中性筆綠色設計研究**海南大學科研啟動基金項目（編號：kyqd1431）

貝廣霞，何　盛，劉世豪（.山東科技大學工程實訓中心，山東青島　66590；.海南大學機電工程學院，海南海口　5708）

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中性筆綠色設計研究**海南大學科研啟動基金項目（編號：kyqd1431）

貝廣霞1，何盛2，劉世豪2
（1.山東科技大學工程實訓中心，山東青島266590；2.海南大學機電工程學院，海南海口570228）

摘要：隨著中性筆的推廣，由此帶來的環境污染問題也日益嚴重，“中性筆污染”已經成為繼塑料袋之后的又一大白色污染。在分析廢棄中性筆各零部件對環境所帶來的影響及危害的基礎上，從中性筆本身的設計結構出發，提出了中性筆的綠色設計方案。通過對中性筆芯結構的改進，使筆桿和筆頭的連接為密封螺紋連接，大大延長了中性筆芯的使用壽命，達到節能減排，保護環境的目的。

關鍵詞：中性筆；螺紋連接；注墨墨水瓶；環境保護；綠色設計

0　引言

中性筆是指書寫介質的粘度介于水性和油性之間的一類圓珠筆。中性筆起源于日本，1988年，日本PENTEL株式會社研制出了一種粘度介于圓珠筆油墨和鋼筆油墨之間的新型墨水，將其灌入圓珠筆中取名中性筆[1-2]。由于中性筆兼具了圓珠筆和鋼筆的優點，已經成功地取代了水性圓珠筆和鋼筆，成為了用戶首選的書寫工具。然而，由于中性筆是一次性使用的的，在內裝墨水用完后后就會被丟棄，廢棄中性筆在自然環境下難以降解，對環境造成了極大的污染。而且制作中性筆的原料是塑料和金屬，這些都是可循環利用的材料，中性筆的大量丟棄帶來了嚴重的環境污染問題。

為了解決中性筆對環境的污染問題，國內有不少的研究機構和學者對此做過研究，并提出了諸如減少中性筆的使用、建議政府出臺相關措施、使用可降解塑料制作中性筆等建議，也有一些相關發明專利試圖改變中性筆結構來延長中性筆的壽命，但是由于這些建議或者發明的可操作性以及實用性不是很好，因此并沒有得到推廣。目前國內現有文獻尚未對中性筆的污染現象及其改進措施進行系統和全面的論述，本文對中性筆的組成進行了詳細研究，介紹了其各零部件對環境造成的影響，并對中性筆難回收問題進行了探討與原因分析，以延長筆芯使用壽命為理念，提出了一種筆芯結構的綠色設計方案，能有效地解決中性筆對環境的污染問題。

1　中性筆的使用現狀分析

中性筆在國內的應用范圍是極其廣泛的，從中性筆進入國內市場開始，其就以方便、流暢等書寫特點逐漸的占領了文具市場，并最終成功的取代了鋼筆、圓珠筆等傳統書寫工具，成為用筆人士的首選。有人曾對中性筆市場做過調研[3]，圖1是分別是2004-2010年中性筆產量與銷量的走勢圖。

圖1　中性筆產量與銷量

由圖1可看出，我國中性筆的產量和銷量逐年上升，到2010年就已經達到150億支。而且我國是一個擁有十幾億人口的大國，自然也是中性筆的用筆大國，中性筆在我國的使用量是非常大的[4]。

中性筆筆芯由塑料筆桿和金屬筆頭組成，這些均可以再次回收利用，但是目前在國內對于中性筆芯的處理還是處于一種用完即扔狀況。資料[3]的調研數據（見圖2）表明，有85%以上的中性筆在使用完后都是直接被丟棄的，由此帶來了潛在的環境污染問題。

圖2　中性筆使用完后的處理方式

2　廢棄中性筆對環境的危害

制作中性筆筆桿的原料主要是均以耐老化、抗腐蝕著稱的聚苯乙烯或者改良的聚苯乙烯塑料。聚苯乙烯俗稱“硬膠”，是一種無定形高聚物，能溶于笨、甲苯及一些脂類等有機物，受陽光長時間照射會變色，但在自然條件下是無法通過生物分解和光分解降解[3]。聚苯乙烯的密度較低，容易漂浮在水面或者隨風飄散，當水生生物誤食此類塑料后，其消化系統會受到很大的傷害。改良的聚苯乙烯也有著類似于聚苯乙烯的性質。隨意丟棄的塑料筆桿，在自然環境很難自行降解，而且在焚燒后會產生大量的一氧化碳、氯化物等有害氣體，對生態環境和人體都會造成很大危害[7]。

