紙漿模塑快速打樣用砂模的制作工藝及其性能

曲 曉 晴, 黃 俊 彥

( 大連工業大學 輕工與化學工程學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

紙漿模塑制品以可循環使用的植物纖維為基本原料,用模具塑造而成,通過自身的特殊結構保護被包裝物。目前紙模行業開發新產品過程中普遍存在著打樣成本高等問題,成為影響其發展和應用進程的重要因素之一。傳統打樣方法是在三維造型軟件中模擬被包裝物外形特征進行模具結構設計,應用數控加工制得鋁合金成型模具[1],采用此模具上成型機打出的紙模樣品,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計不精確、制作成本高、周期長、風險大等問題。因此,尋求高效率、低成本的打樣方法,是眾多紙漿模塑企業普遍關注的問題。作者以桐油砂模代替傳統的金屬模具作為吸塑成型模具進行紙漿模塑制品的快速上機打樣,對打樣用砂模的制作工藝進行了詳細研究。

1 試 驗

1.1 主要原料和設備

原料:硅砂,采用60～40目粒徑規格的硅砂；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(用于測試砂模試樣的彎曲強度)；2XZ-2旋片式真空泵(用于測試砂模試樣的濾水性能)等。

1.2 試驗方法

1.2.1 砂模試樣制備

硅砂、膨潤土和桐油混碾后出砂,在石膏母模內澆注成型,制作長30 mm、寬20 mm、厚10 mm的長方體砂模試樣,以電熱恒溫干燥箱進行干燥。其制備工藝為

1.2.2 性能測試

砂模替代鋁合金成型模具上機打樣需具備的基本性能為較好的強度、濾水性和表面光潔度。參照金屬成型模具的網模用網直徑為0.15～0.2 mm,網目一般為40～60目。使用粒徑規格為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。只對砂模試樣進行彎曲強度測試和濾水性測試。

彎曲強度是材料在彎曲負荷作用下破裂或達到規定撓度時能承受的最大應力,用以檢驗材料在經受彎曲負荷作用時的性能。參照紙漿模塑生產過程中使用的鋁合金成型模具殼體的厚度大約為10 mm,用于檢測彎曲強度所制作的砂模試樣均為厚度10 mm、長30 mm、寬20 mm的長方體,以WD-5D電子萬能試驗機對試樣進行干態彎曲強度測試和浸濕后0.5 h的濕態彎曲強度測試。用于檢測濾水性能的砂模試樣為厚度為10 mm、半徑為30 mm的圓柱體,將圓柱體砂模試樣嵌入布氏漏斗內,以2XZ-2旋片式真空泵對砂模試樣進行濾水性能的測試。

2 結果分析

2.1 砂模彎曲強度的單因素試驗

本組試驗包括4個不同工藝參數的單因素試驗,依次研究桐油質量、膨潤土質量、干燥溫度和干燥時間4個因素對砂模強度性能的影響。

2.1.1 桐油質量對砂模彎曲強度的影響

制作工藝參數:硅砂100 g,不添加膨潤土,干燥溫度200 ℃,干燥時間30 min。試驗結果如圖1所示,桐油量增加,桐油砂模的強度性能提高,桐油量持續增加,試樣彎曲強度的提高速率有所減緩,較理想的桐油加入量為6 g。

影響因素分析:桐油因其特殊的共軛三烯結構,使其具有較高的反應活性,不僅可以發生聚合反應,聚合成以二氧六環為單元的大分子,由于多烯鍵的存在,其分子間發生交聯作用,形成網絡結構的高分子膜[2-4],桐油作為黏結劑,黏結硅砂,硅砂對桐油膜有應力分散的作用,使砂模具有濾水性能。桐油質量直接影響著黏結膜的性能,即砂模的性能,砂模干態彎曲強度曲線的斜率隨著桐油量的增加逐漸增大,桐油質量繼續增加曲線斜率出現減小趨勢；桐油質量過少時,分子間交聯少,聚合物分子質量小,網絡結構不夠致密,甚至砂粒沒有被黏結膜完全包裹,砂模強度低；桐油質量增加,桐油分子的活化能增大,單體聚合反應強,聚合物分子質量大,分子間交互作用,形成網絡結構,增強高分子聚合膜的韌性。在持續的高濕狀態下,桐油黏結膜的破裂形式由內聚破裂變為附著破裂[5]。隨著桐油質量的增加,其濕態彎曲強度明顯提高,桐油過多時,桐油砂模的干、濕態強度提高,但過量的桐油,形成的致密黏結膜會影響砂模的濾水性能,且增加制作成本。

圖1 桐油質量對彎曲強度的影響

Fig.1 Effect of the add dosage of tung oil on flexural strength

2.1.2 膨潤土質量對砂模彎曲強度的影響

制作工藝參數:硅砂100 g,桐油6 g,干燥溫度200 ℃,干燥時間30 min。試驗結果如圖2所示,加入適量的膨潤土可以提高砂模試樣的干、濕態彎曲強度,其中濕態彎曲強度的提高尤為顯著,較理想的膨潤土加入量為3 g。膨潤土加入量為3 g時,砂模試樣的干態彎曲強度為3.503 MPa,濕態彎曲強度為2.986 MPa,優于質量配比m(硅砂)∶m(桐油)=100∶9制備的砂模試樣其濕態彎曲強度2.752 MPa,等質量的膨潤土價格低于桐油價格,后續試驗中采用加入膨潤土作為防潮增強劑提高砂模濕態彎曲強度的方案。

影響因素分析:由于膨潤土結構單元中晶片水合,帶微弱正電荷的小片棱邊被吸引到帶負電荷的小片表面那里,迅速地建立了三維空間結構,體系的黏度很快增大[6]。適量膨潤土的黏結性增強了砂模的濕態彎曲強度,過量時,膨潤土作為粒子對桐油膜具有分散應力的作用,降低砂模的強度性能。

