中性笔密封深度对产品质量影响的研究

黄小雷

真彩文具股份有限公司 江苏 昆山 215343

一．前言

在中性笔的研发、实验分析和生产工艺的改进工作中，经常有客户反映一年以后很多产品出现了不同比例、不同程度的起笔不良或写不出等问题。同期生产的产品，在相同的储存周期后，却出现了书写质量的明显差异，其中国内中性笔产品的书写质量水平、耐用性总体比国外知名品牌有一定差距，因此，引发了对中性笔质量保存年限的分析与探讨。

目前，行业中性笔质量的现状是保存年限为不低于1年，也就是大部分制笔企业的产品只有1年的保质期。而对于每个企业来讲，一支中性笔从生产到销售需要经历多个阶段，如笔芯生产为一个阶段、成品组装为一个阶段、包装检验又为一个阶段，因此大部分制笔企业均会提前备货。一般来讲，一个企业从产品原材料采购、备料、生产、储运、物流到经销商、最后到终端市场需要的时间为3～6个月，再加上部分成品提前备货，有些产品到终端市场已过去9个多月，甚至更长，因此有些产品到消费者手上很有可能已接近保质期。依现阶段市场需求，保质期1年已远远无法满足生产商、经销商、终端零售及消费者的接受程度。因此，对提高中性笔保存年限问题进行分析，总结经验来提高中性笔保存年限尤为重要。

影响中性笔质量保存年限最关键是笔头与墨水的原材料匹配质量，其次是笔头密封深浅度的影响，以及产品储存环境（如温度、湿度、日照等）也是影响其质量因素之一。

本文通过对常见插套式结构中性笔笔头密封状况进行研究，为提高质量保存年限提供理论依据，希望能够将实际实验数据引入到中性笔的研发中，并探讨在中性笔设计中控制关键配合尺寸来提高中性笔研发及质量管控水平，进而提高产品竞争力。

二、常见中性笔结构分析

笔作为书写工具在我们日常生活中用途极为广泛，可以用来绘画、书写、装饰等。其品类繁多，有中性笔、水性笔、记号笔、自来水笔、铅笔、水彩笔等。中性笔是目前国内市场占有比率较高的书写工具之一，中性笔常见适用的结构类型为插套式（见图1、图2）和揿动式（见图3）。揿动式选用的笔头为弹簧笔头，为球珠自密性（内设弹簧顶住球珠，加工精度高，成本比普通笔头高许多），在停止书写时弹簧顶住球珠起到及时密封保护作用，在未使用状态下通过点蜡包裹方式密封笔头。

图1 插套式笔芯前定位式中性笔典型结构及零件

图2 插套式笔芯后定位式中性笔典型结构及零件

图3 揿动式中性笔典型结构及零件

插套式按笔芯的固定方式可分为前端定位插套式和后端定位插套式[1-2]。前端定位指的是，笔芯通过笔芯连接件外圆台阶与笔杆内孔前端定位，使得笔芯（见图4）的笔头露出尖套距离稳定性提高，出芯长度误差相对较小（见图1）。后端定位指的是，笔芯的固定通过笔芯的油管外圆与笔杆尾槽（筯位卡槽）或尾帽（后塞）内筯通过过盈或限位方式配合，将油管固定（见图2），此种方式因涉及的零部件多，产生的的累积误差大，影响笔头露出长度的精度与一致性。

图4 常见中性笔芯结构图

同油墨圆珠笔相比，中性笔要求出墨量大（中性笔出墨量是油墨圆珠笔的10倍左右[3]），笔头间隙大，而且中性笔墨水为水性墨水，较油墨（油性墨水）的耐干性要差。在常温状况下，两种圆珠笔的间歇书写（笔套在拔出后笔开放在常温环境下能正常书写的时间）比较，油墨圆珠笔的间歇书写可以保持在两年左右，与整笔的保质期相当，而中性笔的间歇书写一般能够达到20天至3个月之间不等。此外，中性墨水黏度较油墨黏度低，且油管内孔较大，墨水较易产生倒流现象[2]。所以在中性笔笔套内都设计装有橡胶或硅胶材料的密封圈，盖上笔套后，密封圈受挤压后将笔头包裹密封住，防止笔头与球珠间隙内墨水干枯，并防止空气从笔头进入笔芯内，进而产生墨水倒流与书写断线现象[2]。因此，笔头进入密封圈的深度具有一定的公差要求。不同形状的笔头、球珠直径大小及配合不同形状的密封圈，其笔头插入密封圈的深度各有不同。

