基于厚度變化的紙漿模塑模內(nèi)干燥特性研究

趙甜甜，王軍,2*

先進材料

基于厚度變化的紙漿模塑模內(nèi)干燥特性研究

趙甜甜1，王軍1,2*

（1.江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122； 2.江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點試驗室，江蘇 無錫 214122）

探究模內(nèi)干燥紙漿模塑制品厚度變化規(guī)律及干燥特性。使用紙漿模塑成型機在不同干燥溫度下，對3種不同初始厚度的紙漿模塑制品進行熱壓干燥實驗，對實驗所得產(chǎn)品的厚度變化和質(zhì)量變化數(shù)據(jù)進行分析，并繪制干燥特性曲線。紙漿模塑制品熱壓干燥過程可分為預(yù)壓階段、恒速干燥階段和降速干燥階段3個過程。在預(yù)壓階段，蓬松的紙漿模塑濕坯被模具擠壓致密，厚度值出現(xiàn)瞬時減薄的趨勢，減厚率高達40%以上，在恒速及降速階段厚度則會逐步遞減至一個平衡值。根據(jù)實驗結(jié)果獲得了基于厚度變化的紙漿模塑制品的干燥特性。

紙漿模塑；熱壓干燥；厚度變化；干燥特性曲線

紙漿模塑制品是一種以植物纖維為原料，在紙漿模塑成型機上通過特定模具吸濾成型，干燥整型等工序后，獲得的一種具有特定幾何空腔結(jié)構(gòu)的紙質(zhì)包裝制品，常用的干燥方式分為烘箱熱風干燥和模具熱壓干燥2種[1]。隨著人們對綠色包裝及可持續(xù)包裝的倡導(dǎo)，其憑借100%可回收，可自然降解，同時具有良好緩沖保護性的特性逐漸引起了人們的關(guān)注[2]。目前，紙漿模塑制品除了用于蛋托等食品托盤外，熱壓成型的制品更廣泛應(yīng)用于手機、電腦等高檔電子產(chǎn)品的緩沖包裝領(lǐng)域[3-4]。

近年來，國內(nèi)外對紙漿模塑制品的研究多集中在工藝與設(shè)備、緩沖機理、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面，并取得了一定的成果[5-7]。其中比較突出的是Saxena等[8]開發(fā)出了一種可用于生產(chǎn)紙瓶的模具與工藝?；诟稍镅芯糠较?，姚培培等[9]研究了不同干燥方式對紙漿模塑材料性能的影響。閔詩源等[10]研究了熱風干燥條件下，紙漿模塑干燥模型的建立及烘箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。邱仁輝等[11]對紙漿模塑餐具熱壓干燥工藝過程進行了分析，采用分離變量法推導(dǎo)出模具熱傳導(dǎo)方程的解析解，以優(yōu)化模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計及加熱管布置。但卻鮮有針對熱壓成型類紙漿模塑制品干燥特性的研究，甚至忽略了紙漿模塑作為一種電子產(chǎn)品包裝，其在熱壓干燥過程中厚度結(jié)構(gòu)的變化過程。

本文選擇應(yīng)用于手機內(nèi)托的一種紙漿模塑制品模具，利用紙漿模塑熱成型機，研究在熱壓干燥條件下，不同的熱壓溫度和初始濕坯厚度對紙漿模塑干燥特性曲線的影響，以及厚度結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

1 實驗

1.1 紙漿模塑熱壓干燥實驗

本實驗的主要目的是研究紙漿模塑制品的模內(nèi)干燥過程的干燥特性曲線，并探究模具溫度和物料特性對干燥特性及厚度變化的影響。

1.1.1 材料與設(shè)備

主要材料：竹蔗混合漿（竹漿的質(zhì)量分數(shù)為40%、甘蔗漿的質(zhì)量分數(shù)為60%）。為控制實驗變量，每次實驗前將漿料濃度調(diào)節(jié)至（0.24±0.01）%，游離度為（550±10）mL。

