紙漿模塑制品制作工藝研究

紙漿模塑制品制作工藝研究

0傳統(tǒng)打樣方法的缺陷紙漿模塑制品是以可循環(huán)使用的植物纖維為基本原材料，用模具制成，由自己的特殊結(jié)構(gòu)保護(hù)。目前紙模行業(yè)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品過(guò)程中普遍存在著打樣成本高等問(wèn)題,成為影響其發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)程的重要因素之一。傳統(tǒng)打樣方法是在三維造型軟件中模擬被包裝物外形特征進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),應(yīng)用數(shù)控加工制得鋁合金成型模具,采用此模具上成型機(jī)打出的紙模樣品,存在著紙模包裝樣品與被包裝物外形吻合度差等缺陷,其打樣過(guò)程存在著模具設(shè)計(jì)不精確、制作成本高、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題。因此,尋求高效率、低成本的打樣方法,是眾多紙漿模塑企業(yè)普遍關(guān)注的問(wèn)題。作者以桐油砂模代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬模具作為吸塑成型模具進(jìn)行紙漿模塑制品的快速上機(jī)打樣,對(duì)打樣用砂模的制作工藝進(jìn)行了詳細(xì)研究。1測(cè)試1.1試驗(yàn)設(shè)備及設(shè)備原料:硅砂,采用60~40目粒徑規(guī)格的硅砂;桐油,江西永新象形桐油加工廠出售的生桐油;膨潤(rùn)土,濰坊龍鳳膨潤(rùn)土有限公司的鈉基膨潤(rùn)土。設(shè)備:ZBY149-83電熱恒溫干燥箱(用于干燥砂模試樣);WD-5D電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(用于測(cè)試砂模試樣的彎曲強(qiáng)度);2XZ-2旋片式真空泵(用于測(cè)試砂模試樣的濾水性能)等。1.2測(cè)試方法1.2.1干燥干燥試驗(yàn)硅砂、膨潤(rùn)土和桐油混碾后出砂,在石膏母模內(nèi)澆注成型,制作長(zhǎng)30mm、寬20mm、厚10mm的長(zhǎng)方體砂模試樣,以電熱恒溫干燥箱進(jìn)行干燥。其制備工藝為硅砂+膨潤(rùn)土干混→3~4min桐油混碾→8~10min澆注成型→干燥。1.2.2砂模的制作應(yīng)用砂模替代鋁合金成型模具上機(jī)打樣需具備的基本性能為較好的強(qiáng)度、濾水性和表面光潔度。參照金屬成型模具的網(wǎng)模用網(wǎng)直徑為0.15~0.2mm,網(wǎng)目一般為40~60目。使用粒徑規(guī)格為60目的硅砂制作桐油砂模,硅砂粒間孔徑小,且粒間覆有桐油膜,使砂模具有良好的表面光潔度,可以滿足紙漿模塑成型模具的要求。只對(duì)砂模試樣進(jìn)行彎曲強(qiáng)度測(cè)試和濾水性測(cè)試。彎曲強(qiáng)度是材料在彎曲負(fù)荷作用下破裂或達(dá)到規(guī)定撓度時(shí)能承受的最大應(yīng)力,用以檢驗(yàn)材料在經(jīng)受彎曲負(fù)荷作用時(shí)的性能。參照紙漿模塑生產(chǎn)過(guò)程中使用的鋁合金成型模具殼體的厚度大約為10mm,用于檢測(cè)彎曲強(qiáng)度所制作的砂模試樣均為厚度10mm、長(zhǎng)30mm、寬20mm的長(zhǎng)方體,以WD-5D電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行干態(tài)彎曲強(qiáng)度測(cè)試和浸濕后0.5h的濕態(tài)彎曲強(qiáng)度測(cè)試。用于檢測(cè)濾水性能的砂模試樣為厚度為10mm、半徑為30mm的圓柱體,將圓柱體砂模試樣嵌入布氏漏斗內(nèi),以2XZ-2旋片式真空泵對(duì)砂模試樣進(jìn)行濾水性能的測(cè)試。2結(jié)果分析2.1單因素試驗(yàn)，砂模本組試驗(yàn)包括4個(gè)不同工藝參數(shù)的單因素試驗(yàn),依次研究桐油質(zhì)量、膨潤(rùn)土質(zhì)量、干燥溫度和干燥時(shí)間4個(gè)因素對(duì)砂模強(qiáng)度性能的影響。