JP3521669B2 - 酸化処理カーボンブラック並びにカーボンブラック分散液及びその製造方法 - Google Patents
酸化処理カーボンブラック並びにカーボンブラック分散液及びその製造方法Info
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Description
インク並びに筆記用インクに使用される黒色顔料として
有用な酸化処理カーボンブラック、及びかかる酸化処理
カーボンブラックを含有する分散液とそのの製造方法に
関する。
さい、カラー印刷が可能、高速印字が可能、普通紙に印
刷が可能で高品位であることと言った特徴を持つことか
らパーソナル用、オフィス用を問わずコンピュータの印
刷用に巾広く使用されている。このインクジェット印刷
は種々の方式があり、記録ヘッドの中にある細いノズル
中のインクを静電エネルギーにより吐出を行う方法、及
び記録ヘッド内においた発熱帯に電流を流し、その発熱
により気泡を発生させてノズルからインキを吐出させる
ことにより印刷を行う方法が挙げられる。このようなイ
ンクジェット記録に用いられるインキとしては、従来は
染料を水に溶解または分散した水性インキが用いられて
きた。この様な水性インキは万年筆、ボールペン等の筆
記具にも用いられている。
に要求される性能としては、次の様な項目が挙げられ
る。 (1)印字または筆記物に滲みが生じないこと (2)印字または筆記物が光、または熱により退色しな
いこと (3)長期間放置したときでも記録ヘッド内のノズルや
ペン先に目詰まりを生じないこと (4)保存安定性が良いこと (5)インキの粘度が低いこと 上述のように従来、これらの用途のインキでは着色剤と
して染料を、水に溶解または分散したインキが用いられ
てきたが、染料を用いた場合、印字または筆記物に滲み
が出やすく光により退色するという問題を有することか
ら、最近カーボンブラックを黒色顔料として使用したイ
ンキが注目されている。
ーボンブラックをインキ用顔料として用いた場合、カー
ボンブラックの表面が親油性であるために、カーボンブ
ラックの水中での分散性が悪く、ノズルやペン先でカー
ボンブラックが目詰まりしたり、保存中に凝集物を生じ
て使用不可能となる。このため、各種の分散剤の添加が
必要とされている。ここで分散剤としては、カーボンブ
ラックと馴染みの良い親油性基と、水と馴染みの良い親
水基との両方の基を分子内に含有する分散剤、具体的に
は主に樹脂分散剤が、分散性あるいは分散安定性を改良
するために用いられている。しかしながら、このような
樹脂分散剤はカーボンブラック表面に結合させることに
よりその効果を期待するものであるため、カーボンブラ
ック表面に結合する量以上に添加しないと分散効果が得
られない。このため液中に余分な分散剤が残り、それが
ノズルやペン先のインクが乾燥したときに、再溶解性の
乏しい固形物となり、目詰まりの原因となる。また、分
散剤を添加することによりインキの粘度が高くなり、安
定したインキの吐出性が得られないという問題も生ず
る。
−3498号公報ではカーボンブラックに次亜塩素酸ソ
ーダ溶液を作用し、カーボンブラックを市販品以上に酸
化処理しその表面を親水化処理することにより、分散剤
を使わず分散安定性を改良する試みが記載されている。
しかしながらこの方法では、液中に酸化剤として用いた
多くの塩素イオンやナトリウムイオンが存在するため、
これをインキとして用いるには、一旦反応物を濾過し、
その後逆浸透膜や限外濾過等により精製をする必要があ
る。また、100℃の高温で12時間もの長時間酸化処
理を行っているため、水に可溶なフミン酸が生成する。
また、市販カーボンブラックを更に酸化処理するものと
して、特開平7−258578号公報には気相の低濃度
オゾンを使用し長時間市販カーボンブラック以上に酸化
処理することが記載されている。
たカーボンブラックは、酸化剤の作用が強い為か、カー
ボンブラックの表面を著しく浸食し、表面積を増大する
とともに、水に可溶なフミン酸を生成する。また、この
様な処理で生成したカーボンブラックの官能基は、理由
は不明であるが、水との馴染みが不十分で分散安定性は
充分ではないことが本発明者の検討により判明した。こ
のように、以上説明した従来技術である次亜塩素酸ナト
リウムや気相中のオゾンを酸化剤として酸化処理をした
カーボンブラックを含む水性インキ中には、フミン酸や
Naイオンが大量に存在することとなり、たとえば、特
公平7−51687号公報にも記載されているように、
