摘要：综述了水性墨水的主要物理性能指标及其对墨水性能的影响，包括粘度、表面张力、pH值。介绍了水性墨水的主要组分：着色剂、水溶性有机溶剂、表面活性剂及pH调节剂等。

    关键词：粘度  表面张力  pH值  着色剂  溶剂  表面活性剂

    1  引言

    利用球珠滚动带出书写介质(墨水或油墨)的书写工具统称为圆珠笔，其书写介质为油性的称为圆珠笔；其书写介质为水性的称为水性圆珠笔(水性墨水笔)亦称滚珠笔、宝珠笔；其书写介质的粘度介于水性和油性之间的称为中性笔。水性圆珠笔所用的介质称为水性墨水，是一种粘度介于2～8cp的墨水[1]，通常是通过加多元醇及其衍生物等水溶性有机溶剂于含有水溶性染料、颜料等有色物质的水溶液中来制备。使用时通过集束的微细纤维制成的喂料器的毛细管作用，将墨水输送到球珠表面，利用球珠滚动带出粘附在其表面上的墨水，形成字迹[1,2]。由于水性墨水粘度低，具有书写流利等优点，在国内外已有广泛的应用。

    本文综述了水性墨水的主要物理性能指标和组分，希望对水性墨水的认识和研究提供一点参考。

    2  水性墨水的主要物理性能指标

    2．1  粘度

    粘度会严重影响墨水的书写性能，是墨水的最主要性能指标之一。粘度低墨水书写流利，但会带来渗透、字迹模糊、渗漏等问题。粘度高可避免渗透及来自笔尖的墨水斑点玷污，且如果粘度适当时，墨水可直接充注在油墨管内简化圆珠笔的结构，但容易产生划线断开和缺油磨损，粘度过高还会造成笔头堵塞。水性墨水粘度通常要求在lOmPa．s以下。

    2．2  表面张力

    墨水的表面张力主要影响墨水在纸张和其他介质中的渗透性，同时还会影响墨水的保湿性和稳定性等。表面张力小，墨滴小，墨水易渗入纸张或其他介质中。表面张力大，墨滴大，向介质渗透性小，墨水写在纸上干得慢。水性墨水的表面张力通常为31—40mN／m，35～40mN／m更佳。

    2．3  pH值

    为保证墨水的稳定性，墨水的pH值首先要保证与染料所须的pH值相匹配，同时考虑不同pH值的墨水对笔头的腐蚀性。pH值过高或过低都会加速墨水对笔头的腐蚀。故在保证墨水稳定的前提下，水性墨水的pH值应以中性偏碱性为宜。

    表1  National水性墨水的主要性能指标
┌──────────┬────────────────┐
│    Color           │Black    Red    Blue  Green     │
├──────────┼────────────────┤
│Viscosity(cp)25℃   │    6．4    5．0    5．2    5．0│
│    pH              │    7．7    7．5    7．8    7．5│
│    SurfaceTcnsion  │                                │
│    (mN／m)         │    38    38    36    33        │
│    Specific Gravity│1．110  1．050  1．090  1．100  │
└──────────┴────────────────┘
    染料着色剂具有优良的水溶性，配置方便，成本低，制成的墨水稳定性好，颜色鲜艳，不易堵塞。而且使用染料作为水性墨水的着色剂，由于染料的可溶性，即使墨水中的水分蒸发，墨水在笔端硬化，当再加入墨水时染料会再溶解，有利于开始书写。一般将染料直接溶于水中，再加入水溶性有机溶剂及其它助剂可制得水性墨水。但染料型水性墨水的耐水牢度和耐光牢度较差。可用于水性墨水的染料有：直接染料如直接耐晒黑等，酸性染料如暑红、酸性红、水红等，碱性染料如若丹红、甲基紫等[2，3]。其中直接染料在防水性及防止墨迹扩散方面优于酸性染料。

    3. 1．2  颜料

    使用颜料作为着色剂的水性墨水，在书写中具有优良的耐光性、耐水性、耐热性和抗氧化性[4]。但颜料不溶于水，颜料是借助于分散剂的作用分散于墨水中的，是热力学不稳定体系，颜料着色剂在体系中有聚集的倾向，因此颜料型墨水的抗老化性较差，长期贮存时会引起着色剂等组分的分离和沉积即体系失稳，影响墨水的性能。而且一旦墨水中的着色剂丧失分散性，由于颜料的不溶性，即使再加入墨水也不能使颜料再分散，而不能使用。因此如何使颜料均匀稳定分散于墨水中，并在长期贮存过程中可抑制颜料沉积和分离，具良好的跟进性和连续书写性能是颜料型水性墨水主要研究内容。使用颜料作为着色剂时，还须使用使颜料均匀分散于墨水中形成稳定体系的分散剂。可用做颜料分散剂的常为水溶性聚合物，如水溶性苯乙烯—丙烯酸共聚物、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚马来酸、水溶性苯乙烯—马来酸树脂等[1，2]。其机理是，水溶性聚合物中的亲水基可吸附在颜料颗粒的表面形成外壳，使颜料颗粒被屏蔽起来而不能发生絮凝使颜料可稳定均匀地分散于体系中。
    可用于水性墨水的颜料有：无机颜料，如碳黑、氧化钛等；有机颜料，如偶氮类颜料、蒽醌类颜料、酞青颜料等[2，5，6]。

