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紙漿模塑創新技術與發展趨勢展望

2021-1-22

2020年1月,我國新版“限塑令”出臺,紙質包裝憑借諸多優點成為了替代塑料的選擇,造紙行業將成為減塑、代塑行動的重要參與者。中國造紙雜志社旗下《造紙信息》制作了“減塑代塑”系列專題,邀請到大連工業大學輕工與化學工程學院包裝工程系主任黃俊彥教授,分享紙漿模塑的環保特點和創新空間,并對未來紙漿模塑創新技術的發展趨勢進行展望。

紙漿模塑這一環保型的產品在我國規?;a已有30 多年的歷史。近年來,隨著我國國民經濟的健康快速發展,紙漿模塑行業也發生了日新月異的變化,生產規模不斷擴大,技術水平不斷提高。從早期的干壓生產工藝為主發展為干壓、濕壓工藝并舉發展,更加環保節能的直壓工藝技術已成為紙漿模塑技術研發的新方向。生產設備從簡單的單機單工位和雙工位生產,發展為連續化、自動化的濕壓工藝生產優質紙漿模塑制品,更有無人化、智能化生產設備已經開發出來。紙漿模塑產品的應用范圍也從要求不高的農副產品托盤、食品藥品包裝、工業制品內包裝,發展到高精儀器儀表、電子產品的防護包裝和高精一次性餐具等。紙漿模塑相關的研究工作重心也從如何降低生產成本和拓展產品應用范圍,轉變到更深層次的結構創新、助劑研發、紙漿模塑制品的物理、化學性能測量以及高精紙模產品的加工工藝設計等。

2020 年1 月,國家發展改革委、生態環境部發布《關于進一步加強塑料污染治理的意見》,其中主要目標是到2020 年底,率先在部分地區和領域禁限生產、銷售和使用部分塑料制品,到2022 年,一次性塑料制品消費量明顯減少,其替代產品得到推廣使用,到2025年,代塑產品開發應用水平進一步提升,塑料產生的污染得到有效控制。在廣泛實施禁塑限塑的新形勢下,紙漿模塑制品由于其優異的環保和可降解性能,將成為“限塑令”后的主要替代品,可以預測,在今后幾年內,紙漿模塑行業將迎來快速發展的大好時期。
1 紙漿模塑的環保特點和創新
1.1 紙漿模塑的環保特點
(1)紙漿模塑制品原料來源廣泛,主要原料大多采用草本植物纖維,如蘆葦、麥草、稻草、蔗渣、竹子等。目前國內以蘆葦、蔗渣、竹子、麥草等草類纖維為主導原料的制漿廠都有自己的治污系統,在原料上紙模制品完全走出了一條“集中制漿,分散生產”的道路模式,不僅自身沒有環境污染問題,并且還能獲得較為可靠的原料保證。而采用廢紙原料的紙漿模塑制品生產企業一般不存在制漿產生的環境污染問題。
(2)紙漿模塑制品生產工藝技術簡練,生產過程中基本無污染源出現,符合環保生產要求。另外紙漿模塑生產各工序中除自控系統管理對操作人員素質要求較高外,其余均為熟練技術崗位,經過短期培訓便能掌握操作技能,再加上紙漿模塑生產設備國產化程度很高,十分有利于項目推廣和應用。

(3)紙漿模塑制品應用領域廣,市場容量大,可挖掘的潛力很豐富,其制品能廣泛用于電器包裝、種植育苗、醫用器皿、餐飲用具和易碎品襯墊等領域,一條兼容性的紙漿模塑生產線只要在模具上加以改進和更換就能生產出各種不同用途的產品,其多元化的功能和可循環再利用的特點令其他同類產品望塵莫及。作為全球第二大經濟體,我國紙漿模塑制品大規模開發和應用的前景非??春?,發展前途廣闊。
(4)目前世界各國正面臨著環境污染帶來的諸多問題,其中各種塑料制品廢棄物處理問題突出。紙漿模塑制品可回收利用的特點能調動相當一部分人的回收積極性,使環保環衛等部門的工作壓力大大緩解,同時它具有的經濟效益也必然會發揮積極作用。紙漿模塑制品大量進入人們生活領域后,必定會受到社會的廣泛接納和人們的普遍歡迎。

 (5)紙漿模塑餐具是紙漿模塑制品中一個重要的分支產品,它容易回收,能再生利用,可自行降解,源于自然又歸于自然,是典型的無污染可降解綠色環保產品,十分符合當今時代的要求和市場的需求。


1.2 紙漿模塑的創新空間


紙漿模塑在我國是一個正在蓬勃發展的行業,它涉及機械設備、模具設計與制造、制品設計與制造、紙漿原料選用與處理、功能性助劑的選用與添加、印刷油墨與印刷方式、紙漿模塑緩沖包裝制品、紙漿模塑餐具與食品藥品包裝制品、精品工業包裝制品等多個領域與行業,其應用范圍也涉及餐具、蛋托果托、食品藥品包裝、電器襯墊、農用器具、醫用器具、軍品包裝、兒童玩具、器具道具、工藝品、人體模特、家具、紙模(機械)零部件等多個領域。因此,紙漿模塑在每個行業領域都有著無限的創新和發展空間。近年來,我國紙漿模塑行業已從多方面進行了紙漿模塑創新技術的研究與開發,取得了可喜的成果,在紙漿模塑生產智能設備設計與制造、精品工業包裝制品的設計與制造、模具設計與研發等方面已經成為全球紙漿模塑行業的領軍集團。


