CN111183042B - 书写工具和相关的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开的实施例可以包括书写工具、用于书写工具的笔尖及其制造方法。在一个实施例中，书写工具包括：储液器；墨水溶液，包含颜料，墨水溶液容纳在储液器内；笔尖，设置在储液器的端部处并且堵塞储液器的开口，使得储液器关闭，其中，笔尖的尖端延伸到储液器的外部；以及丝状物，在储液器内延伸，丝状物在储液器内与笔尖的一部分流体连通，使得墨水溶液通过毛细管作用沿着丝状物行进并且穿过笔尖，其中，笔尖和丝状物被形成为使得当书写工具以笔尖向上存放一天的时间时，不超过50％的存在于笔尖和丝状物中的颜料流入到笔尖和丝状物的外部的储液器中。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月26日提交的美国临时申请第62/563,134号的优先权，该临时申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及书写工具以及相关的方法和套件。
背景技术
某些毛细管型书写工具(诸如记号笔和笔)当以尖端向上存放时会遭受墨水回流问题。具体地说，当工具以笔尖向上存放时，墨水内的颜料倾向于回流到储液器中，并从笔尖和丝状物/过滤器中排出。结果，当使用者试图利用书写工具书写并且使用者认为墨水已经干涸并且记号笔或笔不起作用时，很少或没有颜色被传递。当书写工具以尖端向下存放较长时间时，也会导致位置存放问题。特别地，颜料集中在尖端，并且导致其阻塞。结果，笔尖变得被颜料浸透，使得它们不再书写。
因此，需要对位置存放问题具有改进的抵抗力的书写工具和部件。
发明内容
在本公开的一些实施例中，提供了一种书写工具，所述书写工具包括：储液器；墨水溶液，包含颜料，所述墨水溶液容纳在所述储液器内；笔尖，设置在所述储液器的端部处并且堵塞所述储液器的开口，使得所述储液器关闭，其中，所述笔尖的尖端延伸到所述储液器的外部；以及丝状物，在所述储液器内延伸，所述丝状物在所述储液器内与所述笔尖的一部分流体连通，使得所述墨水溶液通过毛细管作用沿着所述丝状物行进并且穿过所述笔尖，其中，所述笔尖和丝状物被形成为使得当所述书写工具以所述笔尖向上存放一天的时间时，不超过50％的存在于所述笔尖和丝状物中的所述颜料流入到所述笔尖和丝状物的外部的所述储液器中。
在本公开的一些实施例中，提供了一种书写工具，所述书写工具包括：储液器；墨水溶液，包含具有从约6微米至约8微米的主要尺寸的片状颜料，所述墨水溶液容纳在所述储液器内；丙烯酸笔尖，包含三聚氰胺树脂，所述笔尖设置在所述储液器的端部处并且堵塞所述储液器的开口，使得所述储液器关闭，所述笔尖包含具有从约5旦尼尔至约7旦尼尔的厚度并且具有从约0.63至约0.65的孔隙率的纤维，其中，所述笔尖的尖端延伸到所述储液器的外部；以及丝状物，在所述储液器内延伸，所述丝状物在所述储液器内与所述笔尖的一部分流体连通，使得所述墨水溶液通过毛细管作用沿着所述丝状物行进并且穿过所述笔尖，其中，所述笔尖和丝状物被形成为使得当所述书写工具以所述笔尖向上存放一天的时间时，不超过35％的存在于所述笔尖和丝状物中的所述颜料流入到所述笔尖和丝状物的外部的所述储液器中。
在本公开的一些实施例中，提供了一种制造用于书写工具的笔尖的方法，所述方法包括形成笔尖材料；以及经由刀片切割所述笔尖材料，以形成具有笔尖尖端的笔尖。
