綠板筆墨水成膜性能和易擦性能優(yōu)化研究*

宋勝梅，馬學文，李艷鳳，王靜芳，徐茂田，董 川

（1.山西大學環(huán)境科學研究所，山西太原030006；2.商丘師范學院生物分子識別和傳感重點實驗室化學化工學院，河南商丘47600）

隨著環(huán)保教學的理念深入人心，綠板被廣泛用于教學場所，因綠色可以緩解眼疲勞，對于長時間注視黑板的同學的視力是有益的。綠板筆墨水也隨之成為文教用品中最重要的墨水之一。它是一種能在表面光滑的非吸附性硬質綠板上書寫的新型墨水，用該墨水灌制的綠板筆書寫流暢、便利、無塵可擦、安全環(huán)保，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)粉筆[1]。

綠板筆墨水是在白板筆墨水的基礎上的改進。國外對白板筆墨水的研制起始于二十世紀50年代，它的性能經過幾十年的不斷改進，配方和工藝取得了質的飛躍，特別是其主要組分已由早期毒性較大的酮、酯、苯等混合劑，發(fā)展到現(xiàn)在低毒的醇類和水溶劑。國內可擦白板筆墨水配方和工藝也經歷了與國外相似的發(fā)展過程。目前，市場上出售的綠板筆仍然存在可擦性不夠好、不能長時間放置及堵塞筆頭的問題。本文就綠板筆墨水的成膜性及可擦性展開研究，希望能改善墨水配方，并優(yōu)化制備工藝。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

SZCL-2 數(shù)顯智能控溫磁力攪拌器、電子天平、燒杯、玻璃棒、綠板等。

無水乙醇、異丙醇、聚乙烯醇縮丁醛（PVB）、硬脂酸正丁酯、液體石蠟、Span-20、甲基硅油、乙二醇和丙三醇均為分析純，購自中國醫(yī)藥集團化學試劑公司；TiO2（微米級攀鋼鈦業(yè)公司）；100nm TiO2、50nm TiO2、三乙醇胺、鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）購自阿拉丁試劑；OP-10、AEO-9 和成膜助劑購自上海文華化工顏料有限公司。

1.2 墨水配制實驗方法

在燒杯中加入硬脂酸丁酯，加熱至30℃使硬脂酸丁酯完全溶解后再慢慢加PVB，并邊加邊攪拌，待其全部溶解后再加入TiO2，然后依次加入配方的其它組分，控溫密封攪拌攪拌5～9h，即可制得墨水產品。

1.3 墨水成膜性能的比較

對于墨水的成膜性評價：成膜較差用“B”表示，成碎膜的用“A-”表示，成膜性好的用“A”表示，成性較好的用“A+”表示。

1.4 墨水可擦性能測試

將墨水灌入綠板筆中，一定時間后書寫，觀察筆跡的可擦性。將灌制的綠板筆在綠板上劃5 個連貫的直徑為Φ20～30mm 的圓圈，在常溫下放置30d后，在線跡上用配套的海綿擦按正常用力擦拭，耐擦次數(shù)1 次記為A+，2～5 次記為A，6～10 次記為B，11～15 次記為C[3]。

2 結果與討論

2.1 綠板筆墨水成膜性能的優(yōu)化

PVB 對墨水的成膜性[2]、字跡的清晰度[3]、可擦性[4]有很大的影響；TiO2[5]的粒徑及用量對墨水成膜性也有很大的影響，TiO2粒徑過大則不易被包裹，使制作的墨水穩(wěn)定性不好。實驗研究應加入PVB 的合適用量及TiO2的粒徑和用量，以改善墨水成膜性。

