DE60206492T2

DE60206492T2 - Verfahren zur herstellung einer pigmentdispersion, enthaltend einen träger wie z.b. rizinusöl oder pflanzenwachs

Info

Publication number: DE60206492T2
Application number: DE60206492T
Authority: DE
Inventors: D. Mark Ortalano; Jeffrey S. Carpenter; David Dik; Soni Lisa ADAMS
Original assignee: Sun Chemical Corp
Current assignee: Sun Chemical Corp
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2022-02-23
Also published as: US20060070550A1; WO2002068543A1; EP1390435B8; EP1390435A1; EP1390435B1; DE60206492D1; US7300512B2

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Dispersion, die mindestens ein Pigment und einen Träger, wie Rizinusöl, oder ein Pflanzenwachs, wie Palmglyceridwachs, enthält, und eine durch das Verfahren erzeugte verbesserte Dispersion. Die Viskosität der erhaltenen Dispersion ist hoch genug, um eine Trennung zu verhindern, jedoch niedrig genug, um gute Fließeigenschaft, einschließlich Vergießbarkeit, zu gewährleisten.
Pigmentdispersionen umfassen mindestens ein Pigment in inniger Mischung in einem Träger. In der Kosmetikbranche wurden Pigmentdispersionen in Chargenverfahren mit langsamen Mischmaschinen, wie Kugelmühlen und Dreiwalzen-Mischmaschinen, hergestellt. Diese Prozesse sind wegen des niedrigen Durchsatzes, der langen Verweilzeit und der Rückführung des verarbeiteten Materials von Natur aus ineffizient. Diese Prozesse können außerdem eine Dispersion mit unerwünscht breiter Pigmentteilchengrößenverteilung erzeugen. Für maximale Farbstärke ist eine enge Verteilung kleiner Pigmentteilchen erforderlich, weil die Farbstärke proportional zur Oberfläche des vorhandenen Pigments ist.
Pigmentdispersionen auf Rizinusölbasis werden für die Herstellung von Lippenstiften benutzt. Das Rizinusöl dient zur Solubilisierung von Wachsen und Zusatzstoffen und verleiht dem Lippenstift Weichheit und eine glatte Textur. Das Pigment wird gewöhnlich im Chargenverfahren mit Hilfe einer Zwei- oder Dreiwalzenmühle im Rizinusöl dispergiert. Um einen hohen Schub durch die Dreiwalzenmühle zu gewährleisten, ist jedoch eine hohe Pigmentbeladung (40% oder mehr) erforderlich. Dadurch ergibt sich eine sehr dicke Paste, die nicht vergießbar oder pumpbar ist und die vermutlich schlecht dispergierte Pigmentteilchen mit einer breiten Teilchengrößenverteilung enthält. Wenn anschließend Rizinusöl zugegeben wird, um die Viskosität der Paste zu reduzieren, kann es zu einer möglichen Separierung des Pigments vom Rizinusöl kommen. Außerdem ist die diskontinuierliche Art dieses Dispersionsverfahrens ineffizient.
Kosmetische Eyeliner-Stifte enthalten gewöhnlich schwarzes Pigment, ein Pflanzenwachs, wie gehärtetes Palmglyceridwachs, als Träger sowie einen Alkohol, wie Dodecanol, und ein schwarzes Pigment. In der Regel wird eine Dreiwalzenmühle verwendet, um das Pigment im Wachs zu dispergieren. Die diskontinuierliche Art der Mischmethode ist auch hier ineffizient.
Kontinuierliche Perlmühlen werden gewöhnlich benutzt, um sowohl organische als auch anorganische Pigmente in wässrigen Systemen, wie Druckfarben auf Wasserbasis, zu dispergieren. Siehe z. B. US-Patent Nr. 4,015,999. Diese Perlmühlen verwenden eine geschlossene Mahlkammer, die einen internen Rotor enthält. Stahl-, Glas- oder Zirkoniumperlen oder -granalien mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1,0 Mikrometer werden mit dem Pigment vermischt und stoßen während des Mischens hart auf die Pigmentaggregate, wodurch die Aggregate in einzelne Teilchen zerkleinert werden. Siehe „Milling Equipment", The Printing Ink Manual Abs. 13.4 (D. E. Bisset et al., Hrsg., 4. Aufl. 1988).
US-Patent Nr. 3,996,059 offenbart das Dispergieren eines Pigments in einer organischen Flüssigkeit, wie Kohlenwasserstoff und Halogenkohlenwasserstoff, mittels Zerkleinern in einer Perlenmühle.
US-Patent Nr. 5,037,564 offenbart das Mahlen einer Pigmentdispersion (Azopigmente, Phthalocyaninpigmente, Chinacridon-, Perinon- und Perylenpigmente usw.) in Lanolin-Fettsäure mit niedriger Säurezahl und einem nicht-wässrigen Dispersionsmedium, gegebenenfalls zusammen mit einer hydrierten Rizinusöl-Fettsäure mit einer Kugelmühle. Imai et al., 69 J. Jap. Soc. Col. Mat. 544–50 (1992) offenbart eine in einer Kugelmühle hergestellte „hybridisierte" Dispersion aus Bariumsulfat and Lithol Rubin B in Rizinusöl.
US-Patent Nr. 4,484,952 offenbart das Mahlen von hydriertem Rizinusol und Rußschwarz in einer „Perlenmühle" zur Herstellung einer Dispersion mit einem Teilchengrößenbereich von 0,02 bis 2 mm.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines effizienten Verfahrens zur Herstellung von Pigmentdispersionen, die hervorragende Farbentwicklung aufweisen.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung effektiven Mischens über eine ausreichende Zeit, um mindestens ein Pigment gleichmäßig in einem Träger, wie Rizinusöl oder einem Pflanzenwachs, zu dispergieren.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die im Träger dispergierten Pigmentteilchen eine enge Teilchengrößenverteilung aufweisen.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Natur des Verfahrens einen höheren Durchsatz und niedrigere Kosten als die Chargenverfahren nach dem Stand der Technik ermöglicht.
In einer Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Dispersion, welches umfasst:

