等離子體表面處理技術(shù)在筆舌上的應(yīng)用

陳增樂

自來水筆的筆舌表面要有很好的親水性，以確保有良好的引水、儲墨和抗漏性能，特別是采用熱塑性塑料注塑成型的筆舌更是如此。傳統(tǒng)的工藝是采用化學(xué)處理（即采用強(qiáng)酸液體進(jìn)行浸泡），使得筆舌表面粗化，達(dá)到提高親水性的目的。但是，這種工藝的廢水處理是個大問題，并且由于強(qiáng)酸液體的濃度、溫度的變化，浸泡時間的長短，以及浸泡方式的不同，會使筆舌表面粗化不均勻，諸如引水槽、儲墨槽等窄小的縫隙中，如果浸泡液未完全進(jìn)入，就會使得這些關(guān)鍵部位沒有完全達(dá)到粗化的目的。

一、等離子體表面處理技術(shù)原理

要改變自來水筆的筆舌表面化學(xué)處理的傳統(tǒng)工藝，采用等離子體表面處理技術(shù)不失為一種好方法。所謂等離子體是物質(zhì)的一種存在狀態(tài)。通常物質(zhì)以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種狀態(tài)存在,但是在一些特殊情況下可以以第四種狀態(tài)存在,如太陽表面的物質(zhì)和地球大氣電離層中的物質(zhì)。這類物質(zhì)所處在的狀態(tài)稱為等離子體狀態(tài)，又稱為物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體中存在于下列情況：處于高速運(yùn)動狀態(tài)的電子；處于激活狀態(tài)的中性原子、分子、原子團(tuán)(自由基)；離子化的原子、分子；分子解離反應(yīng)過程中生成的紫外線；未反應(yīng)的分子、原子等，但物質(zhì)在總體上仍保持中性狀態(tài)［1］。

通過多種形式，如電弧放電、輝光放電、激光、火焰或者沖擊波等，都可以使處于低氣壓狀態(tài)下的氣體物質(zhì)轉(zhuǎn)變成等離子體狀態(tài)。如在高頻電場中處于低氣壓狀態(tài)的氧氣、氮?dú)?、甲烷、水蒸氣等氣體分子在輝光放電的情況下,可以分解出加速運(yùn)動的原子和分子，這樣產(chǎn)生的粒子被解離成電子和有正負(fù)電荷的原子和分子。這樣產(chǎn)生的帶電粒子和電子在電場中加速時會獲得高能量，并與周圍的分子或原子發(fā)生碰撞，結(jié)果使分子和原子中又激發(fā)出電子，而本身又處于激發(fā)狀態(tài)和離子狀態(tài)，這時物質(zhì)存在的狀態(tài)即為等離子體狀態(tài)。

等離子體處理是利用非聚合性無機(jī)氣體（Ar、H2、N2、O2等）的等離子體進(jìn)行表面反應(yīng)（見圖1），參與表面反應(yīng)的有激發(fā)態(tài)分子、自由基和電子離子，也包括等離子體產(chǎn)生的紫外光的輻射作用［2］。通過表面反應(yīng)有可能在表面引入特定的官能團(tuán)，產(chǎn)生表面侵蝕，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)層或生成表面自由基（見圖2）［3］。由于是真空紫外光對腐蝕有十分積極的影響，氣體所產(chǎn)生的自由基和離子活性很高，其能量足以破壞幾乎所有化學(xué)鍵，在任何暴露的表面引起化學(xué)反應(yīng)。等離子體中粒子的能量大于聚合物材料的結(jié)合鍵能，完全可以破裂有機(jī)大分子的化學(xué)鍵而形成新鍵，但遠(yuǎn)低于高能放射性射線，只涉及材料表面，不影響基體的性能。這樣可以改善材料表面的親水性、粘結(jié)性以及生物相容性等特性。