中性筆的筆頭由球珠和球座組成，常用的球座材料有不銹鋼、鎳白銅和鉛黃銅等，尤其是鉛黃銅以其低成本優勢占了絕大多數。常用來制作球珠的材料有不銹鋼、碳化鎢、氧化鋯和氧化鋁等[6]。隨著筆芯的隨意丟棄，重金屬污染也悄悄的潛入了人們的生活。其中鉛就是一個重大的污染物，鉛是一種嚴重危害人類健康的重金屬，它能夠與動物體內的一系列蛋白質、氨基酸等官能團結合，干擾生物體的生理功能，影響神經、造血、消化、生殖和免疫體統，尤其是嚴重傷害神經系統。隨意丟棄的筆頭在大自然的條件下會釋放出重金屬離子，污染生態環境，隨著食物鏈的逐漸傳遞，最終會進入到人體中，進而危害人體健康[8]。

3　中性筆芯綠色設計

3.1綠色設計理念與技術

綠色設計也稱生命周期設計或者生態設計，是指在產品的整個生命周期內著重考慮產品的環境屬性，并將其作為設計目標，在滿足產品的環境目標的同時，保證產品應有的功能、經濟、質量和使用壽命的等要求[9]。綠色設計主要包括產品的材料選擇設計、包裝方案設計、可回收性設計設計和可拆卸性設計四個方面的內容，它包含了產品從概念的形成到生產制造再到使用直至廢棄后的回收處理等各個階段，即涉及了產品從搖籃開始的整個生命周期[9-11]。綠色設計以傳統設計為設計基礎，在結合了先進技術、考慮到經濟性的基礎上，將環境屬性作為目標對傳統設計的一種補充和完善，其設計流程如圖3所示。

圖3　綠色設計流程

3.2中性筆筆芯綠色設計

為了減少中性筆芯的浪費和污染，本文根據綠色設計方法，通過對影響筆芯壽命的原因的分析，發現筆芯的筆桿與筆頭的連接方式是其最大的影響因素。因此，本文通過可拆卸式設計原則對筆芯進行了綠色設計和結構改進。

3.2.1設計原理

筆芯總共分為金屬筆頭和塑料筆桿兩部分，筆頭又包括了滾球、球座、筆尖套和引水纖維四部分。每一支筆芯的筆桿內所容納的墨水是有限的，通常只有300 m的書寫長度，筆芯最終會隨著內裝墨水的耗盡而被丟棄。因此為了延長筆芯的使用壽命，可以對將用完的筆芯再次注墨后使用。由于筆桿的上端部有密封油，要是從筆桿的上端部注墨必然會將密封油壓入筆桿下端部而堵塞出墨口。因此，需要從筆桿的下端部為筆桿注墨，即把用完的筆芯的筆頭和筆桿拆開，然后從兩者的連接部位將墨水注入。

本文從方便筆頭和筆桿拆卸的角度出發，對筆頭和筆桿的連接方式進行了重新設計，將兩者設計成可拆卸式的螺紋連接，使兩者實現真正的獨立。為了保證對筆桿內墨水的密封性能和對筆桿注墨后的清潔要求，對筆桿和筆頭這兩者的相互位置關系和相對尺寸也進行了改進設計。

3.2.2筆芯的設計結構

筆芯的結構如圖4，筆桿和筆頭的連接為密封螺紋連接，并且為了進一步保證兩者連接處的密封性能，在筆桿與筆頭連接的部分將筆桿的尺寸縮小，使筆桿內套在筆頭中。該筆芯在筆桿與筆頭連接部分的外表面上有圓柱管螺紋，并在筆頭與之配合的內表面有同樣的螺紋，兩者通過密封螺紋緊密連接在一起。

由于筆芯還需要套在筆套中才利于書寫，考慮到經濟性，為了盡可能少的改變現有的筆套生產模具，并且使筆的尺寸能符合人機工程學原理，參考市場上中性筆筆芯及筆套的尺寸對筆芯的尺寸進行了改進設計，使其在滿足所設計的結構的同時又能滿足上述兩個條件。

3.2.3筆芯的三維模型

為了更加直觀的表達本設計，本文采用三維參數化設計軟件進行實體建模，建立了筆芯的裝配圖，其效果如圖5所示。通過對筆頭與筆桿的連接方式的改進設計，使筆桿和筆頭成為完全獨立的兩部分，不僅滿足綠色設計中的可拆卸設計原則，而且由于延長了筆芯的使用壽命，減少了筆芯更新換代的速度，達到了節約資源的目的。

圖5　筆芯裝配圖

3.3注墨墨水瓶的綠色設計

中性筆筆芯不同于鋼筆，由于沒有自吸功能，因此為了給中性筆芯注墨，就必須設計一個輔助的注墨器。考慮到注墨的方便性和經濟性，單獨設計一個注墨器是不現實的，因此，本設計采用了注墨器和墨水瓶一體設計的辦法。根據綠色設計的設計方法，為了減少注墨墨水瓶的跟換速度，使注墨墨水瓶有著足夠長的生命周期，并且考慮到產品的生產制造工藝性，注墨器和瓶身都選擇強度高、使用壽命長且易于實現注塑成型的HDPE（高密度聚乙烯）。注墨墨水瓶的注墨器和瓶身通過密封螺紋連接，不僅可以實現兩者的模塊化生產而且當瓶內的墨水用完后可以將瓶回收加工處理后再次添墨，減少了對于原材料的消耗，符合可拆卸式設計和綠色回收設計原則。

