彩色水彩墨水的制备及表征

彩色水彩墨水的制备及表征黄定海（温州大学化学与材料工程学院，浙江温州325035）摘要本文对水彩笔墨水特性、水彩笔墨水成分组成、水彩笔墨水各成分之间的相互配伍关系及水彩笔墨水设计的原理进行了了解，制备出了具有一定使用性能的彩色水彩笔墨水，并对其进行表征，另外，对已制备的水彩笔墨水各项性能的测试，掌握墨水粘度、表面张力等重要参数的测试原理及方法，通过对灌装水彩笔划线性能的测试，掌握水彩笔书写性能测试方法，最终评价墨水配方的优劣。关键字水彩笔；墨水；配方；粘度；表面张力前言精细化学品从制备过程是否发生化学反应分为合成精细化学品和配方精细化学品，配方精细化学品是依据各种化工原料的物化性质有机地组合成一体，突出其特殊应用性能的一类精细化学品。常见的配方精细化学品包括化妆品、洗涤剂、涂料、墨水等。彩色水彩笔是目前广泛使用的一种书写工具，水彩笔的质量优劣与其所使用的墨水性能密切相关。制备水彩笔墨水首先应具有良好的颜色特性，其次应有良好的保湿性能、体系稳定性，同时还应该具有良好的书写特性，为了满足这些要求，墨水一般含有以下几种组成成分：溶剂、着色剂、保湿剂、表面活性剂、杀菌剂等。一实验部分1.1实验仪器烧杯、分析天平、玻璃棒、粘度计、表面张力仪1.2实验药品1.2.1溶剂水彩笔墨水配制所需溶剂为去离子水，墨水制备过程中，用量应控制在40-90%，溶剂用量大于90%，墨水挥发增大，笔尖易发干，书写性能差，溶剂用量小于40%，墨水挥发困难，字迹不易干。本实验中采用74ml去离子水做溶剂。1.2.2着色剂水彩笔墨水制备所需着色剂通常为各类水溶性染料，以直接染料和酸性染料为主，由于染料完全溶解于墨水介质中，墨水体系稳定，不易堵塞笔头。墨水用染料需具有较好的耐光、耐水、耐氧化等特性，同时需提高染料的溶解度以提高墨水的稳定性。通常着色剂的含量控制在15%范围内。本实验采用食用色素。表1-1水彩笔各颜色参考配方颜色名称红兰黄玫红红A金黄黑色5.2253.3901.100蓝1.8761.134红色5.130.2200.924黄绿0.2640.634金黄1.0400.8001.2.3保湿剂为使水彩笔具有良好的书写性能，必须防止因墨水中溶剂蒸发而影响书写性能，这称为水彩笔的脱帽性能，通常在制备墨水过程中加入保湿剂抑制溶剂的蒸发。对水性墨水来说，常用的保湿剂为水溶性有机溶剂，包括（１）水溶性多元醇类如乙二醇、丙二醇、丙三醇；（２）溶纤剂类如乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚；（３）卡必醇类如二乙二醇一甲醚、卡必醇如二乙二醇一乙醚；（４）乙二醇酯类如乙二醇单乙醚醋酸酯。为达到良好的保湿效果，保湿剂可选择单独使用一种或二种以上的混合物。水溶性有机溶剂在整个墨水组合物中的比例以在30%（重量比）的范围内。若使用量小于1%，笔尖易干燥，而超过30%，则墨迹不易干，同时由于保湿剂增多而至粘度增大，会造成出墨不畅的现象，最适含量一般在10-30%。本实验采用丙三醇和乙二醇的混合保湿剂。1.2.4表面活性剂水彩笔墨水以水为主要溶剂，在混合了其他组分后，表面张力一般在50-60mN/m，书写介质的表面张力一般在35-40mN/m，由于墨水的表面张力大于书写介质的表面张力，墨水不易在书写介质表面润湿和渗透，因此在墨水制备过程中需调整其表面张力，使水彩笔在书写过程中出墨流畅，通常采用非离子表面活性剂、阴离子型表面活性剂或两者复配使用来调节墨水的表面张力，通常用量0.2-0.5%，表面张力调整至28-35mN/m。