专利分析：圆珠笔用的乳化墨水

图1  美国专利US5969004

该专利公开了一种制备乳化墨水的方法，用该方法制备的乳化墨水具有持久性好、开帽时间长、能高强度书写、书写平稳、墨流一致、保质期长的特点。

该专利提出的制备乳化墨水的方法包括以下步骤：

将油和水及乳化剂混合，在均质器中处理混合物以形成水包油微乳液；之后将水包油微乳液与pH依赖性增稠剂混合，成为墨水前体1（半成品）。

将成膜聚合物、颜料和水混合，成为墨水前体2（半成品），然后将墨水前体1与墨水前体2在均质机中处理混合物以形成乳化墨水。

该专利提供了基本配方为：

优选墨水组合物包括成膜丙烯酸聚合物、润滑油、更优选干燥或半干燥油、pH依赖性增稠剂、碱、颜料、乳化剂和水。通过将这些成分预混并通过均质器处理它们来形成微乳液，最终形成乳化墨水。

其中包括颜料2至10重量％； 成膜聚合物5至30重量％；pH依赖性增稠剂1至5重量％；油10至25重量％；乳化剂0.5至2重量％以及水。所述油为适宜的干燥和半干燥油包括植物油，例如亚麻籽（干燥）、红花（干燥）、棉籽（半干燥）和玉米（半干燥），首选亚麻籽。可使用其他润滑油，例如硅酮（硅氧烷），代替干燥或半干燥油。

然而，这些其他油可能会增加墨水的干燥时间。优选地，所述组合物包含约10重量%到25重量%的油，更优选约15重量%的油。这种油赋予墨水润滑性和良好的遮光性能。过多的油可能会导致墨水干得太慢，而过少的油可能不会赋予所需的润滑性和封口性能。油可以在微乳液化该组合物之前添加到墨水组合物中，或者油和一部分水可以在添加到该组合物之前单独微乳液化，可以添加或代替微乳液化整个组合物。如果油和水是单独微乳液，则微乳液中的油与水的比例一般优选在1:5到2:5之间。

所述乳化剂用于稳定水包油微乳液。合适的乳化剂包括大多数传统乳化剂，特别是那些适合于乳化植物油的乳化剂。优选地，乳化剂是乙氧基化脂肪酸，更优选乙氧基化油酸。优选地，所述组合物包含约0.5至2重量百分比的乳化剂。 

所述丙烯酸聚合物优选地以乳液的形式提供。然而，如果需要，可以使用水溶性丙烯酸。丙烯酸聚合物的一部分可包含在颜料分散液中，该颜料分散液包含丙烯酸聚合物作为颜料分散介质。优选的丙烯酸聚合物包括热塑性丙烯酸酯，例如聚甲基丙烯酸甲酯，例如聚甲基丙烯酸甲酯和其他丙烯酸甲酯。丙烯酸共聚物组合、丙烯酸丁酯/甲基丙烯酸甲酯混合物，具有低酸含量、约1000000分子量和15至20之间的玻璃化转变温度。优选成分包含约5至30重量百分比的丙烯酸聚合物，更优选10至20重量百分比。过多的丙烯酸可能导致在有效的颜料水平上不适当地高粘度，而过少的丙烯酸可能导致墨水在干燥时具有较差的耐水性。

所述pH依赖性增稠剂优选为酸稳定丙烯酸树脂。聚丙烯酸酯9823丙烯酸乳液增稠剂是首选。优选地，所述组合物包含增稠剂的约1至5重量百分比，更优选约2重量百分比。较高浓度的增稠剂可能导致不可接受的高粘度，而较低浓度的增稠剂可能无法提供足够的流量控制。在墨水组成不包括成膜聚合物的实施例中，通常优选在优选范围的高端使用增稠剂水平，以提供足够的粘度。

该专利认为墨水中应含有足够的颜料，以提供足够的颜色强度，但不要过多，使粘度变得过高。优选的墨水包括按重量计大约2%和10%颜料之间，更优选地介于大约4%和8%之间。颜料包括水分散颜料，优选颜料以水分散体的形式提供，用于精确测量和均匀混合。优选的颜料分散剂是HEUCOSPERSE III分散剂。要添加的颜料分散剂的总量将取决于分散液的固体水平，并且将被选择以提供有效量的颜料，如上所述。优选地，该颜料具有相对较小的粒径，优选小于0.5微米，以防止沉降。小颗粒也可防止笔尖堵塞。

优选地，油墨中含有足够的水，使得在300 sec-1和25℃下在Haake CV-100 Rotovisco粘度计上测量的油墨粘度在大约20 cps和60 cps之间。如果粘度太低，圆珠笔中的成分可能会出现过多的墨水流动。如果粘度过高，墨水可能会出现性能问题，例如在书写过程中出现起泡、分叉和墨水流动不足等。

该专利中提到的术语“微乳液”是指乳液，即显微镜下的非均相混合物，其包含悬浮在第二液体中的第一液体的微小液滴，其中悬浮液滴具有非常小、均匀的粒径，通常小于约1微米。这里使用的动词“微乳液”是指处理溶液以形成微乳液，“均质器”是指能够形成微乳液的任何装置。

为此，该专利还提到了一种制备微乳液的加工设备，美国MFIC公司生产的Microfluidizer系列高压微射流纳米分散设备（高压均质机），用M-110Y型高压均质机（见图2）在8000 psi（551.6 bra）压力下进行3次传质制备微乳液。

图2   Model M-110Y 高压均质机

专利最后给出了一个微乳液的成分重量百分比表（见表1）。

表1  微乳液的成分表

来源：制笔技术