中性墨水用炭黑色浆的制备与研究

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中性墨水是指墨水的表观粘度介于油性墨水(1000-2000mPa·s)与水性墨水(≤20mPa·s)之间,墨水既有油性墨水的润滑性又有水性墨水的书写舒畅性,同时与传统的染料性墨水相比,具有优异的耐光、耐水、耐温和化学稳定性,墨迹收敛坚牢,可做永久保存,满足档案记录要求。我国作为中性笔的生产和消费大国,生产量占全世界的80%以上;炭黑作为墨水的着色剂,其在体系中的分散稳定性是决定墨水性能的重要因素。而色素炭黑由于其结构具有原生粒径小、比表面积大、颗粒之间有着极强的作用力,在水中不能自行分散,且研磨过程极易产生凝胶,在生产和储存过程中极为不稳定。目前,国内外许多公司开发的水性炭黑色浆,很少有适用于中性墨水。即便通用色浆也存在以下问题,其一,稳定性好,但粘度大,且颗粒粒径达不到中性墨水的要求;其二,粒径较小的色浆,固含量低;其三,色浆相容性差,后续墨水配制过程稳定体系容易被破坏。本文首先综述了国内外为了改善炭黑在水中的分散性,进行的一系列研究,包括分散剂分散、炭黑表面接枝分散、炭黑表面氧化改性,得出炭黑表面接枝分散和炭黑表面氧化改性因从颜料表面对其分散性进行改性能得到稳定性优异的产品,但因其制备工艺复杂,生产成本高,不适合用作中性墨水色浆。而分散剂分散的方法具有生产成本低、工艺简单、产品质量易于控制等优点而得到广泛的应用,其次从炭黑颜料的理化性能、分散剂结构、研磨分散工艺等几个方面出发,制备得到了粒径分布(D50)为100~120nm,颜料含量为30%,粘度为350mpa.s的中性墨水用炭黑色浆,其研究主要包括以下几个方面:1)采用FW200、Printex U、MA-100三种不同理化性能的炭黑作为研究对象,通过研究其润湿性能以及对色浆的粘度和粒径分布的影响得出炭黑MA-100为最适合制备中性墨水用色浆的颜料。2)从分散剂的结构出发,选择三种具有代表性的分散剂(小分子阴离子型NNO、聚合物非离子型PVP、聚合物阴离子型SMA-NH4),通过测定不同条件下炭黑MA-100的ζ电势、沉降速率和流变性能,探究分散剂结构对炭黑分散稳定性的影响,得出在pH=8时,SMA-NH4用量为4%时得到性能最优异的色浆。3)从色浆的研磨方式出发,选择不同的研磨方式(蓝式研磨、高压均质机、棒销式研磨机)及工艺参数,探讨制备中性墨水用炭黑色浆的最佳制备工艺,得出以高速分散高压均质机棒销式研磨的组合工艺,销式研磨机的工艺参数为锆珠的尺寸为0.5mm的氧化钇稳定的氧化锆珠,砂磨机的转速为1500rpm,填充料为70%,研磨时间为1h时能得到粒径分布(D50)为100~120nm的色浆。最后把制备的色浆配制成中性墨水,灌装入笔,将中性笔分别放入常温、高温、低温条件下保存2个月,并定期对其书写性能进行测试,得出以SMA-NH4为分散剂制备的色浆配制的中性墨水,具有优异的理化性能和触变性能,保存2个月后,书写性能依然合格。
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