降低纸浆模塑产品热成型周期的方法与流程

本发明涉及纸浆模塑工艺技术领域，特别涉及一种降低纸浆模塑产品热成型周期的方法。

背景技术：

随着包装行业对纸塑包装的需求增加，为了适应纸塑产品量产的需求，提高纸塑成型效率，降低产品的成型周期，是十分有必要的。目前纸塑成型技术仍处在发展初期，纸塑产品成型周期中，热压消耗时间最长，降低纸塑热成型周期还有很大的提升空间。

在纸浆模塑产品的热压工序中，预成型的湿胚被转移至热压下模，热压下模通过真空抽气吸附产品，并持续至热压上下模合模阶段。此时胚体含有大量水分，热压上模与热压下模加热并合模维持一段时间，被夹在上下模之间的湿胚被加热干燥，同时，通过上下模上的气孔抽气，及时排出水蒸汽，干燥产品。由于产品本身并不是一个平面而是有深度的，因此模具表面结构也有高地面之分(相较于模具底部)。而模具的加热是由模具底部的加热板通电产热，再由金属模具本体进行热传导，使得产品接触面温度升高，烘干湿胚。现有的热压模具，由于产品接触面距离加热源距离不同，存在加热不均匀的问题。距离模具底部加热板较远的区域，热传导效应反应较慢，温度升高相对低高度区域有延迟，这导致产品受热不均匀，完全干燥所消耗的时间受低温区域影响较大，拖慢整体的加热周期。

现有的热压模具表面分布着大量的气孔，热压时，含有大量水分的湿胚受热，内部水分剧烈蒸发形成气态的水蒸汽。为了避免成型后产品降温取出时水蒸汽在产品表面凝结成液态水，这部分水蒸汽必须尽快排出。现有的方式是让受热的水蒸汽直接通过热压模具上的气孔直接导出，因此气孔是热压环节必要的存在，但是其存在会影响热压效率，因为气孔的排气过程会直接带走模具表面的热量，使热模表面温度迅速下降，影响排气后产品的受热干燥。

为了方便真空排气，在模具底部会有连接槽将气孔连通，将水蒸汽导向排气管。但这种槽型结构会破坏模具底部表面的完整性，使得模具与加热板接触的面积较小，尤其是在开槽的区域，热量要先通过其中的空气在传到模具，严重影响热量从热源到模具的传递。

现有成型生产工艺有持续真空阶段，抽真空可以使湿胚更紧密的贴在模具上，便于成型，同时也可以将多余的水蒸汽抽走。但抽真空对热量的影响非常巨大。经过试验表明，热压下模升温至平衡温度后，在开启真空的30s内，温度即断崖式下跌至100℃以下(未合模状态)。而在实际生产中，模具温度和热压质量息息相关，由于持续抽真空造成的模具温度下降则势必会引起热压质量和热压效率的降低。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种降低纸浆模塑产品热成型周期的方法，包括以下步骤：

s100在壁厚超过其他位置壁厚的纸塑模具区域添加热超导材料，使得纸塑模具内部的纸浆受热均匀；

s200在减少纸塑模具的气孔数量基础上，采用cae模拟技术，构建纸塑模具的热压模型，通过热压模型分析，辅助优化气孔排布位置，以气孔排布位置优化后的纸塑模具用于纸浆模塑产品热成型工艺；

s300在纸浆模塑产品热成型过程中，采用间歇式抽真空方式进行水蒸汽的抽排。

可选的，在s100步骤中，所述热超导材料按照质量百分比包括二元醇和/或三元醇50～60％、至少含有两个羧基的有机物0.1～0.5％、含氮杂环有机物0.1～0.5％、含甲基的醇胺化合物0.1～0.5％，余量为水；

所述二元醇为乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丁二醇、戊二醇中的一种或多种的混合；

所述三元醇为丙三醇、丁三醇、2，2-二羟甲基丁醇、2-羟甲基-2-甲基-1，3-丙二醇中的一种或多种的混合；

所述至少含有两个羧基的有机物为癸二酸、柠檬酸、乙二酸、三元聚羧酸、乙二胺四乙酸四钠中的一种或多种的混合；

所述含氮杂环有机物为苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑、苯并咪唑、苯并噻唑中的一种或多种的混合；

