NL8701280A - Verhoogde oplosbaarheid van koolstofzwart. - Google Patents

Description

I r Λ VO 9169 -1-

Verhoogde oplosbaarheid van koolstofzwart.

De uitvinding heeft betrekking op inkten voor inktstraaldrukkers, en meer in het bijzonder op een werkwijze voor het verhogen van de oplosbaarheid van koolstofzwart in dergelijke inkten,

Koolstofzwart is een materiaal met een variabele deeltjesgrootte 5 dat in essentie uit koolstof bestaat, met variabele functionele groepen daaraan gebonden. Het is onoplosbaar in alle vloeistoffen, maar zal in sommige vloeistoffen gedurende langere tijdsperioden in suspensie blijven.

Koolstofzwart is een onuitwisbaar, zeer opaak drukmateriaal. Het 10 reageert niet met papier of kopieermachines. Er vindt geen fotochemische ontleding plaats, en daardoor is het een aanvaardbaar drukmateriaal voor archiefdoeleinden. De meeste inktstraalvloeistoffen beantwoorden niet aan deze criteria.

Op grootte geselecteerd koolstofzwart kan gemakkelijk worden 15 gezuiverd om ongewenst materiaal te verwijderen ; in dit opzicht is het derhalve superieur aan inkten die op kleurstofmoleculen zijn gebaseerd.

Hoewel koolstofzwart verscheidene gewenste eigenschappen heeft waardoor het een uitstekende candidaat is voor inktsamenstellingen die 20 in het inktstraaldrukken worden gebruikt, zijn echter koolstofzwart- suspensies gemakkelijk onderhevig aan verdamping van de dragervloeistof en slaan gemakkelijk uit de suspensie neer. Deze neiging tot neerslag-vorming beperkt de bruikbaarheid van koolstofzwart in inktstraalvloei-stof fen.

25 Doel van de uitvinding is derhalve om een werkwijze te verschaf fen voor het verminderen van de neiging van koolstofzwart om uit inktstraalvloeistoffen neer te slaan.

Een ander doel van de uitvinding is om een werkwijze te verschaffen waarmee de oplosbaarheid, meer in het bijzonder de dispergeerbaarheid 30 van koolstofzwart in inktstraalvloeistoffen wordt vergroot.

Deze en andere doeleinden van de uitvinding zullen uit de hierna volgende toelichting duidelijker worden.

Volgens de uitvinding wordt de dispergeerbaarheid van koolstofzwart in inktstraaldrukvloeistoffen vergroot. De werkwijze omvat het 35 vormen van een suspensie van koolstofzwart in een niet-reactief oplos- 8701280 ♦ -2- middel, het toevoegen van een silyleringsmiddel, het verwijderen van het reactieprodukt van het silyleringsmiddel en het koolstof zwart, en het vormen van een suspensie van het reactieprodukt in een oplosmiddel om te worden gebruikt als een inktstraaldrukvloeistof.

5 Volgens de werkwijze van de uitvinding wordt de dispergeerbaarheid van koolstofzwart in vloeistoffen vergroot. In een bepaald opzicht lijkt het alsof de oplosbaarheid van het koolstofzwart is toegenomen, en de vloeistof die het koolstofzwart bevat lijkt inderdaad meer op een oplossing dan op een suspensie, doordat de koolstofzwartdeeltjes met het ver-10 strijken van de tijd niet gemakkelijk neerslaan. De koolstofzwart "moleculen" lossen echter niet in de vloeistof op in de zin zoals moleculen zoals zout of suiker oplossen.

De werkwijze volgens de uitvinding omvat kort gezegd: (a) het vormen van een suspensie van koolstofzwart in een niet-reactief 15 oplosmiddel; (b) het toevoegen van een silyleringsmiddel; (c) het verwijderen van het reactieprodukt van het silyleringsmiddel en het koolstofzwart; en (d) het vormen van een suspensie van het reactieprodukt in een oplos- 20 middel om te worden gebruikt als een inktstraaldrukvloeistof.

