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1、喷墨打印墨水组成成分的性能研究状况吕海宁( 嘉兴学院服装与艺术设计学院, 浙江 嘉兴 314001)摘要: 随着喷墨打印机的广泛使用和人们环保节约意识的提高, 喷墨打印墨水成了商家争相竞逐研究开发的对象。对墨水的组成进行了详细的介绍, 并对各组分的作用进行了透彻的剖析, 着重对着色剂和表面活性剂的选择和应用性能进 行了论述。关键词: 喷墨打印; 墨水; 着色剂; 表面活性剂中图分类号: TS951.23文献标识码: A文章编号: 1002- 1116(2006)24- 0013- 03随着计算机的普及和数码相机的迅速进入家庭, 彩色打印市场现已进入 高 速 增 长 阶 段, 彩 色 打 印设
2、备( 主 要 为 彩色喷墨打印机 和 喷 绘 仪) 也 随 之 迅速 普 及, 对 彩 色 喷 墨 墨水和专用打印纸的需求不断增大, 其现实和潜在的市场 增长空间十分巨大。其中墨水更是成为各计算机耗材行业 争相开发研究的重点之一 1 。墨水有很多分类方法, 按照溶剂类型可分为水性和有 机溶剂型; 按照 色料 类 型 可 分 为 颜 料( 不 溶 性颜 料 和 分 散 染料) 型和染料( 水 溶 性 染 料 ) 型 ; 按 照 用途 可 分 为 书 写 墨 水、打印墨水等 2 。墨水的基本成分为着色剂、溶剂以及为 调节墨水性质加入的各种助剂。喷 墨 打 印 墨 水 在 打 印性 能 上 的 要
3、求 主 要 有: 图像 清 晰、色彩逼真、具有 良好 的 耐 水 、耐 光 牢 度 及 光 密度, 干 燥 速度快、不易沾污、在喷嘴前端不易形成硬壳、长期存放稳 定性好、不应有化学变化或沉淀生成等 3 。下面根据墨水的 基本成分对墨水性能影响分别进行探讨。水的耐光性、耐水性、耐热性和抗氧化性优良, 且不易受天气影响, 但 颜 料 型 墨水 的 液 体 稳 定 性 差, 在 长 期储 存 中 颜 料的分散性可能不稳定从而引起喷嘴堵塞 4 。目前喷墨打印用的商品化墨水大多属于染料型墨水, 所用染料主要从直接染料、酸性染料、食品染料、活性染料 中选取。常用适宜的染料有: C.I.活性红 180, 直
4、接红 32, 直 接 红 9, 酸 性 红 17, 酸 性 红 52, 酸 性 红 249; C.I. 直 接 蓝 86, 直接蓝 199, 酸性蓝 185, 酸 性 蓝 9; C.I. 直 接 黄 132, 酸 性黄132 和酸性黄 23; C.I.食品黑 2, 直接黑 168 等 5 。但现在国 内外还没 有墨 水 专 用 染 料, 市 售 的 染料 因 金 属 离 子 、助 剂含量高等原因不能直接用于制备墨水, 需采用膜分离技术 等提纯手段对染料进一步处理 6 。颜 料 型 喷 墨 打 印 墨 水 常 用 的 颜 料 有 : BASF 公 司 的 PALIOGEN 和 HELIOGEN
5、涂 料 系 列 , CIBA 公 司 的 CHRO- MOPHTAL 和 MONASTRAL 涂料系列, DUPOUT 公司的 TI- PURE 系列中的二氧化钛涂料, 卡博特公司的 MONARCH涂 料 系 列 , CLARIANT公 司 的NOVOPERM、HANSA、着色剂制备墨水 常 用 的 着 色剂 有 染 料( 水 溶 性 染 料) 和颜 料 ( 不溶性颜料和分散染料) 两种类型。无论是染料还是颜 料, 可以是非离子的、阳离子的、阴离子的或者是它们的混 合物。使用染料作着色剂具有制备方便、成本低、制成的墨 水稳定性好、颜色鲜艳、色谱齐全和不易堵塞等优点, 但墨 水的耐水牢度和耐光牢
