【技术】纸浆模塑制品的优点与弱点

　　现代包装一般采用纸、塑料、玻璃、陶瓷、金属作为包装材料，由于纸和塑料价格便宜便于加工，且原料来源广泛，因此纸和塑料包装材料在日常生活中应用面很广。

　　然而，塑料包装材料由于不能自行降解，会造成环境污染等问题，我国的白色污染问题就是最典型的例证。

　　随着社会的发展和全球经济一体化的要求，绿色包装逐渐成为社会的共识，并成为我国包装行业发展的又一个亮点。经国际权威专家量化评估确定，惟有纸才是最有发展前途的绿色包装材料。近年来，我国纸模制品设备发展非常快，而且逐步趋于成熟。随着纸浆模塑制品应用范围的不断推广，纸模制品的要求不断提高，纸浆模塑生产工艺和模的设计等都需要不断完善和提高。

　　本文针对纸浆模塑制品的工艺流程特点，分析了当今纸浆模塑制品的现状，并对纸浆模塑制品模具设计的若干要素进行了研究。

　　1.工艺流程一般情况下，该生产工艺流程可以根据客户对产品的不同要求而有所变化，主要包括浆料制备、成型、热压定型、定型、整型和包装等辅助工序。

　　2.纸浆模塑制品的原料选择纸浆模塑制品的来源主要分为：纸浆、草浆和苇浆等，一般是漂白商品纸浆（用于快餐盒）或废纸（用于工业包装），在生产与使用过程中不会产生二次污染，产品具有质量轻、抗压抗震、缓冲性能好、防静电、透气性强和有良好的可回收性等优点。作为包装制品，可以替代聚苯乙烯泡沫塑料（EPS），用于一次性快餐盒、各种电子产品、工艺品、医疗器械、机械设备部件、禽蛋、水果、花卉、玻璃制品、陶瓷制品及其它易碎产品的内包装。

　　纸浆模塑制品一般分快餐盒类和工业内包装类，生产方法基本相同，只是生产快餐盒用的原料为漂白商品纸浆，定量和规格等指标较为严格，并且要进行灭菌、防水及防油处理，设备及输送管道多为不锈钢和塑料材质，贮存池内壁衬有瓷砖，对厂房和操作人员卫生要求也较高。

　　3.制浆制浆是生产纸浆模塑制品的第一道工序。制浆工序包括：用水力碎浆机把浆板碎解成纤维浆料，将碎解的纤维浆料进行筛选、除砂净化处理，再通过磨浆机将纤维适当分丝帚化，以提高纤维间的结合力。

　　在制浆工序中，严格控制各种浆料的打浆度对后面工序的产品成型及产品质量至关重要。

　　打浆度太高，在产品真空吸附成型时，将产生滤水困难，经烘道干燥后，产品将产生较大收缩变形（模内干燥除外）。

　　若打浆度过低，则产品的结合强度低，产品的挺度和抗压强度将大大降低，会影响产品的使用性能。所以应根据所选用的浆料、浆料的比例关系、以及需要打浆的量的多少来确定相应的打浆度。

　　纸浆模塑制品制浆工序所用设备主要有水力碎浆机、纤维疏解除砂机、锥形除砂器、打浆机（或磨浆机）和浆池等造纸行业通用设备。对于比较简陋和规模较小的生产流程，仅用水力碎浆机和浆池也能满足其一般生产要求。

　　4.配浆配浆是在净化、处理好的浆料内添加填料、颜料、以及防水防油等功能性助剂，调配成适合产品质量要求的浆料，有时还要控制纸浆浓度。为确保生产过程连续进行和产品的匀度，必须控制好贮浆池和配浆池内液面高度，定时定量地加填料、水和配料。

　　目前，纸浆模塑制品所使用的防水剂主要是松香、硫酸铁和阳离子淀粉，松香和阳离子淀粉附着在纸纤维离子的表面，加强了离子间的粘合作用。

　　5.成型纸浆模塑制品主要采用真空吸附成型法，成型就是将制备好的纤维浆料在附有金属网的模具上经真空吸附成型（产品的形状），并脱去大量的水。根据模具上浆的方式又可分为注浆式和吸浆式两大类，注浆式成型机最早用于生产纸浆模塑餐具，而吸浆式成型机则是今后纸浆模塑包装容器成型设备的发展方向。

