(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素吸着比表面積(N2SA)が１６０〜２００m2/g、沃素吸着量(IA)が１４０〜１９０mg/g、Ｎ2 ＳＡ／ＩＡの値が０．９６〜１．２０、ＣＴＡＢ比表面積が１４０〜１７０m2/g、ＤＢＰ吸油量が１００〜１４０ml/100g 、24Ｍ４ＤＢＰ吸油量が９０〜１１０ml/100g 、着色力(Tint)が１２０以上、のカーボンブラックであって、Ｘ線光電子分光法により測定した全炭素原子と全酸素原子との原子比（酸素結合エネルギーの強度／炭素結合エネルギーの強度）が０．１以上であることを特徴とする水性インキ用カーボンブラック顔料。
【請求項２】
アグリゲートのストークス相当径分布のモード径Ｄstが５０〜７０nm、同分布における半値幅ΔＤstが６０nm以下、アグロメレートの平均粒径Ｄupa50%の値が６０〜１１０nm、アグロメレートの最大粒径Ｄupa99%の値が２５０nm以下の粒子性状を有する、請求項１記載の水性インキ用カーボンブラック顔料。
但し、Ｄstは遠心沈降法(DCF) により測定されるアグリゲートのストークス相当径分布における最大頻度のストークス相当径、ΔＤstは同ストークス相当径分布の半値幅、また、Ｄupa50%はカーボンブラックの水分散液にレーザー光を照射し、散乱光の周波数変調度合から作成したアグロメレート粒径の累積度数分布曲線における５０％累積度数の値を、Ｄupa99%は同分布曲線における９９％累積度数の値を示す。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中への分散性能に優れ、水性黒色インキ用として好適な水性インキ用カーボンブラック顔料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーボンブラックは疎水性で水に対する濡れ性が低いために水中に高濃度で安定に分散させることが極めて困難である。これはカーボンブラック表面に存在する水分子との親和性が高い官能基が極めて少ないことに起因する。そこで、カーボンブラックを酸化改質して表面に親水性の官能基を形成する方法が古くから知られている。
【０００３】
例えば、特開昭４８−１８１８６号公報にはカーボンブラックを次亜ハロゲン酸塩の水溶液で酸化処理し、ついで反応系より酸化カーボンブラックを分離捕集するにあたり有機溶剤で洗浄することを特徴とする酸化カーボンブラックの製造方法が、また、特開昭５７−１５９８５６号公報にはカーボンブラックを低温酸化プラズマ処理することを特徴とする水分散性改質カーボンブラックの製造方法が開示されている。
【０００４】
水分散性に優れたカーボンブラックは水性顔料インキとして有用されており、筆記具をはじめ、特に近年ではインキジェットプリンター用の記録液などとしても注目されている。易水分散性カーボンブラックを用いた水性インキとして、例えば、特開平８−３４９８号公報には水とカーボンブラックとを含有する水性顔料インキにおいて、該カーボンブラックが１．５mmol/g以上の表面活性水素含有量を有する水性顔料インキ、及び、水とカーボンブラックとを含有する水性顔料インキの製造方法において、(a) 酸性カーボンブラックを得る工程と、(b) 前記酸性カーボンブラックを水中で次亜ハロゲン酸塩で更に酸化する工程とを、包含する水性顔料インキの製造方法が提案されている。また、特開平８−３１９４４４号公報には吸油量１００ml/100g 以下のカーボンブラックを水性媒体中に微分散する工程；及び次亜ハロゲン酸塩を用いて該カーボンブラックを酸化する工程；を包含する水性顔料インキの製造方法が開示されている。
【０００５】
上記の特開平８−３４９８号公報及び特開平８−３１９４４４号公報ではカーボンブラックを酸化して、表面に親水性の官能基である活性水素を多く含有させることにより水分散性が良好で、長期間の分散安定性に優れた水性顔料インキを得るものである。しかしながら、カーボンブラックが水中に分散して安定な分散状態を維持するためにはカーボンブラック粒子表面と水分子との接触界面に存在する親水性の官能基量が大きく機能し、単にカーボンブラック単位重量当たりに存在する官能基量を規制するのみでは分散性の良否を的確に判断することは困難である。
【０００６】