6、度较差; 使用颜料作为着色剂, 墨1HOSTAPERM 涂料系列等 7 。着色剂的用量一般占墨水总量的 0.5%10%,的范围在 0.5%5%之间。较合适溶剂分散着色剂的溶剂主要是去离子水, 还要配用水溶性 有机溶剂。加入有机溶剂的主要作用是起润湿作用, 防止2收稿日期: 2006- 06- 15作 者 简 介 : 吕 海 宁 ( 1980) , 女 , 山 东 莱 西 人 , 硕 士 , 教 师 , 研 究 方 向 : 新 型 染 整 技 术 及 生 态 纺 织 品 的 研 究 开 发 。 电 话 :13857365829。- 13 -江苏化工市场七日讯http:/墨水在长期贮存时因水分蒸发
7、而干燥, 影响墨水的书写性能, 防止墨水在低温下冻结和润滑, 提高墨水的稳定性, 调 节其表面张力和黏度, 使墨水能适于相应的打印方式; 在 起泡式打印 机 中, 有 机 溶 剂 能 使墨 水 起 泡 稳 定, 以 打 印 出 良好 的 影 像: 打 印 时 可 促使 墨 水 在 喷 嘴 处 形 成 薄 而脆 的 膜, 防止喷头堵塞; 同时, 溶剂中的醇类物质可使印字速干 等 8 。用量常为墨水总量的 0.1%40%。一般情况下, 溶剂用 量增加墨水的黏度增加, 当溶剂用量超过一定量以后, 墨 水的书写性能 变 差, 容 易 出 现 划 线 断 开, 且 书 写的 墨 迹 难 干燥, 易羽化、
8、玷污纸张和其他物品, 同时还会增加墨水的 成本, 因此溶剂含量不宜过大。但溶剂含量也不能过少, 否 则墨水易挥发, 不宜长期贮存, 亦影响书写流利性 9 。有时 还添加多 元 醇 烷 基 醚以 便 能 有 效 地 加 速 墨 水 在纸 上 的 渗 透, 提高墨水 的快 干 性 能, 从 而 防 止 由 于干 燥 速 度 慢 而 引 起的颜色间的渗透, 同时提高染料的耐水牢度。常用的有机溶剂有: 甲醇、乙醇、n- 丙醇、异丙醇、n- 丁 醇、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、丙酮、四氢呋喃、C212 二 醇、丙三醇、乙醚、氯仿、四氯化碳等 10, 11 。十酯) 也可用作消泡剂 14 。有 研 究 表
9、 明 15 , 在 配 制 墨水 时 使 用 阴 离 子 型 着 色 剂 , 添加醇和直链烷烃二醇作为湿润剂, 可以和阳离子表面活 性剂之间产生协同效应使配方非常稳定, 可以使阴离子型 着色剂 与 阳 离 子 型 表 面 活 性 剂结 合 在 一 起 而 不 会 从 溶液 中沉淀或“彻底分离”出着色剂。该研究中的溶液含有阴离 子和阳离子而不引起着色剂沉淀, 比较稳定。阴离子着色 剂中加入阳离子表面活性剂会增大油墨的黏度, 延迟点扩 散, 导致更 清晰 的 边 缘, 可 以 很 好 地 在任 何 常 规 纸 介 质 上 起 作用 。优 选 的 表 面 活 性 剂 含 有 如 下 结 构 : RN
10、( R1, R2, R3) , 其 中 R 碳 原 子数 可 为 818, R1、R2、R3 碳 原 子 数 可 为14, 可以是任意结合。缓冲剂或 pH 值调节剂喷墨打印墨水的 pH 值对墨水的应用性能有很大的影 响。若 pH 值过低( 酸性) , 墨水会腐蚀墨盒; 若 pH 值过高 ( 碱性) , 会产生额外的盐而降低墨盒的使用寿命( 腐蚀) 并 提高了电导率。为保证墨水良好的稳定性, 墨水的 pH 值必 须与染料所需的 pH 值相当 2 。因此在制备喷墨打印墨水时 需加入少量的缓冲剂或 pH 值调节剂。一般情况下, 墨水的 pH 值要求在 79 16 。通常选用的无机缓冲剂有磷酸盐、硼酸
