JP2012193249A - エマルジョンバインダー及びそれを含有するインクジェット用水性顔料インク、並びにエマルジョンバインダーの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】A−Bブロックコポリマーを含有するエマルジョンバインダーである。A−Bブロックコポリマーの数平均分子量が5,000〜100,000であるとともに、分子量分布(重量平均分子量/数平均分子量)が1.7以下であり、Aポリマーブロックの酸価が0〜30mgKOH/gであるとともに、ガラス転移点が60℃以下であり、Bポリマーブロックの酸価が75〜250mgKOH/gであり、A−Bブロックコポリマーがアルカリ物質で中和されて水系媒体中に自己乳化しており、その平均粒子径が30〜300nmのエマルジョン粒子が形成されている。
【選択図】なし
Description
以下、本発明の詳細について、本発明を実施するための形態を例に挙げて説明する。本発明のエマルジョンバインダーに含有されるポリマーは、構成成分の90質量%以上が(メタ)アクリレート系モノマーであるA−Bブロックコポリマーである。このA−Bブロックコポリマーの数平均分子量は5,000〜100,000であるとともに、分子量分布(重量平均分子量/数平均分子量)は1.7以下である。なお、A−Bブロックコポリマーは、AポリマーブロックとBポリマーブロックとを含んでいる。Aポリマーブロックは、酸価が0〜30mgKOH/gであるとともに、ガラス転移点が60℃以下の、実質的に水に不溶なポリマーブロックである。また、Bポリマーブロックは、酸価が75〜250mgKOH/gの、実質的に水に可溶なポリマーブロックである。
Aポリマーブロックは、上述した各種のモノマーを適宜選択して重合してなるポリマーブロックである。Aポリマーブロックの酸価は0〜30mgKOH/gであり、好ましくは0〜20mgKOH/gである。酸価が上記範囲であるため、Aポリマーブロックは実質的に水に不溶となる。このため、Aポリマーブロックを含むA−Bブロックコポリマーを水系媒体中に分散させてエマルジョン化した場合には、Aポリマーブロックは粒子を形成する部分になると考えられる。なお、上記の酸価の範囲内で、Aポリマーブロック中に少量の酸基を含ませることで、基材との密着性やエマルジョン粒子の粒子径を調整することができる。
1/T=W1/(T1+273)+W2/(T2+273)+・・・Wx/(Tx+273) ・・・(1)
Bポリマーブロックの酸価は75〜250mgKOH/gであり、好ましくは100〜200mgKOH/gである。酸価が上記範囲であるため、Bポリマーブロックは実質的に水に可溶となる。Bポリマーブロックの酸価が75mgKOH/g未満であると、再溶解性が低下する。一方、Bポリマーブロックの酸価が250mgKOH/gを超えると、形成される印字皮膜の耐水性が劣る場合がある。なお、Bポリマーブロック中の酸基をアンモニア、アミン、水酸化ナトリウムなどのアルカリ物質で中和することにより、Bポリマーブロックは水に可溶なポリマーブロックとなる。Aポリマーブロックが粒子化した際に、Bポリマーブロックが水に溶解する。これにより、A−Bブロックコポリマーの粒子径が制御され、A−Bブロックコポリマーの粒子を水系媒体中に安定的に存在(分散)させることができる。また、このA−Bブロックコポリマーを用いて調製したインクジェット用水性顔料インクは、ヘッドで乾燥しても、Bポリマーブロックの高い水溶性によって優れた再溶解性を示すことになる。
A−Bブロックコポリマーの数平均分子量(以下、「Mn」とも記す)は5,000〜100,000であり、好ましくは8,000〜50,000である。なお、Mnは、断りがない限り、ゲルパーミエーションクロマトグラフ(以下、「GPC」とも記す)により測定されるポリスチレン換算の値である。A−BブロックコポリマーのMnは、AポリマーブロックのMnと、BポリマーブロックのMnの合計である。従って、A−BブロックコポリマーのMnが上記の数値範囲内であれば、AポリマーブロックとBポリマーブロックのそれぞれのMnは特に限定されない。
