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圆珠笔加工

圆珠笔(Ball Point Pen),或称原子笔,是使用干稠性油墨,依靠笔头上自由转动的钢珠带出来转写到纸上的一种书写工具。圆珠笔具有结构简单、携带方便、书写润滑,且适宜于用来复写等优点,因而,从学校的学生到写字楼的文职人员等各界人士都乐于使用。圆珠笔是一种使用了微小旋转圆珠的笔,这种圆珠由黄铜、钢或者碳化钨制成,可在书写时将墨水释放到纸上。圆珠笔与它的前辈们——芦苇笔、羽毛笔、金属笔尖的笔和自来水笔差别很大。 2016年1月4日,李克强总理在山西太原主持召开钢铁煤炭行业化解过剩产能、实现脱困发展座谈会,他透露了一个“秘密”:“去年,我们在钢铁产量严重过剩的情况下,仍然进口了一些特殊品类的高质量钢材。我们还不具备生产模具钢的能力,包括圆珠笔头上的‘圆珠’,目前仍然需要进口。这都需要调整结构。”如果不是李克强总理说出来,估计好多人都不知道。3000多家制笔企业、20余万从业人口、年产圆珠笔400多亿支……中国已经成为当之无愧的制笔大国,但一连串值得骄傲的数字背后,却是核心技术和材料高度依赖进口、劣质假冒产品泛滥的尴尬局面,大量的圆珠笔笔头的“球珠”却需要进口。



圆珠笔加工结构原理

圆珠笔的书写原理,主要是利用球珠在书写时与纸 面直接接触产生摩擦力,使圆珠在球座内滚动,带出笔芯内的油墨或墨水,以达到书写的目的。

圆珠笔是用油墨配不同的颜料书写的一种笔。笔尖是个小钢珠,把小钢珠嵌入一个小圆柱体型铜制的碗内,后连接装有油墨的塑料管,油墨随钢珠转动由四周流下。

圆珠笔油墨的色素是染料。油墨颜色主要有蓝、红、黑三种,其中尤以蓝色油墨使用最多。过去蓝色油墨中的色素成分是盐基品蓝和盐基青莲,溶剂是氧化蓖麻油、蓖麻油酸。由于盐基性染料不耐光(耐光度只有1级-2级),不耐热,不耐酸碱,所以耐久性差,现已被淘汰。 市场上销售的“424”蓝色圆珠笔和“322”黑色圆珠笔,用它书写的字迹耐久性较好。

香味圆珠笔有毒的报道屡见不鲜,劣质香味文具所含的挥发性有机化合物具有毒性,对人体有一定损害;但还没有听到过因正常使用没有掺加挥发性有机化合物的油性圆珠笔而中毒的事件。

圆珠笔加工发展历史

最早出现圆珠笔这一名称的时间是1888年,是一位名叫约翰·劳德的美国记者曾设计出一种利用滚珠作笔尖的笔,但他未能将其制成便于人们使用的商品。

1895年,英国市场上也曾出售过商品化的非书写用圆珠笔,因其用途狭窄,未能流行起来。1916年,德国也有人设计制作过一种新型的圆珠笔,其结构与今天的圆珠笔较为接近,但性能较差,未能引起广泛的重视。

匈牙利记者拉迪斯洛·比罗非常清楚地意识到普通钢笔所存在的问题。比罗认为,他是在访问一家报纸的时候产生了用一种使用快干墨水的笔代替传统墨汁笔这一想法的。报纸用的油墨几乎是在瞬间干燥,而且不会留下污迹。比罗发誓要将类似墨水应用到一种新型书写工具中。为了避免粘稠的墨水堵塞他的笔,他提出在装有这种快干墨水的管子顶端安装能够旋转的小金属球。该金属球将有两个功能:作为笔帽防止墨水变干。使墨水以可控速率从笔中流出。1943年6月,比罗和他的兄弟格奥尔格(一位化学家)向欧洲专利局申请了一个新专利,并生产了第一种商品化的圆珠笔——Biro圆珠笔。后来,英国政府购买了这个专利圆珠笔的使用权,使得这些圆珠笔可以被英国皇家空军的机组人员使用。除了比传统钢笔更坚固以外,圆珠笔还能够在低压的高空中使用(在高空中,传统自来水笔的墨水会溢出)。这在英国皇家空军中收到了很好的使用效果,使得Biro圆珠笔大受好评,在第二次世界大战中,这种圆珠笔由于其坚固性和适应战场环境的能力而在军队中广泛使用。

