CN116254018B - 一种应用于颜料喷墨墨水的改性炭黑色浆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明用于高档喷墨打印喷墨墨水领域，具体说是一种应用于颜料喷墨墨水的改性炭黑色浆。改性炭黑为下述结构式所示；本发明还通过一定的工艺条件，使用该种改性炭黑制得炭黑色浆。这种炭黑色浆能够满足数码墨水、涂料、木器漆等应用领域要求。
Description
技术领域
本发明用于高档喷墨打印喷墨墨水领域，具体说是一种应用于颜料喷墨墨水的改性炭黑色浆。
背景技术
喷墨打印技术在上世纪80年代兴起，早期的染料墨水由于是直接用色素溶解在油墨里制得，耐久性能及耐水性能都较差。后来使用炭黑替换掉一些黑色偶氮类染料，提高了墨水的稳定性能，但在办公及户外广告等高端打印的场合，性能仍有所不足。
而对于现在高端打印场合所要求的颜料喷墨墨水需要具有超细的颜料粒径、较高的储存稳定性和纯净稳定的色彩等特性，技术门槛较高，附加值高。通常来说要达到以上要求需要对颜料颗粒进行研磨，而当颜料被研磨成100nm左右的纳米级微粒时，会因为粒子间的相互作用，颜料颗粒更容易再聚集，会导致颗粒粒径再次增大，同时会使体系的粘度增加。而且在喷墨打印的过程中由于颜料颗粒的聚集会造成打印机喷嘴堵塞，也会影响打印质量，不能满足高端应用要求。
为了解决这些问题现在除了外加分散剂外，也可以采用颜料表面改性的方法增强颜料的分散性。颜料表面改性就是选择适当的表面改性剂，覆盖在颜料的表面，改变颜料极性，进而提高与分散介质的匹配性。
德固赛公司在2009报道的一篇专利中(CN101597441)提及了一种颜料(炭黑)的表面改性方法：将待改性颜料(炭黑)通过重氮化偶合反应键接到含有胺基的取代或未取代1,2-苯二羧酸或其盐上，所述改性颜料可用于改善喷墨油墨的色间渗出控制。喷墨油墨用于印刷织物、箔片、薄膜、片材和纸张。改性过程如下式所示：
卡伯特公司在2003的专利(CN1665896A)中报道了使用巯基琥珀酸对含硫酸根合乙基砜基团的改性炭黑进行改性，通过一定的后处理后，改性后的炭黑色浆粒径分布在112nm左右，但在以上专利中提及其改性炭黑的储存时间不宜超过3个月。
森馨颜色公司在2008年一篇专利(CN101855302)中介绍了一种自分散颜料的制备方法。颜料表面通过共价键合改性，终端用途可以用于纸张、织物、纤维、金属装饰品和塑料、木材着色，书写工具和滤光片印刷墨水。改性方法包括通过活性分子中的中间体作用来连接有机基团和带电荷的端基以制备表面稳定的改性颜料。所述稳定是通过相似带电基团的均为分布实现的，该带电基团通过斥力共价地结合在亚微米级颜料颗粒上。具体实施例中可以将炭黑经过氯磺酸酰氯化，然后于对氨基苯磺酸反应制备出改性炭黑。
为使打印过程流畅，同时长期使用过程中不会堵塞和污损喷头，而且要保持打印出的图像呈现出较高的稳定性，因此要对要对颜料色浆进行纳米化。同时纳米化的颜料色浆需要具有较高的分散稳定性，确保在运输储存过程中的高温和低温环境中色浆粒径不发生变化。但以上专利中出现的改性炭黑在稳定性上仍有待解决问题，因此需要解决正常炭黑在水性体系中长时间存放易团聚的技术问题，可对炭黑本身进行改性，连入具有较强亲水性的高极性基团。同时市面上常见的炭黑色浆通常发红相，而蓝光炭黑通常更符合人们的审美，更给人高级感，多用于高档喷墨打印中。
发明内容
本发明是一种应用于颜料喷墨墨水的改性炭黑色浆及其制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种应用于颜料喷墨墨水的改性炭黑色浆，改性炭黑为下述结构式所示：
式中●为炭黑，R4、R5可相同或不同的选自-CH3或H；R1、R2及R3为可相同或不同的选自极性基团。
所述改性炭黑结构式中R1、R2及R3可相同或不同的选自-SO3H、羧基或-OH；R4、R5可相同或不同的选自-CH3或H。
一种应用于颜料喷墨墨水的改性炭黑色浆的制备方法，以炭黑为原料通过加入重氮盐与改性剂，进行重氮化反应，随后调节反应体系pH至碱性，而后过滤出料，得到改性炭黑。
反应式如下：
