圓珠筆用油墨和筆芯的質(zhì)量分析（下）

□ 上海市制筆工業(yè)研究所 伏元龍 周杰

9 、油墨的冒油和收口角度的確定

國(guó)內(nèi)圓珠筆用油墨質(zhì)量的提高主要體現(xiàn)在抗靜態(tài)滲漏的性能的提高，書寫潤(rùn)滑性和初筆性能的提高，動(dòng)態(tài)冒油的減少（動(dòng)態(tài)冒油指在書寫的過(guò)程中線條產(chǎn)生堆墨點(diǎn)現(xiàn)象），目前正在形成一種惡性循環(huán)，筆芯斷線→縮短油孔或擴(kuò)大油孔→油墨提高不冒油性能→筆芯更易斷線，這種狀態(tài)光靠油墨去解決不冒油是不全面的，冒油的主要原因有三個(gè)：

a.油墨的不冒油性能；

b.銅頭的結(jié)構(gòu)；

c.筆芯的收口。

收口工序是圓珠筆出墨系統(tǒng)的最后一道工序，也是最終影響出墨系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵工序之一，收口角度的確定（θ3）：理論上收口角度范圍在40°-107°之間，傳統(tǒng)的筆芯聯(lián)合裝配機(jī)中一般采用二次收口，第一次收口模具選擇角度為72°，主要是保證筆芯書寫角度符合圓珠筆國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。第二道為68°，目的是控制和調(diào)整球珠的外露量。一般球珠外露量應(yīng)小于直徑的1/3。影響收口角度確定的因素：一般情況下，球座口邊厚度，球座深度，球座體錐角與收口角度成正比，而收口壓力則影響收口松緊及書寫質(zhì)量，造成寫不出或?qū)懖煌?，產(chǎn)生冒油現(xiàn)象，從生產(chǎn)實(shí)踐中得出以下五點(diǎn)冒油結(jié)論：

a.油墨圓珠筆在溫度、濕度高時(shí)易發(fā)生冒油現(xiàn)象；

b.油墨圓珠筆在密封時(shí)易產(chǎn)生冒油現(xiàn)象；

c.油墨圓珠筆筆頭跟其他物質(zhì)接觸儲(chǔ)存時(shí)，易發(fā)生冒油現(xiàn)象；

d.油墨圓珠筆收口嚴(yán)重單邊時(shí)，易發(fā)生冒油現(xiàn)象；

e.油墨圓珠筆球珠或銅頭碗口被損壞時(shí)，易發(fā)生冒油現(xiàn)象。

10 、出墨量

圓珠筆芯開始劃線至規(guī)定長(zhǎng)度不斷線的出墨容量稱出墨量。冒油和出墨量有密切關(guān)系，出墨量的大小和收口角度有密切關(guān)系，但是和油墨的粘度也有密切關(guān)系，圓珠筆芯書寫好壞和圓珠筆筆頭與油墨的匹配有關(guān)，圓珠筆芯書寫潤(rùn)滑性能的好壞，決定于書寫摩擦系數(shù)的大小，一般摩擦系數(shù)在0.196-0.210書寫潤(rùn)滑比較理想，摩擦系數(shù)在0.210-0.240之間書寫正常尚潤(rùn)滑，摩擦系數(shù)在0.240-0.320之間書寫潤(rùn)滑性差，手感不適。出墨量的大小也是影響摩擦系數(shù)的因素之一，因油墨球珠與球座體間唯一的潤(rùn)滑劑，出墨量的大小與潤(rùn)滑性能的好壞一般成正比，但它必須控制不致冒油的最佳量，好的圓珠筆芯是潤(rùn)滑又不冒油，如果為了提高圓珠筆芯書寫潤(rùn)滑性能而單純加大出墨量，可能會(huì)顧此失彼造成冒油現(xiàn)象發(fā)生。筆芯出墨系統(tǒng)加工的最后一道工序，是關(guān)系到筆芯質(zhì)量狀況的關(guān)鍵工序之一，直接影響筆芯的書寫角度與書寫手感，以下綜合分析出墨量有密切關(guān)系。

a.出墨量由大變?。?/p>

開始出墨量最大，然后逐步下降，直至油墨用完，始終是下降趨勢(shì)，其原因是因?yàn)榍蛑榕c球座的配合間隙較大，收口也較松，在供墨量大的情況下，出墨量也會(huì)比較大，因?yàn)殚g隙大且出墨量大，所以球座、油槽和環(huán)槽等的磨損相對(duì)比較小，因而對(duì)出墨量的影響也比較小，主要由供墨量的大小決定著出墨量的多少，可以稱之為“供墨量主導(dǎo)型”，這種情況會(huì)因?yàn)殚_始出墨量大而產(chǎn)生滴墨、積墨或冒油等，由于前期超支到后期則會(huì)出墨量太小使字跡變淡，手感不好，書寫長(zhǎng)度不夠等等。

