[摘要] 介紹了紙漿模塑冷壓過程的脫水機理,提出了冷壓過程的2 個階段,用串聯(lián)的方法使2個階段聯(lián)系起來。在傳統(tǒng)過濾理論的基礎上考慮到孔隙率的變化,利用平均孔隙率和簡化的多孔介質(zhì)模型得出脫水量方程,同時對影響脫水量的各個因素進行了分析。
關鍵詞:紙漿模塑; 多孔介質(zhì); 冷壓脫水
冷壓脫水是指在紙塑制品成型中通過成型模具、轉(zhuǎn)移模具或?qū)ｉT設計的擠壓模具等對吸濾成型的濕坯進行擠壓,除去其中水分的過程,在紙漿模塑制品的生產(chǎn)工藝過程中起著非常重要的作用。濕坯的脫水可以分為成型脫水和冷壓脫水2 個階段,在成型脫水階段,濕坯的相對飽和度(飽和含水量,即濕坯水分所占體積與濕坯空隙總體積之比) 要從開始時的100 %降低到10 %～20 %。在成型機真空抽吸的作用下,水分所占據(jù)的大部分空隙被空氣所取代,被排除的水分基本上是重力水及空隙水[ 1 ] 。實踐表明,對于紙纖維類的高可壓縮性的物料,增大過濾壓力還不足以排除紙纖維表面水和毛細水,要得到更低含水量必須通過其他的方法獲得,如冷壓、熱風干燥等。相比之下冷壓是一種高效節(jié)能的方法[ 2 ] 。此外,冷壓脫水還可以增加濕坯中纖維的結(jié)合力,提高制品的緊度和強度,減少在濕坯轉(zhuǎn)移過程中破損的損失。經(jīng)過冷壓制出的產(chǎn)品挺括,纖維緊密度高,表面光整,產(chǎn)品剛性增強,幾何形狀和尺寸基本上可以達到預設的要求,一致性很好。傳統(tǒng)的濕坯脫水方法是熱風干燥,對冷壓過程的研究與分析不夠深入。建立科學合理的紙漿模塑濕坯冷壓過程物理和數(shù)學模型,采用數(shù)值方法計算濕坯在冷壓過程中各參數(shù)的變化規(guī)律,為準確解釋冷壓脫水的物理過程和準確控制冷壓參數(shù)提供了可能。
1 冷壓過程中的脫水機理
紙漿模塑是典型的多孔介質(zhì),在施加于濕坯表面的外部機械壓力的作用下,濕坯產(chǎn)生變形并被壓緊,其中存在著兩種基本的變形機制[ 3 ] 。
1) 黏性變形。指纖維的靠攏。纖維骨架中的細小部分更加致密的堆積在一起導致的介質(zhì)整體變形同時充滿空隙中的自由水被擠壓出去。這部分變形是不可恢復的。
2) 彈性變形。指纖維本體的變形。受相鄰纖維的壓力,骨架纖維自身的變形而導致的介質(zhì)本體變形,當卸去外加載荷時,纖維部分伸展。這部分變形是可以恢復的。紙漿模塑制品的冷壓過程一般可分為2 個階段:
1) 由上模進入冷壓區(qū)接觸濕坯開始至濕坯水分達到飽和為止。在此區(qū)段中,隨著總壓力增加,濕坯受到壓縮,首先使所含的空氣排出。因為濕坯處于未飽和狀態(tài),故不存在水壓力,總壓力全部用于壓縮濕坯的纖維結(jié)構(gòu)。
2) 由濕坯飽和開始至脫水結(jié)束[ 4 ] 。在此區(qū)段中,濕坯已飽和,同時流體水壓力先增加后下降,水由濕坯擠壓入模具網(wǎng)孔中。絕大部分水分都由此階段排除。
2 紙漿模塑冷壓模型的建立
長期以來,由于壓密理論的研究不足,一般過濾、壓密研究都是基于Ruth 恒壓基本過濾方程的基礎上,但當冷壓過程進入壓密脫水階段后,濕坯的孔隙率已不是一個常數(shù),而是連續(xù)降低,不能滿足Ruth 恒壓基本過濾方程的基本假設。為了對冷壓脫水的過程作數(shù)學分析,提出下列計算模型:
1) 濕坯為由固體的細小部分和液體組成的兩相介質(zhì)的形式,真空吸濾成型后的濕坯中的水分未達到飽和。
2) 冷壓脫水的第一階段通過毛細管作用和兩相流動,濕坯干度變化很小,故忽略不計。
3) 施加的恒定壓力垂直于濕坯表面且不會壓潰試樣,即變形只在一個方向上發(fā)生,而纖維在作用力方向垂直的平面里不發(fā)生移動,忽略纖維本體的變形以及水的可壓縮性。
4) 在所取的濕坯計算模型中水的過濾符合不可壓縮液體在圓管內(nèi)的穩(wěn)定層流流動。根據(jù)假設,由于忽略了冷壓脫水第一階段的濕坯含水量變化,因此可以把第一階段和第二階段分開討論然后進行串聯(lián)處理。
設真空吸濾后濕坯水分相對飽和度為φ, 厚度為L′0 , 經(jīng)過第一階段厚度變至L 0 導致孔隙率由ε0 變至ε0 ,相對飽和度變?yōu)?00 %,此階段外加載荷全部作用在固體纖維上沒有水壓力,所用時間很短可以忽略。
（待續(xù)）
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