随着人们环境意识的增强，泡沫塑料制品越来越受到限制，泡沫塑料一次性快餐具已经禁止生产和销售，而用作工业内包装的泡沫塑料制品也成为我国商品迈出国门的一大障碍。“以纸代塑”已经列入我国包装行业“九五规划”，大力开发应用纸基材料（包括纸模制品）包装物正是包装工业落实“九五规划”的一个重点。

　　纸，作为包装材料历史已经很久远了，但是由于其没有可塑性和较小的延伸率，传统的纸制品都是采用折叠方式成形来适应包装需求，如各种瓦棱纸、蜂窝纸、纸箱、纸袋、纸筒等。纸浆模塑制品是纸质包装家族中的后起之秀，它源于造纸，并且有独自的优势和个性。纸浆模塑制品除了具有一般纸制品的强度和韧性之外，还可以根据要求制成各种形状来适应被包装物对包装的承载、定位和缓冲的要求，完全可以取代泡沫塑料进入包装行列。

　　顾名思义纸浆模塑是在纸浆状态下利用模具塑造纸制品，因此，研究模具将是纸浆模塑行业技术进步的关键。

　　一、纸浆模塑机理是模具设计基础

　　纸浆模塑也是纸，是一种成型纸，它的基料、助剂与纸相同，工艺也很接近。只不过传统的纸或纸板是在平网上成形的，而纸浆模塑制品是在网模上成形的。

　　纸浆是纸纤维在水中的一种悬浮液，当纸浆通过网模流过时，纸纤维被网模截留，水被滤掉，纸纤维按网模形状成形，纸纤维靠纤维间氢键结合形成湿纸坯。湿纸坯再经过烘干或热定型，最后成为纸浆模塑制品。这就是纸浆模塑制品成形的基本过程。

　　从湿部化学原理开始，借助表面化学和胶体化学研究纸纤维助留、助滤和脱水等成形机理与过程，从而使纸浆模塑模具设计更加完善和理性化。

　　湿部化学一词是造纸工业专用技术术语，是论述造纸浆料中的各组分，如纤维、水、填料、化学助剂等在成形网模中滤水、留着、成形以及白水循环过程中产生的相互间反应与作用的规律，以及影响成形机运行和制品质量的一门学科。

　　纸浆模塑浆料配料包括纤维、细小纤维、填料和化学助剂，生产中根据需要按一定比例混合。生产用水是另一种重要组分，各种配料都要悬浮在水中，在工艺的各阶段中水直接起作用，即溶解添加剂，水合和润胀纤维，还提供纸制品成形的化学反应的介质环境。

　　组成浆料组分，除了纤维以外，其余的组分颗粒直径均在胶体颗粒范围之内（即直径小于10μm），由于胶体颗粒具有很大的比表面积，所以这些组分具有很强的吸附能力，化学反应都发生在这些颗粒的表面，此外，湿部化学的反应与整个浆料疏水性胶体系统有关，因此，在湿部成形过程中发生的各种变化主要涉及到胶体化学和表面化学的反应。

　　湿部化学研究的目的是通过在浆料中施加填料和助剂来改善纸制品的成形过程和纸制品的质量。提高纸制品最终使用性能与质量为主的一类称为功能性助剂；另一类则以促进和改善成形过程为主，防止产生干扰和减少原料和能源消耗，称为过程助剂。

　　过程助剂有：助留剂、助滤剂、树脂控制剂、湿强剂、防腐剂和网模清洗剂等。功能性助剂有：干强剂、防水剂、防油剂、染料、增白剂、柔软剂等。助剂与填料是以水为桥（介质环境），以离子形式吸附在纤维和细小纤维表面来改善滤水性、留着性或增强纤维间的结合方式和强度。

　　湿部化学除研究助剂之外，更主要是研究纤维和细小纤维的化学特性，主要表现为吸附性能、润胀性能、离子交换性能。这些性能都受到纤维和细小纤维比表面积、表面电荷和表面化学组成的影响。

　　由于细小纤维的体积小，单位质量有很大的表面积，据Marton研究报告确定，细小纤维表面积是纤维的5～8倍，表面积强烈影响吸附。化学助剂主要是通过吸附过程起作用，所以细小纤维在湿部化学中起着主要作用，细小纤维吸附能力是纤维的2～3倍，细小纤维对滤水作用也起主要影响，细小纤维在配料中占有40～60%的量。因此，细小纤维的留着对浆料的有效作用是关键。

