圆珠笔的合成工艺和加工成型报告

上海大学上海大学 课程报告课程报告 报告题目报告题目 圆珠笔的合成工艺和加工成型圆珠笔的合成工艺和加工成型 课程名称 高分子成型和加工课程名称 高分子成型和加工 组长组长 12122367 葛鑫进葛鑫进 组员 组员 12122398 汪頔汪頔 12121398 庞圣杰庞圣杰 12121586 曹志强曹志强 12123158 王伟王伟 12122793 王雲王雲 12122872 黄侃黄侃 12123220 曾庆杰曾庆杰 12122948 方圆方圆 12123027 闫霄闫霄 目录目录 1 前言 前言 2 原料 原料 2 1 圆珠笔外壳原料的性能要求圆珠笔外壳原料的性能要求 2 1 1 力学性能的要求力学性能的要求 2 1 2 热性能的要求热性能的要求 2 1 3 成型加工工艺要简单方便成型加工工艺要简单方便 2 2 六种原料的比较六种原料的比较 2 2 1 六种材料的性能的比较六种材料的性能的比较 2 2 2 六种材料的价格比较六种材料的价格比较 2 2 3 综合比较综合比较 2 2 4 小结小结 3 原料 原料 PP 聚合工艺 聚合工艺 3 1 淤浆法工艺淤浆法工艺 3 2 溶液法工艺溶液法工艺 3 3 本体法工艺本体法工艺 3 4 本体法本体法 气相法组合工艺气相法组合工艺 3 5 气相法聚丙烯工艺气相法聚丙烯工艺 4 圆珠笔笔杆成型加工工艺 圆珠笔笔杆成型加工工艺 4 1 PPPP 作为圆珠笔原材料工艺条件作为圆珠笔原材料工艺条件 4 24 2 圆珠笔笔杆的加工工艺圆珠笔笔杆的加工工艺 4 2 1 1 充模阶段充模阶段 4 2 2 2 增密阶段增密阶段 4 2 3 3 保压阶段保压阶段 4 2 4 4 冷却阶段冷却阶段 5 5 总结 总结 1 前言 前言 圆珠笔是近数十年来风行世界的一种书写工具 它具有结构简单 携带方便 书写润 滑 且适宜于用来复写等优点 因而 从学校的学生到写字楼的文职人员等各界人士都乐 于使用 圆珠笔与自来水笔不同 由于它使用的是干稠性油墨 油墨又是依靠笔头上自由 转动的钢珠带出来转写到纸上 因此不渗漏 不受气侯影响 并且书写时间较长 省去了 需经常灌注墨水的麻烦 圆珠笔的书写原理 主要是利用球珠在书写时与纸面直接接触产 生摩擦力 使圆珠在球座内滚动 带出笔芯内的油墨或墨水 以达到书写的目的 圆珠笔的制作过程有四步 制作塑料成型模具 注塑机加工各零部件 组 装各零件 包装 制作模具是很复杂的 需要大量的计算 圆珠笔主要是由笔帽 笔筒 笔 芯三部分组成 制作圆珠笔时需要这 3 部分的精密模具 我们在找了很多的关 于圆珠笔模具的资料 笔筒模具设计首先需要确定好原材料 如是用 ABS 还是 PP 作为原材料 同是选好加工成型用的注塑机 再然后设计模具 2 原料 原料 2 1 圆珠笔外壳原料的性能要求圆珠笔外壳原料的性能要求 2 1 1 力学性能的要求力学性能的要求 虽然笔外壳对力学性能上的要求不是很高 但是还是需要具有一定的 力学强度 1 最重要的是刚性要优良 刚度大 2 具有一定的冲击强度 在生活中有很多人喜欢转笔 不经意间笔就 会掉落在地上 为了防止笔摔落在地上后断开或是出现裂纹 所以笔外壳需要 一定的抗冲击性能 3 具有一定的摩擦性能 我们在使用笔书写时必须得让手握紧笔为了 防止在我们握紧笔时 笔杆在手中滑动 所以笔外壳需要具有一定的摩擦性能 这样才能更好地方便书写 4 具有一定的硬度 在我们握紧笔书写时 不会折断笔 2 1 2 热性能的要求热性能的要求 1 具有一定的耐热性 热变形温度应该在 50 以上 2 具有一定的耐寒性 脆化温度应该高于 20 以上 2 1 3 成型加工工艺要简单方便成型加工工艺要简单方便 网上资料的搜索 市场上存在着 PP PC HDPE ABS PVC PS 这六 种高分子材料制作的圆珠笔外壳 2 2 六种原料的比较六种原料的比较 2 2 1 六种材料的性能的比较六种材料的性能的比较 2 2 2 六种材料的价格比较六种材料的价格比较 2 2 3 综合比较综合比较 PP 