记号笔书写润滑度影响因素研究

吴灯武，梁向阳，姚鸿俊，晏金灿，郭亨长,*

1 上海晨光文具股份有限公司 中国制笔工程技术轻工重点实验室 上海市奉贤区 201406

2 青岛昌隆文具有限公司 山东省青岛市 266555

3 上海应用技术大学化学与环境工程学院 上海市奉贤区 201408

记号笔出墨流畅性和润滑度是书写手感的综合反映[1]。记号笔高分子笔头前端与书写面（纸张）之间会产生滑动摩擦，书写介质（墨水）对于滑动摩擦起到润滑剂的作用，同时其本身也存在液体的内摩擦，因此记号笔的书写润滑度，是滑动摩擦、内摩擦及润滑作用的综合反映[2,3]。为表征圆珠笔和记号笔的润滑特性，陈湖雄等[4,5]公开了一种书写润滑度检测方法和装置。

国内外对于记号笔的润滑度的研究尚未见文献报道。在记号笔的书写过程中，笔头挤压纸张产生形变，墨水充满笔头并与纸张接触，在两者之间形成一层墨水膜，由于负荷的存在，此时属于边界润滑的状态[6]，其中笔头和墨水对润滑度的影响尤为关键。本文使用记号笔润滑度检测仪[5]研究了书写润滑度的影响因素，包括笔头的材质和结构、吸水率和出墨量，以及墨水的成分，从而提高记号笔的书写手感，对记号笔的使用提供一定的参考价值。

1.试剂与仪器

1.1 试剂与原料

实验所用墨水的表面活性剂如表1所示，实验所用笔头、试验用纸及墨水等材料如表2所示。

表1 墨水表面活性剂

表2 实验原材料

1.2 仪器

实验所用仪器如表3所示。

表3 实验所用仪器

2.实验方法

2.1 划线测试

先将试笔在精度0.1mg 的天平上称重，记录重量G0，再安装在纤维笔划线仪上，在QB/T 2777—2015标准要求的划线纸上按照书写性能测试项目的要求进行划线，待划线达到一定米数后停止，记录划线长度S，取出试笔称重，记录重量G1。出墨量M=(G0-G1)/S，单位mg/m。

2.2 磨损量测试

组装成笔，用投影仪测量笔头原始外露长度L0，按照2.1 在纤维笔划线仪划线，划线达到一定米数后停止，记录划线长度S，再次测量笔头外露长度L1。划线磨损量W=(L0—L1)/S，单位μm/m。

2.3 笔头滑度、书写润滑度和笔头尖部受力测试

按T/CWIA 1007—2020《记号笔笔头与墨水匹配技术规范》规定的笔头滑度和书写润滑度的测试方法进行测试，两者都用摩擦系数来表征。笔头尖部受力按T/CWIA 1007—2020 方法测试，用最大受力来表征。

3.结果与讨论

3.1 笔头材质对记号笔磨损与书写润滑度的影响

记号笔与书写纸的摩擦主要为笔头纤维、胶黏剂、墨水与书写纸的摩擦，相应笔头磨损量与笔头纤维材质[7,8]以及书写面的光滑度有关。本文测试了黑色墨水匹配聚酯（PET）纤维笔头、亚克力（PMMA）纤维笔头以及聚乙烯（PE）烧结笔头在书写纸上磨损与书写润滑度，三种笔头材料的分子结构式（见图1）以及对应笔头外观见图2，实验结果见表4。

图1 三种笔头材料的分子结构式

图2 三种材料的笔头外观，图中标尺为1mm/格

表4 不同笔头的磨损和书写润滑度测试

从表4可以看出，在笔头受力即笔头强度接近的情况下，测试其书写过程承受压力变形的情况，亚克力材质纤维笔头书写过程摩擦系数最大，磨损也最大；聚乙烯材质烧结笔头书写过程摩擦系数最小，磨损最小；聚酯纤维材质笔头摩擦和磨损性能居中。不同于纤维笔头，烧结笔头没有胶黏剂，烧结形成的塑料颗粒相对硬度低，局部变形量大，因而磨损相应最小。由图1可见聚乙烯主要为非极性组分[9]，其与极性纸张表面的吸附性能很弱，因此摩擦系数最小。亚克力和聚酯纤维同属极性高分子材料，吸附性能更强，因此摩擦系数较大。聚酯纤维中含有刚性苯环分子，其极性比柔性的链状分子稍弱，这三种高分子中亚克力材质的极性最强，因此摩擦磨损最为严重。

