用于制备颜料流的连续方法.pdf

本发明提供了一种用于连续生产颜料流的方法和用于实施所述方法的装置。在本发明的方法中，颜料滤饼首先被流化。流化滤饼和疏水液体有机介质被进料到双螺杆挤出机中。在双螺杆间捏合有机介质和滤饼，以将颜料冲洗到有机介质中。通过挤出机中的排水口去除至少部分水相，从而分离水相和冲洗后的颜料相。阻碍物料向排水口下游流动的障碍物使得所述流在排水区累积足够长的一段时间，以去除所需量的水相。所述流在阻碍物之上运转，并向下游流至施加真空的地方以从所述流中去除残留水。可以将所述流和其他墨水成分进一步混合以形成墨水产品。

1.  一种用于连续冲洗颜料滤饼的方法，该方法包括以下步骤：
(a)向滤饼施加剪切，以产生流化滤饼；
(b)将该流化滤饼连续进料到双螺杆挤出机中；
(c)将该流化滤饼与液体有机介质在挤出机中混合，以产生有机流相和水相；和
(d)通过挤出机的一个或多个口将至少部分水相从挤出机中去除。

2.  如权利要求1所述的方法，其中所述滤饼具有约15wt％至约35wt％的颜料。

3.  如权利要求1所述的方法，其中所述滤饼具有高达约45wt％的颜料。

4.  如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)的进料以基本恒定的速率进行。

5.  如权利要求1所述的方法，其中来自步骤(a)的所述流化滤饼被传送到储存器，且所述流化滤饼在步骤(c)中从所述储存器中连续地进料。

6.  一种用于连续冲洗颜料滤饼的方法，该方法包括以下步骤：
(a)将含水颜料滤饼流化，以产生流化颜料滤饼；
(b)将该流化颜料滤饼和疏水有机介质进料到双螺杆挤出机的第一区中，所述双螺杆挤出机具有旋转的相邻的平行螺杆以使挤出机的内容物向下游移动；
(c)在螺杆对之间捏合所述流化颜料滤饼和所述有机介质以将颜料从水相冲洗到有机介质；
(d)将水相和在有机介质中的颜料的颜料流向下游移动到第二区，其中通过至少一个排水口去除大部分水相，所述第二区包括一个阻碍向下流移动的障碍物以使挤出机的内容物在分离段停留所需的一段时间。

7.  如权利要求6所述的方法，该方法还包括以下步骤：
(e)对第二区的下游施加真空，以从颜料流中去除残留部分的水。

8.  如权利要求7所述的方法，其中通过挤出机中的两个或更多个真空口施加步骤(e)的真空。

9.  如权利要求6所述的方法，其中螺杆以从约150至约550rpm的转速转动。

10.  一种制备墨水产品的方法，该方法包括以下步骤：
(a)向颜料滤饼施加剪切，以产生流化滤饼；
(b)将流化滤饼连续进料到双螺杆挤出机中；
(c)将流化滤饼与液体有机介质在挤出机中混合，以产生有机流相和水相；
(d)通过挤出机的一个或更多个口将水相从挤出机中去除，以产生颜料流；以及
(e)将所述颜料流和至少一种额外材料混合以产生墨水产品。