三．密封深度影响中性笔书写质量分析

（一）中性笔笔头构造与密封特性

中性笔所谓“中性”之意是指它的墨水黏度介于油性圆珠笔油墨的黏度（10000～20000mPa.s）与水性圆珠笔墨水的黏度（﹤10mPa.s）之间[4]。油性圆珠笔其墨水黏度高、耐干性好，笔头与球珠间隙小，笔头内油墨不易干枯而堵死出墨槽，因此普通油墨圆珠笔在笔头不点蜡或笔套不加密封圈的状态下，可以保持2年笔头不会干枯，所以其产品寿命基本能满足客户正常需求，因此市场上高黏度油墨圆珠笔没有额外的密封设计。而中性笔则不同，其墨水黏度低，为水性墨水，笔头与球珠间隙大，当笔头暴露在空气中时其墨水中水份容易挥发，形成色浆颗粒沉淀在球珠与笔头间，时间越长则颗粒沉淀堆积在笔头内墨水槽越多，最终导致书写不出（见图5）。因此对于插套型中性笔笔套内置密封圈，起到保护笔头和密封的作用（见图6）。常见插套式中性笔内置密封圈有平圆型、球型、及内凹包裹式，密封原理一致，通过橡胶包裹球珠进行密封，密封性能的好坏对于中性笔质量保存年限长短是重要的因素之一。本文通过对最常见扁圆型密封圈作为试验对象进行研究分析。

图5 笔头头部外形、内部构造和墨水槽堵塞状况

图6 常见笔头密封状况透视图

（二）中性笔密封设计合理性分析与试验

1.中性笔笔头分类

一般中性笔笔头分为670子弹头型、640针管型、660仿针管型、680半针管型、651仿针管型，具体见表1。

表1 中性笔笔头形状

笔头按球珠直径分类见表2。

表2 中性笔笔头分类 单位：mm

2.试验设计与分析

运用6 Sigma的质量管理方法，进行试验设计分析（DOE），采用不同笔头型号，同一球珠规格（∅0.5）、设计不同的密封深度，在相同的墨水与液体浮塞、相同的实验条件下进行试验不同的密封深度对产品保存年限的影响。

（1）试剂与原料

实验所用墨水为调制1#墨水，墨水理化指标见表3、笔头型号与规格选用如表1、笔芯油管选择为透明PP(5090T)材料（尺寸一致）、同一密封圈（∅6.5＊3.2）、同一品牌液体浮塞。

表3 实验所用相关配件及墨水

（2）仪器、试写纸

X射线透视仪，型号：BJI-G 、书写纸（符合GB/T 12654 70g/m2) 、划圆书写机（通用试验仪器与条件见QB/T 2625——2011）。

（3）试样配件与墨水

实验所用配件与墨水见表3。

（4）试验环境

温度环境在15℃～25℃，相对湿度在50%～80%。

（5）实验方法步骤

步骤1： 依表4选用不同的笔头型号，根据设置不同的密封深度，选用相应数量的塑料垫片装入笔套密封圈下方调节密封深度，装配后再通过透视仪测量实际密封深度，并记录标识每支笔的密封深度。

步骤2：如表4分组后先初写划线，方法参照文献[5]中7.1初写性能试验的要求，确保所有笔的起始状态出墨正常，然后将笔套套好，每10支装入小盒在试验环境下进行长期存放，小盒上分别标识需保存的时间。

步骤3：如表4达到设定保存时间后分别取出1盒进行划线测试，划线测试方法参照文献[5]中7.1初写性能试验和7.2书写性能试验要求进行，检查是否出现局部断线、写不出现象，将划线检查结果进行记录。