Het koolstofzwart dat gebruikt wordt, is in de handel verkrijgbaar koolstofzwart. Het is echter gewenst dat de verdeling van de deel-tjesafmetingen zo uniform mogelijk is. Verder dient de deeltjesgrootte van het koolstofzwart bij voorkeur te liggen tussen ongeveer 0,5 en 10 25 urn. Deeltjes die kleiner zijn dan ongeveer 0,5 ym reflecteren licht en vertonen derhalve kleur, hetgeen voor een zwarte inkt ongewenst is. Deeltjes die groter zijn dan ongeveer 10 ym kunnen de openingen van de inkt-straalpen verstoppen.

De vloeistof of het medium waarin het koolstofzwart eerst wordt 30' gesuspendeerd, is niet-reactief. Voorbeelden daarvan zijn xyleen (ortho-, meta-, en para-vormen en mengsels daarvan), benzeen en andere aromatische koolwaterstoffen.

De gebruikte hoeveelheid vloeistof wordt door twee overwegingen beheerst. Allereerst moet er voldoende vloeistof zijn zodat het koolstof-35 zwart in de niet-reactieve vloeistof volledig wordt gedispergeerd. Aggregatie van de koolstofdeeltjes dient te worden vermeden, omdat aggregatie 8701280 » -3- een nadelige invloed op de sylileringsreactie zou hebben. Op de tweede plaats dient het volume van de niet-reactieve vloeistof zo laag mogelijk te worden gehouden, omdat de vloeistof na de silylering zal worden verwijderd om te worden terug gewonnen. Consistent met deze overwegingen 5 is dat de dispersie een bereik van ongeveer 1 tot 7 gew.% koolstofzwart omvat.

De dispersie wordt met een willekeurig geschikt middel geroerd, bijvoorbeeld met een magnetische roerder of met ultrasone middelen, teneinde een in hoofdzaak uniforme dispersie te verkrijgen. Een in hoofd-10 zaak uniforme dispersie wordt normaal verkregen in een tijdsbestek van ongeveer 1 tot 3 uur, gewoonlijk binnen ongeveer 2 uur.

Na de vorming van de in hoofdzaak uniforme dispersie wordt een silyleringsmiddel toegevoegd aan de dispersie. Het silyleringsmiddel omvat een organo-silaan met één of meerdere polaire adducten. Een gepre-15 fereerd voorbeeld is hexamethyl disilizaan, met de formule (CH^)^SiNH-Si(CH3)3.

Het organo-silaanmolecuul is bij voorkeur niet al te groot, om effecten van sterische hindering tot een minimum te beperken. Dienovereenkomstig moet het molecuulgewicht van het organo-silaan bij voorkeur 20 niet groter dan ongeveer 200 bedragen.

Een organo-silaan met polaire groepen wordt als silyleringsmiddel gebruikt teneinde een grotere oplosbaarheid in de verkieselijke oplosmiddelen te bevorderen (dat wil zeggen de oplosmiddelen die in de inkt-straaldrukvloeistof worden gebruikt). Verkieselijke oplosmiddelen omvat-25 ten water, glycolen en alcoholen, zoals onderstaand uitvoeriger zal worden besproken. Voorbeelden van gewenste polaire groepen omvatten -Cl, -Br, -SC>3, -OH en -NH3; voorbeelden van geprefereerde organo-silanen omvatten dimethylchlorosilaan, tetramethyldisilizaan, bromodimethyl-chlorosilaan en N-methyl-N-trimethylsilaanaceetamide.

30 Zoals bekend heeft het koolstofzwart "molecuul" een aanzienlijk aantal reactieve plaatsen, typerend loshangende banden. (Het gebruik van "molecuul" is om aan te geven dat het koolstofzwartmolecuul niet goed gedefinieerd of gekarakteriseerd is). Het is dienovereenkomstig gewenst dat een overmaat silyleringsmiddelmoleculen aanwezig is ten op-35 zichte van het aantal reactieve plaatsen (elke reactieve plaats op een koolstofzwart"molecuul" vereist een silyleringsmiddelmolecuul).Als een 8701280 * -4- ruwe maat wordt geschikt ongeveer 1 mol silyleringsmiddel gebruikt op een liter suspensie, hoewel minder dan 1 mol/liter gebruikt kan worden; eenvoudige experimenten kunnen worden uitgevoerd om de geschikte verhouding vast te stellen.