11.  如权利要求10所述的方法，其中在挤出机中进行步骤(e)的混合。

12.  如权利要求10所述的方法，其中在步骤(e)中与颜料流混合的至少一种材料选自墨水清漆、有机溶剂、墨水添加剂、及其组合。

13.  如权利要求10所述的方法，其中在步骤(b)中将两种不同的流化滤饼进料到挤出机中。

用于制备颜料流的连续方法
技术领域
本发明涉及制备颜料流的方法，特别涉及制备墨水组合物流的方法。本发明还涉及制备墨水基料和墨水组合物成品的方法。
背景技术
许多有机颜料的合成包括在稀释的水介质中的偶合步骤，以产生颜料产品浆，其后典型地通过在压滤机中过滤所述浆，以浓缩该颜料。然后干燥所产生的滤饼以提供干燥的粒状颜料，或者用有机介质如油和/或树脂“冲洗”所产生的滤饼以将颜料粒子从含水滤饼传递到油或树脂相。冲洗有助于保持颜料粒子不附聚，容易用于制备墨水或涂料。与简单干燥颜料相比，冲洗方法需要额外的时间和材料。但是，如果颜料在墨水或涂料组合物中使用，则必须首先在合适的有机介质中很好地分散以获得所需的显色和稳定性，因而冲洗方法是有利的，因为其不需要干燥颜料和在有机介质中辗磨颜料以产生颜料分散体的中间步骤就完成了传递。
在过去，颜料流通常采用间歇方法来制备，其中例如在西格马叶片式搅拌机或揉面机中，滤饼用有机相如油和/或树脂来捏合，以将颜料粒子从水相冲洗到有机介质相，并将水置换为单独的水相。分离被置换的水，清漆中的颜料分散体可以用作制备墨水或涂料的颜料膏。
间歇方法有许多缺点。首先，为了获得最佳收率以及理想的低含水量的产品，加清漆、捏合面团以置换水、和倒出水的步骤通常必须重复多次。这是需要仔细监控的劳动强度大的过程。而且，为了去除残留地水，该批料必须被进一步处理，例如加热和在真空中气提。对于许多颜料，由去除残留水的处理所带来的热史可能导致色移。而且，该方法耗时并且效率低。最后，即使使用真空气提也难于将含水量减少到低于约3％的重量百分比。
过去已提出了连续冲洗方法，但是这些方法也存在缺点。Higuchi等人在美国专利4,474,473中描述了用于在包括同步旋转(co-roating)双螺杆挤出机的设备上连续冲洗颜料滤饼的方法。该方法需要35wt％或更大重量百分比颜料含量的滤饼。4,474,473专利公开了具有15至35重量百分比颜料含量的滤饼由于获得恒流进料方面的问题不能被用于连续方法。但是，15至35重量百分比范围是滤饼通常获得的颜料含量范围。虽然以前提出了用水稀释滤饼以形成低颜料含量的液体浆，但是所述4,474,473专利采取增加颜料含量到35％或更高的相反方向，以形成作为自由流动固体的明显适合恒流进料的“块饼”。但是，增加所制造的滤饼的颜料含量需要使滤饼成形以及用循环空气干燥滤饼直到获得所希望含水量的耗时过程。
使用稀释滤饼的方法的一个例子是Rouwhorst等人的美国专利4,309,223。这个专利公开了使用单螺杆挤出机从滤饼制备颜料流的方法。该方法使用了包含仅约0.5wt％至10wt％颜料的浆液。当在冲洗过程加入如此多的水时，难于得到两相之间清晰的分裂或分离。此外，产生了更多的含水废物。最后，通常的情况是单螺杆挤出机不能提供足够量的混合剪切以充分冲洗滤饼。
Anderson等人在美国专利5,151,026中公开了一种用于从循环过程中被清洗的粉碎固体如碎橡胶、木浆以及碎塑料等的含水物质中去除液体的挤压装置。在夹点将水从含水物质中挤压出去。夹点压力通过在液体提取位置利用螺杆的反向螺纹段直接施加的后向力产生。Anderson方法从水中除去看来不发生结合或附聚的较大固体片。与Anderson方法不同，颜料冲洗方法关注精细颜料粒子从含水滤饼到通常包括树脂的有机相的传递，随后分离两个液相(水相和有机相)。冲洗方法的两个关键考虑是有机相和水相的完全分离以及颜料粒子的良好分散。夹点方法不适于两相颜料冲洗过程，因为夹紧力将干扰水相和有机相间必要的相分离。颜料粒子还具有附聚的趋势。这样由于以下额外原因：挤压颜料将引起颜料粒子的不希望的附聚，这又会损害颜料分散，所以夹点方法是不适合的。
发明概述
本发明提供了用于连续生产常规滤饼的颜料流的方法。在第一步骤，至少一个颜料滤饼被均质化以形成流化物质。在第二步骤，均质化的滤饼以受控速率加入双螺杆挤出机中。双螺杆挤出机可以容纳流化滤饼的多于一个的物流。一种可以包括有机组分的有机介质也被加入挤出机中，所述有机介质选自溶剂、清漆、油和/或树脂，滤饼和有机介质在挤出机的第一区被混合以用有机介质润湿颜料，从滤饼中置换水并产生粗颜料流。在挤出机的第二区去除被置换的水。挤出机的第二区包括(尤其是通过排水)用于去除被置换的水的口，并且优选包括挡板，该挡板将颜料流在第二区内保留足够长的时间，以允许大部分被置换的水从粗流体中去除。挤出机优选地包括第三区，所述第三区有一个或更多的真空口以排除附着在颜料流上的残留水。
本发明还提供了从颜料滤饼中连续生产墨水基料或者墨水成品的方法。所述方法包括以上概括的本发明的用于产生颜料流的方法的步骤，以及至少一个额外步骤：在颜料分散体卸料前的某点，优选在可选的真空区后的某点，将一种或多种附加墨水组分如清漆、有色的染色或调色组合物、溶剂和/或添加剂导入到挤出机，以制造墨水基料或者墨水组合物成品。
本发明提供的一个优于先前方法的优点是：其提供了常规滤饼的连续处理。通常制备的滤饼具有约15％至约35％的颜料含量。因为本发明可以处理这样制备的滤饼，所以可以去掉麻烦的预蒸发步骤，该步骤用于将滤饼的颜料含量增加到滤饼可以被冲洗的程度，或者可以去掉其中滤饼被稀释成非常低的固体浆以使用先前技术方法进行处理的稀释步骤。
本发明提供的另一个优点是：提供对连续冲洗过程的更多控制，这使得颜色分散体的稠度和颜料的其他性能得到提高。
本发明提供的再一个优点是：提供了从常规滤饼的连续进料中制造墨水基料或者墨水成品的连续方法。

