貝廣霞，何　盛，劉世豪（.山東科技大學(xué)工程實訓(xùn)中心，山東青島　66590；.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南海口　5708）

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中性筆綠色設(shè)計研究**海南大學(xué)科研啟動基金項目（編號：kyqd1431）

貝廣霞1，何盛2，劉世豪2
（1.山東科技大學(xué)工程實訓(xùn)中心，山東青島266590；2.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南?？?70228）

摘要：隨著中性筆的推廣，由此帶來的環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重，“中性筆污染”已經(jīng)成為繼塑料袋之后的又一大白色污染。在分析廢棄中性筆各零部件對環(huán)境所帶來的影響及危害的基礎(chǔ)上，從中性筆本身的設(shè)計結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出了中性筆的綠色設(shè)計方案。通過對中性筆芯結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使筆桿和筆頭的連接為密封螺紋連接，大大延長了中性筆芯的使用壽命，達(dá)到節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境的目的。

關(guān)鍵詞：中性筆；螺紋連接；注墨墨水瓶；環(huán)境保護(hù)；綠色設(shè)計

0　引言

中性筆是指書寫介質(zhì)的粘度介于水性和油性之間的一類圓珠筆。中性筆起源于日本，1988年，日本PENTEL株式會社研制出了一種粘度介于圓珠筆油墨和鋼筆油墨之間的新型墨水，將其灌入圓珠筆中取名中性筆[1-2]。由于中性筆兼具了圓珠筆和鋼筆的優(yōu)點，已經(jīng)成功地取代了水性圓珠筆和鋼筆，成為了用戶首選的書寫工具。然而，由于中性筆是一次性使用的的，在內(nèi)裝墨水用完后后就會被丟棄，廢棄中性筆在自然環(huán)境下難以降解，對環(huán)境造成了極大的污染。而且制作中性筆的原料是塑料和金屬，這些都是可循環(huán)利用的材料，中性筆的大量丟棄帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。

為了解決中性筆對環(huán)境的污染問題，國內(nèi)有不少的研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對此做過研究，并提出了諸如減少中性筆的使用、建議政府出臺相關(guān)措施、使用可降解塑料制作中性筆等建議，也有一些相關(guān)發(fā)明專利試圖改變中性筆結(jié)構(gòu)來延長中性筆的壽命，但是由于這些建議或者發(fā)明的可操作性以及實用性不是很好，因此并沒有得到推廣。目前國內(nèi)現(xiàn)有文獻(xiàn)尚未對中性筆的污染現(xiàn)象及其改進(jìn)措施進(jìn)行系統(tǒng)和全面的論述，本文對中性筆的組成進(jìn)行了詳細(xì)研究，介紹了其各零部件對環(huán)境造成的影響，并對中性筆難回收問題進(jìn)行了探討與原因分析，以延長筆芯使用壽命為理念，提出了一種筆芯結(jié)構(gòu)的綠色設(shè)計方案，能有效地解決中性筆對環(huán)境的污染問題。

1　中性筆的使用現(xiàn)狀分析

中性筆在國內(nèi)的應(yīng)用范圍是極其廣泛的，從中性筆進(jìn)入國內(nèi)市場開始，其就以方便、流暢等書寫特點逐漸的占領(lǐng)了文具市場，并最終成功的取代了鋼筆、圓珠筆等傳統(tǒng)書寫工具，成為用筆人士的首選。有人曾對中性筆市場做過調(diào)研[3]，圖1是分別是2004-2010年中性筆產(chǎn)量與銷量的走勢圖。

圖1　中性筆產(chǎn)量與銷量

由圖1可看出，我國中性筆的產(chǎn)量和銷量逐年上升，到2010年就已經(jīng)達(dá)到150億支。而且我國是一個擁有十幾億人口的大國，自然也是中性筆的用筆大國，中性筆在我國的使用量是非常大的[4]。

中性筆筆芯由塑料筆桿和金屬筆頭組成，這些均可以再次回收利用，但是目前在國內(nèi)對于中性筆芯的處理還是處于一種用完即扔狀況。資料[3]的調(diào)研數(shù)據(jù)（見圖2）表明，有85%以上的中性筆在使用完后都是直接被丟棄的，由此帶來了潛在的環(huán)境污染問題。

