圆珠笔用油墨和笔芯的质量分析（下）

□ 上海市制笔工业研究所 伏元龙 周杰

9 、油墨的冒油和收口角度的确定

国内圆珠笔用油墨质量的提高主要体现在抗静态渗漏的性能的提高，书写润滑性和初笔性能的提高，动态冒油的减少（动态冒油指在书写的过程中线条产生堆墨点现象），目前正在形成一种恶性循环，笔芯断线→缩短油孔或扩大油孔→油墨提高不冒油性能→笔芯更易断线，这种状态光靠油墨去解决不冒油是不全面的，冒油的主要原因有三个：

a.油墨的不冒油性能；

b.铜头的结构；

c.笔芯的收口。

收口工序是圆珠笔出墨系统的最后一道工序，也是最终影响出墨系统质量的关键工序之一，收口角度的确定（θ3）：理论上收口角度范围在40°-107°之间，传统的笔芯联合装配机中一般采用二次收口，第一次收口模具选择角度为72°，主要是保证笔芯书写角度符合圆珠笔国家标准规定。第二道为68°，目的是控制和调整球珠的外露量。一般球珠外露量应小于直径的1/3。影响收口角度确定的因素：一般情况下，球座口边厚度，球座深度，球座体锥角与收口角度成正比，而收口压力则影响收口松紧及书写质量，造成写不出或写不完，产生冒油现象，从生产实践中得出以下五点冒油结论：

a.油墨圆珠笔在温度、湿度高时易发生冒油现象；

b.油墨圆珠笔在密封时易产生冒油现象；

c.油墨圆珠笔笔头跟其他物质接触储存时，易发生冒油现象；

d.油墨圆珠笔收口严重单边时，易发生冒油现象；

e.油墨圆珠笔球珠或铜头碗口被损坏时，易发生冒油现象。

10 、出墨量

圆珠笔芯开始划线至规定长度不断线的出墨容量称出墨量。冒油和出墨量有密切关系，出墨量的大小和收口角度有密切关系，但是和油墨的粘度也有密切关系，圆珠笔芯书写好坏和圆珠笔笔头与油墨的匹配有关，圆珠笔芯书写润滑性能的好坏，决定于书写摩擦系数的大小，一般摩擦系数在0.196-0.210书写润滑比较理想，摩擦系数在0.210-0.240之间书写正常尚润滑，摩擦系数在0.240-0.320之间书写润滑性差，手感不适。出墨量的大小也是影响摩擦系数的因素之一，因油墨球珠与球座体间唯一的润滑剂，出墨量的大小与润滑性能的好坏一般成正比，但它必须控制不致冒油的最佳量，好的圆珠笔芯是润滑又不冒油，如果为了提高圆珠笔芯书写润滑性能而单纯加大出墨量，可能会顾此失彼造成冒油现象发生。笔芯出墨系统加工的最后一道工序，是关系到笔芯质量状况的关键工序之一，直接影响笔芯的书写角度与书写手感，以下综合分析出墨量有密切关系。

a.出墨量由大变小：

开始出墨量最大，然后逐步下降，直至油墨用完，始终是下降趋势，其原因是因为球珠与球座的配合间隙较大，收口也较松，在供墨量大的情况下，出墨量也会比较大，因为间隙大且出墨量大，所以球座、油槽和环槽等的磨损相对比较小，因而对出墨量的影响也比较小，主要由供墨量的大小决定着出墨量的多少，可以称之为“供墨量主导型”，这种情况会因为开始出墨量大而产生滴墨、积墨或冒油等，由于前期超支到后期则会出墨量太小使字迹变淡，手感不好，书写长度不够等等。

b.出墨量由小变大再变小：

开始出墨量由小逐步增大，在达到最大程度后再快速下降直至零，其原因是因为球珠与球座的配合间隙偏小，收口偏紧，即使在开始供墨量大的情况下，出墨量还是比较小，出于间隙小，收口紧，出墨量小，内部润滑性差，球座、油槽和环槽等的磨损就比较大，随着因磨损而间隙增大，出墨量也逐步变大，但是当环槽磨损到一定程度，出墨量会出现一个转折，由最高峰快速下降，也就是说出墨量的大小基本是由间隙和磨损量来主导的，可以称之为“间隙磨损主导型”。这种情况在开始书写后的相当一段时间内，书写会感到干涩，不流畅，手感不好，等出墨量变大时可能已接近尾声，如果出墨量变化的转折点不是在结束阶段，也就是说在油墨还有相当量时就断线、写不出、写不完，如排除油墨的问题，就应该怀疑球珠和球座的加工精度及表面粗糙度，以及球座体的材质或硬度是否有问题。