これらの不純物がノズルやペン先で固形物となり、目詰
まりの原因となる。
2626号公報には水性媒体とカーボンブラックを攪拌
混合しながら、攪拌槽下部より細孔を通じてオゾンを曝
気する方法も記載されている。しかしながら、ここでは
フラッシング(顔料粉末の水性混合物に、攪拌しながら
油を添加して顔料粉末を油相に移行させる)により油等
の疎水性ベヒクルに分散させる方法が記載されているの
であって、水性インキ用、特にインクジェット用インキ
の顔料として好適に用いることのできる水性媒体への分
散性の優れたカーボンブラックについては何等記載され
ていない。オゾンの導入量としてもファーネスブラック
の比表面積1m2に対して2x10-5grを超えて導入す
ることは好ましくないとされており、得られるカーボン
ブラックの酸化の程度は低いものが好ましいことを意図
していることが推測されるものの、具体的な酸化の程度
についても記載されてはいない。このように、従来は水
性インキ用、特にインクジェット用の顔料として好適に
用いることのできる水性媒体への分散性の優れたカーボ
ンブラックを得る方法は見いだされておらず、カーボン
ブラックを水性インキ用顔料に用いるには問題があっ
た。
解決し、分散安定性に優れ、ノズルやペン先での目詰ま
りの発生が抑えられ、吐出安定性に優れた水性インキ用
顔料並びにインキを提供しうるカーボンブラックを得る
ことを目的とする。
ラック分散液から特定濃度までフミン酸を除去すること
により、分散性にすぐれ、さらには吐出安定性のよいカ
ーボンブラック水分散液を得ることができることを見い
だした。特に特定方法でカーボンブラックを酸化処理し
て用いることにより、フミン酸濃度が適切な値である分
散液を容易に調製できることをも見いだした。すなわ
ち、本発明は、カーボンブラックを酸化剤で酸化処理し
てなる酸化処理カーボンブラックであって、全酸性基が
3μequ/m2であり抽出フミン酸濃度が吸光度1以
下であることを特徴とする酸化処理カーボンブラック等
に存する。
酸化処理して酸化処理カーボンブラックとする。酸化処
理に供するカーボンブラックの粒子径は限定されないが
100nm以下、さらには30nm以下のものが粒子の
沈降が特に抑えられ最適である。またカーボンブラック
中のアルカリ金属、アルカリ土類金属は水中に溶解し、
液中でのオゾン酸化の効率を低下するので、少ない方が
よいが、好ましくは総量として1重量%以下、より好ま
しくは0.5重量%以下、さらに好ましくは0.1重量
%以下が好ましい。また、カーボンブラック中の硫黄や
硫黄化合物、あるいは、塩素化合物はオゾンで酸化され
て溶液中で強酸となり、カーボンブラックの表面に生成
した官能基がイオンになることを妨害する作用を有する
ことから、極力、少ないことが望まれるが、全硫黄分析
値、あるいは全塩素分析値で各々0.5重量%、好まし
くは0.1%重量以下が好ましい。硫黄含有量を低下す
るには、カーボンブラックの原料として用いる芳香族炭
化水素、燃料として用いる液体炭化水素や気体炭化水素
として低硫黄含有量の物を用いることで可能である。ま
た塩素含有量は、カーボンブラック製造時の冷却水とし
て用いる水として純水を使用することにより、低下する
ことができる。
である硝酸や気相のオゾンで処理により行ってもよい
が、好ましくは水の存在下でオゾン処理することにより
著しく水性媒体への分散性が向上すると同時に、本発明
の要件として後述するフミン酸の濃度が特定値以下の分
散液を容易に得ることができることが本発明者により見
いだされた。ここで水の量は、カーボンブラックと水と
の比率(重量比)で95:5〜0.5:99.5が適当
であり、より好ましくは50:50〜2:98、さらに
好ましくは20:80〜5:95の範囲がよい。こうし
て水とカーボンブラックを混合し、この混合体にオゾン
を導入してカーボンブラックの酸化処理を行う。具体的
にはオゾン及び/又はオゾン含有ガスを通じてカーボン
ブラックの酸化処理を行うことができる。
従来よりカーボンブラックの酸化に使用されている他の
酸化剤である硝酸、窒素酸化物、硫酸、次亜塩素酸類で
は高温下で酸化反応が進むのとは異なり、室温でカーボ
ンブラックを酸化することができる。オゾン発生機によ
りオゾンを発生させ、これを水とカーボンブラックの混
合物に導入することにより、水の存在下でカーボンブラ
ックを酸化処理することができる。水の存在下でオゾン
によりカーボンブラックの酸化を行うという簡易な操作
によりフミン酸が少なく特性の優れた酸化カーボンブラ