11、盐、碳酸盐、醋 酸 钠 、醋 酸 钾 、醋 酸 铵等 , 有 机 缓 冲 剂 有 4- 吗 啉 乙 烷 磺 酸 ( MES) 、b- 羟基- 4- 吗啉丙烷磺酸( MOPSO) 、4- 吗啉丙烷磺酸( MOPS) 、柠檬酸、乙醇酸、丁二酸、三乙醇胺、二乙醇胺等7 。4表面活性剂墨 水 的 黏 度 和 表 面 张力 对 墨 水 的 应 用 性 能 有很 大 的 影响。墨水的黏度会影响印品的边缘锐利度, 墨水在纸介 质中的渗透性, 墨 水 在 墨 盒 中 的 流 动性( 特 别 是 带 有 海 绵 的墨盒) 以及墨水的喷射性能 12 。一般情况下, 墨水黏度要 求在 1.53 mPas, 表面张力
12、一般应在 35 Pa。表面活性剂 在墨水的制备过程中起着 3 方面作用 2 。3金属螯合剂评价墨水性能的另一个重要指标是电导率值。电导率 数值是用来反映其中盐含量的高低。该参数受墨水中的盐 和染料的离子性这两个因素影响, 虽然染料的离子性不会 像盐一样对墨盒造成损害, 但墨水中的盐( 如氯化钠) 会损 害墨盒甚至使墨盒失效。为此有时需在墨水配制过程中加 入 0.1%0.5%金属螯合剂 17 。常用的金属螯合剂有: 乙二胺 四 乙 酸 ( EDTA) 、二 亚 乙 基 三 胺 五 乙 酸 ( DTPA) 、反 式 1, 2- 二胺基环己烷四乙酸( CDTA) 、( 亚乙二氧基) 二亚乙基二次 氨
13、基四乙酸( EGTA) 及其他能够结合金属阳离子的螯合剂。5分散作用: 制备颜料型墨水时一项重要的指标就( 1)是色料保持精细均匀的分散状态而不发生絮凝。分散色料可以通过添加分散剂来实现, 表面活性剂就是通常使用的 分散剂, 它一 方 面有 助 于 溶 剂 中 色 料 颗 粒 的分 散, 防 止 它 们凝聚沉淀, 另一方面又起着使墨水笔迹容易从书写表面 剥离开来的作用; 同时还能改善墨水对笔头的浸润性, 使 出墨流畅。和溶剂相比, 它们往往具有较低的蒸气压不易 挥发。( 2) 降低表面张力的作用: 在溶液中, 表面活性剂分子 迁移到溶剂表面, 降低( 水或其他溶剂) 表面张力。表面活 性剂进行
14、分子取向时极性基团直接朝向溶剂表面, 碳氢链 伸向空中, 表面张力降低。表面张力持续降低到临界胶束 浓度后保持 恒 定, 表 面 活 性 剂分 子 分 布 于 溶 剂 表 面, 直 到 单层结构形成。( 3) 消泡作用: 发泡是墨水成分本身不可避免的, 解决 这一问题 的 办 法 是 在墨 水 制 造 的 不 同 阶 段 加 入不 同 的 表 面活性剂作为抗发泡剂或消泡剂来控制引起发泡的因素 13 。 常用的表面活性剂 有: 脂 肪 酸 、磷酸 酯 、改 性 聚 乙 烯 醇 、聚 硅氧烷和聚醚改性硅氧烷、硅烷、疏水硅烷、C6C10 醇的 脂 肪酸酯、脂肪酰胺、金属皂、三烷基磷酸酯和一些天然产物
15、( 松子油、松节油) 等。另外, 有机醇( 十六醇) 和酯( 磷酸三其他添加剂为了提高墨水的打印效果, 改善墨水的应用性能, 有 时根据实际应用的要求还要添加其他成分, 如杀菌剂、防 腐剂、阻蚀剂等。例如以直接黑 H 染料为着色剂的墨水配 方中, 防腐剂苯甲酸钠, 属于芳香族羧酸类; 阻蚀剂五氯酚 钠具有防菌、抗蚀作用; 添加剂为杂环化合物, 主要用具有 化学结构的 聚 乙 烯 吡 咯烷 酮, 在 墨 水 中 起 防 渗 作用, 有 利 于墨水的稳定性, 也在墨水中起连接剂的作用。其成分配 比如下 18 : 直接黑 H 染料, 5565 gL- 1; 水性有机溶剂, 90110 gL- 1;
