中性笔绿色设计研究**海南大学科研启动基金项目（编号：kyqd1431）

贝广霞，何　盛，刘世豪（.山东科技大学工程实训中心，山东青岛　66590；.海南大学机电工程学院，海南海口　5708）



中性笔绿色设计研究**海南大学科研启动基金项目（编号：kyqd1431）

贝广霞1，何盛2，刘世豪2
（1.山东科技大学工程实训中心，山东青岛266590；2.海南大学机电工程学院，海南海口570228）

摘要：随着中性笔的推广，由此带来的环境污染问题也日益严重，“中性笔污染”已经成为继塑料袋之后的又一大白色污染。在分析废弃中性笔各零部件对环境所带来的影响及危害的基础上，从中性笔本身的设计结构出发，提出了中性笔的绿色设计方案。通过对中性笔芯结构的改进，使笔杆和笔头的连接为密封螺纹连接，大大延长了中性笔芯的使用寿命，达到节能减排，保护环境的目的。

关键词：中性笔；螺纹连接；注墨墨水瓶；环境保护；绿色设计

0　引言

中性笔是指书写介质的粘度介于水性和油性之间的一类圆珠笔。中性笔起源于日本，1988年，日本PENTEL株式会社研制出了一种粘度介于圆珠笔油墨和钢笔油墨之间的新型墨水，将其灌入圆珠笔中取名中性笔[1-2]。由于中性笔兼具了圆珠笔和钢笔的优点，已经成功地取代了水性圆珠笔和钢笔，成为了用户首选的书写工具。然而，由于中性笔是一次性使用的的，在内装墨水用完后后就会被丢弃，废弃中性笔在自然环境下难以降解，对环境造成了极大的污染。而且制作中性笔的原料是塑料和金属，这些都是可循环利用的材料，中性笔的大量丢弃带来了严重的环境污染问题。

为了解决中性笔对环境的污染问题，国内有不少的研究机构和学者对此做过研究，并提出了诸如减少中性笔的使用、建议政府出台相关措施、使用可降解塑料制作中性笔等建议，也有一些相关发明专利试图改变中性笔结构来延长中性笔的寿命，但是由于这些建议或者发明的可操作性以及实用性不是很好，因此并没有得到推广。目前国内现有文献尚未对中性笔的污染现象及其改进措施进行系统和全面的论述，本文对中性笔的组成进行了详细研究，介绍了其各零部件对环境造成的影响，并对中性笔难回收问题进行了探讨与原因分析，以延长笔芯使用寿命为理念，提出了一种笔芯结构的绿色设计方案，能有效地解决中性笔对环境的污染问题。

1　中性笔的使用现状分析

中性笔在国内的应用范围是极其广泛的，从中性笔进入国内市场开始，其就以方便、流畅等书写特点逐渐的占领了文具市场，并最终成功的取代了钢笔、圆珠笔等传统书写工具，成为用笔人士的首选。有人曾对中性笔市场做过调研[3]，图1是分别是2004-2010年中性笔产量与销量的走势图。

图1　中性笔产量与销量

由图1可看出，我国中性笔的产量和销量逐年上升，到2010年就已经达到150亿支。而且我国是一个拥有十几亿人口的大国，自然也是中性笔的用笔大国，中性笔在我国的使用量是非常大的[4]。

中性笔笔芯由塑料笔杆和金属笔头组成，这些均可以再次回收利用，但是目前在国内对于中性笔芯的处理还是处于一种用完即扔状况。资料[3]的调研数据（见图2）表明，有85%以上的中性笔在使用完后都是直接被丢弃的，由此带来了潜在的环境污染问题。

