СПОСОБ ПОДГОТОВКИ БУМАГИ И БУМАГА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ЭЛЕКТРОФОТОГРАФИЧЕСКИХ ИЛИ ЦИФРОВЫХ ОФСЕТНЫХ ПЕЧАТНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
METHOD FOR PREPARATION OF PAPER AND PAPER FOR USE IN ELECTROPHOTOGRAPHIC OR DIGITAL OFFSET PRINTING TECHNOLOGIES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к дисперсии нейтрализованных сополимеров этилена и акриловой кислоты и применению этих дисперсий в подготовке подложек для получения изображений в электрофотографических и цифровых офсетных видах печати.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Офсетная печать жидким тонером цвета индиго представляет собой гибрид электрофотографической печати и офсетной печати. Электрографическая печать в целом подразумевает зарядку фоточувствительного воспринимающего барабана, лазерное сканирование изображения или текстовой области поверхности фоточувствительных рецепторов, осаждение заряженных частиц тонера на поверхности изображения фоточувствительного воспринимающего барабана для проявки латентного изображения, перенос тонерного изображения с фоточувствительного воспринимающего барабана на заряженную подложку наподобие бумаги и окончательное термическое закрепление частиц тонера на поверхности бумаги при нагреве и под давлением. Офсетная печать просто означает, что имеется промежуточный офсетный цилиндр, который переносит изображение, проявленное краской или тонером, с себя на конечную подложку (например, бумагу).
В большинстве электрофотографических принтеров используют частицы сухого порошкового тонера, который состоит из цветного пигмента, устройство для направления заряда и связующее полимера. Для таких тонеров существует минимальный предел размера частиц, составляющий от 7 до 9 микрон, поскольку если частицы мельче, они становятся летучими в прессе. Это приводит к проблемам с печатью и может вызвать проблемы со здоровьем для печатников. Более крупные частицы тонера нарушают качество печати из-за их неспособности воспроизводить мелкие детали и приемлемые цвета. Поэтому высококачественные изображения невозможно напечатать с помощью электрофотографических принтеров с сухим тонером.
Составы жидких тонеров содержат частицы тонера размером от 1 до 2 микрон, потому что растворитель в составе удерживает их от улетучивания. Изображения, полученные с помощью таких тонеров, обладают более высоким качеством благодаря их способности точно переноситься на фоточувствительную воспринимающую поверхность. Растворитель в составах жидких тонеров должен быть удален либо испарением до переноса тонера на поверхность бумаги или сушкой после того, как тонер уж перенесли на бумагу. Во время цифровой офсетной печати (например, принтер HP Indigo) термический офсетный цилиндр располагают между фоточувствительным формным цилиндром и поверхностью бумаги, которая располагается на обратной стороне печатного цилиндра. Жидкий тонер нагревают офсетным цилиндром для того, чтобы, во-первых, заставить пигментированные частицы в жидком тонере расплавиться и сольватировать в однородную смесь, а затем испарить растворитель, когда офсетный цилиндр переносит жидкий тонер на бумажную поверхность. Когда жидкий тонер контактирует с прохладной бумажной поверхностью, он становится достаточно вязким, чтобы прилипнуть к бумаге и немедленно застыть, чтобы обеспечить быструю печать. Термический офсет в принтере Indigo дает два преимущества по сравнению с электрофотографической печатью с сухим порошком: для бумаги не требуется проводимость для того, чтобы принять тонер, и не требуется стадии расплавления частиц сухого тонера на поверхности бумаги.
Отсутствие адгезии тонера являлось проблемой как для электрофотографической, так и для цифровой офсетной печати. Отсутствие адгезии тонера особенно ощутимо в цифровой офсетной печати из-за отсутствия стадии плавления для закрепления частиц жидкого тонера на поверхности бумаги. Слабая адгезия тонера приводит к неполному переносу тонера на поверхность бумаги, оставляя осадок на офсетном цилиндре, и к низкой устойчивости печатного изображения и его удалению в процессе последующих перерабатывающих операций. Для нанесения на бумажную поверхность слоя полиэтиленимина, повышающего адгезию жидкого тонера используют процесс, который называется сапфировая обработка. Но сапфировая обработка имеет недостатки, включающие ограниченный срок складского хранения бумаги от шести до восьми месяцев, пожелтение, необходимость наносить покрытие на дополнительной стадии после изготовления бумаги и тенденция изображения, полученного с помощью тонера, к истиранию во время отделки и транспортировки.
