CN113278300A - 一种全降解铅笔及其成型工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全降解铅笔及其成型工艺，包括笔杆，其中，所述笔杆原料包括木质纤维、可降解树脂、淀粉、无机填充料、交联剂、无机色粉和润滑剂；以原料总质量为百分百计，所述木质纤维为20～60％，所述可降解树脂为20～50％，所述淀粉为5～30％，所述无机填充料为1～3％，所述交联剂为1～3％，所述无机色粉为1～3％，所述润滑剂为1～3％。本发明无添加增塑剂，是真正意义的环保材料，与现有铅笔与其有本质的区别，结合成型工艺，制品更均匀、性能更稳定，废品率更低。

Description

一种全降解铅笔及其成型工艺
技术领域
本发明属于书写工具技术领域，具体涉及到一种全降解铅笔及其成型工艺。
背景技术
铅笔主要以石墨为笔芯、木杆为外包层制作而成。铅笔杆，其外观装饰用料主要有硝基纤维铅笔漆、印花油墨、电化铝箔、橡皮头和铝箍等。
目前，铅笔制作工艺可分为铅笔板、铅芯、铅笔杆等工艺过程，其中，铅笔板加工将原木开解、截断，开方锯解成木块，经水热处理后通过切板机切成铅笔板，再经加热干燥和高温变型处理，使铅笔板达到软化易卷削的程度。铅笔杆加工用刨槽机将铅笔板刨削成厚度为4.1～4.2mm，并有与铅芯直径相适应的芯槽的槽板，使用胶合剂将铅芯和铅笔板胶合起来，在夹紧状态下加热(50～120℃)干燥1～8小时后，经刨杆机加工制成铅笔。
可以看出，当前铅笔加工工艺繁杂，且其利用原木，需要砍伐大量的树木；即使部分铅笔使用纸质笔杆，这也相当于间接消耗木材；近年来，也有研究者提出了发泡PS笔杆，此种笔杆虽减少了木材的砍伐，但需要消耗石化资源，以上几种铅笔都大量消耗自然资源，不环保，且笔杆材料不可降解，丢弃到自然环境中严重污染环境，且数百年无法降解。
因此，本领域亟需一种加工工艺相对简单，完全真正意义的环保降解铅笔及其加工工艺。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种全降解铅笔。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种全降解铅笔，包括笔杆，其中，
所述笔杆原料包括木质纤维、可降解树脂、淀粉、无机填充料、交联剂、无机色粉和润滑剂；
以原料总质量为百分百计，所述木质纤维为20～60％，所述可降解树脂为20～50％，所述淀粉为5～30％，所述无机填充料为1～3％，所述交联剂为1～3％，所述无机色粉为1～3％，所述润滑剂为1～3％。
作为本发明所述全降解铅笔的一种优选方案，其中：所述木质纤维包括木粉、竹粉、秸秆、糠粉、稻壳、麦麸、咖啡渣、椰壳粉、茶渣中的一种或几种，所述木质纤维粒径范围为10～300目。
作为本发明所述全降解铅笔的一种优选方案，其中：所述可降解树脂包括聚乳酸、聚己二酸对苯二甲酸丁二酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯中的一种或几种。
作为本发明所述全降解铅笔的一种优选方案，其中：所述淀粉包括玉米淀粉、大米淀粉、大豆淀粉、木薯淀粉、红薯淀粉中的一种或几种。
作为本发明所述全降解铅笔的一种优选方案，其中：所述无机填充料为蒙脱土、钙粉、滑石粉中的一种或几种，其粒径范围为300～1000目。
作为本发明所述全降解铅笔的一种优选方案，其中：所述交联剂为二辛酯和二丁酯中的一种或几种；所述无机色粉为钛白粉、氧化铁红、氧化铁黄、炭黑中的一种或几种。
