直液式水性圓珠筆儲(chǔ)水器功能分析

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(lái)，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(shì)，特別是墨水顏色由傳統(tǒng)的黑、藍(lán)、紅發(fā)展為近二十種彩色墨水（見(jiàn)圖1），顏料型墨水的工藝技術(shù)日趨成熟，價(jià)格又大幅下降，進(jìn)一步擴(kuò)大了直液式水性墨水圓珠筆的消費(fèi)群體。因?yàn)樾岬搅松虣C(jī)，許多從未接觸過(guò)直液式水性墨水圓珠筆的企業(yè)，紛紛加入了競(jìng)爭(zhēng)行列，通過(guò)購(gòu)買零部件、墨水和自動(dòng)裝配機(jī)，大規(guī)模生產(chǎn)直液式水性墨水圓珠筆。這對(duì)于直液式水性墨水圓珠筆來(lái)說(shuō)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(lái)源于自來(lái)水筆，自從圓珠筆發(fā)明后人們就一直設(shè)想能否將自來(lái)水筆換個(gè)筆頭就可以成為水性墨水圓珠筆。于是有人設(shè)想在自來(lái)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(chǔ)水器聯(lián)通，作為回氣以及吸墨水的通路。

美國(guó)專利US2511561《PEN POINT》（見(jiàn)圖2）設(shè)想將鋼筆筆尖前端的銥粒改為可以轉(zhuǎn)動(dòng)的球珠，采用普通水性墨水，但是，市場(chǎng)上并沒(méi)有見(jiàn)到類似的產(chǎn)品出現(xiàn)。美國(guó)專利US2620773《WRITING INSTRUMENT》（見(jiàn)圖3）還提出了一種設(shè)想，將傳統(tǒng)的自來(lái)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(cuò)，但是最終亦未能成為規(guī)?；a(chǎn)的產(chǎn)品。

圖2 美國(guó)專利US2511561

圖3 美國(guó)專利US2620773

上海圓珠筆廠在上世紀(jì)60年代末研發(fā)成功英雄691 水性圓珠筆（見(jiàn)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(lái)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(lái)水筆墨水，并不適合圓珠筆書寫（潤(rùn)滑性和耐腐蝕性不夠）；在吸入墨水時(shí)容易將雜質(zhì)一并吸入，堵塞出墨通路，經(jīng)常需要拆開(kāi)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(jī)性很大，影響書寫出墨；儲(chǔ)水器部分適用于自來(lái)水筆，對(duì)于水性圓珠筆來(lái)說(shuō)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(shí)間，生產(chǎn)了500 多萬(wàn)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(shuō)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(shuō)明書

據(jù)初步檢索，上世紀(jì)50～60年代開(kāi)始，美國(guó)派克公司申請(qǐng)了一系列與水性墨水圓珠筆相關(guān)的專利。其中US3961555（見(jiàn)圖6）提出了將墨水直接灌裝在筆桿（墨水倉(cāng)）內(nèi)部，可以有更大的容量；從自來(lái)水筆的筆舌及儲(chǔ)水系統(tǒng)借鑒而來(lái)的直液式儲(chǔ)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(guò)量墨水并防止泄漏[1]，標(biāo)志著與目前市場(chǎng)上結(jié)構(gòu)原理基本相似的直液式水性墨水圓珠筆開(kāi)始出現(xiàn)。之后，德國(guó)的施密特（Schmidt）、施德樓（STAEDTLER）、紅環(huán)(Rotring)、法國(guó)比克(BIC)、日本的百樂(lè)（PILOT）、三菱（UNI）、派通（Pentel）等均申請(qǐng)了相關(guān)專利[2-8]，并開(kāi)始生產(chǎn)和銷售直液式水性墨水圓珠筆。

圖6 美國(guó)專利US3951555

三、儲(chǔ)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(chǔ)水器、墨水和筆桿（墨水倉(cāng)）等組成（見(jiàn)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(chǔ)水器），再一并裝入儲(chǔ)水器成為儲(chǔ)水器組件；在筆桿內(nèi)灌注墨水后，儲(chǔ)水器組件再裝入筆桿內(nèi)；在筆桿口部或者儲(chǔ)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(chǔ)水器結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)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(gè)有出水槽、排氣槽和儲(chǔ)水環(huán)槽，具有出水、儲(chǔ)水、調(diào)節(jié)功能的零件[9]（見(jiàn)圖8）。

圖8 儲(chǔ)水器

儲(chǔ)水器的設(shè)計(jì)依據(jù)來(lái)源于自來(lái)水筆的筆舌和儲(chǔ)水器的“層層吸引”“節(jié)節(jié)控制”的毛細(xì)引力原理。通常情況下，儲(chǔ)水器由3～4 段儲(chǔ)墨環(huán)槽組成，每一段儲(chǔ)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(cāng)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(chǔ)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(duì)稱分布。

