本发明涉及水性色浆技术领域，具体涉及一种水性喷墨颜料色浆及其制备方法和应用。
背景技术：
传统水性喷墨染料墨水具有低毒性、对环境亲和性好、色彩鲜艳逼真、价格低廉等特性，广泛的运用在各种需要打印输出的地方。然而，水性喷墨染料墨水却有两个致命的缺点，第一是不耐水，遇水会晕染溶解；第二是不耐光，在日光照射下，紫外线及臭氧会劣解染料，造成影像褪色失真。
为了解决这些问题，水性喷墨颜料墨水被开发出来。由于颜料本身不溶于水，故耐水好；而且颜料化学性质稳定，不容易受紫外线及臭氧的侵蚀，耐旋光性强，不易褪色。但颜料不溶于水，其是以微粒形式分散于墨水中。为了确保颜料微粒稳定分散于墨水中，需要制备强分散、高稳定性的水性喷墨颜料色浆。传统方法是使用非结构化分散剂，例如传统小分子分散剂(如壬基酚聚氧乙烯醚，分子量mw＝800)或高分子分散剂(如聚丙烯酸磺酸盐或脂肪酸聚氧乙烯)，其锚定基对颜料的吸附点太少或太弱，且溶剂化链太短或太长，对水的亲和力太差，无法产生足够立体空间障碍或静电斥力，因此无法得到强分散、高稳定性的水性喷墨颜料色浆，容易导致颜料析出沉降堵塞喷头。早期通常采用多次扫描补插点之多通道(multi-pass)打印方式克服因喷头堵塞而产生的断线问题。但随着快速打印的需求，高速打印机都改用单通道(one-pass)打印方式，需要完全稳定不沉降析出的水性喷墨颜料墨水。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种水性喷墨颜料色浆及其制备方法和应用，本发明提供的水性喷墨颜料色浆具有优异的分散性和稳定性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种水性喷墨颜料色浆，以质量份计，包括以下制备原料：
所述结构化亚克力分散剂含有亲颜料单体形成的主链和亲水性单体形成的溶剂化链。
优选地，所述亲颜料单体包括(乙氧基)4壬基苯酚丙烯酸酯、(乙氧基)8壬基苯酚丙烯酸酯、(丙氧基)2壬基苯酚丙烯酸酯和乙氧基丙氧基壬基苯酚丙烯酸酯中的至少一种。
优选地，所述亲水性单体包括聚乙二醇丙烯酸酯和甲基丙烯酸中的至少一种。
优选地，所述聚乙二醇丙烯酸酯的重均分子量为200～10000。
优选地，所述亲颜料单体和亲水性单体的质量比为1～4∶1～15。
优选地，所述颜料包括红色颜料、黄色颜料、蓝色颜料和黑色颜料中的至少一种。
优选地，所述红色颜料包括红色颜料pr48：1、pr48：2、pr57：1、pr146、pr122、pr254、pr269和pv19中的至少一种；
所述黄色颜料包括黄色颜料py12、py17、py74、py150、py151、py155和py180中的至少一种；
所述蓝色颜料包括蓝色颜料pb15：1、pb15：2、pb15：3和pb15：4中的至少一种；
所述黑色颜料为碳黑。
优选地，所述助剂包括助溶剂和润湿剂中的至少一种。
本发明提供了上述技术方案所述水性喷墨颜料色浆的制备方法，包括以下步骤：
将水性喷墨颜料色浆的制备原料混合后经研磨和过滤，得到水性喷墨颜料色浆。
本发明提供了上述技术方案所述水性喷墨颜料色浆或上述技术方案所述制备方法制备得到的水性喷墨颜料色浆在制备水性喷墨颜料墨水中的应用。