作为本发明所述全降解铅笔的一种优选方案，其中：所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌、聚乙烯蜡中的一种或几种。
作为本发明所述全降解铅笔的一种优选方案，其中：所述全降解铅笔，还包括笔芯和笔杆表层。
因此，本发明的再一个目的是，克服现有技术中的不足，特别是不环保，不可降解的严重缺陷，提供一种全降解铅笔成型工艺，包括，
笔杆料的配制：按照比例将各物料加入高速混合机中，设置转速1500r/min，物料充分混合后排入平行双螺杆挤出机料斗，进行拉条造粒、烘干，制成笔杆料粒子；
将笔杆料粒子加入成型平行双螺杆挤出机料斗中，调整工艺参数，物料进入共挤模具，出模具后成型；
笔芯料的成型挤出：将石墨和粘土混合均匀后加入笔芯挤出机中，物料进入共挤模具中，在笔杆料中心处和笔杆料同步挤出成型；
表层料粒子造粒制备方式参照笔杆料粒子：将表层料粒子加入表层挤出机中，物料同样进入共挤模具中，表层料包覆在笔芯料外层，同笔杆料及笔芯料共挤成型；
依次经过水槽冷却定型、牵引机、切割机，最终制成铅笔。
因此，本发明的另一个目的是，克服现有技术及生产设备中的不足，提供一种全降解铅笔工艺成型系统，其特征在于：包括，
笔杆挤出系统，包括平行双螺杆挤出机、进料斗一和抽真空机；
笔芯挤出系统，包括笔芯挤出机和进料斗二；
表层挤出系统，包括进料斗三和表层挤出机；
模具系统；
冷却系统；
牵引系统和切割系统。
本发明有益效果：
(1)本发明配方中使用了大量的再生木质纤维，包括木粉、竹粉、秸秆、淀粉等来源、取材广泛的可回收农林废弃物，木粉和竹粉均为木材加工中废弃的边角料，真正做到了资源的合理利用、变废为宝，符合“以木代塑”的概念。所使用的降解树脂如聚乳酸，取材于植物资源如玉米、薯类等提取的淀粉转化而成，来源广泛、环保，有别于来源于石油化工的石化基产品。另外，配方中的无机填充物、色粉均为无机物，取自矿物质，不会对环境造成污染，再有，相比现有专利，无添加增塑剂，是真正意义的环保降解材料。传统的笔杆为使用原生木材制成，需要砍伐大量的树木；部分铅笔使用纸质笔杆，这相当于间接消耗木材；近些年发展出发泡PS笔杆，这种笔杆虽减少了木材的砍伐，但需要消耗石化资源，以上几种铅笔都大量消耗自然资源，不环保，不可降解。本发明铅笔与目前市面上的铅笔有本质的区别。
(2)现有生产铅笔的设备为单螺杆挤出机，本发明在现有基础上进行了优化，采用平行双螺杆挤出机，相比单螺杆挤出机，物料输送、混合、塑化更加稳定、均匀；同时双螺杆挤出机配备了真空系统，规避了空气容易进入单螺杆挤出机物料中的缺陷，或者因物料高温下产生气体而造成制品内部气孔的缺陷，使用双螺杆挤出机生产的制品更均匀、性能更稳定，废品率更低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例中全降解铅笔加工在成型系统图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明铅笔杆降解效率测定：取制得的铅笔杆，称量重量m1，将其放入盛有土壤的容器(花盆)内，将铅笔杆横置于表层下8～10cm，100天取出后，用清水洗净铅笔杆表面，用滤纸吸干水分后，进行称重m2，计算失重率。每组笔杆试样规格相同，每组取5个笔杆试样检测后求平均值。
失重率＝(m1-m2)÷m1*100％
