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                紙漿模塑制品及其模具設計

                一、紙漿模塑制品的基本生產過程
                紙漿模塑紙托的基料、助劑與紙相同,工藝也很接近,只不過紙漿模塑紙托是在網模上成形的。
                當紙漿通過網模時,纖維被網模截留,水被濾掉,按網模形狀成形,紙漿纖維靠纖維間氫鍵結合形成濕紙坯。濕紙坯再經過烘幹或熱定形,然後▓就會成為紙漿模塑制品。這就是紙漿模塑紙托成形的基本過程。

                二、紙漿模塑模具特征
                紙漿模塑是利用模具在紙漿狀態塑造紙制品,因此,模具是紙漿模塑技術的關鍵。
                紙托廠家利用紙漿模塑生產一次性快餐具,由於制品只有盒、碗和盤子,形狀比較簡單,有一定的通用性。紙漿模塑用在工業內包裝上和其他方面時,制品都比較大,形狀非常復雜,而且一款一式都是“對號入座”,沒有通用性,模具設計制造就要伴隨始終。
                紙漿模塑紙托成形時與在模腔內成形的橡膠和塑料制品大不相同,紙漿模塑紙托成形時使用的漿料是一種只含10%左右纖維的水溶液,必須保證大部分的水流掉,所以紙漿模塑紙托成形模具必須是網模。
                紙漿模塑紙托成形是將漿料中大量的水排掉的連續過程,紙制品在網模上形成一定厚度有個沈積過程,這樣制品成形必須是在單一的凸或凹的網模的表面上成形;紙漿模塑紙托成形過程同時也是一個過濾過程,隨著厚度增加而過濾性能降低,厚度形成速度降低,所以紙托形成時各處壁厚是在同步進行的。不管制品形狀如何復雜,其各處壁厚都是一致的。紙漿模塑紙托成形之後是個含水量在70-75%的濕紙坯,因為使漿料推向網模濾過時的動力是真空度,再大的力量不超過一個大氣壓。
                初成形的濕紙坯吸附在網模上,濕強度很低,必須靠另外一個與之對█應的凸或凹模合模之後,使濕紙坯置於合模後的模腔內,用氣壓使之轉移,紙漿模塑紙托是在單一的凸或凹模上成形,又在合模後的模腔內轉移。由於紙漿模塑成形的這些特殊性,增大了制品設計和模具設計的難度。

                三、紙漿模塑紙托設計
                紙漿模塑紙托設計不僅僅是結構裝備器材上的設計,其制品的許多性能由原材料、助劑、填料和生產工藝所決定。因此,紙漿模塑紙托設計是一項工藝和結構綜合性技術。
                1一些基本要求
                除紙類產品的一般物理強度等要求外,還應根據制品的不同用途,從工藝和結構設計上,重視以下幾項性能,以滿足特定的使用要求。
                (1)吸附性:紙漿模塑紙托的憎液性能,包括對水、油、油墨等液體的吸收性能,這對紙餐具是特別重要的。
                (2)制品外觀質量:用肉眼可以觀察到制品外觀的缺陷,這些缺陷包括塵埃、孔洞、皺折、筋道、網印、斑點、漿疙瘩、魚鱗斑、裂口、卷邊、凹陷、色澤不一致等不美觀的外表。
                (3)制品精度:是指制品的尺寸、形狀和位置與設計要求之間的誤差。紙漿模塑紙托精度按目前的制造方法,只能達█到全國標準"&級以下。
                2結構設計要點
                紙漿模塑紙托除了有紙制品的強度和韌性之外,還可以根據使用功能要求制成各種復雜形狀。用作一次性快餐具時,形狀比較簡單,強度要求也不算高。用作工業內包裝時,其形狀就很復雜,它必須滿足工業內包裝的三大要求:

                一是定位要求。包裝制品必須能保證被包裝物品在包裝箱內有固定位置,要求包裝制品與被包裝物品之間形狀同步,接觸貼切,尺寸準確。

                二是緩沖要求。制品整體要有一定的韌性和柔性,表面還應該有些松軟,與被包裝物品接觸摩擦時不能損傷被包裝物品表面光澤,能消除包裝物品在搬運中受到碰撞、振動時產生的沖擊。