本实验采用JFC（异构醇聚氧乙烯醚）作为表面活性剂。1.2.5产品配比表1-1各原料配比原料名称用量去离子水74ml兰色色素0.2711g黄色色素0.6475g乙二醇17g丙三醇5gJFC（异构醇聚氧乙烯醚）0.3g1.3实验步骤将准确称量好的原料加入到试剂瓶中，混合均匀，用棉芯吸上墨水，黄绿色墨水引水时间为41s，之后装配好一只完整的水彩笔。1.4实验表征与分析1.4.1墨水粘度性能的测定液体在流动时，在其分子间产生内摩擦的性质，称为液体的黏性，粘性的大小用粘度表示，是用来表征液体性质相关的阻力因子，是流体的一种属性。粘度又分为动力黏度、运动黏度和条件粘度。粘度的大小取决于液体的性质与温度，温度升高，粘度将迅速减小。因此，要测定粘度，必须准确地控制温度的变化才有意义，同时对于不同的流体类型来说，粘度也不同，牛顿流体粘度只与温度有关，与切变速率无关，而非牛顿流体与温度及切变速率有关，不同切变速率条件下，粘度值不同。粘度是影响墨水质量的关键问题。水彩笔墨水粘度较低，在1-10mpa.s范围内，通常在温度25℃条件下，采用转桶法进行测定，转子采用超低粘度转子。本次实验测得的粘度为1.70mpa.s，处于正常范围间。1.4.2墨水表面张力的测定表面张力的形成取决于墨水体系所用的组成材料、表面活性剂的种类、结构、用量等等，是一个综合复杂的问题，需要全面考虑。一般书写基质的表面张力值在35-40mN/m，只有墨水的表面张力小于书写基质的表面张力，才能形成无斑点的有效覆盖。墨水的表面张力越低，有利于得到对写基质较全面覆盖，以提高书写质量。但过低的表面张力难以形成墨滴，易漏，易在笔尖形成污点，水彩笔墨水表面张力一般在20-40mN/m范围内。本次实验测得的表面张力为29mN/m，处于正常范围内。二结果与讨论2.1保湿剂对产品的影响为使水彩笔具有良好的书写性能，必须防止因墨水中溶剂蒸发而影响书写性能，这称为水彩笔的脱帽性能，通常在制备墨水过程中加入保湿剂抑制溶剂的蒸发。对水性墨水来说，常用的保湿剂为水溶性有机溶剂，包括（１）水溶性多元醇类如乙二醇、丙二醇、丙三醇；（２）溶纤剂类如乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚；（３）卡必醇类如二乙二醇一甲醚、卡必醇如二乙二醇一乙醚；（４）乙二醇酯类如乙二醇单乙醚醋酸酯。为达到良好的保湿效果，保湿剂可选择单独使用一种或二种以上的混合物。水溶性有机溶剂在整个墨水组合物中的比例以在30%（重量比）的范围内。若使用量小于1%，笔尖易干燥，而超过30%，则墨迹不易干，同时由于保湿剂增多而至粘度增大，会造成出墨不畅的现象，最适含量一般在10-30%。本实验采用丙三醇和乙二醇的混合保湿剂。2.2表面活性剂对产品的影响由于墨水的表面张力大于书写介质的表面张力，墨水不易在书写介质表面润湿和渗透，因此在墨水制备过程中需调整其表面张力，使水彩笔在书写过程中出墨流畅，通常采用非离子表面活性剂、阴离子型表面活性剂或两者复配使用来调节墨水的表面张力，通常用量0.2-0.5%，表面张力调整至28-35mN/m。本实验采用JFC（异构醇聚氧乙烯醚）作为表面活性剂。三结论本实验制作的黄绿色水彩笔与标准的样品在颜色、粘度、表面张力方面都很接近，是一只合格的水彩笔，粘度为粘度为1.70mpa.s，表面张力为29mN/m。