2.1.1 PVB 的含量的影響 準確稱取PVB 分別為0.08，0.10，0.30，0.50 和0.60g。按順序加入各藥品見表1。

表1 PVB 的含量對成膜性能的影響Tab.1 Effect of film-forming property by contents of PVB

由表1 可見，隨著PVB 的加入墨水成膜性變好，加入PVB 0.08g 的成膜性能最差，加入PVB 0.50g的成膜性能最好，其它的介入二者之間，但是PVB的量越高其溶液的粘度就越大，不利于其書寫時的流暢性。選擇加入PVB 的量0.50g 進行下面的實驗。

2.1.2 TiO2的粒徑的影響 不同粒徑的TiO2對實驗的成膜性能及溶液的穩(wěn)定性能都有一定的影響，特別是久置沉淀及堵塞筆頭，多與顏料的粒徑及分散性能有關。

表2 TiO2 的粒徑對成膜性能的影響Tab.2 Effect of film-forming properties by particle size of titanium dioxide

由以上實驗數(shù)據可知，粒徑大的TiO2能分散均勻且穩(wěn)定存在但不易起球，起的膜較薄不易擦除；而粒徑太小的納米TiO2（50nm）又不利于分散，溶液的穩(wěn)定性差，易團聚分層；100nm TiO2成膜性能好，且分散均勻，放置數(shù)天后并未發(fā)現(xiàn)分層現(xiàn)象，溶液穩(wěn)定性好，有益于膜的生成。下面實驗選用100nm TiO2作為著色劑。

2.1.3 TiO2的用量的影響 TiO2有的用量也會對成膜性能有一定的影響，同時也有關墨水的制作成本。為了確定其合適的用量，在前面實驗的基礎上，保持其它量不變，依次增加納米TiO2的量，所得結果見表3。

通過實驗現(xiàn)象可觀察到，3 個實驗的墨水均分散均勻且穩(wěn)定存在。但實驗1 成膜一般，且書寫時字跡不太清晰，不易擦，底板有成片模糊的現(xiàn)象；實驗2 字跡清晰，且易擦易干，成膜較好，結果比較理想；實驗3 字跡清晰，易擦易干，成膜性較好，結果也很理想。綜合以上分析結果看出當納米TiO2的用量為1.20g 時其實驗現(xiàn)象最好，但與實驗2 相比較而言，二者相差不大，從生產成本考慮選擇實驗2中TiO2的用量做后續(xù)實驗。

表3 TiO2 化鈦的用量對成膜性能的影響Tab.3 Effect of film-forming properties by the content of titanium dioxide

2.2 綠板筆墨水易擦性能優(yōu)化

2.2.1 攪拌時間的影響 常溫常壓下，按表4 中G2的配方攪拌不同時間，將制得的墨水灌入白板筆中，書寫并觀察其可擦性。實驗結果表明，攪拌時間為1～5h 時，墨水的可擦性能逐漸提高，5h 時性能最好，隨著時間的逐漸增至9h，墨水的可擦性能穩(wěn)定不變。說明隨著攪拌時間的增加，顏料粒子在體系中分散均勻，聚集的可能性大大降低，致使墨水體系中各組分充分作用并趨于穩(wěn)定，從而使墨水的可擦性能變好，且可擦性能隨著攪拌時間的增加不再變化，所以攪拌時間從5～9h，墨水的整體性能均保持最佳[6]。因此，為了節(jié)約時間、提高效率，將攪拌時間定為5h。

2.2.2 液體石蠟含量的影響 固定其他組分不變，分別選擇液體石蠟含量分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0，配制墨水并灌筆書寫，觀察此性能結果見表4。

由表4 可知，當液體石蠟為0.5 時，墨水的可擦性最好。液體石蠟具有潤滑、分散、增塑等作用，使體系的分散和成膜效果更好。當液體石蠟含量＜0.5時，其與其他組分作用不充分，作用效果不明顯；當液體石蠟含量＞0.5 時，液體石蠟過量，使墨水書寫時不均勻，且可擦性變差。

表4 液體石蠟含量對墨水可擦性能的影響Tab.4 Effect of erasable properties bythe content of liquid paraffin

