一種可加墨式水性筆的研發

田宇哲 張寅初 方詩圣 段國健

摘? 要：我國使用筆的人群基數龐大，其中八成以上的人群使用的都是水性筆，水性筆在我們的日常生活中非常常見，水性筆沒有刺鼻氣味，筆尖不會干燥，水性筆能夠抵抗時間的流逝和陽光的照射，但是遇到水會暈開，摔過之后會發生“斷油”的情況。水性筆的主要特征是圓珠型的筆尖和以免再吸墨水的筆芯，使用起來方便便捷，書寫流暢。水性筆的主要溶劑是水，日常生活中我們常見的水性筆包括：鋼珠筆、簽字筆、熒光筆等。除了學校產生的廢氣的水性筆，還有企業、單位產生的廢棄筆難以完成回收的工作，為了促進國家的節能減排，走可持續發展的道路，我們研發了可加墨式的水性筆。本文對于可加墨式的水性筆進行研究，希望能夠促進制筆業的發展。

關鍵詞：墨水式? 水性筆? 日常生活? 研發

中圖分類號：TE624.82. ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（a）-0093-03

Abstract： The number of people who use pens in China is huge， and more than 80% of them use water-based pens. Water-based pens are very common in our daily life. Water-based pens have no pungent smell， and their tips will not be dry. Water-based pens can resist the passage of time and sunlight， but when they encounter water， they will be dizzy and will break oil after falling. The main features of the water-based pen are the ball tip and the refill to avoid re ink absorption. It is convenient to use and smooth to write. The main solvent of water-based pen is water. The common water-based pen in our daily life includes： ball pen， signature pen， fluorescent pen， etc. In addition to the water-based pens produced by schools， there are also waste pens produced by enterprises and units that are difficult to complete the recycling work. In order to promote national energy conservation and emission reduction， and take the road of sustainable development， we have developed ink-free water-based pens. In this paper， ink can be added to the water-based pen research， hoping to promote the development of the pen industry.

Key Words： Ink; Water pen; Daily life; Research and development

1? 加墨式水性筆的優勢

水性筆的結構簡單，攜帶方便，水性筆使用的是干稠性油墨，油墨通過筆珠的旋轉帶出到紙上，所以不會產生泄漏，不會受到環境影響。水性筆會比鋼筆更為堅固，由于油墨的使用情況要少于鋼筆;水性筆會比鉛筆的保存時間會更長，不會因為溫度、日曬的因素而消失。相比于油筆，水性筆寫出來的字會比油筆漂亮，提高人們控筆的穩定性[2]。

加墨式水性筆的研發促進了我國對于環境節約的可持續發展。一般的水性筆的筆芯可以分為國產筆芯和進口筆芯，國產筆芯大概可以寫8000字左右;進口筆芯可以寫25000字左右。用過的筆殼就會被廢棄，而且由于水性筆各種原因的故障，出現的書寫問題，也會導致水性筆的廢棄。據統計，我國每年需要處理的水性筆的垃圾將近2000萬支，水性筆的油墨是化學作物不容易被分解，還會造成土地的污染;水性筆的外殼大部分都是塑料制品，塑料制品埋在地下需要100～200年才能夠降解，嚴重危害人民的生活環境[3]。現在我們有能力研發可加墨式的水性筆，這種可加墨式的水性筆能夠促進我國經濟的發展，向國外進行出口，促進我國制造業的發展。

2? 可加墨式水性筆的制作原理

我們可以將加墨點設置在筆的末端，這和普通的水性筆相比，一方面可以增加儲墨量，提高水性筆的使用時間;另一方面，避免了水性筆的筆尖漏墨問題，提高水性筆的質量。

（1）在筆的末端安裝一個儲墨管，直徑大約在15mm左右，略略地大于筆桿，方便我們對水性筆進行加墨。

（2）筆桿的直徑控制在13mm左右，在一端安裝有帶孔的橡膠塞，橡膠塞放置在儲墨管內部。

（3）筆桿里面安裝氣壓裝置，實現對于墨水的控制，結構類似于普通水性筆，為墨水提供緩存場所，調節墨水流出速度，從而使筆供墨穩定。

（4）氣壓裝置由毛細鰭片結構和纖維引墨芯組成。纖維引墨芯位于鰭片管內部小孔中，能夠將墨水順利地引導到筆尖。上密下疏的多層鰭片結構，不僅能夠緩存墨水，還能保證了墨水不會泄漏。更重要的是能夠調節壓強，確保油墨使用的順暢。

（5）筆尖可以做成針管式或者子彈頭式，大大增加了書寫的舒適度。

對于加墨的裝置，首先，擰開末端存儲油墨的墨管蓋子，將筆末端伸入墨水中，拉動筆桿，利用筆桿的伸縮，帶動橡膠塞。橡膠塞的運動導致尾部儲墨管內部的壓強變小，內部的壓強小于大氣壓強，從而形成負壓。根據流體力學中的伯努利方程，油墨會在大氣壓力的作用下，通過筆末端的小孔流入儲墨管。在使用時，儲墨管中墨水順著纖維引墨芯流到筆頭，在筆頭走珠的滾動下，進行書寫。可加墨式水性筆的概念圖，如圖1所示。

3? 加墨式水性筆的優點

加墨式水性筆的加墨方式簡單，書寫方便，能夠重復加墨，加墨的流量較大，加墨的過程方便，不會弄得到處都是，不會弄臟手，也不需要像鋼筆那樣加墨后需要紙巾進行擦拭。既能夠實現水筆能重復加墨優點，又有中性筆不漏墨的優點。制造的工藝簡單，制造成本低。加一次油墨的毫升數量相當于普通中性筆筆芯5支的油墨量，致使書寫字數量是普通水性筆的5倍左右。

與市場上鋼筆的墨囊相比，由于儲墨管直徑大于筆桿，我們的可加墨式水性筆的蓄墨體積大大增加。同時將加墨點設置在末端，書寫時開口朝上，并且有小筆帽封住開口，這樣就解決了普通鋼筆容易漏墨的難題，做到了兩全其美。

在不良環境下，比如水下、高空中，或者筆尖朝上書寫時，由于氣壓等因素的影響，會導致普通水性筆和鋼筆無法出水。這時，可以將我們的可加墨式水性筆的推桿改為螺旋式前進，當無法順利書寫時，通過旋轉筆桿，強制減小儲墨管體積、增大壓強，根據理想氣體狀態方程，減小了體積，在密封和環境溫度不變的情況下，儲墨管的壓強會增加，進而使得這種筆在不良環境下正常出水，增加了筆的適用性。

4? 結語

中國是一個制筆大國，對于筆的消耗也很大，但是使用的各種筆的核心技術，也就是筆的墨水，完全依賴于進口，特別是帶有顏色的墨水。這項核心技術被德國和日本所壟斷，我國正在研發水性筆的墨水技術，這項技術的研發能夠影響我國的制筆強國的進程。本文對于這項技術的研發進行論述，希望能夠促進我國早日成為制筆強國。

參考文獻

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