直液式水性圆珠笔储水器功能分析

姚鹤忠

上海制笔技术服务有限公司 上海 201615

一、前言

近年来，直液式水性墨水圆珠笔的产量与销售呈明显上升的趋势，特别是墨水颜色由传统的黑、蓝、红发展为近二十种彩色墨水（见图1），颜料型墨水的工艺技术日趋成熟，价格又大幅下降，进一步扩大了直液式水性墨水圆珠笔的消费群体。因为嗅到了商机，许多从未接触过直液式水性墨水圆珠笔的企业，纷纷加入了竞争行列，通过购买零部件、墨水和自动装配机，大规模生产直液式水性墨水圆珠笔。这对于直液式水性墨水圆珠笔来说真不知道是喜还是忧。

图1 彩色的直液式水性墨水圆珠笔

二、发展历史

直液式水性墨水圆珠笔来源于自来水笔，自从圆珠笔发明后人们就一直设想能否将自来水笔换个笔头就可以成为水性墨水圆珠笔。于是有人设想在自来水笔结构的基础上，将引水芯的材料由硬的（热固性材料或热塑性材料）改为软的（化学纤维），引水芯直接插入圆珠笔头内，在笔颈靠近笔头处侧向打孔，与笔颈内的储水器联通，作为回气以及吸墨水的通路。

美国专利US2511561《PEN POINT》（见图2）设想将钢笔笔尖前端的铱粒改为可以转动的球珠，采用普通水性墨水，但是，市场上并没有见到类似的产品出现。美国专利US2620773《WRITING INSTRUMENT》（见图3）还提出了一种设想，将传统的自来水笔的笔头部分改为一头是钢笔尖，一头是圆珠笔头，可以交替变换使用。这种想法是不错，但是最终亦未能成为规模化生产的产品。

图2 美国专利US2511561

图3 美国专利US2620773

上海圆珠笔厂在上世纪60年代末研发成功英雄691 水性圆珠笔（见图4），笔头采用镍白铜材料加工，中间的引水芯为尼龙纤维粘结而成，其他结构与自来水笔一样，用软性橡皮管吸入墨水。这种产品存在先天的缺陷，墨水就是普通的自来水笔墨水，并不适合圆珠笔书写（润滑性和耐腐蚀性不够）；在吸入墨水时容易将杂质一并吸入，堵塞出墨通路，经常需要拆开清洗；由于笔头可以拔下清洗或更换，因此笔头与引水芯的配合不佳，随机性很大，影响书写出墨；储水器部分适用于自来水笔，对于水性圆珠笔来说并不是很适合。作为直液式水性墨水圆珠笔的先驱，这种产品投入了批量生产和销售，但是由于技术工艺的成熟度不够，仅存在了三年时间，生产了500 多万支就宣告终结。图5是该产品的一份颇具历史痕迹的产品说明书。

图4 英雄691 水性圆珠笔

图5 英雄691 水性圆珠笔产品说明书

据初步检索，上世纪50～60年代开始，美国派克公司申请了一系列与水性墨水圆珠笔相关的专利。其中US3961555（见图6）提出了将墨水直接灌装在笔杆（墨水仓）内部，可以有更大的容量；从自来水笔的笔舌及储水系统借鉴而来的直液式储水器结构应用于圆珠笔，可以吸收因大气压力变化而引起的过量墨水并防止泄漏[1]，标志着与目前市场上结构原理基本相似的直液式水性墨水圆珠笔开始出现。之后，德国的施密特（Schmidt）、施德楼（STAEDTLER）、红环(Rotring)、法国比克(BIC)、日本的百乐（PILOT）、三菱（UNI）、派通（Pentel）等均申请了相关专利[2-8]，并开始生产和销售直液式水性墨水圆珠笔。

图6 美国专利US3951555

三、储水器功能的分析

直液式水性墨水圆珠笔的主体通常由笔头、引水芯、连接、储水器、墨水和笔杆（墨水仓）等组成（见图7）。引水芯装入笔头并被固定，然后插入连接（亦可以直接插入储水器），再一并装入储水器成为储水器组件；在笔杆内灌注墨水后，储水器组件再装入笔杆内；在笔杆口部或者储水器与连接配合处，设有排气的小孔。