主要設(shè)備：FLUKE TiS75紅外熱成像儀，美國福祿克電子儀器儀表公司；XH-H1電子天平，永康市香山衡器有限公司；IMT-HD02紙張厚度測定儀，東莞市英特耐森精密儀器有限公司；HK-128恒溫恒濕箱，東莞市恒科儀器設(shè)備有限公司；實驗所用紙漿模塑全自動熱壓成型機，上海永發(fā)模塑科技發(fā)展有限公司。如圖1a所示，成型設(shè)備主要由吸漿系統(tǒng)、熱壓系統(tǒng)和傳送系統(tǒng)組成。圖1b為該設(shè)備控制面板，通過控制面板可以調(diào)控吸漿時間、熱壓溫度和熱壓時間等工藝參數(shù)。

1.1.2 實驗步驟

1）模具預(yù)熱：為保證實驗的準確性和穩(wěn)定性，每次實驗開始前需先通過控制面板設(shè)置實驗所需溫度進行預(yù)熱2 h，實驗時用紅外模具測溫槍進行測溫來確定是否預(yù)熱完成。

2）校準電子天平（精度0.01 g）：考慮風壓及樣品托盤的質(zhì)量，稱量過程需去皮校準。

圖1 紙漿模塑全自動熱成形設(shè)備

3）制備紙漿模塑濕坯：選用型腔規(guī)整、深度較淺的手機托盤為實驗介質(zhì)，通過操控吸漿時間來控制濕坯厚度。

4）模內(nèi)干燥：通過控制面板設(shè)置模內(nèi)干燥時間，將吸制好的紙漿模塑濕坯經(jīng)設(shè)備運送系統(tǒng)從吸漿模轉(zhuǎn)移至熱壓下模，熱壓下模將濕坯運送到熱壓工位與上模進行合模干燥，干燥完成后的樣品被轉(zhuǎn)移模轉(zhuǎn)移至收樣區(qū)。

5）樣品質(zhì)量及厚度數(shù)據(jù)記錄：將經(jīng)特定時間干燥完成的樣品迅速取出，并用電子天平稱量記錄樣品質(zhì)量；從樣品中截取5 cm×5 cm的矩形樣片，從樣片中選取9個測量點（圖2），用紙張厚度測定儀進行測量并記錄。

6）烘干：為獲得樣品絕干質(zhì)量，將所有模內(nèi)干燥后的樣品按次序標號，并置于恒溫恒濕箱內(nèi)，在標準溫濕度條件下（110 ℃、25%）烘烤24 h，參考標準EN ISO 638-1:2022[12]，烘干后的樣品用電子天平測其質(zhì)量。

7）按照上述步驟完成各個工況的實驗，每個工況重復(fù)3次以上。本實驗設(shè)置3種熱壓下模熱板溫度，分別為（75±5）、（95±5）、（115±5）℃；3種紙漿模塑濕坯初始厚度分別為1（1.5 mm±0.2 mm）、2（2.0 mm± 0.2 mm）、3（2.5 mm±0.2 mm），進行交叉實驗。初始階段分別在0、2、5、10 s的干燥時間下測取濕坯質(zhì)量和厚度，接著干燥時間每增加10 s測量一次，直至樣品質(zhì)量和厚度不再發(fā)生明顯變化時結(jié)束實驗。

圖2 樣片厚度測量位置及干燥前后示意圖

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 干燥數(shù)據(jù)處理

對實驗過程中記錄的樣品質(zhì)量數(shù)據(jù)進行處理，將質(zhì)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成干基含濕率（DBMC）[13]，計算方法如式（1）所示。

式中：m為時刻的樣品質(zhì)量，g；f為樣品的干基質(zhì)量，g；DBMCt為時刻的干基含水率。

為了量化成型過程中的脫水量，以干燥效率e（Dry Efficiency）作為性能指標[14]，計算見式（2）。

式中：in為樣本的初始質(zhì)量，g。

1.2.2 厚度數(shù)據(jù)處理

式中：in為初始試樣厚度，即預(yù)成型試樣的厚度，mm；out為輸出樣品厚度，即樣品經(jīng)過熱成型工藝干燥后的厚度，mm。

將1.1.2節(jié)實驗步驟5中所得厚度數(shù)據(jù)按照上述減厚率的定義進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對干燥過程的影響

