聚合物成型加工基础案例分析设计报告

案例：牙刷

组长：杨明锡1143001099

组员：胡益民1142042037、邓杰1143001033、邱华晔1143001019、杨帅1143001090、张赛1143001082、孙得发1143001049、李战1143001073、李刚1143001065、刘志玺1143001106、李正坤1143001096、李小东1143001132

摘要 (3)

外包装 (3)

内包装 (6)

牙刷柄 (10)

牙刷毛 (16)

产品的组装 (20)

整体经济性分析 (20)

组员分工 (21)

结语 (21)

摘要

牙刷是用于清洁牙齿的一种刷子。一般刷牙时都会在牙刷上加上牙膏清洁牙齿。日常生活中离不开牙刷的使用，那么一把完整的牙刷包括它的内外包装究竟是如何从原材料树脂加工成型到成品的呢？我们小组经过分工调查、汇总整理、创新与讨论，从各个部件的原料、助剂和成型加工方法，经济型分析以及对新材料和新加工工艺的介绍等几个方面对牙刷这一主要有聚合物成型得到的制品进行案例分析。

一、外包装（塑料包装袋）

1.原材料与助剂

原材料

规格：CPP（流延聚丙烯）/OPP（定向、拉伸性聚丙烯）型号：E-09

型式：贴片带

片厚：1-12mm

长度：0.03-1m

重量：0.001-0.05Kg/件

助剂

抗氧剂：可延缓或抑制聚合物氧化过程的进行，从而阻止聚合物的老化并延长其使用寿命，又被称为“防老剂”。

热稳定剂：可有效地阻止、减少甚至基本停止材料的热氧降解。

增塑剂：削弱聚合物分子之间的次价健，增加聚合物分子链的移动性，降低聚合物分子链的结晶性，即增加聚合物的塑性，聚合物的硬度、模量、软化温度和脆化温度下降，而伸长率、曲挠性和柔韧性提高。

阻燃剂：又称难燃剂，耐火剂或防火剂：赋予易燃聚合物难燃性的功能性助剂。

其他助剂

2.加工工艺

平模挤出成型

①加热，使输送入螺槽的PP树脂颗粒流动熔融；

②挤出机将塑料熔体由一狭缝模头挤出，挤出的片状物直接

流延到表面镀铬的冷却辊上；

③进入水浴冷却，或由骤冷辊冷却，或可进入三辊压光机进

行压光；

④卷曲辊收卷塑料薄膜，分切成品，再由三边封制袋机制成

包装袋；

⑤经过专用印刷机染色印刷后包装出厂。

3.主要设备

带有T型机头的螺杆挤出机、全自动电脑凹版九色印刷机、全自动电脑三边封制袋机、热切机等。

螺杆挤出机九色全自动印刷机

4.制品使用环境及制品要求

常温常压、受力比较小。

透明度高、光泽感强、色泽纯正、可印染。

5.经济分析

一般普通牙刷的包装袋重约5g，复合材料CPP/OPP价格约为19500元/吨。

外包装价格：19500*5/1000000=0.0975元/件

6.材料的选择对比与创新

CPP:

与LLDPE、LDPE、HDPE、PET、PVG等其他薄膜相比，成本更低，

产量更高；比PE薄膜挺度更高；水气和异味阻隔性优良；多功能，可作为复合材料基膜；可进行金属化处理；作为食品和商品包装及外包装，具有优良的演示性，可使产品在包装下仍清晰可见。

OPP:

具有透明度高、较脆等特征，由OPP单片对折后侧面封边并在开口舌头处粘有自粘封条，使用时装入产品撕去封条表面的保护皮后将舌头对折后粘牢即可，使用方便、美观大方，广泛使用于服装、食品、印刷,文具,化妆品,纸张等行业。还可根据客户需要印刷各种图案。

优点：

1、密封性好。实验数据表明，新型OPP膜的密封性是其传统膜的一倍以上，从而使其产品的保湿、保鲜性更强，保存时间更长；

2、防伪性强。新膜使用的合成技术和特殊的印刷技术具有很高的科技含量，目前只有德国和日本两国掌握此项技术，仿冒制作几无可能，为商品防伪提供了有力保证;

