用于芯吸型书写工具的金属墨水组合物 发明的背景
本发明涉及使用金属墨水的书写工具，具体地说涉及用于芯吸型书写工具的金属墨水组合物。
目前，金属墨水书写工具广受欢迎。目前几乎所有常规类型的标记笔都称为阀动标记笔(参见图1)。从该图可以看出它是一种包括精细组合件的复杂装置。阀动标记笔还需要来回摇动而后下压即向笔尖泵送墨水好几次，让墨水流下。可以看出这是一个相当麻烦的过程。
历史上，金属颜料含有粒度大于20微米的大颗粒，因此让其通过芯吸型标记笔是不可能的。而将阀动标记笔制成在其墨水腔内有两个钢球，并且在前面具有与笔尖接触的弹簧结构。由于铝颜料的比重比水大，故它往往快速沉降。这可通过来回摇动，从而使墨水中的铝颗粒再行混合而加以克服。施加压力通过笔尖，在纸上的泵送作用就会迫使大的铝颜料颗粒通过笔尖，从而流出墨水而进行书写。
相关的常规技术包括Mercado的美国专利5,013,543；Kazuhiro的美国专利5,219,560；Hiroshi地美国专利5,106,881；Valdes的美国专利4,761,277；Bourne的美国专利4,872,905和Shoi的美国专利4,604,139，这些专利的内容参考结合于此。不管怎样，现有技术迄今没有发表可以在书写工具中输送金属颜料即墨水的芯吸型标记笔。这样，金属墨水书写工具的制造一直比较昂贵而复杂，并且可靠性较差，其潜能没有完全发挥出来。
发明的概述
本发明的一般目的是提供在芯吸型书写工具中能工作可靠的金属墨水组合物。
本发明实现了上述和其它目的，本发明表明了使用在毛细管作用下工作的较廉价的芯吸型标记笔(其制造无需昂贵的组装过程)，如何克服上述已有技术的缺点。
本发明目的的实现，主要是使用：
1.粒度小于12微米的细小铝颗粒分散体；
2.将铝薄片保持悬浮状态的抗沉降剂；
3.紧密填充的高度多孔的聚酯纤维填料；
4.含有许多通道的高度多孔的取向聚酯纤维笔尖；
5.非挥发性湿润剂；
6.亚微米着色颜料的分散体。
本发明金属墨水组合物用的就是一种常规简单的芯吸型标记笔，该标记笔中装有一个圆柱形的墨水储器(即填料)，该储器吸收了墨水并将其输送到一个多孔的取向纤维笔尖，该笔尖在毛细管作用下汲取填料中的墨水(参见图2)。
本发明能使金属颗粒沉降下来的可能降至最小。标记笔可以垂直或水平摆放，从而克服了与颜料墨水体系有关的传统问题。此芯吸型墨水体系装入书写装置(图2)中时也能在黑色和白色表面上写下看得见的厚而不透明的线条。
在笔(图2)中使用的传统墨水无法在黑色纸张上书写，因为它是半透明的，因此这种用途的市场被图1所示的能让粒度大的颜料颗粒流出的阀动标记笔所占领。本发明解决了芯吸型书写工具(图2)中的这个问题，因为芯吸型书写工具是方便又简单得多的，更不用说是价格低廉了。
本发明是基于这里所披露的特定墨水配方的令人惊奇的发现而完成的。可以制得这样一种书写工具，其中装有一个圆柱形墨水储器，该储器在毛细管作用下将墨水供给到纤维笔尖并保持很长时间，而不会发生沉降或堵塞笔尖。本发明也不使用昂贵的阀动标记笔。
这样，本发明的一个目的是使用一个单支芯吸型笔在黑色和白色表面上能进行书写并达到几乎是金属闪光的外观。
本发明的另一个目的是提供可用于装饰性海报在黑色和白色表面上书写的笔。
本发明的再一个目的是能在人体皮肤上进行书写以达到与临时纹身相类似的装饰性效果，书写的图案具有不透明的强烈金属质外观，而又可用肥皂和水洗涤除去。
本发明还有一个目的是通过将持久粘合剂改为临时粘合剂，制得可以在黑色和白色蜜胺树脂、瓷器和所有无孔板上进行书写的可湿擦或干擦的书写工具。
本发明的组合物包含水作为载体、丙烯酸类树脂溶液作为粘合剂(尽管聚乙烯基吡咯烷酮聚合物可被替代而制得临时墨水)、颜料分散体作为着色剂、粒度为1—12微米独特的铝分散体、用于降低表面张力的表面活性剂、将铝颗粒保持悬浮的抗沉降剂、防腐剂和胺型pH调节剂。
本发明所用书写工具的各个组分具有某些意义。所选择的聚酯填料即墨水储器必须是紧密填充并且是多孔的，能够让铝颗粒流过同时使其沉降保持最小。对聚酯纤维加以选择，因为它应是非反应性的并且是非常多孔的。书写工具的笔尖必须是多孔的取向聚酯笔尖，它含有许多通道能够让铝颜料自由地通过。许多其它类型的纤维都会将铝颗粒过滤掉，仅让着色颜料通过，这样书写出来的线条就没有金属质的外观了。
关于本发明另有一个细节应该注意。在本发明的组合物中不使用染料。这是因为染料易于洗去，它们不能提供与铝颜料的粘合性，其更详细的描述参见美国专利4,604,139。
本发明采用持久和半持久的不透明金属墨水，该墨水会显示出闪光的性质，这取决于是在黑色还是在白色表面上进行书写。
本发明的其它特征和优点将从下述参考附图的本发明的描述中显现出来。
附图的简要说明
图1图示说明了常规的送出墨水的阀动书写工具。
图2说明了常规的芯吸型书写工具。
发明的详细描述
