全 文 ：第 v|卷 第 t期
u s s v年 t 月
林 业 科 学
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基于磨石机械浆的植物纤维餐具
热压成型原理研究
景 林 赵 卫 黄祖泰
k福建农林大学计算机系 南平 vxvsstl
摘 要 } 基于磨石机械浆的植物纤维模塑餐具热压成型分为 v个阶段 o第一阶段合模压力挤出约 zx h 水
分 o第二阶段湿坯纤维细胞壁和毛细管中的水分被蒸发 o在第三阶段当湿坯温度接近模具温度ktys ∗ t{s ε l
时纤维被塑化 ∀实际生产过程中热压参数调整主要在第二阶段 ∀本文根据热传导原理导出圆筒形植物纤维
模塑餐具的热压温度时间方程 o分析了热压参数间的关系 o并给出应用示例 ∀
关键词 } 植物纤维 o餐具 o热压成型 o热传导 o控制 o原理
收稿日期 }ussu p sz p sx ∀
ΣΤΥ∆Ψ ΟΝ ΤΗΕ ΠΡΙΝΧΙΠΛΕ ΟΦ ΗΟΤ2ΠΡΕΣΣ ΦΟΡ ΜΙΝΓ ΦΟΡ ΠΛΑΝΤ
ΦΙΒΕΡ ΤΑΒΛΕ ΩΑΡΕ ΜΑ∆Ε ΒΨ ΣΤΟΝΕ ΜΕΧΗΑΝΙΧ ΠΥΛΠ
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kΧοµπυτερ ∆επαρτµεντ οφ Φυϕιαν Αγριχυλτυρε ανδ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Νανπινγvxvsstl
Αβστραχτ } ׫¨µ¨ ¤µ¨ v ³«¤¶¨¶¬± «²·2³µ¨¶¶©²µ°¬±ª©²µ³¯¤±·©¬¥¨µ·¤¥¯ º¨¤µ¨ °¤§¨ ¥¼ ¶·²±¨ °¨ ¦«¤±¬¦³∏¯³qƒ¬µ¶·o·«¨
°²§¨¯³µ¨¶¶¨¶¤¯°²¶·zx h º¤·¨µo¶¨¦²±§o·«¨ º¤·¨µ¤°²±ª ³¯¤±·©¬¥¨µ¦¨¯¯¶¬¶§µ¬¨§o¤±§¬±·«¨ v·«³«¤¶¨ ·«¨ ©¬¥¨µ¬¶
«¤µ§¨ ±¨ §º«¨ ± ·«¨ º¨ ·µ¤º °¤·¨µ¬¤¯ ¬¶«¨¤·¨§ ±¨ ¤µ·«¨ ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ktys ∗ t{s ε l ²©·«¨ °²§¨¯q ⁄∏µ¬±ª·«¨ ³µ¤¦·¬¦¤¯
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³¤µ¤°¨ ·¨µ¶o¤±§ª¬√¨ ¶¤± ¤³³¯¬¦¤·¬²± ¬¨¤°³¯¨q
Κεψ ωορδσ} °¯¤±·©¬¥¨µoפ¥¯ º¨¤µ¨ o ‹²·2³µ¨¶¶©²µ°¬±ªo‹ ¤¨··µ¤±¶©¨µo≤²±·µ²¯ o°µ¬±¦¬³¯¨
植物纤维浆模塑餐具已被公认是发泡塑料餐具k白色污染l的理想替代品 o在生产上为防止/二
英0污染采用磨石机械浆而不用化学浆 o植物纤维浆模塑餐具采用热压成型工艺 ∀
t 热压过程与热压曲线
1 .1 热压过程
在热压期间 o湿坯在模具中热压干燥 o形成餐具产品 ∀这个过程中 o饱含水分的湿坯在模具压力和
高温作用下产生一系列物理和化学变化 o具体过程如下 }
t1t1t 产品的升温阶段 热压开始时 o合模压力从湿坯中挤出约 zx h水分k缪宗华等 ot|||l o餐具产品
湿坯的温度迅速升高 o经测试 o在这一阶段产品内部的温度不超过 tss ε o结束时温度接近 tss ε ∀
