記號筆書寫潤滑度影響因素研究

吳燈武，梁向陽，姚鴻俊，晏金燦，郭亨長,*

1 上海晨光文具股份有限公司 中國制筆工程技術輕工重點實驗室 上海市奉賢區 201406

2 青島昌隆文具有限公司 山東省青島市 266555

3 上海應用技術大學化學與環境工程學院 上海市奉賢區 201408

記號筆出墨流暢性和潤滑度是書寫手感的綜合反映[1]。記號筆高分子筆頭前端與書寫面（紙張）之間會產生滑動摩擦，書寫介質（墨水）對于滑動摩擦起到潤滑劑的作用，同時其本身也存在液體的內摩擦，因此記號筆的書寫潤滑度，是滑動摩擦、內摩擦及潤滑作用的綜合反映[2,3]。為表征圓珠筆和記號筆的潤滑特性，陳湖雄等[4,5]公開了一種書寫潤滑度檢測方法和裝置。

國內外對于記號筆的潤滑度的研究尚未見文獻報道。在記號筆的書寫過程中，筆頭擠壓紙張產生形變，墨水充滿筆頭并與紙張接觸，在兩者之間形成一層墨水膜，由于負荷的存在，此時屬于邊界潤滑的狀態[6]，其中筆頭和墨水對潤滑度的影響尤為關鍵。本文使用記號筆潤滑度檢測儀[5]研究了書寫潤滑度的影響因素，包括筆頭的材質和結構、吸水率和出墨量，以及墨水的成分，從而提高記號筆的書寫手感，對記號筆的使用提供一定的參考價值。

1.試劑與儀器

1.1 試劑與原料

實驗所用墨水的表面活性劑如表1所示，實驗所用筆頭、試驗用紙及墨水等材料如表2所示。

表1 墨水表面活性劑

表2 實驗原材料

1.2 儀器

實驗所用儀器如表3所示。

表3 實驗所用儀器

2.實驗方法

2.1 劃線測試

先將試筆在精度0.1mg 的天平上稱重，記錄重量G0，再安裝在纖維筆劃線儀上，在QB/T 2777—2015標準要求的劃線紙上按照書寫性能測試項目的要求進行劃線，待劃線達到一定米數后停止，記錄劃線長度S，取出試筆稱重，記錄重量G1。出墨量M=(G0-G1)/S，單位mg/m。

2.2 磨損量測試

組裝成筆，用投影儀測量筆頭原始外露長度L0，按照2.1 在纖維筆劃線儀劃線，劃線達到一定米數后停止，記錄劃線長度S，再次測量筆頭外露長度L1。劃線磨損量W=(L0—L1)/S，單位μm/m。

2.3 筆頭滑度、書寫潤滑度和筆頭尖部受力測試

按T/CWIA 1007—2020《記號筆筆頭與墨水匹配技術規范》規定的筆頭滑度和書寫潤滑度的測試方法進行測試，兩者都用摩擦系數來表征。筆頭尖部受力按T/CWIA 1007—2020 方法測試，用最大受力來表征。

3.結果與討論

3.1 筆頭材質對記號筆磨損與書寫潤滑度的影響

記號筆與書寫紙的摩擦主要為筆頭纖維、膠黏劑、墨水與書寫紙的摩擦，相應筆頭磨損量與筆頭纖維材質[7,8]以及書寫面的光滑度有關。本文測試了黑色墨水匹配聚酯（PET）纖維筆頭、亞克力（PMMA）纖維筆頭以及聚乙烯（PE）燒結筆頭在書寫紙上磨損與書寫潤滑度，三種筆頭材料的分子結構式（見圖1）以及對應筆頭外觀見圖2，實驗結果見表4。

圖1 三種筆頭材料的分子結構式

圖2 三種材料的筆頭外觀，圖中標尺為1mm/格

表4 不同筆頭的磨損和書寫潤滑度測試

從表4可以看出，在筆頭受力即筆頭強度接近的情況下，測試其書寫過程承受壓力變形的情況，亞克力材質纖維筆頭書寫過程摩擦系數最大，磨損也最大；聚乙烯材質燒結筆頭書寫過程摩擦系數最小，磨損最小；聚酯纖維材質筆頭摩擦和磨損性能居中。不同于纖維筆頭，燒結筆頭沒有膠黏劑，燒結形成的塑料顆粒相對硬度低，局部變形量大，因而磨損相應最小。由圖1可見聚乙烯主要為非極性組分[9]，其與極性紙張表面的吸附性能很弱，因此摩擦系數最小。亞克力和聚酯纖維同屬極性高分子材料，吸附性能更強，因此摩擦系數較大。聚酯纖維中含有剛性苯環分子，其極性比柔性的鏈狀分子稍弱，這三種高分子中亞克力材質的極性最強，因此摩擦磨損最為嚴重。