与目前用于输送金属墨水的常规阀动标记笔(图1)的复杂性相比，本发明说明了在简单的芯吸型书写工具(图2)中相当简便的墨水体系。
为具有多孔取向纤维笔尖的芯吸型书写工具提供一种适用的在25℃时粘度为5—10厘泊并且pH值为7.5—8.5的单相水性墨水组合物，完成了本发明。
此墨水体系包含粒度不大于约12微米的铝颜料的分散体，赋予色彩并提供持久性的亚微米着色颜料水性分散体，防止铝颗粒沉降出来的抗沉降剂，以及将铝颜料粘合在一起并对不同的书写表面提供粘合性、防水性、光泽度和持久性的粘合剂。
除了上述重要的组分外，此墨水体系还可以包含其它的添加剂，包括防腐剂、用于降低表面张力的表面活性剂、胺型pH调节剂和流变改性剂如淀粉或粘土。
如前所述，本发明的一个重要方面是铝颜料的粒度。若粒度太大，大于12微米，则它们无法流过填料和笔尖的通道。这就是为什么金属墨水以往只限于使用阀动标记笔(图1)的主要原因之一，所述阀动标记笔主要是个有自由流动通道的系统，在此系统中泵送作用对铝颗粒加压，迫使它们通过笔尖。
本发明是使用小心控制粒度的铝分散体以及含有许多通道的高密度的定制填料和含有许多通道的高度多孔取向的纤维笔尖而解决了问题。
先将铝薄片分散在水和淀粉粘合剂中，将pH值调节到7.0—8.0之间的任何一个值。这就能防止产生氢气，而氢气是一个与铝颜料有关的出了名的危险问题。将最终墨水体系的pH值调节到7.5—8.5，这样就能确保这个问题不会发生。
本发明所用的铝颜料分散体是来自Eckart的Eckart and Roto Vario的型号为Stapa Hydrolac AW。视所需的颜色强度，赋予金属质外观所需的用量约为10—25重量％。
令人非常感兴趣的是，在黑色表面上，着色颜料和铝颜料会粘合在一起，从而能写下均匀的金属质线条。而在白色的纸上，色料与金属薄片是分开的，写出有色并饰有铝斑点的线条，从而赋予银色的外观。
本发明的铝分散体在100°—125°F的温度下非常稳定，并且不易变干。这就有助于标记笔的长时间贮存。为使这种墨水体系稳定，将分散体中的铝薄片粘结起来的淀粉甚至更能与墨水体系中的粘合剂结合，从而促使它留在溶液中，保持铝薄片悬浮。
本发明中的粘合剂是约40—50％固体的丙烯酸类树脂溶液。干燥后，这种粘合剂在室温下会形成透明的膜。它是防水的并且对大部分表面都能很好地粘合。pH值为7.5—8.5。粘度为100—150cps，玻璃化转变温度(t.g.)为30℃。粘合剂必须能在室温下形成膜。这是在干燥后铝薄片能粘合到书写表面上的唯一办法。这种类型的典型树脂包括来自B.F.Goodrich的GA-1590和来自S.C.Johnson的Joncryl 537。
对本领域的技术熟练者来说，还可以想到许多其它聚合物。粘合剂的用量约为10—25重量％，视所需的抗性而异。
着色颜料分散体是非常重要的，因为此分散体能使整个金属墨水体系显示所需的颜色并产生悦目效果。本发明使用约35—45％固体的分散体，其pH值为8.0—9.0，在25℃时的粘度为100—150cps。颜料在丙烯酸类粘合剂或表面活性剂中经过研磨，达到粒度为小于0.5微米，从而提高它们对铝颜料的粘合能力。本发明常用的着色颜料分散体包括来自Heucotech的Heucosperse色料和来自Penn Color的Acroverse色料。其用量百分数为10—20重量％，视所需的颜色强度而异。
抗沉降剂添加物是特别重要的，因为铝薄片容易沉降下来。在此添加物上的离子带电部位本身会粘合到铝薄片上，从而使铝薄片长期悬浮在溶液中，并使它们保持紧密地粘合在着色颜料的表面上。这样就能确保流经聚酯填料到达笔尖再到达书写表面的墨水是金属化的。在没有抗沉降剂的情况下，铝薄片会非常快地与着色颜料分开。这样的墨水体系将是一种书写非常不均匀的体系，结果写出的颜色线条没有金属质的外观。本发明所用的抗沉降剂在其作用上是离子性的，属聚羧酸。其例子是邻苯二甲酸、己二酸和三金属酸(tri-metallic acid)。抗沉降剂的用量百分数为0.25—1.5重量％，其一个例子是来自Byk Chemie的BYK105。
本发明所用的湿润剂，其作用是防止装有本发明墨水体系的书写工具在暖湿条件下长期贮藏时变干。聚乙二醇特别适用于本申请，尽管也可以使用甘油。本发明使用分子量为400—725的聚乙二醇，其用量约为5—10重量％。其例子是由Pride Chemicals销售的Carbowax 400和Carbowax 700。
许多水基的墨水体系，其表面张力非常高。表面活性剂有助于降低这种性质，以便墨水能适当地流经填料并润湿在不同的表面上。这种墨水组合物的表面张力约为37—40达因/厘米，它使用与3M FC-170C提供的相类似的含氟化学表面活性剂(fluro chemical surfactant)，即由DuPont Chemicals供应的zonyl FSN。在本发明中其用量百分数为0.5—0.75重量％。
