Stokes mode diameter (nm) of the aggregate, respectively.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、水中への分散性が
優れたカーボンブラックに関する。
[0001] The present invention relates to carbon black having excellent dispersibility in water.

【0002】[0002]

【従来の技術】カーボンブラックは疎水性で水に対する
濡れ性が低いために水中に高濃度で安定に分散させるこ
とが極めて困難である。これはカーボンブラック表面に
存在する水分子との親和性が高い官能基、例えばカルボ
キシル基やヒドロキシル基などの親水性の官能基が極め
て少ないことに起因する。したがって、黒色顔料として
カーボンブラックを水中に分散させた水性顔料インキな
どに使用する場合にはカーボンブラックの水分散性を改
善する必要がある。
2. Description of the Related Art Since carbon black is hydrophobic and has low wettability with water, it is extremely difficult to stably disperse it in water at a high concentration. This is because the number of functional groups having high affinity for water molecules existing on the surface of the carbon black, for example, hydrophilic functional groups such as a carboxyl group and a hydroxyl group is extremely small. Therefore, when it is used as a black pigment in an aqueous pigment ink in which carbon black is dispersed in water, it is necessary to improve the water dispersibility of carbon black.

【0003】水性顔料インキは筆記具をはじめ、特に近
年ではインクジェットプリンター用の記録液などとして
注目されており、例えば特開平3−97770号公報に
は、水性媒体、ポリオキシエチレンスチリルフェニルエ
ーテル及び一次粒子径が20〜40nm、DBP吸油量が
40〜120ml/100g 、pHが7.0以上であるカーボ
ンブラックを含有することを特徴とするインキジェット
用記録液が提案されている。これは、分散剤としてポリ
オキシエチレンスチリルフェニルエーテルを用いること
により記録液の保存安定性の向上を図るもので、対象と
なるカーボンブラックには市販品が用いられ、カーボン
ブラックの変性については何ら意図されていない。
[0003] Aqueous pigment inks have attracted attention as writing materials, especially as recording liquids for ink jet printers in recent years. For example, JP-A-3-97770 discloses an aqueous medium, polyoxyethylenestyrylphenyl ether and primary particles. An ink jet recording liquid characterized by containing carbon black having a diameter of 20 to 40 nm, a DBP oil absorption of 40 to 120 ml / 100 g, and a pH of 7.0 or more has been proposed. This is intended to improve the storage stability of the recording liquid by using polyoxyethylene styryl phenyl ether as a dispersant. A commercially available carbon black is used as the target carbon black, and there is no intention to modify carbon black. It has not been.

【0004】また、カーボンブラックを酸化処理して表
面に親水性の官能基を形成することによりカーボンブラ
ックの水中への分散性を改良することは古くから知られ
ている。例えば特開昭48−18186号公報にはカー
ボンブラックを次亜ハロゲン酸塩の水溶液で酸化処理
し、ついで反応系より酸化カーボンブラックを分離捕集
するにあたり有機溶剤で洗浄することを特徴とする酸化
カーボンブラックの製造方法が、また、特開昭57−1
59856号公報にはカーボンブラックを低温酸化プラ
ズマ処理することを特徴とする水分散性改質カーボンブ
ラックの製造方法などが知られている。
It has long been known to improve the dispersibility of carbon black in water by oxidizing carbon black to form hydrophilic functional groups on the surface. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 48-18186 discloses a method of oxidizing carbon black with an aqueous solution of hypohalite, and then washing with an organic solvent to separate and collect the oxidized carbon black from the reaction system. A method for producing carbon black is disclosed in
JP-A-59856 discloses a method for producing a water-dispersible modified carbon black, which comprises subjecting carbon black to low-temperature oxidative plasma treatment.

【0005】更に、特開平8−3498号公報には水と
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、及び、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
法が提案されている。更に、特開平8−319444号
公報には吸油量100ml/100g 以下のカーボンブラック
を水性媒体中に微分散する工程;及び次亜ハロゲン酸塩
を用いて該カーボンブラックを酸化する工程;を包含す
る水性顔料インキの製造方法が開示されている。
Further, JP-A-8-3498 discloses an aqueous pigment ink containing water and carbon black, wherein the carbon black has a surface active hydrogen content of 1.5 mmol / g or more, and In a method for producing an aqueous pigment ink containing water and carbon black, (a) obtaining an acidic carbon black, and (b) further oxidizing the acidic carbon black with hypohalite in water. And a method for producing an aqueous pigment ink. JP-A-8-319444 further includes a step of finely dispersing carbon black having an oil absorption of 100 ml / 100 g or less in an aqueous medium; and a step of oxidizing the carbon black with a hypohalite. A method for producing an aqueous pigment ink is disclosed.