3.3.1注墨機構

為了縮短產品的設計周期，采用聯想創新設計方法來設計注墨機構。通過研究，發現洗發水有著和墨水類似的性質，因此借鑒洗發水瓶的出液方式，通過對幾種出液方式的認真研究和對比，最終選擇了按壓式噴嘴結構[12]作為注墨機構，其結構圖如圖6。注墨機構主要由導液管、進液閥門、彈簧、排氣閥門、活塞、出液管、儲液筒等組成。它的工作原理和活塞式抽水機原理相同，即利用活塞的移動來排出儲液筒里的空氣，造成內外氣壓差，而使液體在氣壓作用下上升從出液管里排出管外。

圖6　按壓式噴嘴注墨機構

3.3.2注墨墨水瓶的總體結構及工作原理

注墨墨水瓶由墨水瓶和注墨機構兩部分構成，墨水瓶為普通的圓柱體結構，而注墨機構則采用按壓式噴嘴結構，具體結構如圖7。當用手向下壓出液管時，儲液管內的彈簧被壓縮，使得進液閥門（圓形的塑料球）向下關閉，同時由于活塞向下移動，而此時排氣閥門（活塞下面的小孔）被打開，儲液管里的墨水從出液管流出管外；當用松開時，彈簧恢復原來的自然狀態，使得活塞向上移動，排氣閥門關閉，進液閥門打開，在外界大氣壓的作用下，墨水從導液管通過進液閥門進入到儲液管內。這樣通過活塞在圓筒中運動，將墨水壓出。

注墨機構的出墨口采用如圖7所示的尖嘴結構，尖嘴小端直徑小于筆桿的內徑，而尖嘴的大端直徑則大于筆桿的內徑，注墨時將筆芯的筆頭旋下，再將尖嘴插入到筆桿的內孔中，并通過尖嘴的大端給筆桿定位，使注墨機構的出墨口不會深入太多到筆桿中按壓手柄，即可實施注墨動作，當筆桿注滿墨水時，放松手柄，同時拔掉筆桿，由于瓶內氣壓下降，出墨口中的墨水將會自動流回瓶內而不會造成泄露，再將筆頭旋上即可完成注墨。

3.3.3注墨墨水瓶的三維模型

為了更加直觀的表達注墨墨水瓶的結構，本文采用三維參數化設計軟件對注墨墨水瓶進行了實體建模，建立了注墨墨水瓶的裝配圖，如圖8所示。

注墨墨水瓶是采用組合機構創新的設計方法設計的，注墨器和瓶身都有著非常成熟的生產工藝，因此易于實現生產制造。該墨水瓶一次能儲存40 ml的墨水，可為筆芯注墨30多次，即相對于目前的一次性使用的中性筆來說，在不考慮筆頭意外損壞的情況下，可減少30支筆芯的使用，這對于減少原材料的消耗及減少環境污染都是很有意義的。

圖7　墨水瓶結構圖

圖8　注墨墨水瓶實體模型圖

4　結語

本文對中性筆的組成進行了詳細分析，介紹了其各零部件對環境造成的影響，并對中性筆難回收問題進行了探討與原因分析，根據綠色設計的理念與方法，提出了一種筆芯結構的改進設計方案，將筆桿與筆頭的連接設計為螺紋連接，使兩者成為可拆卸連接，方便了筆芯的再次注墨使用和對損壞筆頭的更換，從而延長了筆芯的壽命周期，減少了材料的消耗。按照綠色回收和可拆卸式設計原則，設計了一種配套的中性筆注墨墨水瓶，采用注墨器和墨水瓶一體化的設計，極大地方便了注墨，而且注墨器與墨水瓶也采用密封螺紋連接，可多次重復使用，這對保護生態環境具有積極的促進作用。

參考文獻：

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(編輯：阮毅)

Green Design Study of Gel Pen

BEI Guang-xia1，HE Sheng2，LIU Shi-hao2
（1. Engineering Training Center，Shan dong University of Science and Technology，Qingdao266590，China；2. College of the Mechanical and Electrical Engineering，Hainan University，Haikou570228，China）

Abstract:The problems of environmental pollution are increasingly serious with the widely use of Gel Pen，Gel Pen pollution has become a large white pollution as the same as the plastic bag . This paper analyzes the effects of various component and harm on environment of the abandoned Gel Pen，focusing on the structure of Gel pen，the research proposed a green design method . Through the redesign for the structure of Gel Pen，it is convenient to fill ink into the pen and to replace the damaged pen tip，which can extend the life of Gel Pen，reduce the waste of resources and environmental pollution，and realize the purpose of environmental protection.

Key words:gel pen；thread connection；ink injection bottle；environmental protection；green design

作者簡介：第一貝廣霞，女，1977年生，山東泰安人，碩士，實驗師。研究領域：機械產品結構設計。已發表論文4篇。

收稿日期：2015－07－08

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 012

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 ( 2015 ) 11－0043－04