性能优良 价格便宜 来源比较广泛 可以做不透明的圆珠笔外壳 PC 的价格太高 如果作为制作圆珠笔的外壳 会提高成本 因此 PC 只能制作中高 档的透明圆珠笔外壳 HDPE 抗冲击性能高于 PP 外 其他绝大多数性能都不如 PP 而且价格高于 PP 所 以一般不会选择 HDPE 做圆珠笔的外壳 ABS 高度透明 性能较好 价格和 PS 差不多 所以 AS 可以取代 PS 制作透明的 圆珠笔外壳 PVC 卫生性不好 老化后的氯乙烯单体会对人体有害 虽然它的价格较为便宜 但 是还是不适合制作圆珠笔的外壳 2 2 4 小结小结 综上所述 一般适合选用 PP 作为原材料 而 PP 的聚合工艺按聚合类型可分为溶液 法 淤浆法 本体法和气相法和本体法 气相法组合工艺 5 大类 以下以 PP 为例 讨论原 料聚合工艺 3 原料 原料 PP 聚合工艺 聚合工艺 3 1 淤浆法工艺淤浆法工艺 淤浆法工艺 Slurry Process 又称浆液法或溶剂法工艺 是世界上最早用于生产聚丙 烯的工艺技术 从 1957 年第一套工业化装置一直到 20 世纪 80 年代中后期 淤浆法工艺在 长达 30 年的时间里一直是最主要的聚丙烯生产工艺 典型工艺主要包括意大利的 Montedison 工艺 美国 Hercules 工艺 日本三井东压化学工艺 美国 Amoco 工艺 日本三 井油化工艺以及索维尔工艺等 这些工艺的开发都基于当时的第一代催化剂 采用立式搅 拌釜反应器 需要脱灰和脱无规物 因采用的溶剂不同 工艺流程和操作条件有所不同 近年来 传统的淤浆法工艺在生产中的比例明显减少 保留的淤浆产品主要用于一些高价 值领域 如特种 BOPP 薄膜 高相对分子质量吹塑膜以及高强度管材等 目前世界淤浆法 PP 的生产能力约占全球 PP 总生产能力的 13 3 2溶液法工艺溶液法工艺 溶液法生产工艺是早期用于生产结晶聚丙烯的工艺路线 由 Eastman 公司所独有 该 工艺采用一种特殊改进的催化剂体系 锂化合物 如氢化锂铝 来适应高的溶液聚合温度 催化剂组分 单体和溶剂连续加入聚合反应器 未反应的单体通过对溶剂减压而分离循环 额外补充溶剂来降低溶液的粘度 并过滤除去残留催化剂 溶剂通过多个蒸发器而浓缩 再通过一台能够除去挥发物的挤压机而形成固体聚合物 固体聚合物用庚烷或类似的烃萃 取进一步提纯 同时也除去了无定形聚丙烯 取消了使用乙醇和多步蒸馏的过程 主要用 于生产一些与浆液法产品相比模量更低 韧性更高的特殊牌号产品 该方法工艺流程复杂 且成本较高 聚合温度高 加上由于采用特殊的高温催化剂使产品应用范围有限 目前已 经不再用于生产结晶聚丙烯 3 3本体法工艺本体法工艺 本体法生产工艺按聚合工艺流程 可以分为间歇式聚合工艺和连续式聚合工艺两种 1 间歇本体法工艺 间歇本体法聚丙烯聚合技术是我国自行研制开发成功的生产技术 它具有生产工艺技术可靠 对原料丙烯质量要求不是很高 所需催化剂国内有保证 流程 简单 投资省 收效快 操作简单 产品牌号转换灵活 三废少 不足之处是生产规模小 难以产生规模效益 装置手工操作较多 间歇生产 自动化控制水平低 产品质量不稳定 原料的消耗定额较高 产品的品种牌号少 档次不高 用途较窄 2 连续本体法工艺 该工艺主要包括美国 Rexall 工艺 美国 Phillips 工艺以及日本 Sumitimo 工艺 3 4本体法本体法 气相法组合工艺气相法组合工艺 本体法 气相法组合工艺主要包括巴塞尔公司的 Spheripol 工艺 日本三井化学公司的 Hypol 工艺 北欧化工公司的 Borstar 工艺等 1 Spheripol 工艺 Spheripol 工艺由巴塞尔 Basell 聚烯烃公司开发成功 该技术自 1982 年首次工业化以来 是迄今为止最成功 应用最为广泛的聚丙烯生产工艺 Spheripol 工艺是一种液相预聚合同液相均聚和气相共聚相结合的聚合工艺 工艺采用高效催化剂 生 成的 PP 粉料粒度其催化剂生产的粉料呈园球形 颗粒大而均匀 分布可以调节 既可宽 又可窄 可以生产全范围 