　　工作程序为：凸模下移到浆池→抽真空吸浆→凸模上移→凸凹模闭合增压脱水→凹模移送坯料上移并吹气→脱模。

　　成型原理为：浆料盛在浆池内，将网模固定在凹模上。通过浆槽里浆料的流动及凹模在浆池里的上下移动来搅动浆料，使浆料均匀。当凹模下移到浆池液面下时，通过真空抽吸，使浆料沉积在网模上，然后移出浆池与凸模闭合，经增压脱水得到干度较高的坯料。

　　在成型的过程中通过控制吸浆的时间可以控制模塑产品的厚度。由于真空吸附在每一个方向上的强度是相同的，所以得到的纸浆模塑制品的厚度在理论上应该是均匀的。

　　然而，在吸浆过程中，由于浆料的流速和重力等原因，可能会出现模塑产品厚度不均匀的现象。

　　6.定型定型是指湿纸坯成型之后直接进行加热、加压和脱水的过程。通过定型使湿纸坯在模具内烘干定型。用定型模具加工出来的制品表面光滑美观、尺寸准确、坚实、刚性好。纸浆模塑一次性快餐用具就是采用这种模具制造的。

　　在工业品内包装过程中，一些细小、精密、数量大的小型物品采用多层堆叠的方式包装，每层之间用来定位的包装制品，如果采用纸浆模塑制品就需要定型模具来制造。而一般的工业包装制品都是单面工作不用定型，湿纸坯直接进入烘干机烘干即可。

　　7.整型由于纤维层的过滤阻力作用，经真空吸附成型的纸浆模塑湿坯的干度通常只能达到20％～30％，湿坯只有加热干燥后才能使最后产品满足要求，一般纸浆模塑制品最终干度要达到90％以上。

　　由于湿纸坯经过烘干或晾干会发生不同程度的变形，所以当产品外观、形状及精度要求高时就必须整型。纸模制品整型前的含水量在20％～30％，但在生产应用中纸模制品的含水量很难准确控制。水分过高则整型过程耗能高、耗时长，水分过低时整型将变得十分困难。

　　在整型的过程中，一般的热压温度控制在150～180℃之间，可以根据产品的大小进行适度的调节，但是热压温度不能小于135℃。

　　8.辅助工艺辅助工序主要包括整型切边、灭菌和产品包装、检验等。整型与切边是对干燥后的制品进行外形校正、压光、清除模网成型留下的网痕，使内外表面平整光滑，并可根据不同的客户和使用要求压上一些文字和图案，同时切除产品边缘的毛刺，压上便于盒盖折叠开启的压痕等。

　　灭菌处理是食品包装容器（如蛋托）等区别于普通纸浆模塑制品制作的工艺之一。目前成品灭菌处理的方法主要有三种：一是采用隧道式臭氧杀菌机，对成品进行最终杀菌；二是用紫外光照射成品灭菌；三是采用高温烘道灭菌。

　　经干燥或整型的制品经质量检验后，进行收集整理、堆叠、计数，并按要求的数量进行包装，从而完成整个纸浆模塑制品的生产过程。纸浆模塑制品的生产，经成型干燥后，毛边较多，外观不整齐、美观，有时还需要切边，以保证产品外观整齐、美观。

　　1.纸模制品的结构特点传统的聚乙烯发泡塑料主要是依靠材料的弹性模量来起到抗震缓冲作用的，而纸浆模制品则主要是依靠自身的结构抗震。因此，纸浆模制品的结构设计是非常重要的。

　　纸浆模塑制品具备一般纸制品具有的强度，挺度和韧性等性能。可以根据使用功能要求制成各种复杂形状的制品。用作一次性快餐用具时，形状比较简单，强度要求也不高。

　　用作工业内包装时，其形状就很复杂，必须满足工业内包装的三大要求：一是定位要求，纸模制品必须保证被装物品在包装箱内有固定位置，要求纸模制品与被包装物品之间形状吻合，接触贴切，尺寸准确。

　　二是缓冲要求，纸模制品整体要有一定的韧性和柔性，表面还应有些松软，与被包装物品接触摩擦时不会损伤被包装物品的光泽表面，并能消除包装件在运输和装卸过程中受到冲击和振动的影响。

　　2.纸模制品的结构设计纸浆模塑制品作为一种新型材料应用于缓冲包装的时间较短。目前，其结构设计还处于经验设计阶段，纸浆模制品的设计要根据被包装产品的外型尺寸，外集装箱的尺寸来进行合理确定。

　　纸浆模塑制品在每一个侧面都必须考虑其减震效果，因此用凸台来达到缓冲目的，使它在每个面上的截面线都为折线，以提高纸模的强度。纸模的强度和其缓冲性能成反比的关系，加入的凸台筋越多，其强度越大，但同时其缓冲性能下降。

