CN113493630A - 一种环保水溶性彩色铅笔芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环保水溶性彩色铅笔芯，包括以下成分及其重量份：40～60重量份水洗高岭土、5～10重量份乳化剂、20～40重量份黄芪胶、10～20重量份天然矿物蜡、10～15重量份酸碱指示剂、5～20重量份pH调节剂、5～15重量份二氧化碳流体和4～12重量份醋酸。有益效果：笔芯材料中具有大量的氢键，当笔芯蘸水进行绘画时，位于笔芯最外层部分与水能迅速进行混合，绘画的水溶效果好。

Description

一种环保水溶性彩色铅笔芯及其制备方法

技术领域

本发明涉及彩色铅笔芯技术领域，尤其是涉及一种环保水溶性彩色铅笔芯及其制备方法。

背景技术

水溶性彩色铅笔是一种应用于水彩纸上绘画的彩色铅笔，它既具有一般彩色铅笔的性能，还能够进行水溶，产生类似水彩画的特点，并且使用起来比水彩颜料更为方便。水溶性彩色铅笔绘画方便，绘画成形之后的图画呈现效果较好，既适合3岁以上儿童的绘画要求，也适应于一般专业人士的绘画和效果设计图的实用，市场销售前景非常好。现有的彩色铅笔芯在画纸上进行绘画时，水溶效果不甚理想。

发明内容

本发明的目的之一在于提供了一种不易折断、书写顺滑的环保彩色铅笔芯。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种环保水溶性彩色铅笔芯，包括经5～15重量份二氧化碳流体处理过的组合物，所述组合物包括以下成分及其重量份：40～60重量份水洗高岭土、5～10重量份乳化剂、20～40重量份黄芪胶、10～20重量份天然矿物蜡、10～15重量份酸碱指示剂、5～20重量份pH调节剂和4～12重量份醋酸。

作为优选，所述乳化剂为羟乙基甲基纤维素。

作为优选，所述乳化剂为阴离子表面活性剂。

作为优选，所述乳化剂为脂肪酸皂。

作为优选，所述酸碱指示剂为黄代酚酞类酸碱指示剂。

作为优选，所述pH调节剂为碳酸氢钠。

本发明的目的之二在于提供了一种制备方法简单的环保彩色铅笔芯的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种环保水溶性彩色铅笔芯的制备方法，具体制备步骤为：

1)酸化改性：在反应釜中加入40～60重量份水洗高岭土，然后通入5～15重量份二氧化碳流体，所述二氧化碳流体中具有夹带剂，所述夹带剂为4～12重量份醋酸，反应温度为40～50℃，压强为18～22MPa，反应时间为20～40min；

2)混合：在反应釜中继续加入10～15重量份酸碱指示剂，反应温度为40～50℃，压强为18～22MPa，反应时间为10～20min，然后加入5～10重量份乳化剂、20～40重量份黄芪胶和10～20重量份天然矿物蜡，反应温度为80～90℃，压强为60～120MPa，反应时间为20～40min；

3)调色：在反应釜中加入5～20重量份pH调节剂进行调色，反应温度为80～90℃，压强为60～120MPa，反应时间为5～15min，得到混合料；

4)挤压干燥：将所述混合料挤压成笔芯，并干燥。

作为优选，所述酸化改性步骤中水洗高岭土的加入量为45～55重量份，二氧化碳流体通入量为7～10重量份，醋酸的加入量为7～10重量份。

作为优选，所述挤压干燥步骤中干燥温度为50～70℃，空气相对湿度为30～50％，干燥时间为2～7d。

作为优选，所述挤压干燥步骤中空气相对湿度为40～45％。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、醋酸对水洗高岭土进行酸性改性，水洗高岭土中的部分铝发生迁移，形成一定的酸性活性中心。因酸性活性中心存在，酸性改性后的水洗高岭土与碳酸通过氢键进行连接，使得酸性改性后的水洗高岭土以小颗粒悬浮物的形式较为均匀地分布在二氧化碳流体中。甲酚红、羟乙基甲基纤维素、黄芪胶和天然矿物蜡均能溶于二氧化碳超临界流体中，且具有较好的流动性和传递性能。从宏观上看，上述混合液中各物质混合均匀，不存在可通过肉眼明显观察到的颗粒物。从微观上看，羟乙基甲基纤维素两端基与改性后水洗高岭土和黄芪胶化学偶联，并对甲酚红进行物理缠结，改善了改性后水洗高岭土的界面粘附性，使得笔芯冲击断裂时需要在断面产生剪切带并耗散大量能量，达到提高挠曲强度的目的；

