笔墨中的化学

笔墨中的化学
摘要笔墨与我们的日常生活关系密切，无论读书、学习，还是标记、记录都离不开笔墨。

简单介绍了几种常见笔的结构、性质及其所用墨水的化学组成与使用。

关键词笔墨结构组成性质
在文房四宝中“笔”与“墨”居前两位，可见从古至今笔墨对人类都具有重要的现实意义。

随着新材料的不断发现，各种各样的写字用笔与书写油墨随之产生，例如生活中常见的铅笔、粉笔、毛笔、钢笔、圆珠笔、记号笔、荧光笔、白板笔以及蜡笔等等。

笔离不开墨，本文还介绍了与上述笔相对应的书写墨水的一些化学知识。

1 铅笔与铅笔芯
世界上第一支铅笔出现在英国，当时是把一种黑色软矿石做成棒状或条状，直接用于书写。

由于质软易断，后来人们将其缠上绳子或镶嵌在2片木槽中，这样就形成了最早的铅笔。

因为黑色的软矿石外观极像金属铅，所以该笔被称为“铅”笔。

后来黑矿石主要化学成分被证明是石墨，众所周知石墨呈层状结构，层与层之间距离较大，作用力较小，易于滑动，书写后可在纸上留下划过的痕迹。

由于石墨太软，容易断和磨损，所以目前所用的铅笔芯一般都在石墨中掺合一定比例的黏土。

根据铅芯中石墨的比例，铅笔芯主要有6H～1H、HB、1B～6B等规格。

其中H（Hard的首字母）表示硬度，代表掺入黏土较多，其前数值越大代表铅笔越硬越淡；B（Black的首字母）表示黑度，代表石墨的含量较多，其前数值越大代表铅笔越软越黑；HB软硬居中。

不同规格的铅笔用途不同，例如标有H的铅笔较硬，常用于工程绘图；标有B的铅笔较软，多用于画画；适于书写的是软硬适中标号HB的铅笔。

虽然铅笔芯主要化学成分是无毒的石墨而不是铅，但笔杆的油漆涂层常常含有铅，所以平时不要养成咬铅笔的习惯。

由于普通铅笔要消耗木材，会造成一定程度的浪费，所以出现了非木材外壳的活动铅笔，因装在细长塑料管内的铅笔芯可随着书写的磨损来调节而得名。

活动铅笔用的铅芯分黏土型（C型）石墨铅芯和树脂型（P型）石墨铅芯2种，其中树脂型铅芯软硬适中，不易折断，书写性能良好。

根据直径的不同，铅芯主要分为0.5 mm和0.7 mm 2种规格。

2 粉笔
2.1 普通粉笔
普通白粉笔是由生石膏（硫酸钙的水合物）制成。

其过程是把生石膏（CaSO4•2H2O）在一定温度下煅烧，使其部分脱水变成熟石膏（2CaSO4•H2O），再将熟石膏和水按一定比例（一般5∶6）混合均匀，调成糊状，灌入模型中便可浇铸成粉笔。

为改善书写性能可加入滑石粉，主要成
分硅酸镁（MgSiO3）和高岭土（主要成分硅铝酸盐），若加入有色颜料可制成
各种彩色粉笔。

普通粉笔使用过程中容易出现粉尘污染，日久会影响师生的身体健康。

2.2 无尘粉笔
3 毛笔与墨汁
3.1 毛笔
毛笔由笔毛和笔杆2部分构成。

根据笔毛的来源不同，毛笔可分为羊毫（软毫）笔、狼毫（硬毫）笔、兼毫笔和胎毛笔4种。

其中羊毫大部分是用兔毛制作的，质软、弹性柔弱，写出的字浑厚丰满；狼毫用黄老鼠尾巴上的毛制成，质硬、富有弹性，适于写挺拔刚劲的楷体字；兼毫用软毫和硬毫按一定比例混合制成，软硬居中；胎毛笔使用的是婴儿的毛发。

因毛发主要成分为蛋白质，易被虫蛀，所以写完字后要及时洗净余墨，套好笔帽存放于阴凉、干燥处。

3.2 墨汁
早期的墨汁是由木炭、煤灰悬浮在虫胶中制成的，现在大多数墨汁主要以烟炱配以适量的胶和香料制成。

烟炱按其来源主要有松烟、油烟和松油烟3类，其中松烟是由松木烧制的，油烟是由桐油［主要成分CH3（CH2）3（CHCH）3（CH2）7COOH）］或菜油［主要成分亚油酸CH3（CH2）4CHCHCH2CHCH（CH2）7COOH］烧制的，松油烟是松烟、油烟的混合物。