【0006】上記の特開平8−3498号公報及び特開
平8−319444号公報ではカーボンブラックを酸化
して、表面に親水性の官能基である活性水素を多く含有
させることにより、水分散性が良好で、長期間の分散安
定性に優れた水性顔料インキを得るものである。
In the above-mentioned JP-A-8-3498 and JP-A-8-319444, carbon black is oxidized to contain a large amount of active hydrogen, which is a hydrophilic functional group, on the surface, so that water dispersibility is improved. An object of the present invention is to obtain an aqueous pigment ink which is excellent and has excellent long-term dispersion stability.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、カーボ
ンブラック表面に親水性の官能基を形成するのみでは水
中へのカーボンブラックの分散性を高め、また長期に亘
る分散安定性あるいはカーボンブラック分散体粒子径の
均一化を維持させるためには限界がある。そこで、本発
明者らは水中におけるカーボンブラックの分散状態につ
いて詳細に研究を進めた結果、カーボンブラックの水中
への易分散性及び分散安定性などの分散性能はカーボン
ブラック粒子の凝集形態と密接な関係があることを見出
した。
However, the formation of only a hydrophilic functional group on the surface of carbon black enhances the dispersibility of carbon black in water, and the dispersion stability of carbon black over a long period of time or the particle size of the carbon black dispersion. There is a limit in maintaining the uniformity of the surface. Therefore, the present inventors have conducted detailed research on the dispersion state of carbon black in water, and as a result, the dispersibility of carbon black in water, such as easy dispersibility and dispersion stability, is closely related to the aggregation form of carbon black particles. I found a relationship.

【0008】すなわち、カーボンブラックの凝集形態
は、数個から数十個のカーボンブラックの基本微粒子が
不規則で複雑な鎖状に融着結合した凝集体(アグリゲー
ト)を形成し、更に、これらのアグリゲートが相互に絡
み合ったり、付着して凝集した集合体(アグロメレー
ト)から構成されている。したがって、カーボンブラッ
クの分散性能を向上させるためには、分散過程で生じる
凝集形態の変化による水中におけるアグリゲート及びア
グロメレートの割合、すなわちアグロメレートの割合を
小さくすることが有効である。
[0008] That is, the aggregate form of carbon black is such that several to several tens of basic fine particles of carbon black are fused and bonded in an irregular and complex chain form to form aggregates (aggregates). Are entangled with each other or adhered and aggregated (agglomerates). Therefore, in order to improve the dispersion performance of carbon black, it is effective to reduce the ratio of aggregate and agglomerate in water, that is, the ratio of agglomerate, due to a change in the aggregation form that occurs during the dispersion process.

【0009】本発明は上記の知見に基づいて完成したも
のであり、その目的の一つは水中へ容易にミクロ分散す
ることができ、かつ長期間に亘って分散状態を安定に保
持し得る、分散性能に優れた易水分散性カーボンブラッ
クを提供することである。更に、他の目的はこのカーボ
ンブラックを水中に高濃度でミクロ分散させて、例えば
インキジェットプリンターなどに用いられる記録液とし
て吐出安定性に優れ、紙定着濃度、印字品位、耐光性、
保存安定性などの良好な水性顔料インキを提供すること
にある。
The present invention has been completed on the basis of the above findings, and one of the objects of the present invention is to make it possible to easily microdisperse in water and to stably maintain a dispersed state for a long period of time. An object of the present invention is to provide an easily water-dispersible carbon black having excellent dispersibility. Further, the other purpose is to disperse this carbon black in water at a high concentration in a micro concentration, for example, as a recording liquid used in an ink jet printer, etc., which has excellent ejection stability, paper fixing density, print quality, light resistance,
An object of the present invention is to provide an aqueous pigment ink having good storage stability and the like.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による易水分散性カーボンブラックは、窒素
吸着比表面積(N2SA)が80m2/g以上、DBP吸油量が7
0ml/100g 以下のカーボンブラックを酸化処理したカー
ボンブラックであって、アグリゲートのストークスモー
ド径Dst(nm)とアグロメレートの平均粒径DUPA (nm)と
の比DUPA /Dstの値が1.5〜2.0の特性を備える
ことを構成上の特徴とする。
The water-dispersible carbon black of the present invention for achieving the above object has a nitrogen adsorption specific surface area (N 2 SA) of 80 m 2 / g or more and a DBP oil absorption of 7 or more.
A carbon black obtained by oxidizing carbon black of 0 ml / 100 g or less, wherein the ratio D UPA / Dst of the Stokes mode diameter Dst (nm) of the aggregate to the average particle diameter D UPA (nm) of the agglomerate is 1. It is characterized by having a characteristic of 5 to 2.0.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】本発明において、カーボンブラッ
クの特性として窒素吸着比表面積(N2SA)が80m2/g以
上、DBP吸油量が70ml/100g 以下に限定するのは、
優れた分散性能を付与するための前提要件となるもので
ある。すなわち、カーボンブラックを水中に分散する場
合、その比表面積が小さいと水分子との接触界面も小さ
くなるので分散性が低下し、また、DBP吸油量が大き
い、すなわちストラクチャー水準が高いと水中に分散し
た状態におけるカーボンブラックの凝集単位が大きくな
り、長期に亘る分散時において沈降し易くなる。したが
って、カーボンブラックがより小さい凝集単位で水中に
分散していることが必要であり、分散凝集単位が大きい
と、水に分散させた場合には濾過性が低下し、例えば水
性顔料インキとした場合に吐出安定性を高位に維持する
ことができなくなる。すなわち、この前提特性を外れる
窒素吸着比表面積(N2SA)が80m2/gを下回り、DBP吸
油量が70ml/100g を越える場合にはカーボンブラック
が水中にミクロ分散し難くなるためである。なお、窒素
吸着比表面積(N2SA)およびDBP吸油量は下記の方法に
より測定した値である。 窒素吸着比表面積(N2SA);ASTM D3037-88 Method B DBP吸油量 ;JIS K6221-82 A法
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the present invention, the characteristics of carbon black that the nitrogen adsorption specific surface area (N 2 SA) is limited to 80 m 2 / g or more and the DBP oil absorption is limited to 70 ml / 100 g or less are as follows.
This is a prerequisite for providing excellent dispersion performance. That is, when carbon black is dispersed in water, if its specific surface area is small, the contact interface with water molecules is also small, so that the dispersibility is reduced. Also, if the DBP oil absorption is large, that is, if the structure level is high, it is dispersed in water. The aggregate unit of the carbon black in the degraded state becomes large, and it tends to settle during long-term dispersion. Therefore, it is necessary that the carbon black is dispersed in water in smaller aggregation units, and when the dispersion aggregation units are large, the filterability is reduced when dispersed in water. Therefore, it becomes impossible to maintain the ejection stability at a high level. That is, when the nitrogen adsorption specific surface area (N 2 SA) deviating from the prerequisite characteristics is less than 80 m 2 / g and the DBP oil absorption exceeds 70 ml / 100 g, it becomes difficult for carbon black to be micro-dispersed in water. The nitrogen adsorption specific surface area (N 2 SA) and DBP oil absorption are values measured by the following methods. Nitrogen adsorption specific surface area (N 2 SA); ASTM D3037-88 Method B DBP oil absorption; JIS K6221-82 A method