ックが得られる機構は明らかではないが、カーボンブラ
ックの表面に水が存在すると、オゾンがカーボンブラッ
ク表面に直接反応しないで、オゾンは一担水に溶解し、
酸化力が弱まった状態で酸化すると考えられる。また水
が存在するため、温度が上がらず、カーボンブラックと
反応した時に、カーボンの奥深くまで反応しないため、
フミン酸が生じないことも考えられる。さらに、水の存
在下で反応することにより、生じる官能基も水との馴染
みが良く、分散安定性を発揮するものとなることも考え
られる。
基が3μequ/m2以上となるまで酸化処理する。よ
り好ましくは6μequ/m2以上とすれば、水性媒体
への分散性が非常に良好となる。3μequ/m2未満
では、分散媒への分散性が充分ではなく、凝集を生じや
すく、水性インキとしての使用が困難である。全酸性基
の量は、NaOHやKOH等の強アルカリと反応した量
として求めることができる。この全酸性基を求める方法
としては以下の通りである。酸化処理したカーボンブラ
ックを、0.1ミクロンのメンブランフィルターを用いて
濾過を行い水と分離する。この分離したカーボンブラッ
クを60℃の乾燥機で1昼夜乾燥した後、メノウ乳鉢で
粉砕する。この乾燥後のカーボンブラックを0.2から
0.5g取り、0.01NのNaOHを60cc入れた
三角フラスコに入れ、窒素を三角フラスコに流し、スタ
ーラで6時間撹拌をして反応させる。この反応物を再び
0.1ミクロンのメンブランフィルターを用い濾過を行
い、濾過液を得る。この濾過液を40cc取り、0.0
25N塩酸を用い自動中和滴定装置で滴定を行い濾過液
のNaOH濃度を求める。カーボンブラックの全酸性基
は次の計算により求めることができる。
が、カーボンブラックを酸化すると、その表面にはフミ
ン酸が生成することは良く知られている。一方、カーボ
ンブラックは酸化処理をすると、水との馴染みが良くな
るため、酸化処理のみ、または分散剤と併用して、水性
インクの顔料としての使用が試みられている。このよう
に使用されたときは、表面のフミン酸が水に溶解してく
る。またpHが高い程、フミン酸の溶解量は多くなる。
酸化剤で処理をした時に生成する、多環芳香族縮合物に
カルボキシル基や水酸基の官能基が結合した物質で、褐
色のものである。この物質は単一の化合物ではなく、分
子量分布をもつが、カーボンブラックを酸化処理した時
のフミン酸は紫外の特定波長の吸収を持つことからその
波長での吸光度として求めることができる。カーボンブ
ラックの有するフミン酸濃度の分析としては以下の方法
により行うことができる。カーボンブラックを水に分散
してなる分散液を0.1ミクロンのメンブランフィルタ
ーを用いて加圧濾過を行う。濾過の初期には、カーボン
ブラックが一部漏れ出てくるので、初期の液は捨て、カ
ーボンブラックが完全に取り除かれた液を採取する。
ルにいれ、光度計で紫外255nmの吸光度を測定し、
この値をカーボンブラックの抽出フミン酸濃度とする。
本発明の酸化処理カーボンブラックは、抽出フミン酸濃
度が吸光度で1以下のものである。このように抽出フミ
ン酸濃度が低い本発明の酸化処理カーボンブラックは水
性インキ組成物とした際にもノズルの目詰まりを防止で
きる等の優れた効果を発揮する。抽出フミン酸濃度は好
ましくは吸光度で0.5とすれば、このような優れた効
果は更に著しい。
ゾンにより酸化処理を行った場合には、水性媒体への分
散が良好となる程度にまで酸化を行っても、意外なこと
にフミン酸濃度は低いものとなる。すなわち抽出フミン
酸濃度で1以下のもの、更には0.5以下のものが容易
に得られるのである。このため、得られた酸化処理カー
ボンブラックを各種の分散媒に分散して得られる分散液
は、そのままでフミン酸濃度が極めて低いものとするこ
とができるので、吐出安定性に優れた水性インキの調製
には非常に好適である。一方、気相中でのオゾン酸化、
あるいはその他の酸化剤による酸化処理ではフミン酸の
発生は無視できるものではないので、酸化処理カーボン
ブラックを分散してなる分散液に、各種のフミン酸除去
手段を施して、フミン酸の濃度を低減させる。フミン酸
の除去手段としては、例えば分散液を活性炭で処理する
方法、イオン交換樹脂で処理する方法が挙げられる。
旦水性媒体に分散してフミン酸を溶解させた後、カーボ
ンブラックを取り出して各種のインキ用ベヒクルに分散
して分散液とし、インキを調製することもできる。以上
の方法により、カーボンブラック分散液のフミン酸濃度
を吸光度で1以下とする。特に好ましくは吸光度で0.
