黑色中性墨水的配方研究

2.上海晨光文具股份有限公司，上海市奉贤区 201406

摘要：增稠剂和炭黑是构建稳定黑色中性墨水配方的关键原材料。本文对比研究了不同增稠剂对所制备中性墨水增稠效果和光泽度的影响，结果表明AT-805的综合性能最佳；对比AT-805增稠剂制备的墨水与进口墨水理化120、250R等炭黑对墨水黏度、pH值、光泽度和Zeta电位的影响，结果表明50L炭黑所制墨水的粒径最小、分布最窄，且Zeta负电位最大，稳定性最佳。所制备墨水应用于中性笔，书写性能与进口墨水接近。关键词：中性墨水；触变性；增稠剂；炭黑

1.中山大学化学学院，广东省广州市 510275

王小妹1，李天骄1，郭亨长2，*

指标，前者的黏度随放置时间的延长变化较小，其触变性略大于进口墨水。本文还对比了50L、MA-100、MA-

基金项目：“十三五”国家重点研发计划项目《制笔新型环保材料》 (编号：2016YFB0302605)；工信部工业强基工程项目《笔头及墨水适配试验公共服务平台》（编号：TC160A310）；上海市科学技术委员会工程中心能力提升项目（编号：17DZ2283600）。

作者简介：王小妹（1963- ）,女，硕士研究生学历，副教授，主要研究方向为油墨、涂料、胶粘剂及高分子材料合成和应用。应用，联系E-mail: hcguo@mg-pen.com。

*通讯联系人：郭亨长（1977- ），男，博士研究生学历，研究员，主要研究方向为轻工材料、精密机械和智能制造技术开发和

Study on the formulation of black gel ink

Wang Xiaomei1，Li Tianjiao1，Guo Hengchang2，*1. School of Chemistry, Sun Yat-sen University，

Guangzhou, Guangdong 510275

2. Shanghai M&G Stationery Inc.，Fengxian, Shanghai 201406

Abstract：Thickener and carbon black are the key materials for the Gel-ink formula. In this paper, different thickeners on the thickening effect and glossiness were studied in Gel-ink. AT-805, a thickener performed the best result. Compared with the imported ink, the lab-made ink with AT-805 showed the stable viscosity for a longer time .In addition, its thixotropy slightly greater than imported ink. Furthermore, we investigated the relationship of carbon black 50L, MA-100, MA-120 and 250R to the ink viscosity, pH value, glossiness and Zeta potential. The results indicated that the ink made from 50L had the smallest particle size, the narrowest distribution, the largest zeta negative potential and the best stability in all the samples. The writing performance of the prepared ink is close to that of imported gel pen. Key word: gel ink; thixotropy; carbon black.

CHINA WRITING INSTRUMENTS | 31科学研究 SCIENTIFIC RESEARCH制笔企业生产所用原材料，尤其是中性墨水，几我国中性笔产业发展迅速，但国内较大规模的乎完全依赖进口。进口中性墨水价格昂贵，这无疑给制笔企业带来了巨大压力，因此自主研发一种符合国际标准的中性墨水显得格外重要。

切力作用时，中性墨水处于高粘滞状态，书写时中性笔要求书写出墨流畅不漏墨，未受球珠剪

墨水在球珠转动的剪切作用下黏度变稀易流畅出墨。有关研究发现墨水的黏度与触变性是评价中性墨水应用性能的两个重要指标[1-4]越的触变性，通常会在墨水体系中添加特定的触。为了获得优变增稠剂，常用的有黄原胶、聚丙烯酸、纤维素等[5-6]作为多组分的复杂混合体系，不同种类的增稠剂。不同种类的增稠剂的增稠机理不同，墨水与墨水体系的兼容性亦是墨水配方开发过程中需要重点考虑的因素。筛选出增稠效率高、触变性好、稳定性强的增稠剂是中性墨水开发的难点之一。

稳定性要求则更高，高品质中性墨水的保质期通中性笔的保质期通常为12个月，对于墨水的

常达24个月以上。中性墨水的稳定性主要与颜料的分散稳定性及增稠剂、保湿剂等功能助剂与颜料分散体系的匹配性有关。颜料型中性墨水体系分散树脂和碱溶胀型增稠剂对颜料存在竞争吸附关系，其中增稠剂和颜基比对墨水的稳定性具有较大的影响[7]也是影响墨水稳定性的关键因素，粒径分布范围

。此外，墨水中颜料粒径与粒径分布将直接导致墨水的絮凝、沉淀、分层等[8-11]。性等为评价指标，进而解决中性笔漏墨、存放不本文以墨水的黏度、触变性、光泽度以及稳定

稳定性等问题是本文研究的重点。黑色中性墨水

32| CHINA WRITING INSTRUMENTSZHONGGUO ZHIBI 中国制笔是最常用的颜色，市场需求量最大，高色素炭黑的筛选及稳定分散是本文研究的又一个重点。

1 实验部分

15～黑2色5w色t%浆，的分制散备剂方4.法5～：1将3高wt色%素，炭树脂黑

0.3～0.5wt%，保湿剂15～20wt%等充分搅拌均4～20wt%，去离子水40～67.5wt%，消泡剂滤出料，得到炭黑的水性色浆。

匀，用砂磨机研磨至粒径D50为100～500 nm，过

剂在60℃下溶解于水中，然后加入防腐剂、润滑黑色中性墨水的制备方法：先将增稠剂和保湿

剂，并调节pH为8～9；最后加入色浆，充分搅拌制得黑色中性墨水。

2 结果与讨论

2.1 中性墨水中炭黑的筛选研究

菱MA-100、卡博特MONARCH 120、卡博特250R

本实验选用高色素炭黑哥伦比亚50L、日本三

分别制备中性墨水，比较不同炭黑对墨水黏度、pH值、光泽度和Zeta电位等性能的影响，并与进口中性墨水（作为标准）进行对比，结果如表1所示；并测试了墨水的粒径，其粒径分布见图1。