2.1.1桐油質(zhì)量對(duì)桐油膜的作用機(jī)理制作工藝參數(shù):硅砂100g,不添加膨潤(rùn)土,干燥溫度200℃,干燥時(shí)間30min。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示,桐油量增加,桐油砂模的強(qiáng)度性能提高,桐油量持續(xù)增加,試樣彎曲強(qiáng)度的提高速率有所減緩,較理想的桐油加入量為6g。影響因素分析:桐油因其特殊的共軛三烯結(jié)構(gòu),使其具有較高的反應(yīng)活性,不僅可以發(fā)生聚合反應(yīng),聚合成以二氧六環(huán)為單元的大分子,由于多烯鍵的存在,其分子間發(fā)生交聯(lián)作用,形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子膜,桐油作為黏結(jié)劑,黏結(jié)硅砂,硅砂對(duì)桐油膜有應(yīng)力分散的作用,使砂模具有濾水性能。桐油質(zhì)量直接影響著黏結(jié)膜的性能,即砂模的性能,砂模干態(tài)彎曲強(qiáng)度曲線的斜率隨著桐油量的增加逐漸增大,桐油質(zhì)量繼續(xù)增加曲線斜率出現(xiàn)減小趨勢(shì);桐油質(zhì)量過(guò)少時(shí),分子間交聯(lián)少,聚合物分子質(zhì)量小,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不夠致密,甚至砂粒沒(méi)有被黏結(jié)膜完全包裹,砂模強(qiáng)度低;桐油質(zhì)量增加,桐油分子的活化能增大,單體聚合反應(yīng)強(qiáng),聚合物分子質(zhì)量大,分子間交互作用,形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)高分子聚合膜的韌性。在持續(xù)的高濕狀態(tài)下,桐油黏結(jié)膜的破裂形式由內(nèi)聚破裂變?yōu)楦街屏?。隨著桐油質(zhì)量的增加,其濕態(tài)彎曲強(qiáng)度明顯提高,桐油過(guò)多時(shí),桐油砂模的干、濕態(tài)強(qiáng)度提高,但過(guò)量的桐油,形成的致密黏結(jié)膜會(huì)影響砂模的濾水性能,且增加制作成本。2.1.2膨潤(rùn)土加入量制作工藝參數(shù):硅砂100g,桐油6g,干燥溫度200℃,干燥時(shí)間30min。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,加入適量的膨潤(rùn)土可以提高砂模試樣的干、濕態(tài)彎曲強(qiáng)度,其中濕態(tài)彎曲強(qiáng)度的提高尤為顯著,較理想的膨潤(rùn)土加入量為3g。膨潤(rùn)土加入量為3g時(shí),砂模試樣的干態(tài)彎曲強(qiáng)度為3.503MPa,濕態(tài)彎曲強(qiáng)度為2.986MPa,優(yōu)于質(zhì)量配比m(硅砂)∶m(桐油)=100∶9制備的砂模試樣其濕態(tài)彎曲強(qiáng)度2.752MPa,等質(zhì)量的膨潤(rùn)土價(jià)格低于桐油價(jià)格,后續(xù)試驗(yàn)中采用加入膨潤(rùn)土作為防潮增強(qiáng)劑提高砂模濕態(tài)彎曲強(qiáng)度的方案。影響因素分析:由于膨潤(rùn)土結(jié)構(gòu)單元中晶片水合,帶微弱正電荷的小片棱邊被吸引到帶負(fù)電荷的小片表面那里,迅速地建立了三維空間結(jié)構(gòu),體系的黏度很快增大。適量膨潤(rùn)土的黏結(jié)性增強(qiáng)了砂模的濕態(tài)彎曲強(qiáng)度,過(guò)量時(shí),膨潤(rùn)土作為粒子對(duì)桐油膜具有分散應(yīng)力的作用,降低砂模的強(qiáng)度性能。2.1.3砂模強(qiáng)度曲線制作工藝參數(shù):硅砂100g,桐油6g,膨潤(rùn)土3g,干燥時(shí)間30min。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示,干燥溫度提高,有利于提高砂模試樣的強(qiáng)度性能,干燥溫度持續(xù)提高,砂模的強(qiáng)度性能有降低趨勢(shì),濕態(tài)彎曲強(qiáng)度曲線的顯現(xiàn)尤為明顯。質(zhì)量配比m(硅砂)∶m(膨潤(rùn)土)∶m(桐油)=100∶3∶6,干燥30min的較優(yōu)條件為200℃。