5以下とする。分散液のフミン酸濃度の分析としては以
下の方法により行うことができる。分散液を0.1ミク
ロンのメンブランフィルターを用いて加圧濾過を行う。
濾過の初期には、カーボンブラックが一部漏れ出てくる
ので、初期の液は捨て、カーボンブラックが完全に取り
除かれた液を採取する。この液を、10mm角の石英吸
光度測定セルにいれ、光度計で紫外255nmの吸光度
を測定し、この値を分散液のフミン酸濃度とする。
度で1以下である本発明の酸化処理カーボンブラック
は、各種の媒体と混合して有用であるが、特に水性媒体
に分散して水性分散液とすることにより、優れた性能を
有する水性インキとすることができる。なおここで水性
媒体とは、水あるいは水とこれに混和する極性溶媒との
混合物をいい、極性溶媒の具体例としてはエタノール、
イソプロパノール等の低級アルコール、グリセリン、ジ
エチレングリコール、ポリエチレングリコール等のグリ
コール系溶剤、N−メチルピロリドン、2−ピロリドン
等の含N系溶剤の他尿素等が代表的である。水性分散液
中の酸化処理カーボンブラックの濃度は用途に応じて適
宜選択すればよいが、好ましくは0.5〜50重量%、
特に好ましくは0.5〜20重量%含有させたカーボン
ブラック水性分散液とするのが好ましい。この範囲であ
ればインキとした場合の印字濃度が良好で、しかもイン
キの粘度が抑えられ、優れた特性のインキを得ることが
できる。
散液は、例えばカーボンブラックの濃度が20wt%を
超える場合等には必要に応じて分散剤を添加する等、各
種の添加剤を加え水性インキとして使用することができ
る。また必要に応じ濃縮、乾燥し、その後別途希釈して
インキとして使用することもできる。この場合酸化処理
カーボンブラックを水に添加し、ビーズミル、ボールミ
ル、衝撃性分散機等による分散処理を用いることもでき
る。インキ化する際の添加剤としては例えば浸透剤、定
着剤、防かび剤等が挙げられる。浸透剤としては、ポリ
オキシエチレンアルキルアリールエーテル等のノニオン
系界面活性剤、アルキルベンゼンスルホン酸塩等のアニ
オン系界面活性剤の他、フッ素系界面活性剤、ジエチレ
ングリコールモノブチルエーテルなどを使用することが
できる。
アルコール、ポリアクリルアミドなどのノニオン系水溶
性樹脂、ポリアクリル酸、スチレン/アクリル系水溶性
樹脂などのアニオン系水溶性樹脂等)の他、水性エマル
ジョンも使用できる。一般にインクジェット用のインク
として使用する際には、カーボンブラック濃度として1
〜20重量%、特に好ましくは5〜10重量%のものが
使用される。こうして得られる本発明のインキは、イン
クジェット用のインクとして必要な、液滴形成の安定性
吐出安定性、長時間の吐出安定性、長時間休止後の吐出
安定性、保存安定性、被記録材への定着性、記録画像の
耐候性等いずれもバランスのとれたものとなる。更に筆
記具用水性インキ、各種の塗料、カラーフィルター等に
も好適に用いられる。
明する。 実施例1 市販カーボンブラック(三菱化学(株)製「#47」、
硫黄量0.5%、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の
総含有量0.1%)を20g、水500ccに入れ、家
庭用ミキサーで5分間分散した。得られた液を、攪拌機
の付いた3リットルのガラス容器に入れた。攪拌機で攪
拌しながら、オゾン濃度8重量%のオゾン含有ガスを5
00cc/分で2時間導入した。この際オゾン発生器と
してペルメレック電極社の電解発生型のオゾナイザーを
用いてオゾンを発生させた。
たところ2.5であった。(pHの測定は、JIS K
6221による。) また、この液中の粒度分布を日機装社製「マイクロトラ
ックUPA」で測定したところ平均50%分散径で77
nmであり、この液を取り、光学顕微鏡を用い、400
倍の倍率で確認したところ良好な分散状態で全体がミク
ロブラウン運動をしており経時により凝集することもな
く、分散安定性が良好であることがわかった。次いで、
この液を0.1ミクロンの径を有するミクロポアーフィ
ルターで濾過しカーボンブラックを取り除き濾液を得、
この濾過残のカーボンブラックの抽出フミン酸の濃度を
測定したところ、紫外255nmの吸光度で0.1であ