3.2 笔头结构对书写润滑的影响

定义R 值为笔头的曲率，是笔头前端对应曲率半径的倒数，其值越大外形越尖。采用不同R 值的聚酯纤维笔头匹配黑色墨水组装成记号笔进行测试，结果如表5所示。R 值越大，曲率半径越小，笔头前端所产生的应力值越大才会变软变形。R 值为1.25 mm-1的笔头最尖，划线50 m 后线宽变宽，变化率最大，而且出现散头现象。R 值为0.83 mm-1的圆尖形笔头和R 值为0.42 mm-1的圆形笔头，经过同样划线，线宽和笔头外观则基本不变。记号笔在书写过程中，与纸面接触的笔头材质相同，笔头与纸面的摩擦系数基本不变，因此书写润滑度基本相同。但R 值越小，笔头与纸面接触部分越多，对外表现磨损量越小，线宽变化率越小，笔头性能越稳定。

表5 不同R 值的笔头磨损情况

基于力学分析和赫兹接触理论[10,11]，笔头的使用寿命和所受到的应力成反比，当R 值为1.25 mm-1时，笔头外形呈圆尖形，此时接触部分受到的应力较大导致磨损量增大，进而使得笔头的使用寿命下降，出现笔头变软和散头现象。当R 值为0.42 mm-1时，笔头外形呈圆形，接触部分面积较大受到的应力较小，进而使得笔头的使用寿命延长，在划线50 m 后各项指标依然保持在正常水平范围。

3.3 记号墨水对润滑作用影响研究

表6是记号墨水对书写润滑度的影响，笔头7 为孔隙率大吸水率高的笔头，而笔头8 为孔隙率小吸水率低的笔头。当笔头吸水率大时，匹配墨水后出墨量大，墨水对笔头起到很好的润滑作用，摩擦系数变小；当笔头吸水率小时，匹配墨水后出墨量小，摩擦系数变化不大。这主要是因为出墨量大时，润滑介质充分，墨水可以在两个摩擦副之间生成较好的润滑膜[12]，从而提升润滑效果。

墨水的组分一般有醇溶剂体系和水性体系两种[13]，与水性体系相比溶剂体系表面张力更低，在基材上更容易铺展和润湿，润滑性能更好[14]。其中表面活性剂对书写润滑度的影响至关重要[15]，表面活性剂影响墨水在书写界面的接触角，还对附着力和书写手感产生影响。本文使用磷酸酯类、油胺类以及硫酸盐类这三类表面活性剂，三类表面活性剂的结构见图3。

图3 三类表面活性剂结构

三类表面活性剂对附着力、表面张力以及书写手感的影响结果见表6和表7。从表6可以看出在玻璃和PE 膜表面，表面活性剂对于附着力都有一定程度的提升，这说明表面活性剂可以有效地分散和提高墨水的活性[16]。墨水为极性组分，纸张表面极性较大，而PE 膜极性较小，玻璃的表面则为中等极性。由分子极性的匹配可知，纸张表面本身已经有极性基团与墨水组分结合，添加表面活性剂对墨水的附着力影响不明显。PE 膜的表面极性太小，三类表面活性剂对附着力提高有所帮助，但都未达到优的效果。对于玻璃基材来说，磷酸酯类和硫酸盐类的亲水端为强极性的酸和盐的结构，与玻璃的吸附能力强，附着力有明显增强；油胺类的亲水端氨基的极性远小于酸和盐，因此其与玻璃表面的附着力一般。附着力的提升也表明随着表面活性剂的加入，更多的墨水能够被铺展到基材表面，继而提升润滑度和书写手感。

表6 不同表面活性剂对附着力的影响

从表7可以看出表面活性剂越多，表面张力越小[17]，当表面活性剂添加量达到0.3%以上时，书写手感较好。根据表面化学理论，添加表面活性剂可以降低表面张力，这与表7中的结果一致。从图2中三类表面活性剂的分子结构可以看出，油胺类和硫酸盐类的亲油端主链均为疏水的烷基结构；而磷酸酯类的主链为环氧乙烷聚合链，保留了一定的亲水性，因此油胺类和硫酸盐类的表面张力低于磷酸酯类。随着三类表面活性剂的加入，墨水体系的表面张力降低，书写手感得到有效提升。

表7 表面活性剂种类与用量对表面张力及书写手感的影响

4.结论

本文研究了记号笔高分子笔头和记号墨水对书写润滑度的影响。对比笔头材质对润滑度的影响，其中聚乙烯烧结笔头的润滑度最好；聚酯纤维和亚克力纤维笔头与纸张的吸附能力强，摩擦系数和磨损量较大；从笔头的结构看，前端曲率设计为圆形会减缓记号笔笔头磨损。当笔头吸水率大于65%时，出墨量增大，润滑介质的增加可大大增加书写润滑度。通过对墨水的成分特别是不同表面活性剂对附着力和表面张力的影响研究，发现表面活性剂的加入不仅能提高墨水的附着力，还可以降低表面张力从而提高书写手感。