注1：书写正常—— 从划线开始至全部划完，100%书写划线无中断，出墨顺畅。

注2：书写尚可，但是不理想——从划线开始至全部划完，10%以上书写划线局部中断小于2次（包括起笔），每次少于2圈，出墨顺畅。

注3：书写不正常——从划线开始至全部划完，10%以上书写划线局部中断2次以上（包括起笔），出现连续断线3圈以上或出现出墨不顺畅现象。

（6）试验结果与讨论

试验结果汇总见表4。

表4 各种笔头在不同密封深度时的保存时间与测试结果

根据多次论证及保存性分析，发现密封圈存在一定的弹性量，若超出一定的深度，一方面密封圈变形量达极限，造成密封圈刺穿，而失去密封作用；另一方面密封深度长期过深易造成密封圈凹陷部疲劳，而不能有效回弹，最终造成失效，如同一根弹簧若被挤压到一定的变形量，则弹簧无法恢复至原来的长度；且过深的密封深度会产生笔头积墨问题，影响外观，图7为常见的密封不良状态透视图。因此通过不同笔头直径进行一系列同上反复研究、试验分析，主要根据笔头的形状与球珠直径，初步确立了产品的不同笔头型号与其密封的深度有效设计参数，见表5。

表5 不同笔头规格对应深度参数表 单 位：mm

图7 笔头密封不良状态透视图

（三）相关料件尺寸控制重点

通过试验为设计提供了比较理想适宜的笔头密封深度设计参数，而在企业实际生产中，因为笔芯长度误差、笔头露出长度误差、笔套定位密封圈筋位深度误差等因素，造成累积误差很大，很难保证产品密封深度一致性，因此在实践中如何保障产品精度，控制尺寸，提高产品一致性。是我们质量控制重点。

首先在确保笔芯总长及笔头露出长度与连接台阶尺寸情况下，控制相关尺寸，来保证密封深度。前定位结构和后定位结构建议控制的重点尺寸和精度如下：

1.前定位结构需重点控制：

（1）连接台阶尺寸，宜控制在±0.02mm；

（2）笔套定位密封圈筋位深度尺寸,宜控制在±0.03mm；

（3）笔头露出尺寸，宜控制在±0.03mm；

（4）密封圈的有效厚度尺寸,不宜偏薄，一般选择不低于2.8mm为佳。

2．后定位结构需重点控制：

（1）油管总长尺寸，宜控制在±0.06mm；

（2）油管外圆尺寸，宜控制在±0.02mm；

（3）笔套密封筋位深度尺寸，宜控制在±0.03mm；

（4）密封圈的有效厚度尺寸，不宜偏薄，一般选择不低于2.8mm为佳；

（5）笔芯总长尺寸，宜控制在±0.10mm。

上述尺寸累积误差建议不超过±0.15mm，首先需要通过对影响组合尺寸累积误差的关键尺寸，在图纸设计尺寸链正负公差进行演练设计来减少累计误差，其次需要通过高精度模具与注塑成型设备及稳定的生产工艺控制才能保证。

四、总结和展望

中性笔作为主要的书写工具之一，消费者使用的普及率非常高，随着市场竞争的加剧，对中性笔的质量要求越来越高，尤其在产品的保存年限的要求也越来越高。通过对产品结构、密封深度对产品质量保存年限的影响进行了研究，中性笔产品保存年限的长短，与选择墨水、零部件的精度、结构、组装工艺以及储存环境是密不可分的。墨水选用时需注重墨水耐干性水平、黏度等相关指标的选择，产品储存环境宜在低温（0℃～15℃）、恒温、避光、干燥环境下进行保存，避免高温环境存放，温度与湿度环境变化越小对产品保存越有利。

由于时间仓促及水平的限制，本研究还存在一些不足，今后还需进一步有待完善和改进。如墨水对中性笔质量的影响，需要进一步研究，以确定墨水与液体浮塞、笔头匹配最佳性，继而推广到新产品开发过程；另外中性笔密封圈材质选用、密封圈的形状（本文研究测试仅针对扁圆型外形密封圈展开）、检测方法等需要进一步研究；如何保证密封圈硅胶硫化充分，不与墨水起化学反应，以及不同密封结构达到最佳的密封效果等都是我们今后需要进一步研究的课题。