b.出墨量由小變大再變?。?/p>

開始出墨量由小逐步增大，在達(dá)到最大程度后再快速下降直至零，其原因是因?yàn)榍蛑榕c球座的配合間隙偏小，收口偏緊，即使在開始供墨量大的情況下，出墨量還是比較小，出于間隙小，收口緊，出墨量小，內(nèi)部潤(rùn)滑性差，球座、油槽和環(huán)槽等的磨損就比較大，隨著因磨損而間隙增大，出墨量也逐步變大，但是當(dāng)環(huán)槽磨損到一定程度，出墨量會(huì)出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折，由最高峰快速下降，也就是說(shuō)出墨量的大小基本是由間隙和磨損量來(lái)主導(dǎo)的，可以稱之為“間隙磨損主導(dǎo)型”。這種情況在開始書寫后的相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，書寫會(huì)感到干澀，不流暢，手感不好，等出墨量變大時(shí)可能已接近尾聲，如果出墨量變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)不是在結(jié)束階段，也就是說(shuō)在油墨還有相當(dāng)量時(shí)就斷線、寫不出、寫不完，如排除油墨的問(wèn)題，就應(yīng)該懷疑球珠和球座的加工精度及表面粗糙度，以及球座體的材質(zhì)或硬度是否有問(wèn)題。

c.出墨量由小變大，趨于平穩(wěn)，再變小：

開始出墨量稍小，然后有所增大，在一定的幅度內(nèi)波動(dòng)并趨于平穩(wěn)下降，最終隨著油墨用完而迅速下降，其原因是因?yàn)榍蛑榕c球座的配合間隙及收口松緊均適中，出墨量亦會(huì)變大，但由于間隙控制得比較好，開始的出墨量就比較正常，使得球座、油槽和環(huán)槽等的磨損也處于比較正常的水平，因此即不像“供墨量主導(dǎo)型”那樣，也不會(huì)如“間隙磨損主導(dǎo)型”那般，而是兩種影響交叉配合從而達(dá)到比較平衡的狀態(tài)，所以可稱之為“交叉平衡型”，這種情況的書寫手感比較好，出墨量在平穩(wěn)中所波動(dòng)或是平穩(wěn)下降，始終是比較流暢的。

油眼小而長(zhǎng)的筆頭更不容易冒油，1.0mm球珠比0.7mm更易冒油，就是因?yàn)?.7mm球珠的筆頭油眼直徑0.4mm，而1.0mm球珠的筆頭油眼直徑從0.45mm至0.55mm不等，油眼的長(zhǎng)度應(yīng)是0.7-0.9mm.為了改善不斷線性能許多企業(yè)將油眼的長(zhǎng)度定位0.6mm，所以更容易產(chǎn)生冒油現(xiàn)象。最佳工藝認(rèn)為油眼縮小到0.45mm，油眼的長(zhǎng)度應(yīng)是0.7mm以上，通過(guò)銅頭的結(jié)構(gòu)來(lái)解決冒油問(wèn)題是上策。

11 、筆芯油管內(nèi)徑尺寸影響油墨質(zhì)量

QB/T1946-2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試樣筆芯長(zhǎng)度不小于101mm，筆芯管內(nèi)徑不小于1.9mm，但是只能制作目前生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的圓珠筆筆芯，筆芯油管內(nèi)灌注儲(chǔ)墨量大于0.2g油墨, 筆芯內(nèi)孔直徑大于1.8mm, 油墨液面距筆芯尾端距離大于18mm,采用不銹鋼球珠（9cr18N）、鉛黃銅（59#）銅頭，制作成的筆芯，這種筆芯能保證二年后正常書寫，同時(shí)要求油墨灌入筆芯后初筆性能好，書寫時(shí)潤(rùn)滑、流暢，還要求油墨有抗靜態(tài)滲漏的性能（筆芯的球珠在不滾動(dòng)時(shí)應(yīng)無(wú)油墨從筆尖處滲出）。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是顏色好看，保質(zhì)期長(zhǎng)，書寫潤(rùn)滑，初筆良好，不冒油（指不靜態(tài)滲漏）。因此技術(shù)人員再三強(qiáng)調(diào)圓珠筆由筆桿、筆套、筆芯和有關(guān)傳動(dòng)裝置的零部件組成，其中筆芯是決定圓珠筆書寫質(zhì)量的關(guān)鍵部件，筆芯由油墨、筆頭、球珠、油管、球座體、浮塞所組成。鑒于目前生產(chǎn)的筆芯為了降低成本，筆芯油管內(nèi)徑尺寸在1.4-1.8mm范圍（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定2.2mm），由于油管內(nèi)徑尺寸變小，所以浮塞工藝也免了，其實(shí)浮塞對(duì)圓珠筆芯起到了對(duì)油墨溶劑的揮發(fā)、干燥結(jié)膜起到保護(hù)作用，也可以防止油墨吸潮，防止油墨氧化。