5 De hoeveelheid silyleringsmiddel die in een specifiek geval ver eist is, kan gemakkelijk worden vastgesteld. Een kleine hoeveelheid van de suspensie wordt gesilyleerd met het gewenste silyleringsmiddel. Het silyleringsmiddel wordt toegevoegd totdat bij meting een overmaat silyleringsmiddel wordt waargenomen. Bijvoorbeeld zou gaschromatografie van 10 eventuele alcohol die met het overblijvende silyleringsmiddel heeft gereageerd een bepaling van de gebruikte hoeveelheid alcohol een indicatie geven van de hoeveelheid overmaat silyleringsmiddel.

De silyleringsreactie geeft warmte af, en de reactie wordt als voltooid beschouwd wanneer geen warmte meer ontwikkeld wordt. Normaal 15 duurt de reactie ongeveer 2 tot 3 dagen voordat hij voltooid is, hoewel sommige silyleringsreacties als volledig afgelopen kunnen worden beschouwd in een tijdsbestek van slechts 5 minuten en andere 1 week bij 100°C nodig kunnen hebben.

Warmte kan worden toegevoerd om de reactiesnelheid te vergroten.

20 De maximumtemperatuur wordt bepaald door het kookpunt van het oplosmiddel en wordt bij voorkeur ten minste ongeveer 10°C beneden het kookpunt gehouden. De reactie kan derhalve worden blootgesteld aan temperatuur in het bereik van ongeveer 25 tot 180°C, afhankelijk van het bepaalde sily-leringmiddel, en wordt bij voorkeur blootgesteld aan ongeveer 60 tot 25 80°C.

Tijdens de loop van de reactie zijn het siliciumgedeelte van het organo-silaan te binden aan een reactieve koolstofplaats op het koolstof zwart"molecuul" , waarbij de organische functionele groepen bloot blijven liggen voor oplosbaar-makende eigenschappen. Omdat het oplos-30 middel naar keuze water, één of meerdere glycolen, of één of meerdere alcoholen is, zal duidelijk zijn dat polaire functionele groepen die met dergelijke oplosmiddelen compatibel zijn, de voorkeur hebben.

Oplosmiddelextractie, waarbij het oplosmiddel naar keuze en wel bekende procedures worden gebruikt, wordt toegepast om het gesilyleerde 35 koolstofzwart te strippen van de niet-reactieve vloeistof. De niet-reac-tieve vloeistof blijft in /3e organische fase, beschikbaar voor recircu- 8701280 * * -5- latie en hernieuwd gebruik, terwijl het gesilyleerde koolstofzwart in het gewenste oplosmiddel wordt gedispergeerd.

Het oplosmiddel naar keuze omvat water, één of meerdere glycolen of één of meerdere alcoholen of mengsels daarvan. Voorbeelden van ge-5 schikte glycolen zijn ethyleenglycol, diëthyleenglycol, triëthyleen-glycol en polëthyleenglycol. Voorbeelden van geschikte alcoholen zijn alcoholen met 1 tot 10 koolstofatomen, variërend van methanol tot decanol. Het oplosmiddel naar keuze kan derhalve elk van de glycolen of mengsels daarvan, elk van de alcoholen of mengsels daarvan, al dan niet 10 met water omvatten.

Voor gebruik van het gedispergeerde koolstof in een thermische inktstraaldrukker, waarbij de inkt wordt verwarmd tot op een verhoogde temperatuur die voldoende is om de inkt te verdampen, is het kookpunt van het oplosmiddel bij voorkeur niet hoger dan ongeveer 400°C. Verder 15 dient het oplosmiddel bij voorkeur stabiel te zijn tegen kunststoffen, glas, papier en andere substraten die in het drukproces kunnen worden gebruikt.

De gesilyleerde koolstofzwart"moleculen" blijven groter dan de golflengte var. zichtbaar licht, en zien er derhalve zwart uit. Als ge-20 volg van de werkwijze volgens de uitvinding wordt een niet-bezinkende dispersie van koolstofzwart gevormd.

Voorbeeld.

Aan 250 ml gemengde xylenen werd 13,2 g koolstofzwart toegevoegd dat bekend staat als Cabot Monarch, verkregen bij Cabot Corporation, 25 Boston, MA). De suspensie werd gedurende een nacht bij kamertemperatuur geroerd met behulp van een magnetische roerder. Aan de suspensie werd 50 ml hexamethyldisilizaan toegevoegd. Waargenomen werd dat de oplossing warmer werd. De oplossing liet men gedurende een nacht roeren.