2、压芯过程中，压强变为常压，二氧化碳固体从固态状态变为气态。强烈的气压增强过程中，气流的剧烈流动带动混合料的混合，使得混合料的均匀度进一步增加。笔芯材料中具有大量的氢键，当笔芯蘸水进行绘画时，位于笔芯最外层部分与水能迅速进行混合，绘画的水溶效果好；

3、随着空气湿度的变化，图画的颜色也会发生变化，图画不再是静止状态，而可以在不同环境下产生不同的视觉效果，这极大地增加了绘画的趣味性和观赏价值。笔芯材料中具有大量的氢键，因此画在纸张上的铅笔的吸水性远大于纸张，空气中的水汽率先进入纸张上的铅笔部分。因笔芯中存在黄芪胶与天然矿物蜡，使得纸张上涂有铅笔的部分与空白部分的界限处形成阻水带。该阻水带可有效防止吸收水汽后的铅笔进行扩散。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

一种环保水溶性彩色铅笔芯，包括经5重量份二氧化碳流体处理过的组合物，所述组合物包括以下成分及其重量份：40重量份水洗高岭土、5重量份羟乙基甲基纤维素、20重量份黄芪胶、10重量份天然矿物蜡、10重量份甲酚红、5～20重量份碳酸氢钠和4重量份醋酸，其中，水洗高岭土采用杭州崇科新材料有限公司销售的特种水洗高岭土。

一种环保水溶性彩色铅笔芯的制备方法，具体制备步骤为：

1)酸化改性：在反应釜中加入40重量份水洗高岭土，然后通入5重量份二氧化碳流体，所述二氧化碳流体中具有夹带剂，所述夹带剂为4重量份醋酸，反应温度为40℃，压强为18MPa，反应时间为20min。醋酸对水洗高岭土进行酸性改性，水洗高岭土中的部分铝发生迁移，形成一定的酸性活性中心，具有相当的瓦斯油裂化反应活性。其裂化反应活性与表面积呈正相关关系；

2)混合：在反应釜中继续加入10重量份甲酚红，反应温度为40℃，压强为18MPa，反应时间为10min，然后加入5重量份羟乙基甲基纤维素、20重量份黄芪胶和10重量份天然矿物蜡，反应温度为80℃，压强为60MPa，反应时间为20min。夹带剂为醋酸的二氧化碳超临界流体中，二氧化碳与醋酸产生碳酸，因酸性活性中心存在，酸性改性后的水洗高岭土与碳酸通过氢键进行连接，使得酸性改性后的水洗高岭土以小颗粒悬浮物的形式较为均匀地分布在二氧化碳流体中。甲酚红、羟乙基甲基纤维素、黄芪胶和天然矿物蜡均能溶于二氧化碳超临界流体中，且具有较好的流动性和传递性能。从宏观上看，上述混合液中各物质混合均匀，不存在可通过肉眼明显观察到的颗粒物。从微观上看，羟乙基甲基纤维素两端基与改性后水洗高岭土和黄芪胶化学偶联，并对甲酚红进行物理缠结，改善了改性后水洗高岭土的界面粘附性，使得笔芯冲击断裂时需要在断面产生剪切带并耗散大量能量，达到提高挠曲强度的目的；

3)调色：在反应釜中加入5～20重量份碳酸氢钠进行调色，反应温度为80℃，压强为60MPa，反应时间为5min，得到混合料；调色过程中，压强和温度改变，二氧化碳流体从超临界状态变为固体。采用碳酸氢钠改变混合料的pH值来改变混合料的颜色；

4)挤压干燥：将所述混合料在压芯机(压芯机吨位为150吨)上压芯得到笔芯，压出的笔芯直径控制在1.0～8.0mm，将笔芯装入烘芯罐进入烘芯炉加热干燥，干燥温度为50℃，空气相对湿度为30％，干燥时间为2d。压芯过程中，压强变为常压，二氧化碳固体从固态状态变为气态。强烈的气压增强过程中，气流的剧烈流动带动混合料的混合，使得混合料的均匀度进一步增加。同时温度的升高、二氧化碳气流的流动带走混合料中的醋酸，使得笔芯中无醋酸残留。笔芯材料中具有大量的氢键，当笔芯蘸水进行绘画时，位于笔芯最外层部分与水能迅速进行混合，绘画的水溶效果好。

实施例2：

一种环保水溶性彩色铅笔芯，包括经15重量份二氧化碳流体处理过的组合物，所述组合物包括以下成分及其重量份：60重量份水洗高岭土、10重量份羟乙基甲基纤维素、40重量份黄芪胶、20重量份天然矿物蜡、15重量份甲酚红、5～20重量份碳酸氢钠和12重量份醋酸。

一种环保水溶性彩色铅笔芯的制备方法，具体制备步骤为：

1)酸化改性：在反应釜中加入60重量份水洗高岭土，然后通入15重量份二氧化碳流体，所述二氧化碳流体中具有夹带剂，所述夹带剂为12重量份醋酸，反应温度为50℃，压强为22MPa，反应时间为40min；