【0012】本発明の易水分散性カーボンブラックは、
上記の特性を有するカーボンブラックを対象としてアグ
リゲートのストークスモード径Dst(nm)とアグロメレー
トの平均粒径DUPA (nm)との比DUPA /Dstの値が1.
5〜2.0の選択的特性を有するカーボンブラックを用
いることにより、酸化処理により水素含有表面官能基量
が付与されて水中において易分散を示すものである。
The water-dispersible carbon black of the present invention comprises:
The value of the ratio D UPA / Dst between the Stokes mode diameter Dst (nm) of the aggregate and the average particle diameter D UPA (nm) of the agglomerate is 1 for carbon black having the above characteristics.
By using carbon black having a selectivity of 5 to 2.0, the amount of the hydrogen-containing surface functional group is imparted by oxidation treatment, and the carbon black easily disperses in water.

【0013】カーボンブラックを水中に分散させる場
合、水中への易分散性及び分散安定性などの分散性能を
高めるためには、カーボンブラック粒子がより微細な凝
集形態で水中に分散していることが必要である。カーボ
ンブラックの凝集形態は、数個〜数十個のカーボンブラ
ックの基本微粒子が融着結合して、最小凝集単位である
アグリゲートを形成し、これらのアグリゲートが相互に
絡み合ったり、付着して集合したアグロメレートから構
成されている。したがって、カーボンブラックの最小凝
集単位であるアグリゲートの状態で水中に分散し、アグ
リゲートが集合したアグロメレートが存在しない分散状
態が理想的である。
When carbon black is dispersed in water, the carbon black particles must be dispersed in water in a finer agglomerated form in order to enhance the dispersing performance such as easy dispersibility in water and dispersion stability. is necessary. In the aggregate form of carbon black, several to several tens of basic particles of carbon black are fused and bonded to form aggregates, which are the minimum aggregate units, and these aggregates are entangled or adhered to each other. Consists of aggregated agglomerates. Therefore, it is ideal that the aggregate is dispersed in water in the state of the aggregate that is the minimum aggregation unit of carbon black, and the aggregate is not dispersed in the agglomerate.

【0014】本発明は、カーボンブラックのアグリゲー
トのストークスモード径Dst(nm)とアグロメレートの平
均粒径DUPA (nm)との比DUPA /Dstの値を1.5〜
2.0に設定するものである。このDUPA /Dstの値は
水中に分散しているカーボンブラックの凝集形態を示す
指標となるものであり、DUPA /Dstの値が大きい程分
散しているカーボンブラックの凝集形態はアグロメレー
トの比率が高く、この値が小さい程アグロメレートの比
率が低く、アグリゲートの割合が多くなる。そして、D
UPA /Dstの値が1に近いほどアグリゲートの状態でミ
クロ分散している度合いが大きく、アグロメレートが全
て解きほぐされた理想的な分散状態下では、DUPA はD
stに一致してDUPA /Dst=1となる。本発明は、この
UPA /Dstの値を好適範囲に設定することにより分散
性能の向上を図るもので、より好ましくは1.5〜1.
8の範囲に設定する。
According to the present invention, the value of the ratio D UPA / Dst between the Stokes mode diameter Dst (nm) of the carbon black aggregate and the average particle diameter D UPA (nm) of the agglomerate is 1.5 to 1.5.
2.0. The value of D UPA / Dst is an index indicating the form of aggregation of carbon black dispersed in water, and the larger the value of D UPA / Dst, the more the form of aggregation of carbon black dispersed is the ratio of agglomerate. The smaller the value, the lower the ratio of agglomerates and the higher the ratio of aggregates. And D
The closer the value of UPA / Dst is to 1, the greater the degree of microdispersion in the aggregate state, and under the ideal dispersion state where all the agglomerates are loosened, DUPA is D
D UPA / Dst = 1 in accordance with st. In the present invention, the dispersion performance is improved by setting the value of D UPA / Dst in a suitable range, and more preferably, 1.5 to 1.
Set to the range of 8.

