一種混合書寫裝置及其書寫墨水成分的製作方法

2023-10-07 10:27:39

專利名稱:一種混合書寫裝置及其書寫墨水成分的製作方法
本發明涉及一種混合書寫裝置，這種裝置將典型的使用糊狀墨水的原子筆筆管的良好特性與使用液狀墨水的原子筆筆尖組件的良好特性結合了起來，同時還涉及一種用於這種混合書寫裝置的書寫墨水成分。
在書寫筆的技術領域：
，「糊狀」墨水的特徵是依靠其高粘度，通常超過8，000CP(釐泊)。使用糊狀墨水的原子筆僅僅需要一種相對簡單的系統來控制墨水的流動。該系統或者由在一端由圓珠組件封閉的一個毛細管組成;或者由一個大直徑管組成，類似於前一種情形在圓珠端封閉，而在開口端設置了一個粘滯頂杆，用來防止墨水的洩漏和蒸發。因此，糊狀墨水原子筆中墨水的流動靠的是墨水的粘度和圓珠與其放置腔之間的間隙保證的。
糊狀墨水原子筆至少有兩個嚴重缺陷，其一墨水的高粘度使得在書寫過程中筆在紙上不易移動，使用者必須加大壓力才能得到滿意的線條;其二為了使墨水在紙上不致模糊不清，在正常書寫過程中墨水流入紙上的速度必須較低，結果糊狀墨水原子筆的線條密度通常較低。
使用「液狀」墨水可以改善上述出現的問題，液狀墨水其粘度範圍為1.0到5.0CP。在液狀墨水原子筆中，墨水的低粘度使得在書寫力較低時書寫也很流暢，另外可以提供較高的線條密度。然而對於製造者和使用者來講，液狀墨水原子筆還存在著其固有的缺點
(A)液狀墨水原子筆比起糊狀墨水原子筆來書寫不那麼平滑，這是由於低粘度液狀墨水對於圓珠來講不能提供適宜的潤滑，這種不良的潤滑狀態也使圓珠在放置腔中的磨損程度大為提高。
(B)液狀墨水原子筆的筆管必須有與大氣直接接觸的開口，這樣空氣就能補充消耗了的墨水。由於液狀墨水一般是水基的，因此易於蒸發，既使增加了諸如多元醇和乙二醇醚之類的溼潤劑，也不過如此。在糊狀墨水原子筆中，則可以靠增設一個粘滯頂杆來防止墨水的蒸發。
(C)液狀墨水原子筆在紙上書寫後其墨水傾向於「羽毛化」，即墨水會擴散，使得書寫的線條具有毛刺飛邊。溼潤劑的使用雖然減小了風乾問題(B)，但卻助長了「羽毛化」的問題。
(D)液狀墨水原子筆必須使用一個代價較高的墨水流動控制系統，該系統諸如有毛細筆管或真空筆管，在美國專利US-A-3951555中有所解釋，其內容可供參考。在一個毛細筆管系統中，墨水筆管包括一個過濾器，類似於香菸的過濾嘴，該過濾器靠毛細引力將墨水保持在筆管中。在一個真空筆管系統中，墨水靠施加的負壓保持在中空的、典型的管狀筆管中，這個負壓是由將筆管連接到圓珠上的墨水及空氣控制通道和一個平衡箱、即集流器的結構造成的，通過壓力變化從筆管排出的墨水靠毛細引力保持在集流器中，就是說，真空和毛細筆管系統同樣依靠毛細引力來將液狀墨水送到圓珠處。
(E)當毛細流受到幹擾時，這兩類液狀墨水控制系統都傾向於不均勻的、脈動的墨水流，特別是毛細筆管系統容易產生不均勻的流動控制。在書寫過程中當書寫墨水消耗之後，在越來越大的流體負壓下，剩下的墨水則保存在更小的毛細空間中，墨水在這些緊密的毛細空間中不再容易流動，這就導致了墨水流向圓珠的流動速度的逐漸降低，進而造成低密度的書寫線。
如上所總結的，以前在原子筆中使用的液狀或糊狀書寫墨水成份通常具有各自的缺點，一種克服這些缺點的途徑就是在墨水成份中加入聚合材料，這種材料可使墨水在某些條件下充當液狀墨水，而在其它條件下則充當糊狀墨水。例如，GB-A-2131040中公開了這樣一種用在原子筆中的「混合」水化墨水成份，其中含有0.2到0.45重量百分比的黃原膠，象典型的液狀墨水原子筆那樣，在該原子筆的墨水筆管中具有一個頂杆元件。所公開的墨水成份據說具有許多令人滿意的特性，然而沒有提及書寫力低時筆的移動性和高線條密度的問題。GB-A-2094820(以下稱「Fisher」)公開了一種不同的混合墨水成份，其中含有一種高分子電解質聚合物和一種高極性溶劑，這種墨水成份在原子筆中象液狀墨水那樣使用，該原子筆具有一個密封的、加壓的墨水筆管。所公開的這種筆據說「書寫起來……幾乎象無壓力的滾針筆一樣輕鬆自如」。
因此，本發明的一個目的就是提供一種混合原子筆書寫裝置，這種書寫裝置將糊狀墨水原子筆的構造簡易性與液狀墨水原子筆的高線條密度及低摩擦性結合起來。
本發明的另一個目的就是提供一種混合書寫墨水成份，這種墨水在低剪力條件下具有高粘度，而在高剪力條件下具有低粘度，因此可以用在上述混合書寫裝置中。
