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)開發(fā)新產(chǎn)品過程中普遍存在著打樣成本高等問題,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,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,其打樣過程存在著模具設(shè)計不精確、制作成本高、周期長、風(fēng)險大等問題。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,對打樣用砂模的制作工藝進(jìn)行了詳細(xì)研究。1測試1.1試驗設(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;膨潤土,濰坊龍鳳膨潤土有限公司的鈉基膨潤土。設(shè)備:ZBY149-83電熱恒溫干燥箱(用于干燥砂模試樣);WD-5D電子萬能試驗機(jī)(用于測試砂模試樣的彎曲強(qiáng)度);2XZ-2旋片式真空泵(用于測試砂模試樣的濾水性能)等。1.2測試方法1.2.1干燥干燥試驗硅砂、膨潤土和桐油混碾后出砂,在石膏母模內(nèi)澆注成型,制作長30mm、寬20mm、厚10mm的長方體砂模試樣,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。只對砂模試樣進(jìn)行彎曲強(qiáng)度測試和濾水性測試。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)定撓度時能承受的最大應(yīng)力,用以檢驗材料在經(jīng)受彎曲負(fù)荷作用時的性能。參照紙漿模塑生產(chǎn)過程中使用的鋁合金成型模具殼體的厚度大約為10mm,用于檢測彎曲強(qiáng)度所制作的砂模試樣均為厚度10mm、長30mm、寬20mm的長方體,以WD-5D電子萬能試驗機(jī)對試樣進(jìn)行干態(tài)彎曲強(qiáng)度測試和浸濕后0.5h的濕態(tài)彎曲強(qiáng)度測試。用于檢測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旋片式真空泵對砂模試樣進(jìn)行濾水性能的測試。2結(jié)果分析2.1單因素試驗，砂模本組試驗包括4個不同工藝參數(shù)的單因素試驗,依次研究桐油質(zhì)量、膨潤土質(zhì)量、干燥溫度和干燥時間4個因素對砂模強(qiáng)度性能的影響。2.1.1桐油質(zhì)量對桐油膜的作用機(jī)理制作工藝參數(shù):硅砂100g,不添加膨潤土,干燥溫度200℃,干燥時間30min。試驗結(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;桐油質(zhì)量過少時,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屏选ｋS著桐油質(zhì)量的增加,其濕態(tài)彎曲強(qiáng)度明顯提高,桐油過多時,桐油砂模的干、濕態(tài)強(qiáng)度提高,但過量的桐油,形成的致密黏結(jié)膜會影響砂模的濾水性能,且增加制作成本。2.1.2膨潤土加入量制作工藝參數(shù):硅砂100g,桐油6g,干燥溫度200℃,干燥時間30min。試驗結(jié)果如圖2所示,加入適量的膨潤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,較理想的膨潤土加入量為3g。膨潤土加入量為3g時,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)量的膨潤土價格低于桐油價格,后續(xù)試驗中采用加入膨潤土作為防潮增強(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。適量膨潤土的黏結(jié)性增強(qiáng)了砂模的濕態(tài)彎曲強(qiáng)度,過量時,膨潤土作為粒子對桐油膜具有分散應(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,膨潤土3g,干燥時間30min。試驗結(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,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,反應(yīng)時間過長,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,膨潤土3g,干燥溫度200℃。試驗結(jié)果如圖4所示,干燥時間的延長在一定程度上提高了砂模試樣的彎曲強(qiáng)度。實際操作中,干燥時間35min條件下制得的砂模試樣呈現(xiàn)黑褐色,干燥時間為30、35min條件下,制作的砂模試樣進(jìn)行彎曲測試過程中,顯示其高強(qiáng)度狀態(tài)所持續(xù)的時間呈明顯縮短趨勢。此工藝參數(shù)條件下,砂模干燥的較優(yōu)時間為25min。影響因素分析:干燥時間過短,桐油分子交聯(lián)少,成膜性差;時間過長,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正交試驗結(jié)果砂模性能的主要影響因素為:桐油質(zhì)量、膨潤土質(zhì)量、干燥溫度和干燥時間,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。用正交試驗篩選最佳工藝參數(shù),正交因素與水平見表1,試驗結(jié)果見表2。正交試驗結(jié)果顯示,影響砂模性能的主次因素依次為桐油質(zhì)量、膨潤土質(zhì)量、干燥時間、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,且混砂過程中,A2B1C2D2組合桐油砂的流動性優(yōu)于A2B2C2D2組合,從節(jié)約能源角度考慮,A2B1C2D2組合更有優(yōu)勢。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,膨潤土2g,干燥溫度200℃,干燥時間25min。2.3砂模的濾水性測定彎曲強(qiáng)度試驗:以工藝參數(shù)硅砂100g、桐油6g、膨潤土2g、干燥溫度200℃、干燥時間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,模具內(nèi)的真空負(fù)壓不超過一個大氣壓,其強(qiáng)度滿足上機(jī)打樣要求。濾水性試驗:以極限壓力為0.06MPa的旋片式真空泵測試砂模的濾水性,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。實際生產(chǎn)中紙漿模塑真空成型時的真空度一般為0.05~0.06MPa,對于淺而薄的紙漿模塑制品,成型時間一般為10~15s,對于深且厚的紙漿模塑制品,成型時間視具體制品情況適當(dāng)延長,砂模的濾水性滿足成型模具的濾水性要求。試驗結(jié)果顯示,砂模滿足上機(jī)打樣對模具的強(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、膨潤土質(zhì)量、干燥時間、干燥溫度;得到原料配比和制作工藝的較