紙漿模塑模具的制作材料及其性能

大連工業大學 高娟娟 黃俊彥 曲曉晴

1 前言

紙漿模塑制品——這一新興的綠色環保型產品已被越來越多的人們所認識和接受，其產品具有原料來源廣泛、生產工藝簡練、無污染、易降解、可回收再生利用的鮮明特點和環保特性。在紙漿模塑制品的生產過程中，紙模模具是一個關鍵部件，模具的開發設計技術要求高，投入大，周期長，風險也較大，隨著紙漿模塑制品生產規模的不斷擴大，使用市場的不斷拓展，產品性能的不斷完善，模具的設計制作及其所使用的材料也在不斷地研究和探討、逐步改進和提高之中。

紙漿模塑制品模具的耐用性除取決于模具結構設計及其使用與維護情況外，最根本的問題是制模材料的基本性能是否與模具的加工要求與使用條件相適應。因此，根據模具的結構和使用情況，合理選用紙漿模塑的制模材料，是紙漿模塑模具設計人員的重要任務之一。

目前，紙漿模塑制模材料仍以鋼材為主，但根據紙模制品的成型工藝條件，也可采用低熔點合金，低壓鑄鋁合金，黃銅和其他非金屬材料等。

2 制模材料的基本要求

制造模具所采用的金屬材料，基本上應具備下列性能：

①加工性能良好，熱處理局變形小。因為模具零件往往形狀很復雜，而在淬火以后加工又很困難，或根本不易加工，所以在選擇模具材料時，應盡量選擇熱處理后變形小的金屬材料。

②拋光性良好。紙模制品常要求具有較好的光澤和表面狀態，因而模具必須很好地拋光處理，選用的金屬材料不應含有粗糙的雜質和氣孔等。

③耐磨性良好。紙模制品的表面光度和尺寸精度都與模具表面的耐磨性有直接關系，因此要求模具有很高的耐磨性，模具表面硬度大，可經受生產操作中對模具的機械磨擦和劃傷。

④耐腐蝕性良好。濕紙模及其添加劑對模具的表面有化學腐蝕作用，所以要選用耐腐蝕的金屬材料或進行表面處理。

3 制模材料

3.1 鋼材

通常要求紙模制品模具使用壽命長，性能穩定，鋼材是重要的選用材料之一。根據生產需要，用作紙模制品模具的鋼材應滿足機械加工、剛度和強度、熱傳導性及抗腐蝕性等方面的要求。常用的鋼材有合金工具鋼和不銹鋼材料。

（1）合金工具鋼

可用作紙模模具的合金工具鋼的鋼號及化學成分見表1。

表1 合金工具鋼的鋼號及化學成分（GB1299-2000）

（2）不銹鋼

可用作紙模制品模具零部件的不銹鋼能在一定的溫度和腐蝕條件下長期工作，并保證其力學和物理性能不變。但不銹鋼的價格比一般鋼材貴得多，而且它的切削加工性能比較差。

紙模模具用不銹鋼的鋼號和化學成分見表2。

表2 不銹鋼的鋼號和化學成分（GB／T 1220-2007）

3.2 有色金屬材料

（1）鋁合金

鑄造鋁合金具有較高的耐腐蝕性和一定的強度、硬度、耐熱性及焊接性，比鋼材易于切削加工成型，可以大幅度縮短模具加工周期，因此在紙模制品模具中得以廣泛應用。鑄鋁模具用于尺寸較小、中等批量的紙漿模塑制品的生產時，由于成型壓力不大，使用壽命可以得到延長。用于精度要求不高的工業內包裝制品時可以直接采用精鑄成型的鋁合金模具，而精度要求較高的工業內包裝制品則必須采用機械切削加工法制造的模具。鋁合金板材經過塑性加工和焊接后也可制成紙模制品的模具。

紙模模具用鑄造鋁合金主要為鋁硅合金，其牌號和化學成分見表3。

表3 （鑄造）鋁合金的牌號和化學成分（GB／T 1173-1995）

紙模模具用鋁合金板材主要類別為防銹鋁，其牌號和化學成分見表4。

表4 防銹鋁合金加工產品的牌號和化學成分（GB／T 3190-2008）

紙模模具用鋁合金板材的機械性能見表5。

表5 防銹鋁合金板材產品的機械性能

（2）黃銅

紙模模具用鑄造銅合金主要為普通黃銅，其代號和化學成分見表6。

表6 鑄造普通黃銅的代號和化學成分（GB 1176-1987）

（3）黃銅網和不銹鋼網

網模是紙漿模塑模具中的關鍵性模具材料，是直接影響制品質量和生產效率的重要環節。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。按網的編織方法又分為單經網、三經網、捻織網和雙層織網等。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。

紙模網模用黃銅網、不銹鋼網的規格見表7。

國內一紙漿模塑廠家為滿足同行對模具用網的需求，結合自身從事模具加工和生產的經驗，根據紙模模具對絲網的特殊要求，采用進口不銹鋼絲進行特殊加工處理，成功研制出用于紙漿模塑工業包裝制品、餐具制品模具的專用ZMW系列不銹鋼網。其主要品種及參數見表8。

