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：
52-56；
【5】黄丽《高分子材料（第二版）》化学工业出版社：
245-257；
【6】陈栓虎《高分子材料》西北大学化学系：
4-5,140-146；
【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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