Het gesilyleerde koolstofzwart werd geëxtraheerd met een oplos-30 sing die diëthyleenglycol en water omvatte in een molverhouding van 1 : 1.

Het gesilyleerde koolstofzwart leek stabieler tegen bezinking te zijn dan koolstofzwart dat niet op deze wijze was behandeld.

Het gesilyleerde koolstofzwart kan worden geïsoleerd, bijvoorbeeld door wassen in water van het gefiltreerde koolstofzwart om even-35 tueel achtergebleven silyleringsmiddel te laten reageren en door het poeder te drogen. Het droge-poeder kon vervolgens worden bewaard en getransporteerd in droge vorm, en op een later tijdstip aan het oplosmiddel 8701280 J.

-6- naar keuze worden toegevoegd om de inkt te bereiden.

Er wordt in deze aanvrage derhalve een werkwijze beschreven voor het verhogen van de dispergeerbaarheid van koolstof in een oplosmiddel voor gebruik als inkt in inktstraaldrukkers. Verschillende modificaties 5 en wijzigingen zullen aan de deskundigen duidelijk zijn en al deze wijzigingen en variaties waarmee niet wordt afgeweken van de idee en essentie volgens de uitvinding, worden geacht door de bijgevoegde conclusies te worden gedekt.

8701280

Claims (17)

1. Werkwijze voor het vergroten van de dispergeerbaarheid van koolstof zwart in een oplosmiddel, gekenmerkt door de stappen van: (a) het vormen van een suspensie van koolstofzwart in een niet-reactief medium; 5 (b) het toevoegen van silyleringsmiddel; (c) het verwijderen van het reactieprodukt dat zich vormt als gevolg van de reactie van het silyleringsmiddel en het koolstofzwart; en (d) het vormen van een dispersie van het reactieprodukt in een oplosmiddel .

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin de deeltjesgrootte van het koolstofzwart varieert van ongeveer 0,5 tot 10 p en in hoofdzaak uniform is.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarin het niet-reactieve medium één of meerdere aromatische koolwaterstoffen omvat,

4. Werkwijze volgens conclusie 3, waarin het niet-reactieve medium ten minste één component omvat, gekozen uit de groep bestaande uit xyle-nen en benzeen.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, waarin het niet-reactieve medium ten minste één xyleen omvat.

6. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, waarin de aan het niet-reactieve medium toegevoegde hoeveelheid koolstof varieert van ongeveer 1 tot 7 gew.%

7. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, waarin het silyleringsmiddel een organo-silaan omvat met ten minste één polair 25 adduct.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarin het polaire adduct gekozen is uit de groep bestaande uit -Cl, -Br, -SO^, “0H en -NH3·

9. Werkwijze volgens conclusie 8, waarin het silyleringsmiddel een verbinding omvat, gekozen uit de groep bestaande uit hexamethyl disili- 30 zaan, dimethylchlorosilaan, tetramethyl disilizaan, bromodimethylchloro-silaan en N-methyl-N-trimethylsilaanaceetamide.

10. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarin een overmaat silyleringsmiddel wordt toegevoegd aan de koolstofzwartsuspensie 8701280 -8- Μ ορ basis van reactieve plaatsen op het koolstofzwarf'molecuul".

11. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, waarin het mengsel van silyleringsmiddel en koolstofzwart in het niet-reactieve medium op een temperatuur tussen ongeveer 25 en 180°C wordt gehouden.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, waarin de temperatuur varieert van ongeveer 60 tot 80°C.

13. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, waarin de silyleringsreactie wordt voortgezet gedurende een tijd variërend van ongeveer 1 uur tot 3 dagen.

14. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarin het op losmiddel ten minste één lid uit de groep, bestaande uit water, glycolen en alcoholen omvat.

15. Werkwijze volgens conclusie 14, waarin de glycolen gekozen worden uit de groep bestaande uit ethyleenglycol, diëthyleenglycol, triëthyleen- 15 glycol en polyëthyleenglycol.

16. Werkwijze volgens conclusie 14, waarin de alcoholen worden geselecteerd uit de groep bestaande uit alcoholen met 1 tot 10 koolstof-atomen.

17 Inkten, in het bijzonder voor inktstraaldrukkers, welke bereid 20 zijn onder toepassing van een werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1 - 16. 8701280