噴墨粘合劑和噴墨組合物的製作方法
2023-09-20 16:13:05
專利名稱：噴墨粘合劑和噴墨組合物的製作方法
技術領域：
本發明涉及噴墨用粘合劑組合物和含有該粘合劑的噴墨。具體地說，本發明涉及包括聚合物顆粒水分散體的噴墨粘合劑，該聚合物中包括作為聚合單元的(a)佔該聚合物總重量為0到1重量％的單烯鍵不飽和酸單體；和(b)具有結構式CH2＝C(R1)-CON(R2)(R3)的單體，其中R1＝H、CH3或C2H5，R2和R3分別選自C1-C6的飽和烷基和環烷基；其中單體(a)和(b)的總量佔該聚合物總重量的至少0.1重量％。本發明還涉及包括該噴墨粘合劑、著色劑和液體介質的噴墨組合物。
具體地說，本發明涉及含有粘合劑樹脂的噴墨，能將油墨中的著色劑固定在應用油墨的紙上或其他基片上。可以採用標準的熱drop-on-demand列印方法應用這些噴墨。
背景技術：
美國專利6646024B2公開了適用於防水噴墨的聚合粘合劑，該粘合劑中含有大約1到10重量％的酸組分，Tg在大約-20到25℃的範圍內，平均粒徑在大約250到400納米範圍內，粒徑分布情況是，基本上全部顆粒的直徑都在130到450納米的範圍內。這些油墨所形成印痕的耐溼擦性或者記號筆耐汙性遠優於不含粘合劑的油墨樣品。該發明的粘合劑在聚合物分散顏料存在時表現出很好的印刷可靠性，但是對於自分散顏料則沒有表現出很好的印刷可靠性。仍然需要在聚合物分散和/或自分散顏料存在情況下提高印刷可靠性，並提高記號筆耐汙性。
美國專利20030176532A1公開了一種適用於防水噴墨的聚合粘合劑，該粘合劑中含有羥甲基(甲基)丙烯醯胺或取代的羥甲基(甲基)丙烯醯胺。這些組分都是反應活性的，可以在室溫下形成共價鍵釋放出副產物，比如甲醛(在熱量和催化劑存在下速度更快)，形成交聯聚合物。
發明內容
因此需要提供這樣一種噴墨粘合劑，它在被混入噴墨中時，能在各種油墨配製物中同時提供印刷可靠性、以及耐溼擦性和記號筆耐汙性，而不會產生副產物。本發明的粘合劑在被混入噴墨中時能夠提供這些性能。
本發明第一方面提供了一種含有聚合物顆粒的水分散體的噴墨粘合劑，所述聚合物中包括作為聚合單元的(a)佔聚合物總重量0到1重量％的單烯鍵不飽和酸單體；和(b)具有結構式CH2＝C(R1)-CON(R2)(R3)的單體，其中R1＝H、CH3或C2H5，R2和R3分別選自H和C1-C6的飽和烷基和環烷基；其中(a)和(b)的總量佔該聚合物總重量的至少0.1重量％。
本發明第二方面提供了一種噴墨組合物，其中含有本發明第一方面的噴墨粘合劑、著色劑和液體介質。
具體實施例方式
本發明涉及一種含有聚合物顆粒水分散體的噴墨粘合劑，該聚合物中包括作為聚合單元的(a)佔該聚合物總重量0到1重量％的單烯鍵不飽和酸單體；和(b)具有結構式CH2＝C(R1)-CON(R2)(R3)的單體，其中R1＝H、CH3或C2H5，R2和R3分別選自H和C1-C6的飽和烷基和環烷基；其中(a)和(b)的總量佔該聚合物總重量的至少0.1重量％。
適用的酸單體包括比如丙烯酸，甲基丙烯酸，巴豆酸，衣康酸，富馬酸，馬來酸，衣康酸單甲酯，富馬酸單甲酯，富馬酸單丁酯，乙烯基磺酸鈉和丙烯醯胺基丙磺酸。還包括在聚合反應之前、之中或之後形成酸單體的前體單體，比如馬來酸酐和乙烯基磺酸鈉。優選的酸單體是羧酸單體，比如甲基丙烯酸，丙烯酸及其混合。