所述含甲基的醇胺化合物为n，n-二甲基乙醇胺、n-甲基二乙醇胺、n，n-二甲基异丙醇胺、n-甲基一乙醇胺中的一种或多种的混合。

可选的，在200步骤中，在热压模型分析过程中，进行纸塑模具样品试验检测，将检测数据与热压模型的cae模拟情况进行拟合，修正热压模型中的气孔排布位置，至热压模型中各点的最大温差不超过预设的温差阈值，采用修正后的气孔排布位置制作的纸塑模具用于纸浆模塑产品热成型工艺。

可选的，在300步骤中，所述间歇式抽真空方式为：以设定时间为周期，将每个周期划分成第一时段和第二时段；其中第一时段用于抽吸设备进行水蒸汽的抽排，而第二时段停止抽吸设备。

可选的，所述设定时间为40秒，所述第一时段和第二时段都为20秒。

可选的，所述纸塑模具在添加热超导材料的区域设有密闭腔体，所述热超导材料填充在密闭腔体，热超导材料在下方热源处被加热由液态变为气态，气态高温热超导材料上升到顶部，通过顶壁对纸浆进行加热，然后热超导材料被冷却变回液态，在液态热超导材料重力作用下回落到下方；

采用以下公式计算所述热超导材料的最小添加质量：

上式中，mmin表示热超导材料的最小添加质量；λ表示纸塑模具的传热系数；a表示添加热超导材料的面积；t1表示纸塑模具加热侧壁厚最小处的外表面温度；t2表示纸塑模具加热侧壁厚最小处的内表面温度；q表示热超导材料的气化潜热；δmin表示纸塑模具加热侧的最小壁厚。

可选的，在纸浆模塑产品热成型过程中，热压温度控制为140-180℃。

可选的，在纸浆模塑产品热成型过程中，采用电加热板作为热源，所述电加热板和纸塑模具的一侧紧密接触，在电加热板和纸塑模具两者外围采用保温材料进行隔热；所述电加热板的最小功率采用以下公式计算确定：

上式中，qmin表示电加热板的最小功率；m水表示每次放入纸塑模具中纸浆的含水量；q水表示水的气化潜热；c表示水的比热；t汽表示水蒸汽的温度；表示；t0表示放入纸塑模具中纸浆的初始温度；t表示每次纸浆模塑产品的热成型时长。

可选的，所述纸塑模具包括热压下模和热压上模，所述热压下模和热压上模的相互背离面者设置加热装置进行加热，所述加热装置采用电加热板。

可选的，在纸浆模塑产品热成型过程中，当干燥使得成型纸的质量含水不超过3％时，认为达到干燥要求，进行成型纸出模，出模时，打开纸塑模具后立即采用氮气吹成型纸表面进行冷却。

本发明通过在温度提升较慢的区域增加超导材料，加快低温区的导热效率，尽快地促进低温区温度的升高，缩短整体加热时间(模具表面的全局温度达到热压标准温度的时间)。适当减少模具气孔，以减少由于气孔排气所造成的热量损失。在减少气孔后，为了不影响模具的排气功能，需要相应地增设气孔间的气道，通过气道连接各个气孔，增加水蒸汽排出可通过的路径宽度，辅助剩余气孔顺利排出水蒸汽。改进模具底部结构，将原来的槽型结构进行修改，增加模具底部与加热板接触面积。修改机器运行程序，将持续真空改为可控时间间歇抽真空，改善温度断崖式下跌情况，使热压温度能较为稳定的保持在高水平；本发明可以使得纸浆模塑产品热成型过程中保持温度均衡，加快水蒸汽的蒸发，提高生产效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中一种降低纸浆模塑产品热成型周期的方法流程图；