所述改性炭黑色浆的制备方法中的重氮化反应为以炭黑为原料，在常温至50℃的范围内加入去离子水，并充分搅拌，水与炭黑的质量比为20:1～5:1；随后加入改性剂，继续搅拌半小时后，加入与改性剂样品等当量的盐酸与5％～25％质量分数的亚硝酸钠溶液，反应12～24h，反应终点通过新制H酸溶液检测；其中改性剂与炭黑的质量比为1:10～3:1，改性剂与亚硝酸钠用量的摩尔比为1:1～1.5:1。
所述在检测到反应进行到终点后，向反应体系中加入碱溶液调节pH至7～9。
所选碱液选自碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液、碳酸钾溶液、碳酸氢钾溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的一种或几种。
一种改性炭黑色浆的应用，所述改性炭黑色浆在颜料喷墨墨水中的应用。
本发明具有的优点：
本发明在炭黑表面引入磺酸基等高极性同时亲水而且易于分散的基团，改变了炭黑本身的极性，增加了炭黑水溶性，使其更易在水中分散，而且改性剂分子中的胺基也能使各个颜料分子产生分子间氢键等相互作用，可以提高炭黑粒子的稳定性。可使炭黑色浆在储存测试后，粒径、电导率及粘度等各项数值均不发生明显变化。同时由于改性剂分子结构中采用了酸性蓝52的分子骨架，可使改性炭黑色浆发色为蓝光黑色，可使产品更具高级感，给人观感更好。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施方式做进一步说明，应当指出的是，此处所描述的具体实施方式只是为了说明和解释本发明，并不局限于本发明。
下述实施例中原料均可市购获得。
制备实施例
实施例1
(1)炭黑改性
反应式为：
取200g炭黑粉末，加入至3000mL四口瓶中，并加入2000mL蒸馏水，充分搅拌后，加入20g改性剂1及5g盐酸(质量分数为36％)，常温下搅拌30min后，逐滴加入20％质量分数的亚硝酸钠溶液15.9g。待亚硝酸钠溶液全部滴加完毕后升温至40℃，保持反应温度直至反应结束。另取0.2g H酸，加入30mL去离子水及少量碳酸钠至完全溶解得到新制H酸溶液，反应过程的监测通过使用H酸溶液进行，观察反应液的渗圈与H酸溶液的交接位置，反应18h后交接位置无明显紫色出现，认为反应完成，调节物料的pH为8-9，过滤，并用去离子水1000ml洗涤，所得滤饼湿重500g，固含量42％，不经过烘干用于下一步加工。
(2)色浆的制备
将上一步的500g湿滤饼加入到3000mL烧杯中再加入900g去离子水，用搅拌器于3000r/min搅拌60min，得到的黑色浆料加入卧式砂磨机中，并加入物料质量20％的0.6～0.8mm锆珠，循环砂磨4h后，并通过纳米粒度zeta电位分析仪监测砂磨过程中的粒径变化，最后得到色浆粒径D90＝130nm。
实施例2
(1)炭黑改性
反应式为：
取100g炭黑粉末，加入1000mL的去离子水，搅拌至分散后，边搅拌边加入10g改性剂2，分散5min后加入质量分数为36％盐酸3g，常温搅拌30min后，滴加NaNO2溶液7.5g(质量分数20％)，20min内滴加完毕，随后升温至40℃。在此温度下保温反应，并使用新制H酸溶液监控反应的进行程度。反应21h后，渗圈与H酸溶液的交界处无明显的紫色出现，说明反应基本完成，此时调节pH为8-9，过滤并洗涤后得到270g湿饼，固含量为37％，用于之后的色浆制备过程。
(2)色浆的制备
将制备得到的270g改性炭黑的湿滤饼与400mL去离子水混合于2000mL烧杯中，并使用搅拌器搅拌1h充分分散，搅拌器转数3000r/min。并将得到的料液置于卧式砂磨机中，加入物料质量20％的0.6～0.8mm锆珠，循环砂磨，通过纳米粒度zeta电位分析仪监测砂磨过程中的粒径变化，砂磨6h后得到色浆粒径D90＝128nm。
实施例3
(1)炭黑改性
反应式为：
在四口瓶中加入1500mL的去离子水，并加入150g炭黑及15g改性剂3，常温下充分搅拌30min后，加入浓盐酸3g，缓慢滴加质量分数20％的NaNO2溶液9.7g，升温至35～40℃，在此温度下反应至终点。反应终点通过新制H酸溶液检测。待反应完成后，使用质量分数5％的碳酸钾溶液调节体系pH至8～9，出料并过滤得到固含量41.6％的湿饼360g，不经过烘干用于下一步加工。
