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鋼筆材質:硬橡膠與PMMA/亞克力性能對比

2022-09-24 10:31 作者:天波雷達  | 我要投稿

玩過部分古董鋼筆的人可能知道,在硝酸纖維賽璐璐出現(xiàn)之前,20世紀初的鋼筆普遍使用硬橡膠材質制作筆桿,而現(xiàn)今鋼筆除了少數(shù)款式,量產款基本替換為丙烯酸類樹脂。如英雄100筆桿使用的372筆用塑料就為添加了15%苯乙烯的聚甲基丙烯酸甲酯(英雄100大口長筆握時期更換了較軟的樹脂材料,現(xiàn)產改回了小口短筆握換回了較硬的丙烯酸類樹脂)。派克51使用的lucite合成樹脂實際上就是丙烯酸類樹脂(lucite英文直譯就是有機玻璃)。

老派克豆腐和老犀飛利,筆桿材質多為硬橡膠(或者硝酸纖維賽璐璐)。圖片來源某魚

復古的硬橡膠和現(xiàn)今常用的丙烯酸樹脂綜合性能對比起來具體如何,網上有部分硬橡膠材質科普文章,但里面沒有具體的力學性能數(shù)值對比。本文就來個詳細的性能對比吧。


首先說一下硬橡膠,硬橡膠和橡膠不同,硬化后處于玻璃態(tài)而不是橡膠通常處于的高彈態(tài),硫化過程也被稱為化學玻璃化轉化,其整體的力學性質和玻璃態(tài)的塑料類似,與軟質橡膠大不相同。


從上圖應力應變曲線可以看出,硬質橡膠的力學性能和軟質橡膠大不相同,跟塑料的應力應變曲線類似

大部分橡膠包括部分合成橡膠以及天然橡膠都可通過硫化工藝制成硬橡膠,鋼筆上使用的硬橡膠大多為天然橡膠通過硫化工藝制作。

下面三張圖是笑暮屋官網對于硬橡膠的描述

從上圖笑暮屋官網描述看,其硬橡膠是采用天然橡膠和硫磺以及黃長石(作為填料)混合,加熱使其硫化后制成。


當然笑暮屋硬橡膠真實的材料大概率不止這幾種,關鍵的添加劑包括抗氧化劑,防老劑這些都沒寫(畢竟天然橡膠耐候性尤其是抗光和熱老化能力很差需要添加劑提高這些性能),應該是商業(yè)機密吧。


下面說一下硬橡膠的力學性能


上圖包括天然橡膠(NR)和合成橡膠制成的硫化硬質橡膠的力學性能,未填充和填充分別指無填料和有填料,對于鋼筆上使用的硬橡膠只看上圖NR(填充)一項即可(畢竟笑暮屋的硬橡膠明確寫了黃長石填料,而且實際使用中硬橡膠基本上都有加填料)。


硬橡膠中的填料可以提升硬橡膠的硬度、模量和耐磨能力,但會導致強度下降,綜合起來填料對硬橡膠的性能提升是有一定幫助的。同時填料也可以降低硬橡膠的制造成本。


從上圖中可以看出,NR(填充)硬橡膠20-50Mpa的拉伸強度較高,比工程塑料低但強過諸如低密度聚乙烯這類強度偏低的塑料,和高密度聚乙烯的拉伸強度存在交集。不過硬橡膠的硬度偏低,模量也不出色,綜合力學性能只能說一般吧。


接著說一下PMMA或者說亞克力,其也被稱作有機玻璃。

有機玻璃具有優(yōu)異的機械、耐候、耐酸堿性能,其抗拉伸性能與抗沖擊性能強于普通玻璃。


從上圖可以看出,普通有機玻璃的拉伸和沖擊強度高于NR(填充)硬質硬橡膠,布氏硬度更是比硬橡膠高了一個數(shù)量級(單位換算關系為1kg/mm2≈9.8MPa)。硬橡膠的硬度實際上低于指甲的硬度,握筆時指甲可能會劃傷硬橡膠筆桿上的螺紋,而亞克力的硬度高過指甲,不會出現(xiàn)這種問題。


有機玻璃的耐熱性一般,開水泡會導致變形(經過改性的耐熱有機玻璃有了很大改善),但是常溫下使用并沒有問題。


有機玻璃還可以進行定向拉伸處理,經過定向拉伸處理的有機玻璃具有優(yōu)異的韌性、耐老化性能,優(yōu)秀的抗銀紋性和抗裂紋擴展性,較高的強度和接近鋁合金的韌性,因而被用作戰(zhàn)斗機座艙蓋等部件。