本发明提供了一种水性喷墨颜料色浆，以质量份计，包括以下制备原料：结构化亚克力分散剂5～20份；水50～90份；颜料10～50份；助剂0～25份；所述结构化亚克力分散剂含有亲颜料单体形成的主链和亲水性单体形成的溶剂化链。本发明提供的水性喷墨颜料色浆使用结构化亚克力分散剂，其主链由亲颜料单体形成，对于颜料具有强吸附作用，不容易脱落，也不容易被取代，可以有效降低颜料的表面能；同时其溶剂化链由亲水性单体形成，与水兼容性好，可以让溶剂化链顺利展开形成立体空间障碍或静电排斥。因此，本发明提供的水性喷墨颜料色浆具有优异的分散性和稳定性。实施例的结果显示，本发明提供的使用结构化亚克力分散剂的水性喷墨颜料色浆稳定性较好，老化7天后，粒径、黏度、表面张力及滤性仍然具有较好的稳定性。
具体实施方式
本发明提供了一种水性喷墨颜料色浆，以质量份计，包括以下制备原料：
所述结构化亚克力分散剂含有亲颜料单体形成的主链和亲水性单体形成的溶剂化链。
以质量份计，本发明中所述水性喷墨颜料色浆的制备原料包括结构化亚克力分散剂5～20份，优选为6～15份；所述结构化亚克力分散剂含有亲颜料单体形成的主链和亲水性单体形成的溶剂化链。
在本发明中，所述亲颜料单体优选包括(乙氧基)4壬基苯酚丙烯酸酯(即ch2＝chco2(ch2ch2o)4(c6h4)c9h19)、(乙氧基)8壬基苯酚丙烯酸酯(即ch2＝chco2(ch2ch2o)8(c6h4)c9h19)、(丙氧基)2壬基苯酚丙烯酸酯(即ch2＝chco2(ch2ch2ch2o)2(c6h4)c9h19)和乙氧基丙氧基壬基苯酚丙烯酸酯(即ch2＝chco2(ch2ch2o)n(ch2ch2ch2o)m(c6h4)c9h19，n为1～8，m为1～8)中的至少一种，更优选为(丙氧基)2壬基苯酚丙烯酸酯。本发明优选采用含壬基酚结构的亲颜料单体，由其形成的主链具有与颜料表面强吸附的锚定结构，可以针对颜料表面进行高兼容性的强吸附，有利于提高水性喷墨颜料色浆的分散性及稳定性。
在本发明中，所述亲水性单体优选包括聚乙二醇丙烯酸酯和甲基丙烯酸中的至少一种，更优选为聚乙二醇丙烯酸酯或甲基丙烯酸；所述聚乙二醇丙烯酸酯的重均分子量优选为200～10000，更优选为500～5000，进一步优选为1000～3000。本发明的结构化亚克力分散剂中溶剂化链的作用在于产生立体空间障碍或静电排斥使得颜料颗粒不易团聚；具体的，本发明优选采用甲基丙烯酸作为亲水性单体，是利用其羧酸基解离产生静电斥力，有利于使颜料颗粒间保持稳定分散的状态；本发明优选采用聚乙二醇丙烯酸酯作为亲水性单体，利用其可选择链长的聚乙二醇结构，使颜料颗粒间保持稳定分散的状态，若聚乙二醇丙烯酸酯分子量太小，则溶剂化链太短无法产生足够的立体空间障碍，分子量太大，则溶剂化链太长易导致分子缠绕絮凝。
在本发明中，所述结构化亚克力分散剂优选以结构化亚克力分散剂水溶液的形式使用，所述结构化亚克力分散剂水溶液的制备方法，优选包括以下步骤：
在保护气氛围下，将第一有机溶剂加入反应器中，并预热至聚合反应温度；
将亲颜料单体和亲水性单体混合，得到第一预混液；
将起始剂和第二有机溶剂混合，得到第二预混液；
将所述第一预混液和第二预混液加入反应器中进行聚合反应，得到结构化亚克力分散剂有机溶液；
将所述结构化亚克力分散剂有机溶液与2-吡咯烷酮混合，然后加热去除第一有机溶剂和第二有机溶剂，将所得剩余物与水混合，并调节所得体系的ph值至碱性，得到结构化亚克力分散剂水溶液。
本发明在保护气氛围下，将第一有机溶剂加入反应器中，并预热至聚合反应温度。本发明优选在架有冷凝回流装置的反应瓶中通入保护气，将第一有机溶剂置于反应瓶中，加热至聚合反应所需温度。在本发明中，所述第一有机溶剂优选包括乙醇、丙醇、异丙醇、丁酮、甲基异丁酮、乙酸乙酯、醋酸异丙酯、二氯甲烷、丙酮、二氯乙烷、甲苯、二甲苯、四氢呋喃和环己酮中的至少一种，根据实际需要保证聚合反应顺利进行即可，具体可以为丁酮和异丙醇的混合物，或者乙酸乙酯和异丙醇的混合物，当所述第一有机溶剂为混合物时，本发明对各组分配比不作特殊限定。
