姚鶴忠

上海制筆技術(shù)服務(wù)有限公司 上海 201615

一、前言

近年來，直液式水性墨水圓珠筆的產(chǎn)量與銷售呈明顯上升的趨勢，特別是墨水顏色由傳統(tǒng)的黑、藍、紅發(fā)展為近二十種彩色墨水（見圖1），顏料型墨水的工藝技術(shù)日趨成熟，價格又大幅下降，進一步擴大了直液式水性墨水圓珠筆的消費群體。因為嗅到了商機，許多從未接觸過直液式水性墨水圓珠筆的企業(yè)，紛紛加入了競爭行列，通過購買零部件、墨水和自動裝配機，大規(guī)模生產(chǎn)直液式水性墨水圓珠筆。這對于直液式水性墨水圓珠筆來說真不知道是喜還是憂。

圖1 彩色的直液式水性墨水圓珠筆

二、發(fā)展歷史

直液式水性墨水圓珠筆來源于自來水筆，自從圓珠筆發(fā)明后人們就一直設(shè)想能否將自來水筆換個筆頭就可以成為水性墨水圓珠筆。于是有人設(shè)想在自來水筆結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將引水芯的材料由硬的（熱固性材料或熱塑性材料）改為軟的（化學(xué)纖維），引水芯直接插入圓珠筆頭內(nèi)，在筆頸靠近筆頭處側(cè)向打孔，與筆頸內(nèi)的儲水器聯(lián)通，作為回氣以及吸墨水的通路。

美國專利US2511561《PEN POINT》（見圖2）設(shè)想將鋼筆筆尖前端的銥粒改為可以轉(zhuǎn)動的球珠，采用普通水性墨水，但是，市場上并沒有見到類似的產(chǎn)品出現(xiàn)。美國專利US2620773《WRITING INSTRUMENT》（見圖3）還提出了一種設(shè)想，將傳統(tǒng)的自來水筆的筆頭部分改為一頭是鋼筆尖，一頭是圓珠筆頭，可以交替變換使用。這種想法是不錯，但是最終亦未能成為規(guī)模化生產(chǎn)的產(chǎn)品。

圖2 美國專利US2511561

圖3 美國專利US2620773

上海圓珠筆廠在上世紀60年代末研發(fā)成功英雄691 水性圓珠筆（見圖4），筆頭采用鎳白銅材料加工，中間的引水芯為尼龍纖維粘結(jié)而成，其他結(jié)構(gòu)與自來水筆一樣，用軟性橡皮管吸入墨水。這種產(chǎn)品存在先天的缺陷，墨水就是普通的自來水筆墨水，并不適合圓珠筆書寫（潤滑性和耐腐蝕性不夠）；在吸入墨水時容易將雜質(zhì)一并吸入，堵塞出墨通路，經(jīng)常需要拆開清洗；由于筆頭可以拔下清洗或更換，因此筆頭與引水芯的配合不佳，隨機性很大，影響書寫出墨；儲水器部分適用于自來水筆，對于水性圓珠筆來說并不是很適合。作為直液式水性墨水圓珠筆的先驅(qū)，這種產(chǎn)品投入了批量生產(chǎn)和銷售，但是由于技術(shù)工藝的成熟度不夠，僅存在了三年時間，生產(chǎn)了500 多萬支就宣告終結(jié)。圖5是該產(chǎn)品的一份頗具歷史痕跡的產(chǎn)品說明書。

圖4 英雄691 水性圓珠筆

圖5 英雄691 水性圓珠筆產(chǎn)品說明書

據(jù)初步檢索，上世紀50～60年代開始，美國派克公司申請了一系列與水性墨水圓珠筆相關(guān)的專利。其中US3961555（見圖6）提出了將墨水直接灌裝在筆桿（墨水倉）內(nèi)部，可以有更大的容量；從自來水筆的筆舌及儲水系統(tǒng)借鑒而來的直液式儲水器結(jié)構(gòu)應(yīng)用于圓珠筆，可以吸收因大氣壓力變化而引起的過量墨水并防止泄漏[1]，標(biāo)志著與目前市場上結(jié)構(gòu)原理基本相似的直液式水性墨水圓珠筆開始出現(xiàn)。之后，德國的施密特（Schmidt）、施德樓（STAEDTLER）、紅環(huán)(Rotring)、法國比克(BIC)、日本的百樂（PILOT）、三菱（UNI）、派通（Pentel）等均申請了相關(guān)專利[2-8]，并開始生產(chǎn)和銷售直液式水性墨水圓珠筆。