　　纸浆模制品存在着一个光面（与成型模具表面贴合的面）和一个毛面，光面的形状和尺寸要与被包装产品的外表面相吻合；而毛面要能够在产品的外包装（如纸箱等）中实施良好的支撑和固定。

　　纸浆模制品采用的是真空吸附成型工艺，其绝对厚度和各部位厚度差均受到成型条件的限制。一般情况下，纸浆模制品的绝对厚度在2～5mm，这就要求我们要通过在合适部位上设置空腔来保证其整体的动态缓冲性能，并设置一定数量的加强筋来保证自身的整体强度，纸浆模制品的各部位厚度虽然可以通过调整成型模具相应部位的开孔率来控制，但过大的厚度差在成型和干燥过程中难以保证纸浆模制品的质量。成型时，湿纸模毛坯的干度约在10％左右，这时的浆料仍具有一定的流动性，易产生沿垂直方向上的纤维流动，造成局部的纤维絮聚现象，影响成型质量，尤其是对于垂直方向尺寸较大的纸浆模制品，此种情况更为严重。因而在纸浆模制品的垂直方向要设计一定的斜度，此斜度也有利于湿纸模毛坯的脱模。一般情况下，其斜度设计为2o～5o。在纸浆模制品的表面拐角处，要避免直角或锐角相接，否则，在此处容易产生应力集中现象，合理的处理方法是采用圆角过渡。

　　在纸浆模塑制品的结构设计中还应适当考虑边缘结构，纸模制品的边缘结构有无边结构、翻边结构和二重边结构等。无边结构适用于重量轻，强度要求不高的一次性餐具和一些工业内包装制品；翻边结构和二重边结构多适用于工业内包装制品，可以起到提高纸模制品整体强度、缓冲性能和美化制品外观的作用。

　　三、纸浆模塑制品的模具设计纸浆模塑制品的模具设计，是整个生产工艺中的关键

　　首先必须同时满足纸浆模塑制品的结构要求和以上成型工艺条件（即纸浆模塑对成型模具、脱水和干燥工艺的影响），其次必须符合模具设计和制造的要求。

　　纸模制品的成型工艺主要有真空吸附成型法和注浆成型法，真空吸附成型法是纸浆模塑制品生产中最常用的一种成型方法，在这种工艺中，最终的纸浆模塑制品要经过多次进出模具才能成为合格产品。纸浆模塑成型使用的模具包括吸附成型模具、整型模具和模切模具等。

　　1.吸附成型模具吸附成型模具结构由凸模、凹模、网模、模座、模具背腔和气室等组成，其中网模是模具主体。由于网模是由直径0.15mm丝网（金属或塑料）编织而成，网目数一般在40～65目之间。自身不能独立于成型模具，必须依附在模具表面才能成型。模具背腔是与模具工作面保持一定厚度、并与模具工作面形状完全同步的模具，背面部位与模具座之间形成的空腔即凸、凹模是一个具有一定壁厚的壳体。模具工作面与背腔之间由均布的小孔联通。模具通过模座安装在成型机的模板上。模板的另一面安装有气室，气室与背腔相通，气室壁上设有两个通压缩空气或抽真空的通道。

　　纸浆通过碎浆后成型是通过成型模具使碎浆吸附于上凸模具上，产品的厚度主要通过调节吸附时间来控制。厚度通常为2～5mm，根据纸模产品的大小和强度要求确定其厚度。

　　①吸附成型模具的尺寸确定吸附成型模具的预留量是模具设计的关键。模塑制品从湿纸坯到成品，由于水的排除而发生收缩，并且同一个制品的不同位置收缩率不相同，又没有规律，致使制品在成型过程中发生多向、多变的收缩变化，给模具设计确定预留量造成困难，这点主要是通过经验得到。热压模具的尺寸主要通过整型模具的尺寸来确定。

　　②模具的材料选择吸附成型模具目前采用原子灰、固化剂、树脂和铝合金制造。用于精度要求不高的工业内包装制品时可以直接采用铸造法制造，精度要求高的则必须用机械切削加工法制造。成型模具的下凸模具主要由铝合金经过加工制造而成，上凹模具则可以利用树脂直接从对应的下凸模具翻倒浇注出来，以保证其制造精度。

　　2.定型模具定型模具结构包括凸模、凹模、网模和加热元件。附有网模的凸模或凹模上设有排水排气孔，工作时湿纸坯在定型模内首先受到挤压，有20％的水份被压榨排出，此时湿纸坯内含水量有50％～55％，然后湿纸坯在模内受热，余下来的水份被加热汽化排除，湿纸坯被压榨烘干定型成为纸模制品。

