CN106905763A - 颜料型速干中性墨水及含有该中性墨水的圆珠笔 - Google Patents

颜料型速干中性墨水及含有该中性墨水的圆珠笔 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种颜料型速干中性墨水以及含有该中性墨水的圆珠笔，该颜料型速干中性墨水由以下成分组成：水性颜料色浆25.0‑35.0重量份；保湿剂10.0‑25.0重量份；润滑剂1.0‑5.0重量份；杀菌剂0.1‑0.3重量份；pH调节剂1.0‑2.0重量份；增稠剂A0.8‑1.5重量份；增稠剂B0.8‑1.5重量份；渗透剂0.1‑0.5重量份；以及去离子水29.2‑61.2重量份。本发明的颜料型速干中性墨水通过对表面张力和流变参数的控制实现书写线迹在纸面的快速渗透，从而达到速干的目的。

Description

颜料型速干中性墨水及含有该中性墨水的圆珠笔
技术领域
本发明涉及书写工具领域，特别涉及一种颜料型速干中性墨水以及含有该中性墨水的圆珠笔。
背景技术
圆珠笔作为一种书写工具用以满足记录、标识等功能，随着人们生活品质的逐渐提高，消费者对产品个性化、功能化的需求越来越突出。市面上出现了许多功能化书写类产品，比如超顺滑的中油笔、可擦写的魔摩擦笔、超长书写寿命的大容量笔等。
圆珠笔书写时由于线迹干燥较慢，不小心被手或其他物品沾染而字迹模糊，脏污纸面，这对于学生作业或考试是极为不利的。针对此问题，市场上出现了一种速干笔，其书写线迹基本即时干燥，受到了学生群体的欢迎。但此类速干笔是染料型中性笔，使用染料作为着色物质，由于染料型中性笔书写线迹耐水、耐化学、耐气候、耐晒等性能较差，无法满足长期留存要求，因而不适于考试、档案记录等场合，这在很大程度上限制了速干笔的应用。
颜料型中性墨水使用炭黑或有机颜料作为着色剂，具有优良的耐水、耐化学、耐气候、耐晒等特性，书写线迹可以长期留存。但由于其为非水溶性的颜料颗粒，在纸张上渗透较慢，线迹干燥时间较染料型中性墨水长。目前市场上的颜料型中性墨水圆珠笔均达不到速干的要求(通常要求书写线迹4s内干燥)。
专利“圆珠笔用油墨及圆珠笔”(中国专利申请号00817718.X)通过使用特定的挥发抑制物和难挥发水溶性溶剂，精确控制挥发抑制物、难挥发水溶液及水的比例从而兼顾了线迹的速干与笔头的保湿。该墨水主要匹配1.0mm直径大球珠笔头，最短线迹干燥时间也只是控制在30s以内，显然不能满足学生群体对快干的书写要求。专利“一种速干走珠笔芯”(中国专利申请号201410786355.8)公开了一种适用于圆珠笔的油溶性油墨，实现了书写线迹在半秒内完全干透。但所用着色剂为溶剂型染料，且为了实现快干添加了大量有机溶剂如挥发性卤代烃溶剂，这些挥发性溶剂对环境甚至是人体存在伤害。专利“一种速干钢笔”(中国专利申请号201610166239.5)公开了通过在钢笔笔套上端设置空腔区，在空腔区一侧装有风干机，有效快速的将字迹风干，从而实现速干功能。该方法虽然能达到快干目的，但在钢笔顶端加装风干装置即不美观也损害书写感受，不利于市场应用。
总体而言，目前公布的速干型书写工具都是通过使用挥发性溶剂或外部风干功能加快体系的挥发从而实现墨迹的快干，存在着环保或是使用不便等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种颜料型速干中性墨水，通过对表面张力和流变参数的控制实现书写线迹在纸面的快速渗透，从而达到速干的目的。
一方面，本发明提供一种颜料型速干中性墨水，按重量份计，其由以下成分组成：
在本发明的颜料型速干中性墨水的一个实施方式中，所述水性颜料色浆由以下成分组成：
在本发明的颜料型速干中性墨水的另一个实施方式中，所述颜料为高色素炭黑，所述润湿剂为改性脂肪醇聚氧乙烯醚，所述分散剂为丙烯酸嵌段共聚物，所述消泡剂为改性硅氧烷，所述助溶剂为丙二醇，所述pH调节剂为2-氨基-2-甲基-1-丙醇。
在本发明的颜料型速干中性墨水的另一个实施方式中，所述保湿剂为丙二醇、丙三醇、聚乙二醇、山梨醇、木糖醇中的一种或两种以上的混合物。