Использование сополимера этилена и акриловой кислоты в изготовлении подходящей подложки для цифровой офсетной печати было раскрыто, например, в EP 1273975 и 0789281. Обычно перед нанесением на подложку полимеры диспергируют в воде. Однако полимеры не диспергируются в кислотной форме, и их следует хотя бы частично нейтрализовать для приготовления стабильной водной дисперсии с низкой вязкостью и частицами подходящего размера.
Дисперсии сополимеров этилена и акриловой кислоты готовили, используя амины, например аммиак и моноэтаноламин, гидроксиды щелочных металлов, гидроксиды щелочно-земельных металлов и смеси аминов и сильных оснований. Смотрите патенты США №№3389109, 3872039, 3899389, 4181566, 5206279 и 5387635. Приготовление водной дисперсии сополимера полиэтилена и акриловой кислоты (20 мас.% акриловой кислоты) в водном растворе гидроксида натрия и этаноламина описано в примере 19 патента США №5387635. Однако дисперсия того же полимера, приготовленная в этаноламине, нестабильна, и, как подтверждают наблюдения, вязкость дисперсии резко возрастает на следующий день.
Соответственно, существует настоятельная потребность в усовершенствовании обработки поверхности бумаги для цифровой офсетной печати с применением составов жидких тонеров. Эти обработки должны повышать стабильность, повышать адгезию тонера, обладать способностью к нанесению во время производства бумаги, иметь хорошую устойчивость и препятствовать пожелтению под действием солнечных лучей.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному из воплощений изобретения предложена водная дисперсия, включающая один или более сополимеров этилена и акриловой кислоты и эффективное для диспергирования количество одного или более N,N-диалкилалканоламинов.
Согласно другому воплощению изобретения предложен способ приготовления водной дисперсии сополимера этилена и акриловой кислоты, включающий перемешивание одного или более сополимеров этилена и акриловой кислоты с эффективным для диспергирования количеством одного или более N,N-диалкилалканоламинов в водной среде.
Согласно следующему воплощению изобретения предложен способ приготовления подложки для применения в электрофотографических или цифровых офсетных печатных технологиях, включающих нанесение на подложку водной дисперсии, включающей один или более сополимеров этилена и акриловой кислоты, и эффективного для диспергирования количества одного или более N,N-диалкилалканоламинов.
Также в данном изобретении предложена подложка для применения в электрофотографических печатных технологиях, включающая один или более полимеров этилена и акриловой кислоты и один или более N,N-диалкилалканоламинов.
В отличие от сополимеров этилена и акриловой кислоты, нейтрализованных аммиаком, где во время обработки аммиак выделяется в атмосферу, в результате чего происходит отделение полимера от водной фазы, такого разделения не происходит с дисперсиями, нейтрализованными N,N-диалкилалканоламинами согласно изобретению, из-за более высокой точки кипения N,N-диалкилалканоламинов (136°С для N,N-диметилэтаноламина). Дополнительно по сравнению с дисперсиями сополимеров этилена и акриловой кислоты в гидроксидах щелочных металлов, таких как KOH, NaOH и LiOH и им подобных, гидроксильная группа N,N-диалкилалканоламинов обеспечивает повышение адгезии полимера к подложке, поскольку гидроксильная группа способна формировать водородные связи как донор, так и как акцептор. Более того, гидроксильная функциональная группа позволяет продукту по изобретению в последующем реагировать с другими функциональными группами, такими как ангидридная, эпоксидная, изоцианатная, с образованием ковалентных связей, обеспечивая более высокую адгезию.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сополимеры этилена и акриловой кислоты по данному изобретению готовят свободнорадикальной полимеризацией этилена и акриловой кислоты и, возможно, одного или более дополнительных этиленненасыщенных мономеров. Смотрите, например, патенты США №№6482886 и 5387635 и указанные в них ссылки. Примеры дополнительных мономеров включают метакриловую кислоту, малеиновую кислоту и андигрид, итаконовую кислоту, фумаровую кислоту, кретоновую кислоту и цитраконовую кислоту и ангидрид, гидрометилмалеат, гидроэтилмалеат, пропилен, бутен, изобутен, бутадиен, изопрен, стирол, α-метилстирол, t-бутилстирол, этилакрилат, метилметакрилат, этилметакрилат, метилакрилат, изобутилакрилат и метилфумарат, винилацетат, винилпропионат, винилбензоат, винилхлорид и винилиденхлорид, акриламид, акрилонитрил, метакрилонитрил, фумаронитрил и подобные им соединения.