圖6 美國專利US3951555

三、儲水器功能的分析

直液式水性墨水圓珠筆的主體通常由筆頭、引水芯、連接、儲水器、墨水和筆桿（墨水倉）等組成（見圖7）。引水芯裝入筆頭并被固定，然后插入連接（亦可以直接插入儲水器），再一并裝入儲水器成為儲水器組件；在筆桿內(nèi)灌注墨水后，儲水器組件再裝入筆桿內(nèi)；在筆桿口部或者儲水器與連接配合處，設(shè)有排氣的小孔。

圖7 直液式水性墨水圓珠筆結(jié)構(gòu)示意圖

（一）儲水器結(jié)構(gòu)

儲水器作為直液式水性墨水圓珠筆的核心零部件之一，是一個有出水槽、排氣槽和儲水環(huán)槽，具有出水、儲水、調(diào)節(jié)功能的零件[9]（見圖8）。

圖8 儲水器

儲水器的設(shè)計依據(jù)來源于自來水筆的筆舌和儲水器的“層層吸引”“節(jié)節(jié)控制”的毛細引力原理。通常情況下，儲水器由3～4 段儲墨環(huán)槽組成，每一段儲墨環(huán)槽數(shù)量不等，多的可以有10 多片，少的只有4～5 片；環(huán)槽的間隔尺寸由密變疏，即靠近墨水倉處的第一段環(huán)槽的間隔尺寸最小，依次向筆頭方向逐段變大。儲水器中間有中心孔，可以放置引水芯；外面分別有一條窄縫和一條寬槽相隔180°對稱分布。

不同于早期自來水筆的儲水器是采用熱塑性或熱固性塑料的棒料，經(jīng)機械切割加工而成。直液式水性墨水圓珠筆的儲水器結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜精細，必須通過制造注塑成型模具，采用熱塑性塑料注塑成型加工而成。為了保證表面的親水性能，還需要用化學(xué)方法進行親水性的處理。

（二）工作原理

直液式水性墨水圓珠筆必須具備兩個通路，即供墨通路（書寫出墨）和回氣通路（氣液交換）；同時保持內(nèi)外部壓力的平衡，即P1=P2。

供墨通路由引水芯（纖維和塑料）與儲水器的中心孔組成，儲水器的中心孔設(shè)有臺階，即靠近墨水倉處一段與引水芯緊密配合，其余的與引水芯之間有一定的間隙。供墨通路主要依靠引水芯的毛細孔的毛細引力作用，以及墨水的自重作用力將墨水引向筆頭，通常由引水芯的氣孔率來決定。毛細引力太小，則吸引墨水不夠，尤其是當(dāng)外部壓力大于內(nèi)部壓力時，墨水會向墨水倉內(nèi)收縮，容易將引水芯內(nèi)的墨水同時吸走；毛細引力太大，可能使引水芯與儲水器的中心孔之間的間隙充滿墨水，容易使筆頭滲墨，特別是當(dāng)外部壓力小于內(nèi)部壓力或者受到?jīng)_擊時，筆頭處會容易漏墨。

回氣通路（氣液交換）比較復(fù)雜，通常在儲水器上設(shè)置一條窄縫——回氣槽（見圖9）。這條窄縫貫穿所有儲墨環(huán)槽，一頭與墨水倉聯(lián)通，另一頭迂回曲折通過排氣孔與外部聯(lián)通；正常情況下，會有少量墨水進入這條窄縫以及靠近墨水倉處的幾條儲墨環(huán)槽內(nèi)，由于表面張力的作用墨水會形成彎月面向墨水倉內(nèi)收縮，不會再向筆頭方向擴散，相當(dāng)于墨水的水膜將窄縫封閉。

圖9 儲水器的回氣槽

在儲水器上與窄縫相對應(yīng)的另一邊設(shè)有一條寬槽（見圖10）。這條寬槽貫穿所有儲墨環(huán)槽，一頭通過排氣孔與外部連通，另一頭則被封閉，寬槽通過儲墨槽的空間與窄縫聯(lián)通；外部空氣通過這條寬槽在儲墨環(huán)槽處與墨水交匯，當(dāng)P1＜P2時，外部空氣會通過寬槽推動儲墨環(huán)槽內(nèi)的墨水，通過窄縫向墨水倉內(nèi)回流，空氣得以細小氣泡形式通過窄縫進入墨水倉內(nèi)，實現(xiàn)氣液交換，平衡內(nèi)外部壓力。在平衡狀態(tài)下，此處是不會產(chǎn)生氣液交換的。

圖10 儲水器上的窄縫與寬槽

當(dāng)書寫時，墨水會因為引水芯的毛細引力和墨水自重的作用力被引出筆頭外，從而打破平衡，使墨水通過供墨通路源源不斷地流出，并隨著流出墨水的增加而使墨水倉內(nèi)部壓力P1下降，即P1＜P2。此時，必須要有外部的空氣通過回氣通路回流進入墨水倉內(nèi)部，以減緩內(nèi)部壓力P1的下降，否則，當(dāng)內(nèi)部壓力P1下降到足以抵消引水芯的毛細引力和墨水的自重力時，墨水就不會從供墨通路流出，也就無法書寫了。

