摘要：以膜分離技術(shù)處理的染料為著(zhù)色劑，二甘醇為溶劑并選用合適的表面活性劑、潤滑劑、pH值調節劑、防腐劑等助劑，制得水性墨水，其各物理性能指標和書(shū)寫(xiě)性能接近或達到進(jìn)口墨水。

利用球珠滾動(dòng)帶出書(shū)寫(xiě)介質(zhì)(墨水或油墨)的書(shū)寫(xiě)工具統稱(chēng)為圓珠筆，其書(shū)寫(xiě)介質(zhì)為油性的稱(chēng)為圓珠筆；其書(shū)寫(xiě)介質(zhì)為水性的稱(chēng)為水性圓珠筆(水性墨水筆)亦稱(chēng)滾珠筆、寶珠筆；其書(shū)寫(xiě)介質(zhì)的粘度介于水性和油性之間的稱(chēng)為中性筆。水性圓珠筆所用的介質(zhì)稱(chēng)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)集束的微細纖維制成的喂料器的毛細管作用，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(shū)寫(xiě)流利等優(yōu)點(diǎn)，在國外已有廣泛的應用，在國內也有一定的市場(chǎng)。

中國是制筆大國，每年都要生產(chǎn)出口大批成品圓珠筆，但國內所用的墨水包括中性墨水和水性墨水主要依賴(lài)進(jìn)口。目前國內對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，國外有關(guān)水性墨水的研究成果主要為專(zhuān)利。因此加強對水性墨水的研究，實(shí)現水性墨水的國產(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良好的水性墨水，具有良好的應用推廣前景。

1、實(shí)驗部分

1．１試劑

乙二醇，分析純，宜興市第二化學(xué)試劑廠(chǎng)；二甘醇，分析純，汕頭市西隴化工廠(chǎng)：丙三醇，分析純，上海試劑總廠(chǎng)；三乙醇胺，分析純，上海試劑總廠(chǎng)；乙醇，分析純，安徽特酒總廠(chǎng)；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(chǎng)；苯并三氮唑，分析純，上海瑞運精細化工研究所。

1．2儀器

美國B(niǎo)rookfieldDV-ⅢULTRA粘度計；美國ThermoJarrenAshIRISAdvantage型ICP光譜儀；淄博科森ZL-2型自動(dòng)張力儀；德國SartoriusPB-20型pH計；天津圓珠筆廠(chǎng)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(zhù)色劑，溶解混勻后，加人表面活性劑、潤滑劑、pH值調節劑、防腐劑等助劑充分攪拌均勻后，靜置片刻過(guò)濾，制備水性墨水。著(zhù)色劑用量占墨水總量的5-15％，表面活性劑0．1—0．4％，潤滑劑0．1—0．5％，pH值調節劑0．5—5％，防腐劑0．1-5％。

1．4測試

1．4．1粘度

ULA超低粘度轉子，轉速40RPM，25~C下用美國B(niǎo)rookfield粘度計測定墨水粘度。

1．4．2金屬離子測定美國ThermoJarrellAshICP光譜儀測定。

1．4．3書(shū)寫(xiě)性能

墨水書(shū)寫(xiě)性能的測試及結果參照水性圓珠筆中國輕工行業(yè)標準[11和日本工業(yè)標準[2)。

書(shū)寫(xiě)性能：測試筆軸線(xiàn)與紙面成70‘的傾斜角、荷重49g、以4．5m／rain劃線(xiàn)速度在圓珠筆專(zhuān)用劃圓儀和規定的試驗紙上作螺旋狀連續劃線(xiàn)。

出墨量：測試筆軸線(xiàn)與紙面成70‘的傾斜角、荷重98g、以4．5m／min劃線(xiàn)速度在圓珠筆專(zhuān)用劃圓儀上和規定的試驗紙上作螺旋狀連續劃線(xiàn)100m。出墨量按公式計算：

Ｇ１－Ｇ２

Ｗ＝——————

Ｌ

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

滲透性：目測剛做完“書(shū)寫(xiě)性能”試驗的書(shū)寫(xiě)試驗紙上所劃線(xiàn)條的透紙現象。

脫帽性：取下試驗筆的筆套，水平放置24h后，用手劃一條直線(xiàn)，在初始的10cm內書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條是否打滑。