本發明的再一個目的就是提供一種書寫墨水成份，這種墨水在低剪力時表現出充分高的粘度，以便於在相當長的時期內保持穩定的顏色分散相。
本發明的再一個目的就是提供一種書寫墨水成份，這種墨水在高剪力時表現出低粘度，由於便於在書寫時具有較高的平滑性，比起典型的液狀墨水原子筆墨水來質量高、芯給低。
本發明的再一個目的就是提供一種製備上述混合書寫墨水的方法。
根據本發明所提供的書寫墨水成份，其中包括(ⅰ)適量的至少一種假塑性樹脂，和(ⅱ)一種該樹脂的載體介質，這樣，這種墨水成份中(a)假塑性指數值介於0.02和0.18之間;
(b)在0.1秒-1切應變速率時粘度介於25，000和120，000CP(釐泊)之間;和(c)在10，000秒-1切應變速率時粘度介於6和26CP之間。
根據本發明的另一方面，所提供的一種書寫裝置包括(a)一個墨水筆管(11)，該筆管限定了一個空腔，該空腔處於外界壓力下，並且具有一個預先確定的內徑;
(b)一個設置在該空腔內的粘性頂杆(12);
(c)一個與該筆管連通的圓珠組件(9)，該組件包括一個環形支座件，一個圓珠可轉動地安裝在該支座件中，該支座件具有一個中心孔和若干個沿該支座件長度布置的槽(7)，這些槽中至少一些沿徑向延伸，從該支座件的內表面延伸至該支座件的外表面;和
(d)設置在介於該粘性頂杆和圓珠組件之間的空腔內的一定量的書寫墨水成份(10)，該成份中(ⅰ)假塑性指數值介於0.02和0.18之間;
(ⅱ)在0.1秒-1切應變速率時粘度介於25，000和120，000CP(釐泊)之間;和(ⅲ)在10，000秒-1切應變速率時粘度介於6和26CP之間。
在一個最佳實施例中，墨水筆管空腔的內徑是這樣預先確定的，介於書寫墨水成份和筆管之間的毛細引力實際上對該空腔中的墨水成份的滯留沒有影響。
根據本發明的再一方面，還提供了一種用於製備書寫墨水成分的方法，其中該書寫墨水成份包括(ⅰ)適量的至少一種假塑性樹脂，和(ⅱ)一種該樹脂的載體介質，該方法包括如下步驟(1)向一種有機液體中加入一預定量的假塑性樹脂，在該有機液體中製成一種樹脂漿;
(2)將該樹脂漿與一種溶劑混合，該溶劑包括水和/或一種可使該樹脂溶解的有機溶劑，這種混合是在充分高的剪力條件下進行的，由此產生一種不完全成溶劑化的樹脂精細分散相;進而(3)把一種顏料添加到這種不完全成溶劑化的精細分散相中，使用水力剪切機處理這種不完全成溶劑化的精細分散相，這樣就製成一種完全成溶劑化的樹脂親液溶膠，這種親液溶膠中(a)假塑性指數值介於0.02和0.18之間，(b)在0.1秒-1切應變速率時粘度介於25，000和120，000CP之間;和(c)在10，000秒-1切應變速率時粘度介於6和26CP之間。
現將參照附圖進一步敘述本發明，其中圖1表示的是一種傳統的液狀墨水原子筆圓珠組件的部分軸截面視圖;
圖2表示的是一種傳統的糊狀墨水原子筆圓珠組件的部分軸截面視圖;
圖3B表示的是沿圖3A的3B-3B線截取的橫截面視圖，圖3A提供了一個本發明書寫裝置的圓珠組件的部分截面視圖，其中一部分處於正視;
圖4表示的是本發明書寫裝置的軸截面視圖;
圖5和6為曲線圖，分別表示的是本發明和先有技術的墨水成份中粘度(高剪力和低剪力)和假塑性體範圍;和圖7A和7B為曲線圖，分別表示了本發明墨水成份中假塑性體和羽毛化(A)之間及流動速率(B)之間的關係(△表示的是含有KIA112(商標)樹脂的墨水成份的數據;○表示的是含有KELZANS(商標)樹脂的墨水成份的數據)。
本發明的書寫墨水成份的特徵在於「假塑性體」，由於這種假塑性有一個明顯的屈服應力點，超過這個應力點，切應變速率(流動)就會隨著剪切應力(力)的增加而迅速增加。更具體講，本發明的墨水成分在任何剪切應力下都呈現流動，但是流動與力的比值增加則很小，這種情況一直持續到力超過了明顯的屈服應力值。墨水成份中的假塑性體根據其「假塑性指數」值(n)是可以確定的，在切應變速率(δ)時，指數值(n)與粘度(η)的關係由下列等式確定logη＝(n-1)logδ+logm
其中m表示的是在1秒-1切應變速率時的墨水粘度CP。