所以油管內(nèi)徑尺寸太小更容易造成書寫時(shí)斷線，因?yàn)橛湍鲃?dòng)時(shí)阻力增加，單位時(shí)間內(nèi)的流量大幅度減少，特別是在氣溫偏低的時(shí)候，油管內(nèi)徑尺寸太小的唯一好處就是使油墨在沒有浮塞的情況下不倒流，而且不冒油?？萍既藛T做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在相同的環(huán)境溫度和濕度，相同的油墨粘度，不同的油管內(nèi)徑尺寸，實(shí)驗(yàn)前在三支不同內(nèi)徑尺寸的油管中注入相同高度，同時(shí)垂直豎立，讓油墨在重力作用下流到另一端，所流過(guò)的距離也相同，油管長(zhǎng)度都為75mm,則油管內(nèi)徑尺寸1.83mm（銅頭后外圓1.95mm），流完全程用時(shí)23分6秒鐘，油管內(nèi)徑尺寸1.41mm（銅頭后外圓1.62mm），流完全程用時(shí)35分30秒鐘，兩支油管在單位時(shí)間內(nèi)的流量分別是：內(nèi)徑尺寸1.41mm，0.7052×3.14×75/35.5min=3.30mg/min，內(nèi)徑尺寸1.83mm,0.9152×3.14×75/23.1 min=8.54mg/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明油管內(nèi)徑尺寸太小，則單位時(shí)間的流量將大大降低，如果用手快速劃線可300圈/分鐘=2700cm/min=27m/min，劃100m大約用4min，根據(jù)筆芯1.0mm球珠的出墨量要求1.6mg/100m，而劃線機(jī)100m耗時(shí)23分鐘，即4.5m/min那么即使沒有銅頭，油管中的油墨也來(lái)不及供應(yīng)，更不用說(shuō)內(nèi)徑尺寸小的油管相差會(huì)更大，儲(chǔ)存墨量的減少筆芯更容易干涸，那么保質(zhì)期也會(huì)縮短。用106型筆芯為例，內(nèi)徑尺寸1.4mm的儲(chǔ)墨量為：筆芯底面積×油墨高度×油墨比重，即0.72×3.14×90×1.17=180mg=0.18g，由此可見儲(chǔ)墨量相差很大，因?yàn)橐坏嗡菀赘?，而一杯水不容易干，?dāng)油管中某一部分溶劑揮發(fā)后，溶劑濃度高的地方向劑濃低的地方遷移，擴(kuò)散、滲透作用嚴(yán)重受阻會(huì)引起局部干燥，更何況圓珠筆用油墨是具有一定的粘度漿狀物。

12 、筆芯出墨系統(tǒng)主要參數(shù)簡(jiǎn)介

圓珠筆的出墨系統(tǒng)主要是球珠與球座所組成。書寫時(shí)出墨是否均勻通暢，書寫是否潤(rùn)滑流利，除與油墨的性質(zhì)有關(guān)系外，主要取決于出墨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸大小，出墨系統(tǒng)中球座體結(jié)構(gòu)提出：a.臨界槽徑；b.球珠與球座體相貼面積；c.環(huán)槽角體積；d.環(huán)槽角最大間隙；e.槽沖角等五個(gè)計(jì)算公式中介紹a、b計(jì)算公式。

a.臨界槽徑（dm）計(jì)算：

式中：

dm-直槽的臨界槽徑；

Rs-球珠半徑；

α-內(nèi)錐角半角，即θ/2；

h-圓沖沖深量；

當(dāng)直槽槽徑d＞dm時(shí)，直槽與環(huán)槽相通，筆芯出墨流暢，書寫流利。

b.球珠與球座體相貼面積（Sm）計(jì)算：

式中：

Sm-相貼面實(shí)際面積；

Rb-球珠半徑；

Rs-球座體半徑；

h-直槽寬（即球帶的高）；

η°-相貼面直槽所對(duì)應(yīng)的圓心角的弧度數(shù)。

13 、油墨脫節(jié)和變質(zhì)