2)混合：在反应釜中继续加入15重量份甲酚红，反应温度为50℃，压强为22MPa，反应时间为20min，然后加入10重量份羟乙基甲基纤维素、40重量份黄芪胶和20重量份天然矿物蜡，反应温度为80℃，压强为60MPa，反应时间为20min；

3)调色：在反应釜中加入5～20重量份碳酸氢钠进行调色，反应温度为90℃，压强为120MPa，反应时间为15min，得到混合料；

4)挤压干燥：将所述混合料在压芯机(压芯机吨位为150吨)上压芯得到笔芯，压出的笔芯直径控制在1.0～8.0mm，将笔芯装入烘芯罐进入烘芯炉加热干燥，干燥温度为70℃，空气相对湿度为50％，干燥时间为3d。

实施例3：

一种环保水溶性彩色铅笔芯，包括经10重量份二氧化碳流体处理过的组合物，所述组合物包括以下成分及其重量份：50重量份水洗高岭土、7重量份羟乙基甲基纤维素、32重量份黄芪胶、15重量份天然矿物蜡、13重量份甲酚红、5～20重量份碳酸氢钠和6重量份醋酸。

一种环保水溶性彩色铅笔芯的制备方法，具体制备步骤为：

1)酸化改性：在反应釜中加入50重量份水洗高岭土，然后通入10重量份二氧化碳流体，所述二氧化碳流体中具有夹带剂，所述夹带剂为6重量份醋酸，反应温度为45℃，压强为20MPa，反应时间为30min；

2)混合：在反应釜中继续加入13重量份甲酚红，反应温度为45℃，压强为20MPa，反应时间为20min，然后加入7重量份羟乙基甲基纤维素、32重量份黄芪胶和15重量份天然矿物蜡，反应温度为82℃，压强为80MPa，反应时间为34min；

3)调色：在反应釜中加入5～20重量份碳酸氢钠进行调色，反应温度为82℃，压强为80MPa，反应时间为10min，得到混合料；

4)挤压干燥：将所述混合料在压芯机(压芯机吨位为150吨)上压芯得到笔芯，压出的笔芯直径控制在1.0～8.0mm，将笔芯装入烘芯罐进入烘芯炉加热干燥，干燥温度为63℃，空气相对湿度为45％，干燥时间为5d。

实施例4：

与实施例3的不同之处在于羟乙基甲基纤维素替换为脂肪酸皂。

实施例5：

与实施例3的不同之处在于酸碱指示剂为酚酞。

实施例6：

与实施例3的不同之处在于碳酸氢铵替换为磷酸氢二钠。

实施例7：

与实施例3的不同之处在于不添加黄芪胶。

实施例8：

一种环保水溶性彩色铅笔芯，包括以下成分及其重量份：50重量份水洗高岭土、7重量份羟乙基甲基纤维素、15重量份天然矿物蜡、13重量份甲酚红、5～20重量份碳酸氢钠。

一种环保水溶性彩色铅笔芯的制备方法，具体制备步骤为：

1)在反应釜中加入50重量份水洗高岭土，控制反应釜内的温度为45℃，压强为20MPa，水洗高岭土在上述条件下放置30min；

2)然后在反应釜中继续加入13重量份甲酚红，反应釜内保持温度为45℃，压强为20MPa的环境20min，然后加入7重量份羟乙基甲基纤维素和15重量份天然矿物蜡，反应温度为82℃，压强为80MPa，反应时间为34min；

3)在反应釜中加入5～20重量份碳酸氢钠进行调色，反应温度为82℃，压强为80MPa，反应时间为10min，得到混合料；

4)挤压干燥：将所述混合料在压芯机(压芯机吨位为150吨)上压芯得到笔芯，压出的笔芯直径控制在1.0～8.0mm，将笔芯装入烘芯罐进入烘芯炉加热干燥，干燥温度为63℃，空气相对湿度为45％，干燥时间为5d。

实施例9：

与实施例8的不同之处在于不添加黄芪胶。

实施例10：实施例3～9的笔芯性能测定

1)挠曲强度的测定：

将实施例3～9的笔芯蘸水后根据JIS-S-6005-2007测量挠曲强度(n＝100)。

2)画线显色的测定：

使用JIS-S-6005-2007中规定的画线器，将实施例3～9的笔芯蘸水进行图画，以使用与浓度测量法相同的光谱色度计测量的Lab值中的色度(a²+b²)^1/2示出(n＝100)。