本发明将亲颜料单体和亲水性单体混合，得到第一预混液。在本发明中，所述亲颜料单体和亲水性单体的质量比优选为1～4∶1～15，更优选为1～3∶1～10。
本发明将起始剂和第二有机溶剂混合，得到第二预混液。在本发明中，所述起始剂优选包括偶氮二异庚腈(vazo52)、偶氮二异丁腈(vazo64)、偶氮二异戊腈(vazo67)、偶氮二异丁酸二甲酯、偶氮二异丁脒盐酸盐(vazo56)、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(vazo44)、偶氮异丁氰基甲酰胺和偶氮二环己基甲腈(vazo88)中的至少一种，更优选为偶氮二异庚腈或偶氮二异丁腈；本发明对所示起始剂的用量没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的用量、使聚合反应顺利进行即可。在本发明中，所述第二有机溶剂的可选范围优选与第一有机溶剂相同，在此不再赘述；本发明对所述第二有机溶剂的用量不作特殊限定，保证起始剂充分溶解即可。
得到第一预混液和第二预混液后，本发明将所述第一预混液和第二预混液加入反应器中进行聚合反应，得到结构化亚克力分散剂有机溶液。在本发明中，所述结构化亚克力分散剂有机溶液的有效份优选为40～60％，更优选为45～55％。本发明中有机溶剂的总用量为反应瓶中加入的第一有机溶剂以及第二预混液中的第二有机溶剂用量之和；所述有机溶剂的总用量优选以使所述结构化亚克力分散剂有机溶液的有效份在40～60％范围内为基准。
在本发明中，所述聚合反应的温度优选为60～90℃，更优选为70～80℃；时间优选为4～7h，具体是在反应过程中检测体系中丙烯酸酯基的含量，体系中残留的丙烯酸酯基含量小于5％终止反应。
完成所述聚合反应后，本发明将所述结构化亚克力分散剂有机溶液与2-吡咯烷酮混合，然后加热去除第一有机溶剂和第二有机溶剂，将所得剩余物与水混合，并调节所得体系的ph值至碱性，得到结构化亚克力分散剂水溶液。在本发明中，所述2-吡咯烷酮的加入量优选与有机溶剂的总用量一致，所述有机溶剂的总用量即为第一有机溶剂以及第二有机溶剂用量之和。在本发明中，所述加热的温度优选为所述有机溶剂沸点以上，加热的时间优选至蒸出所述有机溶剂总用量为止。
加热去除第一有机溶剂和第二有机溶剂后，本发明优选将所得剩余物冷却至室温后与水混合，并调节所得体系的ph值至碱性，得到结构化亚克力分散剂水溶液。本发明优选采用无机碱或有机碱调节体系的ph值为8～10，所述无机碱可以为氢氧化钾，所述有机碱可以为一乙醇胺。在本发明中，所述结构化亚克力分散剂水溶液的固含量优选为20～50％，进一步优选为30～40％。在本发明中，所述剩余物冷却至室温后与水混合时，所需水的用量优选以使所述结构化亚克力分散剂水溶液的固含量在30～40％范围内为基准。
在本发明中，所述结构化亚克力分散剂水溶液中包括结构化亚克力分散剂、2-吡咯烷酮和水，所述结构化亚克力分散剂水溶液中2-吡咯烷酮的含量优选为10～50％。
在本发明中，所述水性喷墨颜料色浆中结构化亚克力分散剂的质量份具体是以结构化亚克力分散剂水溶液中结构化亚克力分散剂计，而非以结构化亚克力分散剂水溶液计。
以结构化亚克力分散剂的质量份为基准，本发明中所述水性喷墨颜料色浆的制备原料包括水50～90份，优选为60～85份；在本发明中，所述水具体是指结构化亚克力分散剂水溶液中的水以及单独添加的水。在本发明中，所述水优选为去离子水。
