（机械设计及理论专业论文）纸浆模塑制品成型机理及过程控制的研究.pdf

纸浆模塑制品成型机理及过程控制的研究 摘要 纸浆模塑制品具有易降解、原料资源丰富等优点，因此成为目前e p s ( 发泡聚苯乙 烯) 包装材料的理想替代品。 本文在分析比较了国内外纸浆模塑制品生产技术与设备研究开发现状的基础上，对 我国目前纸浆模塑包装制品生产存在的问题提出了相应的对策。 对纸浆模塑包装制品生产线所涉及的相关基础理论进行了研究，包括适合于纸浆模 塑生产的低浓浆料的流变特性、浆料流送系统的设计计算理论、成型与热压过程的机理 等方面。 在纸浆模塑包装制品生产工艺过程分析的基础上，对纸浆模塑包装制品生产线的机 械系统进行了精确设计，包括成型装置、热压定型装置、物料传送系统、气动系统等， 对承载梁进行了多目标优化设计提高了梁的工作精度和模具定位精度。 对热压干燥过程的分析研究，为模具结构设计及加热管布置形式提供了理论依据； 根据热传导方程并结合生产实际经验，推导出相应的湿坯热压时间，为热压过程的控制 提供了基础。 通过正交试验及其结果的分析，筛选出最佳的成型工艺参数组合，以此组合进行验 证试验，产品绝干重量与湿坯含水率两指标都达到了满意的效果，为生产线控制系统的 设计提供了工艺参数依据。 针对生产工艺过程与设各特点，在分析产品质量与浆浓、真空度、温度等因素的内 在关系的基础上，结合试验与生产实践，设计了生产线模糊控制系统。经生产实际表明： 模糊控制系统性能稳定，而且价格适宜，适合于纸浆模塑包装制品的生产特点。 关键词：纸浆模塑；流变特性：成型机理：模具热传导；模糊控制 东北林业大学博士学位论文 d o c t o r a ld i s s e r t a t i o no f e n g i n e e r i n g s t u d y o nt h em e c h a n i s m o f p u l pm o l d i n g a n dp r o c e s sc o n t r o l a b s t r a c t t h ep u l p - m o l d i n gp r o d u c tc a nb eo u to fw e t , m i l d e w , w a t 自t - ) o i la n ds m f i ce l e c 证e i t y ；i t a l s oh a ss u c h a d v a n t a g e s 8 sh e a t - r e s i s t a n t ，n o n t o x i c ，f l a v o r l e s sa n d g o o dc u s h i o n i n gc h a r a c t e r t h e r e f o r e p u l p - m o l d i n gp r o d u c lh a sb e e no e o ft h eb e s ts u b s t i t u t e so fe p s ( e x p e n d a b l e p o l y s t y r e n e l t od e a lw i t ht h e w h i t ec o n t a m i n a t i o n a t p r e s e n t o nt h eb a s i so f t h es u n l m f g ya n d a n a l y s i so f c u r r e n ta d v a n c eo f m a n u f a c t u r et e c h n i q u e s ， p r o d u c tt e c h n i c s a n de q u i p m e n to f p u l pm o l d i n g , t h ep r o b l e m , h a n d i c a po fr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f p u l pm o l d 吨p h k h l c t i o nw e r ep u tf o r w a r d e d a sw e l la st h ec o u n 虹舶m e a s u 娲 t h eb a s i ct h e o r yr e l a t e dt ot h e p u l pm o l d i n gp r o d u c t m a n u f a c t u r ea n d t e c h n i q u ef l o w w a s s t u d i e di nt h i sp a p e r , w h i c hi n c l u d e st h et h e o l o g i c a lb e h a v i o ro f1 0 wc o m i s t e n c e 盹t h e d e s i g n t h e o r y o f u - a m f c r s y s t e m o f p u l p , t h e m e c h a n i s m o f m o l d h e a t i n g , e t c n m r h e o l o g i