一種碳素筆芯油墨的製備方法與流程

2024-02-19 13:37:15

本發明涉及一種碳素筆芯油墨的製備方法，屬於文具辦公技術領域。

背景技術：

我國20世紀60年代初開始生產碳素墨水，其產量逐年增加，目前已佔到全國墨水產量的20%以上。碳素墨水以其黑白分明的字跡，堅牢度強、永不褪色和保存時間長等優點，在當今辦公、學習、機械製圖、科研記錄、檔案資料和電腦掃描等領域發揮著不可替代的作用。

國內製筆企業在原子筆墨水等關鍵材料及製備技術方面投入較少，積累薄弱，制筆專業人才匱乏，缺乏核心技術的研發能力，迄今尚無重大原始創新。所有這些因素導致了我國制筆企業產品製造現狀多處於價值鏈低端的原因之一。

炭黑作為墨水的著色劑，其在體系中的分散穩定性是決定墨水性能的重要因素。而色素炭黑由於其結構具有原生粒徑小、比表面積大、顆粒之間有著極強的作用力，在水中不能自行分散，且研磨過程極易產生凝膠，在生產和儲存過程中極為不穩定。目前，國內外許多公司開發的水性炭黑色漿，存在以下問題，其一，穩定性好，但粘度大，且顆粒粒徑達不到墨水的要求；其二，粒徑較小的色漿，固含量低；其三，色漿相容性差，後續墨水配製過程穩定體系容易被破壞。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題：針對目前開發的碳素墨水穩定性差，易阻塞的問題，本發明提供了一種碳素筆芯油墨的製備方法，本發明以玉米芯為原料，通過高溫碳化，再經酸洗除雜後製得炭黑，並採用液相臭氧氧化法，利用臭氧的強氧化作用，在水中對炭黑進行表面氧化改性，在炭黑表面引入羧基、羥基等親水性含氧基團，從而改善炭黑的潤溼性能，提高其在水溶液中的分散穩定性，製得氧化炭黑，並與三乙醇胺、苯酚、甘油分散均勻後，通過高壓均質機和棒銷式研磨機的組合研磨工藝，製得氧化炭黑色漿，最後將其與羧甲基纖維素鈉，黃原膠等配置成碳素筆芯油墨。

為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：

（1）稱取500~800g玉米芯，自然風乾後置於馬弗爐中，在氮氣氛圍下，加熱至400~500℃碳化10~15min，自然冷卻至室溫，並將其轉入300~500mL質量分數為5%鹽酸中，以300~400r/min攪拌20~30min，再加入300~500mL質量分數為40%氫氟酸溶液，繼續攪拌20~30min，得混合液；

（2）用質量分數為5%氫氧化鈉溶液調節上述混合液pH為7.5~8.0，靜置1~2h後裝入離心機中，以5000~6000r/min離心分離10~15min，收集沉澱，並用去離子水洗滌沉澱至洗滌液呈中性，隨後轉入乾燥箱中，在105~110℃下乾燥至恆重，得炭黑；

（3）稱取6~8g上述炭黑加入100~120mL去離子水中，以300~400r/min攪拌混合20~30min，得炭黑分散液，用質量分數為40%氫氧化鈉溶液調節炭黑分散液pH為13~14，並以1~2L/min向炭黑分散液中通入臭氧，持續通入3~5h，隨後用質量分數為10%鹽酸調節pH為3~4，並加入離心機中，以5000~6000r/min離心分離，收集沉澱，用去離子水洗滌沉澱3~5次，得氧化炭黑；

（4）量取1.2~1.5mL三乙醇胺，加入10~15mL去離子水中，混合均勻後加入0.2~0.3g苯酚，5.5~6.0mL甘油，以400~600r/min攪拌混合15~20min，再加入4~6g上述氧化炭黑，繼續攪拌20~30min，得氧化炭黑分散液，將氧化炭黑分散液加入高壓均質機中研磨30~40min，隨後轉入棒銷式研磨機中，以1200~1500r/min研磨1~2h，得氧化炭黑色漿；

（5）稱取0.12~0.15g平平加，0.8~1.0g聚乙烯醇加入70~75mL去離子水中，加熱至90~100℃，以300~400r/min攪拌20~30min，加入1~2mL甘油，2~3mL乙二醇，繼續攪拌30~40min，得分散液，向分散液中加入上述氧化炭黑色漿，0.3~0.5g羧甲基纖維素鈉，0.2~0.3g黃原膠，並轉入高速剪切機中，以6000~8000r/min攪拌2~3h，靜置20~24h後，用500目篩過濾，收集濾液得碳素筆芯油墨。

本發明的應用方法是：將本發明製備的碳素筆芯油墨，按0.16~0.20mL灌裝入筆，以其書寫，字跡清晰，書寫流暢，具有優異的理化性能和觸變性能，且在常溫下保存3~5個月後，書寫性能依然良好。