對於液體和懸浮液來講，其中流動與力的比值是常數(牛頓物質)，n為1，即粘度與切應變速率無關。對於假塑性材料來講，其中包括本發明的墨水成份，n小於1。本說明書內，在0.01到10秒-1切應變速率範圍上墨水的粘度利用小型試樣轉換接頭在一個布氏LVDT粘度計上測量。在16到10，000秒-1切應變速率範圍上，墨水粘度由雪莉-費蘭梯錐型和板型粘度計確定。屈服應力值是在2分鐘的初始靜止時間後由雪莉-費蘭梯粘度計確定。假塑性指數n由logη與logδ所確定的圖線的斜率測定。這一圖線在切應變速率的整個範圍內不都是直線，因此假塑性指數由其最大斜率確定。通常切應變速率在0.1到10秒-1範圍時，該圖線為典型的直線。最大斜率給出了假塑性指數的最大值。
我們發現，上述糊狀和液狀墨水各自的缺陷可以通過採用本發明呈現下列流變特性的一種墨水予以克服(a)假塑性指數值大約小於0.18，大於0.02;
(b)在0.1秒-1切應變速率(低剪力)時，粘度大約大於25，000CP，但小於120，000CP;和(c)在10，000秒-1切應變速率(高剪力)時，粘度大約大於6CP，但小於26CP。
在書寫過程中，由於本發明的墨水在高剪力條件下呈現出低粘度，因此它沒有糊狀墨水錶現出的缺陷。更具體講，本發明的墨水成份提供了高密度線條，而不需要糊狀墨水原子筆那樣高的書寫力。進而，由於本發明墨水成份在高剪力時粘度不象典型液狀墨水那樣低，所以本發明墨水能夠很有效地潤滑圓珠，進行非常平滑的書寫。
由於本發明墨水成份在低剪力條件下具有高粘度，因此可以採用使用在糊狀墨水原子筆中的滯型粘滯(滑脂類)頂杆將這種墨水保存在一個簡單的中空筆管內，其結果墨水蒸發的唯一途徑只有圓珠。由於本發明墨水的流動可以只由粘滯力來控制，不需要毛細力，因此對比液狀墨水書寫不穩定的特性，更容易獲得沒有間斷的穩定書寫。此外，本發明書寫墨水成份中的假塑性體在很高程度上克服了液狀墨水原子筆的羽毛化問題，這樣，在沒有搖溶(隨著攪拌時間的增加而增加流動)的情況下，假塑性體在很高程度上不僅是剪切釋化程度的措施，而且也是墨水重升高速建立其粘度的措施。在本發明中墨水粘度的重新迅速建立減小了墨水羽毛化的趨向。
由於毛細引力對於控制本發明墨水流動是沒有必要的，因此也就不需要代價較高的毛細筆管或真空筆管系統的結構裝備了，這樣，本發明的原子筆最好使用用於糊狀墨水原子筆筆管的典型的中空圓形筆管，完全不需要使用液狀墨水時通常所用的毛細過濾器或集流器。
同樣原因，本發明的書寫裝置不需要靠予先確定尺寸的內徑來藉助墨水和筆管之間的毛細引力象使用糊狀墨水所設計的原子筆那樣保證墨水的保存。因此本發明書寫裝置筆管內徑可以是大於2.5mm，在6mm和6mm以下的範圍內的一個最大值，如果設計需要的話還可以更大。
雖然本發明書寫裝置的尾端類似於糊狀墨水原子筆的尾端，但其圓珠組件則類似於傳統液狀墨水原子筆的圓珠組件。如圖1所示，傳統的液狀墨水原子筆圓珠組件包括了一個圓錐體部分，在其較小端設置了小孔1，圓珠2就放置在其中。糊狀墨水原子筆圓珠組件也包括一個類似的圓錐體部分，通常由不鏽鋼製成。然而，在典型的糊狀墨水原子筆中，圓珠比小孔稍大，圓珠必須承受一種「沉重的」旋轉運動(也就是說，處於強烈的壓力之下)，以減小最終圓珠的突出。在旋轉過程中，金屬在預先確定的範圍、即「旋壓長度」3上發生變形，其旋壓長度包圍了大約0.3mm的圓珠。結果，糊狀墨水原子筆的圓珠沿旋壓長度逐漸地成為越來越尖的錐形體，直至大約60°夾角，並且小孔的邊緣或「唇部」沿該圓珠「熨平」。隨後，圓珠金屬固有的彈性會使唇部的邊緣稍稍彈回，為墨水流動提供間隙。參見圖2，在傳統的糊狀墨水圓珠組件中，圓珠與唇部的間隙4典型介於0.003和0.004mm之間，雖然糊狀墨水原子筆圓珠實際上最終小孔直徑不同於直接測量值，但是圓珠與小孔之間的間隙5估計為大約0.002mm。
對照來講，本發明書寫裝置的圓珠組件類似於傳統的液狀墨水原子筆的圓珠組件，該圓珠組件提供了一個比典型糊狀墨水組件大得多的容積來容納墨水流 更具體講，本發明書寫裝置圓珠組件的圓珠與唇部之間的間隙約為0.008mm，而圓珠與小孔(中心孔)之間的間隙約為2.5到4倍於糊狀墨水原子筆圓珠組件的相應的估計值，最好本發明混合書寫裝置的圓珠與小孔(中心孔)之間的間隙約為0.010mm，具有典型的公差0.004mm。最好支座件相對小孔(即中心孔)的軸線具有一個約為60°的支座角。