影響因素分析:加熱可以促進(jìn)桐油的聚合作用,干燥溫度升高,聚合反應(yīng)速度提高,聚合物分子質(zhì)量增加,黏結(jié)膜韌性增強(qiáng);過(guò)高的干燥溫度,反應(yīng)物黏度大,易焦化,制得的砂模試樣明顯呈黑色狀態(tài),在高濕狀態(tài)下彎曲強(qiáng)度降低;干燥溫度低時(shí),反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),不經(jīng)濟(jì)。2.1.4砂模材料的彎曲性能制作工藝參數(shù):硅砂100g,桐油6g,膨潤(rùn)土3g,干燥溫度200℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,干燥時(shí)間的延長(zhǎng)在一定程度上提高了砂模試樣的彎曲強(qiáng)度。實(shí)際操作中,干燥時(shí)間35min條件下制得的砂模試樣呈現(xiàn)黑褐色,干燥時(shí)間為30、35min條件下,制作的砂模試樣進(jìn)行彎曲測(cè)試過(guò)程中,顯示其高強(qiáng)度狀態(tài)所持續(xù)的時(shí)間呈明顯縮短趨勢(shì)。此工藝參數(shù)條件下,砂模干燥的較優(yōu)時(shí)間為25min。影響因素分析:干燥時(shí)間過(guò)短,桐油分子交聯(lián)少,成膜性差;時(shí)間過(guò)長(zhǎng),不經(jīng)濟(jì),甚至出現(xiàn)油膜焦化,砂模的強(qiáng)度性能降低。2.2正交試驗(yàn)結(jié)果砂模性能的主要影響因素為:桐油質(zhì)量、膨潤(rùn)土質(zhì)量、干燥溫度和干燥時(shí)間,考察指標(biāo)為試樣的干態(tài)彎曲強(qiáng)度和濕態(tài)彎曲強(qiáng)度。用正交試驗(yàn)篩選最佳工藝參數(shù),正交因素與水平見(jiàn)表1,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。正交試驗(yàn)結(jié)果顯示,影響砂模性能的主次因素依次為桐油質(zhì)量、膨潤(rùn)土質(zhì)量、干燥時(shí)間、干燥溫度,以砂模的干態(tài)彎曲強(qiáng)度為指標(biāo)的最佳工藝參數(shù)組合為A2B2C2D2,以砂模的濕態(tài)彎曲強(qiáng)度為指標(biāo)的最佳工藝參數(shù)組合為A2B1C2D2,綜合多種因素,選擇較為理想的工藝參數(shù)組合,砂模上機(jī)工作環(huán)境為濕態(tài)環(huán)境,且混砂過(guò)程中,A2B1C2D2組合桐油砂的流動(dòng)性優(yōu)于A2B2C2D2組合,從節(jié)約能源角度考慮,A2B1C2D2組合更有優(yōu)勢(shì)。確定工藝參數(shù)組合為:40~60目粒徑規(guī)格的硅砂100g,桐油6g,膨潤(rùn)土2g,干燥溫度200℃,干燥時(shí)間25min。2.3砂模的濾水性測(cè)定彎曲強(qiáng)度試驗(yàn):以工藝參數(shù)硅砂100g、桐油6g、膨潤(rùn)土2g、干燥溫度200℃、干燥時(shí)間25min制作砂模試樣,干態(tài)彎曲強(qiáng)度3.513MPa,濕態(tài)彎曲強(qiáng)度2.905MPa,由于紙漿模塑成型時(shí),模具內(nèi)的真空負(fù)壓不超過(guò)一個(gè)大氣壓,其強(qiáng)度滿足上機(jī)打樣要求。濾水性試驗(yàn):以極限壓力為0.06MPa的旋片式真空泵測(cè)試砂模的濾水性,將制作好的圓形砂模試樣嵌入布氏漏斗內(nèi),抽濾打漿度為18°SR,漿料為1%的漂白硫酸鹽漿,持續(xù)抽濾10s,砂模上沉積纖維厚度20mm。實(shí)際生產(chǎn)中紙漿模塑真空成型時(shí)的真空度一般為0.05~0.06MPa,對(duì)于淺而薄的紙漿模塑制品,成型時(shí)間一般為10~15s,對(duì)于深且厚的紙漿模塑制品,成型時(shí)間視具體制品情況適當(dāng)延長(zhǎng),砂模的濾水性滿足成型模具的濾水性要求。試驗(yàn)結(jié)果顯示,砂模滿足上機(jī)打樣對(duì)模具的強(qiáng)度和濾水性要求。3砂模、砂模的制作(1)以40~60目粒徑規(guī)格的硅砂制作砂模,影響砂模性能的因素依次為:桐油質(zhì)量、膨潤(rùn)土質(zhì)量、干燥時(shí)間、干燥溫度;得到原料配比和制作工藝的較