图2为本发明的降低纸浆模塑产品热成型周期的方法实施例进行纸塑模具样品试验检测时的测试穴位分布示意图；

图3为本发明的降低纸浆模塑产品热成型周期的方法实施例进行纸塑模具样品试验检测时的热压上模温度测试点分布示意图；

图4为本发明的降低纸浆模塑产品热成型周期的方法实施例进行纸塑模具样品试验检测时的热压下模温度测试点分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种降低纸浆模塑产品热成型周期的方法，包括以下步骤：

s100在壁厚超过其他位置壁厚的纸塑模具区域添加热超导材料，使得纸塑模具内部的纸浆受热均匀；

s200在减少纸塑模具的气孔数量基础上，采用cae模拟技术，构建纸塑模具的热压模型，通过热压模型分析，辅助优化气孔排布位置，以气孔排布位置优化后的纸塑模具用于纸浆模塑产品热成型工艺；

s300在纸浆模塑产品热成型过程中，采用间歇式抽真空方式进行水蒸汽的抽排。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本发明通过在温度提升较慢的区域增加超导材料，加快低温区的导热效率，尽快地促进低温区温度的升高，缩短整体加热时间(模具表面的全局温度达到热压标准温度的时间)。适当减少模具气孔，以减少由于气孔排气所造成的热量损失。在减少气孔后，为了不影响模具的排气功能，需要相应地增设气孔间的气道，通过气道连接各个气孔，增加水蒸汽排出可通过的路径宽度，辅助剩余气孔顺利排出水蒸汽。改进模具底部结构，将原来的槽型结构进行修改，增加模具底部与加热板接触面积。修改机器运行程序，将持续真空改为可控时间间歇抽真空，改善温度断崖式下跌情况，使热压温度能较为稳定的保持在高水平；本发明可以使得纸浆模塑产品热成型过程中保持温度均衡，加快水蒸汽的蒸发，提高生产效率。

在一个实施例中，在s100步骤中，所述热超导材料按照质量百分比包括二元醇和/或三元醇50～60％、至少含有两个羧基的有机物0.1～0.5％、含氮杂环有机物0.1～0.5％、含甲基的醇胺化合物0.1～0.5％，余量为水；

所述二元醇为乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丁二醇、戊二醇中的一种或多种的混合；

所述三元醇为丙三醇、丁三醇、2，2-二羟甲基丁醇、2-羟甲基-2-甲基-1，3-丙二醇中的一种或多种的混合；

所述至少含有两个羧基的有机物为癸二酸、柠檬酸、乙二酸、三元聚羧酸、乙二胺四乙酸四钠中的一种或多种的混合；

所述含氮杂环有机物为苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑、苯并咪唑、苯并噻唑中的一种或多种的混合；

所述含甲基的醇胺化合物为n，n-二甲基乙醇胺、n-甲基二乙醇胺、n，n-二甲基异丙醇胺、n-甲基一乙醇胺中的一种或多种的混合。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案提供了可选的热超导材料，该热超导材料为混合式液体，其沸点温度为180-200℃，利用该热超导材料，可以加速纸塑模具壁厚较大部分的传递速度，从而使得纸塑模具内部各位置的温度更为均衡，避免由于温度不均衡造成的产品质量问题，提高产品合格率和生产效率。

在一个实施例中，在200步骤中，在热压模型分析过程中，进行纸塑模具样品试验检测，将检测数据与热压模型的cae模拟情况进行拟合，修正热压模型中的气孔排布位置，至热压模型中各点的最大温差不超过预设的温差阈值，采用修正后的气孔排布位置制作的纸塑模具用于纸浆模塑产品热成型工艺。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中进行纸塑模具样品试验检测时，可以按照图2-4所示测试点分布；采用样品试验检测与cae模拟情况进行拟合，可以避免cae模拟情况进行拟合存在误差，使得分析结果与实际更相符；这样的结果用于修正气孔排布位置，能够让纸塑模具优化效果更理想。

在一个实施例中，在300步骤中，所述间歇式抽真空方式为：以设定时间为周期，将每个周期划分成第一时段和第二时段；其中第一时段用于抽吸设备进行水蒸汽的抽排，而第二时段停止抽吸设备；所述设定时间为40秒，所述第一时段和第二时段都为20秒。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过采用间歇式抽真空方式，避免持续性抽真空造成的温度断涯式下降，能够更好地维持工艺温度在合理范围，提高产品质量和合格率；其中抽真空开启与停止还可以通过温度控制来操作，设定温度控制范围的上限和下限，当温度达到上限时开启抽真空，当温度下降至下限时停止抽真空；或者采用时间与温度联合控制方式，以间隔时长控制开启抽真空，以温度下限控制停止抽真空，这样即可保障工艺温度，又可保障生产效率。

