專利名稱：水性墨水的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于鋼筆的墨水組合物，尤其是圓珠筆墨水。
雖然在圓珠筆中使用水性墨水具有早已認識到的優(yōu)越性，但還需仔細地調(diào)節(jié)這些墨水的粘度以避免涌流問題，如圓珠周圍出現(xiàn)泄漏。為了調(diào)節(jié)這些墨水的粘度，常加入天然膠，例如黃原膠使之增稠。然而，含膠墨水常常表現(xiàn)出一些不理想的性能特征，例如，團斑，當(dāng)筆中供給的墨水用完時墨水流量不足。曾試圖通過使用非常小的圓珠克服團斑，但是，在使用期間，具有小的圓珠尺寸的筆表現(xiàn)出一種“刻痕的感覺”。
同時，水性墨水還缺乏流暢性，好的書寫粘滯性，并且，當(dāng)筆沒有套上筆帽，筆尖容易變干。
本發(fā)明以一種水性墨水為特色，其永久性好，脫帽時間長，書寫亮度高，書寫流暢，墨水流量均勻以及擱置時間長。
一方面，本發(fā)明是以一種生產(chǎn)具有上述優(yōu)越性能的墨水的方法為特色的。
一方面，這種方法包括混合一種墨水前體以及在均化器中加工這種墨水前體，從而形成一種乳狀液的墨水。這種墨水前體包括一種成膜的聚合物、一種顏料、水以及一種油。優(yōu)選的前體進一步包括一種與PH值有關(guān)的增稠劑、一種堿以及一種乳化劑。由于在形成穩(wěn)定的微滴乳狀液時的均化器的功效問題，所以，有利地是，一般僅需要低含量的乳化劑。具體地可以包括一種與PH值有關(guān)的增稠劑和一種堿，可以不加成膜聚合物，不過這一般不是優(yōu)選的，因為它會降低這種墨水字跡的永久性。
均化器優(yōu)選地包括一個液體射流相互作用的室，在這個室中，多層的液體混合物的前沿在壓力下不得不在液體的低壓湍流帶中沖擊。優(yōu)選的裝置包括在壓力下噴射多層液體的呈長條狀小孔的多個噴嘴，設(shè)置這些噴嘴來影響多層液體沿著公用的液體射流相互作用前沿的沖擊。這種類型包含的均化器在U.S.專利4,908,154和4,533,254中有描述，在其中引入以供參考。
另一方面，這種方法包括一種油和水的混合，在均化器中加工混合物以形成一種水包油型微滴乳狀液，并且把這種水包油型微滴乳狀液加入到含有成膜聚合物、顏料和水的墨水中。在更優(yōu)選的具體方案中，這種墨水進一步包括一種與PH值有關(guān)的增稠劑和一種堿，以及一種在形成微滴乳狀液之前就加入到油和水混合物中的乳化劑。
另一方面，本發(fā)明是以一種包括一種顏料、水、一種與PH有關(guān)的增稠劑和一種堿的墨水組合物為特色的。優(yōu)選地是，這種組合物進一步包括一種成膜聚合物。優(yōu)選的組合物有好的墨水流量控制、永久性及耐水性。
另一方面，本發(fā)明是以一種包括成膜聚合物、一種顏料、水以及油的墨水組合物為特色的。這種組合物有特別好的書寫流暢性、長的脫帽時間、永久性和耐水性。
在優(yōu)選的具體方案中，這種墨水組合物除包括一種成膜聚合物、水和顏料外，還包括油和與PH有關(guān)的增稠劑與堿的混合物。在優(yōu)選的組合物中，油從干性和半干性油中選擇，并且，聚合物是一種丙烯酸類聚合物。這些組合物提供一種好的均衡性能。
這里所用的術(shù)語“與PH有關(guān)的增稠劑”是指一種材料，當(dāng)在一種組合物中加入它的時候，只有當(dāng)組合物的PH值大于7，優(yōu)選地在大約8和10之間時，才能使組合物稠化。這些增稠劑在技術(shù)上也被稱為“締合增稠劑”。雖然沒有受到任何理論的約束，仍可以認為，由于增稠劑被堿接觸時本身溶脹，從而這些增稠劑能使墨水的粘度增大。
這里所用的術(shù)語“乳化劑”是指一種添加劑，能增強組合物形成乳狀液的能力。該術(shù)語還包括表面活性劑和其它常用類型的乳化劑。
這里所用的術(shù)語“微滴乳狀液”是指一種乳狀液，即一種由懸浮在第二種液體上的第一種液體的微滴組成的顯微的多相混合物，其中，這些懸浮滴具有非常小、均勻的顆粒尺寸，一般小于1微米。這里，所用的動詞“微乳化”是指處理一種溶液以形成微乳狀液，“均化器”是指任何一種能形成微乳狀液的設(shè)備。
這里所用的術(shù)語“干性油”是指一種交聯(lián)鍵合并通過氧化能形成干性膜的油。術(shù)語“半干性油”是指一種氧化后能緩慢稠化的油。
本發(fā)明的其它特色和優(yōu)點將從本發(fā)明優(yōu)選的具體方案的描述中，以及從權(quán)利要求中表現(xiàn)出來。