本發明的這些最佳間隙尺寸通過使圓珠承窩加工至其最終尺寸是很容易獲得的，把圓珠放入承窩，然後向著圓珠彎曲(「卷邊」)唇部。換句話說，可以使用輕旋壓加工(低壓力)。在任何情況下，圓珠比錐形體部分的小孔小大約0.008mm，並且安裝在小孔中，錐形體部分最好由「鎳銀」合金(即高銅鋅鎳合金)或類似的可延展材料構成。在施壓過程中，圓珠金屬不發生變形，並且圓珠突出部僅有很小變形。此外，唇部稍有彎曲以使圓珠保存在小孔中。結果，本發明圓珠組件與傳統糊狀墨水圓珠組件相應尺寸比較，施壓長度很短(大約為0.06mm)，錐形角則較大(約為80°)，即該唇部相對於與該唇部接觸的支座件的那部分構成一個約為80°的角。
除了上述在間隙上的不同點之外，本發明書寫裝置所使用的圓珠組件的另一個特徵也構成了本發明組件可獲得墨水流較大容量的原因之一，這區別於傳統的糊狀墨水組件。在圖2所示的糊狀墨水組件中，相對較淺的墨水供給槽或溝6被精壓在圓珠的支座件上，在正常使用時，圓珠與支座件毗鄰。該槽通常為6個且截面呈三角形，在整個支座件長度上延伸而設有在徑向上延伸。
比較起來，如圖3A和3B所示，適用於本發明書寫裝置的支座件包括若干個槽7，這些槽完全沿支座件徑向延伸，在典型的液狀墨水圓珠組件中通常就是這樣。本發明書寫裝置由支座槽提供的用來從支座件後面的毛細管道向圓珠供給墨水的通道與典型糊狀墨水圓珠組件相比具有一個較大橫截面積。根據本發明，槽7穿過支座件與該組件上一毛細空間(沒有在圖中表明)連通，其中槽7的數目最好為5，並且其截面為矩形。支座件上的槽的寬度大體上與傳統的糊狀墨水組件的這些特徵相同。由槽所提供的墨水流動通道的數目或形狀都不是決定性的，按照本發明墨水成份的特徵，只要所提供的容積對於供給墨水流的速率是充分的話就可以了，為典型糊狀墨水流動速率(約0.03克/200m)的4到5倍。
圖4示出了本發明書寫裝置的一般特徵。圓珠組件9在結構上類似於液狀墨水圓珠組件，但是如前所述允許容納在筆管11中的墨水10向圓珠有較大的入口。一個粘滯頂杆12設置在介於墨水和小孔13之間的筆管中，這與糊狀墨水原子筆筆管相同，該小孔13使筆管與大氣連通。在書寫過程中，當墨水流經圓珠組件，經由圓珠沉積在書寫表面上時，墨水在筆管中的水平降低，由墨水拉動該粘滯頂杆，所消耗的墨水由經過小孔13的空氣予以補充。
本發明書寫裝置圓珠組件的外形和墨水筆管的尺寸都需要該書寫裝置所使用的墨水具有上述流變特性來獲得適宜的書寫質量。更具體講，本發明書寫裝置所使用的墨水具有充分的低剪力粘度，根據本發明該書寫裝置包括有糊狀墨水原子筆類的尾端，該尾端沒有複雜的墨水控制系統，並且最好包括一個確定尺寸的筆管，實際上毛細引力對筆管中墨水的保存不起作用。另一方面，前述的墨水高剪力粘度可以給圓珠提供適宜的潤滑，由此提供平滑的書寫，但是同時該墨水還可以以一個保證線條密度的速度流下，這可與液狀墨水相比，原子筆的移動力和羽毛化問題可以減至最小，進而使書寫容易、清楚。
用於本發明書寫墨水成份的假塑性樹脂的選擇是不苛刻的，只要所選擇的樹脂能夠充分保證前述流變特性即可。已得到證明兩種雜多糖化物樹脂KELZAN S(商標)和KIA112(商標)(兩者均由聖地牙哥CA的kelco公司製造)都是非常適合的。這兩種樹脂在某種程度上不同，KELZAN S(商標)是一種黃原膠，由Xanthomonas Campestras純培養作為一種酵素產生的;而K1A112(商標)是一種在US-A-4401760中敘述的鹼菌微生物酵素(接近№.ATCC31961)，該美國專利4401760的內容在此引為參考。從化學上來分析，黃原膠由單糖甘露糖、葡萄糖和葡糖醛酸構成;比較來講，K1A112(商標)是由葡糖醛酸、葡萄糖和鼠李糖構成。
還發現本發明墨水成份最好使用一種新型混合墨水成份的方法製備，更具體講，最好獨立製備有機液體(比如一種1，2-亞乙基二醇和甘油的混合物)中的假塑性體樹脂漿。在這種情況下，術語「有機液體」意指任何有機物質，在該物質中假塑性樹脂或樹脂混合物能夠彌散，但是在該物質中樹脂不容易溶解。其它適合的有機液體的例子包括四氫噻吩1-1二氧化物(由體斯敦TX的Shell化學公司製造)、N-甲基吡咯烷酮和γ-丁內脂(兩者均由紐約NY的GAF公司製造)。