性墨水的粒径最大，分布最宽，黏度也最高，这可

由表1和图1可见，MA-100炭黑所制备黑色中

能是因为MA-100的吸油量最大，需要吸附更多的聚，导致粒径变大，分布变宽。而50L炭黑的比表分散剂才可稳定分散，分散剂不足时炭黑颗粒团及分布与进口墨水接近，光泽较进口墨水低，但其面积大，吸油量小，所制备黑色墨水的粒径大小

Zeta负电位较大，双电层更厚，稳定性更佳。

4TH QUARTER 2019ISSUE 155 SCIENTIFIC RESEARCH科学研究Table 1 Characterization of carbon black and its gel pen ink

表1 炭黑及中性墨水的性能表征

性能进口炭黑比表面积m2/g炭黑吸油量/（cm3/100g）炭黑粒径/nmD50粒径/nm黏度/cp（60rpm,25℃）pH值光泽度/ºZeta电位/mV———132.7949.87.874-23.96墨水50L2006118119.5936.68.069-34.68MA-10011010024493.2989.48.268-23.86MONARCH 120257275210.5967.87.965-29.82250R1386224293.6959.88.570-30.96Particle size/nm

Figure 1 Particle size distribution of the gel pen ink made of different carbon black

图1 不同炭黑所制中性墨水的粒径分布图

CHINA WRITING INSTRUMENTS | 33科学研究 SCIENTIFIC RESEARCHZHONGGUO ZHIBI 中国制笔2.2 黑色中性墨水中增稠剂的选择

性和较强的假塑性，即低剪切速率时黏度较高,保证笔芯中墨水不渗漏，而高剪切速率时黏度较低,使书写流畅而不滞笔，故需选择合适的增稠剂。本实验选剂UT-1151、含长联烷烃类增稠剂FTP和羟乙基纤维响，结果如表2所示。

用碱溶涨型增稠剂AT-805和AES-6、聚氨酯缔合增稠素进行研究，比较了增稠剂对油墨黏度、光泽度的影

由表2可见，FTP增稠剂的增稠效果最强，所制备

中性墨水要求有一定的稠度和黏度，具有触变

油墨黏度超过测量量程，流动性差；羟乙基纤维素的增稠效果次之，但其消光明显，所制备油墨的光泽度增稠剂UT-1151所制备油墨的光泽度更高，但其增稠805作为中性墨水的增稠剂。

只有7.8；与碱溶涨增稠剂AT-805相比，聚氨酯缔合效果一般，不能满足中性墨水的要求。因此，优选AT-

2.3 黑色中性墨水的黏度分析

60℃墨水放置3小时、5天及7天后不同转速下黏度的

采用增稠剂AT-805制备黑色中性墨水，测试

表2 增稠剂的性能比较

Table 2 Performance comparison of thickener

增稠剂品名UT-1151AES-6FTPAT-805黏度（60rpm）/cp960550>10000570022660º光泽度63.392.345.47.8—羟乙基纤维素Table 3. Viscosity change with time of self-made and commercial black gel-pen ink (unit: cp)

转速/rpm12606自制黑色中性墨水53003150168010904.867505天进口黑色中性墨水50003650192011304.427805天表3 自制和进口黑色中性墨水的黏度随时间的变化（单位：cp）

3小时46002700148098066656003400176011404.917927天3小时45003350182010704.2071451003800196011704.368107天30 100黏度比a书写性能b书写流畅，线条清晰，无漏墨；老化后书写笔迹无变淡，无断线4.69书写流畅，线条清晰，无漏墨；老化后笔迹无变淡，无断线a：黏度比为6rpm转速下黏度与60rpm转速下黏度的比值。b: 书写性能为划线仪在4.5m/min划线速度下，400米内所得数据。

34| CHINA WRITING INSTRUMENTS4TH QUARTER 2019ISSUE 155 SCIENTIFIC RESEARCH科学研究变化，并观察墨水是否分层或沉淀，进而比较

墨水储存稳定性；将中性墨水灌注笔芯，测试书写效果，并于60℃老化7天，观察书写时笔迹是否变淡或断线等异常，其结果见表3。

均随转速增高而降低，呈剪切变稀的趋势。其

由表3可见，自制墨水与进口墨水的黏度

中，自制墨水的黏度比稍高于进口中性墨水，其墨，在高剪切速率下较进口墨水低，书写更流

黏度在低剪切速率下较进口墨水高，存储不漏畅。（先对比即时的情况，再对比老化实验的结

果）60℃老化实验结果表明，自制墨水与进口

墨水的黏度均随放置时间延长而有所增大，但变化层或沉淀，笔迹无变淡，无断线，书写性能接近。

较小，总体黏度保持稳定，60℃下老化7天后均无分

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进行研究，根据墨水配方理化性能，优选出AT-805

本文针对中性墨水两类关键材料增稠剂和炭黑

碱溶涨增稠剂和50L高色素炭黑适合制备黑色中性墨水。其墨水粒径大小及分布、黏度、触变性与进口佳。所制备中性笔书写流畅，线条清晰，无漏墨，60℃口墨水接近，为书写墨水开发提供基础。 参考文献

墨水相近，且其Zeta负电位较进口墨水大，稳定性更老化7天后，笔迹无变淡，书写流畅无断线，性能与进

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CHINA WRITING INSTRUMENTS | 35