c a lb e h a v i o ro f l o wc o n s i s t e n c yc h e m i c a lp u l po f b a g a s s ea n d t h em i x e d p u l p ( 9 0 m e c h a n i c a lp u l po fc h i n e s ef i ra n d1 0 s u l f a t ep u l po fm a s s o np i n e ) ，t h er e s u l ts h o w s t h a tt h ea p p a r e n tv i s c o s i t yo ft h et w ok i n d so f p u l pw a sc h a n g e dw i t ht h et e m p e r a t u r e ，d e g r e e o f b e a t i n g , p u i pc o n s i s t e n c ya n ds h e a r i n gv e l o c i t y 1 1 1 er h e o l o g i c a lm o d e lw a s a l s os e tu p w h i c hs h o w st h a tt h e l i q u i dt y p e o ft h el o wc o n s i s t e n c yp u l pc a l lb ea s s o r t e dt ot h e p s c u d o p l a s t i c sl i q u i d ( n o n - n e 叭o n t a n ) b a s e d 0 1 1t h er e s u l t s ，t h ef r i c t i o nl o s so f p u l pt r a n s f e r s y s t e m w a sc a l c u l a t e d w e l l t h em e c h a n i c a ls y s t e mo f p r o d u c tl i n eo fp a c k a g i n gc o n t a i n e ro fp u l pm o l d i n gw a s a n a l y z e d , w h i c hi n c l u d e st h em o l d i n gd e v i c e , m o l d - h e a t i n gd e v i c ea n dm a t e r i e l - t r a n s f e r r i n g d e v i c e n p n e u m a t i cs y s t e mw a sd e s i g n e db y t h e w a yo fs i g n a l - a c 怕n s t a t e g r a p h p a r t i c u l a r l y t h eo p t i m t t md e s i g no fl o a d e db e a mt h a t i so n eo ft h e k e yd e v j c e s o f m a t e r i e l - t r a n s f e r r i n gs y s t e m w a sc a n i e do u t b y t h e w a yo fm u l 邮l e - o b j c c to p t i m u m , c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ld e s i g n , t h eo p t i m u md e s i g nc a nm a k et h ew e i g h to f b e a ml o w e r , t h ec o h o c a d o n o f s u p p o r t i n g f u l c r a m o r er e a s o n a b l ea n d t h es y s t e m m o r es t a b l e w i t ht h ea n a l y s i so ft h em o l d - h e a t i n gp r o c e s s ，t h ep 日r a a ld i f f e a e n t i a le q u a t i o no f h e a t i n g c o n d u c t i o no fm o u l dw a ss e tu pa n dc a l c u l a t e db ym a t h e m a t i c a la n dn u m e r i c a lm e t h o d s ( i n f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) r e s p e c t i v e l y t h eh e a t i n gt i m ew a s d e d u c e db yt h es o l u t i o no ft h e p a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o nc o m b i n e d w i 血t h ee o n c l 岫i o no fa c t u a le x p e r l c n 。