一种低温定影彩色环保碳粉及其制备方法与流程

1.本发明涉及印刷材料技术领域，尤其涉及一种低温定影彩色环保碳粉及其制备方法。


背景技术：

2.激光打印机是常用的办公设备，其主要的耗材是碳粉，碳粉的组分包括树脂、颜料和添加剂等。激光打印机工作的核心步骤是碳粉的转印定影，其工作原理是在定影的过程中，对吸附在纸上的碳粉颗粒加压加热，使碳粉中的树脂熔化并与颜料一起浸入打印纸中，从而形成固定的图像。在这一过程中，如果所需要的加热温度较高，会使碳粉中的多环芳烃类或者二甲基硝胺等有害物质挥发出来，从而影响环境。因此，出于对环保和健康等因素的考虑，加热温度较低、可以低温定影的碳粉具有更为广阔的应用前景。
3.目前，碳粉的生产方法主要分为物理粉碎法和化学聚合法。其中物理粉碎法是将树脂、颜料等原料混炼后，经过粉碎研磨、分级筛选和表面改性，这种方法存在制备的碳粉粒径大、分散不均匀，从而印刷图像不清晰的问题。化学聚合法是将聚合物单体、颜料、蜡和其他添加剂均匀混合后，通过聚合的方法制备碳粉，该方法可以成功制备出粒径较小且分布均匀的碳粉，成为高质量印刷碳粉的主要生产方法。
4.由于低温定影用碳粉往往需要使用低分子量树脂和低分子量蜡，其在印刷过程中容易发生粘辊现象，影响了印刷效率和印刷质量。同时，彩色碳粉使用的颜料与树脂的相容性较低，这也导致了印刷质量的降低。因此，如何开发适合低温定影，同时不出现粘辊现象，印刷图像清晰度高的彩色碳粉，成为目前研究的一个重点领域。


技术实现要素：

5.本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种低温定影彩色环保碳粉及其制备方法。
6.本发明是通过以下技术方案实现的：
7.一种低温定影彩色环保碳粉的制备方法，包括下述步骤：
8.(1)将聚合单体、乳化剂和水混合均匀，得到混合溶液，其中聚合单体由苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯按质量比为1：(0.1-0.2)：(0.03-0.05)组成；
9.(2)将所述混合溶液与改性二氧化硅包覆颜料分散液、马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡乳液混合后，超声分散均匀，然后加入引发剂和链转移剂，调节至一定ph，在80-85℃下加热搅拌反应3-4h，即得。
10.优选地，所述改性二氧化硅包覆颜料分散液的制备方法为：将无水乙醇、氨水和水混合均匀，得到混合溶剂；将颜料、正硅酸乙酯和γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入所述混合溶剂中，在40-60℃下搅拌反应4-6h，然后过滤，将得到的固体物质洗涤、干燥，然后加入水中超声分散均匀，即得。
11.优选地，所述氨水的浓度为25-28％。
12.优选地，所述无水乙醇、氨水和水的体积比为1：(0.1-0.2)：(0.1-0.2)，所述颜料、正硅酸乙酯、γ-氨丙基三乙氧基硅烷的质量比为10：(0.5-2)：(0.5-2)。
13.优选地，所述马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡乳液的制备方法为：将低分子量聚乙烯蜡、苯乙烯和马来酸酐按质量比为100：(0.2-0.3)：(3-5)加入甲苯中，在90-95℃下加热混合均匀，然后加入过氧化二异丙苯，在120-130℃下搅拌反应2-3h，冷却后得到马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡；将所述马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡与吐温-80按质量比为1：(0.3-0.5)加入水中，然后在压力釜中于110-120℃下高温高压搅拌1-2h，即得。
14.优选地，所述低分子量聚乙烯蜡的分子量为1500-2500，熔点为100-105℃；所述过氧化二异丙苯的用量为苯乙烯和马来酸酐质量之和的0.5-1％。
