黑色中性墨水的配方研究

王小妹，李天驕，郭亨長

1.中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院，廣東省廣州市 510275

2.上海晨光文具股份有限公司，上海市奉賢區(qū) 201406

我國中性筆產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但國內(nèi)較大規(guī)模的制筆企業(yè)生產(chǎn)所用原材料，尤其是中性墨水，幾乎完全依賴進(jìn)口。進(jìn)口中性墨水價格昂貴，這無疑給制筆企業(yè)帶來了巨大壓力，因此自主研發(fā)一種符合國際標(biāo)準(zhǔn)的中性墨水顯得格外重要。

中性筆要求書寫出墨流暢不漏墨，未受球珠剪切力作用時，中性墨水處于高粘滯狀態(tài)，書寫時墨水在球珠轉(zhuǎn)動的剪切作用下黏度變稀易流暢出墨。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)墨水的黏度與觸變性是評價中性墨水應(yīng)用性能的兩個重要指標(biāo)[1-4]。為了獲得優(yōu)越的觸變性，通常會在墨水體系中添加特定的觸變增稠劑，常用的有黃原膠、聚丙烯酸、纖維素等[5-6]。不同種類的增稠劑的增稠機理不同，墨水作為多組分的復(fù)雜混合體系，不同種類的增稠劑與墨水體系的兼容性亦是墨水配方開發(fā)過程中需要重點考慮的因素。篩選出增稠效率高、觸變性好、穩(wěn)定性強的增稠劑是中性墨水開發(fā)的難點之一。

中性筆的保質(zhì)期通常為12個月，對于墨水的穩(wěn)定性要求則更高，高品質(zhì)中性墨水的保質(zhì)期通常達(dá)24個月以上。中性墨水的穩(wěn)定性主要與顏料的分散穩(wěn)定性及增稠劑、保濕劑等功能助劑與顏料分散體系的匹配性有關(guān)。顏料型中性墨水體系分散樹脂和堿溶脹型增稠劑對顏料存在競爭吸附關(guān)系，其中增稠劑和顏基比對墨水的穩(wěn)定性具有較大的影響[7]。此外，墨水中顏料粒徑與粒徑分布也是影響墨水穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，粒徑分布范圍將直接導(dǎo)致墨水的絮凝、沉淀、分層等[8-11]。

本文以墨水的黏度、觸變性、光澤度以及穩(wěn)定性等為評價指標(biāo)，進(jìn)而解決中性筆漏墨、存放不穩(wěn)定性等問題是本文研究的重點。黑色中性墨水是最常用的顏色，市場需求量最大，高色素炭黑的篩選及穩(wěn)定分散是本文研究的又一個重點。

1 實驗部分

黑色色漿的制備方法：將高色素炭黑15～25wt%，分散劑4.5～13wt%，樹脂4～20wt%，去離子水40～67.5wt%，消泡劑0.3～0.5wt%，保濕劑15～20wt%等充分?jǐn)嚢杈鶆?，用砂磨機研磨至粒徑D50為100～500 nm，過濾出料，得到炭黑的水性色漿。

黑色中性墨水的制備方法：先將增稠劑和保濕劑在60℃下溶解于水中，然后加入防腐劑、潤滑劑，并調(diào)節(jié)pH為8～9；最后加入色漿，充分?jǐn)嚢柚频煤谏行阅?/p>

2 結(jié)果與討論

2.1 中性墨水中炭黑的篩選研究

本實驗選用高色素炭黑哥倫比亞50L、日本三菱MA-100、卡博特MONARCH 120、卡博特250R分別制備中性墨水，比較不同炭黑對墨水黏度、pH值、光澤度和Zeta電位等性能的影響，并與進(jìn)口中性墨水（作為標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示；并測試了墨水的粒徑，其粒徑分布見圖1。