這種樹脂漿進而由水或有機溶劑或水和有機溶劑的混合物予以稀釋(在這裡水不是本發明墨水的主要成分)，在充分高剪力條件下產生一種不完全成溶劑化的樹脂精細分散相。任何所期望的減蝕劑、平滑性添加劑、生物殺傷劑和其他傳統的添加劑最好予先加在這種精細分散相中，然後將一種染料溶液或顏料分散相添加和混合在其中以獲得所期望的樹脂濃度。隨後，這種假塑性樹脂的不完全成溶劑化的精細分散相在一個乳液磨機或類似裝置中進行強烈的水力剪力處理，這樣樹脂顆粒就製成完全成溶劑化物，形成一種親液溶膠。這種剪力處理很明顯在以前製備這種假塑性樹脂材料時從來不使用，在這種剪力處理之後，最好將夾帶在這種墨水成份中的氣體去除，例如可以採用離心分離法。對於本發明這種含有K1A112(商標)樹脂的書寫墨水來講，上述乳液磨步驟是必需的。
雖然用於本發明墨水成份的原生樹脂是造成墨水流變特性的主要原因，但是流變特性也可受到表面活化劑、共聚合樹脂和溶劑系統的主要成份的選擇的影響。例如，加入溶劑和樹脂兼容的負離子和非離子表面活化劑可以降低墨水成份的低剪力粘度，而不影響其高剪力粘度，相反，加入較高粘度的共聚合樹脂可以提高高剪力粘度，而不影響低剪力粘度。構成共聚合樹脂的薄膜，比如聚乙烯吡咯烷酮也可添加其中來某選擇地降低低剪力粘度，由此從整體上改善墨水的書寫特性。
本發明墨水成份的流變特性也可通過選擇使用的染料或顏料予以影響，用於本發明的染料溶液和顏料成份可以有很寬的範圍，只要最終的墨水成份中的假塑性體和粘度值維持在上述範圍內即可。染料溶液BASACID X34(商標)(由霍蘭MI的BASF Wyandotte公司製造)和「Special Violet S4B5」(由尤寧NJ的Mobay化學公司製造)可以作為適用於本發明的染料的例子。適宜的水化顏料分散相包括BASOFLEX 蘭 7080(商標)、BASOFLEX 紅 3855(商標)和LUCONYL 綠 9360(商標)(均由BASF Wyandotte公司製造)。本發明墨水成份的低剪力粘度在持續的時間上可以充分高地維持一個適宜的顏料分散相，這是一主要優點。顏料可以比染料基系統對線條來講提供更大的穩定性，但是本發明顏料分散相墨水的製備需要選擇表面活化劑以防止顏料顆粒的結塊，這實際上不影響墨水的流變特性。
一般來講，本發明墨水成份的流變特性比起公知的假塑性墨水具有很大優點，可參見圖5和6所示的曲線圖。在圖5中，表示了公開在GB-A-2094820和GB-A-231040中的墨水粘度範圍，其粘度範圍是從分別所引證的英國專利文獻的粘度資料中計算出來的。這些粘度範圍與相應的典型糊狀、液狀和本發明書寫墨水成分的相應範圍分別成為對照。在圖6中表明了從GB-A-2094820和GB-A-2131040中墨水估算出的假塑性指數值的範圍和本發明墨水相應範圍的對照情況。
從上述圖表中很明顯可以看出本發明書寫墨水中高和低剪力粘度特性，它們完全不同於GB-A-2094820墨水的特性。進而，本發明墨水具有比GB-A-2131040更高的低剪力粘度和更大的假塑性體(較低的假塑性指數)。
用功能性語言來講，本發明墨水的較高的低剪力粘度防止了注入的墨水滲漏，而較大的假塑性體縮小了羽毛化的可能性，這由下面更詳細地予以說明。比較來講，GB-A-2094820公開的非常高的低剪力粘度需要一個加壓的濾筒，進而比起本發明墨水特性來造成較差的書寫平滑性。
本發明將參照下列實例作進一步敘述，使用圖4所示結構的原子筆來確定各種書寫特性的記錄值，該原子筆使用0.65mm礬土陶瓷圓珠，所確定的書寫特性如下限定(a)滲漏滲漏是由懸垂打開筆帽的筆，使筆尖朝下在60℃烘箱中放置16小時後所確定的，用肉眼檢查，其滲漏量可分為嚴重(3)、中等(2)、少許(1)和無滲漏(0)。滲漏量最好為(0)。
(b)芯給芯給的程度是由在室溫下向下懸垂筆尖，使筆尖與濾紙接觸16小時來確定的;芯芯量是由5個重量單位確定的，分為喪失重量大於10%為 3
小於10%，但大於1%為 2小於1%，但大於0.1%為 1小於0.1%為 0芯給量最好為0。
(c)書寫書寫質量是由6個否定的標誌的出現和程度估計的，從0到3的每一個記號確定出一個等級，其中0-無1-少許2-中等3-非常6個標誌的特徵為「棘線」表示的是與正常書寫線相連接的書寫線表現出斑點的趨向。
「羽毛化」表示的是墨水擴散程度的度量，表示了書寫線的毛刺飛邊。
「摩擦性」表示的是原子筆很容易在紙上移動的程度的度量。
「平滑性」表示的是原子筆書寫時沒有額外的雜音的性能的度量。
「方向性」表示的是在原子筆沿不同方向移動時書寫線的不均勻程度的度量。
「雙線」表示的是原子筆書寫線在線的兩邊比線的中間顏色更深的趨向。