本発明のエマルジョンバインダーは、A−Bブロックコポリマーがアルカリ物質によって中和され、水系媒体中に自己乳化してエマルジョン粒子を形成したものである。また、形成されたエマルジョン粒子の数平均粒子径は30〜300nmであり、好ましくは50〜200nmである。エマルジョン粒子の数平均粒子径が30nm未満であると、エマルジョン粒子が細かすぎてインクの粘度が上がってしまう場合がある。一方、エマルジョン粒子の数平均粒子径が300nmを超えると、インクジェットヘッドがつまりやすくなり、吐出が困難になる場合がある。
次に、本発明のインクジェット用水性顔料インクの詳細について説明する。本発明のインクジェット用水性顔料インクには、顔料及び皮膜形成用バインダーが含有される。そして、この皮膜形成用バインダーが、前述のエマルジョンバインダーである。前述のエマルジョンバインダーを皮膜形成用バインダーとして用いることにより、高速印刷性及び優れた吐出安定性を有するとともに、耐水性及び基材に対する密着性に優れた印字皮膜を形成可能であり、かつ、吐出口(ヘッド)等で乾燥しても再溶解させて容易に除去可能なインクジェット用水性顔料分散インクとすることができる。なお、本発明のインクジェット用水性顔料インクに含有されるエマルジョンバインダーの割合は、インク全量(100質量%)に対して、固形分濃度で5〜20質量%であることが好ましく、7.5〜15質量%であることがさらに好ましい。
顔料としては、従来使用されてきた有機顔料や無機顔料を一種単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。顔料の具体例としては、カーボンブラック顔料、キナクリドン系顔料、フタロシアニン系顔料、ベンズイミダゾロン系顔料、イソインドリノン系顔料、アゾ系顔料、酸化チタン顔料などが挙げられる。
インクジェット用水性顔料インクには、顔料分散剤を含有させることが好ましい。特に、顔料として自己分散性顔料を用いず、自己分散性を有しない通常の顔料(無機顔料、有機顔料)を用いる場合において、これらの顔料を好適な状態で分散させることができるために好ましい。顔料分散剤としては、従来公知のものを使用することができ、特に限定されない。顔料分散剤の具体例としては、アクリル系ポリマーやスチレン系ポリマーなどのランダム重合物、ブロックコポリマー型分散剤、グラフトポリマー型分散剤、星型ポリマー型分散剤、ハイパーブランチ型分散剤などが挙げられる。なお、インクジェット用水性顔料インクに含有される顔料分散剤の割合は、インク全量(100質量%)に対して0.5〜15質量%であることが好ましく、2〜10質量%であることがさらに好ましい。
本発明のインクジェット用水性顔料インクには、顔料及び顔料分散剤以外の「その他の成分」が必要に応じてさらに含有されていてもよい。「その他の成分」としては、媒体や各種添加剤などを例示することができる。
次に、エマルジョンバインダーの製造方法について説明する。本発明のエマルジョンバインダーの製造方法は、少なくともヨウ素化合物を重合開始化合物として使用し、(メタ)アクリレート系モノマーをリビングラジカル重合してA−Bブロックコポリマーを合成する工程を含む。以下、その詳細について説明する。
A−Bブロックコポリマーは、従来のリビングラジカル重合方法でも合成することができる。但し、本発明においては、A−Bブロックコポリマーを、前述の(メタ)アクリレート系モノマーをリビングラジカル重合して合成する。また、リビングラジカル重合するに際しては、ヨウ素化合物を重合開始化合物として用いる。ヨウ素化合物を重合開始化合物として用いると、熱や光により発生したヨウ素ラジカルがモノマーと反応し、ポリマー末端ラジカルが生成する。逐次発生したヨウ素ラジカルはポリマー末端ラジカルと結合して安定化するので、停止反応が生ずるのを防止することができる。この繰り返しによりリビングラジカル重合が進行するため、得られるA−Bブロックコポリマー分子量や構造を容易に制御することができる。
「A−Bブロックコポリマーの理論分子量」=「重合開始化合物1モル」×「モノマー分子量」×「モノマーのモル数/重合開始化合物のモル数」 ・・・(2)