そこで、本発明者らは分散性能の良否を的確に判断する新たな指標としてカーボンブラック単位表面積当たりに存在する親水性の水素含有官能基量に着目して研究を進め、表面に存在する水素含有官能基のうちカルボキシル基とヒドロキシル基の総和量が、単位表面積当たり３μeq／m2以上である易水分散性カーボンブラック、及びその製造方法を開発、提案した（特開平11−148027号公報）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、引き続き易水分散性カーボンブラックについて研究を進め、これらの易水分散性カーボンブラックを黒色顔料として用いた水性インキ、例えばバブルジェットなどのプリンター用インキとして好適なカーボンブラック顔料の開発に成功した。
【０００８】
すなわち、本発明の目的は、普通紙、専用紙、ＯＨＰシート、アート紙などに印字する場合に、紙定着濃度、印字品位、吐出安定性、耐光性、保存安定性などに優れた水性インキ用のカーボンブラック顔料を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の水性インキ用カーボンブラック顔料は、窒素吸着比表面積(N2SA)が１６０〜２００m2/g、沃素吸着量(IA)が１４０〜１９０mg/g、Ｎ2 ＳＡ／ＩＡの値が０．９６〜１．２０、ＣＴＡＢ比表面積が１４０〜１７０m2/g、ＤＢＰ吸油量が１００〜１４０ml/100g 、24Ｍ４ＤＢＰ吸油量が９０〜１１０ml/100g 、着色力(Tint)が１２０以上、のカーボンブラックであって、Ｘ線光電子分光法により測定した全炭素原子と全酸素原子との原子比（酸素結合エネルギーの強度／炭素結合エネルギーの強度）が０．１以上であることを構成上の特徴とする。
【００１０】
また、本発明の水性インキ用カーボンブラック顔料は、上記の特性を備えたカーボンブラックであって、アグリゲートのストークス相当径分布のモード径Ｄstが５０〜７０nm、同分布における半値幅ΔＤstが６０nm以下、アグロメレートの平均粒径Ｄupa50%の値が６０〜１１０nm、アグロメレートの最大粒径Ｄupa99%の値が２５０nm以下の粒子性状を有することを構成上の特徴とする。
但し、Ｄstは遠心沈降法(DCF) により測定されるアグリゲートのストークス相当径分布における最大頻度のストークス相当径、ΔＤstは同ストークス相当径分布の半値幅、また、Ｄupa50%はカーボンブラックの水分散液にレーザー光を照射し、散乱光の周波数変調度合から作成したアグロメレート粒径の累積度数分布曲線における５０％累積度数の値を、Ｄupa99%は同分布曲線における９９％累積度数の値を示す。
【００１１】
【発明の実施の形態】
上記のようにカーボンブラックの特性範囲を規制するのは、Ｎ2 ＳＡが１６０m2/g未満であると水性インキとした場合に沈殿残渣率が増大して、濾過性、吐出安定性が著しく低下し、２００m2/gを越えると印字した際の紙定着濃度が低くなるためである。また、Ｎ2 ＳＡ／ＩＡの値が０．９６未満であるとカーボンブラックの揮発分（表面官能基）が少なく、酸化剤水溶液との濡れ性が悪くなって分散性が低下する。しかしＮ2 ＳＡ／ＩＡの値が１．２０を越えるとカーボンブラックの未燃分が多く酸化剤水溶液との濡れ性に支障を来し、酸化が充分に行われず分散性が低下する。
【００１２】
ＣＴＡＢ比表面積が１４０m2/g未満であると液−固界面の面積が小さくなり、濾過性、沈殿残渣率に問題を生じ、また１７０m2/gを越えると液−固界面の面積が大きくなり分散性が不充分になる。ＤＢＰ吸油量が１００ml/100g 未満であると印字濃度が薄くなり、１４０ml/100g を越えると沈殿残渣率が増加し、濾過性が低下する。24Ｍ４ＤＢＰが９０ml/100g 未満であると印字濃度が低下し、１１０ml/100g を越えると沈殿残渣率が増加して、濾過性、保存安定性が不良になる。Ｔint が１２０未満であると粒度分布がブロードなため、濾過性、沈殿残渣率が不良になる。
【００１３】