圖2 膨潤土質量對彎曲強度的影響

Fig.2 Effect of the add dosage of bentonite on flexural strength

2.1.3 干燥溫度對砂模彎曲強度的影響

制作工藝參數:硅砂100 g,桐油6 g,膨潤土3 g,干燥時間30 min。試驗結果如圖3所示,干燥溫度提高,有利于提高砂模試樣的強度性能,干燥溫度持續提高,砂模的強度性能有降低趨勢,濕態彎曲強度曲線的顯現尤為明顯。質量配比m(硅砂)∶m(膨潤土)∶m(桐油)=100∶3∶6,干燥30 min的較優條件為200 ℃。

影響因素分析:加熱可以促進桐油的聚合作用,干燥溫度升高,聚合反應速度提高,聚合物分子質量增加,黏結膜韌性增強；過高的干燥溫度,反應物黏度大,易焦化,制得的砂模試樣明顯呈黑色狀態,在高濕狀態下彎曲強度降低；干燥溫度低時,反應時間過長,不經濟。

圖3 溫度對彎曲強度的影響

2.1.4 干燥時間對砂模彎曲強度的影響

制作工藝參數:硅砂100 g,桐油6 g,膨潤土3 g,干燥溫度200 ℃。試驗結果如圖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度。實際操作中,干燥時間35 min條件下制得的砂模試樣呈現黑褐色,干燥時間為30、35 min 條件下,制作的砂模試樣進行彎曲測試過程中,顯示其高強度狀態所持續的時間呈明顯縮短趨勢。此工藝參數條件下,砂模干燥的較優時間為25 min。

影響因素分析:干燥時間過短,桐油分子交聯少,成膜性差；時間過長,不經濟,甚至出現油膜焦化,砂模的強度性能降低。

圖4 干燥時間對彎曲強度的影響

2.2 砂模彎曲強度的正交試驗

砂模性能的主要影響因素為:桐油質量、膨潤土質量、干燥溫度和干燥時間,考察指標為試樣的干態彎曲強度和濕態彎曲強度。用正交試驗篩選最佳工藝參數,正交因素與水平見表1,試驗結果見表2。

表1 砂模彎曲強度正交試驗因素表

Tab.1 Orthogonal experimental factors of flexural strength

水平Am(桐油)/gBm(膨潤土)/gCθ/℃Dt/min152190202632002537421030

正交試驗結果顯示,影響砂模性能的主次因素依次為桐油質量、膨潤土質量、干燥時間、干燥溫度,以砂模的干態彎曲強度為指標的最佳工藝參數組合為A2B2C2D2,以砂模的濕態彎曲強度為指標的最佳工藝參數組合為A2B1C2D2,綜合多種因素,選擇較為理想的工藝參數組合,砂模上機工作環境為濕態環境,且混砂過程中,A2B1C2D2組合桐油砂的流動性優于A2B2C2D2組合,從節約能源角度考慮,A2B1C2D2組合更有優勢。確定工藝參數組合為:40～60目粒徑規格的硅砂100 g,桐油6 g,膨潤土2 g,干燥溫度200 ℃,干燥時間25 min。

表2 砂模彎曲強度正交試驗結果與分析

Tab.2 Result and calculations of orthogonal experiment of flexural strength

試驗號ABCD彎曲強度/MPa干態濕態111111.8921.524212222.3271.359313332.1361.338421233.4192.635522313.3512.473623123.2231.997731322.5372.319832133.3182.531933213.0012.105干態彎曲強度K12.1182.6252.8112.748K23.3312.9992.9162.958K32.9522.7872.6752.696R1.2130.3740.2410.262較優水平A2B2C2D2主次因素 A>B>D>C濕態彎曲強度K11.4192.1592.0172.033K22.3672.1212.0432.168K32.3181.8132.0031.892R0.9480.3460.0400.276較優水平A2B1C2D2主次因素 A>B>D>C

2.3 再現性試驗

彎曲強度試驗:以工藝參數硅砂100 g、桐油6 g、膨潤土2 g、干燥溫度200 ℃、干燥時間25 min 制作砂模試樣,干態彎曲強度3.513 MPa,濕態彎曲強度2.905 MPa,由于紙漿模塑成型時,模具內的真空負壓不超過一個大氣壓,其強度滿足上機打樣要求。

濾水性試驗:以極限壓力為0.06 MPa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,抽濾打漿度為18°SR,漿料為1%的漂白硫酸鹽漿,持續抽濾10 s,砂模上沉積纖維厚度20 mm。實際生產中紙漿模塑真空成型時的真空度一般為0.05～0.06 MPa,對于淺而薄的紙漿模塑制品,成型時間一般為10～15 s,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延長,砂模的濾水性滿足成型模具的濾水性要求。

試驗結果顯示,砂模滿足上機打樣對模具的強度和濾水性要求。

3 結 論

(1)以40～60目粒徑規格的硅砂制作砂模,影響砂模性能的因素依次為:桐油質量、膨潤土質量、干燥時間、干燥溫度；得到原料配比和制作工藝的較優組合:硅砂100 g,桐油6 g,膨潤土2 g,干燥溫度200 ℃,干燥時間25 min,制作厚度10 mm 的砂模。檢測試驗表明,砂模強度、濾水性能可滿足上機打樣模具要求。

(2)采用砂模打樣方式與傳統金屬模具打樣方式相比具有設計周期縮短、打樣成本低廉、制作工藝簡單等特點,有利于加快紙漿模塑新產品的開發和推廣應用,適應紙漿模塑產業的發展要求,具有廣闊的應用前景。

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