喷墨打印墨水的研制

王义炜（曲阜师范大学工学院,山东　日照　276826）

喷墨打印墨水的研制

王义炜
（曲阜师范大学工学院,山东日照276826）

以自制苯乙烯-马来酸共聚物为分散剂制备了高色素炭色浆，以丙烯酸乳液为成膜材料，得到了一种高质量喷墨打印墨水，打印机试验表明：所制打印墨水粒径、电导率、粘度等参数与标准样品一致。

喷墨打印墨水；高色素炭色浆；丙烯酸乳液

随着人们经济收入和生活质量的提高，对计算机及打印系统的需求量迅速增加，国外打印设备供应商为谋取高额利润，长期对喷墨打印墨水实行垄断供应，而且明确要求不得更换其他品牌的墨水，由更换墨水带来的打印故障不在售后维修之列，为打破这一僵局并迅速占领打印机市场，有些厂家推出了连续式供墨打印系统，消费者只需购买喷墨墨水灌注到打印机内即可，这不但极大降低了墨水的成本，而且避免了废弃墨盒带来的环境污染。近年来，国内对喷墨打印墨水进行了大量的研究[1-2]，并取得了瞩目的成就，有些研究成果已经工业化，本文接下来对颜料型黑色喷墨打印墨水进行研究。

1　实验

1.1喷墨打印墨水的分类及组成

常用的喷墨打印墨水有两种，一种是染料型，另一种是颜料型，市场出售的墨水有四色和六色，染料型墨水制备过程中常采用水溶性的染料，如对纸张有直接性的直接染料、羊毛染色用的酸性染料和棉用活性染料，由于染料中含有能溶于水的羧基或磺酸基结构，所以制备的墨水通常不耐水且不耐日光，同时，染料在制备过程中通常采用盐析的方法，因此染料在应用前需要提纯精制，目前黑色墨水多应用直接黑为色料，直接黑含有联苯胺结构，长期接触皮肤容易导致癌症，与染料型墨水不同，颜料型墨水以颜料为着色剂，由于颜料不溶于水且团聚在一起，因此应用前需要加分散剂研磨分散，否则容易团聚堵塞喷头。

无论染料型还是颜料型墨水，都是由色料，连接料树脂，PH调节剂，消泡剂，保湿剂，表面活性剂，金属螯合剂，去离子水组成，其中色料是打印墨水的主题，树脂赋予墨水一定的耐磨性和粘度，PH调节剂提供合适的酸碱度，从而保护打印机的墨腔和喷头，保湿剂调节墨水的干燥速度，使墨水不断线或缺少笔画，表面活性剂使墨水容易润湿纸张表面，提高在纸张上的打印效果。

1.2仪器及试剂

三（四）磨口烧瓶两只，可调速搅拌器，玻璃冷凝管，酒精温度计，玻璃恒压漏斗，感量千分之一天平，小型球磨机，进口粒径分析仪，自动数显表面张力仪，多转子粘度计，PH数显计，分析纯丙烯酸丁酯（BA）、工业级甲基丙烯酸甲酯(MMA)、新蒸丙烯酸(AA)、工业级苯乙烯（ST)，马来酸酐（MAH），甲苯，过氧化苯甲酰(BPO)，过硫酸铵，壬基酚聚乙烯醚(OP-10)，十二烷基苯磺酸钠（SDBS），一乙醇胺，高色素炭黑，聚醚消泡剂。

1.3 中等分子量苯乙烯-马来酸的合成

将四口烧瓶固定在搅拌器上，同时放上恒压滴液漏斗，向烧瓶里面加入甲苯、ST、MAH及BPO，搅拌一会后，物料全部溶解，升高温度，到78℃时逐滴加入溶解在甲苯中的BPO，一小会后滴加ST、MAH的均匀混合液，滴完后，保温40分，减压蒸出溶剂二甲苯，得共聚物，加水水解并用氢氧化钾中和至中性，得中等分子量苯乙烯-马来酸，备用。

1.4高色素色浆的制备

精确称量一定质量的高色素炭黑，加入一定质量的自制苯乙烯-马来酸分散剂和去离子水，放入小型球机中进行球磨，球磨到细度小于0.5μm后停止研磨。细度用进口粒径分析仪检验。

1.5透明微乳液的制备

先把丙烯酸丁酯加进三口烧瓶里、再加入AA、MMA和去离子水，搅拌五分钟后再加入1%的SDBS和OP–10的混合物，继续搅拌到液体呈现牛奶状颜色，加热，到78℃时加入引发剂溶液，保持温度三十分钟不变化，得到带有蓝色荧光的透明微乳液。

