张春青 田瑶 刘万辉

基金项目：本文是河北省大中学生科技创新能力培育专项任务研究成果之一（项目编号：2021H020805）。

作者簡介：张春青（1983—），女，硕士，讲师，研究方向为创新创业教育。

摘  要：针对现有绘画笔不能便捷补水的问题，该文运用TRIZ理论中的因果链分析建立问题因果链，找出关键问题中存在的矛盾，利用时间分离原理及阿奇舒勒矛盾矩阵分析得出关键问题的解决方案，通过对所有技术方案进行梳理，确定最终设计方案并进行画笔加工制作。该研发的绘画笔补水便捷，内置引水芯可实现自动补液，绘画使用时长较普通绘画笔可提高5～10倍。

关键词：绘画笔   TRIZ理论   引水芯   便捷补水

中图分类号： TH133            文献标识码：A               文章编号：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： In view of the problem that the existing painting brush can not replenish water conveniently， this paper uses the causal chain analysis in TRIZ theory to establish the problem causal chain， find out the contradictions existing in the key problems， use the Time separation principle and archischuler contradiction matrix to analyze the solutions to the key problems， sort out all technical schemes， determine the final design scheme and process the brush.The developed painting pen is convenient to replenish water. The built-in water diversion core can realize automatic replenishment. The use time of painting can be increased by 5-10 times compared with ordinary painting pens.

Key Words： Painting pen; TRIZ theory; Water diversion core; Convenient water replenishment

现今市场上使用的水彩笔、马克笔、记号笔等大多数绘画笔不能便捷补水，使用者只能用完即弃，但其笔本身相关的配件几乎完好，大量丢弃的绘画笔不仅引起资源浪费，增加使用成本，同时产生的塑料垃圾也严重污染了生活环境[1]。该文通过TRIZ理论系统的对问题进行分析，得到问题解决方案，所研发的儿童绘画笔可实现便捷补水，便于绘画者反复使用，减少资源浪费，有利于环境保护[2]。TRIZ理论是一套发明问题解决理论，是根里奇·阿奇舒勒领导的团队在研究世界各地250万份高水平专利的基础上，综合多学科领域的创新原理和方法而得出的理论体系[3]。

1  问题描述

水彩笔、马克笔、记号笔等绘画笔结构基本由笔壳、封堵、笔舌、笔头、引水芯、笔盖6个组件组成，项目团队对298人（包括普通家庭及绘画培训机构人员）进行画笔使用问题问卷调研，85.58%的受访者认为不能补水为现有绘画笔的主要问题。对该问题进行描述，绘画笔尾部封堵和笔壳连接牢固，使用者很难打开，如果强行拆开画笔，会造成笔的外观和本身损坏，而且即使打开封堵进行补水操作，补充液加注过程很容易泄漏，造成一片狼藉。

2  发明问题初始形势分析

2.1 系统的工作原理

绘画笔系统组件连接形式为笔壳上下分别与封堵及笔头连接，笔舌固定于笔头上，绘画笔内部有引水芯，笔舌尾部部分插入引水芯内。绘画使用时，笔舌接触纸张进行绘画，随绘画或书写长度的增加，引水芯内部补充液会逐渐减少，直至消化殆尽。如进行绘画笔补水，需将画笔尾部封堵打开，将瓶装补充液加注至引水芯内，装上封堵后绘画笔重复使用。

2.2 存在主要问题

2.2.1 绘画笔尾部封堵不易打开

通常绘画笔补水操作是应先拆除画笔尾部封堵，后进行补充液添加。团队成员在拆卸封堵试验过程，发现封堵拆卸非常困难，需借助小刀等工具方可强制打开，且拆卸后笔壳及封堵组件受到损伤。绘画笔加完补充液回装封堵过程，由于笔壳和封堵配合面在拆卸时受到损伤，往往安装需要加胶水黏合，整个拆卸与安装操作繁琐，同时回装后的画笔外观受损。

2.2.2 绘画笔补液发生泄漏

绘画笔拆卸掉封堵后进行补水操作，操作过程需一手垂直握住绘画笔，一手持补液瓶并对准笔壳内的引水芯，将补充液滴至绘画笔的引水芯上，滴注过程由于不知道是否已加满，通常等到画笔笔舌处漏液时停止补液操作。操作后补液人员往往手上沾满补充液，操作台上狼藉一片。

2.3 限制条件

2.3.1 封堵不易打开限制条件

项目团队成员对不同类型绘画笔进行拆卸实验，发现不易拆卸主要原因为封堵与笔壳连接太紧。经查阅相关资料，存在儿童吞咽封堵零件导致窒息危险情况，同时绘画笔引水芯内的存储液含有一定量的可溶性重金属元素，若儿童拆卸误食引水芯易对人体产生中毒危害。