c.出墨量由小变大，趋于平稳，再变小：

开始出墨量稍小，然后有所增大，在一定的幅度内波动并趋于平稳下降，最终随着油墨用完而迅速下降，其原因是因为球珠与球座的配合间隙及收口松紧均适中，出墨量亦会变大，但由于间隙控制得比较好，开始的出墨量就比较正常，使得球座、油槽和环槽等的磨损也处于比较正常的水平，因此即不像“供墨量主导型”那样，也不会如“间隙磨损主导型”那般，而是两种影响交叉配合从而达到比较平衡的状态，所以可称之为“交叉平衡型”，这种情况的书写手感比较好，出墨量在平稳中所波动或是平稳下降，始终是比较流畅的。

油眼小而长的笔头更不容易冒油，1.0mm球珠比0.7mm更易冒油，就是因为0.7mm球珠的笔头油眼直径0.4mm，而1.0mm球珠的笔头油眼直径从0.45mm至0.55mm不等，油眼的长度应是0.7-0.9mm.为了改善不断线性能许多企业将油眼的长度定位0.6mm，所以更容易产生冒油现象。最佳工艺认为油眼缩小到0.45mm，油眼的长度应是0.7mm以上，通过铜头的结构来解决冒油问题是上策。

11 、笔芯油管内径尺寸影响油墨质量

QB/T1946-2007标准规定试样笔芯长度不小于101mm，笔芯管内径不小于1.9mm，但是只能制作目前生产标准的圆珠笔笔芯，笔芯油管内灌注储墨量大于0.2g油墨, 笔芯内孔直径大于1.8mm, 油墨液面距笔芯尾端距离大于18mm,采用不锈钢球珠（9cr18N）、铅黄铜（59#）铜头，制作成的笔芯，这种笔芯能保证二年后正常书写，同时要求油墨灌入笔芯后初笔性能好，书写时润滑、流畅，还要求油墨有抗静态渗漏的性能（笔芯的球珠在不滚动时应无油墨从笔尖处渗出）。简单地说就是颜色好看，保质期长，书写润滑，初笔良好，不冒油（指不静态渗漏）。因此技术人员再三强调圆珠笔由笔杆、笔套、笔芯和有关传动装置的零部件组成，其中笔芯是决定圆珠笔书写质量的关键部件，笔芯由油墨、笔头、球珠、油管、球座体、浮塞所组成。鉴于目前生产的笔芯为了降低成本，笔芯油管内径尺寸在1.4-1.8mm范围（标准规定2.2mm），由于油管内径尺寸变小，所以浮塞工艺也免了，其实浮塞对圆珠笔芯起到了对油墨溶剂的挥发、干燥结膜起到保护作用，也可以防止油墨吸潮，防止油墨氧化。

所以油管内径尺寸太小更容易造成书写时断线，因为油墨流动时阻力增加，单位时间内的流量大幅度减少，特别是在气温偏低的时候，油管内径尺寸太小的唯一好处就是使油墨在没有浮塞的情况下不倒流，而且不冒油。科技人员做了一个实验，在相同的环境温度和湿度，相同的油墨粘度，不同的油管内径尺寸，实验前在三支不同内径尺寸的油管中注入相同高度，同时垂直竖立，让油墨在重力作用下流到另一端，所流过的距离也相同，油管长度都为75mm,则油管内径尺寸1.83mm（铜头后外圆1.95mm），流完全程用时23分6秒钟，油管内径尺寸1.41mm（铜头后外圆1.62mm），流完全程用时35分30秒钟，两支油管在单位时间内的流量分别是：内径尺寸1.41mm，0.7052×3.14×75/35.5min=3.30mg/min，内径尺寸1.83mm,0.9152×3.14×75/23.1 min=8.54mg/min，实验结果说明油管内径尺寸太小，则单位时间的流量将大大降低，如果用手快速划线可300圈/分钟=2700cm/min=27m/min，划100m大约用4min，根据笔芯1.0mm球珠的出墨量要求1.6mg/100m，而划线机100m耗时23分钟，即4.5m/min那么即使没有铜头，油管中的油墨也来不及供应，更不用说内径尺寸小的油管相差会更大，储存墨量的减少笔芯更容易干涸，那么保质期也会缩短。用106型笔芯为例，内径尺寸1.4mm的储墨量为：笔芯底面积×油墨高度×油墨比重，即0.72×3.14×90×1.17=180mg=0.18g，由此可见储墨量相差很大，因为一滴水容易干，而一杯水不容易干，当油管中某一部分溶剂挥发后，溶剂浓度高的地方向剂浓低的地方迁移，扩散、渗透作用严重受阻会引起局部干燥，更何况圆珠笔用油墨是具有一定的粘度浆状物。