結構式為CH2＝C(R1)-CON(R2)(R3)而且其中R1＝H、CH3或C2H5，R2和R3分別選自H和C1-C6的飽和烷基和環烷基的適用單體，包括(甲基)丙烯醯胺，乙基丙烯醯胺，N-甲基丙烯醯胺，N-乙基甲基丙烯醯胺，N-叔丁基丙烯醯胺，N，N-二甲基丙烯醯胺，N-環己基丙烯醯胺和類似物。需要排除的單體是R1、R2和R3中的任一種包括能進行化學反應的官能團，比如-OH、-CH2OH、滷素和-CHO。
噴墨粘合劑的聚合物中還可以包括上述單體之外的共聚烯鍵不飽和第三單體，比如(甲基)丙烯酸酯單體，包括丙烯酸甲酯，丙烯酸乙酯，丙烯酸丁酯，丙烯酸2-乙基己酯，丙烯酸癸酯，丙烯酸月桂酯，甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸丁酯，甲基丙烯酸異癸酯，甲基丙烯酸月桂酯，甲基丙烯酸羥乙酯，甲基丙烯酸羥丙酯；(甲基)丙烯腈；氨基官能和脲基官能單體；具有乙醯乙酸酯官能團的單體；苯乙烯和取代苯乙烯；丁二烯；氟代(甲基)丙烯酸酯；乙烯，丙烯，α-烯烴例如1-癸烯；乙酸乙烯酯，丁酸乙烯酯和其他乙烯酯；和乙烯基單體，比如氯乙烯，偏二氯乙烯。優選是佔聚合物總重量為10到98重量％的C1-C3丙烯酸烷基酯。更優選是佔聚合物總重量為50到97％的丙烯酸乙酯。
聚合物水乳液可以含有佔該共聚物乾重為0到5重量％的共聚合多烯鍵不飽和單體，比如甲基丙烯酸烯丙酯，酞酸二烯丙酯，二甲基丙烯酸1，4-丁二醇酯，二甲基丙烯酸1，2-乙二醇酯，二丙烯酸1，6-己二醇和二乙烯基苯。優選使用非共聚合的多烯鍵不飽和單體。
乳液共聚物的玻璃化轉變溫度(「Tg」)通常是-40到120℃，或者-20到80℃，或甚至是-20到40℃。這裡所用Tg是由差示掃描熱量法(「DSC」)測得的。
噴墨粘合劑通常是由乳液聚合反應製備的。製備聚合物水乳液的聚合技術是本領域中眾所周知的。在乳液聚合過程重，可以使用的傳統表面活性劑是，比如陰離子性和/或非離子性乳化劑，比如烷基、芳基或烷芳基的鹼金屬或銨的硫酸鹽、磺酸鹽或磷酸鹽；烷基磺酸；硫代琥珀酸鹽；脂肪酸；烯鍵不飽和表面活性劑單體；和乙氧化醇或酚。表面活性劑的用量通常佔單體總重量的0.1到6重量％。可以採用任何已知反應中的熱或氧化還原引發方式。優選的反應溫度是10到95℃，更優選是20到90℃。可以添加純的單體混合物或水乳液形式。可以一次添加全部或者分批添加或連續添加單體混合物，連續添加可以是線性或非線性的，或者是兩種方式的組合，反應時間通常是60到140分鐘。
可以使用傳統的自由基引發劑，比如過氧化氫，過氧化鈉，過氧化鉀，叔丁基氫過氧化物，異丙苯氫過氧化物，銨和/或鹼金屬的過硫酸鹽，過硼酸鈉，過二磷酸及其鹽，高錳酸鉀，和銨或鹼金屬的過二硫酸鹽，其含量通常佔單體總重量的0.01到3.0重量％。使用與合適還原劑偶聯的同樣引發劑的氧化還原體系是，比如甲醛次硫酸鈉，抗壞血酸，異抗壞血酸，鹼金屬和銨的含硫的酸的鹽，比如鈉的亞硫酸鹽，亞硫酸氫鹽，硫代硫酸鹽，次硫酸鹽，硫化物，氫硫化物或連二亞硫酸鹽，富馬啶含硫的酸(formadinesulfinic acid)，羥甲磺酸，丙酮亞硫酸氫鹽，胺，比如乙醇胺，乙醇酸，乙醛酸水合物，乳酸，甘油酸，蘋果酸，酒石酸以及上述酸的鹽。可選使用氧化還原反應催化的金屬鹽，比如鐵，銅，錳，銀，鉑，釩鎳，鉻，鈀或鈷。可選使用金屬的螯合劑。
在本發明的一個實施例中，聚合物水乳液由多步驟乳液聚合反應製備，其中至少兩個組分不同的步驟是依次聚合的。用於製備這些多步驟乳液聚合物的技術是本領域中眾所周知的，比如美國專利4325856；4654397；和4814373。
