/上海大學課程報告報告題目：圓珠筆的合成工藝和加工成型課程名稱：高分子成型和加工組長：12122367葛鑫進組員：12122398汪頔12121398龐圣杰12121586曹志強12123158王偉12122793王雲12122872黃侃12123220曾慶杰12122948方圓12123027閆霄目錄TOC\o"1-3"\n\h\u5211、前言247422、原料259362.1圓珠筆外殼原料的性能要求281602.1.1力學性能的要求264502.1.2熱性能的要求314612.1.3成型加工工藝要簡單方便216382.2六種原料的比較45542.2.1六種材料的性能的比較97192.2.2六種材料的價格比較179752.2.3綜合比較197292.2.4小結184013、原料〔PP聚合工藝58353.1淤漿法工藝

255173.2溶液法工藝

105163.3本體法工藝25413.4本體法-氣相法組合工藝298663.5氣相法聚丙烯工藝274674、圓珠筆筆桿成型加工工藝17434.1PP作為圓珠筆原材料工藝條件26224.2圓珠筆筆桿的加工工藝167544.2.1充模階段197134.2.2增密階段301474.2.3保壓階段154564.2.4冷卻階段318235、總結1、前言圓珠筆是近數十年來風行世界的一種書寫工具。它具有結構簡單、攜帶方便、書寫潤滑,且適宜于用來復寫等優點,因而,從學校的學生到寫字樓的文職人員等各界人士都樂于使用。圓珠筆與自來水筆不同,由于它使用的是干稠性油墨,油墨又是依靠筆頭上自由轉動的鋼珠帶出來轉寫到紙上,因此不滲漏、不受氣侯影響,并且書寫時間較長,省去了需經常灌注墨水的麻煩。圓珠筆的書寫原理,主要是利用球珠在書寫時與紙面直接接觸產生摩擦力,使圓珠在球座內滾動,帶出筆芯內的油墨或墨水,以達到書寫的目的。圓珠筆的制作過程有四步：制作塑料成型模具——注塑機加工各零部件——組裝各零件——包裝。制作模具是很復雜的,需要大量的計算。圓珠筆主要是由筆帽,筆筒,筆芯三部分組成。制作圓珠筆時需要這3部分的精密模具。我們在找了很多的關于圓珠筆模具的資料。筆筒模具設計首先需要確定好原材料,如是用ABS還是PP作為原材料,同是選好加工成型用的注塑機,再然后設計模具！2、原料2.1圓珠筆外殼原料的性能要求2.1.1力學性能的要求雖然筆外殼對力學性能上的要求不是很高但是還是需要具有一定的力學強度〔1最重要的是剛性要優良,剛度大。〔2具有一定的沖擊強度。在生活中有很多人喜歡轉筆,不經意間筆就會掉落在地上,為了防止筆摔落在地上后斷開或是出現裂紋,所以筆外殼需要一定的抗沖擊性能。〔3具有一定的摩擦性能。我們在使用筆書寫時必須得讓手握緊筆為了防止在我們握緊筆時,筆桿在手中滑動,所以筆外殼需要具有一定的摩擦性能這樣才能更好地方便書寫。〔4具有一定的硬度。在我們握緊筆書寫時不會折斷筆。2.1.2熱性能的要求〔1具有一定的耐熱性熱變形溫度應該在50℃以上。〔2具有一定的耐寒性脆化溫度應該高于-20℃以上。2.1.3成型加工工藝要簡單方便網上資料的搜索,市場上存在著PP、PC、HDPE、ABS、PVC、PS這六種高分子材料制作的圓珠筆外殼。2.2六種原料的比較2.2.1六種材料的性能的比較2.2.2六種材料的價格比較綜合比較PP性能優良、價格便宜、來源比較廣泛可以做不透明的圓珠筆外殼。PC的價格太高如果作為制作圓珠筆的外殼會提高成本。因此PC只能制作中高檔的透明圓珠筆外殼。HDPE抗沖擊性能高于PP外其他絕大多數性能都不如PP而且價格高于PP,所以一般不會選擇HDPE做圓珠筆的外殼。ABS高度透明,性能較好,價格和PS差不多,所以AS可以取代PS制作透明的圓珠筆外殼。PVC衛生性不好,老化后的氯乙烯單體會對人體有害,雖然它的價格較為便宜,但是還是不適合制作圓珠筆的外殼。2.2.4小結綜上所述,一般適合選用PP作為原材料。而PP的聚合工藝按聚合類型可分為溶液法、淤漿法、本體法和氣相法和本體法-氣相法組合工藝5大類。以下以PP為例,討論原料聚合工藝。3、原料〔PP聚合工藝3.1淤漿法工藝

淤漿法工藝〔Slurry

Process又稱漿液法或溶劑法工藝,是世界上最早用于生產聚丙烯的工藝技術。從1957年第一套工業化裝置一直到20世紀80年代中后期,淤漿法工藝在長達30年的時間里一直是最主要的聚丙烯生產工藝。典型工藝主要包括意大利的Montedison

工藝、美國Hercules工藝、日本三井東壓化學工藝、美國Amoco工藝、日本三井油化工藝以及索維爾工藝等。這些工藝的開發都基于當時的第一代催化劑,采用立式攪拌釜反應器,需要脫灰和脫無規物,因采用的溶劑不同,工藝流程和操作條件有所不同。近年來,傳統的淤漿法工藝在生產中的比例明顯減少,保留的淤漿產品主要用于一些高價值領域,如特種BOPP薄膜、高相對分子質量吹塑膜以及高強度管材等。目前世界淤漿法PP的生產能力約占全球PP總生產能力的13%。

3.2溶液法工藝

溶液法生產工藝是早期用于生產結晶聚丙烯的工藝路線,由Eastman公司所獨有。該工藝采用一種特殊改進的催化劑體系-鋰化合物〔如氫化鋰鋁來適應高的溶液聚合溫度。催化劑組分、單體和溶劑連續加入聚合反應器,未反應的單體通過對溶劑減壓而分離循環。額外補充溶劑來降低溶液的粘度,并過濾除去殘留催化劑。溶劑通過多個蒸發器而濃縮,再通過一臺能夠除去揮發物的擠壓機而形成固體聚合物。固體聚合物用庚烷或類似的烴萃取進一步提純,同時也除去了無定形聚丙烯,取消了使用乙醇和多步蒸餾的過程,主要用于生產一些與漿液法產品相比模量更低、韌性更高的特殊牌號產品。該方法工藝流程復雜,且成本較高,聚合溫度高,加上由于采用特殊的高溫催化劑使產品應用范圍有限,目前已經不再用于生產結晶聚丙烯。

3.3本體法工藝本體法生產工藝按聚合工藝流程,可以分為間歇式聚合工藝和連續式聚合工藝兩種。〔1間歇本體法工藝。間歇本體法聚丙烯聚合技術是我國自行研制開發成功的生產技術。它具有生產工藝技術可靠,對原料丙烯質量要求不是很高,所需催化劑國內有保證,流程簡單,投資省、收效快,操作簡單,產品牌號轉換靈活、三廢少,不足之處是生產規模小,難以產生規模效益；裝置手工操作較多,間歇生產,自動化控制水平低,產品質量不穩定；原料的消耗定額較高；產品的品種牌號少,檔次不高,用途較窄；〔2連續本體法工藝。該工藝主要包括美國Rexall工藝、美國Phillips工藝以及日本Sumitimo工藝。

3.4本體法-氣相法組合工藝本體法-氣相法組合工藝主要包括巴塞爾公司的Spheripol工藝、日本三井化學公司的Hypol工藝、北歐化工公司的Borstar工藝等。

〔1Spheripol工藝。Spheripol工藝由巴塞爾〔Basell聚烯烴公司開發成功。該技術自1982年首次工業化以來,是迄今為止最成功、應用最為廣泛的聚丙烯生產工藝。Spheripol工藝是一種液相預聚合同液相均聚和氣相共聚相結合的聚合工藝,工藝采用高效催化劑,生成的PP粉料粒度其催化劑生產的粉料呈園球形,顆粒大而均勻,分布可以調節,既可寬又可窄。可以生產全范圍、多用途的各種產品。其均聚和無規共聚產品的特點是凈度高,光學性能好,無異味。〔2Hypol工藝。Hypol工藝由日本三井化學公司于20世紀80年代初期開發成功,該工藝采用HY-HS-II催化劑〔TK-II,是一種多級聚合工藝。它把本體法丙烯聚合工藝的優點同氣相法聚合工藝的優點融為一體,是一種不脫灰、不脫無規物能生產多種牌號聚丙烯產品的組合式工藝技術。該工藝與Spheripol工藝技術基本相同,主要區別在于Hypol工藝中均聚物不能從氣相反應器旁路排出,部分從高壓脫氣罐來的閃蒸氣被打回到氣相反應器。生產均聚物時,第一氣相反應器實際上也起閃蒸作用。氣相反應器是基于流化床和攪拌〔刮板容器特殊設計的。反應器在生產抗沖擊性共聚物時,無污垢,不需要清洗。在生產均聚物期間,氣相反應器又可用做終聚合釜,提高了生產能力,而且氣相反應器操作靈活,可生產乙烯含量25%的抗沖擊性共聚物。

〔3Borstar工藝。Borealis公司〔北歐化工的

Borstar工藝<北星雙峰>PP工藝是1998年才開發成功的PP新型生產工藝,該工藝源于北星雙峰聚乙烯工藝,工藝采用與北星雙峰聚乙烯工藝相同的環管和氣相反應器,設計基于Z-N催化劑,也能使用正在中試中的單活性中心催化劑。傳統的聚丙烯工藝在丙烯的臨界點以下進行聚合反應,為防止輕組分〔如氫氣、乙烯和惰性組分生成氣泡,聚合溫度控制在70-80℃。北星雙峰聚丙烯工藝的環管反應器則可在高溫〔85-95℃或超過丙烯超臨界點的條件下操作,聚合溫度和壓力都很高,能夠防止氣泡的形成。這是唯一一個超臨界條件下聚合的聚丙烯工藝。

雙峰高溫工藝的北星雙峰聚丙烯技術的主要特點可以概括為：先進的催化劑技術,聚合反應條件寬,產品范圍寬,產品性能優異。

3.5氣相法聚丙烯工藝目前,世界上氣相法PP生產工藝主要有BP公司的Innovene工藝、Chisso工藝、聯碳公司的Unipol工藝、BASF公司的Novolen工藝以及住友化學公司的Sumitomo工藝等。Innovene工藝又名BP-Amoco工藝。工藝的主要特點是采用獨特的接近活塞流的臥式攪拌床反應器。用這種獨特的反應器,因顆粒停留時間分布范圍很窄,可以生產剛性和抗沖擊性非常好的共聚物產品。這種接近平推流的反應器可以避免催化劑短路。當有乙烯存在時,可以生成大顆粒共聚物,而不是在均聚物顆粒內生成細粉,這些細粉將降低共聚物的低溫沖擊強度,并形成不必要的膠狀體。因此,該工藝很窄的反應停留時間分布可以實現用多個全混反應釜均聚反應器才能生產的高抗沖共聚物的要求。另外,由于這種獨特的反應器設計,該工藝的產品過渡時間很短,理論上產品的過度時間要比連續攪拌反應器或流化床反應器短2/3,因而產品切換容易,過渡產品很少。4、圓珠筆筆桿成型加工工藝4.1PP作為圓珠筆原材料工藝條件干燥處理：如果儲存適當則不需要干燥處理。熔化溫度：220~275℃,注意不要超過275℃。模具溫度：40~80℃,建議使用50℃。結晶程度主要由模具溫度決定。注射壓力：可大到1800bar。注射速度：通常,使用高速注塑可以使內部壓力減小到最小。如果制品表面出現了缺陷,那么應使用較高溫度下的低速注塑。流道和澆口：對于冷流道,典型的流道直徑范圍是4~7mm。建議使用通體為圓形的注入口和流道。所有類型的澆口都可以使用。典型的澆口直徑范圍是1~1.5mm,但也可以使用小到0.7mm的澆口。對于邊緣澆口,最小的澆口深度應為壁厚的一半；最小的澆口寬度應至少為壁厚的兩倍。PP材料完全可以使用熱流道系統。4.2圓珠筆筆桿的加工工藝圓珠筆筆桿的加工主要包括充模階段、增密階段、保壓階段和冷卻階段,每個階段所需壓力各有不同,熔體流動情況也有所不同。4.2.1充模階段PP在注塑機機筒內經預塑受熱熔融。注塑開始,螺桿頭部產生注塑壓力到熔體充滿模腔這一階段是在動壓作用下的高壓高速充模過程。此時高溫熔體在模腔內的流動情況很大程度上決定著制品表面質量和物理性能,而熔體流動情況是受注塑壓力和熔體自身影響的。當注塑壓力過低時,熔體進入模腔緩慢,緊貼在模腔內壁表面的那一層熔體會因溫度急速下降而使粘度增高凝固,并很快向中心波及,使熔體的流動通道在很短時間內變得十分狹窄,大大削弱了進入模腔的熔體流量,結果使制品表面出現波紋、缺料、氣泡。當注塑壓力過高時,熔體充模過快,在澆口附近以湍流形式進入模腔,且發生自由噴射,模腔內氣體來不及排出,于是制品表面呈現云霧斑等缺陷,制品脫模殘余應力大,易產生飛邊使脫模困難。雖然高的注塑壓力在注塑過程中能提高注射速率而獲得大的剪切作用。從而降低熔體粘度,但從物理上說,過高的壓力會使熔體粘度增大,這是因為隨著壓力的增大,分子鏈之間的距離被壓縮,分子鏈間的錯動更加困難,熔體流動困難,粘度也就增大了。因此,在充模階段應注意把握高速注塑,即高剪切速率的作用,而不應一味地提高注塑壓力。對一些高檔的壁厚變化大、有較厚突緣和筋的制品,應采用多級注塑來控制剪切速率。在實際生產中,一般先調成低速低壓,使熔體平穩進入模具；再用兩級不同的高速高壓使熔體接近充滿模腔,并防止發生渦流；最后用一級低速中壓,避免溢邊產生,以便順利完成充模過程。4.2.2增密階段充模結束后,PP熔體的快速流動停止,模腔壓力開始增加,與此同時注塑壓力也迅速增加。當注塑壓力達到最大值時,模腔壓力并沒有達到最大值,模腔壓力的極值要滯后于最大注塑壓力一段時間,此間熔體的流動過程為增密過程。在這段很短的時間內,熔體要充滿模腔的各部分縫隙,本身要受到壓縮,熔體流速很小,溫度變化也不明顯,這時注塑壓力也被熔體傳遞到模腔表面,產生模腔壓力<傳遞的難易程度取決于熔體的流動性>。可以說注塑壓力的最大值在注塑增密過程中決定了模腔壓力所能達到的最大值。隨著注塑壓力迅速提高,模腔壓力也達到最大值,模腔內產生很大的動能沖擊,使注塑機合模機構及模具系統發生變形,并微脹開模具。在正常變形條件下,模具微動脹開有放氣作用,因此要以偏高的壓力注塑,這樣既能壓緊熔體,又能使從不同方向先后充滿模腔的粘流態熔體熔成一個整體。但注塑壓力也不能過大,否則會造成制品粘模,出模后制品有溢邊、尺寸脹大,影響成型質量。4.2.3保壓階段保壓階段PP熔體在模腔內的壓力和比容積不斷變化<PP的比容積變化為16%>,并一直維持到澆口封閉為止。影響保壓過程的主要因素是壓力。保壓壓力能使模腔內熔體在完全凝固前始終獲得充分的壓力和補料,從而出現熔體的流動,特點是流速慢,原因是熔體因降溫而收縮。因為PP熔體從注塑溫度降低到模具溫度時,熔體中大分子會松弛、結晶,體積收縮較大,所以必須以足夠大的保壓壓力來克服澆口阻力以進行補料。保壓壓力的增大還會令制品的密度增加,出模后的制品表面自由變化程度減小,獲得接近模面的表面租糙度,減少成型收縮,增進熔體各部分之間的熔合,提高制品的力學性能。一般保壓壓力可取最高注塑壓力值的60-70%,為改善制品成型質量,也可采用分段保壓進行壓力控制。保壓時間是保壓過程中的另一重要工藝參數。在保壓初期,制品件重隨保壓時間而增加,達到一定時間不再增加。延長保壓時間有助于減少制品的收縮率,但過長的保壓時間會使制品的徑向收縮率與軸向收縮率程度不同,令制品各個方向上的內應力差異增大,造成制品翹曲、粘模。在保壓壓力及熔體溫度一定時,保壓時間的選擇應取決于澆口凝固時間。4.2.4冷卻階段保壓結束后,保壓壓力解除,流道內的壓力隨之急劇下降,大大低于模腔內的壓力。這時澆口雖然封閉,但尚未完全凝固,在模腔壓力的反作用下,模腔內熔體將向澆注系統回流,模腔內壓力迅速下降,直至模腔與流道之間的通道被逐漸凝固的熔體阻斷<阻斷時模腔內的壓力和溫度稱為封口壓力和封