专利名称：水性墨水的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于钢笔的墨水组合物，尤其是圆珠笔墨水。
虽然在圆珠笔中使用水性墨水具有早已认识到的优越性，但还需仔细地调节这些墨水的粘度以避免涌流问题，如圆珠周围出现泄漏。为了调节这些墨水的粘度，常加入天然胶，例如黄原胶使之增稠。然而，含胶墨水常常表现出一些不理想的性能特征，例如，团斑，当笔中供给的墨水用完时墨水流量不足。曾试图通过使用非常小的圆珠克服团斑，但是，在使用期间，具有小的圆珠尺寸的笔表现出一种“刻痕的感觉”。
同时，水性墨水还缺乏流畅性，好的书写粘滞性，并且，当笔没有套上笔帽，笔尖容易变干。
本发明以一种水性墨水为特色，其永久性好，脱帽时间长，书写亮度高，书写流畅，墨水流量均匀以及搁置时间长。
一方面，本发明是以一种生产具有上述优越性能的墨水的方法为特色的。
一方面，这种方法包括混合一种墨水前体以及在均化器中加工这种墨水前体，从而形成一种乳状液的墨水。这种墨水前体包括一种成膜的聚合物、一种颜料、水以及一种油。优选的前体进一步包括一种与PH值有关的增稠剂、一种碱以及一种乳化剂。由于在形成稳定的微滴乳状液时的均化器的功效问题，所以，有利地是，一般仅需要低含量的乳化剂。具体地可以包括一种与PH值有关的增稠剂和一种碱，可以不加成膜聚合物，不过这一般不是优选的，因为它会降低这种墨水字迹的永久性。
均化器优选地包括一个液体射流相互作用的室，在这个室中，多层的液体混合物的前沿在压力下不得不在液体的低压湍流带中冲击。优选的装置包括在压力下喷射多层液体的呈长条状小孔的多个喷嘴，设置这些喷嘴来影响多层液体沿着公用的液体射流相互作用前沿的冲击。这种类型包含的均化器在U.S.专利4,908,154和4,533,254中有描述，在其中引入以供参考。
另一方面，这种方法包括一种油和水的混合，在均化器中加工混合物以形成一种水包油型微滴乳状液，并且把这种水包油型微滴乳状液加入到含有成膜聚合物、颜料和水的墨水中。在更优选的具体方案中，这种墨水进一步包括一种与PH值有关的增稠剂和一种碱，以及一种在形成微滴乳状液之前就加入到油和水混合物中的乳化剂。
另一方面，本发明是以一种包括一种颜料、水、一种与PH有关的增稠剂和一种碱的墨水组合物为特色的。优选地是，这种组合物进一步包括一种成膜聚合物。优选的组合物有好的墨水流量控制、永久性及耐水性。
另一方面，本发明是以一种包括成膜聚合物、一种颜料、水以及油的墨水组合物为特色的。这种组合物有特别好的书写流畅性、长的脱帽时间、永久性和耐水性。
在优选的具体方案中，这种墨水组合物除包括一种成膜聚合物、水和颜料外，还包括油和与PH有关的增稠剂与碱的混合物。在优选的组合物中，油从干性和半干性油中选择，并且，聚合物是一种丙烯酸类聚合物。这些组合物提供一种好的均衡性能。
这里所用的术语“与PH有关的增稠剂”是指一种材料，当在一种组合物中加入它的时候，只有当组合物的PH值大于7，优选地在大约8和10之间时，才能使组合物稠化。这些增稠剂在技术上也被称为“缔合增稠剂”。虽然没有受到任何理论的约束，仍可以认为，由于增稠剂被碱接触时本身溶胀，从而这些增稠剂能使墨水的粘度增大。
这里所用的术语“乳化剂”是指一种添加剂，能增强组合物形成乳状液的能力。该术语还包括表面活性剂和其它常用类型的乳化剂。
这里所用的术语“微滴乳状液”是指一种乳状液，即一种由悬浮在第二种液体上的第一种液体的微滴组成的显微的多相混合物，其中，这些悬浮滴具有非常小、均匀的颗粒尺寸，一般小于1微米。这里，所用的动词“微乳化”是指处理一种溶液以形成微乳状液，“均化器”是指任何一种能形成微乳状液的设备。
这里所用的术语“干性油”是指一种交联键合并通过氧化能形成干性膜的油。术语“半干性油”是指一种氧化后能缓慢稠化的油。