一種優(yōu)選的墨水包括一種成膜丙烯酸類聚合物、一種潤滑油，更優(yōu)選地包括一種干性油或半干性油、一種與PH有關(guān)的增稠劑、一種堿、一種顏料、一種乳化劑和水。一種乳狀液墨水是通過預(yù)先混合這些成份，并通過均化器處理形成一種微乳狀液而制成的。
丙烯酸類聚合物優(yōu)選地是呈乳狀液形式。然而，如果希望，也可以使用水溶性丙烯酸類。部分丙烯酸類聚合物可以與顏料一起包含在一種顏料分散體中，這種分散體包括一種丙烯酸類聚合物作為顏料分散其中的媒介質(zhì)。優(yōu)選的丙烯酸類聚合物包括熱塑性丙烯酸，例如，聚甲基丙烯酸酯，諸如，聚甲基丙烯酸甲酯和其它的丙烯酸甲酯。一種優(yōu)選的丙烯酸乳狀液是RHOPLEXAC-261乳狀液，可以從Rohm and Haas Co.，Philadelphia，PA得到。RHOPLEX AC-261是一種完全由單體丙烯酸聚合的共聚混合物，具有低酸含量的丙烯酸丁酯/甲基丙烯酸甲酯的摻合物，其分子量大約是1,000,000，并且玻璃化溫度在15-20℃之間。優(yōu)選的組合物含有大約5-30％(重量)的丙烯酸類聚合物，更優(yōu)選地是10-20％(重量)。在顏料的有效含量情況下，過多的丙烯酸可導(dǎo)致不希望有的高粘度，而過少可導(dǎo)致墨水干燥后耐水性能差。
合適的干性和半干性油包括植物油，例如，亞麻子(干性)、紅花(干性)、棉子(半干性)和玉米(半干性)，亞麻子是優(yōu)選的。其它的潤滑油，例如硅氧烷可被用來代替干性或半干性油。無論如何，這些其它的油可以提高墨水的干燥時間。優(yōu)選地是，組合物含有大約10-25％(重量)的這種油，更優(yōu)選的是大約15％(重量)。這種油能賦予墨水潤滑性和好的脫帽性能。過多的油可引起墨水干燥太慢，而油太少就不能賦予墨水所希望的潤滑性和脫帽性能。這種油可以在墨水組合物的微乳化之前加入，或者，除整個組合物微乳化外，還可以在這種油和部分水加到組合物之前，使它們分別微乳化，或者，在加到組合物中之前，分別微乳化這種油和部分水以代替整個組合物的微乳化。如果油和水分別微乳化，那么，一般優(yōu)選地是，在微乳狀液中，油和水的比例大約是1∶5-2∶5。
與PH有關(guān)的增稠劑優(yōu)選地是一種酸穩(wěn)定的丙烯酸類樹脂。市場上可得到的合適的與PH有關(guān)的增稠劑是Union Carbide，商品名為POLYPHOBE，和ALCO Company的ALCO膠質(zhì)增稠劑。優(yōu)選的是POLYPHOBE 9823丙烯酸膠乳增稠劑。優(yōu)選地是，組合物含有大約1-5％(重量)的增稠劑，更優(yōu)選地是大約2％(重量)。增稠劑含量過高可導(dǎo)致不希望有的高粘度，而含量過低就不能提供足夠的流量控制。在不包括成膜聚合物的具體墨水組合物中，一般優(yōu)選地是，所用增稠劑的含量是優(yōu)選范圍的上限值，從而可以提供滿足要求的粘度。
為了使與PH有關(guān)的增稠劑有效地增稠組合物，對于組合物來說，必須具有相對高的PH值，例如至少7，優(yōu)選地是8-10。組合物的PH值可以通過在組合物中加入堿，例如氨或2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)作為單獨的組份來增大?；蛘哌@樣也可以，即可以以含有堿的顏料分散劑的形式提供顏料，和/或以含有堿的聚合物乳狀液的形式提供聚合物，正如這里所描述的優(yōu)選的顏料分散體和聚合物乳狀液。優(yōu)選地，這種組合物含有足夠量的堿以增大組合物的PH值達到優(yōu)選的值，堿可以作為單獨組份提供，也可以包括在其它組份中。
在墨水中應(yīng)包括足夠的顏料以得到令人滿意的顏色強度，但是，不能太多以致粘度變得非常高。優(yōu)選的墨水包括大約2-10％(重量)的顏料，更優(yōu)選地是大約4-8％(重量)?？梢栽诒景l(fā)明中使用的顏料包括水分散性顏料，并且優(yōu)選的顏料是以水分散的形式提供的，以便準確測量和均勻混合。合適的分散體包括從Hoechst Celanese得到的商品名為FLEXONYL或HOSTAFINE的分散體，從KVK U.S.A.Inc.得到的商品名為PREDISOL的，從Heucotech Ltd.得到的HEUCOSPERSE分散體、從Nippon Keiko Kagaku，Ltd.得到的LUMIKOL分散體，以及Mikuni Color Works，Inc的TITICACA分散體。一種優(yōu)選的顏料分散體是HEUCOSPERSE III分散體。顏料分散體的加入總量取決于分散體的固體含量，并且，選擇加入量以得到如上所述的有效的顏料量。優(yōu)選的是顏料具有相當(dāng)小的顆粒尺寸，優(yōu)選地小于0.5微米以防止沉降。小顆粒尺寸也可以防止筆尖堵塞。