在模內(nèi)干燥紙漿模塑成型工藝中，紙漿模塑濕坯首先從吸濾成型模具上轉(zhuǎn)移至熱壓下模，熱壓下模接著將紙漿模塑濕坯轉(zhuǎn)移至熱壓成型工位，并與上模進行合模；然后將紙漿模塑濕坯壓制干燥完成，干燥過程中產(chǎn)生的水汽由真空持續(xù)抽出；最后輸出干燥完成的紙漿模塑制品。通常情況下，紙漿模塑模內(nèi)干燥工藝分為2種情況，一種為熱壓上下模具均被賦予溫度；另一種為熱壓上下模具一面進行加熱，一面為常溫。為了簡化研究難度，便于揭示紙漿模塑在模具內(nèi)部的熱質(zhì)傳遞過程，本文選擇對熱壓下模進行加熱，熱壓上模在干燥過程中始終保持常溫。在熱成型實驗中，用紅外測溫槍（FLUKE TiS75）測量了模具表面和紙漿的初始溫度。用數(shù)字溫濕度計（LE500-WH）測量環(huán)境空氣的相對濕度和溫度。所有實驗數(shù)據(jù)均在成型機穩(wěn)定運行時至少進行3次測量，所有數(shù)據(jù)均具有良好的重現(xiàn)性。圖3為測溫槍測得樣品及模具表面的溫度。

在一定干燥條件下，物料含水量與干燥時間之間的關(guān)系曲線叫作干燥特性曲線[15]。其中，溫度是干燥工藝中的重要參數(shù)，不同模具溫度對紙漿纖維多孔介質(zhì)干燥過程的干燥特性曲線如圖4所示，熱壓模具的溫度越高，干燥曲線的斜率更大。從圖4中可以看出，材料厚度為3時，模具在溫度115 ℃下的干燥曲線在干燥時間為60 s時開始出現(xiàn)降速階段，而在75 ℃條件下，材料在300 s內(nèi)依然處于干燥初期，即恒速干燥階段。從圖4中進一步分析可知，完整的干燥過程基本分為3個階段：第1階段為預(yù)壓階段，樣品中的大量水分被模具擠壓排出；第2階段為恒速干燥階段；第3階段為降速干燥階段。在預(yù)壓階段，紙漿模塑中的干基含水率隨時間增加瞬時下降；在恒速干燥階段中，含水率隨時間呈線性均勻下降；當含水率下降到某一特定值后曲線呈平緩變化，物料中的水分最終趨于平衡，水分不再變化。在干燥過程中，樣品從第2階段轉(zhuǎn)變?yōu)榈?階段時的含水量為臨界含水量。盡管在預(yù)壓階段，紙漿模塑的含水量驟降，但是實驗在大型熱壓機上進行，設(shè)備干燥時間設(shè)定條件有限，無法在預(yù)壓階段得到更精細的實驗數(shù)據(jù)。在表1中顯示了預(yù)壓階段的干燥數(shù)據(jù)，在熱壓模具合模的2 s內(nèi)，熱板溫度為75 ℃時的干燥效率為31.46%；5 s時的干燥效率為32.60%，差別只有1.14%，這表示預(yù)壓階段含水率驟降過程基本結(jié)束。

圖3 紅外測溫圖

圖4 不同溫度條件下，初始厚度d3的紙漿模塑干燥特性曲線

表1 紙漿模塑預(yù)壓階段干燥效率

Tab.1 Drying efficiency of pulp molding in pre-pressing stage

2.2 初始厚度對干燥過程的影響

由于紙漿模塑制品吸漿制濕坯的特殊性，增加吸漿時間從而增大濕坯厚度。圖5反映了在相同溫度條件下（75 ℃），紙漿模塑濕坯在3種不同初始厚度下物料干基含濕率隨時間的變化，曲線的斜率反映了干燥速率。如圖5所示，隨著物料初始厚度的增加，即物料單位固體物含量的增加，干燥到相同含水率所需時間逐漸增加。圖5中反映了恒速干燥階曲線斜率隨厚度的增大而減小，所需干燥時間也隨厚度增大而增加。同理，表2顯示了在預(yù)壓階段物料的干燥效率在極短的時間內(nèi)就增加到25%～33%。因此，在提升紙漿模塑干燥效率時，可以從提升預(yù)壓階段的干燥效率開始。

圖5 相同溫度下，初始厚度不同的紙漿的模塑干燥特性曲線

表2 相同溫度下，初始厚度不同的紙漿模塑預(yù)壓階段的干燥效率

Tab.2 Drying efficiency of pulp molding with different initial thickness at the same temperature