　　在使用定型模具对湿纸坯进行压榨烘干过程中，定型模具中的网模会使制品表面产生网痕而且网模在频繁挤压中会很快变形甚至破损。为了解决这个问题，一种新型的无网模具已经研制成功。无网定型模具的寿命是一般网模的10倍，并且成本降低50％，用其制造出来的纸模制品精度高，内外表面光滑无网痕。

　　3.热压整型模具湿纸坯经过烘干后会发生不同程度的变形，当对纸模制品外表面形状要求精度高时，纸模制品要经过一道整型工序，整型过程使用的模具称为整型模具，这种模具也需要有加热元件，但可以没有网模。

　　整型模具下凸模的尺寸根据被包装产品外形尺寸得到，整型模具下凸模具的尺寸即为产品的外形尺寸，上凹模具的尺寸即为下凸模具尺寸与纸塑产品的厚度之和。

　　4.模切模具根据企业和产品的需要决定是否需要进行模切，模切模具的刀具用合金钢材料，模具体采用普通的碳钢材料。

　　由于成型模具设计和制造精度的偏差、模具使用后磨损等原因，纸模制品的边缘往往参差不齐。为了使制品整洁美观，外观要求较高的纸模制品都设有切边工序。模切模具就是用于修整纸模制品毛边的模具。然而，纸模制品的切边工艺是不合理的，它浪费资源，增加制品成本，还破坏了制品的边缘纤维结构。目前，高精度模具已被开发出来，使用这种模具生产的制品无需切边工序。

　　①纸浆模塑包装制品的原材料是废纸及各种纤维类材料，来源广泛且容易收集，不会对环境和回收造成障碍，有利于产品出口。而发泡塑料来源于石油产品，资源枯竭与价格问题会越来越严重。

　　②纸浆模塑包装制品适用范围广泛，现使用泡沫作为内衬的产品基本上都可以用纸浆模塑制品来代替。纸浆模塑制品可叠堆存放，比发泡塑料占的储存空间小1／2～2／5，运费及仓储费用较小。

　　③纸制品防静电性好，发泡塑料磨擦容易产生静电，这对电子产品和家电产品等起到较好的保护作用。

　　④塑料制品包装时食品水份不易挥发，易发霉腐烂，而纸制品有透水气性能，从而达到防腐效果。

　　①纸浆模塑制品的生产工艺本身弱点。纸浆模塑制品生产质量容易受到各种生产因素的影响，如：原材料若质量不稳定，产品烘干后缩水比率与原设计工艺不相符，打浆浆料配比不当会造成产品破损率高；同一套模具在不同型号成型机上生产，其产品之间有一定差别，致使整型工序时废品率上升；制作热压整型模具若表面不光洁，砂眼较多，或安装整型模具时，上下模具不平行，整型时摩擦现象严重，易擦碎产品。成型的湿产品烘干时湿度掌握不好，造成整型废品率高，若烘干产品变形过大，则影响整体质量。烘干后的产品若大量积压不及时运转，长时间风干导致产品含水率低，收缩过大，整型时废品率高。

　　②原材料还比较单一，急需开发新的原材料来源。纸浆模塑制品需要耗用大量天然林木资源，不利于生态平衡。

　　③纸浆模塑制品的生产设备先进性与自动化程度不够。纸浆模塑的设备先进性比起发泡塑料生产设备显得比较落后，如纸浆模塑的自动成型机来说，无论是它的生产效率还是设备的稳定性都比不上发泡塑料生产设备，整条生产线上各工序设备之间的衔接自动化程度较低。生产线对输送、操纵、调度、监测等人工依赖性还比较严重。

　　④纸浆模塑制品的成本性能比偏高。与发泡塑料制品比较起来，纸模制品成本居高不下，主要因为：原材料成本高，化学助剂成本高，自动化程度低。纸模包装制品为了达到防水防油目的，还需要涂塑或加入各种助剂，这必然增大回收处理难度和增加成本，也影响其固有的降解性能。

　　综上所述，纸浆模制品的生产原料来源广泛、生产工艺流程简单、生产设备投资小、能耗低。因此，纸浆模制品在产品的包装领域内有良好的发展前景，特别适用于造纸厂利用浆渣和纸箱厂、印刷厂等厂家综合利用废纸组织生产纸浆模制品的推广应用，对消除聚乙烯发泡塑料产生的白色污染和提高企业的经济效益，都将产生十分积极的影响。