本発明のカーボンブラック顔料は、これらの特性範囲に加えて、その表面に存在する官能基量として、Ｘ線光電子分光法により測定した全炭素原子と全酸素原子との原子比（酸素結合エネルギーの強度／炭素結合エネルギーの強度）の値が０．１以上である点を特徴としている。ＸＰＳやＥＳＣＡなどのＸ線光電子分光法により測定される酸素結合エネルギーの強度／炭素結合エネルギーの強度比（原子比）が、０．１未満であると、水などの極性溶媒に対する自己分散性が著しく低下し、水性インキとした場合に保存安定性が極めて悪化する。なお、この強度比の調節は酸化処理によりカーボンブラック粒子表面を化学的に酸化反応させ、化学修飾することにより親水性官能基を付与することにより行われる。
【００１４】
酸化処理は、例えば次亜塩素酸塩、亜塩素酸塩、塩素酸塩、過硫酸塩、過硼酸塩、過炭酸塩などのアルカリ金属塩やアンモニウム塩などの酸化剤水溶液中にカーボンブラックを添加して酸化することにより行われ、酸化剤水溶液の濃度、カーボンブラックの添加量、反応温度、反応時間などを適宜に制御して、全炭素原子と全酸素原子との原子比（酸素結合エネルギーの強度／炭素結合エネルギーの強度）が０．１以上となるように処理される。
【００１５】
更に、本発明の水性インキ用カーボンブラック顔料は、上記の特性を備えたカーボンブラックであって、アグリゲートのストークス相当径分布のモード径Ｄstが５０〜７０nm、同分布における半値幅ΔＤstが６０nm以下、アグロメレートの平均粒径Ｄupa50%の値が６０〜１１０nm、アグロメレートの最大粒径Ｄupa99%の値が２５０nm以下の粒子性状を有することがより好ましい。
【００１６】
アグリゲートのストークス相当径分布のモード径Ｄstが５０nm未満であると水分散状態でのアグロメレート粒径が小さくなって、黒色度が低下し、一方、７０nmを越えると黒色度は向上するが沈殿残渣率が増加して、濾過性が低下する。また、半値幅ΔＤstが６０nmを越えると粒径分布がブロードになり、黒色度、沈殿残渣率が増加し、濾過性が不良になる。
【００１７】
また、アグロメレートの平均粒径Ｄupa50%の値を６０〜１１０nm、アグロメレートの最大粒径Ｄupa99%の値を２５０nm以下の粒子性状とするのは、Ｄupa50%の値が６０nm未満であると紙繊維の隙間からカーボンブラックが通過し、紙定着濃度が低下する。一方１１０nmを越えると黒色度は向上するが、濾過性および沈殿残渣率が悪化するためである。また、Ｄupa99%の値が２５０nmを越えると沈殿残渣率が増大して、吐出安定性および濾過性の低下が著しくなる。
【００１８】
なお、このアグロメレートの平均粒径Ｄupa50%、最大粒径Ｄupa99%は、下記の測定方法によって得られた値が用いられる。
カーボンブラックを水に分散して０．１〜０．５g/l の分散液を調製し、ヘテロダインレーザドップラー方式粒度分布測定装置（マイクロトラック社製、UPA mode19340)を用いて分散液にレーザー光を照射して、散乱光の周波数変調の度合いから分散液中のアグロメレートの粒径を測定する。分散液中のカーボンブラックはブラウン運動しており、ドップラー効果によって分散しているカーボンブラック凝集体の大きさにより散乱光の周波数が変調する。したがって、凝集体の大きさによるブラウン運動の激しさが異なることから、水中に分散している状態における凝集体の大きさ、すなわちアグロメレートの粒径を測定することができる。このようにして測定したアグロメレート粒径からその累積度数分布曲線を作成し、５０％累積度数の値をアグロメレートの平均粒径Ｄupa50%(nm)、９９％累積度数の値をアグロメレートの最大粒径Ｄupa99%(nm)とする。
【００１９】
これらの特性を備えたカーボンブラックを黒色顔料として、水などの水性媒体中に所望の濃度で分散させることにより水性インキが得られる。すなわち、カーボンブラックを分散させた水分散液のｐＨを６〜１１に調節し、電気透析あるいは分離膜（逆浸透膜、限外濾過膜、ルーズ R.Oなど）で残塩を分離精製する。なお、カーボンブラック分散液中の残塩濃度はカーボンブラック含有濃度を２０％として導電度が５mS/cm 未満となるように分離精製することが好ましい。また、水性インキとして分散安定性を図るために、はカーボンブラック顔料を６０wt％以下の濃度に調整することが望ましい。
【００２０】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して具体的に説明する。
【００２１】
実施例１〜３、比較例１〜４