t1t1u 水分蒸发阶段 留在纤维细胞壁和毛细管中的水分在温度和压力共同作用下被蒸发掉 ∀在压
力作用下 o被水塑化膨胀的纤维相互靠近 o较大孔隙中的水分首先被蒸发 o此时湿坯结构无明显变化 ∀
经测试 o在湿坯含水率未降到纤维饱和点之前 o湿坯温度不会高于 tss ε ~之后 o原纤维之间的孔隙中水
分开始蒸发 o此时需要消耗大量热能 o且内部压力升高k缪宗华等 ot|||l ∀水分的排出导致纤维微观空
间收缩k拉紧l o纤维表面相互靠近 o为形成氢键提供了可能性 ∀施加在相互交织的纤维上的压力 o并不
是均匀地传递到整个板面上 o纤维交叉部所承受的压力远大于其标准值 xs ‘#°°puk黄祖泰 oussul ∀
t1t1v 恒温阶段即热压最后阶段 水分几乎全部蒸发 o湿坯干度达 |s h以上k郭元新等 ot|||l ∀当温
度接近热压机模具的温度时k一般为 tys ∗ t{s ε l o范德华力开始作用 o此时纤维素 !半纤维素充分塑化 o
木质素熔化 o并重新均匀分布于植物纤维之间 o最终形成所需产品 ∀这一阶段处于模具临张开前 o所需
时间比第二阶段少得多 ∀
1 .2 热压参数
在热压过程中 o热压参数为模具压力 Π!模具温度 Τ和热压时间 τ∀实际生产中 o由于模具的压力
是由汽缸或油缸产生的 o其最大值 Π°¤¬经调试好后一般不变 o故其为一固定值 o而模具温度则易产生波
动 ∀热压过程的调节控制 o实际上是根据餐具产品要求 o在固定最高工作压力的情况下调整模具温度和
热压时间 o即只有 Τ和 τ是变量 ∀图 t为 Π°¤¬ € °¤oΤ取某个数值ktys ∗ t{s ε l时的热压曲线 ∀温度不
同 o所需的热压时间也不同 o热压曲线就不一样 o因此需要研究模具温度与热压时间之间的关系 τk Τl ∀
图 t 热压曲线
ƒ¬ªqt ‹²·2³µ¨¶¶¦∏µ√¨
u 纤维材料的热传导与热压时间
经现场测试 o模具平均在 t1x ∗ u¶内完成合模 o可以认
为在此时间内完成了热压的第 t阶段 ~在第 u !v阶段 o产品
一方面由表及里开始升温 o另一方面也开始了从外向内的
热化学反应 o对这一过程 o可以采用将餐具湿坯在热模中加
热一段时间后 o再切开来检测其夹层变化情况的方法进行
研究k张荣廷 ot||{l ∀显然这是个复杂的传热过程 o但对同
一种原料 o由于其内部的成分相同 o可以认为每次热压过程都是相近的 ∀
设餐具产品在模具中的热传导遵从如下方程k奥齐西克 ot||z ~杨世铭 ot||{l }
9υ
9τ p
t
Χ‹
u υ € s
其中 o假设 Χ是对应于具有相同化学组分及加工方法的原料传热常数 ~定义 υ是产品温度在模具中的
分布 o是一个复合函数 ~9υ9τ是产品温度在模具中分布随时间变化率 o‹
u 是拉普拉斯k¤³¯¤¦¨l算符 ∀以
生产图 u所示的方便面碗为例 ∀
k¤l
k¥l k¦l
图 u 一种方便面碗
ƒ¬ªqu ’±¨ ®¬±§²©¥²º¯ ©²µ ∏´¬¦®±²²§¯ ¶¨
图中数值的单位是 °°∀ ׫¨ ∏±¬·²©¤°²∏±·¬±©¬ª∏µ¨ ¬¶°° q
在实际生产过程中经检测发现 o对类似图 uk¤l所示的产品 o其圆柱侧面相对底面更易出现夹层现
象 o因此以圆柱侧面为研究对象 ∀将其简化成图 uk¦l所示薄壁圆筒 o由于坯料很薄 o可以认为热压时 o
在很短的时间内 o圆筒内外 !上下与模具接触处的温度相等 ∀
据此可以建立如下的方程 }
twt 第 t期 景 林等 }基于磨石机械浆的植物纤维餐具热压成型原理研究