耐水性：截取剛做“書(shū)寫(xiě)性能”試驗的書(shū)寫(xiě)試驗紙一段，在去離子水中浸漬24h，取出自然晾干，目測書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條。

耐鹽酸性：截取剛做“書(shū)寫(xiě)性能”試驗的書(shū)寫(xiě)試驗紙一段，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，目測書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條。

耐乙醇性：截取剛做“書(shū)寫(xiě)性能”試驗的書(shū)寫(xiě)試驗紙一段，在50％(體積比)乙醇水溶液中浸漬lOmin后，取出自然晾干，目測書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條。

耐氨水性：截取剛做“書(shū)寫(xiě)性能”試驗的書(shū)寫(xiě)試驗紙一段，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，目測書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條。

2結果與討論

2．1著(zhù)色劑

制備墨水常用的著(zhù)色劑有染料和顏料，使用染料作著(zhù)色劑具有制備方便、成本低、制成的墨水穩定性好、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(zhù)色劑，墨水的耐光性、耐水性、耐熱性和抗氧化性?xún)?yōu)良，但顏料易于聚集，墨水的穩定性差[31。水性墨水常用染料作著(zhù)色劑，有直接染料和酸性染料。目前國內外還沒(méi)有墨水專(zhuān)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)處理后染料和國外圓珠筆廠(chǎng)墨水專(zhuān)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(mǎn)足水性墨水的要求，制備墨水的穩定性好，書(shū)寫(xiě)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溶劑作溶劑，主要起潤濕作用，防止墨水在長(cháng)期貯存時(shí)因水分蒸發(fā)而干燥，影響墨水的書(shū)寫(xiě)性能，使墨水具有良好的抗干燥性和脫帽性。另外，水溶性有機溶劑還可起到防止墨水在低溫下凍結和潤滑等作用。常用的水溶性有機溶劑有乙二醇、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，當溶劑用量超過(guò)35％以后，墨水的書(shū)寫(xiě)性能變差，容易出現劃線(xiàn)斷開(kāi)，且書(shū)寫(xiě)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(cháng)期貯存，亦影響書(shū)寫(xiě)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(shū)寫(xiě)性能光滑流利光滑流利斷線(xiàn)略有斷線(xiàn)

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(xiàn)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合溶劑時(shí)，墨水書(shū)寫(xiě)性能差，劃線(xiàn)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 )嚴重影響墨水的書(shū)寫(xiě)性能，粘度低墨水書(shū)寫(xiě)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(xiàn)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(xiě)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定性，同時(shí)影響墨水對筆頭的腐蝕性，pH值過(guò)高或過(guò)低都會(huì )加速墨水對筆頭的腐蝕。

表4墨水的主要物理性能指標

Table4 Physical properties index Of ink

項目粘度(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

美國國寶墨水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在要求的范圍內。

2．4墨水的書(shū)寫(xiě)性能

表5是制備墨水和進(jìn)口墨水的書(shū)寫(xiě)性能，從表中可知制備的墨水的主要書(shū)寫(xiě)性能已接近或達到進(jìn)口墨水，滿(mǎn)足水性圓珠筆中國輕工行業(yè)標準[1)和日本工業(yè)標準[2)。

表5墨水的書(shū)寫(xiě)性能

Table5 Writing properties of ink

項目制備墨水進(jìn)口墨水①進(jìn)口墨水②

書(shū)寫(xiě)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

項目制備墨水進(jìn)口墨水進(jìn)口墨水

耐水性可目測到書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條可目測到書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條可目測到書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條

耐乙醇性可目測到書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條可目測到書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條可目測到書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條

耐鹽酸性可目測到書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條可目測到書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條可目測到書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條

耐氨水性隱約可見(jiàn)書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條隱約可見(jiàn)書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條未見(jiàn)書(shū)寫(xiě)的線(xiàn)條

抗羽化性略有羽化好略有羽化

3結論

1)染料經(jīng)膜分離技術(shù)處理后可作水性墨水的著(zhù)色劑，制備的墨水穩定和書(shū)寫(xiě)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在要求范圍內。

4)制備墨水的主要書(shū)寫(xiě)性能已接近或達到進(jìn)口墨水，滿(mǎn)足水性圓珠筆中國輕工行業(yè)標準和日本工業(yè)標準。

參考文獻

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

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[4]水性圓珠筆墨水組合物，95105852．5．

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