以结构化亚克力分散剂的质量份为基准，本发明中所述水性喷墨颜料色浆的制备原料包括颜料10～50份，优选为15～40份。在本发明中，所述颜料优选包括红色颜料、黄色颜料、蓝色颜料和黑色颜料中的至少一种，更优选为红色颜料、黄色颜料、蓝色颜料或黑色颜料。在本发明中，所述红色颜料优选包括红色颜料pr48：1、pr48：2、pr57：1、pr146、pr122、pr254、pr269和pv19中的至少一种，更优选为色颜料pr48：1、pr48：2、pr57：1、pr146、pr122、pr254、pr269或pv19；所述黄色颜料优选包括黄色颜料py12、py17、py74、py150、py151、py155和py180中的至少一种，更优选为黄色颜料py12、py17、py74、py150、py151、py155或py180；所述蓝色颜料包括蓝色颜料pb15：1、pb15：2、pb15：3和pb15：4中的至少一种，更优选为蓝色颜料pb15：1、pb15：2、pb15：3或pb15：4；所述黑色颜料优选为碳黑。
以结构化亚克力分散剂的质量份为基准，本发明中所述水性喷墨颜料色浆的制备原料包括助剂0～25份，优选为0～15份，进一步优选为1～5份。在本发明中，所述助剂优选包括助溶剂和润湿剂中的至少一种，所述助溶剂优选包括醇类助溶剂、醚类助溶剂和醇醚类助溶剂中的至少一种，具体可以为异丙醇、丙二醇、丙三醇或丙二醇甲醚；所述润湿剂优选包括byk154、byk190、byk306、byk333、byk346、byk378、dynwet800n、evoniksurfynol104e、evoniksurfynol420、evoniksurfynol465、dynol604和dynol607中的至少一种。本发明利用助剂能够润湿颜料或保湿，有利于颜料分散及避免水分蒸发造成喷头干结。
本发明提供了上述技术方案所述水性喷墨颜料色浆的制备方法，包括以下步骤：
将水性喷墨颜料色浆的制备原料混合后经研磨和过滤，得到水性喷墨颜料色浆。
本发明优选按照上述技术方案制备得到结构化亚克力分散剂水溶液，之后与剩余水(即除结构化亚克力分散剂水溶液中水以外的水)混合，得到水性预溶液；将颜料与所述水性预溶液混合至颜料完全漫湿，得到水性预分散液；将所述水性预分散液依次进行研磨和过滤，得到水性喷墨颜料色浆。在本发明中，所述研磨优选在砂磨机中进行；本发明对所述研磨的具体操作条件没有特殊限定，以使体系中颗粒物质的平均粒径为100～200nm即可。本发明对所述过滤没有特殊的限定，能够去除胶体及大粒径物质即可；本发明优选采用孔径为0.22～1μm的滤膜过滤。
本发明提供了上述技术方案所述水性喷墨颜料色浆或上述技术方案所述制备方法制备得到的水性喷墨颜料色浆在制备水性喷墨颜料墨水中的应用。本发明对所述应用没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
在架有冷凝回流装置的反应瓶中通入氮气，并加入溶剂317g丁酮及163g异丙醇，加热至80℃；然后将40g甲基丙烯酸及410g(丙氧基)2壬基酚丙烯酸酯混合，得到第一预混液；将60g丁酮及10g偶氮二异庚腈混合搅拌至溶解，得到第二预混液；然后将第一预混液及第二预混液同时缓慢加入反应瓶中，在80℃条件下反应5h后，检测残留的丙烯酸酯基含量小于5％终止反应，得到45％有效份的结构化亚克力分散剂有机溶液；然后加入540g的2-吡咯烷酮混合均匀，加热至100℃去除溶液中的丁酮及异丙醇，冷却到室温，然后加去离子水至体系的总质量为1286g，采用koh调节所得体系的ph值为9，得到固含量为35％的结构化亚克力分散剂水溶液sa1；