墨汁用胶主要为虫胶、明胶和阿拉伯树胶，其中虫胶是从热带昆虫中提取的一种天然树脂的醇溶液；明胶又称为骨胶或皮胶，是从动物的皮或骨中提取的一种胶原蛋白质；阿拉伯树胶是热带树皮中形成的一种复杂多糖组成的水溶性聚合物，各种胶主要用来作为烟炱的分散介质。

4 钢笔与墨水
4.1 钢笔
钢笔由笔帽、笔体和笔芯3部分组成。

不同的笔主要是笔头或笔尖的材料不同，可为普通钢材、铬镍合金、金合金、铱金粒等。

一般钢笔的笔头和笔尖都是普通钢材，该种笔抗腐蚀性好，但耐磨性差。

鉴于此，人们选用黄金合金作为笔头，耐磨的铱合金作为笔尖，制成了高级自来水笔，称为金笔。

通常称金（Au）含量58.33％、银（Ag）和铜（Cu）含量各20.835％的金笔为14K金笔；通常称金含量50％、银和铜含量各25％的金笔为五成金笔或12K金笔，金笔耐腐蚀、耐磨，书写流利而且弹性好，虽然金笔性能良好但是成本高，价格贵，所以市场上出现了用铬镍合金（含铬镍各5％～10％的特种钢，是一种不锈钢，抗腐蚀性强）代替金合金制作笔头，笔尖为铱金粒的铱金笔，该笔保持了金笔的耐腐蚀性和弹性，而且经济耐用，是我国应用最广的一种自来水笔。

4.2 墨水
常见的钢笔墨水有蓝黑墨水、纯蓝墨水、红墨水和碳素墨水几种。

普通蓝黑墨水为鞣酸铁型的墨水，主要成分有鞣酸（又名单宁酸，分子式C76H52O46）、没食子酸（3，4，5三羟基苯甲酸，分子式C7H6O3）、亚铁盐
（主要有七水硫酸亚铁FeSO4•7H2O）和墨水蓝（三芳甲烷类染料，如图1），除此之外还有能使书写过的材料防虫蚀的砒霜（三氧化二砷As2O3）、稳定或防霉的硫酸、福尔马林（35％～40％甲醛）和苯酚（石炭酸）等，可见普通蓝墨水有一定的毒性和腐蚀性，使用时应尽量避免弄到皮肤上。

现在也出现了新型蓝黑墨水，主要成分有铜酞菁蓝［1］（简称Cu-Pc，见图2）、高聚物和有机溶剂（乙二醇、丙三醇等）。

纯蓝墨水主要有2种配方，一种为墨水蓝、砒霜、硫酸、甘油和苯酚；另一种是碱性艳蓝B［2］（见图1）、95%乙醇、乙酸乙酯、硝化纤维。

红墨水的组成一般为曙红（见图3）、阿拉伯树胶、苯酚和乙醇。

碳素墨水是炭黑（主要为碳，是有机物不完全燃烧或裂解的产物）加入表面活性剂和保护胶体（虫胶、明胶等）所形成的分散体系，通常往其中加入氨水来调节pH，以提高墨水的流动性；加入苯酚、福尔马林作为防腐剂，加入冰片（见图4）、麝香（主要成分麝香酮，分子式C16H30O，见图5）作为香料。

5 圆珠笔与圆珠笔墨水
因其顶端有一个圆形小钢珠，所以人们称这种笔为圆珠笔。

日常生活中，我们一般把书写介质为油性墨水的称为油性圆珠笔；书写介质为水性墨水的称为签字笔；书写介质的黏度介于水性和油性之间的称为中性笔。

5.1 油性圆珠笔
油性圆珠笔（简称油笔），即普通圆珠笔，又被称为原子油或原子笔。

圆珠笔墨水主要成分是染料（碱性染料或铜酞菁染料）、树脂（常用的是蓖麻油与邻苯二甲酸酐缩合而成的醇酸树脂）和溶剂（二元醇、苯甲醇）［3］。

5.2 签字笔与签字笔墨水
签字笔又称为水性圆珠笔。

外观象圆珠笔，笔尖一般有2种：一种为滚珠结构，另一种为纤维结构。

签字笔使用染料型墨水，多采用酸性染料和直接耐晒染料，酸性染料因其水浸牢度和耐晒牢度较差，近几年逐步被后者取代。

签字笔墨水主要溶剂是水，所以无味且笔尖不易干燥，但其笔迹不耐水，遇到水会扩散。

现市售的蓝色或黑色签字笔笔迹经光照后有一定程度的变浅，由耐水和耐晒性能来看，签字笔墨水的字迹难长久保存，虽称为“签字笔”但并不适宜用来填写支票或档案等重要的票据和文档。