3)水溶效果的测定：

将实施例3～9的笔芯蘸水进行图画，肉眼观察水溶效果。

4)书写性能

将实施例3～9的笔芯蘸水进行图画，体验书写性能。

测定结果如表1所示：

由表1可知，通过比较实施例3和实施例7(或实施例8和实施例9)可知，在不添加黄芪胶的情况下制备的水溶性彩色铅笔芯的挠曲强度有所下降但降低程度并不高，水溶效果从优变为良(或从差变为极差)且书写效果也从优转为良，说明黄芪胶对挠曲强度具有影响但影响不是很大，黄芪胶对水溶效果和书写效果方面起到比较重要的作用。通过比较实施例3和实施例8可知，在不添加二氧化碳超临界流体和醋酸的情况下制备的水溶性彩色铅笔芯的挠曲强度大幅下降，画线显色效果也大打折扣，水溶效果从优变为差且书写效果从优变为差，说明二氧化碳超临界流体和醋酸对挠曲强度、画线显色、水溶效果和书写效果均起到至关重要的作用。

实施例11：

色度随空气湿度变化的测定：

使用JIS-S-6005-2007中规定的画线器，将实施例3～9的笔芯蘸水进行图画，图画干燥后，调节空气湿度(从20％调整到70％)，以使用与浓度测量法相同的光谱色度计测量的Lab值中的色度(a²+b²)^1/2示出(n＝100)。如表2所示，记录不同湿度对应的色度，计算因空气湿度变化，图画产生的色度变化。

表2.色度随空气湿度变化的测定

由表2可知，随着空气湿度的变化，图画的颜色也会发生变化，图画不再是静止状态，而可以在不同环境下产生不同的视觉效果，这极大地增加了绘画的趣味性和观赏价值。笔芯材料中具有大量的氢键，因此画在纸张上的铅笔的吸水性远大于纸张，空气中的水汽率先进入纸张上的铅笔部分。因笔芯中存在黄芪胶与天然矿物蜡，使得纸张上涂有铅笔的部分与空白部分的界限处形成阻水带。该阻水带可有效防止吸收水汽后的铅笔进行扩散。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种环保水溶性彩色铅笔芯，其特征在于包括经5～15重量份二氧化碳流体处理过的组合物，所述组合物包括以下成分及其重量份：40～60重量份水洗高岭土、5～10重量份乳化剂、10～20重量份天然矿物蜡、10～15重量份酸碱指示剂和5～20重量份pH调节剂。

2.根据权利要求1所述的一种环保水溶性彩色铅笔芯，其特征在于，还包括4～12重量份醋酸。

3.根据权利要求2所述的一种环保水溶性彩色铅笔芯，其特征在于，还包括20～40重量份黄芪胶。

4.根据权利要求3所述的一种环保水溶性彩色铅笔芯，其特征在于，所述乳化剂为脂肪酸皂。

5.根据权利要求3所述的一种环保水溶性彩色铅笔芯，其特征在于，所述酸碱指示剂为黄代酚酞类酸碱指示剂。

6.根据权利要求3所述的一种环保水溶性彩色铅笔芯，其特征在于，所述pH调节剂为碳酸氢钠。

7.一种环保水溶性彩色铅笔芯的制备方法，其特征在于包括权利要求3～6任一所述的一种环保水溶性彩色铅笔芯，具体制备步骤为：

1)酸化改性：在反应釜中加入40～60重量份水洗高岭土，然后通入5～15重量份二氧化碳流体，所述二氧化碳流体中具有夹带剂，所述夹带剂为4～12重量份醋酸，反应温度为40～50℃，压强为18～22MPa，反应时间为20～40min；

2)混合：在反应釜中继续加入10～15重量份酸碱指示剂，反应温度为40～50℃，压强为18～22MPa，反应时间为10～20min，然后加入5～10重量份乳化剂、20～40重量份黄芪胶和10～20重量份天然矿物蜡，反应温度为80～90℃，压强为60～120MPa，反应时间为20～40min；

3)调色：在反应釜中加入5～20重量份pH调节剂进行调色，反应温度为80～90℃，压强为60～120MPa，反应时间为5～15min，得到混合料；

4)挤压干燥：将所述混合料挤压成笔芯，并干燥。

8.根据权利要求7所述的一种环保水溶性彩色铅笔芯的制备方法，其特征在于，所述酸化改性步骤中水洗高岭土的加入量为45～55重量份，二氧化碳流体通入量为7～10重量份，醋酸的加入量为7～10重量份。

9.根据权利要求7所述的一种环保水溶性彩色铅笔芯的制备方法，其特征在于，所述挤压干燥步骤中干燥温度为50～70℃，空气相对湿度为30～50％，干燥时间为2～7d。

10.根据权利要求9所述的一种环保水溶性彩色铅笔芯的制备方法，其特征在于，所述挤压干燥步骤中空气相对湿度为40～45％。