3、新型的OPP膜所使用的原料为可降解材料，故在环境保护方面完全符合国际相关标准。

二、内包装（泡壳和纸卡）

1.原材料与助剂

原材料

规格：硬质PVC聚氯乙烯

牌号：S-700（齐鲁石化公司）、SE-700（沧化）

助剂

冲击改性剂：改善高分子材料的低温脆化，赋予其更高的韧性。

稳定剂等助剂：可以减慢反应，保持化学平衡，降低表面张力,防止光、热分解或氧化分解等作用。

2.加工工艺

成型条件：

熔融温度 185~205℃

模具温度 20~50℃

注射压力可大到1500pa

保压压力可大到1000pa

注射速度为了避免材料降解，一般用适当地速度

浇口所有的常规的浇口都可以使用。

①PVC薄片制备: 在PVC树脂中加入冲击改性剂和稳定剂

等添加剂。然后经过加热混合、冷切混合后得到干混料，在通过挤出机塑炼、挤出剂供料给四辊压延机压延、冷却、卷取、切割得到规定厚度的PVC透明片材。

②泡壳的制备：

1）模具制作及加工：根据要求和样品规格，首先制作好吸塑模具，一般条件下，都是利用石膏制作吸塑包转模具，但也有用木雕及金属雕刻的产品作模具，石膏模具制作好后，先让其自然干燥或烘干，然后根据产品表面凸凹具体情况，用1~2mm的钻花在不影响产品包转模样上的低凹处钻许多

小孔，以便在吸塑生产时，易把空气抽出，模具钻好孔后，还要将模具硬化处理，加硬处理方法是用浓明矾饱和液浸泡后晾干。

2) 模具处理干燥后，将模具装入真空室上层铁板上，然后根据模具大小，将PVC透明片材裁剪成使用规则尺寸，然后将次片材放入打加热木框中，使其完全固定好后，再将木及塑料片材置恒温槽上进行软化处理。

3) 然后将软后的塑料片连同木，置于真空室中，开动吸气开关，将真空室内空气吸抽干净，待塑料片冷却后记得到与模具相同的凹形包装泡壳。

4)吸塑包装整理将生产出来的产品进行修边整理即为成

品产品。

③组合：泡壳一般略小或等于纸片，通过给纸片上吸塑油，

借助封口机，将泡壳与纸片粘合形成封闭容器。

PVC泡壳工艺流程图

3.主要设备

吸塑打版机、全自动高速吸塑成型机、吸塑封口机等。

吸塑机封口机

4.制品使用环境及制品要求

常温常压、与牙刷直接接触。

高强度、耐冲击性、具有韧性、透明性好、化学稳定性、抗氧、耐气候性以及优良的几何稳定性。使用过程中不能释放有毒的小分子，卫生性较好。

5.经济分析

一般牙刷内包装重量约5g，国内PVC工业价格大约在8000

—9000元每吨。内包装价格：（8000-9000）

*5/1000000=0.04-0.045元/件。

6.材料的选择对比与创新

现在牙刷内包装主要发展方向环保型和保健型，主要的新型材料有易于回收的PET。相当而言PVC透明片隔氧、强度高但非环保型材料。PET材料可以降解并且可以回收利用。目前牙刷的包装材料主要采用PVC、纸类等，PVC透明片有防雨、防尘、隔氧、展示强等特点，但不环保。而环境友好塑料包装材料（或绿色塑料包装材料），随着环境管理标准

IS14000系列的实施成为全球关注的热点，其中易回收再利用的塑料包装材料如PET、PEN，易环境降解塑料（EDP）中的生物降解塑料，更成为热点中的热点。牙刷行业正在尝试用这些材料代替PP、PVC材料。

除了材料的发展以外，我们对牙刷内包装的外形设计要求也更高了，外形创新，可以通过文字设计、图形设计、色彩设计来实现，实现让色彩更加艳丽，让生活充满阳光，不再要哪些条条款款，流线型的设计会更加无拘无束。

三、牙刷柄

1.原材料与助剂

主体部分（硬胶）

原材料

规格：抗菌ABS纳米复合材料

牌号：ABS795KB（上海高桥石化）

助剂

纳米抗菌剂（无机纳米二氧化钛）：具有抑菌、杀菌和防霉等功能。

偶联剂（KH - 550（南京曙光化工厂））：在塑料配混中，改善合成树脂与无机填充剂或增强材料的界面性能。

白油（北京助剂二厂）:用于提高极性材料与非极性材料之间的相容性，改善材料性能.