本发明的其它特色和优点将从本发明优选的具体方案的描述中，以及从权利要求中表现出来。
一种优选的墨水包括一种成膜丙烯酸类聚合物、一种润滑油，更优选地包括一种干性油或半干性油、一种与PH有关的增稠剂、一种碱、一种颜料、一种乳化剂和水。一种乳状液墨水是通过预先混合这些成份，并通过均化器处理形成一种微乳状液而制成的。
丙烯酸类聚合物优选地是呈乳状液形式。然而，如果希望，也可以使用水溶性丙烯酸类。部分丙烯酸类聚合物可以与颜料一起包含在一种颜料分散体中，这种分散体包括一种丙烯酸类聚合物作为颜料分散其中的媒介质。优选的丙烯酸类聚合物包括热塑性丙烯酸，例如，聚甲基丙烯酸酯，诸如，聚甲基丙烯酸甲酯和其它的丙烯酸甲酯。一种优选的丙烯酸乳状液是RHOPLEXAC-261乳状液，可以从Rohm and Haas Co.，Philadelphia，PA得到。RHOPLEX AC-261是一种完全由单体丙烯酸聚合的共聚混合物，具有低酸含量的丙烯酸丁酯/甲基丙烯酸甲酯的掺合物，其分子量大约是1,000,000，并且玻璃化温度在15-20℃之间。优选的组合物含有大约5-30％(重量)的丙烯酸类聚合物，更优选地是10-20％(重量)。在颜料的有效含量情况下，过多的丙烯酸可导致不希望有的高粘度，而过少可导致墨水干燥后耐水性能差。
合适的干性和半干性油包括植物油，例如，亚麻子(干性)、红花(干性)、棉子(半干性)和玉米(半干性)，亚麻子是优选的。其它的润滑油，例如硅氧烷可被用来代替干性或半干性油。无论如何，这些其它的油可以提高墨水的干燥时间。优选地是，组合物含有大约10-25％(重量)的这种油，更优选的是大约15％(重量)。这种油能赋予墨水润滑性和好的脱帽性能。过多的油可引起墨水干燥太慢，而油太少就不能赋予墨水所希望的润滑性和脱帽性能。这种油可以在墨水组合物的微乳化之前加入，或者，除整个组合物微乳化外，还可以在这种油和部分水加到组合物之前，使它们分别微乳化，或者，在加到组合物中之前，分别微乳化这种油和部分水以代替整个组合物的微乳化。如果油和水分别微乳化，那么，一般优选地是，在微乳状液中，油和水的比例大约是1∶5-2∶5。
与PH有关的增稠剂优选地是一种酸稳定的丙烯酸类树脂。市场上可得到的合适的与PH有关的增稠剂是Union Carbide，商品名为POLYPHOBE，和ALCO Company的ALCO胶质增稠剂。优选的是POLYPHOBE 9823丙烯酸胶乳增稠剂。优选地是，组合物含有大约1-5％(重量)的增稠剂，更优选地是大约2％(重量)。增稠剂含量过高可导致不希望有的高粘度，而含量过低就不能提供足够的流量控制。在不包括成膜聚合物的具体墨水组合物中，一般优选地是，所用增稠剂的含量是优选范围的上限值，从而可以提供满足要求的粘度。
为了使与PH有关的增稠剂有效地增稠组合物，对于组合物来说，必须具有相对高的PH值，例如至少7，优选地是8-10。组合物的PH值可以通过在组合物中加入碱，例如氨或2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)作为单独的组份来增大。或者这样也可以，即可以以含有碱的颜料分散剂的形式提供颜料，和/或以含有碱的聚合物乳状液的形式提供聚合物，正如这里所描述的优选的颜料分散体和聚合物乳状液。优选地，这种组合物含有足够量的碱以增大组合物的PH值达到优选的值，碱可以作为单独组份提供，也可以包括在其它组份中。
