紙漿模塑模具的制作材料及其性能

大連工業(yè)大學(xué) 高娟娟 黃俊彥 曲曉晴

1 前言

紙漿模塑制品——這一新興的綠色環(huán)保型產(chǎn)品已被越來(lái)越多的人們所認(rèn)識(shí)和接受，其產(chǎn)品具有原料來(lái)源廣泛、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)練、無(wú)污染、易降解、可回收再生利用的鮮明特點(diǎn)和環(huán)保特性。在紙漿模塑制品的生產(chǎn)過(guò)程中，紙模模具是一個(gè)關(guān)鍵部件，模具的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)要求高，投入大，周期長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)也較大，隨著紙漿模塑制品生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，使用市場(chǎng)的不斷拓展，產(chǎn)品性能的不斷完善，模具的設(shè)計(jì)制作及其所使用的材料也在不斷地研究和探討、逐步改進(jìn)和提高之中。

紙漿模塑制品模具的耐用性除取決于模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其使用與維護(hù)情況外，最根本的問(wèn)題是制模材料的基本性能是否與模具的加工要求與使用條件相適應(yīng)。因此，根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)和使用情況，合理選用紙漿模塑的制模材料，是紙漿模塑模具設(shè)計(jì)人員的重要任務(wù)之一。

目前，紙漿模塑制模材料仍以鋼材為主，但根據(jù)紙模制品的成型工藝條件，也可采用低熔點(diǎn)合金，低壓鑄鋁合金，黃銅和其他非金屬材料等。

2 制模材料的基本要求

制造模具所采用的金屬材料，基本上應(yīng)具備下列性能：

①加工性能良好，熱處理局變形小。因?yàn)槟＞吡慵螤詈軓?fù)雜，而在淬火以后加工又很困難，或根本不易加工，所以在選擇模具材料時(shí)，應(yīng)盡量選擇熱處理后變形小的金屬材料。

②拋光性良好。紙模制品常要求具有較好的光澤和表面狀態(tài)，因而模具必須很好地拋光處理，選用的金屬材料不應(yīng)含有粗糙的雜質(zhì)和氣孔等。

③耐磨性良好。紙模制品的表面光度和尺寸精度都與模具表面的耐磨性有直接關(guān)系，因此要求模具有很高的耐磨性，模具表面硬度大，可經(jīng)受生產(chǎn)操作中對(duì)模具的機(jī)械磨擦和劃傷。

④耐腐蝕性良好。濕紙模及其添加劑對(duì)模具的表面有化學(xué)腐蝕作用，所以要選用耐腐蝕的金屬材料或進(jìn)行表面處理。

3 制模材料

3.1 鋼材

通常要求紙模制品模具使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定，鋼材是重要的選用材料之一。根據(jù)生產(chǎn)需要，用作紙模制品模具的鋼材應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)械加工、剛度和強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)性及抗腐蝕性等方面的要求。常用的鋼材有合金工具鋼和不銹鋼材料。

（1）合金工具鋼

可用作紙模模具的合金工具鋼的鋼號(hào)及化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 合金工具鋼的鋼號(hào)及化學(xué)成分（GB1299-2000）

（2）不銹鋼

可用作紙模制品模具零部件的不銹鋼能在一定的溫度和腐蝕條件下長(zhǎng)期工作，并保證其力學(xué)和物理性能不變。但不銹鋼的價(jià)格比一般鋼材貴得多，而且它的切削加工性能比較差。

紙模模具用不銹鋼的鋼號(hào)和化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 不銹鋼的鋼號(hào)和化學(xué)成分（GB／T 1220-2007）

3.2 有色金屬材料

（1）鋁合金

鑄造鋁合金具有較高的耐腐蝕性和一定的強(qiáng)度、硬度、耐熱性及焊接性，比鋼材易于切削加工成型，可以大幅度縮短模具加工周期，因此在紙模制品模具中得以廣泛應(yīng)用。鑄鋁模具用于尺寸較小、中等批量的紙漿模塑制品的生產(chǎn)時(shí)，由于成型壓力不大，使用壽命可以得到延長(zhǎng)。用于精度要求不高的工業(yè)內(nèi)包裝制品時(shí)可以直接采用精鑄成型的鋁合金模具，而精度要求較高的工業(yè)內(nèi)包裝制品則必須采用機(jī)械切削加工法制造的模具。鋁合金板材經(jīng)過(guò)塑性加工和焊接后也可制成紙模制品的模具。

紙模模具用鑄造鋁合金主要為鋁硅合金，其牌號(hào)和化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3 （鑄造）鋁合金的牌號(hào)和化學(xué)成分（GB／T 1173-1995）