聚合物顆粒的數量平均粒徑通常是150到400納米，優選是250到300納米，由毛細管流體動力分離(「CHDF」)方法測量。粒徑分布可以是舉峰，雙峰或多峰的；優選單峰分布。
本發明的噴墨中包括噴墨粘合劑；液體介質，優選主要是水，更優選是去離子水；和著色劑，比如染料，顏料或其混合，優選是有機或無機顏料。粘合劑的含量通常佔油墨總重量的0.1到10重量％，優選是2到3重量％。含水載體可以是水；優選是去離子水。含水載體的含量通常佔油墨總重量的40到95重量％，優選是55到80重量％，更優選是70到80重量％。
噴墨中通常包括顏料。由於顏料具有的物理特性，所以顏料基油墨組合物傾向於耐乾擦，而耐溼擦性和記號筆耐汙性都比較差。術語「乾擦」在這裡是指在印刷基片上施加磨蝕壓力，並測量由此產生的痕跡。術語「記號筆耐汙性」在這裡是指用市售記號筆對印刷基片施加磨蝕壓力，並測量由此產生的痕跡；這種記號筆的一個實例是Sanford Corp.的MAJOR ACCENT牌記號筆。
適用的顏料包括，比如有機顏料，比如偶氮化合物，酞菁顏料，喹吖酮顏料，蒽醌顏料，二噁嗪顏料，靛藍，碳黑，硫靛藍顏料，苯酮(perynone)顏料，苝顏料，和異吲哚烯(isoindolene)；和無機顏料，比如二氧化鈦，氧化鐵和金屬粉末。著色劑的用量通常低於油墨總重量的10重量％，優選是0.5到7重量％，更優選是3到6％。優選的顏料粒徑是0.05到5微米，更優選不超過1微米，最優選不超過0.3微米。
噴墨中可以包括顏料分散劑。適用的聚合分散劑是本領域中已知的，如美國專利5821283，5221334，5712338和5714538中所述。或者可以使用自分散顏料或者自分散顏料與顏料及分散劑的混合。自分散顏料是通過表面改性產生的。可以採用各種方式對這些顏料進行表面改性，包括但並不限於用鹼金屬的次氯酸鹽，臭氧和芳香族磺酸加成重氮鹽進行處理。這些表面改性顏料的顯著優點是，能自分散在含水介質重，可以不使用相應的聚合分散劑。黑色和彩色顏料都能進行表面改性。
對於本發明而言，聚合分散劑組成並不關鍵，只要它能形成穩定和可印刷的油墨即可。聚合分散劑的用量通常佔油墨總重量的0.1到5重量％。顏料分散體的製備方法是，混合顏料，分散劑，水和可選的添加劑，並在水平介質磨，垂直介質磨和立式球磨中研磨。
噴墨中還可以包括，比如潤溼劑，分散劑，滲透劑，螯合劑，緩衝劑，殺微生物劑，殺真菌劑，殺菌劑，表面活性劑，抗翹曲劑，抗滲劑和表面張力調節劑。適用的潤溼劑包括乙二醇，1，3-丙二醇，1，4-丁二醇，1，4-環己烷二甲醇，1，5-戊二醇，1，2-己二醇，1，6-己二醇，1，8-辛二醇，1，2-丙二醇，1，2-丁二醇，1，3-丁二醇，2，3-丁二醇，二乙二醇，三乙二醇，四乙二醇，平均分子量是200，300，400，600，900，1000，1500和2000的聚乙二醇，二丙二醇，平均分子量是425，725，1000和2000的聚丙二醇，2-吡咯烷酮，1-甲基-2-吡咯烷酮，1-甲基-2-哌啶酮，N-乙基乙醯胺，N-甲基丙醯胺，N-乙醯基乙醇胺，N-甲基乙醯胺，甲醯胺，3-氨基-1，2-丙二醇，2，2-硫代二乙醇，3，3-硫代二丙醇，四亞甲基碸，丁二烯碸，碳酸乙烯酯，丁內酯，四氫糠醇，丙三醇，1，2，4-丁三醇，三甲基丙烷，山梨醇，羥泛酸，Liponic EG-1。優選的潤溼劑是平均分子量為400到1000的聚乙二醇，2-吡咯烷酮2，2硫代二乙醇，和1，5-戊二醇。潤溼劑用量佔該油墨總重量的1到30重量％，優選是5到15重量％。優選的滲透劑是1，2-C1-C6的烷基二醇，比如1，2-己二醇；N-丙醇；異丙醇；和己基卡必醇。滲透劑的用量佔油墨總重量的0.1到10重量％。
