紙漿模塑制品及其模具設(shè)計(jì)

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，泡沫塑料制品越來(lái)越受到限制，泡沫塑料一次性快餐具已經(jīng)禁止生產(chǎn)和銷(xiāo)售，而用作工業(yè)內(nèi)包裝的泡沫塑料制品也成為我國(guó)商品邁出國(guó)門(mén)的一大障礙?！耙约埓堋币呀?jīng)列入我國(guó)包裝行業(yè)“九五規(guī)劃”，大力開(kāi)發(fā)應(yīng)用紙基材料’包括紙模制品(包裝物正是包裝工業(yè)落實(shí)“九五規(guī)劃”的一個(gè)重點(diǎn)。紙，作為包裝材料歷史已經(jīng)很久遠(yuǎn)了，但是由于其可塑性差和較小的延伸率，傳統(tǒng)的紙制品都是采用折疊方式成形來(lái)適應(yīng)包裝需求，如各種瓦楞紙、蜂窩紙、紙箱、紙袋、紙筒等。紙漿模塑制品是紙質(zhì)包裝家族中的后起之秀，它源于造紙，并且有獨(dú)自的優(yōu)勢(shì)和個(gè)性。紙漿模塑制品除了具有一般紙制品的強(qiáng)度和韌性之外，還可以根據(jù)要求制成各種形狀來(lái)適應(yīng)被包裝物對(duì)包裝的承載、定位和緩沖的要求，完全可以取代泡沫塑料進(jìn)入包裝行列。

                                                                （圖源網(wǎng)絡(luò)）

一、紙漿模塑制品的基本生產(chǎn)過(guò)程

    紙漿模塑產(chǎn)品的基料、助劑與紙相同，工藝也很接近，只不過(guò)紙漿模塑制品是在網(wǎng)模上成形的。

    當(dāng)紙漿通過(guò)網(wǎng)模時(shí)，纖維被網(wǎng)模截留，水被濾掉，按網(wǎng)模形狀成形，紙漿纖維靠纖維間氫鍵結(jié)合形成濕紙坯。濕紙坯再經(jīng)過(guò)烘干或熱定形，最后成為紙漿模塑制品。這就是紙漿模塑制品成形的基本過(guò)程。

二、紙漿模塑模具特征

紙漿模塑是利用模具在紙漿狀態(tài)塑造紙制品，因此，模具是紙漿模塑技術(shù)的關(guān)鍵。

利用紙漿模塑生產(chǎn)一次性快餐具，由于制品只有盒、碗和盤(pán)子，形狀比較簡(jiǎn)單，有一定的通用性。紙漿模塑用在工業(yè)內(nèi)包裝上和其他方面時(shí)，制品都比較大，形狀非常復(fù)雜，而且一款一式都是“對(duì)號(hào)入座”，沒(méi)有通用性，模具設(shè)計(jì)制造就要伴隨始終。

紙漿模塑制品成形時(shí)與在模腔內(nèi)成形的橡膠和塑料制品大不相同，紙漿模塑制品成形時(shí)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，所以紙漿模塑制品成形模具必須是網(wǎng)模。

紙漿模塑制品成形是將漿料中大量的水排掉的連續(xù)過(guò)程，紙制品在網(wǎng)模上形成一定厚度有個(gè)沉積過(guò)程，這樣制品成形必須是在單一的凸或凹的網(wǎng)模的表面上成形；紙漿模塑制品成形過(guò)程同時(shí)也是一個(gè)過(guò)濾過(guò)程，隨著厚度增加而過(guò)濾性能降低，厚度形成速度降低，所以制品形成時(shí)各處壁厚是在同步進(jìn)行的。不管制品形狀如何復(fù)雜，其各處壁厚都是一致的。紙漿模塑制品成形之后是個(gè)含水量在70-75%的濕紙坯，因?yàn)槭節(jié){料推向網(wǎng)模濾過(guò)時(shí)的動(dòng)力是真空度，最大的力量不超過(guò)一個(gè)大氣壓。

初成形的濕紙坯吸附在網(wǎng)模上，濕強(qiáng)度很低，必須靠另外一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的凸或凹模合模之后，使?jié)窦埮髦糜诤夏：蟮哪Ｇ粌?nèi)，用氣壓使之轉(zhuǎn)移，紙漿模塑制品是在單一的凸或凹模上成形，又在合模后的模腔內(nèi)轉(zhuǎn)移。由于紙漿模塑成形的這些特殊性，增大了制品設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)的難度。

