紙漿模塑模具材料的性能及其應用

2010-11-22 05:21:16曲曉晴黃俊彥高娟娟

中國造紙 2010年12期

曲曉晴黃俊彥高娟娟

(大連工業大學,遼寧大連,116034)

紙漿模塑模具材料的性能及其應用

曲曉晴黃俊彥高娟娟

(大連工業大學,遼寧大連,116034)

針對制作紙漿模塑模具用材料的基本要求,綜述了各種制模材料的特性及其對紙漿模塑生產的影響,介紹了用各種材料制作紙漿模塑模具的方法及其應用,為紙漿模塑模具的制作和生產提供參考。

紙漿模塑;模具材料;材料特性;制模方法

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、生產工藝簡單、無污染、易降解、可回收并可再生利用等優點,符合環保要求[1-2]。隨著紙漿模塑制品生產規模的不斷擴大,市場不斷拓展,產品性能也在不斷完善[3],但仍跟不上人們對紙漿模塑制品越來越高的質量要求。在紙漿模塑制品的生產中,模具是整套設備的關鍵部件之一[4]。模具的結構、形狀和精度直接決定紙漿模塑制品的性能[5]。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。模具的開發和設計的技術要求高,投入大,周期長,風險也大。目前,模具的設計制作及其所使用的材料也在不斷地被研究和探討,并逐步在改進和提高。

紙漿模塑制品的模具 (以下簡稱模具)的耐用性除了取決于其結構設計及使用與維護情況外,最根本的問題是制模材料的性質能否符合模具的加工與使用要求。因此,根據模具的結構和使用情況,合理選用制模材料,是模具設計人員的重要任務之一。目前,制模材料仍以鋼材為主,但根據紙漿模塑制品的成型工藝條件,也可采用低熔點合金、低壓鑄鋁合金、黃銅及其他非金屬材料等[6-7]。

本文結合生產實踐及相關文獻,綜述了各種制模材料的特性及其對紙漿模塑生產的影響,介紹了用各種材料制作模具的方法及其應用,旨在為模具的制作和生產提供參考。

1 金屬制模材料的基本要求

制造模具所采用的金屬材料,應具備下列性能:

(1)良好的加工性,即經熱處理后材料變形小。因為模具形狀繁多,在淬火以后如果變形太大,會增大加工難度,或根本不易加工。

(2)良好的拋光性。紙漿模塑制品常要求具有較好的光澤度和外觀,因而模具必須要經過拋光處理,選用的金屬材料不應含有粗糙的雜質和氣孔等。

(3)良好的耐磨性。紙漿模塑制品的表面光澤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,可承受生產操作中對模具的機械摩擦和劃傷。

(4)良好的耐腐蝕性。濕紙模及其添加劑對模具的表面有化學腐蝕作用,所以需選用耐腐蝕或經表面處理后的金屬材料。

2 制模材料

常用的金屬制模材料有鋼材 (合金工具鋼、不銹鋼)、有色金屬材料 (鋁合金、黃銅)、銅基球狀粉末冶金材料,用于小批量生產的模具也可以用環氧樹脂或低熔點合金制造。

2.1 鋼材

要制得使用壽命長、性能穩定的模具,鋼材是重要的材料之一。所用的鋼材應滿足機械加工、剛度和強度、熱傳導及抗腐蝕等方面的要求。常用的鋼材有合金工具鋼和不銹鋼。

(1)合金工具鋼

根據國家標準 GB1299—2000,可用作紙漿模塑模具的合金工具鋼的鋼號及化學成分見表1。

(2)不銹鋼

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。但其價格比一般鋼材貴得多,而且它的切削加工性能也比較差。

根據國家標準 GB/T 1220—2007,可用以制造紙漿模塑模具的不銹鋼的牌號和化學成分見表2。

2.2 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,它比鋼材更易于切削加工成型,可以大幅度縮短模具加工周期,因此在紙漿模塑模具中得以廣泛應用[3]。鑄鋁模具適宜作為尺寸較小的模具、適用于中等批量生產規模,在生產紙漿模塑制品時,由于成型壓力不大,可有較長的使用壽命。精鑄成型的鋁合金模具可以直接用于精度要求不高的工業內包裝制品,而生產精度要求較高的工業內包裝制品的模具則必須采用鋁合金板材經過塑性加工和焊接來制造。

紙漿模塑模具所用的鑄造鋁合金主要為鋁硅合金,根據國家標準 GB/T 1173—1995,其牌號和化學成分見表3。

紙漿模塑模具所用的鋁及鋁合金加工產品主要是變形鋁,根據國家標準 GB/T 3190—2008,其牌號和化學成分組成見表4。

根據國家標準 GB/T 3880—1997,紙漿模塑模具所用的鋁及鋁合金軋制板材的力學性能見表5。

表1 合金工具鋼的鋼號及化學成分%

表2 不銹鋼的牌號和化學成分%

表3 鑄造鋁合金的牌號和化學成分%

表4 變形鋁及鋁合金的牌號和化學成分組成 %

表5 鋁及鋁合金軋制板材的力學性能

(2)黃銅

用于紙漿模塑模具的鑄造銅合金主要是普通黃銅,根據國家標準 GB 1176—1987,其牌號和化學成分見表6。

表6 鑄造普通黃銅的牌號和化學成分 %

(3)銅基球狀粉末冶金材料

在使用定型模具進行濕紙模壓榨烘干過程中,附在定型模具上的濾網會使制品表面產生網痕,濾網雖然有模具的支撐,但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材料制造的新型無網模具,這種無網定型模具具有精度高、內外表面光滑、無網痕等優點,壽命是一般有網模具的 10倍,而且成本僅為傳統模具的 50%左右。