可以採用本領域中已知的任何方法製備噴墨，比如將各種組分混合，攪拌在一起。
可以使用熱或壓電噴墨印表機將噴墨應用至紙，乙烯基和類似基片上，這些印表機是，比如Lexmark 7000，Lexmark 5700，Lexmark Z32，Lexmark Z51，Lexmark Z-65，Lexmark 2050印表機，Epson StylusTM3000，C-82，C-84，Hewlett-Packard DeskJetTM550，570，694C，698，894，895Ci和Canon 750。可以在室溫下乾燥，或者在較高溫度下乾燥油墨。
以下是本發明的說明性實施例。
試驗方法測試油墨記號筆耐汙性的方法是，對印刷基片上記號筆痕跡尾端進入未印刷區域的光密度進行評估。通過在Lexmark桌上印表機列印第90頁時發生堵塞的列印頭噴嘴數目，測試印刷可靠性；該數值是六次試驗的平均值。對於所有耐汙性試驗都進行記號筆耐汙性試驗。
這裡報告的數量平均粒徑都是利用Matec2000型CHDF測試系統和C-202墨盒與GR-500(2X)洗提液(1/20稀釋)根據CHDF方法測量的。按照「新S形匹配」程序(Matec CHDF-200軟體，第3.20版)用標稱50，100，200，300，400，500，600和700納米的聚苯乙烯柱標準(從Duke Scientific Corp.，Palo Alto，CA，USA獲得的「NanosphereTM」標準)校準CHDF儀器。用最大解析度的去卷積算法計算粒徑。
用Q-1000型DSC儀器(TA Instruments，New Castle，DE，USA)按照差示掃描量熱法以20℃/分(先對樣品進行5分鐘150℃預熱)的升溫速率，在氮氣氣氛中的16毫克樣品上測量玻璃化轉變溫度，使用「通用分析」軟體(第4.0.0版)計算轉變中點。
這裡公開的所有範圍都是包含性的，而且嵌套範圍的最小值和最大值是可組合的。
這裡所用縮寫形式Wt％＝重量百分比SLS＝月桂基硫酸鈉NaPS＝過硫酸鈉APS＝過硫酸銨KDDBS＝正十二烷基苯磺酸鉀EA＝丙烯酸乙酯MMA＝甲基丙烯酸甲酯MAA＝甲基丙烯酸AA＝丙烯酸AN＝丙烯腈BA＝丙烯酸丁酯EHA＝丙烯酸2-乙基己基酯AAm＝丙烯醯胺DI水＝去離子水實施例實施例1.製備噴墨粘合劑和噴墨向裝有525毫升DI水的18℃反應容器中添加20％以下組分的混合物487克水，2.0克SLS(28％)，72.2克TritonTMX-165表面活性劑(70％)，82.9克AAM(53％水溶液)，115克AN，和985克EA，一同加入2.8克0.15％硫酸亞鐵、0.48克APS和0.42克LykoponTM，一同加入36克水。對容器進行惰性處理之後進行攪拌，反應表現為放熱。放熱之後，向剩餘的單體乳液中添加額外的1.26克SLS，26.7克TritonTMX-165和44克水，然後逐漸添加剩餘的單體混合物。添加單體時保持聚合反應溫度為62-64℃。也逐漸添加共給料，其中包括存在於45克水中的1.6克APS和存在於45克水中的2.2克亞硫酸氫鈉。加入水(共計6克)衝洗，將反應逐漸冷卻至30℃，用額外的147克水稀釋，並過濾。用1％的KOH(pH＝8.7)中和800克的部分過濾產物，用另外的水稀釋至25％固體，通過1微米過濾器過濾，製得最終樣品。數量平均粒徑是206納米(CHDF)，Tg是+2.6℃(DSC)。