圖2　中性筆使用完后的處理方式

2　廢棄中性筆對環(huán)境的危害

制作中性筆筆桿的原料主要是均以耐老化、抗腐蝕著稱的聚苯乙烯或者改良的聚苯乙烯塑料。聚苯乙烯俗稱“硬膠”，是一種無定形高聚物，能溶于笨、甲苯及一些脂類等有機(jī)物，受陽光長時間照射會變色，但在自然條件下是無法通過生物分解和光分解降解[3]。聚苯乙烯的密度較低，容易漂浮在水面或者隨風(fēng)飄散，當(dāng)水生生物誤食此類塑料后，其消化系統(tǒng)會受到很大的傷害。改良的聚苯乙烯也有著類似于聚苯乙烯的性質(zhì)。隨意丟棄的塑料筆桿，在自然環(huán)境很難自行降解，而且在焚燒后會產(chǎn)生大量的一氧化碳、氯化物等有害氣體，對生態(tài)環(huán)境和人體都會造成很大危害[7]。

中性筆的筆頭由球珠和球座組成，常用的球座材料有不銹鋼、鎳白銅和鉛黃銅等，尤其是鉛黃銅以其低成本優(yōu)勢占了絕大多數(shù)。常用來制作球珠的材料有不銹鋼、碳化鎢、氧化鋯和氧化鋁等[6]。隨著筆芯的隨意丟棄，重金屬污染也悄悄的潛入了人們的生活。其中鉛就是一個重大的污染物，鉛是一種嚴(yán)重危害人類健康的重金屬，它能夠與動物體內(nèi)的一系列蛋白質(zhì)、氨基酸等官能團(tuán)結(jié)合，干擾生物體的生理功能，影響神經(jīng)、造血、消化、生殖和免疫體統(tǒng)，尤其是嚴(yán)重傷害神經(jīng)系統(tǒng)。隨意丟棄的筆頭在大自然的條件下會釋放出重金屬離子，污染生態(tài)環(huán)境，隨著食物鏈的逐漸傳遞，最終會進(jìn)入到人體中，進(jìn)而危害人體健康[8]。

3　中性筆芯綠色設(shè)計

3.1綠色設(shè)計理念與技術(shù)

綠色設(shè)計也稱生命周期設(shè)計或者生態(tài)設(shè)計，是指在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)著重考慮產(chǎn)品的環(huán)境屬性，并將其作為設(shè)計目標(biāo)，在滿足產(chǎn)品的環(huán)境目標(biāo)的同時，保證產(chǎn)品應(yīng)有的功能、經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量和使用壽命的等要求[9]。綠色設(shè)計主要包括產(chǎn)品的材料選擇設(shè)計、包裝方案設(shè)計、可回收性設(shè)計設(shè)計和可拆卸性設(shè)計四個方面的內(nèi)容，它包含了產(chǎn)品從概念的形成到生產(chǎn)制造再到使用直至廢棄后的回收處理等各個階段，即涉及了產(chǎn)品從搖籃開始的整個生命周期[9-11]。綠色設(shè)計以傳統(tǒng)設(shè)計為設(shè)計基礎(chǔ)，在結(jié)合了先進(jìn)技術(shù)、考慮到經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，將環(huán)境屬性作為目標(biāo)對傳統(tǒng)設(shè)計的一種補(bǔ)充和完善，其設(shè)計流程如圖3所示。

圖3　綠色設(shè)計流程

3.2中性筆筆芯綠色設(shè)計

為了減少中性筆芯的浪費(fèi)和污染，本文根據(jù)綠色設(shè)計方法，通過對影響筆芯壽命的原因的分析，發(fā)現(xiàn)筆芯的筆桿與筆頭的連接方式是其最大的影響因素。因此，本文通過可拆卸式設(shè)計原則對筆芯進(jìn)行了綠色設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

3.2.1設(shè)計原理

筆芯總共分為金屬筆頭和塑料筆桿兩部分，筆頭又包括了滾球、球座、筆尖套和引水纖維四部分。每一支筆芯的筆桿內(nèi)所容納的墨水是有限的，通常只有300 m的書寫長度，筆芯最終會隨著內(nèi)裝墨水的耗盡而被丟棄。因此為了延長筆芯的使用壽命，可以對將用完的筆芯再次注墨后使用。由于筆桿的上端部有密封油，要是從筆桿的上端部注墨必然會將密封油壓入筆桿下端部而堵塞出墨口。因此，需要從筆桿的下端部為筆桿注墨，即把用完的筆芯的筆頭和筆桿拆開，然后從兩者的連接部位將墨水注入。