(4)低熔點合金

利用低熔點合金澆鑄制模方法,可以以紙漿模塑樣品作為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,節約大量鋼材,同時還能節省勞力。這種模具只能適于小批量紙漿模塑制品或試制產品的生產。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:將混合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 0.5 h左右,最后修正鑄件澆鑄時留下的殘痕,即可制作出轉移模。

2.3 環氧樹脂

環氧樹脂一般用以制造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。這種模具與低熔點合金模具一樣,也只能適用于小批量紙漿模塑制品或試制產品的生產。

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類環氧樹脂黏結力高,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#。

脂環族環氧樹脂黏度低、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、降低制成環氧樹脂模具的線膨脹系數和收縮性,提高其機械強度。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、均苯四酸二酐、鄰苯二甲酸酐等。

(4)封閉劑:使用石膏模作為過渡模時,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,耐酸性較強,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7所示。

2.4 制模過渡材料

模具的過渡材料是用來制造初造型的母?；蛟跇悠飞戏怪颇Ｋ貌牧?。過渡材料有木材、型砂、石蠟、硅橡膠、石膏、樹脂等[7-8]。

3 濾網材料

濾網是網模中的關鍵部件,濾網的好壞直接影響到制品質量和生產效率。濾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0.15～0.25 mm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形、長方形和六邊形孔。網目一般在 40～65目之間[8-10]。

表7 環氧樹脂澆注材料

3.1 黃銅網和不銹鋼網

根據國家標準 GB/T 5330—2003,黃銅網和不銹鋼網的規格見表8。

國內某紙漿模塑廠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,根據紙漿模塑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 Z MW系列不銹鋼網。其主要品種及參數見表9。

Z MW系列不銹鋼網除具有一般不銹鋼網的表面光滑、耐腐蝕、韌性好、耐壓、抗拉、耐高溫等優點外,還具有柔軟度和馴服度好、打折不反彈等特點,很容易包覆在各種復雜幾何形狀 (如凸凹面、弧面、小溝、槽等)的模具上。產品的各種物理性能與進口的紙漿模塑專用不銹鋼網接近,且價格低廉,是紙漿模塑模具優良的網材。

表8 工業用金屬絲編織方孔篩網規格

表9 ZMW系列不銹鋼網的主要品種及參數

3.2 塑料網

濾網用的塑料網主要為造紙行業用的聚酯成形網,其規格見表10[11]。

表10 聚酯成形網產品參數

4 結語

隨著“綠色包裝”的悄然興起和紙漿模塑設計與生產技術的發展,紙漿模塑制品擁有廣闊的市場前景。在開發和設計紙漿模塑模具過程中,研究各種制模材料的特性及如何恰當地選用各種模具材料,對于提高紙漿模塑設計與生產的技術水平,降低紙漿模塑制品的生產成本,滿足用戶的多樣需求,提高經濟效益,有著十分重要的經濟意義和社會意義。

[1] 劉志忱,黃俊彥.紙漿模塑制品的模具設計[J].紙和造紙,2001(3):27.

[2] 李新芳.紙漿模塑材料性能的研究現狀和開發應用[J].包裝工程,2009,30(1):124.

[3] 陳海燕.紙漿模塑制品的模具設計研究[D].西安:西安理工大學,2007.

[4] 張新昌.我國紙漿模塑工業包裝的現狀與發展[J].包裝工程,2003,24(1):4.

[5] 陳海燕,和克智.Pro/ENG INEER在紙漿模塑模具設計中的應用[J].包裝與食品機械,2006,24(6):35.

[6] 王文生.紙漿模制品的模具設計 [J].黑龍江造紙,2004(4):40.

[7] 于永建,張新昌.紙漿模塑產品的模具設計[J].機電信息,2003(22):27.

[8] 于永建.紙漿模塑真空吸濾成型機理及其模具參數研究[D].無錫:江南大學,2005.

[9] 劉志忱.紙漿模塑機理及其模具設計研究[J].廣東包裝,2001(2):12.

[10] 于巖.基于 RERP的紙漿模塑模具關鍵技術研究[D].無錫:江南大學,2008.

[11] 東光縣利源網業有限公司.聚酯成形網產品參數[EB/OL].http://www.czly-china.com/html/cpsss w.html.

Characteristics ofM ouldMater ials in PulpM olded Production

QU Xiao-qing HUANG Jun-yan＊GAO Juan-juan
(Dalian Polytechnic University,Dalian,Liaoning Province,116034)

According to basic requirementsofmouldmaterials,the characteristicsofmouldmaterials and factors influencingpulp molded production were summarized.The moldingmethods of variousmould materials and their application in pulp molded production were introduced.It provided the reference formould making in pulp molded production.

pulp molded;mould materials;material characteristics;moldingmethod

TS76

0254-508X(2010)12-0066-05