合成的書寫質量是這六個單獨特性質的算術組合，其範圍為0到18，最低的得分表示最好的書寫特性。
(d)流動速度流動速度是由8號書寫機在紙上移動書寫200m時墨水流量確定的，該書寫機劃線速度為6.6m/min。
實例1-9和對照實例1-7本發明墨水成分的實例(實例1-9)擬採用上述乳液磨技術和Kelco公司的雜多糖化物K1A112(商標)(表1)或KELZAN S(商標)(表2)製備，所使用的工序過程具體敘述如下工序1在高速混合機(Silverson)中將1，2-亞乙基二醇和甘油混合，然後將樹脂慢慢加入這種溶劑混合體中，攪拌至少15分鐘，製成一種樹脂漿。
工序2將一種由水、生物殺傷劑MITROL G ST(商標)(由孟菲斯TN的Chapman化學公司製造)、平滑性添加劑AQUALOX225-100(商標)(由尼亞加拉瀑布NY的ALOX公司製造)和減蝕劑構成的分離混合物進行高速混合，混合時間最少為15分鐘。
工序3將該溶劑和含水混合物混合，將染料溶液BASACIDX34(商標)(由霍蘭MI的BASF Wyandotte公司製造)加入其中，進一步將這種合成的墨水成分高速混合，混合時間至少30分鐘，這樣就製成了一種不完全成溶劑化的樹脂精細分散相。
工序4將這種墨水成分送入2.5UB型號的SPeco乳液磨中(由貝弗洛MA的Speco公司製造)碾磨至少30分鐘，其碾磨速度調定為100，間隙調定為0.001吋，這種高剪力條件則將該成份轉化成一種樹脂的親液溶膠。
工序5此後，將墨水成份在1000rpm(20℃溫度)條件下離心10分鐘去除夾帶的氣體。
除實例1-4(表1)和實例6-9(表2)之外，還提供了使用上述工序和要素的對照墨水配方，但是所用的樹脂成份沒有調整到產生決定性作用的流變值。上述限定的工序特性決定了所有實例和對照實例，而後者(對照實例)呈現出明顯較差的滲漏和/或流動速度值。
從表1和2歸納出的結果表明在本發明的原子筆中滲漏和芯給是隨著作為樹脂濃度的假塑性指數值(n)的增加而衰落，雖然直到屈服應力為大約25達因/釐米2或更高時滲漏才為零。對於含有K1A112(商標)的墨水成份來講，本發明中基本粘度和假塑性體要求樹脂濃度量為相對總成份重量的0.15重量百分比。然而，滲漏的最佳值為零，當樹脂量為0.3或更大的重量百分比時可以獲得此最佳值。在此濃度時，書寫特性值雖然由於增加了雙線，多少比最佳值有些高，但還是可以接受的，而書寫特性值隨著增加樹脂含量最初會下降，這是由於減小了羽毛化，這樣，雖然0.20重量百分比的K1A112(商標)含量提供了最佳的書寫特性，但是從總體性能來講，含量範圍最好為約0.3和0.5重量百分比之間。
另外，如實例2所示的一種墨水成份中，將一種高分子量成塊聚合物TETRONIC 1107(商標)(由霍蘭MI的BASF Wyandotte公司製造)加到1重量百分比濃度以使0.1秒-1切應變速率時粘度降低5，000CP(大約降低17%)，而保持100秒-1切應變速率時粘度不變。同樣，將一種纖維素衍生樹脂，NATROSOL 250MR(由內珀維爾IL的Hercules有限公司製造)按1.0重量百分比加到實例4所示的成份中，可以使粘度在10，000秒-1切應變速率時從11提高到13CP，增加了大約20%，低剪力粘度不受影響。雖然在高切應變速率時百分率的變化比低切應變速率時百分率的變化大，但是較大量的Natrosol 250MR(商標)在高和低切應變速率時都會影響粘度。例如如實例2所示墨水中Natrosol 250MR重量百分比含量0.5時，在10，000秒-1切應變速率時粘度從11增加到26，增加了136%，而在切應變速率0.1秒-1時粘度從30，200增加到43，000CP，僅僅改變了42%。在表2的實例8中，增加1重量百分比的構成聚乙烯吡咯烷酮樹脂K-30(商標)(由紐約NY的GAF公司製造)的薄膜，可以在0.1秒-1切應變速率時降低粘度20，000CP，即大約35%，在100秒-1和更高的切應變速率時的粘度不受影響。
如表2所示，直到黃原膠(KELZAN S(商標))濃度超過0.45重量百分比，這個公開在GB-A-2131040中墨水成份中最大可接受值時，才能獲得本發明的流變參數。實驗表明，對於黃原膠含量高達0.92重量百分比的墨水(實例9)是可以接受的，這與GB-A-2131040的敘述相悖。
