包含纳米结晶纤维素的水性分散体、以及用于商业喷墨印刷的组合物的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请公开了包含着色剂和纳米结晶纤维素的水性分散体和它们在油墨组合物， 例如，喷墨油墨组合物中的用途。还公开了用于商业喷墨印刷的组合物和方法。
【背景技术】
[0002] 由于喷墨印刷技术的新的和增加的需求，持续需要开发油墨组合物以满足多种应 用的需要。而且，在多种基底上的高速印刷的增加的普及需要改善的印刷性能、更快干燥时 间、油墨稳定性等中的一个或者多个。因此，提供可特制的以满足这些需要的油墨组分（例 如，媒介物、颜料）仍然是一项挑战。
【发明内容】
[0003] -个实施方案提供了水性喷墨油墨组合物，其包含：
[0004] 至少一种着色剂；和
[0005] 相对于所述组合物的总重量以0. 5重量％至5重量％的量存在的纳米结晶纤维 素。
[0006] 另一实施方案提供了水性分散体，其包含：
[0007] 相对于所述组合物的总重量以1重量％至25重量％的量存在的至少一种颜料；
[0008] 相对于所述组合物的总重量以1重量％至10重量％的量存在的纳米结晶纤维素； 和
[0009] 相对于所述组合物的总重量以1重量％至50重量％的量存在的至少一种有机溶 剂。
[0010]另一实施方案提供了水性分散体系，其包含：
[0011] 第一水性分散体，其包含：
[0012] 相对于所述组合物的总重量以1重量％至25重量％的量存在的至少一种颜料；
[0013] 相对于所述组合物的总重量以1重量％至10重量％的量存在的纳米结晶纤维素； 和
[0014] 相对于所述组合物的总重量以1重量％至50重量％的量存在的至少一种有机溶 剂，和
[0015] 第二水性分散体，其包含：
[0016] 相对于所述组合物的总重量以1重量％至25重量％的量存在的至少一种颜料；和
[0017] 相对于所述组合物的总重量以1重量％至50重量％的量存在的至少一种有机溶 剂。
[0018] 另一实施方案提供了商业喷墨印刷方法，其包括：
[0019] 提供包含颜料的喷墨油墨组合物；和
[0020] 将所述喷墨油墨组合物以至少100英尺/分钟的速率从固定印刷头喷射至连续纸 幅上，从而形成具有印刷图像的经印刷的纸幅，
[0021] 其中所述组合物基本不含钙结合指数值大于1，2, 3-苯三羧酸的钙结合指数值的 着色剂。
[0022] 另一实施方案提供了商业喷墨印刷方法，其包括：
[0023] 提供喷墨油墨组合物，其包含至少一种着色剂和纳米结晶纤维素；和
[0024] 将所述喷墨油墨组合物以至少100英尺/分钟的速率从固定印刷头喷射至连续纸 幅上，从而形成具有印刷图像的经印刷的纸幅。
【附图说明】
[0025] 图1是粘度（cP)作为NCC浓度（重量％ )的函数的图；
[0026] 图2是一系列显微照片，其显示实施例2中所述的针对不同纸基底的青色-对照 和青色-NCC制剂的墨滴试验的结果；
[0027] 图3是一系列显微照片，其显示实施例2中所述的针对不同纸基底的品红色-对 照和品红色-NCC制剂的墨滴试验的结果；
[0028] 图4是一系列显微照片，其显示实施例2中所述的针对不同纸基底的黑色-对照 和黑色-NCC制剂的墨滴试验的结果；
[0029] 图5是一系列显微照片，其显示实施例2中所述的针对不同纸类型的黄色-对照 和黄色-NCC制剂的墨滴试验的结果；
[0030] 图6是一系列显微照片，其显示实施例3中所述的黑色-对照和黑色-NCC制剂的 墨滴在各种时间间隔的干燥；
[0031] 图7是一系列显微照片，其显示实施例3中所述的品红色-对照和品红色-NCC制 剂的墨滴在各种时间间隔的干燥；
[0032] 图8是一系列显微照片，其显示实施例3中所述的黄色-对照和黄色-NCC制剂的 墨滴在各种时间间隔的干燥；
[0033] 图9是实施例4中所述的分别针对黑色、青色、品红色和黄色颜料的对照和NCC制 剂在不同纸基底上的光密度的柱状图；
[0034] 图10是实施例4中所述的分别针对黑色、青色、品红色和黄色颜料的对照和NCC 制剂的色斑（mottle)的柱状图；
[0035] 图11 (a)至（d)是实施例4中所述的水平边缘锐度（a)顶部边缘和（b)底部边缘， 和垂直边缘锐度（c)左侧边缘和（d)右侧边缘的柱状图；
[0036] 图12(a)和（b)是实施例4中所述的分别针对青色、品红色和黄色颜料的水平和 垂直线颜色间渗色的柱状图；
[0037] 图13显示实施例4中所述的由黄色-对照和黄色-NCC油墨制剂提供的印刷图案 的照片和显微照片（50x);
[0038] 图14是实施例5中所述的分别针对黑色2、青色2、品红色2和黄色2颜料的对照 和NCC制剂在各种纸基底上的色斑的柱状图；
[0039] 图15A和15B是实施例5中所述的分别针对黑色2、青色2、品红色2和黄色2颜 料的对照和NCC制剂在各种纸基底上的水平边缘锐度（A)顶部边缘和（B)底部边缘的柱状 图；
[0040] 图16A和16B是实施例5中所述的分别针对青色2、品红色2和黄色2颜料的对照 和NCC制剂在各种纸基底上的（A)水平线颜色间渗色和（B)垂直线颜色间渗色的柱状图； 和