當(dāng)因為溫度升高，使得墨水倉內(nèi)的墨水和空氣膨脹而使墨水倉內(nèi)部壓力P1上升，或者因為外部出現(xiàn)負壓使外部壓力P2下降時，即P1＞P2，此時平衡亦被打破，墨水和空氣會通過儲水器的窄縫和引水芯中心孔向外涌出。由于引水芯的毛細孔很小阻力較大，涌出的墨水基本通過窄縫流出，并被相鄰的儲墨環(huán)槽層層吸入，直至內(nèi)外部壓力的達到平衡為止；如果此時排出的墨水量超過儲水器的儲墨環(huán)槽所能吸附儲存的量，則墨水就會涌入儲水器的寬槽，通過排氣孔流到筆的外部。如果因為設(shè)計不合理（例如窄縫太?。┗蛘呒庸ぶ圃觳涣迹ɡ鐑λ鞅砻嫣幚聿坏轿唬够貧馔凡蛔阋詰?yīng)付突發(fā)狀況，壓力如果傳遞到供墨通路，則墨水亦會從筆頭的間隙處滴漏到筆的外部。

還有一種比較極端的情況，即溫度反復(fù)升降（運輸時晝夜溫差），或者氣壓反復(fù)升降（空運時），從理論上計算是可以實現(xiàn)流出多少墨水也能吸回多少墨水。但是實際上由于設(shè)計的缺陷，特別是加工精度的誤差，以及各材料、部件之間配合的問題，基本上是流出多吸回少，如此反復(fù)，于是在儲水器的儲墨環(huán)槽內(nèi)墨水會越積越多，最終墨水會進入寬槽從排氣孔處漏到筆的外面。

（三）功能的分析

直液式水性墨水圓珠筆的儲水器主要功能為兩個方面，即儲存墨水和氣液交換，保持內(nèi)外壓力平衡。

1.儲存墨水

以直液式水性墨水圓珠筆書寫劃線的每百米平均出墨量為150～180mg 來計算，要達到1000m 劃線長度，在筆桿的墨水倉內(nèi)至少要灌注墨水1.8g 以上，同時還要留有至少150～200mm3的空間。

假設(shè)以20℃為日常溫度，運輸中最高溫度可達60℃，根據(jù)液體的體積膨脹計算公式（1）和氣體的體積膨脹計算公式（2），墨水以水的平均膨脹系數(shù)β 為0.0003825/℃，空氣平均膨脹系數(shù)γ 為0.003676/℃，可以計算出墨水倉內(nèi)部的墨水和空氣因溫度升高膨脹而增加的墨水量。

液體體積膨脹計算公式：

式中：

V1——墨水原來的體積

V2——膨脹后墨水的體積

β——液體膨脹系數(shù)

t1——日常溫度

t2——升高后的溫度

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

則膨脹后墨水體積增加了約1.53%。

氣體體積膨脹計算公式：

式中：

V3——原來的空間體積

V4——膨脹后的空間體積

γ——空氣膨脹系數(shù)

t1——日常溫度

t2——升高后的溫度

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

則膨脹后空間體積增加了約14.7%。

該直液式水性墨水圓珠筆的墨水倉內(nèi)部的墨水和空氣因溫度升高膨脹而需要排出的墨水量約為56.948mg，占墨水總量的比例為3.16%。

在實際使用中，當(dāng)墨水量減少到一定程度（例如50%）時，墨水倉內(nèi)空氣體積占比大于墨水體積，此時因溫度升高膨脹而需要排出的墨水量將大為增加。

假設(shè)使用后的墨水體積為 V11=900mm3，空氣體積V31=1100mm3，如果溫度從20℃升至60℃，根據(jù)公式（1）和（2）可得到：

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

則膨脹后墨水體積增加了約13.77mm3。

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

則膨脹后空間體積增加了約161.744mm3。

合計增加的墨水量約為175.514mg，占墨水總量的比例為9.75%。也就是說同樣的溫度變化，后面的情況下墨水排出量要比前面的情況下增加2.08 倍。這也是為什么國家標(biāo)準GB/T 32017—2019《水性墨水圓珠筆和筆芯》的7.10 抗漏性試驗，需要將試筆在劃圓書寫機上劃線200m 后再做減壓試驗的原因所在。