乳化劑用來穩(wěn)定水包油型微乳狀液。合適的乳化劑包括最常規(guī)的乳化劑，特別是那些適合于乳化植物油的。優(yōu)選地，乳化劑是一種乙氧基化的脂肪酸，特別優(yōu)選地是乙氧基化的油酸。優(yōu)選地，組合物含有大約0.5-2％(重量)的乳化劑。
優(yōu)選地，在墨水中包括足夠的水以便在300 sec-1和25℃下，用Haake CV-100 Rotovisco粘度計測量的墨水粘度大約是20-60厘泊(CPS)。如果粘度太低，組合物在圓珠筆中會表現(xiàn)出過量的墨水流量。如果粘度太高，墨水會表現(xiàn)出性能問題，例如，團斑，分裂以及在書寫期間墨水流量不足。
其它常規(guī)的組分也可以包括在該組合物中，例如，生物殺傷劑和表面活性劑。
用于制備含油的優(yōu)選組合物的優(yōu)選方法是準備以分散體形式存在的顏料和以乳狀液形式存在的丙烯酸，使它們和組合物的其它組份預(yù)混合，然后，使得到的混合物通過包括一個液體射流相互作用室的均化器，例如均化器是可以從Micro fluidics，Newton，Mass得到的商品名為MICROFLUIDIZER Model M-110Y的大約8000磅/平方英寸(psi)的均化器。如果其它類型的均化器能形成微乳狀液，那么也可以選擇它們。優(yōu)選地，在微乳狀液離開液體射流相互作用室之后，使它們大約冷卻至室溫，例如通過流過冷卻管。為了得到具有最適宜穩(wěn)定性的微乳狀液，令人滿意地是多次流過均化器。
在另一個具體化的墨水組合物中，僅僅使用上述相同的微乳化過程微乳化油和水(優(yōu)選地還和一種乳化劑)。然后，用常規(guī)的混合技術(shù)使得到的水包油微乳狀液與組合物的其它組份混合。
本發(fā)明不包含油的組合物就不必被微乳化，但是，可以代之以用常規(guī)技術(shù)混合。
在含有與PH值有關(guān)的增稠劑和堿(有或沒有油)的組合物中，優(yōu)選地是，在暴露在堿和/或任何呈堿性的組份中之前，與PH有關(guān)的增稠劑與水(或水和任何PH呈酸性至中性的組份)預(yù)先混合。如果與PH有關(guān)的增稠劑沒有先在水中稀釋而直接加到PH呈堿性的溶液中，那么它會結(jié)塊或集塊。
實施例用在表1中列出的組份制備墨水組合物，并采用下列的步驟。首先，40份亞麻子油、58份水和2份TRYDET 2676表面活性劑(乳化劑)通過大約8000 psi的MICROFLUIDIZ Model M-110Y均化器三次形成一種水包油的微乳狀液。在每次之間，流出的流體通過流過浸在冰水浴中的均化器管而被冷卻。然后，使用實驗室用磁力攪拌器使POLYPHOBE增稠劑與部分水預(yù)混合，然后這種混合物與37.5份的水包油微乳劑以及組合物的剩余組份混合。得到的墨水組合物放置在圓珠筆中并用來在紙上寫字。這些字跡表現(xiàn)出良好的均勻性和顏色強度?？梢钥闯龉P本身要具有較好的書寫流暢性。
表1組份重量％RHOPLEX AC 261乳狀液40亞麻子油15TRYDET 2676乳化劑 0.75POLYPHOBE 9823增稠劑2HEUCOSPERSE III分散體 15SILWET L7001表面活性劑 0.5TRYFAC 5571表面活性劑 0.5水 26.25其它的實施方案在權(quán)利要求書中。例如，這種墨水可以用在其它類型的筆中，例如，毛細管給油滾球式筆。
權(quán)利要求
1.一種制備墨水組合物的方法，其包括下列步驟一種成膜聚合物、一種顏料、水和一種油混合形成一種墨水前體；并且在均化器中加工這種墨水前體以形成微乳狀液。
2.一種制備墨水組合物的方法，其包括下列步驟一種與PH有關(guān)的增稠劑、一種堿、一種顏料、水和一種油相混合形成一種墨水前體；并且在均化器中加工這種墨水前體以形成微乳狀液。
3.一種制備乳狀液墨水的方法，其包括下列步驟油和水混合以形成一種混合物；在均化器中加工這種混合物以形成水包油乳狀液；并且這種水包油乳狀液與成膜樹脂、顏料和水摻合以形成一種墨水組合物。