本发明铅笔杆弯曲强度根据ISO 178检测。
实施例1
本实施例提供一种全降解铅笔的成型工艺，具体为：
(1)笔杆料的配制：
原料：木质纤维、可降解树脂、淀粉、无机填充料、交联剂、无机色粉和润滑剂；以原料总质量为百分百计，所述木质纤维为50％，所述可降解树脂为25％，所述淀粉为15％，所述无机填充料为3％，所述交联剂为3％，所述无机色粉为2％，所述润滑剂为2％；其中，木质纤维秸秆粉，粒径范围为200目，可降解树脂为聚乳酸，淀粉为玉米淀粉，无机填充料为蒙脱土，交联剂为二辛酯，无机色粉为钛白粉，润滑剂为硬脂酸；
按照比例将各物料加入高速混合机中，设置转速1500r/min，物料充分混合后排入平行双螺杆挤出机料斗，进行拉条造粒、烘干，制成笔杆料粒子；
(2)将笔杆料粒子加入成型平行双螺杆挤出机料斗中，调整工艺参数，物料进入共挤模具，出模具后成型；
(3)笔芯料的成型挤出：将石墨和粘土混合均匀后加入笔芯挤出机中，物料进入共挤模具中，在笔杆料中心处和笔杆料同步挤出成型；
(4)将表层料粒子加入表层挤出机中，物料同样进入共挤模具中，表层料包覆在笔芯料外层，同笔杆料及笔芯料共挤成型；
(5)依次经过水槽冷却定型、牵引机、切割机，最终制成铅笔。
具体的，全降解铅笔加工在成型系统中完成，具体的全降解铅笔的成型系统，包括，
笔杆挤出系统(100)，包括平行双螺杆挤出机(101)、进料斗一(102)和抽真空机(103)；
笔芯挤出系统(200)，包括笔芯挤出机(201)和进料斗二(202)；
表层挤出系统(300)，包括进料斗三(301)和表层挤出机(302)；
模具系统(400)；
冷却系统(500)；
牵引系统(600)和切割系统(700)。
进一步的，将笔杆料粒子由进料斗一(102)送入笔杆挤出系统(100)，在平行双螺杆挤出机(101)中挤压预成型，并通过抽真空机(103)，将预成型物料送入模具系统(400)中造模成型；
将石墨和粘土混合均匀后由进料斗二(202)加入笔芯挤出系统(200)，通过笔芯挤出机(201)挤出后，物料模具系统(400)中，在笔杆料中心处和笔杆料同步挤出成型；
将表层料粒子由料斗三(301)加入表层挤出系统(300)，在表层挤出机(302)中，物料同样进入物料模具系统(400)中，表层料包覆在笔芯料外层，同笔杆料及笔芯料共挤成型；
依次经过冷却系统(500)定型、牵引系统(600)和切割系统(700)，最终制成铅笔。
(6)测定铅笔杆降解失重率为99.6％，铅笔杆弯曲强度为58.4MPa。
实施例2
在实施例1的制备工艺条件下，笔杆料的配方不同，制得铅笔，具体的笔杆料的配方为：
木质纤维、可降解树脂、淀粉、无机填充料、交联剂、无机色粉和润滑剂；以原料总质量为百分百计，所述木质纤维为60％，所述可降解树脂为20％，所述淀粉为10％，所述无机填充料为3％，所述交联剂为3％，所述无机色粉为2％，所述润滑剂为2％；其中，木质纤维秸秆粉，粒径范围为200目，可降解树脂为聚乳酸，淀粉为玉米淀粉，无机填充料为蒙脱土，交联剂为二辛酯，无机色粉为钛白粉，润滑剂为硬脂酸。
测定铅笔杆降解失重率和铅笔杆弯曲强度，见表1。
实施例3
在实施例1的制备工艺条件下，笔杆料的配方不同，制得铅笔，具体的笔杆料的配方为：
木质纤维、可降解树脂、淀粉、无机填充料、交联剂、无机色粉和润滑剂；以原料总质量为百分百计，所述木质纤维为50％，所述可降解树脂为20％，所述淀粉为20％，所述无机填充料为3％，所述交联剂为3％，所述无机色粉为2％，所述润滑剂为2％；其中，木质纤维秸秆粉，粒径范围为200目，可降解树脂为聚乳酸，淀粉为玉米淀粉，无机填充料为蒙脱土，交联剂为二辛酯，无机色粉为钛白粉，润滑剂为硬脂酸。