三、紙漿模塑制品設(shè)計(jì)

紙漿模塑制品設(shè)計(jì)不僅僅是結(jié)構(gòu)裝備器材上的設(shè)計(jì)，其制品的許多性能由原材料、助劑、填料和生產(chǎn)工藝所決定。因此，紙漿模塑制品設(shè)計(jì)是一項(xiàng)工藝和結(jié)構(gòu)綜合性技術(shù)。

一些基本要求：

除紙類(lèi)產(chǎn)品的一般物理強(qiáng)度等要求外，還應(yīng)根據(jù)制品的不同用途，從工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，重視以下幾項(xiàng)性能，以滿(mǎn)足特定的使用要求。

(1)吸附性：紙漿模塑制品的憎液性能，包括對(duì)水、油、油墨等液體的吸收性能，這對(duì)紙餐具是特別重要的。

(2)制品外觀質(zhì)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(wǎng)印、斑點(diǎn)、漿疙瘩、魚(yú)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(shè)計(jì)要求之間的誤差。紙漿模塑制品精度按目前的制造方法，只能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)"&級(jí)以下。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

紙漿模塑制品除了有紙制品的強(qiáng)度和韌性之外，還可以根據(jù)使用功能要求制成各種復(fù)雜形狀。用作一次性快餐具時(shí)，形狀比較簡(jiǎn)單，強(qiáng)度要求也不算高。用作工業(yè)內(nèi)包裝時(shí)，其形狀就很復(fù)雜，它必須滿(mǎn)足工業(yè)內(nèi)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(nèi)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(zhǔn)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(yīng)該有些松軟，與被包裝物品接觸摩擦?xí)r不能損傷被包裝物品表面光澤，能消除包裝物品在搬運(yùn)中受到碰撞、振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊。三是承載。要求制品有一定的強(qiáng)度和剛性來(lái)支撐被包裝物和承受外界壓力。為了滿(mǎn)足制品上述功能要求，除了選擇適當(dāng)?shù)脑牧?、助劑和生產(chǎn)工藝之外，更重要的是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(1)功能性結(jié)構(gòu)：

紙漿模塑制品成形工藝特點(diǎn)決定了同一個(gè)制品只能有一個(gè)厚度，為了適應(yīng)功能要求，在調(diào)整強(qiáng)度和緩沖性時(shí)可利用形腔和立筋，形腔可以增加制品整體的彈性和柔性，立筋可增加制品強(qiáng)度和剛性。在比較大的平面，承載能力要求高時(shí)，可以將此處設(shè)計(jì)成瓦楞形或蜂窩形。

(2)工藝性結(jié)構(gòu)：由于紙漿模塑制

品成形初期是個(gè)濕紙坯，在生產(chǎn)過(guò)程中，水要逐步析出，制品形狀、位置和尺寸都會(huì)發(fā)生較大變化，在制品的同一個(gè)平面、同一個(gè)方向的不同位置，制品的收縮總量不同，這時(shí)制品就要發(fā)生翹曲或扭轉(zhuǎn)變形。為了調(diào)整這種變形，只有采取結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行平衡。這種用來(lái)調(diào)整收縮變形的結(jié)構(gòu)形狀稱(chēng)作制品的工藝性結(jié)構(gòu)。

(3)與結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)確定原則：

脫模斜度。紙漿模塑制品在成形過(guò)程中，濕紙坯緊扣在模具上，而且紙漿纖維還會(huì)鑲嵌在網(wǎng)模的網(wǎng)孔中，為了便于使?jié)窦埮鬓D(zhuǎn)移，與脫模方向平行的制品表面都應(yīng)該有個(gè)合理的脫模斜度。斜度過(guò)小則脫模困難，會(huì)造成制品表面拉痕或破裂；斜度過(guò)大將降低制品尺寸精度，影響包裝功能。

制品壁厚。根據(jù)使用條件和漿料種類(lèi)來(lái)確定制品壁厚，壁厚是影響制品強(qiáng)度的重要因素。制品壁厚的增加不單純是增加原材料消耗，而且在吸附成形時(shí)壁厚決定了生產(chǎn)效率，增加壁厚還會(huì)增加烘干能耗和使制品產(chǎn)生凹陷、縮孔和夾心等質(zhì)量缺陷。所以在滿(mǎn)足制品強(qiáng)度情況下應(yīng)盡量降低壁厚。在采用吸附成形時(shí)壁厚范圍在0.5-6mm之間，在采用壓制成形時(shí)壁厚在3-20mm之間。