12 、笔芯出墨系统主要参数简介

圆珠笔的出墨系统主要是球珠与球座所组成。书写时出墨是否均匀通畅，书写是否润滑流利，除与油墨的性质有关系外，主要取决于出墨系统的结构形状及尺寸大小，出墨系统中球座体结构提出：a.临界槽径；b.球珠与球座体相贴面积；c.环槽角体积；d.环槽角最大间隙；e.槽冲角等五个计算公式中介绍a、b计算公式。

a.临界槽径（dm）计算：

式中：

dm-直槽的临界槽径；

Rs-球珠半径；

α-内锥角半角，即θ/2；

h-圆冲冲深量；

当直槽槽径d＞dm时，直槽与环槽相通，笔芯出墨流畅，书写流利。

b.球珠与球座体相贴面积（Sm）计算：

式中：

Sm-相贴面实际面积；

Rb-球珠半径；

Rs-球座体半径；

h-直槽宽（即球带的高）；

η°-相贴面直槽所对应的圆心角的弧度数。

13 、油墨脱节和变质

这是指圆珠笔芯在油管内尚存有油墨，但书写不能出墨，造成这一现象的原因是：

a.球珠和球座收口配合不当，在加工过程中收口压力过大，球座紧紧包住球珠，间隙过小，使球珠无法滚动。

b.油管或油墨通道中出现空气泡，使油墨脱节。在加工过程中注入油墨时由于油墨的温度过高，使油墨中产生很多微小气泡，当温度下降时油墨收缩，致使微小气泡聚集起来形成大气泡，同时在笔芯离心过程中，离心速度或时间不够，未将气泡全部排除。

c.在书写过程中由于倒写或书写不当，使球珠和球座之间油墨中断，致使空气进入球座体造成油管中油墨脱节。

d.由于油墨的稳定性差，在储存和使用过程中产生结晶，结晶颗粒堵塞小孔及油槽，阻碍了油墨的供给系统。

e.由于油墨纯结度差，杂质沉淀后同样堵塞孔。

f.笔芯灌注油墨时混入灰尘杂质。

g.有些油墨质量不稳定，由于暴露空气中时间过长，位于球珠和球座间隙的油墨易干涸。

油墨在笔芯中贮放时间长，在贮存及书写过程中，溶液必须稳定不发生沉淀结晶.油墨中有杂质，油墨变质硬化，油墨内有汽包或杂质造成油墨脱节和拔节，致使油墨失灵而造成书写不好、书写不能出墨。

14 、油墨对铜头和球珠的腐蚀与磨损

腐蚀后的球座表面更易磨损，在笔头上引起腐蚀的原因有：

a.电化学引起腐蚀，球珠和球座是由两种不同的金属材料组成的两者间存在一定的电位差，油墨就相当于电解质，所以就形成了腐蚀原电池的正负极，引起电化学腐蚀。

b.笔头的材料在加工中残留一定的内应力易引起应力腐蚀。

c.笔头在清洗过程中由于残留一定量化学杂质与铜起化学作用，加速了腐蚀。

油墨对球珠、球座体腐蚀性会影响圆珠笔书写质量，圆珠笔及笔芯书写性能的好坏主要取决于球座体，球珠和油墨的质量，球座体的质量包括球座体本身的结构以及与球珠和油墨的配合。球珠与球座的间隙较小，收口过紧，使间隙内油墨量小，在书写时引起球珠与球座间的直接摩擦，球座体易磨损，同时由于磨损使磨屑跟着油墨在球珠与球座间起了研磨剂的作用，又加速了磨损直至“窝珠”严重造成写不出，同时磨屑有可能堵住小油孔使油墨流量变小，形成恶性循环。

