圆珠笔的合成工艺和加工成型报告.docx

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圆珠笔的合成工艺和加工成型报告

上海大学

课程报告

报告题目：

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

组长：

1、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

圆珠笔外壳原料的性能要求

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。

（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。

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。

六种原料的比较

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。

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（PP）聚合工艺

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%。

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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。

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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。

本体法-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。

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（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。

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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。

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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

PP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~，但也可以使用小到的浇口。

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。

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。

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。

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。

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。

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，但却产生了两个相反效应，一个是熔体的冷却收缩，一个是释压膨胀，两个效应是相互矛盾的。

如果收缩占优势，制品很快与模腔表面脱离，在残余热量作用下，制品表面出现麻点、无光泽等缺陷；如果膨胀占优势，会造成制品粘模、开模拉伤等缺陷。

生产实践证明，当封口温度一定时，封口压力越高，制品密度越大，释压膨胀越明显；当封口压力一定时，封口温度越高，制品密度越小，冷却收缩效应越明显。

为了避免这两种效应的产生，应延长保压时间，目的在于控制封口压力，降低封口温度，以获得高质量的制品。

随着冷却时间的延长，制品凝固层加厚，模腔内熔体在没有外界压力作用下不再流动，只进行热传导，直到制品有足够的刚度从模具中脱出。

最后将生产的笔筒等零件进行组装，再进行包装，就形成了完整的圆珠笔,。

5、总结

首先，通过这次课程报告的探究，我们组了解了圆珠笔杆的原料组成，原料的制备方法，以及笔杆的加工工艺和具体过程，更了解了注塑机的原理及各方面知识。

也通过此次学习，知道了我们的高分子材料专业、我们的专业课程在实际生活中的应用领域，加深了我们对自己专业的理解。

此次学习让我们对课程及所学知识有了更深的理解，此次合作的过程更让我们对团队这个名词有了新的认识。

为了尽量完善这次小组合作的关于圆珠笔笔杆合成工艺的课程报告，小组成员都花了大量的时间与精力通过各种渠道查阅和搜集资料，但由于网上资源也有限，可供我们参考的资料不太多。

但是我们通过多次的小组讨论与探究，认真审题并确立了我们报告的结构和方向。

组员分工明确，各尽其职，遇到任何问题也相互讨论，互帮互助。

最终大家齐心协力，完成了报告的撰写与ppt的制作。

相信通过此次小组任务，我们会更加关注我们所学知识的应用而不仅仅停留在书面知识的学习，也相信大家在高分子材料这个专业最终都会收获自己的努力。