16、防腐剂, 35 gL- 1; 阻蚀 剂 , 1.52 gL- 1; 添 加 剂 ,6- 14 -科 技 进 展江苏化工市场七日讯2006 年第 24 期5060 gL- 1。水溶性墨最大的一个缺点是耐水牢度较差, 为此有人 提出在墨的组成中加入含铵、锆的聚合物盐, 或硅胶胶体, 或含硅有机聚合物, 或含季胺盐阳离子聚合物等来增加与 染料之间的作用力, 还有的在染料分子上引入糖类基团或 将部分磺酸水溶性基团换成羧酸或羧甲砜基基团等, 在一 定程度上改进墨水的耐水牢度 19 。为了满 足 打 印 的 要 求, 在 制 备 喷 墨 打 印 墨 水 时, 有 时 着色剂可能包 括 两种, 一 种 是
17、主 体 发 色 染 料, 另一 种 是 用 来调节色光、吸收 紫 外 线 和 红 外 线 的 染料; 另 外 还 要 根 据 需要添加溶剂、助溶剂、表面活性剂、缓冲剂、杀菌剂、防堵 塞剂、黏度调节剂和水等 20 。 7Shirley Lee, Steven L Webb, Grant Allen Webster, et al.Additives for ink- jet inks: US, 6 592 657 P . 2003- 07- 15. 褚夫强, 孙翠霞, 高文红, 等.通用型喷墨打印用墨水的研 制 J .山东轻工业学院学报, 2004, 18( 2) : 64- 67.胡建波, 向卫
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21、用的染料、溶剂、助剂配方已使墨水在耐水、耐光、耐日晒牢度及图像清晰度方面有了很大的进步。我国的染料工业及相关的精 细化工领域, 可 以 满 足 打 印墨 水 的 原 料 需 求, 而 在 墨水 制 造方面应加大研究力度, 提高满足市场需求的打印墨水产 品的质量。 14 15参考文献: 16骆光林, 宋卫生.填充式喷墨打印机墨水的研究 J . 印刷杂志, 2004( 12) : 87- 88.张俊, 李忠平, 董川.表面活性剂在墨水制造中的应用 J .日用化学工业, 2004, 34( 6) : 383- 387.陈中元, 朱友良, 许青青.黄色喷印墨水的配制和试用 J .造纸化学品, 2005
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24、wide application of ink- jet printer and the realization of the importance of environmental pro-tection and conservation, ink- jet printer ink becomes the focus of producerspursuit aim. In this paper the compo- sitions of ink - jet printer ink are introduced in details, and the performance of each ones are analysed throughly, and the selection and application properties of colorants and surfactants are emphasized.Key wor ds: ink- jet printer; ink; colorant; surfactant- 15 -科 技 进 展