った。
で乾燥をし、全酸性基を測定したところ、450μequ
/gであった。また窒素吸着比表面積は120m2であ
った。したがって単位面積あたりの全酸性基は3.75
μequ/m2であった。さらに、この分散液に0.1
NのNaOH溶液を添加しPHを10に調整をした。さ
らにpHを12に上げても、粒度分布は変化せず78ミ
クロンであり、光学顕微鏡でも分散状態は良好であっ
た。これらの2種類の分散液を5000rpmの遠心分離
で、(株)NEC製のカートリッジに詰めNEC(株)
製プリンター「PR101」を用いて印字をしたところ
にじみやかすれの無い良好な印字物が得られた。
含む水500ccに入れ、家庭用ミキサーで5分間分散
した。この分散液を、攪拌機の付いた3リットルのガラ
ス容器に入れた。攪拌機で攪拌しながら、オゾン濃度2
wt%のオゾン含有ガスを500cc/分で15時間導
入した。この際のオゾン発生器は米国PCI社の純酸素
使用放電型のオゾナイザーを用いた。この分散液を取り
出しpHを測定したところ2.0であった。また、この
分散液中の粒度分布を日機装社製「マイクロトラックU
PA」で測定したところ平均50%径で72nmであ
り、この液を取り、光学顕微鏡を用い、400倍の倍率
で確認したところ良好な分散状態で全体がミクロブラウ
ン運動をしており経時で凝集することもなく、分散安定
性が良好であることがわかった。
を有するミクロポアーフィルターで濾過しカーボンブラ
ックを取り除き濾液を得、この濾液中のフミン酸の濃度
を測定した。このフミン酸の濃度は紫外255nmの吸
光度で3.1であった。この分散液100ccに三菱化
学(株)製陰イオン交換樹脂を50cc入れ1時間振と
う機で振とうし吸着を行った。この後、液を5000rp
mの遠心分離機でイオン交換樹脂等の異物を除去し、吸
光度を求めた。吸光度は紫外255nmで0.8であっ
た。この分散液を5000rpmの遠心分離して、(株)
NEC製のカートリッジに詰めNEC(株)製プリンタ
ー「PR101」を用いて印字をしたところノズルから
の吐出性は良好であり、にじみやかすれのない良好な印
字物が得られた。一方、濾過残のカーボンブラックを6
0℃で乾燥し、全酸性基を測定したところ、500μe
qu/gであった。したがって単位面積当たりの全酸性
基は4.2μequ/m2であった。
筆記用のインキに使用した場合にノズルのオリフィス中
またはその先端での目詰まりや沈降物発生が無く、安定
したインキの吐出安定性が得られる黒色顔料として好適
なカーボンブラックを得る。
Claims (10)
- 【請求項1】カーボンブラックを酸化剤で酸化処理して
なる酸化処理カーボンブラックであって、全酸性基が3
μequ/m2であり抽出フミン酸濃度が吸光度で1以
下であることを特徴とする酸化処理カーボンブラック。 - 【請求項2】酸化剤がオゾンであることを特徴とする請
求項1記載の酸化処理カーボンブラック。 - 【請求項3】酸化処理を水の存在下で行うことを特徴と
する請求項1又は2記載の酸化処理カーボンブラック。 - 【請求項4】請求項1〜3のいずれかに記載の酸化処理
カーボンブラックが分散媒に分散しているカーボンブラ
ック分散液。 - 【請求項5】分散媒が水性媒体である請求項4記載のカ
ーボンブラック分散液。 - 【請求項6】液中のフミン酸濃度が吸光度で1以下であ
る請求項4又は5記載のカーボンブラック分散液。 - 【請求項7】酸化処理カーボンブラックが水に分散して
いる分散液から、液中のフミン酸を除去することにより
液中のフミン酸濃度を吸光度で1以下とすることを特徴
とするカーボンブラック分散液の製造方法。 - 【請求項8】フミン酸の除去を活性炭で行うことを特徴
とする請求項7記載のカーボンブラック分散液の製造方
法。 - 【請求項9】フミン酸の除去を陰イオン交換樹脂で行う
ことを特徴とする請求項7記載のカーボンブラック分散
液の製造方法。 - 【請求項10】酸化処理カーボンブラックが、カーボン
ブラックを水の存在下にオゾンにより酸化処理したもの
である請求項7〜9のいずれかに記載のカーボンブラッ
ク分散液の製造方法。
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