然後將以下組分混合在一起，用實施例1的粘合劑製備噴墨組合物配製物1組分重量百分比(％)自分散碳黑2分散的碳黑2實施例1粘合劑 3Polyethylene Glycol 400 7.52-吡咯烷酮7.51，2-己二醇 1.2己基卡必醇0.4水餘量總計 100.0該油墨被用於Lexmark桌上印表機。在該列印試驗的第90頁上重複6次，墨盒中平均152個(共計208個)噴嘴持續工作。耐溼擦性或記號筆耐汙性非常好，幾乎或根本沒有明顯的汙跡。通過雷射散射方法測得的樹脂平均粒徑是281納米；Tg是+2.6℃。
對比例A.製備對比噴墨粘合劑和噴墨按照實施例1的方法聚合單體混合物，區別在於聚合反應中使用了含有487克水，2.0克SLS(28％)，72.2克Triton X-165TM(70％)，98克羥甲基丙烯醯胺-45(45％固體，Cytec Industies)，115克AN，和985克EA的20％混合物。將反應混合物逐漸冷卻至30℃之後，用額外的145克水稀釋並過濾。用1％的KOH(pH＝8.7)中和800克的部分稀釋產物，用水稀釋至25％固體，通過1微米過濾器過濾，製得最終樣品。數量平均粒徑是226納米(CHDF)，Tg是-1.5℃(DSC)，每克乳液聚合物中含有139ppm的游離甲醛副產物。
使用對比例A粘合劑的油墨配製物與配製物1相同。用該油墨在Lexmark桌上印表機上列印90頁。在該列印試驗的第90頁上重複6次，墨盒中平均191個(共計208個)噴嘴持續工作。記號筆耐汙性與實施例1類似。
對比例B.製備對比噴墨粘合劑和噴墨將裝有533毫升DI水，2.8克0.15％硫酸亞鐵，0.48克APS，0.42克LykoponTM，和101克丙烯酸聚合物分散體(平均粒徑＝99納米，45％固體)的反應容器保持18℃，在其內部形成氮氣惰性氣氛，在攪拌條件下緩慢添加34％以下組分的混合物487克水，7.1克SLS(28％)，115克AN和1030克EA，一同加入36克水。一段時間之後，反應放熱。然後逐漸添加剩餘的單體混合物，以及36克水。在添加單體期間，也添加共給料存在於45克水中的1.6克APS與存在於45克水中的2.2克亞硫酸氫鈉。在添加單體的過程中保持聚合反應溫度為62-64℃。加入額外的水(共計6克)衝洗，使反應逐步冷卻至30℃，用125克水稀釋並過濾。用1％的KOH(pH＝7.3)中和800克的部分過濾產物，用另外的水稀釋到25％固體，通過1微米過濾器過濾，製得最終樣品。數量平均粒徑是280納米(CHDF)，Tg是+3.0℃(DSC)。
將油墨(含有對比例B粘合劑的配製物1)用於Lexmark桌上印表機。在該列印試驗的第10頁重複6次，墨盒中平均有0個(共計208個)噴嘴持續工作。記號筆耐汙性與實施例1相似。
實施例2.製備噴墨粘合劑和噴墨按照對比例B的方法聚合單體混合物，區別在於向含有531毫升去離子水的反應容器中逐漸添加33％以下組分的混合物487克水，7.1克SLS(28％)，82.8克AAm(53％水溶液)，240克MMA和859克BA，一同加入36克水。將反應混合物逐漸冷卻至30℃，用89克水稀釋並過濾。用1％的KOH(pH＝7.1)中和800克的部分過濾產物，用另外的水稀釋到25％固體，通過1微米過濾器過濾，製得最終樣品。數量平均粒徑是260納米(CHDF)，Tg是-23℃。