本文從方便筆頭和筆桿拆卸的角度出發(fā)，對筆頭和筆桿的連接方式進(jìn)行了重新設(shè)計，將兩者設(shè)計成可拆卸式的螺紋連接，使兩者實現(xiàn)真正的獨立。為了保證對筆桿內(nèi)墨水的密封性能和對筆桿注墨后的清潔要求，對筆桿和筆頭這兩者的相互位置關(guān)系和相對尺寸也進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。

3.2.2筆芯的設(shè)計結(jié)構(gòu)

筆芯的結(jié)構(gòu)如圖4，筆桿和筆頭的連接為密封螺紋連接，并且為了進(jìn)一步保證兩者連接處的密封性能，在筆桿與筆頭連接的部分將筆桿的尺寸縮小，使筆桿內(nèi)套在筆頭中。該筆芯在筆桿與筆頭連接部分的外表面上有圓柱管螺紋，并在筆頭與之配合的內(nèi)表面有同樣的螺紋，兩者通過密封螺紋緊密連接在一起。

由于筆芯還需要套在筆套中才利于書寫，考慮到經(jīng)濟(jì)性，為了盡可能少的改變現(xiàn)有的筆套生產(chǎn)模具，并且使筆的尺寸能符合人機(jī)工程學(xué)原理，參考市場上中性筆筆芯及筆套的尺寸對筆芯的尺寸進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，使其在滿足所設(shè)計的結(jié)構(gòu)的同時又能滿足上述兩個條件。

3.2.3筆芯的三維模型

為了更加直觀的表達(dá)本設(shè)計，本文采用三維參數(shù)化設(shè)計軟件進(jìn)行實體建模，建立了筆芯的裝配圖，其效果如圖5所示。通過對筆頭與筆桿的連接方式的改進(jìn)設(shè)計，使筆桿和筆頭成為完全獨立的兩部分，不僅滿足綠色設(shè)計中的可拆卸設(shè)計原則，而且由于延長了筆芯的使用壽命，減少了筆芯更新?lián)Q代的速度，達(dá)到了節(jié)約資源的目的。

圖5　筆芯裝配圖

3.3注墨墨水瓶的綠色設(shè)計

中性筆筆芯不同于鋼筆，由于沒有自吸功能，因此為了給中性筆芯注墨，就必須設(shè)計一個輔助的注墨器?？紤]到注墨的方便性和經(jīng)濟(jì)性，單獨設(shè)計一個注墨器是不現(xiàn)實的，因此，本設(shè)計采用了注墨器和墨水瓶一體設(shè)計的辦法。根據(jù)綠色設(shè)計的設(shè)計方法，為了減少注墨墨水瓶的跟換速度，使注墨墨水瓶有著足夠長的生命周期，并且考慮到產(chǎn)品的生產(chǎn)制造工藝性，注墨器和瓶身都選擇強(qiáng)度高、使用壽命長且易于實現(xiàn)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過密封螺紋連接，不僅可以實現(xiàn)兩者的模塊化生產(chǎn)而且當(dāng)瓶內(nèi)的墨水用完后可以將瓶回收加工處理后再次添墨，減少了對于原材料的消耗，符合可拆卸式設(shè)計和綠色回收設(shè)計原則。

3.3.1注墨機(jī)構(gòu)

為了縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，采用聯(lián)想創(chuàng)新設(shè)計方法來設(shè)計注墨機(jī)構(gòu)。通過研究，發(fā)現(xiàn)洗發(fā)水有著和墨水類似的性質(zhì)，因此借鑒洗發(fā)水瓶的出液方式，通過對幾種出液方式的認(rèn)真研究和對比，最終選擇了按壓式噴嘴結(jié)構(gòu)[12]作為注墨機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖6。注墨機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)液管、進(jìn)液閥門、彈簧、排氣閥門、活塞、出液管、儲液筒等組成。它的工作原理和活塞式抽水機(jī)原理相同，即利用活塞的移動來排出儲液筒里的空氣，造成內(nèi)外氣壓差，而使液體在氣壓作用下上升從出液管里排出管外。