本發明的有益技術效果是：

（1）本發明製備的碳素筆芯油墨書寫流暢，書寫紙背面無明顯痕跡，字跡在自來水中浸泡一星期清晰可見，複印字跡明顯；

（2）本發明製備的碳素筆芯油墨耐酸鹼性好，穩定性好，能夠長期保持其性質不變，有利於保存。

具體實施方式

稱取500~800g玉米芯，自然風乾後置於馬弗爐中，在氮氣氛圍下，加熱至400~500℃碳化10~15min，自然冷卻至室溫，並將其轉入300~500mL質量分數為5%鹽酸中，以300~400r/min攪拌20~30min，再加入300~500mL質量分數為40%氫氟酸溶液，繼續攪拌20~30min，得混合液；用質量分數為5%氫氧化鈉溶液調節上述混合液pH為7.5~8.0，靜置1~2h後裝入離心機中，以5000~6000r/min離心分離10~15min，收集沉澱，並用去離子水洗滌沉澱至洗滌液呈中性，隨後轉入乾燥箱中，在105~110℃下乾燥至恆重，得炭黑；稱取6~8g上述炭黑加入100~120mL去離子水中，以300~400r/min攪拌混合20~30min，得炭黑分散液，用質量分數為40%氫氧化鈉溶液調節炭黑分散液pH為13~14，並以1~2L/min向炭黑分散液中通入臭氧，持續通入3~5h，隨後用質量分數為10%鹽酸調節pH為3~4，並加入離心機中，以5000~6000r/min離心分離，收集沉澱，用去離子水洗滌沉澱3~5次，得氧化炭黑；量取1.2~1.5mL三乙醇胺，加入10~15mL去離子水中，混合均勻後加入0.2~0.3g苯酚，5.5~6.0mL甘油，以400~600r/min攪拌混合15~20min，再加入4~6g上述氧化炭黑，繼續攪拌20~30min，得氧化炭黑分散液，將氧化炭黑分散液加入高壓均質機中研磨30~40min，隨後轉入棒銷式研磨機中，以1200~1500r/min研磨1~2h，得氧化炭黑色漿；稱取0.12~0.15g平平加，0.8~1.0g聚乙烯醇加入70~75mL去離子水中，加熱至90~100℃，以300~400r/min攪拌20~30min，加入1~2mL甘油，2~3mL乙二醇，繼續攪拌30~40min，得分散液，向分散液中加入上述氧化炭黑色漿，0.3~0.5g羧甲基纖維素鈉，0.2~0.3g黃原膠，並轉入高速剪切機中，以6000~8000r/min攪拌2~3h，靜置20~24h後，用500目篩過濾，收集濾液得碳素筆芯油墨。

實例1

稱取500g玉米芯，自然風乾後置於馬弗爐中，在氮氣氛圍下，加熱至400℃碳化10min，自然冷卻至室溫，並將其轉入300mL質量分數為5%鹽酸中，以300r/min攪拌20~30min，再加入300mL質量分數為40%氫氟酸溶液，繼續攪拌20min，得混合液；用質量分數為5%氫氧化鈉溶液調節上述混合液pH為7.5，靜置1h後裝入離心機中，以5000r/min離心分離10min，收集沉澱，並用去離子水洗滌沉澱至洗滌液呈中性，隨後轉入乾燥箱中，在105℃下乾燥至恆重，得炭黑；稱取6g上述炭黑加入100mL去離子水中，以300r/min攪拌混合20min，得炭黑分散液，用質量分數為40%氫氧化鈉溶液調節炭黑分散液pH為13，並以1L/min向炭黑分散液中通入臭氧，持續通入3h，隨後用質量分數為10%鹽酸調節pH為3，並加入離心機中，以5000r/min離心分離，收集沉澱，用去離子水洗滌沉澱3次，得氧化炭黑；量取1.2mL三乙醇胺，加入10mL去離子水中，混合均勻後加入0.2g苯酚，5.5mL甘油，以400r/min攪拌混合15min，再加入4g上述氧化炭黑，繼續攪拌20min，得氧化炭黑分散液，將氧化炭黑分散液加入高壓均質機中研磨30min，隨後轉入棒銷式研磨機中，以1200r/min研磨1h，得氧化炭黑色漿；稱取0.12g平平加，0.8g聚乙烯醇加入70mL去離子水中，加熱至90℃，以300r/min攪拌20min，加入1mL甘油，2mL乙二醇，繼續攪拌30min，得分散液，向分散液中加入上述氧化炭黑色漿，0.3g羧甲基纖維素鈉，0.2g黃原膠，並轉入高速剪切機中，以6000r/min攪拌2h，靜置20h後，用500目篩過濾，收集濾液得碳素筆芯油墨。

