纸浆模塑模具材料的性能及其应用

2010-11-22曲晓晴黄俊彦高娟娟

中国造纸 2010年12期

关键词：纸浆环氧树脂模具

曲晓晴黄俊彦高娟娟

(大连工业大学,辽宁大连,116034)

纸浆模塑模具材料的性能及其应用

曲晓晴黄俊彦高娟娟

(大连工业大学,辽宁大连,116034)

针对制作纸浆模塑模具用材料的基本要求,综述了各种制模材料的特性及其对纸浆模塑生产的影响,介绍了用各种材料制作纸浆模塑模具的方法及其应用,为纸浆模塑模具的制作和生产提供参考。

纸浆模塑;模具材料;材料特性;制模方法

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、生产工艺简单、无污染、易降解、可回收并可再生利用等优点,符合环保要求[1-2]。随着纸浆模塑制品生产规模的不断扩大,市场不断拓展,产品性能也在不断完善[3],但仍跟不上人们对纸浆模塑制品越来越高的质量要求。在纸浆模塑制品的生产中,模具是整套设备的关键部件之一[4]。模具的结构、形状和精度直接决定纸浆模塑制品的性能[5]。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。模具的开发和设计的技术要求高,投入大,周期长,风险也大。目前,模具的设计制作及其所使用的材料也在不断地被研究和探讨,并逐步在改进和提高。

纸浆模塑制品的模具 (以下简称模具)的耐用性除了取决于其结构设计及使用与维护情况外,最根本的问题是制模材料的性质能否符合模具的加工与使用要求。因此,根据模具的结构和使用情况,合理选用制模材料,是模具设计人员的重要任务之一。目前,制模材料仍以钢材为主,但根据纸浆模塑制品的成型工艺条件,也可采用低熔点合金、低压铸铝合金、黄铜及其他非金属材料等[6-7]。

本文结合生产实践及相关文献,综述了各种制模材料的特性及其对纸浆模塑生产的影响,介绍了用各种材料制作模具的方法及其应用,旨在为模具的制作和生产提供参考。

1 金属制模材料的基本要求

制造模具所采用的金属材料,应具备下列性能:

(1)良好的加工性,即经热处理后材料变形小。因为模具形状繁多,在淬火以后如果变形太大,会增大加工难度,或根本不易加工。

(2)良好的抛光性。纸浆模塑制品常要求具有较好的光泽度和外观,因而模具必须要经过抛光处理,选用的金属材料不应含有粗糙的杂质和气孔等。

(3)良好的耐磨性。纸浆模塑制品的表面光泽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,可承受生产操作中对模具的机械摩擦和划伤。

(4)良好的耐腐蚀性。湿纸模及其添加剂对模具的表面有化学腐蚀作用,所以需选用耐腐蚀或经表面处理后的金属材料。

2 制模材料

常用的金属制模材料有钢材 (合金工具钢、不锈钢)、有色金属材料 (铝合金、黄铜)、铜基球状粉末冶金材料,用于小批量生产的模具也可以用环氧树脂或低熔点合金制造。

2.1 钢材

要制得使用寿命长、性能稳定的模具,钢材是重要的材料之一。所用的钢材应满足机械加工、刚度和强度、热传导及抗腐蚀等方面的要求。常用的钢材有合金工具钢和不锈钢。

(1)合金工具钢

根据国家标准 GB1299—2000,可用作纸浆模塑模具的合金工具钢的钢号及化学成分见表1。

(2)不锈钢

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。但其价格比一般钢材贵得多,而且它的切削加工性能也比较差。

根据国家标准 GB/T 1220—2007,可用以制造纸浆模塑模具的不锈钢的牌号和化学成分见表2。

2.2 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,它比钢材更易于切削加工成型,可以大幅度缩短模具加工周期,因此在纸浆模塑模具中得以广泛应用[3]。铸铝模具适宜作为尺寸较小的模具、适用于中等批量生产规模,在生产纸浆模塑制品时,由于成型压力不大,可有较长的使用寿命。精铸成型的铝合金模具可以直接用于精度要求不高的工业内包装制品,而生产精度要求较高的工业内包装制品的模具则必须采用铝合金板材经过塑性加工和焊接来制造。