在不少專利文獻中多次提到了儲水器能儲存墨水量應(yīng)該等于或大于墨水總量的10%以上，12%以上，以及優(yōu)選15～30%等[10-12]。當(dāng)然，并不是儲水器能儲存墨水量越大越好，因為受到筆的外型尺寸限制，儲水器的外徑無法做得很大，長度亦無法做得很長。目前，市場上銷售的直液式水性墨水圓珠筆，其儲水器的外徑通常為7～8mm，長度（裝在筆桿內(nèi)的部分）在25～40mm。圖11中的儲水器，黑色的外徑為7mm 左右，長度（裝在筆桿內(nèi)的部分）約28～29mm，紅色的外徑為7.1mm，長度（裝在筆桿內(nèi)的部分）為39mm。這應(yīng)該是極限了，否則筆就太粗或太長了，或者灌注墨水太少會影響書寫長度。此外，實際使用中還會受到儲水器的材料、表面性能、配合尺寸等諸多因素影響。

圖11 儲水器

2.氣液交換

所謂氣液交換是指直液式水性墨水圓珠筆在使用時，墨水流出的同時補充空氣進入墨水倉內(nèi)，始終保持內(nèi)外壓力平衡的過程。

當(dāng)內(nèi)外壓力平衡時，氣液交換的通道——儲水器上的窄縫被墨水以向內(nèi)凹的彎月面所封閉。一旦開始使用，隨著墨水流出，墨水倉內(nèi)部壓力逐步下降，儲水器上的窄縫內(nèi)墨水彎月面上受到的向內(nèi)壓力進一步增大，使得彎月面進一步內(nèi)凹直至被打破，每次彎月面被打破后又會馬上形成新的彎月面，如此循環(huán)往復(fù)。窄縫內(nèi)墨水彎月面的每次被打破，就會有一個或數(shù)個小氣泡進入墨水內(nèi)（見圖12），最終與墨水倉中的空氣匯合，使得墨水倉內(nèi)的壓力有所上升。當(dāng)內(nèi)外壓力基本平衡時，氣液交換就會停止。

圖12 氣液交換過程示意圖

氣液交換的量及時間周期，取決于儲水器的窄縫尺寸大小、表面處理狀況、所用墨水的表面張力和黏度，以及出墨量的大小等比較多的因素影響。理論上計算氣液交換可以達到理想化的、恰到好處的平衡，實際上有各種誤差影響，總會造成氣液交換過快或過慢，過大或過小。氣液交換過快過大時出墨量偏大，嚴重的會漏墨；過慢過小則出墨量波動很大，嚴重的甚至?xí)嗑€寫不出。

圖13是A 產(chǎn)品的出墨量曲線圖，同型號同批次的10 支筆，每支筆的出墨量波動都不大，比較平穩(wěn)。但是，出墨量還是偏大，0.5mm 球珠的筆頭，最小的也要160mg/100m 以上，最大的接近200mg/100m，有可能是氣液交換過快過大，或者是筆頭與引水芯出墨量參數(shù)設(shè)計偏大。這支筆在儲水器尺寸精度控制及各零部件配合精度控制方面做得還是比較好的。

圖13 A 產(chǎn)品（0.5）出墨量曲線圖

圖14是B 產(chǎn)品的出墨量曲線圖，同型號同批次的10 支筆，出墨量波動很大，最高的將近190mg/100m，最低的不到30mg/100m。10 支筆一開始出墨量都在110mg/100m 以上，第二個100m 馬上有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，基本寫不出了。這是典型的氣液交換不良，個別的不能排除筆頭與引水芯配合有問題等。

圖14 B 產(chǎn)品（0.5）出墨量曲線圖

當(dāng)然，需要說明的是對于直液式水性墨水圓珠筆來說，在劃圓書寫機上連續(xù)劃線的結(jié)果與人們平時用手書寫時的體驗是有所不同的。人在書寫時尤其是漢字的筆劃之間都是斷開的、停頓的，有喘息和延時的機會，對書寫出墨量大小的變化不會那么明顯；而劃圓書寫機上連續(xù)劃線至少在100m 之內(nèi)是沒有這種喘息和延時的機會，書寫出墨量的波動就會凸顯出來。

四、結(jié)論

儲水器作為直液式水性墨水圓珠筆核心部件之一，除了沒有和筆頭直接接觸外，與其他零部件包括墨水均需要接觸與配合，儲水器的結(jié)構(gòu)和性能將影響其功能作用的發(fā)揮。

儲水器的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理與制造精度保證是前提（這個話題需要專題論述），其次是通過化學(xué)處理方式使得表面親水性更好，關(guān)鍵是處理要均勻、恰到好處。也有人提出了通過材料改性的方法實現(xiàn)儲水器表面的親水性[13-14]，注塑成型后的儲水器不需要化學(xué)處理，只需要清洗一下即可。最后，則是儲水器與其他零部件的配合，包括與引水芯和筆桿的配合，特別是與筆桿的配合，不能太緊配，否則會影響儲水器的回氣槽面積大小，進而影響儲水器的氣液交換功能。