王小妹，李天驕，郭亨長(zhǎng)

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(guó)中性筆產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但國(guó)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(jià)格昂貴，這無(wú)疑給制筆企業(yè)帶來(lái)了巨大壓力，因此自主研發(fā)一種符合國(guó)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(shí)，中性墨水處于高粘滯狀態(tài)，書寫時(shí)墨水在球珠轉(zhuǎn)動(dòng)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(píng)價(jià)中性墨水應(yīng)用性能的兩個(gè)重要指標(biāo)[1-4]。為了獲得優(yōu)越的觸變性，通常會(huì)在墨水體系中添加特定的觸變?cè)龀韯?，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(jī)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(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的因素。篩選出增稠效率高、觸變性好、穩(wěn)定性強(qiáng)的增稠劑是中性墨水開發(fā)的難點(diǎn)之一。

中性筆的保質(zhì)期通常為12個(gè)月，對(duì)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(gè)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(duì)顏料存在競(jìng)爭(zhēng)吸附關(guān)系，其中增稠劑和顏基比對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而解決中性筆漏墨、存放不穩(wěn)定性等問(wèn)題是本文研究的重點(diǎn)。黑色中性墨水是最常用的顏色，市場(chǎng)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(gè)重點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)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(jī)研磨至粒徑D50為100～500 nm，過(guò)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(rùn)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)比，結(jié)果如表1所示；并測(cè)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?yàn)镸A-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(shí)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(qiáng)的假塑性，即低剪切速率時(shí)黏度較高,保證筆芯中墨水不滲漏，而高剪切速率時(shí)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(duì)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(qiáng)，所制備油墨黏度超過(guò)測(cè)量量程，流動(dòng)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(cè)試60℃墨水放置3小時(shí)、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(chǔ)存穩(wěn)定性；將中性墨水灌注筆芯，測(cè)試書寫效果，并于60℃老化7天，觀察書寫時(shí)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(shí)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(shì)。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(chǔ)不漏墨，在高剪切速率下較進(jìn)口墨水低，書寫更流暢。（先對(duì)比即時(shí)的情況，再對(duì)比老化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果）60℃老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自制墨水與進(jìn)口墨水的黏度均隨放置時(shí)間延長(zhǎng)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(wú)分層或沉淀，筆跡無(wú)變淡，無(wú)斷線，書寫性能接近。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)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(wú)漏墨，60℃老化7天后，筆跡無(wú)變淡，書寫流暢無(wú)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)。