　　纸浆模塑行业目前还没有注意到湿部化学研究将直接影响模具设计和成形机操作的重要性，生产线中缺乏对湿部化学测量和控制手段，在模具设计和评价中更没有利用纤维留着率测定仪。

　　了解到纸浆模塑机理，掌握湿部化学的变化规律，调整化学助剂的加入点和加入量有利于成形机运行和便于模具设计。没有纸浆模塑理论指导，搞出来的模具设计是知其然而不知其所以然，这种模具设计不但很难生产出好的制品，更重要的会影响生产工艺，造成大量材料和能源浪费。

　　二、留着与模具关系

　　留着是抄造纸的术语，是浆料中的纤维被成形网模截留形成纸制品。其定义包涵两个内容：一是指送到成形机湿部的物料数量与热定形后的纸制品物料数量之比；二是单程留着是湿纸坯在热定形前所含物料数量与热定形后物料数量之比。

　　浆料中的细小组分是一种很细小的颗粒状物料，一般指能通过60目筛眼的部分为细小纤维（Jaycoc定义）。对某种浆种，细小纤维在配料中占有50%左右的量。所以研究留着实际上是针对这些组分。细小纤维的留着，最终是通过机械截留完成的。机械截留是指通过纤维沉淀在网模上形成垫的缝隙来抓住细小纤维。在开始时，由于成形网模的孔洞比纤维颗粒大得多，只有浆料中的长纤维部分被成形网模截留。大量细小纤维机械截留之前，纤维要形成一定的厚度的浆垫，更多的细小纤维才会在更密的浆垫上被截留。

　　从细小纤维定义来看，是能通过60目网孔的组分，而一般网模网孔都在40～65目，为了防止细小纤维大量流失，利用湿部化学方法使其浆料中产生胶体聚集。细小纤维的胶体聚集，是使细小纤维留着的主要方法。包括由纯细小纤维组分形成的絮凝物以及含有纤维的细小纤维组分絮凝物，在后者中，细小纤维吸附在纤维表面上，这些细小纤维随纤维截留在成形浆垫中。

　　留着使纸制品在结构上有两面性，浆料中的细小纤维组分分布在网模一边要比另外一边少得很多。有些纸餐具企业为了生产外表面光滑便于印制的纸制品，采用网模外吸附成形，使网痕留在制品内表面，这种方法生产出来的制品，防水、防油功能大大降低，为了获得同等功能就要加大助剂使用量，而增加成本。因此，在设计模具时要考虑到制品受力和使用情况来选择模具工作面。

　　为了保证网模有足够的通过能力而提高生产率，网模的网孔就不能选择得太小，而网孔大了之后，大量的细小纤维又会白白跑掉。为了解决这一矛盾，在网模设计时要选择足够大的网孔，在浆料中利用助留剂使之细小纤维发生胶体聚集从而提高网模的截留能力。胶体聚集是寻求促进细小纤维间的絮凝，希望减少纯纤维间的絮凝。为了使纸制品均匀和提高留着率，最理想状态是使大多数的细小纤维组分能粘附在纤维上，这样只有在湿部网模前添入助留剂。

　　使用了助留剂，从而可以在同等留着率情况下加大了与网模网孔而提高生产率。助留剂品种的选择又与网模的编织方法、网孔的几何形状、网模材质和网丝直径有着密切关系。

　　三、纸浆模塑模具特征

　　纸浆模塑是利用模具在纸浆状态塑造纸制品。那么，模具将是纸浆模塑技术的关键。

　　利用纸浆模塑生产一次性快餐具，由于制品只有盒，碗和盘子，形状比较简单，而且制品有一定的通用性，纸浆模塑用在工业内包装上和其它方面时，制品都比较大，形状非常复杂，而且一款一式都是“对号入座”，没有通用性，模具设计制造就要伴随始终。

　　纸浆模塑制品成形时与在模腔内成形的橡胶和塑料制品大不相同，纸浆模塑制品成形时使用的浆料是一种只含百分之一纸纤维的水溶液，百分之一的纸纤维用来成形，同时还必须保证百分之九十九的水流掉，这样纸浆模塑制品成形模具必须是网模。

　　纸浆模塑制品成形时是个将浆料中大量的水排掉的连续过程，纸制品在网模上厚度形成有个沉积过程，这样制品成形必须是在单一的凸或凹的网模的表面上成形；纸浆模塑制品成形过程是一种过滤过程，随着厚度增加而过滤性能降低，厚度形成速度降低，所以制品形成时各处壁厚是在同步进行的，不管制品形状如何复杂，其各处壁厚都是一致的。纸浆模塑制品成形之后是个含水量在70～75%的湿纸坯，因为使浆料推向网模滤过时的动力是真空度，最大的力量不超过一个大气压。