本發明的應用方法是：將本發明製備的碳素筆芯油墨，按0.16mL灌裝入筆，以其書寫，字跡清晰，書寫流暢，具有優異的理化性能和觸變性能，且在常溫下保存3個月後，書寫性能依然良好。

實例2

稱取600g玉米芯，自然風乾後置於馬弗爐中，在氮氣氛圍下，加熱至450℃碳化12min，自然冷卻至室溫，並將其轉入400mL質量分數為5%鹽酸中，以350r/min攪拌25min，再加入400mL質量分數為40%氫氟酸溶液，繼續攪拌25min，得混合液；用質量分數為5%氫氧化鈉溶液調節上述混合液pH為7.8，靜置1.5h後裝入離心機中，以5500r/min離心分離12min，收集沉澱，並用去離子水洗滌沉澱至洗滌液呈中性，隨後轉入乾燥箱中，在108℃下乾燥至恆重，得炭黑；稱取7g上述炭黑加入110mL去離子水中，以350r/min攪拌混合25min，得炭黑分散液，用質量分數為40%氫氧化鈉溶液調節炭黑分散液pH為13，並以1.5L/min向炭黑分散液中通入臭氧，持續通入4h，隨後用質量分數為10%鹽酸調節pH為4，並加入離心機中，以5500r/min離心分離，收集沉澱，用去離子水洗滌沉澱4次，得氧化炭黑；量取1.3mL三乙醇胺，加入12mL去離子水中，混合均勻後加入0.25g苯酚，5.8mL甘油，以500r/min攪拌混合18min，再加入5g上述氧化炭黑，繼續攪拌25min，得氧化炭黑分散液，將氧化炭黑分散液加入高壓均質機中研磨35min，隨後轉入棒銷式研磨機中，以1300r/min研磨1.5h，得氧化炭黑色漿；稱取0.13g平平加，0.9g聚乙烯醇加入72mL去離子水中，加熱至95℃，以350r/min攪拌25min，加入1.5mL甘油，2.5mL乙二醇，繼續攪拌35min，得分散液，向分散液中加入上述氧化炭黑色漿，0.4g羧甲基纖維素鈉，0.25g黃原膠，並轉入高速剪切機中，以7000r/min攪拌2.5h，靜置22h後，用500目篩過濾，收集濾液得碳素筆芯油墨。

本發明的應用方法是：將本發明製備的碳素筆芯油墨，按0.18mL灌裝入筆，以其書寫，字跡清晰，書寫流暢，具有優異的理化性能和觸變性能，且在常溫下保存4個月後，書寫性能依然良好。

實例3

稱取800g玉米芯，自然風乾後置於馬弗爐中，在氮氣氛圍下，加熱至500℃碳化15min，自然冷卻至室溫，並將其轉入500mL質量分數為5%鹽酸中，以400r/min攪拌30min，再加入500mL質量分數為40%氫氟酸溶液，繼續攪拌30min，得混合液；用質量分數為5%氫氧化鈉溶液調節上述混合液pH為8.0，靜置2h後裝入離心機中，以6000r/min離心分離15min，收集沉澱，並用去離子水洗滌沉澱至洗滌液呈中性，隨後轉入乾燥箱中，在110℃下乾燥至恆重，得炭黑；稱取8g上述炭黑加入120mL去離子水中，以400r/min攪拌混合30min，得炭黑分散液，用質量分數為40%氫氧化鈉溶液調節炭黑分散液pH為14，並以2L/min向炭黑分散液中通入臭氧，持續通入5h，隨後用質量分數為10%鹽酸調節pH為4，並加入離心機中，以6000r/min離心分離，收集沉澱，用去離子水洗滌沉澱5次，得氧化炭黑；量取1.5mL三乙醇胺，加入15mL去離子水中，混合均勻後加入0.3g苯酚，6.0mL甘油，以600r/min攪拌混合20min，再加入6g上述氧化炭黑，繼續攪拌30min，得氧化炭黑分散液，將氧化炭黑分散液加入高壓均質機中研磨40min，隨後轉入棒銷式研磨機中，以1500r/min研磨2h，得氧化炭黑色漿；稱取0.15g平平加，1.0g聚乙烯醇加入75mL去離子水中，加熱至100℃，以400r/min攪拌30min，加入2mL甘油，3mL乙二醇，繼續攪拌40min，得分散液，向分散液中加入上述氧化炭黑色漿，0.5g羧甲基纖維素鈉，0.3g黃原膠，並轉入高速剪切機中，以8000r/min攪拌3h，靜置24h後，用500目篩過濾，收集濾液得碳素筆芯油墨。

本發明的應用方法是：將本發明製備的碳素筆芯油墨，按0.20mL灌裝入筆，以其書寫，字跡清晰，書寫流暢，具有優異的理化性能和觸變性能，且在常溫下保存5個月後，書寫性能依然良好。