摘要：以膜分離技術(shù)處理的染料為著色劑，二甘醇為溶劑并選用合適的表面活性劑、潤(rùn)滑劑、pH值調(diào)節(jié)劑、防腐劑等助劑，制得水性墨水，其各物理性能指標(biāo)和書寫性能接近或達(dá)到進(jìn)口墨水。

利用球珠滾動(dòng)帶出書寫介質(zhì)(墨水或油墨)的書寫工具統(tǒng)稱為圓珠筆，其書寫介質(zhì)為油性的稱為圓珠筆；其書寫介質(zhì)為水性的稱為水性圓珠筆(水性墨水筆)亦稱滾珠筆、寶珠筆；其書寫介質(zhì)的粘度介于水性和油性之間的稱為中性筆。水性圓珠筆所用的介質(zhì)稱為水性墨水，是一種粘度介于2—8cp的墨水。水性墨水筆是通過(guò)集束的微細(xì)纖維制成的喂料器的毛細(xì)管作用，將墨水輸送到球珠表面，利用球珠滾動(dòng)帶出粘附在其表面上的墨水，形成字跡，具有書寫流利等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已有廣泛的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)也有一定的市場(chǎng)。

中國(guó)是制筆大國(guó)，每年都要生產(chǎn)出口大批成品圓珠筆，但國(guó)內(nèi)所用的墨水包括中性墨水和水性墨水主要依賴進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)對(duì)水性墨水的研究很少，尚未見(jiàn)成熟的市場(chǎng)化的水性墨水，國(guó)外有關(guān)水性墨水的研究成果主要為專利。因此加強(qiáng)對(duì)水性墨水的研究，實(shí)現(xiàn)水性墨水的國(guó)產(chǎn)化具有重要的意義。

本文選用合適的助劑和制備工藝，解決了水性墨水制備中存在的種種問(wèn)題，制備出了各性能指標(biāo)良好的水性墨水，具有良好的應(yīng)用推廣前景。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1．１試劑

乙二醇，分析純，宜興市第二化學(xué)試劑廠；二甘醇，分析純，汕頭市西隴化工廠：丙三醇，分析純，上海試劑總廠；三乙醇胺，分析純，上海試劑總廠；乙醇，分析純，安徽特酒總廠；鹽酸，分析純，浙江衢州巨化試劑有限公司；氨水，分析純，溫州助劑廠；苯并三氮唑，分析純，上海瑞運(yùn)精細(xì)化工研究所。

1．2儀器

美國(guó)BrookfieldDV-ⅢULTRA粘度計(jì)；美國(guó)ThermoJarrenAshIRISAdvantage型ICP光譜儀；淄博科森ZL-2型自動(dòng)張力儀；德國(guó)SartoriusPB-20型pH計(jì)；天津圓珠筆廠DH48J型劃圓儀。

1．3制備

攪拌下，去離子水與溶劑?昆合均勻，隨后加入著色劑，溶解混勻后，加人表面活性劑、潤(rùn)滑劑、pH值調(diào)節(jié)劑、防腐劑等助劑充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，靜置片刻過(guò)濾，制備水性墨水。著色劑用量占墨水總量的5-15％，表面活性劑0．1—0．4％，潤(rùn)滑劑0．1—0．5％，pH值調(diào)節(jié)劑0．5—5％，防腐劑0．1-5％。

1．4測(cè)試

1．4．1粘度

ULA超低粘度轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速40RPM，25~C下用美國(guó)Brookfield粘度計(jì)測(cè)定墨水粘度。

1．4．2金屬離子測(cè)定美國(guó)ThermoJarrellAshICP光譜儀測(cè)定。

1．4．3書寫性能

墨水書寫性能的測(cè)試及結(jié)果參照水性圓珠筆中國(guó)輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2)。

書寫性能：測(cè)試筆軸線與紙面成70‘的傾斜角、荷重49g、以4．5m／rain劃線速度在圓珠筆專用劃圓儀和規(guī)定的試驗(yàn)紙上作螺旋狀連續(xù)劃線。

出墨量：測(cè)試筆軸線與紙面成70‘的傾斜角、荷重98g、以4．5m／min劃線速度在圓珠筆專用劃圓儀上和規(guī)定的試驗(yàn)紙上作螺旋狀連續(xù)劃線100m。出墨量按公式計(jì)算：