ed u r i n g p r o c 鼯b ， w h i c hp r o v i d et h et h e o t e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no f t h ec o n t r o is y s t e i no f t h ep r o d u c t1 m e t a k et h ep c so f6 0 0 m lt a b l e w a r eo fp u l pm o l d i n gf o re x a m p l e ，t h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t a n dt h eo p t i m u mt e c h m c a lp a r a m e t e r sw e r es e l e c t e db yt h e a r i a l y s i so f s q u a r ed i f 岛r n c ef o rt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l tw h i c hs h o w st h a tt h e p u l pc o n s i s t e n c y 纸浆模塑制品成型机理及过程控制的研究 a n db e a t i n gd e g r e ea f f e c tt h ew e i g h to ft h ef i n a lp r o d u c ta n dt h ew a t e rc o n t e n to fr o u g h p r o d u c tb e f o r et h em o l d - h e a t i n gp r o c e d u r em a r k e d l y , t h eo p t i m u mp a r a m e t e r so f6 0 0 m l t a b l e w a r em a d e b y m i x e d p u l pm a sf o l l o w s ：2 5 。s ro f b e a t i n g d e g r e e , 2 5 so f a b s o r b i n g t i m e 6 8 m m h g o f v a c u u m d e g r e ea n do 4 o f p u l pc o n s i s t e n c e a sf o r t h o s eo f t h ec h e m i c a lb a g a s s e p u l pa i ea sf o l l o w s ：2 0 。s ro fb e a t i n gd e g r e e ，1 s so fa b s o r b i n gt i m e ，5 9 0 m m h g o fv a e n u l t t d e g r e ea n do 4 o f p u l pc o n s i s t e n c y t h ep a r e n l e t a r so f t e c h n i c a lp r o c e s sp r o v i d et h eb a s i sf o r t h ec o n t r o ls y s t e ml a y o u ta sw e l l t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e p r o d u c tq u a l i t ya n d t h ep a r a m e t e r ss u c ha sp u l pc o n s i s t e n c y ， v a c o u l nd e g r e e a n dt e m p e r a t u r ew a sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s st e c h n i q u e sa n dt h e e q u i p m e n t c h a r a c t e r i s t i c s , t h ef u z z yc o n t r o ls y s t e mo f t h ep r o d u c tl i n ew a sd e s i g n e d c o m b i n e d w i t ht h er e s u l to fe x p e l i e n c eo ft h ea c t u a lp r o c e s s i nt h i sc o n t r o ls y s t e m , o t f l l o np l cw a s s e l e c t e da st h ec o