次に、インクジェット用水性顔料インクの製造方法について説明する。インクジェット用水性顔料インクは、例えば、(i)水系媒体に顔料を分散させて顔料分散体を得、(ii)得られた顔料分散体とエマルジョンバインダーとを混合し、(iii)必要に応じて添加剤などを添加することにより製造することができる。
(実施例1:エマルジョンバインダー(1)の調製)
撹拌機、逆流コンデンサー、温度計、及び窒素導入管を備えた1Lセパラブルフラスコに、ジエチレングリコールジメチルエーテル(以下、「DMDG」と記す)131.7部、ヨウ素1.0部、2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)(以下、「V−70」と記す)4.9部、メタクリル酸ベンジル(以下、「BzMA」と記す)44部、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル(以下、「HEMA」と記す)13部、及びN−アイオドスクシンイミド0.11部を仕込んだ。撹拌して40℃に加温し、重合を行った。3時間後、ヨウ素の褐色が消失していた。このことから、ヨウ素とV−70が反応し、反応系内でヨウ素化合物(重合開始化合物)が生成したことを確認できた。温度を一定に保持してさらに4時間重合を行った後、自然冷却してAポリマーブロックの溶液を得た。
DMDG362.3部、ヨウ素1.0部、V−70を4.9部、MMA105部、メタクリル酸2−エチルヘキシル(以下、「2EHMA」と記す)148.5部、HEMA45.5部、及びジフェニルメタン0.17部を用いたこと以外は、前述の実施例1と同様にしてAポリマーブロックの溶液を得た。重合率は80.5%であった。得られたAポリマーブロックのMn22,000、PDIは1.56、ポリマー組成はMMA/2EHMA/HEMA≒35/50/15、理論計算により算出したTgは31.5℃であり、酸価は0mgKOH/gであった。また、サンプリングした溶液の一部を水に添加したところ、軟質なポリマーが析出した。これにより、得られたAポリマーブロックは、実質的に水に不溶なポリマーであることが確認された。
DMDG197.1部、ヨウ素0.4部、V−70を2.4部、MMA54部、メタクリル酸ブチル(以下、「BMA」と記す)49部、メタクリル酸ドデシル(以下、「LMA」と記す)50部、MAA3部、及びジ−t−ブチルヒドロキシトルエン(以下、「BHT」と記す)0.1部を用いて6時間重合を行ったこと以外は、前述の実施例1と同様にしてAポリマーブロックの溶液を得た。重合率は約100%であった。得られたAポリマーブロックのMnは30,000、PDIは1.61、ポリマー組成はMMA/BMA/LMA/MAA≒35/31/32/2理論計算により算出したTgは7.7℃であり、酸価は12.6mgKOH/gであった。
撹拌機、逆流コンデンサー、温度計、窒素導入管、及び滴下ロートを備えた1Lセパラブルフラスコに、DMDG100部を入れて40℃に加温した。BzMA35.8部、HEMA10.6部、MMA43.1部、MAA10.5部、及びV−70の3部を別容器に入れ、撹拌してモノマー混合液を調製した。調製したモノマー混合液の1/2量を滴下ロートに入れて滴化した。さらに、1.5時間かけてモノマー溶液の残りの1/2量を滴下した後、40℃で6時間重合を行ってポリマーの溶液を得た。重合率は約100%であった。また、得られたポリマーのMnは12,500、PDIは1.96、酸価は69.1mgKOH/gであった。
ヨウ素とジフェニルメタンを用いなかったこと以外は、前述の実施例2と同様にして一段目の重合を行って一段目のポリマーブロックの溶液を得た。重合率は98%であった。得られた一段目のポリマーブロックのMnは37,000、PDIは1.90であった。得られた一段目のポリマーブロックの溶液を使用して、前述の実施例2と同様にして6時間重合を行い、二段目のポリマーブロックを形成してブロックポリマーの溶液を得た。重合率は約100%であった。得られたブロックポリマーのMnは27,000、PDIは1.95であった。