4.一種制備乳狀液墨水的方法，其包括下列步驟油和水混合，從而以形成一種混合物；在均化器中加工這種混合物以形成一種水包油乳狀液；并且這種水包油乳狀液與一種與PH有關(guān)的增稠劑、堿、顏料和水摻合以形成一種墨水組合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其進一步包括在墨水組合物中加入與PH有關(guān)的增稠劑和堿的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其中所說的成膜聚合物是丙烯酸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4的方法，其中所說的油是一種干性或半干性油。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所說的油是一種植物油。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所說的植物油是亞麻子油。
10.根據(jù)權(quán)利要求2或4的方法，其中所說的與PH值有關(guān)的增稠劑是一種酸穩(wěn)定的丙烯酸樹脂。
11.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4的方法，其進一步包括在所述的均化器中加工前加入一種乳化劑的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的墨水前體包括5-30％(重量)的成膜聚合物，2-10％(重量)的所述顏料，1-5％(重量)的與PH值有關(guān)的增稠劑和10-25％(重量)所述的油。
13.一種水性筆用墨水，其包括一種成膜聚合物，一種干性或半干性油，一種顏料和水。
14.一種水性筆用墨水，其包括一種顏料，一種與PH有關(guān)的增稠劑，一種堿和水。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的墨水，其進一步包括一種干性或半干性油。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15的墨水，其還包括一種成膜聚合物。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的墨水，其中所述的聚合物是一種丙烯酸。
18.根據(jù)權(quán)利要求13或15的墨水，其中所述的的油是一種植物油。
19.根據(jù)權(quán)利要求13或15的墨水，其中在將油加入到墨水中之前，油和部分水在均化器中加工以形成一種微乳狀液。
20.根據(jù)權(quán)利要求13或15的墨水，其中所述的墨水是通過所述的組份相混合形成一種墨水前體并在均化器中處理這種墨水前體而制成的。
21.一種筆，其包括一個限制儲墨水器的外體壁，其中儲墨水器中裝有一種包括油、顏料、成膜聚合物和水的墨水；和一個通過液體與所述的儲墨水器相連接、以使墨水傳遞到底物的筆尖。
22.一種筆，其包括一個限制儲墨水器的外體壁，其中儲墨水器中裝有一種包括顏料、與PH有關(guān)的增稠劑、堿和水的墨水；和一個通過液體與所述的儲墨水器相連接，以使墨水傳遞到底物的筆尖。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22的筆，其還可以包括一個套管，配置在所述的筆尖的位置上，以及一個滾珠，鑲嵌在套管里。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的筆，其進一步包含一種干性或半干性的油。
25.根據(jù)權(quán)利要求22或24的筆，其進一步含有一種成膜聚合物。
26.根據(jù)權(quán)利要求21或24的筆，其中所述的油是一種植物油。
27.根據(jù)權(quán)利要求21或24的筆，其中所述的油加入到墨水中之前所說的油和所述的部分水在均化器中加工以形成一種微乳狀液。
28.根據(jù)權(quán)利要求21或24的筆，其中所述的墨水是通過所述的組份相混合組成為一種墨水前體并在均化器中加工這種墨水前體而制成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備乳狀液墨水的方法。這種方法包括混合一種墨水前體并在均化器中加工這種墨水前體以形成一種乳狀液墨水。這種墨水前體包括顏料、成膜聚合物、油以及優(yōu)選地還包括與pH有關(guān)的增稠劑和堿。
文檔編號C09D11/10GK1133057SQ94193778
公開日1996年10月9日 申請日期1994年10月13日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月15日
發(fā)明者R·M·洛夫廷 申請人:吉萊特公司