r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ；p r o x i m i t ys w i t c ha sd e t e c tu n i t sa n dt h er u n n i n g p r o g r a m w a gf i n i s h e db yt h et i m eo r d e rf i g u r e t h ep r o d u c tl i n er a n gs t a b l y , t h ef u z z yc o n l t o l s y s t e m , x r a sa l s or e l i a b l e ，b u t t h ec o s to f i ti sl o w r e l a t i v e l y i nc o n c l u s i o n , t h ei m p r o v e d l a y o u to f t h ep r o d u c tl i n em a k et h ep r o d u c t i v i t yh i g h e r , t h e q u a l i t yb e t t e r , t h e r a t i oo fw a s t ep r o d u c tl o w e ra n dt h ea d a p t a b i l i t yw i d e rf o rd i f f e r e n t m a t e r i a l s k e yw o r d s p u l pm o l d 吨r h e n l o g i c a lb e h a v i o r , m o l d i n g m e c h a n i s m ，h e a tw a a s f e ro f m o u l d , f u z z y c o n t r o l 纸浆模塑制品成型机理及过程控制的研究 1 绪论 1 1 前言 发泡聚苯乙烯( e p s ) 包装制品废弃物对自然环境造成的“白色污染”，己引起世界 各国的普遍关注。e p s 发泡过程中使用的氟氯烃( c f c ) 会破坏大气臭氧层；回收处理 废弃物的费用高于其自身价值的1 0 倍以上；废弃物在大自然中完全降解需要1 0 0 - 一2 0 0 年，堆埋处理则污染土壤、水源；e p s 餐具在高温下会析出双酚类等有毒物质。以日趋 枯竭的石油资源为生产原料的e p s 包装制品给人类带来方便的同时也给地球环境带来 危害。因此，为治理“白色污染”，节约资源和保护环境各国纷纷致力于开发环境友善 的替代品。 纸浆模塑制品是以纸浆为主要原料，在特制的模具上成型后经热压或烘干而成。纸 废弃物在自然环境中可完全降解，纸浆模塑制品具有防潮、防霉、防静电、防水、防油、 耐热、无毒、无味、良好的缓冲性等优点；其原料为资源丰富的可再生植物纤维；制品 广泛应用于工业产品与农副产品的包装及食品容器。从替代品的原材料来源、工艺成熟 程度、生产过程对环境的污染、产品的使用性能及市场可接受程度、生产成本、产品的 可降解程度及可循环再生利用等方面进行综合评价，纸浆模塑制品成为目前公认的e p s 包装物品的理想替代品。 1 2 纸浆模塑包装工业发展概况 纸浆模塑工业起步于2 0 世纪3 0 年代后期，在一些发达国家已有五十多年的发展历 史。随着人们环保意识的增强及绿色包装的大力推广，国际上许多知名公司，如加拿大 的爱美利公司、法国埃尔公司、英国的汤姆逊公司以及美国、日本、丹麦的一些公司纷 纷推出了纸浆模塑包装制品生产线，并形成了较大的规模，最大的一条生产线每天的生 产能力已达5 6 吨。据统计，目前国外纸浆模塑制品年产量已达7 0 万吨，产品主要应用 于工业品的缓冲包装。据报道，冰岛s f l f u n m 公司研制的t m y m a f i c 2 5 0 0 全自动纸浆模 塑生产线采用1 0 0 漂白针叶术浆或配以适当的阔叶术浆能自动完成碎浆、除渣、精 浆、调浓等工序，自动加药系统在浆料中加入四种内施胶助剂以达到防水防油的效果。 采用真空吸附成型方式，六面体回转式成型机成型效率高( 成型周期为3 7 4 - 7 5 s ) ；采 用热风强制方式干燥并自动送入热压定型机进料器上，经清水喷淋后精密热压成型后， 再由自动打包、消毒、切边等辅助工序完成生产全过程。法国埃尔公司研制的纸浆模塑 生产线，采用三级分离杂物的制浆工艺纸浆浓度可自动调节，八工位转鼓式全自动吸 附成型，机械手接送制品，烘道连续干燥且干燥余热可用作预热干燥，年生产能力达 3 3 0 0 t ，原料适应性强。由于有三级杂物分离工艺，可以去处各种纸浆中的较重杂物如金 属、塑料等。该生产线劳动强度低能耗少，产品质量稳定l l j 。 我国纸浆模塑工业起步于近十几年，1 9 8 3 年湘潭纸浆模塑厂从法国引进了第一条纸 浆模塑蛋托生产线，之后辽宁、四川、江苏、北京、山东等地都先后从英国、丹麦、台 湾等国家和地区引进间歇式纸浆模塑生产线用于生产蛋托。1 9 8 8 年南京轻工研究所和江 阴机械五厂开发了第一条国产纸浆模塑生产线。1 9 9 0 年以来纸浆模塑制品已被广泛应 用于禽蛋、水果、啤酒、农药等民用品的包装，并向工业仪器仪表、电子元器件、家用 东北林业大学博士学位论文 电器、厨具等方面的包装发展。