2.3.2 补液发生泄漏限制条件

经项目团队成员多次进行绘画笔补液操作，发现如果加注速度过快，绘画笔会发生漏液;也发现由于不能观察到是否已加满，每次需要等待笔舌漏液方可停止补液，此时漏液即代表已补液完成。

2.4 目前解决方案分析

查阅大量相关专利资源，对于绘画笔不能便捷补液，总结现有技术主要有以下两种：

（1）笔内设计有墨囊，当引水芯无液时按压墨囊补液，而墨囊无液时需进行墨囊更换;

具有代表性专利名称：新型水彩笔（专利号：ZL201120379524.8）仍存在的问题和不足：墨囊体积小，存放补充液有限，专利提出墨囊无液时需更换墨囊，由于墨囊补充液存放量小导致更换频繁，成本增加。同时该专利未考虑儿童能够拆卸因素，易发生儿童安全问题。

（2）带有可拆卸式注墨装置，绘画笔无液时通过特殊注墨装置进行补液。具有代表性专利名称：一种水彩笔（专利号：ZL201420404704.0）仍存在的问题和不足：该专利水彩笔涉及16个组件，结构较复杂，特别是绘画笔尾部需安装单向阀，对阀门开关性能及寿命要求较高，绘画笔整体成本较高。补液过程由于不能掌握补液量，也易发生补充液从笔舌处泄漏。

3  系统分析

经过对绘画笔主要存在问题进行初始形势分析，研究人员找到了普通绘画笔存在补水不便捷这个主要问题，同时分析出了这个问题主要体现在封堵连接牢固不易打开和补液时发生泄露这两个方面。

该团队运用TRIZ理论中的因果链分析建立如下因果链。因果链是TRIZ理论中用于分析问题原因的一个重要工具[4]。

4  TRIZ工具

4.1 使用基于时间分离的物理矛盾分析解决关键问题1

关键问题1：如何轻松打开封堵，同时保障儿童使用安全。分析该问题存在的矛盾，绘画笔封堵连接需要容易打开，因为容易打开便于进行补水;但是，绘画笔封堵连接需要不易打开，因为儿童使用时要求安全性。运用TRIZ工具解决封堵问题可以将其描述为以上典型的物理矛盾[5]。

我们也可将关键问题1描述为如下物理矛盾：当家长为绘画笔补水时，需要封堵容易打开，因为补水需要便捷操作;但是当儿童使用绘画笔时，需要封堵不易打开，因为要避免儿童拆卸画笔保障儿童安全。

基于时间分离来解决这个物理矛盾，可以尝试的发明原理有：发明原理9：预先反作用;发明原理10：预先作用;发明原理11：事先预防;发明原理15：动态特性;发明原理34：抛弃或再生。

结合绘画笔封堵实际，采用发明原理15：动态特性，将封堵和笔壳连接变为可动连接，可得到以下解决方案。

方案1：将封堵和笔壳连接改为螺纹连接，变为可动，从而解决打开不方便的问题。同时，增加拆卸专用扳手，提高安全系数，避免儿童误操作。

方案2：封堵和笔壳连接改为锁扣连接，变为可动，家长通过专用钥匙轻松打开封堵实现便捷补液。

4.2 基于阿奇舒勒矛盾矩阵分析解决关键问题2

关键问题2：如何实现补液时不发生泄漏，同时提高补液速度。分析该问题存在的矛盾，如果提高绘画笔补液时补液速度，那么补液效率会提升，但是补液时会发生泄漏。该问题也为典型的技术矛盾。

根据TRIZ理论，通过运用技术矛盾来解决明显问题[6]。

技术矛盾中有技术矛盾-1和技术矛盾-2，我们用阿奇舒勒矛盾矩阵中所定义的39个工程参数来进行描述，确定“改善参数”——No.23物质损失与“恶化参数”——No.39生产率，查询出对应的发明原理有：发明原理28：机械系统替代;发明原理35：物理或化学参数改变;发明原理10：预先作用;发明原理23：反馈。

结合绘画笔补液操作与引水芯结构实际，采用发明原理10——预先作用，预先安置补充液，补液操作时补水速度不受引水芯吸附力制约，可得到以下解决方案。

在绘画笔壳内，安装类似漏斗部件，漏斗出口端（口徑特殊设计保障流速低于引水芯吸附速度）插入引水芯上方。补水时打开封堵，将补液瓶内的补充液快速挤入漏斗内，补充液依靠重力慢速流入引水芯内。