　　含水量在70～75%的湿纸坯，水在其中存在形式有三种：自由水，是湿纸坯内的毛细孔和空隙中的水，当重力或压力（真空度）施加于湿纸坯时，它可以不受阻力在湿纸坯中相对流动；吸附水，是水和纤维、半纤维素以及其它组分通过氢键作用而固定在纤维表面上的水；结合水，水被结合在纤维的结晶结构中，各种脱水方式对其是不起作用的，这部分水在3%在下。

　　初成形的湿纸坯吸附在网模上，湿强度很低，必须靠另外一个与之对应的凸或凹模合模之后，使湿纸坯置于合模后的模腔内，用气压使之转移，纸浆模塑制品是在单一的凸或凹模上成形，又在合模后的模腔内转移。

　　由于纸浆模塑成形的这些特殊性，增大了制品设计和模具设计的难度。

　　四、纸浆模塑制品设计

　　纸浆模塑制品设计不仅仅是结构上的设计，纸浆模塑的好多性能是由原材料、助剂、填料和生产工艺所决定的。因此，纸浆模塑制品设计是一项机理、工艺和结构综合性技术。

　　1、制品的性能指标及其概念

　　纸浆模塑在我国还是项新技术，目前没有颁布标准，根据几年来的生产使用实践，将其性能归纳综合如下：

　　（1）厚度：利用厚度仪直接测得的尺寸，数值以毫米表示。因为纸制品本身比较松软，在测量厚度时，是在一定压力和一定面积下测量换算得出数值；

　　（2）紧度：指每立方厘米体积的质量，单位是：克/厘米3 ；

　　（3）抗拉强度：抗拉强度是指纸浆模塑制品试样所能承受的最大张力，可用单位断面的抗张力表示，单位：千克/厘米2 ；

　　（4）耐破度：指纸浆模塑制品在单位面积上所能承受的均匀增长的最大压力，以千克/厘米2 表示；

　　（5）撕裂度：指裂断予先有切口的试样至一定长度所需要的力，以克表示；

　　（6）耐折度：耐折度是指制品在一定张力下所能经受180°的往复折迭的次数，以“次”表示；

　　（7）伸长率：指制品试样受张力拉伸时，会顺着力的方向伸长，当拉断时，伸长到极限，其伸长的长度与原来的长度的比，以百分数表示；

　　（8）透气度：指在一定面积、一定真空度下每分钟透过的空气量，以毫升表示；

　　（9）挺度：在一定宽度和厚度下试样弯曲到与垂直成75°夹角时所需弯矩，以克·厘米表示；

　　（10）吸附性：纸浆模塑制品的憎液性能，包括对水、油、油墨等液体的吸收性能；

　　（11）光学性能：纸浆模塑制品的光学性能包括亮度、白度、光泽度。这些指标是指在受光照射后全面反射的能力；

　　（12）制品外观质量：制品外观用肉眼可以观查到的缺陷，这些缺陷包括：尘埃、孔洞、邹折、筋道、网印、斑点、浆疙瘩、鱼鳞斑、裂口、卷边、凹陷、色泽不一致等；

　　（13）制品精度：是指制品的尺寸、形状和位置与设计要求之间的误差。纸浆模塑制品精度按目前的制造方法，只能达到国家标准10级以下。

　　2、制品结构设计要素

　　纸浆模塑制品除了有纸制品的强度和韧性之外，还可以根据使用功能要求制造成各种复杂形状。用作一次性快餐具时形状有盒、碗和盘之类，形状比较简单，强度要求也不算高。用作工业内包装时，其形状就很复杂，它必须满足工业内包装的三大要求：一是定位要求，包装制品必须能保证被包装物品在包装箱内有固定位置，要求包装制品与被包装物品之间形状同步，接触贴切，尺寸准确；二是缓冲要求，制品整体要有一定的韧性和柔性，表面还应该有些松软，与被包装物品接触摩擦时不能损伤被包装物品表面光泽，能消除包装物品在搬运中受到碰撞，振动时产生的冲击；三是承载，要求制品有一定的强度和刚性来支撑被包装物。