                三是承載。要求制品有一定的強度和剛性來支撐被包裝物和承受外界壓力。為了滿足紙托上述功能要求,除了選擇適當的原材料、助劑和生產工藝之外,更重要的是結構設計。
                (1)功能性結構:
                紙漿模塑紙托成形工藝特點決定了同一個制品只能有一個厚度,為了適應功能要求,在調整強度和緩沖性時可利用形腔和立筋,形腔可以增加紙托整體的彈性和柔性,立筋可增加紙托強度和剛性。在比較大的平面,承載能力要求高時,可以將此處設計成瓦楞形或蜂窩形。
                (2)工藝性結構:

                由於紙漿模塑紙托成形初期是個濕紙坯,在生產過程中,水要逐步析出,制品形狀、位置和尺寸都會發生較大變化,在制品的同一個平面、同一個方向的█不同位置,制品的收▓縮總量不同,這時紙托就要發生翹曲或扭轉變形。為了調整這種變形,只有采取結構形狀進行平衡。這種用來調整收縮變形的結構形狀稱作紙托的工藝性結構。
                (3)與結構相關的參數確定原則:
                脫模斜度。紙漿模塑紙托在成形過程中,濕紙坯緊扣在模具上,而且紙漿纖維還會鑲嵌在網模的網孔中,為了便於使濕紙坯轉移,與脫模方向平行的紙托表面都應該有個合理的脫模斜度。斜度過小則脫模困難,會造成紙托表面拉痕或破裂;斜度過大將降低制品尺寸精度,影響包裝功能。
                制品壁厚。根據使用條件和漿料種類來確定制品壁厚,壁厚是影響紙托強度的重要因素。紙托壁厚的增加不單純是增加原材料消耗,而且在吸附成形時壁厚決定了生產效率,增加壁厚還會增加烘幹能耗和使紙托產生凹陷、縮孔和夾心等質量缺陷。所以在滿足紙托強度情況下應盡量降低壁厚。在采用吸附成形時壁厚範圍在0.5-6mm之間,在采用壓制成形時壁厚在3-20mm之間。
                過渡圓角。紙漿模塑紙托的內外表面轉角處、立筋與主體聯接處和立筋的終端都必須用圓角過渡,避免直棱直角。圓角過渡有利於模具制造和附網,有利於濕紙坯轉移時脫模,有利於漿料在吸附成形時的流動,有利於減小應力集中。