在本发明的颜料型速干中性墨水的另一个实施方式中，所述润滑剂为脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯、或烷基酚聚氧乙烯醚磷酸酯。
在本发明的颜料型速干中性墨水的另一个实施方式中，所述杀菌剂为异噻唑啉酮类物质或苯并异噻唑啉酮类物质中的一种。
在本发明的颜料型速干中性墨水的另一个实施方式中，所述pH调节剂为有机碱类物质，所述渗透剂为聚醚改性硅氧烷。
在本发明的颜料型速干中性墨水的一个实施方式中，所述增稠剂A和所述增稠剂B为碱溶胀型增稠剂，所述增稠剂A的触变指数为5.0-15.0，优选7.0-10.0，所述增稠剂B的触变指数为1.0-5.0，优选1.5-2.5。
在本发明的颜料型速干中性墨水的一个实施方式中，所述颜料型速干中性墨水的表面张力为25.0-30.0mN/m。
另一方面，本发明还提供一种圆珠笔，所述圆珠笔含有上述颜料型速干中性墨水。
与现有技术相比，本发明的颜料型速干中性墨水有如下优点：
1、使用颜料作为着色剂，书写线迹能够长期保存，适用于考试、财务、档案记录等需长期留存的应用场合。
2、利用墨迹渗透而非挥发的原理实现线迹的快速干燥，避免配方中大量使用挥发性有机溶剂而造成环境问题。
3、采用相对较低的表面张力促进线迹的渗透，通过高触变指数增稠剂和低触变指数增稠剂的组合使用，方便实现对铺展速度和出墨量的控制，最终达到线迹快干的目的，避免牺牲书写手感、脱帽时间、滴积墨等其他应用性能。
附图说明
图1为2％质量浓度的TT-615和DR-180水溶液(pH值调控至9.0-9.5)在不同剪切速率下的粘度曲线。
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施例，列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。
按重量份计，本发明的颜料型速干中性墨水的组分包括：水性颜料色浆25.0-35.0重量份；保湿剂10.0-25.0重量份；润滑剂1.0-5.0重量份；杀菌剂0.1-0.3重量份；pH调节剂1.0-2.0重量份；增稠剂A0.8-1.5重量份；增稠剂B0.8-1.5重量份；渗透剂0.1-0.5重量份；以及去离子水29.2-61.2重量份。
水性颜料色浆由以下成分组成：颜料20.0-30.0重量份；润湿剂1.6-4.5重量份；分散剂3.6-9.0重量份；消泡剂0.1-0.2重量份；助溶剂8.0-16.0重量份；pH调节剂1.0-2.0重量份；以及去离子水39.2-65.7重量份。
颜料型速干中性墨水各组分的重量份与水性颜料色浆各组分的重量份之间不存在直接联系，只需满足各自的比例即可。
水性颜料色浆中的颜料通常为高色素炭黑，其粒径要求为：D50≤150nm，D90≤200nm。
水性颜料色浆中的润湿剂为改性脂肪醇聚氧乙烯醚，分散剂为丙烯酸嵌段共聚物，消泡剂为改性硅氧烷，助溶剂为丙二醇，pH调节剂为2-氨基-2-甲基-1-丙醇。
本发明所用的保湿剂为丙二醇、丙三醇、聚乙二醇(分子量控制在200-6000)、山梨醇、木糖醇中的一种或两种以上混合物。
本发明所用的润滑剂为脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯或烷基酚聚氧乙烯醚磷酸酯，例如脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯MOA-3P(可购自江苏海安石油化工厂)、酚醚磷酸酯TXP-4(可购自江苏海安石油化工厂)、WJ-52C8-10醇醚磷酸酯(可购自上海万金助剂有限公司)、WJ-3713C12-14醇醚磷酸酯(可购自上海万金助剂有限公司)中的一种。
本发明所用的杀菌剂为异噻唑啉酮类物质或苯并异噻唑啉酮类物质中一种。
本发明所用的pH调节剂为有机碱类物质，例如三乙醇胺、单乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇(可购自美国陶氏化工)中一种。
本发明所用的增稠剂A为高触变指数碱溶胀型增稠剂，触变指数为5.0-15.0，优选7.0-10.0，例如TT-615(可购自美国陶氏化工)、DR-72(可购自美国陶氏化工)、HS 1152(可购自德国巴斯夫化工)中的一种。