【0015】上記の特性Dst及びDUPA は、下記の測定
方法によって得られた値が用いられる。 (1)アグリゲートのストークスモード径Dst(nm):JI
S K6221(1982) 5「乾燥試料の作り方」に基づいて乾
燥したカーボンブラック試料を少量の界面活性剤を含む
20容量%エタノール水溶液と混合してカーボンブラッ
ク濃度100mg/lの分散液を作成し、これを超音波で十
分に分散させて試料とする。ディスク・セントリフュー
ジ装置(英国Joyes Lobel 社製)を6000rpm の回転
数に設定し、スピン液(2重量%グリセリン水溶液、2
5℃)を15ml加えた後、1mlのバッファー液(20容
量%エタノール水溶液、25℃)を注入する。次いで、
温度25℃のカーボンブラック分散液0.5mlを注射器
で加えた後、遠心沈降を開始し、同時に記録計を作動さ
せて図1に示す分布曲線(横軸:カーボンブラック分散
液を注射器で加えてからの経過時間、縦軸:カーボンブ
ラックの遠心沈降に伴い変化した特定点での吸光度)を
作成する。この分布曲線より各時間Tを読み取り、次式
(数1)に代入して各時間に対応するストークス相当径
を算出する。
As the above characteristics Dst and D UPA , values obtained by the following measuring methods are used. (1) Stokes mode diameter Dst (nm) of aggregate: JI
SK6221 (1982) 5 A dispersion of carbon black concentration 100 mg / l was prepared by mixing a dried carbon black sample with a 20% by volume aqueous ethanol solution containing a small amount of a surfactant based on "How to prepare a dried sample". This is sufficiently dispersed with an ultrasonic wave to obtain a sample. A disk centrifuge (manufactured by Joyes Lobel, UK) was set to a rotation speed of 6000 rpm, and a spin solution (2% by weight glycerin aqueous solution,
After adding 15 ml (5 ° C.), 1 ml of a buffer solution (20% by volume aqueous ethanol solution, 25 ° C.) is injected. Then
After adding 0.5 ml of the carbon black dispersion at a temperature of 25 ° C. with a syringe, centrifugal sedimentation was started, and at the same time, the recorder was operated to distribute the distribution curve shown in FIG. , The vertical axis: the absorbance at a specific point changed with the centrifugal sedimentation of carbon black). Each time T is read from this distribution curve and substituted into the following equation (Equation 1) to calculate the Stokes equivalent diameter corresponding to each time.

【0016】[0016]

【数1】 (Equation 1)

【0017】数1において、ηはスピン液の粘度(0.935
cp)、Nはディスク回転スピード(6000 rpm)、r1 はカ
ーボンブラック分散液注入点の半径(4.56 cm) 、r2
吸光度測定点までの半径(4.82 cm) 、ρCBはカーボンブ
ラックの密度(g/cm3) 、ρ1はスピン液の密度(1.00178
g/cm3) である。
In Equation 1, η is the viscosity of the spin liquid (0.935
cp), N is the disk rotation speed (6000 rpm), r 1 is the radius of the carbon black dispersion injection point (4.56 cm), r 2 is the radius to the absorbance measurement point (4.82 cm), ρ CB is the density of carbon black (g / cm 3 ), ρ 1 is the density of the spin liquid (1.00178
g / cm 3 ).

【0018】このようにして得られたストークス相当径
と吸光度の分布曲線(図2)における最大頻度のストー
クス相当径を、アグリゲートのストークスモード径Dst
(nm)とする。
The Stokes equivalent diameter of the maximum frequency in the Stokes equivalent diameter and the absorbance distribution curve (FIG. 2) obtained in this manner is calculated as the Stokes mode diameter Dst of the aggregate.
(nm).