Согласно воплощению изобретения сополимер этилена и акриловой кислоты включает примерно от 5 до 30 мольных процентов мономеров акриловой кислоты.
Согласно воплощению изобретения сополимер этилена и акриловой кислоты включает примерно от 5 до 20 мольных процентов мономеров акриловой кислоты.
Согласно воплощению изобретения сополимер этилена и акриловой кислоты включает примерно от 14 до 20 мольных процентов мономеров акриловой кислоты.
Согласно воплощению изобретения сополимер этилена и акриловой кислоты включает примерно от 5 до 25 массовых процентов мономеров акриловой кислоты.
Согласно воплощению изобретения сополимер этилена и акриловой кислоты включает примерно от 14 до 25 массовых процентов мономеров акриловой кислоты.
Молекулярные массы сополимеров этилена и акриловой кислоты, пригодных для водных дисперсий по данному изобретению, обозначены в виде индекса расплава (ИРI). Индекс расплава замеряют согласно Американскому стандартному методу испытаний ASTM D 1238 Condition E (190°С/2,16 кг), если не сообщается иное.
Согласно воплощению изобретения сополимеры этилена и акриловой кислоты имеют индекс расплава примерно от 10 г/10 мин до 3000 г/10 мин.
Согласно воплощению изобретения сополимеры этилена и акриловой кислоты имеют индекс расплава примерно от 10 г/10 мин до 2500 г/10 мин.
Согласно воплощению изобретения сополимеры этилена и акриловой кислоты имеют индекс расплава примерно от 10 г/10 мин до 200 г/10 мин.
На рынке имеются подходящие сополимеры этилена и акриловой кислоты, например от компании Доу Хемикал, Мидланд.
Водную дисперсию по изобретению готовят путем реакции сополимера этилена и акриловой кислоты с эффективным для диспергирования количеством одного или более N,N-диалкилалканоламинов. «Эффективное для диспергирования количество» означает количество N,N-диалкилалканоламинов, требуемых для по меньшей мере частичной нейтрализации сополимера этилена и акриловой кислоты с получением стабильной водной дисперсии с требуемыми вязкостью и размером частиц.
Реакцию нейтрализации обычно проводят при температуре примерно до 130°С, обычно при температуре примерно от 120°С до 130°С в присутствии количества N,N-диалкилалканоламинов, пригодного для получения водной дисперсии, включающей диспергированные сухие вещества со средним размером частиц примерно менее 100 нм.
Согласно воплощению изобретения водную дисперсию готовят реакцией сополимера этилена и акриловой кислоты с примерно от 0,2 до 1,4 молярных эквивалентов одного или более N,N-диалкилалканоламинов в водной среде.
Согласно воплощению изобретения водную дисперсию готовят реакцией сополимера этилена и акриловой кислоты с примерно от 0,5 до 1,4 молярных эквивалентов одного или более N,N-диалкилалканоламинов в водной среде.
Согласно воплощению изобретения водную дисперсию готовят реакцией сополимера этилена и акриловой кислоты с примерно от 0,8 до 1,2 молярных эквивалентов одного или более N,N-диалкилалканоламинов в водной среде.