在本公开的一些实施例中，提供了一种制造用于书写工具的笔尖的方法，所述方法包括在笔尖材料中激光切割或加工具有从约50微米至约150微米的直径的至少一个通道，以形成具有在所述笔尖的长度上延伸的所述至少一个通道的笔尖。
在一些实施例中，提供了一种制造用于书写工具的非纤维笔尖的方法，所述方法包括熔融模制多个聚合物珠粒以形成多孔笔尖。
附图说明
参考附图阐述了详细描述。相同附图标记的使用可以指示类似或相同的项目。各种实施例可以利用除附图中所示的元件和/或部件之外的元件和/或部件，并且一些元件和/或部件可能不存在于各种实施例中。附图中的元件和/或部件不一定按比例绘制。在一些附图中，为了便于说明，某些元件和/或部件的相对大小被放大。贯穿本公开，根据上下文，单数和复数术语可以互换使用。
图1示出了根据本公开的实施例的书写工具。
图2是示出了当以尖端向上存放时，各种笔尖随时间的剩余墨水的图表。
图3是示出了当以尖端向上存放时，各种笔尖随时间的重量损失百分比的图表。
具体实施方式
本文提供了解决上述问题中的一个或多个的书写工具和笔尖与相关的方法。这些书写工具和笔尖可以被设计成防止墨水中的颜料回流。
在某些实施例中，如图1所示，书写工具10包括；储液器18；墨水溶液，含有容纳在储液器18内的颜料；笔尖16，设置在储液器18的端部处并且堵塞储液器18的开口，使得储液器关闭(即密封)，使得笔尖16的尖端延伸到储液器18的外部；以及丝状物12，在储液器18内延伸，丝状物12在储液器18内与笔尖16的一部分流体连通，使得墨水溶液通过毛细管作用沿着丝状物12行进并且穿过笔尖16。在某些实施例中，墨水溶液进一步含有聚乙烯醇缩丁醛(PVB)树脂。在某些实施例中，笔尖16进一步包括沿着笔尖的长度延伸的通道24。
在一些实施例中，储液器18由外壳或笔杆14限定。例如，储液器18可以由细长的基本上圆柱形的笔杆14(诸如塑料笔杆)形成。在一些实施例中，储液器进一步由塞20密封，这有助于将丝状物12保持在适当的位置。
在某些实施例中，丝状物12和笔尖16以彼此相对的方式设置，使墨水组合物可以经由迁移从丝状物12传输到笔尖16。例如，在图1中，丝状物12和笔尖16被示出为在联接区22处基本上彼此接触。在联接区22(在丝状物12中或在笔尖16处)处的压力方面的变化可以将存放在丝状物12中的墨水组合物跨过联接区22拉动到笔尖16。墨水组合物通常通过丝状物12内的毛细管作用移动，即，墨水组合物通常通过毛细管作用从丝状物12的远端移动到靠近笔尖16的丝状物端。类似地，墨水组合物通常通过毛细管作用在笔尖16内移动，即，墨水组合物通常通过毛细管作用从靠近丝状物12的笔尖16的部分移动到施加到书写表面以形成书写标记的笔尖的部分(即尖端)。在一些实施例中，丝状物12是芯型丝状物，并且笔尖16是与其连续(即永久)接触的多孔笔尖。在一些实施例中，丝状物和笔尖是一体的。
在某些实施例中，丝状物12由合适的具有适于输送墨水的开放结构的合适纤维形成。例如，合适的丝状物具有小于约0.50克/立方厘米(g/cc)(诸如小于约0.25g/cc、或小于约0.10g/cc)的储层纤维密度。丝状物纤维可以由天然或热塑性材料(诸如例如棉花、聚酯、尼龙、聚丙烯及其混合物)制备。丝状物内部的纤维可以是线性取向的或缠结的。为了保持丝状物的完整性，防止溶剂侵蚀，可以利用聚丙烯或尼龙片材包裹储液器。丝状物可以具有任何尺寸，只要尺寸足以存放预定量的墨水并且足以允许丝状物装配到所需的主体或外壳14中。