[0041] 图17A和17B是实施例6中所述的粒度生长速率（nm/s)作为Ca2+浓度（mM)的函 数的图。
【具体实施方式】
[0042] 本申请公开了包含纳米结晶纤维素（NCC)的水性分散体和油墨组合物（例如，喷 墨油墨组合物）。一个实施方案提供了包含至少一种着色剂和纳米结晶纤维素的水性分散 体或者油墨组合物。
[0043] "纤维素"是指具有彼此经0 1-4糖苷键连结的两个葡萄糖分子的单体单元的线性 链。纤维素的聚合度n可为10, 000至15, 000。本申请使用的"纳米结晶纤维素"是指具 有至少一个通过TEM测定的纳米级尺度（即，小于lixm)的包含纤维素的粒子。在一个实 施方案中，所述纳米结晶纤维素的长度为50nm至lOOOnm且直径为lnm至100nm(直径包括 宽度和高度，其一般来说平均值相等）。在另一实施方案中，所述纳米结晶纤维素的直径为 5nm至80nm且长度为80nm至500nm，例如，直径为10nm至50nm且长度为100nm至300nm。 在一个实施方案中，所述纳米结晶纤维素的纵横（长度/直径）比为2至30,例如，4至15， 或者6至10。在另一实施方案中，所述纳米结晶纤维素的直径为lnm至100nm，长度为50nm 至lOOOnrn，和纵横比为2至30 ;例如，直径为5nm至80nm，长度为80nm至500nm，和纵横比 为4至15 ;或者直径为10nm至50nm，长度为100nm至300nm，和纵横比为6至10。
[0044] 在一个实施方案中，所述纳米结晶纤维素衍生自得自树木、植物、细菌、藻类和被 膜植物（tunicate)的纤维素。树木和植物来源的实例包括木材、棉花、大麻、亚麻、麦秸、桑 树、树皮和苎麻。
[0045] 在一个实施方案中，所述纳米结晶纤维素是在水性溶液中自分散的。在一个实施 方案中，所述纳米结晶纤维素包含单体，所述单体包含具有至少一个阴离子基团的葡萄糖， 即，用至少一个阴离子基团衍生的葡萄糖。本申请使用的"阴离子基团"是指不是葡萄糖原 有的基团并包括盐形式以及能够在水性溶液中转化成阴离子基团的基团，即，可阴离子化 的基团。示例性可阴离子化的基团包括酸和/或酯。阴离子基团可产生自纤维素用各种二 质子的、三质子的或者多质子的酸（例如，马来酸、硫酸、原磷酸等）的水解，和任选的后续 反应以形成酸或者酯形式。水解的纤维素可为木纤维和植物纤维、微晶纤维素（10-50 ym 直径）、微原纤化纤维素（0.5-10 ym长度），和纳米原纤化纤维素（0.5-2 ym直径）。在 一个实施方案中，所述阴离子基团选自羧酸、硫酸根、磺酸、膦酸、以及它们的盐和酯及混合 物。除了阴离子基团，可进一步实施反应以衍生纳米结晶纤维素，例如，用于使纳米结晶纤 维素对于特定应用更相容。示例性的另外衍生化包括反应以形成阳离子基团，例如，通过与 胺或者二胺反应。
[0046] 纳米结晶纤维素包含结晶和无定形区域。在一个实施方案中，所述纳米结晶纤维 素具有至少50%结晶度（结晶区域百分数），例如，至少60%结晶度，或者结晶度为50%至 90%〇
[0047] 纳米结晶纤维素可提高水性分散体的粘度。在一个实施方案中，所述纳米结晶纤 维素在组合物中的存在量足以实现希望的粘度。在一个实施方案中，所述组合物为喷墨油 墨组合物，其粘度为lcP至20cP，例如，lcP至15cP，lcP至10cP，lcP至6cP，3cP至10cP，或 者 3cP 至 6cP。
[0048] 在一个实施方案中，所述纳米结晶纤维素相对于所述组合物的总重量在所述组合 物中的存在量为〇. 5重量％至5重量％，例如，为0. 5重量％至4重量％，0. 5重量％至3重 量％，1重量％至5重量％，1重量％至4重量％，或者1重量％至3重量％，相对于所述组 合物的总重量。
[0049] 还发现，纳米结晶纤维素本身在水性溶液中可分散。一个实施方案提供了水性分 散体（例如，油墨或者喷墨油墨组合物），其包含纳米结晶纤维素，所述纳米结晶纤维素在2 至11的pH内的G电势为-20至-50mV，例如，在2至11的pH内的G电势为-30至-50mV。
[0050] 在水性分散体中和在喷墨油墨组合物中，有机溶剂经常用于实现希望的粘度，例 如本申请公开的水平。已经发现，在一个实施方案中，纳米结晶纤维素的使用可减少存在于 分散体或者喷墨油墨组合物中的有机溶剂的量。在一个实施方案中，0.05%至5% (或者 本申请公开的其它量）的纳米结晶纤维素的存在将有机溶剂量降低至不存在NCC时所需量 的75 %或更少，例如，50 %或更少，或者25 %或更少。在一个实施方案中，所述组合物为油 墨组合物（例如，喷墨油墨组合物）和有机溶剂相对于所述组合物的总重量以1重量％至 50重量％的量存在，例如，存在量为1重量％至25重量％，1重量％至20重量％，1重量％ 至10重量％，2重量％至50重量％，2重量％至25重量％，2重量％至20重量％，或者2重 量％至10重量％。在一个实施方案中，所述组合物为水性分散体和有机溶剂的存在量为1 重量％至75重量％，1重量％至50重量％，1重量％至25重量％，1重量％至20重量％， 1%至10%，5重量％至75重量％，5重量％至50重量％，5重量％至25重量％，5重量