將油墨(含有實施例2粘合劑的配製物1)用於Lexmark桌上印表機。在該列印試驗的第90頁重複6次，墨盒中有平均107個(共計208個)噴嘴持續工作。記號筆耐汙性不如實施例1。
實施例3.製備噴墨粘合劑和噴墨按照對比例B的方法聚合單體混合物，區別在於向含有526毫升DI水的反應容器中逐漸添加34％以下組分的混合物487克水，7.1克SLS(28％)，82.9克AAm(53％水溶液)和1100克EA，一同加入36克水。將反應逐漸冷卻至30℃，用額外的93克水稀釋並過濾。用1％的KOH(pH＝7.1)中和800克的部分過濾產物，用水稀釋至25％固體，過濾通過1微米的過濾器，製得最終樣品。數量平均粒徑是274納米(CHDF)，Tg是-10.9℃(DSC)。
將油墨(含有實施例3的粘合劑的配製物1)用於Lexmark桌上印表機。在該列印試驗的第90頁重複6次，墨盒中有平均180個(共計208個)噴嘴持續工作。記號筆耐汙性與實施例1相同，幾乎或根本沒有汙跡。
對比例C.製備對比例噴墨粘合劑和噴墨按照對比例B的方法聚合單體混合物，區別在於向含有533毫升DI水的反應容器中逐漸添加含有487克水，7.1克SLS(28％)和1144克EA的34％混合物，再加入36克水。將反應逐漸冷卻至30℃，用125克水稀釋並過濾。用1％的KOH(pH＝7.0)中和800克的部分過濾產物，用水稀釋至25％固體，過濾通過1微米的過濾器，製得最終樣品。數量平均粒徑是277納米(CHDF)，Tg是-14.1℃(DSC)。
將油墨(含有對比例C粘合劑的配製物1)用於Lexmark桌上印表機。在該列印試驗的第1頁或接近該第1頁，所有噴嘴都是堵塞的，墨盒中有平均0個(共計208個)噴嘴持續工作。記號筆耐汙性與實施例1相同，幾乎或根本沒有汙跡。
權利要求
1.一種含有聚合物顆粒水分散體的噴墨粘合劑，所述聚合物包括作為聚合單元的(a)佔聚合物總重量為0到1重量％的單烯鍵不飽和酸單體；和(b)結構式為CH2＝C(R1)-CON(R2)(R3)的單體，其中R1＝H、CH3或C2H5，R2和R3分別選自C1-C6的飽和烷基和環烷基；其特徵在於(a)和(b)的單體總量佔所述聚合物總重量的至少0.1重量％。
2.如權利要求1所述的噴墨粘合劑，其特徵在於進一步包括作為聚合單元的10到98重量％的C1-C3丙烯酸烷基酯。
3.如權利要求1所述的噴墨粘合劑，其特徵在於單體(b)選自丙烯醯胺，甲基丙烯醯胺，乙基丙烯醯胺，N-甲基丙烯醯胺，N-乙基甲基丙烯醯胺，N-叔丁基丙烯醯胺，N，N-二甲基丙烯醯胺，N-環己基丙烯醯胺及其混合物。
4.如權利要求1所述的噴墨粘合劑，其特徵在於該粘合劑的玻璃化轉變溫度在-40℃到120℃的範圍內。
5.如權利要求1所述的噴墨粘合劑，其特徵在於該聚合物顆粒由毛細管流體動力分離(「CHDF」)方法測得的數量平均粒徑是150到400納米。
全文摘要
本發明涉及一種噴墨粘合劑，它包括聚合物顆粒的水分散體，該聚合物中包括作為聚合單元的(a)佔聚合物總重量0到1重量％的單烯鍵不飽和酸單體；和(b)結構式為CH
文檔編號C08F2/16GK1727419SQ20051008228
公開日2006年2月1日 申請日期2005年6月29日 優先權日2004年6月29日
發明者M·哈爾登－阿伯頓, G·M·萊恩 申請人:羅門哈斯公司