5.3 中性笔与中性笔墨水
中性笔具有书写流畅、字迹清晰、耐水耐晒、保存期长等优点，目前逐渐代替钢笔，是深受大家喜爱的一种书写笔。

其外形像圆珠笔，书写字迹类似钢笔墨水，它的特点介于油性圆珠笔和水性钢笔之间，集中了两者的优点，所以称为中性笔，亦称中性圆珠笔。

中性笔使用中等黏度凝胶状颜料型或染料型墨水供墨，例如炭黑、氧化铁等无机颜料和偶氮类（-N=N-）、蒽醌类、酞菁类等有机颜料，对染料型墨水来说
常用的有曙红、罗丹明B（见图6）和直接坚牢黄A（1，2二苯乙烯衍生物，
结构不明确）等。

中性笔多用黑色墨水，其颜料为炭黑，分散剂一般用苯乙烯－丙烯酸盐共聚物钠盐，其黏度比油笔低，比水性笔高。

中性笔和签字笔一样，使用时要防止撞击，摔到地上容易断水损坏。

6 记号笔与记号笔墨水
一般记号笔又称为塑料纤维笔，外观与白板笔非常接近，但白板笔多用水性墨水，容易擦除，而记号笔多用油性墨水，有明显的气味，书写后不易擦除。

两者不能混用，否则会使“标记”字迹不牢固，或使白板残留擦不去的痕迹，甚至损坏白板。

7 荧光笔与荧光墨水
荧光笔外观与记号笔类似，笔头用特制的纤维制造。

所用荧光墨水颜色鲜艳，主要有黄、红、绿等颜色，用作注明要点或标记重点。

荧光墨水有水性和油性2种。

其中的荧光物质常用无机物，通常用某些金属［如锌（Zn）、钙（Ca）等］硫化物或稀土氧化物与微量活性剂铜（Cu）、锰（Mn）等配合经煅烧而得，其能吸收日光的能量而发不同颜色的荧光，如ZnS／Cu荧光物（深红→绿色）、CaS ／Bi（红色）。

也常用有机荧光染料［2，4］三芳甲烷类染料如罗丹明B（见图6）、荧光素（见图7）、酸性曙红等，另外还有硫代黄素（见图8）等。

8 白板笔与白板笔墨水
20世纪60年代末70年代初，出现了白板和白板笔。

白板笔的笔尖亦为特制纤维，它可以在白板（搪瓷）、玻璃、陶瓷等表面书写，用普通干布即可擦除而且不留痕迹。

白板和白板笔具有无粉尘的优点，在教学中使用越来越广泛。

白板笔墨水通常采用水性墨水，主要有色料（颜料或染料）、溶剂（乙醇、氯仿等）、可溶性树脂（纤维素衍生物、聚乙烯醇等）、助剂4部分组成。

由于现在用的白板笔墨水中含有易挥发的有机溶剂，不利于环保，因此对白板笔性能提出了更高的要求，主要是溶剂的选择趋向于低毒，甚至无毒，这样既能改善白板笔的使用环境，又能降低成本，从而使白板和白板笔的应用更普遍。

9 彩色蜡笔
将地蜡、石蜡、蜂蜡、棕榈蜡按一定比例混合，加入滑石粉和颜料，搅拌均匀，冷却变黏稠，倒入铜模成型即可得彩色蜡笔。

地蜡为高分子量烃的混合物，存在于地下油页岩附近的残余物中，是一种与蜡相似的固体低熔物，提纯后称之为微晶蜡，可代替价格较高的蜡。

石蜡是蒸馏石油最终产品，为C20~C30高分子量烃的混合物。

蜂蜡和棕榈蜡分别是动、植物体内的蜡状物质，它的主要成分是偶数碳原子（16个碳以上）的一元羧酸与高级一元脂肪醇形成的酯，蜂蜡分子式为C15H31COOC30H61，棕榈蜡分子式为C25H51COOC30H61。

参考文献
［1］永嘉.有机颜料——品种与应用.北京：化学工业出版社，2001：292
［2］朱骥良，吴申年.颜料工艺学.第2版，北京：化学工业出版社，2002：520-522
［3］董川，温建辉，张俊.笔墨材料化学.北京：科学出版社，2005：54-63
［4］周春隆，穆振义.有机颜料化学及工艺学.北京：中国石化出版社，1997：211-212。