(2)色浆的制备
将360g固含量为41.6％的湿饼加入至2000mL烧杯中并加入650mL的去离子水，通过转数为3000r/min的搅拌器进行分散，时间1h。随后将料液加入卧式砂磨机中，再加入0.6～0.8mm的锆珠，用量为物料质量的20％。循环砂磨3.5h后通过纳米粒度zeta电位分析仪监测粒径变化，得到色浆粒径D90＝117nm。
应用实施例
下列实施例详细说明上述实施例制备获得改性炭黑色浆的应用性能和应用效果，以上述实施例获得样品为例，同时本发明限定的其它化合物也具有相应的效果特点。
1)改性炭黑墨水的过滤性测试
根据QBT 4974-2016喷墨墨水用水性染料技术条件，对改性炭黑色浆的过滤性进行测试。分别取改性色浆1000mL，将样品倒入装有过滤精度0.45μm，直径47mm的膜的储液装置中，使用空气泵在0.2MPa下过滤100mL与1000mL，记录过滤100mL色浆的时间为T1，过滤1000mL色浆的时间为T2。计算过滤性为T1/T2。分别将实施例1～3及cabot公司的炭黑色浆样品进行对比如下：
过滤性测试过程中，通常来讲过滤速度越快说明滤膜中被堵塞的空隙越少，过滤性接近0.1说明随过滤的进行被堵塞的滤膜孔隙少。从上述表中可以看出分别使用3种不同的改性剂制得的改性炭黑色浆均有与Cabot样品相近甚至略优的过滤性，其中实施例3中过滤时间T2优于cabot公司的炭黑色浆样品。
2)改性炭黑墨水的稳定性测试
根据喷墨墨水储存稳定性的检验方法QB/T 5489-2020，对改性炭黑色浆的稳定性进行测试。分别取30mL的实施例1～3的色浆及cabot公司的样品在60℃下，保温168h，之后测试粘度、粒径分布、表面张力值、电导率值及pH值，并计算各数值变化率结果如下表所示：
实施例1～3的色浆样品与cabot公司的炭黑色浆样品在稳定性测试中均表现出粘度、粒径分布、表面张力值、电导率值及pH值均变化不大。其中实施例3样品的稳定性由于cabot公司的炭黑色将样品。
综合测试数据可以看出：以此类的改性炭黑制得的炭黑色浆，通过研磨后等处理后粒径可到130nm以下，同时具有良好的过滤性，并且经过稳定性测试后的粘度、粒径分布、表面张力值、电导率值及pH值均变化不大，说明本发明提供的改性炭黑制得的炭黑色浆展现出优异的分散性和稳定性。
Claims (6)
1.一种应用于颜料喷墨墨水的改性炭黑色浆，其特征在于：改性炭黑为下述结构式所示：
或/>或/>
式中，黑色圆圈为炭黑。
2.一种权利要求1所述的应用于颜料喷墨墨水的改性炭黑色浆的制备方法，其特征在于，以炭黑为原料通过加入重氮盐与改性剂，进行重氮化反应，随后调节反应体系pH至碱性，而后过滤出料，得到改性炭黑。
3.按照权利要求2所述的应用于颜料喷墨墨水的改性炭黑色浆的制备方法，其特征在于，
反应式如下：
或
或
式中，黑色圆圈为炭黑；
所述改性炭黑色浆的制备方法中的重氮化反应为以炭黑为原料，在常温至50℃的范围内加入去离子水，并充分搅拌，水与炭黑的质量比为20:1~5:1；随后加入改性剂，继续搅拌半小时后，加入与改性剂样品等当量的盐酸与5%~25%质量分数的亚硝酸钠溶液，反应12~24h，反应终点通过新制H酸溶液检测；其中改性剂与炭黑的质量比为1:10~3:1，改性剂与亚硝酸钠用量的摩尔比为1:1~1.5:1。
4.按照权利要求3所述的应用于颜料喷墨墨水的改性炭黑色浆的制备方法，其特征在于，在检测到反应进行到终点后，向反应体系中加入碱溶液调节pH至7~9。
5.按照权利要求3所述的应用于颜料喷墨墨水的改性炭黑色浆的制备方法，其特征在于，所选碱液选自碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液、碳酸钾溶液、碳酸氢钾溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的一种或几种。
6.一种权利要求1所述的改性炭黑色浆的应用，其特征在于：所述改性炭黑色浆在颜料喷墨墨水中的应用。
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