笔尖可以是与墨水组合物相容(即不溶于墨水组合物)并且能够保留墨水组合物的任何合适的多孔或其它开放结构。在一些实施例中，笔尖由多个纤维形成，尽管下面描述了其它类型的合适笔尖。笔尖的纤维可以由聚合物(诸如例如丙烯酸、聚酯、聚丙烯、尼龙及其混合物)制备。在某些实施例中，笔尖纤维由第二树脂粘合，该第二树脂也应该不溶于墨水组合物溶剂体系。示例性树脂包括聚缩醛和三聚氰胺。
在本公开的实施例中，笔尖和丝状物被形成为使得当书写工具以笔尖向上存放一天的时间时，不超过50％的存在于笔尖和丝状物中的颜料流入到笔尖和丝状物的外部的储液器中。也就是说，笔尖和/或丝状物可以由材料形成，大小和形状可以被设计成使得当书写工具以书写尖端向上存放一天的时间时，墨水溶液内的颜料的重力驱动的流动被限制为不超过50％的存在于笔尖和丝状物中的颜料流出笔尖和丝状物并流入到周围的储液器中(即回流)。如下面将更详细讨论的，笔尖和丝状物可以被形成为使得当书写工具以笔尖向上存放一天的时间时，不超过35％或者甚至20％的存在于笔尖和丝状物中的颜料流入到笔尖和丝状物的外部的储液器中。
已经开发了实现期望的回流抵抗力的各种笔尖和丝状物设计。这些笔尖和丝状物设计可以与各种颜料一起使用，并且可以基于颜料密度、大小(即平均颜料颗粒大小)以及形状(例如片状、矛状、球状)来定制。例如，颜料具有从约1微米至约15微米(诸如从约1微米至约8微米、或从约6微米至约8微米)的主要尺寸。在某些实施例中，颜料含有铝或另一金属。在某些实施例中，颜料是热变色的，具有在约1微米至约2微米的范围内的主要尺寸。
在第一实施例中，为减少回流的笔尖和丝状物设计涉及在笔尖中使用纤维和树脂的特定共混物以获得特定的孔隙率。例如，笔尖可以具有约0.5至约0.8(诸如从约0.63至约0.7(诸如从约0.63至约0.65))的孔隙率。例如，笔尖可以含有具有从约2旦尼尔至约20旦尼尔(诸如从约2旦尼尔至约10旦尼尔(诸如从约5旦尼尔至约7旦尼尔))的厚度的纤维。在一些实施例中，笔尖含有具有5旦尼尔、7旦尼尔或5旦尼尔和7旦尼尔的组合的厚度的纤维。例如，丝状物可以由棉花形成，并且笔尖可以由多孔聚合材料(诸如丙烯酸纤维和三聚氰胺树脂的组合)形成。
如本文所用，“旦尼尔”是指纤维的线性质量密度，并且可以根据下面的等式来测量
其中，
是纤维的直径；ρ是纤维塑料的密度；并且旦尼尔就是旦尼尔。
在一个实施例中，书写工具包括：墨水溶液，含有具有从约6微米至约8微米的主要尺寸的片状颜料；以及丙烯酸笔尖，含有树脂和具有从约5旦尼尔至约7旦尼尔的厚度并且具有从约0.63至约0.65的孔隙率的纤维，其中，笔尖和丝状物被形成为使得当书写工具以笔尖向上存放一天的时间时，不超过35％的存在于笔尖和丝状物中的颜料流入到笔尖和丝状物的外部的储液器中。
在另一实施例中，为减少回流的笔尖和丝状物设计涉及修改笔尖制备工艺。在一个实施例中，一种制造用于书写工具的笔尖的方法包括形成笔尖材料，以及经由刀片切割笔尖材料，以形成具有笔尖尖端的笔尖。例如，笔尖材料包括具有从约2旦尼尔至约20旦尼尔(诸如从约2旦尼尔至约10旦尼尔、或从约5旦尼尔至约7旦尼尔)的厚度的纤维。
笔尖可以由本文公开的任何合适的材料形成。在某些实施例中，笔尖材料是多孔聚合材料。例如，笔尖材料可以具有约0.5至约0.8(诸如约0.63至约0.7)的孔隙率。在某些实施例中，笔尖材料包括三聚氰胺树脂和丙烯酸纤维。
已发现，与传统的研磨或刮削工艺相反，使用切割工艺来形成笔尖尖端减少了在笔尖尖端形成过程中生成的热量，使得可以使用较小直径的纤维和/或可以基本上防止在笔尖尖端上(即，通过树脂的熔融)形成膜，从而允许改进通过笔尖尖端的墨水流动和/或减少回流(由于纤维靠得更近)。