不同于早期自來(lái)水筆的儲(chǔ)水器是采用熱塑性或熱固性塑料的棒料，經(jīng)機(jī)械切割加工而成。直液式水性墨水圓珠筆的儲(chǔ)水器結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜精細(xì)，必須通過(guò)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(jìn)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(gè)通路，即供墨通路（書寫出墨）和回氣通路（氣液交換）；同時(shí)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(chǔ)水器的中心孔組成，儲(chǔ)水器的中心孔設(shè)有臺(tái)階，即靠近墨水倉(cāng)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(xì)孔的毛細(xì)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(lái)決定。毛細(xì)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(shí)，墨水會(huì)向墨水倉(cāng)內(nèi)收縮，容易將引水芯內(nèi)的墨水同時(shí)吸走；毛細(xì)引力太大，可能使引水芯與儲(chǔ)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(shí)，筆頭處會(huì)容易漏墨。

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

圖9 儲(chǔ)水器的回氣槽

在儲(chǔ)水器上與窄縫相對(duì)應(yīng)的另一邊設(shè)有一條寬槽（見(jiàn)圖10）。這條寬槽貫穿所有儲(chǔ)墨環(huán)槽，一頭通過(guò)排氣孔與外部連通，另一頭則被封閉，寬槽通過(guò)儲(chǔ)墨槽的空間與窄縫聯(lián)通；外部空氣通過(guò)這條寬槽在儲(chǔ)墨環(huán)槽處與墨水交匯，當(dāng)P1＜P2時(shí)，外部空氣會(huì)通過(guò)寬槽推動(dòng)儲(chǔ)墨環(huán)槽內(nèi)的墨水，通過(guò)窄縫向墨水倉(cāng)內(nèi)回流，空氣得以細(xì)小氣泡形式通過(guò)窄縫進(jìn)入墨水倉(cāng)內(nèi)，實(shí)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(huì)產(chǎn)生氣液交換的。

圖10 儲(chǔ)水器上的窄縫與寬槽

當(dāng)書寫時(shí)，墨水會(huì)因?yàn)橐镜拿?xì)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(guò)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(cāng)內(nèi)部壓力P1下降，即P1＜P2。此時(shí)，必須要有外部的空氣通過(guò)回氣通路回流進(jìn)入墨水倉(cāng)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(xì)引力和墨水的自重力時(shí)，墨水就不會(huì)從供墨通路流出，也就無(wú)法書寫了。

當(dāng)因?yàn)闇囟壬撸沟媚畟}(cāng)內(nèi)的墨水和空氣膨脹而使墨水倉(cāng)內(nèi)部壓力P1上升，或者因?yàn)橥獠砍霈F(xiàn)負(fù)壓使外部壓力P2下降時(shí)，即P1＞P2，此時(shí)平衡亦被打破，墨水和空氣會(huì)通過(guò)儲(chǔ)水器的窄縫和引水芯中心孔向外涌出。由于引水芯的毛細(xì)孔很小阻力較大，涌出的墨水基本通過(guò)窄縫流出，并被相鄰的儲(chǔ)墨環(huán)槽層層吸入，直至內(nèi)外部壓力的達(dá)到平衡為止；如果此時(shí)排出的墨水量超過(guò)儲(chǔ)水器的儲(chǔ)墨環(huán)槽所能吸附儲(chǔ)存的量，則墨水就會(huì)涌入儲(chǔ)水器的寬槽，通過(guò)排氣孔流到筆的外部。如果因?yàn)樵O(shè)計(jì)不合理（例如窄縫太小）或者加工制造不良（例如儲(chǔ)水器表面處理不到位），使回氣通路不足以應(yīng)付突發(fā)狀況，壓力如果傳遞到供墨通路，則墨水亦會(huì)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(yùn)輸時(shí)晝夜溫差），或者氣壓反復(fù)升降（空運(yùn)時(shí)），從理論上計(jì)算是可以實(shí)現(xiàn)流出多少墨水也能吸回多少墨水。但是實(shí)際上由于設(shè)計(jì)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(wèn)題，基本上是流出多吸回少，如此反復(fù)，于是在儲(chǔ)水器的儲(chǔ)墨環(huán)槽內(nèi)墨水會(huì)越積越多，最終墨水會(huì)進(jìn)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(chǔ)水器主要功能為兩個(gè)方面，即儲(chǔ)存墨水和氣液交換，保持內(nèi)外壓力平衡。

1.儲(chǔ)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(lái)計(jì)算，要達(dá)到1000m 劃線長(zhǎng)度，在筆桿的墨水倉(cāng)內(nèi)至少要灌注墨水1.8g 以上，同時(shí)還要留有至少150～200mm3的空間。

假設(shè)以20℃為日常溫度，運(yùn)輸中最高溫度可達(dá)60℃，根據(jù)液體的體積膨脹計(jì)算公式（1）和氣體的體積膨脹計(jì)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(jì)算出墨水倉(cāng)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(jì)算公式：

式中：

V1——墨水原來(lái)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(jì)算公式：

式中：

V3——原來(lái)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(cāng)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(shí)際使用中，當(dāng)墨水量減少到一定程度（例如50%）時(shí)，墨水倉(cāng)內(nèi)空氣體積占比大于墨水體積，此時(shí)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(jì)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(shuō)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32017—2019《水性墨水圓珠筆和筆芯》的7.10 抗漏性試驗(yàn)，需要將試筆在劃圓書寫機(jī)上劃線200m 后再做減壓試驗(yàn)的原因所在。