1
2
3
1
2
3
Подходящие N,N-диалкилалканоламины имеют формулу RRNROH, в которой R и R являются прямыми или разветвленными алкильными группами, имеющими от 1 до примерно 4 атомов углерода, а R представляет собой прямой или разветвленный алкилен, имеющий от 1 до примерно 4 атомов углерода.
Согласно воплощению изобретения N,N-диалкилалканоламины выбирают из группы, состоящей из N,N-диметил-2-(2-аминоэтокси)этанола, N,N-диэтилэтаноламина, N,N-диметилизопропаноламина, N,N-диметилэтаноламина, N,N-дибутилэтаноламина и N,N-диизопропилэтаноламина.
Согласно воплощению изобретения N,N-диалкилалканоламин является N,N-диметилэтаноламином.
Согласно воплощению изобретения водная дисперсия включает примерно от 5 до 40% мас. одного или более сополимеров этилена и акриловой кислоты.
Согласно воплощению изобретения водная дисперсия включает примерно от 10 до 30% мас. одного или более сополимеров этилена и акриловой кислоты.
Согласно воплощению изобретения водная дисперсия включает примерно от 14 до 20% мас. одного или более сополимеров этилена и акриловой кислоты.
Согласно воплощению изобретения сополимеры этилена и акриловой кислоты выбирают из группы, состоящей из сополимеров этилена и акриловой кислоты.
Согласно изобретению предложен способ приготовления подложки для применения в электрофотографических или цифровых офсетных печатных технологиях, включающий нанесение на подложку водной дисперсии, включающей примерно от 5 до 40 мас.% одного или более сополимеров этилена и акриловой кислоты, и примерно от 0,2 до 1,4 молярных эквивалентов, в расчете на мономер акриловой кислоты, одного или более N,N-диалкилалканоламинов.
Подходящие подложки включают любую листовую подложку для нанесения печати, способную удержать на своей поверхности полимер этилена и акриловой кислоты, описанный в данной заявке, включая, например, бумагу, включая мелованную бумагу для художественной печати, мелованную бумагу, бумажный картон и прочие, пленку, нетканый материал и прочее.
Как использовано в настоящем описании, термин «пленка» означает листовую подложку, которая выполнена из органического полимера: такие как пленки из вискозы, ацетата, полиэтилена, полипропилена, поли(винилхлорид)а, полистирола, нейлона, поликарбоната, поли(этилентерефталат)а или поли(бутилентерефталат)а.
Термин «нетканый материал» означает листовую подложку, которую изготавливают из волокнистого материала, такого как древесная целлюлоза, хлопок, вискоза, поли(этилентерефталат), поли(бутилентерефталат), полиакрилонитрил или полипропилен широко известными способами, такими как прядильно-связывающая технология или бумажная технология.
Согласно воплощению изобретению подложкой является бумага.
Водную дисперсию можно наносить на подложку любым из многочисленных известных способов, которые дают равномерное укрытие подложки. Например, водную дисперсию можно наносить на подложку погружением, распылением, планкой или валиком или с помощью оборудования, такого как клеильный пресс, устройство для нанесения покрытий с ракельным ножом, грунтовальная машина, машина для нанесения с планкой для удаления излишков, машина для нанесения с воздушным шабером, устройство для нанесения покрытий поливом и прочее.
Водную дисперсию можно наносить на подложку как в одиночку, так и в сочетании с любым количеством добавок, используемых для усиления свойств листа. Такие добавки включают крахмал, поливиниловый спирт, карбоксиметилцеллюлозу, гуар, наполнители и пигменты, такие как глина и карбонат кальция, связующие, красители, оптические отбеливатели, сшивающие агенты, противопенные агенты, антистатики, диспергаторы, сгустители и прочее. Добавки можно наносить на подложку до, во время и после нанесения водной дисперсии сополимера этилена и акриловой кислоты.
Согласно одному из воплощений изобретения добавка представляет собой крахмал.