本发明所用的增稠剂B为低触变指数碱溶胀型增稠剂，触变指数为1.0-5.0，优选1.5-2.5，例如HS 1212(可购自德国巴斯夫化工)、HS 1332(可购自德国巴斯夫化工)、DR-73(可购自美国陶氏化工)、TT-935(可购自美国陶氏化工)中的一种。
本发明中的触变指数为使用旋转流变仪测试pH值调控至9.0-9.5时上述碱溶胀增稠剂质量浓度为2％的水溶液在1.256s-1及12.56s-1剪切速率下的粘度比值。
本发明的颜料型速干中性墨水，通过使用高触变指数增稠剂A降低中性墨水在中剪切速率区间即纸面上铺展时的粘度，利于线迹快速铺展；通过使用低触变指数增稠剂B增大高剪切速率区间即墨水接近书写状态下的粘度，控制划线出墨量，避免出墨量太大而难以干燥。
本发明所用的渗透剂为聚醚改性硅氧烷，例如BYK-345(可购自昆山玳权精细化工科技有限公司)、BYK-347(可购自昆山玳权精细化工科技有限公司)、BYK-348(可购自昆山玳权精细化工科技有限公司)、Twin 4200(可购自上海璋霖贸易有限公司)、AFCONA 3251(可购自埃夫科纳助剂(江苏)有限公司)、AFCONA 3580(可购自埃夫科纳助剂(江苏)有限公司)，添加渗透剂可促进线迹的快速渗透。
本发明的颜料型速干中性墨水的表面张力为25.0-30.0mN/m，匹配球珠直径0.3-0.5mm圆珠笔笔头时平均划线出墨量为70-100mg/100m，线迹干燥时间为4s以内，具有优异的速干功能。
本发明中的线迹干燥时间按照行业标准QB/T 2625-2011《中性墨水圆珠笔和笔芯》中规定的干燥性测试方法进行，即将待测笔芯装载在划圆书写机上划一段螺旋线，划线结束时开启秒表计时至一定时间，在结束段线迹上覆盖相同性质的书写纸，用500g专用砝码(底面直径50mm)压在覆盖纸纸面上，10min后分开两纸，若覆盖纸无墨迹，逐步减小划线结束后计时时间至X s，发现覆盖刚好出现墨迹，则待测笔芯线迹干燥时间为X s。
本发明的颜料型速干中性墨水，采用通用方法即可制得，一般包括如下步骤：
1.按配方计量要求将去离子水、保湿剂、润滑剂、渗透剂、pH调节剂、杀菌剂加入到带有搅拌装置的容器中，搅拌均匀后，在搅拌状态下加入碱溶胀型增稠剂A和碱溶胀型增稠剂B，随着增稠剂分子在碱性环境下链段打开，体系粘度逐渐增大，逐步提高搅拌转速，当体系混合均匀后，在搅拌状态下继续加入水性颜料色浆，直至所有物料混合均匀，搅拌结束。
2.将上述制得的墨水经1000目和1微米两级过滤后，得到滤液，再进行真空脱泡即得中性墨水。
本发明的颜料型速干中性墨水采用炭黑颜料作为着色剂，线迹耐水、耐晒、耐化学品性能优秀，适合考试、财务、档案记录，可以长期留存；采用线迹渗透而非挥发的原理实现速干，避免添加大量挥发性有机溶剂，配方绿色、环保、安全；通过对表面张力的调控及组合使用高触变指数增稠剂和低触变指数增稠剂，对线迹渗透速度、出墨量、线迹铺展速度进行综合调控，避免牺牲书写手感、间歇书写及滴积墨等其他应用性能，实现了线迹的快速干燥。
除非另作限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。
以下通过实施例对本发明作进一步地详细说明。
实施例
实施例中的“份”均指“重量份”。
实施例1
将39.2份去离子水、14份聚乙二醇PEG400、6份聚乙二醇PEG300、2份脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯MOA-3P、0.3份聚醚改性硅氧烷Twin 4200、0.2份1,2-苯并异噻唑啉酮、1.5份三乙醇胺加入到带有桨式搅拌的搅拌釜中，低速搅拌均匀，在搅拌状态下加入0.8份碱溶胀增稠剂TT-615和1.0份碱溶胀增稠剂DR-180,随着增稠剂分子链段逐渐打开，体系粘度增大，逐步提高搅拌转速，当体系混合均匀后，在搅拌状态下继续添加35份炭黑质量浓度20％的水性颜料色浆，直至所有物料混合均匀，搅拌结束。
将上述制得的墨水混合物经1000目和1微米两级过滤后，得到滤液，再进行真空脱泡即得实施例1墨水。