(i) Vormischen von mindestens einem Pigment mit einem Träger, ausgewählt aus einem Rizinusöl und einem Pflanzenwachs in einer Mischvorrichtung mit hoher Scherkraft, um ein Gemisch herzustellen, und
(i) effektives Mischen des Gemischs über eine ausreichende Zeit, um das Pigment gleichmäßig mittels einer Perlenmühle im Träger zu dispergieren, so dass eine Dispersion mit einer engen Teilchengrößenverteilung erzeugt wird.

In einer zweiten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung eine Pigmentdispersion, die mindestens ein in einem Träger dispergiertes Pigment enthält, wobei diese Dispersion eine Viskosität von 2000 bis 5500 cps aufweist.
Die Pigmente, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Dispersion benutzt werden können, schließen FC&C, D&C und anorganische Pigmente ein. Eisenoxid-Schwarz, Eisenoxid-Rot, Eisenoxid-Gelb, D&C Rot Nr. 7, FD&C Gelb Nr. 5, FD&C Gelb Nr. 6 und Gemische davon werden besonders bevorzugt und sind im Handel erhältlich.
Dem Durchschnittsfachmann ist bekannt, dass Pigmente in Form eines trockenen Pulvers, eines wässrigen Pigment-Presskuchens oder eines nicht-wässrigen sog. „Flush" vorliegen können. Ein trockenes Pigmentpulver stellt Staubprobleme dar und ist nicht bevorzugt. Das Wasser in einem Presskuchen muss mit bekannter Vorrichtungen und Techniken durch ein geeignetes Bindemittel, wie ein Öl oder eine Harzlösung, ersetzt werden, um ein nicht-wässriges Pigment-„Flush" zu bilden. Ein nicht-wässriges „Flush" kann bei dieser Erfindung ohne Vorbehandlung verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Träger kann z. B. ein Rizinusöl oder ein Pflanzenwachs sein. Für die erfindungsgemäße Verwendung wird eine Sorte Rizinusöl bevorzugt, die hauptsächlich das Triglycerid der Ricinolsäure enthält. Es ist durch eine sehr niedrige Säurezahl von weniger als 10 und einen hohen Hydroxylwert von mehr als 150 gekennzeichnet. Rizinusöl mit diesen Merkmalen ist im Handel erhältlich.
Die Pflanzenwachse, die für die erfindungsgemäße Verwendung geeignet sein können, schließen gehärtetes Palmglyceridwachs, Carnaubawachs, Candelillawachs, Bayberrywachs und Zuckerrohrwachs ein. Der Schmelzpunkt von gehärtetem Palmglyceridwachs liegt zwischen 35 and 37,8°C (95 und 100°F), und die Viskosität bei 37,8°C (100°F) beträgt 42 mPa·s (42 cps).
Der erste Schritt im erfindungsgemäßen Verfahren ist ein Vormischungsschritt zur Herstellung eines Gemischs aus dem Trägermaterial und dem Pigment. Wenn Rizinusöl als Träger verwendet wird, wird 20 bis 35 Gew.-% mindestens eines Pigments mit 65 bis 80 Gewichtsprozent Rizinusöl so lange gemischt, bis das Pigment zunächst im Rizinusöl gelöst wird. Wenn ein Pflanzenwachs wie z. B. gehärtetes Palmglyceridwachs als Träger verwendet wird, kann 70 bis 50 Gew.-% Pigment mit 30 bis 50 Gewichtsprozent Träger gemischt werden.
Die für das Vormischen benötigte Zeit hängt vom gewählten Trägermaterial, den relativen Anteilen der Komponenten, der Vormischgeschwindigkeit und der Temperatur ab. In der Regel ist eine Vormischungszeit im Bereich von 5 bis 45 Minuten, vorzugsweise 15 bis 30 Minuten, ausreichend.
Der Vormischungsschritt kann in jeder herkömmlichen Mischmaschine mit hoher Scherkraft wie z. B. einem Cowles-Dissolver oder einem Einblatt-Mischer, einer Banbury-Mühle oder einem Gaullin-Homogenisierapparat durchgeführt werden. Vorzugsweise wird das Pigment zu dem Träger zugegeben.
Im zweiten Schritt des Verfahrens wird das Gemisch so lange effektiv gemischt, bis das Pigment gleichmäßg im Träger verteilt ist, um eine Dispersion mit einer engen Teilchenvergrößerung zu bilden. Ein Apparat, der für das effektive Mischen geeignet ist, ist eine Perlenmühle. Jeder herkömmliche horizontale oder vertikale Perlenmischer kann verwendet werden, vorzugsweise in einem Umlaufmodus und mit einer Betriebstemperatur von 10 bis 43,3°C (50 bis 110°F), vorzugsweise 23,9 bis 32,2°C (75 bis 90°F). Geeignete Perlen sind Stahl-, Glas- oder Zirkoniumgranalien mit einem Durchmesser von 0,50 bis 1,0 Mikrometer. Das durch den Vormischungsschritt hergestellte Gemisch kann mit einer beliebigen geeigneten Methode in den Perlenmischer überführt werden, einschließlich Pumpen und Schneckenaufgeber.