Согласно воплощению изобретения крахмал выбирают из этилированного, окисленного и катионного крахмала. Примеры подходящих этилированных, окисленных и катионных крахмалов включают, но не ограничиваются, этилированный кукурузный крахмал, модифицированный энзимом окисленный крахмал, четвертичные аммониевые производные катионного крахмала, первичные, вторичные и третичные аминопроизводные катионного крахмала и другие азот-замещенные производные катионного крахмала, а также сульфониевые и фосфониевые производные катионного крахмала.
Согласно воплощению изобретения добавки входят в рецептуру водной дисперсии сополимера этилена и акриловой кислоты по настоящему изобретению. Композицию можно приготовить перемешиванием дисперсии с раствором крахмала или с другими добавками при составлении рецептур для клеильного пресса. Окрашенные композиции, содержащие нейтрализованные сополимеры этилена и акриловой кислоты, можно приготовить в соответствии с процедурами мелования бумаги.
Все изложенное выше станет более понятным при рассмотрении следующих примеров, которые в данном случае имеют цель пояснения, но не ограничивают объем патентных притязаний настоящего изобретения.
Пример 1
Приготовление водной дисперсии из сополимера этилена и акриловой кислоты и иономера диметилэтаноламина
Бомбовый реактор Парра объемом 300 мл снабжен головкой реактора с перемешивающим стержнем, который соединяется с приводным двигателем. Кроме того, головка реактора снабжена термопарой, манометром, стравливающим клапаном и узлами для отбора проб. На перемешивающем стержне установлены две мешалки; одна возле поверхности реакционной смеси, а другая на конце стержня для обеспечения максимального перемешивания. В реактор Парра добавляют 20,0 г сополимера этилена и акриловой кислоты (индекс расплава 65, 15% мономера акриловой кислоты, продаваемого компанией The Dow Chemical Company, Midland, MI под артикулом XUS60751.18) и смесь деионизованной воды (175,57 г), диметилэтаноламина (ДМЭА, 4,46 г от Alfa Aesar, Ward Hill, MA или от Huntsman Performance Chemicals, The Woodlands, TX), спан 60 (Span 60) (0,77 г) и твин 60 (Tween 60) (1,26) - оба от Uniqema, New Castle, DE. Затем реактор закрывают болтами и установку Парра помещают в колбонагреватель. Скорость перемешивания повышают постепенно до 800 об/мин. Температуру реакционной смеси повышают постепенно до 120°С и поддерживают между 120 и 130°С в течение 3 часов. После реакции реактор охлаждают до комнатной температуры, и продукт переливают в пластиковый контейнер. Не совсем белый, немного мутный продукт реакции имеет pH 10,22.
Пример 2
Сравнительный пример
Нейтрализованную дисперсию сополимера этилена и акриловой кислоты готовят, как описано в примере 1, за исключением того, что диметилэтаноламин заменяют гидроксидом аммония. Полученный продукт реакции не совсем белый, неоднородный и содержит много хлопьев. Его pH составляет 10,44.
Пример 3
Приготовление водной дисперсии из сополимера этилена и акриловой кислоты и иономера диметилэтаноламина
Ректор в этом случае такой же, как в примере 1. В реактор добавляют 30,0 г сополимера этилена и акриловой кислоты (индекс расплава 65,15% мономера акриловой кислоты, как в примере 1) и смесь деионизованной воды (163,31 г) и ДМЭА (6,69 г). Реактор затем плотно закрывают крышкой и зажимают болтами, а установку Парра помещают в колбонагреватель. Скорость перемешивания повышают постепенно до 800 об/мин. Температуру реакционной смеси повышают постепенно до 120°С и поддерживают между 120 и 130°С в течение 3 часов. После реакции реактор охлаждают до комнатной температуры, и продукт переливают в пластиковый контейнер. Не совсем белый, немного мутный продукт реакции имеет pH 10. Средний размер частиц продукта реакции, измеренный с помощью анализа светорассеянья, составляет примерно 23,2 нм.
