纸浆模塑制品的研究趋势与发展现状展望

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20 世纪末用纸浆模塑制品代替发泡塑料的研究得到了极大重视,在二十多年的时间里相关生产工艺和产品性能得到了明显改进。产品的应用范围也从要求相对不高的农产品托盘、工业制品内包装,发展到精密仪器仪表、电子产品防损包装和一次性餐具生产等。在这个过程中相关研究工作的重心也从如何降低生产成本和拓展产品应用范围,转变到更深层次的助剂研发、纸浆及其模塑制品的物理、化学特性参数的测量以及加工工艺参数的设计等。

一、纸浆模塑制品的生产工艺及其特点

在 20 世纪中叶,由于用作装材料的纸箱以及报纸等纸制废品的量越来越大,人们开始考虑这些废弃纸制品的再利用,从而展开了使用其作为纸质模塑制品的原材料的研究。在美国这一生产技术的研究很快取得了成功,并且由于纸质模塑制品的加工设备和工艺相对简单,因此很快就在同样受到废纸处理问题困扰的国家和地区推广开来。

在过去大半个世纪的时间里,虽然面临生产成本更低的发泡塑料制品的竞争,但是纸质模塑制品在环保方面拥有无可比拟的巨大优势,在人们对环境问题的认识愈发深刻的情况下,纸质模塑制品的研究和生产得到了绝对的支持。

(一) 纸浆模塑制品的生产工艺简介

纸浆模塑制品的工艺原理十分简单,部分工序所用生产设备也大多与普通造纸厂无异,在原料处理和制浆过程中可以直接使用一般造纸设备。而模塑制品的重点工艺流程是产品的成型和定型,这两个流程对产品的性能和表观质量有决定作用。

其中成型工艺是将原料纸浆利用真空吸附到模具上,在这个过程中纸浆中的植物纤维等固体成分会均匀分布在模具表面,而部分水分会在真空吸附作用下通过模具滤网被挤压过滤,降低半成品的含水率,真空度等加工工艺参数决定了半成品的含水率。

定型工艺则是让模塑制品的结构和形状更加精确,并且确保产品在干燥过程中的变形得到控制,因此需要控制干燥过程中温度范围、持续时间以及升温、降温速度等。最后根据产品的同用途,需要对产品做进一步的整形处理,以满足对产品外观的特殊需要。

(二) 纸浆模塑制品及其生产工艺的特点

纸浆模塑制品和其生产工艺首先具有非常优越的环保特性,不仅可以利用回收的废弃纸制品或其他天然植物纤维作为原料,制成品本身还可以多次回收再利用或迅速自然降级。因此纸浆模塑制品的生产和使用对环境产生的影响非常小,而且还解决了废弃纸制品的处理问题。

加之使用其取代用量极大的难降解、生产过程存在污染的发泡模塑料制品,减少了人类活动对自然环境的损害。因此纸浆模塑制品的生产和应用契合了绿色制造理念,对减少环境污染意义重大。其次与传统的包装产品相比,纸浆模塑制品是依靠产品的外观结构特征达到防震、防冲击破坏作用的,而非发泡塑料之类的内部结构。因此在运输和堆放等方面也带来了很大方便,可以有效节省运输和仓储空间。

这不仅有助于提高应用纸浆模塑制品的企业的经济效益,还变相提高了工业生产的资源效益。最后纸浆模塑制品的生产工艺和设备相对简单,相关技术已经比较成熟,并且目前产品的市场需求一直在迅速增长,因此投资建厂成本不高且前景比较乐观。

二、目前纸浆模塑制品的相关研究方向

纸浆模塑制品的研究大体围绕降低生产成本、提高抗冲击等性能和改善产品表观质量进行,探索通过改变生产工艺流程、模具结构以及纸浆添加剂配方等途径达到这些目的。

(一) 通过优化模具设计提高产品性能和降低成本

模具是纸浆模塑制品生产的关键,通过改变模具的特性参数就可以得到不同结构、外形和几何尺寸的产品。通常企业会根据产品用途开发特定的模具和生产纸浆模塑制品,用作包装材料的产品通常由规则的结构单元组成,使用时可以将被包装物品放置于这些尺寸相匹配的结构单元中,避免物品之间发生接触并依靠纸浆模塑制品的结构,缓冲和吸收搬运过程中产生的震动和冲击能量。

因此纸浆模塑制品的结构形式和各个单元的具体形状、尺寸就非常重要,通过实验测试和研究产品的使用性能并研发新的模具,以便生产出性能可靠的产品满足新的市场需求,就成了企业技术研究部门非常重要的工作。此外通过优化模具设计,可以改变加工工艺参数实现节约能源和原材料,能够有效降低生产成本。例如通过改进模具设计降低成型后产品的含水率,就能够减少接下来干燥脱水过程的能耗。