15.优选地，步骤(1)中，聚合单体、乳化剂和水的质量比为(25-30)：(3-5)：(65-75)；步骤(2)中，混合溶液与改性二氧化硅包覆颜料分散液、马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡乳液的质量比为100：(1-4)：(8-10)；步骤(2)中，引发剂的用量为聚合单体质量的0.1-0.3％，链转移剂的用量为聚合单体质量的0.5-1％。
16.优选地，所述改性二氧化硅包覆颜料分散液的固含量为20-30％，所述马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡乳液的固含量为3-5％。
17.优选地，步骤(1)中，乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或者吐温-80；步骤(2)中，引发剂为过硫酸铵、过氧化苯甲酰或者偶氮二异丁腈，链转移剂为十二硫醇。
18.优选地，步骤(2)中，调节至ph为8-9。
19.一种低温定影彩色环保碳粉，由所述的制备方法制得。
20.本发明的优点是：
21.本发明通过采用苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯作为共聚单体，使碳粉的树脂具有较低软化点的同时，含有一定的羟基，采用含氨基的硅烷偶联剂kh-550，正硅酸乙酯对颜料进行原位包覆改性，使颜料表面具有含氨基活性基团的二氧化硅包覆层，采用马来酸酐、苯乙烯作为复合单体对低分子量聚乙烯蜡进行接枝改性，使得到的蜡乳液中含马来酸酐和苯乙烯链段，能够与树脂、颜料之间发生相互作用，可以在提高蜡乳液用量、避免发生粘辊的前提下，仍然能够形成相容性高、较为均匀的体系，并结合工艺条件的优化，最终制备得到的碳粉，不仅能够适应低温显影的需要，而且蜡成分含量高，印刷过程中不容易发生粘辊，同时，同时，由于粒径合适、体系均匀，还具有打印牢固性好、打印质量高、图案清晰的优点，而且制备工艺简单、成本低，具有良好的应用前景。
具体实施方式
22.实施例1
23.一种低温定影彩色环保碳粉的制备方法，包括下述步骤：
24.(1)将聚合单体、十二烷基硫酸钠和水混合均匀，得到混合溶液，其中聚合单体由苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯按质量比为1：0.1：0.03组成，聚合单体、十二烷基硫酸钠和水的质量比为25：3：65；
25.(2)将所述混合溶液与固含量为20％的改性二氧化硅包覆颜料分散液、固含量为3％的马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡乳液按质量比为100：4：10混合后，超声分散均匀，然后加入相当于聚合单体质量的0.1％的过硫酸铵和相当于聚合单体质量的0.5％的十二硫
醇，调节ph至8，在80℃下加热搅拌反应4h，即得，其中所述改性二氧化硅包覆颜料分散液的制备方法为：将无水乙醇、浓度为25％的氨水和水按体积比为1：0.1：0.1混合均匀，得到混合溶剂；将颜料钴蓝、正硅酸乙酯和γ-氨丙基三乙氧基硅烷按质量比为10：0.5：0.5加入混合溶剂中，在40℃下搅拌反应6h，然后过滤，将得到的固体物质洗涤、干燥，然后加入水中超声分散均匀，即得；马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡乳液的制备方法为：将分子量为2500、熔点为100℃的低分子量聚乙烯蜡、苯乙烯和马来酸酐按质量比为100：0.2：3加入甲苯中，在90℃下加热混合均匀，然后加入相当于苯乙烯和马来酸酐质量之和的0.5％的过氧化二异丙苯，在120℃下搅拌反应3h，冷却后得到马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡，将马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡与吐温-80按质量比为1：0.3加入水中，然后在压力釜中于110℃下高温高压搅拌2h，即得。
26.实施例2
27.一种低温定影彩色环保碳粉的制备方法，包括下述步骤：