5 全部技术方案及评价

（1）方案1：将封堵和笔壳连接改为螺纹连接，拆装封堵时需应用专用扳手。

方案评价：该方案结构设计简单，绘画笔需要补液时家长拿专用工具可轻松打开封堵，儿童绘画时由于没有专用工具无法打开，保障了使用安全性。

（2）方案2：将封堵和笔壳连接改为锁扣连接，拆装封堵时需专用钥匙。

方案评价：能够实现家长轻松打开封堵，儿童使用安全，但封堵和笔壳锁扣结构相对较复杂。

（3）方案3：笔壳内安装漏斗部件，快速补液后补充液依靠重力流入引水芯内。

方案评价：可实现补液瓶中补充液快速加入绘画笔，同时不发生补充液泄漏，但需等待漏斗内的补充液慢速流入引水芯后完成补液操作。

（4）方案4：在引水芯外设置补液腔，使用引水纤维线连接引水芯和补液腔。

方案评价：补液腔由于不受引水芯吸附力限制，可快速补液，由于采用了引水纤维线特殊结构设计，实现绘画笔放置或使用过程中引水芯可自动补水，设计巧妙，且补液腔储液量大，绘画笔耐用性提高。

（5）方案5：针对因果链分析关键问题3，将引水芯容量注明于笔壳上，加注时定量加注，避免加注过多导致漏液。

方案评价：对制笔厂家提出了新要求，可实现定量加注，避免漏液。

（6）方案6：针对因果链分析关键问题4，笔壳采用透明材质。

方案评价：笔壳透明，方便补液操作过程观察内部状态。

（7）专利预案。

经综合考虑，项目团队决定采用方案1、方案4和方案6组合。绘画笔封堵与笔壳螺纹连接，通过专用扳手拆装，保障便捷拆装性与安全性，绘画笔设计有补液腔，引水芯与补液腔分离，通过海绵块、引水纤维线建立连接，实现引水芯补水。

6  最终确定方案

采用方案1、方案4和方案6组合方式，确定方案如下：绘画笔透明笔壳的一端设有封堵，另一端设有笔头，内部设有引水芯和引水芯腔筒，引水芯安装在引水芯腔筒内，引水芯腔筒的一端与透明笔壳的底部一体成型固定密封连接，引水芯腔筒的外壁与所述透明笔壳的内壁形成补液腔，引水芯腔的另一端连接有海绵块，海绵块与补液腔连通，海绵块上设有若干引水纤维线，引水纤维线与引水芯连接;在实际使用情景中，引水芯与海绵块通过吸水纤维线连接，引水芯中水分不足时通过纤维线吸附海绵块中的补充液，实现自动补水;绘画笔使用过程中通过晃动或颠倒运动可实现海绵块蓄水，进而实现引水芯吸附补水;绘画笔使用过程应用吸附吸水原理自动向引水芯补水，补液腔和引水芯都无水时，可打开尾部封堵，将补充液直接手动加注至补液腔，方便快捷;补液腔和引水芯双存液结构，绘画笔使用时间大大提高;笔壳透明结构便于观察补充液剩余情况，同时使用者在绘画过程观察补充液，增加了使用趣味性。

7 结论

该项目具有以下优势。

（1）该项目研究的新型便捷补水耐用绘画笔具有补液腔和引水芯双存液结构，绘画笔使用时间大大提高。

（2）该绘画笔改变常规加注补水方式，绘画使用过程应用吸附吸水原理由补液腔经海绵块及吸水纤维线自动向引水芯补水。

（3）笔壳补液腔和引水芯无水时，可通过专用扳手打开笔壳尾部封堵，将补充液直接加注至补液腔，补液方便快捷兼具使用安全性。

（4）画笔笔壳透明，使用者可以随时观察颜料剩余情况，增加画笔使用的趣味性。

（5）绘画笔可循环使用，节约资源，保护环境，有效降低绘画笔使用成本。

参考文献

[1] 国家发展改革委，生态环境部.《关于进一步加强塑料污染治理的意见》明确禁塑、限塑期限[J].中国造纸，2020，39（2）：52.

[2] 冯玉红，姚文清，尚超男，等.一次性塑料制品污染防治的法律法规及检测标准研究进展[J].中国塑料， 2021，35（8）：55-63.

[3] 祝志芳，袁斯宾，张志杰，等.基于TRIZ理论的自行车停车装置创新设计与试制[J].机械设计与制造，2021（6）：258-261.

[4] 左斌，陈艳军.基于TRIZ理論的采摘执行器创新设计[J].中国农机化学报，2021，42（4）：22-27.

[5] 黄春萍，郭刚.基于TRIZ理论夹具创新设计思想[J].科技创新导报，2017，14（11）：188-189，191.

[6] 黄南概，黄景明，徐国华，等.TRIZ理论技术矛盾的实践应用——便携式X射线机组合机头的分析与改进[J].科技创新导报，2018，15（8）：90-91.

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