在另一实施例中，为减少回流的笔尖和丝状物设计涉及由多个热塑性珠粒制备笔尖。例如，非纤维笔尖可以通过模制多个热塑性珠粒来形成，以实现期望的笔尖孔隙率。例如，一种制造用于书写工具的非纤维笔尖的方法可以包括熔融模制多个聚合物珠粒以形成多孔笔尖。在某些实施例中，经由这种方法形成的笔尖具有约0.5至约0.8(诸如从约0.63至约0.7)的孔隙率。例如，这种方法可以在笔尖内提供曲折的减少回流量的通道。
在其它实施例中，一种制造用于书写工具的笔尖的方法包括在笔尖材料中激光切割或以其它方式加工具有从约50微米至约150微米的直径的至少一个通道，以形成具有在笔尖的长度上延伸的至少一个通道的笔尖。例如，通道可以具有从约50微米至约150微米并且在笔尖的长度上延伸的直径，诸如从约95微米至约105微米(或约100微米)的直径。笔尖可以包括纵向穿过尖端的单个通道或多个通道。据信，这些通道允许笔尖既能传递又能防止大范围颜料墨水回流。
示例
在第一实验示例中，测试了在主要尺寸方面具有从约6微米至8微米大小的铝颜料的金属墨水。据观察，这种颜料的密度和大小导致在传统书写工具中在以尖端向上存放期间的显著回流。例如，如下表1所示，在不实施本文描述的回流减少构思的情况下，使用高性能笔尖进行回流在1.5小时的时间内达到50％的墨水排入到储液器中。因此，据观察，仅在短时间内在以尖端向上存放期间颜料迁移显著。
表1：墨水回流
接下来，如下表2所示，针对回流，测试了用于7微米标称大小颜料的笔尖孔隙率与笔尖纤维旦尼尔(直径)的组合。
表2：用于各种笔尖孔隙度和旦尼尔的墨水回流
标有“X”的方框指示笔尖孔隙度和旦尼尔的组合，其中，以尖端向下，记号笔将书写良好，以实现良好的颜色强度。标有DB的方框指示笔尖孔隙度和旦尼尔的组合，发现它们会遭受回流。发现标有M的方框展示出适度的回流。因此，已确定具有63％孔隙率的5/7旦尼尔笔尖和具有68％至70％的孔隙率的5旦尼尔笔尖使用7微米标称大小的有色金属颜料产生了良好的回流结果。进一步地，确定使用相对较硬的树脂(例如，三聚氰胺树脂)来生产提供了改进的回流减少的丙烯酸笔尖。不受单一理论的限制，假设由较高程度的交联产生的较硬的树脂减小了在笔尖内部的通道的大小，并且因此增加了其弯曲度。不旨在受任何特定理论的约束，据信，当记号笔以尖端向上的取向放置时，增加的弯曲度帮助减少颜料的回流。
接下来，如下面的图2和表3所示，进行使用具有不同旦尼尔的笔尖随时间的回流之间的比较。
表3：不同旦尼尔笔尖中的墨水回流
可以看出，5/7共混物旦尼尔的笔尖随时间显示出显著较低的回流，其中，当以尖端向上存放时，在66小时内总回流小于20％。相比之下，10旦尼尔笔尖仅在1.5小时之后就显示出墨水的50％的回流。这些测试是利用7微米的金属颜料进行的，该金属颜料呈片状，体积大，并且具有相对较高的密度。
接下来，测试了在笔尖横截面内具有不同纤维排列的各种5/7旦尼尔共混的纤维笔尖。结果如下表4和图3所示。
表4：用于5/7丹尼尔笔尖的墨水随时间的损失
如图所示，确定当以尖端向上存放时，一天内，墨水损失不超过30％至35％，甚至不超过来自笔尖的墨水的15％是可能的。进一步地，发现笔尖纤维排列的弯曲度有助于防止回流。
