摘要：以膜分離技術處理的染料為著色劑，二甘醇為溶劑並選用合適的表麵活性劑、潤滑劑、pH值調節劑、防腐劑等助劑，製得水性墨水，其各物理性能指標和書寫性能接近或達到進口墨水。

利用球珠滾動帶出書寫介質(墨水或油墨)的書寫工具統稱為圓珠筆，其書寫介質為油性的稱為圓珠筆；其書寫介質為水性的稱為水性圓珠筆(水性墨水筆)亦稱滾珠筆、寶珠筆；其書寫介質的粘度介於水性和油性之間的稱為中性筆。水性圓珠筆所用的介質稱為水性墨水，是一種粘度介於2—8cp的墨水。水性墨水筆是通過集束的微細纖維製成的喂料器的毛細管作用，將墨水輸送到球珠表麵，利用球珠滾動帶出粘附在其表麵上的墨水，形成字跡，具有書寫流利等優點，在國外已有廣泛的應用，在國內也有一定的市場。

中國是製筆大國，每年都要生產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進口。目前國內對水性墨水的研究很少，尚未見成熟的市場化的水性墨水，國外有關水性墨水的研究成果主要為專利。因此加強對水性墨水的研究，實現水性墨水的國產化具有重要的意義。

本文選用合適的助劑和製備工藝，解決了水性墨水製備中存在的種種問題，製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、實驗部分

1．１試劑

乙二醇，分析純，宜興市第二化學試劑廠；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；苯並三氮唑，分析純，上海瑞運精細化工研究所。

1．2儀器

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

1．3製備

攪拌下，去離子水與溶劑?昆合均勻，隨後加入著色劑，溶解混勻後，加人表麵活性劑、潤滑劑、pH值調節劑、防腐劑等助劑充分攪拌均勻後，靜置片刻過濾，製備水性墨水。著色劑用量占墨水總量的5-15％，表麵活性劑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Brookfield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書寫性能

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

書寫性能：測試筆軸線與紙麵成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定的試驗紙上作螺旋狀連續劃線。

出墨量：測試筆軸線與紙麵成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定的試驗紙上作螺旋狀連續劃線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量(g)，L為劃線長度(m)。

滲透性：目測剛做完“書寫性能”試驗的書寫試驗紙上所劃線條的透紙現象。

脫帽性：取下試驗筆的筆套，水平放置24h後，用手劃一條直線，在初始的10cm內書寫的線條是否打滑。

耐水性：截取剛做“書寫性能”試驗的書寫試驗紙一段，在去離子水中浸漬24h，取出自然晾幹，目測書寫的線條。

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

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

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

2結果與討論

2．1著色劑

製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製備方便、成本低、製成的墨水穩定性好、顏色鮮豔和不易堵塞等優點，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良，但顏料易於聚集，墨水的穩定性差[31。水性墨水常用染料作著色劑，有直接染料和酸性染料。目前國內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於製備墨水，需進一步處理，這裏采用膜分離技術對染料進一步處理。表1是經膜分離技術處理後染料和國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，經膜分離技術進一步處理後，染料主要金屬離子的含量已很低，可滿足水性墨水的要求，製備墨水的穩定性好，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

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

進口墨水染料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，防止墨水在長期貯存時因水分蒸發而幹燥，影響墨水的書寫性能，使墨水具有良好的抗幹燥性和脫帽性。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係。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35％以後，墨水的書寫性能變差，容易出現劃線斷開，且書寫的墨跡難幹燥，易羽化、玷汙紙張和其他物品，同時還會增加墨水的成本，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，不宜長期貯存，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係

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

墨跡幹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係

Table3 Solvent vs．InkProperties

溶劑乙二醇二甘醇丙三醇乙二醇丙醇複合溶劑（１３：１２）

粘度(cp)3．13 4．02 9．91 6．94

墨跡幹燥速度快快慢慢

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％時不同溶劑與墨水性能的關係。由表中可見，用乙二醇作溶劑時，墨水粘度低，帶來滲漏、滲透等問題；用丙三醇作溶劑時，墨水粘度大，幹燥慢，帶來劃線斷開、墨跡難幹燥玷汙紙張等問題；用乙二醇和丙三醇複合溶劑時，墨水書寫性能差，劃線斷開；而用二甘醇作溶劑時，墨水的總體性能好，故這裏選用二甘醇作溶劑。

2．3墨水的主要物理性能

墨水的主要物理性能有粘度、表麵張力、pH值、比重。粘度會嚴重影響墨水的書寫性能，粘度低墨水書寫流利，但會帶來滲透、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玷汙，但容易產生劃線斷開和筆頭堵塞等問題，水性墨水粘度通常為2—8cp。表麵張力主要影響墨水在紙張和其他介質中的滲透性，同時還會影響墨水的保濕性和穩定性等。表麵張力小，墨水易滲入紙張或其他介質中，墨跡幹燥得快；表麵張力大，墨水向介質滲透性小，墨水寫在紙上千得慢。水性墨水的表麵張力通常為25—40mN／m。

墨水的pH值會影響染料的溶解性和穩定性，同時影響墨水對筆頭的腐蝕性，pH值過高或過低都會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)表麵張力(mN／m)pH值比重(g／m1)

製備墨水4．02 32．7 9．32 1．05

美國國寶墨水4．4 38 7．6 1．10

表4是製備墨水的主要物理性能。從表中可知，製備墨水的主要物理性能指標在要求的範圍內。

2．4墨水的書寫性能

表5是製備墨水和進口墨水的書寫性能，從表中可知製備的墨水的主要書寫性能已接近或達到進口墨水，滿足水性圓珠筆中國輕工行業標準[1)和日本工業標準[2)。

表5墨水的書寫性能

Table5 Writing properties of ink

項目製備墨水進口墨水①進口墨水②

書寫性能≥400m≥400m≥400m

出墨量(mg／m)1．159 1．127 1．237

幹燥時間(s)<5<5<5

複印性能好好好

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

項目製備墨水進口墨水進口墨水

耐水性可目測到書寫的線條可目測到書寫的線條可目測到書寫的線條

耐乙醇性可目測到書寫的線條可目測到書寫的線條可目測到書寫的線條

耐鹽酸性可目測到書寫的線條可目測到書寫的線條可目測到書寫的線條

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結論

1)染料經膜分離技術處理後可作水性墨水的著色劑，製備的墨水穩定和書寫性能良好。

2)用二甘醇作溶劑時製備的墨水各性能好，其用量以20—35％為宜。

3)製備墨水的主要物理性能指標在要求範圍內。

4)製備墨水的主要書寫性能已接近或達到進口墨水，滿足水性圓珠筆中國輕工行業標準和日本工業標準。

參考文獻

[1]水性圓珠筆及其筆芯，中華人民共和國輕工行業標準(討論稿)．

[2]水性圓珠筆及其筆芯，日本工業標準．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．