[摘要] 介绍了纸浆模塑冷压过程的脱水机理,提出了冷压过程的2 个阶段,用串联的方法使2个阶段联系起来。在传统过滤理论的基础上考虑到孔隙率的变化,利用平均孔隙率和简化的多孔介质模型得出脱水量方程,同时对影响脱水量的各个因素进行了分析。
关键词:纸浆模塑; 多孔介质; 冷压脱水
冷压脱水是指在纸塑制品成型中通过成型模具、转移模具或专门设计的挤压模具等对吸滤成型的湿坯进行挤压,除去其中水分的过程,在纸浆模塑制品的生产工艺过程中起着非常重要的作用。湿坯的脱水可以分为成型脱水和冷压脱水2 个阶段,在成型脱水阶段,湿坯的相对饱和度(饱和含水量,即湿坯水分所占体积与湿坯空隙总体积之比) 要从开始时的100 %降低到10 %～20 %。在成型机真空抽吸的作用下,水分所占据的大部分空隙被空气所取代,被排除的水分基本上是重力水及空隙水[ 1 ] 。实践表明,对于纸纤维类的高可压缩性的物料,增大过滤压力还不足以排除纸纤维表面水和毛细水,要得到更低含水量必须通过其他的方法获得,如冷压、热风干燥等。相比之下冷压是一种高效节能的方法[ 2 ] 。此外,冷压脱水还可以增加湿坯中纤维的结合力,提高制品的紧度和强度,减少在湿坯转移过程中破损的损失。经过冷压制出的产品挺括,纤维紧密度高,表面光整,产品刚性增强,几何形状和尺寸基本上可以达到预设的要求,一致性很好。传统的湿坯脱水方法是热风干燥,对冷压过程的研究与分析不够深入。建立科学合理的纸浆模塑湿坯冷压过程物理和数学模型,采用数值方法计算湿坯在冷压过程中各参数的变化规律,为准确解释冷压脱水的物理过程和准确控制冷压参数提供了可能。
1 冷压过程中的脱水机理
纸浆模塑是典型的多孔介质,在施加于湿坯表面的外部机械压力的作用下,湿坯产生变形并被压紧,其中存在着两种基本的变形机制[ 3 ] 。
1) 黏性变形。指纤维的靠拢。纤维骨架中的细小部分更加致密的堆积在一起导致的介质整体变形同时充满空隙中的自由水被挤压出去。这部分变形是不可恢复的。
2) 弹性变形。指纤维本体的变形。受相邻纤维的压力,骨架纤维自身的变形而导致的介质本体变形,当卸去外加载荷时,纤维部分伸展。这部分变形是可以恢复的。纸浆模塑制品的冷压过程一般可分为2 个阶段:
1) 由上模进入冷压区接触湿坯开始至湿坯水分达到饱和为止。在此区段中,随着总压力增加,湿坯受到压缩,首先使所含的空气排出。因为湿坯处于未饱和状态,故不存在水压力,总压力全部用于压缩湿坯的纤维结构。
2) 由湿坯饱和开始至脱水结束[ 4 ] 。在此区段中,湿坯已饱和,同时流体水压力先增加后下降,水由湿坯挤压入模具网孔中。绝大部分水分都由此阶段排除。
2 纸浆模塑冷压模型的建立
长期以来,由于压密理论的研究不足,一般过滤、压密研究都是基于Ruth 恒压基本过滤方程的基础上,但当冷压过程进入压密脱水阶段后,湿坯的孔隙率已不是一个常数,而是连续降低,不能满足Ruth 恒压基本过滤方程的基本假设。为了对冷压脱水的过程作数学分析,提出下列计算模型:
1) 湿坯为由固体的细小部分和液体组成的两相介质的形式,真空吸滤成型后的湿坯中的水分未达到饱和。
2) 冷压脱水的第一阶段通过毛细管作用和两相流动,湿坯干度变化很小,故忽略不计。
3) 施加的恒定压力垂直于湿坯表面且不会压溃试样,即变形只在一个方向上发生,而纤维在作用力方向垂直的平面里不发生移动,忽略纤维本体的变形以及水的可压缩性。
4) 在所取的湿坯计算模型中水的过滤符合不可压缩液体在圆管内的稳定层流流动。根据假设,由于忽略了冷压脱水第一阶段的湿坯含水量变化,因此可以把第一阶段和第二阶段分开讨论然后进行串联处理。
设真空吸滤后湿坯水分相对饱和度为φ, 厚度为L′0 , 经过第一阶段厚度变至L 0 导致孔隙率由ε0 变至ε0 ,相对饱和度变为100 %,此阶段外加载荷全部作用在固体纤维上没有水压力,所用时间很短可以忽略。
（待续）
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