3.2 筆頭結構對書寫潤滑的影響

定義R 值為筆頭的曲率，是筆頭前端對應曲率半徑的倒數，其值越大外形越尖。采用不同R 值的聚酯纖維筆頭匹配黑色墨水組裝成記號筆進行測試，結果如表5所示。R 值越大，曲率半徑越小，筆頭前端所產生的應力值越大才會變軟變形。R 值為1.25 mm-1的筆頭最尖，劃線50 m 后線寬變寬，變化率最大，而且出現散頭現象。R 值為0.83 mm-1的圓尖形筆頭和R 值為0.42 mm-1的圓形筆頭，經過同樣劃線，線寬和筆頭外觀則基本不變。記號筆在書寫過程中，與紙面接觸的筆頭材質相同，筆頭與紙面的摩擦系數基本不變，因此書寫潤滑度基本相同。但R 值越小，筆頭與紙面接觸部分越多，對外表現磨損量越小，線寬變化率越小，筆頭性能越穩定。

表5 不同R 值的筆頭磨損情況

基于力學分析和赫茲接觸理論[10,11]，筆頭的使用壽命和所受到的應力成反比，當R 值為1.25 mm-1時，筆頭外形呈圓尖形，此時接觸部分受到的應力較大導致磨損量增大，進而使得筆頭的使用壽命下降，出現筆頭變軟和散頭現象。當R 值為0.42 mm-1時，筆頭外形呈圓形，接觸部分面積較大受到的應力較小，進而使得筆頭的使用壽命延長，在劃線50 m 后各項指標依然保持在正常水平范圍。

3.3 記號墨水對潤滑作用影響研究

表6是記號墨水對書寫潤滑度的影響，筆頭7 為孔隙率大吸水率高的筆頭，而筆頭8 為孔隙率小吸水率低的筆頭。當筆頭吸水率大時，匹配墨水后出墨量大，墨水對筆頭起到很好的潤滑作用，摩擦系數變小；當筆頭吸水率小時，匹配墨水后出墨量小，摩擦系數變化不大。這主要是因為出墨量大時，潤滑介質充分，墨水可以在兩個摩擦副之間生成較好的潤滑膜[12]，從而提升潤滑效果。

墨水的組分一般有醇溶劑體系和水性體系兩種[13]，與水性體系相比溶劑體系表面張力更低，在基材上更容易鋪展和潤濕，潤滑性能更好[14]。其中表面活性劑對書寫潤滑度的影響至關重要[15]，表面活性劑影響墨水在書寫界面的接觸角，還對附著力和書寫手感產生影響。本文使用磷酸酯類、油胺類以及硫酸鹽類這三類表面活性劑，三類表面活性劑的結構見圖3。

圖3 三類表面活性劑結構

三類表面活性劑對附著力、表面張力以及書寫手感的影響結果見表6和表7。從表6可以看出在玻璃和PE 膜表面，表面活性劑對于附著力都有一定程度的提升，這說明表面活性劑可以有效地分散和提高墨水的活性[16]。墨水為極性組分，紙張表面極性較大，而PE 膜極性較小，玻璃的表面則為中等極性。由分子極性的匹配可知，紙張表面本身已經有極性基團與墨水組分結合，添加表面活性劑對墨水的附著力影響不明顯。PE 膜的表面極性太小，三類表面活性劑對附著力提高有所幫助，但都未達到優的效果。對于玻璃基材來說，磷酸酯類和硫酸鹽類的親水端為強極性的酸和鹽的結構，與玻璃的吸附能力強，附著力有明顯增強；油胺類的親水端氨基的極性遠小于酸和鹽，因此其與玻璃表面的附著力一般。附著力的提升也表明隨著表面活性劑的加入，更多的墨水能夠被鋪展到基材表面，繼而提升潤滑度和書寫手感。

表6 不同表面活性劑對附著力的影響

從表7可以看出表面活性劑越多，表面張力越小[17]，當表面活性劑添加量達到0.3%以上時，書寫手感較好。根據表面化學理論，添加表面活性劑可以降低表面張力，這與表7中的結果一致。從圖2中三類表面活性劑的分子結構可以看出，油胺類和硫酸鹽類的親油端主鏈均為疏水的烷基結構；而磷酸酯類的主鏈為環氧乙烷聚合鏈，保留了一定的親水性，因此油胺類和硫酸鹽類的表面張力低于磷酸酯類。隨著三類表面活性劑的加入，墨水體系的表面張力降低，書寫手感得到有效提升。

表7 表面活性劑種類與用量對表面張力及書寫手感的影響

4.結論

本文研究了記號筆高分子筆頭和記號墨水對書寫潤滑度的影響。對比筆頭材質對潤滑度的影響，其中聚乙烯燒結筆頭的潤滑度最好；聚酯纖維和亞克力纖維筆頭與紙張的吸附能力強，摩擦系數和磨損量較大；從筆頭的結構看，前端曲率設計為圓形會減緩記號筆筆頭磨損。當筆頭吸水率大于65%時，出墨量增大，潤滑介質的增加可大大增加書寫潤滑度。通過對墨水的成分特別是不同表面活性劑對附著力和表面張力的影響研究，發現表面活性劑的加入不僅能提高墨水的附著力，還可以降低表面張力從而提高書寫手感。