测定铅笔杆降解失重率和铅笔杆弯曲强度，见表1。
实施例4
在实施例1的制备工艺条件下，笔杆料的配方不同，制得铅笔，具体的笔杆料的配方为：
木质纤维、可降解树脂、淀粉、无机填充料、交联剂、无机色粉和润滑剂；以原料总质量为百分百计，所述木质纤维为50％，所述可降解树脂为15％，所述淀粉为25％，所述无机填充料为3％，所述交联剂为3％，所述无机色粉为2％，所述润滑剂为2％；其中，木质纤维秸秆粉，粒径范围为200目，可降解树脂为聚乳酸，淀粉为玉米淀粉，无机填充料为蒙脱土，交联剂为二辛酯，无机色粉为钛白粉，润滑剂为硬脂酸。
测定铅笔杆降解失重率和铅笔杆弯曲强度，见表1。
实施例5
在实施例1的制备工艺条件下，笔杆料的配方不同，制得铅笔，具体的笔杆料的配方为：
木质纤维、可降解树脂、淀粉、无机填充料、交联剂、无机色粉和润滑剂；以原料总质量为百分百计，所述木质纤维为50％，所述可降解树脂为35％，所述淀粉为5％，所述无机填充料为3％，所述交联剂为3％，所述无机色粉为2％，所述润滑剂为2％；其中，木质纤维秸秆粉，粒径范围为200目，可降解树脂为聚乳酸，淀粉为玉米淀粉，无机填充料为蒙脱土，交联剂为二辛酯，无机色粉为钛白粉，润滑剂为硬脂酸。
测定铅笔杆降解失重率和铅笔杆弯曲强度，见表1。
表1
Figure BDA0003031767890000071
可以看出，当木质纤维、可降解树脂和淀粉的添加量不当时，可能由于体系的相容变差导致最终的铅笔杆降解效率变差，同时，力学性能也产生不良影响。
实施例6
在实施例1的配方条件下，全降解铅笔加工成型系统中不同，具体为：
铅笔的成型系统，包括，
笔杆挤出系统100，包括平行双螺杆挤出机101、进料斗一102；
笔芯挤出系统200，包括笔芯挤出机201和进料斗二202；
表层挤出系统300，包括进料斗三301和表层挤出机302；
模具系统400；
冷却系统500；
牵引系统600和切割系统700。
进一步的，将笔杆料粒子由进料斗一102送入笔杆挤出系统100，在平行双螺杆挤出机101中挤压预成型，将预成型物料送入模具系统400中造模成型；
将石墨和粘土混合均匀后由进料斗二202加入笔芯挤出系统200，通过笔芯挤出机201挤出后，物料模具系统400中，在笔杆料中心处和笔杆料同步挤出成型；
将表层料粒子由料斗三301加入表层挤出系统300，在表层挤出机302中，物料同样进入物料模具系统400中，表层料包覆在笔芯料外层，同笔杆料及笔芯料共挤成型；
依次经过冷却系统500定型、牵引系统600和切割系统700，最终制成铅笔。
测定铅笔杆降解失重率为97.4％，铅笔杆弯曲强度为54.1MPa。
可以看出，当全降解铅笔加工成型系统中的笔杆挤出系统100中不设置抽真空机时，即：在笔杆料粒子预挤出系统中，无抽真空处理，制得的笔杆性能明显降低，可能由于空气容易进入螺杆挤出机物料中，或者因物料高温下产生气体而造成制品内部气孔的缺陷，使得双螺杆挤出机生产的制品不均匀、性能稳定性差，同时废品率高。
本发明通过抽真空处理，规避了空气容易进入螺杆挤出机物料中的缺陷，或者因物料高温下产生气体而造成制品内部气孔的缺陷，使用双螺杆挤出机生产的制品更均匀、性能更稳定，废品率更低。
