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水性墨水的研制

摘 要：以膜分离技术处理的宝石染料为着色剂，二甘醇为溶剂并选用合适的表面活性剂、润滑剂、pH值调节剂、防腐剂等助剂，制得水性墨水，其各物理性能指标和书写性能接近或达到进口墨水。

关键词：水性墨水 着色剂 溶剂 书写性能

利用球珠滚动带出书写介质(墨水或油墨)的书写工具统称为圆珠笔，其书写介质为油性的称为圆珠笔；其书写介质为水性的称为水性圆珠笔(水性墨水笔)亦称滚珠笔、宝珠笔；其书写介质的粘度介于水性和油性之间的称为中性笔。水性圆珠笔所用的介质称为水性墨水，是一种粘度介于2—8cp的墨水。水性墨水笔是通过集束的微细纤维制成的喂料器的毛细管作用，将墨水输送到球珠表面，利用球珠滚动带出粘附在其表面上的墨水，形成字迹，具有书写流利等优点，在国外已有广泛的应用，在国内也有一定的市场。

中国是制笔大国，每年都要生产出口大批成品圆珠笔，但国内所用的墨水包括中性墨水和水性墨水主要依赖进口。目前国内对水性墨水的研究很少，尚未见成熟的市场化的水性墨水，国外有关水性墨水的研究成果主要为专利。因此加强对水性墨水的研究，实现水性墨水的国产化具有重要的意义。

本文选用合适的助剂和制备工艺，解决了水性墨水制备中存在的种种问题，制备出了各性能指标良好的水性墨水，具有良好的应用推广前景。

1、实验部分

1．１ 试剂

乙二醇，分析纯，宜兴市第二化学试剂厂；二甘醇，分析纯，汕头市西陇化工厂：丙三醇，分析纯，上 海试剂总厂；三乙醇胺，分析纯，上海试剂总厂；乙醇，分析纯，安徽特酒总厂；盐酸，分析纯，浙江衢州 巨化试剂有限公司；氨水，分析纯，温州助剂厂；苯并三氮唑，分析纯，上海瑞运精细化工研究所。

1．2 仪器

美国BrookfieldDV-ⅢULTRA粘度计；美国ThermoJarrenAshIRISAdvantage型ICP光谱仪；淄博科森ZL-2型自动张力仪；德国SartoriusPB-20型pH计；天津圆珠笔厂DH48J型划圆仪。

1．3 制备

搅拌下，去离子水与溶剂?昆合均匀，随后加入着色剂，溶解混匀后，加人表面活性剂、润滑剂、pH值调节剂、防腐剂等助剂充分搅拌均匀后，静置片刻过滤，制备水性墨水。着色剂用量占墨水总量的％，表面活性剂0．1—0．4％，润滑剂0．1—0．5％，pH值调节剂0．5—5％，防腐剂0．％。

1．4 测试

1．4．1 粘度

ULA超低粘度转子，转速40RPM，25~C下用美国Brookfield粘度计测定墨水粘度。

1．4．2金属离子测定美国ThermoJarrellAshICP光谱仪测定。

1．4．3 书写性能

墨水书写性能的测试及结果参照水性圆珠笔中国轻工行业标准[11和日本工业标准[2)。

书写性能：测试笔轴线与纸面成70‘的倾斜角、荷重49g、以4．5m／rain划线速度在圆珠笔专用划圆仪和规定的试验纸上作螺旋状连续划线。

出墨量：测试笔轴线与纸面成70‘的倾斜角、荷重98g、以4．5m／min划线速度在圆珠笔专用划圆仪上和规定的试验纸上作螺旋状连续划线100m。出墨量按公式计算：

Ｇ１－Ｇ２

Ｗ＝——————

Ｌ

其中W为出墨量，C1、C2分别是圆珠笔测试始末的质量(g)，L为划线长度(m)。

渗透性：目测刚做完“书写性能”试验的书写试验纸上所划线条的透纸现象。

脱帽性：取下试验笔的笔套，水平放置24h后，用WDW系列微机控制电子万能实验机手划一条直线，在初始的10cm内书写的线条是否打滑。

耐水清洁工具性：截取刚做机座的前后有门“书写性能”试验的书写试验纸一段，在去离子水中浸渍24h，取出自然晾干，目测书写的线条。

耐盐酸性：截取刚做“书写性能”试验的书写试验纸一段，在10％(体积比)盐酸水溶液中浸渍24h后，在去离子水中浸渍lOmin，取出自然晾干，目测书写的线条。

耐乙醇性：截取刚做“书写性能”试验的书写试验纸一段，在50％(体积比)乙醇水溶液中浸渍lOmin后，取出自然晾干，目测书写的线条。

耐氨水性：截取刚做“书写性能”试验的书写试验纸一段，在10％(质量百分比)氨水溶液中浸渍24h后，在去离子水中浸渍１０min，取出自然晾干，目测书写的线条。

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2 结果与讨论

2．1 着色剂

制备墨水常用的着色剂有染料和颜料，使用染料作着色剂具有制备方便、成本低、制成的墨水稳定性好、颜色鲜艳和不易堵塞等优点，但墨水的耐水牢度和耐光牢度较差；使用颜料作为着色剂，墨水的耐光性、耐水性、耐热性和抗氧化性优良，但颜料易于聚集，墨水的稳定性差[31。水性墨水常用染料作着色剂，有直接染料和酸性染料。目前国内外还没有墨水专用染料，市售的染料因金属离子含量高等原因不能直接用于制备墨水，需进一步处理，这里采用膜分离技术对染料进一步处理。表1是经膜分离技术处理后染料和国外圆珠笔厂墨水专用染料主要金属离子的含量。从表中可知，经膜分离技术进一步处理后，染料主要金属离子的含量已很低，可满足水性墨水的要求，制备墨水的稳定性好，书写流利。