    3．2  水溶性有机溶剂

    水溶性有机溶剂在墨水中的用量仅次于水，在墨水中水溶性有机溶剂主要起润湿作用，防止墨水在长期贮存时因水分蒸发而干燥，影响墨水的书写性能，即使墨水具有良好的抗干燥性，同时使灌装该墨水的圆珠笔可长时间脱帽而书写性能依然良好(即脱帽性)。另外，水溶性有机溶剂还可起到防止墨水在低温下冻结(抗冻性)和润滑等作用。水溶性有机溶剂的一般用量为10～30％，有时更高达50％。水溶性有机溶剂用量过少，墨水易挥发，不宜长期贮存，亦影响书写流利性；过多，书写在纸张上的墨迹干燥不快，易玷污其他纸张和物品，同时还会增加墨水的成本[5]。水溶性有机溶剂常为多元醇类如乙二醇、丙三醇、二甘醇、丙二醇等，另外有时也用丙二醇单甲醚等二元醇醚及丙二醇单甲醚乙酸酯等二元醇醚酯等[2,5]。他们可单独使用，也可多种混合使用。其中乙二醇、乙二醇醚等本身是优良的防冻剂，少量加入即可大大降低墨水的冰
点，使墨水在低温时不冻结仍然可流利书写。

    3．3  表面活性剂

    在墨水中加入表面活性剂可起到润湿、渗透、润滑等作用，可调节墨水的表面张力和出墨量，改善墨水的书写性能。表面活性剂可从阴离子、阳离子、非离子及两性表面活性剂中选取，但表面活性剂的种类要与染料、墨水的种类相匹配，表面活性剂的HLB值过小，为水／油型，不适宜水性墨水，HLB值过大，虽增加了其在水中的溶解度，但表面活性作用下降。水性墨水常用的表面活性剂主要为非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂。表面活性剂的用量要保证墨水适宜的表面张力，一般为墨水总量的0．01—0．5％。

    3．4  pH调节剂、防腐剂、杀菌剂及其它助剂

    为使墨水的pH值与着色剂所要求的pH值相匹配，保证染料的溶解性，同时减少墨水对笔头的腐蚀，常使用pH调节剂来调节墨水的pH值，如三乙醇胺、二乙醇胺、单乙醇胺、氨水、碳酸钠、链烷醇胺、苛性钠等[1，2，6，7]。

    水性墨水是一种极性的电解质溶液，盛有墨水的笔头长期与空气接触形成腐蚀电池，对笔头腐蚀十分严重，为此常须加入防腐剂来减缓墨水对笔头的腐蚀，这类防腐剂常为含氮杂环类有机物，如苯并三唑、甲苯三唑、苯并醚唑、亚硝酸二异丙基铵、亚硝酸二环己基铵等[1，2，6，7]。

    为防止墨水长期贮存细菌繁殖，有时还加入杀菌剂，如山梨酸钾、安息香酸钠、苯酚、苯甲酸钠、五氯苯酚钠等[1，5]。

    此外，为抑制墨水水分在使用时挥发而导致溶解物和分散组分浓缩、沉积、干燥、凝固造成书写时堵塞，有时还加入微挥发的染料助溶剂如脲、硫脲等[4]。但要控制好量，因为这些助剂的加人会使墨水粘度增加而影响墨水的随动性能。
  
    4  结语

    中国是制笔大国，不是制笔强国，国内所用的墨水主要依赖进口。国内对墨水的研究相对较少，国外有关墨水的研究成果主要为专利。因此加强对墨水的研究，实现墨水的国产化具有重要的意义。

参考文献
[1)  用于圆珠笔的水基油墨组合物，97180403．6．
[2]  圆珠笔用假塑性水基油墨，97180593．8．
[3]  水性圆珠笔黑墨水组合物，02137371．X．
[4]  一种圆珠笔使用的直接加入式墨水，97114527．X．
[5]  水性圆珠笔墨水组合物，95105852．5．
[6]  用于圆珠笔的水基油墨，98811764．9．
[7]  用于圆珠笔的水性油墨组合物，95103975．X．

2007年10月16日