Ｇ１－Ｇ２

Ｗ＝——————

Ｌ

其中W為出墨量，C1、C2分別是圓珠筆測(cè)試始末的質(zhì)量(g)，L為劃線長(zhǎng)度(m)。

滲透性：目測(cè)剛做完“書寫性能”試驗(yàn)的書寫試驗(yàn)紙上所劃線條的透紙現(xiàn)象。

脫帽性：取下試驗(yàn)筆的筆套，水平放置24h后，用手劃一條直線，在初始的10cm內(nèi)書寫的線條是否打滑。

耐水性：截取剛做“書寫性能”試驗(yàn)的書寫試驗(yàn)紙一段，在去離子水中浸漬24h，取出自然晾干，目測(cè)書寫的線條。

耐鹽酸性：截取剛做“書寫性能”試驗(yàn)的書寫試驗(yàn)紙一段，在10％(體積比)鹽酸水溶液中浸漬24h后，在去離子水中浸漬lOmin，取出自然晾干，目測(cè)書寫的線條。

耐乙醇性：截取剛做“書寫性能”試驗(yàn)的書寫試驗(yàn)紙一段，在50％(體積比)乙醇水溶液中浸漬lOmin后，取出自然晾干，目測(cè)書寫的線條。

耐氨水性：截取剛做“書寫性能”試驗(yàn)的書寫試驗(yàn)紙一段，在10％(質(zhì)量百分比)氨水溶液中浸漬24h后，在去離子水中浸漬１０min，取出自然晾干，目測(cè)書寫的線條。

2結(jié)果與討論

2．1著色劑

制備墨水常用的著色劑有染料和顏料，使用染料作著色劑具有制備方便、成本低、制成的墨水穩(wěn)定性好、顏色鮮艷和不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)，但墨水的耐水牢度和耐光牢度較差；使用顏料作為著色劑，墨水的耐光性、耐水性、耐熱性和抗氧化性優(yōu)良，但顏料易于聚集，墨水的穩(wěn)定性差[31。水性墨水常用染料作著色劑，有直接染料和酸性染料。目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有墨水專用染料，市售的染料因金屬離子含量高等原因不能直接用于制備墨水，需進(jìn)一步處理，這里采用膜分離技術(shù)對(duì)染料進(jìn)一步處理。表1是經(jīng)膜分離技術(shù)處理后染料和國(guó)外圓珠筆廠墨水專用染料主要金屬離子的含量。從表中可知，經(jīng)膜分離技術(shù)進(jìn)一步處理后，染料主要金屬離子的含量已很低，可滿足水性墨水的要求，制備墨水的穩(wěn)定性好，書寫流利。

表1染料的主要金屬離子含量(ppm)

Tablel Content of main metal ions of dye

元素Ca Cd Cu Fe K Mg Mn Na Pb Sr Zn

制備染料158.7 0 90.5 533.7 155.3 36.2 2.21 55770 0 6.33 2.38

進(jìn)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溶劑

在墨水中除了水外還常加入一定量水溶性有機(jī)溶劑作溶劑，主要起潤(rùn)濕作用，防止墨水在長(zhǎng)期貯存時(shí)因水分蒸發(fā)而干燥，影響墨水的書寫性能，使墨水具有良好的抗干燥性和脫帽性。另外，水溶性有機(jī)溶劑還可起到防止墨水在低溫下凍結(jié)和潤(rùn)滑等作用。常用的水溶性有機(jī)溶劑有乙二醇、丙三醇、二甘醇等，用量常為墨水總量的20-40％[1]。表2是溶劑用量與墨水性能的關(guān)系。從表中可知，溶劑用量增加墨水的粘度增加，當(dāng)溶劑用量超過(guò)35％以后，墨水的書寫性能變差，容易出現(xiàn)劃線斷開(kāi)，且書寫的墨跡難干燥，易羽化、玷污紙張和其他物品，同時(shí)還會(huì)增加墨水的成本，因此溶劑含量不宜過(guò)大。但溶劑含量也不能過(guò)少，否則墨水易揮發(fā)，不宜長(zhǎng)期貯存，亦影響書寫流利性，故溶劑含量以20-35％為宜。