Die mit diesem Verfahren hergestellten Pigmentdispersionen weisen eine Raumtemperatur-Viskosität von 2 bis 5,5 Pa·s (2000 bis 5500 cps), vorzugsweise 2 bis 4 Pa·s (2000 bis 4000 cps), auf und besitzen daher bei Raumtemperatur eine ausreichende Fluidität, um gepumpt und gegossen zu werden. Sie haben eine hohe Farbstärke im Vergleich zu Pigmentdispersionen, die mit Dreiwalzenmühlen hergestellt wurden, und sind beständig gegen das Absetzen der Pigmente im Verlauf der Zeit.
BEISPIELE
Die praktische Verwendung und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in den folgenden Beispielen noch eingehender offenbart; diese Beispiele dienen nur zur Veranschaulichung und sollen in keiner Weise den zulässigen Schutzbereich der Erfindung einschränken.
Beispiel 1
Herstellung einer Vormischung auf Rizinusöl-Basis
Sieben Pigmentmischungen wurden unter Verwendung von CHRYSTAL O Rizinusöl hergestellt, das kommerziell bei CasChem, Inc., Bayonne, New Jersey/USA, erhältlich ist. Dieses Rizinusöl besteht hauptsächlich aus dem Triglycerid-Ester der Ricinolsäure, hat eine Säurezahl von 2, eine Jod-(Hydroxyl)-zahl von 66 und eine Viskosität von 0,9 Pa·s (900 cps).
Das Pigment wurde zu dem Rizinusöl jedes Mal unter 15 bis 30 Minuten langer Verwendung eines Cowles-Mischers zugegeben, um eine Paste herzustellen.
Beispiel 2
Herstellung einer Dispersion mittels Perlenmühle
Die sieben in Beispiel 1 hergestellten Mischungen wurden mittels einer Perlenmühle unter Verwendung einer kommerziell erhältlichen Eiger-Mühle, die im Umlaufmodus mit einer Temperatur von 23,9 bis 32,2°C (75 bis 90°F) unter Verwendung von Glaspartikeln betrieben wurde, gemahlen. Nachstehende Tabelle 1 zeigt die Pigmente, die Pigmentkonzentration und die Viskosität der erhaltenen Dispersionen.
Tabelle 1
Beispiel III
Herstellung einer Dispersion unter Mahlen mit Dreiwalzenmühle
Drei Kontroll-Pigmentdispersionen wurden durch Mahlen von Pasten, hergestellt nach den Verfahren in Beispiel 1 unter Verwendung herkömmlicher Geräte und Techniken, mit Dreiwalzenmühle hergestellt. Tabelle 2 zeigt die Pigmente und die Gewichtsprozente der Pigmente dieser Kontrolldispersionen:
Tabelle 2
Die Kontrolldispersionen III-1 bis III-3 wurden auf dieselbe Pigmentbeladungen wie die Dispersionen II-1 bis I-3 reduziert und anschließend durch Abtönen mit einer weißen Flushpaste mittels Farbverreibung hinsichtlich ihrer Farbstärke verglichen. Die mittels Perlenmühlen hergestellten Dispersionen wiesen stets eine stärkere Farbentwicklung als die mittels Dreiwalzenmühlen hergestellten Dispersionen auf.
Beispiel 4
Herstellung einer Vormischung auf Pflanzenwachs-Basis
Es wurde eine Pigmentmischung aus gehärtetem Palmglyceridwachs, das kommerziell bei M. M. P., Inc. erhältlich ist, und schwarzem Eisenoxid-Pigment hergestellt. Das Pigment wurde mittels eines Cowles-Mischers 20 Minuten mit dem geschmolzenen Wachs gemischt. Die erzielte Vormischung wies eine Viskosität von 972 mPa·s (972 cps) bei 37,8°C (100°F) auf.
Beispiel 5
Herstellung einer Dispersion mittels Perlenmühle
Die Temperatur der Vormischung wurde auf 47,8°C (118°F) erhöht, bevor in einer Perlenmühle 12 Minuten lang unter Verwendung einer kommerziell erhältlichen Eiger-Mühle, die im Umlaufmodus bei einer Temperatur von 47,8°C (118°F) betrieben wurde, sowie Glaspartikeln, gemahlen wurde.
Die Abtönstarke der erhaltenen Dispersion wurde mit der einer Kontrollprobe verglichen, die unter Verwendung einer Dreiwalzenmühle hergestellt worden war und 40% Pigment enthielt. Die Abtönstarke wurde mit Hilfe eines weißen Wachsträgers, der bei 23,9°C (75°F) flüssig ist, sowie unbeschichtetem Leneta-Papier (3NT-1, Leneta Company) und einem Farbcomputer (X-Rite Corp.) beurteilt. Der weiße Wachsträger enthält 40 Gewichtsprozent Titandioxid-Pigment (C. I. Pigment Weiß 6), dispergiert in 60 Gewichtsprozent verzweigtem Polyethylenwachs Vybar 825 (Petrolite Corporation).
Vor der Verfestigung wurden die schwarzen Dispersionen wie folgt in das weiße Abtönmaterial gegeben: 2 Gramm schwarze Dispersion wurden manuell in 20 Gramm weißes Wachs gemischt. Anschließend wurden die schwarzen Farbtöne mit einem Auftragmesser nebeneinander auf dem unbeschichteten Papier aufgetragen. Mit Hilfe des Farbcomputers wurden die Stärkenunterschiede bestimmt.
Tabelle 3