【0019】(2)アグロメレートの平均粒径DUPA (n
m):カーボンブラックを水に分散して0.1〜0.5g/
l の分散液を調製し、ヘテロダインレーザドップラー方
式粒度分布測定装置(マイクロトラック社製、UPAmode1
9340)を用いて分散液にレーザー光を照射して、散乱光
の周波数変調の度合いから分散液中のカーボンブラック
の平均粒径DUPA (nm)を測定する。分散液中のカーボン
ブラックはブラウン運動しており、ドップラー効果によ
って分散しているカーボンブラック凝集体の大きさによ
り散乱光の周波数が変調する。したがって、凝集体の大
きさによるブラウン運動の激しさが異なることから、水
中に分散している状態における凝集体の大きさ、すなわ
ちアグロメレートの平均粒径D UPA (nm)を測定すること
ができる。なお、測定の原理は特開平3−170844
号公報に詳細に述べられている。
(2) Average particle size D of agglomerateUPA(n
m): 0.1 to 0.5 g /
l) and prepare a heterodyne laser Doppler
Particle size distribution analyzer (Microtrac, UPAmode1)
9340) by irradiating the dispersion with laser light,
The degree of frequency modulation of carbon black in the dispersion
Average particle size DUPA(nm). Carbon in dispersion
Black has a Brownian motion, due to the Doppler effect.
Depending on the size of the carbon black aggregates dispersed
The frequency of the scattered light is modulated. Therefore, large aggregates
Because the intensity of the Brownian motion differs depending on the size, water
Size of aggregates in the state of being dispersed inside,
Agglomerate average particle size D UPAMeasuring (nm)
Can be. The principle of the measurement is described in JP-A-3-170844.
This is described in detail in the official gazette.

【0020】本発明において、上記した特性を有するカ
ーボンブラックを酸化処理することにより易水分散性の
カーボンブラックとなる。酸化処理方法は特に制限され
るものではないが湿式酸化が好ましい。酸化剤には例え
ば酸素、オゾン、ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、次亜ハロ
ゲン酸、次ハロゲン酸などのハロゲン酸やハロゲン酸系
の塩類やペルオキソ-2- 硫酸塩などの過硫酸塩などの酸
素原子を含む塩類が用いられるが、湿式酸化処理により
カーボンブラック表面に形成したカルボキシル基やヒド
ロキシル基を塩に変性すると、水との親水性がより改善
されて分散性が向上するので、望ましくは酸化剤として
次亜ハロゲン酸塩、亜ハロゲン酸塩や過硫酸塩が使用さ
れる。塩としては、アンモニウム塩やナトリウム、カリ
ウム、リチウムなどのアルカリ金属塩が好ましい。
In the present invention, the water-dispersible carbon black is obtained by oxidizing the carbon black having the above-mentioned properties. The oxidation treatment method is not particularly limited, but wet oxidation is preferred. Oxidizing agents include oxygen atoms such as oxygen, ozone, halogen acids, halogen acids, hypohalous acids, halogen acids such as hypohalous acids, salts of halogen acids, and persulfates such as peroxo-2-sulfates. Is used, but when carboxyl groups or hydroxyl groups formed on the carbon black surface by wet oxidation treatment are modified into salts, the hydrophilicity with water is further improved and the dispersibility is improved. Hypohalites, persulfates and the like. As the salt, an ammonium salt or an alkali metal salt such as sodium, potassium or lithium is preferable.

【0021】また、カーボンブラックに予め酸素酸化処
理またはオゾン酸化処理を施してから湿式酸化処理を行
うと、湿式酸化を促進し親水性の官能基の付加が促進さ
れるのでより好ましく、酸化処理したのち中和してカー
ボンブラックを濾別し、分離したカーボンブラックは付
着している酸化剤を除去するために、電気透析、限外濾
過などの手段により塩類を除去して濃縮する方法や水洗
洗浄したのち乾燥する方法などにより本発明の易水分散
性カーボンブラックが得られる。
It is more preferable that the carbon black is previously subjected to an oxygen oxidation treatment or an ozone oxidation treatment and then subjected to a wet oxidation treatment, since wet oxidation is promoted and addition of a hydrophilic functional group is promoted. After neutralization, the carbon black is separated by filtration, and the separated carbon black is removed by electrodialysis, ultrafiltration, etc. to remove salts and concentrated by removing the oxidizing agent, or by washing with water. After that, the water-dispersible carbon black of the present invention can be obtained by a method such as drying.

【0022】酸化処理されたカーボンブラックには表面
にカルボキシル基やヒドロキシル基の親水性の水素含有
表面官能基が形成され、水分子との親和性が向上する。
本発明においては、水素含有表面官能基量はカーボンブ
ラック表面に3μeq/m2以上に形成することが望まし
い。これらの官能基量が3μeq/m2未満であると形成さ
れた親水性のカルボキシル基やヒドロキシル基量が少な
いので水中への分散性が低下する。カーボンブラックが
水中に分散する過程においては、カーボンブラックと水
分子との接触界面に存在する親水性の官能基量が重要な
機能を果たし、カーボンブラック単位重量当たりの官能
基量では分散性の良否を的確に評価することはできな
い。そこで、カーボンブラック単位表面積当たりに存在
する水素含有表面官能基量を指標とするものである。
Hydrogen-containing surface functional groups such as carboxyl groups and hydroxyl groups are formed on the surface of the oxidized carbon black, and the affinity for water molecules is improved.
In the present invention, the amount of the hydrogen-containing surface functional group is desirably formed on the carbon black surface at 3 μeq / m 2 or more. When the amount of these functional groups is less than 3 μeq / m 2, the amount of the formed hydrophilic carboxyl groups and hydroxyl groups is small, so that the dispersibility in water is reduced. In the process of dispersing carbon black in water, the amount of hydrophilic functional groups present at the contact interface between carbon black and water molecules plays an important role. Cannot be evaluated accurately. Therefore, the amount of the hydrogen-containing surface functional group existing per unit surface area of carbon black is used as an index.