                四、紙漿模塑模具設計
                模具設計必須滿足紙漿模塑紙托結構要求,而且紙漿模塑紙托結構在符合使用和成形工藝條件的同時,也要符合模具設計和制造的要求。因此,設計紙漿模塑模具之前,必須充分分析和研究紙漿模塑紙托的結構,以便使紙托設計和模具設計兩者的經濟合理性、技術可行性相互協調和統一。
                1、紙漿模塑模具種類
                紙漿模塑紙托成█形過程中要經過多次進入模具才能到完成制品制造過程,前面講過紙漿模塑制品是在單一的凸或凹模上成形,成形之後又必須在凸凹模合模之後的模腔中轉移,轉移到定形模具的濕紙坯是在定形模具中加壓、加熱後成形。因此,紙漿模塑模具分為成形模具、定形模具、整形模具和模切模具等。其中成形工藝有兩類,一類是吸附成形,另一類是壓制成形,壓制成形模具有些類似橡膠塑料模具,吸附成形模具較為特殊和復雜。
                (1)吸附成形模具:吸附成形模具
                結構由凸模、凹模、網模、模具座、模具背腔和氣室等組成。其中網模是模具主體,由於網模是由直徑0.15mm絲線(金屬或塑料)編織成,自身不能獨立成形,必須依附在模具表面才能工作。模具背腔是與模具工作面保持一定厚度、形狀完全同步的模具背面部位相對模具座組成的空腔,即凸、凹模是一個具有一定壁厚的殼體。模具工作面與背腔之間由均布的小孔聯通。
                模具通過模具座安裝在成形機的模板上,模板的另一面安裝有氣室,氣室與背腔相通,同時其上還有兩個通壓縮空氣和真空的通道。
                吸附成形模具的預留▓量:吸附成形模具的預留▓量是模具設計的關鍵。
                紙漿模塑紙托從濕紙坯到完成制品,由於水的析出而發生收縮。同一個紙托的不同位置收縮率不相同又沒有規律,致使紙托在成形過程中發生多向、多變的收縮變化,給模具設計時確定預留量造成因難,好在目前包裝業對紙漿模塑紙托制造精度要求不算高,用經驗設計法還可以滿足要求。為了獲得更高的紙托制造精度,完善模具設計方法,筆者通過長時間測試和理論推導總結確定了一項具有普遍使用價值、精度很高的模具預留量計算式(由於可以理解的原因不能公布)。這個計算式除了受結構、形狀約束之外,還加進了漿料種類、成形條件和烘幹方式的系數,所以這個計算式既有理論依據,又有經驗系數。
                (2)紙漿模塑定形模具:定形模具是在濕紙坯成形之後直接進入具有加熱、加壓和脫水功能的模具。
                定形模具是用來使濕坯在模內烘幹定形,用定形模具制造出來的制品表面光滑,尺寸準確,堅實,剛性好。一次性快餐具都是采用這種模具制造的。在工業內包裝上,一些細小、精密、數量大的小型物品都采用一層層堆疊起來的方式包裝,每層之間用來包裝定位的包裝制品,如果采用紙漿模塑制品就需要用定形模具來制造。而一般的工業內包裝制品都是單面工作,不用熱定形,直接烘幹即可。定形模具結構包括凸模、凹模、網模和加熱元件,附有網模的凸或凹模上有排水排氣孔,工作時濕紙坯在定形模內首先受到擠壓,有20%的水被壓榨排出,此時濕紙坯內含水為50-55%使濕紙坯在模內受熱後余下來的水被汽化排▓除,濕紙坯被壓榨烘幹定形後形成紙托。
                定形模具中的網模會使制品表面產生網痕,而且網模在頻繁擠壓中會很快破損。為了解決這個問題,筆者設計了一種無網模,這種無網模是采用銅基球狀粉末冶金制造。兩年來經過多次結構改進和選擇適當的粉末粒度,制造出來的無網定形模具壽命是網模的10倍,成本降低50%,制造出來的紙制品精度高,內、外表面光滑。
                (3)紙漿模塑整形模具:濕紙坯經過烘幹後要發生變形,有的部位變形嚴重,或者對紙托外表形狀要求精度高時,紙托要經過一道整形工序,使用的模具稱整形模具。這種模具也需要有加熱元件,但是沒有網模也可以。需要整形的紙托在烘幹時要保留25-30%的含水量,以便於整形。在生產實踐中由於含水量不易控制,使制品難以達到質量要求。筆者設計了一種噴霧整形模具,在模具上對應需要整形部位制造出噴霧孔。工作時制品是經過徹底烘幹後放進整形模具內,合模同時模具上噴霧孔對紙托噴霧熱壓,這種模具與制衣行業的噴霧熨鬥有些相似。
                (4)模切模具:模切模具是用來修整紙托毛邊,亦稱切邊模。
                2紙漿模塑模具材料
                模切模具除了其中的刀具之外都是采用普通碳鋼制造;定形模具和整形模具一般都是采用黃銅、鋁合金和不銹鋼制造。
                成形模具目前采用黃銅、鋁合金和樹脂制造。用在工業內包裝制品上精度不高時可以直接采用鑄造法制造,精度要求高的必須采用機械切削加工法制造。成形模具中的轉移模要采用樹脂直接從對應的凸模或凹模上翻倒制造出來,精度高。如果有紙質樣品,可采用一種低熔點合金利用樣品作母模直接翻倒模具。
                網模是紙漿模塑模具中的關鍵性模具,是直接影響制品質量和生產效率的重要一環。
                網模用網有金屬網和塑料網,金屬網又分黃銅網、不銹鋼網和鍍鉻網,網絲直徑在0.15-0.25mm之間。按網的編織方法分為單經網、三經網、撚織網和雙層織網等。網孔幾何形狀有正方孔、長方孔和六邊形孔。網目一般在40-65目之間。
                模具過渡材料。過渡材料是用來制造初造形的母模或在樣品上翻倒制模所用材料。過渡材料有木材、型砂、石蠟、矽橡膠、石膏、樹脂等。

                五、模具技術進步使紙漿模塑大有用武之地——紙質育秧盤
                一種有規律的凹槽紙板可以用在一臺可以稱作“室內臺式播種機”上,在紙板的凹槽內播種上植物種子,加入化肥和除草劑,用另外一種紙復合好,制造出一種有一定幅寬的播種紙,這種播種紙使用前分切成紙條,將這種紙條按壟埋進土壤中,對其進行定期適量噴水,水透過土壤浸濕了播種紙,水溶解化肥和除草劑使其滲入土壤,種子有了水分開始萌芽,幼芽穿透浸濕了的播種紙破土而出,剩下的播種紙降解在土壤中成為肥料。將播種紙埋進土壤之後,就只剩下等著收獲了。