图2　中性笔使用完后的处理方式

2　废弃中性笔对环境的危害

制作中性笔笔杆的原料主要是均以耐老化、抗腐蚀著称的聚苯乙烯或者改良的聚苯乙烯塑料。聚苯乙烯俗称“硬胶”，是一种无定形高聚物，能溶于笨、甲苯及一些脂类等有机物，受阳光长时间照射会变色，但在自然条件下是无法通过生物分解和光分解降解[3]。聚苯乙烯的密度较低，容易漂浮在水面或者随风飘散，当水生生物误食此类塑料后，其消化系统会受到很大的伤害。改良的聚苯乙烯也有着类似于聚苯乙烯的性质。随意丢弃的塑料笔杆，在自然环境很难自行降解，而且在焚烧后会产生大量的一氧化碳、氯化物等有害气体，对生态环境和人体都会造成很大危害[7]。

中性笔的笔头由球珠和球座组成，常用的球座材料有不锈钢、镍白铜和铅黄铜等，尤其是铅黄铜以其低成本优势占了绝大多数。常用来制作球珠的材料有不锈钢、碳化钨、氧化锆和氧化铝等[6]。随着笔芯的随意丢弃，重金属污染也悄悄的潜入了人们的生活。其中铅就是一个重大的污染物，铅是一种严重危害人类健康的重金属，它能够与动物体内的一系列蛋白质、氨基酸等官能团结合，干扰生物体的生理功能，影响神经、造血、消化、生殖和免疫体统，尤其是严重伤害神经系统。随意丢弃的笔头在大自然的条件下会释放出重金属离子，污染生态环境，随着食物链的逐渐传递，最终会进入到人体中，进而危害人体健康[8]。

3　中性笔芯绿色设计

3.1绿色设计理念与技术

绿色设计也称生命周期设计或者生态设计，是指在产品的整个生命周期内着重考虑产品的环境属性，并将其作为设计目标，在满足产品的环境目标的同时，保证产品应有的功能、经济、质量和使用寿命的等要求[9]。绿色设计主要包括产品的材料选择设计、包装方案设计、可回收性设计设计和可拆卸性设计四个方面的内容，它包含了产品从概念的形成到生产制造再到使用直至废弃后的回收处理等各个阶段，即涉及了产品从摇篮开始的整个生命周期[9-11]。绿色设计以传统设计为设计基础，在结合了先进技术、考虑到经济性的基础上，将环境属性作为目标对传统设计的一种补充和完善，其设计流程如图3所示。

图3　绿色设计流程

3.2中性笔笔芯绿色设计

为了减少中性笔芯的浪费和污染，本文根据绿色设计方法，通过对影响笔芯寿命的原因的分析，发现笔芯的笔杆与笔头的连接方式是其最大的影响因素。因此，本文通过可拆卸式设计原则对笔芯进行了绿色设计和结构改进。

3.2.1设计原理

笔芯总共分为金属笔头和塑料笔杆两部分，笔头又包括了滚球、球座、笔尖套和引水纤维四部分。每一支笔芯的笔杆内所容纳的墨水是有限的，通常只有300 m的书写长度，笔芯最终会随着内装墨水的耗尽而被丢弃。因此为了延长笔芯的使用寿命，可以对将用完的笔芯再次注墨后使用。由于笔杆的上端部有密封油，要是从笔杆的上端部注墨必然会将密封油压入笔杆下端部而堵塞出墨口。因此，需要从笔杆的下端部为笔杆注墨，即把用完的笔芯的笔头和笔杆拆开，然后从两者的连接部位将墨水注入。

本文从方便笔头和笔杆拆卸的角度出发，对笔头和笔杆的连接方式进行了重新设计，将两者设计成可拆卸式的螺纹连接，使两者实现真正的独立。为了保证对笔杆内墨水的密封性能和对笔杆注墨后的清洁要求，对笔杆和笔头这两者的相互位置关系和相对尺寸也进行了改进设计。

3.2.2笔芯的设计结构

笔芯的结构如图4，笔杆和笔头的连接为密封螺纹连接，并且为了进一步保证两者连接处的密封性能，在笔杆与笔头连接的部分将笔杆的尺寸缩小，使笔杆内套在笔头中。该笔芯在笔杆与笔头连接部分的外表面上有圆柱管螺纹，并在笔头与之配合的内表面有同样的螺纹，两者通过密封螺纹紧密连接在一起。