28.(1)将聚合单体、十二烷基硫酸钠和水混合均匀，得到混合溶液，其中聚合单体由苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯按质量比为1：0.2：0.05组成，聚合单体、十二烷基硫酸钠和水的质量比为30：5：75；
29.(2)将所述混合溶液与固含量为30％的改性二氧化硅包覆颜料分散液、固含量为5％的马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡乳液按质量比为100：1：8混合后，超声分散均匀，然后加入相当于聚合单体质量的0.3％的过硫酸铵和相当于聚合单体质量的1％的十二硫醇，调节ph至9，在85℃下加热搅拌反应3h，即得，其中所述改性二氧化硅包覆颜料分散液的制备方法为：将无水乙醇、浓度为25％的氨水和水按体积比为1：0.2：0.2混合均匀，得到混合溶剂；将颜料钴蓝、正硅酸乙酯和γ-氨丙基三乙氧基硅烷按质量比为10：2：2加入混合溶剂中，在60℃下搅拌反应4h，然后过滤，将得到的固体物质洗涤、干燥，然后加入水中超声分散均匀，即得；马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡乳液的制备方法为：将分子量为2500、熔点为100℃的低分子量聚乙烯蜡、苯乙烯和马来酸酐按质量比为100：0.3：5加入甲苯中，在95℃下加热混合均匀，然后加入相当于苯乙烯和马来酸酐质量之和的1％的过氧化二异丙苯，在130℃下搅拌反应2h，冷却后得到马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡，将马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡与吐温-80按质量比为1：0.5加入水中，然后在压力釜中于120℃下高温高压搅拌1h，即得。
30.实施例3
31.一种低温定影彩色环保碳粉的制备方法，包括下述步骤：
32.(1)将聚合单体、十二烷基硫酸钠和水混合均匀，得到混合溶液，其中聚合单体由苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯按质量比为1：0.15：0.045组成，聚合单体、十二烷基硫酸钠和水的质量比为28：4：68；
33.(2)将所述混合溶液与固含量为25％的改性二氧化硅包覆颜料分散液、固含量为3-5％的马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡乳液按质量比为100：3：9混合后，超声分散均匀，然后加入相当于聚合单体质量的0.2％的过硫酸铵和相当于聚合单体质量的0.8％的十二硫醇，调节ph至8.5，在82℃下加热搅拌反应3.5h，即得，其中所述改性二氧化硅包覆颜料分散液的制备方法为：将无水乙醇、浓度为25％的氨水和水按体积比为1：0.15：0.15混合均匀，得到混合溶剂；将颜料钴蓝、正硅酸乙酯和γ-氨丙基三乙氧基硅烷按质量比为10：1：1加入
混合溶剂中，在50℃下搅拌反应5h，然后过滤，将得到的固体物质洗涤、干燥，然后加入水中超声分散均匀，即得；马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡乳液的制备方法为：将分子量为2500、熔点为100℃的低分子量聚乙烯蜡、苯乙烯和马来酸酐按质量比为100：0.25：4加入甲苯中，在92℃下加热混合均匀，然后加入相当于苯乙烯和马来酸酐质量之和的0.7％的过氧化二异丙苯，在125℃下搅拌反应2.5h，冷却后得到马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡，将马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡与吐温-80按质量比为1：0.4加入水中，然后在压力釜中于115℃下高温高压搅拌1.5h，即得。
34.对比例1
35.对比例1与实施例1的区别仅为：步骤(1)中，聚合单体由苯乙烯、丙烯酸丁酯按质量比为1:0.13组成。
36.对比例2