　　为了满足制品上述功能要求，除了选择适当的原材料，助剂和生产工艺之外，更重要的是结构设计。

　　（1）功能性结构

　　由于纸浆模塑制品成形工艺特点决定了同一个制品只能有一个厚度，为了适应功能要求，在调整强度和缓冲性时利用形腔和立筋，形腔可以增加制品整体的弹性和柔性，立筋可增加制品强度和刚性。在比较大的平面，承载能力要求高时，可以将此处设计成瓦棱形或蜂窝形。

　　（2）工艺性结构

　　由于纸浆模塑制品成形初期是个湿纸坯，在生产工艺过程中，水要逐步析出，制品形状、位置和尺寸都发生较大变化，在制品的同一个平面，同一个方向的不同位置制品的收缩总量不同，这时制品就要发生翘曲或扭转变形。为了调整这种变形只有采取结构形状进行平衡。这种用来调整收缩变形的结构形状称作制品的工艺性结构。

　　（3）与结构相关的参数确定原则

　　脱模斜度。纸浆模塑制品在成形过程中，湿纸坯是紧扣在模具上，而且纸纤维还会镶嵌在网模的网孔中，为了便于使湿纸坯转移，与脱模方向平行的制品表面都应该有个合理的脱模斜度。斜度过小则脱模困难，会造成制品表面拉痕或破裂；斜度过大将降低制品尺寸精度，影响包装功能。

　　制品壁厚。根据使用条件和浆料种类来确定制品壁厚，壁厚是影响制品强度的重要因素。制品壁厚的增加不单纯是增加原材料，在吸附成形时壁厚决定了生产效率，增加壁厚还会增加烘干能耗，同时增加壁厚还会使制品产生凹陷、缩孔和夹心等质量缺陷。所以在满足制品强度情况下尽量降低壁厚。在采用吸附成形时壁厚范围在0.5～6mm之间，在采用压制成形时壁厚在3～20mm之间。

　　过渡圆角。纸浆模塑制品的内外表面转角处、立筋与主体联接处和立筋的终端都必须用圆角过渡，避免直棱直角。圆角过渡有利于模具制造和附网；有利于湿纸坯转移时脱模；有利于浆料在吸附成形时的流动。

　　五、纸浆模塑模具设计

　　模具设计必须满足纸浆模塑制品结构要求，而且纸浆模塑制品结构在符合使用和成形工艺条件的同时，也要符合模具设计和制造的要求。因此，设计纸浆模塑模具之前，必须充分分析和研究纸浆模塑制品的结构，以便使制品设计和模具设计两者的经济合理性、技术可能性相互协调和统一。

　　1、 纸浆模塑模具种类

　　纸浆模塑制品成形过程中要经过多次进入模具才能最后完成制品制造过程，前面讲过纸浆模塑制品是在单一的凸或凹模上成形，成形之后又必须在凸凹模合模之后的模腔中转移，转移到定型模具的湿纸坯是在定形模具中加压、加热后成形。因此，纸浆模塑模具种类分为：成形模具、定形模具、整形模具和模切模具等。其中成形工艺有两类，一类是吸附成形，另一类是压制成形，压制成形模具有些类似橡胶塑料模具，吸附成形模具较为特殊和复杂。

　　（1）吸附成形模具：吸附成形模具结构由凸模、凹模、网模、模具座、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丝线（金属或塑料）编织成，自身不能独立成形，必须依附在模具表面才能工作。模具背腔是与模具工作面保持一定厚度，形状完全同步的模具背面部位相对模具座组成的空腔，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。模具通过模具座安装在成形机的模板上，模板的另一面安装有气室，气室与背腔相通，同时其上还有两个通压缩空气和真空的通道。

　　吸附成形模具的予留量：吸附成形模具的予留量是模具设计的关键。纸浆模塑制品从湿纸坯到完成制品，由于水的析出而发生收缩。同一个制品的不同位置收缩率不相同又没有规律，致使制品在成形过程中发生多向、多变的收缩变化，给模具设计时确定予留量造成困难，好在目前包装业对纸浆模塑制品制造精度要求的不算高，用经验设计法还可以满足要求。

　　为了获得更高的制品制造精度，完善模具设计方法，笔者通过长时间测试和理论推导总结确定了一项具有普遍使用价值，精度很高的模具予留量计算式。（由于可以理解的原因，不能公布）这个计算式除了受结构、形状约束之外，还加进了浆料种类，成形条件和烘干方式的系数，所以这个计算式既有理论依据，又有经验系数，是个很有价值的计算式。