由于笔芯还需要套在笔套中才利于书写，考虑到经济性，为了尽可能少的改变现有的笔套生产模具，并且使笔的尺寸能符合人机工程学原理，参考市场上中性笔笔芯及笔套的尺寸对笔芯的尺寸进行了改进设计，使其在满足所设计的结构的同时又能满足上述两个条件。

3.2.3笔芯的三维模型

为了更加直观的表达本设计，本文采用三维参数化设计软件进行实体建模，建立了笔芯的装配图，其效果如图5所示。通过对笔头与笔杆的连接方式的改进设计，使笔杆和笔头成为完全独立的两部分，不仅满足绿色设计中的可拆卸设计原则，而且由于延长了笔芯的使用寿命，减少了笔芯更新换代的速度，达到了节约资源的目的。

图5　笔芯装配图

3.3注墨墨水瓶的绿色设计

中性笔笔芯不同于钢笔，由于没有自吸功能，因此为了给中性笔芯注墨，就必须设计一个辅助的注墨器。考虑到注墨的方便性和经济性，单独设计一个注墨器是不现实的，因此，本设计采用了注墨器和墨水瓶一体设计的办法。根据绿色设计的设计方法，为了减少注墨墨水瓶的跟换速度，使注墨墨水瓶有着足够长的生命周期，并且考虑到产品的生产制造工艺性，注墨器和瓶身都选择强度高、使用寿命长且易于实现注塑成型的HDPE（高密度聚乙烯）。注墨墨水瓶的注墨器和瓶身通过密封螺纹连接，不仅可以实现两者的模块化生产而且当瓶内的墨水用完后可以将瓶回收加工处理后再次添墨，减少了对于原材料的消耗，符合可拆卸式设计和绿色回收设计原则。

3.3.1注墨机构

为了缩短产品的设计周期，采用联想创新设计方法来设计注墨机构。通过研究，发现洗发水有着和墨水类似的性质，因此借鉴洗发水瓶的出液方式，通过对几种出液方式的认真研究和对比，最终选择了按压式喷嘴结构[12]作为注墨机构，其结构图如图6。注墨机构主要由导液管、进液阀门、弹簧、排气阀门、活塞、出液管、储液筒等组成。它的工作原理和活塞式抽水机原理相同，即利用活塞的移动来排出储液筒里的空气，造成内外气压差，而使液体在气压作用下上升从出液管里排出管外。

图6　按压式喷嘴注墨机构

3.3.2注墨墨水瓶的总体结构及工作原理

注墨墨水瓶由墨水瓶和注墨机构两部分构成，墨水瓶为普通的圆柱体结构，而注墨机构则采用按压式喷嘴结构，具体结构如图7。当用手向下压出液管时，储液管内的弹簧被压缩，使得进液阀门（圆形的塑料球）向下关闭，同时由于活塞向下移动，而此时排气阀门（活塞下面的小孔）被打开，储液管里的墨水从出液管流出管外；当用松开时，弹簧恢复原来的自然状态，使得活塞向上移动，排气阀门关闭，进液阀门打开，在外界大气压的作用下，墨水从导液管通过进液阀门进入到储液管内。这样通过活塞在圆筒中运动，将墨水压出。

注墨机构的出墨口采用如图7所示的尖嘴结构，尖嘴小端直径小于笔杆的内径，而尖嘴的大端直径则大于笔杆的内径，注墨时将笔芯的笔头旋下，再将尖嘴插入到笔杆的内孔中，并通过尖嘴的大端给笔杆定位，使注墨机构的出墨口不会深入太多到笔杆中按压手柄，即可实施注墨动作，当笔杆注满墨水时，放松手柄，同时拔掉笔杆，由于瓶内气压下降，出墨口中的墨水将会自动流回瓶内而不会造成泄露，再将笔头旋上即可完成注墨。