過(guò)渡圓角。紙漿模塑制品的內(nèi)外表面轉(zhuǎn)角處、立筋與主體聯(lián)接處和立筋的終端都必須用圓角過(guò)渡，避免直棱直角。圓角過(guò)渡有利于模具制造和附網(wǎng)，有利于濕紙坯轉(zhuǎn)移時(shí)脫模，有利于漿料在吸附成形時(shí)的流動(dòng)，有利于減小應(yīng)力集中。

四、紙漿模塑模具設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足紙漿模塑制品結(jié)構(gòu)要求，而且紙漿模塑制品結(jié)構(gòu)在符合使用和成形工藝條件的同時(shí)，也要符合模具設(shè)計(jì)和制造的要求。因此，設(shè)計(jì)紙漿模塑模具之前，必須充分分析和研究紙漿模塑制品的結(jié)構(gòu)，以便使制品設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)兩者的經(jīng)濟(jì)合理性、技術(shù)可行性相互協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。

紙漿模塑模具種類(lèi)：

紙漿模塑制品成形過(guò)程中要經(jīng)過(guò)多次進(jìn)入模具才能最后完成制品制造過(guò)程，前面講過(guò)紙漿模塑制品是在單一的凸或凹模上成形，成形之后又必須在凸凹模合模之后的模腔中轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移到定形模具的濕紙坯是在定形模具中加壓、加熱后成形。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(lèi)，一類(lèi)是吸附成形，另一類(lèi)是壓制成形，壓制成形模具有些類(lèi)似橡膠塑料模具，吸附成形模具較為特殊和復(fù)雜。

(1)吸附成形模具：吸附成形模具

結(jié)構(gòu)由凸模、凹模、網(wǎng)模、模具座、模具背腔和氣室等組成。其中網(wǎng)模是模具主體，由于網(wǎng)模是由直徑0.15mm絲線(xiàn)(金屬或塑料)編織成，自身不能獨(dú)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(duì)模具座組成的空腔，即凸、凹模是一個(gè)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(lián)通。

模具通過(guò)模具座安裝在成形機(jī)的模板上，模板的另一面安裝有氣室，氣室與背腔相通，同時(shí)其上還有兩個(gè)通壓縮空氣和真空的通道。

吸附成形模具的預(yù)留量：吸附成形模具的預(yù)留量是模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

紙漿模塑制品從濕紙坯到完成制品，由于水的析出而發(fā)生收縮。同一個(gè)制品的不同位置收縮率不相同又沒(méi)有規(guī)律，致使制品在成形過(guò)程中發(fā)生多向、多變的收縮變化，給模具設(shè)計(jì)時(shí)確定預(yù)留量造成因難，好在目前包裝業(yè)對(duì)紙漿模塑制品制造精度要求不算高，用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法還可以滿(mǎn)足要求。為了獲得更高的制品制造精度，完善模具設(shè)計(jì)方法，筆者通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試和理論推導(dǎo)總結(jié)確定了一項(xiàng)具有普遍使用價(jià)值、精度很高的模具預(yù)留量計(jì)算式(由于可以理解的原因不能公布)。這個(gè)計(jì)算式除了受結(jié)構(gòu)、形狀約束之外，還加進(jìn)了漿料種類(lèi)、成形條件和烘干方式的系數(shù)，所以這個(gè)計(jì)算式既有理論依據(jù)，又有經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

(2)紙漿模塑定形模具：定形模具是在濕紙坯成形之后直接進(jìn)入具有加熱、加壓和脫水功能的模具。

定形模具是用來(lái)使?jié)衽髟谀?nèi)烘干定形，用定形模具制造出來(lái)的制品表面光滑，尺寸準(zhǔn)確，堅(jiān)實(shí)，剛性好。一次性快餐具都是采用這種模具制造的。在工業(yè)內(nèi)包裝上，一些細(xì)小、精密、數(shù)量大的小型物品都采用一層層堆疊起來(lái)的方式包裝，每層之間用來(lái)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(lái)制造。而一般的工業(yè)內(nèi)包裝制品都是單面工作，不用熱定形，直接烘干即可。定形模具結(jié)構(gòu)包括凸模、凹模、網(wǎng)模和加熱元件，附有網(wǎng)模的凸或凹模上有排水排氣孔，工作時(shí)濕紙坯在定形模內(nèi)首先受到擠壓，有20%的水被壓榨排出，此時(shí)濕紙坯內(nèi)含水為50-55%使?jié)窦埮髟谀?nèi)受熱后余下來(lái)的水被汽化排除，濕紙坯被壓榨烘干定形后形成制品。