1.6喷墨打印墨水的制备

在盛有去离子水的大烧杯内加入微乳液，搅拌均匀后再加入高色素色浆，再搅拌均匀后加入消泡剂，保湿剂，表面活性剂，一乙醇胺，启动搅拌三十分钟后，先用两层普通滤纸过滤，再让滤液透过微孔滤膜，得高质量喷墨墨水。

2　结果与讨论

2.1色浆用量的选择

取一定质量的炭黑色浆，加入去离子水到一百克，与市售标准黑色颜料墨水同时书写在纸张上对比颜色，结果见表1。

　表1　色浆浓度的确定

由上表可以看出，随着色浆用量的增加，墨水颜色变黑，当色浆用量达到总量的7%时，墨水颜色已接近标样，因此配方中色浆用量为7%。

2.2微乳液用量的选择

根据上面实验把色浆的用量设定在7%，然后研究微乳液的不同加入量对墨水耐水情况和粘度带来的影响，结果见表2。

表2　微乳液的加入量对耐水和粘度情况的影响

由上表可以看出，随微乳液用量的加大，喷墨墨水的耐水性得以提高，微乳液用量低于6%时，可以感觉出浸泡后的水透明度有一定变化，这可能是部分炭黑扩散到水中导致，微乳液用量超过百分之六后，耐水性不再变化且达到最高级别5级，同时浸泡后的水目测不出任何变化，这可能是乳液在干燥后成膜，失去水溶性，从而使耐水性提高，同时随乳液用量的加大，粘度逐渐增大，主要是由于乳液是高分子聚合物，随着用量的加大，高分子的浓度加大，相互接触缠绕的概率增大，从而表现出粘度加大，考虑到后期还要加入一缩二乙二醇作为保湿剂，会进一步加大体系粘度，该配方中微乳液用量确定为6%。

2.3pH调节剂用量的选择

墨水的酸碱度对墨腔和喷头有一定影响，酸性条件下金属容易腐蚀，通常的pH调节剂包括氨水，乙醇胺，及氢氧化钾等，由于氨水刺激性气味较大，氢氧化钾容易引入钾离子，引起电导率的变化，研究过程中用一乙醇胺调节墨水的pH值，下表是一乙醇胺的使用量和墨水pH值的关系。

表3　一乙醇胺使用量和墨水pH值的关系　

由上表可以看出，随一乙醇胺用量的增加，墨水的pH值逐渐增加，用量0.5%时，体系pH值和标样的接近，因此，一乙醇胺的用量确定为0.5%。

2.4表面活性剂用量的选择

表面活性剂依据在水中离解后的活性部分所带电荷划分为阴离子型、阳离子型和非离子型，阳离子型的活性部分由于带有正电荷，在阴离子含量高的溶液中容易发生化学反应失去效果，阴离子型和非离子型活性剂混合使用可以大大提高活性，用量很少就可以达到临界胶束浓度。本研究中把SDBS和OP–10二者按质量比为1:1混合后，取不同量加入到墨水配方中，下表是墨水的表面张力与混合表面活性剂的加入量之间的关系。

表4　墨水的表面张力与混合表面活性剂加入量的关系

由以上数据可以看出，表面活性剂在溶液中占的比例越高，墨水的表面张力越低，这是因为表面活性剂的亲水部分溶解在水中，亲油部分伸向空气，在空气和水的表面形成了一层过渡层，降低了墨水的表面张力，鉴于标准墨水的表面张力在30达因左右，表面活性剂在本配方中的合理用量是1.2%。

2.5保湿剂和消泡剂用量的确定

保湿剂通常选用含有两个或三个羟基的高沸点醇（如乙二醇和丙三醇），很多文献选用二甘醇，墨水的粘度和干燥速度与二甘醇的加入量有很大的关系，合适的加入量可以避免喷头被墨水堵塞，打印试验表明，添加3%的保湿剂用量，可以使墨水具有良好的性能。由于墨水制备过程中有许多泡沫，所以配方中加入0.2%的消泡剂。

2.6自制墨水与标准墨水的指标对比

注：打印测试采用爱普生打印机，储存时间为两个月后用肉眼观察有无沉淀

3　结论

以高色素炭黑色浆为着色剂，以丙烯酸微乳液为连接料，加入助剂，研制成功了一种耐水黑色颜料型喷墨打印墨水，最佳配方为：加入色浆7%，使用微乳液6%，添加一乙醇胺0.5%，应用表面活性剂1.2%，保湿剂和消泡剂分别是3%和千分之二，剩下部分是去离子水，打印试验表明：该墨水耐水性良好，打印过程中无毛刺洇纸现象，储存稳定，具有较高的经济和社会效益。

[1]曹万里,屠天民.纺织品喷墨印花墨水的研制[J].广西纺织科技，2001,30(04):2-4.

[2]张姝飞，苗蔚荣.喷墨打印用墨水的发展现状[J].染料与染色，2003(02):1-3.