2.3 紙漿模塑厚度隨干燥時間的變化規(guī)律分析

因為紙漿模塑濕坯中含有大量孔隙，所以材料在受熱和受壓的加工過程中其形狀易發(fā)生變化，隨著干燥時間的增加，含水量和厚度的降低，紙漿模塑制品表面也發(fā)生明顯變化，見圖6。紙漿模塑濕坯在熱壓初期由于受到壓力的作用，蓬松的孔隙得到擠壓，大量水分脫出，厚度驟降。如圖7所示，隨著干燥時間的增加，制品被逐漸壓制緊密，樣品厚度呈現(xiàn)均勻減薄的趨勢。如表3所示，初期2～5 s內(nèi)，樣品減厚率最高達到43.88%。在熱壓100 s時，試樣減厚率為56.50%，比預(yù)壓階段只增加了12.62%，這表明預(yù)壓階段在整個干燥的減厚過程中占主要部分。

圖6 樣品隨干燥時間的表面變化

圖7 干燥過程中紙漿模塑厚度變化曲線

表3 紙漿模塑在不同干燥時間的減厚率

Tab.3 Thickness reduction rate of pulp molding for different drying time

3 結(jié)語

1）本文通過全自動紙漿模塑熱壓成型機對紙漿模塑制品進行熱壓干燥實驗，研究了干燥溫度和物料初始厚度對飽和紙漿纖維多孔介質(zhì)干燥特性的影響，并分析了不同干燥時間下物料主要結(jié)構(gòu)特征，即厚度變化趨勢。

2）實驗研究表明，紙漿模塑模內(nèi)干燥過程分為3個階段。在干燥的預(yù)壓階段，多孔介質(zhì)中的干基含水率隨時間瞬時下降，接著含水率隨時間增加呈線性均勻下降，并進入恒速干燥階段；當含水率下降到臨界含水率后曲線呈平緩變化，即降速干燥階段；最后多孔介質(zhì)中的水分趨于平衡，水分不再變化。同理，紙漿模塑厚度在預(yù)壓階段的減厚率最高達到43.88%，接著厚度隨時間呈現(xiàn)均勻減薄的趨勢。在熱壓100 s時的減厚率只比預(yù)壓階段增加了12.62%，故預(yù)壓階段在熱壓干燥的減厚過程中占主要部分。本文研究為提升紙漿模塑干燥效率及結(jié)構(gòu)變化趨勢的預(yù)測提供一定依據(jù)。

在紙漿模塑熱壓干燥實驗過程中發(fā)現(xiàn)，盡管預(yù)壓階段經(jīng)歷的時長較短，通常只有數(shù)秒的時間，但是紙漿模塑含水率和厚度值變化比例卻接近整體變化水平的一半，因此反映出預(yù)壓階段對制品干燥和減厚都發(fā)揮了重要作用。因為紙漿模塑是由水、纖維、填料等組分組成的復(fù)雜多相結(jié)構(gòu)，所以在未來的研究中可進一步探究漿料種類、設(shè)備真空度等參數(shù)對紙漿模塑熱壓干燥規(guī)律的影響及作用。

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In-mold Drying Characteristics of Molded Pulp Products Based on Thickness Change

ZHAO Tian-tian1, WANG Jun1,2*

(1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Jiangsu Wuxi 214122, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology, Jiangsu Wuxi 214122, China)

The work aims to explore the thickness variation and drying characteristics of in-mold dried pulp molded products. The hot pressing drying experiments were carried out on three kinds of pulp molded products with different initial thickness by a pulp molding machine at different drying temperature. The thickness and quality change data of the products were analyzed, and the drying characteristic curve was drawn. The hot pressing drying process of molded pulp products could be divided into three processes: the pre-pressing stage, the constant speed drying stage, and deceleration drying stage. In the pre-pressing stage, the fluffy pulp molded wet blank was extruded and compacted by the mold, and the thickness value tended to be instantly thinned, with a thickness reduction rate of more than 40%. In the constant speed and deceleration phases, the thickness decreased gradually to an equilibrium value. According to the experimental results, the drying characteristics of molded pulp products based on thickness change are obtained.

pulp molding; hot pressing drying; thickness change; drying characteristic curve

TB484.1；TS755

A

1001-3563(2023)19-0092-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.19.012

2023-03-30

國家一流學(xué)科建設(shè)輕工技術(shù)與工程（LITE 2018-29）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK20151128）

責任編輯：曾鈺嬋