在美国,米尔顿·雷诺在1945年推出了新型圆珠笔,并首次成功地投入商业生产,以代替当时还很流行的自来水笔。该圆珠笔使用了一颗小的圆珠,将浓度很大的明胶型墨水释放到纸上。雷诺圆珠笔是一种简单的书写工具,并以“第一支能在水下书写的笔”大作市场宣传。雷诺在初次推出新型圆珠笔时便卖出了10,000支。这些首次公开销售的圆珠笔非常昂贵(10美元一支),主要是因为它们采用了新技术。

1945年,第一支廉价圆珠笔生产了出来。当时,法国人马塞尔·比希开发了一个制造圆珠笔的工业流程,使得单位成本大大下降。1949年,比希在欧洲推出了他的圆珠笔。他将这些圆珠笔取名为“BIC”,该商标是他名字易于记忆的简化版本。十年之后,BIC公司第一次将它的圆珠笔销往美国市场。消费者起初并不愿购买BIC圆珠笔,因为其他制造商已经在美国市场推出了很多圆珠笔。为了打消消费者的犹豫,BIC公司发起了一项激动人心的全国性电视活动,向消费者宣传这种圆珠笔“一次使用,次次想用!”,并以仅29美分的价格销售这种圆珠笔。BIC还发布电视广告,描绘他们的笔从步枪中射出、捆绑在溜冰鞋上甚至安装在手提钻上的画面。在一年内,竞争迫使每支笔的价格下降到了10美分以下。BIC公司每天会生产数百万支圆珠笔!

圆珠笔是利用钢珠的旋转把油墨写到纸上的一种书写工具。第二次世界大战后,圆珠笔传入中国。精明的商人大做“原子笔”的广告,借在日本爆炸的原子弹的余威来打开销路。其实,“圆珠笔”与原子并无关系,只是读音相近而已。圆珠笔很快就在世界上流行起来。仅日本一年就要消耗4亿支圆珠笔。圆珠笔之所以能够写字,是因为笔头里的钢珠在滚动时,能将速干油墨带出来转写到纸上。据说,日本的圆珠笔芯里装的干油墨,足够可以书写2万个字。但是,书写的字数一多以后,钢珠与钢圆管之间的空隙会渐渐变大,这样油墨就会从缝隙中漏出来,常常会沾污衣物等等,十分使人感到不愉快。

日本有一个小企业主想出了一个绝招:少装一些干油墨,让笔芯里的油墨只能书写1万多个字就用完了,这样圆珠笔芯漏油的问题就解决了。于是,他就申请了专利,专门生产一种短支的圆珠笔芯和圆珠笔,受到了广大顾客的欢迎。这种解决问题的方法,看起来如乎是一种偷工减料,但实质上是一种创新,是解决当时人们所不能解决的问题的思想上、方法上的创新。

圆珠笔在50年代贵于钢笔,用完之后还不舍得扔掉,在专门的笔店里可以加笔油后继续使用。据说匈牙利人比洛,是一家印刷厂的校对员,由于印刷好的清样,含水分较多,用钢笔更改,字极易渗开而模糊不清,于是他用钢珠套上油墨细管用来书写,就不易产生以前的毛病。后来,比洛把他的发明提供给英国皇家空军,由英国一家飞机制造厂制出了第一批圆珠笔。直到第二次世界大战,美国人采用了比洛的发明。1916年,德国人利斯勃设计的新型圆珠笔但没有得到推广。直到二次大战爆发后,美国军事工业部门提出要制造出一种适合高空书写,不漏水,不受冷热影响,能大量储墨水,不必勤灌的笔,并给以重赏。1944年芝加哥商人雷诺看到这是一个极好的发财机会,由于他头脑活络,重金邀人对利斯勃的笔作改进,在一年左右的时间里取得了成功。正好那时美国在日本丢了原子弹,他大做广告,把他的笔与原子弹并论,命名为原子笔,很快风靡世界。

1948年,中国第一支国产圆珠笔在上海丰华圆珠笔厂诞生。改革开放以后,在巨大的出口需求带动下,制笔厂如雨后春笋一般出现。

中国国家有关部门于2011年启动了“制笔行业关键材料及制备技术研发与产业化”项目,国家拨款近6000万元支持相关科研机构、企业针对中性墨水制造、笔头不锈钢线材、加工设备等开展科技攻关。经过不懈努力,项目于2015年通过“十二五”国家科技支撑计划验收,实现了一系列技术突破。长期以来,困扰中国制笔行业的“进口依赖”困局,开始被逐渐扭转。

为了给数百亿支圆珠笔安上“中国笔头”,国家早在2011年就开启了这一重点项目的攻关。

太钢集团技术中心高级工程师王辉绵认为,钢材要制造笔头,必须用很多特殊的微量元素,把钢材调整到最佳性能,微量元素配比的细微变化都会影响着钢材质量,这个配比找不到,中国的制笔行业永远都需要进口笔尖钢。