在一个实施例中，所述纸塑模具在添加热超导材料的区域设有密闭腔体，所述热超导材料填充在密闭腔体，热超导材料在下方热源处被加热由液态变为气态，气态高温热超导材料上升到顶部，通过顶壁对纸浆进行加热，然后热超导材料被冷却变回液态，在液态热超导材料重力作用下回落到下方；

采用以下公式计算所述热超导材料的最小添加质量：

上式中，mmin表示热超导材料的最小添加质量；λ表示纸塑模具的传热系数；a表示添加热超导材料的面积；t1表示纸塑模具加热侧壁厚最小处的外表面温度；t2表示纸塑模具加热侧壁厚最小处的内表面温度；q表示热超导材料的气化潜热；δmin表示纸塑模具加热侧的最小壁厚。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用上述公式计算热超导材料的最小添加质量，实际添加质量可以在最小添加质量基础了乘以一个保障系数来精确控制，以控制纸塑模具中添加的热超导材料不低于计算结果，防止由于热超导材料不足而无法达到较好的温度均衡效果，同时又可以控制热超导材料过量太多增加成本或者调节过量把低温区变成高温区造成另一种温度不均衡。

在一个实施例中，在纸浆模塑产品热成型过程中，热压温度控制为140-180℃。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过控制热压温度控制为140-180℃，可以充分保障水蒸发的效率，从而提高生产效率，同时保障产品质量。

在一个实施例中，在纸浆模塑产品热成型过程中，采用电加热板作为热源，所述电加热板和纸塑模具的一侧紧密接触，在电加热板和纸塑模具两者外围采用保温材料进行隔热；所述电加热板的最小功率采用以下公式计算确定：

上式中，qmin表示电加热板的最小功率；m水表示每次放入纸塑模具中纸浆的含水量；q水表示水的气化潜热；c表示水的比热；t汽表示水蒸汽的温度；表示；t0表示放入纸塑模具中纸浆的初始温度；t表示每次纸浆模塑产品的热成型时长。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在电加热板和纸塑模具两者外围采用保温材料进行隔热，减少工艺中的能耗，降低生产成本；另外，采用上述公式计算可得到热源(电加热板)的最小功率，实现加热的精确控制，避免由于热源原因导致的温度起伏波动，可以提高产品质量。

在一个实施例中，所述纸塑模具包括热压下模和热压上模，所述热压下模和热压上模的相互背离面者设置加热装置进行加热，所述加热装置采用电加热板。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在热压下模和热压上模的相互背离侧都设置加热装置，由于热压下模较厚处对应的热压上模一般会较薄，即热压下模加热慢的位置其热压上模加热会快，所以可以减少加热的不均匀，提高加热速度和效率。

在一个实施例中，在纸浆模塑产品热成型过程中，当干燥使得成型纸的质量含水不超过3％时，认为达到干燥要求，进行成型纸出模，出模时，打开纸塑模具后立即采用氮气吹成型纸表面进行冷却。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案以质量含水不超过3％作为工艺过程中干燥的标准，使得产品干燥一致性更好；在出模时，打开纸塑模具后立即采用氮气吹成型纸表面进行冷却，一是采用氮气可以隔离空气中的氧气，避免成型纸在高温下与氧气接触而发生意外着火；二是加速冷却过程，方便产品出模具并及时移动，提高生产效率。

本发明通过cae模拟技术对热压模具的材料，气孔气道结构以及模具底部结构进行了优化，通过产品检测对成型机台生产程序进行了修改，最大程度缩短热压成型周期，提高纸塑产品生产效率，降低生产成本。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现：

一、优化热压模具材料

根据测温试验数据得到模具的温差图，找到加热过程中，模具升温较慢的区域，标注为低温区。为了提高低温区的升温速率，本发明提出在该区域添加超导材料，提高低温区的热传导效率，促使该区域的升温相应加快，跟上高温区的升温速度，使模受热更加均匀，整体升温速度更快，导热效率更高。