圖1 等離子體轟擊材料表面示意圖

圖2 等離子體處理后材料表面改性示意圖

二、等離子體表面處理技術(shù)在制筆行業(yè)的應(yīng)用

等離子體表面處理技術(shù)在上世紀(jì)六十年代開始得到廣泛應(yīng)用，美國制筆企業(yè)在上世紀(jì)七十年代后期已經(jīng)開始采用等離子體技術(shù)對筆舌進(jìn)行處理。1979年2月美國派克公司訪問上海英雄金筆廠時，贈送了一套機(jī)器設(shè)備和測試儀器的照片，其中就有等離子侵蝕機(jī)照片，并注明用等離子侵蝕機(jī)代替酸液處理零件表面（見圖3）。

圖3 離子侵蝕機(jī)照片

根據(jù)原上海英雄金筆廠廠長趙松生回憶，1981年上海制筆公司滕名達(dá)工程師和上海英雄金筆廠廠長趙松生一行訪美，到了美國派克公司，還交流了等離子侵蝕機(jī)處理筆舌一些技術(shù)問題，回國后還進(jìn)行了研究。當(dāng)時，上海市輕工局還立項(xiàng)等離子處理儲水器、筆舌和筆項(xiàng)等，由上海輕工研究所試制。但由于當(dāng)時技術(shù)條件有限，加上當(dāng)時的筆尖產(chǎn)品以暗尖為主，明尖的筆舌都是采用熱固性材料（膠木）制成坯料，再用機(jī)械加工方式鉆孔、開環(huán)槽和直槽，這樣的筆舌只需要清洗而無需粗化處理；暗尖的儲水器用化學(xué)處理就完全達(dá)到親水要求。因此，這種新技術(shù)的研制經(jīng)過一段時間沒有成功也就放棄了。

隨著消費(fèi)水平的逐步提高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，國產(chǎn)的自來水筆與國際著名品牌一樣，筆尖以明尖、半明尖為主。筆舌采用熱塑性塑料注塑成型，吸水結(jié)構(gòu)也都是兩用結(jié)構(gòu)（即采用了墨水囊），所以對筆舌和儲水器的要求更高了，它不但要符合抗漏性要求，還要插入墨水囊后能快速出水，所以僅用化學(xué)處理已很難完全滿足要求了。

2015年開始，上海英雄金筆廠麗水公司著手研究等離子體技術(shù)在筆上應(yīng)用，先后與中科院等離子所及相關(guān)企業(yè)合作，共同做過很多次試驗(yàn)。對等離子加工工藝，筆舌和儲水器的表面粗糙度、引水速度、儲墨量以及處理后時效性等都做大量研究；特別是大批量生產(chǎn)工藝的落地研究，從2017年起在國內(nèi)首先采用等離子體技術(shù)對筆舌進(jìn)行表面處理，經(jīng)過兩年的應(yīng)用，產(chǎn)品質(zhì)量完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖4

圖5

三、等離子體對筆舌表面處理的優(yōu)缺點(diǎn)分析

等離子體對筆舌表面處理時，是通過氣體為介質(zhì)對筆舌表面進(jìn)行清洗，同時改變其表面性質(zhì)與狀態(tài)，可以有效地避免因采用液體介質(zhì)對筆舌帶來的二次污染，以及后續(xù)廢水處理等問題。

等離子體對筆舌表面處理后，產(chǎn)品性能有明顯提高，達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。我們用同一型號（359型）筆舌分別進(jìn)行化學(xué)處理和等離子體處理，從表面狀態(tài)、抗漏性和引水速度等三個方面進(jìn)行比較，等離子體處理的結(jié)果明顯優(yōu)于化學(xué)處理的結(jié)果（見表1）。

表1 兩種處理方法對比結(jié)果

當(dāng)然，等離子體處理也有其缺點(diǎn)，主要是處理后有一定時效性，也就是說時間一長筆舌親水性就可能會失效。實(shí)際上用化學(xué)處理同樣也有時效問題，只是化學(xué)處理的筆舌親水性能夠保持的時間比較長。因此，只要等離子體處理的工藝恰當(dāng)，即考慮成本的前提下，適當(dāng)提高強(qiáng)度，延長處理時間，如果再經(jīng)特殊處理就應(yīng)該能保持幾年不會失效。