9u Τ
9ρu n
9Τ
ρ9ρ n
9u Τ
9ζu €
t
Χ
9Τ
9τ
s qsy  ρ  s1syu os  ζ  s1ts o τ  s ~
Τ € Τt oρ € s qsy oρ € s qsyu o ζ € s o ζ € s qts o τ € s ~
Τ € Τs os qsy  ρ  s qsyu os  ζ  s qts o τ € s
ktl
式中 oρ是圆筒半径k°l oζ是圆筒高度k°l ∀ Τ € Τt o ρ€ s qsy o ρ€ s qsyu o ζ € s o ζ € s qts oτ € s表示在
第二阶段初始 o圆筒表面各点温度分布为 Τt o即 Τt 为模具设定温度 ∀ Τ € Τs os qsy  ρ s qsyu os  ζ 
s qts oτ € s表示在第二阶段初始 o圆筒内部各点温度分布为 Τs o即第一阶段刚结束时圆筒内部各点温
度 o设为 tss ε ∀
用分离变量法k梁昆淼 ot||xl来求解ktl o得分离方程 }
§u Ρs
§ρu n
§Ρs
ρ§ρ n Β
u Ρs € s kul
§u Ζ
§ζu n Γ
u Ζ € s kvl
§#
§ρ n
Κu
Χ# € s kwl
可得到分离解为 }ε p kΒuµ n Γuπl#τΠΧ oΡskΒµ oρl和 Ζk Γπ oζl ∀式中 Ρs !Ζ !# 均为独立的特征函数 o特征值 Βµ
和 Γπ 均是离散的数 o且有 Κuν € Βuµ n Γuπ o因为在 ρ和 ζ方向上的区域上都是有限的 o有 }
Τ € Τkρoζ oτl € 6
]
µ € t
6
]
π€ t
Χµπ # ΡskΒµ oρl # ΖkΓπ oζl # p¨kΒ
u
µ n Κ
u
πl#τΠΧ kxl
将 τ € s时的初始条件代入kxl o得
Τs € 6
]
µ € t
6
]
π € t
Χµπ # ΡskΒµ oρl # ΖkΓπ oζl s qsy  ρ  s qsyu os  ζ  s qts kyl
用算子 Θ βαρΡskΒµ oρl§ρ和 Θ λs ΖkΓπ oΖl§ζ对kyl式两边进行运算 o利用其正交性 o得 }
Χµπ € tΝkΒµl # ΝkΓπlΘβρ€ αΘλζ € s ρ# ΡskΒµ oρl # ΖkΓπ oζl # Τs§ρ§ζ kzl
式中特征函数 ΡskΒµ oρl € ϑskΒµρl# ΝskΒµ βl p ϑskΒµ βl# ΝskΒµρl为kul的特征解 o其范数 }
ΝkΒµl € uΠu #
ϑuskΒµ αl p ϑuskΒµ βl
Βuµ # ϑuskΒµ αl
Βµ 是方程 ϑskΒµ αl# ΝskΒµ βl p ϑskΒµ βl# ΝskΒµ αl € s的正根 o而特征函数 ΖkΓπ oζl为kvl式的解 oΖk Γπ o
ζl €¶¬±kΓπζl o其范数 }ΝkΓπl € uη ~特征值 Γπ 为方程¶¬±kΒµζl € s正根 }
Γπ € λΠΠη oλ € t ov ox oz o| o, , k{l
将以上各式代入kxl o并考虑朗斯基关系式k • µ²±¶®¬¤± µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³l
ϑskΒρl ΝχskΒρl p ΝskΒρlϑχskΒρl € uΠΒρ可以整理得
Τkρoζ oτl € Τt n wk Τs p Τtl # 6
]
ν € t
ΝskΒν αl # ΝskΒνβl