多用途的各种产品 其均聚和无规共聚产品的特点是净度高 光学性能好 无异味 2 Hypol 工艺 Hypol 工艺由日本三井化学公司于 20 世纪 80 年代初期开发成功 该工 艺采用 HY HS II 催化剂 TK II 是一种多级聚合工艺 它把本体法丙烯聚合工艺的优点 同气相法聚合工艺的优点融为一体 是一种不脱灰 不脱无规物能生产多种牌号聚丙烯产 品的组合式工艺技术 该工艺与 Spheripol 工艺技术基本相同 主要区别在于 Hypol 工艺中 均聚物不能从气相反应器旁路排出 部分从高压脱气罐来的闪蒸气被打回到气相反应器 生产均聚物时 第一气相反应器实际上也起闪蒸作用 气相反应器是基于流化床和搅拌 刮板 容器特殊设计的 反应器在生产抗冲击性共聚物时 无污垢 不需要清洗 在生 产均聚物期间 气相反应器又可用做终聚合釜 提高了生产能力 而且气相反应器操作灵 活 可生产乙烯含量 25 的抗冲击性共聚物 3 Borstar 工艺 Borealis 公司 北欧化工 的 Borstar 工艺 北星双峰 PP 工艺是 1998 年 才开发成功的 PP 新型生产工艺 该工艺源于北星双峰聚乙烯工艺 工艺采用与北星双峰 聚乙烯工艺相同的环管和气相反应器 设计基于 Z N 催化剂 也能使用正在中试中的单活 性中心催化剂 传统的聚丙烯工艺在丙烯的临界点以下进行聚合反应 为防止轻组分 如 氢气 乙烯 和惰性组分生成气泡 聚合温度控制在 70 80 北星双峰聚丙烯工艺的环 管反应器则可在高温 85 95 或超过丙烯超临界点的条件下操作 聚合温度和压力都很 高 能够防止气泡的形成 这是唯一一个超临界条件下聚合的聚丙烯工艺 双峰高温工艺 的北星双峰聚丙烯技术的主要特点可以概括为 先进的催化剂技术 聚合反应条件宽 产 品范围宽 产品性能优异 3 5 气相法聚丙烯工艺气相法聚丙烯工艺 目前 世界上气相法 PP 生产工艺主要有 BP 公司的 Innovene 工艺 Chisso 工艺 联碳 公司的 Unipol 工艺 BASF 公司的 Novolen 工艺以及住友化学公司的 Sumitomo 工艺等 Innovene 工艺工艺又名 BP Amoco 工艺 工艺的主要特点是采用独特的接近活塞流的卧式 搅拌床反应器 用这种独特的反应器 因颗粒停留时间分布范围很窄 可以生产刚性和抗 冲击性非常好的共聚物产品 这种接近平推流的反应器可以避免催化剂短路 当有乙烯存 在时 可以生成大颗粒共聚物 而不是在均聚物颗粒内生成细粉 这些细粉将降低共聚物 的低温冲击强度 并形成不必要的胶状体 因此 该工艺很窄的反应停留时间分布可以实 现用多个全混反应釜均聚反应器才能生产的高抗冲共聚物的要求 另外 由于这种独特的 反应器设计 该工艺的产品过渡时间很短 理论上产品的过度时间要比连续搅拌反应器或 流化床反应器短 2 3 因而产品切换容易 过渡产品很少 4 圆珠笔笔杆成型加工工艺 圆珠笔笔杆成型加工工艺 4 4 1 PPPP 作为圆珠笔原材料工艺条件作为圆珠笔原材料工艺条件 干燥处理 如果储存适当则不需要干燥处理 熔化温度 220 275 注意不要超过 275 模具温度 40 80 建议使用 50 结晶程度主要由模具温度决定 注射压力 可大到 1800bar 注射速度 通常 使用高速注塑可以使内部压力减小到最小 如果制品表面出现了缺 陷 那么应使用较高温度下的低速注塑 流道和浇口 对于冷流道 典型的流道直径范围是 4 7mm 建议使用通体为圆形的注 入口和流道 所有类型的浇口都可以使用 典型的浇口直径范围是 1 1 5mm 但也可以使 用小到 0 7mm 的浇口 对于边缘浇口 最小的浇口深度应为壁厚的一半 最小的浇口宽度 应至少为壁厚的两倍 PP 材料完全可以使用热流道系统 4 24 2 圆珠笔笔杆的加工工艺圆珠笔笔杆的加工工艺 圆珠笔笔杆的加工主要包括充模阶段 增密阶段 保压阶段和冷却阶段 每个阶段所 需压力各有不同 熔体流动情况也有所不同 4 2 14 2 1 充模阶段充模阶段 PP 在注塑机机筒内经预塑受热熔融 