定形模具中的網(wǎng)模會(huì)使制品表面產(chǎn)生網(wǎng)痕，而且網(wǎng)模在頻繁擠壓中會(huì)很快破損。為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種無(wú)網(wǎng)模，這種無(wú)網(wǎng)模是采用銅基球狀粉末冶金制造。兩年來(lái)經(jīng)過(guò)多次結(jié)構(gòu)改進(jìn)和選擇適當(dāng)?shù)姆勰┝６?，制造出?lái)的無(wú)網(wǎng)定形模具壽命是網(wǎng)模的10倍，成本降低50%，制造出來(lái)的紙制品精度高，內(nèi)、外表面光滑。

(3)紙漿模塑整形模具：濕紙坯經(jīng)過(guò)烘干后要發(fā)生變形，有的部位變形嚴(yán)重，或者對(duì)制品外表形狀要求精度高時(shí)，制品要經(jīng)過(guò)一道整形工序，使用的模具稱(chēng)整形模具。這種模具也需要有加熱元件，但是沒(méi)有網(wǎng)模也可以。需要整形的制品在烘干時(shí)要保留25-30%的含水量，以便于整形。在生產(chǎn)實(shí)踐中由于含水量不易控制，使制品難以達(dá)到質(zhì)量要求。筆者設(shè)計(jì)了一種噴霧整形模具，在模具上對(duì)應(yīng)需要整形部位制造出噴霧孔。工作時(shí)制品是經(jīng)過(guò)徹底烘干后放進(jìn)整形模具內(nèi)，合模同時(shí)模具上噴霧孔對(duì)制品噴霧熱壓，這種模具與制衣行業(yè)的噴霧熨斗有些相似。

(4)模切模具：模切模具是用來(lái)修整制品毛邊，亦稱(chēng)切邊模。

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(shù)脂制造。用在工業(yè)內(nèi)包裝制品上精度不高時(shí)可以直接采用鑄造法制造，精度要求高的必須采用機(jī)械切削加工法制造。成形模具中的轉(zhuǎn)移模最好采用樹(shù)脂直接從對(duì)應(yīng)的凸?；虬寄Ｉ戏怪圃斐鰜?lái)，精度高。如果有紙質(zhì)樣品，可采用一種低熔點(diǎn)合金利用樣品作母模直接翻倒模具。

網(wǎng)模是紙漿模塑模具中的關(guān)鍵性模具，是直接影響制品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要一環(huán)。

網(wǎng)模用網(wǎng)有金屬網(wǎng)和塑料網(wǎng)，金屬網(wǎng)又分黃銅網(wǎng)、不銹鋼網(wǎng)和鍍鉻網(wǎng)，網(wǎng)絲直徑在0.15-0.25mm之間。按網(wǎng)的編織方法分為單經(jīng)網(wǎng)、三經(jīng)網(wǎng)、捻織網(wǎng)和雙層織網(wǎng)等。網(wǎng)孔幾何形狀有正方孔、長(zhǎng)方孔和六邊形孔。網(wǎng)目一般在40-65目之間。

模具過(guò)渡材料。過(guò)渡材料是用來(lái)制造初造形的母?；蛟跇悠飞戏怪颇Ｋ貌牧?。過(guò)渡材料有木材、型砂、石蠟、硅橡膠、石膏、樹(shù)脂等。

五、模具技術(shù)進(jìn)步使紙漿模塑大有用武之地

筆者正在構(gòu)思一種能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的成形模具，一種紙模連續(xù)抄造機(jī)，可以生產(chǎn)出一次成形的蜂窩紙板。這種一次成形的蜂窩紙板除了可以用作包裝材料之外，另一個(gè)更大的用處是可以用來(lái)生產(chǎn)播種紙。

一種有規(guī)律的凹槽紙板(蜂窩紙)在另外一臺(tái)可以稱(chēng)作“室內(nèi)臺(tái)式播種機(jī)”上，在紙板的凹槽內(nèi)播種上植物種子，加入化肥和除草劑，用另外一種紙復(fù)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(jìn)土壤中，對(duì)其進(jìn)行定期適量噴水，水透過(guò)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(kāi)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(jìn)土壤之后，就只剩下等著收獲了。

紙漿模塑技術(shù)是古老的造紙業(yè)的新生兒，而紙漿模塑模具恰是這個(gè)新生兒的靈魂。

（文章轉(zhuǎn)載自UG網(wǎng)）