ku ν n tl # ≈ ΝskΒναl n ΝskΒνβl  q
ϑskΒνρl p ϑskΒναlΝskΒναl ΝskΒνρl #¶¬±kΓνζl # ¬¨³kp Κ
u
ντΠΧl k ν € t ov ox oz o| o, ,取正奇数l k|l
将已知条件知 η € s qt ° o α € s qsy ° o β € s qsyu °代入k{l o并根据特殊函数的数值表k⁄µq∞∏ª¨±
¤«±®¨¯¤±§ƒµ¬·¨½ ∞°§¨ oפ¥¯ ¶¨²©©∏±¦·¬²±¶º¬·«©²µ°∏¯¤¨ ¤±§¦∏µ√¨ ¶l o用数值法可求得特征函数的前三个根
Βt € xs oΒu € txs oΒv € vwv ∀由于 Κuν € Βuµ n Γuπ o可得 }
uwt 林 业 科 学 v|卷
Κut p Γut € xs ~ Κuu p Γuu € txs ~ Κuv p Γuv € vwv ktsl
由k{l式和ktsl式可得 Κ的前三个特征值 }Κt € v w{x ~Κu € vt vzv ~Κv € twu u|{ ∀
因为 Κv   Κu   Κt o可知k|l式级数收敛很快 o所以只取特征值第一项 ∀把第一项值代入k|l式 o
并令式中 ρ€ kαn βlΠu € s1syt ° o并取 ζ € s1sx °k即空心圆柱的中心部位l ∀查特殊函数的数值表并经
过计算 o可得这部位的温度变化函数关系式为 }
Τkτl € Τt n v qxk Τs p Τtl ¬¨³kp v w{xτΠΧl kttl
式kttl表示圆筒中心部位的温度 Τkτl变化受到模具 Τt o材料本身的传热性质 Χ的影响 ∀圆筒中心部
位的温度达到使其充分发生化学反应时 o设 Τkτl € ΤΡkτl o则此时第二阶段产品完全压制成功所需的时
间 }
τ €
±¯ v qxk Τs p ΤtlΤΡ p Τt # Χ
v w{x ktul
公式ktul说明了热压时间 τ !模具温度 Τt !餐具充分进行化学反应k即由湿坯变为产品l所需的温度
ΤΡ 之间的关系 ∀当原料的成分和餐具几何形状固定时 o根据以上关系 o通过实验的方法可以测定出某
种原料的 Χ值及其变化范围 ∀这样 o当原料的成分及加工方法有变时 o就可以根据公式ktul调整热压
时间 τ或模具温度 Τt o从而避免了在生产过程中由于原料变化而进行热压时间 τ和模具温度 Τt 调整时
的盲目性 o最终避免了产品质量的不稳定 ∀
v 不同原料和热压时间对 Χ的影响
由假设知 Χ是一个与原料成分的相对应的常数 o它受原料的品种 !组成 !机械分离方法 !浆料处理
剂的特性的影响 ∀试验表明 oΧ主要与磨石机械浆的组成特性有关 o这可以通过分析机械浆原料的化学
组分 o掌握机械浆的理化性质 ∀
tl 赵 卫 q全自动纸浆横塑餐具控制系统研究 q福建农林大学硕士学位论文 oussu qx }vw ∗ vz
根据我们的试验及分析 o若浆料以芦苇作为原料 o其主要化学组成 }纤维素 xs1|z h o木素 t|1x{ h o
半纤维素 uu1tx h ∀设定模具温度 Τt 为 uss ε o考虑木素的熔点并结合生产实践 o取热化学反应所需的
温度 ΤΡ 为 tys ε o此时 o通过对最终产品的质量检验和统计分析 o发现当时间调整在 u{1x ¶时 o产品质
量k防水性及强度l最佳 ∀将以上数据代入式ktul计算可得 Χ€ wx zzt ¶#°pu ~又如以甘蔗渣为原料时 o