附图简述
图1是本发明的滤饼进料系统的一个实施方案的示意图。
发明详述
本发明提供了其中通过将颜料粒子从含水滤饼传递到有机介质、尤其是油相或树脂相中来冲洗滤饼形式的颜料的方法。滤饼可以来自许多有机颜料中的任意有机颜料的合成。合适的滤饼的例子包括但不限于：二芳基黄颜料(如，颜料黄12)的滤饼、酞菁颜料的滤饼、钙立索尔红的滤饼、碱性蓝的滤饼、钡立索尔红的滤饼、若丹明黄的滤饼、若丹明蓝的滤饼等。虽然滤饼如那些特定的蓝颜料滤饼可以具有高达45％的含水量，但是有机颜料的滤饼通常具有约12wt％至约30wt％的含水量。
本发明还提供了一种包含至少一个滤饼进料系统的装置，图1中示出了所述装置的优选实施方案。滤饼进料系统(未示出)使滤饼流化，并且将流化滤饼进料到双螺杆挤出机。滤饼进料系统可以包括执行这些动作的两个组件，即如图1中的流化组件和进料组件。流化组件向滤饼施加剪切，以断开个体颗粒间的桥连，这赋予滤饼以糊状或类似膏状的稠度。剪切量足够大以产生流化的滤饼。剪切量不应过大，因为过多的剪切将把空气打入流化的滤饼中，使其又难于进料到挤出机中。流化组件的合适例子有但不限于：螺条混合机、桨式混合机，螺旋钻(auger screw)、和螺旋混合机。
滤饼进料系统的进料组件将流化滤饼进料到挤出机。优选地，进料组件包括泵。所述泵可以是适于流化滤饼粘度的任何类型。合适的泵的例子包括但不限于：凸轮泵、齿轮泵、或其它的正位移泵。
进料组件将流化滤饼导入到在图1的优选实施例中示出的挤出机开始部分的口19。挤出机具有至少两个区，任选地具有第三和/或第四区。在图1中用段1至5表示的第一区中，流化滤饼和有机介质被进料到挤出机中，然后被混合以将颜料从水相冲洗到有机相。在用段6至8表示的第二区中，将在冲洗操作期间置换的至少一部分水通过从挤出机中排出或抽出液体而去除。在用段9至11表示的任选的但是为优选的第三区中，通过将颜料流经由一个或更多的真空口真空脱水而去除残留的水(作为水蒸汽)。在用段12至14表示的也是任选的第四区，进一步混合所述流，并且添加一个或多个其他的墨水组分并与颜料流混合。任选的第四区可以被用来产生墨水基料或者墨水组合物成品。
挤出机为双螺杆挤出机，其具有通过发动机18驱动的螺杆。所述螺杆优选为同步旋转。将至少一个流化滤饼通过口19进料到挤出机中。在一个优选实施方案中，将第二个流化滤饼通过口19或通过第二口119进料到挤出机中。优选地至少包括油、树脂或者树脂溶液的液体有机介质也被进料到挤出机，其可以通过口19或通过第二口119进料。液体有机介质充分疏水，以允许在过程中形成非水相。适于制备颜料的有机材料的类型在本领域是公知的。如果挤出机将两种不同的流化滤饼通过口19和119进料，则可以通过这两个口中任意一个或通过另一单独的口加入有机介质。
可用于冲洗清漆的树脂或油的典型类型包括但不限于：醇酸树脂、酚醛树脂、聚酯、烃类树脂、马来树脂、这些中任一的松香改性的清漆、聚酰胺树脂、聚氯乙烯树脂、乙酸乙烯酯树脂、氯乙烯/乙酸乙烯酯共聚树脂、氯化聚烯烃、聚苯乙烯树脂、丙烯酸类树脂、聚氨酯树脂、酮树脂、包括亚麻子油、大豆油、牛骨油(neatsfood oil)、椰子油、桐油、矿物油的植物油，等等。也可以采用这些树脂和油的组合。树脂、油或者其组合可以与包括高沸点石油馏出物的疏水的有机溶剂或液体组合。