撹拌機、逆流コンデンサー、温度計、窒素導入管、及び滴下ロートを備えた1Lセパラブルフラスコに、水450部、及びフォスファノールRD−720(リン酸エステル系界面活性剤、東邦化学社製)2.5部を入れて70℃に加温した。MMA52部、BMA47部、LMA48部、及びMAA3部を別容器に入れて混合し、モノマー混合液を調製した。セパラブルフラスコ内に過硫酸カリウム4部を添加するとともに、調製したモノマー混合液を滴下ロートに入れ、1/4量を添加した後、残りを1.5時間かけて滴下した。70℃でさらに4時間熟成させてポリマー溶液を得た。得られたポリマー溶液は、青味を有する白濁エマルジョンであり、反応系内と撹拌軸に若干の析出物が観察された。
赤色顔料としてのC.I.ピグメントレッド122(ジメチルキナクリドン顔料、大日精化工業社製)200部、スチレンアクリル酸共重合体(Mn:5,000、酸価:215mgKOH/g)のアンモニア中和水溶液(固形分濃度:20%)200部、ブチルジグリコール80部、及び水320部をディスパーで混合撹拌してミルベースを調製した。横型媒体分散機「ダイノミル0.6リットルECM型」(商品名、シンマルエンタープライゼス社製、ジルコニア製ビーズの径:0.5mm)を使用し、周速10m/sで調製したミルベースの分散処理を2時間行って分散液を得た。得られた分散液を遠心分離処理(7,500回転、20分間)した後、ポアサイズ10μmのメンブレンフィルターでろ過し、イオン交換水を添加して顔料濃度14%の赤色顔料分散体(1)を得た。粒度測定器「NICOMP 380ZLS−S」(インターナショナル・ビジネス社製)を使用し、得られた赤色顔料分散体(1)に含まれる顔料粒子の数平均粒子径を測定したところ122nmであった。なお、B型粘度計で測定した赤色顔料分散体(1)の粘度は3.59mPa・sであった。
エマルジョンバインダー(1)に代えて、比較例1で得た水溶性ポリマーを用いたこと以外は、前述の実施例4と同様にして赤色インクジェットインク(2)を得た。得られた赤色インクジェットインク(2)の粘度は5.69mPa・sであった。このように高い粘度となったのは、水溶性ポリマーを用いたためであると考えられる。
赤色顔料(C.I.ピグメントレッド122)に代えて、青色顔料としてのC.I.ピグメントブルー15:3(大日精化工業社製、シアニンブルーA220JC)、黄色顔料としてのC.I.ピグメントエロー74(大日精化工業社製、セイカファーストエロー2016G)、黒色顔料としてのC.I.ピグメントブラック7(デグサ社製、S170)を用いたこと以外は、前述の実施例4と同様にして青色顔料分散体(1)、黄色顔料分散体(1)、及び黒色顔料分散体(1)を得た。得られた顔料分散体に含まれる顔料粒子の数平均粒子径、及び顔料分散体の粘度の測定結果を表1に示す。
実施例4〜7及び比較例4で得たインクジェットインクをそれぞれカートリッジに充填し、セイコーエプソン社製のインクジェットプリンター「EM930C」を使用して、米国ゼロックス社製の「ゼロックス紙4024」に、高速印刷ドラフトモードにてベタ印刷を行った。その結果、実施例4〜7で得たインクジェットインクを用いた場合には、100枚印刷してもヘッドにつまりが発生せず、印画物にかすれや筋が発生せず、良好な印画状態を示した。これに対して、比較例4で得たインクジェットインクを用いた場合には、7枚印刷したところで印画部に筋が発生した。その後、徐々に筋やかすれが多く発生し、23枚目で印画不能となった。比較例4で得たインクジェットインクは、水溶性ポリマーを用いているために粘度が高く、溶解しているポリマーが多い。このため、非ニュートニアン的粘性に起因して吐出安定性が低下したと考えられる。一方、実施例4〜7で得たインクジェットインクは、その皮膜形成成分(皮膜形成用バインダー)が粒子化しているために低粘度であり、吐出安定性が顕著に向上したと考えられる。
撹拌機、逆流コンデンサー、温度計、及び窒素導入管を備えた1Lセパラブルフラスコに、DMDG295.68部、ヨウ素3.03部、V−70を14.8部、BHT0.66部、及びメタクリル酸シクロヘキシル(以下、「CHMA」と記す)176.4部を仕込んだ。窒素を流しながら撹拌して40℃に加温し、6.5時間重合を行って第一のポリマーの溶液を得た。溶液の一部をサンプリングして固形分濃度を測定したところ21.1%であり、収率(不揮発分)は67%であった。さらに、GPCにて第一のポリマーを分析したところ、Mnが4,000、PDIが1.37であった。