37.对比例2与实施例1的区别仅为：采用聚乙烯蜡乳液代替马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡乳液，具体如下：
38.一种低温定影彩色环保碳粉的制备方法，包括下述步骤：
39.(1)将聚合单体、十二烷基硫酸钠和水混合均匀，得到混合溶液，其中聚合单体由苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯按质量比为1：0.1：0.03组成，聚合单体、十二烷基硫酸钠和水的质量比为25：3：65；
40.(2)将所述混合溶液与固含量为20％的改性二氧化硅包覆颜料分散液、固含量为3％的聚乙烯蜡乳液按质量比为100：4：10混合后，超声分散均匀，然后加入相当于聚合单体质量的0.1％的过硫酸铵和相当于聚合单体质量的0.5％的十二硫醇，调节ph至8，在80℃下加热搅拌反应4h，即得，其中所述改性二氧化硅包覆颜料分散液的制备方法为：将无水乙醇、浓度为25％的氨水和水按体积比为1：0.1：0.1混合均匀，得到混合溶剂；将颜料钴蓝、正硅酸乙酯和γ-氨丙基三乙氧基硅烷按质量比为10：0.5：0.5加入混合溶剂中，在40℃下搅拌反应6h，然后过滤，将得到的固体物质洗涤、干燥，然后加入水中超声分散均匀，即得；聚乙烯蜡乳液的制备方法为：将分子量为2500、熔点为100℃的低分子量聚乙烯蜡与吐温-80按质量比为1：0.3加入水中，然后在压力釜中于110℃下高温高压搅拌2h，即得。
41.对比例3
42.对比例3与实施例1的区别仅为：采用二氧化硅包覆颜料分散液代替改性二氧化硅包覆颜料分散液，具体如下：
43.一种低温定影彩色环保碳粉的制备方法，包括下述步骤：
44.(1)将聚合单体、十二烷基硫酸钠和水混合均匀，得到混合溶液，其中聚合单体由苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯按质量比为1：0.1：0.03组成，聚合单体、十二烷基硫酸钠和水的质量比为25：3：65；
45.(2)将所述混合溶液与固含量为20％的二氧化硅包覆颜料分散液、固含量为3％的马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡乳液按质量比为100：4：10混合后，超声分散均匀，然后加入相当于聚合单体质量的0.1％的过硫酸铵和相当于聚合单体质量的0.5％的十二硫醇，调节ph至8，在80℃下加热搅拌反应4h，即得，其中所述二氧化硅包覆颜料分散液的制备方法为：将无水乙醇、浓度为25％的氨水和水按体积比为1：0.1：0.1混合均匀，得到混合溶剂；将颜料钴蓝、正硅酸乙酯按质量比为10：0.5加入混合溶剂中，在40℃下搅拌反应6h，然后过滤，
将得到的固体物质洗涤、干燥，然后加入水中超声分散均匀，即得；马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡乳液的制备方法为：将分子量为2500、熔点为100℃的低分子量聚乙烯蜡、苯乙烯和马来酸酐按质量比为100：0.2：3加入甲苯中，在90℃下加热混合均匀，然后加入相当于苯乙烯和马来酸酐质量之和的0.5％的过氧化二异丙苯，在120℃下搅拌反应3h，冷却后得到马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡，将马来酸酐-苯乙烯接枝聚乙烯蜡与吐温-80按质量比为1：0.3加入水中，然后在压力釜中于110℃下高温高压搅拌2h，即得。
46.试验例
47.对实施例1和对比例1-3制得的碳粉进行性能测试，粒度测试采用激光粒度仪，打印性能采用低温定影激光打印机测试，其中粘辊的测试方法为连续使用该碳粉打印1000张图像，然后停止一晚，次日打印时观察是否吐出碳粉，无吐出评价为不粘辊。测试结果如表1所示：
48.表1
[0049][0050]
从表1中可以看出，本发明的碳粉适合用于低温定影，粒径合适，不会发生粘辊现象，而且打印牢固度高，打印质量好。对比例1、对比例2虽然蜡含量高，但是由于各组分之间协调相容性较差，严重影响了体系的均匀性，导致定影牢固性、抗粘辊性均不理想；对比例3的抗粘辊性好，但是由于颜料相容性差，印刷质量不高。