實例10-14本發明墨水成份的另外一些實例基本如上配製，只是使用更多的水(實例10-13)或完全用水(實例14)來代替不同的有機溶劑。當K1A112(商標)樹脂含量(0.35重量百分比)處於上述最佳範圍時，很容易獲得本發明必要的流變特性(參見表3)。
實例15-18表4所示配方表明了對三種不同顏料提供穩定顏料分散相的本發明書寫墨水的性能。表4的墨水成份是根據上述乳液磨工序，在工序2時加入顏料製成的。在實例17中，使用了一種紅色顏料，在0.1秒-1切應變速率時獲得了比使用其它兩種顏料時更低的粘度。但是在0.1秒-1切應變速率時，紅墨水的粘度則較其它兩種高，實例16和18表明在0.1秒-1切應變速率時，比相對含有實例2中染料的墨水具有稍微較高的粘度。在實例15中，由於加入了構成聚乙烯吡咯烷酮的共聚合樹脂K-30(商標)的薄膜，降低了低剪力粘度，此時使用一種較高濃度的原生樹脂KELZAN S(商標)而沒有使用K1A112(商標)樹脂，使粘度的降低得以補償。
如前所指出的，已確認羽毛化的程度與假塑性體有關，為了表示這種關係，圖7(A)給出了一個圖表，其中在如上所述書寫試驗中確定的羽毛化得分作為含有K1A112(商標)樹脂(以圓圈表示)或KELZAN S(商標)樹脂(以三角表示)的墨水成份假塑性指數的函數製成了此圖。在圖7(B)中類似地表示了流動速度和假塑性指數之間的關係。這些圖表表明了，羽毛化和流動速度值分別與假塑性指示成線性函數關係。對於低於約0.18的指數值來講，羽毛化最小，且流動速度也沒有高到易於產生汙點的程度(即大於約0.3g/200m)。
權利要求
1.一種書寫墨水成份，其特徵在於該書寫墨水成份中包括(i)適量的至少一種假塑性樹脂和(ii)一種該樹脂的載體介質，這樣，其墨水成份中(a)假塑性指數值介於0.02和0.18之間；(b)在0.1秒-1切應變速率時粘度介於25，000和120，000CP(釐泊)之間；和(c)在10，000秒-1切應變速率時粘度介於6和26CP之間。
2.根據權利要求
1所述的書寫墨水成份，其中該假塑性樹脂包括黃原膠和/或主要由葡糖醛酸、葡萄糖和鼠李糖構成的雜多糖化物。
3.根據權利要求
2所述的書寫墨水成份，其中假塑性樹脂為雜多糖化物，在該墨水成份中雜多糖化物包量相對於整個墨水成份重量來講大於0.15重量百分比。
4.根據權利要求
3所述的書寫墨水成份，其中在該墨水成份中雜多糖化物含量相對於整個墨水成份重量來講介於大約0.3和0.5重量百分比之間。
5.根據權利要求
2所述的書寫墨水成份，其中假塑性樹脂為黃原膠，在該墨水成份中黃原膠含量相對於整個墨水成份重量來講大於0.45重量百分比。
6.根據上述任何一個權利要求
所述的書寫墨水成份，其中該墨水具有一個介於25和120dyne cm-2(達因/釐米2)之間的屈服應力值。
7.根據上述任何一個權利要求
所述的書寫墨水成份，其中假塑性指數值介於0.10和0.18之間。
8.根據上述任何一個權利要求
所述的書寫墨水成份，其中在0.1秒-1切應變速率時粘度介於25，000和75，000CP之間。
9.根據上述任何一個權利要求
所述的書寫墨水成份，其中在10，000秒-1切應變速率時粘度介於10和20CP之間。
10.根據上述任何一個權利要求
所述的書寫墨水成份，其中該墨水成份基本上是無水的。
11.根據權利要求
1到9中任何一個權利要求
所述的書寫墨水成份，其中該載體介質為水和至少一種有機溶劑。
12.根據權利要求
11所述的書寫墨水成份，其中該有機溶劑包括從由1，2-亞乙基二醇、甘油、γ-丁內酯、N-甲基吡咯烷酮和四氫噻吩1-1二氧化物構成的組分中選擇的至少一種化合物。
13.根據上述任何一個權利要求
所述的書寫墨水成份，其中該假塑性樹脂進一步包括一種第二樹脂化合物。
14.根據權利要求
13所述的書寫墨水成份，其中該第二樹脂化合物是一種纖維素衍生物。
15.根據權利要求
13所述的書寫墨水成份，其中該第二樹脂化合物是一種構成共聚合樹脂的薄膜。
16.根據權利要求
15所述的書寫墨水成份，其中該共聚合樹脂為聚乙烯吡咯烷酮。
17.根據上述任何一個權利要求
所述的書寫墨水成份，進一步包括一種表面活化劑。
18.根據權利要求
17所述的書寫墨水成份，進一步包括一種顏料的水分散相。
19.根據上述任何一個權利要求