紙模模具用鋁合金板材主要類(lèi)別為防銹鋁，其牌號(hào)和化學(xué)成分見(jiàn)表4。

表4 防銹鋁合金加工產(chǎn)品的牌號(hào)和化學(xué)成分（GB／T 3190-2008）

紙模模具用鋁合金板材的機(jī)械性能見(jiàn)表5。

表5 防銹鋁合金板材產(chǎn)品的機(jī)械性能

（2）黃銅

紙模模具用鑄造銅合金主要為普通黃銅，其代號(hào)和化學(xué)成分見(jiàn)表6。

表6 鑄造普通黃銅的代號(hào)和化學(xué)成分（GB 1176-1987）

（3）黃銅網(wǎng)和不銹鋼網(wǎng)

網(wǎng)模是紙漿模塑模具中的關(guān)鍵性模具材料，是直接影響制品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要環(huán)節(jié)。網(wǎng)模用網(wǎng)有金屬網(wǎng)和塑料網(wǎng)，金屬網(wǎng)又分黃銅網(wǎng)、不銹鋼網(wǎng)和鍍鉻網(wǎng)，網(wǎng)絲直徑在0.15～0.25mm之間。按網(wǎng)的編織方法又分為單經(jīng)網(wǎng)、三經(jīng)網(wǎng)、捻織網(wǎng)和雙層織網(wǎng)等。網(wǎng)孔幾何形狀有正方孔、長(zhǎng)方孔和六邊形孔。網(wǎng)目一般在40～65目之間。

紙模網(wǎng)模用黃銅網(wǎng)、不銹鋼網(wǎng)的規(guī)格見(jiàn)表7。

國(guó)內(nèi)一紙漿模塑廠(chǎng)家為滿(mǎn)足同行對(duì)模具用網(wǎng)的需求，結(jié)合自身從事模具加工和生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)紙模模具對(duì)絲網(wǎng)的特殊要求，采用進(jìn)口不銹鋼絲進(jìn)行特殊加工處理，成功研制出用于紙漿模塑工業(yè)包裝制品、餐具制品模具的專(zhuān)用ZMW系列不銹鋼網(wǎng)。其主要品種及參數(shù)見(jiàn)表8。

ZMW系列不銹鋼網(wǎng)除具一般不銹鋼網(wǎng)的表面光滑、耐腐蝕、韌性好、耐壓、抗拉、耐高溫等特征外，還具柔軟度、馴服度好、打折不反彈等特點(diǎn)，能輕易包附在各種復(fù)雜的幾何形狀（如凸凹面、孤面、小溝、槽等）的模具上。產(chǎn)品的各種物理性能與進(jìn)口的紙模專(zhuān)用不銹鋼網(wǎng)接近，且價(jià)格低廉，是紙塑模具優(yōu)良的網(wǎng)材。

表7 工業(yè)用金屬絲編織方孔篩網(wǎng)規(guī)格（GB／T 5330-2003）

（4）銅基球狀粉末冶金

在使用定型模具進(jìn)行紙模濕紙模壓榨烘干過(guò)程中，定型模具中的網(wǎng)模會(huì)使制品表面產(chǎn)生網(wǎng)痕，而且網(wǎng)模在頻繁擠壓中會(huì)很快變形甚至破損。為了解決這個(gè)問(wèn)題，業(yè)內(nèi)人士開(kāi)始研制一種采用銅基球狀粉末冶金制造的新型無(wú)網(wǎng)模，這種無(wú)網(wǎng)定型模具具有精度高、內(nèi)外表面光滑、無(wú)網(wǎng)痕等特點(diǎn)，壽命是一般網(wǎng)模的10倍，而且成本僅為傳統(tǒng)模具的50%左右。

表8 ZMW系列不銹鋼網(wǎng)主要品種及參數(shù)

3.3 其它制模材料

除了以上所述的各種鋼材和有色金屬外，環(huán)氧樹(shù)脂和低熔點(diǎn)合金等也可用作紙模模具的制模材料，但一般只能適于小批量紙模制品或試制產(chǎn)品的生產(chǎn)。

（1）環(huán)氧樹(shù)脂

用環(huán)氧樹(shù)脂制作的成型模具中的轉(zhuǎn)移模，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和工藝性能，可縮短模具生產(chǎn)周期，降低模具成本。為保證模具的制造精度，可采用澆注法直接從對(duì)應(yīng)的凸?；虬寄Ｉ希ɑ蛘呤噙^(guò)渡模）翻倒制造出模具。