其主要化学组成 }纤维素 wu1ty h o木素 uv1v{ h o半纤维素 us1sv h o设定模具温度 Τt 为 uss ε o考虑木
素的熔点并结合生产实践 o取热化学反应所需的温度 ΤΡ 为 tys ε o采用同上的质量检验和统计分析方
法 o当时间调整在 vt1x¶o产品质量最佳 o将以上数据代入计算可得 Χ€ xs x{|¶#°pu ~同理还可以计算以
杉木间伐材 !松木间伐材 !枝丫材为原料的参数 ∀
这样 o不论是采用何种原料 o只要预先测得它们在某一固定的生产设备下的 Χ值 o当模具温度变化
时 o便可根据公式ktul来调整热压时间 ~从公式ktul还可得知 o在相同的热压设备和工艺条件下 o热压时
间 τ与 Χ成正比 o即热压时间只与原料特性有关 ∀
真正在生产上 o由于磨石机械浆纤维短 o成型比较困难 o为提高产品质量 o我们在使用杉Π松木间伐
材磨石机械浆时需要掺 us h的甘蔗渣化学浆 o这也是影响 Χ值的因素之一tl ∀
w 结论
在植物纤维浆模塑餐具的生产过程中 o产品的热压过程是生产的核心 o一方面它对产品的质量有很
大的影响 o另一方面它占据着生产成本很大的比重 ∀因此 o对其进行研究既有理论意义又有现实意义 ∀
vwt 第 t期 景 林等 }基于磨石机械浆的植物纤维餐具热压成型原理研究
本文对其研究的结果 o已经投入应用 o在生产上产生了很好的经济效益tl ∀
对于圆筒形植物纤维机械浆模塑餐具的热压过程 o可以按本文提出的方法确定机械浆料 Χ值 o然
后代入公式ktul进行热压控制 ∀
需要说明 o由于热压过程本身的复杂性 o使现场调试 !参数测量和统计数据处理变得比较困难 ∀事
实上 o模塑餐具产品质量还应该跟热压工序之前的工序完成的好坏有关 o也可能同辅料 !助剂 !制浆方式
和浆料浓度等一系列因素有关 o这一方面可以通过大量的实验 o找出这些因素与 Χ的统计关系 o另一方
面 o我们还设计了模糊控制模型k景林等 ot||{l o综合解决热压控制问题 ∀
必须指出 o本文提出了一种研究热压过程的方法 o但该方法在一定程度上受实验条件的限制 o如公
式ktul的推导和应用是在固定的生产线上进行的 o故只有在该生产线上生产指定几何形状产品时应用
才是比较合理的 ∀因此如何找到一种通用的研究植物纤维热压成型原理的方法 o对控制生产成本 o最终
消灭/白色污染0将有着重要意义 ∀
tl 黄祖泰 q全自动纸浆横塑餐具设备的研究 q福建省教委科技项目≈¤ssuts 鉴定材料 oussu ov }tt ∗ vs
参 考 文 献
郭元新 o沈开惠 q绿色纤维餐具的生产工艺技术 q安徽农业技术师范学院学报 qt||| otvkul }ttt ∗ ttv
景 林 o郭建钢 o叶金俊等 q纤维热压机模糊控制模型的研究 q福建林学院学报 qt||{ ot{kwl }uw{ ∗ uxs
刘志忱 q纸浆模塑机理及其模具设计研究 q广东包装 qusst ottkul }t{ ∗ ut
梁昆淼 q数学物理方法 q北京 }高等教育出版社 ot||x }tu| ∗ tws
缪宗华 o黄祖泰 o李正红 q环保型植物纤维一次性餐具生产工艺及其设备设计 q林业机械与木工设备 qt||| otukttl }uw ∗ uz
k美l q‘q奥齐西克著 o俞昌铭译 q热传导 q北京 }高等教育出版社 ot||z }wy ∗ xx
杨世铭 q传热学 q西安 }西安交通大学出版社 ot||{ }z{ ∗ {v
张荣廷 q工程常用物质的热物理性质手册 q北京 }新时代出版社 ot||{ }usu ∗ uts
wwt 林 业 科 学 v|卷