为了提炼材料,太钢集团技术中心高级工程师王辉绵说,因为开发这个产品没有可借鉴的资料,都是从一个成分的配比从几十公斤的开始炼,各种成分加入多少这个次数没法统计了。

笔头产品的生产工艺是国外企业的核心机密,王辉绵他们必须自主开发一套前所未有的炼钢工艺。没有任何参考,只能不断地积累数据、调整参数、设计工艺方法。

突破的灵感来自家常的“和面”,面要想活得软硬适中,就要加入新“料”,相对应的钢水里就要加入工业“添加剂”。普通的添加剂都是块状,如果能把块状儿变细变薄,钢水和添加剂就会融合的更加均匀,这样就可以增强切削性。

经过五年数不清的失败,在电子显微镜下,太钢集团终于看到了“添加剂”分布均匀的笔尖钢,试验在2016年9月取得成功。大规模炼钢十多次后,第一批切削性好的钢材终于出炉了。这批直径2.3毫米的不锈钢钢丝,可以骄傲的写上了“中国制造”的标志。

圆珠笔加工使用注意

角度过小

易磨损球座的收口处(球座材料为镍铂铜或不锈钢,较球珠易磨损得多),如长时接触被写物,即使被写物是纸张,球座也经不起磨损,如此会造成球珠脱落。

正确角度

圆珠笔书写时,角度控制在55°至70°是最为理想的,这时,仅是球珠与纸接触(球珠很硬、碳化钨或陶瓷,很不易磨损),收口处不接触书写物,从而保证圆珠笔在良好的书写状态下延长使用寿命。

垫纸过厚

书写时,垫纸过厚,笔头收口处接触到纸,易磨损脱珠,建议:0.4的球珠不能复写;0.5的球珠最多复写1张,不宜再多;0.7的球珠最多复写3张至4张,不宜再多,复写时最好75°书写。

染料

染料的作用是赋予油墨足够的颜色深度,圆珠笔油墨中所用染料可分为油溶性染料和醇溶性染料,本试验所用染料为酞菁系染料,该染料不溶于溶剂,在油墨中有好的分散性,对成膜剂有强的附着力,从而不渗透于纸张内部,且颜色要色泽鲜艳,耐候性好。

分散剂

适量的分散剂可降低油墨和纸张表面的粘附性,使油墨书写到纸张表面时在一定时间内具有可擦性,分散剂还可以保持油墨的书写流利性和长期稳定性。本实验所用物质是邻苯二甲酸酯类和乙二醇酯类二者按一定比例配制的混合物。

成膜剂

成膜剂是可擦性圆珠笔用油墨的重要组成部分,其作用主要是能在纸张表面均匀成膜并作为染料的载体。要求它对纸张表现有一定的粘附力,不易剥落,但可用橡皮擦轻轻擦去,和着色剂有强的附着力,在溶剂中溶解性好,且与其他成分相互稳定,能长期保存。本实验中采用橡胶类成膜剂。

溶剂

在可擦性圆珠笔用油墨中,溶剂的作用在于溶解染料、成膜剂并与各类助剂相溶,提供一定的流动性,还要有恰到好处的挥发性,在书写过程中能有效控制干燥速度。试验表明,采用共溶剂要比单溶剂效果好,本实验采用了溶剂A:溶剂B=1:1.5~2.5的共溶剂体系,其效果最佳。

其它助剂

(1)润滑剂和缓蚀剂

在油墨组分中通常以脂肪酸作润滑剂,润滑剂同时是助溶剂,润滑剂作用包括:A、使球珠润滑,提供流利的书写;B、防止油墨干燥,使圆珠笔具有稳定、良好的初笔性能;C、增加染料溶解深度,提高染料色泽。脂肪酸的引入对某些笔尖金属(如铜合金)有腐蚀性,使油墨中产生一种非均质结晶物质而堵塞通道,因而缩短圆珠笔的使用寿命。采用脂肪酸并辅以缓蚀剂的方法可以解决腐蚀问题,同时满足润滑要求。实验中采用的缓蚀剂呈饱和状态溶解在脂肪酸中,可达到防腐目的。

(2)抗氧剂、反干燥剂

圆珠笔油墨中产生凝聚堵塞物和晶冠的另一原因在于黄铜和界面发生氧化作用,并在溶液中产生铜、锌化合物所致。在抗氧剂中含有能吸附和吸收周围氧的物质,因此能有效地防止氧化,抗氧剂和缓蚀剂并用能更有效防止或抑制铜合金的腐蚀,实验表明,我们所用的抗氧剂效果良好。实验中我们还采用了反干燥剂,主要作用是阻止油墨表面或墨迹的氧化干燥,使油墨和墨迹有较好的视觉效果,同时延长其使用期和保持期,在应用时还可以提高圆珠笔的性能,反干燥剂同时也是抗氧剂。

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