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Dispersion, umfassend (i) Vormischen eines Pigments mit einem Träger, der ausgewählt ist aus Rizinusöl und einem Pflanzenwachs, in einer Mischvorrichtung mit hoher Scherkraft, um ein Gemisch herzustellen, und (ii) effektives Mischen des Gemischs über eine ausreichende Zeit, um das Pigment gleichmäßig mittels einer Perlmühle im Träger zu dispergieren, so dass eine Dispersion mit einer engen Teilchengrößenverteilung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pigment mit dem Träger mittels einer Mischmaschine mit hoher Scherkraft, ausgewählt aus einem Cowles-Dissolver, einem Einblatt-Mischer, einer Banbury-Mühle und einem Gaullin-Homogenisierapparat, vorgemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Mischschritt (ii) bei 15,56 bis 43,33°C (60 bis 110°F) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Mischschritt (ii) bei 23,89 bis 35°C (75 bis 95°F) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Pigment mindestens eines aus der Gruppe von schwarzem Eisenoxid, rotem Eisenoxid, gelbem Eisenoxid, D&C Rot Nr. 7, FD&C Gelb Nr. 5, FD&C Gelb Nr. 6 und Gemischen davon ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei beim Mischschritt (ii) mindestens eines aus der Gruppe von Stahl-, Glas- und Zirkongranulat verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Träger Rizinusöl ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Träger ein Pflanzenwachs ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Pflanzenwachs Palmölglyceridwachs umfasst.
Pigmentdispersion, hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Viskosität von 2 bis 5,5 Pa·s (2000 bis 5500 cP).