表1 染料的主要金属离子含量(ppm)

Tablel Content of main metal ions of dye

元素 Ca Cd Cu Fe K Mg Mn Na Pb Sr Zn

制备染料 158.7 0 90.5 533.7 155.3 36.2 2.21 55770 0 6.33 2.38

进口墨水染料 391.1 0 2.54 216.5 473.1 641 3.97 88170 5.95 17.5 0.53

2．2 溶剂

在墨水中除了水外还常加入一定量水溶性有机溶剂作溶剂，主要起润湿作用，防止墨水在长期贮存时因水分蒸发而干燥，影响墨水的书写性能，使墨水具有良好的抗干燥性和脱帽性。另外，水溶性有机溶剂还可起到防止墨水在低温下冻结和润滑等作用。常用的水溶性有机溶剂有乙二醇、丙三醇、二甘醇等，用量常为墨水总量的％[1]。表2是溶剂用量与墨水性能的关系。从表中可知，溶剂用量增加墨水的粘度增加，当溶剂用量超过35％以后，墨水的书写性能变差，容易出现划线断开，且书写的墨迹难干燥，易羽化、玷污纸张和其他物品，同时还会增加墨水的成本，因此溶剂含量不宜过大。但溶剂含量也不能过少，否则墨水易挥发，不宜长期贮存，亦影响书写流利性，故溶剂含量以％为宜。

表2 溶剂用量与墨水性能的关系

Table2 Solvent Concentration vs．Ink Properties

溶剂含量(％) 15 25 35 45

粘度(cp) 2．85 4．02 6．27 9．80

脱帽性 差 好 好 好

墨迹干燥速度 快 快 较慢 较慢

渗透性 没有透纸 没透纸 略有透纸 略有透纸

抗羽化性 好 好 略有羽化 略有羽化

表3 溶剂与墨水性能的关系

Table3 Solvent vs．InkProperties

溶剂 乙二醇 二甘醇 丙三醇 乙二醇丙醇复合溶剂（１３：１２）

粘度(cp) 3．13 4．02 9．91 6．94

墨迹干燥速度 快 快 慢 慢

渗透性 略有透纸 没有透纸 没有透纸 没有透纸

渗漏性 漏 不漏 不漏 不漏

书写性能 光滑流利 光滑流利 断线 略有断线

表3是溶剂用量为25％时不同溶剂与墨水性能的关系。由表中可见，用乙二醇作溶剂时，墨水粘度低，带来渗漏、渗透等问题；用丙三醇作溶剂时，墨水粘度大，干燥慢，带来划线断开、墨迹难干燥玷污纸张等问题；用乙二醇和丙三醇复合溶剂时，墨水书写性能差，划线断开；而用二甘醇作溶剂时，墨水的总体性能好，故这里选用二甘醇作溶剂。

2．3 墨水的主要物理性能

墨水的主要物理性能有粘度、表面张力、pH值、比重。粘度会严重影响墨水的书写性能，粘度低墨水书写流利，但会带来渗透、字迹模糊、渗漏等问题：粘度高可避免渗透及来自笔尖的墨水斑点玷污，但容易产生划线断开和笔头堵塞等问题，水性墨水粘度通常为2—8cp。表面张力主要影响墨水在纸张和其他介质中的渗透性，同时还会影响墨水的保湿性和稳定性等。表面张力小，墨水易渗入纸张或其他介质中，墨迹干燥得快；表面张力大，墨水向介质渗透性小，墨水写在纸上千得慢。水性墨水的表面张力通常为25—40mN／m。

墨水的pH值会影响染料的溶解性和稳定性，同时影响墨水对笔头的腐蚀性，pH值过高或过低都会加速墨水对笔头的腐蚀。

表4 墨水的主要物理性能指标

Table4 Physical properties index Of ink

项目 粘度(cp) 表面张力(mN／m) pH值 比重(g／m1)

制备墨水 4．02最大尺寸 裂缝 32．7 9．32 1．05

美国国宝墨水 4．4 38 7．6 1．10

表4是制备墨水的主要物理性能。从表中可知，制备墨水的主要物理性能指标在要求的范围内。

2．4 墨水的书写性能

表5是制备墨水和进口墨水的书写性能，从表中可知制备的墨水的主要书写性能已接近或达到进口墨水，满足水性圆珠笔中国轻工行业标准[1)和日本工业标准[2)。

表5 墨水的书写性能

Table5 Writing properties of ink

项目 制备墨水 进口墨水① 进口墨水②

书写性能 ≥400m ≥400m ≥400m

出墨量(mg／m) 1．159 1．127 1．237

干燥时间(s) 5 5 5

复印性能 好 好 好

渗透性 没有透纸 没有透纸 没有透纸

脱帽性 不打滑 不打滑 不打滑

项目 制备墨水 进口墨水 进口墨水

耐水性 可目测到书写的线条 可目测到书写的线条 可目测到书写的线条

耐乙醇性 可目测到书写的线肉制品条 可目测到书写的线条 可目测到书写的线条

耐盐酸性 可目测到书写的线条 可目测到书写的线条 可目测到书写的线条

耐氨水性 隐约可见书写的线条 隐约可见书写的线条 未见书写的线条

抗羽化性 略有羽化 好 略有羽化

3 结论

1)染料经膜分离技术处理后可作水性墨水的着色剂，制备的墨水稳定和书写性能良好。

2)用二甘醇作溶剂时制备的墨水各性能好，其用量以20—35％为宜。公路绿化

3)制备墨水的主要物理性能指标在要求范围内。

4)制备墨水的主要书写性能