所述的書寫墨水成份，其中該假塑性樹脂在該載體介質中形成一種親液溶膠。
20.一種書寫裝置，其特徵在於該書寫裝置包括(a)一個墨水筆管(11)，該筆管限定了一個空腔，該空腔處於外界壓力下，並且具有一個預先確定的內徑;(b)一個設置在該空腔內的粘性頂杆(12);(c)一個與該筆管連通的圓珠組件(9)，該組件包括一個環形支座件，一個圓珠可轉動地安裝在該支座件中，該支座件具有一個中心孔和若干個沿該支座件長度布置的槽(7)，這些槽中至少一些沿徑向延伸，從該支座件的內表面延伸至該支座件的外表面;和(d)設置在介於該粘性頂杆和圓珠組件之間的空腔內的一定量的書寫墨水成份(10)，該成份中(ⅰ)假塑性指數值介於0.02和0.18之間;(ⅱ)在0.1秒-1切應變速率時粘度介於25，000和120，000CP(釐泊)之間;和(ⅲ)在10，000秒-1切應變速率時粘度介於6和26CP之間。
21.根據權利要求
20所述的書寫裝置，其中該預先確定的內徑是這樣的，介於書寫墨水成份(10)和筆管(11)之間的毛細引力實際上對該空腔中的墨水成份的滯留沒有影響。
22.根據權利要求
20或21所述的書寫裝置，其中該預先確定的內徑具有一個大於2.5mm的最大值。
23.根據權利要求
20到22中任何一個權利要求
所述的書寫裝置，其中從該支座件的內表面延伸至該支座件的外表面的槽(7)中至少一些其橫截面呈矩形斷面狀。
24.根據權利要求
20到23中任何一個權利要求
所述的書寫裝置，其中介於該支座件的中心孔和該圓珠之間的間隙大致為0.010mm。
25.根據權利要求
20到24中任何一個權利要求
所述的書寫裝置，其中該支座件具有一個旋壓在該圓珠上的唇部，介於該唇部和圓珠之間的間隙大致為0.008mm。
26.根據權利要求
25所述的書寫裝置，其中該唇部具有一個大致為0.06mm的旋壓長度，並且該唇部相對於與該唇部接觸的支座件的那部分構成一個大致為80°的角。
27.根據權利要求
25或26所述的書寫裝置，其中該支座件相對該中心孔軸線具有一個大致為60°的支座角。
28.根據權利要求
20到27中任何一個權利要求
所述的書寫裝置，其中該支座件具有5個槽(7)，這些槽沿徑向延伸，從該支座件的內表延伸至該支座件的外表面。
29.根據權利要求
20到28中任何一個權利要求
所述的書寫裝置，其中該支座件為一種銅鋅鎳合金。
30.根據權利要求
20到29中任何一個權利要求
所述的書寫裝置，其中該假塑性樹脂在該載體介質中形成一種親液溶膠。
31.一種用於製備書寫墨水成份的方法，該書寫墨水成份包括(ⅰ)適量的至少一種假塑性樹脂，和(ⅱ)一種該樹脂的載體介質，其特徵在於該方法包括如下步驟(1)向一種有機液體中加入一預定量的假塑性樹脂，在該有機液體中製成一種樹脂漿;(2)將該樹脂漿與一種溶劑混合，該溶劑包括水和/或一種可使該樹脂溶解的有機溶劑，這種混合是在充分高的剪力條件下進行的，由此產生一種不完全成溶劑化的樹脂精細分散相;進而(3)把一種顏料添加到這種不完全成溶劑化的精細分散相中，使用水力剪切機處理這種不完全成溶劑化的精細分散相，這樣就製成一種完全成溶劑化的樹脂親液溶膠，這種親液溶膠中(a)假塑性指數值介於0.02和0.18之間，(b)在0.1秒-1切應變速率時粘度介於25，000和120，000CP之間;和(c)在10，000秒-1切應變速率時粘度介於6和26CP之間。
32.根據權利要求
31所述的方法，其中步驟(2)中包括使該分散相與水混合。
33.根據權利要求
31或32所述的方法，其中該假塑性樹脂包括黃原膠和/或主要由葡糖醛酸、葡萄糖和鼠李糖構成的雜多糖化物。
專利摘要
本發明公開了一種書寫墨水成分，其中假塑性指數值介於大約0.02和0.18之間，低切應變速率時粘度介於大約25,000和120,000CP之間，而高切應變速率時粘度介於大約6和26CP之間，這種書寫墨水成分可以用於本發明的一種混合圓珠書寫裝置中，該裝置結合了糊狀墨水和液狀墨水原子筆兩者的優點。該書寫墨水使用一種膠體磨方法製備。
文檔編號B43K7/02GK87104000SQ87104000
公開日1988年4月20日 申請日期1987年6月3日
發明者約翰·湯姆森, 菲利蒲·瓦裡斯 申請人:派克鋼筆(比荷盧)公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan