圆珠笔外壳的选择.docx
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圆珠笔外壳的选择
为圆珠笔外壳选择合适的高分子材料
张健
高材1111班
学号2011319136
摘要:
本文通过对市场上圆珠笔外壳所需要的性能分析,选择出适合于制作圆珠笔外壳的高分子材料。
再对选择出适合制作圆珠笔外壳的高分子材料进行性能和价格对比,选择出最适合制作圆珠笔外壳的高分子材料,使它达到性能最好,价格最优。
关键词:
笔外壳、AS、PP、PS
Abstract:
Inthispaper,throughtheanalysisoftheperformanceofthemarketneedpenshell,selectionofpolymermaterialssuitablefortheproductionofballpointpenshell.Toselectsuitableforhighmolecularmaterialballpointpenshellofperformanceandpricecomparison,choosethemostsuitableforhighmolecularmaterialshelloftheballpointpen,makeitreachthebestperformance,theoptimalprice.
Keyword:
Thepenshell、AS、PP、PS
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Keyword1
目录2
引言3
1.圆珠笔外壳的性能要求3
1.1力学性能的要求3
1.2热性能的要求3
1.3成型加工工艺要简单方便4
2.材料的初步选择范围4
3.分子结构及特征4
3.1PP4
3.2PC4
3.3HDPE5
3.4AS5
3.5PS5
3.6PVC6
4.表1材料的主要性能对比6
5.表2材料的价格对比7
6.材料详细介绍7
6.1PP(聚丙烯)7
6.2PC(聚碳酸酯)8
6.3HDPE(高密度聚乙烯)8
6.4AS(苯乙烯-丙烯腈共聚体)9
6.5PS(聚苯乙烯)9
6.6PVC(聚氯乙烯)10
7.最终选择10
8.改性11
9.试验测试11
参考文献12
引言
圆珠笔是我们日常生活中,必须用到的文具用品。
在日常生活中它随处可见,但是小小的圆珠笔中蕴含中很多我们不知道的知识。
我们天天用圆珠笔来写字,却从来没有考虑过它是什么材料制作而成。
为什么有的圆珠笔外壳是透明的,又为什么有的圆珠笔外壳是五颜六色的。
有的圆珠笔外壳在手握处会有一个柔软的橡胶垫,它又是用着什么样的作用呢?
这些问题都是我们没有考虑过的。
1.圆珠笔外壳的性能要求
1.1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。
1.2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。
1.3成型加工工艺要简单方便
2.材料的初步选择范围
经过网上资料的搜索,我们可以初步确定市场上存在着PP、PC、HDPE、ABS、PVC、PS这六种高分子材料制作的圆珠笔外壳。
3.分子结构及特征
3.1PP
按大分子链上排列方式的不同,可分为等规间规和无规,分子链主要由碳、氢构成。
侧链上有一个甲基。
3.2PC
主链中存在柔软的碳酸脂基和刚性的苯环。
氧基则使链段容易围绕其单键发生内旋转,赋予大分子一定的柔性,提高了抗冲击强度
3.3HDPE
线性结构,分子链柔顺。
分子链主链由碳、氢构成,所以毒性很小。
分子结构对称,分子之间作用力小,力学强度不高。
3.4AS
—
—
(CH—
丙烯腈-苯乙烯是丙烯晴与苯乙烯的共聚物,大分子链上引入了极性极强的侧—CN基,提高了分子间作用力,内聚力增大。
3.5PS
大分子链基本上是线型的,PS一般为头尾结构,主链为饱和碳链,侧基为共轭苯环,使分子结构不规整,增大了分子的刚性,使PS成为非结晶性的线型聚合物
3.6PVC
分子链上每隔一个碳原子就有一个带电性较强的氯原子,因而分子链具有较高的极性,大分子链相互作用力大。
4.表1材料的主要性能对比
材料名称
刚度
邵氏硬度(M)
冲击强度(J/m)
脆化温度(/℃)
热变形温度(/℃)
PP
优良
100~152
19.8
-30
102
PC
优良
90~95
422
-100
126~135
HDPE
优良
60~70
130
-78
80
AS
优良
99
183
-20
82~105
PS
优良
89
16
-30
80
PVC
较好
62
21.5
-50
80~85
5.表2材料的价格对比
材料名称
产地
价格(元/吨)
运输方式
PP
茂名石化
11200
汽车、火车
PC
北京瀚仑
18783
汽车、火车
HDPE
燕山石化
11733
汽车、火车
AS
宁波台化
13516
汽车、火车
PS
慈溪科兴
13500
汽车、火车
PVC
齐鲁石化
7340
汽车、火车
6.材料详细介绍
6.1PP(聚丙烯)
PP树脂大多为乳白色粒状物,无毒,无味,无臭,外观与HDPE相似,但是比HDPE密度低。
透明性好。
甲基排列在分子主链的同一侧称等规聚丙烯,若甲基无秩序的排列在分子主链的两侧称无规聚丙烯,当甲基交替排列在分子主链的两侧称间规聚丙烯。
一般工业生产的PP树脂中,等规结构含量约为95%,其余为无规或间规聚丙烯。
工业产品以等规物为主要成分。
PP也包括丙烯与少量乙烯的共聚物在内。
通常为半透明无色固体,无臭无毒。
由于结构规整而高度结晶化,故熔点可高达167℃。
耐热、耐腐蚀,制品可用蒸汽消毒是其突出优点。
密度小,是最轻的通用塑料。
缺点是耐低温冲击性差,较易老化,但可分别通过改性予以克服。
共聚物型的PP材料有较低的热变形温度(100℃)、低透明度、低光泽度、低刚性,但是有更强的抗冲击强度,PP的冲击强度随着乙烯含量的增加而增大。
PP的维卡软化温度为150℃。
由于结晶度较高,这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好。
PP不存在环境应力开裂问题
PP是线型碳氢聚合物,在物理性能、化学性能、电性能和卫生性能等方面与PE相似。
与HDPE相比,PP不但有较好的拉伸强度、刚度、硬度、耐应力开裂性和耐热性,而且具有突出的延伸性和抗弯曲疲劳性,成型加工也极为优良。
但是PP是光稳定剂比较差的聚合物品种,为了提高PP和PE的光稳定性和抗热杨老化能力,最常用的办法是添加抗氧剂和光稳定剂。
6.2PC(聚碳酸酯)
聚碳酸酯是20世纪50年代的末发展起来的重要热塑性工程塑料,产量仅次于聚酰胺。
具有优异而均衡的力学、热和电性能,特别是冲击强度为一般热塑性塑料之冠。
易于成型加工,可以用于注塑挤出等方法制成各种产品。
PC是一种无毒、无臭、无味、透明的无定型热塑性聚合物,可以制成透明、半透明和不透明制品。
PC是典型的硬而韧的聚合物,力学性能优良,尤为突出的是它的冲击强度,而且刚性大,蠕变性小,具有良好的尺寸稳定性。
不足之处就是耐疲劳强度和耐磨性一般,较易产生内应力而引起的应力开裂。
PC是碳酸的聚酯类,碳酸本身并不稳定,但其衍生物(如光气,尿素,碳酸盐,碳酸酯)都有一定稳定性。
按醇结构的不同,可将PC分成脂族和芳族两类。
脂族聚碳酸酯。
如聚亚乙基碳酸酯,聚三亚甲基碳酸酯及其共聚物,熔点和玻璃化温度低,强度差,不能用作结构材料;但利用其生物相容性和生物可降解的特性,可在药物缓释放载体,手术缝合线,骨骼支撑材料等方面获得应用。
PC耐弱酸,耐弱碱,耐中性油。
PC不耐紫外光,不耐强碱。
PC材料具有阻燃性,耐磨。
抗氧化性
PC是一种线型碳酸聚酯,分子中碳酸基团与另一些基团交替排列,这些基团可以是芳香族,可以是脂肪族,也可两者皆有。
双酚A型PC是最重要的工业产品。
PC是几乎无色的玻璃态的无定形聚合物,有很好的光学性。
PC高分子量树脂有很高的韧性,悬臂梁缺口冲击强度为600~900J/m,未填充牌号的热变形温度大约为130°C,玻璃纤维增强后可使这个数值增加10°C。
PC的弯曲模量可达2400MPa以上,树脂可加工制成大的刚性制品。
低于100°C时,在负载下的蠕变率很低。
PC耐水解性差,不能用于重复经受高压蒸汽的制品。
PC主要性能缺陷是耐水解稳定性不够高,对缺口敏感,耐有机化学品性,耐刮痕性较差,长期暴露于紫外线中会发黄。
和其他树脂一样,PC容易受某些有机溶剂的浸浊。
6.3HDPE(高密度聚乙烯)
高密度聚乙烯为无毒,无味,无臭的白色颗粒,熔点为130℃,相对密度为0.946~0.976g/cm3,是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂。
它具有良好的耐热性和耐寒性,化学稳定性好,还具有较高的刚性和韧性,机械强度好,介电性能,耐环境应力开裂性亦较好。
原态HDPE的外表呈乳白色,在微薄截面呈一定程度的半透明状。
PE具有优良的耐大多数生活和工业用化学品的特性。
某些种类的化学品会产生化学腐蚀,例如腐蚀性氧化剂(浓硝酸),芳香烃(二甲苯)和卤化烃(四氯化碳)。
该聚合物不吸湿并具有好的防水蒸汽性,可用于包装用途。
HDPE具有很好的电性能,特别是绝缘介电强度高,使其很适用于电线电缆。
中到高分子量等级具有极好的抗冲击性,在常温甚至在-40F低温度下均如此。
它具有良好的耐热性和耐寒性,化学稳定性好,还具有较高的刚性和韧性,机械强度好。
介电性能,耐环境应力开裂性亦较好。
熔化温度220~260℃。
对于分子较大的材料,建议熔化温度范围在200~250℃之间。
HDPE是种白色粉末颗粒状产品,无毒、无味,密度在0.940~0.976g/cm3范围内;结晶度为80%~90%,软化点为125~135℃,使用温度可达100℃;硬度、拉伸强度和蠕变性优于低密度聚乙烯;耐磨性、电绝缘性、韧性及耐寒性均较好,但与低密度绝缘性比较略差些;化学稳定性好,在室温条件下,不溶于任何有机溶剂,耐酸、碱和各种盐类的腐蚀;薄膜对水蒸气和空气的渗透性小、吸水性低;耐老化性能差,耐环境开裂性不如低密度聚乙烯,特别是热氧化作用会使其性能下降。
6.4AS(苯乙烯-丙烯腈共聚体)
AS共聚物是由丙烯腈和苯乙烯通过本体法、悬浮法或乳液法制得。
透明或半透明的水白色颗粒。
相对密度1.06-1.08。
折射率1.57。
平衡吸水性0.66%。
热变形温度82-105℃。
具有高光泽、高透明、高冲击、良好的耐热性和机械性能。
刚性大,具有较高的化学稳定性,耐水、耐油、耐酸、耐碱、耐醇类。
溶于酮类溶剂和某些芳烃、氯代烃。
耐候性中等,脆性较大。
一般含苯乙烯15%-50%。
透明而带黄色至琥珀针色的固体。
密度1.06。
有热塑性。
不易变色。
不受稀酸、稀碱、稀醇和汽油的影响。
但溶于丙酮、乙酸乙酯、二氯乙烯等中。
可用作工程塑料。
具有优良的耐热性和耐溶剂性。
AS不易产生内应力开裂。
透明度很高,其软化温度和高冲击强度比PS高。
AS比PS有更高的冲击强度和优良的耐热性,耐油性,耐化学腐蚀性。
如它能很好地耐某些使PS应力开裂的烃类。
而弹性模量是现有热塑性塑料中较高的一种。
AS具有很强的承受载荷的能力、抗化学反应能力、抗热变形特性和几何稳定性。
AS中加入玻璃纤维添加剂可以增加强度和抗热变形能力,减小热膨胀系数。
AS的收缩率约为0.3-0.7%。
AS是一种坚硬、透明的材料。
苯乙烯成份使AS坚硬、透明并易于加工;丙烯腈成份使AS具有化学稳定性和热稳定性。
6.5PS(聚苯乙烯)
PS(聚苯乙烯)包括普通聚苯乙烯,发泡聚苯乙烯(EPS),高抗冲聚苯乙烯(HIPS)及间规聚苯乙烯(SPS)。
普通PS树脂为无毒,无臭,无色的透明颗粒,似玻璃状脆性材料,其制品具有极高的透明度,透光率可达90%以上,电绝缘性能好,易着色,加工流动性好,刚性好及耐化学腐蚀性好等。
普通PS的不足之处在于性脆,冲击强度低,易出现应力开裂,耐热性差及不耐沸水等。
PS无色透明,能自由着色,相对密度也仅次于PP、PE,具有优异的电性能,特别是高频特性好,次于F-4、PPO。
另外,在光稳定性方面仅次于甲基丙烯酸树脂,但抗放射线能力是所有塑料中最强的。
PS最重要的特点是熔融时的热稳定性和流动性非常好,所以易成型加工,特别是注射成型容易,适合大量生产。
成型收缩率小,成型品尺寸稳定性也好。
6.6PVC(聚氯乙烯)
聚氯乙烯,是由氯乙烯在引发剂作用下聚合而成的热塑性树脂。
是氯乙烯的均聚物。
氯乙烯均聚物和氯乙烯共聚物统称为氯乙烯树脂。
PVC为无定形结构的白色粉末,支化度较小。
工业生产的PVC分子量一般在5万~12万范围内,具有较大的多分散性,分子量随聚合温度的降低而增加;无固定熔点,80~85℃开始软化,130℃变为粘弹态,160~180℃开始转变为粘流态;有较好的机械性能,抗张强度60MPa左右,冲击强度5~10kJ/m2;有优异的介电性能。
但对光和热的稳定性差,在100℃以上或经长时间阳光曝晒,就会分解而产生氯化氢,并进一步自动催化分解,引起变色,物理机械性能也迅速下降,在实际应用中必须加入稳定剂以提高对热和光的稳定性。
PVC很坚硬,溶解性也很差,只能溶于环己酮、二氯乙烷和四氢呋喃等少数溶剂中,对有机和无机酸、碱、盐均稳定,化学稳定性随使用温度的升高而降低。
PVC溶解在丙酮-二硫化碳或丙酮-苯混合溶剂中,用于干法纺丝或湿法纺丝而成纤维,称氯纶,具有难燃、耐酸碱、抗微生物、耐磨的特性并具有较好的保暖性和弹性。
PVC具有阻燃(阻燃值为40以上)、耐化学药品性高(耐浓盐酸、浓度为90%的硫酸、浓度为60%的硝酸和浓度20%的氢氧化钠)、机械强度及电绝缘性良好的优点。
PVC对光、热的稳定性较差。
软化点为80℃,于130℃开始分解。
在不加热稳定剂的情况下,PVC100℃时即开始分解,130℃以上分解更快。
受热分解出放出氯化氢气体,(氯化氢气体是有毒气体)使其变色,由白色→浅黄色→红色→褐色→黑色。
阳光中的紫外线和氧会使PVC发生光氧化分解,因而使PVC的柔性下降,最后发脆。
从这里不难理解,为什么一些PVC塑料时间久了就会变黄、变脆的原因。
PVC是无定型聚合物,具有良好的化学性稳定性,拉伸强度和硬度等力学强度较高,但是它的热稳定性比较差,所以在加工成型工艺过程中需要加入热稳定剂。
7.最终选择
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。
AS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的卫生性不好,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。
8.改性
1.PP和对紫外线很敏感,加入氧化锌、硫代二丙酸二月桂酯、碳黑或类似的乳白填料等可以改善其耐老化性能。
2.PC可以与HDPE共混,改善它的耐老化性,耐气候性
3.在手指接触笔的地方添加硅橡胶或TPU(聚氨酯弹性体)制作的护垫。
护垫的作用是增加摩擦和触感舒适。
9.试验测试
实验原理
本方法的原理是将试样安放在简支梁冲击机的规定位置上,然后利用摆锤自由落下,对试样施加冲击弯曲负荷、使试样破裂。
记录下试样破坏时或过程中单位试样截面积所吸收的能量,即冲击强度,来衡量材料冲击韧性。
实验方法:
悬臂梁冲击实验(GB1043)
实验原材料及仪器
试样尺寸:
宽10±02mm,缺口深度1.00±0.05mm,厚4±0.2mm
试样表面应平整、无气泡、裂纹、分层和明显杂质。
缺口试样缺口处应无毛刺
实验仪器:
摆锤式悬臂梁冲击实验机
XQZ—1缺口制样机
承德市金建检测仪器制样机
实验步骤
1.准确测量样条宽、厚
2.在试样中间制取2mm左右缺口
3.检查实验机是否有规定的冲击速度和正确的能量范围,破断试样吸收的能量在摆锤容量的10%至80%范围内。
4.进行空白实验,记录所测得的摩擦损失。
5.抬起并锁住摆锤,把试样放在虎钳中,按图1所示的要求夹住试样缺口应在摆锤冲击刃的一边。
6.释放摆锤,记录试样所吸收的冲击能
参考文献:
【1】候文顺《高分子物理》化学工业出版社:
49-51,93-96;
【2】桑永《塑料材料与配方》化学工业出版社:
9-14,25-28;
【3】张留成《高分子材料导论》化学工业出版社:
20-22;
【4】国家自然科学基金委员会工程及材料科学学部《高分子材料科学》科学出版社:
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【5】黄丽《高分子材料(第二版)》化学工业出版社:
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【6】陈栓虎《高分子材料》西北大学化学系:
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【7】徐喜民,王冀敏。
21世纪功能高分子材料。
内蒙古石油化工,2004,第30卷:
25-27;
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