如上所述，可以将有机介质从相同的或不同的口导入到与流化滤饼相同的桶或段内。或者，如图1所示，可以将有机介质从口119导入到第一区中靠近挤出机前端的另一段。可以将有机介质从可具有搅拌器的管道或罐中进料，并且可以使用例如泵进行定量供给。优选地，有机介质和流化滤饼均以相当恒定的速度导入。可以基于所选择的具体材料来确定用于最优处理的有机介质和流化滤饼的相对量，但是通常所述量与常规间歇处理所预期的那些量相同。例如，每单位时间内导入的有机介质的量可以是在相同单位时间内导入的固体颜料量的约0.6倍至约2倍。可以根据本领域公知的因素如颜料类型和有机介质类型来调整有机介质与固体颜料的比例。
在挤出机的第一区的一个或多个段中将流化滤饼和有机介质进行混合，以用有机介质润湿颜料，从滤饼中置换水，产生粗颜料流。具有多个捏合盘的专用螺杆段可以用于进行冲洗的第一区。在本发明的一个优选实施方案中，第一区中的螺杆轮廓从用于具有进料口的一个或多个段的深螺槽到后面的(下游的)一个或多个段的浅螺槽逐渐变细。其中流化滤饼和有机介质进行混合的挤出机第一区的长度要足够长，以完全地冲洗颜料。螺杆的转速也是有效冲洗的一个因素。螺杆转速的优选范围为约150至约550rpm，转速的更优选范围为约450至约550rpm。
被置换的水和粗颜料流在挤出机中继续流到挤出机的第二区，其中至少部分被置换的水被去除。在第二区，优选地去除大部分被置换的水，更优选地去除至少约80％、还更优选至少约90％、甚至更优选几乎全部的除了附着在颜料流上的残留量的水之外的被置换的水。参照图1，挤出机的第二区包括段6至8。挤出机的第二区包括口或排放口20，其优选地通过排出以去除被置换的水。尽管可以通过其它方式抽出水，但是重力排水是最简单的，因而是优选的。图中示出的口20在另一侧连接到其中具有通过发动机22转动的螺杆的段21，所述发动机22驱动包含相对粘滞的颜料的流回到段6中，而使水排出到段6外。收集的水经由阀23排出。
第二区的一个重要特征是一个挡板，其将颜料保留一段足够长时间以使大部分被置换的水从粗流体中排出。该挡板使被捏合的滤饼/有机介质在口上停留足够长时间，以使更多的被置换的水从被捏合的颜料中排出。滤饼和有机介质的混合物的一部分被携带至挤出机的挡板段，并且在该段停留直到所述部分从被保留物质的袋中流出并通过螺杆的抓取动作携带到下一段。
因为更多的水从流中以液相形式被排出而不是被蒸发，所以和以前的方法相比较，最终的产品包含较低浓度的盐分。因此挡板改善了产品的纯度。
挤出机的任选的但是为优选的第三区包括一个或多个在阀25连接到真空的真空口24以抽出附着在颜料流上的残留水。水以水蒸气的形式被抽出。已知将合适的真空口与挤出机一起使用，真空口典型地可以包括段26，所述段26在真空口包含通过发动机27转动的螺杆，以利于将流保留在挤出机。真空泵通常连接到真空口，以提供减压。用于真空段的螺杆轮廓优选地具有浅螺槽，其倾向于通过使材料成形为薄层形式而提高真空脱水的效率。图1示出了在连续挤出机段的相同真空口。