同时，发明人意外发现，当不采用真空处理时，制得的全降解铅笔笔杆的力学性能明显降低，可能制品内部气孔的缺陷，但是其力学性能降低，而此缺陷预测其降解性能应当会提升，但是在试验过程中，发明人发现并非如此，可能由于未通过抽真空处理，制品内部气孔，导致体系混合不均，木质纤维、可降解树脂、淀粉的混合不均，在降解过程中，反而会让其降解性能降低。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种全降解铅笔，其特征在于：包括笔杆，其中，
所述笔杆原料包括木质纤维、可降解树脂、淀粉、无机填充料、交联剂、无机色粉和润滑剂；
以原料总质量为百分百计，所述木质纤维为20～60％，所述可降解树脂为20～50％，所述淀粉为5～30％，所述无机填充料为1～3％，所述交联剂为1～3％，所述无机色粉为1～3％，所述润滑剂为1～3％。
2.如权利要求1所述全降解铅笔，其特征在于：所述木质纤维包括木粉、竹粉、秸秆、糠粉、稻壳、麦麸、咖啡渣、椰壳粉、茶渣中的一种或几种，所述木质纤维粒径范围为10～300目。
3.如权利要求2所述全降解铅笔，其特征在于：所述可降解树脂包括聚乳酸、聚己二酸对苯二甲酸丁二酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯中的一种或几种。
4.如权利要求3所述全降解铅笔，其特征在于：所述淀粉包括玉米淀粉、大米淀粉、大豆淀粉、木薯淀粉、红薯淀粉中的一种或几种。
5.如权利要求1所述全降解铅笔，其特征在于：所述无机填充料为蒙脱土、钙粉、滑石粉中的一种或几种，其粒径范围为300～1000目。
6.如权利要求1所述全降解铅笔，其特征在于：所述交联剂为二辛酯和二丁酯中的一种或几种；所述无机色粉为钛白粉、氧化铁红、氧化铁黄、炭黑中的一种或几种。
7.如权利要求1所述全降解铅笔，其特征在于：所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌、聚乙烯蜡中的一种或几种。
8.如权利要求1所述全降解铅笔，其特征在于：所述全降解铅笔，还包括笔芯和笔杆表层，表层材质同样为可降解树脂，组成参照笔杆各组分比例。
9.权利要求1～8中任一所述全降解铅笔的成型工艺，其特征在于：包括，
笔杆料的配制：按照比例将各物料加入高速混合机中，设置转速1500r/min，物料充分混合后排入平行双螺杆挤出机料斗，进行拉条造粒、烘干，制成笔杆料粒子；
将笔杆料粒子加入成型平行双螺杆挤出机料斗中，调整工艺参数，物料进入共挤模具，出模具后成型；
笔芯料的成型挤出：将石墨和粘土混合均匀后加入笔芯挤出机中，物料进入共挤模具中，在笔杆料中心处和笔杆料同步挤出成型；
表层料粒子造粒制备方式参照笔杆料粒子：将表层料粒子加入表层挤出机中，物料同样进入共挤模具中，表层料包覆在笔芯料外层，同笔杆料及笔芯料共挤成型；
依次经过水槽冷却定型、牵引机、切割机，最终制成铅笔。
10.权利要求1～9中任一所述全降解铅笔的成型系统，其特征在于：包括，
笔杆挤出系统(100)，包括平行双螺杆挤出机(101)、进料斗一(102)和抽真空机(103)；
笔芯挤出系统(200)，包括笔芯挤出机(201)和进料斗二(202)；
表层挤出系统(300)，包括进料斗三(301)和表层挤出机(302)；
模具系统(400)；
冷却系统(500)；
牵引系统(600)和切割系统(700)。
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