表１に示す特性のカーボンブラック１００g を濃度２．２Ｎの過硫酸ソーダ水溶液３０００mlに添加し、反応温度６０℃、反応時間１０時間、攪拌速度３００rpm で酸化処理した。次いで、濾別したカーボンブラックを純水中に分散させて水酸化ナトリウム水溶液で中和し、限外濾過膜により精製処理して残存する塩を分離したのち、濾過してカーボンブラックを分離し、水洗乾燥してカーボンブラック顔料の試料を作製した。これらのカーボンブラック試料について酸素結合エネルギー強度と炭素結合エネルギー強度をSurface Science Instruments 社製 S-Prove ESCA 2803型により測定し、全炭素原子と全酸素原子との原子比を表１に併記した。
【００２２】
比較例５
オゾンにより酸化処理したほかは、実施例と同じ方法によりカーボンブラック試料を作製し、その結合エネルギーを測定して、全炭素原子と全酸素原子との原子比を表１に併記した。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
次に、これらのカーボンブラック試料を顔料として純水中に２０重量％の濃度で分散させて水性インキを調製し、下記の方法により分散性能及びインキ性能を評価した。得られた結果を表２に示した。
【００２５】
▲１▼加温安定性；
サンプルを密閉容器に詰め、７０℃の保温器中にて１週間から４週間の粘度変化を測定して、加温時の分散安定性を比較した。なお、粘度は回転振動式粘度計〔山一電機（株）製、VM-100A-L 〕により測定した。
【００２６】
▲２▼粒子径測定；
サンプル及び加温安定性の試験を行ったサンプルの粒子径についてヘテロダインレーザドップラー方式粒度分布測定装置〔マイクロトラック社製、UPA model 9340〕を用いて測定した。この測定装置は、懸濁液中においてブラウン運動している粒子にレ−ザ光を当てると、ドップラー効果により散乱光の周波数が変調する。その周波数の変調度合いからブラウン運動の激しさ、すなわち粒子径を測定するものである。
【００２７】
▲３▼印字濃度；
水性インキのカーボンブラック分散濃度を４重量％に希釈し、コピー紙としてXEROX 4024紙を使用し、これに#6バーコーダにより印字して、マクベス濃度計〔コルモーゲン社製 RD-927 〕を用いて光学濃度を測定した。
【００２８】
▲４▼濾過性；
水性顔料インキ２００g を９０φの濾紙（NO.2）及び膜孔径 3μm 、0.8 μm 、0.65μm 、0.45μm のフィルターを用いて２０Torrの減圧下で濾過試験を行い通過量を測定した。
【００２９】
▲５▼沈殿残渣率；
水性黒色インキを２００００Ｇの重力加速度で３０分間遠心分離処理を行った後の沈殿残渣量(M1)と、遠心分離処理前のカーボンブラックの重量(M0)との重量比(M1/M0) を沈殿残渣率とした。この値が低いほど分散安定性は良好になる。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
表１、２の結果から、実施例のカーボンブラック顔料を分散させて調製した水性インキは、優れた保存安定性、濾過性、紙定着濃度、沈殿残渣率を兼ね備えているが、比較例１はＩＡ、Ｎ2 ＳＡ、ＣＴＡＢ、ＤＢＰ、24Ｍ４ＤＢＰ、Ｄstも小さいため濾過性、保存安定性、沈殿残渣率は良好であるが、紙定着濃度が著しく低い。比較例２はＩＡ、Ｎ2 ＳＡ、ＣＴＡＢが範囲外であるため保存安定性、紙定着濃度は良好であるが、濾過性、沈殿残渣率が不良になる。更に、比較例３はＤＢＰ、24Ｍ４ＤＢＰが範囲より小さいため保存安定性、濾過性は良好であるが、紙定着濃度が著しく低下する。比較例４はＩＡ、Ｎ2 ＳＡ、ＣＴＡＢが範囲より小さいため保存安定性、紙定着濃度は良好であるが、濾過性、沈殿残渣率が不良になる。比較例５はカーボンブラックの特性は範囲に適合しているが、全炭素原子と全酸素原子との比が小さいため初期粘度が高く、保存安定性が著しく不良である。
【００３２】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の水性インキ用カーボンブラック顔料によれば、相反する紙定着濃度と濾過性を両立し、更に、長期に亘り安定した分散性を示す水性インキを得ることができる。したがって、インキジェットプリンター用の水性インキをはじめとする水性インキ用の黒色顔料として極めて有用である。