在不少專利文獻(xiàn)中多次提到了儲(chǔ)水器能儲(chǔ)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(chǔ)水器能儲(chǔ)存墨水量越大越好，因?yàn)槭艿焦P的外型尺寸限制，儲(chǔ)水器的外徑無(wú)法做得很大，長(zhǎng)度亦無(wú)法做得很長(zhǎng)。目前，市場(chǎng)上銷售的直液式水性墨水圓珠筆，其儲(chǔ)水器的外徑通常為7～8mm，長(zhǎng)度（裝在筆桿內(nèi)的部分）在25～40mm。圖11中的儲(chǔ)水器，黑色的外徑為7mm 左右，長(zhǎng)度（裝在筆桿內(nèi)的部分）約28～29mm，紅色的外徑為7.1mm，長(zhǎng)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(zhǎng)了，或者灌注墨水太少會(huì)影響書寫長(zhǎng)度。此外，實(shí)際使用中還會(huì)受到儲(chǔ)水器的材料、表面性能、配合尺寸等諸多因素影響。

圖11 儲(chǔ)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(shí)，墨水流出的同時(shí)補(bǔ)充空氣進(jìn)入墨水倉(cāng)內(nèi)，始終保持內(nèi)外壓力平衡的過(guò)程。

當(dāng)內(nèi)外壓力平衡時(shí)，氣液交換的通道——儲(chǔ)水器上的窄縫被墨水以向內(nèi)凹的彎月面所封閉。一旦開(kāi)始使用，隨著墨水流出，墨水倉(cāng)內(nèi)部壓力逐步下降，儲(chǔ)水器上的窄縫內(nèi)墨水彎月面上受到的向內(nèi)壓力進(jìn)一步增大，使得彎月面進(jìn)一步內(nèi)凹直至被打破，每次彎月面被打破后又會(huì)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(huì)有一個(gè)或數(shù)個(gè)小氣泡進(jìn)入墨水內(nèi)（見(jiàn)圖12），最終與墨水倉(cāng)中的空氣匯合，使得墨水倉(cāng)內(nèi)的壓力有所上升。當(dāng)內(nèi)外壓力基本平衡時(shí)，氣液交換就會(huì)停止。

圖12 氣液交換過(guò)程示意圖

氣液交換的量及時(shí)間周期，取決于儲(chǔ)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(jì)算氣液交換可以達(dá)到理想化的、恰到好處的平衡，實(shí)際上有各種誤差影響，總會(huì)造成氣液交換過(guò)快或過(guò)慢，過(guò)大或過(guò)小。氣液交換過(guò)快過(guò)大時(shí)出墨量偏大，嚴(yán)重的會(huì)漏墨；過(guò)慢過(guò)小則出墨量波動(dòng)很大，嚴(yán)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(hào)同批次的10 支筆，每支筆的出墨量波動(dòng)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(guò)快過(guò)大，或者是筆頭與引水芯出墨量參數(shù)設(shè)計(jì)偏大。這支筆在儲(chǔ)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(hào)同批次的10 支筆，出墨量波動(dòng)很大，最高的將近190mg/100m，最低的不到30mg/100m。10 支筆一開(kāi)始出墨量都在110mg/100m 以上，第二個(gè)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(gè)別的不能排除筆頭與引水芯配合有問(wèn)題等。

圖14 B 產(chǎn)品（0.5）出墨量曲線圖

當(dāng)然，需要說(shuō)明的是對(duì)于直液式水性墨水圓珠筆來(lái)說(shuō)，在劃圓書寫機(jī)上連續(xù)劃線的結(jié)果與人們平時(shí)用手書寫時(shí)的體驗(yàn)是有所不同的。人在書寫時(shí)尤其是漢字的筆劃之間都是斷開(kāi)的、停頓的，有喘息和延時(shí)的機(jī)會(huì)，對(duì)書寫出墨量大小的變化不會(huì)那么明顯；而劃圓書寫機(jī)上連續(xù)劃線至少在100m 之內(nèi)是沒(méi)有這種喘息和延時(shí)的機(jī)會(huì)，書寫出墨量的波動(dòng)就會(huì)凸顯出來(lái)。

四、結(jié)論

儲(chǔ)水器作為直液式水性墨水圓珠筆核心部件之一，除了沒(méi)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(chǔ)水器的結(jié)構(gòu)和性能將影響其功能作用的發(fā)揮。

儲(chǔ)水器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與制造精度保證是前提（這個(gè)話題需要專題論述），其次是通過(guò)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(guò)材料改性的方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水器表面的親水性[13-14]，注塑成型后的儲(chǔ)水器不需要化學(xué)處理，只需要清洗一下即可。最后，則是儲(chǔ)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(huì)影響儲(chǔ)水器的回氣槽面積大小，進(jìn)而影響儲(chǔ)水器的氣液交換功能。