中性墨水为水性体系，使用的均为水相增稠剂，由于增稠剂分子主链上功能基团所占比例及分布不同，增稠剂表现出差异性的增稠效果，即有的增稠剂可用于增大低剪切速率下的粘度，提高体系的防沉降性，利于墨水的长期存储；有的增稠剂可用于增大高剪切速率下的粘度，控制出墨量。本发明人经过大量实验发现通过测试不同增稠剂水溶液的粘度可比较增稠剂的增稠效果。尽管随着质量浓度的变化，增稠剂水溶液的粘度会有不同，但触变指数基本相同，因而本发明采用触变指数判断不同增稠剂的增稠效果。
如图1及下表1所示，TT-615为高触变指数增稠剂，DR-180为低触变指数增稠剂，在相同质量浓度情况下，TT-615低剪切速率(1.256s-1)粘度明显高于DR-180，但高剪切速率粘度(1000s-1)则低于DR-180，两者在中性墨水体系中不同剪切速率状态下发挥不同的作用。
表1.2％质量浓度的tt-615和dr-180水溶液(pH值调控至9.0-9.5)的粘度数据和触变指数
名称 质量浓度/％ 触变指数
TT-615 2 11057.0 1240.7 60.7 8.9
DR-180 2 1368.2 783.1 115.2 1.7
对比例1
对比例1仅采用高触变指数增稠剂TT-615作为墨水配方中的增稠剂，实施例1配方中的1份低触变指数增稠剂DR-180用去离子水代替，制得对比例1墨水。
对比例2
对比例2仅采用低触变指数增稠剂DR-180作为墨水配方中的增稠剂，实施例1配方中的0.8份高触变指数增稠剂TT-615用去离子水代替，制得对比例2墨水。
实施例1、对比例1和对比例2制得的中性墨水的理化参数如表2所示。
表2.实施例1墨水及对比例1和对比例2墨水的理化参数
由表2可知，对比例2的配方中仅使用了低触变指数增稠剂，制得的中性墨水粘度及触变指数明显偏小，不符合中性墨水实际应用需求。
将实施例1和对比例1制得的墨水分别匹配市场主流的0.5mm球珠直径子弹型笔头、0.5mm球珠直径针管型笔头和0.5mm球珠直径弹簧笔头，按照行业标准QB/T 2625-2011《中性墨水圆珠笔和笔芯》中规定的方法在划圆书写机上划线，并计算百米平均出墨量，再按规定方法测试线迹干燥时间，测试结果如表3所示。
表3.实施例1和对比例1墨水匹配0.5mm球珠直径三种笔头的百米平均出墨量数据和线迹干燥时间
由表3可知，对比例1配方仅采用高触变指数增稠剂，尽管墨水的低剪切粘度和触变指数符合实际墨水应用需求，但由于高剪切速率(1000s-1为接近书写状态时墨水在笔头内所处的剪切速率)时粘度较小导致出墨量较大，线迹无法快速干燥。
而实施例1通过组合使用高触变指数增稠剂和低触变指数增稠剂，一方面提高低剪切速率粘度，保证体系的稳定性。另一方面提高了高剪切速率下的粘度，避免出墨量太大书写线迹无法快干。中剪切速率与墨水在纸面铺展的状态接近，较低的中剪切速率粘度有利于墨水的铺展，这在一定程度上也加快了线迹的干燥。
实施例2
将39.2份去离子水、14份聚乙二醇PEG400、6份聚乙二醇PEG300、2份脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯MOA-3P、0.3份聚醚改性硅氧烷Twin 4200、0.2份1,2-苯并异噻唑啉酮、1.5份三乙醇胺加入到带有桨式搅拌的搅拌釜中，低速搅拌均匀，在搅拌状态下加入1.0份碱溶胀增稠剂HS 1152和1.0份碱溶胀增稠剂HS 1212,随着增稠剂分子链段逐渐打开，体系粘度增大，逐步提高搅拌转速，当体系混合均匀后，在搅拌状态下继续添加35份炭黑质量浓度20％的水性颜料色浆，直至所有物料混合均匀，搅拌结束。
将上述制得的墨水混合物经1000目和1微米两级过滤后，得到滤液，再进行真空脱泡即得实施例2墨水。
HS 1152和HS 1212水溶液的粘度数据和触变指数如表4所示。
表4.2％质量浓度的HS 1152和HS 1212水溶液(pH值调控至9.0-9.5)的粘度数据和触变指数
名称 质量浓度/％ 触变指数
HS 1152 2 10463.0 1381.3 75.4 7.6
HS 1212 2 1543.3 676.0 94.8 2.3
