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水性墨水的研制與墨水的表面張力值
來源:21世紀(jì)精細(xì)化工網(wǎng) 瀏覽 1425 次 發(fā)布時(shí)間:2022-09-14
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35%以后,墨水的書寫性能變差,容易出現(xiàn)劃線斷開,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大。但溶劑含量也不能過少,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
滲透性沒有透紙沒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
滲透性略有透紙沒有透紙沒有透紙沒有透紙
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,用乙二醇作溶劑時(shí),墨水粘度低,帶來滲漏、滲透等問題;用丙三醇作溶劑時(shí),墨水粘度大,干燥慢,帶來劃線斷開、墨跡難干燥玷污紙張等問題;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;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)帶來滲透、字跡模糊、滲漏等問題:粘度高可避免滲透及來自筆尖的墨水斑點(diǎn)玷污,但容易產(chǎn)生劃線斷開和筆頭堵塞等問題,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值過高或過低都會(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
滲透性沒有透紙沒有透紙沒有透紙
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
耐氨水性隱約可見書寫的線條隱約可見書寫的線條未見書寫的線條
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.