由表1和圖1可見，MA-100炭黑所制備黑色中性墨水的粒徑最大，分布最寬，黏度也最高，這可能是因為MA-100的吸油量最大，需要吸附更多的分散劑才可穩(wěn)定分散，分散劑不足時炭黑顆粒團(tuán)聚，導(dǎo)致粒徑變大，分布變寬。而50L炭黑的比表面積大，吸油量小，所制備黑色墨水的粒徑大小及分布與進(jìn)口墨水接近，光澤較進(jìn)口墨水低，但其Zeta負(fù)電位較大，雙電層更厚，穩(wěn)定性更佳。

表1 炭黑及中性墨水的性能表征Table1 Characterization of carbon black and its gel pen ink

圖1 不同炭黑所制中性墨水的粒徑分布圖Figure1 Particle size distribution of the gel pen ink made of different carbon black

2.2 黑色中性墨水中增稠劑的選擇

中性墨水要求有一定的稠度和黏度，具有觸變性和較強的假塑性，即低剪切速率時黏度較高,保證筆芯中墨水不滲漏，而高剪切速率時黏度較低,使書寫流暢而不滯筆，故需選擇合適的增稠劑。本實驗選用堿溶漲型增稠劑AT-805和AES-6、聚氨酯締合增稠劑UT-1151、含長聯(lián)烷烴類增稠劑FTP和羥乙基纖維素進(jìn)行研究，比較了增稠劑對油墨黏度、光澤度的影響，結(jié)果如表2所示。

由表2可見，F(xiàn)TP增稠劑的增稠效果最強，所制備油墨黏度超過測量量程，流動性差；羥乙基纖維素的增稠效果次之，但其消光明顯，所制備油墨的光澤度只有7.8；與堿溶漲增稠劑AT-805相比，聚氨酯締合增稠劑UT-1151所制備油墨的光澤度更高，但其增稠效果一般，不能滿足中性墨水的要求。因此，優(yōu)選AT-805作為中性墨水的增稠劑。

2.3 黑色中性墨水的黏度分析

采用增稠劑AT-805制備黑色中性墨水，測試60℃墨水放置3小時、5天及7天后不同轉(zhuǎn)速下黏度的變化，并觀察墨水是否分層或沉淀，進(jìn)而比較墨水儲存穩(wěn)定性；將中性墨水灌注筆芯，測試書寫效果，并于60℃老化7天，觀察書寫時筆跡是否變淡或斷線等異常，其結(jié)果見表3。

表2 增稠劑的性能比較Table2 Performance comparison of thickener

表3 自制和進(jìn)口黑色中性墨水的黏度隨時間的變化（單位：cp）Table3 .Viscosity change with time of self-made and commercial black gel-pen ink (unit: cp)

由表3可見，自制墨水與進(jìn)口墨水的黏度均隨轉(zhuǎn)速增高而降低，呈剪切變稀的趨勢。其中，自制墨水的黏度比稍高于進(jìn)口中性墨水，其黏度在低剪切速率下較進(jìn)口墨水高，存儲不漏墨，在高剪切速率下較進(jìn)口墨水低，書寫更流暢。（先對比即時的情況，再對比老化實驗的結(jié)果）60℃老化實驗結(jié)果表明，自制墨水與進(jìn)口墨水的黏度均隨放置時間延長而有所增大，但變化較小，總體黏度保持穩(wěn)定，60℃下老化7天后均無分層或沉淀，筆跡無變淡，無斷線，書寫性能接近。

3 結(jié) 論

本文針對中性墨水兩類關(guān)鍵材料增稠劑和炭黑進(jìn)行研究，根據(jù)墨水配方理化性能，優(yōu)選出AT-805堿溶漲增稠劑和50L高色素炭黑適合制備黑色中性墨水。其墨水粒徑大小及分布、黏度、觸變性與進(jìn)口墨水相近，且其Zeta負(fù)電位較進(jìn)口墨水大，穩(wěn)定性更佳。所制備中性筆書寫流暢，線條清晰，無漏墨，60℃老化7天后，筆跡無變淡，書寫流暢無斷線，性能與進(jìn)口墨水接近，為書寫墨水開發(fā)提供基礎(chǔ)。