据不完全统计，纸浆模塑制品生产及设备制造厂家目前 己达2 0 0 余家，分布全国各地口j 。 1 3 纸浆模塑生产设各研究开发现状 就使用性能及生产工艺的差异而言，纸浆模塑制品大致可分为两类：一类是作为水 果蔬菜托盘、食品托盘、鸡蛋托盘、酒瓶包装箱以及家具、机械产品、电器元件的缓冲 保护包装材料：另一类是以纸杯、纸盘、纸餐盒为代表的纸浆模塑餐具。 1 3 1 缓冲包装制品生产线 由于成型、干燥、运动方式的差异，目前开发的纸浆模塑缓冲包装制品生产设备多 种多样。成型是指纸浆纤维在成型网模上沉积并过滤脱水，形成湿纸模毛坯，这是纸浆 模塑制品生产过程中的关键工序，直接影响着整个生产过程的产量和质量。 1 3 1 1 成型方式与设备 ( 1 ) 成型方式 根据成型设备脱水原理的不同，纸浆模塑制品的成型方式可分为真空成型法、液压 成型法和压缩空气成型法，其中以真空成型法应用较为普遍。 真空成型法是利用真空吸滤技术成型，即在低浓纸浆( 浓度1 左右) 成型模内通 真空，使模内腔形成负压，纸浆中的纤维均匀地沉积附在成型模表面的成型网上，而大 量的水分在真空抽吸时被带走。当达到制件要求的厚度时，成型模从浆液中移出进行挤 压脱水，直至制件含水率为7 5 0 o , - 8 0 0 0 再用压缩空气使制件湿坯脱模。此法生产效率高， 制品厚薄均匀，适用于制作不太深的薄壁制件，例如包装蛋类、水果、碟盏、盘盒等的 衬垫脚。 液压成型法是利用液压技术，通过机械挤压产生较高的成型压力。其工作原理是成 型模腔内注入定量纸浆，成型上模在液压作用下向下挤压，使纸浆在成型腔内的网模上 成型，水从网模下端排出。制品经过真空吸附脱模，转入下一道工序。由于成型压力较 大，此法适用于生产定量较重，密度较大的浅盘式制品h 。 压缩空气成型法是利用气体动力学原理成型的。其工作过程是在可拆卸的金属网状 型槽中装满纸浆( 浓度为o 7 1 5 ) 后，通过阀门注入定量的容器，再向容器内部通 入热的压缩空气( 压力为0 4 m p a ，温度为3 7 7 4 0 0 ) ，利用压缩空气在型槽内施加 压力而成型。此法适用于外形复杂且紧度要求较高的中空纸浆模塑制品，如瓶、桶、箱 等吼 ( 2 ) 成型设备 成型机是纸浆模塑生产线最主要的设备( 其附属设备包括提供成型脱水动力的真空 泵和使湿纸模转移的空气压缩机等) 。国内生产的成型机有很多，从机构运动方式上看， 最常见的有回转式和上下移动式两种。回转式纸浆模塑制品成型机结构如图1 1 所示【b j ， 主要由成型转鼓( 装配有各种成型模具) 、浆池、真空装置等组成。移送转鼓装有转移模 具、动力装置和纸浆槽等。回转式成型机结构复杂，生产能力大配套所需的模具数量 多，因而适用于生产需求量较大，品种变化不多的通用包装纸模制品( 如蛋托等) 。此种 成型机配套模具的重量不宜过重，否则会使成型机和移送转鼓转动时产生很大的转动惯 量通常采用工程塑料或有色金属板冲压模具。 纸浆模塑制品成型机理及过程控制的研究 1 一输送带2 一移送转鼓3 一成型横具 4 一成型转鼓5 - - 纸浆槽 图1 - 1 回转式成型机示意图 1 一机架2 一下模板导向杆 3 一下模扳及模具4 一下模板起落气缸 5 一上模板及模具6 一槽体 圈1 2 上下移动式成型机结构示意图 上下移动式成型机结构如图l - 2 所示旧，主要由上、下模板( 模具) 、槽体机架和控 制装置等组成。成型机槽体内装有一定液位的浆料成型时下模板及成型模具在气缸的 推动下沉入浆料槽内，成型模具内与真空系统相通，使悬浮在浆料中的纤维吸附在其表 面上成型。成型湿坯脱水达到一定干度后上行与上模板闭合转移模具内与真空相接， 使湿纸模毛坯被转移。最后上模板及模具在横向气缸的推动下前行至输送带上方- 在 压缩空气的作用下将其吹落送入干燥工段。上下移动式成型机结构简单配套的模具数 量少，可随时通过更换模具生产不同的纸浆模塑制品。特别适用于生产专用工业品包装 制品，是目前国内采用最多的成型机形式。 从脱摸与挤压方式上看。目前常且的有普通型纸模成型机、蛋盒专用机、垂直式成 型机、贝洛依特成型机等”j 。 孵 i 垫台2 - - - t - 燥箱瑚压活塞 _ 车移辊 卜成型鼓b _ 堇面卜靠槽8 _ 醣迸机 删板 圈1 - 3 普通型纸模成型机 1 一成型鼓 2 输送带3 一转咎辊h 爆箱 坤压带6 一印屠i 机- 挤压袭置 峙咎确送带9 _ _ 糟1 0 模面1 1 装池 圉1 4 蛋托制造机 图1 - 3 所示是最普通的标准纸模制品成型机，能生产出各种各样的食品用托盘如蛋 托、草莓托盘等。成型机长达几十米，有4 5 个干燥箱各个箱的温度可调节，可用煤 d 东北林业大学博士学位论文 气燃烧器加热。它靠真空作用把浆料从浆槽吸到成型鼓的网面上，脱出的水分通过金属 网排出，送到白水槽中。成型后的纸浆模塑制品通过转移辊上伸出的凸形杆，由真空吸 到上挤压部，靠活塞作用加压，挤压后转移辊旋转。由压缩空气把纸浆模塑制品转移到 干燥箱内进行干燥。 蛋托专用大型制造机如图1 - 4 所示。成型鼓为多面体，各面有数个凹模。纸浆从浆 槽中被吸至成型鼓的凹模上，成型鼓上凹模下的臂伸出与转移辊上的凸模接触时，湿 坯在凸面上靠真空吸住，凹面靠组合弹簧压着，再转移到干燥箱内。