2.2.3 Span-20 含量的影響 表4 中G2 的可擦性能較好，但并沒有達到最好，且在30d 后當室溫達到15℃以下時，其可擦性下降。而Span-20 是一種飽和脂肪酸酯，具有增塑和剝離作用，同時也是良好的成膜助劑。下面通過改變其用量來找到其合適的用量。固定其他組分不變，選擇Span-20 的含量分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9，制備墨水并灌筆書寫，觀察性能，結果見表5。

表5 Span-20 含量對墨水可擦性能的影響Tab.5 Effect of erasable properties bythe content of Span-20

由表5 可知，當Span-20 含量為0.4 時（即G9），墨水的可擦性較好。這是由于當Span-20 含量＜0.4時，Span-20 與墨水中各組分作用不充分，對可擦性的改善效果不明顯；當Span-20 含量＞0.4 時，Span-20 含量過多，使墨膜與白板之間的粘合力過大，導致墨水的可擦性變差,有點沾板[7]。

2.2.4 三乙醇胺含量的影響 三乙醇胺易溶于醇溶劑，具有較好的保濕性能和潤滑作用，擬在配方中改變三乙醇胺的用量，找出最佳的用量。固定其它組分不變，選擇三乙醇胺，質量分別為0，0.5，1.0，1.5，制備墨水并灌筆書寫，觀察性能，結果見表6。

表6 三乙醇胺含量對墨水可擦性能的影響Tab.6 Effect of erasable properties bythe content of triethanolamine

由表6 可知，當三乙醇胺含量0.1 時（即G17），墨水的可擦性能最好。這是由于當三乙醇胺含量＜0.1 時，三乙醇胺與體系未充分作用；對可擦性沒有明顯的改善作用；當三乙醇胺含量＞0.1 時，三乙醇胺與體系能充分作用；但三乙醇胺過多，會導致墨水易沾板。

3 結論

（1）實驗表明，PVB 的用量、TiO2的粒徑及用量對綠板筆墨水成膜性能有影響；攪拌時間和液體石蠟、Span-20、三乙醇胺的用量可影響墨水易擦性能。

（2）成膜性能及易擦性能較好的綠板筆墨水的配方為G17：乙醇:5g；異丙醇:3.5g；OP-10:0.1g；Span-20:0.4g；AEO-9:0.15g；硬脂酸正丁酯:0.6g；三乙醇胺:0.1g；丙三醇:0.05g；液體石蠟:0.5g；PVB:0.5g；100nm 二氧化鈦:1.0g；二甲基硅油:1.0g；成膜助劑：0.02g；DBP:1.0g。

（3）簡單的制備工藝是將固體成分按配方稱量好，加入到配方量的溶劑，加熱到30℃攪拌全溶后，再加入液相組分，攪拌5h，可得理想的墨水。

［1］張海平，陳均志.可擦墨水的研制［J］.應用化工,2004,33（2）:61-63.

［2］陳紅，劉凌云，李光，等.顏料分散及超分散劑的應用［J］.印染，1998，24（8）:50-53.

［3］李國棟，張毅.聚乙烯醇縮丁醛樹脂的研究與應用［J］.中國膠黏劑，2006，（6）:331-336.

［4］馮海剛，李粼.聚乙烯醇縮丁醛（PVB）膜片的歷史與發(fā)展前景［J］.國外塑料，2005，10（1）:230-233.

［5］苑會林，馬沛蘭，李軍，等.聚乙烯醇縮丁醛樹脂的性能及應用［J］.工程塑料應用，2004，（5）:246-249.

［6］李海東，程鳳梅，王宇明，等.聚乙烯醇縮丁醛/納米二氧化鈦復合材料的制備及性能研究［J］.化工新型材料，2006，（1）:77-82.

［7］凌云星，金惠.實用油墨技術指南［M］.北京：印刷工業(yè)出版社，2007.