噴墨打印墨水的研制

王義煒（曲阜師范大學工學院,山東　日照　276826）

噴墨打印墨水的研制

王義煒
（曲阜師范大學工學院,山東日照276826）

以自制苯乙烯-馬來酸共聚物為分散劑制備了高色素炭色漿，以丙烯酸乳液為成膜材料，得到了一種高質量噴墨打印墨水，打印機試驗表明：所制打印墨水粒徑、電導率、粘度等參數與標準樣品一致。

噴墨打印墨水；高色素炭色漿；丙烯酸乳液

隨著人們經濟收入和生活質量的提高，對計算機及打印系統的需求量迅速增加，國外打印設備供應商為謀取高額利潤，長期對噴墨打印墨水實行壟斷供應，而且明確要求不得更換其他品牌的墨水，由更換墨水帶來的打印故障不在售后維修之列，為打破這一僵局并迅速占領打印機市場，有些廠家推出了連續式供墨打印系統，消費者只需購買噴墨墨水灌注到打印機內即可，這不但極大降低了墨水的成本，而且避免了廢棄墨盒帶來的環境污染。近年來，國內對噴墨打印墨水進行了大量的研究[1-2]，并取得了矚目的成就，有些研究成果已經工業化，本文接下來對顏料型黑色噴墨打印墨水進行研究。

1　實驗

1.1噴墨打印墨水的分類及組成

常用的噴墨打印墨水有兩種，一種是染料型，另一種是顏料型，市場出售的墨水有四色和六色，染料型墨水制備過程中常采用水溶性的染料，如對紙張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結構，所以制備的墨水通常不耐水且不耐日光，同時，染料在制備過程中通常采用鹽析的方法，因此染料在應用前需要提純精制，目前黑色墨水多應用直接黑為色料，直接黑含有聯苯胺結構，長期接觸皮膚容易導致癌癥，與染料型墨水不同，顏料型墨水以顏料為著色劑，由于顏料不溶于水且團聚在一起，因此應用前需要加分散劑研磨分散，否則容易團聚堵塞噴頭。

無論染料型還是顏料型墨水，都是由色料，連接料樹脂，PH調節劑，消泡劑，保濕劑，表面活性劑，金屬螯合劑，去離子水組成，其中色料是打印墨水的主題，樹脂賦予墨水一定的耐磨性和粘度，PH調節劑提供合適的酸堿度，從而保護打印機的墨腔和噴頭，保濕劑調節墨水的干燥速度，使墨水不斷線或缺少筆畫，表面活性劑使墨水容易潤濕紙張表面，提高在紙張上的打印效果。

1.2儀器及試劑

三（四）磨口燒瓶兩只，可調速攪拌器，玻璃冷凝管，酒精溫度計，玻璃恒壓漏斗，感量千分之一天平，小型球磨機，進口粒徑分析儀，自動數顯表面張力儀，多轉子粘度計，PH數顯計，分析純丙烯酸丁酯（BA）、工業級甲基丙烯酸甲酯(MMA)、新蒸丙烯酸(AA)、工業級苯乙烯（ST)，馬來酸酐（MAH），甲苯，過氧化苯甲酰(BPO)，過硫酸銨，壬基酚聚乙烯醚(OP-10)，十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），一乙醇胺，高色素炭黑，聚醚消泡劑。

1.3 中等分子量苯乙烯-馬來酸的合成

將四口燒瓶固定在攪拌器上，同時放上恒壓滴液漏斗，向燒瓶里面加入甲苯、ST、MAH及BPO，攪拌一會后，物料全部溶解，升高溫度，到78℃時逐滴加入溶解在甲苯中的BPO，一小會后滴加ST、MAH的均勻混合液，滴完后，保溫40分，減壓蒸出溶劑二甲苯，得共聚物，加水水解并用氫氧化鉀中和至中性，得中等分子量苯乙烯-馬來酸，備用。

1.4高色素色漿的制備

精確稱量一定質量的高色素炭黑，加入一定質量的自制苯乙烯-馬來酸分散劑和去離子水，放入小型球機中進行球磨，球磨到細度小于0.5μm后停止研磨。細度用進口粒徑分析儀檢驗。

1.5透明微乳液的制備

先把丙烯酸丁酯加進三口燒瓶里、再加入AA、MMA和去離子水，攪拌五分鐘后再加入1%的SDBS和OP–10的混合物，繼續攪拌到液體呈現牛奶狀顏色，加熱，到78℃時加入引發劑溶液，保持溫度三十分鐘不變化，得到帶有藍色熒光的透明微乳液。

1.6噴墨打印墨水的制備

在盛有去離子水的大燒杯內加入微乳液，攪拌均勻后再加入高色素色漿，再攪拌均勻后加入消泡劑，保濕劑，表面活性劑，一乙醇胺，啟動攪拌三十分鐘后，先用兩層普通濾紙過濾，再讓濾液透過微孔濾膜，得高質量噴墨墨水。