纸模在干燥箱中翻 转，因干燥收缩而落下。再移n - - 号转移辊上。在辊的凸边上受组合弹簧的作用而落入 槽中，被输送带夹持运行。在受热的凹凸模之间一边加热一边加压。该机设有印刷、堆 码、计数和打包( 包装) 机构，是一种成型机与印刷机联合的纸模加工设备。 1 - - 链条( 安有接受器的链条) 2 _ 干燥箱 3 压力臂瑚型滚筒5 _ 装槽诽递臂 7 _ - f 速辅送机8 传递装置9 包装台 圈1 _ 5 垂直式成型机 i 戚型蓝2 气覃( 机上干燥器) 3 起点处4 浆檀5 挤压 图1 6 贝洛依特纸横成型机 垂直式成型机如图1 - 5 所示，这种成型机因采用垂直式干燥而得名。其成型滚筒上 的金属网从浆槽中吸附浆料。压力臂( 靠曲柄作用) 臂端凸模将滚筒上的托盘吸住而移 动。同时，压力臂旋转1 8 0 ，将托盘放在相反的一边，托盘由运输带送到干燥箱内。 干燥箱的链上安装有杆，杆上有多个接收器井随着运输带旋转。干燥采用明火燃烧加热。 这种成型机适宜安装在厂房不宽的车间内，生产形状单一的制品。 贝洛依特成型机如图1 - 6 所示。该机的主要特点是采用机内干燥，纸模制品变形很 小。贝洛依特成型机整机占地面积小价格较低，但需消耗较多的金属模网易玷污， 需用高压水喷洗网面。 1 3 1 2 干燥方式 纸浆模塑制品成型后的干度约为2 0 左右，成品干度要达到9 0 以上。纸浆模塑 缓冲包装制品的干燥对制品的质量有着重要的影响，要防止干燥后产生过量的收缩变形 导致强度削弱。 从干燥设备的形式上看，可分为烘道式干燥和模压干燥两大类嗍。烘道式干燥主要 采用热风干燥，加热源可以是燃煤、燃油或燃气也有采用远红外线辐射干燥的。采用 热风干燥时，热空气一方面作为热源提供蒸发时所需要的热量，另一方面作为水分载体 纸浆模塑制品成型机理及过程控制的研究 将不断蒸发的水分及时排走。由于制品在干燥烘道里处于自由状态，易产生较大的扭曲 变形和收缩变形。以烘道式干燥方式生产的纸浆模塑制品通常要经过热压整形，以确保 其平整、美观；但总的来说，经该方式生产的制品的外观、紧度以及强度都相对较差。 采用远红外线辐射干燥方式，由于其辐射的能量能较深地渗透至制品的内部，制品 内外干燥较均匀，因而产生的扭曲变形较小。 模压干燥是依靠高温模具的加热作用使制品在短时间内迅速干燥定型，用于对外形 和定量要求较高的缓冲包装制品，如手机及一些电子产品的包装。 1 3 2 纸浆模塑餐饮具生产线 纸浆模塑餐饮具是我国近年来自主开发的产品，其性能要求与国外的纸餐盒有很大 的差别。国外的纸质餐饮具主要是聚乙烯( p e ) 淋膜纸板餐具，餐具中的纸纤维部分在 自然环境中易降解、腐烂，但由于生产餐具的纸板表面涂履了一层不可降解的聚乙烯膜， 尚有占产晶总量5 l o 的p e 膜不能降解，因而p e 淋膜纸扳餐具还不是一种可完全降 解的餐具，而且这种纸板主要以木村为生产原料，成本较高。我国研制的纸浆模塑餐饮 具符合中餐的饮食特点，其生产设备、工艺、配方、卫生和理化指标的要求均很高。目 前纸浆模塑餐饮具的研究进展较快，其生产工艺、设备的某些性能指标已达到世界先进 水平。 1 3 2 1 成型方式与设备 纸浆模塑快餐具主要采用真空吸附成型法，根据模具上浆方式的不同可分为注浆式 和吸浆式两大类。 注浆式成型机( 图1 7 ) 是最早开发用于生产纸浆模塑快餐盒的成型设备，工作时 先通入一定量的水然后灌浆于浆槽中，馒浆液与水混合均匀后，抽真空脱水后纤维便 均匀地吸附在网模外表面；后经改进采用浓度较稀的浆液，直接定量喷浆于网模表面“。 由于其成型后的湿纸模毛坯转移至热压干燥工位不能实现自动转移，生产效率低。 吸浆式成型机采用活动网模的方式，将网模快速沉入均匀的浆槽中吸滤一段时间 ( 时间长短依制件要求的厚度而定) 退出后脱水以降低含水量，再由转移模送入干燥工 段。 i 戚型下模删型浆箱3 升降气缸 圈1 _ 7 注浆式成型机 i 吐童e 日 l 装箱2 _ 戚型下横板3 成墅上模板年_ 升降气缸 圈1 - 8 往复式单板成型机 目前己应用于生产的有往复式单板成型机( 图1 8 ) 、回转式多边形成型机( 图1 - 1 ) 、 转动式双模板成型机( 图1 9 ) 等。其中，回转式多边形成型机生产效率最高，但其制 6 东北林业大学博士学位论文 造精度要求高、模具数量多、投资大、 较适于生产批量大、深度较浅的纸浆模 塑快餐具制品。往复式单板成型机和转 动式成型机是目前生产纸浆模塑快餐具 较理想的成型设备，成型质量好、生产 效率高、湿产品至烘道或热压干燥易实 现自动转移，设备运行稳定、可靠。而 且，生产不同餐具产品只需简单地更换 模具即可，使用和操作灵活、方便。 1 3 2 2 热压干燥 模内热压干燥是目前纸浆模塑餐具 生产的主要干燥方式。湿纸模毛坯在精 髓 1 浆糖2 成型模板卜带移模扳醐降气缸 圈i - 9 转动式双楼扳成型机 密的上下热压模之间同时进行连续的压榨和干燥。由于整个压榨、干燥过程都在模具中 进行，制品的挺度、光滑度和成品率较高。与烘道式干燥相比，制品更加致密、平滑， 其尺寸和形状更加准确”j 。 干燥的加热方式主要有电、蒸汽、油、微波加热以及热超导传热等五种。 电加热是将电热元件埋入加热板内，通电后加热板发出热量，使紧贴其上的定型模 受热升温，实现对模内湿坯烘干定型。