(二) 使用不同功能的助剂改善产品性能

由于纸浆模塑制品的应用领域十分宽泛,因此对于产品性能的要求各有侧重。而这些相对特殊的要求需要通过改变纸浆助剂的配方实现。目前相关助剂主要有增强产品强度和抗冲击能力、提高产品防潮防霉性能以及让产品具有防水防油功能等几类,根据产品的不同使用场合通常需要选择不止一种助剂,才能生产出满足要求的产品。

在实际生产中需要解决的最关键的一个问题就是助剂的用量和比例,这是由于不同助剂的作用机理会产生相互影响,因此需要研究和控制纸浆浓度、助剂添加比例。目前纸浆模塑生产企业一般根据生产经验初步确定配方,并且通过实验进行验证决定最终的技术方案。所以还不能对助剂使用进行精确的量化控制,也没有形成行业的标准。

此外由于助剂大多是化工产品,因此助剂用量的控制对于保持纸浆模塑制品生产的环保性非常重要,而且对于一次性餐具制品的生产,还需要研究无毒和无味的助剂,这些都是目前纸浆模塑制品研究领域比较重要的课题。

(三) 优化生产工艺降低生产成本和提高纸浆模塑制品质量

纸浆模塑制品的工艺流程相对简单,但是其中干燥和固化成型存在较多技术性难点,对产品形状的精度控制和生产成本影响较大。因此近年来针对这一环节的研究较多。总体上的研究围绕着优化生产工艺展开。

首先是改变产品的各项工艺参数和具体流程,在半成品的固化成型过程中使用加热工艺,不再只依靠挤压成型和脱水,而是同时通过加热进一步促进半成品干燥和定型。提升了定型效果并简化了接下来的干燥工序,缩短干燥时间和降低这一工序的产品含水率变化幅度,从而避免发生明显变形并节省干燥过程的能耗,降低产品的综合生产成本。

其次是通过改进工艺设计生产出适应更高使用要求的产品,例如在相对精美的产品包装领域,纸浆模塑制品要想取代传统的塑料制品并得到认可,必须具有很高的表观质量和功能,满足产品包装的印刷需要和视觉美感要求。

目前相关领域已经有大量专利技术。比较成熟的技术有采用双层模塑工艺,在产品表层使用优质纸浆和添加特殊助剂,形成色泽和光洁度等俱佳的表层,而下层依然使用原有的材料和工艺,使用这一技术生产的纸浆模塑制品,基本可以满足电子产品等的内包装要求。

三、未来纸浆模塑制品的研究方向和相关技术的应用展望

对纸浆模塑制品各项物理性能和工艺性能参数进行精确测量,是设计和计算产品结构、形状以及生产工艺参数的基础,也是在现有基础上优化产品工艺流程和提高产品性价比的关键。目前这些研究是比较重要和受关注的课题,也是在未来一个时期相关科研和技术人员重点的研究方向。而计算机技术和材料技术的应用研究,会对纸浆模塑制品的未来产生最重要的影响。

(一) 利用计算机技术分析产品的性能与各项特性参数之间的关系

探索利用精确测定的特性参数实现工艺参数设计的量化计算,是大幅提高纸浆模塑制品设计生产能力的关键,而计算机技术则是利用这些参数进行具体的产品与工艺设计的基础。依据量化的参数来利用专业软件建模,通过对纸浆模塑产品进行模拟分析、计算产品工艺与使用性能和各项参数之间的关系,可以高效地完成纸浆模塑制品及其生产工艺的优化设计。并且通过积累研究数据建立产品的设计生产标准,会进一步规范这一行业的生产技术。

(二) 纸浆模塑复合材料的研究

随着纸浆模塑制品市场对产品质量的要求不断复杂化,单纯通过改进工艺和添加助剂已经不足以满足市场需求。而通过添加其他材料来改变纸浆配方和产品性能,将纳米材料或高强度的纤维材料添加到纸浆当中,从而生产出具有特殊性能的包装材料,也是未来的一个重要研究方向。

四、结束语

纸浆模塑制品产业目前已经有了十分成熟的生产技术,并且产品的性能、外观以及成本控制等方面都有了极大进步。而未来尝试应用计算机技术进行量化和全面的产品性能分析和工艺设计,必然可以提升产品性能、降低成本并精确地控制产品的生产过程,让纸浆模塑制品的应用范围更加广阔。

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