等离子体表面处理技术在笔舌上的应用

陈增乐

自来水笔的笔舌表面要有很好的亲水性，以确保有良好的引水、储墨和抗漏性能，特别是采用热塑性塑料注塑成型的笔舌更是如此。传统的工艺是采用化学处理（即采用强酸液体进行浸泡），使得笔舌表面粗化，达到提高亲水性的目的。但是，这种工艺的废水处理是个大问题，并且由于强酸液体的浓度、温度的变化，浸泡时间的长短，以及浸泡方式的不同，会使笔舌表面粗化不均匀，诸如引水槽、储墨槽等窄小的缝隙中，如果浸泡液未完全进入，就会使得这些关键部位没有完全达到粗化的目的。

一、等离子体表面处理技术原理

要改变自来水笔的笔舌表面化学处理的传统工艺，采用等离子体表面处理技术不失为一种好方法。所谓等离子体是物质的一种存在状态。通常物质以固态、液态、气态三种状态存在,但是在一些特殊情况下可以以第四种状态存在,如太阳表面的物质和地球大气电离层中的物质。这类物质所处在的状态称为等离子体状态，又称为物质的第四态。等离子体中存在于下列情况：处于高速运动状态的电子；处于激活状态的中性原子、分子、原子团(自由基)；离子化的原子、分子；分子解离反应过程中生成的紫外线；未反应的分子、原子等，但物质在总体上仍保持中性状态［1］。

通过多种形式，如电弧放电、辉光放电、激光、火焰或者冲击波等，都可以使处于低气压状态下的气体物质转变成等离子体状态。如在高频电场中处于低气压状态的氧气、氮气、甲烷、水蒸气等气体分子在辉光放电的情况下,可以分解出加速运动的原子和分子，这样产生的粒子被解离成电子和有正负电荷的原子和分子。这样产生的带电粒子和电子在电场中加速时会获得高能量，并与周围的分子或原子发生碰撞，结果使分子和原子中又激发出电子，而本身又处于激发状态和离子状态，这时物质存在的状态即为等离子体状态。

等离子体处理是利用非聚合性无机气体（Ar、H2、N2、O2等）的等离子体进行表面反应（见图1），参与表面反应的有激发态分子、自由基和电子离子，也包括等离子体产生的紫外光的辐射作用［2］。通过表面反应有可能在表面引入特定的官能团，产生表面侵蚀，形成交联结构层或生成表面自由基（见图2）［3］。由于是真空紫外光对腐蚀有十分积极的影响，气体所产生的自由基和离子活性很高，其能量足以破坏几乎所有化学键，在任何暴露的表面引起化学反应。等离子体中粒子的能量大于聚合物材料的结合键能，完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键，但远低于高能放射性射线，只涉及材料表面，不影响基体的性能。这样可以改善材料表面的亲水性、粘结性以及生物相容性等特性。

图1 等离子体轰击材料表面示意图

图2 等离子体处理后材料表面改性示意图

二、等离子体表面处理技术在制笔行业的应用

等离子体表面处理技术在上世纪六十年代开始得到广泛应用，美国制笔企业在上世纪七十年代后期已经开始采用等离子体技术对笔舌进行处理。1979年2月美国派克公司访问上海英雄金笔厂时，赠送了一套机器设备和测试仪器的照片，其中就有等离子侵蚀机照片，并注明用等离子侵蚀机代替酸液处理零件表面（见图3）。

图3 离子侵蚀机照片

根据原上海英雄金笔厂厂长赵松生回忆，1981年上海制笔公司滕名达工程师和上海英雄金笔厂厂长赵松生一行访美，到了美国派克公司，还交流了等离子侵蚀机处理笔舌一些技术问题，回国后还进行了研究。当时，上海市轻工局还立项等离子处理储水器、笔舌和笔项等，由上海轻工研究所试制。但由于当时技术条件有限，加上当时的笔尖产品以暗尖为主，明尖的笔舌都是采用热固性材料（胶木）制成坯料，再用机械加工方式钻孔、开环槽和直槽，这样的笔舌只需要清洗而无需粗化处理；暗尖的储水器用化学处理就完全达到亲水要求。因此，这种新技术的研制经过一段时间没有成功也就放弃了。

随着消费水平的逐步提高，产品结构发生了变化，国产的自来水笔与国际著名品牌一样，笔尖以明尖、半明尖为主。笔舌采用热塑性塑料注塑成型，吸水结构也都是两用结构（即采用了墨水囊），所以对笔舌和储水器的要求更高了，它不但要符合抗漏性要求，还要插入墨水囊后能快速出水，所以仅用化学处理已很难完全满足要求了。

2015年开始，上海英雄金笔厂丽水公司着手研究等离子体技术在笔上应用，先后与中科院等离子所及相关企业合作，共同做过很多次试验。对等离子加工工艺，笔舌和储水器的表面粗糙度、引水速度、储墨量以及处理后时效性等都做大量研究；特别是大批量生产工艺的落地研究，从2017年起在国内首先采用等离子体技术对笔舌进行表面处理，经过两年的应用，产品质量完全符合设计要求。

图4

图5

三、等离子体对笔舌表面处理的优缺点分析

等离子体对笔舌表面处理时，是通过气体为介质对笔舌表面进行清洗，同时改变其表面性质与状态，可以有效地避免因采用液体介质对笔舌带来的二次污染，以及后续废水处理等问题。

等离子体对笔舌表面处理后，产品性能有明显提高，达到了国际同类产品的先进水平。我们用同一型号（359型）笔舌分别进行化学处理和等离子体处理，从表面状态、抗漏性和引水速度等三个方面进行比较，等离子体处理的结果明显优于化学处理的结果（见表1）。

表1 两种处理方法对比结果

当然，等离子体处理也有其缺点，主要是处理后有一定时效性，也就是说时间一长笔舌亲水性就可能会失效。实际上用化学处理同样也有时效问题，只是化学处理的笔舌亲水性能够保持的时间比较长。因此，只要等离子体处理的工艺恰当，即考虑成本的前提下，适当提高强度，延长处理时间，如果再经特殊处理就应该能保持几年不会失效。