电加热具有干净、方便可靠，容易控制等优点。 缺点是能耗大，成本高，加热板加工困难：另外热压定型时将产生大量的水蒸汽，对导 线( 特别是接头) 易产生腐蚀导致漏电：模具升温慢，热容量低，加热不稳定，生产 率低。 蒸汽加热是将饱和( 或过饱和) 蒸汽通入加热板内，使紧贴其上的定型模受热升温 实现对模内湿坯料烘干定型。蒸汽加热具有产品外观质量好、成品率高等优点。缺点是 蒸汽对导管有腐蚀作用。易造成穿孔，甚至会损坏模具；导热管加热温度较低，一般只 能达到2 0 0 左右，有时难以满足工艺要求：蒸汽加热时加热管内的冷凝水无法顺利 排出，降低模温，热效率低：模具受热不均，影响生产效率和产品质量。 油加热是将导热油通入加热板内，使定型模受热升温，实现对模内湿坯料烘干定型。 油加热具有以下优点：导热油封闭循环使用，热效率高：导热油压力低，对管道承压性 能要求低；对管道腐蚀极小；可以预埋导热管道，使模具受热均匀，而且能合理控制好 管道与模具型腔的距离，提高加热速度与生产率。不足之处是对管路密封性能要求高。 微波加热是指利用超高频交流电压产生微波，湿坯在微波场中受到变化频率极高的 电场影响，水分子由于振动、互相激烈碰撞摩擦产生内部热。微波加热主要优点有：热 效率高，干燥速度快，时间短，加热均匀调节灵敏，控制方便，具有杀菌消毒性能。 热超导技术是利用热超导元件中的特殊介质分子的高速振荡摩擦来进行热能传导 的。热超导介质所灌注的载体经密闭后即形成热超导元件热量在传递过程中几乎没有 损耗，热效率较高”j 。 1 3 2 3 物料转移 物料转移是指坯料、半成品及成品从成型机、定型机到成品接料机构的移送和装卸。 就转移方式而言，主要有上模传送、网模传送、输送带传送以及机械手传送等。 纸浆模塑制品成型机理及过程控制的研究 7 上模传送是指吸浆后下模上行与上模闭合：上模抽气形成负压，同时上、下模分 离，湿坯料转移至上模，上模带着湿坯料转移至热压定型工位，吹气使半成品落入热压 定型下模；热压上模与下模闭合进行热压。目前新开发的自动纸浆模塑生产线的传送部 分大部分采用此种方式，通过带上模的传送小车在承载导轨梁上的左右移动实现物料与 工位的转移。 网模传送主要由人工操作，用于半自动生产线上。工作时带坯料的网模上行，连同 餐具半成品一起送至热压工位进行热压定型，再与定型模分离，最后一同送至落料工位。 机械手传送也是一种较常见的物料转移装置，主要由支架、真空吸头、吸头调节杆、 带孔接头、气管等组成。吸头调节杆为一中空的管子，安装在支架上，可上下移动，其 下端有真空吸头相连，带孔接头上有一与其内腔相通的通气孔。机械手可准确收集堆码 制品工件，从而减少模具制造量，降低设备的控制难度和制造成本。 1 3 2 4 附属装置 设备的附属装置有很多，现就目前生产中常用的模具、模网等归纳如下： ( 1 ) 模具 纸浆模塑包装容器大多为薄壳结构，要求制品厚度基本一致要生产形状复杂的制 品，对模具设计和制造有很高的要求。而且模具材质必须具有抗腐蚀能力，并且在成型 时具有良好延伸率。目前，在餐具的模具制造中主要采用有色金属铸件( 以黄铜铸件最 为常见) 。另外，干燥时制品不可避免地要产生收缩，因此，在确定模具尺寸时，对制品 干燥产生的收缩量要有一定的补偿量，通常定为5 左右。有的纸浆模塑制品的模具结 构复杂，生产周期长，成本高。采用l o m ( l a m m e do 岣e c tm l b k n l 曲g ，分层实体 制造工艺) 的快速成型技术开发纸浆模塑制品模具目前也在进展中嗍。 铸造好的模具要进行机械加工对于模具表面非规则形状的部位，可采用数控机床 进行机械加工，或经机械粗加工后采用人工研磨。分体结构的成型模加工时应预先将其 各部分装配在一起后再进行机械加工。加工后的成型模在彻底清除表面的毛刺后即可进 行包网。为保证网与成型模表面之间贴合紧密，一般预先将网用拉网模按成型模的表面 形状压制成型。加工完成后的转移模表面必须光洁平整，成型模表面的覆盖网不能有网 丝被拉起。否则在成型转移时，极易使湿纸模毛坯的纤维被牵拉造成成型转移困难。 ( 2 ) 模网 模网除了要符合产品最终的外形要求，还应具有良好的过滤性、最小的浆料纤维流 失、最小的水力阻力、足够的强度和弹性，寿命长等特点。摸网主要有金属网和塑料网， 金属网主要有不锈钢网、黄铜网和镀铬网。网目一般为4 0 6 5 目网丝直径在 0 1 5 - 0 2 5 n m a 。最新开发的模网是采用烧结工艺制成的，这类模网由球状的玻璃、铜、 钢、陶瓷等为原料，经烧结和粘结后制成，其表面具有一定通径的孔道透气和滤水性 能好。通常分为两层，即成型层和支撑层。模网能起到成型模与网托的双重作用，且由 于球形颗粒细且均匀表面光滑，纸浆纤维不易进入孔隙，因此不易粘网具有易清洗、 修复、可回收等优点。采用这种模具可生产高平整度以及形状复杂的纸浆模塑制品1 。 1 3 3 纸浆模塑生产线控制系统 采用自动化技术，研制全自动纸浆模塑制品生产线是提高生产率、降低成本，加快 纸浆模塑包装产业化进程的迫切要求。目前国内纸浆模塑生产线控制系统采用最多的是 东北林业大学博士学位论文 可编程控制器( p l c ) 与单片机。 河北农业大学霍利民等人将可编程控制器用于回转式成型机的动作时序控制。其主 要设备包括p l c 主机，回转盘等。