丙酮(分析纯（天津市科密欧化学试剂开发中心）):溶剂。

分散剂（CH - 10S（上海三正高分子材料厂））：可均一分散那些难于溶解于液体的无机，有机颜料的固体颗粒，同时也能防止固

体颗粒的沉降和凝聚，形成安定悬浮液所需的药剂。

纹饰部分（软胶）

原材料

规格：TPE(热塑性弹性体)

牌号：M12050（三博高分子合金）

助剂

填充油：通常为白油等直链烷烃油，作用是调节硬度及流动性。

相容剂：用于提高极性材料与非极性材料之间的相容性，改善材料性能，亦可在二次注塑（包胶）等场合改善TPE 与极性工程塑料基材之间的相容性。

其它功能改性剂：赋予TPE其它特殊性能，如聚苯醚(PPO)可提高苯乙烯嵌段共聚物中苯乙烯链段的玻璃化温度，从而改善TPE共混物的耐热性等。

填料：通常为滑石粉、碳酸钙等矿物填料，主要作用是成本控制，此外对材料的力学强度、硬度等性能也有一定的影响。

功能性助剂：如阻燃剂、润滑剂、抗静电剂、抗菌剂等，用于赋予共混弹性体特定的性能。

抗氧化剂/抗紫外老化剂：用于在热加工过程以及使用过程中减缓材料的降解/老化等过程。

2.加工工艺

双色注塑成型：成型时，半成品型腔注入的材料为ABS，成品型腔注入的材料为TPE。成型完毕后开模，动模向后运

动至达到开模行程后停止，成品区的注塑机推出机构开始推动推板向前运动，顶针将成品推出。推出动作结束后，注塑机推出机构回撤，推板、顶针、复位杆在压缩弹簧作用下复位，然后注塑机的中间转轴向前推进，推出旋转动模，旋转180o后缩回停止，再合模。这样半成品(牙刷柄主体部分)就随旋转动模换到成型型腔，而半成品型腔已被空出，再继续下一个生产循环。

双色注塑成型流程图

3.主要设备

转轴式精密双色注塑机（富强鑫宁波公司FB-200T）。

双色注塑成型机

4.制品使用环境及制品要求

常温常压、直接接触皮肤和口腔、在水中长期存放等。

主体部分无毒、高强度、高硬度、耐冲击、耐溶剂（水）、抗菌性好。

纹饰部分无毒、弹性好、耐磨性优良。

5.经济分析

主体部分：ABS 7000元/吨，牙刷柄主要部分重约8g

纹饰部分：TPE 20000元/吨，纹饰部分重约5g

牙刷柄：7000*8/1000000+20000*5/1000000=0.156

元/件

6.材料选择与创新

(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物( ABS )是一种性能优良、用途广泛的工程塑料。它具有耐热性好、

表面硬度高、尺寸稳定、耐化学药品性及电性能良

好、易于成型和机械加工等良好的综合性能, 且可

对其制品进行二次加工。

随着纳米科技的发展, 纳米材料已被广泛地用作聚

合物的改性材料以提高其综合性能。在ABS基体中引

入无机纳米抗菌粉体, 制备出抗菌ABS纳米复合材

料。抗菌ABS是ABS树脂与特定抗菌剂复合而成的新

型材料，具有抑菌、杀菌和防霉等功能。用抗菌材

料生产的制品具有卫生自洁功能，与常规的化学

和物理消毒方法相比，具有时效长、经济方便等特

点，因而广泛应用于家电产品、日用品、洁具等方

面。

TPE材料是通过动态硫化技术使得橡胶完全硫

化并以微米级尺寸分散于塑料基体中，兼有热塑性

塑料的优良加工性能和硫化橡胶的良好弹性等性

能，且易染色。该材料嵌入制件主体中，体现出良

好的视觉感和触觉感，且结合良好，不会剥落。

材料的创新点：无机纳米二氧化钛

除了最基本的材质外。我们是否可以在牙刷毛牙刷柄中或是外层涂上一层抑菌的材料了。无机纳米二氧化钛，刚好符合了这个特性。纳米二氧化钛具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，完全可以与食品接触。无机纳米的，无毒无害，完全符合环保、安全健康的理念。因此，无机纳米氧化钛可以使用在牙刷上，解决由牙刷滋生和传染的细菌危害。更高效地捍卫了我们的健康，从外部因素解决了细菌滋生。

（采用纳米ＴｉＯ２复合改性后能够使ＡＢＳ制品较大程度地提高了力学、抗色变和保光性能）

刷柄结构的创新点：

直柄牙刷用起来要容易；弯曲手柄能深入口腔较难刷到的地方；弹性手柄能避免因牙刷压在牙龈上的力度过大而另牙龈受损；防滑手柄，避免刷牙时牙刷刷掉。

我们认为，可以在牙刷柄尾部复合一个吸盘，吸盘是价格便宜的已经成熟的市场产品，只需在柄尾稍作修改，添加一个复合

构件，就可以制成一个刷前刷后可方便沾黏在墙壁上的牙刷。这样做既方便又不会增加成本。

四、牙刷毛

1.原材料与助剂

原材料

规格：尼龙66

牌号：黑龙江省尼龙厂I、II型；杜邦公司Zytel系列。助剂

聚合催化剂：使小分子聚合成大分子可以在温和的条件下进行，生成的新型聚合物更软，坚固，而且在100℃时也不会变得太软。

封端剂：使用有被保护的官能基如缩醛基的烷氧基甲硅烷基化合物作为封端剂来封端阴离子聚合物,生产官能化的聚合物。被保护的官能基在各种条件下都是稳定的,然后很容易转化成适用生产粘合剂、密封剂和涂料的反应性更高的末端官能基。