圖6　按壓式噴嘴注墨機(jī)構(gòu)

3.3.2注墨墨水瓶的總體結(jié)構(gòu)及工作原理

注墨墨水瓶由墨水瓶和注墨機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成，墨水瓶為普通的圓柱體結(jié)構(gòu)，而注墨機(jī)構(gòu)則采用按壓式噴嘴結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖7。當(dāng)用手向下壓出液管時，儲液管內(nèi)的彈簧被壓縮，使得進(jìn)液閥門（圓形的塑料球）向下關(guān)閉，同時由于活塞向下移動，而此時排氣閥門（活塞下面的小孔）被打開，儲液管里的墨水從出液管流出管外；當(dāng)用松開時，彈簧恢復(fù)原來的自然狀態(tài)，使得活塞向上移動，排氣閥門關(guān)閉，進(jìn)液閥門打開，在外界大氣壓的作用下，墨水從導(dǎo)液管通過進(jìn)液閥門進(jìn)入到儲液管內(nèi)。這樣通過活塞在圓筒中運(yùn)動，將墨水壓出。

注墨機(jī)構(gòu)的出墨口采用如圖7所示的尖嘴結(jié)構(gòu)，尖嘴小端直徑小于筆桿的內(nèi)徑，而尖嘴的大端直徑則大于筆桿的內(nèi)徑，注墨時將筆芯的筆頭旋下，再將尖嘴插入到筆桿的內(nèi)孔中，并通過尖嘴的大端給筆桿定位，使注墨機(jī)構(gòu)的出墨口不會深入太多到筆桿中按壓手柄，即可實施注墨動作，當(dāng)筆桿注滿墨水時，放松手柄，同時拔掉筆桿，由于瓶內(nèi)氣壓下降，出墨口中的墨水將會自動流回瓶內(nèi)而不會造成泄露，再將筆頭旋上即可完成注墨。

3.3.3注墨墨水瓶的三維模型

為了更加直觀的表達(dá)注墨墨水瓶的結(jié)構(gòu)，本文采用三維參數(shù)化設(shè)計軟件對注墨墨水瓶進(jìn)行了實體建模，建立了注墨墨水瓶的裝配圖，如圖8所示。

注墨墨水瓶是采用組合機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的設(shè)計方法設(shè)計的，注墨器和瓶身都有著非常成熟的生產(chǎn)工藝，因此易于實現(xiàn)生產(chǎn)制造。該墨水瓶一次能儲存40 ml的墨水，可為筆芯注墨30多次，即相對于目前的一次性使用的中性筆來說，在不考慮筆頭意外損壞的情況下，可減少30支筆芯的使用，這對于減少原材料的消耗及減少環(huán)境污染都是很有意義的。

圖7　墨水瓶結(jié)構(gòu)圖

圖8　注墨墨水瓶實體模型圖

4　結(jié)語

本文對中性筆的組成進(jìn)行了詳細(xì)分析，介紹了其各零部件對環(huán)境造成的影響，并對中性筆難回收問題進(jìn)行了探討與原因分析，根據(jù)綠色設(shè)計的理念與方法，提出了一種筆芯結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計方案，將筆桿與筆頭的連接設(shè)計為螺紋連接，使兩者成為可拆卸連接，方便了筆芯的再次注墨使用和對損壞筆頭的更換，從而延長了筆芯的壽命周期，減少了材料的消耗。按照綠色回收和可拆卸式設(shè)計原則，設(shè)計了一種配套的中性筆注墨墨水瓶，采用注墨器和墨水瓶一體化的設(shè)計，極大地方便了注墨，而且注墨器與墨水瓶也采用密封螺紋連接，可多次重復(fù)使用，這對保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有積極的促進(jìn)作用。

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(編輯：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

作者簡介：第一貝廣霞，女，1977年生，山東泰安人，碩士，實驗師。研究領(lǐng)域：機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計。已發(fā)表論文4篇。

收稿日期：2015－07－08

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

中圖分類號：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009－9492 ( 2015 ) 11－0043－04