回转盘上均匀分布着8 套模具( 由上模与下模组成) ， 按顺时针进行标号，随转盘一同进行转动。当回转盘转动时模具上的开关在不同工位 处得到相应的传感信号。利用传感信号进行编程，以控制盘上各套模具的正压、负压和 电磁阀。该设备采用两台p l c 主机( 分盘上主机和盘下主机) ，盘上主机随回转盘一起 转动，用于处理接收到的信号；盘下主机固定不动，主要对回转盘的运行起控制作用【l q 。 无锡轻工大学的章军等在上下移动式成型机上运用了单片机。其控制系统不仅可对 压力进行测量、控制、显示，而且对每个动作之问的时间问隔进行控制以达到最佳的 生产率与产品质量。对于不同产品，各种参数各不相同，控制系统中还同时设有手动操 作功能，用以试验备参数的最佳值，由键盘输入，把最佳参数设定到数据存贮芯片中。 c p u 采用8 9 ( 2 51 单片机，压力传感器采用b p r 一2 型电阻丝式压力传感器显示器采用 串行方式扩展4 片串入并出的移位寄存器7 4 l s l 6 4 【l “。 1 4 存在的问题及对策 1 4 1 存在的问题 我国在纸浆模塑制品使用的总量上远低于世界发达国家而纸浆模塑工业品包装使 用量更少，大约只占总量的1 2 。不少企业因无法满足国际包装材料的要求而导致 效益不佳。由于我国纸浆模塑行业起步较晚，许多产品尚未规范化、标准化，应根据需 要逐步完善。目前纸浆模塑工业存在着生产成本居高不下、设备设计制造水平较低两方 面的主要问题。生产设备的研制开发、制品的结构设计和模具的加工能力、制品的系列 化、标准化等方面的工作进展缓慢，远不能适应国内外市场发展的需要。另外，纸浆模 塑包装工业涉及的基础理论研究十分薄弱，也限制了行业水平的进一步提高。 在原料选择方面，目前纸浆模塑餐具的原料主要是采用化学浆。化学浆纤维长径比 大。纸浆成型性能好，成品率高。但化学浆得率低，浆料成本高，而且制浆过程污染严 重，制品中含有致癌物质二恶英( d i o x i n ) 。另外，相对于机械浆而言，化学浆餐具刚性 差要使其负重性能达到一定标准，就必须增加制品的厚度，原料用量也随之加大。但 机械浆成型、坯料转移、脱模难度大，生产过程难以实现自动化，生产效率较低。 纸浆模塑制品生产设备主要由成型和热压、干燥等部分构成。其中，成型的好坏是 决定制品质量的关键，而成型的质量又取决于成型机质量、模具的结构和质量等因素。 目前我国虽已对成型机进行了开发和研究，产品类型已从单一的往复式、半自动式向回 转式、全自动方向发展，但目前仍以半自动生产线为主。半自动生产设备自动化程度低， 生产效率低，工人劳动强度大安全防护性能差，网模由人工转移，机器的各种动作由 人工操作控制，坯料成型、热压定型、切边分别由多个工作程序完成，制品合格率仅为 9 5 左右。全自动生产线是将各个工序集中在一台机器上完成，工人劳动强度低生产 效率高，但设计、制造难度较大。在生产应用过程还存在着不少技术难题尤其是采用 机械浆为原料的设备，普遍存在投资成本高、可靠性差、开机率低、智能调节性差，从 而造成产品生产成本变相增加。 1 4 2 对策 纸浆模塑制品成型机理及过程控制的研究 1 4 2 1 拓宽原料范围 目前使用的原材料大多是漂白化学浆板，其成本由浆板的市场价格所决定。要降低 纸浆模塑产品的生产成本应研究和开发成本比漂白化学浆板低、且污染更少、得率高 的各种草类纤维浆( 如芦苇、甘蔗渣等) 以及农林废弃物为原料的机械浆等【l “。 1 4 2 2 进一步降低成本 纸浆模塑模制品干燥方面，目前我国绝大多数纸浆模塑生产厂家采用电加热干燥方 式，其耗能大，如何降低能耗是降低纸浆模塑制品生产成本的关键。采用导热油加热和 有机热载体模内加热技术是今后的发展方向。 目前纸浆模塑餐具生产中所用的防水防油助剂主要依靠进口，价格昂贵，在生产成 本中占有较大的比例。应加快防水防油助剂的自行研制，提高助剂的产品质量与稳定性。 对于一些批量大的制品，要求标准化、系列化和规格化，以降低成本。但为适应一 些特殊产品的需要，又要求模具多样化因此，增加生产线的柔性程度也可以降低成本。 如在生产线上或主机上，通过更换模具即可生产出多种产品。因此要大力开发与运用 c a d 及c a m 技术，研制高质量的模具，提高模具制造加工水平，以提高成型质量与传 熟效果等，降低能耗。另外，制定和实施纸浆模塑制品及设备的标准，加强测试手段， 是提高制品和设备质量的技术保证之一，也是促进行业健康有序发展的重要手段。 1 4 2 3 提高设备自动化水平 提高设备的自动化水平可以降低操作人员工作强度，提高产品质量，降低能耗。目 前应着重解决自动化生产设备的可靠性、动作时序控制与生产过程控制的结合以及降低 控制系统的成本等关键问题。 与生产线可靠性直接相关的首先是系统的总体设计，系统总体设计与设备的运行可 靠性与稳定性直接相关。必须对纸浆模塑生产工艺过程进行详细的分析，尽可能多的设 置传感器，对现场出现的问题尽量由控制系统自行处理。其次是对元器件的选型，应尽 可能选用高可靠性与稳定性的器件，但同时还必须注意降低成本。软件的设计与人机界 面也是影响设备运行的可靠性与稳定性的重要一环，软件设计中的逻辑故障会造成设备 停机或运行错误，甚至造成设备重要部件损坏( 如模具执行i 靴4 4 = 等) ；同时在人