接下来，研究了使用笔尖切割工艺代替传统的石材研磨工艺来形成笔尖尖端的效果。发现石材研磨工艺积聚熔融用于将纤维粘合在一起的树脂的热，使得在笔尖的外部上形成膜表层，该膜表层阻止了颜料以尖端向下的取向通过。发现减缓研磨过程中的热积累减少了结皮效应。特别地，发现刀片切割笔尖的前部和后部完全地消除了结皮效应，并且允许我们使用较小的旦尼尔纤维直径以通过相同大小的颜料。因此，发现当使用刀片切割笔尖的前部和后部时，较小的旦尼尔的纤维可以被用于传递颜料。
总的来说，如本文所述，发现存放在以尖端向上取向的书写工具中的墨水中的颜料迁移是重要的问题，这可以通过许多构思来解决。对于重金属颜料，发现在以尖端向上存放4周的时间之后，想要在30分钟内几乎完全回流的颜料可以出人意料地显示出良好的书写性能。因此，消费者能够以任何取向存放书写工具，而不会遇到明显的位置存放问题。
对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的实施例的精神和范围的情况下，可以对本公开进行各种修改和改变。因此，所描述的实施例旨在覆盖本公开提供的修改和改变，只要它们落入所附权利要求及其等同物的范围内。
Claims (32)
1.一种书写工具，包含：
储液器；
墨水溶液，包含颜料，所述墨水溶液容纳在所述储液器内；
笔尖，设置在所述储液器的端部处并且堵塞所述储液器的开口，使得所述储液器关闭，其中，所述笔尖的尖端延伸到所述储液器的外部，并且所述笔尖包含至少一个通道，所述至少一个通道具有从50微米至150微米的直径并且在所述笔尖的长度上延伸；以及
丝状物，在所述储液器内延伸，所述丝状物在所述储液器内与所述笔尖的一部分流体连通，使得所述墨水溶液通过毛细管作用沿着所述丝状物行进并且穿过所述笔尖，
其中，所述笔尖和丝状物被形成为使得当所述书写工具以所述笔尖向上存放一天的时间时，不超过50％的存在于所述笔尖和丝状物中的所述颜料流入到所述笔尖和丝状物的外部的所述储液器中。
2.根据权利要求1所述的书写工具，其中，所述笔尖具有从0.5至0.8的孔隙率。
3.根据权利要求1所述的书写工具，其中，所述笔尖具有从0.63至0.7的孔隙率。
4.根据权利要求1所述的书写工具，其中，所述笔尖包含具有从2旦尼尔至20旦尼尔的厚度的纤维。
5.根据权利要求1所述的书写工具，其中，所述笔尖包含具有从2旦尼尔至10旦尼尔的厚度的纤维。
6.根据权利要求1所述的书写工具，其中，所述丝状物包含棉花。
7.根据权利要求1所述的书写工具，其中，所述笔尖由多孔聚合材料形成。
8.根据权利要求1所述的书写工具，其中，所述笔尖由三聚氰胺树脂和丙烯酸纤维形成。
9.根据权利要求1所述的书写工具，其中，所述笔尖和所述丝状物是一体的。
10.根据权利要求1所述的书写工具，其中，所述颜料具有从1微米至8微米的主要尺寸。
11.根据权利要求1所述的书写工具，其中，所述颜料是片状的，并且具有从6微米至8微米的主要尺寸。
12.根据权利要求1所述的书写工具，其中，所述颜料包含铝。
13.根据权利要求1所述的书写工具，其中，所述墨水溶液进一步包含聚乙烯醇缩丁醛(PVB)树脂。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的书写工具，其中，所述笔尖和丝状物被形成为使得当所述书写工具以所述笔尖向上存放一天的时间时，不超过35％的存在于所述笔尖和丝状物中的所述颜料流入到所述笔尖和丝状物的外部的所述储液器中。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的书写工具，其中，所述笔尖和丝状物被形成为使得当所述书写工具以所述笔尖向上存放一天的时间时，不超过20％的存在于所述笔尖和丝状物中的所述颜料流入到所述笔尖和丝状物的外部的所述储液器中。