【0023】なお、これらの水素含有表面官能基量は下
記の方法により測定した値が用いられる。 カルボキシル基量:O.976N炭酸水素ナトリウム
50ml中にカーボンブラック2〜5g を添加して6時間
振盪した後、カーボンブラックを反応液から濾別し、濾
液に0.05N塩酸水溶液を加えたのち、pHが7.0
になるまで0.05N水酸化ナトリウム水溶液にて中和
滴定試験を行ってカルボキシル基を測定する。この測定
値をカーボンブラックの窒素吸着比表面積(N2SA ;m2/g)
で除した値を、カーボンブラックの単位表面積当たりに
形成されたカルボキシル基量(μeq/m2)とする。
The values of these hydrogen-containing surface functional groups measured by the following method are used. Carboxyl group content: After adding 2 to 5 g of carbon black to 50 ml of 976N sodium hydrogencarbonate and shaking for 6 hours, the carbon black was separated by filtration from the reaction solution, and a 0.05N aqueous hydrochloric acid solution was added to the filtrate.
The neutralization titration test is performed with a 0.05N aqueous solution of sodium hydroxide until the carboxyl group is measured. This measured value is the nitrogen adsorption specific surface area of carbon black (N 2 SA; m 2 / g)
Is defined as the amount of carboxyl groups formed per unit surface area of carbon black (μeq / m 2 ).

【0024】ヒドロキシル基量:2、2′-Diphenyl-
1-picrylhydrazyl(DPPH)を四塩化炭素中に溶解して濃度
5×10-4mol/l の溶液を作成し、該溶液にカーボンブ
ラックを0.1〜0.6g添加し、60℃の恒温槽中で
6時間撹拌する。その後、反応液からカーボンブラック
を濾別し、濾液を紫外線吸光光度計によりヒドロキシル
基を測定する。このようにして測定した値をカーボンブ
ラックの窒素吸着比表面積(N2SA ;m2/g)で除した値を、
カーボンブラックの単位表面積当たりに形成されたヒド
ロキシル基量(μeq/m2)とする。
Hydroxyl content: 2,2'-Diphenyl-
1-picrylhydrazyl (DPPH) is dissolved in carbon tetrachloride to prepare a solution having a concentration of 5 × 10 −4 mol / l, and 0.1 to 0.6 g of carbon black is added to the solution, and the solution is kept at a constant temperature of 60 ° C. Stir in the bath for 6 hours. Thereafter, carbon black is separated from the reaction solution by filtration, and the filtrate is measured for hydroxyl groups by an ultraviolet absorption spectrophotometer. The value measured in this way was divided by the nitrogen adsorption specific surface area of carbon black (N 2 SA; m 2 / g),
The amount of hydroxyl groups formed per unit surface area of carbon black (μeq / m 2 ).

【0025】[0025]

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して具
体的に説明する。
EXAMPLES Examples of the present invention will be specifically described below in comparison with comparative examples.

【0026】実施例1〜4、比較例1〜4 窒素吸着比表面積(N2SA)及びDBP吸油量が異なるカー
ボンブラック試料を用いて、各カーボンブラック試料1
50g をオゾン処理容器に入れ、常温でオゾンを18g/
hrの流量で流通させて1時間処理した。このオゾン処理
した各カーボンブラックを有効塩素濃度6%の次亜塩素
酸ナトリウムまたは1.5Nペルオキソ2硫酸アンモニ
ウム水溶液3000ml中に混合し、撹拌しながら反応温
度及び反応時間を変えて酸化処理した。次いで、次亜塩
素酸ナトリウムにて酸化したものは希塩酸で、またペル
オキソ2硫酸アンモニウムで酸化したものは苛性ソーダ
水溶液で中和したのち電気透析にて残塩を除去し、カー
ボンブラック分散濃度が20重量%となるように水分を
蒸発させて易水分散性カーボンブラックを得た。
Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 Using carbon black samples having different nitrogen adsorption specific surface area (N 2 SA) and DBP oil absorption, each carbon black sample 1
50 g is put in an ozone treatment container, and ozone is
It was circulated at a flow rate of hr and treated for 1 hour. Each of the ozone-treated carbon blacks was mixed with sodium hypochlorite having an effective chlorine concentration of 6% or 3,000 ml of a 1.5 N aqueous solution of ammonium peroxodisulfate, and oxidized while changing the reaction temperature and reaction time while stirring. Next, those oxidized with sodium hypochlorite are diluted with dilute hydrochloric acid, and those oxidized with ammonium peroxodisulfate are neutralized with an aqueous solution of caustic soda, and the remaining salts are removed by electrodialysis. The carbon black dispersion concentration is 20% by weight. The water was evaporated to obtain a water-dispersible carbon black.