本方法对制备热敏性颜料流特别有利，所述热敏性颜料包括但不限于：诸如二芳基类和若丹明颜料，如二芳基黄、若丹明黄和若丹明蓝。因为采用本发明的方法可使颜料暴露在高温下的时间最少，所以暴露在热中可能脱色的颜料的再现性更好，且不会显著变色。
通过本发明的方法产生的颜料流可以根据常见方法来制备墨水组合物。可以在真空口后添加额外的树脂、油、溶剂或有机介质的其他组分以调整颜料流的组成。图5示出了具有用于添加一种或多种其他材料的口130和131的可选的第四区。
或者，作为本发明的连续方法的附加步骤，可以在颜料流被排出前、优选地在真空区后，通过将额外材料如清漆、其他树脂、有机溶剂和/或添加剂导入到挤出机中的某个点，如导入到挤出机上的口内，从而将颜料流制成墨水基料或墨水组合物成品。在挤出机中混合颜料流分散体和其他墨水组分，使得挤出机的输出是墨水基料或者墨水组合物。可以被加入的用作墨水清漆的典型树脂包括但不限于：醇酸树脂，聚酯，酚醛树脂，松香，纤维素制品，以及那些诸如松香改性的酚醛塑料、酚醛改性的松香、烃改性的松香、马来酸改性的松香、富马酸改性的松香的衍生物，烃类树脂，包括丙烯酸类树脂、聚氯乙烯树脂、乙酸乙烯酯树脂、聚苯乙烯及其共聚物的乙烯基树脂，聚氨酯，聚酰胺树脂等。也可以采用这些树脂的组合。可以被加入的有机溶剂的合适例子包括但不限于：脂肪族烃类，如石油馏份和具有有限芳香性的正与异链烷烃类溶剂。本领域公知的许多添加剂中的任一种都可以加入到本发明的墨水组合物中，只要这样的添加剂不会显著降低本发明的有益效果。这些添加剂的示例性例子包括但不限于：倾点下降剂、表面活性剂、润湿剂、蜡、乳化剂和分散剂、消泡剂、抗氧化剂、UV吸收剂、干燥剂(例如，用于包含植物油的剂型)、流动剂以及其它流变调节剂、增光剂、和抗凝固剂。当包含添加剂时，典型地加入墨水组合物的添加剂的量为至少约0.001％，加入墨水组合物的添加剂的量可多达约7wt％或更高。
通过下面的实施例来说明本发明。实施例仅仅是说明性的，而不是以任何方式限制如所述和要求保护的本发明范围。
实施例
通过搅拌颜料和滤饼的混合物来形成滤饼分散体。这产生了流动的、良好分散的滤饼。从醇酸树脂、典型的冲洗媒介物和溶剂中选择产生冲洗媒介物。
双螺杆挤出机具有如下构型：直径为40mm，长度/直径比为58。挤出机具有按如下安装的共14个桶段：在第一个桶的开始部分加入颜料，冲洗媒介物在第三个桶。在桶7排出水，在桶9和10的三个点加入洗涤水。在桶13施加真空，并且桶14具有用于加入溶剂和树脂的混合物的位置，以得到混合物成品。
在上述设备上，进料速率评估为磅颜料/小时(lbs/hr)。在每个实施例中，将下面的颜料中的一个的进料速率设置为30-35lbs/hr：颜料红57∶1，颜料黄12，颜料蓝15∶3。将醇酸树脂、树脂和烃类溶剂的冲洗媒介物加入到实施例中的挤出机中，在该挤出机中导入了颜料黄12和颜料红57∶1。在连续冲洗颜料蓝15∶3期间，将树脂和烃类溶剂的冲洗媒介物加入到挤出机中。在所有的实施例中，将由树脂和烃类溶剂形成的额外材料加入到由本发明的方法所产生的颜料流中，以将颜料颜色调整到所需颜色。
已参考优选实施方案详细描述了本发明。但是应理解，可以在下面的权利要求书和本发明的精神和范围内作出改变和修改。