16.根据权利要求1所述的书写工具，其中，所述储液器由细长的基本上圆柱形的笔杆形成。
17.根据权利要求16所述的书写工具，其中，所述笔杆由塑料材料形成。
18.一种书写工具，包含：
储液器；
墨水溶液，包含具有从6微米至8微米的主要尺寸的片状颜料，所述墨水溶液容纳在所述储液器内；
丙烯酸笔尖，包含三聚氰胺树脂，所述笔尖设置在所述储液器的端部处并且堵塞所述储液器的开口，使得所述储液器关闭，所述笔尖包含具有从5旦尼尔至7旦尼尔的厚度并且具有从0.63至0.65的孔隙率的纤维，其中，所述笔尖的尖端延伸到所述储液器的外部，并且所述笔尖包含至少一个通道，所述至少一个通道具有从50微米至150微米的直径并且在所述笔尖的长度上延伸；以及
丝状物，在所述储液器内延伸，所述丝状物在所述储液器内与所述笔尖的一部分流体连通，使得所述墨水溶液通过毛细管作用沿着所述丝状物行进并且穿过所述笔尖，
其中，所述笔尖和丝状物被形成为使得当所述书写工具以所述笔尖向上存放一天的时间时，不超过35％的存在于所述笔尖和丝状物中的所述颜料流入到所述笔尖和丝状物的外部的所述储液器中。
19.一种制造用于根据权利要求1至18中任一项所述的书写工具的笔尖的方法，包含：
形成笔尖材料；以及
经由刀片切割所述笔尖材料，以形成具有笔尖尖端的笔尖。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述笔尖材料包含具有从2旦尼尔至20旦尼尔的厚度的纤维。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述笔尖材料包含具有从2旦尼尔至10旦尼尔的厚度的纤维。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述笔尖材料包含具有从5旦尼尔至7旦尼尔的厚度的纤维。
23.根据权利要求19所述的方法，其中，所述笔尖材料是多孔聚合材料。
24.根据权利要求19所述的方法，其中，所述笔尖材料包含三聚氰胺树脂和丙烯酸纤维。
25.根据权利要求19至24中任一项所述的方法，其中，所述笔尖材料具有从0.5至0.8的孔隙率。
26.根据权利要求19至24中任一项所述的方法，其中，所述笔尖材料具有从0.63至0.7的孔隙率。
27.一种制造用于根据权利要求1至18中任一项所述的书写工具的笔尖的方法，包含：
在笔尖材料中加工具有从50微米至150微米的直径的至少一个通道，以形成具有在所述笔尖的长度上延伸的所述至少一个通道的笔尖。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述通道具有从95微米至105微米的直径。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述加工包括激光切割。
30.一种制造用于根据权利要求1所述的书写工具的笔尖的方法，其中所述笔尖为非纤维笔尖，所述方法包含：
熔融模制多个聚合物珠粒以形成多孔笔尖。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述笔尖具有从0.5至0.8的孔隙率。
32.根据权利要求30所述的方法，其中，所述笔尖具有从0.63至0.7的孔隙率。
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