在墨水中应包括足够的颜料以得到令人满意的颜色强度，但是，不能太多以致粘度变得非常高。优选的墨水包括大约2-10％(重量)的颜料，更优选地是大约4-8％(重量)。可以在本发明中使用的颜料包括水分散性颜料，并且优选的颜料是以水分散的形式提供的，以便准确测量和均匀混合。合适的分散体包括从Hoechst Celanese得到的商品名为FLEXONYL或HOSTAFINE的分散体，从KVK U.S.A.Inc.得到的商品名为PREDISOL的，从Heucotech Ltd.得到的HEUCOSPERSE分散体、从Nippon Keiko Kagaku，Ltd.得到的LUMIKOL分散体，以及Mikuni Color Works，Inc的TITICACA分散体。一种优选的颜料分散体是HEUCOSPERSE III分散体。颜料分散体的加入总量取决于分散体的固体含量，并且，选择加入量以得到如上所述的有效的颜料量。优选的是颜料具有相当小的颗粒尺寸，优选地小于0.5微米以防止沉降。小颗粒尺寸也可以防止笔尖堵塞。
乳化剂用来稳定水包油型微乳状液。合适的乳化剂包括最常规的乳化剂，特别是那些适合于乳化植物油的。优选地，乳化剂是一种乙氧基化的脂肪酸，特别优选地是乙氧基化的油酸。优选地，组合物含有大约0.5-2％(重量)的乳化剂。
优选地，在墨水中包括足够的水以便在300 sec-1和25℃下，用Haake CV-100 Rotovisco粘度计测量的墨水粘度大约是20-60厘泊(CPS)。如果粘度太低，组合物在圆珠笔中会表现出过量的墨水流量。如果粘度太高，墨水会表现出性能问题，例如，团斑，分裂以及在书写期间墨水流量不足。
其它常规的组分也可以包括在该组合物中，例如，生物杀伤剂和表面活性剂。
用于制备含油的优选组合物的优选方法是准备以分散体形式存在的颜料和以乳状液形式存在的丙烯酸，使它们和组合物的其它组份预混合，然后，使得到的混合物通过包括一个液体射流相互作用室的均化器，例如均化器是可以从Micro fluidics，Newton，Mass得到的商品名为MICROFLUIDIZER Model M-110Y的大约8000磅/平方英寸(psi)的均化器。如果其它类型的均化器能形成微乳状液，那么也可以选择它们。优选地，在微乳状液离开液体射流相互作用室之后，使它们大约冷却至室温，例如通过流过冷却管。为了得到具有最适宜稳定性的微乳状液，令人满意地是多次流过均化器。
在另一个具体化的墨水组合物中，仅仅使用上述相同的微乳化过程微乳化油和水(优选地还和一种乳化剂)。然后，用常规的混合技术使得到的水包油微乳状液与组合物的其它组份混合。
本发明不包含油的组合物就不必被微乳化，但是，可以代之以用常规技术混合。
在含有与PH值有关的增稠剂和碱(有或没有油)的组合物中，优选地是，在暴露在碱和/或任何呈碱性的组份中之前，与PH有关的增稠剂与水(或水和任何PH呈酸性至中性的组份)预先混合。如果与PH有关的增稠剂没有先在水中稀释而直接加到PH呈碱性的溶液中，那么它会结块或集块。
实施例用在表1中列出的组份制备墨水组合物，并采用下列的步骤。首先，40份亚麻子油、58份水和2份TRYDET 2676表面活性剂(乳化剂)通过大约8000 psi的MICROFLUIDIZ Model M-110Y均化器三次形成一种水包油的微乳状液。在每次之间，流出的流体通过流过浸在冰水浴中的均化器管而被冷却。然后，使用实验室用磁力搅拌器使POLYPHOBE增稠剂与部分水预混合，然后这种混合物与37.5份的水包油微乳剂以及组合物的剩余组份混合。得到的墨水组合物放置在圆珠笔中并用来在纸上写字。这些字迹表现出良好的均匀性和颜色强度。可以看出笔本身要具有较好的书写流畅性。
表1组份重量％RHOPLEX AC 261乳状液40亚麻子油15TRYDET 2676乳化剂 0.75POLYPHOBE 9823增稠剂2HEUCOSPERSE III分散体 15SILWET L7001表面活性剂 0.5TRYFAC 5571表面活性剂 0.5水 26.25其它的实施方案在权利要求书中。例如，这种墨水可以用在其它类型的笔中，例如，毛细管给油滚球式笔。
权利要求
1.一种制备墨水组合物的方法，其包括下列步骤一种成膜聚合物、一种颜料、水和一种油混合形成一种墨水前体；并且在均化器中加工这种墨水前体以形成微乳状液。
