纸浆模塑模具的制作材料及其性能

大连工业大学 高娟娟 黄俊彦 曲晓晴

1 前言

纸浆模塑制品——这一新兴的绿色环保型产品已被越来越多的人们所认识和接受，其产品具有原料来源广泛、生产工艺简练、无污染、易降解、可回收再生利用的鲜明特点和环保特性。在纸浆模塑制品的生产过程中，纸模模具是一个关键部件，模具的开发设计技术要求高，投入大，周期长，风险也较大，随着纸浆模塑制品生产规模的不断扩大，使用市场的不断拓展，产品性能的不断完善，模具的设计制作及其所使用的材料也在不断地研究和探讨、逐步改进和提高之中。

纸浆模塑制品模具的耐用性除取决于模具结构设计及其使用与维护情况外，最根本的问题是制模材料的基本性能是否与模具的加工要求与使用条件相适应。因此，根据模具的结构和使用情况，合理选用纸浆模塑的制模材料，是纸浆模塑模具设计人员的重要任务之一。

目前，纸浆模塑制模材料仍以钢材为主，但根据纸模制品的成型工艺条件，也可采用低熔点合金，低压铸铝合金，黄铜和其他非金属材料等。

2 制模材料的基本要求

制造模具所采用的金属材料，基本上应具备下列性能：

①加工性能良好，热处理局变形小。因为模具零件往往形状很复杂，而在淬火以后加工又很困难，或根本不易加工，所以在选择模具材料时，应尽量选择热处理后变形小的金属材料。

②抛光性良好。纸模制品常要求具有较好的光泽和表面状态，因而模具必须很好地抛光处理，选用的金属材料不应含有粗糙的杂质和气孔等。

③耐磨性良好。纸模制品的表面光度和尺寸精度都与模具表面的耐磨性有直接关系，因此要求模具有很高的耐磨性，模具表面硬度大，可经受生产操作中对模具的机械磨擦和划伤。

④耐腐蚀性良好。湿纸模及其添加剂对模具的表面有化学腐蚀作用，所以要选用耐腐蚀的金属材料或进行表面处理。

3 制模材料

3.1 钢材

通常要求纸模制品模具使用寿命长，性能稳定，钢材是重要的选用材料之一。根据生产需要，用作纸模制品模具的钢材应满足机械加工、刚度和强度、热传导性及抗腐蚀性等方面的要求。常用的钢材有合金工具钢和不锈钢材料。

（1）合金工具钢

可用作纸模模具的合金工具钢的钢号及化学成分见表1。

表1 合金工具钢的钢号及化学成分（GB1299-2000）

（2）不锈钢

可用作纸模制品模具零部件的不锈钢能在一定的温度和腐蚀条件下长期工作，并保证其力学和物理性能不变。但不锈钢的价格比一般钢材贵得多，而且它的切削加工性能比较差。

纸模模具用不锈钢的钢号和化学成分见表2。

表2 不锈钢的钢号和化学成分（GB／T 1220-2007）

3.2 有色金属材料

（1）铝合金

铸造铝合金具有较高的耐腐蚀性和一定的强度、硬度、耐热性及焊接性，比钢材易于切削加工成型，可以大幅度缩短模具加工周期，因此在纸模制品模具中得以广泛应用。铸铝模具用于尺寸较小、中等批量的纸浆模塑制品的生产时，由于成型压力不大，使用寿命可以得到延长。用于精度要求不高的工业内包装制品时可以直接采用精铸成型的铝合金模具，而精度要求较高的工业内包装制品则必须采用机械切削加工法制造的模具。铝合金板材经过塑性加工和焊接后也可制成纸模制品的模具。

纸模模具用铸造铝合金主要为铝硅合金，其牌号和化学成分见表3。

表3 （铸造）铝合金的牌号和化学成分（GB／T 1173-1995）

纸模模具用铝合金板材主要类别为防锈铝，其牌号和化学成分见表4。

表4 防锈铝合金加工产品的牌号和化学成分（GB／T 3190-2008）

纸模模具用铝合金板材的机械性能见表5。

表5 防锈铝合金板材产品的机械性能

（2）黄铜

纸模模具用铸造铜合金主要为普通黄铜，其代号和化学成分见表6。

表6 铸造普通黄铜的代号和化学成分（GB 1176-1987）

（3）黄铜网和不锈钢网

网模是纸浆模塑模具中的关键性模具材料，是直接影响制品质量和生产效率的重要环节。网模用网有金属网和塑料网，金属网又分黄铜网、不锈钢网和镀铬网，网丝直径在0.15～0.25mm之间。按网的编织方法又分为单经网、三经网、捻织网和双层织网等。网孔几何形状有正方孔、长方孔和六边形孔。网目一般在40～65目之间。

纸模网模用黄铜网、不锈钢网的规格见表7。

国内一纸浆模塑厂家为满足同行对模具用网的需求，结合自身从事模具加工和生产的经验，根据纸模模具对丝网的特殊要求，采用进口不锈钢丝进行特殊加工处理，成功研制出用于纸浆模塑工业包装制品、餐具制品模具的专用ZMW系列不锈钢网。其主要品种及参数见表8。