【0027】得られた易水分散性カーボンブラックにつ
いて、アグリゲートのストークスモード径Dst(nm)及び
アグロメレートの平均粒径DUPA (nm)を測定して、その
比DUPA /Dstを算出した。また、カルボキシル基及び
ヒドロキシル基を測定し、カルボキシル基量とヒドロキ
シル基量との和を水素含有表面官能基量とした。なおア
グリゲートのストークスモード径Dstの測定では、乾燥
した試料を測定液に分散させて測定した。このようにし
て得られた結果を表1に示した。
With respect to the obtained water-dispersible carbon black, the Stokes mode diameter Dst (nm) of the aggregate and the average particle diameter D UPA (nm) of the agglomerate were measured, and the ratio D UPA / Dst was calculated. Further, the carboxyl group and the hydroxyl group were measured, and the sum of the carboxyl group amount and the hydroxyl group amount was defined as the hydrogen-containing surface functional group amount. In the measurement of the Stokes mode diameter Dst of the aggregate, the measurement was performed by dispersing a dried sample in a measurement liquid. Table 1 shows the results thus obtained.

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】次に、これらの酸化したカーボンブラック
の水への分散性能を評価するためにカーボンブラック分
散濃度が20重量%に調整した分散体について下記の方
法で試験を行って、各カーボンブラックの分散性能を評
価した。その結果を表2に示した。
Next, in order to evaluate the dispersing performance of these oxidized carbon blacks in water, a dispersion prepared by adjusting the carbon black dispersion concentration to 20% by weight was tested by the following method. Dispersion performance was evaluated. The results are shown in Table 2.

【0030】(a)粘度の測定; サンプルを密閉容器に入れ、70℃の温度に保持して
一週間経過後の粘度を測定して、加温時の粘度安定性を
比較した。なお、粘度は回転振動式粘度計〔山一電機
(株)製、VM-100A-L 〕により測定した。 −20℃で24時間冷凍したのち常温で解凍して粘度
を測定するサイクルを繰り返して行い、粘度変化から冷
凍解凍時の安定性を比較した。なお、粘度は回転振動式
粘度計〔山一電機(株)製、VM-100A-L 〕により測定し
た。
(A) Measurement of Viscosity: The sample was placed in a closed container, and the viscosity was measured one week after the temperature was maintained at 70 ° C., and the viscosity stability upon heating was compared. The viscosity was measured with a rotational vibration type viscometer (VM-100A-L, manufactured by Yamaichi Electric Co., Ltd.). After freezing at −20 ° C. for 24 hours, the cycle of thawing at room temperature and measuring the viscosity was repeated, and the stability during freezing and thawing was compared based on the change in viscosity. The viscosity was measured with a rotational vibration type viscometer (VM-100A-L, manufactured by Yamaichi Electric Co., Ltd.).

【0031】(b)アグロメレートの平均粒径DUPA の測
定;70℃の温度に保持して一週間経過後の分散水中の
アグロメレートの平均粒径DUPA (nm)を測定して、その
変化を比較した。
[0031] (b) measurement of the average particle diameter D UPA of the agglomerate; by measuring the 70 ° C. temperature to the holding to one week of the agglomerate of the dispersion water after the average particle diameter D UPA (nm), the change Compared.

【0032】(c)濾過性;分散水を90φの濾紙(NO.
2)、及び膜孔 3μm 、0.8 μm 、0.45μm のフィルタ
ーを用いて20Torrの減圧下で濾過試験を行い、濾紙通
過量を比較した。
(C) Filterability: Dispersed water was filtered with 90φ filter paper (NO.
2) and a filtration test was carried out under a reduced pressure of 20 Torr using filters of 3 μm, 0.8 μm, and 0.45 μm in pore size, and the amount of filter paper passed was compared.

【0033】(d)印字濃度;分散水をカーボンブラック
濃度3重量%に希釈し、XEROX 1321用紙に#3バーコーダ
により印字し、マクベス濃度計(コルモーゲン社製 RD-
918 )を用いて光学濃度を測定した。
(D) Print density: The dispersion water was diluted to a carbon black concentration of 3% by weight, printed on a XEROX 1321 paper using a # 3 bar coder, and a Macbeth densitometer (RD-produced by Colmorgen) was used.
918) was used to measure the optical density.