热稳定剂：可有效地阻止、减少甚至基本停止材料的热氧降解。

其他助剂。

2.加工工艺

成型条件：

模温：一般用高模温生产,适产品外观尺寸及脱模要求调整模具加热温度。

熔温：最佳成型熔点为288-293℃。

注射终点：建议8-12mm。

切换位置：模具充填至95%时切换保压。

射胶时间：应控制3s以内。

成型流程图:

尼龙66纤维经牙刷植毛机可以直接和牙刷头复合得到产品。

3.主要设备

高速牙刷植毛机

4.制品使用环境及制品要求

常温常压，直接与口腔接触，长期在水环境下使用。

牙刷毛需具备柔软性、韧性、耐热水性、耐酸耐碱性、较小程度的吸湿性，无毒等。牙刷毛要细而软，不仅可以进入牙间隙，又不致损伤牙龈和牙齿。毛束之间要有适当的距离，容易清洗；弹性好、吸水性差，可防止细菌积存，刷毛硬度应适中，且有弹性，这样的刷毛柔韧易弯曲，刷毛末端应磨圆、光滑，这样才不会刺激牙龈组织，也不会损伤牙齿硬组织。牙刷毛面要平整，牙刷所到之处受力一致。

5.经济分析

尼龙66纤维毛约28500元/吨，牙刷毛重约2g。

牙刷毛价格：28500*2/1000000=0.057元

6.材料选择与创新

PP塑料，化学名称：聚丙烯。PP在熔融温度下有较好的流动性，成型性能好，PP在加工上有两个特点：其一：PP熔体的粘度随剪切速度的提高而有明显的下降（受温度影响较小）；其二：分子取向程度高而呈现较大的收缩率。PP的缺点：尺寸精度低、

刚性不足、耐候性差，它具有后收缩现象，脱模后，易老化、变脆、易变形。

PBT，化学名称：聚对苯二甲酸丁二醇酯。具有高耐热性、韧性、耐疲劳性，自润滑、低摩擦系数，耐候性、吸水率低，仅为0.1%，在潮湿环境中仍保持各种物性（包括电性能），电绝缘性，但体积电阻、介电损耗大。耐热水、碱类、酸类、油类、但易受卤化烃侵蚀，耐水解性差，低温下可迅速结晶，成型性良好。缺点是缺口冲击强度低，成型收缩率大。

为了符合制品要求，我们选定尼龙为制备牙刷毛的材料。尼龙（PA），化学名称：聚酰胺。其命名由合成单体具体的碳原子数而定，如：尼龙-6、66、1010、610等。它的结晶度高、熔点明显；表面硬度大、耐磨耗、摩擦系数小、有自润滑性和消音性。低温性能良好，有一定的耐热性（可以在100度以下使用）。无毒、无臭、不霉烂，有自熄性、耐候性好，但染色性差。

五、产品的组装

六、整体经济性分析

外包装价格：0.0975元/件

内包装价格：0.045元/件。

牙刷柄：0.156元/件

牙刷毛价格：0.057元/件

牙刷总成本：0.0975+0.045+0.156+0.057=0.3555元/件

牙刷单价=产品材料成本+能耗+人工及运输+利润

1.能耗：大部分材料通过热加工，耗电能相对其他行业较大，大致为产品材料成本的8%。

2.人工：主要靠机器生产，人工较少，大致为产品材料成本的10%；运输：根据客户离本厂距离而定，计为10%。

3.利润：牙刷这种产品纯利润一般很低，12%-20%，根据付款期限而定，30天结帐为14%。

牙刷单价=0.3555*（100%+8%+10%+10%+20%）=0.5261元/件

七、组员分工

1.外包装：杨帅1143001090、张赛1143001082

2.内包装：孙得发1143001049、李战1143001073、李刚1143001065

3.牙刷柄：胡益民1142042037、李正坤1143001096、李小东1143001132

4.牙刷毛：邓杰1143001033、邱华晔1143001019

5.制作演讲多媒体PPT、主讲：刘志玺1143001106