图7 直液式水性墨水圆珠笔结构示意图

（一）储水器结构

储水器作为直液式水性墨水圆珠笔的核心零部件之一，是一个有出水槽、排气槽和储水环槽，具有出水、储水、调节功能的零件[9]（见图8）。

图8 储水器

储水器的设计依据来源于自来水笔的笔舌和储水器的“层层吸引”“节节控制”的毛细引力原理。通常情况下，储水器由3～4 段储墨环槽组成，每一段储墨环槽数量不等，多的可以有10 多片，少的只有4～5 片；环槽的间隔尺寸由密变疏，即靠近墨水仓处的第一段环槽的间隔尺寸最小，依次向笔头方向逐段变大。储水器中间有中心孔，可以放置引水芯；外面分别有一条窄缝和一条宽槽相隔180°对称分布。

不同于早期自来水笔的储水器是采用热塑性或热固性塑料的棒料，经机械切割加工而成。直液式水性墨水圆珠笔的储水器结构更为复杂精细，必须通过制造注塑成型模具，采用热塑性塑料注塑成型加工而成。为了保证表面的亲水性能，还需要用化学方法进行亲水性的处理。

（二）工作原理

直液式水性墨水圆珠笔必须具备两个通路，即供墨通路（书写出墨）和回气通路（气液交换）；同时保持内外部压力的平衡，即P1=P2。

供墨通路由引水芯（纤维和塑料）与储水器的中心孔组成，储水器的中心孔设有台阶，即靠近墨水仓处一段与引水芯紧密配合，其余的与引水芯之间有一定的间隙。供墨通路主要依靠引水芯的毛细孔的毛细引力作用，以及墨水的自重作用力将墨水引向笔头，通常由引水芯的气孔率来决定。毛细引力太小，则吸引墨水不够，尤其是当外部压力大于内部压力时，墨水会向墨水仓内收缩，容易将引水芯内的墨水同时吸走；毛细引力太大，可能使引水芯与储水器的中心孔之间的间隙充满墨水，容易使笔头渗墨，特别是当外部压力小于内部压力或者受到冲击时，笔头处会容易漏墨。

回气通路（气液交换）比较复杂，通常在储水器上设置一条窄缝——回气槽（见图9）。这条窄缝贯穿所有储墨环槽，一头与墨水仓联通，另一头迂回曲折通过排气孔与外部联通；正常情况下，会有少量墨水进入这条窄缝以及靠近墨水仓处的几条储墨环槽内，由于表面张力的作用墨水会形成弯月面向墨水仓内收缩，不会再向笔头方向扩散，相当于墨水的水膜将窄缝封闭。

图9 储水器的回气槽

在储水器上与窄缝相对应的另一边设有一条宽槽（见图10）。这条宽槽贯穿所有储墨环槽，一头通过排气孔与外部连通，另一头则被封闭，宽槽通过储墨槽的空间与窄缝联通；外部空气通过这条宽槽在储墨环槽处与墨水交汇，当P1＜P2时，外部空气会通过宽槽推动储墨环槽内的墨水，通过窄缝向墨水仓内回流，空气得以细小气泡形式通过窄缝进入墨水仓内，实现气液交换，平衡内外部压力。在平衡状态下，此处是不会产生气液交换的。

图10 储水器上的窄缝与宽槽

当书写时，墨水会因为引水芯的毛细引力和墨水自重的作用力被引出笔头外，从而打破平衡，使墨水通过供墨通路源源不断地流出，并随着流出墨水的增加而使墨水仓内部压力P1下降，即P1＜P2。此时，必须要有外部的空气通过回气通路回流进入墨水仓内部，以减缓内部压力P1的下降，否则，当内部压力P1下降到足以抵消引水芯的毛细引力和墨水的自重力时，墨水就不会从供墨通路流出，也就无法书写了。