取429g结构化亚克力分散剂水溶液sa1与1271g去离子水混合，搅拌至完全溶解得到水性预溶液；然后将300g蓝色颜料pb15：3与所述水性预溶液混合，搅拌使蓝色颜料pb15：3完全润湿得到水性预分散液；将所述水性预分散液导入砂磨机进行研磨，至平均粒径为100～200nm；采用孔径为0.22μm的滤膜过滤去除胶体及大粒径物质，得到分散稳定的水性蓝色色浆(结构化亚克力分散剂的有效份为7.5％)。
实施例2
在架有冷凝回流装置的反应瓶中通入氮气，并加入溶剂278g乙酸乙酯及146g异丙醇，加热至75℃；然后将210g聚乙二醇丙烯酸酯(分子量mw＝1000)及240g(丙氧基)2壬基酚丙烯酸酯混合，得到第一预混液；将108g乙酸乙酯及18g偶氮二异丁腈混合搅拌至溶解，得到第二预混液；然后将第一预混液及第二预混液同时缓慢加入反应瓶中，在75℃条件下进行反应6h后，检测残留的丙烯酸酯基含量小于5％终止反应，得到45％有效份的结构化亚克力分散剂有机溶液；然后加入540g的2-吡咯烷酮混合均匀，加热至100℃去除溶液中的乙酸乙酯及异丙醇，冷却到室温，然后加去离子水至体系的总质量为1286g，采用一乙醇胺调节所得体系的ph值为9，得到固含量为35％的结构化亚克力分散剂水溶液sa2；
取343g结构化亚克力分散剂水溶液sa2、6g润湿剂surfynol420与1351g去离子水混合，搅拌至完全溶解得到水性预溶液；然后将300g碳黑颜料与所述水性预溶液混合，搅拌使碳黑颜料完全润湿得到水性预分散液；将所述水性预分散液导入砂磨机进行研磨，至平均粒径为100～200nm；采用孔径为0.22μm的滤膜过滤去除胶体及大粒径物质，得到分散稳定的水性黑色色浆(结构化亚克力分散剂的有效份为6％)。
实施例3
取514g实施例1制备的结构化亚克力分散剂水溶液sa1、343g实施例2制备的结构化亚克力分散剂水溶液sa2与843g去离子水混合，搅拌至完全溶解得到水性预溶液；然后将300g红色颜料pr122与所述水性预溶液混合，搅拌使红色颜料pr122完全润湿得到水性预分散液；将所述水性预分散液导入砂磨机进行研磨，至平均粒径为100～200nm；采用孔径为0.22μm的滤膜过滤去除胶体及大粒径物质，得到分散稳定的水性红色色浆(结构化亚克力分散剂的总有效份为15％)。
实施例4
取571g实施例2制备的结构化亚克力分散剂水溶液sa2(相当于有效份添加10％)、100g润湿剂byk190与1029g去离子水混合，搅拌至完全溶解得到水性预溶液；然后将300g黄色颜料py74与所述水性预溶液混合，搅拌使黄色颜料py74完全润湿得到水性预分散液；将所述水性预分散液导入砂磨机进行研磨，至平均粒径为100～200nm；采用孔径为0.22μm的滤膜过滤去除胶体及大粒径物质，得到分散稳定的水性黄色色浆(结构化亚克力分散剂的有效份为10％)。
对比例1
取200g低分子量分散剂(壬基酚聚氧乙烯醚，分子量mw＝800)与1500g去离子水混合，搅拌至完全溶解得到水性预溶液；然后将300g黄色颜料py74与所述水性预溶液混合，搅拌使黄色颜料py74完全润湿得到水性预分散液；将所述水性预分散液导入砂磨机进行研磨，至平均粒径为100～200nm；采用孔径为0.22μm的滤膜过滤去除胶体及大粒径物质，得到水性黄色色浆(分散剂的有效份为10％)。
稳定性测试