這是指圓珠筆芯在油管內(nèi)尚存有油墨，但書寫不能出墨，造成這一現(xiàn)象的原因是：

a.球珠和球座收口配合不當(dāng)，在加工過(guò)程中收口壓力過(guò)大，球座緊緊包住球珠，間隙過(guò)小，使球珠無(wú)法滾動(dòng)。

b.油管或油墨通道中出現(xiàn)空氣泡，使油墨脫節(jié)。在加工過(guò)程中注入油墨時(shí)由于油墨的溫度過(guò)高，使油墨中產(chǎn)生很多微小氣泡，當(dāng)溫度下降時(shí)油墨收縮，致使微小氣泡聚集起來(lái)形成大氣泡，同時(shí)在筆芯離心過(guò)程中，離心速度或時(shí)間不夠，未將氣泡全部排除。

c.在書寫過(guò)程中由于倒寫或書寫不當(dāng)，使球珠和球座之間油墨中斷，致使空氣進(jìn)入球座體造成油管中油墨脫節(jié)。

d.由于油墨的穩(wěn)定性差，在儲(chǔ)存和使用過(guò)程中產(chǎn)生結(jié)晶，結(jié)晶顆粒堵塞小孔及油槽，阻礙了油墨的供給系統(tǒng)。

e.由于油墨純結(jié)度差，雜質(zhì)沉淀后同樣堵塞孔。

f.筆芯灌注油墨時(shí)混入灰塵雜質(zhì)。

g.有些油墨質(zhì)量不穩(wěn)定，由于暴露空氣中時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，位于球珠和球座間隙的油墨易干涸。

油墨在筆芯中貯放時(shí)間長(zhǎng)，在貯存及書寫過(guò)程中，溶液必須穩(wěn)定不發(fā)生沉淀結(jié)晶.油墨中有雜質(zhì)，油墨變質(zhì)硬化，油墨內(nèi)有汽包或雜質(zhì)造成油墨脫節(jié)和拔節(jié)，致使油墨失靈而造成書寫不好、書寫不能出墨。

14 、油墨對(duì)銅頭和球珠的腐蝕與磨損

腐蝕后的球座表面更易磨損，在筆頭上引起腐蝕的原因有：

a.電化學(xué)引起腐蝕，球珠和球座是由兩種不同的金屬材料組成的兩者間存在一定的電位差，油墨就相當(dāng)于電解質(zhì)，所以就形成了腐蝕原電池的正負(fù)極，引起電化學(xué)腐蝕。

b.筆頭的材料在加工中殘留一定的內(nèi)應(yīng)力易引起應(yīng)力腐蝕。

c.筆頭在清洗過(guò)程中由于殘留一定量化學(xué)雜質(zhì)與銅起化學(xué)作用，加速了腐蝕。

油墨對(duì)球珠、球座體腐蝕性會(huì)影響圓珠筆書寫質(zhì)量，圓珠筆及筆芯書寫性能的好壞主要取決于球座體，球珠和油墨的質(zhì)量，球座體的質(zhì)量包括球座體本身的結(jié)構(gòu)以及與球珠和油墨的配合。球珠與球座的間隙較小，收口過(guò)緊，使間隙內(nèi)油墨量小，在書寫時(shí)引起球珠與球座間的直接摩擦，球座體易磨損，同時(shí)由于磨損使磨屑跟著油墨在球珠與球座間起了研磨劑的作用，又加速了磨損直至“窩珠”嚴(yán)重造成寫不出，同時(shí)磨屑有可能堵住小油孔使油墨流量變小，形成惡性循環(huán)。

目前球珠大部分采用的是不銹鋼或碳化鎢材料，耐磨性和耐腐蝕性能相對(duì)較差、容易打滑，筆頭采用的是不銹鋼、鎳白銅和鉛黃銅材料，特別是銅的材質(zhì)球座體耐磨性差、耐腐蝕性較差，因而經(jīng)常出現(xiàn)漏油、掉珠等現(xiàn)象。目前氧化鋯陶瓷材料由于具有硬度高、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最佳的球珠材料。國(guó)產(chǎn)圓珠筆用油墨的質(zhì)量同國(guó)外油墨相比，國(guó)產(chǎn)油墨的許多品種的其他質(zhì)量指標(biāo)如日曬牢度、水浸堅(jiān)牢度、耐溫性、滲化度、腐蝕性、穩(wěn)定性、表面張力、含水量、黏度、酸性、耐化學(xué)性等各方面技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)外油墨的水平，有些技術(shù)指標(biāo)超過(guò)國(guó)外油墨的水平，它與圓珠筆用油墨配方不斷地更新是有著密切關(guān)系的。