2 紙漿模塑創新技術的研究現狀


2.1 采用雙吸法成型和二次吸濾成型工藝制作有特殊要求的紙漿模塑制品


傳統的紙漿模塑成型一般采用單吸成型方法,它在制作一些有特殊要求的紙漿模塑制品時顯得力不從心,采用上下雙吸成型方法可制作出緩沖性能更好、承載能力更大的紙漿模塑制品,例如采用雙吸法成型可制作重型承載紙漿模塑托盤,綜合承載能力可達到3 t。雙層紙漿模塑制品的生產采用二次吸濾成型工藝,先向成型模具中注入一定量的面層漿料,進行真空吸濾成型;當面層紙漿已經基本成型后,再繼續注入一定量的底層漿料,并進行二次真空吸濾成型,從而制成雙層紙漿模塑制品濕坯,再進行干燥和熱壓整型。


2.2 利用稻麥草發泡技術制作紙漿模塑制品


我國大片區域的稻麥草資源豐富,也可作為紙漿模塑的原料,根據紙漿模塑產品使用場景的需要,將稻麥草發泡技術與紙漿模塑生產技術相結合,可以制作出結構疏松的紙漿模塑制品,可用于加熱榻榻米、水稻育秧板和草坪育苗移植板材等材料。

2.3 采用濕法擠壓復合法制作雙層雙色紙漿模塑制品
雙層雙色紙漿模塑制品可以采用內外層二次成型干燥后再復合的結構,而采用分別成型再擠壓復合法制作雙層雙色紙模制品工藝,則大大簡化了生產工藝過程,制品內外層牢牢地結合成為一體,提高了雙層雙色紙漿模塑制品的強度和耐用性。
2.4 管狀紙漿模塑制品開發與應用
采用一種創新的紙漿模塑生產工藝可以制造在鑄造作業中使用的紙質澆道管,代替傳統的陶瓷澆道管。紙質澆道管具有特殊的耐高溫、抗壓等性能,原料采用不需脫墨的廢紙,加入一定量的無機黏結劑、有機黏結劑、增強劑等助劑,通過特制的模具成型,再經過干燥、整形等工序制成紙質澆道管。紙質澆道管的模塑生產不僅實現了廢紙資源再利用,而且在使用過程中其對生產的鑄件無影響,是典型的環??稍倮卯a品,使用后的廢棄物能自然降解。


也有連續生產的紙漿模塑制管機,可利用特定模具生產連續狀的紙漿模塑管狀制品,在紙漿模塑管狀制品成型脫水的同時進行轉移,濕紙管坯在移動的同時利用專用的烘干設備進行烘干,然后按要求規格進行切斷和捆包,形成紙漿模塑管狀制品,產品在食品、工業產品、農用器具等方面用途廣泛。
2.5 內部緩沖和紙盒襟片結構一體化紙模設計
傳統紙漿模塑工業包裝制品一般是用來作為緩沖襯墊材料使用的,某些新款的紙漿模塑制品將內部緩沖襯墊和紙盒襟片結構設計成一體,在某些應用場合可以代替折疊紙盒紙箱,這種設計將內部緩沖襯墊和外部包裝盒設計成一體,減少了外包紙箱紙盒的使用,可大幅降低包裝成本。
2.6 紙漿模塑制品精美印刷技術逐步應用
通常的紙漿模塑制品表面比較粗糙,難于獲得較好的印刷效果,在表面印刷過程中,其印刷適性與通常的平面紙質承印材料有明顯的不同,而且紙漿模塑制品結構繁雜,凸凹不平,印刷幅面較小,采用傳統的印刷工藝往往難以滿足要求。因此,常采用比較靈活的印刷方式,如移印、絲網印刷、噴墨印刷、凸版膠印、UV 打印等方式,能夠對紙漿模塑制品的凹凸表面進行多色精美印刷。

 當前在紙模行業推廣的UV 打印是一種高科技免制版的全彩色數碼印刷技術,它可以在各種材質表面進行彩色照片級印刷。無需印前制版,一次完成多色印刷,色彩靚麗,印墨耐磨損,防紫外線,操作簡單,方便小批量印刷,印刷速度快,印品完全符合工業印刷標準。目前已有廠家開發出適合紙漿模塑制品快速印刷的高速UV 彩印機,應用于各種紙漿模塑制品的表面印刷。


3 紙漿模塑創新技術的發展趨勢展望


3.1 智能化無人化生產線逐步開發和應用


瑞典PalPac 公司視頻資料顯示,采用先進的直壓工藝,利用卷筒紙或漿板作原料,經過分散纖維和纖維成型、紙幅預壓、噴淋及復合紙幅、成品擠壓和定型等過程,基本實現智能化無人化操作。