当因为温度升高，使得墨水仓内的墨水和空气膨胀而使墨水仓内部压力P1上升，或者因为外部出现负压使外部压力P2下降时，即P1＞P2，此时平衡亦被打破，墨水和空气会通过储水器的窄缝和引水芯中心孔向外涌出。由于引水芯的毛细孔很小阻力较大，涌出的墨水基本通过窄缝流出，并被相邻的储墨环槽层层吸入，直至内外部压力的达到平衡为止；如果此时排出的墨水量超过储水器的储墨环槽所能吸附储存的量，则墨水就会涌入储水器的宽槽，通过排气孔流到笔的外部。如果因为设计不合理（例如窄缝太小）或者加工制造不良（例如储水器表面处理不到位），使回气通路不足以应付突发状况，压力如果传递到供墨通路，则墨水亦会从笔头的间隙处滴漏到笔的外部。

还有一种比较极端的情况，即温度反复升降（运输时昼夜温差），或者气压反复升降（空运时），从理论上计算是可以实现流出多少墨水也能吸回多少墨水。但是实际上由于设计的缺陷，特别是加工精度的误差，以及各材料、部件之间配合的问题，基本上是流出多吸回少，如此反复，于是在储水器的储墨环槽内墨水会越积越多，最终墨水会进入宽槽从排气孔处漏到笔的外面。

（三）功能的分析

直液式水性墨水圆珠笔的储水器主要功能为两个方面，即储存墨水和气液交换，保持内外压力平衡。

1.储存墨水

以直液式水性墨水圆珠笔书写划线的每百米平均出墨量为150～180mg 来计算，要达到1000m 划线长度，在笔杆的墨水仓内至少要灌注墨水1.8g 以上，同时还要留有至少150～200mm3的空间。

假设以20℃为日常温度，运输中最高温度可达60℃，根据液体的体积膨胀计算公式（1）和气体的体积膨胀计算公式（2），墨水以水的平均膨胀系数β 为0.0003825/℃，空气平均膨胀系数γ 为0.003676/℃，可以计算出墨水仓内部的墨水和空气因温度升高膨胀而增加的墨水量。

液体体积膨胀计算公式：

式中：

V1——墨水原来的体积

V2——膨胀后墨水的体积

β——液体膨胀系数

t1——日常温度

t2——升高后的温度

V2=1800［1+0.0003825 (60－20)］=1827.54mm3；

则膨胀后墨水体积增加了约1.53%。

气体体积膨胀计算公式：

式中：

V3——原来的空间体积

V4——膨胀后的空间体积

γ——空气膨胀系数

t1——日常温度

t2——升高后的温度

V4=200［1+0.003676 (60－20)］=229.408mm3；

则膨胀后空间体积增加了约14.7%。

该直液式水性墨水圆珠笔的墨水仓内部的墨水和空气因温度升高膨胀而需要排出的墨水量约为56.948mg，占墨水总量的比例为3.16%。

在实际使用中，当墨水量减少到一定程度（例如50%）时，墨水仓内空气体积占比大于墨水体积，此时因温度升高膨胀而需要排出的墨水量将大为增加。

假设使用后的墨水体积为 V11=900mm3，空气体积V31=1100mm3，如果温度从20℃升至60℃，根据公式（1）和（2）可得到：

V21=900［1+0.0003825 (60－20)］=913.77mm3；

则膨胀后墨水体积增加了约13.77mm3。

V41=1100［1+0.003676 (60－20)］=1261.744mm3；

则膨胀后空间体积增加了约161.744mm3。

合计增加的墨水量约为175.514mg，占墨水总量的比例为9.75%。也就是说同样的温度变化，后面的情况下墨水排出量要比前面的情况下增加2.08 倍。这也是为什么国家标准GB/T 32017—2019《水性墨水圆珠笔和笔芯》的7.10 抗漏性试验，需要将试笔在划圆书写机上划线200m 后再做减压试验的原因所在。