【0034】[0034]

【表2】 [Table 2]

【0035】表1及び表2の結果から、窒素吸着比表面
積(N2SA)が80m2/g以上、DBP吸油量が70ml/100g
以下のカーボンブラックを酸化処理したカーボンブラッ
クであって、アグリゲートのストークスモード径Dst(n
m)とアグロメレートの平均粒径DUPA (nm)との比DUPA
/Dstの値を1.5〜2.0とした実施例1〜4のカー
ボンブラックは、水中への分散性能および濾過性に優れ
ていることが認められる。すなわち、実施例1〜4のカ
ーボンブラックを水中に分散させた分散水は、70℃に
加温して一週間経過後の粘度は殆ど変化せず、また冷凍
解凍時のサイクルを繰り返しても粘度変化は僅かであ
り、分散安定性が優れていることが判る。これは水中に
おいて、ミクロ分散したアグリゲートやアグロメレート
が再集合して、より大きな凝集体の形成が抑制されるた
めであり、したがって、分散水の濾過性も高い。
From the results of Tables 1 and 2, the nitrogen adsorption specific surface area (N 2 SA) is 80 m 2 / g or more, and the DBP oil absorption is 70 ml / 100 g.
The following carbon blacks are oxidized carbon blacks, and the Stokes mode diameter Dst (n
m) and the average particle size D UPA (nm) of agglomerates D UPA
It is recognized that the carbon blacks of Examples 1 to 4 in which the value of / Dst is 1.5 to 2.0 have excellent dispersibility in water and filterability. That is, the dispersion water obtained by dispersing the carbon blacks of Examples 1 to 4 in water was heated to 70 ° C., and the viscosity after one week passed hardly changed. The change was slight, indicating that the dispersion stability was excellent. This is because the microdispersed aggregates and agglomerates are reassembled in water and the formation of larger aggregates is suppressed, and thus the filterability of the dispersed water is high.

【0036】これに対して、本発明の要件を外れる比較
例1〜4のカーボンブラックを水中に分散させた分散水
では、70℃に加温及び冷凍解凍を繰り返した場合に、
粘度は一定あるいは低下し安定しているが、DUPA /D
stが大きいためカーボンブラック自体のアグリゲートが
大きく、またアグロメレートが再凝集しているために濾
過性に劣る。
On the other hand, in the dispersion water in which the carbon blacks of Comparative Examples 1 to 4, which do not satisfy the requirements of the present invention, are dispersed in water, heating and freezing and thawing at 70 ° C. are repeated.
The viscosity is constant or reduced and stable, but D UPA / D
Since the st is large, the aggregate of the carbon black itself is large, and the filterability is poor because the agglomerates are re-aggregated.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、水中に
容易に分散することができ、また長期に亘って分散状態
を安定に維持できる優れた分散性能を有する易水分散性
カーボンブラックが提供される。また、この易水分散性
カーボンブラックを水中に分散させた水性顔料は、例え
ば、インキジェットプリンターなどに用いられる記録液
として吐出安定性に優れ、紙定着濃度、印字品位、耐光
性、保存安定性などが良好である。したがって、インキ
ジェットプリンター用の記録液をはじめ、各種筆記具な
ど、広い用途分野で用いる水性顔料インキとして極めて
有用である。
As described above, according to the present invention, an easily water-dispersible carbon black having excellent dispersibility, which can be easily dispersed in water and can stably maintain a dispersed state for a long period of time, can be obtained. Provided. An aqueous pigment obtained by dispersing the water-dispersible carbon black in water has excellent ejection stability as a recording liquid used in an ink jet printer, for example, and has a high paper fixing density, print quality, light resistance, and storage stability. Etc. are good. Therefore, it is extremely useful as a water-based pigment ink used in a wide range of application fields such as recording liquids for ink jet printers and various writing instruments.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】Dstの測定時におけるカーボンブラック分散液
を加えてからの経過時間とカーボンブラックの遠心沈降
による吸光度の変化を示した分布曲線である。
FIG. 1 is a distribution curve showing changes in absorbance due to centrifugal sedimentation of carbon black and elapsed time from the addition of a carbon black dispersion at the time of measurement of Dst.

【図2】Dstの測定時に得られるストークス相当径と吸
光度の関係を示す分布曲線である。
FIG. 2 is a distribution curve showing the relationship between Stokes equivalent diameter and absorbance obtained at the time of measuring Dst.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒素吸着比表面積(N2SA)が80m2/g以
上、DBP吸油量が70ml/100g 以下のカーボンブラッ
クを酸化処理したカーボンブラックであって、アグリゲ
ートのストークスモード径Dst(nm)とアグロメレートの
平均粒径DUPA(nm)との比DUPA /Dstの値が1.5〜
2.0の特性を備えることを特徴とする易水分散性カー
ボンブラック。
1. A carbon black obtained by oxidizing carbon black having a nitrogen adsorption specific surface area (N 2 SA) of 80 m 2 / g or more and a DBP oil absorption of 70 ml / 100 g or less, and a Stokes mode diameter Dst ( nm) and the average particle size D UPA (nm) of the agglomerate D UPA / Dst is 1.5 to
An easily water-dispersible carbon black having a property of 2.0.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US9217944B2 (en) 2007-04-24 2015-12-22 Cabot Corporation Low structure carbon black and method of making same
JP2019021421A (en) * 2017-07-12 2019-02-07 日本ケミコン株式会社 Conductive carbon mixture, electrode arranged by use of the mixture, and power storage device having the electrode

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