纸浆模塑模具所用的铸造铝合金主要为铝硅合金,根据国家标准 GB/T 1173—1995,其牌号和化学成分见表3。

纸浆模塑模具所用的铝及铝合金加工产品主要是变形铝,根据国家标准 GB/T 3190—2008,其牌号和化学成分组成见表4。

根据国家标准 GB/T 3880—1997,纸浆模塑模具所用的铝及铝合金轧制板材的力学性能见表5。

表1 合金工具钢的钢号及化学成分%

表2 不锈钢的牌号和化学成分%

表3 铸造铝合金的牌号和化学成分%

表4 变形铝及铝合金的牌号和化学成分组成 %

表5 铝及铝合金轧制板材的力学性能

(2)黄铜

用于纸浆模塑模具的铸造铜合金主要是普通黄铜,根据国家标准 GB 1176—1987,其牌号和化学成分见表6。

表6 铸造普通黄铜的牌号和化学成分 %

(3)铜基球状粉末冶金材料

在使用定型模具进行湿纸模压榨烘干过程中,附在定型模具上的滤网会使制品表面产生网痕,滤网虽然有模具的支撑,但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材料制造的新型无网模具,这种无网定型模具具有精度高、内外表面光滑、无网痕等优点,寿命是一般有网模具的 10倍,而且成本仅为传统模具的 50%左右。

(4)低熔点合金

利用低熔点合金浇铸制模方法,可以以纸浆模塑样品作为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,节约大量钢材,同时还能节省劳力。这种模具只能适于小批量纸浆模塑制品或试制产品的生产。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:将混合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 0.5 h左右,最后修正铸件浇铸时留下的残痕,即可制作出转移模。

2.3 环氧树脂

环氧树脂一般用以制造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。这种模具与低熔点合金模具一样,也只能适用于小批量纸浆模塑制品或试制产品的生产。

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类环氧树脂黏结力高,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#。

脂环族环氧树脂黏度低、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、降低制成环氧树脂模具的线膨胀系数和收缩性,提高其机械强度。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、均苯四酸二酐、邻苯二甲酸酐等。

(4)封闭剂:使用石膏模作为过渡模时,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,耐酸性较强,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7所示。

2.4 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[7-8]。

3 滤网材料

滤网是网模中的关键部件,滤网的好坏直接影响到制品质量和生产效率。滤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0.15～0.25 mm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形、长方形和六边形孔。网目一般在 40～65目之间[8-10]。

表7 环氧树脂浇注材料

3.1 黄铜网和不锈钢网

根据国家标准 GB/T 5330—2003,黄铜网和不锈钢网的规格见表8。

国内某纸浆模塑厂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,根据纸浆模塑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 Z MW系列不锈钢网。其主要品种及参数见表9。

Z MW系列不锈钢网除具有一般不锈钢网的表面光滑、耐腐蚀、韧性好、耐压、抗拉、耐高温等优点外,还具有柔软度和驯服度好、打折不反弹等特点,很容易包覆在各种复杂几何形状 (如凸凹面、弧面、小沟、槽等)的模具上。产品的各种物理性能与进口的纸浆模塑专用不锈钢网接近,且价格低廉,是纸浆模塑模具优良的网材。

表8 工业用金属丝编织方孔筛网规格

表9 ZMW系列不锈钢网的主要品种及参数

3.2 塑料网

滤网用的塑料网主要为造纸行业用的聚酯成形网,其规格见表10[11]。

表10 聚酯成形网产品参数

4 结语

随着“绿色包装”的悄然兴起和纸浆模塑设计与生产技术的发展,纸浆模塑制品拥有广阔的市场前景。在开发和设计纸浆模塑模具过程中,研究各种制模材料的特性及如何恰当地选用各种模具材料,对于提高纸浆模塑设计与生产的技术水平,降低纸浆模塑制品的生产成本,满足用户的多样需求,提高经济效益,有着十分重要的经济意义和社会意义。

[1] 刘志忱,黄俊彦.纸浆模塑制品的模具设计[J].纸和造纸,2001(3):27.

[2] 李新芳.纸浆模塑材料性能的研究现状和开发应用[J].包装工程,2009,30(1):124.

[3] 陈海燕.纸浆模塑制品的模具设计研究[D].西安:西安理工大学,2007.

[4] 张新昌.我国纸浆模塑工业包装的现状与发展[J].包装工程,2003,24(1):4.

[5] 陈海燕,和克智.Pro/ENG INEER在纸浆模塑模具设计中的应用[J].包装与食品机械,2006,24(6):35.

[6] 王文生.纸浆模制品的模具设计 [J].黑龙江造纸,2004(4):40.

[7] 于永建,张新昌.纸浆模塑产品的模具设计[J].机电信息,2003(22):27.

[8] 于永建.纸浆模塑真空吸滤成型机理及其模具参数研究[D].无锡:江南大学,2005.

[9] 刘志忱.纸浆模塑机理及其模具设计研究[J].广东包装,2001(2):12.

[10] 于岩.基于 RERP的纸浆模塑模具关键技术研究[D].无锡:江南大学,2008.

[11] 东光县利源网业有限公司.聚酯成形网产品参数[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