在不少专利文献中多次提到了储水器能储存墨水量应该等于或大于墨水总量的10%以上，12%以上，以及优选15～30%等[10-12]。当然，并不是储水器能储存墨水量越大越好，因为受到笔的外型尺寸限制，储水器的外径无法做得很大，长度亦无法做得很长。目前，市场上销售的直液式水性墨水圆珠笔，其储水器的外径通常为7～8mm，长度（装在笔杆内的部分）在25～40mm。图11中的储水器，黑色的外径为7mm 左右，长度（装在笔杆内的部分）约28～29mm，红色的外径为7.1mm，长度（装在笔杆内的部分）为39mm。这应该是极限了，否则笔就太粗或太长了，或者灌注墨水太少会影响书写长度。此外，实际使用中还会受到储水器的材料、表面性能、配合尺寸等诸多因素影响。

图11 储水器

2.气液交换

所谓气液交换是指直液式水性墨水圆珠笔在使用时，墨水流出的同时补充空气进入墨水仓内，始终保持内外压力平衡的过程。

当内外压力平衡时，气液交换的通道——储水器上的窄缝被墨水以向内凹的弯月面所封闭。一旦开始使用，随着墨水流出，墨水仓内部压力逐步下降，储水器上的窄缝内墨水弯月面上受到的向内压力进一步增大，使得弯月面进一步内凹直至被打破，每次弯月面被打破后又会马上形成新的弯月面，如此循环往复。窄缝内墨水弯月面的每次被打破，就会有一个或数个小气泡进入墨水内（见图12），最终与墨水仓中的空气汇合，使得墨水仓内的压力有所上升。当内外压力基本平衡时，气液交换就会停止。

图12 气液交换过程示意图

气液交换的量及时间周期，取决于储水器的窄缝尺寸大小、表面处理状况、所用墨水的表面张力和黏度，以及出墨量的大小等比较多的因素影响。理论上计算气液交换可以达到理想化的、恰到好处的平衡，实际上有各种误差影响，总会造成气液交换过快或过慢，过大或过小。气液交换过快过大时出墨量偏大，严重的会漏墨；过慢过小则出墨量波动很大，严重的甚至会断线写不出。

图13是A 产品的出墨量曲线图，同型号同批次的10 支笔，每支笔的出墨量波动都不大，比较平稳。但是，出墨量还是偏大，0.5mm 球珠的笔头，最小的也要160mg/100m 以上，最大的接近200mg/100m，有可能是气液交换过快过大，或者是笔头与引水芯出墨量参数设计偏大。这支笔在储水器尺寸精度控制及各零部件配合精度控制方面做得还是比较好的。

图13 A 产品（0.5）出墨量曲线图

图14是B 产品的出墨量曲线图，同型号同批次的10 支笔，出墨量波动很大，最高的将近190mg/100m，最低的不到30mg/100m。10 支笔一开始出墨量都在110mg/100m 以上，第二个100m 马上有7 支跌到了100mg/100m 以下，最低才40mg/100m，其中有一支一直跌到了近20mg/100m，基本写不出了。这是典型的气液交换不良，个别的不能排除笔头与引水芯配合有问题等。

图14 B 产品（0.5）出墨量曲线图

当然，需要说明的是对于直液式水性墨水圆珠笔来说，在划圆书写机上连续划线的结果与人们平时用手书写时的体验是有所不同的。人在书写时尤其是汉字的笔划之间都是断开的、停顿的，有喘息和延时的机会，对书写出墨量大小的变化不会那么明显；而划圆书写机上连续划线至少在100m 之内是没有这种喘息和延时的机会，书写出墨量的波动就会凸显出来。

四、结论

储水器作为直液式水性墨水圆珠笔核心部件之一，除了没有和笔头直接接触外，与其他零部件包括墨水均需要接触与配合，储水器的结构和性能将影响其功能作用的发挥。

储水器的结构设计合理与制造精度保证是前提（这个话题需要专题论述），其次是通过化学处理方式使得表面亲水性更好，关键是处理要均匀、恰到好处。也有人提出了通过材料改性的方法实现储水器表面的亲水性[13-14]，注塑成型后的储水器不需要化学处理，只需要清洗一下即可。最后，则是储水器与其他零部件的配合，包括与引水芯和笔杆的配合，特别是与笔杆的配合，不能太紧配，否则会影响储水器的回气槽面积大小，进而影响储水器的气液交换功能。