二、减少气孔数量以及优化气孔气道排布

气孔是热压环节必要的存在，但是其存在会影响热压效率，因为气孔的排气过程会带走模具表面的热量。因此，为了提高模具受热升温效率，我们选择适当减少模具气孔数量，以减少由于气孔排气所造成的热量损失。在减少气孔后，为了不影响模具的排气功能，相应地要增设气孔间的气道，辅助剩余气孔顺利排出水蒸气。

这里涉及到气孔数量和气孔间气道的分布问题，为找到最佳布局方案，本方案借助了cae辅助模拟技术。通过不断实际试验测温，将真实的试验数据与电脑端的数据模型进行拟合，不断修正电脑上的理论模型，让电脑的数据模型最大程度的符合实际情况，最终通过直接修改电脑端模型气孔排列以及气道排布的方式，找出最佳的气孔气道排列方案，这包括合理的数量以及位置，以达到优化模具提高热压效率的目的。

三、改进模具底部开槽结构

为了水蒸气的顺利排出，开槽结构是必要的，它连通了每个通气孔，使得水蒸气顺着排气管道排出。但是这种槽型结构会破坏模具底部表面的完整性，使得模具与加热板接触的面积较小，尤其是在开槽的区域，热量要先通过其中的空气在传到模具，严重影响热量从热源到模具的传递。因此，我们改变槽型结构的走向和排布，将原有的方形槽改为圆形槽，提高模具底部受热效率，增加底部与加热板接触面积，将原有73％的接触面积提高到80％，温度测试表明，使用这种结构，能一直以比原模具温度高7-8℃的速率升温(初始温度相同)。

四、改进成型机台生产程序

真空抽气是机台生产时的必要程序，但在真空开启后的短时间内模具的温度将会下降至较低水平，严重影响热压效率和热压质量。于是本方案采用将原有持续真空改为间歇真空的方式，设置一系列时间梯度，因为在相同热压时间下，热压温度同产品含水率成正比，所以通过产品含水率检测找到最佳间歇真空时间，进而减少总的热压时间使产品含水率回升至正常水平。根据上述试验，找到合适的间歇真空时间和热压时间，直接减少了产品成型周期。

经过以上四个方向的优化，在优化模具结构和改进成型机台程序的基础上，最终热压模具的热成型周期成功降低了30％，有效地节约了成型时间，降低了热成型的工艺成本。

本发明的纸塑模具结构改进方案进程包括：确定检测产品放置的穴位；确定每个穴位热压上下模的温度检测点的数量以及位置；测量加热板加热后温度区域；测量热压时各检测点加热过程中各时间点的温度值并得到温度变化曲线；将检测温度值与cae模拟软件中的预测温度做比对，矫正数据模型；根据每上一轮的温度测试结果，确定低温区并添加超导材料；根据每上一轮的温度检测结果，分析降温过快的气孔并对气孔数量以及气道位置做出优化修正；根据每上一轮的温度检测结果，修改模具底部结构，将优化后模型结构放入cae软件中模拟新一轮温度测试，直至热压周期有明显改善，得到最终优化的热压上下模结构。初始模具加热温度变化模型就是对照组，以及每次修改模具结构后的上一轮测试模型，也都作为优化对照组。

本发明的控制程序改进方案进程包括：确定热压合模总时间；设计间歇真空时间梯度(开/闭真空)；在设置的时间梯度下开启仪器，对刚下机的产品立刻装密封袋送往检测室进行含水率检测；直至将所设置的时间梯度测试完成，得到含水率的数据。选取含水率结果最低的一次间歇真空时间(开/闭真空)，设置几个低于原来热压时间的时间参数,并在此基础上运行成型机器，取得产品后送往检测室进行含水率检测；直至将所设置的热压时间测试完成，得到含水率的数据。选取含水率结果最低的一次热压时间。最后将真空程序修改为上述试验中得到的间歇真空(开/闭真空)时间和热压时间。初始程序设置就是对照组，以及每次试验修改间歇真空时间(开/闭真空)后的上一轮测试模型，也都作为优化对照组。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。