如上圖,幾個航空有機玻璃的力學性能更為突出。DYB-3和DYB-4這倆是經過定向拉伸處理的有機玻璃,無論是抗拉強度還是沖擊強度和延伸率相比非定向有機玻璃都有所提升,強度等力學性能遠超NR(填充)硬質橡膠,綜合力學性能已經是工程塑料級別。


部分工程塑料的力學性能,可以拿有機玻璃對比一下

綜合對比,有機玻璃的力學性能明顯比硬橡膠要好,在拉伸強度、硬度、沖擊強度上都有優(yōu)勢,而NR(填充)硬橡膠僅可能在延伸率上有優(yōu)勢(2-13%延伸率,有機玻璃為4-6.5%)。


當然高分子材料不可能只比力學性能,美觀程度、加工制造難度、成本、耐候性以及耐腐蝕能力這些都可以對比一下。


先說一下加工難度和成本。


由于亞克力是熱塑性塑料,可以使用模具進行注塑或者吹塑加工,這對需要大規(guī)模量產的塑料產品來說屬于必備的性質。現(xiàn)今從龍鳥到日系三家再到國產英雄永生,其大眾量產款的筆身筆帽結構都使用了注塑工藝進行加工,大大降低了筆身的制造成本。


每年數(shù)以億計的塑料瓶使用吹塑工藝生產,瓶蓋使用注塑工藝生產。注塑和吹塑工藝對塑料加工的意義不用我多說了

而硬質橡膠由于需要加熱硫化處理的步驟,基本上只能使用硫化好的棒材車制成筆桿,加工成本相當高,其實成本已經是硬橡膠筆身普及的一大攔路虎。


接著說一下美觀程度。


圖片來源penbbs
penbbs的筆,丙烯酸樹脂的花色非常豐富

由于丙烯酸樹脂材料是高度透明的,其透明率達到90%-92%,不僅可以用來制作示范鋼筆,還可以加入顏料制作各種特殊花色,例如penbbs的各類花色就是靠丙烯酸類樹脂的。

如上圖所示,英雄100使用的黑色、軍綠、湖藍、大紅等顏色樹脂筆桿都是372丙烯酸樹脂加入顏料染色制得。

非透明的硫化硬橡膠花色上的選擇相比透明的丙烯酸類樹脂來說少了非常多


而硬橡膠并不是透明的,加入顏料也根本沒法做出丙烯酸類樹脂的效果,其花色只能說復古。


接著是耐溶劑性和耐腐蝕能力。


上圖是有機玻璃耐酸性能表,其能耐堿和稀無機酸腐蝕,不溶于水、甲醇、甘油等,但是吸收醇類可能會溶脹(所以怕酒精),不耐芳烴和鹵代烴。面對具有酸性的鐵膽墨水,有機玻璃的耐腐蝕能力非常優(yōu)異不會出現(xiàn)被腐蝕的情況。


硬橡膠可耐中性鹽溶液,但是怕氧化性酸,也怕鹵素和鹵化氫以及臭氧,其不溶于脂肪族碳氫化合物,但會吸收芳香族化合物、鹵代碳氫化合物、硝基化合物、低分子量脂等軟化。


整體上看,硬橡膠相比亞克力對非中性的鹽溶液的耐性可能不好,也怕臭氧等氧化物和低分子量脂。二者都怕某些芳香族化合物以及鹵代烴。亞克力相比硬橡膠來說更怕酒精。


圖片來源b站梅斯金公爵
圖片來源b站梅斯金公爵
圖片來源b站梅斯金公爵

對于鋼筆使用的墨水,有些硬橡膠可能會出現(xiàn)墨水腐蝕螺紋的現(xiàn)象,而亞克力基本上沒有這種問題。對于墨水來說亞克力的耐腐蝕能力要更好一些。


總的來說,亞克力無論是綜合力學性能還是加工難易度和成本都好過硬質橡膠,而這種綜合性能上的碾壓是近百年來高分子材料學的進步所帶來的,這就像青銅器碾壓石器,鐵器碾壓青銅器一樣。硬橡膠在鋼筆上被亞克力取代當屬技術進步的結果,鋼筆大廠在筆身材料上轉向丙烯酸類樹脂也實屬必然。

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本文是為了反駁下面截圖中的觀點,基于誰主張誰舉證的原則,本文給出了硬橡膠與亞克力的力學性能表并進行對比,耐腐蝕能力數(shù)據(jù)來源于《高分子材料學》書籍。

此人自封專業(yè)人士,反駁不過我就拉黑。


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