Пример 4
Приготовление водной дисперсии из сополимера этилена и акриловой кислоты и иономера диметилэтаноламина
Ректор в этом случае такой же, как в примере 1. В реактор добавляют 30,0 г сополимера этилена и акриловой кислоты (индекс расплава 18, 14,8% мономера акриловой кислоты, продаваемого компанией The Dow Chemical Company, Midland, MI под артикулом XUS60568.05) и смесь деионизованной воды (163,31 г) и ДМЭА (6,90 г). Реактор затем плотно закрывают крышкой и зажимают болтами, а установку Парра помещают в колбонагреватель. Скорость перемешивания повышают постепенно до 800 об/мин. Температуру реакционной смеси повышают постепенно до 120°С и поддерживают между 120 и 130°С в течение 3 часов. После реакции реактор охлаждают до комнатной температуры, и продукт переливают в пластиковый контейнер. Полупрозрачный, немного мутный продукт реакции имеет pH 10. Средний размер частиц продукта реакции, измеренный с помощью анализа светорассеянья, составляет примерно 75,8 нм.
Пример 5
Приготовление композиции для нанесения и обработка базового листа
2
Базовая бумага, использованная в данном примере, представляет собой немелованный лист из бумаги без древесной массы с основной массой примерно 85 г/м. Для нанесения состава на базовую бумагу используют опускаемую планку #5 размером (21,59×30,48) см (8,5"×12"). Затем влажный лист высушивают в барабанной сушилке производства Adironack Machine Company, Queensbury, N.Y. Обе стороны базовой бумаги обрабатывают для уменьшения скручивания бумаги и обеспечения обрабатываемости бумаги в машине. Съем покрытия составляет примерно 9,072 кг/т бумаги (20 фунтов/т бумаги). Образцы композиций представлены в таблице 1.
Таблица 1
Образцы композиций для покрытия
№ композиции для покрытия
(Активные) части Дисперсии<sup>1</sup>
Части PG280<sup>2</sup>
Деионизированная вода, части
1
0
8
92
2
8
0
92
3
6,4
1,6
92
4
7,2
0,8
92
<sup>1</sup> Водная дисперсия сополимера этилена и акриловой кислоты, приготовленная в соответствии со способом по примеру 4.
<sup>2</sup> Этилированный крахмал, производимый и продаваемый компанией Penford Products, Cedar Rapids, IA.
Пример 6
Оценка качества цифровой офсетной печати Indigo
В данном примере используют бумагу с покрытием, изготовленную в примере 5. Печатное оборудование, использованное для печати, это Листовая машина HP 3000 Indigo. Для печати используют четырехкрасочный печатный объект, который включает голубой, пурпурный, желтый и черный цвета. Ленту с липким слоем Scotch Drating Tape 230 шириной 2,54 см (1") поместили на печатный красочный объект через 15 минут после печати, а лист с прилипшей лентой заложили между двумя резиновыми прокладками. 0,907 кг (2-фунтовый) валик прокатывают вперед-назад по обратной поверхности прокладки, а ленту отрывают под углом примерно 45 градусов. Область отрыва ленты в печатном объекте сканируют и анализируют, используя программу анализа изображения. Адгезию тонера выражают как процент покрытия тонером после отрыва. Адгезия тонера в процентах показана в таблице 2.
Таблица 2
Данные по адгезии тонера на отпечатанных листах
№ композиции покрытия
Съем покрытия кг/т (фунт/т)
Черный
Голубой
Пурпурный
Желтый
1
11,239 (24,8)
71,7
89,5
72,4
63,5
2
9,933 (21,7)
100
98,7
99,7
100
3
9,072 (20,0)
100
99,2
99,7
99,9
4
10,251 (22,6)
100
100
100
100
Данные, представленные в таблице 2, демонстрируют, что можно достичь почти совершенной адгезии тонера любого цвета при использовании бумаги, обработанной образцами композиций согласно изобретению.
В композициях, работе и компоновке способа по описанному изобретению могут быть сделаны изменения без отступления от концепции и объема изобретения, как описано в формуле изобретения.