注塑开始 螺杆头部产生注塑压力到熔体充满 模腔这一阶段是在动压作用下的高压高速充模过程 此时高温熔体在模腔内的流动情况很 大程度上决定着制品表面质量和物理性能 而熔体流动情况是受注塑压力和熔体自身影响 的 当注塑压力过低时 熔体进入模腔缓慢 紧贴在模腔内壁表面的那一层熔体会因温度 急速下降而使粘度增高凝固 并很快向中心波及 使熔体的流动通道在很短时间内变得十 分狭窄 大大削弱了进入模腔的熔体流量 结果使制品表面出现波纹 缺料 气泡 当注 塑压力过高时 熔体充模过快 在浇口附近以湍流形式进入模腔 且发生自由喷射 模腔 内气体来不及排出 于是制品表面呈现云雾斑等缺陷 制品脱模残余应力大 易产生飞边 使脱模困难 虽然高的注塑压力在注塑过程中能提高注射速率而获得大的剪切作用 从而 降低熔体粘度 但从物理上说 过高的压力会使熔体粘度增大 这是因为随着压力的增大 分子链之间的距离被压缩 分子链间的错动更加困难 熔体流动困难 粘度也就增大了 因此 在充模阶段应注意把握高速注塑 即高剪切速率的作用 而不应一味地提高注塑压 力 对一些高档的壁厚变化大 有较厚突缘和筋的制品 应采用多级注塑来控制剪切速率 在实际生产中 一般先调成低速低压 使熔体平稳进入模具 再用两级不同的高速高压使 熔体接近充满模腔 并防止发生涡流 最后用一级低速中压 避免溢边产生 以便顺利完 成充模过程 4 2 24 2 2 增密阶段增密阶段 充模结束后 PP 熔体的快速流动停止 模腔压力开始增加 与此同时注塑压力也迅 速增加 当注塑压力达到最大值时 模腔压力并没有达到最大值 模腔压力的极值要滞后 于最大注塑压力一段时间 此间熔体的流动过程为增密过程 在这段很短的时间内 熔体 要充满模腔的各部分缝隙 本身要受到压缩 熔体流速很小 温度变化也不明显 这时注 塑压力也被熔体传递到模腔表面 产生模腔压力 传递的难易程度取决于熔体的流动性 可以说注塑压力的最大值在注塑增密过程中决定了模腔压力所能达到的最大值 随着注塑 压力迅速提高 模腔压力也达到最大值 模腔内产生很大的动能冲击 使注塑机合模机构 及模具系统发生变形 并微胀开模具 在正常变形条件下 模具微动胀开有放气作用 因 此要以偏高的压力注塑 这样既能压紧熔体 又能使从不同方向先后充满模腔的粘流态熔 体熔成一个整体 但注塑压力也不能过大 否则会造成制品粘模 出模后制品有溢边 尺 寸胀大 影响成型质量 4 2 34 2 3 保压阶段保压阶段 保压阶段 PP 熔体在模腔内的压力和比容积不断变化 PP 的比容积变化为 16 并一 直维持到浇口封闭为止 影响保压过程的主要因素是压力 保压压力能使模腔内熔体在完 全凝固前始终获得充分的压力和补料 从而出现熔体的流动 特点是流速慢 原因是熔体 因降温而收缩 因为 PP 熔体从注塑温度降低到模具温度时 熔体中大分子会松弛 结晶 体积收缩较大 所以必须以足够大的保压压力来克服浇口阻力以进行补料 保压压力的增 大还会令制品的密度增加 出模后的制品表面自由变化程度减小 获得接近模面的表面租 糙度 减少成型收缩 增进熔体各部分之间的熔合 提高制品的力学性能 一般保压压力 可取最高注塑压力值的 60 70 为改善制品成型质量 也可采用分段保压进行压力控制 保压时间是保压过程中的另一重要工艺参数 在保压初期 制品件重随保压时间而增 加 达到一定时间不再增加 延长保压时间有助于减少制品的收缩率 但过长的保压时间 会使制品的径向收缩率与轴向收缩率程度不同 令制品各个方向上的内应力差异增大 造 成制品翘曲 粘模 在保压压力及熔体温度一定时 保压时间的选择应取决于浇口凝固时 间 4 2 44 2 4 冷却阶段冷却阶段 保压结束后 保压压力解除 流道内的压力随之急剧下降 大大低于模腔内的压力 这时浇口虽然封闭 但尚未完全凝固 在模腔压力的反作用下 模腔内熔体将向浇注系统 回流 模腔内压力迅速下降 直至模腔与流道之间的通道被逐渐凝固的熔体阻断 阻断时模 腔内的压力和温度称为封口压力和封口温度 回流方停止 这时 模腔中熔体的物料量虽 不再发生变化 但却产生了两个