ZMW系列不銹鋼網除具一般不銹鋼網的表面光滑、耐腐蝕、韌性好、耐壓、抗拉、耐高溫等特征外，還具柔軟度、馴服度好、打折不反彈等特點，能輕易包附在各種復雜的幾何形狀（如凸凹面、孤面、小溝、槽等）的模具上。產品的各種物理性能與進口的紙模專用不銹鋼網接近，且價格低廉，是紙塑模具優良的網材。

表7 工業用金屬絲編織方孔篩網規格（GB／T 5330-2003）

（4）銅基球狀粉末冶金

在使用定型模具進行紙模濕紙模壓榨烘干過程中，定型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變形甚至破損。為了解決這個問題，業內人士開始研制一種采用銅基球狀粉末冶金制造的新型無網模，這種無網定型模具具有精度高、內外表面光滑、無網痕等特點，壽命是一般網模的10倍，而且成本僅為傳統模具的50%左右。

表8 ZMW系列不銹鋼網主要品種及參數

3.3 其它制模材料

除了以上所述的各種鋼材和有色金屬外，環氧樹脂和低熔點合金等也可用作紙模模具的制模材料，但一般只能適于小批量紙模制品或試制產品的生產。

（1）環氧樹脂

用環氧樹脂制作的成型模具中的轉移模，具有一定的機械強度、良好的化學穩定性和工藝性能，可縮短模具生產周期，降低模具成本。為保證模具的制造精度，可采用澆注法直接從對應的凸模或凹模上（或者石膏過渡模）翻倒制造出模具。

環氧樹脂制模所用材料如下：

①環氧樹脂：環氧樹脂品種很多，目前廣泛使用的有雙酚A類環氧樹脂和脂環族環氧樹脂。

雙酚A類環氧樹脂粘結力高，化學穩定性好，收縮率低，機械和電氣性能良好。如環氧樹脂634#、環氧樹脂6101#。

脂環族環氧樹脂粘度低、工藝性能好，分子結構緊密，固化后硬度大，耐熱性和耐紫外光老化等特性好。如環氧樹脂6207#。

②填料：填料可降低成本、減少環氧樹脂用量、降低線膨脹系數和收縮性，提高機械強度。常用填料有鋁粉、氧化鋁、石英粉、碳化硅、鋼絲絨、玻璃纖維等。

③硬化劑：硬化劑促進環氧樹脂的固化反應。常用硬化劑有乙二胺、間苯二胺、順丁烯二酸酐、苯均四酸二酐、鄰苯二甲酸酐等。

④封閉劑：使用石膏模作過渡模時，涂在石膏模上的封閉劑為聚乙烯醇。聚乙烯醇是白色無味的粉末，能溶解于水中。封閉劑的主要作用是不使環氧樹脂液在澆注過程中滲入石膏模微孔內。

⑤脫模劑：常用的脫模劑有硅油、二硫化鉬。硅油是一種含硅的合成材料，常用的二甲基硅油是無色透明的油狀物。二硫化鉬是藍灰色的固體粉末，有金屬光澤，對酸的抗腐蝕性較強，作為脫模劑用的二硫化鉬粒度越細越好。

環氧樹脂澆注材料的配方見表9所示。

表9 環氧樹脂澆注材料

（2）低熔點合金

利用低熔點合金澆鑄制模方法，可以以紙模樣品作母模直接翻倒出轉移模具。低熔點合金澆鑄制模不僅可以縮短模具的制造周期，節約大量的鋼材，同時還節省勞力。

低熔點合金的種類較多，目前使用的較簡單的一種是鉍58%和錫42%的鉍錫合金。

低熔點合金熔化與澆鑄工藝過程如下：

將攙和好的鉍錫合金料置于熔鍋內，加熱至140℃左右（溫度測量可采用半導體點溫計或普通溫度計），熔化均勻后即可澆鑄在準備好的紙模樣品母模上成型，鑄型后的鑄件冷卻半小時左右，最后修正鑄件澆鑄時留下的殘痕，即可制作出轉移模。

（3）塑料網

紙模網模用塑料網主要為滌綸網等，其規格見表10。

表10 工業用合成纖維網規格

3.4 制模過渡材料

模具的過渡材料是用來制造初造型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、硅橡膠、石膏、樹脂等。

4 結語

紙漿模塑制品作為一種新興的綠色包裝材料，具有原料來源廣泛、可回收再利用或自然降解，不會對環境造成污染等環保特性，使其越來越廣泛地應用于工農業生產的各個領域。同時，人們對于紙模制品的結構、形狀和精度的要求也越來越高。在整個紙模制品的生產過程中，模具是一個關鍵性的部件，模具的質量直接決定著紙模制品的性能。提高模具的質量、降低模具制作成本已經成為業內人士關注的焦點。本文結合生產實踐及參考資料，綜述了各種制模材料的特性和其對紙漿模塑生產的影響，介紹了各種材料制作紙模模具的方法及其應用，旨在為紙漿模塑模具的制作和生產提供有益的參考。