　　（2）纸浆模塑定形模具：定形模具是在湿纸坯成形之后直接进入具有加热、加压和脱水功能的模具。

　　定形模具是用来使湿坯在模内烘干定形，用定形模具制造出来的制品表面光滑、尺寸准确、坚实、刚性好。一次性快餐具都是采用这种模具制造的。

　　在工业内包装上，一些细小、精密、数量大的小型物品都采用一层层堆叠起来方式包装，每层之间用来包装定位的包装制品，如果采用纸浆模塑制品就需要用定形模具来制造。而一般的工业内包装制品都是单面工作，不用热定形，直接烘干即可。

　　定形模具结构包括凸模、凹模、网模和加热元件，附有网模的凸或凹模上有排水排气孔，工作时湿纸坯在定形模内首先受到挤压有20%水被压榨排出，此时湿纸坯内含水为55～50%，遂之湿纸坯在模内受热，余下来的水被气化排除，湿纸坯被压榨烘干定形后形成制品。

　　定形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破损。为了解决这个问题，笔者设计了一种无网模，这种无网模是采用铜基球状粉沫冶金制造。在推广初期有些问题，二年来经过多次结构改进和选择适当的粉沫粒度，制造出来的无网定形模具寿命是网模的10倍，成本降低50%，制造出来的纸制品精度高，内、外表面光滑。

　　（3）纸浆模塑整形模具

　　湿纸坯经过烘干后要发生变形，有的部位变形严重，或者对制品外表形状要求精度高时，制品要经过一道整形工序，使用的模具称整形模具。这种模具也需要有加热元件，但是没有网模也可以。

　　需要整形的制品在烘干时要保留30～25%的含水量，便于整形。在生产实践中由于含水量不易控制，使制品难以达到质量要求。笔者设计一种喷雾整形模具，在模具上对应需要整形部位制造出喷雾孔。工作时制品是经过彻底烘干后放进整形模具内，合模同时模具上喷雾孔对制品喷雾热压，这种模具与制衣行业的喷雾熨斗有些相似。

　　（4）模切模具

　　模切模具是用来修整制品毛边，亦称切边模。

　　2、 纸浆模塑模具材料

　　模切模具除了其中的刀具之外都是采用普通碳钢制造；定型模具和整形模具一般都是采用黄铜、铝合金和不锈钢制造。

　　成形模具目前采用黄铜、铝合金和树脂制造。用在工业内包装制品上精度不高时可以直接采用铸造法制造，精度要求高的必须采用机械切削加工法制造。成形模具中的转移模最好采用树脂直接从对应的凸模或凹模上翻倒制造出来，精度高。如果有纸质样品，可采用一种低熔点合金利用样品作母模直接翻倒模具。

　　网模是纸浆模塑模具中的关键性模具，是直接影响制品质量和生产效率的重要一环。

　　网模用网有金属网和塑料网，金属网又分黄铜网、不锈钢网和镀铬网、网丝直径在0.15-0.25mm之间；按网的编织方法分为：单径网、三径网、捻织网和双层织网等，网孔几何形状有正方孔、长方孔和六边形孔，网目一般在40-65目之间。

　　模具过渡材料。过渡材料是用来制造初造形的母模或在样品上翻倒制模所用材料。过渡材料有：木材、型砂、石蜡、硅橡胶、石膏、树脂等。

　　六、模具技术进步使纸浆模塑大有用武之地

　　笔者正在构思一种能连续运转的成形模具，一种新型纸模连续抄造机，可以生产出一种一次成形的蜂窝纸板。这种一次成形的蜂窝纸板除了可以用作包装材料之外，另一个更大的用处是可以用来生产播种纸。

　　一种有规律的凹槽纸板（蜂窝纸）在另外一台可以称作“室内台式播种机”上，在纸板的凹槽内播种上植物种子、化肥和除草剂，同时用另外一种纸复合好，制造出一种有一定幅宽的播种纸，这种播种纸使用前分切成纸条，将这种纸条按垅埋进土壤中，对其进行定期适量喷水，水透过土壤浸湿了播种纸，水溶解化肥和除草剂使其渗入土壤，种子有了水分开始萌芽，幼芽穿透浸湿了的播种纸破土而出，剩下的播种纸降解在土壤中成为肥料。将播种纸埋进土壤之后，就只剩下等着收获了。

　　纸浆模塑技术是古老的造纸业的新生儿，而纸浆模塑模具恰是这个新生儿的灵魂。