一种可加墨式水性笔的研发

田宇哲 张寅初 方诗圣 段国健

摘  要：我国使用笔的人群基数庞大，其中八成以上的人群使用的都是水性笔，水性笔在我们的日常生活中非常常见，水性笔没有刺鼻气味，笔尖不会干燥，水性笔能够抵抗时间的流逝和阳光的照射，但是遇到水会晕开，摔过之后会发生“断油”的情况。水性笔的主要特征是圆珠型的笔尖和以免再吸墨水的笔芯，使用起来方便便捷，书写流畅。水性笔的主要溶剂是水，日常生活中我们常见的水性笔包括：钢珠笔、签字笔、荧光笔等。除了学校产生的废气的水性笔，还有企业、单位产生的废弃笔难以完成回收的工作，为了促进国家的节能减排，走可持续发展的道路，我们研发了可加墨式的水性笔。本文对于可加墨式的水性笔进行研究，希望能够促进制笔业的发展。

关键词：墨水式  水性笔  日常生活  研发

中图分类号：TE624.82.           文献标识码：A 文章编号：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  加墨式水性筆的优势

水性笔的结构简单，携带方便，水性笔使用的是干稠性油墨，油墨通过笔珠的旋转带出到纸上，所以不会产生泄漏，不会受到环境影响。水性笔会比钢笔更为坚固，由于油墨的使用情况要少于钢笔;水性笔会比铅笔的保存时间会更长，不会因为温度、日晒的因素而消失。相比于油笔，水性笔写出来的字会比油笔漂亮，提高人们控笔的稳定性[2]。

加墨式水性笔的研发促进了我国对于环境节约的可持续发展。一般的水性笔的笔芯可以分为国产笔芯和进口笔芯，国产笔芯大概可以写8000字左右;进口笔芯可以写25000字左右。用过的笔壳就会被废弃，而且由于水性笔各种原因的故障，出现的书写问题，也会导致水性笔的废弃。据统计，我国每年需要处理的水性笔的垃圾将近2000万支，水性笔的油墨是化学作物不容易被分解，还会造成土地的污染;水性笔的外壳大部分都是塑料制品，塑料制品埋在地下需要100～200年才能够降解，严重危害人民的生活环境[3]。现在我们有能力研发可加墨式的水性笔，这种可加墨式的水性笔能够促进我国经济的发展，向国外进行出口，促进我国制造业的发展。

2  可加墨式水性笔的制作原理

我们可以将加墨点设置在笔的末端，这和普通的水性笔相比，一方面可以增加储墨量，提高水性笔的使用时间;另一方面，避免了水性笔的笔尖漏墨问题，提高水性笔的质量。

（1）在笔的末端安装一个储墨管，直径大约在15mm左右，略略地大于笔杆，方便我们对水性笔进行加墨。

（2）笔杆的直径控制在13mm左右，在一端安装有带孔的橡胶塞，橡胶塞放置在储墨管内部。

（3）笔杆里面安装气压装置，实现对于墨水的控制，结构类似于普通水性笔，为墨水提供缓存场所，调节墨水流出速度，从而使笔供墨稳定。

（4）气压装置由毛细鳍片结构和纤维引墨芯组成。纤维引墨芯位于鳍片管内部小孔中，能够将墨水顺利地引导到笔尖。上密下疏的多层鳍片结构，不仅能够缓存墨水，还能保证了墨水不会泄漏。更重要的是能够调节压强，确保油墨使用的顺畅。

（5）笔尖可以做成针管式或者子弹头式，大大增加了书写的舒适度。

对于加墨的装置，首先，拧开末端存储油墨的墨管盖子，将笔末端伸入墨水中，拉动笔杆，利用笔杆的伸缩，带动橡胶塞。橡胶塞的运动导致尾部储墨管内部的压强变小，内部的压强小于大气压强，从而形成负压。根据流体力学中的伯努利方程，油墨会在大气压力的作用下，通过笔末端的小孔流入储墨管。在使用时，储墨管中墨水顺着纤维引墨芯流到笔头，在笔头走珠的滚动下，进行书写。可加墨式水性笔的概念图，如图1所示。

3  加墨式水性笔的优点

加墨式水性笔的加墨方式简单，书写方便，能够重复加墨，加墨的流量较大，加墨的过程方便，不会弄得到处都是，不会弄脏手，也不需要像钢笔那样加墨后需要纸巾进行擦拭。既能够实现水笔能重复加墨优点，又有中性笔不漏墨的优点。制造的工艺简单，制造成本低。加一次油墨的毫升数量相当于普通中性笔笔芯5支的油墨量，致使书写字数量是普通水性笔的5倍左右。

与市场上钢笔的墨囊相比，由于储墨管直径大于笔杆，我们的可加墨式水性笔的蓄墨体积大大增加。同时将加墨点设置在末端，书写时开口朝上，并且有小笔帽封住开口，这样就解决了普通钢笔容易漏墨的难题，做到了两全其美。

在不良环境下，比如水下、高空中，或者笔尖朝上书写时，由于气压等因素的影响，会导致普通水性笔和钢笔无法出水。这时，可以将我们的可加墨式水性笔的推杆改为螺旋式前进，当无法顺利书写时，通过旋转笔杆，强制减小储墨管体积、增大压强，根据理想气体状态方程，减小了体积，在密封和环境温度不变的情况下，储墨管的压强会增加，进而使得这种笔在不良环境下正常出水，增加了笔的适用性。

4  结语

中国是一个制笔大国，对于笔的消耗也很大，但是使用的各种笔的核心技术，也就是笔的墨水，完全依赖于进口，特别是带有颜色的墨水。这项核心技术被德国和日本所垄断，我国正在研发水性笔的墨水技术，这项技术的研发能够影响我国的制笔强国的进程。本文对于这项技术的研发进行论述，希望能够促进我国早日成为制笔强国。

参考文献

[1] 张文，史志峰.基于可持续利用的中性笔笔芯设计[J].科技创新与应用，2019（19）：44-45.

[2] 张新毅.中性墨水配方设计及性能评价[D].太原：太原理工大学，2019.

[3] 一种笔头和笔管分离的碳素笔笔芯[J].科技资讯，2016，14（1）：187.

[4] 何湘宁，刘琛.我国发展循环经济的思考——从生活中两个现象说起[J].中外企业家，2018（28）：52.

[5] 郭东东，吕荫妮，张海鹏.黑色水性笔、中性筆墨迹中溶剂成分的GC分析[J].福建分析测试，2015，24（4）：48-52.

[6] 肖英林.鸡距笔笔头制作工艺研究[J].科技资讯，2020，18（11）：251，253.

[7] 赵鹏程，王彦吉.光二极管阵列检测毛细管电泳法分析滚珠水性笔墨水[J].光谱学与光谱分析，2009，29（4）：1028-1031.

[8] 张清华，徐彻，孙其然，等.基于气相色谱质谱法的不同极性圆珠笔墨迹的比较分析[J].中国司法鉴定，2015（2）：46-49.