3.3.3注墨墨水瓶的三维模型

为了更加直观的表达注墨墨水瓶的结构，本文采用三维参数化设计软件对注墨墨水瓶进行了实体建模，建立了注墨墨水瓶的装配图，如图8所示。

注墨墨水瓶是采用组合机构创新的设计方法设计的，注墨器和瓶身都有着非常成熟的生产工艺，因此易于实现生产制造。该墨水瓶一次能储存40 ml的墨水，可为笔芯注墨30多次，即相对于目前的一次性使用的中性笔来说，在不考虑笔头意外损坏的情况下，可减少30支笔芯的使用，这对于减少原材料的消耗及减少环境污染都是很有意义的。

图7　墨水瓶结构图

图8　注墨墨水瓶实体模型图

4　结语

本文对中性笔的组成进行了详细分析，介绍了其各零部件对环境造成的影响，并对中性笔难回收问题进行了探讨与原因分析，根据绿色设计的理念与方法，提出了一种笔芯结构的改进设计方案，将笔杆与笔头的连接设计为螺纹连接，使两者成为可拆卸连接，方便了笔芯的再次注墨使用和对损坏笔头的更换，从而延长了笔芯的寿命周期，减少了材料的消耗。按照绿色回收和可拆卸式设计原则，设计了一种配套的中性笔注墨墨水瓶，采用注墨器和墨水瓶一体化的设计，极大地方便了注墨，而且注墨器与墨水瓶也采用密封螺纹连接，可多次重复使用，这对保护生态环境具有积极的促进作用。

参考文献：

［1］徐学卿.中性笔的现状和发展前景［J］.中国制笔，2002（4）：28-29.

［2］段吉福，王小云.让中性笔真正成为适合书写中国汉字的硬笔［J］.中国制笔，2012（1）：12-19.

［3］佚名.关于废旧笔芯回收利用调研及应对方案［EB/OL］. http：// wenku.baidu.com / view / cf7eb437bed5b9f3f90f1 C9e.html，2014-4-15.

［4］李军.一次性笔芯，你扔了吗［EB/OL］. http：//www. yzhbw.net/news/shownews-7_12556.dot，2014-4-15.

［5］黄翔，严定先.废弃中性笔对环境的污染及治理措施初探［J］.污染防治技术，2009，22（6）：85-93.

［6］贺晨霞.中性墨水书写性能研究［D］.太原：太原理工大学，2012.

［7］董川.笔墨材料化学［M］.北京：科学出版社，2005.

［8］李睿奇.解剖圆珠笔［EB/OL］.中邮阅读，2013-3.

［9］贺志博.基于机械产品绿色设计的研究［J］.机电技术，2010（4）：136-138.

［10］禹韬，徐小明，张晓璐，等.机电产品绿色设计的研究［J］.机电工程技术，2013（4）：80-82.

［11］王建军.浅谈机械产品的绿色设计与制造技术［J］.华章，2007（9）：266.

［12］佚名.喷雾式香水瓶喷雾原理与洗发精瓶子出水原理简析与比较［EB/OL］. http：// www. docin. com / p-498361467.html.2014-4-20.

(编辑：阮毅)

Green Design Study of Gel Pen

BEI Guang-xia1，HE Sheng2，LIU Shi-hao2
（1. Engineering Training Center，Shan dong University of Science and Technology，Qingdao266590，China；2. College of the Mechanical and Electrical Engineering，Hainan University，Haikou570228，China）

Abstract:The problems of environmental pollution are increasingly serious with the widely use of Gel Pen，Gel Pen pollution has become a large white pollution as the same as the plastic bag . This paper analyzes the effects of various component and harm on environment of the abandoned Gel Pen，focusing on the structure of Gel pen，the research proposed a green design method . Through the redesign for the structure of Gel Pen，it is convenient to fill ink into the pen and to replace the damaged pen tip，which can extend the life of Gel Pen，reduce the waste of resources and environmental pollution，and realize the purpose of environmental protection.

Key words:gel pen；thread connection；ink injection bottle；environmental protection；green design

作者简介：第一贝广霞，女，1977年生，山东泰安人，硕士，实验师。研究领域：机械产品结构设计。已发表论文4篇。

收稿日期：2015－07－08

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 012

中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：1009－9492 ( 2015 ) 11－0043－04