15 、結(jié)束語(yǔ)

圓珠筆芯的質(zhì)量問(wèn)題及產(chǎn)生原因：

a.寫不出或?qū)懖煌辏感碌墓P芯存有油墨在書寫過(guò)程中不能出墨，或已寫了一部分，寫不出由8個(gè)原因產(chǎn)生：1.筆頭因人為碰撞使球珠損傷而無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)；2.筆頭內(nèi)部的中油孔、小油孔被雜物（銅屑等）堵塞；3.筆頭內(nèi)的球珠與球座配合精度不好，造成油槽過(guò)早磨損使油墨無(wú)法流出；4.使用超過(guò)保質(zhì)期的變質(zhì)油墨；5.油桶開蓋時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使油墨干涸；6.浮塞加入筆芯過(guò)量或浮塞黏度過(guò)大而不能隨油墨下移，使供墨系統(tǒng)失靈；7.筆芯尾部不通氣；8.出現(xiàn)“窩珠”現(xiàn)象，即筆頭內(nèi)的球座磨損而造成球珠陷入不能順利轉(zhuǎn)動(dòng)。

b.漏墨，也稱冒油和倒漏，即油墨從筆頭處或油管尾部漏出也由8個(gè)原因產(chǎn)生：1.球珠與球座配合間隙過(guò)大；2.因掉珠而前后空氣流通造成倒漏；3.球珠規(guī)格尺寸和表面粗糙度不合格；4.油墨黏度低，內(nèi)聚力過(guò)小；5.液體堵塞與油墨發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而失去作用；6.筆芯中油墨內(nèi)有大量空氣；7.開蓋時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使筆頭內(nèi)油墨干涸，空氣進(jìn)入，又較長(zhǎng)時(shí)間倒置；8.倒寫或在負(fù)壓（真空）情況下書寫。

c.打滑，書寫時(shí)球珠在紙上不能滾動(dòng)而只能滑動(dòng)，書寫不出字跡，由3個(gè)原因產(chǎn)生：1.書寫紙上沾污了油類物質(zhì)，紙張纖維失去了毛細(xì)作用，或因外摩擦力矩小，造成打滑；2.球珠表面粗糙度過(guò)低，或球座粗糙度太高，使球珠與球座的摩擦力距增大，而與書寫面的摩擦力距減小，造成打滑；3.油墨對(duì)球珠和球座潤(rùn)濕性差，使球珠與球座的配合間隙內(nèi)油墨量很少，形成干摩擦而使內(nèi)摩擦力距增大。

d.掉珠即球珠從筆頭的球座口內(nèi)掉落由4個(gè)原因產(chǎn)生：1.筆頭與球珠配合時(shí)收口太松或球座露出過(guò)多；2.書寫時(shí)筆頭的球珠邊緣磨損嚴(yán)重；3.人為損傷；4.在開蓋或未封口的情況下受到大力沖擊。

e.斷線是指筆芯書寫的字跡出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象，這種斷線有的有規(guī)則，有的無(wú)規(guī)則由5個(gè)原因產(chǎn)生：1.筆芯供墨系統(tǒng)的油墨流量不足，或者由于雜質(zhì)擋住油眼或中眼而阻礙流通；2.筆芯的油墨內(nèi)有細(xì)小汽泡或變質(zhì)分層；3.紙張表面有油污而打滑；4.球珠存在質(zhì)量缺陷，如缺損、微裂、失圓等，都會(huì)使球珠在球座內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)困難；5.液體浮塞灌注量過(guò)大，易使油墨流量不足。

f.線條不好是指筆芯書寫出的線條存在虛線、單邊（半邊深、半邊淺）等現(xiàn)象由3個(gè)原因產(chǎn)生：1.筆頭的球座體損壞，包括球座口邊損傷，球座邊厚度不均勻（即半邊厚、半邊淺），收口后都會(huì)使球珠滾動(dòng)不規(guī)則而不靈活；2.筆頭與球珠收口間隙有大?。?.球珠本身質(zhì)量問(wèn)題或使用不當(dāng)?shù)仍蛟斐汕蛑閾p壞。