赤色顔料(C.I.ピグメントレッド122)に代えて、青色顔料としてのC.I.ピグメントブルー15:3(大日精化工業社製、シアニンブルーA220JC)、黄色顔料としてのC.I.ピグメントエロー74(大日精化工業社製、セイカファーストエロー2016G)、黒色顔料としてのC.I.ピグメントブラック7(デグサ社製、S170)を用いたこと以外は、前述の実施例8と同様にして青色顔料分散体(2)、黄色顔料分散体(2)、及び黒色顔料分散体(2)を得た。得られた顔料分散体に含まれる顔料粒子の数平均粒子径、及び顔料分散体の粘度の測定結果を表3に示す。
エマルジョンバインダー(3)に代えて、比較例3で得たエマルジョンポリマー(2)を用いたこと以外は、前述の実施例8と同様にして赤色インクジェットインク(4)を得た。得られたインクに含まれる顔料粒子の数平均粒子径、及びインクの粘度の測定結果を表4に示す。
Claims (7)
- 構成成分の90質量%以上が(メタ)アクリレート系モノマーである、Aポリマーブロック及びBポリマーブロックを含むA−Bブロックコポリマーを含有するエマルジョンバインダーであって、
前記A−Bブロックコポリマーの数平均分子量が5,000〜100,000であるとともに、分子量分布(重量平均分子量/数平均分子量)が1.7以下であり、
前記Aポリマーブロックの酸価が0〜30mgKOH/gであるとともに、ガラス転移点が60℃以下であり、
前記Bポリマーブロックの酸価が75〜250mgKOH/gであり、
前記A−Bブロックコポリマーがアルカリ物質で中和されて水系媒体中に自己乳化しており、その数平均粒子径が30〜300nmのエマルジョン粒子が形成されていることを特徴とするエマルジョンバインダー。 - 顔料及び皮膜形成用バインダーを含有するインクジェット用水性顔料インクにおいて、
前記皮膜形成用バインダーが、請求項1に記載のエマルジョンバインダーであることを特徴とするインクジェット用水性顔料インク。 - 前記顔料が、カラーインデックスナンバー(C.I.)ピグメントブルー−15:3、及び15:4;C.I.ピグメントレッド−122、及び269;C.I.ピグメントバイオレット−19;C.I.ピグメントイエロ−74、155、180、及び183;C.I.ピグメントグリーン−7、36、及び58;C.I.ピグメントオレンジ−43;C.I.ピグメントブラック−7;並びにC.I.ピグメントホワイト−6からなる群より選択される少なくとも一種であるとともに、数平均一次粒子径が350nm未満であり、
インク全量(100質量%)に対する、前記顔料の含有割合が4〜15質量%であり、前記皮膜形成用バインダーの含有割合が5〜20質量%である請求項2に記載のインクジェット用水性顔料インク。 - 請求項1に記載のエマルジョンバインダーの製造方法であって、
少なくともヨウ素化合物を重合開始化合物として使用し、前記(メタ)アクリレート系モノマーをリビングラジカル重合して前記A−Bブロックコポリマーを合成する工程を含むことを特徴とするエマルジョンバインダーの製造方法。 - ハロゲン化リン、フォスファイト系化合物、及びフォスフィネート化合物からなるリン系化合物群;イミド系化合物からなる窒素系化合物群;フェノール系化合物からなる酸素系化合物群;並びにジフェニルメタン系化合物、及びシクロペンタジエン系化合物からなる炭化水素化合物群からなる化合物群より選択される少なくとも一種の化合物を触媒として使用して、前記A−Bブロックコポリマーを合成する請求項4に記載のエマルジョンバインダーの製造方法。
- 前記リビングラジカル重合する際の重合温度が30〜50℃である請求項4又は5に記載のエマルジョンバインダーの製造方法。
- 水溶性有機溶剤中で前記リビングラジカル重合した後、アルカリ物質を加えて中和し、次いで水と混合して前記A−Bブロックコポリマーを自己乳化させる請求項4〜6のいずれか一項に記載のエマルジョンバインダーの製造方法。
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