目前球珠大部分采用的是不锈钢或碳化钨材料，耐磨性和耐腐蚀性能相对较差、容易打滑，笔头采用的是不锈钢、镍白铜和铅黄铜材料，特别是铜的材质球座体耐磨性差、耐腐蚀性较差，因而经常出现漏油、掉珠等现象。目前氧化锆陶瓷材料由于具有硬度高、耐磨损、耐腐蚀等优点，被认为是最佳的球珠材料。国产圆珠笔用油墨的质量同国外油墨相比，国产油墨的许多品种的其他质量指标如日晒牢度、水浸坚牢度、耐温性、渗化度、腐蚀性、稳定性、表面张力、含水量、黏度、酸性、耐化学性等各方面技术指标均达到国外油墨的水平，有些技术指标超过国外油墨的水平，它与圆珠笔用油墨配方不断地更新是有着密切关系的。

15 、结束语

圆珠笔芯的质量问题及产生原因：

a.写不出或写不完，指新的笔芯存有油墨在书写过程中不能出墨，或已写了一部分，写不出由8个原因产生：1.笔头因人为碰撞使球珠损伤而无法转动；2.笔头内部的中油孔、小油孔被杂物（铜屑等）堵塞；3.笔头内的球珠与球座配合精度不好，造成油槽过早磨损使油墨无法流出；4.使用超过保质期的变质油墨；5.油桶开盖时间过长，使油墨干涸；6.浮塞加入笔芯过量或浮塞黏度过大而不能随油墨下移，使供墨系统失灵；7.笔芯尾部不通气；8.出现“窝珠”现象，即笔头内的球座磨损而造成球珠陷入不能顺利转动。

b.漏墨，也称冒油和倒漏，即油墨从笔头处或油管尾部漏出也由8个原因产生：1.球珠与球座配合间隙过大；2.因掉珠而前后空气流通造成倒漏；3.球珠规格尺寸和表面粗糙度不合格；4.油墨黏度低，内聚力过小；5.液体堵塞与油墨发生化学反应而失去作用；6.笔芯中油墨内有大量空气；7.开盖时间过长使笔头内油墨干涸，空气进入，又较长时间倒置；8.倒写或在负压（真空）情况下书写。

c.打滑，书写时球珠在纸上不能滚动而只能滑动，书写不出字迹，由3个原因产生：1.书写纸上沾污了油类物质，纸张纤维失去了毛细作用，或因外摩擦力矩小，造成打滑；2.球珠表面粗糙度过低，或球座粗糙度太高，使球珠与球座的摩擦力距增大，而与书写面的摩擦力距减小，造成打滑；3.油墨对球珠和球座润湿性差，使球珠与球座的配合间隙内油墨量很少，形成干摩擦而使内摩擦力距增大。

d.掉珠即球珠从笔头的球座口内掉落由4个原因产生：1.笔头与球珠配合时收口太松或球座露出过多；2.书写时笔头的球珠边缘磨损严重；3.人为损伤；4.在开盖或未封口的情况下受到大力冲击。

e.断线是指笔芯书写的字迹出现断断续续的现象，这种断线有的有规则，有的无规则由5个原因产生：1.笔芯供墨系统的油墨流量不足，或者由于杂质挡住油眼或中眼而阻碍流通；2.笔芯的油墨内有细小汽泡或变质分层；3.纸张表面有油污而打滑；4.球珠存在质量缺陷，如缺损、微裂、失圆等，都会使球珠在球座内转动困难；5.液体浮塞灌注量过大，易使油墨流量不足。

f.线条不好是指笔芯书写出的线条存在虚线、单边（半边深、半边浅）等现象由3个原因产生：1.笔头的球座体损坏，包括球座口边损伤，球座边厚度不均匀（即半边厚、半边浅），收口后都会使球珠滚动不规则而不灵活；2.笔头与球珠收口间隙有大小；3.球珠本身质量问题或使用不当等原因造成球珠损坏。