取实施例1～4和对比例1制备的色浆，分别用浓度为15wt％的丙三醇水溶液稀释5倍，得到墨水组合液样品；然后对所述墨水组合液样品进行粒径、黏度、表面张力、滤性及老化测试，其中：
粒径检测：采用英国马尔文(malvern)nanos90纳米粒径仪进行检测；
黏度检测：采用美国博勒飞(brookfield)wells锥板粘度计进行检测；
表面张力测试：采用日本协和(kyowa)cbvp型表面张力仪进行测试。
滤性测试：采用1.0μm孔径玻纤滤膜加0.45μm孔径pp滤膜过滤的方式进行测试。
稳定性测试：在60℃条件下老化7天，按照上述方式测试老化后的粒径、黏度、表面张力及滤性。
测试结果如表1所示，其中，qc评判标准：平均粒径100～200nm，黏度2～6cp，表面张力35～45dyan/cm2，过滤滤性小于15min/1kg；稳定性测试60℃条件下老化7天，粒径变化小于10％，表面张力变化小于5％及黏度变化小于10％，滤性小于15min/1kg，则为合格ok，反之ng。
表1实施例1～4以及对比例1得到的颜料色浆的稳定性
由表1测试结果可知：本发明提供的使用结构化亚克力分散剂的水性喷墨颜料色浆稳定性较好，老化7天后，粒径、黏度、表面张力及滤性仍然具有较好的稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种水性喷墨颜料色浆，其特征在于，以质量份计，包括以下制备原料：
所述结构化亚克力分散剂含有亲颜料单体形成的主链和亲水性单体形成的溶剂化链。
2.根据权利要求1所述的水性喷墨颜料色浆，其特征在于，所述亲颜料单体包括(乙氧基)4壬基苯酚丙烯酸酯、(乙氧基)8壬基苯酚丙烯酸酯、(丙氧基)2壬基苯酚丙烯酸酯和乙氧基丙氧基壬基苯酚丙烯酸酯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的水性喷墨颜料色浆，其特征在于，所述亲水性单体包括聚乙二醇丙烯酸酯和甲基丙烯酸中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的水性喷墨颜料色浆，其特征在于，所述聚乙二醇丙烯酸酯的重均分子量为200～10000。
5.根据权利要求1～4任一项所述的水性喷墨颜料色浆，其特征在于，所述亲颜料单体和亲水性单体的质量比为1～4∶1～15。
6.根据权利要求1所述的水性喷墨颜料色浆，其特征在于，所述颜料包括红色颜料、黄色颜料、蓝色颜料和黑色颜料中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的水性喷墨颜料色浆，其特征在于，所述红色颜料包括红色颜料pr48：1、pr48：2、pr57：1、pr146、pr122、pr254、pr269和pv19中的至少一种；
所述黄色颜料包括黄色颜料py12、py17、py74、py150、py151、py155和py180中的至少一种；
所述蓝色颜料包括蓝色颜料pb15：1、pb15：2、pb15：3和pb15：4中的至少一种；
所述黑色颜料为碳黑。
8.根据权利要求1所述的水性喷墨颜料色浆，其特征在于，所述助剂包括助溶剂和润湿剂中的至少一种。
9.权利要求1～8任一项所述水性喷墨颜料色浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将水性喷墨颜料色浆的制备原料混合后经研磨和过滤，得到水性喷墨颜料色浆。
10.权利要求1～8任一项所述水性喷墨颜料色浆或权利要求9所述制备方法制备得到的水性喷墨颜料色浆在制备水性喷墨颜料墨水中的应用。
技术总结