2.一种制备墨水组合物的方法，其包括下列步骤一种与PH有关的增稠剂、一种碱、一种颜料、水和一种油相混合形成一种墨水前体；并且在均化器中加工这种墨水前体以形成微乳状液。
3.一种制备乳状液墨水的方法，其包括下列步骤油和水混合以形成一种混合物；在均化器中加工这种混合物以形成水包油乳状液；并且这种水包油乳状液与成膜树脂、颜料和水掺合以形成一种墨水组合物。
4.一种制备乳状液墨水的方法，其包括下列步骤油和水混合，从而以形成一种混合物；在均化器中加工这种混合物以形成一种水包油乳状液；并且这种水包油乳状液与一种与PH有关的增稠剂、碱、颜料和水掺合以形成一种墨水组合物。
5.根据权利要求1或3的方法，其进一步包括在墨水组合物中加入与PH有关的增稠剂和碱的步骤。
6.根据权利要求1或3的方法，其中所说的成膜聚合物是丙烯酸。
7.根据权利要求1、2、3或4的方法，其中所说的油是一种干性或半干性油。
8.根据权利要求7的方法，其中所说的油是一种植物油。
9.根据权利要求8的方法，其中所说的植物油是亚麻子油。
10.根据权利要求2或4的方法，其中所说的与PH值有关的增稠剂是一种酸稳定的丙烯酸树脂。
11.根据权利要求1、2、3或4的方法，其进一步包括在所述的均化器中加工前加入一种乳化剂的步骤。
12.根据权利要求1的方法，其中所述的墨水前体包括5-30％(重量)的成膜聚合物，2-10％(重量)的所述颜料，1-5％(重量)的与PH值有关的增稠剂和10-25％(重量)所述的油。
13.一种水性笔用墨水，其包括一种成膜聚合物，一种干性或半干性油，一种颜料和水。
14.一种水性笔用墨水，其包括一种颜料，一种与PH有关的增稠剂，一种碱和水。
15.根据权利要求14的墨水，其进一步包括一种干性或半干性油。
16.根据权利要求14或15的墨水，其还包括一种成膜聚合物。
17.根据权利要求16的墨水，其中所述的聚合物是一种丙烯酸。
18.根据权利要求13或15的墨水，其中所述的的油是一种植物油。
19.根据权利要求13或15的墨水，其中在将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种微乳状液。
20.根据权利要求13或15的墨水，其中所述的墨水是通过所述的组份相混合形成一种墨水前体并在均化器中处理这种墨水前体而制成的。
21.一种笔，其包括一个限制储墨水器的外体壁，其中储墨水器中装有一种包括油、颜料、成膜聚合物和水的墨水；和一个通过液体与所述的储墨水器相连接、以使墨水传递到底物的笔尖。
22.一种笔，其包括一个限制储墨水器的外体壁，其中储墨水器中装有一种包括颜料、与PH有关的增稠剂、碱和水的墨水；和一个通过液体与所述的储墨水器相连接，以使墨水传递到底物的笔尖。
23.根据权利要求21或22的笔，其还可以包括一个套管，配置在所述的笔尖的位置上，以及一个滚珠，镶嵌在套管里。
24.根据权利要求22的笔，其进一步包含一种干性或半干性的油。
25.根据权利要求22或24的笔，其进一步含有一种成膜聚合物。
26.根据权利要求21或24的笔，其中所述的油是一种植物油。
27.根据权利要求21或24的笔，其中所述的油加入到墨水中之前所说的油和所述的部分水在均化器中加工以形成一种微乳状液。
28.根据权利要求21或24的笔，其中所述的墨水是通过所述的组份相混合组成为一种墨水前体并在均化器中加工这种墨水前体而制成的。
全文摘要
本发明涉及一种制备乳状液墨水的方法。这种方法包括混合一种墨水前体并在均化器中加工这种墨水前体以形成一种乳状液墨水。这种墨水前体包括颜料、成膜聚合物、油以及优选地还包括与pH有关的增稠剂和碱。
文档编号C09D11/10GK1133057SQ94193778
公开日1996年10月9日 申请日期1994年10月13日 优先权日1993年10月15日
发明者R·M·洛夫廷 申请人:吉莱特公司