環(huán)氧樹(shù)脂制模所用材料如下：

①環(huán)氧樹(shù)脂：環(huán)氧樹(shù)脂品種很多，目前廣泛使用的有雙酚A類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂和脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂。

雙酚A類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)力高，化學(xué)穩(wěn)定性好，收縮率低，機(jī)械和電氣性能良好。如環(huán)氧樹(shù)脂634#、環(huán)氧樹(shù)脂6101#。

脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂粘度低、工藝性能好，分子結(jié)構(gòu)緊密，固化后硬度大，耐熱性和耐紫外光老化等特性好。如環(huán)氧樹(shù)脂6207#。

②填料：填料可降低成本、減少環(huán)氧樹(shù)脂用量、降低線(xiàn)膨脹系數(shù)和收縮性，提高機(jī)械強(qiáng)度。常用填料有鋁粉、氧化鋁、石英粉、碳化硅、鋼絲絨、玻璃纖維等。

③硬化劑：硬化劑促進(jìn)環(huán)氧樹(shù)脂的固化反應(yīng)。常用硬化劑有乙二胺、間苯二胺、順丁烯二酸酐、苯均四酸二酐、鄰苯二甲酸酐等。

④封閉劑：使用石膏模作過(guò)渡模時(shí)，涂在石膏模上的封閉劑為聚乙烯醇。聚乙烯醇是白色無(wú)味的粉末，能溶解于水中。封閉劑的主要作用是不使環(huán)氧樹(shù)脂液在澆注過(guò)程中滲入石膏模微孔內(nèi)。

⑤脫模劑：常用的脫模劑有硅油、二硫化鉬。硅油是一種含硅的合成材料，常用的二甲基硅油是無(wú)色透明的油狀物。二硫化鉬是藍(lán)灰色的固體粉末，有金屬光澤，對(duì)酸的抗腐蝕性較強(qiáng)，作為脫模劑用的二硫化鉬粒度越細(xì)越好。

環(huán)氧樹(shù)脂澆注材料的配方見(jiàn)表9所示。

表9 環(huán)氧樹(shù)脂澆注材料

（2）低熔點(diǎn)合金

利用低熔點(diǎn)合金澆鑄制模方法，可以以紙模樣品作母模直接翻倒出轉(zhuǎn)移模具。低熔點(diǎn)合金澆鑄制模不僅可以縮短模具的制造周期，節(jié)約大量的鋼材，同時(shí)還節(jié)省勞力。

低熔點(diǎn)合金的種類(lèi)較多，目前使用的較簡(jiǎn)單的一種是鉍58%和錫42%的鉍錫合金。

低熔點(diǎn)合金熔化與澆鑄工藝過(guò)程如下：

將攙和好的鉍錫合金料置于熔鍋內(nèi)，加熱至140℃左右（溫度測(cè)量可采用半導(dǎo)體點(diǎn)溫計(jì)或普通溫度計(jì)），熔化均勻后即可澆鑄在準(zhǔn)備好的紙模樣品母模上成型，鑄型后的鑄件冷卻半小時(shí)左右，最后修正鑄件澆鑄時(shí)留下的殘痕，即可制作出轉(zhuǎn)移模。

（3）塑料網(wǎng)

紙模網(wǎng)模用塑料網(wǎng)主要為滌綸網(wǎng)等，其規(guī)格見(jiàn)表10。

表10 工業(yè)用合成纖維網(wǎng)規(guī)格

3.4 制模過(guò)渡材料

模具的過(guò)渡材料是用來(lái)制造初造型的母模或在樣品上翻倒制模所用材料。過(guò)渡材料有木材、型砂、石蠟、硅橡膠、石膏、樹(shù)脂等。

4 結(jié)語(yǔ)

紙漿模塑制品作為一種新興的綠色包裝材料，具有原料來(lái)源廣泛、可回收再利用或自然降解，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染等環(huán)保特性，使其越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，人們對(duì)于紙模制品的結(jié)構(gòu)、形狀和精度的要求也越來(lái)越高。在整個(gè)紙模制品的生產(chǎn)過(guò)程中，模具是一個(gè)關(guān)鍵性的部件，模具的質(zhì)量直接決定著紙模制品的性能。提高模具的質(zhì)量、降低模具制作成本已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐及參考資料，綜述了各種制模材料的特性和其對(duì)紙漿模塑生產(chǎn)的影響，介紹了各種材料制作紙模模具的方法及其應(yīng)用，旨在為紙漿模塑模具的制作和生產(chǎn)提供有益的參考。