表2溶劑用量與墨水性能的關(guān)系

Table2 Solvent Concentration vs．Ink Properties

溶劑含量(％)15 25 35 45

粘度(cp)2．85 4．02 6．27 9．80

脫帽性差好好好

墨跡干燥速度快快較慢較慢

滲透性沒(méi)有透紙沒(méi)透紙略有透紙略有透紙

抗羽化性好好略有羽化略有羽化

表3溶劑與墨水性能的關(guān)系

Table3 Solvent vs．InkProperties

溶劑乙二醇二甘醇丙三醇乙二醇丙醇復(fù)合溶劑（１３：１２）

粘度(cp)3．13 4．02 9．91 6．94

墨跡干燥速度快快慢慢

滲透性略有透紙沒(méi)有透紙沒(méi)有透紙沒(méi)有透紙

滲漏性漏不漏不漏不漏

書寫性能光滑流利光滑流利斷線略有斷線

表3是溶劑用量為25％時(shí)不同溶劑與墨水性能的關(guān)系。由表中可見(jiàn)，用乙二醇作溶劑時(shí)，墨水粘度低，帶來(lái)滲漏、滲透等問(wèn)題；用丙三醇作溶劑時(shí)，墨水粘度大，干燥慢，帶來(lái)劃線斷開(kāi)、墨跡難干燥玷污紙張等問(wèn)題；用乙二醇和丙三醇復(fù)合溶劑時(shí)，墨水書寫性能差，劃線斷開(kāi)；而用二甘醇作溶劑時(shí)，墨水的總體性能好，故這里選用二甘醇作溶劑。

2．3墨水的主要物理性能

墨水的主要物理性能有粘度、表面張力、pH值、比重。粘度會(huì)嚴(yán)重影響墨水的書寫性能，粘度低墨水書寫流利，但會(huì)帶來(lái)滲透、字跡模糊、滲漏等問(wèn)題：粘度高可避免滲透及來(lái)自筆尖的墨水斑點(diǎn)玷污，但容易產(chǎn)生劃線斷開(kāi)和筆頭堵塞等問(wèn)題，水性墨水粘度通常為2—8cp。表面張力主要影響墨水在紙張和其他介質(zhì)中的滲透性，同時(shí)還會(huì)影響墨水的保濕性和穩(wěn)定性等。表面張力小，墨水易滲入紙張或其他介質(zhì)中，墨跡干燥得快；表面張力大，墨水向介質(zhì)滲透性小，墨水寫在紙上千得慢。水性墨水的表面張力通常為25—40mN／m。

墨水的pH值會(huì)影響染料的溶解性和穩(wěn)定性，同時(shí)影響墨水對(duì)筆頭的腐蝕性，pH值過(guò)高或過(guò)低都會(huì)加速墨水對(duì)筆頭的腐蝕。

表4墨水的主要物理性能指標(biāo)

Table4 Physical properties index Of ink

項(xiàng)目粘度(cp)表面張力(mN／m)pH值比重(g／m1)

制備墨水4．02 32．7 9．32 1．05

美國(guó)國(guó)寶墨水4．4 38 7．6 1．10

表4是制備墨水的主要物理性能。從表中可知，制備墨水的主要物理性能指標(biāo)在要求的范圍內(nèi)。

2．4墨水的書寫性能

表5是制備墨水和進(jìn)口墨水的書寫性能，從表中可知制備的墨水的主要書寫性能已接近或達(dá)到進(jìn)口墨水，滿足水性圓珠筆中國(guó)輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1)和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2)。

表5墨水的書寫性能

Table5 Writing properties of ink

項(xiàng)目制備墨水進(jìn)口墨水①進(jìn)口墨水②

書寫性能≥400m≥400m≥400m

出墨量(mg／m)1．159 1．127 1．237

干燥時(shí)間(s)<5<5<5

復(fù)印性能好好好

滲透性沒(méi)有透紙沒(méi)有透紙沒(méi)有透紙

脫帽性不打滑不打滑不打滑

項(xiàng)目制備墨水進(jìn)口墨水進(jìn)口墨水

耐水性可目測(cè)到書寫的線條可目測(cè)到書寫的線條可目測(cè)到書寫的線條

耐乙醇性可目測(cè)到書寫的線條可目測(cè)到書寫的線條可目測(cè)到書寫的線條

耐鹽酸性可目測(cè)到書寫的線條可目測(cè)到書寫的線條可目測(cè)到書寫的線條

耐氨水性隱約可見(jiàn)書寫的線條隱約可見(jiàn)書寫的線條未見(jiàn)書寫的線條

抗羽化性略有羽化好略有羽化

3結(jié)論

1)染料經(jīng)膜分離技術(shù)處理后可作水性墨水的著色劑，制備的墨水穩(wěn)定和書寫性能良好。

2)用二甘醇作溶劑時(shí)制備的墨水各性能好，其用量以20—35％為宜。

3)制備墨水的主要物理性能指標(biāo)在要求范圍內(nèi)。

4)制備墨水的主要書寫性能已接近或達(dá)到進(jìn)口墨水，滿足水性圓珠筆中國(guó)輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1]水性圓珠筆及其筆芯，中華人民共和國(guó)輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(討論稿)．

[2]水性圓珠筆及其筆芯，日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．Jis s 6054--2000．

[3]一種圓珠筆使用的直接加入式墨水，97114527．X．

[4]水性圓珠筆墨水組合物，95105852．5．

[5]圓珠筆用假塑性水基油墨，97180593．8．