隨著智能化、無人化在包裝制品生產過程中的逐步應用,如在紙箱行業、包裝印刷行業的應用,國產智能化、無人化紙漿模塑生產線也在逐步開發和應用。


3.2 高精紙漿模塑制品逐步推廣應用


隨著紙漿模塑包裝在電子產品、禮品等領域的應用,對產品外觀和尺寸的要求也在朝著高精方向發展,即紙漿模塑制品,其特點主要表現為如下五點。


(1)表面光潔度顯著提高,接近或達到注塑產品的表觀水平。


(2)通過在供漿環節安裝電腦自動調漿系統,增加多道除雜器降低漿料雜質等方式,減少產品臟污點。增加分光光譜儀動態監測產品色差,可以將色差控制在ΔE ≤ 1 以內。


(3)傳統紙漿模塑的拔模角度為3° ~ 5°, 紙漿模塑的拔模角度現在可達到2° 以下,技術上可以達到0°。在工藝上多采用多次模壓工藝,一些廠家開發出相應的模具,可采用一次模壓成型工藝,大大減少了成本,提高了效益。


(4)紙漿模塑制品的直線度公差可以達到≤ 0.5 mm,表面粗糙度≤ 3 μm,邊緣R 角可以達到R0.2。


(5)盒型紙模產品厚度由0.7 mm ~ 0.8 mm 增加至1.5 mm 以上,其強度可以與工業紙板相媲美,極大的擴大了盒型紙漿模塑產品的應用范圍,能夠部分代替紙盒包裝化妝品、禮品等中小型紙盒。


3.3 功能性紙漿模塑制品的研究


(1)具有保鮮功能的紙漿模塑制品,在漿料中添加抑菌、殺菌劑,可以延長內包裝果蔬的保鮮期,可以使柑橘保鮮3 個月,荔枝保鮮30 天。


(2)可食用的紙漿模塑制品是利用果蔬為基材,添加適當的增塑劑、增稠劑、抗水劑等,保留果蔬原有天然色澤制成漿料,利用紙漿模塑生產工藝制成內包裝制品,這種包裝制品,既保證包裝功能,又可以食用,減少污染,一舉多得。


(3)高精紙漿模塑制品的生產技術也為進一步研發紙漿模塑制成的機械產品配件提供了可能,如利用紙漿模塑可以制作機械行業的離合器和制動用的摩擦片、潤滑油過濾器、緩沖配件等。


(4)利用高精紙漿模塑制品的生產技術還可以制作房屋裝飾材料,工藝品、文創產品等。

 3.4 紙漿模塑復合材料的研究


紙漿模塑復合材料的研發也是業內人士關注的熱點,隨著紙漿模塑制品市場對產品功能和質量的要求不斷復雜化,單純通過改進生產工藝和添加助劑的方法已經不足以滿足市場需求。而通過添加其他材料來改變紙模產品的原料配方和產品性能,例如將納米材料或高強度的纖維材料添加到原料當中,從而生產出具有特殊性能的紙漿模塑包裝材料,也是未來紙漿模塑的一個重要研究方向。


3.5 利用計算機技術測試分析產品的性能和參數


利用計算機技術測定紙漿模塑產品的性能和參數以實現工藝參數設計的量化計算,是提高紙漿模塑產品質量和生產能力的關鍵,而計算機技術則是利用這些參數進行具體的產品與工藝設計的基礎。依據量化的參數并利用專業軟件建模,通過對紙漿模塑產品進行模擬分析、計算產品工藝與使用性能和各項參數之間的關系,可以完成紙漿模塑制品及其生產工藝的優化設計。


3.6 直壓式生產工藝與設備的研發


傳統的紙漿模塑濕法成型工藝是把紙漿纖維分散到水中,再用成形網模過濾形成濕紙模坯;而直壓式生產工藝則是將原料漿板在開松機中進行離解疏松,在輸送過程中噴涂乳膠樹脂,在成形網上形成疏松的纖維網后,再通過熱壓模切設備加工成紙模制品。直壓式生產工藝采用連續模壓成型的方式生產紙漿模塑制品,它是紙漿模塑生產方法的一個重大變革,紙漿模塑直壓式生產工藝與傳統濕法成型方法相比,大大減少了傳統工藝中紙漿板再濕和碎解、成型、干燥過程中的大量能源消耗。


紙漿模塑直壓式生產工藝節能、環保,已受到業內人士的廣泛關注,一些廠家已致力于研發紙漿模塑直壓式生產工藝與設備。


4 結語


隨著我國國民經濟健康快速發展,與世界各國的經濟往來也日益頻繁和緊密,并且隨著“限塑令”的實施,紙漿模塑這一新興的綠色環保產業必將顯示出強大的生命力和廣闊的市場前景,經過業內人士的不懈努力和不斷創新,紙漿模塑的新工藝、新設備和高精新產品也將不斷地開發和研制出來,未來幾年,我國紙漿模塑行業將迎來一個快速發展時期。

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