ZMW系列不锈钢网除具一般不锈钢网的表面光滑、耐腐蚀、韧性好、耐压、抗拉、耐高温等特征外，还具柔软度、驯服度好、打折不反弹等特点，能轻易包附在各种复杂的几何形状（如凸凹面、孤面、小沟、槽等）的模具上。产品的各种物理性能与进口的纸模专用不锈钢网接近，且价格低廉，是纸塑模具优良的网材。

表7 工业用金属丝编织方孔筛网规格（GB／T 5330-2003）

（4）铜基球状粉末冶金

在使用定型模具进行纸模湿纸模压榨烘干过程中，定型模具中的网模会使制品表面产生网痕，而且网模在频繁挤压中会很快变形甚至破损。为了解决这个问题，业内人士开始研制一种采用铜基球状粉末冶金制造的新型无网模，这种无网定型模具具有精度高、内外表面光滑、无网痕等特点，寿命是一般网模的10倍，而且成本仅为传统模具的50%左右。

表8 ZMW系列不锈钢网主要品种及参数

3.3 其它制模材料

除了以上所述的各种钢材和有色金属外，环氧树脂和低熔点合金等也可用作纸模模具的制模材料，但一般只能适于小批量纸模制品或试制产品的生产。

（1）环氧树脂

用环氧树脂制作的成型模具中的转移模，具有一定的机械强度、良好的化学稳定性和工艺性能，可缩短模具生产周期，降低模具成本。为保证模具的制造精度，可采用浇注法直接从对应的凸模或凹模上（或者石膏过渡模）翻倒制造出模具。

环氧树脂制模所用材料如下：

①环氧树脂：环氧树脂品种很多，目前广泛使用的有双酚A类环氧树脂和脂环族环氧树脂。

双酚A类环氧树脂粘结力高，化学稳定性好，收缩率低，机械和电气性能良好。如环氧树脂634#、环氧树脂6101#。

脂环族环氧树脂粘度低、工艺性能好，分子结构紧密，固化后硬度大，耐热性和耐紫外光老化等特性好。如环氧树脂6207#。

②填料：填料可降低成本、减少环氧树脂用量、降低线膨胀系数和收缩性，提高机械强度。常用填料有铝粉、氧化铝、石英粉、碳化硅、钢丝绒、玻璃纤维等。

③硬化剂：硬化剂促进环氧树脂的固化反应。常用硬化剂有乙二胺、间苯二胺、顺丁烯二酸酐、苯均四酸二酐、邻苯二甲酸酐等。

④封闭剂：使用石膏模作过渡模时，涂在石膏模上的封闭剂为聚乙烯醇。聚乙烯醇是白色无味的粉末，能溶解于水中。封闭剂的主要作用是不使环氧树脂液在浇注过程中渗入石膏模微孔内。

⑤脱模剂：常用的脱模剂有硅油、二硫化钼。硅油是一种含硅的合成材料，常用的二甲基硅油是无色透明的油状物。二硫化钼是蓝灰色的固体粉末，有金属光泽，对酸的抗腐蚀性较强，作为脱模剂用的二硫化钼粒度越细越好。

环氧树脂浇注材料的配方见表9所示。

表9 环氧树脂浇注材料

（2）低熔点合金

利用低熔点合金浇铸制模方法，可以以纸模样品作母模直接翻倒出转移模具。低熔点合金浇铸制模不仅可以缩短模具的制造周期，节约大量的钢材，同时还节省劳力。

低熔点合金的种类较多，目前使用的较简单的一种是铋58%和锡42%的铋锡合金。

低熔点合金熔化与浇铸工艺过程如下：

将搀和好的铋锡合金料置于熔锅内，加热至140℃左右（温度测量可采用半导体点温计或普通温度计），熔化均匀后即可浇铸在准备好的纸模样品母模上成型，铸型后的铸件冷却半小时左右，最后修正铸件浇铸时留下的残痕，即可制作出转移模。

（3）塑料网

纸模网模用塑料网主要为涤纶网等，其规格见表10。

表10 工业用合成纤维网规格

3.4 制模过渡材料

模具的过渡材料是用来制造初造型的母模或在样品上翻倒制模所用材料。过渡材料有木材、型砂、石蜡、硅橡胶、石膏、树脂等。

4 结语

纸浆模塑制品作为一种新兴的绿色包装材料，具有原料来源广泛、可回收再利用或自然降解，不会对环境造成污染等环保特性，使其越来越广泛地应用于工农业生产的各个领域。同时，人们对于纸模制品的结构、形状和精度的要求也越来越高。在整个纸模制品的生产过程中，模具是一个关键性的部件，模具的质量直接决定着纸模制品的性能。提高模具的质量、降低模具制作成本已经成为业内人士关注的焦点。本文结合生产实践及参考资料，综述了各种制模材料的特性和其对纸浆模塑生产的影响，介绍了各种材料制作纸模模具的方法及其应用，旨在为纸浆模塑模具的制作和生产提供有益的参考。