其中HS1152为高触变指数增稠剂，HS1212为低触变指数增稠剂。
对比例3
对比例3仅采用高触变指数增稠剂HS 1152作为墨水配方中的增稠剂，实施例2配方中的1份低触变指数增稠剂HS 1212用去离子水代替，制得对比例3墨水。
对比例4
对比例4仅采用低触变指数增稠剂HS 1212作为墨水配方中的增稠剂，实施例2配方中的1.0份高触变指数增稠剂HS 1152用去离子水代替，制得对比例4墨水。
实施例1及对比例1和对比例2制得的中性墨水的理化参数如表5所示。
表5.实施例2墨水及对比例3和对比例4墨水的理化参数
由表5可知，对比例4配方中仅使用了低触变指数增稠剂，制得的中性墨水粘度及触变指数明显偏小，不符合中性墨水实际应用需求。
将实施例2和对比例3制得的墨水分别匹配市场主流的0.5mm球珠直径子弹型笔头、0.5mm球珠直径针管型笔头和0.5mm球珠直径弹簧笔头，按照行业标准QB/T 2625-2011《中性墨水圆珠笔和笔芯》中规定的方法在划圆书写机上划线，并计算百米平均出墨量。再按规定方法测试线迹干燥时间，测试结果如表6所示。
表6.实施例2和对比例3墨水匹配0.5mm球珠直径三种笔头的百米平均出墨量数据和线迹干燥时间
由表6可知，对比例3配方仅采用高触变指数增稠剂，尽管墨水的低剪切粘度和触变指数符合实际墨水应用需求，但由于高剪切速率(1000s-1为接近书写状态时墨水在笔头内所处的剪切速率)时粘度较小导致出墨量较大，线迹无法快速干燥。
由以上可知，本发明的颜料型速干中性墨水，通过对高触变指数增稠剂和低触变指数增稠剂的综合使用，实现了墨水低剪切粘度、中剪切粘度及高剪切粘度的精准调控，较高的低剪切粘度保障了墨水的存放稳定性，较低的中剪切粘度利于墨水在纸面的铺展，较高的高剪切粘度保障了适合的划线出墨量，再通过渗透剂的使用控制墨水较低的表面张力进一步促进线迹的渗透，在上述几个因素共同作用下实现了颜料型中性墨水书写线迹的速干，满足了消费者对书写线迹快干并长期留存的需求。
本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种颜料型速干中性墨水，其特征在于，按重量份计，所述颜料型速干中性墨水由以下成分组成：
2.根据权利要求1所述的颜料型速干中性墨水，其特征在于，所述水性颜料色浆由以下成分组成：
3.根据权利要求2所述的颜料型速干中性墨水，其特征在于，所述颜料为高色素炭黑，所述润湿剂为改性脂肪醇聚氧乙烯醚，所述分散剂为丙烯酸嵌段共聚物，所述消泡剂为改性硅氧烷，所述助溶剂为丙二醇，所述pH调节剂为2-氨基-2-甲基-1-丙醇。
4.根据权利要求1所述的颜料型速干中性墨水，其特征在于，所述保湿剂为丙二醇、丙三醇、聚乙二醇、山梨醇、木糖醇中的一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求1所述的颜料型速干中性墨水，其特征在于，所述润滑剂为脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯、或烷基酚聚氧乙烯醚磷酸酯。
6.根据权利要求1所述的颜料型速干中性墨水，其特征在于，所述杀菌剂为异噻唑啉酮类物质或苯并异噻唑啉酮类物质中的一种。
7.根据权利要求1所述的颜料型速干中性墨水，其特征在于，所述pH调节剂为有机碱类物质，所述渗透剂为聚醚改性硅氧烷。
8.根据权利要求1所述的颜料型速干中性墨水，其特征在于，所述增稠剂A和所述增稠剂B为碱溶胀型增稠剂，所述增稠剂A的触变指数为5.0-15.0，优选7.0-10.0，所述增稠剂B的触变指数为1.0-5.0，优选1.5-2.5。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的颜料型速干中性墨水，其特征在于，所述颜料型速干中性墨水的表面张力为25.0-30.0mN/m。
10.一种圆珠笔，其特征在于，所述圆珠笔含有根据权利要求1至9中任一项的颜料型速干中性墨水。
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