2　結果與討論

2.1色漿用量的選擇

取一定質量的炭黑色漿，加入去離子水到一百克，與市售標準黑色顏料墨水同時書寫在紙張上對比顏色，結果見表1。

　表1　色漿濃度的確定

由上表可以看出，隨著色漿用量的增加，墨水顏色變黑，當色漿用量達到總量的7%時，墨水顏色已接近標樣，因此配方中色漿用量為7%。

2.2微乳液用量的選擇

根據上面實驗把色漿的用量設定在7%，然后研究微乳液的不同加入量對墨水耐水情況和粘度帶來的影響，結果見表2。

表2　微乳液的加入量對耐水和粘度情況的影響

由上表可以看出，隨微乳液用量的加大，噴墨墨水的耐水性得以提高，微乳液用量低于6%時，可以感覺出浸泡后的水透明度有一定變化，這可能是部分炭黑擴散到水中導致，微乳液用量超過百分之六后，耐水性不再變化且達到最高級別5級，同時浸泡后的水目測不出任何變化，這可能是乳液在干燥后成膜，失去水溶性，從而使耐水性提高，同時隨乳液用量的加大，粘度逐漸增大，主要是由于乳液是高分子聚合物，隨著用量的加大，高分子的濃度加大，相互接觸纏繞的概率增大，從而表現出粘度加大，考慮到后期還要加入一縮二乙二醇作為保濕劑，會進一步加大體系粘度，該配方中微乳液用量確定為6%。

2.3pH調節劑用量的選擇

墨水的酸堿度對墨腔和噴頭有一定影響，酸性條件下金屬容易腐蝕，通常的pH調節劑包括氨水，乙醇胺，及氫氧化鉀等，由于氨水刺激性氣味較大，氫氧化鉀容易引入鉀離子，引起電導率的變化，研究過程中用一乙醇胺調節墨水的pH值，下表是一乙醇胺的使用量和墨水pH值的關系。

表3　一乙醇胺使用量和墨水pH值的關系　

由上表可以看出，隨一乙醇胺用量的增加，墨水的pH值逐漸增加，用量0.5%時，體系pH值和標樣的接近，因此，一乙醇胺的用量確定為0.5%。

2.4表面活性劑用量的選擇

表面活性劑依據在水中離解后的活性部分所帶電荷劃分為陰離子型、陽離子型和非離子型，陽離子型的活性部分由于帶有正電荷，在陰離子含量高的溶液中容易發生化學反應失去效果，陰離子型和非離子型活性劑混合使用可以大大提高活性，用量很少就可以達到臨界膠束濃度。本研究中把SDBS和OP–10二者按質量比為1:1混合后，取不同量加入到墨水配方中，下表是墨水的表面張力與混合表面活性劑的加入量之間的關系。

表4　墨水的表面張力與混合表面活性劑加入量的關系

由以上數據可以看出，表面活性劑在溶液中占的比例越高，墨水的表面張力越低，這是因為表面活性劑的親水部分溶解在水中，親油部分伸向空氣，在空氣和水的表面形成了一層過渡層，降低了墨水的表面張力，鑒于標準墨水的表面張力在30達因左右，表面活性劑在本配方中的合理用量是1.2%。

2.5保濕劑和消泡劑用量的確定

保濕劑通常選用含有兩個或三個羥基的高沸點醇（如乙二醇和丙三醇），很多文獻選用二甘醇，墨水的粘度和干燥速度與二甘醇的加入量有很大的關系，合適的加入量可以避免噴頭被墨水堵塞，打印試驗表明，添加3%的保濕劑用量，可以使墨水具有良好的性能。由于墨水制備過程中有許多泡沫，所以配方中加入0.2%的消泡劑。

2.6自制墨水與標準墨水的指標對比

注：打印測試采用愛普生打印機，儲存時間為兩個月后用肉眼觀察有無沉淀

3　結論

以高色素炭黑色漿為著色劑，以丙烯酸微乳液為連接料，加入助劑，研制成功了一種耐水黑色顏料型噴墨打印墨水，最佳配方為：加入色漿7%，使用微乳液6%，添加一乙醇胺0.5%，應用表面活性劑1.2%，保濕劑和消泡劑分別是3%和千分之二，剩下部分是去離子水，打印試驗表明：該墨水耐水性良好，打印過程中無毛刺洇紙現象，儲存穩定，具有較高的經濟和社會效益。

[1]曹萬里,屠天民.紡織品噴墨印花墨水的研制[J].廣西紡織科技，2001,30(04):2-4.

[2]張姝飛，苗蔚榮.噴墨打印用墨水的發展現狀[J].染料與染色，2003(02):1-3.