为了防止不恰当地使用标记笔，在本发明中使用水溶性有机溶剂如变性乙醇。这也有助于改善其在不同表面上的干燥速度。一个例子是由PrideChemicals销售的SOF-642。其用量为3—10％。
如上所述，必须将墨水体系的pH值保持为7.0—8.5，以避免产生氢气。因此，使用与水预混合的胺来调节和稳定pH值，以避免产生的氢气对铝薄片产生干扰作用。本发明使用由Pride Chemicals销售的约0.25—1.0重量％的三乙醇胺(99％)。也可以使用其它常用的胺如由Angus Chemicals销售的AMP-95。
最后要使用防腐剂，目的是防止在书写工具的长期贮藏过程中产生真菌和细菌。防腐剂的数量对本领域的技术熟练者来说是不难知道的。本发明中适用的防腐剂是来自ISP Polymers的Germaben II，其用量为1.0—3.0重量％。
下述一些实施例可用来说明采用简单芯吸型标记笔(图2)的此种墨水体系。
所有的数字都是重量百分数。
持久的红色金属墨水
蒸馏水 57.00
B.F.Goodrich GA1594 10.00
Pride Chemical Carbowax 400 5.00
Eckart Stapa Hydolac AW 15.00
Penn Color Acroverse Red 5123 10.50
ISP Polymers Germaben II 1.25
Pride Chemical 三乙醇胺99％ 0.25
Byk Chemie Byk 105 1.00
100.00
持久的蓝色金属墨水
蒸馏水 42.25
B.F.Goodrich GA1594 10.00
Pride Chemical Carbowax 400 5.00
Eckart Roto Vario RV5000 25.00
Heuback Heucosperse BS5525 15.00
ISP Polymers Germaben II 1.25
Pride Chemical 三乙醇胺99％ 0.50
Byk Chemie Byk 105 1.00
100.00
持久的绿色金属墨水
蒸馏水 50.25
S.C.Johnson Joncryl 537 11.00
Pride Chemical Carbowax 400 4.00
Eckart Roto Vario RV5008 20.00
Penn Color Acroverse Green 32G120 12.00
ISP Polymers Germaben II 1.25
Angus Chemical AMP-95 0.25
Byk Chemie Byk 105 1.25
100.00
持久的金色金属墨水
蒸馏水 44.50
S.C.Johnson Joncryl 537 10.00
Pride Chemical Carbowax 400 7.00
Heubach Heucosperse III YS5345 15.00
Eckhart Roto Vario RV5008 20.00
ISP Polymers Germaben II 2.00
Angus Chemical AMP-95 0.25
Byk Chemie Byk 105 1.25
100.00
用于黑色和白色蜜胺树脂、瓷器和所有无孔板上的半持久可湿擦的金属墨水
可湿擦的蓝色金属墨水
蒸馏水 63.75
Pride Chemical Carbowax 400 7.00
ISP Technologies PVP/VA630 2.00
Heubach Heucosperse 33S5528 10.00
Eckhart Roto Vario RV5008 15.00
ISP Technologies Germaben II 1.00
Angus Chemi cal AMP-95 0.25
Byk Chemie Byk 105 1.00
100.00
可湿擦的红色金属墨水
蒸馏水 67.75
Pride Chemical Carbowax 400 4.00
Penn Color Heucosperse Red 5123 15.00
ISP Technologies Germaben II 1.00
Eckart Roto Vario RV5308 10.00
Pride Chemical 三乙醇胺99％ 0.50
Byk Chemie Byk 105 0.75
ISP PVP/VA 670 1.00
100.00
总之，本发明涉及用于书写工具的金属化墨水体系，所述书写工具中装有紧密填充的聚酯纤维墨水储器和具有能让特定粒度的铝颜料(小于12微米)通过的通道的多孔聚酯取向纤维笔尖，所述笔尖与图2所示书写工具中的墨水储器接触，这种墨水体系在毛细管作用下工作。
尽管本发明已就一些具体的实例作了描述，但许多其它改变和改进以及其它用途对本领域的技术熟练者来说将是显而易见的。因此，本发明应不局限于本文所述的具体内容，仅受所附权利要求书的限制。